(57)【要約】【課題】製造コストを上げることなく、かつ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させ、薄膜デバイスに適用可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、表面から裏面までを貫通する貫通穴を有するアンドープＧａＮ層１０２と、アンドープＧａＮ層１０２の表面上および貫通穴内に形成された、導電性を有するアルミニウム層１０３とを備え、アルミニウム層１０３における貫通穴内に形成された領域のうち、裏面側に露出している絶縁領域１０６は、化学変化により絶縁化されている。【選択図】図１
2010267940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１主面および第２主面と、当該第１主面から当該第２主面までを貫通する貫通穴とを有する半導体膜と、
前記半導体膜の前記第１主面上および前記貫通穴内に形成された、導電性又は半導電性を有する第１膜とを備え、
前記第１膜における前記貫通穴内に形成された領域のうち、前記第２主面側に露出している領域は、化学変化により絶縁化されている
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体膜は、不規則に散在した複数の前記貫通穴を有する
請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記化学変化により絶縁化された領域の前記第２主面側への露出面の形状は、前記貫通穴の前記第２主面側への開口の形状に等しい
請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体膜の前記第２主面と、前記化学変化により絶縁化された領域の前記第２主面側への露出面とは、平坦である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記化学変化は、前記第２主面側から施されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記化学変化は、酸化又は窒化である
請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体膜の前記第２主面上に形成された、導電性を有する第２膜を備える
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体膜は、前記第２主面側から順に、第１導電型の半導体、アンドープ半導体、および、前記第１導電型とは異なる第２導電型の半導体が積層した多層膜であり、
前記第１膜は、前記半導体膜の前記第１主面上に、前記第１導電型のアモルファス半導体、アンドープアモルファス半導体、および、前記第２導電型のアモルファス半導体が順に積層した多層膜であり、
前記貫通穴内に形成された前記第１導電型のアモルファス半導体のうち前記第２主面側に露出している領域は、化学変化により絶縁化されており、
前記化学変化により絶縁化された領域と前記第２膜とは、接している
請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体膜は、第１導電型の半導体と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の半導体とが積層した多層膜である
請求項７記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１膜は、シリコン、水素化アモルファスシリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、およびパラジウムのいずれかを主成分とする
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体膜は、窒化物半導体である
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体膜の前記第１主面は、（０００１）面である
請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１３】
半導体装置の製造方法であって、
基板上に、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体膜を、前記基板と前記第２主面とが接するように成膜する半導体膜成膜ステップを含み、
前記半導体膜成膜ステップで成膜された半導体膜には、前記第１主面から前記第２主面までを貫通する貫通穴が形成されており、
前記半導体装置の製造方法は、さらに、
前記半導体膜の前記第１主面上および前記貫通穴内に、導電性又は半導電性を有する第１膜を形成する第１膜形成ステップと、
前記基板を前記半導体膜の前記第２主面から剥離する基板剥離ステップと、
前記半導体膜の前記第２主面側から、前記貫通穴内に形成された第１膜を化学変化させることで、前記貫通穴内に形成された第１膜の領域のうち、少なくとも前記第２主面側に露出した領域を絶縁化する絶縁化ステップとを含む
半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体装置の製造方法は、さらに、
前記絶縁化ステップの後に、前記半導体膜の前記第２主面上に、導電性を有する第２膜を形成する第２膜形成ステップを含む
請求項１３記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、薄膜デバイスに発生する貫通穴に絶縁体が形成された半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚さが数ミクロン程度である薄膜半導体デバイスは、軽量、かつ、コンパクトであり、さらには、フレキシブルなデバイスとすることもできるため、従来のデバイスにはない様々な用途展開が期待される。また、厚さが非常に薄いため、製造時における環境への負荷が小さいことも利点であり、近年の省エネルギーおよび環境への配慮に対して理想的なデバイスであるといえる。
【０００３】
しかしながら、薄膜デバイス製造における問題点として、貫通穴が挙げられる。結晶成長時におけるダストの付着や一部の異常成長などによって、成長膜にピットなどが発生することがある。通常のデバイスでは、下地基板があるため、少々のピットがあったとしてもあまり問題にならないことが多いが、薄膜デバイスの場合、下地基板がないため、ピットは貫通穴となってしまう。また、薄膜は機械的に弱いものであるため、製造時におけるハンドリングなどにおいて傷が付き、これが貫通穴となってしまう場合もある。
【０００４】
貫通穴がある状態のままデバイス作製を行うと、様々な致命的な問題が発生する。その最たる問題点は、貫通穴を通じた電流の短絡である。膜の両面に電極を形成する場合、貫通穴を通して両面に形成した電極金属が接触してしまう。
【０００５】
解決方法として結晶成長の均一性およびカバレッジを向上させることが挙げられる。これにより、貫通穴の発生する確率を低減させることができる。また、特許文献１には、貫通穴により露出した電極領域に電着法を利用して選択的に絶縁物を付着させる技術が記載されている。これにより、膜の両面に電極を形成した場合、電極間の短絡を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１８５１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術では、以下のような課題がある。
【０００８】
まず、結晶成長の均一性およびカバレッジを向上させる方法によれば、確かに、チップサイズの小さなデバイスでは、ほぼ上記の問題を解決することが可能である。しかしながら、屋外用の薄膜太陽電池などといった大面積を必要とするものでは、これだけでは解決することができない。
【０００９】
たとえば、１平方センチメートルの領域に貫通穴が発生する確率を１ｐｐｍと仮定した場合、小チップデバイスの歩留としては微々たるものであるが、１平方メートルサイズの屋外用の太陽電池では、歩留は３７％にまで低下してしまう。また、結晶成長技術が非常に洗練されたとしても、ダストや異常成長は起こりうるものであり、１平方メートルのデバイスにおいて、たった１つの貫通穴によってそれを破棄しなければならないとすれば、環境への負荷も計り知れないものである。そのため、結晶成長技術の向上とともに、形成されてしまった貫通穴による短絡を防止するようなプロセス開発も必要不可欠である。
