JP2012119569A

JP2012119569A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP2012119569A
Application number: JP2010269394A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Saito; 敦史齋藤; Shuhei Ichikawa; 周平市川; Sadayuki Ukishima; 禎之浮島
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】ガラス基板上にスパッタリング法で成長されたＧａＮ半導体層を有する窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】
窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１の表面に配置されたＺｎＯ層１２ａと、スパッタリング法により形成され、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触するＧａＮ半導体層１３とを有している。ＺｎＯ層１２ａの代わりにＴｉ層を有していてもよく、Ｔｉ層とＧａＮ半導体層１３の間にＺｎＯ層１２ａが配置されていてもよい。またＺｎＯ層１２ａとＧａＮ半導体層１３の間にＴｉ層が配置されていてもよい。ガラス基板１１上に成長されたＺｎＯ層１２ａやＴｉ層は（０００２）面に優先配向した状態であり、ＧａＮと結晶格子定数が類似するため、ＺｎＯ層１２ａ又はＴｉ層の表面に、スパッタリング法により形成されるＧａＮ半導体層１３も（０００２）面に優先配向した状態で成長する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関する。

現在、ＣＩＧＳ以降の次世代太陽電池として、ＧａＡｓ系太陽電池が開発されているが、単結晶のＧａＡｓを用いるために、基板が単結晶でなくてはならず、かつＭＢＥ（分子線エピタキシー法）での成長が必要であり、大面積化が難しかった。
そのような中で、ＧａＮ系太陽電池は、理論的には６０％を超す変換効率が可能であり、次世代太陽電池として有望視されている。

しかしながら、従来のＧａＮ系太陽電池は、ＧａＡｓ系太陽電池と同様に基板が単結晶でなくてはならず、かつＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相エピタキシー法）やＭＢＥでの成長が必要であり、大面積化が困難であるという問題があった。
特許文献１乃至特許文献４では、基板上にＧａＮ半導体層をスパッタリング法で成長させる技術が開示されているが、サファイア基板等の単結晶基板を用いる必要があり、大面積化が困難であった。

特開２００８−１５３６０３号公報特開２００８−１５３６１９号公報特開２０１０−０２８１００号公報特開２０１０−０４０８６７号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ガラス基板上にスパッタリング法で成長されたＧａＮ半導体層を有する窒化物半導体素子を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、ガラス基板と、前記ガラス基板の表面に配置されたＺｎＯ層と、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記ＺｎＯ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、を有する窒化物半導体素子である。
本発明は、ガラス基板と、前記ガラス基板の表面に配置されたＴｉ層と、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記Ｔｉ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、を有する窒化物半導体素子である。
本発明は、ガラス基板と、前記ガラス基板の表面に配置されたＴｉ層と、前記Ｔｉ層の表面に配置されたＺｎＯ層と、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記ＺｎＯ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、を有する窒化物半導体素子である。
本発明は、ガラス基板と、前記ガラス基板の表面に配置されたＺｎＯ層と、前記ＺｎＯ層の表面に配置されたＴｉ層と、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記Ｔｉ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、を有する窒化物半導体素子である。
本発明は窒化物半導体素子であって、前記ＺｎＯ層は、Ｇａ又はＡｌのいずれか一方又は両方のドーパントが添加された導電性ＺｎＯ層である窒化物半導体素子である。
本発明は窒化物半導体素子であって、前記ＧａＮ半導体層は、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層の積層構造を有する窒化物半導体素子である。
本発明は窒化物半導体素子であって、前記ｐ型ＧａＮ層と前記ｎ型ＧａＮ層の間には、ｉ型ＩｎＧａＮ層、又はＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された量子井戸層のいずれか一方からなる中間層が配置された窒化物半導体素子である。

ガラス基板上に、スパッタリング法により、（０００２）面に優先配向したＧａＮ半導体層を成長できるので、ＧａＮ系太陽電池の大面積化が可能になる。

（ａ）、（ｂ）：本発明の第一例の窒化物半導体素子の内部側面図（ａ）、（ｂ）：本発明の第二例の窒化物半導体素子の内部側面図（ａ）、（ｂ）：本発明の第三例の窒化物半導体素子の内部側面図（ａ）、（ｂ）：本発明の第四例の窒化物半導体素子の内部側面図半導体素子製造装置の平面図（ａ）〜（ｆ）：窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図窒化物半導体素子に集電極を形成した構成を説明するための図窒化物半導体素子の表面のＸ線回折による測定結果窒化物半導体素子の電流電圧特性の計測結果

