CN102007611B - 氮化物系半导体元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化物系半导体元件及其制造方法。其中，氮化物系半导体发光元件(100)，具备：以m面(12)为表面的GaN基板(10)、在GaN基板(10)的m面(12)之上形成的半导体叠层结构(20)、和在半导体叠层结构(20)之上形成的电极(30)。电极(30)包括Zn层(32)和形成在Zn层(32)之上的金属层(34)，Zn层(32)与半导体叠层结构(20)中的p型半导体区域的表面相接触。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物系半导体元件及其制造方法。本发明尤其涉及自紫外光到蓝色、绿色、橙色及白色等可见光区域整个波段的发光二极管、激光二极管等GaN系半导体发光元件。期待这样的发光元件向显示、照明及光信息处理领域等的应用。此外，本发明涉及在氮化物系半导体元件中使用的电极的制造方法。
背景技术
作为V族元素具有氮(N)的氮化物半导体，基于其禁带(band gap)的大小，有望作为短波长发光元件的材料。在此当中，积极地进行氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体：AlxGayInzN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)的研究，蓝色发光二极管(LED、绿色LED、以及以GaN系半导体为材料的半导体激光器也被实用化。
GaN系半导体具有纤锌矿晶体结构。图1是示意地示出了GaN的单位晶格。在AlxGayInzN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)半导体的晶体中，可将图1所示的Ga的一部分替换成Al及/或In。
图2示出为了用4指数标记(六方晶指数)表示纤锌矿型晶体结构的面而通常使用的4个基本向量a1、a2、a3、c。基本向量c向[0001]方向延伸，将此方向称为“c轴”。将与c轴垂直的面(plane)称为“c面”或“(0001)面)。再有，也存在将“c轴”及“c面”分别标记为“C轴”及“C面”的情形。
使用GaN系半导体制作半导体元件的时候，作为使GaN系半导体晶体生长的基板，使用c面基板即在表面具有(0001)面的基板。但是，由于在c面中Ga的原子层和氮的原子层的位置在c轴方向稍有偏移，所以形成极化(Electrical Polarization)。为此，将“c面”也称为“极性面”。极化的结果，在活性层中的InGaN的量子阱中沿c轴方向产生压电电场。由于一旦在活性层中产生这样的压电电场，就会在活性层内的电子及空穴的分布中产生位置偏移，所以根据载流子的量子封闭斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)，内部量子效率下降，如果是半导体激光器，则会引起阈值电流的增大，如果是LED，则会引起耗电的增大及发光效率的下降。此外，在注入载流子密度的上升的同时引起压电电场的屏蔽，还产生发光波长的变化。
因此，为了解决这些课题，正在研究使用表面具有非极性面、例如垂直于[10-10]方向的、称为m面(10-10)面的基板(m面GaN系基板)。在此，附在表示密勒指数的括弧内的数字的左侧的“-”表示“横杠(bar)”的意思。如图2所示，m面是平行于c轴(基本向量c)的面，与c面正交。在m面中，由于Ga原子和氮原子存在于同一原子面上，所以在垂直于m面的方向上不发生极化。其结果，如果在垂直于m面的方向上形成半导体叠层结构的话，则由于在活性层中也不产生压电电场，所以能解决上述课题。m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的总称。
再有，在本说明书中，将在垂直于六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m)的方向上发生外延生长表现为“X面生长”。在X面生长中，存在将X面称为“生长面”、将通过X面生长而形成的半导体层称为“X面半导体层”的情形。
专利文献1：JP特开2001-308462号公报
专利文献2：JP特开2003-332697号公报
如上所述，在m面基板上生长的GaN系半导体元件，虽然与在c面基板上生长的比较，能发挥显著的效果，但存在如下这样的问题。即，在m面基板上生长的GaN系半导体元件与在c面基板上生长的相比，接触电阻高，这就成了在使用在m面基板上生长的GaN系半导体元件上的较大的技术障碍。
在这种状况中，本申请发明者为了解决在非极性面即m面基板上生长的GaN系半导体元件所具有的接触电阻高这样的课题，专心研究的结果，提出能够降低接触电阻的方法。
发明内容
本发明鉴于此点而进行，其目的在于提供一种能够降低在m面基板上晶体生长的GaN系半导体元件中的接触电阻的结构及制造方法。
本发明的第一氮化物系半导体元件，具备：具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构，和形成在所述p型半导体区域的所述表面上的电极；所述p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成；所述电极包括与所述p型半导体区域的所述表面相接触的Zn层。