【００１０】
また、特許文献１に記載の技術では、貫通穴の露出した電極領域に絶縁物を付着させるため、平面の平坦性が失われる恐れがあり、薄膜デバイスに適用するには好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、製造コストを上げることなく、かつ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させ、薄膜デバイスに適用可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、互いに対向する第１主面および第２主面と、当該第１主面から当該第２主面までを貫通する貫通穴とを有する半導体膜と、前記半導体膜の前記第１主面上および前記貫通穴内に形成された、導電性又は半導電性を有する第１膜とを備え、前記第１膜における前記貫通穴内に形成された領域のうち、前記第２主面側に露出している領域は、化学変化により絶縁化されている。
【００１３】
これにより、貫通穴を介して第１膜が第２主面側に露出している場合であっても、露出した領域が絶縁化されているので、貫通穴を介した短絡の発生などを減少させることができ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させることができる。
【００１４】
また、前記半導体膜は、不規則に散在した複数の前記貫通穴を有してもよい。
【００１５】
これにより、規則正しく形成された貫通穴だけでなく、不規則に形成された貫通穴の全てに絶縁領域が形成されているので、貫通穴を介した短絡の発生などをより減少させることができ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させることができる。
【００１６】
また、前記化学変化により絶縁化された領域の前記第２主面側への露出面の形状は、前記貫通穴の前記第２主面側への開口の形状に等しくてもよい。
【００１７】
これにより、貫通穴の開口の形状と同じ形状の絶縁物が形成されているので、貫通穴を介した短絡の発生などをより減少させることができ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させることができる。
【００１８】
また、前記半導体膜の前記第２主面と、前記化学変化により絶縁化された領域の前記第２主面側への露出面とは、平坦であってもよい。
【００１９】
これにより、第２主面側に導電層などの層を容易に形成することができる。
【００２０】
また、前記化学変化は、前記第２主面側から施されていてもよい。
【００２１】
これにより、絶縁化したい第２主面側から化学変化処理を施すことができるので、第１主面側などに化学変化による影響が及びにくくすることができる。
【００２２】
また、前記化学変化は、酸化又は窒化であってもよい。
【００２３】
これにより、容易に絶縁化させることができる。
【００２４】
また、前記半導体装置は、さらに、前記半導体膜の前記第２主面上に形成された、導電性を有する第２膜を備えてもよい。
【００２５】
これにより、第１膜と第２膜とは貫通穴を介して接触するが、接触する領域に絶縁領域が形成されているので、第１膜と第２膜との間で通電することを防ぐことができる。したがって、多くのデバイスに利用することができるので、本発明は非常に汎用性が高い。
【００２６】
また、前記半導体膜は、前記第２主面側から順に、第１導電型の半導体、アンドープ半導体、および、前記第１導電型とは異なる第２導電型の半導体が積層した多層膜であり、前記第１膜は、前記半導体膜の前記第１主面上に、前記第１導電型のアモルファス半導体、アンドープアモルファス半導体、および、前記第２導電型のアモルファス半導体が順に積層した多層膜であり、前記貫通穴内に形成された前記第１導電型のアモルファス半導体のうち前記第２主面側に露出している領域は、化学変化により絶縁化されており、前記化学変化により絶縁化された領域と前記第２膜とは、接していてもよい。
【００２７】
これにより、例えば、本発明をタンデム型太陽電池などとして利用することができるので、本発明は、非常に汎用性が高い。
【００２８】
また、前記半導体膜は、第１導電型の半導体と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の半導体とが積層した多層膜であってもよい。
【００２９】
これにより、例えば、本発明を発光ダイオードなどの発光素子として利用することができるので、本発明は、非常に汎用性が高い。
【００３０】
また、前記第１膜は、シリコン、水素化アモルファスシリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、およびパラジウムのいずれかを主成分としてもよい。
【００３１】
これにより、例えば、これらの物質は、熱酸化などの化学変化に要する温度はそれほど高くなく、かつ、生成される化合物は高抵抗であるので、効率良く短絡を防ぐことができる。したがって、より歩留を向上させることができる。
【００３２】
また、前記半導体膜は、窒化物半導体であってもよい。
【００３３】
これにより、例えば、窒化物半導体を用いた短波長用薄膜光デバイスに利用することができる。なお、窒化物半導体は、ｃ軸に配向しやすいため、面内方向の面方位はａ軸又はｍ軸となる。窒化物半導体はｃ軸への成長性が高いため、ＧａＡｓなど他の半導体に比べて面内方向に対しては成長しにくく、貫通穴が発生しやすくなる。本技術を用いることにより、貫通穴を絶縁領域によって塞ぐことができ、歩留を劇的に向上させることができる。
【００３４】
また、前記半導体膜の前記第１主面は、（０００１）面であってもよい。
【００３５】
これにより、窒化物半導体薄膜の上面は（０００１）面が露出しやすいため、この（０００１）面に第１膜を効率的に形成することができる。そして、貫通穴を絶縁領域によって塞ぐことができるため、歩留を劇的に向上させることができる。
【００３６】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置の製造方法であって、基板上に、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体膜を、前記基板と前記第２主面とが接するように成膜する半導体膜成膜ステップを含み、前記半導体膜成膜ステップで成膜された半導体膜には、前記第１主面から前記第２主面までを貫通する貫通穴が形成されており、前記半導体装置の製造方法は、さらに、前記半導体膜の前記第１主面上および前記貫通穴内に、導電性又は半導電性を有する第１膜を形成する第１膜形成ステップと、前記基板を前記半導体膜の前記第２主面から剥離する基板剥離ステップと、前記半導体膜の前記第２主面側から、前記貫通穴内に形成された第１膜を化学変化させることで、前記貫通穴内に形成された第１膜の領域のうち、少なくとも前記第２主面側に露出した領域を絶縁化する絶縁化ステップとを含む。
【００３７】
これにより、貫通穴に形成された第１膜を第２主面側から化学変化させることで第１膜を絶縁化するので、貫通穴内に絶縁領域を容易に形成することができる。よって、例えば、第２主面側に導電性を有する膜などを形成した場合であっても、貫通穴を介した短絡を防ぐことができる。したがって、製造コストを上げることなく、かつ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させ、薄膜デバイスに適用可能な半導体装置を製造することができる。
【００３８】
また、前記半導体装置の製造方法は、さらに、前記絶縁化ステップの後に、前記半導体膜の前記第２主面上に、導電性を有する第２膜を形成する第２膜形成ステップを含んでもよい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、製造コストを上げることなく、かつ、貫通穴が原因となって生じる歩留を向上させ、薄膜デバイスに適用可能な半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態１の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図３】（ａ）実施の形態１の結晶成長後の表面電子顕微鏡像である。（ｂ）実施の形態１の結晶成長後の裏面電子顕微鏡像である。（ｃ）実施の形態１の金属蒸着後の裏面電子顕微鏡像である。（ｄ）実施の形態１の選択酸化後の裏面電子顕微鏡像である。（ｅ）実施の形態１の金属蒸着後の裏面電子顕微鏡像の一部拡大図である。（ｆ）実施の形態１の選択酸化後の裏面電子顕微鏡像の一部拡大図である。
