JPH10270802A - 窒化物系iii−v族化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

窒化物系iii−v族化合物半導体装置及びその製造方法

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JPH10270802A
JPH10270802A JP7101897A JP7101897A JPH10270802A JP H10270802 A JPH10270802 A JP H10270802A JP 7101897 A JP7101897 A JP 7101897A JP 7101897 A JP7101897 A JP 7101897A JP H10270802 A JPH10270802 A JP H10270802A
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信明 寺口
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物系III−V族化合物半導体装置にお
いて、基板として格子整合性のよい絶縁性基板を用いる
必要があるため基板側電極を形成するには、基板側の電
極の面積が小さくなるか、あるいは窒化物系III−V
族化合物半導体層をエッチングすることなしに形成する
ことができなかった。 【解決手段】 本発明の窒化物系III−V族化合物半
導体装置は、絶縁基板上に導電性の有する金属窒化物層
を有し、前記絶縁性基板の一部に開口部を有し、該開口
部において前記金属窒化物層に接して電極を有すること
によって、基板の機械的強度を小さくすることなく、基
板側電極を大きくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系III−
V族化合物半導体装置およびその製造方法に関し、特
に、電極構造に特徴を有する窒化物系III−V族化合
物半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】これまで、窒化物系III−V族化合物
半導体デバイス作製の際には、格子整合する基板材料と
してサファイアやスピネルが用いられてきた。しかし、
サファイアやスピネルは絶縁体であるため、基板側に電
極を形成するためにはドライエッチング等によって窒化
物系III−V族化合物半導体の成長膜をエッチングし
なければならなかった。成長膜のエッチングを行って基
板側の電極を形成した半導体レーザが特開平8−178
03号公報に記載されている。
【0003】また、基板側の電極を形成するために基板
を一部除去し、窒化ガリウム系化合物半導体層表面を露
出させ、露出された窒化ガリウム系化合物半導体層に電
極を形成した半導体装置が、特開平7−221347号
公報に記載されている。
【0004】基板材料としてサファイアやスピネル以外
には、特に、半導体レーザを形成する場合、共振器端面
を形成する必要があるため、へき開性を有する基板材料
を用いる必要があり、絶縁性のLiAlO2やLiGa
2が用いられたりしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
8−17803号公報の半導体装置では、下側電極を形
成するために成長膜をエッチングするという工程が必要
で製造工程が複雑になり、またエッチングによって半導
体装置の特性に悪影響を及ぼすという問題があった。
【0006】また、このような構造を有する半導体装置
に電流を流した場合の模式図を図9に示す。符号91は
基板、92はn型コンタクト層、93はn型クラッド
層、94は活性層、95はp型クラッド層、96はp型
コンタクト層、97はn側電極、98はp側電極であ
る。図9に示されるように、電流の流れがn側電極97
側に偏り、特に発光素子とした場合に発光効率が悪くな
る。さらに、同一面側に2つの電極を設けることは、チ
ップサイズが大きくなる。
【0007】チップサイズが大きくなるという問題を解
決するための方法として記載されている特開平7−22
1347号公報の半導体装置においても、以下に示す問
題があった。
【0008】基板の一部をエッチング除去して電極を形
成する方法では、基板側の電極の面積が大きくできず、
そのため半導体装置の動作電圧の増加を招くという問題
があった。電極の面積を大きくするためには、エッチン
グ除去する部分の面積を大きくする必要があり、この場
合には基板材料の機械的強度に問題が生じる。
【0009】従って、本発明では、上記に述べた問題点
