JP5040721B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、窒化物半導体基板の裏面側に電極が形成された窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、窒化物半導体基板を用いた半導体装置（窒化物半導体装置）が知られている。このような窒化物半導体装置においては、窒化物半導体基板に導電性を持たせることができることから、当該窒化物半導体基板の裏面側に電極を形成し、電流を縦方向に流すようなデバイスが提案されている。このようなデバイスでは、窒化物半導体基板の裏面側（窒化物半導体基板においてエピタキシャル層などが形成される表面と反対側の面）に電極を形成する必要がある（たとえば、特開２００４−７１６５７号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）、特開２００４−６７１８号公報（以下、特許文献２と呼ぶ）、特開２００３−５１６１４号公報（以下、特許文献３と呼ぶ）および特開２００３−３４７６６０号公報（以下、特許文献４と呼ぶ）参照）。

特許文献１では、窒化物半導体基板の裏面に剥離しにくく低抵抗な電極を形成するため、窒化物半導体基板の裏面に柱状型、多角錐型などの突起部を形成し、当該突起部を覆うように電極を形成することが開示されている。

また、特許文献２では、窒化物半導体基板の一例としてのＧａＮ基板の裏面にエッチングを施した後に電極を形成することで、裏面の平坦性を損なうことなく良好なオーミック特性を有する電極を形成できるとしている。

また、特許文献３では、窒化物半導体基板の一例としてのＧａＮ基板の裏面をエッチングした後、当該裏面に電極を形成すれば、安定して電極を形成できるとしている。

また、特許文献４では、窒化物半導体基板の一例としてのＧａＮ基板の裏面にドライエッチングを施した後に電極を形成することで、裏面の平坦性を損なうことなく良好なオーミック特性を有する電極を形成できるとしている。
特開２００４−７１６５７号公報 特開２００４−６７１８号公報 特開２００３−５１６１４号公報 特開２００３−３４７６６０号公報

しかし、発明者が検討したところ、上述した従来の技術には以下のような課題があった。すなわち、特許文献１に開示されるように窒化物半導体基板の裏面に突起部を形成した場合であっても、裏面の加工変質層が残存していると接触抵抗の低い電極を形成することは難しかった。また、特許文献２〜４のように、窒化物半導体基板の裏面に対してエッチングを施しても、当該裏面が平坦なままではやはり接触抵抗の低い電極を形成できない場合があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、窒化物半導体基板の裏面に、接触抵抗の低い電極を形成した窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することである。

この発明に従った窒化物半導体装置は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の表面上に形成された窒化物半導体層とを備える。窒化物半導体基板において、窒化物半導体層が形成された表面と反対側の裏面には、裏面に対して研削加工または研磨加工を行うことにより形成された加工変質層の残存厚みが０．０１μｍ以下であり、外側に凸となった曲面により表面が構成された半球状の凸部が形成される。窒化物半導体装置は、凸部に接触するように形成された電極をさらに備える。

このようにすれば、窒化物半導体基板の裏面において凸部の形成によって電極と窒化物半導体基板との接触面積を大きくすることができる。さらに、窒化物半導体基板の裏面においては加工変質層が除去されているので、当該加工変質層の存在に起因して電極と窒化物半導体基板との接触抵抗が高くなり、半導体装置の特性が劣化することを防止できる。

上記窒化物半導体装置において、凸部は、窒化物半導体基板の裏面をドライエッチングにより部分的に除去することにより形成されていてもよい。このようにすれば、半球状の凸部を形成することができる。さらに、凸部の形成に伴って、新たな加工変質層が形成されることを抑制できる。

上記窒化物半導体装置では上述したように、窒化物半導体基板の裏面において、残存する加工変質層の厚みは０．０１μｍ以下である。この場合、窒化物半導体基板の裏面に加工変質層が一部残存するような場合であっても、電極と窒化物半導体基板との接触抵抗を十分低く保つことができる。

上記窒化物半導体装置において、凸部の高さが０．２μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。この場合、凸部の高さが窒化物半導体基板の裏面に形成される加工変質層の深さと同等以上となるため、凸部の形成によって窒化物半導体基板の裏面から加工変質層を確実に除去することができる。

