(57)【要約】【課題】  少なくともＧａを含むｐ型の窒化物半導体層を有する発光素子において、個々の発光素子におけるｐ型の窒化物半導体層の電気抵抗にばらつきを生じ難くする。また、少なくともＧａを含むｐ型の窒化物半導体層をより低抵抗化することができる発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る発光素子１は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域を有しており、このｐ型半導体領域におけるコンタクト層１９内の水素原子濃度が略一定であることを特徴とする。また、本発明に係る発光素子１の製造方法は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域を有する半導体積層部５を直流電界中に曝しつつ酸素プラズマ雰囲気中に曝すことによって、ｐ型半導体領域内の水素原子を引き抜く工程を備えることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に複数の半導体層を積層して形成されており、少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、少なくとも一層のｐ型半導体層からなり、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域とを有する半導体積層部と、
を備え、
前記ｐ型半導体領域は、電極と接続するためのコンタクト層を有しており、該コンタクト層内の水素原子濃度が略一定であることを特徴とする、発光素子。
【請求項２】
前記半導体積層部は、直流電界中に曝しつつ酸素プラズマ雰囲気中に曝すことによって、前記コンタクト層内の水素原子が引き抜かれていることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
基板上に複数の半導体層を積層し、少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、少なくとも一層のｐ型半導体層からなり、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域とを有する半導体積層部を形成する工程と、
前記半導体積層部を直流電界中に曝しつつ酸素プラズマ雰囲気中に曝すことによって、前記ｐ型半導体領域内の水素原子を引き抜く工程と、
を備えることを特徴とする、発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記ｐ型半導体領域内の水素原子を引き抜く工程は、４００℃未満の温度に加熱した酸素プラズマ雰囲気中で行うことを特徴とする、請求項３に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、少なくともガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体を用いた発光素子が種々提案されている。このような発光素子は、通常、ｐ型の窒化物半導体層の電気抵抗を低抵抗化する処理が行われている。例えば、特許文献１には、発光素子におけるｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層を酸素プラズマ雰囲気中に曝すことによって低抵抗化を図る技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の発光素子における窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型の導電性を付与するために、アクセプタとして作用するマグネシウム（Ｍｇ）等の不純物をドーピングしている。しかしながら、その半導体層の成長時に使用するキャリアガスの水素（Ｈ２）や反応ガスのアンモニア（ＮＨ３）等に含まれる水素原子（Ｈ）が、半導体層内にドーピングされたＭｇ等と結合することで、このＭｇ等がアクセプタとして作用しなくなり、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層が高抵抗化するという現象が生じる。これに対し、特許文献１では、この半導体層を酸素プラズマ雰囲気中に曝すことで、半導体層の表面近傍に存在するＭｇ等と結合したＨを、半導体層の表面上にある酸素プラズマによって引きつけ、Ｍｇから分離している。Ｍｇから分離されたＨは半導体層から引き抜かれて酸素プラズマと結合し、Ｍｇは再び半導体層内でアクセプタとして作用する。これにより、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層を低抵抗化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７７８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の低抵抗化技術では、半導体層の表面近傍に存在するＭｇ等と結合したＨは半導体層から効率的に引き抜くことができるが、半導体層の深部に存在するＨは効率的に引き抜くことができず、十分な低抵抗化を図ることができないという問題があった。また、半導体層の内部にＨの濃度勾配ができるため、個々の発光素子における半導体層の電気抵抗にばらつきが生じ易く、ひいては、発光強度にばらつきが生じ易いという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、少なくともＧａを含むｐ型の窒化物半導体層を有する発光素子において、個々の発光素子におけるｐ型の窒化物半導体層の電気抵抗にばらつきを生じ難くすることを目的とする。