＜窒化物半導体素子の構造＞
本発明の第一例の窒化物半導体素子の構造を説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’の内部側面図を示している。

第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１の表面に配置されたＺｎＯ層１２ａと、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触するＧａＮ半導体層１３とを有している。

ＺｎＯ層１２ａは、ここではＧａ又はＡｌのうちいずれか一方又は両方のドーパントが添加された導電性のＺｎＯの薄膜であるが、ドーパントを含まない真性ＺｎＯの薄膜も本発明に含まれる。
ＺｎＯ層１２ａは、本実施例ではスパッタリング法により形成されるが、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法で形成されてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるので好ましい。

ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触してＺｎＯ層１２ａを成長させると、ＺｎＯ層１２ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。「（０００２）面に優先配向した状態」とは、（０００２）面の配向が他の面の配向よりも多い状態をいう。

ＧａＮとＺｎＯの結晶構造はどちらも六方晶であり、結晶格子定数が類似している。そのため、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触して、スパッタリング法によりＧａＮ半導体層１３を成長させると、ＧａＮ半導体層１３も、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。

また、仮にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ半導体層１３を成長させると、５００℃以上の高温加熱された状態でＨ₂とＮＨ₃に曝されることによりＺｎＯ層１２ａのＺｎＯが還元されてしまうが、本発明ではスパッタリング法によりＺｎＯ層１２ａをＨ₂やＮＨ₃に曝されずに、ＧａＮ半導体層１３を成長させるので、ＺｎＯは還元されない。

また、ＧａＮ半導体層１３はスパッタリング法により形成されるので、平面平坦性がよく、より均一な膜厚で成膜される。
ＧａＮ半導体層１３は、ＳｉをドープされたＧａＮ薄膜であるｎ型ＧａＮ層１３ａと、ＭｇをドープされたＧａＮ薄膜であるｐ型ＧａＮ層１３ｂとを有している。

図１（ａ）を参照し、第一の窒化物半導体素子１０ａのＧａＮ半導体層１３では、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してｎ型ＧａＮ層１３ａが成長され、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂが成長されているが、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂが成長され、ｐ型ＧａＮ層１３ｂの表面に接触してｎ型ＧａＮ層１３ａが成長された構成も本発明に含まれる。ｎ型ＧａＮ層１３ａとｐ型ＧａＮ層１３ｂの間にはｐｎ接合が形成されている。

また、図１（ｂ）を参照し、第二の窒化物半導体素子１０ａ’のＧａＮ半導体層１３では、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してｎ型ＧａＮ層１３ａが成長され、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触して中間層１３ｃが成長され、中間層１３ｃの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂが成長されている。中間層１３ｃは、真性ＩｎＧａＮの薄膜からなるｉ型ＩｎＧａＮ層、又はＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された量子井戸層のいずれか一方から成り、ｎ型ＧａＮ層１３ａとｐ型ＧａＮ層１３ｂの間にはｐｉｎ接合又は量子井戸接合が形成されている。

ｐｉｎ接合又は量子井戸接合を有する第二の窒化物半導体素子１０ａ’は、ｐｎ接合を有する第一の窒化物半導体素子１０ａよりも、入射光の吸収を効率よく行うことができるという利点がある。
なお、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂが成長され、ｐ型ＧａＮ層１３ｂの表面に接触して中間層１３ｃが成長され、中間層１３ｃの表面に接触してｎ型ＧａＮ層１３ａが成長されていてもよい。

第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’のＧａＮ半導体層１３の表面に光（例えば太陽光）を照射すると、光はＧａＮ半導体層１３の内部に進入して一部はｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収され、一部はＧａＮ半導体層１３とＺｎＯ層１２ａとガラス基板１１とを順に透過する。ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収された光は電子を励起して、電力が発生する。

一方、ガラス基板１１の表面に光を照射すると、光はガラス基板１１とＺｎＯ層１２ａを順に透過してＧａＮ半導体層１３の内部に進入し、一部はｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収され、一部はＧａＮ半導体層１３を透過する。ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収された光は電子を励起して、電力が発生する。

すなわち、第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’を太陽電池に用いると、透過型の太陽電池を得ることができる。
なお、本発明の実施例ではガラス基板を用いたが、本発明はガラス基板に限らず非晶質の表面に適用できる。