上記窒化物半導体装置において、窒化物半導体基板を構成する材料の結晶構造は六方晶型であってもよい。窒化物半導体基板の表面の面方位は（０００１）面であってもよい。この場合、窒化物半導体基板の裏面は（０００−１）面となる。そして、たとえば窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いたときに当該裏面において従来接触抵抗の低い電極を形成することが難しかったことから、本発明が特に有効である。

上記窒化物半導体装置において、窒化物半導体基板はＧａＮ基板であってもよい。窒化物半導体基板は酸素ドープによりｎ型化されていてもよい。窒化物半導体基板の酸素濃度は１×１０^１７個ｃｍ^−３以上２×１０^１９個ｃｍ^−３以下であってもよい。この場合、特にＧａＮ基板の裏面（たとえば（０００−１）面）において本発明に従った構造を形成することで、接触抵抗の低い電極を形成することができる。

この発明に従った窒化物半導体装置の製造方法では、表面に窒化物半導体層が形成され、窒化物半導体層が形成された表面と反対側の裏面に対して研削加工または研磨加工が行なわれている窒化物半導体基板を準備する工程を実施する。窒化物半導体基板において、研削加工または研磨加工を行うことにより裏面に形成された加工変質層を、ドライエッチングを行なって除去することにより、裏面において外側に凸となった曲面により表面が構成された半球状の凸部を形成する工程を実施する。凸部に接触するように電極を形成する工程を実施する。このようにすれば、本発明に従った窒化物半導体装置を得る事ができる。

また、上記研削加工または研磨加工により窒化物半導体基板の裏面に加工変質層が形成されるが、上述したドライエッチングによる半球状の凸部の形成によって当該加工変質層が除去される。このため、本発明に従った窒化物半導体装置を容易にえることができる。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体基板を準備する工程では、窒化物半導体基板の裏面に対して研削加工または研磨加工を行なった後、鏡面化処理を行なわず、半球状の凸部を形成する工程は、窒化物半導体基板を準備する工程に続けて実施されてもよい。

この場合、鏡面化処理を行なわないことにより、窒化物半導体装置の製造工程数を削減できる。このため、窒化物半導体装置の製造コストの増大を抑制できる。さらに、鏡面化処理を行なわず研削加工または研磨加工された面に直接ドライエッチングを施すことで、半球状の凸部を形成しやすくできる。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体基板を準備する工程では、窒化物半導体基板の裏面に対して研磨加工を行なってもよい。研磨加工における研磨レートが１μｍ／ｈ以上３００μｍ／ｈ以下であってもよい。この場合、当該研磨加工によっては窒化物半導体基板の裏面における鏡面化は難しいため、その後のドライエッチングにより半球状の凸部を容易に形成することができる。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、半球状の凸部を形成する工程では、上述のように窒化物半導体基板の裏面から加工変質層を除去している。このため、窒化物半導体基板の裏面に加工変質層が残存することに起因して窒化物半導体装置の特性に悪影響が及ぶことを防止できる。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、加工変質層の厚みは０．０１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この場合、当該加工変質層の厚み以上の高さを有する凸部を形成することで、電極を形成するのに好ましい高さの凸部を形成することができる。

本発明によれば、窒化物半導体基板の裏面において接触抵抗の低い電極を形成した窒化物半導体装置を得る事ができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明による窒化物半導体装置の実施の形態１を示す断面模式図である。

図１を参照して、本発明による窒化物半導体装置１は、半導体レーザ装置であって、窒化物半導体基板としての窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板２と、基板２の主表面１５に形成されたｎ型クラッド層３と、ｎ型クラッド層３上に形成されたｎ型ガイド層４と、ｎ型ガイド層４上に形成された発光層５と、発光層５上に形成されたノンドープガイド層６と、ノンドープガイド層６上に形成されたｐ型電子ブロック層７と、ｐ型電子ブロック層７上に形成されたｐ型クラッド層８と、ｐ型クラッド層８上に形成されたｐ型コンタクト層９と、ｐ型コンタクト層９上に形成された電極１１と、基板２の裏面１４に形成された電極１２とを備える。上記ｎ型クラッド層３〜ｐ型コンタクト層９が窒化物半導体層に対応する。ｐ型コンタクト層９とｐ型クラッド層８との一部を除去することにより、リッジ部が形成されている。当該リッジ部の上部表面では、ｐ型コンタクト層９の表面が露出している。そして、リッジ部の上部表面において、ｐ型コンタクト層９と電極１１とが接触している。なお、リッジ部の側壁およびｐ型クラッド層８の上部表面は絶縁膜１０に被覆されている。

