JP5298889B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体素子に係り、特に窒化物半導体基板を備えた窒化物半導体素子に関する。

近年、横方向成長（ＥＬＯＧ：Epitaxial Lateral Over-Growth）等の窒化物半導体結晶の成長技術の発達により、結晶性の良好な窒化ガリウム基板（ＧａＮ基板）からなる成長基板が開発されている。そして、この窒化物半導体基板に導電性を付与することにより、その表面に素子構造を形成し、裏面にｎ側電極を形成した対向電極構造の窒化物半導体素子が作製されている。

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ｃ軸成長されたＧａＮ基板は通常、表面の（０００１）面がガリウム極性面（Ｇａ面）となり、裏面の（０００−１）面が窒素極性面（Ｎ面）となるため、この窒素極性面に電極を形成すると、接触抵抗が高くオーミック接触が得られ難い問題がある。また、窒化物半導体基板の転位密度や結晶欠陥の分布、表面状態、及び導電性などの特性は、その結晶成長方法、条件、または製造ばらつきに依存して多様に変化する。そして、その基板に設ける電極のオーミック接触性や密着性などが、このような基板特有の特性に大きく影響される。それについて、上記の特許文献には、ＧａＮ基板の裏面である窒素極性面に種々の凹凸加工を施し、そこに電極を形成することにより、ＧａＮ基板と電極との接触抵抗を低減させたり、密着性を向上させたりすることが開示されている。

しかしながら、上記の特許文献に開示された窒化物半導体素子は、基板裏面に凹凸加工を施すことにより、電極のオーミック接触性や密着性を向上できたとしても、窒化物半導体基板の裏面の平坦性が損なわれてしまうために、結晶性が低下したり、順電圧の上昇を伴ったりする虞がある。

そこで、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、窒化物半導体基板の裏面に特有の凹凸構造を形成することで、その裏面加工により電極の密着性や耐熱性を十分に向上できることを新規に見出した。よって、本発明の目的は、オーミック接触性、密着性や耐熱性に優れた裏面電極で、長寿命で信頼性の高い窒化物半導体素子を提供することである。

本発明に係る窒化物半導体素子は、下記（１）〜（６）の構成により、上記目的を達成することができる。
（１） 互いに対向する第１面及び第２面を有する窒化物半導体基板と、前記第１面に設けられた素子構造と、前記第２面に設けられた電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記第２面には、底部に凹凸を有する溝部と、窒素極性の平坦部と、が設けられ、前記電極は、前記溝部を覆って設けられていることを特徴とする。
（２） 前記溝部の長手方向において、前記底部の凹凸は該長手方向に複数の凹凸が設けられた構造であり、該長手方向に直交する断面において、前記溝部の断面形状は、１つの尖形状、台形状、凸曲線形状、湾曲形状のいずれかからなることを特徴とする。
（３） 前記溝部の上面視形状は、破線状であることを特徴とする。
（４） 前記溝部は、前記電極の内側にのみ設けられていることを特徴とする。
（５） 前記溝部の深さは、２μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
（６） 前記溝部は、前記第２面にレーザ光を照射することにより設けられることを特徴とする。

本発明は、窒化物半導体基板の裏面の多くを占める領域を平坦部として、平坦性を保ちながら、他方、一部に設けられ、底部に凹凸構造を有する溝部として、その平坦部と溝部を覆って電極が設けられることで、オーミック接触性、密着性や耐熱性に優れた裏面電極を設けることができ、長寿命で信頼性の高い窒化物半導体素子を提供することができる。これは、基板の電極形成面の第２面において、従来のような面全体又は大面積を占める電極部分に凹凸構造が設けられると、基板面の平坦性が損なわれることで、実装性の低下や実装等の負荷による基板の結晶性の悪化、その実装時の熱履歴による電極の形状変化や熱応力による電極の接触状態の悪化、などにより、基板と電極との密着性や接触抵抗、基板の結晶性が悪化する場合があり、また、このような基板凹凸面と電極との不安定な接触状態、その接触部の基板の結晶状態により、素子駆動に伴って、電気特性が変化して、順電圧の上昇などを招く場合がある。これに比して本発明では、基板の平坦部が安定な電極形成面に寄与し、他方、溝部がその底部の凹凸構造でもって電極接触の電気特性に寄与し、両者が相乗的に働いて、電極の密着性、耐熱性を向上させ、ひいては素子の信頼性を向上させる。

本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体素子の概略断面図である。 本発明の一実施の形態に係る半導体ウエハの（ａ）概略断面図と（ｂ）裏面（第２面）側の概略上面図である。 本発明の一実施の形態に係る（ａ）基板の溝部を拡大した概略上面図と（ｂ）該溝部の概略Ａ−Ａ断面図と、（ｃ）（ｄ）（ｅ）該溝部のＢ−Ｂ断面において各々一実施の形態を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態に係る半導体ウエハの概略上面図である。 本発明の一実施の形態に係る半導体ウエハの概略上面図である。 実施例３における電極の接触抵抗の耐熱性を示すグラフである。