を解決するIII−V族化合物半導体装置及びその製造
方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物系III
−V族化合物半導体装置は、絶縁基板上に導電性の有す
る金属窒化物層を有し、前記金属窒化物層の上に窒化物
系III−V族化合物半導体層を有し、前記絶縁性基板
の一部に開口部を有し、該開口部において前記金属窒化
物層に接して電極を有していることを特徴とする。
【0011】また、前記導電性を有する金属窒化物が、
ストライプ状であることを特徴とする。
【0012】また、前記導電性を有する金属窒化物が、
CeN,CrN,DyN,ErN,EuN,GdN,H
oN,LaN,LuN,NbN,NdN,PrN,Pu
N,ScN,SmN,TbN,ThN,TiN,Tm
N,UN,VN,YN,YbN,ZrNのうちの少なく
とも1つであることを特徴とする。
【0013】本発明の窒化物系III−V族化合物半導
体装置の製造方法は、酸化物からなる絶縁基板に導電性
の有する金属窒化物層を形成する工程と、前記金属窒化
物層の上に窒化物系III−V族化合物半導体層を気相
成長させる工程と、前記絶縁性基板の一部にエッチング
によって開口部を有する工程と、該開口部において前記
金属窒化物層に接して電極を形成する工程とを含むこと
を特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
(実施例1)図1は、本発明によるLED素子構造を示
す断面図である。MgO基板1の(111)面上にTi
N単結晶薄膜2を反応性スパッタリング法により基板温
度800℃で1μmの膜厚で成長する。その後、MOC
VD法によりn型GaN層3(膜厚0.2μm、キャリ
ア濃度1×1019cm-3)、n型Al0.15Ga0.85Nク
ラッド層4(膜厚1.0μm、キャリア濃度5×1017
cm-3)、i型In0.2Ga0.8N発光層5(膜厚10n
m)、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層6(膜厚0.
8μm、キャリア濃度5×1017cm-3)、p型GaN
コンタクト層7(膜厚0.2μm、キャリア濃度5×1
18cm-3)を成長する。
【0015】LED素子は、MgO基板1の一部を塩素
を用いたRIBEによって除去してn型電極8を形成
し、透光性p型電極9を形成した後、チップ分割されて
形成される。基板除去部分の大きさは20μm×20μ
mであり、LED素子の大きさ250μm×250μm
に比べ充分に小さな窓になっており、基板の強度を損な
わない。図2に本発明のLEDの素子構造の切欠を設け
た斜視図を示す。図2ではLED素子の内部構造が分か
るように切欠を設けたが、実際のLED素子では切欠は
必要としない。
【0016】従来のLED素子と本願発明のLED素子
との電流−電圧特性および発光スペクトルの比較を行っ
た。比較対象とした従来のLED素子の斜視図を図10
に示す。図1と同一符号は同一部材を示す。図10に示
されるようにn型GaN層3の途中までエッチングを行
ってn型電極8を形成している。
【0017】上記のような構造の従来のLED素子と本
発明のLED素子の電流−電圧特性を図3(a)に示
し、発光スペクトルを図3(b)に示す。本発明のLE
D素子はTiN単結晶膜が電極として作用するため、本
発明のLED素子の電極面積はチップサイズと同等の大
きさとなるが、一方、従来のLED素子の電極面積は基
板除去部分の大きさであり、図3(a)に示すように本
発明のLED素子の電流−電圧特性の立ち上がりが従来
のLED素子よりも急峻となっていることがわかる。
【0018】なお、本発明のLED素子において基板除
去部分の大きさを変えて電流−電圧特性を調べたが、そ
の大きさによる違いは見られず、TiN単結晶薄膜2が
電極として作用していることが分かる。図4は本発明の
窒化物系化合物半導体装置での電流の流れを示す模式図
である。図1と同一符号は同一部材を示す。図4に示す
ようにp型電極から注入された電流は均一に半導体層を
流すことができる。
【0019】また、InGaN量子井戸発光層を用いて
いるため、発光半値幅を約30Åと狭くすることができ
た。
【0020】(実施例2)本発明によるLD素子構造の
断面図を図5に示し、その切欠を設けた斜視図を図6に
示す。LiGa02基板21の(001)面上にSiO2
膜を形成し、エッチングによってストライプ状の溝を形
成する。次に、実施例1と同様に反応性スパッタリング