また、基板２の裏面１４では、後述するように裏面１４の加工変質層を除去することにより半球状の凸部１３が複数個形成されている。電極１２は当該凸部１３の表面を覆うように接触した状態で形成されている。

このようにすれば、基板２の裏面１４において凸部１３の形成によって電極１２と基板２との接触面積を大きくすることができる。さらに、基板２の裏面においては加工変質層が除去されているので、当該加工変質層の存在に起因して電極１２と基板２との接触抵抗が高くなり、窒化物半導体装置１の特性が劣化することを防止できる。

図２は、図１に示した窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。図２を参照して、図１に示した窒化物半導体装置の製造方法を説明する。

図２に示すように、窒化物半導体装置１の製造方法では、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、たとえば（０００１）面を主表面とするＧａＮ基板を準備する。

次に、成膜工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、たとえば有機金属気相成長法を用いて、ｎ型クラッド層３〜ｐ型コンタクト層９までをエピタキシャル成長させる。

次に、リッジ部形成工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、当該リッジ部となるべき領域の平面形状と同様の平面形状を有するレジスト膜をフォトリソグラフィ法によりｐ型コンタクト層９の上部表面上に形成する。そして、当該レジスト膜をマスクとして用いて、ｐ型コンタクト層およびｐ型クラッド層８を部分的にエッチングにより除去する。この結果、図１に示すリッジ部が形成される。

次に、基板加工工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、基板２の裏面を機械的に研磨することにより、基板２の厚みを所定の厚みにまで源厚化する。なお、研磨剤としてはアルミナやダイヤモンド、炭化珪素など任意の研磨剤を用いることができる。このような研磨工程によって、基板２の裏面には所定の厚み（たとえば１μｍ以下の厚み）の加工変質層が形成される。なお、この加工変質層は、後述する断面発光像において暗領域として観察されることから、その厚みを測定することができる。上述した工程（Ｓ１０）〜工程（Ｓ４０）が、表面に窒化物半導体層が形成されている窒化物半導体基板を準備する工程に対応する。

次に、加工変質層除去工程（Ｓ５０）を実施する。具体的には、基板２において、窒化物半導体層（ｎ型クラッド層３〜ｐ型コンタクト層９）が形成された表面と反対側の裏面１４に対して、ドライエッチングを行なって、半球状の凸部を形成する工程に対応する工程（Ｓ５０）では、具体的には、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングを基板２の裏面に対して行なうことにより、基板２の裏面に形成された加工変質層を除去する。このエッチングにより、同時に半球状の凸部１３が形成される。

次に、電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。具体的には、凸部１３に接触するように電極を形成する工程に対応する工程（Ｓ６０）では、基板２の裏面にオーミック電極としての電極１２を形成する。この電極１２は、たとえば基板２側からＴｉ（厚み１０ｎｍ）／Ａｌ（厚み１００ｎｍ）を積層した複数層からなる積層構造の電極としてもよい。当該電極１２は、従来周知の任意の方法で形成することができるが、たとえば蒸着法を用いて形成してもよい。なお、当該電極１２を構成する導電体膜（たとえば金属膜）を形成した後、熱処理を行なってオーミック電極としての電極１２を完成する。

また、基板２の表面側におけるｐ型コンタクト層９に接続される電極１１は、先に従来周知の方法（たとえば気相成長法とフォトリソグラフィ法により形成されたマスク層と当該マスク層をマスクとして用いたエッチング）で絶縁膜１０を形成してから、ｐ型コンタクト層９上（リッジ部上）を覆うように形成されてもよい。電極１１の形成方法としては、たとえば電極１１が形成されるべき領域に開口パターンを有するマスク層を先に形成し、その上から電極１１となるべき金属膜を形成してから、マスク層を除去する（リフトオフ）といった方法を用いてもよい。

その後、後処理工程（Ｓ７０）を実施する。具体的には、基板２をバー状にヘキ開し、端面ミラーを形成する。このようにして、図１に示す窒化物半導体装置１を得ることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明による窒化物半導体装置の実施の形態２を示す断面模式図である。図３を参照して、本発明による窒化物半導体装置の実施の形態２を説明する。