（窒化物半導体素子）
図１に示すように、本発明における窒化物半導体素子１００は、窒化物半導体基板１０の表面（第１面）側に素子構造１９が形成され、窒化物半導体基板１０の裏面（第２面）側に一方の導電型の電極１７が形成された構造、いわゆる対向電極構造を有してなる。そして、窒化物半導体基板１０の裏面において、窒素極性の平坦面の平坦部２０と、裏面の一部に形成された溝部３０と、を有する。また、平坦部２０から溝部３０を覆って電極１７が設けられている。このような対向電極構造は、電流が直線的に流れやすく、熱の偏在が低減されるため、電流密度が高く動作に高い発熱を伴う半導体レーザ素子（ＬＤ）などには好適な構造である。そして、このような基板裏面に形成される電極に高い耐熱性が要求される半導体素子に対して、本発明は特に好適に効果を奏する。

図１に示す窒化物半導体素子１００は半導体レーザ素子であって、例えば窒化物半導体基板１０であるｎ型ＧａＮ基板上面の（０００１）面上に、窒化物半導体からなる第１導電型半導体層１１、活性層１２、及びリッジ１４が設けられた第２導電型半導体層１３が順に積層され、そのリッジ１４側面に埋込膜１５と、その上に第２導電型の電極１６、さらにパッド電極４０が設けられている。また、素子構造１９の端面は絶縁膜１８に被覆されている。そして、基板裏面の（０００−１）面側には窒素極性の平坦部２０と溝部３０とが設けられ、その平坦部の一部と溝部に第１導電型の電極１７が設けられている。なお、本明細書において、上記第１及び第２導電型半導体層１１，１３をそれぞれｎ型半導体層、ｐ型半導体層とし、第１及び第２導電型の電極１７，１６をそれぞれｎ側電極、ｐ側電極とする例を説明するが、これに限定されず、例えばその逆であってもよい。以下に、図１〜５を参照しながら、その各構成要素について詳述する。

なお、本明細書において、主として窒化物半導体素子１００として半導体レーザ素子の例を説明するが、これに限らず、窒化物半導体基板を有し該基板裏面に電極を有する窒化物半導体素子、例えば発光ダイオード素子（ＬＥＤ）でもあってよい。また、溝部及び電極の形成箇所は窒化物半導体基板に限らず、基板を除去した窒化物半導体からなる素子構造、例えば上記第１導電型半導体層１１の（０００−１）面側、窒素極性面側であってもよい。また、本明細書において、特定の結晶面を示す面指数（ミラー指数）中の「−１」、「−２」などの表記は、それぞれ「１」、「２」にアッパーバー（上線）を設けたものを指す。

（窒化物半導体基板１０）
窒化物半導体基板１０は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体結晶から形成され、なかでも良好な結晶性が得られるＧａＮ基板であることが好ましい。窒化物半導体基板１０は、一般にサファイア基板等の異種基板上に、バッファ層などの下地層を介して、厚膜の窒化物半導体層をエピタキシャル成長（ｃ軸成長）した後、異種基板を除去することにより生成される。結晶成長方法は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用いられる。その他、結晶を育成する方法、例えば超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等によるバルク単結晶でも良い。またその後、単体基板の少なくとも異種基板を除去した側の面を研磨して平坦化し鏡面とする。このとき、窒化物半導体基板１０は、（０００−１）面が窒素極性面となっており、ＧａＮ基板の場合、（０００１）面がガリウム極性面となっている。ここで、研磨後の窒化物半導体基板１０の裏面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ；ＪＩＳ―Ｂ０６０１規格）は、１ｎｍ以下であり、およそ０．５ｎｍ程度である。

また、窒化物半導体基板１０に適宜、不純物をドープすることにより導電性を付与することができる。裏面にｎ側電極を形成するためには、特にシリコン（Ｓｉ）又は酸素（Ｏ）をドープしてｎ型化することが好ましい。なお、ｐ型化する場合のｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。不純物濃度としては、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³の範囲、さらに好ましくは５×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³の範囲に調整する。このような範囲であれば、電極との良好なオーミック接触が得られる。ＧａＮ基板の転位密度は、好ましくは１×１０⁶／ｃｍ²以下である。

一般に、ＧａＮ基板のＣ面のガリウム極性面と窒素極性面とは化学的性質が異なり、窒素極性面の方が反応性に乏しく、ファセット面などの窒素極性面以外の結晶面に電極が接して設けられることにより、電極のオーミック接触性が向上する傾向にある。本発明においては、窒化物半導体基板１０の裏面の窒素極性の平坦面に対し、その一部に特有の形状、例えば平坦部の窒素極性面と異なる表面が露出される形状の底面、内壁面、を有する溝部３０を設ける。これにより、その溝部３０には、窒素極性面以外の結晶面、例えばＭ面｛１−１００｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、又は結晶面に依らず基板の表面が露出されることになる。そして、電極１７を平坦部２０上と溝部３０内に連続して形成することで、溝部３０の内面、特にその窒素極性面以外の表面と電極１７とが接し、且つ平坦面にも電極が設けられることで、オーミック接触性や耐熱性を大幅に向上させ、且つ、平坦部による密着性の向上とその安定性を向上させることができる。

