JP2003174194A - 窒化物系半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

窒化物系半導体発光素子とその製造方法

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JP2003174194A
JP2003174194A JP2001374240A JP2001374240A JP2003174194A JP 2003174194 A JP2003174194 A JP 2003174194A JP 2001374240 A JP2001374240 A JP 2001374240A JP 2001374240 A JP2001374240 A JP 2001374240A JP 2003174194 A JP2003174194 A JP 2003174194A
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Kensaku Yamamoto
健作 山本
Norikatsu Koide
典克 小出
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
    • H01L33/382—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape the electrode extending partially in or entirely through the semiconductor body

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の両主面側のそれぞれに電流注入用電極
が形成された窒化物系半導体発光素子の動作電圧を低減
する。 【解決手段】 窒化物系半導体発光素子は、導電性半導
体基板１０１の第１主面上に形成された高抵抗または絶
縁性の中間層１０２と、その上で順に積層された第１導
電型窒化物半導体層１０３、１０６と発光層１０７と第
２導電型層１０８、１０９を含み、中間層に接する第１
導電型層を導電性基板に接続するように中間層を貫通ま
たは迂回する金属膜１０４と、第２導電型層１０９上に
形成された第１電極１１０、１１１と、導電性基板の第
２主面上に形成された第２電極１１２をさらに含み、中
間層１０２で発生する電圧降下を金属膜１０４で回避す
ることによって動作電圧が低減されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＩＩＩ−Ｖ族化合物
の窒化物系半導体を利用した発光素子に関し、特に導電
性基板の両主面のそれぞれの側に電流注入用電極が設け
られた窒化物系半導体発光素子の改善に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子で
は、サファイア等の絶縁性基板が使用されている。基板
が絶縁性である場合、その絶縁基板を通して発光層に電
流を注入することができないので、一般には半導体層が
積層される基板の同一主面側にｐ型層用とｎ型層用の両
電極が形成される。その場合、基板の片面側に両電極を
形成するための領域を確保しなければならず、基板の両
主面側のそれぞれに各電極を形成する場合に比べて、基
板の単位面積あたりに形成し得る発光素子の数が少なく
なる。また、サファイア基板は高価であり、硬くて加工
が容易ではない。このような状況からして、導電性のＳ
ｉ基板上に窒化ガリウム系半導体発光素子を形成するこ
とが、検討されている。
【０００３】しかし、Ｓｉ基板が導電性であっても、窒
化ガリウム系半導体層をエピタキシャル成長させるため
の中間層（バッファ層）として用いられるＡｌＮやＡｌ
ＧａＮは、導電性Ｓｉ基板やｎ型ＧａＮ層と比較して、
抵抗が高くて絶縁体に近い。したがって、Ｓｉ基板の表
面側と裏面側のそれぞれにｐ型用とｎ型用の電極を設け
る場合、中間層で大きな電圧降下が生じ、発光素子の動
作電圧が増大することになる。
【０００４】図１３は、特開平１１−４０８５０号公報
に開示された窒化物系半導体発光素子を模式的な断面図
で示している。この窒化物系半導体発光素子は、ｎ型Ｓ
ｉ基板７０１の表面上に順次積層されたｎ型中間層７０
２、ひずみを緩和するためのｎ型超格子層７０３、ｎ型
高キャリア濃度層７０４、多重量子井戸発光層７０５、
ｐ型クラッド層７０６、ｐ型コンタクト層７０７、およ
び透光性電極７０９を含むとともに、基板７０１の裏面
上に形成された電極７０８を含んでいる。すなわち、導
電性Ｓｉ基板７０１の表面側にｐ型用電極７０９が形成
され、裏面側にｎ型用電極７０８が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の特開平１１−４
０８５０号の発光素子において、ｎ型Ｓｉ基板７０１上
の中間層７０２は、ＳｉドープされたＡｌ0.15Ｇａ0.85
Ｎ：Ｓｉで形成されている。しかし、ｎ型Ｓｉ基板７０
１や発光素子構造中のｎ型ＧａＮ層７０４に比べてＡｌ
0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｓｉ中間層７０２は高抵抗である。し
たがって、基板７０１の両側の電極７０８、７０９から
発光層７０５に電流を注入するときに、中間層７０２で
電圧降下が発生し、発光素子の動作電圧が高くなる。
【０００６】以上のような従来技術の状況にかんがみ、
本発明は、導電性基板の両主面側のそれぞれに電流注入
用電極が形成された窒化物系半導体発光素子の動作電圧
を低減することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
系半導体発光素子は、第１と第２の主面を有する導電性
半導体基板と、その基板の第１主面上に形成された高抵
抗または絶縁性の中間層と、その中間層上に形成されて
いてＡｌxＢyＩｎzＧａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ
＜１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる複数の窒
化物半導体層とを含み、これらの複数の窒化物半導体層
は、中間層上で順に積層された少なくとも一の第１導電
型層と発光層と少なくとも一の第２導電型層を含み、中
間層に接する第１導電型層を導電性基板に接続するよう
に中間層を貫通または迂回する金属膜と、第２導電型層
上に形成された第１電極と、導電性基板の第２主面上に
形成された第２電極をさらに含み、中間層で発生する電
圧降下を金属膜で回避することによって動作電圧が低減
されていることを特徴としている。
【０００８】なお、中間層としても、ＡｌxＢyＩｎzＧ
ａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が用いられ得る。中間層の厚みは１０
ｎｍ以上であることが好ましい。
【０００９】金属膜は、中間層に接した第１導電型層と
導電性基板との両方に対してオーミック接触しているこ
とが望まれる。金属膜の融点は、９００℃以上であるこ
とが好ましい。金属膜として、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、
Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、およ
びＷの少なくとも一種が用いられ得る。
【００１０】窒化物系半導体発光素子は、金属膜が発光
層と第２導電型層とに接触することを防止するための誘
電体膜をさらに含み得る。その誘電体膜として、ＳｉＯ
2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ
2Ｏ3、Ｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ 2、ＬａＡｌＯ3、Ｚｒ
ＴｉＯ4、およびＨｆＯ2の少なくとも一種が用いられ得
る。
【００１１】金属膜はストライプ状に形成することがで
き、ストライプ状金属膜は１μｍ〜５００μｍの範囲内
の間隔で配置され得る。ストライプ状金属膜は一方向ま
たは異なる二以上の方向に沿って形成され得る。
【００１２】発光層は基板上に形成された１μｍ以上の
幅の区切りストライプで区分けされた領域内に形成され
ていることが好ましい。区切りストライプとして、誘電
体膜が用いられ得る。その誘電体膜として、ＳｉＯ2、
Ｓｉ3Ｎ4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ 3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｌ
2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＴｉ
Ｏ4、およびＨｆＯ2の一種以上が用いられ得る。区切り
ストライプとして、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃ
ｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷの一
種以上の金属を用いることもできる。
【００１３】導電性半導体基板として、ドーパントを含
むＳｉ、ＺｎＯ、またはＧａＰが用いられ得る。
【００１４】本発明による窒化物系半導体発光素子を製
造するための方法は、成膜装置内で導電性半導体基板上
に少なくとも中間層を形成し、基板上に少なくとも中間
層が形成されたウエハを一旦大気中に取り出して中間層
を貫通する開口部を形成し、開口部内に金属膜を形成
し、ウエハを再度成膜装置内に導入して複数の窒化物半
導体層を形成する工程を含み得る。
【００１５】また、窒化物系半導体発光素子を製造する
ための方法は、誘電体からなる区切りストライプを基板
上に形成し、中間層を形成し、複数の窒化物半導体層を
形成し、区切りストライプを除去し、発光層と第２導電
型層が金属膜と接触することを防止するための絶縁膜を
形成し、その後に第１導電型層と導電性基板とを接続す
る金属膜を中間層の端面を通過して形成する工程を含み
得る。
【００１６】さらに、窒化物系半導体発光素子を製造す
るための方法は、中間層をエッチングストップ層として
利用しながら導電性基板の一部を第１のエッチングによ
って除去し、その第１のエッチングによって露出された
中間層の部分を第２のエッチングによって除去し、その
第２のエッチングによって部分的に中間層が除去された
領域を介して第１導電型層を導電性基板に接続する金属
膜を形成する工程を含み得る。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施の形
態をより具体的ないくつかの実施例に基づいて説明す
る。
【００１８】（実施例１）図１と図２の模式的な断面図
において、本発明の実施例１による窒化物系半導体発光
素子の製造工程が図解されている。なお、本願の各図に
おいて、厚さや幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡
略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を
表してはいない。
【００１９】図１（ａ）において、フッ酸（ＨＦ）５％
の水溶液を用いて洗浄されたｎ型Ｓｉ基板１０１が用い
られた。このＳｉ基板は、結晶学的｛１１１｝面の主面
を有していた。有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内
において、Ｓｉ基板１０１をサセプターに装着の後、１
１００℃でＨ2雰囲気にてその基板のべーキングを行っ
た。その後、同じ基板温度にてキャリアガスとしてＨ2
を用いながら、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とア
ンモニア（ＮＨ3）を用いてＡｌＮ中間層１０２を１０