図３に示すように、窒化物半導体装置１は発光ダイオードであって、窒化物半導体基板であるＧａＮからなる基板２と、基板２の表面上に形成されたｎ型ＧａＮ層２１と、ｎ型ＧａＮ層２１上に形成された発光層５と、発光層５上に形成されたｐ型電子ブロック層７と、ｐ型電子ブロック層７上に形成されたｐ型コンタクト層９と、ｐ型コンタクト層９上に形成された電極１１と、基板２の裏面１４上に形成された電極１２とを備える。また、基板２の裏面１４では、半球状の凸部１３が複数個形成されている。電極１２は当該凸部１３の表面を覆うように形成されている。

このような構造によっても、図１に示した窒化物半導体装置１と同様に、電極１２と基板２の裏面１４との接触抵抗を小さくできる。

図４は、図３に示した窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４を参照して、窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。

図４に示すように、窒化物半導体装置１の製造方法では、図２に示した製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、たとえば（０００１）面を主表面とするＧａＮ基板を準備する。

次に、成膜工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、たとえば有機金属気相成長法を用いて、図３に示したｎ型ＧａＮ層２１〜ｐ型コンタクト層９までをエピタキシャル成長させる。

次に、基板加工工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、図２に示した製造方法と同様に、基板２の裏面を機械的に研磨することにより、基板２の厚みを所定の厚みにまで源厚化する。このような研磨工程によって、基板２の裏面には所定の厚み（たとえば１μｍ以下の厚み）の加工変質層が形成される。

次に、加工変質層除去工程（Ｓ５０）を実施する。具体的には、図２に示した製造方法と同様に、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングを基板２の裏面に対して行なうことにより、基板２の裏面に形成された加工変質層を除去する。このエッチングにより、同時に半球状の凸部１３が形成される。

次に、電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。具体的には、基板２の裏面にオーミック電極としての電極１２を形成する。この電極１２は、図２に示した製造方法と同様に、たとえば基板２側からＴｉ（厚み１０ｎｍ）／Ａｌ（厚み１００ｎｍ）を積層した複数層からなる積層構造の電極としてもよい。

また、基板２の表面側におけるｐ型コンタクト層９に接続される電極１１は、図２に示した製造方法と同様の方法により形成することができる。

その後、後処理工程（Ｓ７０）を実施する。具体的には、基板２を所定のサイズのチップ（たとえば平面形状が四角形状のチップ）にダイシングなどにより分割する。このようにして、図３に示す窒化物半導体装置１を得ることができる。

（実施の形態３）
本発明による窒化物半導体装置の実施の形態３は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）であって、基本的には図３に示した窒化物半導体装置１と類似の構造を備えるが、図３のｎ型ＧａＮ層２１〜ｐ型コンタクト層９に代えてＧａＮドリフト層が形成され、当該ＧａＮドリフト層上にショットキー電極が形成されている点が異なる。このようなＳＢＤにおいても、基板２の裏面に凸部１３を複数個形成し、当該凸部１３を覆うようにオーミック電極である電極１２を形成する。この結果、基板２の裏面１４に接触抵抗の低い電極１２を形成することができる。

また、上述したＳＢＤの製造方法については、基本的には図４に示した方法を流用することができる。ただし、成膜工程（Ｓ２０）にて形成されるＧａＮドリフト層は従来周知の方法（たとえば有機金属気相成長法など）を用いて形成することができる。また、電極形成工程（Ｓ６０）において形成されるショットキー電極も同様に従来周知の方法により形成することができる。また、基板２の裏面における凸部１３や電極１２は、上記実施の形態１または実施の形態２に示した製造方法における凸部１３や電極１２の製造方法と同様の方法により、加工変質層除去工程（Ｓ５０）において形成することができる。

上述した実施の形態１〜実施の形態３の窒化物半導体装置１では、凸部１３は、基板２の裏面をドライエッチングにより部分的に除去することにより形成されている。このようにすれば、半球状の凸部１３を容易に形成することができる。さらに、凸部１３の形成に伴って、基板２の裏面１４において新たな加工変質層が形成されることを抑制できる。

上記実施の形態１〜実施の形態３の窒化物半導体装置１において、基板２の裏面１４では、残存する加工変質層の厚みは０．０１μｍ以下であることが好ましい。この場合、基板２の裏面に加工変質層が一部残存するような場合であっても、電極１２と基板２との接触抵抗を十分低く保つことができる。