【図４】実施の形態１の半導体装置の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
【図５】ＧａＮ層上にＡｌ組成２５％で厚さ４０ｎｍのＡｌＧａＮ層を成膜した試料を３フッ化窒素（ＮＦ3）ガスに暴露した場合のフッ素濃度プロファイルを示す図である。
【図６】ＧａＮの格子間位置にフッ素が存在する場合の電子状態を第一原理的に計算した結果を示す図である。
【図７】実施の形態２の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。
【図８】実施の形態２の半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図９】実施の形態３の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。
【図１０】実施の形態３の半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下では、本発明の半導体装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置は、貫通穴を有する半導体膜と、当該半導体膜の上面に形成された第１導電膜と、下面に形成された第２導電膜とを備え、第１導電膜が化学変化により絶縁化された絶縁領域が貫通穴の下面側に露出し、第２導電膜と接していることを特徴とする。以下では、まず、本実施の形態の半導体装置の構造について、図１を用いて説明する。
【００４３】
図１は、本実施の形態の半導体装置１００の構造の一例を示す断面図である。半導体装置１００は、ＧａＮ低温バッファ層１０１と、アンドープＧａＮ層１０２と、アルミニウム層１０３と、上部電極１０４と、裏面電極１０５とを備える。アンドープＧａＮ層１０２には、貫通穴が形成されており、貫通穴内には、絶縁領域１０６が形成されている。なお、半導体装置１００では、ＧａＮ低温バッファ層１０１などの成長に用いる成長基板は剥離されている。
【００４４】
ＧａＮ低温バッファ層１０１は、成長基板上に島状に形成された半導体層の一例であって、例えば、厚さ２０ｎｍの低温で成長させたＧａＮから構成される。なお、ＧａＮ低温バッファ層１０１の厚さは、平坦成長時の厚さであって、図１に示すように島状に成長した場合、厚さは少し異なっている。
【００４５】
アンドープＧａＮ層１０２は、成長基板およびＧａＮ低温バッファ層１０１上に形成された半導体層の一例であって、例えば、厚さ０．５μｍのアンドープＧａＮ層から構成される。アンドープＧａＮ層１０２には、１つ以上の貫通穴が不規則に散在して形成されている。
【００４６】
アルミニウム層１０３は、アンドープＧａＮ層１０２上に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ２００ｎｍのアルミニウムから構成される。また、アルミニウム層１０３は、アンドープＧａＮ層１０２を貫通する貫通穴内にも形成されている。
【００４７】
上部電極１０４は、アルミニウム層１０３上に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ２００ｎｍの白金と厚さ３００ｎｍの金とが積層された構造を有する。
【００４８】
裏面電極１０５は、アンドープＧａＮ層１０２の裏面に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ２００ｎｍのアルミニウムと、厚さ２００ｎｍの白金と、厚さ３００ｎｍの金とが積層された構造を有する。
【００４９】
絶縁領域１０６は、アルミニウム層１０３における貫通穴内に形成された領域のうち、アンドープＧａＮ層１０２の裏面側に露出している領域であり、アルミニウム層１０３が化学変化して絶縁化された領域である。絶縁領域１０６は、例えば、アルミナから構成される。また、絶縁領域１０６の裏面側への露出面の形状は、貫通穴の裏面側への開口の形状と等しくなる。また、絶縁領域１０６は、アンドープＧａＮ層１０２の裏面側に露出しているために、裏面電極１０５と接している。
【００５０】
以上のように、本実施の形態の半導体装置１００は、上部に形成されたアルミニウム層１０３が化学変化して絶縁化した領域である絶縁領域１０６が、貫通穴内に形成されている。これにより、上側電極と下側電極との間が導通してしまうことを防止する。なお、絶縁領域１０６は、貫通穴に形成された導電性膜（ここでは、アルミニウム層１０３）が化学変化されることで形成される領域であるため、絶縁領域１０６には、導電性膜に含まれる原子（アルミニウム）を含んでいる。
【００５１】
続いて、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法について説明する。つまり、アンドープＧａＮ層１０２に形成された貫通穴をふさぐ実験の手順およびその結果について述べていく。
【００５２】
図２は、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法の一例を示す工程断面図である。なお、以下の説明では、製造途中の半導体装置１００のことを単に“デバイス”と記載する場合がある。
【００５３】
まず、図２（ａ）に示すように、成長基板の一例である（０００１）面配向したグラファイト基板１１０の上に、ＧａＮ低温バッファ層１０１を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて結晶成長する。ここで、ＧａＮ低温バッファ層１０１の膜厚は、平坦成長時において２０ｎｍ相当としている。何も処理を施していないグラファイト基板上には他原子の吸着が起こりにくいため、図２（ａ）に示すように、ＧａＮ低温バッファ層１０１は島状に形成される。
【００５４】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて、厚さ０．５μｍ相当のアンドープＧａＮ層１０２を結晶成長する。ここで、図２（ａ）では、２ヶ所の貫通穴１１１がある例を示しており、貫通穴１１１では、下地のグラファイト基板１１０が露出している。なお、本実験では、本実施の形態の方法の有効性を確認するために、わざと貫通穴の多い試料を作製している。
【００５５】
次に、本デバイスに対し、図２（ｂ）に示すように、蒸着法又はスパッタ法などにより、厚さ２００ｎｍのアルミニウム層１０３を蒸着し、引き続き、厚さ２００ｎｍの白金および厚さ３００ｎｍの金を上部電極１０４として蒸着する。ここで、図２（ｂ）に示すように、２ヶ所あった貫通穴１１１は、アルミニウム層１０３によって埋められている。
【００５６】
引き続き、図２（ｃ）に示すように、以上のようにして結晶成長させた窒化物半導体（ＧａＮ低温バッファ層１０１およびアンドープＧａＮ層１０２）および金属（アルミニウム層１０３および上部電極１０４）の積層構造のデバイスを、下地のグラファイト基板１１０から剥離する。剥離は、例えば、グラファイト基板１１０を物理的に引っ張ることで、非常に簡単に行うことができる。これは、グラファイトの（０００１）面表面には、炭素のπ電子が垂直に対称性良く分布しているため、他の原子とあまり強固な吸着が起こらないためである。
【００５７】
したがって、剥離したグラファイト基板１１０には、窒化物半導体は付着しておらず、また上の金属層も付着していない。これは、グラファイトへの吸着エネルギーよりも、金属同士あるいは窒化物半導体同士の吸着エネルギーが遙かに大きいためである。剥離したグラファイト基板１１０は、原子層オーダにて平坦性を保持しているため、再び結晶成長に用いることが可能である。このようにグラファイト基板１１０を再利用することができるので、本実施の形態の半導体装置１００の製造コストを低くすることができる。
【００５８】
次に、図２（ｃ）にて示した積層構造のデバイスに対し、選択酸化処理を行う。ここでは酸化装置として、ランプ加熱の急速熱アニール装置を用いている。酸化条件としては、使用ガスを酸素ガスとし、流量１０ｓｌｍ、１気圧、アニール温度５００℃である。ここではアニール時間を１５分とした。アニール温度についてであるが、４５０℃〜５５０℃が適切であることが知られている。この温度範囲よりも低いと酸化速度が非常に遅く、逆に高い場合は、アルミニウムが軟化してしまい、上部の上部電極１０４が破れてしまうなどの問題が発生する。
【００５９】