在某一实施方式中，所述电极包括所述Zn层、和形成在所述Zn层之上的金属层；所述金属层由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成。
在某一实施方式中，所述半导体叠层结构具有含AlaInbGacN层(a+b+c＝1，a≥0，b≥0，c≥0)的活性层，所述活性层发光。
在某一实施方式中，所述p型半导体区域是p型接触层。
在某一实施方式中，所述Zn层的厚度在所述Pt层的厚度以下。
在某一实施方式中，具有支撑所述半导体叠层结构的半导体基板。
在某一实施方式中，所述Zn层的至少一部分合金化了。
本发明的光源，具备：氮化物系半导体发光元件，和包括变换从所述氮化物系半导体发光元件放射出的光的波长的荧光物质的波长变换部；所述氮化物系半导体发光元件，具备：具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构，和形成在所述p型半导体区域的所述表面上的电极；所述p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成；所述电极包括与所述p型半导体区域的所述表面相接触的Zn层。
在某一实施方式中，所述Zn层的至少一部分合金化了。
本发明的氮化物系半导体元件的制造方法，包括：制备基板的工序(a)，在所述基板上形成具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构的工序(b)，和在所述半导体叠层结构的所述p型半导体区域的所述表面上形成电极的工序(c)；所述工序(c)包括在所述p型半导体区域的所述表面上形成Zn层的工序。
在某一实施方式中，所述工序(c)包括：在形成了所述Zn层后，形成由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成的金属层的工序。
在某一实施方式中，在所述工序(c)中，执行加热处理所述Zn层的工序。
在某一实施方式中，以400℃以上、650℃以下的温度执行所述加热处理。
在某一实施方式中，以450℃以上、600℃以下的温度执行所述加热处理。
在某一实施方式中，包括在执行了所述工序(b)后去除所述基板的工序。
在某一实施方式中，所述Zn层的至少一部分合金化了。
本发明的第二氮化物系半导体元件，具备：具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构，和形成在所述p型半导体区域的所述表面上的电极；所述p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成；所述电极包括形成在所述p型半导体区域的所述表面上的岛状Zn。
在某一实施方式中，所述电极包括形成在所述岛状Zn之上的金属层；所述金属层由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成。
本发明的第三氮化物系半导体元件，具备：具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构，和形成在所述p型半导体区域的所述表面上的电极；所述p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成；所述电极包括与所述p型半导体区域的所述表面相接触的Zn层；所述Zn层由Zn和选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属的合金形成。
本发明的第四氮化物系半导体元件，具备：具有表面为m面的p型半导体区域的氮化物半导体叠层结构，和设置在所述p型半导体区域上的电极；所述p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成；所述电极仅由与所述p型半导体区域的所述表面相接触的合金层构成；所述合金层由Zn和选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成。
在某一实施方式中，所述合金层是在形成了与所述p型半导体区域的所述表面相接触的Zn层、和位于所述Zn层之上的金属层后，通过进行热处理而形成的层。
(发明效果)
根据本发明氮化物系半导体发光元件，半导体叠层结构中的p型杂质区域的表面(m面)上的电极包括Zn层，通过将此Zn层与p型杂质区域的表面(m面)相接触，就能降低其接触电阻。
附图说明
图1是示意地表示GaN的单位晶格的立体图。
图2是表示纤锌矿型晶体结构的基本向量a1、a2、a3、c的立体图。
图3(a)是表示本发明的实施方式所涉及的氮化物系半导体发光元件100的剖面示意图，(b)是表示m面的晶体结构的图，(c)是表示c面的晶体结构的图。
图4(a)至(c)是示意地表示电极中的Zn及Pt的分布的图。
图5是表示由Pd/Pt层构成的电极及由Zn/Pt层构成的电极的固有接触电阻(Ω·cm2)的值的图表。
