JP2007149983A - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ基板の光吸収が起こらないようにし、ＳｉＣ基板の窒化物半導体結晶を積層する側とは反対側のオーミックコンタクトを取りやすくするとともに、Ｉｎを含む半導体層の破壊を防止することができる窒化物半導体発光素子の製造を提供する。
【解決手段】不純物がドープされた導電性ＳｉＣ基板２の裏面に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂから一つの金属を選んで蒸着、もしくはスパッタで金属膜１を形成する。金属膜１が裏面に形成されたＳｉＣ基板２を、高温アニ−ルする。高温アニ−ルによりＳｉＣ基板２と金属膜１との界面にオーミック接触領域３が形成される。この後、ＳｉＣ基板２のオーミック接触領域３が形成されている面とは反対側にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体を使用した発光素子、特にＩｎを含む半導体層を有する窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。窒化物半導体を使用した発光ダイオードは、緑域から紫外域に発光波長をもち、ディスプレイ用の光源として期待され、また、窒化物半導体を使用したレーザは、緑域から紫外域に発光波長をもち、特に４０５ｎｍ帯半導体レーザ等の開発が行われている。

窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。しかしながら、サファイア基板は絶縁性基板であり、導通がとれず、サファイア基板を挟んで電極を設けることができない。

したがって、サファイア基板上の窒化物半導体は、エピタキシャル成長後にｎ型窒化ガリウム層を露出するまでエッチングし、エッチングされた面にｎ型コンタクトを形成して、同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設ける構造が一般的である。

上記のように同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設ける構成とすると、ｎ電極に近接したメサ部分に電流が集中しやすいことにより、ＥＳＤ（静電破壊）電圧を上げることができない。また、活性層に均一に電流注入するのが難しく、活性層を均等に発光させるのが困難となる。さらに、同一面側で、ｐ電極とｎ電極の両方にワイヤボンディング用電極を必要とするため、いずれか一方のワイヤボンディング用電極を設ければ良い導電性基板上の窒化物半導体よりも有効発光面積を狭めてしまうとともに、チップ（素子）面積が大きくなり、同一のウエハから取れるチップ数が減少する。また、サファイアは硬度が高く、六方晶の結晶構造であるので、サファイアを成長用基板として用いた場合、サファイア基板をスクライブによりチップ分離する必要があり、製造工程が煩雑になり歩留まりが悪い。

そこで、導電性基板を用いて窒化物半導体層を挟んでｐ型とｎ型の二つの電極を対向するように設ける構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。この導電性基板には、窒化物半導体と格子整合する六方晶系のＳｉＣ基板が最も良く用いられる。ＳｉＣ基板はサファイアに比較するとＧａＮとの格子定数差が小さく（約３％）、放熱特性も良い。また、基板が導電性であるため、コンタクトが直接取れ、ｐ電極とｎ電極が向かい合った形の素子が作れ、組立て時にワイヤボンディングがいずれか一方の電極側だけで済み、同一のウエハから取れるチップ数が多くなる等の利点がある。
特開平６−３２６４１６号公報

しかし、上記従来技術のように、導電性ＳｉＣ基板を用いて窒化物半導体発光素子を形成すると以下のような問題がある。通常、導電性ＳｉＣ基板は、ｎ型の不純物をドープしたＳｉＣが用いられるが、ｎ電極とのオーミックコンタクトを取りやすくするためにｎ型不純物のドープ量を増加させると、ＳｉＣ基板に色がつき、可視光を吸収してしまう。窒化物半導体発光素子の発光領域から全方位に放射された光の一部が、ＳｉＣ基板によって光吸収されるので、光の取出効率低下し、高輝度の発光素子を得ることができない。

一方、光吸収を減少させるために、ｎ型不純物のドープ量を下げると、ｎ電極との接触抵抗が大きくなるとともにＳｉＣ基板の比抵抗も上昇して、駆動電圧が上昇する。また、ＳｉＣ基板のキャリア濃度が小さいので、発光領域へのキャリア注入効率が低下して発光量が低下する。これらの問題を解決するためには、ｎ電極との接触抵抗を低減しなければならないが、オーミックコンタクトを取るためには、高温アニール処理を行う必要がある。窒化物半導体発光素子中のＩｎを含む半導体層の成長は、８００℃程度までの低温度で行われるが、上記アニ−ル処理は、１０００℃以上の高温で行われるので、Ｉｎを含む半導体層では、高温によりＩｎが昇華して半導体層が破壊される可能性がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ＳｉＣ基板の光吸収が起こらないようにし、ＳｉＣ基板の窒化物半導体結晶を積層する側とは反対側のオーミックコンタクトを取りやすくするとともに、Ｉｎを含む半導体層の破壊を防止することができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層した窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記窒化物半導体結晶を積層する側とは反対側の導電性ＳｉＣ基板上にＮｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂのいずれかの金属を用いた金属膜を成膜してアニ−ル処理によりオーミック接触を形成した後、前記導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項２記載の発明は、前記導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層する前に、オーミック接触を形成するために用いた前記金属膜を除去することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項３記載の発明は、前記導電性ＳｉＣ基板のオーミック接触を形成した側には、前記窒化物半導体結晶が積層された後に金属電極が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、窒化物半導体結晶を積層する側とは反対側の導電性ＳｉＣ基板上にＮｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂのいずれかの金属を用いた金属膜を成膜してアニ−ル処理によりオーミック接触を形成した後に、窒化物半導体結晶を積層するようにしているので、ＳｉＣ基板と電極や外部端子や他の半導体層とのオーミックコンタクトを取りやすくするとともに、Ｉｎを含む半導体層の破壊を防止することができる。