アルミニウムは酸化しやすい物質であり、酸化すると非常に絶縁性の高いアルミナとなる。したがって、図２（ｄ）に示すように、酸化によって得られたアルミナからなる絶縁領域１０６が形成される。
【００６０】
なお、図２（ｄ）に示すように、貫通穴１１１から露出された部分のみアルミナに変化している。これは、アルミニウム層１０３のうち、貫通穴１１１に形成された領域のみが酸素に暴露されるためである。アルミニウム層１０３においてアンドープＧａＮ層１０２と接触している領域は、アンドープＧａＮ層１０２が障壁となるため、酸化されない。さらに、アルミニウム層１０３の上部電極１０４は、白金および金によって構成されているため、これらも酸素暴露による酸化は発生しない。その結果、貫通穴１１１から露出した部分のみ酸化され、図２（ｄ）に示すように、アルミナからなる絶縁領域１０６が形成される。
【００６１】
さらに、図２（ｅ）に示すように、蒸着法又はスパッタ法などを用いて、裏面から電極金属を蒸着することで、裏面電極１０５を形成する。裏面電極１０５は、本実験では、厚さ２００ｎｍのアルミニウム、厚さ２００ｎｍの白金、厚さ３００ｎｍの金の順に蒸着している。以上の手順によって本実験検証に用いる半導体装置１００が完成した。
【００６２】
以上のように、デバイスを裏面側から化学変化を施すので、裏面電極１０５と接触する領域（貫通穴１１１内のアルミニウム層１０３の裏面側に露出した領域）を、より確実に絶縁化することができる。
【００６３】
続いて、以上の製造方法により製造された本実施の形態の半導体装置１００を評価した結果を示す。
【００６４】
次に、図３に、電子顕微鏡によって本実施の形態の半導体装置１００を観察した写真を示す。図３（ａ）は、グラファイト基板１１０上に結晶成長した試料（図２（ａ）に示すデバイス）の上面電子顕微鏡写真である。図３（ａ）を見て分かるように、無数の六角錐状の単結晶アイランドがあり、それらがお互いにつながっていることが分かる。
【００６５】
また図３（ｂ）は、結晶成長直後にグラファイト基板１１０を剥離した後の試料を、試料裏面（グラファイト基板）側から観察したものである。図３（ｂ）を見て明らかなように、ＧａＮ低温バッファ層１０１およびアンドープＧａＮ層１０２が灰色の領域として見えており、一方、その間の黒い領域は貫通穴１１１として見えている。このように図３（ｂ）より、本試料は、非常に貫通穴の多い試料となっていることが分かる。
【００６６】
次に、図３（ｃ）は、本実験手順においてグラファイト基板の剥離まで行った試料（図２（ｃ）に示すデバイス）を、裏面から観察した電子顕微鏡像である。図３（ｂ）において見えていた黒い貫通穴１１１は全て消失しており、その代わり、白っぽい領域が見られる。これは、貫通穴１１１にアルミニウム層１０３が入り込んだものが裏面より見えているためである。このように、全ての貫通穴１１１へ効率よくアルミニウムを配置することができている。また、図３（ｃ）において、黒い粒状のものが見られるが、これは下地のグラファイト基板１１０が一部付いているためであり、これらは貫通穴ではない。
【００６７】
次に、図３（ｄ）は、選択酸化を行った後の試料（図２（ｄ）に示すデバイス）の裏面からの電子顕微鏡像である。図３（ｃ）において見られた白っぽい領域のコントラストが低くなり、周囲の窒化物半導体領域のコントラストに近くなっている。これらの変化は、図３（ｃ）および図３（ｄ）の一部をそれぞれ拡大した、図３（ｅ）および図３（ｆ）を見るとよく分かる。
【００６８】
図３（ｅ）において矢印により示される白っぽい領域は、貫通穴を介してアルミニウム層１０３が裏面に露出している部分である。これに選択酸化を行うと、図３（ｆ）の矢印にて示されるように、コントラストが劇的に低下する。これは、アルミニウムが酸化されてアルミナとなったためである。すなわち、アルミナ化することで密度が低下し、なおかつ電子濃度も低下するために、電子顕微鏡観察における反射電子の飛来数が減少する結果、コントラストが低下したためである。一方、窒化物半導体の領域は選択酸化前後においてもコントラストは変化しておらず、窒化物半導体に対しては酸化が発生していないことが分かる。
【００６９】
このように、本実施の形態では、上述の選択酸化技術により、貫通穴１１１より露出したアルミニウムのみを酸化することができ、酸化された領域を絶縁化することができた。また、図３（ｄ）において、黒い粒状に見られるグラファイトの残滓は、図３（ｃ）に比べてかなり減少している。これは、アニール時に炭素が酸素と結合した結果、二酸化炭素あるいは一酸化炭素のガスとして除去されたものと考えられる。
【００７０】
次に、図４に、本実施の形態の半導体装置１００の電流−電圧特性を測定した結果を示す。なお、図４に示す電流−電圧特性は、上部電極１０４と裏面電極１０５との間に電圧を印加したときに流れる電流を示している。
【００７１】
図４に示すように、熱酸化しなかった場合の電流−電圧特性（“熱酸化なし”）は、縦軸とほとんど重なっており、貫通穴１１１のアルミニウムを介して短絡してしまっていることがわかる。一方、熱酸化を行った場合の電流−電圧特性（“熱酸化あり”）は、カーブの傾きが非常に小さくなり、高抵抗化していることが分かる。これは、貫通穴１１１のアルミニウムが酸化により絶縁化された結果、短絡によるリークパスがなくなったためと考えられる。
【００７２】
図３（ａ）および図３（ｂ）を見て明らかなように、本試料は、非常に貫通穴が多いにもかかわらず、非常にうまく短絡を防止していることが分かる。なお、図４において、“熱酸化あり”の試料では、４Ｖあたりから電流値が非線形に増大しているが、これは窒化物半導体中を電流が通っているためであると考えられる。
【００７３】
以上より、本実施の形態の技術によって貫通穴による短絡を効率よくなくすことができることが実証された。また、本実施の形態の技術は表面および裏面蒸着の工程の間に酸化処理工程を足すだけであるため、プロセスへの負担が少なく、なおかつ非常に汎用性に富む技術である。
【００７４】
なお、本実施の形態では、意図せず不規則に散在して形成された貫通穴に絶縁領域を形成する方法について説明したが、これに限らず、意図して形成した貫通穴に絶縁領域を形成してもよい。
【００７５】
また、ここでは、酸素との化学変化による絶縁化について示したが、窒化による絶縁化も可能である。たとえば、窒化による絶縁化は、ジメチルヒドラジンなどといったヒドラジン系化合物を導入しつつ加熱することで実現される。すなわち、ヒドラジン系化合物の熱分解によって発生した原子状窒素と貫通穴より露出しているアルミニウムとが化学反応し、窒化アルミニウムとなることで、貫通穴の短絡を防止することが可能となる。このとき、ヒドラジン系化合物による窒化物半導体への影響は、ほとんどないことも特徴である。
【００７６】
また、酸化および窒化以外の金属の絶縁化として、金属と化学反応し、なおかつ絶縁化するものとして、ハロゲン系ガスを利用することが挙げられる。特に、フッ素は反応性が高く、フッ化後は様々な元素において非常に安定な絶縁体を形成する場合が多い。
【００７７】
しかしながら、窒化物半導体をフッ素暴露した場合、窒化物半導体の中にフッ素が入り込み、トラップ準位を形成してしまうという問題点がある。図５は、ＧａＮ上にＡｌ組成２５％で厚さ４０ｎｍのＡｌＧａＮ層を成膜した試料を３フッ化窒素（ＮＦ3）ガスに暴露した場合のフッ素濃度プロファイルである。ＮＦ3ガスの暴露時間は３０分とし、温度を室温（約２５℃）および３５０℃としている。
【００７８】
図５に示すように、室温ではフッ素が窒化物半導体中にほとんど入り込んでいないのに対し、３５０℃では非常に多くのフッ素が入り込んでおり、濃度として３Ｅ２０／ｃｍ3にも達している。この劇的な違いは、ＮＦ3の熱分解温度によって説明できる。ＮＦ3の熱分解温度は約３００℃であり、その温度以下では、フッ素はほとんど遊離しない。
【００７９】
一方、３００℃以上に熱するとＮＦ3は熱分解を起こし、原子状フッ素が遊離される。原子状フッ素は原子半径が小さいため、窒化物半導体中に容易に入り込むと考えられる。このように、フッ素が原子状に遊離すると、容易に窒化物半導体中へ入り込むことが分かっている。
【００８０】
また、窒化物半導体中のフッ素であるが、３５０℃では窒化物半導体の結晶構造は熱的に変化しないことから、格子間に存在しているものと考えられる。ＧａＮの格子間位置にフッ素が存在する場合の電子状態を第一原理的に調べた結果が、図６のグラフである。
【００８１】
図６では、格子間フッ素の荷電状態を変えて系の全エネルギーを計算し、電子の化学ポテンシャル（図６では横軸）を変化させた際の安定性を調べている。図６では、エネルギーの低い方が安定であることを意味している。