图6是表示关于接触电阻的热处理温度的依赖性的图表。
图7是表示使用由Zn/Pt层构成的电极的发光二极管的电流—电压特性的图表、及表示使用由现有的Pd/Pt层构成的电极的发光二极管的电流—电压特性的图表。
图8是表示白色光源的实施方式的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式，在以下的附图中，为了简化说明，用相同的参照符号表示实质上具有相同功能的构成要素。再有，本发明不限于以下的实施方式。
图3(a)示意地示出了本发明的实施方式所涉及的氮化物系半导体发光元件100的剖面结构。图3(a)所示的氮化物系半导体发光元件100是由GaN系半导体形成的半导体器件，具有氮化物半导体叠层结构。
本实施方式的氮化物系半导体发光元件100，具备以m面为表面12的GaN系基板10、形成在GaN系基板10之上的半导体叠层结构20、和形成在半导体叠层结构20之上的电极30。在本实施方式中，半导体叠层结构20是通过m面生长所形成的m面半导体叠层结构，其表面为m面。但是，由于还存在在r面蓝宝石基板上生长a面GaN这样的事例，所以根据生长条件，GaN系基板10的表面并不一定必须是m面。在本发明的结构中，至少半导体叠层结构20中、与电极接触的半导体区域的表面为m面即可。
本实施方式的氮化物系半导体发光元件100虽然具备支撑半导体叠层结构20的GaN基板10，但也可以代替GaN基板10具备其它的基板，也可以在去除基板的状态下使用。
图3(b)示意地示出了表面为m面的氮化物系半导体的剖面(垂直于基板表面的剖面)的晶体结构。由于Ga原子和氮原子存在于与m面平行的同一原子面上，所以在垂直于m面的方向上不发生极化。即，m面是非极性面，在垂直于m面的方向上生长的活性层内不产生压电电场。再有，所添加的In及Al位于Ga侧，替换Ga。即使Ga的至少一部分被In或Al替换，在垂直于m面的方向上也不发生极化。
在表面具有m面的GaN系基板，在本说明书中被称为“m面GaN系基板”。要得到在垂直于m面的方向上生长的氮化物半导体叠层结构，典型地使用m面GaN基板，只要在此基板的m面上生长半导体即可。但是，如前所述，基板的表面无需是m面。此外，基板也无需保留在最终的器件中。
为了参考，在图3(c)中示意地示出了表面是c面的氮化物系半导体的剖面(垂直于基板表面的剖面)的晶体结构。Ga原子和氮原子不存在于与c面平行的同一原子面上。其结果，在垂直于c面的方向上发生极化。在本说明书中将在表面具有c面的GaN系基板称为“c面GaN系基板”。
c面GaN系基板是用于生长GaN系半导体晶体的普通基板。由于平行于c面的Ga(或In)的原子层和氮的原子层的位置在c轴方向上稍有偏移，所以沿c轴方向形成极化。
再次，参照图3(a)。在m面GaN系基板10的表面(m面)12之上形成半导体叠层结构20。半导体叠层结构20，包括含AlaInbGacN(a+b+c＝1，a≥0，b≥0，c≥0)的活性层24，和AldGaeN层(d+e＝1，d≥0，e≥0)26。AldGaeN层26以活性层24为基准，位于与m面12侧相反的一侧。在此，活性层24是氮化物系半导体发光元件100中的电子注入区域。
在本实施方式的半导体叠层结构20中还含有其它的层，在活性层24和基板10之间形成AluGavInwN层(u+v+w＝1，u≥0，v≥0，w≥0)22。本实施方式的AluGavInwN层22是第一导电型(n型)的AluGavInwN层22。此外，在活性层24和AldGaeN层26之间还可以设置未掺杂的GaN层。
在AldGaeN层26中，Al的组成比率d在厚度方向上不必是一样的。在AldGaeN层26中，Al的组成比率d在厚度方向上也可以是连续或阶梯地变化的。即，AldGaeN层26既可以具有层叠了Al的组成比率d不同的多个层的多层结构，也可以在厚度方向上改变掺杂物(dopant)的浓度。再有，基于降低接触电阻的观点，优选AldGaeN层26的最上部(半导体叠层结构20的上表面部分)由Al的组成比率d为零的层(GaN层)构成。
在半导体叠层结构20之上形成电极30。本实施方式的电极30是包括Zn层32的电极，在Zn层32之上形成由Pt构成的金属层34。电极30中的Zn层32与半导体叠层结构20的p型半导体区域相接触，作为p型电极的一部分起作用。也可以合金化Zn层32的至少一部分。即，既可以仅合金化Zn层32中位于与金属层34的边界的部分，也可以合金化Zn层32的整体。
图4(a)至(c)是用于说明Zn层32的合金化的图。图4(a)示出Zn层32的一部分(上部)合金化了的状态。电极30A由与AldGaeN层26相连的Zn层32、和存在于Zn层32之上的金属层34构成。Zn层32的上部由Zn-Pt合金层61A构成。
图4(b)示出进行Zn和Pt的合金化直至与AldGaeN层26相连的部分为止的状态。在图4(b)所示的状态中，电极30B中的Zn层32(电极30B中与AldGaeN层26接触的部分)由Zn-Pt合金形成。在图4(b)所示的电极30B的例子中，在Zn层32之上存在金属层34。
在图4(c)中示出Zn层及Pt层的整体被合金化的状态的电极30C。此情况下，电极30C仅由Zn-Pt合金层61C构成。