（電極１７）
窒化物半導体基板１０に設けられる電極１７、基板のオーミック電極は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）から成る群より選ばれる少なくとも１つを有し、好ましくは、これらの多層膜により形成する。なかでも、窒化物半導体基板１０の裏面に接する第１層目はＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆのいずれかが好ましく、例えば、基板側からＴｉ（１５０Å）／Ｐｔ（２０００Å）／Ａｕ（３０００Å）の積層構造とする。電極１７はスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより形成できる。電極１７の総膜厚は１００００Å以下、好ましくは６０００Å以下とする。また、窒化物半導体基板１０の裏面に形成する電極１７は、ｎ側電極であることが好ましい。なお、この電極１７の上に、メタライズ電極（パッド電極）を別途設けてもよい。

電極１７は、半導体ウエハ２００上に区画される各素子領域２５の略全域に形成してもよく、図２に示すように、１つの素子領域２５内に島状、ストライブ状、格子状などパターン形成することもできる。好ましくは、素子領域２５の境界より離間して内側に形成し、具体的には該素子領域２５の形状に適合した島状、四角形、矩形状に形成すると良い。例えば、矩形状の素子領域２５内において、境界近傍の内周部に基板を露出し、その内側に１つの矩形状の電極１７を形成する。これにより、半導体ウエハ２００のダイシングや劈開を安定的に行うことができる。内周部に露出される平坦部２０、つまり離間領域の幅は、１０μｍ〜３０μｍ程度である。

さらに、電極１７は後述する溝部３０の内壁に沿って、連続的に形成されていることが好ましいが、電極１７が形成されず溝部３０表面が部分的に露出されていてもよい。また電極１７は通常、後述する溝部３０の深さよりも膜厚が小さく、電極１７の表面にも溝部３０の形状に対応した溝状の凹部が設けられる。この電極表面の凹部により、半導体チップ１００を実装基板やサブマウントなどに共晶実装した際、電極１７と導電性ペーストとの濡れ性、密着性（ダイシェア強度）を調節することもでき、それにより各特性を向上させるともできる。

（溝部３０）
窒化物半導体基板１０の裏面に溝部３０を形成する方法としては、酸・アルカリ薬液によるウエットエッチング、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチング、ダイサー、ダイヤモンドスクライバなどの機械的加工やレーザスクライバによるレーザ加工、更にこれらの組合せにより形成することができる。本発明では、特にレーザ加工を用いることが好ましい。レーザ加工、レーザスクライバでは、高速、高精度に溝部加工ができるので好ましい。また、溝部領域の画定においてフォトリソグフィなどの工程を要さず、物理的な接触、負荷や衝撃による半導体ウエハの破損の虞も少ないため、工程の順序を問わず、例えば、基板表面に素子構造を形成後、又は電極、保護膜を形成後に溝部形成工程を設けることができ、溝部を量産性良く形成することができる。以下、そのレーザスクライバにより、半導体ウエハ２００の窒化物半導体基板１０の裏面に溝部３０を形成する場合について詳述する。但し、これに限らず、上記加工方法により、同様の構造を有する溝部を形成しても良い。

レーザスクライブ装置は、高出力のパルス発振のレーザ光源を具備する。一例として、レーザ光の波長は１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度、エネルギーは０．１Ｗ〜１０Ｗ程度のものが挙げられる。具体的には、ＹＡＧレーザ（第３次高調波：ＴＨＧ）、ＣＯ_２レーザ、エキシマ・レーザ、フェムト秒レーザなどが好適に用いられる。特に、ＹＡＧレーザやフェムト秒レーザは熱による変質が少なく、比較的滑らかな加工面が得られる。また、ＣＯ_２レーザは特にレーザ出力を上げることができる。

レーザスクライブ装置によって照射されるレーザ光は、レンズなどの光学系により所望の位置に焦点を調節することができる。そして、基板のレーザ光の照射部が選択的に飛翔することで、基板に凹部が形成される。また、その凹部の形状は、レーザ光のビームスポットの形状、ビーム径、レーザ出力、焦点深度、レーザ光の出力・走査条件などに依存する。例えばフィルタを通すなどして、ビームスポットの形状を真円、円形状、楕円状や矩形状など所望の形状に調節することもできる。通常は、円形状のビームスポットであり、単一のパルス光の照射により、丸みを帯びた内壁の凹部が基板に形成され、その場合、凹部の側面は傾斜面となり、断面形状は図３（ｃ）に示すような１つの曲面からなる凹部となる。これにより、凹部内壁に窒素極性面以外の結晶面、表面が露出される。また、凹部が曲面からなることで、平坦な底面を有する凹部に比べて表面積を増大させることができる。

本発明において、窒化物半導体基板１０の裏面に形成する溝部３０は、図３（ａ）上面図、（ｂ）ＡＡ断面図に示すように、上記集光された単一のパルス光により形成される凹部３０ａが、互いにその一部が重なり合うように形成され、複数の凹部３０ａが連結されることにより形成されることが好ましい。これは、レーザ光の走査速度、発振周波数、及びビーム径（凹部の径）の関係に起因する。ただ、これに限定されず、各凹部が互いに離間されて形成され、ドット状に分布した複数の凹部とすることもできる。

