(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体または絶縁体からなる基板と、
その上に形成された３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;０≦X≦１, ０≦Y≦１, ０≦X+Y≦１) から成る多重層から成る発光素子層と、
当該発光素子層に設けられた正及び負電極と、
前記基板において前記発光素子層が形成されている面と反対側の面に順に形成された半導体層及びSiO2から成る絶縁体層からなる裏面層
を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記裏面層を形成する半導体層が３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;０≦X≦１,０≦Y≦１, ０≦X+Y≦１) から成る層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板がサファイアもしくは炭化珪素であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板の厚さが３０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３族窒化物半導体を用いた半導体素子に関する。特に、素子特性や信頼性に優れた半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色や短波長領域の発光素子の材料としてＡｌＧａＩｎＮ  系の化合物半導体を用いたものが知られている。その化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】
最近、ＡｌＧａＩｎＮ  系半導体においても、Ｍｇをドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半絶縁層（ｉ層）とを接合させたＭＩＳ  型構造に換えて、ＡｌＧａＮ  のｐ層と、ＺｎドープのＩｎＧａＮ  の発光層と、ＡｌＧａＮ  のｎ層とを用いたダブルヘテロ構造あるいは単一量子井戸構造の半導体素子が提案されている。
【０００４】
上記構造を有する半導体素子のＡｌＧａＩｎＮ  系半導体は、有機金属化合物気相成長法あるいは分子線成長法等によるエピタキシャル成長により、半導体または絶縁体基板上に形成されている。
【０００５】
理想的には、基板として、格子定数および熱膨張係数がＡｌＧａＩｎＮ  系半導体とほぼ一致し、且つ、エピタキシャル成長時の高温化でも安定した材料が適当である。その観点からは基板に、素子層と同一材料のＡｌＧａＩｎＮ  系半導体を用いるのが最適である。しかし実際には、基板として利用できる程大面積のＡｌＧａＩｎＮ  系半導体の単結晶を得ることは、構成元素の窒素の平衡蒸気圧が極めて高いため困難である。しかもその他の材料においても、格子定数および熱膨張係数がＡｌＧａＩｎＮ  系半導体と近く、且つ、エピタキシャル成長時の高温化でも安定したものは見つからない。
そこで従来の発光ダイオード２０は、図５に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ  系半導体と格子定数および熱膨張係数が異なるサファイア２１あるいは炭化珪素などを基板上に、順次、バッファ層２２、ＧａＮ  のｎ＋  層２３、ＧａＮ  のｎ層２４、ＩｎＧａＮ  の活性層２５、ＡｌＧａＮ  のｐ層２６、ＧａＮ  のコンタクト層２７、電極層２８、２９を形成したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記の素子では製作時に、高温でのＡｌＧａＩｎＮ  系半導体のエピタキシャル成長終了後、室温まで温度を下げる過程において、基板とＡｌＧａＩｎＮ  系半導体との熱膨張係数の違いにより、熱応力が発生する。この熱応力により、基板あるいはＡｌＧａＩｎＮ  系半導体には結晶欠陥やクラック、又反りが発生しやくすなり問題が生じる。
【０００７】
このような結晶欠陥やクラックの発生は、素子の電気的特性を悪化させ、歩留りを大きく減じる原因となる。更には、素子の劣化を引き起こし素子寿命を短くしてしまう。
【０００８】
また反りの発生は、素子作製時のエッチングや電極形成などの微細加工の精度を低下させて素子特性を悪くしたり、素子の電極や保護膜が剥がれやすくなり信頼性を低下させる要因となる。更に、発光素子がレーザの場合には、発光層の両端面を鏡面として光共振器を構成して、誘導放出により光増幅を行っているが、発光層での反りの発生は光の損失を大きくし、光の増幅利得が低下することにもなる。
【０００９】
そこで本発明の目的は、結晶欠陥やクラックが発生せず且つ反りがなく、結果として素子特性や信頼性に優れた３族窒化物半導体素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の特徴は、半導体または絶縁体からなる基板と、その上に形成された３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;０≦X≦１, ０≦Y≦１, ０≦X+Y≦１) から成る多重層から成る発光素子層と、発光素子層に設けられた正及び負電極と、基板において発光素子層が形成されている面と反対側の面にに順に形成された半導体層及びSiO2から成る絶縁体層からなる裏面層を有することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明の特徴は、裏面層を形成する半導体層が３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;０≦X ≦１，０≦Y ≦１, ０≦X+Y ≦１) から成る層であることである。
第３の発明の特徴は、基板がサファイアもしくは炭化珪素であることである。
第４の発明の特徴は、基板の厚さが３０〜３００μｍであることである。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