图4(a)至(c)所示的Zn-Pt合金由Zn及Pt构成(主成分是Zn及Pt)。在Zn层之上形成金属层后，通过进行热处理就能形成图4(a)至(c)所示的结构。再有，也可以在以构成金属层34的金属和Zn的混合物或化合物为蒸镀源进行了蒸镀后通过进行热处理来形成图4(c)所示的结构。
在本实施方式中，Zn层32与掺杂了第二导电型(p型)的掺杂物的AldGaeN层26相接触。在AldGaeN层26中，例如作为掺杂物掺杂有Mg。作为Mg以外的p型掺杂物，例如也可以掺杂Zn、Be等。
作为与Zn层32的表面相接触的金属层34，除Pt层外，可使用比Au更难与Zn形成合金的金属(例如Mo和Pd)。即，只要使用从由Pt、Mo及Pd组成的组中选择的至少一种金属即可。相反，作为与Zn层32接触的金属层34，不优选与Zn容易形成合金的Au(金)。
再有，Zn层32的至少一部分，通过叠层后的热处理引起岛状(island状)凝聚，彼此设置间隔形成即可。此时，构成金属层34的Pt深入各岛状Zn之间。金属层34的至少一部分也可以凝聚为岛状。
本实施方式的电极30的厚度，例如为10nm以上、200nm以下。电极30中的Zn层32是比金属层34的厚度更薄的层，Zn层32的厚度，例如为2nm以上、50nm以下。再有，在此的Zn层32的厚度是热处理后的Zn层的厚度。如果Zn层32的厚度是50nm以下的话，就能防止用于制作发光元件的加工中的电极剥落。
金属层(例如Pt层)34的厚度，例如为10nm以上、200nm以下。Zn层32是比金属层34的厚度更薄的层为的是，不因Zn层32和金属层34的变形的平衡崩溃而在Zn层32和AldGaeN层26之间产生剥离。
此外，具有m面的表面12的GaN系基板10的厚度，例如为100～400μm。这是因为如果是约100μm以上基板厚度，就不会对晶片的处理(handling)产生障碍。再有，本实施方式的基板10如果具有由GaN系材料形成的m面的表面12，则即使具有叠层结构也无妨。即，本实施方式的GaN系基板10也包括至少在表面12存在m面的基板，因此，既可以基板整体是GaN系，也可以是与其它材料的组合。
在本实施方式的结构中，在位于基板10之上的n型的AluGavInwN层(例如厚度0.2～2μm)22的一部分，形成电极40(n型电极)。在图示的例子中，半导体叠层结构20中形成电极40的区域，形成凹部42，以便n型的AluGavInwN层22的一部分露出。在此凹部42露出的n型的AluGavInwN层22的表面设置电极40。电极40例如由Ti层、Al层和Pt层的叠层结构构成，电极40的厚度例如是100～200nm。
此外，本实施方式的活性层24具有交替层叠了Ga0.9In0.1N阱层(例如厚9nm)和GaN阻挡层(例如厚9nm)的GaInN/GaN多重量子阱(MQW)结构(例如厚81nm)。
在活性层24之上设置p型的AldGaeN层26。p型的AldGaeN层26的厚度例如是0.2～2μm。再有，如上所述，在活性层24和AldGaeN层26之间也可以设置未掺杂的GaN层。
此外，在AldGaeN层26之上还可形成第二导电型(例如p型)的GaN层。然后，在此GaN层之上形成由p+-GaN形成的接触层，并且，在由p+-GaN形成的接触层上也可形成Zn层32。再有，代替将由GaN形成的接触层当作与AldGaeN层26不同的层，还可以将由GaN形成的接触层当作AldGaeN层26的一部分。
接着，参照图5及图6更详细地说明本实施方式的特征或特殊性。
图5是表示Pd/Pt电极及Zn/Pt电极的固有接触电阻(Ω·cm2)的图表。作为Pd/Pt电极，使用通过在p型的m面GaN层上堆积厚40nm的Pd层、和厚35nm的Pt层后，以500℃在氮气氛中进行10分钟热处理形成的电极(m面GaN(Pd/Pt))。作为Zn/Pt电极，使用通过在p型的m面GaN层上堆积厚7nm的Zn层、和厚75nm的Pt层后，以500℃在氮气氛中进行10分钟热处理形成的电极(m面GaN(Zn/Pt))。在本申请所公开的所有实验例中，通过常规的电子束蒸镀法堆积Zn层和Pt层。
Zn/Pt电极及Pd/Pt电极与掺杂了Mg的m面GaN层相接触。在这些电极所接触的m面GaN层中，在距表面深20nm的区域(厚度20nm的外表面(最表面)区域)中掺杂7×1019cm-3的Mg。此外，在距m面GaN层的表面的深度超过20nm的区域中掺杂1×1019cm-3的Mg。如此，在p型电极所接触的GaN层的外表面区域中，如果局部地提高p型杂质的浓度，就能最大地降低接触电阻。此外，由于通过进行这样的杂质掺杂，还能减少电流—电压特性的面内偏差，所以还能得到可减少驱动电压的芯片间偏差这样的优点。为此，在本申请公开的实验例中，任何一个，都在距电极所接触的p型GaN层的表面深20nm的区域中掺杂7×1019cm-3的Mg，在比此更深的区域中掺杂1×1019cm-3的Mg。
使用TLM(Transmission Line Method)法评价了固有接触电阻。再有，纵轴所示的“1.0E-01”代表“1.0×10-1”，“1.0E-02”代表“1.0×10-2”，即“1.0E+X”代表“1.0×10X”。
