JP5132739B2 - 半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、半導体素子に関する。
窒化物半導体は、バンドギャップの広いワイドギャップ半導体であり、その広いバンドギャップを利用して、レーザダイオード（ＬＤ）や半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）等の基板として利用される。また、窒化物半導体は結晶が強固であり大電流、高電圧に耐えうる。このため、高出力のヘテロ接合バイポーラトランジスタ等への応用も検討されている。
これらの窒化物半導体を基板として用いた半導体素子においては、動作電圧の低減、信頼性の向上が課題となる。この課題を実現するために、窒化物半導体に対する低抵抗かつ信頼性の高いコンタクト電極構造の実現が望まれる。
特開２００１−７３９８号公報
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、低抵抗かつ信頼性の高いコンタクト電極構造を有する窒化物半導体素子を提供することにある。
実施の形態の半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層上に形成され、膜厚が３ｎｍ以下で多結晶質のニッケル酸化物層と、ニッケル酸化物層上に形成される金属層と、を有する半導体素子である。
第１の実施の形態の半導体素子の模式断面図である。 コンタクト抵抗の評価結果を示す図である。 第１の実施の形態の半導体素子のコンタクト抵抗低減効果の説明図である。 第１の実施の形態の半導体素子のコンタクト構造の電圧−電流特性を示す図である。 第１の実施の形態のＮｉＯ膜厚とＬＤの立ち上がり電圧の関係を示す図である。 第２の実施の形態の半導体素子の模式断面図である。 実施例１および比較例１のＬＤの立ち上がり電圧を示す図である。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層と、このｐ型窒化物半導体層上に形成され、膜厚が３ｎｍ以下で多結晶質のニッケル酸化物層と、ニッケル酸化物層上に形成される金属層と、を有する。
図１は、本実施の形態の半導体素子の断面図である。この半導体素子はＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体で形成されるレーザダイオード（ＬＤ）である。図１（ａ）が全体の模式断面図、図１（ｂ）がｐ側電極のコンタクト構造の拡大断面図である。
本実施の形態の半導体素子であるレーザダイオードは、ｎ型のＧａＮ（窒化ガリウム）半導体の基板１０上に、ＧａＮ系のｎ型窒化物半導体層１２として、例えば、Ｓｉドープされたｎ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｎ型クラッド層、Ｓｉドープされたｎ型のＧａＮのｎ型ガイド層が形成されている。
ｎ型窒化物半導体層１２上には、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のＧａＮ系半導体の、例えば、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．０８Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎの多重構造の活性層１４が形成されている。
活性層１４上には、ＧａＮ系のｐ型窒化物半導体層１６として、例えば、Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮのｐ型ガイド層、Ｍｇドープされたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされたｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層が形成されている。
ｐ型窒化物半導体層１６には、レーザ光の導波路領域を形成するためのリッジストライプ１８が設けられている。リッジストライプ１８の側面、および、ｐ型クラッド層１６ｂの表面は、例えば、シリコン酸化膜の絶縁膜２０で覆われている。
基板１０の下面にはｎ側電極２４、ｐ型窒化物半導体層１６のリッジストライプ１８上面にはｐ側電極２６が設けられている。
ｐ側のコンタクト構造を形成するｐ側電極２６の詳細について、以下図１（ａ）を参照しつつ説明する。