また上述のように、本発明の溝部３０は、図３（ｂ）に示すように、複数の凹部３０ａが連結されて構成されることで、溝部３０の長手方向に沿った断面において、溝部３０の底部には凹凸が形成される。この凹凸構造は、各凹部３０ａの底部が連結されて形成され、隣接する凹部３０ａの連結部が尖形状の凸部となっている。このように、溝部底部の凹凸構造が、凹曲面を溝の長手方向に連続して設けた構造とすることで、その凹部３０ａの表面に電極１７を連続的に滑らかに密着させて設けることが可能となる。この凹凸の段差は０．１〜０．３μｍ程度となる。また、複数の凹凸からなっており、基本的には周期的な凹凸である。この周期は、主に上記レーザ光のパルスと走査条件によって決まり、通常３〜５μｍ程度となる。他方、長手方向に直交する断面においては、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すように、単一の尖形状、台形状、凸曲線形状、湾曲形状のいずれかからなっている方が良い。つまり、その直交断面で複数の凹部が設けられる形状より、１つの凹形状で構成される方が、電極の形成において、好適な接触面が形成される。これは、溝の幅は溝方向に比して、十分に小さな寸法であるため、幅方向に複数の凹部を有する形態、例えば図３（ｃ）〜（ｅ）の点線部（電極１７）で示すような形態、であると、細かな凹凸構造と電極との間や凹部内に充填された電極内部に、空隙や成膜の偏りができ、却って接触不良の発生や耐熱性悪化になり易いことによる。溝部３０の底部に凹凸が形成されることで、窒素極性面以外の面がその凹凸構造の表面に多く露出されることになる。図３（ｃ）のように台形状であると、比較的に広く平坦な底部を有することで、上記底部の凹凸と電極１７との接触、密着を良好にできる形態であり、図３（ｄ）のように円形状、楕円形状、凸曲線形状であると、上記図３（ｃ）に劣るが、それでも比較的広く平坦な底部で好ましく、また側壁部と底部とが緩やかであるため、その境界部分、側壁部分での電極１７の形成、及び接触、密着を良好にできる形態であり、特に溝深さが浅い場合に有利となる。他方、図３（ｅ）のように三角形状、尖形状であると、その尖った部分で上記空隙、偏りが発生しやすく、電極１７の接触、密着で劣る形態となる。また、基板の信頼性、割れやすさは、図３（ｄ）の上記滑らかな形態が好ましく、次に、比較的に広く平坦な底部の図３（ｃ）の形態が良く、図３（ｅ）のように尖形状の形態であると割れやすくなる傾向にある。尚、図３（ｃ）〜（ｅ）では、平坦部２０と溝部３０との境界に角を有しているが、丸みを帯びた形状のように、比較的滑らかで、なだらかに変化する境界でも良く、深さが電極の厚さより十分に大きい場合には、断絶を避けるために後者の形態が好ましい。

図３（ａ）に示すように、細かく見れば、上面視における溝部３０の輪郭は、複数の円弧が連結されたような形状を有している。このような形状を有することにより、溝部内壁の表面積が増大され、ひいては溝部内壁に露出される窒素極性面以外の結晶面、表面を増大させることができる。なお、溝部３０の表面積（総計）は、窒素極性面の平坦部の表面積に対する比において、少なくとも０．００５、好ましくは０．０５以上とする。０．００５未満では、窒素極性面以外の面の露出が少なく電極への効果が得られ難く、０．０５未満では効果が不安定となりやすい。上限値は０．５以下、好ましくは０．３以下、さらに好ましくは０．２以下とする。溝部３０の占める割合が上記範囲より大きくなると、基板裏面の平坦性が損なわれ、基板が脆くなる虞がある。

さらに、溝部３０の深さは２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、さらに５μｍ以上８μｍ以下が好ましい。２μｍ未満では溝部形成による電極の耐熱性向上の効果が不安定となる傾向がある。他方、１０μｍより深く形成すると、ダイシング工程や劈開工程において、溝部３０が基点となって、半導体ウエハ２００やチップ１００にクラックや割れを生じる虞がある。なお、ここでいう「深さ」とは、基板裏面の平坦部２０の上面から溝部３０の最深部までの長さとする。溝部３０の幅は、上記レーザ光のスポット径により決まり、特に限定されないが５〜１０μｍ程度である。

また、レーザ光の走査により形成される溝部３０の上面視形状は、図２（ｂ）に示すように、基本的に線状となり、その場合、上記溝部の長手方向は走査方向になる。この線状の溝部３０は、曲線状、円環状に形成してもよいが、直線状に形成することが加工効率の上で好ましい。さらに、溝部３０は連続する１つの線状であってもよいが、複数に分断された破線状、又は点線状に形成することが好ましい。また、溝部３０を複数、例えば１つの素子領域において線状の溝を複数本、形成する場合は、図２に示すように互いに略平行に形成するほか、互いに異なる方向、例えば図４に示すように、縦溝３１と横溝３２が互いに交差する十字状、格子状などに形成することもできる。また図５に示すように、レーザ光の走査条件などにより、走査方向に直交する方向に隣接する２つの素子領域２５内において、２つの縦溝３３と３４の位置が走査方向にオフセットされていてもよい。図５ではウエハ２００内で互いに溝部間隔の異なる溝３３，３４としているが、このように溝の周期を異ならせるには、溝部の長さ、間隔のいずれかを異なるようにウエハ内に形成すれば良い。また、１つの素子領域内に複数の溝部を設けて、同様な配置の溝部としても良い。

