(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と活性層との間に基板側から順にｎ型の第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物を有しｎ型電極が形成される第２の窒化物半導体層と、ｎ型の第３の窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記第２の窒化物半導体層のｎ型不純物がＳｎであると共に、
前記第３の窒化物半導体層はｎ型不純物無添加層、若しくは前記第２の窒化物半導体層よりもＳｎ含有量が少なく、
前記第２の窒化物半導体層は前記第３の窒化物半導体層より低温で、前記ｎ型不純物がドープされている、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１の窒化物半導体層の膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第２の窒化物半導体層の膜厚が３μｍ以上１０μｍ以下である請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．１μｍ以上１μｍ以下である請求項１記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などに利用可能な窒化物半導体素子に係わり、特に形成された半導体素子間における半導体特性のバラツキが少ない窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
窒化物半導体は高輝度、純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして既にフルカラーＬＥＤディスプレイの光源などとして実用化されている。また、窒化物半導体は物理的強度が高く、高温においても駆動可能な半導体素子とすることができるためＬＥＤやＬＤなどの発光素子だけでなく受光素子や種々の半導体素子としても種々研究されている。このような窒化物半導体素子を利用した半導体素子の一つとして発光素子では、発光輝度や発光効率を向上させる目的で低濃度に不純物を添加した窒化物半導体層上にＭＯＣＶＤ法などを利用して機能素子を形成させることが行われている。発光素子としては、特開平１０−４２１０号などに記載の窒化物半導体素子が挙げられる。
【０００３】
具体的には、基板上に形成された３族窒化物半導体からなるｎ層、発光層、ｐ層とを有する発光素子において、ｎ層、ｐ層のうち、基板に近い方に形成される層を、基板に近い方から、不純物無添加を含む低濃度に不純物を添加した第１低不純物層と、その第１低不純物濃度層の上に形成され、高濃度に不純物を添加した高不純物濃度層に対してコンタクト電極を形成した発光素子及び高不純物濃度層と発光層との間に低濃度に不純物を添加した第２低不純物濃度層が形成された発光素子が開示されている。
【０００４】
即ち、より上に形成される半導体層の結晶性低下を防止すべく結晶性の比較的優れた第１低不純物濃度層及び第２低不純物濃度層を設けてある。このような素子構造とすることにより、ある程度、半導体発光層などの結晶性を向上させ発光輝度及び発光効率を向上させ得ことができる。
【０００５】
しかしながら、より発光効率などの向上などが求められる現在においては、上記構成の半導体素子の構成においては十分ではなく更なる発光効率向上などが求められている。また、半導体素子の層構成によっては形成された窒化物半導体ウエハから取り出される半導体素子の特性にバラツキがあり歩留まりが低下する傾向にある。
【０００６】
そこで、本発明者らは種々実験の結果、特定の不純物をドープした特定構造の窒化物半導体構成とすることにより、半導体特性の向上及び半導体ウエハから得られた個々の半導体素子が持っている特性のバラツキが低減できることを見出し本発明をなしたものである。
【０００７】
即ち、Ｓｎはｎ型不純物として低温で高濃度に窒化物半導体層中にドープすることができること及びＳｎの低温高不純物ドープにより、特定層構造の半導体ウエハの反りなどにもとづく歩留まり低下を防止したものである。より詳しく述べると、電極が形成される高不純物濃度の窒化物半導体層を低不純物濃度層で挟み込むことにより、低不純物濃度層上の結晶性を向上させることができる。特に、基板から数えて第１の窒化物半導体層を不純物無添加とすることのみならず第３の窒化物半導体層をも、結晶性のよいノンドープ（実質的に不純物無添加）の窒化物半導体層で構成することが考えられる。この場合、第３の窒化物半導体層上には活性層など半導体の機能部が好適に設けられるものである。そのため、機能部に電流を均質に効率よく流す必要があり、不純物が添加される第２の窒化物半導体層をより高濃度に不純物添加させざるを得ない。
【０００８】
しかしながら、高濃度に厚膜で不純物添加層を形成させるためには、半導体ウエハを反応容器内で長時間高温に晒さなければならず、積層膜の熱膨張率の違いなどにより半導体ウエハに反りが生ずる。この反りは反応容器内における半導体ウエハに供給される熱分布や原料ガスの不均衡を生ずることとなる。そのため、同じ半導体ウエハから取り出された半導体素子であっても不純物の濃度分布や膜応力などに大きな違いが生じ実質的に同じ半導体特性を示さない場合があると考えられる。このような半導体素子のバラツキは歩留まりの低下の原因ともなる。特に、半導体ウエハが大きくなるにつれ一枚のウエハから取り出すことが大きくなるため大口径化することが望まれている現在においては大きな問題となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本願発明は、より発光出力の向上や半導体特性を向上させた窒化物半導体発光素子を歩留まりよく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】