また、本発明の他の目的は、少なくともＧａを含むｐ型の窒化物半導体層をより低抵抗化することができる発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る発光素子は、基板と、前記基板上に複数の半導体層を積層して形成されており、少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、少なくとも一層のｐ型半導体層からなり、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域とを有する半導体積層部と、を備えている。そして、前記ｐ型半導体領域は、電極と接続するためのコンタクト層を有しており、該コンタクト層内の水素原子濃度が略一定であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上に複数の半導体層を積層し、少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、少なくとも一層のｐ型半導体層からなり、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されたｐ型半導体領域とを有する半導体積層部を形成する工程と、前記半導体積層部を直流電界中に曝しつつ酸素プラズマ雰囲気中に曝すことによって、前記ｐ型半導体領域内の水素原子を引き抜く工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
なお、本発明において、ｐ型半導体領域におけるコンタクト層内の水素原子濃度が略一定とは、コンタクト層の厚さ方向に少なくとも３分割した各領域における水素原子濃度が、全領域における水素原子濃度の±５％の範囲内に入ることをいう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る発光素子によれば、少なくともガリウムを含むｐ型の窒化物半導体層を有する発光素子において、個別の発光素子におけるｐ型の窒化物半導体層内の電気抵抗にばらつきを生じ難くすることができる。また、本発明に係る発光素子の製造方法によれば、少なくともガリウムを含むｐ型の窒化物半導体層をより低抵抗化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る発光素子の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の発光素子の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る発光素子の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る発光素子１は、基板３と、基板３上に設けられた半導体積層部５と、半導体積層部５に電流を注入するための電極７とを備えている。
【００１４】
基板３は、半導体積層部５を形成する後述する各半導体層の結晶成長が可能である単結晶材料からなり、本実施形態ではサファイアで形成されている。
【００１５】
半導体積層部５は、基板３上に積層された複数の半導体層で形成されており、本実施形態では、基板３側から順次積層されたバッファ層９、ｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１３、活性層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９によって構成されている。
【００１６】
なお、本実施形態では、ｎ型コンタクト層１１及びｎ型クラッド層１３が本発明におけるｎ型半導体領域を構成し、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９が本発明におけるｐ型半導体領域を構成している。
【００１７】
半導体積層部５を構成するバッファ層９は、不純物をドーピングしていない窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、１００〜５００Åの厚さを有している。
【００１８】
ｎ型コンタクト層１１は、ｎ型の不純物がドーピングされたＧａＮからなり、１〜５μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられ、ｎ型コンタクト層１１のドーピング濃度を１×１０１７〜５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。また、ｎ型コンタクト層１１の上面の一部分は、後述するように、ｎ型コンタクト層１１上に積層されたｎ型クラッド層１３、活性層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９の一部分がエッチングされることによって露出している。そして、この露出したｎ型コンタクト層１１の上面に、後述するカソード電極７ｂが形成されている。
【００１９】
ｎ型クラッド層１３は、ｎ型の不純物がドーピングされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなり、０．３〜１μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられ、ｎ型クラッド層１３のドーピング濃度を１×１０１７〜５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００２０】
活性層１５は、不純物をドーピングしていない窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）又は窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）からなり、０．１〜１μｍの厚さを有している。
【００２１】
ｐ型クラッド層１７は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＮからなり、０．３〜１μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が挙げられ、ｐ型クラッド層１７のドーピング濃度を１×１０１７〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００２２】