ｎｍ以上の厚さに形成し、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）とＮＨ3を用いてｎ型ＧａＮ層１０３を厚さ５００
ｎｍになるように形成した。
【００２０】次に、図１（ａ）のウエハを大気中に取り
だして、図１（ｂ）に示されているように、金属膜を成
するための溝をＳｉ基板１０１の結晶学的＜１−１０＞
方向に平行になるようにフォトリソグラフィにより形成
した。その際、リアクテイブイオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）を利用して、Ｓｉ基板１０１に達するまでの探さを
有する溝を形成した。
【００２１】その後、図１（ｃ）に示されているよう
に、溝上にスパッタ等でタングステン（Ｗ）膜１０４を
８００ｎｍの厚さに形成した。また、発光素子に含まれ
る活性層とｐ型半導体層とに金属膜がショートすること
を防ぐために、Ｗ膜１０４上にＳｉＯ2膜１０５を４ｎ
ｍの厚さに形成した。なお、Ｗ膜１０４とＳｉＯ2膜１
０５の合計厚さは、ｎ型ＧａＮ層１０３の表面からＲＩ
Ｅでエッチングした溝の底部までの深さより大きくされ
た。また、このときの溝の幅は１５０μｍで、溝と溝の
間隔は２００μｍにされた。
【００２２】さらに、図２（ａ）に示されているよう
に、再度ＭＯＣＶＤ装置内において基板温度を１１００
℃まで速やかに昇温して、ＴＭＧとＮＨ3を用いてｎ型
ＧａＮ層１０６を３００ｎｍの厚さに形成した。この
時、堆積されたｎ型ＧａＮ層１０６は、溝上に形成した
ＳｉＯ2膜１０５の縁部に被さる膜厚になるように形成
された。その後、基板温度７５０℃において、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、およびＮＨ3を利用
して、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層の４ぺ
アーを含むＭＱＷ（多重量子井戸）活性層１０７を積層
した。次に、基板温度１１００℃において、ＴＭＧ、Ｎ
Ｈ3、およびドーパント剤としてのペンタジエニルマグ
ネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を利用して、Ｍｇドープのｐ型
Ａｌ0.15Ｇａ0 .85Ｎクラッド層１０８を形成した。そし
て、同じ基板温度の下で、ＴＭＧ、ＮＨ3、およびＣｐ2
Ｍｇを利用して、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９を形成した。
【００２３】次に、図２（ａ）のウエハを大気中に取り
だし、図２（ｂ）に示されているように、蒸着を利用し
て、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９上にＰｄの透光性電
極１１０とＡｕのパッド電極１１１を形成するととも
に、Ｓｉ基板１０１の裏面上にｎ型電極１１２を形成し
た。その後、電極を保護しかつ複数の半導体層を覆うＳ
ｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成した。なお、図２
（ｂ）は、ウエハ中の一つの発光素子チップに相当する
領域のみを示している。
【００２４】その後、前述の＜１−１０＞方向に平行な
溝を通る一辺とそれに垂直な他辺を有する矩形のチップ
になるように、スクライブまたはダイシング装置により
ウエハを分割して窒化物系半導体発光素子チップを得
た。
【００２５】図１２は、窒化物系半導体発光素子の電流
−動作電圧特性を示すグラフである。このグラフにおい
て、曲線６１は特開平１１−４０８５０号による発光素
子の特性をあらわし、曲線６２は本実施例１による発光
素子の特性をあらわしている。
【００２６】図１２から明らかなように、実施例１の発
光素子は、従来例に比べて低い電圧で動作し、電流−動
作電圧特性が改善されている。Ｓｉ基板の両側に電極を
形成している場合、従来例では発光素子の外部から注入
された電流は高抵抗の中間層を通過しなければならな
い。しかし、実施例１の発光素子の外部から注入された
電流は高抵抗の中間層を避けて金属膜を通過することが
できるので、高抵抗の中間層による電圧降下を生じるこ
とがなく、動作電圧が低減され得るのである。
【００２７】なお、互いに接したＷとＳｉを高温下で熱
処理をするればその界面からシリサイドＷＳｉ2が生成
することが、従来から知られている。ＬＳＩ（大規模集
積回路）等の配線材料であるシリサイドは、高温の熱処
理により、比較的抵抗の高いものになる。本実施例１に
おいても、Ｓｉ基板１０１に接したＷ膜１０４が高温に
さらされるので、少なくともその界面にシリサイドが形
成している可能性がある。しかし、発光素子のスケール
はＬＳＩのスケールに比べて十分に大きいので、シリサ
イドの抵抗が発光素子の動作電圧に与える影響はほとん
どない。
【００２８】本実施例１において、ストライプ状Ｗ膜１
０４の相互の間隔は２００μｍであった。しかし、さら
なる検討の結果、そのＷ膜間隔が１０μｍ以上であれば
実施例１の構造の発光素子を形成することができ、かつ
発光を生じ得ることが確認された。
【００２９】（実施例２）図３と図４の模式的な断面図
において、本発明の実施例２による窒化物系半導体発光
素子の製造工程が図解されている。図３（ａ）におい
て、ＨＦ５％の水溶液を用いて洗浄した｛１１１｝Ｓｉ
基板２０１をＭＯＣＶＤ装置内のサセプターに装着し、
１１００℃でＨ2雰囲気にてその基板のベーキングを行
った。その後、同じ基板温度にて、キャリアガスとして
Ｈ2を用いながら、ＴＭＡとＮＨ3を用いてＡｌＮ中間層
２０２を１０ｎｍ以上の厚さに形成するとともに、ＴＭ
ＧとＮＨ3を用いてｎ型ＧａＮ層２０３を５００ｎｍの
厚さに形成した。その後、図３（ａ）のウエハを大気中
に取りだし、金属膜を基板２０１に接触させる領域をエ
ッチングにより形成するために、Ｓｉ基板の＜１−１０
＞方向に平行なＳｉＯ2マスクストライプ（図示せず）
を形成した。
【００３０】その後、図３（ｂ）に示されているよう