【００８２】
図６より、電子化学ポテンシャルが変化するに従って最低エネルギーを与える荷電状態ｑが変化することが分かる。電子化学ポテンシャルが価電子上端（ＥVBM）近傍にある場合、＋２の荷電状態が最安定となる。このことはすなわち、フッ素から電子が２個ホスト側へ提供されたことを意味している。
【００８３】
次に、電子化学ポテンシャルが禁制帯幅の０．２あたりに来ると、荷電状態が０の場合が最安定となる。このとき、フッ素は電気的に中性であることを意味している。さらに電子化学ポテンシャルが上昇していくと、−１の荷電状態が最安定となる。これはすなわち、フッ素がホスト側から電子を１個受け取ることを意味している。
【００８４】
以上より、格子間フッ素は、電子過剰状態（ｎ型）では電子を捕獲し、正孔過剰状態（ｐ型）では正孔を捕獲（電子を提供）することが分かる。これはすなわち、キャリアのトラップとして働くことを意味する。フッ素を用いた短絡防止技術を特に光デバイスへ応用する場合、非発光再結合中心となってしまうため、発光効率を著しく低下させてしまうことになる。そのため、絶縁化させる場合にはフッ素系ガスは不向きである。
【００８５】
また、金属を化学反応させる元素として、炭素やシリコンがあるが、これらは大抵導体となってしまうため不向きである。炭素やシリコンはイオン性が小さく、ほとんど共有結合のみによって金属と結合するため、禁制帯幅が開かないことが原因である。
【００８６】
以上のことから、本実施の形態では、絶縁化を起こす化学変化として、酸化、又は窒化が望ましい。
【００８７】
（実施の形態２）
本実施の形態の半導体装置は、タンデム型太陽電池であって、２つの電極間に、窒化物半導体の多層膜で構成され、短波長の光を吸収する太陽電池と、アモルファス半導体の多層膜で構成され、長波長の光を吸収する太陽電池とが積層された構造を有する。さらに、窒化物半導体には貫通穴が形成されており、この貫通穴内には、アモルファス半導体が化学変化されて絶縁化した絶縁領域が形成されている。以下では、まず、本実施の形態のタンデム型太陽電池である半導体装置の構造について、図７を用いて説明する。
【００８８】
図７は、本実施の形態の半導体装置２００の構造の一例を示す断面図である。半導体装置２００は、タンデム型太陽電池であって、ＡｌＮ層２０１と、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２と、アンドープＩｎＧａＮ層２０３と、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４と、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５と、アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６と、ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７と、上部電極２０８と、裏面電極２０９と、電極コンタクト２１０とを備える。また、図７に示すように、ＡｌＮ層２０１と、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２と、アンドープＩｎＧａＮ層２０３と、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４とを貫通する貫通穴が形成されている。そして、貫通穴には、ＡｌＮ層２０１の下面側に絶縁領域２１１が形成されている。なお、半導体装置２００では、ＡｌＮ層２０１などの成長に用いる成長基板は、剥離されている。
【００８９】
ＡｌＮ層２０１は、成長基板との格子不整合を緩和するためなどに用いられるバッファ層の一例であって、例えば、厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成される。
【００９０】
ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２は、ＡｌＮ層２０１上に形成された正孔過剰な半導体層の一例であって、例えば、２０周期のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層である。Ａｌ組成比は、例えば、２０％である。また、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との厚さはそれぞれ、例えば、５ｎｍと８ｎｍである。なお、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層をｐ型半導体にするため、それぞれの層には、マグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされている。ドーピング濃度は、例えば、１Ｅ１９／ｃｍ3である。
【００９１】
アンドープＩｎＧａＮ層２０３は、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２上に形成された光吸収層の一例であって、入射した光を吸収し、電子および正孔を生成する。生成した電子は、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４に移動し、生成した正孔は、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２に移動する。アンドープＩｎＧａＮ層２０３の厚さは、例えば、３００ｎｍである。また、Ｉｎ組成比は、例えば、２５％である。
【００９２】
ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４は、アンドープＩｎＧａＮ層２０３上に形成された電子過剰な半導体層の一例であって、例えば、２０周期のｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層である。Ａｌ組成比は、例えば、１０％である。また、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との厚さはそれぞれ、例えば、３ｎｍと８ｎｍである。なお、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層をｎ型半導体にするため、それぞれの層には、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。ドーピング濃度は、例えば、３Ｅ１８／ｃｍ3である。
【００９３】
なお、ＡｌＮ層２０１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２、アンドープＩｎＧａＮ層２０３、およびｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４が、タンデム型太陽電池を構成する１つの太陽電池層である窒化物半導体の多層膜の一例である。
【００９４】
ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５は、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４上に形成された正孔過剰なアモルファス半導体層の一例であって、例えば、厚さ２００ｎｍである。なお、水素化アモルファスシリコン層をｐ型半導体にするため、ボロン（Ｂ）がドーピングされている。
【００９５】
アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６は、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５上に形成された光吸収層の一例であって、入射した光を吸収し、電子および正孔を生成する。このとき、アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６は、アンドープＩｎＧａＮ層２０３が吸収する光の波長とは異なる波長の光を吸収する。また、生成した電子は、ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７に移動し、生成した正孔は、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５に移動する。アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６の厚さは、例えば、１μｍである。