ｐ型窒化物半導体層１６の最上部にあたるｐ型ＧａＮ上のｐ側電極２６は、ｐ型ＧａＮ上に形成されるニッケル酸化物層であるＮｉＯ（酸化ニッケル）膜３０と、ＮｉＯ膜３０上に形成される金属層３２とで形成される。
ＮｉＯ膜３０は、膜厚が３ｎｍ以下で層状かつ多結晶質である。なお、ＮｉＯ膜３０の膜厚は０．５ｎｍ以上であることが、膜厚の均質な多結晶質膜を安定して形成する観点から望ましい。
金属層３２は、Ｎｉ（ニッケル）膜３２ａ、Ａｕ（金）膜３２ｂ、Ｔｉ（チタン）膜３２ｃ、Ｐｔ（白金）膜３２ｄ、Ａｕ（金）膜３２ｅの積層構造を有する。ここで、Ｎｉ（ニッケル）膜３２ａは、ＮｉＯ膜３０と、Ａｕ（金）膜３２ｂとの密着性を向上させる機能を有する。
本実施の形態のレーザダイオードによれば、ｐ型窒化物半導体層１６であるｐ型ＧａＮと金属層３２との間に、極薄膜で層状かつ多結晶質のＮｉＯ膜３０が設けられたコンタクト構造が形成される。このコンタクト構造により、ｐ型窒化物半導体層１６と金属層３２とのコンタクト抵抗が低減され、立ち上がり電圧が低減される。したがって、レーザダイオードの動作電圧を低減することが可能である。よって、レーザダイオードの電力−光変更効率が向上される。
また、ＮｉＯ膜３０が非晶質ではなく結晶質であるため、レーザダイオードの信頼性が向上する。信頼性の向上要因としては、結晶質であるため膜中の酸素欠損が少なく、素子使用中の酸素欠損の膜中の移動による膜変質が抑制されることが考えられる。また、結晶質であるため、高密度の電流を流した場合でも金属の拡散に対するバリア性が向上し、ｐ型窒化物半導体層中への金属の拡散が抑制されることも信頼性の向上要因として考えられる。
図２は、コンタクト抵抗の評価結果を示す図である。図２（ａ）がｐ型窒化物半導体層と金属層との間にＮｉＯ膜がない場合、図２（ｂ）が、本実施の形態のようにｐ型窒化物半導体層と金属層との間にＮｉＯ膜がある場合である。ここでは、ＮｉＯ膜の膜厚を１ｎｍとして評価している。なお、評価には基板をｐ型ＧａＮとしたＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）法を用いている。
図２から明らかなように、ＮｉＯ膜を介在させることにより、コンタクト抵抗が約１／２に低減している。
図３は、本実施の形態のコンタクト抵抗低減効果の説明図である。図３（ａ）は、ｐ型窒化物半導体層と金属層との間にＮｉＯ膜がない場合のバンド図、図３（ｂ）は、本実施の形態のようにｐ型窒化物半導体層と金属層との間にＮｉＯ膜がある場合のバンド図である。
図３（ｂ）に示す様に、ｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップの小さいＮｉＯ膜が、ｐ型窒化物半導体層と金属層との間に介在することで、ｐ型窒化物半導体層と金属層との間の障壁がＥｓ１とＥｓ２の２段となる。Ｅｓ１とＥｓ２は、ＮｉＯ膜がない場合の障壁Ｅｓ０に比べてともに小さくなる。この障壁の低下によりコンタクト抵抗が低減されると考えられる。
図４は、本実施の形態のコンタクト構造の電圧−電流特性を示す図である。ｐ型ＧａＮと金属層との間にＮｉＯ膜を設けることで、オーミック性が向上することがわかる。ＮｉＯ膜が無い場合に非オーミック特性が顕著になるのは、ｐ型ＧａＮと金属層と間の障壁が高く、電界がある程度大きくなるまで障壁層の高さが熱放出によるキャリア注入が生じるほど低くならないことによると考えられる。これに対し、ＮｉＯ膜を設けた場合は、ｐ型ＧａＮと金属層と間の障壁が上述のモデルで説明されるように低くなるため、低電圧においても熱放出でキャリアの注入が生じると考えられる。
もっとも、層状に形成される結晶質のＮｉＯ膜の膜厚が３ｎｍを超えると、コンタクト抵抗が上昇しレーザダイオードの立ち上がり電圧が上昇する。図５は、ＮｉＯ膜厚とＬＤの立ち上がり電圧の関係を示す図である。図１に示すレーザダイオードの立ち上がり電圧をシミュレーションにより求めている。
本実施の形態のレーザダイオードの発光波長は４００ｎｍ近傍にあるため、理想的にはバンドギャップのエネルギーに対応する３Ｖが立ち上がり電圧となる。図５に示す様に、ＮｉＯ膜の膜厚が３ｎｍまでは、ほぼ３Ｖであるが、３ｎｍを超えると、立ち上がり電圧が上昇する。
一般に、ＮｉＯ中の電気伝導は、非晶質または酸化が不十分なことに起因する酸素欠損によって生じると考えられている。このため、非晶質または酸化が不十分な場合は、膜厚が厚くなっても、実使用に耐えうる抵抗が得られる。