に、ＮＨ3とＨＦとＣＨ3ＣＯＯＨからなる混合液を用い
て、Ｓｉ基板２０１に達する深さまでエッチングを行っ
て溝を形成した。
【００３１】そして、図３（ｃ）に示されているよう
に、スパッタ等でＷ膜２０４を８００ｎｍの厚さに形成
し、その上にＳｉＯ2膜２０５を４ｎｍの厚さに形成し
た。このときＷ膜２０４は、ｎ型ＧａＮ層２０３の表面
からＲＩＥでエッチングした溝の底部までの深さより大
きな厚さに形成した。また、このときの溝の幅は１μｍ
で溝と溝の間の幅は５μｍあった。
【００３２】その後、図４に示されているように、再度
ＭＯＣＶＤ装置内において基板温度を１１００℃まで速
やかに昇温して、ＴＭＧとＮＨ3を用いてｎ型ＧａＮ層
２０６を４μｍの厚さに形成した。この時、ｎ型ＧａＮ
層２０６は、ＳｉＯ2膜２０５を完全に覆う厚さになる
まで堆積した。その後、基板温度７５０℃で、ＴＭＩ、
ＴＭＧ、およびＮＨ3を用いてＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸
層とＧａＮ障壁層との４ペアーを含むＭＱＷ活性層２０
７を形成した。次に、基板温度１１００℃で、ＴＭＧ、
ＮＨ3、およびドーパント剤のＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇ
ドープのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層２０８を形
成した。続いて、同じ基板温度で、ＴＭＧ、ＮＨ3、お
よびＣｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタ
クト層２０９を形成した。
【００３３】その後、ウエハを大気中に取りだし、蒸着
によって、Ｐｄの透光性電極２１０とその上のＡｕパッ
ド電極２１１を形成し、Ｓｉ基板２０１の裏面上にｎ型
電極２１２を形成した。次に、電極を保護しかつ複数の
半導体層を覆うようにＳｉＯ 2誘電体膜（図示せず）を
形成した。
【００３４】その後、スクライブまたはダイシング装置
を用いて、Ｓｉ基板の＜１−１０＞方向にに平行な一辺
とそれに垂直な他辺を有する矩形の窒化物系半導体発光
素子チップになるようにウエハを分割した。
【００３５】図１２において、本実施例２の発光素子の
電流−動作電圧特性は、曲線６３として示されている。
図１２によれば、実施例２の発光素子は、実施例１に比
べても電流−動作電圧特性が改善されている。これは、
金属膜２０４上に厚くｎ型ＧａＮ層２０６を形成したの
で、活性層２０７近辺における転位密度が低減されて結
晶性が向上し、それによって実施例１に比べてもさらに
電流−動作電圧特性が改善されたと考えられる。
【００３６】なお、本実施例２においてストライプ状Ｗ
膜２０４の間隔は、５μｍであった。しかし、さらなる
検討の結果、そのＷ膜の間隔が１μｍ以上１０μｍ以下
であれば、実施例２の構造の発光素子を形成することが
でき、かつ発光を生じ得ることが確認された。
【００３７】また、図４の発光素子は、図３の製造工程
と異なる図５の工程を経て得ることもできる。図５の工
程では、図５（ａ）に示されているように、ＨＦ５％の
水溶液で洗浄された｛１１１｝Ｓｉ基板２０１上に、Ｓ
ｉＯ2マスクストライプ２０５を形成した。次に、図５
（ｂ）に示されているように、ＭＯＣＶＤ法を用いてＡ
ｌＮ中間層２０２とその上のｎ型ＧａＮ層２０３を形成
した。そして、図５（ｂ）のウエハを大気中に取り出
し、図５（ｃ）に示されているように、ＳｉＯ2マスク
ストライプを除去した溝を形成する。その後、図５
（ｄ）に示されているように、フォトリソグラフィを利
用して溝部にＷ膜２０４を蒸着し、その上にスパッタに
よりＳｉＯ2膜２０５を形成した。その後は、図４を参
照して説明されたのと同様の工程で図４と同様の発光素
子が得られ、同様の電流−動作電圧特性の改善が得られ
た。
【００３８】（実施例３）図６と図７の模式的な断面図
において、本発明の実施例３による窒化物系半導体発光
素子の製造工程が図解されている。図６（ａ）におい
て、ＨＦ５％の水溶液を用いて洗浄した｛１１１｝Ｓｉ
基板３０１をＭＯＣＶＤ装置内のサセプターに装着し、
１１００℃でＨ2雰囲気にてその基板のベーキングを行
った。その後、同じ基板温度にて、キャリアガスとして
Ｈ2を用いながら、ＴＭＡとＮＨ3を用いてＡｌＮ中間層
３０２を１０ｎｍ以上の厚さに形成し、ＴＭＧとＮＨ3
を用いてｎ型ＧａＮ層３０３を２μｍの厚さになるよう
に形成した。その後、基板温度７５０℃において、ＴＭ
Ｉ、ＴＭＧ、およびＮＨ3を用いてＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ
井戸層とＧａＮ障壁層の４ぺアーを含むＭＱＷ活性層３
０４を形成した。次に、基板温度１１００℃において、
ＴＭＧ、ＮＨ3、およびドーパント剤のＣｐ2Ｍｇを用い
て、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層３
０５を形成した。続いて、同じ基板温度の下で、ＴＭ
Ｇ、ＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープのｐ型
ＧａＮコンタクト層３０６を形成した。
【００３９】その後、Ｓｉ基板３０１の裏面上には、そ
の基板に開口部を形成するためのＳｉＯ2マスク（図示
せず）が形成された。そして、そのマスクの存在の下
で、ＮＨ3とＨＦとＣＨ3ＣＯＯＨからなる混合液を用い
てＳｉ基板３０１のエッチングを行うことによって、図
６（ｂ）に示されているように、その基板に開口部が形
成された。このとき、サファイア基板やＳｉＣ基板では
エッチング自体が困難なのに対して、Ｓｉ基板３０１の
エッチングにおいてはＡｌＮ中間層３０２がエッチスト
ップ層の役割を果たした。その後、図６（ｃ）に示され
ているように、ＲＩＥを用いてＡｌＮ中間層３０２のエ
ッチングを行った。
【００４０】そして、図７（ａ）に示されているよう
に、導電性Ｓｉ基板３０１とＡｌＮ中間層３０２とｎ型