本発明は、基板と活性層との間に基板側から順にｎ型の第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物を有しｎ型電極が形成される第２の窒化物半導体層と、ｎ型の第３の窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物がＳｎであると共に、第３の窒化物半導体層はｎ型不純物無添加層、若しくは第２の窒化物半導体層よりもＳｎ含有量が少なく、第２の窒化物半導体層は第３の窒化物半導体層より低温で、ｎ型不純物がドープされている、窒化物半導体素子である。これにより、半導体特性を向上させながら歩留まりの高い半導体装置とすることができる。特に、Ｓｎがドープされた第２の窒化物半導体層は低温で高濃度にＳｎがドープされても比較的ピッチなどが少なく窒化物半導体層を形成し易い。そのため、層内に均一に電流が流れやすい傾向にある。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の窒化物半導体素子は、第１の窒化物半導体層の膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下である。これにより、第１の窒化物半導体層上に形成される窒化物半導体の結晶性を良好に保つことができる。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の窒化物半導体素子は、第２の窒化物半導体層の膜厚が３μｍ以上１０μｍ以下である。この膜厚において、その上に形成される半導体機能部に均等性よく電流を流すこともできる。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の窒化物半導体素子は、第３の窒化物半導体層の膜厚が０．１μｍ以上１μｍ以下である。これによって、第３の窒化物半導体層上に形成される窒化物半導体の結晶性を良好に保つことができると共に短絡を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的例に基づいて説明する。なお、本発明は下記具体例のみに限定されるものでないことはいうまでもない。図１は本発明の窒化物半導体素子をＬＥＤとして形成された層構成を示す模式的断面図である。
【００１５】
（基板１０１）
サファイア基板を反応容器内の加熱ヒーターにセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、加熱ヒーターで基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００１６】
（バッファ層１０２）
続いて、基板温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板上にＧａＮよりなるバッファ層を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００１７】
（第１の窒化物半導体層１０３）
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープ（不純物無添加）ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層を１．５μｍの膜厚で成長させる。第１の窒化物半導体層は基板に直接成長させるバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌXＧａ1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。
【００１８】
第１の窒化物半導体層は第２及び第３の窒化物半導体層とは異なり、半導体素子の駆動に関して比較的電気的影響が少ない。また、その上に積層される窒化物半導体層は電気的特性のみならず種々の特性において結晶性が半導体素子の特性に大きく影響する。そのため、ノンドープであると共に厚膜とすることが好ましい。膜厚は厚くなれば結晶性が向上するため所望の厚みとすることができるものの、余り厚く積みすぎると量産性が低下するだけでなく内部に歪みができる場合もある。
【００１９】
したがって、第１の窒化物半導体層の膜厚はバッファ層よりも厚膜で成長させ、０．８μｍ以上２０μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下、更に好ましくは１．５μｍ以上５μｍ以下である。この層はアンドープの層であるため、抵抗率は０．１Ω・ｃｍよりも大きい。また第１の窒化物半導体層は、バッファ層よりも高温で成長させる層であるためアンドープでもバッファ層とは区別される。
【００２０】
（第２の窒化物半導体層１０４）
続いて基板温度を９８０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにＴＥＳｎ（テトラエチルスズ）ガスを用い、Ｓｎ高濃度ドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を３μｍの膜厚で成長させる。
【００２１】
第２の窒化物半導体層も第１の窒化物半導体層と同様に、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌXＧａ1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。
【００２２】
第２の窒化物半導体層は外部から半導体に電流が供給されるｎ型電極が形成されるものであり、第３の窒化物半導体層を介して活性層などに均一に電流を注入させるものである。そのため、比較的厚膜の窒化物半導体に不純物を高濃度に添加させるものである。特に、第３の窒化物半導体層がアンドープ層の場合、如何に第２の窒化物半導体層の不純物を多くし抵抗率を下げられるかが大きな問題となる。
【００２３】
本発明では、Ｓｎ高濃度ドープにより第２の窒化物半導体層の抵抗率を４×１０-3Ω・ｃｍ以上２×１０-1Ω以下とすることもできる。また、第２の窒化物半導体層の膜厚は１μｍ以上２０μｍ以下の膜厚で成長させことが望ましい。特に好ましくは、３μｍ以上１０μｍ以下である。これにより本発明では、厚膜の第２の不純物濃度層を高不純物濃度で形成させても、個々の半導体特性がばらつくことがなくなる。
【００２４】
（第３の窒化物半導体層１０５）
次にＴＥＳｎガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。この第３の窒化物半導体層もＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌXＧａ1-XＮ、又はY値が０．１以下のＩｎYＧａ1-YＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。ＩｎＧａＮを成長させると、その上にＡｌを含む窒化物半導体層を成長させる場合に、Ａｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。