【００９６】
ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７は、アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６上に形成された電子過剰なアモルファス半導体層の一例であって、例えば、厚さ２００ｎｍである。なお、水素化アモルファスシリコン層をｎ型半導体にするため、リン（Ｐ）がドーピングされている。
【００９７】
なお、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５、アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６、およびｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７が、タンデム型太陽電池を構成する１つの太陽電池層であるアモルファス半導体の多層膜の一例である。
【００９８】
上部電極２０８は、ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７上に形成された導電層であって、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウム、厚さ２００ｎｍの白金、厚さ３００ｎｍの金が積層された多層膜である。
【００９９】
裏面電極２０９は、成長基板を剥離した後にＡｌＮ層２０１の裏面に形成された導電性膜である。なお、本実施の形態の半導体装置２００では、裏面側から光が入射するので、裏面電極２０９は、光透過性を有する。例えば、裏面電極２０９は、厚さ１０ｎｍの酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）である。なお、裏面電極２０９は、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）でもよい。
【０１００】
電極コンタクト２１０は、裏面電極２０９の下面の所定の領域に形成された導電層であって、例えば、金などの金属から構成される。なお、本実施の形態の半導体装置２００では、裏面側から光が入射するので、入射光をできるだけ遮らないように形成される。
【０１０１】
絶縁領域２１１は、貫通穴内に形成された絶縁領域であって、水素化アモルファス半導体層が化学変化して絶縁化された領域である。例えば、絶縁領域２１１は、酸化シリコン、又は窒化シリコンである。
【０１０２】
以上の構成に示すように、本実施の形態の半導体装置２００は、タンデム型太陽電池であって、窒化物半導体からなる太陽電池とアモルファスシリコンからなる太陽電池とが積層した構造を有する。そして、窒化物半導体の層には、貫通穴が形成されており、この貫通穴には、アモルファスシリコンの層が埋め込まれている。そして、埋め込まれたアモルファスシリコン層が酸化された絶縁領域２１１が形成されている。
【０１０３】
このように、アモルファスシリコン層と裏面電極２０９との間には絶縁領域２１１が形成されているので、太陽電池としての性能の劣化を低減することができる。
【０１０４】
続いて、本実施の形態の半導体装置２００の製造方法について、図８を用いて説明する。なお、以下の説明では、製造途中の半導体装置２００のことを単に“デバイス”と記載する場合がある。
【０１０５】
図８は、本実施の形態の半導体装置２００の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【０１０６】
まず、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によってグラファイト基板２２０上に窒化物半導体を成長させる。具体的には、ＡｌＮ層２０１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２、アンドープＩｎＧａＮ層２０３、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４を順次結晶成長していく。
【０１０７】
まず、グラファイト基板２２０上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層２０１を成長した後、引き続き、２０周期のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２を成長する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成比は２０％であり、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの膜厚はそれぞれ、５ｎｍおよび８ｎｍである。また、ｐ型化のためにＭｇを添加しており、Ｍｇ濃度は、１Ｅ１９／ｃｍ3である。なお、このとき、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０２は、１〜２Ｅ１８／ｃｍ3程度の正孔を生成する。
【０１０８】
次に、厚さ３００ｎｍでＩｎ組成比が２５％のアンドープＩｎＧａＮ層２０３を成長した後、２０周期のｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層２０４を成長する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成比は１０％であり、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの膜厚はそれぞれ、３ｎｍおよび８ｎｍである。また、ｎ型化のためにＳｉを添加しており、Ｓｉ濃度は３Ｅ１８／ｃｍ3である。
【０１０９】
なお、図８（ａ）では、カバレッジ不良のために２ヶ所の貫通穴２２１が形成されているものとして図示している。
【０１１０】
次に、窒化物半導体層の上に水素化アモルファス半導体膜を成長していく。具体的には、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５、アンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６、ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７を順次成長していく。
【０１１１】
図８（ｂ）において、まず、厚さ２００ｎｍのｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５を成膜した後、厚さ１μｍのアンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６を成膜する。そして、最後に厚さ２００ｎｍのｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７を成膜する。ここで、アモルファス半導体層のｎ型化およびｐ型化のためのドーパントとして、それぞれ、ＰおよびＢを用いている。
【０１１２】
このように水素化アモルファス半導体膜を成長させることで、図８（ｂ）に示すように、２つの貫通穴はアモルファスシリコンによって埋められた形状となっている。つまり、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５は、貫通穴２２１を介してグラファイト基板２２０に接している。
【０１１３】
さらに、図８（ｃ）に示すように、ｎ型水素化アモルファスシリコン層２０７の上に上部電極２０８を形成する。具体的には、下層から順に、厚さ１００ｎｍのアルミニウム、厚さ２００ｎｍの白金、厚さ３００ｎｍの金となるように、スパッタ法、または蒸着法などにより、各金属を全面蒸着する。ここで、アルミニウムは可視光領域において高い反射率を有しているため、裏面電極２０９側から入射した透過光を反射することにより、さらに、アンドープＩｎＧａＮ層２０３およびアンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６などの光吸収層を透過させることができる。このように、上部電極２０８は、光電変換効率を向上させる働きも有する。
【０１１４】
そして、図８（ｄ）に示すように、成長基板であるグラファイト基板２２０を剥離する。剥離については前述の通りで、窒化物半導体を簡単にグラファイト基板から分離することができる。
【０１１５】