ＧａＮ層３０１に接触するｎ型電極３０７として、Ｔｉ
／Ａｌの順の積層膜を蒸着により形成した。
【００４１】その後、図７（ｂ）に示されているよう
に、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６上にＰｄの透光性電
極３０８を形成し、その上にＡｕパッド電極３０９を形
成した。さらに、電極を保護しかつ複数の半導体層を覆
うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成した。そ
の後、スクライブまたはダイシング装置によりウエハを
分割して窒化物系半導体発光素子チップを得た。
【００４２】図１２において、本実施例３の発光素子の
電流−動作電圧特性は、曲線６４として示されている。
図１２によれば、実施例３の発光素子は、実施例１およ
び２と比べても電流−動作電圧特性がさらに改善されて
いる。すなわち、実施例３の発光素子においては、金属
膜３０７が中間層３０２の高抵抗を回避するのみなら
ず、Ｓｉ基板３０１の抵抗をも回避するように作用する
ので、発光素子の抵抗率を大きく低減させることがで
き、実施例１および２と比べてもさらに動作電圧が低減
される。
【００４３】（実施例４）図８と図９の模式的な断面図
において、本発明の実施例４による窒化物系半導体発光
素子の製造工程が図解されている。図８（ａ）におい
て、ＨＦ５％の水溶液で洗浄された｛１１１｝Ｓｉ基板
４０１をＭＯＣＶＤ装置内のサセプターに装着の後、１
１００℃でＨ2雰囲気にてその基板のべーキングを行っ
た。その後、同じ基板温度にて、キャリアガスとしてＨ
2を用いながら、ＴＭＡとＮＨ3を用いてＡｌＮ中間層４
０２を１０ｎｍ以上の厚さに形成し、ＴＭＧとＮＨ3を
用いてｎ型ＧａＮ層４０３を２μｍの厚さになるように
形成した。その後、基板温度７５０℃において、ＴＭ
Ｉ、ＴＭＧ、およびＮＨ3を用いてＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ
井戸層とＧａＮ障壁層の４ぺアーを含むＭＱＷ活性層４
０４を形成した。次に、基板温度１１００℃において、
ＴＭＧ、ＮＨ3、およびドーパント剤としてのＣｐ2Ｍｇ
を用いて、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッ
ド層４０５を形成した。続いて、同じ基板温度の下で、
ＴＭＧ、ＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇドープ
のｐ型ＧａＮコンタクト層４０６を形成した。
【００４４】その後、図８（ａ）のウエハを大気中に取
りだし、図８（ｂ）に示されているように、ｐ型ＧａＮ
コンタクト層４０６からｎ型ＧａＮ層４０３に達する溝
をＲＩＥを利用して形成した。この時、発光素子のチッ
プ分割を行うことが容易になることを考慮して、溝と溝
の間隔は２００μｍに設定された。なお、図８（ｂ）
は、溝を境にして分割される一つの発光素子チップに相
当する領域を示している。
【００４５】その後、図９（ａ）に示されているよう
に、ＳｉＯ2膜４０７を形成した。次に、フォトリソグ
ラフィを利用して、ｎ型ＧａＮ層４０３の露出面からＳ
ｉ基板４０１に達する溝を形成した。そして、ｎ型Ｇａ
Ｎ層４０３と導電性Ｓｉ基板４０１を接続するするよう
に金属膜４０８形成した。ここで、ＳｉＯ2膜４０７
は、金属膜４０８が活性層４０４とｐ型層４０５、４０
６に接触することを防止するために設けられている。そ
の後、蒸着によりＴｉ／Ａｌ積層を堆積することによっ
て、ｎ型電極４０９を形成した。
【００４６】その後、図９（ｂ）に示されているよう
に、Ｐｄの透光性電極４１０とその上のＡｕパッド電極
４１１を形成した。次に、電極を保護しかつ複数の半導
体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成
した。その後、スクライブまたはダイシング装置により
ウエハを分割して窒化物系半導体発光素子チップが得ら
れた。
【００４７】この実施例４による発光素子の電流−動作
電圧特性は、図１２における曲線６２で表された実施例
１のものと同様であった。なお、本実施例４では溝と溝
の間隔が２００μｍにされたが、溝の間隔を変えること
によって発光素子チップサイズを変えることができ、例
えば、溝間隔が３００μｍまたは４００μｍにされても
よい。
【００４８】（実施例５）図１０と図１１の模式的な断
面図において、本発明の実施例５による窒化物系半導体
発光素子の製造工程が図解されている。図１０（ａ）に
示されているように、ＨＦ５％の水溶液で洗浄された
｛１１１｝Ｓｉ基板５０１上において、一辺が２００μ
ｍの正方形区画領域内に発光素子を形成するために、垂
直に交わるＳｉＯ2の区分けストライプ５０２をフォト
リソグラフィとスッパタリングを利用して形成した。こ
のとき、ＳｉＯ2ストライプの間隔は２００μｍで、ス
トライプ幅は５μｍであった。なお、図１０（ａ）にお
いては、一つの発光素子チップに相当する領域のみが示
されている。
【００４９】図１０（ａ）のウエハを洗浄した後に、図
１０（ｂ）において、ＭＯＣＶＤ装置内のサセプターに
ウエハを装着し、１１００℃でＨ2雰囲気にてそのウエ
ハのベーキングを行った。その後、同じ基板温度にて、
キャリアガスとしてＨ2を用いながら、ＴＭＡとＮＨ3を
用いてＡｌＮ中間層５０３を１０ｎｍ以上の厚さに形成
し、ＴＭＧとＮＨ3を用いてｎ型ＧａＮ層５０４を２μ
ｍの厚さになるように形成した。その後、基板温度７５
０℃において、ＴＭＩ、ＴＭＧ、およびＮＨ 3を用いて
Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎと井戸層とＧａＮ障壁層の４ぺアー
を含むＭＱＷ活性層５０５を形成した。次に、基板温度
１１００℃において、ＴＭＧ、ＮＨ3、およびドーパン
ト剤としてのＣｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープのｐ型Ａｌ