連続した溝、溝部の形態よりも、分断された溝及びその溝部とすることで、後述のウエハ割れに対して、それを抑制でき、また、その分断に平坦部が配置されることで、その平坦部による効果を高められ、溝が連続することによる電極不良も低減でき好ましい。また、溝及び溝部の形状において、交差する方向に溝が設けられると、電極領域内で広く溝部が設けられて好ましいが、後述のウエハ割れを抑えるため、一方向に設けられることが好ましい。また、互いに周期構造等の配列が異なる溝若しくは長さと間隔が異なる複数の溝部である線状の溝の形態の場合において、互いに相違することで、溝による後述の割れ作用、誘因傾向を互いに異ならしめることでそれを抑え、電極領域内で広く点在した溝部と、それに隣接する平坦部とでき、各部の作用を広く機能させることができ好ましい。他方、それが同一の形態の場合は、各部の作用、特に溝部の作用を、電極領域内でその集中部に高めることができ好ましい。このように、溝部による作用効果が、溝の方向、溝部の長手方向に依存する傾向があるため、適宜その方向、形態を設定すると良く、例えば、長手形状の電極に対しては、その長手方向に略平行な溝部とすると、その方向に溝部による接触作用を高められる。さらに、電極内に溝部が配置され、その溝部を囲んで、溝部が配置される溝部領域は、上記溝及び溝部の形態に依存するため、同様に、溝部領域の長手方向を素子領域、電極の形状に合わせると良い。

溝部３０は、半導体ウエハ２００上において、区画される素子領域２５に対して、境界を跨って連続して形成する形態でもよいが、境界から離間されて設けられることが好ましい。つまり、ウエハ割断後、チップ化後のバー状ウエハや半導体チップ１００において、基板裏面の端部近傍（周縁部）には窒素極性面の平坦部２０が設けられており、その周縁部より内側に溝部３０が形成されている。隣接する素子領域２５に連続して溝部３０を形成すると、切断後のチップ端面に電極２０のダレが生じやすく、そこから電極２０が剥がれる虞があるが、上記のように離間領域を設ければ、これを防止することができる。また素子領域２５の周縁部に溝部３０を設けず平坦部２０を残存させることで、基板を強固に保ち、後述のようなウエハ分割に誘因される割れを防止することができる。このため、溝部３０は、基板裏面の電極１７の内側のみに形成することが好ましい。

また、後述の実施例で説明するように、このようなウエハに設けられる溝は、ウエハ切断用の溝と同様な方法で形成されるものであるため、溝及び溝部の形態、具体的には溝方向及び深さ、に依っては、ウエハ割れの誘因となるため、それを抑えるように設けることが好ましい。例えば、実施例のように補助溝を設ける場合には、溝部３０深さをその補助溝深さより浅くすること、特に、溝形態の異なる補助溝が複数ある場合には、その深い方の補助溝より浅く形成し、好ましくは、いずれの補助溝より浅く形成する。また、深さより影響が小さいが、溝部３０の幅、長さにも依存するため、その幅及び／又は長さを、補助溝、若しくは異なる形態の補助溝の内、狭い方及び／又は短い方より、広く及び／又は短く形成し、好ましくは、いずれの補助溝よりも広く及び／又は短く形成し、さらに好ましくはその幅及び長さを具備することである。さらに、溝及び溝部は、その補助溝と面内で同じ位置にあるより、離間されていることが好ましく、具体的には、素子領域周縁から離間され、好ましくは、その周縁から離間されて形成された電極内に設けられる。それとは別に、溝方向、溝部の長手方向は、上記補助溝によるウエハ切断時に、その補助溝の方向に略平行であると、それに誘導されて割れが発生する虞があるが、その補助溝方向に交差する方向、例えば傾斜角が３０度以上、であると、その影響を低く抑えることができる。他方、レーザ素子のように、素子領域が長手形状である場合には、それに合わせて電極が長手形状に形成される場合が多く、この場合、実施例などで説明するように、その長手方向に合わせて、溝、溝部を設けることが好ましい。

以上のように、本発明においては、窒化物半導体基板の裏面において、窒素極性面以外の結晶面を溝部内に局所的かつ高密度に露出させることができる。したがって、研磨やエッチングにより裏面のほぼ全面に凹凸加工を施す従来技術に比べて、より少ない加工量で、窒化物半導体基板の裏面に、耐熱性及びオーミック接触性の高い電極を形成することが可能である。また、基板裏面に凸部ではなく溝部を形成し、該溝部内において窒素極性面以外の結晶面を露出させることで、加工後においても基板裏面の平坦性や結晶性を維持することができる。