次に、図８（ｅ）に示すように、貫通穴による短絡を防ぐために、絶縁領域２１１を形成する。ここでは、裏面側に露出した水素化アモルファス半導体層の絶縁化、例えば、選択酸化を行う。図８（ｅ）に示す例では、貫通穴２２１内のｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５とアンドープ水素化アモルファスシリコン層２０６とが酸化される。特に、ｐ型水素化アモルファスシリコン層２０５の領域のうち、少なくとも裏面側に露出している領域は酸化される。
【０１１６】
アモルファスシリコンを熱酸化する場合、１０００℃程度の高熱を要するため、下地のアンドープＩｎＧａＮ層２０３に対して熱的劣化が引き起こされてしまう。そのため、熱を用いない酸化プロセスが必要である。
【０１１７】
ここでは、一例として、陽極酸化法を用いている。具体的には、リン酸水溶液中で、図８（ｄ）に示すデバイスを陽極とし、白金を対抗電極（陰極）として用いる。このとき、リン酸水溶液には、デバイスの裏面のみが曝露される。
【０１１８】
そして、通電することで、貫通穴から裏面側に露出している水素化アモルファスシリコン層を選択酸化する。ここでは、窒化物半導体層を陽極酸化させず、水素化アモルファスシリコン層のみを選択的に陽極酸化させるため、例えば、黄色の光（波長：５７０〜５９０ｎｍ）を照射しながら陽極酸化を行なっている。これは、水素化アモルファスシリコンの禁制帯幅が約１．８ｅＶであることから、赤色よりも短波長の光を吸収できるためである。
【０１１９】
これにより、水素化アモルファスシリコン層のみに電子正孔対を発生させることにより、効率よく液面との正孔受け渡しが実現できる結果、貫通穴に露出している水素化アモルファスシリコン層を陽極酸化することができる。陽極酸化の結果、露出部は酸化シリコンとなって絶縁化される。このようにして、絶縁領域２１１が形成される。
【０１２０】
一方、窒化物半導体も同様に陽極酸化されることが懸念されるが、窒化物半導体層は黄色の光を吸収できないため、電子正孔対が生成されない。なぜならば、窒化物半導体層の禁制帯幅は、黄色光の光子エネルギーよりも十分に大きいためである。そのため、水素化アモルファスシリコン層に比べて正孔の受け渡しはほとんど起こらないため、酸化されることはない。
【０１２１】
このように、陽極酸化法と照射光の波長選択とによって、貫通穴から露出している部分のみを選択的に酸化させることができる。
【０１２２】
最後に、図８（ｆ）に示すように、裏面へ厚さ１０ｎｍのＩＴＯを蒸着することで裏面電極２０９を形成する。さらに、シャドウマスクを用いることで、裏面電極２０９の所定の領域に電極コンタクト２１０を形成する。
【０１２３】
以上の工程を経て、薄膜窒化物タンデム太陽電池である半導体装置２００を製造することができる。
【０１２４】
以上のように、本実施の形態の半導体装置２００では、窒化物半導体の成膜時に形成される貫通穴に絶縁領域を形成することで、上部電極と裏面電極との間の通電を防止する。絶縁領域は、窒化物半導体上に成膜するアモルファス半導体のうち、貫通穴内にも形成された領域を化学変化により絶縁化することで形成される。
【０１２５】
（実施の形態３）
本実施の形態の半導体装置は、発光ダイオードなどの発光素子であって、２つの電極間に、窒化物半導体で構成された発光層が形成されている。さらに、窒化物半導体には貫通穴が形成されており、この貫通穴内には、上部電極が化学変化されて絶縁化した絶縁領域が形成されている。以下では、まず、本実施の形態の発光素子である半導体装置の構造について、図９を用いて説明する。
【０１２６】
図９は、本実施の形態の半導体装置３００の構造の一例を示す断面図である。半導体装置３００は、発光ダイオードなどの発光素子であって、ＧａＮ低温バッファ層３０１と、ｐ型ＧａＮ層３０２と、ＩｎＧａＮ活性層３０３と、ＧａＮ層３０４と、ＡｌＧａＮ層３０５と、ｎ型ＧａＮ層３０６と、アルミニウム層３０７と、上部電極３０８と、裏面電極３０９と、電極コンタクト３１０とを備える。
【０１２７】
なお、ＧａＮ低温バッファ層３０１と、ｐ型ＧａＮ層３０２と、ＩｎＧａＮ活性層３０３と、ＧａＮ層３０４と、ＡｌＧａＮ層３０５と、ｎ型ＧａＮ層３０６とを含む半導体層には貫通穴が形成されており、貫通穴内には絶縁領域３１１が形成されている。なお、半導体装置３００では、ＧａＮ低温バッファ層３０１などの成長に用いる成長基板は、剥離されている。
【０１２８】
ＧａＮ低温バッファ層３０１は、成長基板上に島状に形成された半導体層であって、例えば、厚さ２０ｎｍの低温で成長させたＧａＮ層である。なお、ＧａＮ低温バッファ層３０１の厚さは、平坦成長時の厚さであって、図９に示すように島状に成長した場合、厚さは少し異なっている。
【０１２９】
ｐ型ＧａＮ層３０２は、成長基板およびＧａＮ低温バッファ層３０１上に形成された正孔過剰な半導体層の一例であって、例えば、厚さ１μｍのｐ型ＧａＮ層から構成される。なお、ＧａＮ層をｐ型半導体にするため、Ｍｇがドーピングされている。ドーピング濃度は、例えば、１Ｅ１９／ｃｍ3である。なお、図９に示すように、ＧａＮの（１−１０１）面を斜面とする六角錐として形成される。
【０１３０】
ＩｎＧａＮ活性層３０３は、ｐ型ＧａＮ層３０２上に形成される活性層であって、電子と正孔とが再結合することで発光する。ＩｎＧａＮ活性層３０３は、例えば、厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＮ層から構成される。なお、図９に示すように、ＩｎＧａＮ活性層３０３は、ｐ型ＧａＮ層３０２の斜面である（１−１０１）面の方が、平坦面である（１０００）面上より分厚く、かつ、Ｉｎ組成も大きい。
【０１３１】
ＧａＮ層３０４は、ＩｎＧａＮ活性層３０３上に形成され、例えば、厚さ１０ｎｍのＧａＮから構成される。
【０１３２】
ＡｌＧａＮ層３０５は、ＧａＮ層３０４上に形成され、例えば、Ａｌ組成比が８％のＡｌＧａＮから構成される。（１０００）面のＡｌＧａＮの厚さは約７ｎｍであり、（１−１０１）面のＡｌＧａＮの厚さは約２ｎｍである。
【０１３３】
ｎ型ＧａＮ層３０６は、ＡｌＧａＮ層３０５上に形成された電子過剰な半導体層の一例であって、例えば、厚さ２００ｎｍのＧａＮ層から構成される。
【０１３４】
アルミニウム層３０７は、ｎ型ＧａＮ層３０６上に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ２００ｎｍのアルミニウムから構成される。
【０１３５】
上部電極３０８は、アルミニウム層３０７上に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ２００ｎｍの白金および厚さ３００ｎｍの金が積層された構造を有する。
【０１３６】
裏面電極３０９は、ｐ型ＧａＮ層３０２の裏面に形成された導電性を有する層であって、例えば、厚さ１０ｎｍの酸化インジウムスズから構成される。なお、ＩｎＧａＮ活性層３０３で発光した光を外に取り出すために、裏面電極３０９は光透過性を有する必要がある。
【０１３７】
電極コンタクト３１０は、裏面電極３０９に形成されたリブ状の電極であって、例えば、厚さ１０ｎｍのニッケル、厚さ５０ｎｍの白金、厚さ３００ｎｍの金が積層された構造を有する。
【０１３８】
絶縁領域３１１は、アルミニウム層３０７における貫通穴内に形成された領域のうち、裏面側に露出している領域であり、アルミニウム層３０７が化学変化して絶縁化された領域である。絶縁領域３１１は、例えば、アルミナから構成される。また、絶縁領域３１１は、裏面電極３０９と接している。
【０１３９】
以上の構成に示すように、本実施の形態の半導体装置３００は、２つの電極間に形成された、窒化物半導体からなる発光層を備える発光素子である。発光層には、貫通穴が形成されており、この貫通穴には、上部電極３０８が埋め込まれている。そして、埋め込まれた上部電極が酸化された絶縁領域３１１が形成されている。
【０１４０】
このように、上部電極３０８と裏面電極３０９との間には絶縁領域３１１が形成されているので、電極間での短絡を防止することができる。
【０１４１】
続いて、本実施の形態の半導体装置３００の製造方法について、図１０を用いて説明する。なお、以下の説明では、製造途中の半導体装置３００のことを単に“デバイス”と記載する場合がある。
【０１４２】
図１０は、薄膜半極性面窒化物発光ダイオードに応用した場合の実施例である。
【０１４３】
まず、図１０（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によってグラファイト基板３２０上に窒化物半導体を成長させる。具体的には、ＧａＮ低温バッファ層３０１、ｐ型ＧａＮ層３０２、ＩｎＧａＮ活性層３０３、ＧａＮ層３０４、ＡｌＧａＮ層３０５、ｎ型ＧａＮ層３０６を順次結晶成長していく。