上記実施の形態１〜実施の形態３の窒化物半導体装置１において、凸部１３の高さは０．２μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この場合、凸部１３の高さが基板２の裏面に形成される加工変質層の深さと同等以上となるため、凸部１３の形成によって基板２の裏面から加工変質層を確実に除去することができる。

上記実施の形態１〜実施の形態３の窒化物半導体装置１において、基板２を構成する材料の結晶構造は六方晶型のＧａＮであり、基板２の表面の面方位は（０００１）面である。この場合、基板２の裏面１４は（０００−１）面となる。そして、当該裏面１４において従来接触抵抗の低い電極を形成することが難しかったことから、本発明が特に有効である。

上記実施の形態１〜実施の形態３の窒化物半導体装置１において、基板２はＧａＮ基板であり、基板２は酸素ドープによりｎ型化されていることが好ましい。基板２の酸素濃度は１×１０^１７個ｃｍ^−３以上２×１０^１９個ｃｍ^−３以下である事が好ましい。この場合、特にＧａＮ基板の裏面１４（たとえば（０００−１）面）において本発明に従った凸部１３などの構造を形成することで、接触抵抗の低い電極１２を形成することができる。

また、上記実施の形態１〜実施の形態３での窒化物半導体装置１の製造方法において、窒化物半導体基板を準備する工程（具体的には工程（Ｓ４０））では、基板２の裏面に対して研削加工または研磨加工を行なってもよい。この場合、上記研削加工または研磨加工により基板２の裏面１４に加工変質層が形成されるが、上述した加工変質層除去工程（Ｓ５０）でのドライエッチングによる半球状の凸部１３の形成によって当該加工変質層が除去される。このため、本発明に従った窒化物半導体装置１を容易に得ることができる。

上記実施の形態１〜実施の形態３での窒化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体基板を準備する工程（具体的には基板加工工程（Ｓ４０））では、基板２の裏面に対して研削加工または研磨加工を行なった後、鏡面化処理を行なうことなく半球状の凸部を形成する工程（加工変質層形成工程（Ｓ６０））を実施する。

この場合、鏡面化処理を行なわないことにより、窒化物半導体装置１の製造工程数を削減できる。このため、窒化物半導体装置１の製造コストの増大を抑制できる。さらに、工程（Ｓ６０）では鏡面化処理を行なわず研削加工または研磨加工された裏面１４に直接ドライエッチングを施すことで、半球状の凸部１３を形成しやすくできる。

上記実施の形態１〜実施の形態３での窒化物半導体装置１の製造方法において、窒化物半導体基板を準備する工程（具体的には基板加工工程（Ｓ４０））では、基板２の裏面に対して研磨加工を行なってもよい。研磨加工における研磨レートは１μｍ／ｈ以上３００μｍ／ｈ以下とすることが好ましい。この場合、当該研磨加工によっては基板２の裏面における鏡面化は難しいため、その後のドライエッチングにより半球状の凸部１３を容易に形成することができる。

上記実施の形態１〜実施の形態３での窒化物半導体装置１の製造方法において、半球状の凸部を形成する工程としての加工変質層除去工程（Ｓ５０）では、基板２の裏面１４から加工変質層を除去する。この場合、基板２の裏面に加工変質層が残存することに起因して窒化物半導体装置１の特性に悪影響が及ぶことを防止できる。

上記実施の形態１〜実施の形態３での窒化物半導体装置１の製造方法において、基板加工工程（Ｓ４０）後の裏面１４での加工変質層の厚みは０．０１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この場合、当該加工変質層の厚み以上の高さを有する凸部１３を形成することで、電極１２を形成するのに好ましい高さの凸部１３を形成することができる。

（実施例１）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。

（試料に対する処理）
試料１として、サイズが２インチ、導電型がｎ型で主表面が（０００１）面であるＧａＮ基板を準備した。当該ＧａＮ基板の裏面である(０００−１)面に対し、研磨剤を用いて厚み約５０μｍを除去する平坦化処理を行った。なお、研磨剤としては炭化珪素系の砥粒を用いた。

また、試料２として、上述したＧａＮ基板と同じ条件のＧａＮ基板を準備し、当該ＧａＮ基板の裏面に上述した平坦化処理を行なった。その後、さらに研磨布を用いて鏡面化処理を行った。なお、鏡面化処理には、アルミナ系の砥粒を用いた。