本発明の第二例の窒化物半導体素子の構造を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’の内部側面図を示している。
第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１の表面に配置されたＴｉ層１２ｂと、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触するＧａＮ半導体層１３とを有している。

すなわち、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’は、第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’のＺｎＯ層１２ａの代わりに、Ｔｉ層１２ｂを有している。ガラス基板１１と、ＧａＮ半導体層１３の構造は、第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’と同じであり、説明を省略する。

Ｔｉ層１２ｂの説明をする。Ｔｉ層１２ｂは金属Ｔｉの薄膜である。
Ｔｉ層１２ｂは、本実施例ではスパッタリング法により形成されるが、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法で形成されてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるので好ましい。

ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触してＴｉ層１２ｂを成長させると、Ｔｉ層１２ｂは、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。
ＧａＮとＴｉの結晶構造はどちらも六方晶であり、結晶格子定数が類似している。そのため、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触して、スパッタリング法によりＧａＮ半導体層１３を成長させると、ＧａＮ半導体層１３も、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。

ＧａＮ半導体層１３の表面に光（例えば太陽光）を照射すると、光は半導体層１３の内部に進入して一部はｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収され、一部はＧａＮ半導体層１３を透過した後、Ｔｉ層１２ｂで反射されて、ＧａＮ半導体層１３に再入射し、ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収される。ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収された光は電子を励起して、電力が発生する。すなわち、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’を太陽電池に用いると、Ｔｉ層１２ｂが反射層となり変換効率を上げることができる。

本発明の第三例の窒化物半導体素子の構造を説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’の内部側面図を示している。
第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１の表面に配置されたＴｉ層１２ｂと、Ｔｉ層１２ｂの表面に配置されたＺｎＯ層１２ａと、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触するＧａＮ半導体層１３とを有している。

すなわち、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’のＴｉ層１２ｂとＧａＮ半導体層１３の間に、ＺｎＯ層１２ａが追加されている。ガラス基板１１と、Ｔｉ層１２ｂと、ＧａＮ半導体層１３の構造は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’と同じであり、説明を省略する。

ＺｎＯ層１２ａは、ここではＧａ又はＡｌのうちいずれか一方又は両方のドーパントが添加された導電性ＺｎＯ層であるが、ドーパントを含まない真性ＺｎＯ層である場合も本発明に含まれる。
ＺｎＯ層１２ａは、本実施例ではスパッタリング法により形成されるが、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法で形成されてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるので好ましい。

ＧａＮとＺｎＯの結晶構造はどちらも六方晶であり、結晶格子定数が互いに類似している。そのため、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触して、スパッタリング法によりＧａＮ半導体層１３を成長させると、ＧａＮ半導体層１３も、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。

さらに、ＧａＮの結晶格子定数は、Ｔｉの結晶格子定数よりも、ＺｎＯの結晶格子定数に類似している。そのため、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’のＧａＮ半導体層１３では、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’のＧａＮ半導体層１３よりも、結晶性が向上する。

ＧａＮ半導体層１３の表面に光（例えば太陽光）を照射すると、光はＧａＮ半導体層１３の内部に進入して一部はｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収され、一部はＧａＮ半導体層１３とＺｎＯ層１２ａを順に透過した後、Ｔｉ層１２ｂで反射されて、ＺｎＯ層１２ａを透過してＧａＮ半導体層１３に再入射し、ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収される。ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収された光は電子を励起して、電力が発生する。すなわち、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’を太陽電池に用いると、Ｔｉ層１２ｂが反射層となり変換効率を上げることができる。

本発明の第四例の窒化物半導体素子の構造を説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’の内部側面図を示している。
第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１の表面に配置されたＺｎＯ層１２ａと、ＺｎＯ層１２ａの表面に配置されたＴｉ層１２ｂと、スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触するＧａＮ半導体層１３とを有している。

すなわち、第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’のガラス基板１１とＴｉ層１２ｂとの間に、ＺｎＯ層１２ａが追加されている。ガラス基板１１と、Ｔｉ層１２ｂと、ＧａＮ半導体層１３の構造は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’と同じであり、説明を省略する。

ＺｎＯ層１２ａは、Ｇａ又はＡｌのうちいずれか一方又は両方のドーパントが添加された導電性ＺｎＯ層でもよいし、ドーパントを含まない真性ＺｎＯ層でもよい。
ＺｎＯ層１２ａは、本実施例ではスパッタリング法により形成されるが、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法で形成されてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるので好ましい。

ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触してＺｎＯ層１２ａを成長させると、ＺｎＯ層１２ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長する。
（０００２）面に優先配向したＺｎＯ層１２ａの表面に接触してＴｉ層１２ｂを成長させると、ガラス基板１１の表面に接触してＴｉ層１２ｂを成長させるよりも、Ｔｉ層１２ｂの結晶性が向上する。そのため、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触して成長されたＧａＮ半導体層１３の結晶性は、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’よりも向上する。

ＧａＮ半導体層１３の表面に光（例えば太陽光）を照射すると、光はＧａＮ半導体層１３の内部に進入して一部はｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収され、一部はＧａＮ半導体層１３を透過した後、Ｔｉ層１２ｂで反射されてＧａＮ半導体層１３に再入射し、ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収される。ｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部又は量子井戸接合部で吸収された光は電子を励起して、電力が発生する。すなわち、第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’を太陽電池に用いると、Ｔｉ層１２ｂが反射層となり変換効率を上げることができる。

第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’では、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’とは異なり、光はＺｎＯ層１２ａを通らないので、変換効率がよい。

＜窒化物半導体素子の製造方法＞
第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’の製造方法を説明する。
図５は本実施例に用いる半導体素子製造装置２０の一例の平面図を示している。
半導体素子製造装置２０は、搬入室２１と、バッファ層形成室２２と、ｎ型ＧａＮ層形成室２３と、中間層形成室２４と、ｐ型ＧａＮ層形成室２５と、搬出室２６とを有している。

本実施例では、各室２１〜２６の間は、真空バルブ２９を介してこの順序で直列に接続されており、真空バルブ２９は、処理対象物が各室２１〜２６の間を移動する際に開閉されるようになっている。
また各室２１〜２６には真空ポンプが接続され、それぞれ真空排気可能に構成されている。

（準備工程）
バッファ層形成室２２と、ｎ型ＧａＮ層形成室２３と、中間層形成室２４と、ｐ型ＧａＮ層形成室２５とを、それぞれ真空排気して真空雰囲気にする。以後真空排気を継続して真空雰囲気を維持する。

図６（ａ）の符号１１は、本実施例に用いるガラス基板である。
先ずガラス基板１１を搬入室２１内に搬入し、搬入室２１内を真空排気する。搬入室２１内に真空雰囲気を形成した後、搬入室２１とバッファ層形成室２２の間の真空バルブ２９を開けて搬入室２１の内部とバッファ層形成室２２の内部とを接続し、ガラス基板１１を搬入室２１からバッファ層形成室２２内に移動させる。搬入室２１とバッファ層形成室２２の間の真空バルブ２９を閉じる。

（ＺｎＯ層成長工程）
バッファ層形成室２２内には、ＧＺＯ（Ｇａ₂Ｏ₃が添加されたＺｎＯ）とＡＺＯ（Ａｌ₂Ｏ₃が添加されたＺｎＯ）と真性ＺｎＯのいずれか一種類又は二種類以上からなるＺｎＯターゲットが配置されている。

バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、ターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、図６（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の表面に接触してＺｎＯの薄膜であるＺｎＯ層１２ａを成長させる。
ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触して成長されるＺｎＯ層１２ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

ここではスパッタリング法によりＺｎＯ層１２ａを成長させたが、ガラス基板１１の表面に（０００２）面に優先配向した状態のＺｎＯ層１２ａを成長できるならば、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法によりＺｎＯ層１２ａを成長させてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるため好ましい。

ＺｎＯ層１２ａを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１をｎ型ＧａＮ層形成室２３内に移動させる。

（ＧａＮ半導体層成長工程）
ｎ型ＧａＮ層形成室２３内には、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットのいずれか一方又は両方と、Ｓｉターゲットとが配置されている。
ｎ型ＧａＮ層形成室２３内にＡｒガスとＮ₂ガスとを導入する。Ｎ₂ガスの代わりにＮＨ₃ガスを導入してもよい。ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｓｉターゲットとに電圧を印加してスパッタリングし、図６（ｃ）に示すように、ＺｎＯ層１２ａの表面に、ＳｉがドープされたＧａＮ薄膜であるｎ型ＧａＮ層１３ａを成長させる。