本実施の形態では、結晶質であるため酸素欠損が少なく、ＮｉＯ膜自体の抵抗が高くなる。シミュレーションでは完全な結晶を想定し、酸素欠損による伝導は考慮していない。このため、ＮｉＯ膜自体の抵抗成分が大きくなる。
もっとも、３ｎｍ以下の領域では、膜厚が薄くなることによりキャリアのトンネル注入が可能になる。この結果立ち上がり電圧が急激に低下する。加えて、上述のように、ｐ型ＧａＮと金属層と間の障壁が低くなるため、ほぼ理想的なＬＤの立ち上がり電圧が得られる。
なお、本実施の形態において、ニッケル酸化物層の結晶粒径が、ニッケル酸化物層の膜厚よりも大きいことが望ましい。この構造によれば、ニッケル酸化物層の膜厚方向に粒界が存在しない、あるいは、極めて少なくなる。したがって、ニッケル酸化物層の信頼性が向上し、レーザダイオードの信頼性も向上する。
なお、ニッケル酸化物層の結晶粒径は、例えば、ＴＥＭ写真等で観察される各結晶粒の最大径を複数個計測し、平均化することで求められる。
次に、本実施の形態の半導体素子の製造方法について説明する。
ウェハ形状のｎ型のＧａＮ（窒化ガリウム）半導体の基板１０に対し、例えば、有機溶剤と酸で前処理を行った後に、公知のＭＯＣＶＤ法により、原料ガスの切り替えを行いながら、ｎ型窒化物半導体層１２、多重構造の活性層１４、ｐ型窒化物半導体層１６を形成する。
次に、リッジストライプ１８を公知のドライエッチング法により形成する。そして、シリコン酸化膜の絶縁膜２０を形成する。その後、リッジストライプ１８上の絶縁膜２０を除去する。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ｐ型窒化物半導体層１６上に膜厚３ｎｍ以下のＮｉ膜を蒸着する。その後、常圧、酸素窒素混合雰囲気中、４５０℃以下の熱処理を行い、Ｎｉ膜を酸化し、ニッケル酸化物層である多結晶質のＮｉＯ膜３０を形成する。
ここで、酸素窒素混合雰囲気は、酸素２０％以下の雰囲気が望ましい。また、結晶の粒径を大きくする観点から熱処理温度は４００℃以下であることがより望ましい。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ＮｉＯ膜３０上に、Ｎｉ（ニッケル）膜３２ａ、Ａｕ（金）膜３２ｂ、Ｔｉ（チタン）膜３２ｃ、Ｐｔ（白金）膜３２ｄ、Ａｕ（金）膜３２ｅを蒸着し、ｐ側電極２６を形成する。この後、アニールのために、例えば窒素雰囲気中での熱処理を行っても構わない。
次に、基板１０のｐ側電極２６と反対側を研磨により薄くする。そして、Ｔｉ（チタン）膜、Ｐｔ（白金）膜、Ａｕ（金）膜を蒸着し、ｎ側電極２４を形成する。
次に、ウェハをへき開により割断し共振器ミラーを作成する。その後、各チップに分離する。共振器ミラーは、例えば、誘電体多層膜により片面を高反射膜とし、光出射面を低反射膜とする。その後、チップをヒートシンクにマウントする。
以上の製造方法により、本実施の形態の半導体素子が製造される。
上記、製造方法において、酸素窒素混合雰囲気中、４５０℃以下の熱処理をＮｉ膜に対して行うことで、安定して十分な酸化が実現され、層状で結晶粒径が大きい多結晶質の極薄膜のＮｉＯ膜を製造することが可能となる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の半導体素子は、レーザダイオード（ＬＤ）ではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）である点で、第１の実施の形態と異なる。また、ＮｉＯ膜上の金属層が、Ａｇ（銀）膜、Ｔｉ（チタン）膜、Ｐｔ（白金）膜、Ａｕ（金）膜の積層構造である点で第１の実施の形態と異なっている。ＮｉＯ膜を設けることによる作用および効果については基本的に第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については、一部記載を省略する。
図６は、本実施の形態の半導体素子の模式断面図である。この半導体素子はＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体で形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）である。図６（ａ）が全体の模式断面図、図６（ｂ）がｐ側電極のコンタクト構造の拡大断面図である。