そして、上記試料１および試料２の裏面に対して、塩素系ガスで反応性イオンエッチングを行った。なお、エッチングの条件は、バイアスパワー：５０Ｗ、圧力０．４Ｐａである。

（測定内容）
上述した試料１および試料２について、エッチング前の試料について、試料断面のＳＥＭ像および発光像（ＣＬ像）を観察した。

また、上述した試料１および試料２について、エッチング後の試料について基板裏面の表面状態をＳＥＭ像として観察した。

また、上記ＳＥＭ像を観察した後、試料１および試料２について、基板の裏面にフォトリソグラフィ法により円形ＴＬＭパターンを形成した。なおＴＬＭパターンとは、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌといった手法で接触抵抗を評価するためのものである。そして、基板裏面側からＴｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）という積層構造の電極を蒸着し、６００℃で熱処理を行った後にＩ−Ｖ特性を調べた。

（測定結果）
上述したエッチング前の試料についての断面のＳＥＭ像およびＣＬ像を、試料１については図５に、試料２については図６に示した。なお、図５および図６は、エッチング前の試料１および試料２についての断面のＳＥＭ像およびＣＬ像を示す写真である。図５および図６から分かるように、基板裏面の加工変質層３１は、特にＣＬ像において欠陥の影響で暗領域として観察される。当該暗領域（加工変質層３１）の深さは、試料１を示す図５で１μｍ程度、試料２を示す図６で０．２μｍ程度である。このような断面発光像の観察より、試料１の方が試料２に比べて加工ダメージが基板の奥まで入っていることがわかる。

次に、上述したエッチング後の基板裏面の表面状態を図７および図８に示す。図７および図８は、それぞれエッチング後の試料１および試料２についての裏面のＳＥＭ像を示す写真である。

図７および図８から分かるように、加工後のダメージ層の深さに依存することなく、試料１および試料２の何れも同程度の大きさの半球状の凸部１３が、密接、或いは重なるように基板裏面全面に形成されていた。

段差測定の結果、エッチングの深さは、試料１および試料２の何れも１μｍ以上で、加工変質層が完全に除去されていた。

また、Ｉ−Ｖ特性の測定結果は、試料１及び試料２の何れもρc=１×１０^−４Ωｃｍ^２という低い接触抵抗を示した。

（実施例２）
次に、加工変質層と基板−電極間の接触抵抗との関係を調べるため、以下のような実験を行なった。具体的には、上記試料１と同様の研磨加工を行なってから、エッチング時間を変化させた試料を複数用意して、当該複数の試料について電極を形成し、各試料について基板−電極間の接触抵抗を調べた。

（試料に対する処理）
上記実施例１における試料１と同様な研磨加工を行ってから、裏面に対するエッチング時間を変えた試料を４種類（試料Ａ１〜Ａ４）準備した。具体的には、エッチング時間が０分、２分、４分、６分という試料を準備した。なお、エッチングの条件は、エッチング時間以外は実施例１におけるエッチング条件と同様である。

また、上記実施例１における試料２と同様の研磨加工及び鏡面化処理を行なってから、同様に裏面に対するエッチング時間を変えた試料を４種類（試料Ｂ１〜Ｂ４）準備した。エッチング時間は０分、２分、４分、６分とした。なお、エッチングの条件は、エッチング時間以外は実施例１におけるエッチング条件と同様である。

（測定内容）
各試料について、エッチングにより除去された層の厚さ（エッチ深さ）を測定した。測定には、触針式の段差計を用いた。

また、各試料について、裏面に電極を形成して接触抵抗を測定した。測定方法は、実施例１における測定方法と同様である。

（測定結果）
試料Ａ１〜Ａ４について、その結果を図９に示す。図９は、試料Ａ１〜Ａ４についての測定結果を示すグラフである。図９では、横軸がエッチング時間（単位：分）であり、左側の縦軸が接触抵抗ρｃ（単位：Ωｃｍ^２）、右側の縦軸がエッチ深さ（単位：μｍ）である。図９に示すように、試料Ａ１〜Ａ４では、加工変質層の厚みが減ると（つまりエッチ深さが大きくなると）接触抵抗が急激に低下している。そして、加工変質層がほぼ除去された深さ（エッチ深さがほぼ１μｍとなった試料）で、実施例１での結果と同様の接触抵抗ρc=１×１０^−４Ωｃｍ^２という低い接触抵抗を得た。