接触电阻R通常与接触的面积S(cm2)成反比。在此，若设接触电阻为R(Ω)，则R＝Rc/S的关系成立。比例常数的Rc被称为固有接触电阻，相当于接触面积S为1cm2时的接触电阻R。即，固有接触电阻的大小不取决于接触面积S，而成为用于评价接触特性的指标。下面存在将“固有接触电阻”简记为“接触电阻”的情形。
如图5所示，与Pd/Pt电极的接触电阻相比，Zn/Pt电极的固有接触电阻(Ω·cm2)降低了近一位。再有，在PCT/JP2009/007284中公开了如下内容：在使含Zn的电极与c面p型GaN层接触的情况下，可得到与使Pd/Pt电极与c面GaN层接触时等同或高一些的接触电阻。另一方面，公开了如下内容：在接触面是m面的情况下，含Zn的电极呈现出比Pd/Pt电极低很多的接触电阻。基于此结果，即使在使用Zn/Pt电极的本发明中，也推测为表示相同的倾向。
此外，根据本申请发明者的研究可知，虽然现有的Pd/Pt电极的电流—电压特性是肖特基型的非欧姆特性(肖特基电压：约2V)，但从Zn/Pt电极的电流—电压特性中不呈现肖特基电压，Zn/Pt电极与p型的m面GaN层几乎形成欧姆接触。肖特基电压的消失，在降低发光二极管和激光二极管等器件工作电压方面是非常重要的。
通常，为了制作相对c面GaN、接触电阻低的良好的p型电极，使用功函数大的金属，例如Pd(功函数＝5.1eV)和Pt(功函数＝5.6eV)是技术常识。Zn的功函数(4.3eV)比其它的接触电极材料的功函数小。
本申请发明者为了进行比较，在p型的c面GaN层上形成Zn层作为p型电极，使用TLM法评价了接触电阻。作为评价对象的Zn层，使用对以厚度200nm堆积的Zn层在氮气氛中、500℃下进行10分钟热处理的Zn层。其结果，形成在c面GaN层上的Zn层的接触电阻变为约3.0×10-1Ω·cm2这样非常高的值。
基于上述理由，即使在m面GaN层的p型接触电极中使用Zn层，也能预测为不能实现决定优选的接触特性。本发明者发现，在使Zn层与p型GaN层的m面相接触，进行热处理时，通过进行适当的热处理，就能大幅降低接触电阻的现象，直至完成本发明。虽然接触电阻减少的理由的详情是不明的，但如后所述，可推定为由m面GaN的表面附近的Ga原子及N原子的特殊的举动所引起。
再有，本申请发明者使用Al、Ni、Au、Pd、Pt等功函数不同的各种各样的金属作为m面GaN的电极材料，测量了接触电阻。其结果，实验表明即使在m面GaN的情况下，功函数越大的金属(Pd和Pt)其接触电阻越低(专利申请JP2009-030147号)。
接着，说明优选的热处理条件。图6是表示Pd/Pt电极及Zn/Pt电极的固有接触电阻的热处理温度依赖性的图表。作为Pd/Pt电极，使用通过在p型的m面GaN层上堆积厚40nm的Pd层、和厚35nm的Pt层后，在氮气氛中进行各自温度的热处理所形成的电极(m面GaN(Pd/Pt))。作为Zn/Pt电极，使用通过在p型的m面GaN层上堆积厚7nm的Zn层、和厚75nm的Pt层后，在氮气氛中进行各自温度的热处理所形成的电极(m面GaN(Zn/Pt))。
如图6所示，在m面GaN(Pd/Pt)电极的情况下，m面GaN的接触电阻在500℃热处理的前后，几乎没有变化。并且，在超过500℃的热处理温度中，发现接触电阻上升。
另一方面，在m面GaN(Zn/Pt)电极的情况下，一旦变为超过400℃的温度，接触电阻就急剧下降。而且，在500℃的温度下接触电阻还进一步地下降。进一步升温，在600℃的温度下，虽然接触电阻比500℃的温度时上升了，但与现有的m面GaN(Pd/Pt)的电极的情形相比，接触电阻变小了。
因此，作为m面GaN(Zn/Pt)的热处理温度，例如优选为400℃以上。由于如果超过700℃变为规定温度(例如800℃)以上，就会推进电极和GaN层的膜质的劣化，所以优选上限为700℃以下，并且更优选为400℃以上、650℃以下的温度范围。450℃以上、600℃以下是更加适合的热处理温度。
在m面GaN上配置本实施方式的电极结构(Zn/Pt)的情况下接触电阻飞速地下降被推测是因为通过热处理，仅Ga原子向电极侧扩散，N原子未向电极侧扩散。由于GaN中仅Ga向电极侧扩散，所以可推测在Zn层中，N浓度变得比Ga浓度还低。
在p型GaN中一旦Ga向电极侧扩散，在p型GaN的外表面中就会形成Ga原子不足的状态，即形成Ga空穴。由于Ga空穴具有受主的性质，所以一旦在电极和p型GaN的界面的附近Ga空穴增加，空穴就通过隧道效应(tunneling)容易地通过此界面的肖特基障壁。由此认为，在与以m面为表面的p型GaN层相连、形成Zn层的情况下，能降低接触电阻。
相对于此，如果N原子也与Ga原子一起向电极侧扩散，就会在p型GaN的外表面中形成N不足的状态，即形成N空穴。由于N空穴具有施主的性质，所以在p型GaN的外表面、在Ga空穴和N空穴之间引起电荷补偿。此外，认为由于N原子短缺而使得GaN晶体的结晶性恶化。由此，在N原子也与Ga原子一起向电极侧扩散的情况下，p型GaN层与电极之间的接触电阻高。
再有，这样的各元素(Ga、N)的举动，在Zn层所接触的GaN层中，即使用Al或In替换Ga的一部分，也推定为同样会产生。此外，推定在Zn层所接触的GaN系半导体层中，即使在掺杂Mg以外的元素作为掺杂物的情况下，也是同样地。