0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５０６を形成した。続いて、
同じ基板温度の下で、ＴＭＧ、ＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇ
を用いてＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層５０７を
形成した。その後、ウエハを大気中に取りだし、ＨＦ５
％の水溶液等を利用して、ＳｉＯ2の区分けストライプ
５０２を除去した。
【００５０】その後、図１１（ａ）に示されているよう
に、フォトリソグラフィとＲＩＥを利用して複数の窒化
物半導体層５０４〜５０７の一部を除去した後に、Ｓｉ
Ｏ2膜５０８をスパッタリングにより形成した。
【００５１】その後、図１１（ｂ）に示されているよう
に、ｎ型ＧａＮ層５０４と導電性Ｓｉ基板５０１を接続
するために、フォトリソグラフィと蒸着を利用して、Ｔ
ｉ／Ａｌの積層からなる金属膜５０９を形成した。ここ
で、ＳｉＯ2膜５０８は、金属膜５０９が活性層５０５
とｐ型層５０６、５０７に接触することを防止するため
に設けられている。その後、Ｐｄの透光性電極５１０と
その上のＡｕパッド電極５１１形成し、Ｓｉ基板５０１
の裏面上にはｎ型電極５１２を形成した。
【００５２】次に、電極を保護しかつ複数の半導体層を
覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成した。
その後、スクライブまたはダイシング装置によりウエハ
を分割して窒化物系半導体発光素子チップが得られた。
この実施例５による発光素子の電流−動作電圧特性は、
図１２における曲線６２で表された実施例１のものと同
様であった。
【００５３】なお、実施例５において区分けストライプ
５０２としてＳｉＯ2を用いたが、誘電体であるＳｉ3Ｎ
4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｌ2Ｏ3、
Ｔａ 2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＴｉＯ4、およ
びＨｆＯ2の一種以上でもよく、金属膜であるＳｃ、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈ
ｆ、およびＴａＷの一種以上であってもよい。また、こ
れらの誘電体と金属の両方を用いて区分けストライプを
形成してもよい。
【００５４】上述の実施例１と２において、金属膜１０
４、２０４としてＷを用いた。これは、ＷがＧａＮの成
長温度より高い融点を有するので、金属膜形成後にＡｌ
xＢyＩｎzＧａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０
≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層の成長を行っても、その
金属膜が熱の影響を受けにくいからである。さらなる検
討の結果、ＧａＮ層の成長温度よりも高い９００℃以上
の融点を有する金属を選べばよいことがわかった。よっ
て、金属膜として、Ｗに限られず、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、および
Ｔａの一種以上を用いることができる。
【００５５】また、実施例１と２において、金属膜１０
４、２０４上に形成した誘電体膜としてＳｉＯ2を用い
たが、Ｓｉ3Ｎ4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2
Ｏ3、Ｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、Ｚｒ
ＴｉＯ4、およびＨｆＯ2の一種以上を用いることができ
る。
【００５６】実施例１と２において、中間層１０２、２
０２としてＡｌＮを用いたが、ＡｌＮの代わりにＡｌx
ＢyＩｎzＧａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０
≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるＤＢＲ（分布ブラ
ッグ反射）層を用いてもよく、ＡｌＮ層とその上のＤＢ
Ｒ層を用いてもよい。
【００５７】実施例３、４、および５において、金属膜
３０７、４０８、５０９は、実施例１と２の場合のよう
に窒化物半導体層形成時の高温にさらされることがない
ので、９００℃以上の高融点金属である必要がなく、導
電性Ｓｉ基板とｎ型ＧａＮ層に対してオーミック接触を
示す金属または金属を含む化合物であればよい。
【００５８】実施例１から５において、活性層は１０
７、２０７、３０４、４０４、５０５は、単一または多
重の量子井戸層のいずれを含んで形成されていてもよ
く、ノンドープでもＳｉ、Ａｓ、またはＰがドープされ
ていてもよい。また多重量子井戸層中のの井戸層と障壁
層はＩｎＧａＮのみを利用して形成することもでき、Ｉ
ｎＧａＮとＧａＮを利用して形成することもできる。
【００５９】実施例１から５において、導電性半導体基
板１０１、２０１、３０１、４０１、５０１として、
｛１１１｝Ｓｉ基板を用いたが、｛１００｝Ｓｉ基板や
Ｓｉ基板で｛１１１｝面や｛１００｝面に対して少し傾
斜した主面方位を有する基板を用いても同様の効果が得
られた。また、ＺｎＯ基板やＧａＰ基板のような他の導
電性半導体基板を用いてもよい。
【００６０】実施例１から５において、中間層１０２、
２０２、３０２、４０２、５０３としてＡｌＮを用いた
が、ＡｌxＢyＩｎzＧａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ
＜１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を使用しても同様
の効果が得られた。
【００６１】実施例１から４において、中間層に接した