上記の発光素子で、正及び負電極が設けられた発光素子層が形成されている面と反対側の基板面に半導体層及びSiO2から成る絶縁体層から成る裏面層を形成し、この裏面層の膜厚や層構造、成膜温度等を調整することで、発光素子層にかかる熱応力を低減し、且つ発光素子の反りをなくすことができる。その結果、半導体発光素子の基板や発光素子層における結晶欠陥やクラックの発生が抑えられ、発光素子層の電気的特性が向上し、歩留りを良くすることができる。また発光素子の劣化が殆どなくなり寿命が長くなる。更に、熱応力により発生する反りがなくなるため、発光素子作製時の微細加工の不具合や電極や保護膜のはがれ等がなく、発光素子特性や信頼性に優れる。更に、発光素子の発光層の反りがないために、両端面の鏡面の平行度が高くなると共に光の損失が少なくる。従って、発光層の端面を鏡面とした共振器構造を作製することが容易となり、誘導放出による光の増幅利得を大きくでき、高密度の光出力が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
第１実施例
図１において、発光ダイオード１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に０．０５μｍのＡｌＮ  バッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約２．５  μｍ、電子濃度２  ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３、膜厚約０．５  μｍ、電子濃度  ５×１０１７／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープの（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ｎ  から成る高キャリア濃度ｎ層４、膜厚約０．０５μｍ、（Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２）ｙ２Ｉｎ１−ｙ２Ｎ  から成り、シリコン（Ｓｉ）と亜鉛（Ｚｎ）が、それぞれ、１  ×１０１８／ｃｍ３に添加された活性層５，膜厚約１．０  μｍ、ホール濃度５  ×１０１７／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）  ドープの（Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３）ｙ３Ｉｎ１−ｙ３Ｎ  から成るｐ層６，膜厚約０．２  μｍ、ホール濃度７  ×１０１７／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）  ドープのＧａＮ  から成るコンタクト層７が形成されている。更に、コンタクト層７に接続する金属電極８とｎ＋  層３に接続する金属電極９が形成されている。そしてサファイア基板の裏面には、基板に近い方から順に、０．０５μｍのＡｌＮ  の裏面バッファ層１２、膜厚約４．３  μｍのＧａＮ  からなる裏面ＧａＮ  層１３と膜厚約０．１５μｍのＳｉＯ２層１４が形成されている。
【００１４】
尚、素子層はバッファ層２、ｎ＋  層３、ｎ層４、活性層５、ｐ層６、コンタクト層７で構成されており、裏面層は裏面バッファ層１２および裏面ＧａＮ  層１３およびＳｉＯ２層１４で構成されている。
【００１５】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ３）  、キャリアガス（Ｈ２）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＧ  」と記す）  、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＡ  」と記す）  、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＩ  」と記す）  、シラン（ＳｉＨ４）、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）（以下、「ＤＥＺ  」と記す）  とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）（以下「ＣＰ２Ｍｇ  」と記す）である。
【００１６】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、表裏両面が鏡面仕上げされた厚さ３０〜３００μｍの単結晶のサファイア基板１をＭ０ＶＰＥ  装置の反応室に載置されたサセプタに、裏面を上にして装着する。次に、常圧でＨ２を流速２  ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１７】
次に、温度を  ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を  １．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ  の裏面バッファ層１２を約０．０５μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を  １．７×１０−４モル／分で約７  分間導入し、膜厚約４．３  μｍの裏面ＧａＮ  層１３を形成した。次に裏面ＧａＮ  層１３の上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２層１４を０．１５μｍの厚さに形成し、図２に示すような構造を得た。
【００１８】
次に、上記試料を再度Ｍ０ＶＰＥ  装置の反応室に載置されたサセプタに、今度は表面を上にして装着した。続いて、常圧でＨ２を流速２  ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
次に、温度を４００  °Ｃ  まで低下させて、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を  １．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ  のバッファ層２が約０．０５μｍの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を  １．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを２０×１０−８モル／分で４０分導入し、膜厚約２．５  μｍ、電子濃度２  ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した。
【００１９】