以下、本発明に係る実施例を挙げて、素子構造など、本発明に係る他の構成についても併せて説明する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
〔実施例１〕

本発明の基板上の素子構造の例として、以下に窒化物半導体レーザ素子の構造及びその製造方法を説明する。まず、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板１０をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、以下の窒化物半導体層を積層して、素子構造１９を形成する。基板表面はＣ面（０００１）であり、下記半導体結晶をｃ軸成長させる。ｎ側層の第１導電型層として、膜厚２μｍのＳｉドープＡｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎのｎ側クラッド層層、膜厚１７５ｎｍのＧａＮのｎ側ガイド層、を積層し、
次に活性層として、膜厚１４ｎｍのＳｉドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎの障壁層と膜厚７ｎｍのＳｉドープＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎの井戸層を２回繰り返して、最後に障壁層を積層し、
次にｐ側層の第２導電型層として、膜厚１０ｎｍのＭｇドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎの電子閉じ込め層、膜厚１４５ｎｍのＧａＮのｐ側ガイド層、各膜厚２．５ｎｍＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＮとＧａＮを交互に積層してなる超格子の膜厚０．４５μｍのｐ側クラッド層、膜厚１５ｎｍのＭｇドープＧａＮのｐ側コンタクト層、を積層し、
積層構造を形成する。

次いで、上記基板１０上に窒化物半導体層の素子構造１９を有する半導体ウエハ２００を、反応容器から取り出し、ｐ側コンタクト層上に所望の形状、パターンのＳｉＯ₂のマスクを形成し、このマスクを介して、ｐ側コンタクト層側から、ｎ側クラッド層の途中までエッチングし、図１，２に示すように、ｎ側クラッド層の露出領域（及び第１の分割補助溝）を形成して、複数の素子領域２５に区分する。本実施例１では、１つの素子領域２５の寸法は、共振器方向の長さを３００μｍ（共振器長）、共振器方向に直交する幅を１２０μｍとする。続いて、素子領域２５の最上層のｐ側コンタクト層の表面に、幅２．３μｍのストライプ状のＳｉＯ_２よりなるマスクパターンを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、ｐ側クラッド層とｐ側光ガイド層との界面付近までエッチングを行い、ストライプ状のリッジ１４を形成する。ここで、窒化物半導体レーザ素子の寸法としては、共振器長は２００〜１ｍｍ、幅は１００〜５００μｍ、程度の各範囲とできる。

次に、前記マスクを有する状態で、窒化物半導体層の表面に膜厚１００ｎｍのＺｒＯ₂の保護膜を形成し、リフトオフ法によりＳｉＯ₂よりなるマスクとともに、ｐ側コンタクト層上に形成されている保護膜を除去する。これにより、図１に示すように、素子領域２５のリッジ１４側面とその横に露出されるｐ側ガイド層表面に、ＺｒＯ₂の埋込層１５が設けられる。続いて、ｐ側コンタクト層のリッジ最表面に、リッジ１４よりも幅広のストライプ状で、上記絶縁膜を覆ってｐ側オーミック電極１６を形成し、さらにＳｉＯ₂からなる絶縁膜１８を埋込膜の端部から素子構造の側面にわたって形成した後、その上にｐ側オーミック電極１６と電気的に接続したｐ側パッド電極を形成する。更に、レーザスクライブ装置で、破線状にレーザ光を走査して、第１の分割補助溝の中央部分に第２の分割補助溝を形成する。この時、第１，２の分割補助溝は、それぞれ、深さ約２．５μｍ、幅約２〜３μｍと、深さ約６〜８μｍ、幅約６〜８μｍと、する。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面を機械的に研磨して、ウエハの厚さ約８０μｍとする。そして、レーザスクライブ装置で、ＧａＮ基板１０の裏面（研磨面）にレーザ光を走査して溝部３０を形成する。ここでは、周波数７０ｋＨｚのパルス発振のＹＡＧレーザ（ＴＨＧ光：波長３５５ｎｍ）を光源とするレーザスクライブ装置を用いる。レーザ光の走査により形成される１つの溝部３０は、共振器方向に略平行な線状で、長さ約５０〜１００μｍ、幅約５〜８μｍ、深さが約５μｍであり、１つの素子領域２５内において、１本の溝に溝部３０が等間隔、約６０μｍで配列された破線状の溝で、素子内の３本の溝を間隔約５０μｍに形成する。特に本実施例１では、素子領域２５の中央部に１本、その両側に略均等の間隔で１本ずつ溝及びその溝部３０を形成して、１つの素子領域２５に３本の破線の溝、合計６つの溝部３０を形成する。この時、溝部の平面形状は略長方形状であり、その長手方向は走査方向となり、該方向の線状の溝を複数設けた形態となっている。尚、図１，２（ａ）は共振器方向に略垂直な断面の概略図であり、図２（ｂ）、及び図４，５は、電極１７の長手方向が共振器方向となっている。また、その内の少なくとも１本の溝は、導波路に重なって設けられ、このように導波路の溝部とすることで、好適な電流注入が可能となる。