ＡｌxＢyＩｎzＧａ1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜
１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層と導電性基板とを
接続する金属膜を形成するための領域として溝を形成し
たが、それらの溝は一方向に沿う必要はなく、二以上の
方向に沿って形成されてもよい。
【００６２】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板の
両主面側のそれぞれに電流注入用電極が形成された窒化
物系半導体発光素子の動作電圧を低減することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１による発光ダイオードの製
造工程を示す模式的な断面図である。
【図２】 図１に続く製造工程を示す模式的な断面図で
ある。
【図３】 実施例２による発光ダイオードの製造工程を
示す模式的な断面図である。
【図４】 図２に続く製造工程を示す模式的な断面図で
ある。
【図５】 図３に代わり得る製造工程を示す模式的な断
面図である。
【図６】 実施例３による発光ダイオードの製造工程を
示す模式的な断面図である。
【図７】 図６に続く製造工程を示す模式的な断面図で
ある。
【図８】 実施例４による発光ダイオードの製造工程を
示す模式的な断面図である。
【図９】 図８に続く製造工程を示す模式的な断面図で
ある。
【図１０】 実施例５による発光ダイオードの製造工程
を示す模式的な断面図である。
【図１１】 図１０に続く製造工程を示す模式的な断面
図である。
【図１２】 各実施例の発光ダイオードにおける電流−
動作電圧特性を示すグラフである。
【図１３】 従来技術による発光ダイオードを示す模式
的な断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、７０１ Ｓ
ｉ基板、１０２、２０２、３０２、４０２、５０３、７
０２ 中間層、１０３、１０６、２０３、２０６、３０
３、４０３、５０４ ｎ型ＧａＮ層、１０４、２０４、
３０７、４０８、５０９ 金属膜、１０５、２０５、４
０７、５０２、５０８ ＳｉＯ2膜、１０７、２０７、
３０４、４０４、５０５、７０５ ＭＱＷ活性層、１０
８、２０８、３０５、４０５、５０６ ｐ型Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.85Ｎクラッド層、１０９、２０９、３０６、４０
６、５０７ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１０、２１
０、３０８、４１０、５１０、７０９ 透光性電極、１
１１、２１１、３０９、４１１、５１１ Ａｕパッド電
極、１１２、２１２、３０７、４０９、５１２ ｎ型電
極、７０３ 超格子層、７０４ 高キャリア濃度層、７
０６クラッド層、７０７コンタクト層、７０８ 電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA01 AA04 BB07 BB14 BB28 CC01 DD34 DD37 DD78 DD84 FF02 FF04 FF13 GG04 5F041 AA03 AA08 CA04 CA05 CA22 CA40 CA74 CA75 CA88 CA93 CA98 FF11

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１と第２の主面を有する導電性半導体
    基板と、 前記基板の第１主面上に形成された高抵抗または絶縁性
    の中間層と、 前記中間層上に形成されていてＡｌxＢyＩｎzＧａ
    1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１、ｘ
    ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる複数の窒化物半導体層とを含
    み、前記複数の窒化物半導体層は、前記中間層上で順に
    積層された少なくとも一の第１導電型層と発光層と少な
    くとも一の第２導電型層を含み、 前記中間層に接する前記第１導電型層を前記導電性基板
    に接続するように前記中間層を貫通または迂回する金属
    膜と、 前記第２導電型層上に形成された第１電極と、 前記基板の第２主面上に形成された第２電極をさらに含
    み、 前記中間層で発生する電圧降下を前記金属膜で回避する
    ことによって動作電圧が低減されていることを特徴とす
    る窒化物系半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記中間層としてＡｌxＢyＩｎzＧａ
    1-x-y-zＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１、ｘ
    ＋ｙ＋ｚ＝１）が用いられていることを特徴とする請求
    項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記中間層の厚みは１０ｎｍ以上である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半
    導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記金属膜は、前記中間層に接した前記
    第１導電型層と前記導電性基板との両方に対してオーミ
    ック接触していることを特徴とする請求項１から３のい
    ずれかの項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 【請求項５】 前記金属膜の融点が９００℃以上である
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載
    の窒化物系半導体発光素子。