また、オーミック接触を形成するためのアニ−ル処理が行えるので、導電性ＳｉＣ基板の不純物濃度を高くして接触抵抗を減少させる必要がなく、可視光吸収が起こらないようにすることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１〜図４は本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法を示す。

まず、導電性ＳｉＣ基板として、例えばｎ型不純物の窒素をドープしたｎ型ＳｉＣ基板を用意する。この導電性ＳｉＣ基板２には、不純物が１０^１８ｃｍ^−３以下、例えば１０^１７ｃｍ^−３台でドーピングされており、導電性ＳｉＣ基板２が可視光を吸収しないように構成されている。

ＳｉＣ基板２の裏面に、図１に示すように、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂから一つの金属を選んで蒸着、もしくはスパッタで金属膜１を形成する。金属膜１の厚みは１０ｎｍ〜１μｍ望ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍで形成する。

金属膜１が裏面に形成されたＳｉＣ基板２を、窒素雰囲気中１０００℃〜１４００℃で加熱する。このようにすることにより、ＳｉＣ基板２中のＳｉとＣとの結合が分断され、ＳｉＣ基板２と金属膜１との界面にＳｉと金属膜１で使用された金属との化合物シリサイドができ、オーミック接触領域３が形成される。ところで、オーミック接触領域３を形成する場合に、金属膜１には、上記Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂのうち一つの金属を用いているが、これらの金属は仕事関数が小さく、化合物を形成しやすい特徴を持っている。また、上記金属のうち、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄが蒸着法での取り扱いが簡単なのでより望ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、金属膜１をエッチングにより除去する。また、図２（ａ）に示すように、金属膜１を残しておくようにしても良い。その後、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体結晶４を形成する。図３（ａ）に示されるように、図２（ａ）からの続きで金属膜１を残した状態で、発光領域を含む窒化物半導体結晶４を積層しても良いが、金属膜１の純度が良くなかったり、蒸気圧が高い場合は、後に形成する電極の表面荒れを引き起こしたり、金属膜１の金属を基板内部に深く拡散させたりするので、図２（ｂ）に示すようにエッチングにより取り除いた後、図３（ｂ）のように窒化物半導体結晶４を成長させるのが望ましい。

窒化物半導体結晶４をエピタキシャル成長させた後、再度、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂから一つ又は複数の金属を選んで蒸着、もしくはスパッタによりｎ電極６を成膜すると、高温アニール無しでコンタクトが取れる。そして、ｐ電極５を形成すると、図４に示す窒化物半導体発光素子が完成する。

窒化物半導体発光素子を構成するＩｎＧａＮ半導体層やＩｎＮ半導体層等のようにＩｎ（インジウム）を含む半導体層の場合、高温になるとＩｎを含む半導体層中のＩｎが昇華して半導体層が壊れやすくなるので、９００℃以下で成長させる必要がある。しかし、ＳｉＣ基板と電極とのオーミック接触領域を形成するには、高温アニールによる熱アロイを行わなければならず、この高温アニールには通常１０００℃〜１４００℃を必要とするため、Ｉｎ含む半導体層が壊れてしまう危険がある。本発明では先にオーミック接触領域３を形成した後に、窒化物半導体結晶４を成長させるようにしているので、Ｉｎを含む半導体層が破壊されることを防止できる。

図４に示された窒化物半導体発光素子の一例として半導体レーザの構造を図５に示す。

まず、図１に示す方法で、導電性のｎ型ＳｉＣ基板２にオーミック接触領域３を形成し、その後、ＭＯＣＶＤ法で、ＳｉドープのＡｌＧａＮからなるｎ型バッファ層４３、ＳｉドープのＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層４４、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型光ガイド層４５、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ又はＩｎＧａＮバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造で構成されたＭＱＷ活性層４６、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型光ガイド層４７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層４８、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層４９を順に形成する。最後にｐ電極５、ｎ電極６を蒸着又はスパッタにより形成する。ここで、ｎ型バッファ層４３〜ｐ型コンタクト層４９までが、図４に示す窒化物半導体結晶４に相当する。