接着，再次参照图3(a)进一步详述本实施方式的结构。
如图3(a)所示，在本实施方式的发光元件100中，形成有m面GaN基板10和形成在基板10上的AluGavInwN层(u+v+w＝1，u≥0，v≥0，w≥0)22。在此例中，m面GaN基板10是n型GaN基板(例如厚度100μm)，AluGavInwN层22是n型GaN层(例如厚度2μm)。在AluGavInwN层22之上形成活性层24。换言之，在m面GaN基板10之上至少形成含活性层24的半导体叠层结构20。
在半导体叠层结构20中，在AlxGayInzN层22之上形成含AlaInbGacN(a+b+c＝1，a≥0，b≥0，c≥0)的活性层24。活性层24例如由In组成比为约25％的InGaN阱层和GaN阻挡层构成，阱层的厚度是9nm，阻挡层的厚度是9nm，阱层周期是3周期。在活性层24之上形成第二导电型(p型)AldGaeN层(d+e＝1，d≥0，e≥0)26。第二导电型(p型)的AldGaeN层(d+e＝1，d≥0，e≥0)26，例如是Al组成比为10％的AlGaN层、厚度为0.2μm。在本实施方式的AldGaeN层26中，作为p型掺杂物掺杂Mg。在此，对AldGaeN层26掺杂例如约1018cm-3的Mg。此外，在此例中，在活性层24和AldGaeN层26之间形成未掺杂的GaN层(未图示)。
并且，在此例中，在AldGaeN层26之上形成第二导电型(例如p型)的GaN层(未图示)。并且，在由p+-GaN形成的接触层上形成Zn层32，在其上形成Pt层34。此Zn层32和Pt层34的叠层结构构成电极(p型电极)30。
再有，在半导体叠层结构20中，形成使AluGavInwN层22的表面露出的凹部(recess)42，在位于凹部42的底面的AluGavInwN层22中形成电极(n型电极)40。凹部42的大小例如为宽(或直径)20μm、深1μm。电极40例如是由Ti层、Al层和Pt层(例如厚度分别为5nm、100nm、10nm)的叠层结构形成的电极。
根据本实施方式的氮化物系半导体发光元件100，与使用现有的Pd/Pt电极的m面LED情形相比，能使工作电压(Vop)降低约2.0V，基于此结果可知，能降低耗电。
接着，继续参照图3(a)说明本实施方式的氮化物系半导体发光元件100的制造方法。
首先，制备m面基板10。在本实施方式中，作为基板10使用GaN基板。本实施方式的GaN基板使用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法获得。
例如，首先，在c面蓝宝石基板上生长几mm级的厚膜GaN。此后，通过以垂直c面的方向、由m面切取厚膜GaN，从而得到m面GaN基板。GaN基板的制作方法不限于上述，例如也可以使用钠熔剂法(sodiumflux method)等液相生长和氨热法(ammonothermal growth)等熔液生长方法来制作大块GaN晶锭(ingot)，由m面将其切取的方法。
作为基板10除GaN基板外，还可以使用例如氧化镓、SiC基板、Si基板、蓝宝石基板等。为了在基板上外延生长由m面形成的GaN系半导体，SiC和蓝宝石基板的面方位最好也为m面。但是，由于也存在在r面蓝宝石基板上生长a面GaN这样的事例，所以，也会存在按照生长条件、生长用表面并不必一定是m面的情形。至少，只要半导体叠层结构20的表面为m面即可。在本实施方式中，在基板10之上通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法顺序形成结晶层。
接着，在m面GaN基板10之上，形成AluGavInwN层22。作为AluGavInwN层22，例如形成厚3μm的AlGaN。在形成GaN的情况下，在m面GaN基板10之上，通过在1100℃下提供TMG(Ga(CH3)3)、TMA(Al(CH3)3)及NH3来堆积GaN层。
接着，在AluGavInwN层22之上形成活性层24。在此例中，活性层24具有交替层叠了厚9nm的Ga0.9In0.1N阱层和厚9nm的GaN阻挡层的厚81nm的GaInN/GaN多重量子阱(MQW)结构。在形成Ga0.9In0.1N阱层时，为了进行In的获取，优选将生长温度降低到800℃。
接着，在活性层24之上堆积例如厚30nm的未掺杂GaN层。接着，在此未掺杂GaN层之上形成AldGaeN层26。作为AldGaeN层26，例如通过提供TMG、NH3、TMA、TMI及作为p型杂质的Cp2Mg(茂基镁)，来形成厚70nm的p-Al0.14Ga0.86N。
接着，在AldGaeN层26之上堆积例如厚0.5μm的p-GaN接触层。在形成p-GaN接触层时，提供Cp2Mg作为p型杂质。
此后，通过进行氯干法蚀刻，去除p-GaN接触层、AldGaeN层26、未掺杂GaN层及活性层24的一部分，形成凹部42，使AlxGayInzN层22的n型电极形成区域露出。接着，在位于凹部42的底部的n型电极形成区域之上形成Ti/Pt层作为n型电极40。