その後、溝部３０が設けられたＧａＮ基板１０の裏面を、酸などを用いて洗浄して溝部３０内の残渣を除去する。そして、ＧａＮ基板１０の裏面に化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を施して更に窒素極性面の平坦化を行う。これにより、溝部の深さは約５μｍとなる。その後、溝部３０を有するＧａＮ基板１０の裏面に、Ｔｉ（膜厚１５ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）を順に積層してｎ側オーミック電極１７を形成する。このｎ側オーミック電極１７は、素子領域の共振器方向の端から各々約１０μｍ、その両側の端から各々約１５μｍ、それぞれ内側にその端部が位置する矩形状に形成する。すなわち、ＧａＮ基板１０裏面のｎ側オーミック電極１７の外周には窒素極性面（平坦部２０）の露出領域が形成される。

次に、第１，２の分割補助溝に沿ってウエハを劈開してバー状とし、そのレーザバーの劈開面に共振器面となる。上記レーザバーの共振器面に誘電体膜として、光出射側には膜厚７０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を、反射側にはＺｒＯ₂及びＳｉＯ₂（総膜厚７００ｎｍ）の積層膜を形成する。その後、共振器方向に略平行な方向に、例えば、図２のリッジ１４の長手方向に沿って、素子領域２５間を分割し、バー状のウエハをチップ化し、図１に示すレーザ素子を作製する。

このようにして得られる半導体レーザ素子は、発振波長約４０５ｎｍ、共振器長約３００μｍ、幅約１２０μｍのレーザチップである。そして、サブマウントまたは導電性ペーストを介してステムなどの基体にダイボンディング及びワイヤーボンディング後、キャップを施して半導体レーザ装置とすることができる。
〔実施例２〜４及び比較例１〕

以下に、溝部の数、形状による電極の密着性への影響について調べる。比較例１は、窒化物半導体基板１０の裏面に溝部３０を形成せず、窒素極性面からなる平坦部２０のみとする。実施例２は、１つの素子領域２５内の溝部３０の数を実施例１より増やして５本の破線の溝（合計１０の溝部）とする。実施例３は、溝部の数を実施例１より減らして１本の破線（合計２つの溝部）とする。なお、これらの溝の破線（溝部の間隔）、溝部の長さ、幅、深さについては上記実施例と同じである。この他、実施例４として、図４に示すように、素子領域２５内の共振器方向及びそれに直交する方向の溝が中央で交差し、素子領域２５を横断する溝部３０を形成して十字状の溝部３０とする。この時、溝部の幅と深さは実施例１と同様とする。

各実施例、比較例１の窒化物半導体レーザ素子のｎ側オーミック電極１７側をサブマウント上に共晶実装して剥離した際のダイシェア強度を評価する。比較例１のダイシェア強度を１．０として規格化すると、実施例３が１．２、実施例１が１．４、実施例２及び４がともに１．９のものが得られる。これらから、ダイシェア強度、すなわち窒化物半導体基板１０の裏面に対する電極１７の密着性は、溝部３０の加工面積の増加に伴って大きくなる傾向がある。また、実施例２と実施例４とを比較すると、ダイシェア強度は同じであるが、溝部３０の総面積、又は素子領域もしくは電極領域に占める平坦部と溝部の比、［（平面視の）溝部の面積］／［平坦部の面積］、は実施例４のほうが実施例２より小さい。したがって、十字状あるいは格子状など、複数の溝部３０、溝の長手方向が互いに異なる上面視形状、また溝部同士が交差する構造のほうが電極の密着性には有効であることがわかる。
〔実施例５〜７〕

以下に、溝部の深さによる電極の耐熱性への影響について調べる。実施例５では、実施例１における溝部３０の深さを２．５〜２．９μｍとしてその他は同様にレーザ素子を作製する。また、実施例６は実施例１における溝部３０の深さを０．２〜０．３μｍとし、実施例７は、実施例１における溝部３０を１本の破線の溝（２つの溝部を有する素子）とし、その深さを０．７〜２．０μｍとして、それぞれレーザ素子を作製する。なお、比較の為に、上記比較例１を用いる。なお、図６においては、実施例５，６，７、比較例１をそれぞれ（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）として表記している。また、図中（Ｘ）は高温保管試験前を示す。