また、ｎ電極６については、上記Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂから一つ又は複数の金属を選んで形成するが、例えば、オーミック接触領域３側から順に、Ｎｉ／Ａｕの多層金属膜や、Ｔｉ／Ａｕの多層金属膜等が用いられる。

なお、オーミック接触領域３上にｎ電極６を形成せずに、外部接続端子や、他の半導体層をさらに形成するようにしても良く、この場合でも接触抵抗は小さいものとなり、オーミックコンタクトを取ることができる。

ＡｌＧａＮで構成されたｎ型バッファ層４３、ＡｌＧａＮで構成されたクラッド層４４、４８、ＧａＮで構成された光ガイド層４５、４７やコンタクト層４９及びＭＱＷ活性層４６中のバリア層等は、温度が１１００℃程度まで昇温して成長させるが、ＭＱＷ活性層４６中のＩｎＧａＮ井戸層については、７００℃〜８００℃の低温で成長させる。

上述したように、先にオーミック接触領域３を形成した後に、ＩｎＧａＮ半導体層を含む窒化物半導体結晶を積層するようにしているので、窒化物半導体結晶を形成した後にＳｉＣ基板２とｎ電極６との熱アロイの作業の必要がなく、ＩｎＧａＮ半導体層の破壊を防止することができる。

図６は、図４に示された窒化物半導体発光素子の一例としてＬＥＤの構造を示したものである。まず、図１に示す方法で、導電性のｎ型ＳｉＣ基板２にオーミック接触領域３を形成し、その後、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ型窒化物半導体２２、活性層２３、ｐ型窒化物半導体２４を順に形成する。ここで、ｎ型窒化物半導体２２、活性層２３、ｐ型窒化物半導体２４が、図４に示す窒化物半導体結晶４に相当する。

ｎ型窒化物半導体層２２は、例えば、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層とｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層とで構成される。発光領域としての活性層２３は、一例として、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ又はＩｎＧａＮバリア層を交互に積層した多重量子井戸構造が用いられる。ｐ型窒化物半導体層２４は、例えば、ｐ型不純物ＭｇドープのＡｌＧａＮ電子バリア層とｐ型不純物ＭｇドープのＧａＮコンタクト層との積層により構成される。最後にｐ電極２５、ｎ電極２６を蒸着又はスパッタにより形成する。

ｎ電極６については、図５の構成と同様に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂから一つ又は複数の金属を選んで形成するが、例えば、オーミック接触領域３側から順に、Ｎｉ／Ａｕの多層金属膜や、Ｔｉ／Ａｕの多層金属膜等が用いられる。

ｎ型窒化物半導体２２と活性層２３とｐ型窒化物半導体２４におけるＧａＮ層やＡｌＧａＮ層は、１１００℃程度の温度まで昇温して成長させるが、ＭＱＷ活性層４６中のＩｎＧａＮ井戸層やＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層については、７００℃〜８００℃の低温で成長させる。

上述したように、先にオーミック接触領域３を形成した後に、ＩｎＧａＮ半導体層を含む窒化物半導体結晶を積層するようにしているので、窒化物半導体結晶を形成した後にＳｉＣ基板２とｎ電極２６との熱アロイの作業の必要がなく、ＩｎＧａＮ半導体層の破壊を防止することができる。また、導電性ＳｉＣ基板２には、ｎ型の不純物が可視光を吸収しない濃度でドーピングされているので、活性層２３から放射された光は、ＳｉＣ基板２で吸収されることなく、外部に取り出すことができ、オーミック接触領域３の形成により発光量の低下を防止することができる。

本発明における窒化物半導体発光素子の製造方法の最初の製造工程を示す図である。 窒化物半導体発光素子の製造方法の製造工程を示す図である。 窒化物半導体発光素子の製造方法の製造工程を示す図である。 窒化物半導体発光素子の製造方法の製造工程を示す図である。 窒化物半導体発光素子の一例として半導体レーザの構造を示す図である。 窒化物半導体発光素子の一例としてＬＥＤの構造を示す図である。

符号の説明

１ 金属膜
２ ＳｉＣ基板
３ オーミック接触領域
４ 窒化物半導体結晶
５ ｐ電極
６ ｎ電極

Claims (3)

1. 導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層した窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記窒化物半導体結晶を積層する側とは反対側の導電性ＳｉＣ基板上にＮｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂのいずれかの金属を用いた金属膜を成膜してアニ−ル処理によりオーミック接触を形成した後、前記導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記導電性ＳｉＣ基板上にＩｎを含む窒化物半導体結晶を積層する前に、オーミック接触を形成するために用いた前記金属膜を除去することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記導電性ＳｉＣ基板のオーミック接触を形成した側には、前記窒化物半導体結晶が積層された後に金属電極が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
   

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