法によりTiN単結晶薄膜を基板温度800℃で膜厚1
μmを成長させる。その後、SiO2膜とその膜上のT
iN膜を除去して、ストライプ状のTiN単結晶薄膜2
2を得る。
【0021】その上にMBE法によりn型GaN層3
(膜厚0.2μm、キャリア濃度1×1019cm-3)、
n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層24(膜厚1.0μ
m、キャリア濃度5×1017cm-3)、i型In0.2
0.8N/In0.05Ga0.95N3重量子井戸発光層25
(膜厚50/100Å)、p型Al0.2Ga0.8Nクラッ
ド層26(膜厚0.8μm、キャリア濃度5×1017
-3)、p型GaNコンタクト層7(膜厚0.2μm、
キャリア濃度5×1018cm-3)を成長する。LD素子
は、ストライプ電極直下の基板部分を塩素を用いたRI
BEによって除去してn型電極8を形成し、p型電極9
を形成した後、へき開してチップ分割されて形成され
る。作製したレーザのストライプ幅は30μm、共振器
長1mmであり、またレーザの基板部分の大きさは20
0μm×1mmとなっている。基板除去部分は20μm
×50μmと基板部分に比べて充分に小さな窓となって
おり、基板の強度を損なわない大きさとなっている。図
6においても、LD素子の内部構造が分かるように切欠
を設けたが、実際のLD素子では切欠は必要としない。
【0022】本発明では、図6に示されるように基板側
の電極をストライプ状の電極とすることができ、電流狭
窄構造とすることができる。本実施の形態のように基板
側がn型半導体で形成されている場合、n型半導体の方
がドーピング濃度を高くすることができるので、電極の
面積を小さくすることができる。また、n型電極側で電
流狭窄構造とすることができるのでp型電極は電極面積
を大きくすることができ、ドーパント濃度の低いp型半
導体層との接触抵抗を下げることができる。
【0023】従来のLD素子と本願発明のLD素子との
電流−電圧特性および発光スペクトルの比較を行った。
比較対象とした従来のLEDの素子構造を図11に示
す。図5と同一符号は同一部材を示す。図11に示され
るようにn型GaN層3の途中までエッチングを行って
n型電極8を形成している。
【0024】図7(a)は、従来のLD素子と本発明の
LD素子の電流−電圧特性、電流−光出力特性を示し、
図7(b)は発振スペクトルを示す。駆動電流は、パル
ス幅1μsec、パルス周期1msecのパルスとし
た。従来のLD素子と比較すると、本発明のLD素子が
光出力特性が向上している。また、LD素子の発振電圧
を12Vから9Vへと低減できた。
【0025】(実施例3)本発明によるLED素子構造
の断面図を図8に示す。LiAl02基板31のすべて
の(100)面に、実施例1と同様に反応性スパッタリ
ング法によりCrN単結晶薄膜32を基板温度800℃
で膜厚2μm成長する。その後、MOCVD法によりn
型GaN層3(膜厚0.2μm、キャリア濃度1×10
19cm-3)、n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層4(膜
厚1.0μm、キャリア濃度5×l017cm-3)、i型
In0.2Ga0.8N発光層5(膜厚100Å)、p型Al
0.15Ga0.85Nクラツド層6(膜厚0.8μm、キャリ
ア濃度5×1017cm-3)、p型GaNコンタクト層7
(膜厚0.2μm、キャリア濃度5×1018cm-3)を
成長する。LED素子は、実施例1と同様の方法で作製
した。
【0026】従来の製造方法のように金属窒化物薄膜で
LiAl02基板のすべての面を覆わないでMOCVD
法で窒化物系化合物半導体を成長した場合、リアクター
内の強い還元雰囲気によってLiAlO2基板が分解
し、良好な窒化物系化合物半導体膜を得ることは不可能
であった。しかしながら、本発明のようにLiAlO2
基板のすべての面を金属窒化物で覆うことで、基板の分
解を防ぐことが可能となり、MOCVD成長が可能とな
った。
【0027】本実施の形態では金属窒化物としてTi
N、CrNを用いたが、他にDyN,ErN,EuN,
GdN,HoN,LaN,LuN,NbN,NdN,P
rN,PuN,ScN,SmN,TbN,ThN,Tm
N,UN,VN,YN,YbN,ZrNでも同様の効果
が得られる。
【0028】また、導電性がありかつ劈開性のある基板
材料、さらにMOCVDなどの気相成長で窒化物III
−V族半導体を形成する場合には、高温でも安定な基板
材料でなくてはならないが、そのような基板材料は今だ