ｐ型コンタクト層１９は、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＮからなり、０．２〜１μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が挙げられ、ｐ型コンタクト層１９のドーピング濃度を１×１０１７〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００２３】
電極７は、ｐ型コンタクト層１９に接続されるアノード電極７ａと、ｎ型コンタクト層１１に接続されるカソード電極７ｂとで構成されている。アノード電極７ａはｐ型コンタクト層１９上に形成されており、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との合金や、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）又はロジウム（Ｒｈ）を含む合金等で形成されている。カソード電極７ｂは、ｎ型コンタクト層１１の露出した上面に形成されており、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を含む合金や、タンタル（Ｔａ）等で形成されている。また、アノード電極７ａ及びカソード電極７ｇはそれぞれ、化学的に安定な金属、例えばＡｕ等で表面を被覆するようにしてもよい。
【００２４】
以上のように構成された発光素子１は、アノード電極７ａとカソード電極７ｂとの間に順方向電圧を印加し、ｐ型クラッド層１７とｎ型クラッド層１３とによってｐｎ接合領域を形成する半導体積層部５に電流を供給することで、半導体積層部５のｐｎ接合領域が発光する。また、発光素子１は、ワイヤボンディングによるフェイスアップ実装や、フリップチップによるフェイスダウン実装等によって、配線基板等に実装することができる。
【００２５】
次に、発光素子１の製造方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図２は、発光素子１の製造工程を説明するための図である。
【００２６】
まず、図２（ａ）に示すように、基板３上に半導体積層部５を形成する。具体的には、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、必要な反応ガス及びドーパントガスを導入して、基板３上に、バッファ層９、ｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１３、活性層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９を順次成長させる。本実施形態では、バッファ層９、ｎ型コンタクト層１１、ｐ型コンタクト層１９の反応ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）及びトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下、ＴＭＧという）を用いる。ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１７の反応ガスとして、ＮＨ３、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下、ＴＭＡという）及びＴＭＧを用いる。また、活性層１５の反応ガスとして、ＮＨ３、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下、ＴＭＩという）及びＴＭＧ、或いは、ＮＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＩ及びＴＭＧを用いる。ｎ型コンタクト層１１及びｎ型クラッド層１３のドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ４）を用いる。ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９のドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）を用いる。また、キャリアガスとしては、水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）を用いる。
【００２７】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体積層部５が積層された基板３を酸素プラズマ照射装置２１内に導入し、酸素プラズマ雰囲気中に曝す。酸素プラズマ照射装置２１は、内部を酸素プラズマ雰囲気に保つためのチャンバ２３と、チャンバ２３内に設けられた酸素プラズマ発生源２５とを備えている。チャンバ２３には、酸素プラズマ発生源２５に酸素（Ｏ２）を供給するための吸気孔２３ａと、チャンバ２３内から酸素プラズマを排出するための排出孔２３ｂとが設けられている。酸素プラズマ発生源２５は、例えば、図示しない平行平板電極間に高周波電圧を印加し、これによって発生する高周波電界中に酸素を導入することによって、酸素プラズマを発生させている。そして、この発生した酸素プラズマがチャンバ２３内に供給されることで、チャンバ２３内が酸素プラズマ雰囲気となっている。半導体積層部５が積層された基板３は、このチャンバ２３内に設けられた平行平板電極２７ａ，２７ｂ間に導入される。より詳細には、この平行平板電極２７ａ，２７ｂは、下側の平板電極２７ａが正極、上側の平板電極２７ｂが負極となっており、半導体積層部５が積層された基板３は、半導体積層部５が負極側を向くように下側の平板電極２７ａ上に配置される。そして、平行平板電極２７ａ，２７ｂ間に直流電圧を印加することで、半導体積層部５が積層された基板３をさらに直流電界中に曝す。この処理を常温で、例えば数十分間行う。