ＺｎＯ層１２ａは（０００２）面に優先配向した状態であり、ＺｎＯ層１２ａの表面にスパッタリング法により成長されるｎ型ＧａＮ層１３ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。
またスパッタリング法より、ｎ型ＧａＮ層１３ａをより均一な膜厚で成膜することができる。

ｎ型ＧａＮ層１３ａを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１を、中間層形成室２４内に移動させる。
中間層形成室２４内には、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットの一方又は両方と、Ｉｎターゲットとが配置されている。

第二の窒化物半導体素子１０ａ’を製造する場合には、中間層形成室２４内にＡｒガスとＮ₂ガスとを導入する。Ｎ₂ガスの代わりにＮＨ₃ガスを導入してもよい。ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｉｎターゲットとに電圧を印加してスパッタリングし、図６（ｄ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触して、ｉ型ＩｎＧａＮ層、又はＧａＮとＩｎＧａＮのが交互に積層された量子井戸層を成長させて、中間層１３ｃを形成する。

ｎ型ＧａＮ層１３ａは（０００２）面に優先配向した状態であり、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触して、スパッタリング法により成長される中間層１３ｃは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。
またスパッタリング法より、中間層１３ｃをより均一な膜厚で成膜することができる。

中間層１３ｃを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１を、ｐ型ＧａＮ層形成室２５内に移動させる。
ｐ型ＧａＮ層形成室２５内にはＧａＮターゲット又はＧａターゲットの一方又は両方と、Ｍｇターゲットとが配置されている。

ｐ型ＧａＮ層形成室２５内にＡｒガスとＮ₂ガスとを導入する。Ｎ₂ガスの代わりにＮＨ₃ガスを導入してもよい。ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｍｇターゲットとに電圧を印加してスパッタリングし、図６（ｅ）に示すように、中間層１３ｃの表面に接触して、ＭｇがドープされたＧａＮ薄膜であるｐ型ＧａＮ層１３ｂを形成する。

中間層１３ｃは（０００２）面に優先配向した状態であり、中間層１３ｃの表面に接触して成長されるｐ型ＧａＮ層１３ｂは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。
またスパッタリング法より、ｐ型ＧａＮ層１３ｂをより均一な膜厚で成膜することができる。

ここでは、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｍｇターゲットとをスパッタリングして、ｐ型ＧａＮ層１３ｂを形成したが、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットをスパッタリングしながら、金属Ｍｇを加熱してＭｇの蒸気を発生させ、中間層１３ｃの表面に、ＭｇがドープされたＧａＮ薄膜であるｐ型ＧａＮ層１３ｂを成長させてもよい。

ｐ型ＧａＮ層１３ｂが所定膜厚に形成されると、第一例の第二の窒化物半導体素子１０ａ’が得られる。
搬出室２６内を真空排気しておき、第二の窒化物半導体素子１０ａ’を真空排気された搬出室２６に移動させ、半導体素子製造装置２０の外部に取り出すと、一連の半導体素子形成工程が終了する。

（ＧａＮ半導体層成長工程の別例）
本発明のＧａＮ半導体層成長工程は上記方法に限定されず、第一の窒化物半導体素子１０ａを製造する場合には、ｎ型ＧａＮ層形成室２３内でｎ型ＧａＮ層１３ａを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１を、中間層形成室２４内で中間層１３ｃの形成を行わずに通過させて、ｐ型ＧａＮ層形成室２５内に移動させる。次いで、ｐ型ＧａＮ層形成室２５内にＡｒガスとＮ₂ガスとを導入する。Ｎ₂ガスの代わりにＮＨ₃ガスを導入してもよい。ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｍｇターゲットとに電圧を印加してスパッタリングし、図６（ｆ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触して、ＭｇがドープされたＧａＮ薄膜であるｐ型ＧａＮ層１３ｂを形成して、ｐｎ接合を有する第一例の窒化物半導体素子１０ａを得る。

中間層１３ｃの形成を行わずに、ｎ型ＧａＮ層１３ａの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂを成長させる場合には、半導体素子製造装置２０から中間層形成室２４を省略してもよい。
また、半導体素子製造装置２０のｎ型ＧａＮ層形成室２３とｐ型ＧａＮ層形成室２５の位置を交換して、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してｐ型ＧａＮ層１３ｂを成長させ、その後、ｐ型ＧａＮ層１３ｂ上にｎ型ＧａＮ層１３ａを成長させて第一例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ａ、１０ａ’を得てもよい。