発見されていない。へき開性の有する酸化物基板の多く
は、融点が1000℃以下の材料であり、窒化物系化合
物半導体をこの上に成長させることは困難であった。し
かし、本発明のように基板を金属窒化物で覆うことによ
って、基板材料としてMgO、ZnO、LiMgO3
どが用いることができる。
【0029】
【発明の効果】本発明によって、基板の機械的強度を落
とすことなく、基板側の電極の面積を大きくすることが
でき、半導体装置の動作電圧を低減することができる。
【0030】また、基板側の電極をストライプ状にする
ことができるため、特にLD素子の場合には電流狭窄構
造が容易に形成できる。
【0031】また、金属窒化物の多くは高融点材料であ
り、酸化物基板材料の周囲を金属窒化物でコーティング
することによって、気相成長中の基板材料の分解を抑え
ることができ、多くの酸化物基板材料を気相成長に用い
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のLED素子構造の断面図である。
【図2】実施例1のLED素子構造の切欠を設けた斜視
図である。
【図3】実施例1のLED素子の電流−電圧特性および
発光スペクトルである。
【図4】実施例1のLED素子の電流の流れを示す模式
図である。
【図5】実施例2のLD素子構造の断面図である。
【図6】実施例2のLD素子構造の切欠を設けた斜視図
である。
【図7】実施例2のLD素子の電流−電圧特性、電流−
光出力特性および発振スペクトルである。
【図8】実施例3のLED素子構造の断面図である。
【図9】従来のLED素子の電流の流れを示す模式図で
ある。
【図10】従来のLED素子構造を示す斜視図である。
【図11】従来のLD素子構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 MgO基板 2、22 TiN単結晶薄膜 3 n型GaN層 4 n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 5 i型In0.2Ga0.8N発光層 6 p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 7 p型GaNコンタクト層 8 n型電極 9 p型電極 21 LiGaO2基板 24 n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層 25 i型In0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N3重
量子井戸発光層 26 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層 31 LiAlO2基板 32 CrN単結晶薄膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上に導電性の有する金属窒化物
    層を有し、 前記金属窒化物層の上に窒化物系III−V族化合物半
    導体層を有し、 前記絶縁性基板の一部に開口部を有し、 該開口部において前記金属窒化物層に接して電極を有し
    ていることを特徴とする窒化物系III−V族化合物半
    導体装置。
  2. 【請求項2】 前記導電性を有する金属窒化物が、スト
    ライプ状であることを特徴とする請求項1に記載の窒化
    物系III−V族化合物半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記導電性を有する金属窒化物が、Ce
    N,CrN,DyN,ErN,EuN,GdN,Ho
    N,LaN,LuN,NbN,NdN,PrN,Pu
    N,ScN,SmN,TbN,ThN,TiN,Tm
    N,UN,VN,YN,YbN,ZrNのうちの少なく
    とも1つであることを特徴とする請求項1から2記載の
    窒化物系III−V族化合物半導体装置。
  4. 【請求項4】 酸化物からなる絶縁基板に導電性の有す
    る金属窒化物層を形成する工程と、 前記金属窒化物層の上に窒化物系III−V族化合物半
    導体層を気相成長させる工程と、 前記絶縁性基板の一部にエッチングによって開口部を有
    する工程と、 該開口部において前記金属窒化物層に接して電極を形成
    する工程とを含むことを特徴とする窒化物系III−V
    族化合物半導体装置の製造方法。
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