本実施の形態の半導体素子であるレーザダイオードは、サファイアの光透過性基板４０上に、ＧａＮ系のｎ型窒化物半導体層４２として、例えば、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮのガイド層が形成されている。光透過性基板４０とｎ型窒化物半導体層４２との間に、例えば、ＡｌＮのバッファ層を設けてもかまわない。
ｎ型窒化物半導体層４２上には、発光層である活性層４４が形成されている。活性層４４は、例えば、ＩｎＧａＮ系の窒化物半導体で形成されるＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ）構造である。障壁層（バリア層）、量子井戸層、障壁層（バリア層）の積層構造が例えば複数繰り返される。
活性層４４上には、ＧａＮ系のｐ型窒化物半導体層４６として、例えば、Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮのｐ型ガイド層、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされたｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層が形成されている。
ｎ型窒化物半導体層４２上に、ｎ側電極５４が設けられている。ｎ側電極５４は、例えばＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜の積層構造である。
さらに、ｐ型窒化物半導体層４６上にｐ側電極５６が設けられる。ｐ側電極５６は、活性層４４で発せられる光を光透過性基板４０側に反射する反射電極としても機能する。ｐ側のコンタクト構造を形成するｐ側電極５６の詳細について、以下、図６（ｂ）を参照しつつ説明する。
ｐ型窒化物半導体層４６の最上部にあたるｐ型ＧａＮ上のｐ側電極５６は、ｐ型ＧａＮ上に形成されるニッケル酸化物層であるＮｉＯ（酸化ニッケル）膜３０と、ＮｉＯ膜３０上に形成される金属層６２とで形成される。
ＮｉＯ膜３０は、膜厚が３ｎｍ以下で層状かつ多結晶質である。なお、ＮｉＯ膜３０の膜厚は０．５ｎｍ以上であることが、膜厚が均質な多結晶質膜を形成する観点から望ましい。
金属層６２は、Ａｇ（銀）膜６２ａ、Ｔｉ（チタン）膜６２ｂ、Ｐｔ（白金）膜６２ｃ、Ａｕ（金）膜６２ｄの積層構造を有する。
本実施の形態の発光ダイオードによれば、ｐ型窒化物半導体層４６であるｐ型ＧａＮと金属層６２との間に、極薄膜で層状かつ多結晶質のＮｉＯ膜３０が設けられたコンタクト構造が形成される。このコンタクト構造により、ｐ型窒化物半導体層４６と金属層６２とコンタクト抵抗が低減されることで動作電圧を低減することが可能である。したがって、発光ダイオードの電力−光変更効率が向上される。
また、ＮｉＯ膜３０が非晶質ではなく結晶質であるため、発光ダイオードの信頼性が向上する。信頼性の向上要因としては、結晶質であるため膜中の酸素欠損が少なく、素子使用中の酸素欠損の膜中の移動による膜変質が抑制されることが考えられる。また、結晶質であるため、高密度の電流を流した場合でも金属の拡散に対するバリア性が向上し、ｐ型窒化物半導体層中への金属の拡散が抑制されることも考えられる。
また、ｐ型窒化物半導体層４６であるｐ型ＧａＮと反射電極となる金属層６２との間に、極薄膜で層状かつ多結晶質のＮｉＯ膜３０が設けられることで反射電極の反射率が向上する。
次に、本実施の形態の半導体素子の製造方法について説明する。
ウェハ形状のサファイアの光透過性基板４０上に、例えばＡｌＮをバッファ層として、ｎ型窒化物半導体層４２であるｎ型ＧａＮ、ＩｎＧａＮ系の窒化物半導体の活性層４４、ｐ型窒化物半導体層４６であるｐ型ＧａＮを公知のＭＯＣＶＤ法でのエピタキシャル成長により形成する。
次に、例えば、ウェハを王水で処理し、ｐ型窒化物半導体層４６上に膜厚３ｎｍ以下のＮｉ膜を真空装置中での電極蒸着により蒸着する。さらに、真空装置中での電極蒸着により、Ｎｉ膜上に、Ａｇ（銀）膜６２ａ、Ｔｉ（チタン）膜６２ｂ、Ｐｔ（白金）膜６２ｃ、Ａｕ（金）膜６２ｄを蒸着し、ｐ側電極５６を形成する。
その後、常圧、酸素窒素混合雰囲気中、例えば、４５０℃以下の熱処理を行い、Ｎｉ膜を酸化し、ニッケル酸化物層である多結晶質のＮｉＯ膜３０を形成する。４５０℃を超えると、ＮｉＯ膜が層状ではなく島状に形成されるおそれがあるので好ましくない。