（第二例の窒化物半導体素子の製造方法）
第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’の製造方法を説明する。
まず、上述の準備工程と同様にして、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２内に移動させる。

バッファ層形成室２２内には、金属Ｔｉのターゲットが配置されている。
バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、ターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、ガラス基板１１表面に接触して、金属Ｔｉの薄膜であるＴｉ層１２ｂを成長させる。
ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触して成長されるＴｉ層１２ｂは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

ここではスパッタリング法によりＴｉ層１２ｂを成長させたが、ガラス基板１１の表面に（０００２）面に優先配向した状態のＴｉ層１２ｂを成長できるならば、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法によりＴｉ層１２ｂを成長させてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるため好ましい。

Ｔｉ層１２ｂを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２から移動させ、上述のＧａＮ半導体層成長工程と同様にして、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触してＧａＮ半導体層１３を成長させると、第二例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｂ、１０ｂ’が得られる。
Ｔｉ層１２ｂは（０００２）面に優先配向した状態であり、Ｔｉ層１２ｂの表面にスパッタリング法により成長されるＧａＮ半導体層１３は、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

（第三例の窒化物半導体素子の製造方法）
第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’の製造方法を説明する。
まず、上述の準備工程と同様にして、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２内に移動させる。
バッファ層形成室２２内には、金属Ｔｉのターゲットが配置され、さらにＧＺＯとＡＺＯと真性ＺｎＯのいずれか一種類又は二種類以上からなるＺｎＯターゲットが配置されている。

バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、まずＴｉターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、ガラス基板１１の表面に接触して、金属Ｔｉの薄膜であるＴｉ層１２ｂを成長させる。
ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触して成長されるＴｉ層１２ｂは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

Ｔｉ層１２ｂを所定膜厚に成長させた後、バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、ＺｎＯターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、Ｔｉ層１２ｂ表面に接触して、ＺｎＯ層１２ａを成長させる。
Ｔｉ層１２ｂは（０００２）面に優先配向した状態である。そのため、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触して成長されるＺｎＯ層１２ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

ここではスパッタリング法によりＺｎＯ層１２ａを成長させたが、Ｔｉ層１２ｂの表面に（０００２）面に優先配向した状態のＺｎＯ層１２ａを成長できるならば、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法によりＺｎＯ層１２ａを成長させてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるため好ましい。

ＺｎＯ層１２ａを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２から移動させ、上述のＧａＮ半導体層成長工程と同様にして、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してＧａＮ半導体層１３を成長させると、第三例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｃ、１０ｃ’が得られる。

ＺｎＯ層１２ａは（０００２）面に優先配向した状態であり、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触してスパッタリング法により成長されるＧａＮ半導体層１３は、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

（第四例の窒化物半導体素子の製造方法）
第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’の製造方法を説明する。
まず、上述の準備工程と同様にして、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２内に移動させる。
バッファ層形成室２２内には、金属Ｔｉのターゲットが配置され、さらにＧＺＯとＡＺＯと真性ＺｎＯのいずれか一種類又は二種類以上からなるＺｎＯターゲットが配置されている。

バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、まずＺｎＯターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、ガラス基板１１の表面に接触して、ＺｎＯ層１２ａを成長させる。
ガラス基板１１は非晶質であり配向性を有していないが、ガラス基板１１の表面に接触して成長されるＺｎＯ層１２ａは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

ＺｎＯ層１２ａを所定膜厚に成長させた後、バッファ層形成室２２内に、Ａｒガスを導入し、金属Ｔｉのターゲットに電圧を印加してスパッタリングし、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触して、Ｔｉ層１２ｂを成長させる。
ＺｎＯ層１２ａは（０００２）面に優先配向した状態である。そのため、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触して成長されるＴｉ層１２ｂは、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。

ここではスパッタリング法によりＴｉ層１２ｂを成長させたが、ＺｎＯ層１２ａの表面に（０００２）面に優先配向した状態のＴｉ層１２ｂを成長できるならば、真空蒸着法又はＣＶＤ法等の他の成膜方法によりＴｉ層１２ｂを成長させてもよい。スパッタリング法によると、より均一な膜厚で成膜できるため好ましい。

Ｔｉ層１２ｂを所定膜厚に成長させた後、ガラス基板１１をバッファ層形成室２２から移動させ、上述のＧａＮ半導体層成長工程と同様にして、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触してＧａＮ半導体層１３を成長させると、第四例の第一、第二の窒化物半導体素子１０ｄ、１０ｄ’が得られる。