【００２８】
次いで、半導体積層部５が積層された基板３を酸素プラズマ照射装置２１から取り出し、図２（ｃ）に示すように、ｎ型コンタクト層１１上に積層されたｎ型クラッド層１３、活性層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９の一部分をエッチングすることによって、ｎ型コンタクト層１１の上面の一部分を露出させる。より詳細には、例えば、フォトリソグラフィ技術等を用いてｐ型コンタクト層１９上にレジストマスクを形成した後、ｎ型クラッド層１３、活性層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１９をエッチングする。
【００２９】
そして、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１９及びｎ型コンタクト層１１上にそれぞれ、アノード電極７ａ及びカソード電極７ｂを形成する。このアノード電極７ａ及びカソード電極７ｂは、例えば、金（Ａｕ）を蒸着することで形成することができる。
【００３０】
本実施形態に係る発光素子１の製造方法によれば、平行平板電極２７ａ，２７ｂ間に直流電圧を印加することで半導体積層部５を直流電界中に曝している。そして、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、半導体積層部５を積層した基板３を、半導体積層部５が負極である平板電極２７ｂ側となるように配置している。ｐ型コンタクト層１９内のドーパントであるＭｇ等の一部は、半導体層を成膜する際の反応ガス等に含まれるＨと結合するが、このｐ型コンタクト層１９内でＭｇと結合したＨは、結合後も正の極性を有していると考えられている。そのため、Ｍｇと結合したＨは、負極である平板電極２７ｂ側に引き寄せられ、Ｍｇと分離して、ｐ型コンタクト層１９の表面近傍に移動する。このとき、ｐ型コンタクト層１９の内部のＨには、直流電界による引力が一様に作用するため、ｐ型コンタクト層１９の深部に存在するＨもＭｇと分離して効率的にｐ型コンタクト層１９の表面近傍へ移動する。
【００３１】
そして、本実施形態に係る発光素子１の製造方法によれば、半導体積層部５を直流電界中に曝しつつ、この半導体積層部５を酸素プラズマ雰囲気中に曝している。そのため、ｐ型コンタクト層１９の表面近傍に到達したＨは、ｐ型コンタクト層１９から引き抜かれてｐ型コンタクト層１９の表面上に存在する酸素プラズマと結合する。
【００３２】
したがって、ｐ型コンタクト層１９の表面近傍に存在するＨだけでなく、深部に存在するＨまでをも効率的に引き抜くことができ、より多くのＭｇをＨから分離することができる。そのため、従来例に比べて、ｐ型コンタクト層をより低抵抗化することができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、ｐ型コンタクト層１９の内部のＨに対して、電界による引力を一様に作用させてＨを引き抜いているため、ｐ型コンタクト層１９内の水素原子濃度が略一定になっている。そのため、本実施形態の発光素子１によれば、ｐ型コンタクト層１９内のＨの濃度勾配に起因する個々の発光素子１におけるｐ型コンタクト層１９の電気抵抗のばらつきを生じ難くすることができる。したがって、ひいては個々の発光素子１の発光強度のばらつきを生じ難くすることができる。なお、ｐ型コンタクト層１９内の水素原子濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等を用いて測定することができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、常温において、半導体積層部５を積層した基板３を酸素プラズマ雰囲気中に曝しているが、例えば、酸素プラズマ雰囲気を常温から４００℃未満の温度に加熱することが好ましい。こうすることで、ｐ型コンタクト層１９内のＨが、ｐ型コンタクト層１９の表面近傍まで移動し易くなり、Ｈをｐ型コンタクト層１９からさらに効率良く引き抜くことができる。また、このように４００℃未満の比較的低温下で処理することで、半導体積層部５に熱によるクラック等の損傷が生じたり、ｐ型の不純物が活性層１５に拡散して発光特性が低下したりする等の問題を抑制することができる。
【００３５】
また、上記実施形態では、高周波電界を用いて酸素プラズマを発生させているが、これに限定されるものではない。例えば、熱電子を用いたり、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）や高周波電磁誘導等を用いて酸素プラズマを発生させてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、平行平板電極２７ａ，２７ｂ間に直流電圧を印加することで直流電界を発生させているが、平行平板電極に限らず、直流電界を発生させることができる限り、公知の手段を用いてもよい。
【００３７】
また、半導体積層部５の層構成についても、発光可能なｐｎ接合領域を形成することができる限り、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等の少なくともＧａを含む窒化物半導体層内のＨを半導体層内から引き抜くために適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  発光素子
３  基板
５  半導体積層部
７（７ａ）  アノード電極
７（７ｂ）  カソード電極
９  バッファ層
１１  ｎ型コンタクト層
１３  ｎ型クラッド層
１５  活性層
１７  ｐ型クラッド層
１９  ｐ型コンタクト層
【図１】
2010199278.tif 000003
【図２】
2010199278.tif 000004