ここで、酸素窒素混合雰囲気は、酸素２０％以下の雰囲気が望ましい。また、結晶の粒径を大きくする観点から熱処理温度は４００℃以下であることがより望ましい。
次に、レジストによりパターニングを行い、ドライエッチングによりｎ側電極５４を形成する領域のｎ型窒化物半導体層４２を露出させる。次に、ｎ側電極５４が形成される予定の領域以外がレジストで覆われるようにパターニングする。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ｎ型ＧａＮ上にＴｉ（チタン）膜、Ｐｔ（白金）膜、Ａｕ（金）膜を蒸着し、リフトオフ法によりｎ側電極５４を形成する。電極が形成されない領域を保護するために、製造工程中に適宜、絶縁膜の保護膜を形成してもかまわない。
その後、ウェハをダイシングしてチップとする。その後、チップをヒートシンクにマウントする。
以上の製造方法により、本実施の形態の半導体素子が製造される。
上記、製造方法において、酸素窒素混合雰囲気中、４５０℃以下の熱処理をＮｉ膜に対して行うことで、十分な酸化が実現され、層状で結晶粒径が大きい多結晶質の極薄膜のＮｉＯ膜を製造することが可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
例えば、金属層の構造については、実施の形態にあげた積層構造以外の構造を適用することが可能である。例えば、ＮｉＯ膜上のＡｕ膜やＡｇ膜にかえてＡｌ膜を適用することも可能である。
また、レーザダイオードや発光ダイオードの窒化物半導体層や活性層の層構成、膜厚、組成等も半導体発光素子としての機能を実現するものであればかまわず、実施の形態の構成に限定されるものではない。
また、実施の形態では、レーザダイオード、発光ダイオード等の半導体発光素子を例に説明したが、例えば、窒化物半導体を基板とする高出力のヘテロ接合バイポーラトランジスタ等、その他の半導体素子におけるコンタクト構造に本発明を適用することも可能である。
窒化物半導体として、ＧａＮ系の半導体を例に説明したが、ＡｌＮ系、ＩｎＮ系等その他の窒化物半導体に本発明を適用することも可能である。
そして、実施の形態の説明においては、半導体素子等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体素子に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体素子は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
以下、実施例について説明する。
（実施例１）
第１の実施の形態で説明したと同様の半導体レーザダイオードを作成した。
作成にあたっては、ウェハ形状のｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）半導体の基板上に、ＧａＮ系のｎ型窒化物半導体層としてＳｉドープされたｎ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｎ型クラッド層、Ｓｉドープされたｎ型のＧａＮのｎ型ガイド層を形成した。
ｎ型窒化物半導体層上には、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のＧａＮ系半導体の、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．０８Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎの多重構造の活性層を形成した。
活性層上には、ＧａＮ系のｐ型窒化物半導体層として、アンドープのＧａＮのガイド層、Ｍｇドープされたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎのｐ型オーバーフロー防止層、Ｍｇドープされたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされたｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層を形成した。