Ｔｉ層１２ｂは（０００２）面に優先配向した状態であり、Ｔｉ層１２ｂの表面に接触してスパッタリング法により成長されるＧａＮ半導体層１３は、（０００２）面に優先配向した状態で成長される。
なお、上述の半導体素子製造装置２０ではガラス基板１１を大気に曝さずに各層を真空一貫で成膜できるので、各層に不純物が混入せず、良質な窒化物半導体素子を得ることができる。

本実施例の半導体素子製造装置２０では、バッファ層形成室２２と、ｎ型ＧａＮ層形成室２３と、中間層形成室２４と、ｐ型ＧａＮ層形成室２５とが、それぞれ個別のチャンバーに分かれて真空バルブ２９を介して接続されていたが、バッファ層形成室２２と、ｎ型ＧａＮ層形成室２３と、中間層形成室２４と、ｐ型ＧａＮ層形成室２５とが一つのチャンバー内に構成されていてもよい。この場合には、各室２２〜２５間の基板移動に要する時間を短縮できる。

上述の窒化物半導体素子の製造方法により、ｐｎ接合を有する第三例の第一の窒化物半導体素子１０ｃを形成した。
次いで、この第一の窒化物半導体素子１０ｃの表面の結晶構造を、ＸＲＤ（Ｘ線回折）により測定した。図８はＸＲＤ法による測定結果を示している。
この測定結果から、ＺｎＯ層１２ａの表面に接触して成長されたＧａＮ半導体層１３が（０００２）面に優先配向していることが分かる。

図７を参照し、この第一の窒化物半導体素子１０ｃのｐ型ＧａＮ層１３ｂとｎ型ＧａＮ層１３ａとＺｎＯ層１２ａをメサエッチングして部分的に除去し、Ｔｉ層１２ｂを部分的に露出させた後、ｐ型ＧａＮ層１３ｂの表面と、Ｔｉ層１２ｂの部分的に露出した表面に集電極１５ａ、１５ｂをそれぞれ形成した。

集電極１５ａ、１５ｂの間に直流電圧を印加して、この窒化物半導体素子１０ｃの膜厚方向に流れる電流を計測した。図９は電流電圧特性の計測結果を示している。
この計測結果から、ｐ型ＧａＮ層１３ｂとｎ型ＧａＮ層１３ａの間にｐｎ接合が形成されていることが分かる。

１０ａ、１０ａ’、１０ｂ、１０ｂ’、１０ｃ、１０ｃ’……窒化物半導体素子
１１……ガラス基板
１２ａ……ＺｎＯ層
１２ｂ……Ｔｉ層
１３……ＧａＮ半導体層
１３ａ……ｎ型ＧａＮ層
１３ｂ……ｐ型ＧａＮ層
１３ｃ……中間層

Claims

ガラス基板と、
前記ガラス基板の表面に配置されたＺｎＯ層と、
スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記ＺｎＯ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、
を有する窒化物半導体素子。
ガラス基板と、
前記ガラス基板の表面に配置されたＴｉ層と、
スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記Ｔｉ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、
を有する窒化物半導体素子。
ガラス基板と、
前記ガラス基板の表面に配置されたＴｉ層と、
前記Ｔｉ層の表面に配置されたＺｎＯ層と、
スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記ＺｎＯ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、
を有する窒化物半導体素子。
ガラス基板と、
前記ガラス基板の表面に配置されたＺｎＯ層と、
前記ＺｎＯ層の表面に配置されたＴｉ層と、
スパッタリング法により形成され、ＧａＮを含有し、前記Ｔｉ層の表面に接触するＧａＮ半導体層と、
を有する窒化物半導体素子。
前記ＺｎＯ層は、Ｇａ又はＡｌのいずれか一方又は両方のドーパントが添加された導電性ＺｎＯ層である請求項１と請求項３と請求項４のうちいずれか１項記載の窒化物半導体素子。
前記ＧａＮ半導体層は、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層の積層構造を有する請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の窒化物半導体素子。
前記ｐ型ＧａＮ層と前記ｎ型ＧａＮ層の間には、ｉ型ＩｎＧａＮ層、又はＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された量子井戸層のいずれか一方からなる中間層が配置された請求項６記載の窒化物半導体素子。