  6. 【請求項６】 前記金属膜として、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃ
    ｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、
    およびＷの少なくとも一種が用いられていることを特徴
    とする請求項１から５のいずれかの項に記載の窒化物系
    半導体発光素子。
  7. 【請求項７】 前記金属膜が前記発光層と前記第２導電
    型層とに接触することを防止するための誘電体膜をさら
    に含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかの項
    に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 【請求項８】 前記誘電体膜として、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ
    4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｌ2Ｏ3、
    Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＴｉＯ4、およ
    びＨｆＯ2の少なくとも一種が用いられていることを特
    徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子。
  9. 【請求項９】 前記金属膜はストライプ状に形成されて
    おり、前記ストライプ状金属膜は１μｍ〜５００μｍの
    範囲内の間隔で配置されていることを特徴とする請求項
    １から８のいずれかの項に記載の窒化物系半導体発光素
    子。
  10. 【請求項１０】 前記ストライプ状金属膜は一方向また
    は異なる二以上の方向に沿って形成されていることを特
    徴とする請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 【請求項１１】 前記発光層は前記基板上に形成された
    １μｍ以上の幅の区切りストライプで区分けされた領域
    内に形成されていることを特徴とする請求項１から８の
    いずれかの項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  12. 【請求項１２】 前記区切りストライプとして誘電体膜
    が用いられていることを特徴とする請求項１１に記載の
    窒化物系半導体発光素子。
  13. 【請求項１３】 前記誘電体膜として、ＳｉＯ2、Ｓｉ3
    Ｎ4、Ｓｃ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｌ
    2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＴｉ
    Ｏ4、およびＨｆＯ2の一種以上が用いられていることを
    特徴とする請求項１２に記載の窒化物系半導体発光素
    子。
  14. 【請求項１４】 前記区切りストライプとして、Ｓｃ、
    Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、
    Ｈｆ、Ｔａ、およびＷの一種以上の金属が用いられてい
    ることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系半導体
    発光素子。
  15. 【請求項１５】 前記導電性半導体基板として、ドーパ
    ントを含むＳｉ、ＺｎＯ、またはＧａＰが用いられてい
    ることを特徴とする請求項１から１４のいずれかの項に
    記載の窒化物系半導体発光素子。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載の窒化物系半導体発光
    素子を製造するための方法であって、 成膜装置内で前記導電性半導体基板上に少なくとも前記
    中間層を形成し、 前記基板上に前記少なくとも中間層が形成されたウエハ
    を一旦大気中に取り出して前記中間層を貫通する開口部
    を形成し、 前記開口部内に前記金属膜を形成し、 前記ウエハを再度前記成膜装置内に導入して前記複数の
    窒化物半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする
    製造方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１１に記載の窒化物系半導体発
    光素子を製造するための方法であって、 前記区切りストライプを前記基板上に形成し、 前記中間層を形成し、 前記複数の窒化物半導体層を形成し、 前記区切りストライプを除去し、 前記発光層と前記第２導電型層が前記金属膜と接触する
    ことを防止するための絶縁膜を形成し、 その後に前記第１導電型層と前記導電性基板とを接続す
    る前記金属膜を前記中間層の端面を通過して形成する工
    程を含むことを特徴とする製造方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１に記載の窒化物系半導体発光
    素子を製造するための方法であって、 前記中間層をエッチングストップ層として利用しながら
    前記導電性基板の一部を第１のエッチングによって除去
    し、 前記第１のエッチングによって露出された前記中間層の
    部分を第２のエッチングによって除去し、 前記第２のエッチングによって部分的に前記中間層が除
    去された領域を介して前記第１導電型層を前記導電性基
    板に接続する前記金属膜を形成する工程を含むことを特
    徴とする製造方法。
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