次に、試料Ｂ１〜Ｂ４について、その結果を図１０に示す。図１０は、試料Ｂ１〜Ｂ４についての測定結果を示すグラフである。図１０における横軸および縦軸は、図９と同様である。図１０に示すように、前記半球状の凸部が形成されないように、鏡面化処理を行ってからＢＣｌ３ガスを用いてエッチングを行った試料Ｂ１〜Ｂ４では、加工変質層が除去された深さまでエッチングしても（つまりエッチ深さが０．２μｍと加工変質層深さとほぼ等しくなった場合でも）、接触抵抗を下げる効果が顕著に現れなかった。

これらの結果から、加工変質層を除去することが接触抵抗を下げるうえで必要不可欠であること、さらに、半球状の凸部を密接、或いは重なるように設けることで極めて低い接触抵抗が得られることがわかる。

また、平坦化処理や鏡面化処理は必ずしも必要ではないことも明らかになった。これは、基板の減厚化を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、研磨布を用いた鏡面化処理工程を省くことが可能であることを意味しており、半導体装置の製造工程における生産性の向上を図ることができる。

（実施例３）
本発明に従った窒化物半導体装置として半導体レーザ装置を作成した。具体的には、貫通転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２未満のｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備した。ＧａＮ基板のサイズは２インチ、厚みは４００μｍであった。当該ＧａＮ基板の表面上に有機金属気相成長法を用いてＧａＮ系の窒化物半導体層（エピタキシャル成長層）を形成した。なお、半導体層の原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。

半導体層の形成工程では、上記ＧａＮ基板を成膜装置中のサセプタ上に配置した。そして、反応容器内部の圧力（炉内圧力）を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素を炉内に導入し、基板温度１０５０℃で１０分間クリーニングを行った。その後、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成：３％、厚み：２．５μｍ、Ｓｉドープ）、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層（Ｉｎ組成：２％、厚み：５０ｎｍ、Ｓｉドープ）、ＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成：８％、厚み：３ｎｍ）とＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成：１％、厚み：６ｎｍ）を交互に３周期積層した量子井戸発光層、ノンドープのＧａＮガイド層（厚み：１００ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成：１８％、厚み：２０ｎｍ、Ｍｇドープ）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成：５％、厚み：０．４μｍ、Ｍｇドープ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚み：５０ｎｍ、Ｍｇドープ）を、順次成長した。

そして、上述したエピタキシャル層が形成された基板（エピタキシャルウェハ）において、一般的なフォトリソグラフィ法により幅２μｍのリッジ部を形成し、リッジ型レーザ構造を作製した。

次に、基板の裏面を機械的に研磨することで、基板の厚みを１２０μｍまで減厚化した。なお、研磨剤としてはアルミナを用いた。この時点で断面発光観察により、基板裏面の加工変質層の厚みは１μｍ以下であることを確認した。

そして、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、基板裏面の加工変質層を除去すると同時に半球状の凸部を形成した。さらに、Ｔｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）電極を凸部上に蒸着した。また、基板の表面側におけるｐＧａＮコンタクト層上にも、Ｔｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）電極を形成した。そして、電極に対して６００℃で熱処理を行なうことで、オーミック電極を形成した。その後、長さ８００μｍのバー状に基板をヘキ開し、端面ミラーを形成した。このようにして、図１に示した装置と同様の構成の半導体レーザ装置を得た。

このように作製した半導体エーザ装置（青紫色レーザ）に電流注入したところ、２．５ｋＡ／ｃｍ^２の閾電流密度でレーザ発振が観測された。また、駆動電圧は閾値近傍で４Ｖ程度と、極めて良好な電気特性を示した。

（実施例４）
本発明に従った窒化物半導体装置として図３に示した発光ダイオードを作成した。具体的には、実施例３と同じｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備した。当該ＧａＮ基板の表面上に有機金属気相成長法を用いてエピタキシャル成長層を形成した。原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。

エピタキシャル成長層の形成工程では、上記ＧａＮ基板を成膜装置のサセプタ上に配置し、まず炉内圧力を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素を導入しながら基板温度１０５０℃とし、１０分間クリーニングを行った。その後、ｎ型ＧａＮ層（厚み：２．５μｍ、Ｓｉドープ）、ＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成：１４％、厚み：３ｎｍ）とＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成：１％、厚み：６ｎｍ）とを交互に３周期積層したの量子井戸発光層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成：１８％、厚み：２０ｎｍ、Ｍｇドープ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚み：５０ｎｍ、Ｍｇドープ）を、順次成長した。次いで、ＧａＮ基板の裏面を機械的に研磨して当該ＧａＮ基板の厚みを２５０μｍ厚まで減厚化した。この時点で断面発光観察によりＧａＮ基板裏面の加工変質層の厚みは１μｍ以下であることを確認した。