【０１４４】
まず、グラファイト基板３２０上に、厚さ２０ｎｍ（平坦成長換算時）のＧａＮ低温バッファ層３０１を成長する。このとき、上述したようにグラファイトと他原子との吸着は起こりにくいため、グラファイト基板３２０上にはＧａＮ低温バッファ層３０１は、島状に存在する。
【０１４５】
次に、引き続き、グラファイト基板３２０およびＧａＮ低温バッファ層３０１上に、約１μｍのｐ型ＧａＮ層３０２を成長する。なお、ｐ型化にはＭｇを添加しており、Ｍｇ濃度は１Ｅ１９／ｃｍ3である。このとき、ＧａＮ結晶のグレインサイズは１μｍ程度であり、なおかつアンモニア（ＮＨ3）流量を下げているため、ｐ型ＧａＮ層３０２は互いにあまり癒合せず、（１−１０１）面を斜面とする六角錐として形成される。
【０１４６】
次に、発明者が特願２００８−２９１５４４号において開示したように、トリエチルアミンを用いて、ｐ型ＧａＮ層３０２上にＩｎＧａＮ活性層３０３を結晶成長する。このとき、特願２００８−２９１５４４号にて開示したように、ＩｎＧａＮ活性層３０３は、ｐ型ＧａＮ層３０２の斜面である（１−１０１）面へ優先的に結晶成長される。発明者の実験によると、（１−１０１）面のＩｎＧａＮ成長速度は、（０００１）面の３〜４倍程度増大し、インジウム組成も（０００１）面に比べて１．５倍程度増大させることができる。
【０１４７】
次に、アンモニアを用いた単独成長によって、ＩｎＧａＮ活性層３０３上に厚さ１０ｎｍのＧａＮ層３０４を成長した後、Ａｌ組成比が８％のＡｌＧａＮ層３０５を成長する。なお、（１−１０１）面におけるＡｌＧａＮ成長速度は、（０００１）面に比べておおよそ１／３程度しかないことが知られている。そのため、図１０（ａ）で示したように、（０００１）面上のＡｌＧａＮは厚く、７ｎｍであるのに対して、（１−１０１）面のＡｌＧａＮは約２ｎｍと薄くなる。
【０１４８】
さらに、ＡｌＧａＮ層３０５上に、約２００ｎｍのｎ型ＧａＮ層３０６を結晶成長する。なお、ｎ型化のためにＳｉを添加しており、Ｓｉ濃度は３Ｅ１８／ｃｍ3である。本実施の形態の成長方法では六角錐を意図的に露出させる結果、カバレッジが劣るため、図１０（ａ）に示すように１ヶ所の貫通穴３２１が開いているものとしている。
【０１４９】
次に、本デバイスに対して図１０（ｂ）に示すように、厚さ２００ｎｍのアルミニウムを蒸着することで、アルミニウム層３０７を形成する。引き続き、厚さ２００ｎｍの白金および厚さ３００ｎｍの金を蒸着することで上部電極３０８を形成する。
【０１５０】
さらに、図１０（ｃ）に示すように、グラファイト基板３２０をデバイスから剥離する。剥離方法については前述の通りで、グラファイト基板３２０と窒化物半導体層とを容易に分離することが可能である。
【０１５１】
さらに、図１０（ｃ）にて示したデバイスに対して、選択酸化処理を行う。具体的な酸化手順は、図２を用いて説明した通りである。すなわち、酸素ガスを用いたアニーリング法で、流量１０ｓｌｍ、温度５００℃、時間１５分、圧力１ａｔｍとしている。この選択酸化の結果、アルミニウム層３０７のうち、貫通穴３２１から露出している部分は酸化され、図１０（ｄ）に示されるような酸化アルミニウムからなる絶縁領域３１１が形成される。
【０１５２】
さらに、図１０（ｅ）に示すように、デバイスの裏面側に裏面電極３０９を形成する。例えば、厚さ１０ｎｍの酸化インジウムスズ膜を蒸着することで、裏面電極３０９を形成する。そして、蒸着法又はスパッタ法などにより、シャドウマスクを用いてリブ状に電極コンタクト３１０を形成する。電極コンタクト３１０は、厚さ１０ｎｍのニッケル、厚さ５０ｎｍの白金および厚さ３００ｎｍの金の積層構造を有する。
【０１５３】
以上のようにして、本実施の形態の発光素子である半導体装置３００が製造される。
【０１５４】
なお、ここでは、アルミニウムを選択酸化させる金属材料として書いているが、ｎ型ＧａＮ層３０６と低い抵抗にて電気的接合の取れるチタン、ハフニウム、ジルコニウムを主成分とする金属材料であってもよい。ただし、これらの金属を用いた場合、熱酸化温度は高めとなり、約６００℃が適切な温度条件となる。
【０１５５】
また、本実施の形態では、下側をｐ型、上側をｎ型とする半導体装置３００について説明したが、下側をｎ型層とし、ＩｎＧａＮ活性層３０３の上側をｐ型層としてもよい。この場合、ｐ型層に対して低抵抗な接合を形成できるニッケル、パラジウム、あるいはそれらを主成分とする金属材料であることが望ましい。ニッケルおよびパラジウムは酸化物を形成することができ、それらは絶縁体として機能する。ニッケルは約６００℃にて酸化されるが、パラジウムはさらに低温で、３００℃近傍から熱酸化が開始される。ただし、パラジウムを使用する場合、水素による脆化に気を付ける必要がある。
【０１５６】
さらに、熱酸化の代わりに陽極酸化を用いる方法もある。例えば、アルミニウムに対してはリン酸やシュウ酸を混合したグリコール液に浸けて陽極酸化することで絶縁領域３１１が形成される。これにより、ポーラスアルミナの名で知られているように、良質かつ緻密な酸化物を形成することが可能である。
【０１５７】
以上のように、本実施の形態の半導体装置３００では、窒化物半導体の成膜時に形成される貫通穴に絶縁領域を形成することで、上部電極と裏面電極との間の導電を防止する。絶縁領域は、窒化物半導体上に形成する上部電極のうち、貫通穴内にも形成された領域を化学変化により絶縁化することで形成される。
【０１５８】
以上、本発明の半導体装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１５９】
例えば、各実施の形態では、成長基板上に成長させる半導体として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮなどを用いて説明したが、その他の窒化物半導体でもよく、また、窒化物半導体以外の化合物半導体や単一元素からなる半導体でもよい。また、成長基板は、グラファイト基板に限らず、シリコンなどの半導体基板や、モリブデンなどの金属基板、又は、ガラス、石英、サファイヤ基板であってもよい。
【０１６０】
つまり、本発明は、貫通穴内部に埋め込まれた導電性又は半導電性（半絶縁性）を有する領域を化学変化することで絶縁化させる方法であって、どのような材料を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１６１】
本発明の半導体装置およびその製造方法は、製造コストを上げることなく、かつ、歩留を劇的に向上させることができるという効果を奏し、発光素子、受光素子および太陽電池などの半導体装置およびその製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０１６２】
１００、２００、３００  半導体装置
１０１、３０１  ＧａＮ低温バッファ層
１０２  アンドープＧａＮ層
１０３、３０７  アルミニウム層
１０４、２０８、３０８  上部電極
１０５、２０９、３０９  裏面電極
１０６、２１１、３１１  絶縁領域
１１０、２２０、３２０  グラファイト基板
１１１、２２１、３２１  貫通穴
２０１  ＡｌＮ層
２０２  ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層
２０３  アンドープＩｎＧａＮ層
２０４  ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層
２０５  ｐ型水素化アモルファスシリコン層
２０６  アンドープ水素化アモルファスシリコン層
２０７  ｎ型水素化アモルファスシリコン層
２１０、３１０  電極コンタクト
３０２  ｐ型ＧａＮ層
３０３  ＩｎＧａＮ活性層
３０４  ＧａＮ層
３０５  ＡｌＧａＮ層
３０６  ｎ型ＧａＮ層
【図１】
2010267940.tif 000003
【図２】
2010267940.tif 000004
【図４】
2010267940.tif 000005
【図５】
2010267940.tif 000006
【図６】
2010267940.tif 000007
【図７】
2010267940.tif 000008
【図８】
2010267940.tif 000009
【図９】
2010267940.tif 000010
【図１０】
2010267940.tif 000011
【図３】
2010267940.tif 000012