并且，在p-GaN接触层之上通过进行常规的真空蒸镀法(电阻加热法、电子束蒸镀法等)来形成Zn层32，并且在Zn层32上形成Pt层34。由此，形成p型电极30。作为形成Zn层32的方法，除真空蒸镀法外，也可以采用溅射法、热CVD法或分子线外延法(MBE)。
再有，此后，可以使用激光剥离、蚀刻、研磨等方法，去除基板10、AluGavInwN层22的一部分。此时既可以仅去除基板10，也可以选择性地去除基板10及AluGavInwN层22的仅一部分。毫无疑问也可以不去除基板10、AluGavInwN层22将其保留。通过以上的工序，形成本实施方式的氮化物系半导体发光元件100。
在本实施方式的氮化物系半导体发光元件100中，如果在n型电极40和p型电极30之间施加电压，则空穴就从p型电极30向活性层24注入，电子就从n型电极40向活性层24注入，产生例如450nm波长的发光。
在此，在图7中示出使用由Zn/Pt层构成的电极的发光二极管的电流—电压特性。为了比较，还示出发光二极管的氮化物系半导体的结构相同、使用由Pd/Pt层构成的电极的发光二极管的特性。热处理前的各层的厚度，Zn/Pt电极中的Zn层为7nm、Pt层为75nm，Pd/Pt电极中的Pd层为40nm、Pt层为35nm。对Zn/Pt电极以500℃进行了10分钟的热处理，对Pd/Pt电极以500℃进行了10分钟的热处理。
使用由Pd/Pt层构成的电极的发光二极管的上升沿电压为约3.7V。相对于此，使用由Zn/Pt层构成的电极的发光二极管的上升沿电压为约2.7V，可知上升沿电压大幅下降。若在电流值2mA的工作电压下进行比较可知，在使用由Zn/Pt层构成的电极的发光二极管中，比由Pd/Pt层构成的电极变小2.0V以上。
在本实施方式中，作为p型电极的材料，使用比Pd在地球上存在更丰富的Zn。Zn与Mg比较，具有难以氧化的性质，Zn层具有能以常规的蒸镀法来形成这样的优点。此外，确认出m面GaN层和Zn层之间密合性良好。
通过以上优选实施方式说明了本发明，但这样的记载不是限定事项，毫无疑问，可进行各种改变。
上述发光元件仍旧可以直接作为光源使用。但是，如果与具备用于本发明所涉及的波长变换的荧光物质的树脂等组合，则适合作为波段的扩大的光源(例如白色光源)使用。
图8是表示这种白色光源的一例的示意图。图8的光源包括：具有图3(a)所示的结构的发光元件100、和分散将自此发光元件100放射出的光的波长变换成更长的波长的荧光体(例如YAG：Yttrium AlumninumGarnet)的树脂层200。发光元件100被搭载在在表面形成了布线图案的支撑部件220上，在支撑部件220上配置反射部件240以便包围发光元件100。形成树脂层200以便覆盖发光元件100。
再有，本发明的接触结构，在与Zn层接触的p型半导体区域是由GaN系半导体、即AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体形成的情况下，发挥上述的良好的效果。此种接触电阻降低的效果，当然即使在LED以外的发光元件(半导体激光器)、发光元件以外的器件(例如晶体管、光敏元件)中也能得到。
现实的m面不必是相对m面完全地平行的面，也可以相对m面仅稍微倾斜角度(0±1°)。
(工业实用性)
由于本发明的氮化物系半导体元件能降低以m面为表面的p型半导体区域和p型电极之间的接触电阻，所以能特别适合于发光二极管(LED)使用。
符号说明
10基板(GaN系基板)
12基板的表面(m面)
20半导体叠层结构
22AluGavInwN层
24活性层
26AldGaeN层
30、30A、30B、30C p型电极
32Zn层
34金属层(Pt层)
40n型电极
42凹部
61A、61C Zn-Pt合金层
100氮化物系半导体发光元件
200变换波长的荧光体被分散后的树脂层
220支撑部件
240反射部件
Claims (22)
1.一种氮化物系半导体元件，具备：
氮化物系半导体叠层结构，其具有表面为m面的p型GaN系半导体区域；以及
电极，其形成在所述p型GaN系半导体区域的所述表面上；
所述电极包括与所述p型GaN系半导体区域的所述表面相接触的Zn层；
在所述Zn层中，N浓度低于Ga浓度。
2.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述电极包括所述Zn层和形成在所述Zn层之上的金属层；
所述金属层由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成。
3.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述半导体叠层结构具有含AlaInbGacN层的活性层，所述活性层发光，其中a+b+c＝1，a≥0，b≥0，c≥0。
4.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述p型GaN系半导体区域是p型接触层。
5.根据权利要求2所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述Zn层的厚度比所述金属层的厚度薄。
6.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