リッジストライプを公知のドライエッチング法により形成した。そして、シリコン酸化膜の絶縁膜を形成した。その後、リッジストライプ上の絶縁膜を酸処理により除去した。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ｐ型コンタクト層であるｐ型ＧａＮ上に膜厚１ｎｍのＮｉ膜を蒸着した。その後、常圧、酸素２０％の酸素窒素混合雰囲気中、３９５℃１分の熱処理を行い、Ｎｉ膜を酸化し、ＮｉＯ膜を形成した。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ＮｉＯ膜上に、膜厚２ｎｍのＮｉ膜、膜厚１００ｎｍのＡｕ膜、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚５０ｎｍのＰｔ膜、膜厚５００ｎｍのＡｕ膜を蒸着し、ｐ側電極を形成した。
次に、基板１０のｐ側電極２６と反対側を研磨し、ウェハを１５０μｍの厚さにまで薄くした。そして、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚５０ｎｍのＰｔ膜、膜厚５００ｎｍのＡｕ膜を蒸着し、ｎ側電極を形成した。
次に、ウェハをへき開により割断し共振器ミラーを作成した。その後、各チップに分離した。共振器ミラーは、誘電体多層膜により片面を高反射膜とし、光出射面を低反射膜とした。その後、チップをヒートシンクにマウントした。
この素子の動作電圧は２Ｗ動作時において４．８Ｖであった。また、立ち上がり電圧は３．０Ｖであった。
ｐ側電極部の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により、ＮｉＯ膜はほぼ均一に１ｎｍの膜厚で層状に形成され、多結晶質であった。また、ＮｉＯ膜の結晶粒径は、ＮｉＯ膜の膜厚より大きく、いわゆるバンブー構造が形成されていた。
熱処理による酸化直後にＮｉＯ膜のＮｉ（ニッケル）とＯ（酸素）の原子数比を光電子分光法（ＸＰＳ）により確認したところ、Ｎｉ：Ｏ＝１：０．９９であった。また、飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）による分析においても、Ｎｉ：Ｏ＝１：０．９８であった。このように、極めて化学量論的組成比に近いＮｉＯ結晶が形成されていることが確認された。
この素子の信頼性を評価した。温度８０℃の加速試験を行い発光効率の劣化をモニタした。１００００時間相当の試験により１０％の劣化が観察された。
（比較例１）
Ｎｉ膜の膜厚を５ｎｍとすること以外は実施例１と同様の製造方法により、レーザダイオードを製造した。
立ち上がり電圧は、４．５Ｖであった。また、実施例１同様、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により、ＮｉＯ膜はほぼ均一に５ｎｍの膜厚で層状に形成され、多結晶質であることが確認された。
図７は、実施例１および比較例１のＬＤの立ち上がり電圧を示す図である。図５に示したシミュレーション結果も同時に示す。ＮｉＯ膜厚と立ち上がり電圧との関係について、シミュレーションと実測の整合性が確認された。
（比較例２）
Ｎｉ膜形成後の熱処理を省略すること。ＮｉＯ膜上に、膜厚１００ｎｍのＡｕ膜、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚５０ｎｍのＰｔ膜、膜厚５００ｎｍのＡｕ膜を蒸着した後、常圧、酸素２０％の酸素窒素混合雰囲気中、５５０℃１０分の熱処理を行い、Ｎｉ膜を酸化すること以外は、実施例１と同様の製造方法により、レーザダイオードを製造した。
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により、Ａｕが移動し、ｐ型ＧａＮ層上にＡｕ膜、Ａｕ膜上に、ＮｉＯ膜、ＮｉＯ膜上にＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜が形成される構造となっていることが分かった。すなわち、ＮｉＯ膜がｐ型ＧａＮと金属層との間に介在するコンタクト構造とはなっていなかった。
実施例１と同様の方法でこの素子の信頼性を評価した。１０００時間相当の試験により３０％の劣化が観察された。
（実施例２）
第２の実施の形態で説明したと同様の半導体発光ダイオードを作成した。
作成にあたっては、ウェハ形状のサファイアの光透過性基板上に、ＡｌＮのバッファ層、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型ＧａＮ、ＩｎＧａＮの活性層、ｐ型窒化物半導体層であるｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ法でのエピタキシャル成長により形成した。ｐ型ＧａＮの最上部は、ｐ型コンタクト層としてＭｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされたｐ型ＧａＮを形成した。