【００２５】
このような第３の窒化物半導体層はアンドープ（不純物無添加）若しくは第２の窒化物半導体層よりも不純物濃度が低いため、膜厚が厚すぎると抵抗が増える。そのため、その上に形成する活性層など機能部の駆動電圧が高くなるだけでなく、発熱など種々の弊害を生ずる。また、薄すぎると第２の窒化物半導体層が高濃度不純物層であるが故に、リーク電流の増加、静電耐圧やサージに対する耐電圧が低くなるなどの問題を生ずる。また、その上に形成される機能部の結晶性も低下する傾向にある。したがって、第３の窒化物半導体層の膜厚は０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以上０．４μｍ以下がより好ましい。
【００２６】
なお第２の窒化物半導体層を単一の窒化物半導体層で成長させる場合、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とは同一組成の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００２７】
（活性層１０６）
次に、基板温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、アンモニアを用いアンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて量子井戸構造とされる活性層を成長させる。なお、活性層を単一量子井戸構造としたが、井戸層が障壁層に挟まれたものを複数積層させた多重量子井戸構造とすることもできることは言うまでもない。
【００２８】
（ｐ側クラッド層１０７）
活性層を成膜後、基板温度を再び１０５０℃に上げ、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は活性層のキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはY値が０．３以下のＡｌYＧａ1-YＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
【００２９】
（ｐ側コンタクト層１０８）
続いて基板温度を１０５０℃で維持し、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層もＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすく、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００３０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハを反応容器内において、７００℃で熱処理を行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００３１】
熱処理後、半導体ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すように第２の窒化物半導体層の表面を露出させる。
【００３２】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性ｐ型電極１０９と、その透光性ｐ型電極の上にボンディング用のＡｕよりなるｐ型台座電極１１０を０．７μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させた第２の窒化物半導体層表面にはＷとＡｌを含むｎ型電極１１１を形成する。最後にｐ型電極の表面を保護するためにＳｉＯ2よりなる絶縁膜を図１に示すように形成した後、半導体ウエハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤを形成させる。このＬＥＤは順方向電圧２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示す。
【００３３】
本発明と比較のための窒化物半導体素子として図２に示すＬＥＤチップを形成させた。図２では、サファイア基板２０１上にＧａＮよりなるバッファ層２０２と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層２０４と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層２０６と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層２０７と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０８とを順に積層させた。本発明のＬＥＤは、比較のためのＬＥＤと較べて、２０ｍＡにおけるＶｆで約０．１Ｖ、出力で約４％向上させることができた。また、同一半導体ウエハから取り出されたＬＥＤチップの発光出力のバラツキは比較のためのＬＥＤの発光出力のバラツキを１００として２０％以上低減させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の構成とすることによって、ｎ型半導体層上に形成される機能部の結晶性を向上させるばかりでなく、リーク電流の低下や静電耐圧を向上させることができる。また、半導体ウエハから取り出した個々の半導体特性などのバラツキが少なく歩留まりの高い窒化物半導体素子とすることができるという優れた特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図を示す。
【図２】  本発明の窒化物半導体素子と比較のために示す窒化物半導体素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１・・・基板
１０２、２０２・・・バッファ層
１０３・・・第１の窒化物半導体層
１０４・・・第２の窒化物半導体層
１０５・・・第３の窒化物半導体層
１０６、２０６・・・活性層
１０７、２０７・・・ｐ型クラッド層
１０８、２０８・・・ｐ型コンタクト層
１０９、２０９・・・透光性ｐ型電極
１１０、２１０・・・ｐ型台座電極
１１１、２１１・・・ｎ型電極
１１２、２１２・・・絶縁膜
２０４・・・ｎ型クラッド層兼コンタクト層
【図１】
0003659059.tif 000002
【図２】
0003659059.tif 000003