具有支撑所述半导体叠层结构的半导体基板。
7.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述电极包括所述Zn层和形成在所述Zn层之上的金属层；
所述金属层由比Au难与Zn形成合金的金属形成；
所述Zn层的至少一部分合金化了。
8.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述Zn层的至少一部分是岛状Zn。
9.根据权利要求8所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述电极包括形成在所述岛状Zn之上的金属层；
所述金属层由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成。
10.一种光源，具备：
权利要求1～9的任一项所述的氮化物系半导体发光元件；以及
波长变换部，其包括变换从所述氮化物系半导体发光元件放射出的光的波长的荧光物质。
11.一种氮化物系半导体元件的制造方法，包括：
制备基板的工序(a)；
在所述基板上形成具有表面为m面的p型GaN系半导体区域的氮化物系半导体叠层结构的工序(b)；以及
在所述半导体叠层结构的所述p型GaN系半导体区域的所述表面上形成电极的工序(c)；
所述工序(c)包括在所述p型GaN系半导体区域的所述表面上形成Zn层的工序；
在所述Zn层中，N浓度低于Ga浓度。
12.根据权利要求11所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
所述工序(c)包括：
在形成了所述Zn层后，形成由选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成的金属层的工序。
13.根据权利要求11所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
在所述工序(c)中，执行加热处理所述Zn层的工序。
14.根据权利要求13所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
以400℃以上、650℃以下的温度执行所述加热处理。
15.根据权利要求14所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
以450℃以上、600℃以下的温度执行所述加热处理。
16.根据权利要求11所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
包括在执行了所述工序(b)后去除所述基板的工序。
17.根据权利要求11所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
所述工序(c)包括在形成了所述Zn层后使用比Au难与Zn形成合金的金属形成金属层的工序；
所述Zn层的至少一部分合金化了。
18.根据权利要求11至17任意一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，
所述p型GaN系半导体区域由AlxInyGazN半导体形成，其中x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0；
所述电极的接触电阻比在c面上形成了所述电极的情况下的接触电阻低。
19.一种氮化物系半导体元件，具备：
氮化物系半导体叠层结构，其具有表面为m面的p型GaN系半导体区域；以及
电极，其形成在所述p型GaN系半导体区域的所述表面上；
所述电极包括与所述p型GaN系半导体区域的所述表面相接触的Zn层；
所述Zn层由Zn和选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属的合金形成；
在所述Zn层中，N浓度低于Ga浓度。
20.一种氮化物系半导体元件，具备：
氮化物系半导体叠层结构，其具有表面为m面的p型GaN系半导体区域；以及
电极，其设置在所述p型GaN系半导体区域上；
所述电极仅由与所述p型GaN系半导体区域的所述表面相接触的合金层构成；
所述合金层由Zn和选自由Pt、Mo及Pd组成的组中的至少一种金属形成；
在所述Zn层中，N浓度低于Ga浓度。
21.根据权利要求20所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述合金层是在形成了与所述p型GaN系半导体区域的所述表面相接触的Zn层和位于所述Zn层之上的金属层后，通过进行热处理而形成的层。
22.根据权利要求1至9、19至21任意一项所述的氮化物系半导体元件，其中，
所述p型GaN系半导体区域由AlxInyGazN半导体形成，其中x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0；
所述电极的接触电阻比在c面上形成了所述电极的情况下的接触电阻低。
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