上記の高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した後、続いて温度を１１５０°Ｃ  に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、Ｈ２ガスのより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを  １×１０−８モル／分で  ７分導入し、膜厚約０．５  μｍ、濃度５  ×１０１７／ｃｍ３のシリコンドープのＧａＮ  から成るｎ層４を形成した。
【００２０】
続いて、温度を８５０  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．５３×１０−４モル／分、ＴＭＩ  を０．０２×１０−４モル／分、Ｈ２で０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを１０×１０−８モル／  分、ＤＥＺ  を２  ×１０−４モル／分で  ７分間導入し、膜厚約０．０５μｍのＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  から成る活性層５を形成した。この活性層５のＳｉ、Ｚｎ濃度は１  ×１０１８／ｃｍ３であり、キャリ濃度は１  ×１０１８／ｃｍ３である。
【００２１】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を２  ×１０−４モル／分で６０分間導入し、膜厚約１．０  μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  から成るｐ層６を形成した。ｐ層６のマグネシウム濃度は１  ×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、ｐ層６は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を２  ×１０−４モル／分で  ４分間導入し、膜厚約０．２  μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ  から成るコンタクト層７を形成した。コンタクト層７のマグネシウム濃度は２  ×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、コンタクト層７は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００２２】
次に、電子線照射装置を用いて、コンタクト層７及びｐ層６に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ＫＶ、資料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ  、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０  ×１０−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、コンタクト層７及びｐ層６は、それぞれ、ホール濃度  ７×１０１７／ｃｍ３，５×１０１７／ｃｍ３、抵抗率  ２Ωｃｍ，  ０．８  Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして、図３に示すような多層構造のウエハが得られた。
【００２３】
続いて図４に示すように、電極９の形成のために、その部分に該当するコンタクト層７、ｐ層６、活性層５、ｎ層４の一部分を、エッチングにより除去した。次に、試料の上全面に、一様にニッケル（Ｎｉ）を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、コンタクト層７及びｎ＋  層３の電極８，９をそれぞれ形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発光ダイオード１０は駆動電流２０ｍＡで発光ピーク波長４３０  ｎｍ、発光強度１０００ｍｃｄ  であった。
【００２４】
次に裏面層を形成した場合と形成しない場合の、試料の反りの測定結果について説明する。図６は裏面層を形成しない場合、図７は裏面層を形成した場合の試料の反りを示している。裏面層を形成しない場合は試料が大きく反っていることが分かる。このような反りは熱応力、特に素子層と基板との界面での応力を増大させ、結晶欠陥やクラックが発生しやすく、素子特性に悪影響を及ぼす。図７に示すように、裏面層を形成することでこのような反りはほとんどなくなり、結晶欠陥やクラックの発生を抑えることができる。
【００２５】
尚、本実施例では、活性層５には単層を用いたが、代わりに単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造を用いても良い。また裏面層にはＧａＮ  を用いたが、ＡｌＧａＩｎＮ  、ＧａＡｓやＳｉ、ＺｎＯ  等の半導体、更に、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４  等の絶縁体を用いても良い。
【００２６】
更に、基板としてはサファイアや炭化珪素を好ましく用いることができるが、ＺｎＯ  やＭｇＡｌ２Ｏ４  も用いることができる。
また、基板の厚さは３０〜３００μｍが望ましい。３００μｍより厚いと各素子の切断がしにくく、３０μｍより薄いと機械的強度が小さく取扱が困難である。
上記実施例は発光ダイオードについて説明したが、レーザダイオード、光電気変換素子、ＦＥＴやその他の半導体素子にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】従来の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図６】裏面層を形成しない場合の試料の反りを測定した測定図。
【図７】裏面層を形成した場合の試料の反りを測定した測定図。
【符号の説明】
１０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ＋  ＧａＮ層
４…ＧａＮ層
５…活性層
６…ｐ層
７…コンタクト層
８，９…金属電極
１２…裏面バッファ層
１３…裏面ＧａＮ層
１４…ＳｉＯ２  層
【図１】
0003620923.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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