次に、ウェハを王水で処理し、ｐ型コンタクト層であるｐ型ＧａＮ上に膜厚２．８ｎｍのＮｉ膜を真空装置中での電極蒸着により蒸着した。さらに、真空装置中での電極蒸着により、Ｎｉ膜上に、Ａｇ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を蒸着した。
その後、常圧、酸素２０％の酸素窒素混合雰囲気中、３９５℃１分の熱処理を行い、Ｎｉ膜を酸化してＮｉＯ膜とし、ｐ側電極を形成した。
次に、レジストによりパターニングを行い、ドライエッチングによりｎ側電極を形成する領域のｎ型ＧａＮを露出させた。次に、ｎ側電極が形成される予定の領域以外がレジストで覆われるようにパターニングした。
次に、真空装置中での電極蒸着により、ｎ型ＧａＮ上にＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を蒸着し、リフトオフ法によりｎ側電極を形成した。電極が形成されない領域を保護するために、製造工程中に適宜、絶縁膜の保護膜を形成した。
次に、ウェハを３００μｍ角にダイシングしてチップとした。その後、チップをＡｇペーストによりヒートシンクにマウントした。
この素子は、電流２０ｍＡでは電圧は２．８Ｖを示した。また、電流を２００ｍＡにした場合でも安定に動作し、動作電圧は３．１Ｖであった。
ｐ側電極部の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により、ＮｉＯ膜はほぼ均一に２．８ｎｍの膜厚で層状に形成され、多結晶質であった。また、ＮｉＯ膜の結晶粒径は、ＮｉＯ膜の膜厚より大きく、いわゆるバンブー構造が形成されていた。
この素子の信頼性を評価した。１Ａの定電流での加速試験を行い、リーク電流発生の有無をモニタした。５０００時間の試験によってもリーク電流が発生せず、良好な信頼性が確認された。
（実施例３）
反射電極のＡｇ膜をＡｌ（アルミニウム）膜とすること以外は、実施例２と同様の製造方法で半導体発光ダイオードを作成した。
この素子について実施例２と同様の方法で信頼性を評価した。１００００時間の試験によってもリーク電流が発生せず、良好な信頼性が確認された。
（比較例３）
ＮｉＯ膜をｐ型ＧａＮとＡｇ膜との間に形成しないこと以外は、実施例２と同様の製造方法で半導体発光ダイオードを作成した。
この素子について実施例２と同様の方法で信頼性を評価した。１００時間の試験によってリーク電流が発生した。
１０ 基板
１２ ｎ型窒化物半導体層
１４ 活性層
１６ ｐ型窒化物半導体層
１８ リッジストライプ
２０ 絶縁膜
２４ ｎ側電極
２６ ｐ側電極
３０ ＮｉＯ膜（ニッケル酸化物層）
３２ 金属層
４０ 透過性基板
４２ ｎ型窒化物半導体層
４４ 活性層
４６ ｐ型窒化物半導体層
５４ ｎ側電極
５６ ｐ側電極
６２ 金属層

Claims (5)

  1. ｐ型窒化物半導体層と、
    前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、膜厚が３ｎｍ以下で多結晶質のニッケル酸化物層と、
    前記ニッケル酸化物層上に形成される金属層と、
    を有することを特徴とする半導体素子。
  2. 前記ニッケル酸化物層の結晶粒径が、前記ニッケル酸化物層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
  3. 前記金属層が、前記ニッケル酸化物層に接する銀（Ａｇ）膜を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体素子。
  4. 前記金属層が、前記ニッケル酸化物層に接するニッケル（Ｎｉ）膜と、前記ニッケル膜上に形成される金（Ａｕ）膜を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体素子。
  5. 前記ｐ型窒化物半導体層が、ｐ型ガリウムナイトライド（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体素子。
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