次に、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、ＧａＮ基板裏面の加工変質層を除去すると同時に半球状の凸部を形成した。次いで、当該凸部上およびｐ型ＧａＮコンタクト層上にそれぞれＴｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）電極を蒸着し、６００℃で熱処理を行ってオーミック電極を形成した。

このように処理されたウェハから３００μｍ角のチップを切り出し、電流注入した。その結果、２０ｍＡ通電時における順電圧は３．１Ｖと、極めて良好な電気特性が得られた。これは、実施例３と同様、裏面電極の接触抵抗が低いことを示していると考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、窒化物半導体基板の裏面に電極を形成する半導体レーザやダイオードなどの窒化物半導体装置に有利に適用できる。

本発明による窒化物半導体装置の実施の形態１を示す断面模式図である。 図１に示した窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明による窒化物半導体装置の実施の形態２を示す断面模式図である。 図３に示した窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 エッチング前の試料１についての断面のＳＥＭ像およびＣＬ像を示す写真である。 エッチング前の試料２についての断面のＳＥＭ像およびＣＬ像を示す写真である。 エッチング後の試料１についての裏面のＳＥＭ像を示す写真である。 エッチング後の試料２についての裏面のＳＥＭ像を示す写真である。 試料Ａ１〜Ａ４についての測定結果を示すグラフである。 試料Ｂ１〜Ｂ４についての測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 窒化物半導体装置、２ 基板、３ ｎ型クラッド層、４ ｎ型ガイド層、５ 発光層、６ ノンドープガイド層、７ ｐ型電子ブロック層、８ ｐ型クラッド層、９ ｐ型コンタクト層、１０ 絶縁膜、１１，１２ 電極、１３ 凸部、１４ 裏面、１５ 主表面、２１ ｎ型ＧａＮ層、３１ 加工変質層。

Claims (8)

1. 窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板の表面上に形成された窒化物半導体層とを備え、
   前記窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体層が形成された前記表面と反対側の裏面には、前記裏面に対して研削加工または研磨加工を行うことにより形成された加工変質層の残存厚みが０．０１μｍ以下であり、外側に凸となった曲面により表面が構成された半球状の凸部が形成され、
   前記凸部に接触するように形成された電極をさらに備える、窒化物半導体装置。
2. 前記凸部の高さが０．２μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
3. 前記窒化物半導体基板を構成する材料の結晶構造は六方晶型であり、
   前記窒化物半導体基板の表面の面方位は（０００１）面である、請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
4. 前記窒化物半導体基板はＧａＮ基板であり、
   前記窒化物半導体基板は酸素ドープによりｎ型化されており、
   前記窒化物半導体基板の酸素濃度は１×１０^１７個ｃｍ^−３以上２×１０^１９個ｃｍ^−３以下である、請求項３に記載の窒化物半導体装置。
5. 表面に窒化物半導体層が形成され、前記窒化物半導体層が形成された表面と反対側の裏面に対して研削加工または研磨加工が行なわれている窒化物半導体基板を準備する工程と、
   前記窒化物半導体基板において、前記研削加工または研磨加工を行うことにより前記裏面に形成された加工変質層を、ドライエッチングを行なって除去することにより、前記裏面において外側に凸となった曲面により表面が構成された半球状の凸部を形成する工程と、
   前記凸部に接触するように電極を形成する工程とを備える、窒化物半導体装置の製造方法。
6. 前記窒化物半導体基板を準備する工程では、前記窒化物半導体基板の裏面に対して研削加工または研磨加工を行なった後、鏡面化処理を行なわず、
   前記半球状の凸部を形成する工程は、前記窒化物半導体基板を準備する工程に続けて実施される、請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
7. 前記窒化物半導体基板を準備する工程では、前記窒化物半導体基板の裏面に対して研磨加工を行ない、
   前記研磨加工における研磨レートが１μｍ／ｈ以上３００μｍ／ｈ以下である、請求項５または６に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
8. 前記加工変質層の厚みは０．０１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。