これらの溝部３０を形成した窒化物半導体レーザ素子を、大気中、各温度条件下で３０分間放置し、その後の接触抵抗を測定して電極１７の耐熱性を評価すると、図６に示されるように、２５０℃までは各例とも大差はないが、３００℃から接触抵抗の上昇傾向が観測され、各例でその傾向に違いが観られるものとなる。そのなかで、最も深い溝部３０が形成されている実施例５（図中Ａ）において、接触抵抗の上昇が最も抑制されており、電極１７の耐熱性が向上していることがわかる。また、実施例６（図中Ｂ）と実施例７（図中Ｃ）を比較すると、溝部の数は多いが比較的浅い溝部を有する実施例６のほうが、接触抵抗の上昇が抑制されており、ごく浅い溝部であっても電極１７の耐熱性の向上効果が高いことがわかる。このように、窒化物半導体基板１０の裏面に設ける電極１７の耐熱性についても、溝部３０の加工面積の増加に伴って大きくなる傾向がある。ただ、浅い溝部では、溝の形成及び電極特性にバラツキが生じ易いため、安定的に耐熱性の向上効果を得るには、溝部３０の深さを２μｍ以上とすることが好ましい。このように、実施例５と６の比較から、溝部の条件が同じ場合に、その深さが深い方が特性に優れ、特に、電極の膜厚（約０．５μｍ）よりも深い実施例５において、それより浅い実施例６より、効果に優れることが分かる。これは、図１に示すように、浅い溝部では溝部内の表面積が小さくなることにも起因するが、溝部底面の凹凸構造を有するため、溝が浅いと、研磨時に溝部の内面、特に底部の凹凸に悪影響が与えられたり、それによる不十分な凹凸形成となったり、その電極との接触が不十分となったり、することによると考えられ、また、製造時のバラツキを考慮すれば、溝部の深さを深くする方が良い。
〔実施例８〜１０〕

次に、実施例８として、電極材料による電極の密着性及び耐熱性への影響について調べる。電極の材料以外の構造及び製造方法は、実施例１と同様とし、ｎ側オーミック電極１７の第１層をＴｉにより形成する。同様に、実施例９では、ｎ側オーミック電極１７の第１層をバナジウムＶにより形成し、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造とし、実施例１０ではｎ側オーミック電極１７の第１層をＮｂにより形成し、Ｎｂ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造とする。

これらの電極構造を有する窒化物半導体レーザ素子について、密着性及び耐熱性を評価する。耐熱性においては、溝部３０を形成しない状態では、実施例８（Ｔｉ）が最も良く、次いで実施例９（Ｎｂ）、実施例１０（Ｖ）の順に低下するが、全ての電極構造においてほぼ同等の耐熱性となり、溝部の形成により電極構造に依らず耐熱性が向上する。また、密着性（ダイシェア強度）については、溝部３０を形成しない状態では、実施例１０（Ｎｂ）が最も良く、次いで実施例８（Ｔｉ）、実施例９（Ｖ）の順であるが、溝部３０の形成により全ての電極構造において密着性が向上する。したがって、いずれの実施例においても、溝部３０の形成により、密着性及び耐熱性の向上が確認でき、またｎ側オーミック電極１７としてＴｉが好ましい。

以上より、従来の基板裏面を粗面化したり、凹凸構造を設けたり、して接触面の略全面で粗面、凹凸構造が設けられる電極の場合に比して、本発明の素子では、基板に平坦部を有して溝部が部分的に設けられることで、平坦部が設けられることによる電極との安定な接触面の形成に寄与し、他方、部分的、比較的小面積で設けられる溝部において、その内壁面、特に底面に特有の凹凸構造、基板結晶の露出表面を設けることで、基板と電極との接触等の電気特性に寄与し、然るに、その平坦部と溝部を有する電極構造とすることで、耐熱性、接触抵抗に優れ、ひいては実装性、素子信頼性に優れる素子とできる。

本発明は、窒化物半導体基板の窒素極性面側に電極を有する全ての半導体素子及び該半導体素子が実装された半導体装置に好適に適用することができる。例えば半導体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子のほか、トランジスタなどの電子デバイス、また受光素子や太陽電池などに利用可能である。

１０ 窒化物半導体基板
１１ 第１導電型半導体層（ｎ型半導体層）
１２ 活性層
１３ 第２導電型半導体層（ｐ型半導体層）
１４ リッジ
１５ 埋込膜
１６ 第２導電型の電極（ｐ側電極）
１７ 第１導電型の電極（ｎ側電極）
１８ 絶縁膜
１９ 素子構造
２０ 平坦部（窒素極性面）
２５ 素子領域
３０ 溝部
３１ 縦溝１
３２ 横溝
３３ 縦溝２
３４ 縦溝３
４０ パッド電極
１００ 窒化物半導体素子、半導体チップ
２００ 半導体ウエハ

Claims (3)

1. 互いに対抗する第１面及び第２面を有する窒化物半導体基板と、前記第１面に設けられた素子構造と、前記第２面に設けられた電極と、を備え、共振器面が劈開面である窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
   前記窒化物半導体基板の第１面に前記素子構造が形成されたウエハを準備する工程と、
   前記窒化物半導体基板の第２面に、レーザ加工により、共振器方向と平行な方向において、深さが２μｍ以上１０μｍ以下であり底部に凹凸を有する溝部を形成する工程と、
   前記窒化物半導体基板の第２面において、前記溝部と、前記溝部が設けられていない窒素極性の平坦部と、を覆うように前記電極を形成する工程と、
   前記ウエハを劈開することにより、前記共振器面を有する複数のレーザバーを得る工程と、
   前記レーザバーを共振器方向に平行な方向に分割して個々の窒化物半導体レーザ素子を得る工程と、を備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記溝部を形成する工程において、レーザを複数回照射することで、前記溝部を形成する請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
3. 前記溝部を形成する工程において、前記溝部の側面を傾斜するように形成する請求項１乃至２に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。

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