(57)【要約】【課題】  良好な性能および優れた信頼性を有するＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供すること。【解決手段】  基板上に第一のＩＩＩ族窒化物半導体層および第二のＩＩＩ族窒化物半導体層がこの順序で積層されており、該第二の半導体層は能動層を含んでおり、該第一の半導体層は低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に存在するパターンを有し、該第二の半導体層は該第一の半導体層と同様のパターン構造を有しており、かつ、該第一の半導体層の該高転位密度領域上の少なくとも一部に該第二の半導体層が存在しないことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。【選択図】      図４
2006156802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一のＩＩＩ族窒化物半導体層および第二のＩＩＩ族窒化物半導体層がこの順序で積層されており、該第二の半導体層は能動層を含んでおり、該第一の半導体層は低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に存在するパターンを有し、該第二の半導体層は該第一の半導体層と同様のパターン構造を有しており、かつ、該第一の半導体層の該高転位密度領域上の少なくとも一部に該第二の半導体層が存在しないことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
低転位密度領域と高転位密度領域のパターンが周期的パターンである請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項３】
低転位密度領域と高転位密度領域がストライプ状に存在する請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
低転位密度領域または高転位密度領域が島状に存在する請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
低転位密度領域または高転位密度領域が格子状に存在する請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項６】
第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の下方（基板側）に、選択マスクを有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の下方に、選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項８】
基板が平面方向に周期的な凹部を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項９】
ＩＩＩ族窒化物半導体素子が発光素子である請求項１〜８のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
第一のＩＩＩ族窒化物半導体層がｎ型層の少なくとも一部を形成し、第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が少なくとも発光層およびｐ型層を形成している請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
発光素子の周辺部の第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の高転位密度領域上には第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が存在している請求項９または１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１２】
第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が存在する第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の高転位密度領域は高転位密度領域全体の２０％以下である請求項９〜１１のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１３】
基板上に低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に存在するパターンを有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で積層させる第１の工程、ｎ型層およびｐ型層に負極および正極をそれぞれ形成する第２の工程および、少なくとも発光層およびｐ型層の高転位密度領域の少なくとも一部を除去する第３の工程からなることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
第１の工程、第２の工程および第３の工程がこの順序で行なわれる請求項１３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
請求項９〜１２および１５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いてなるランプ。
【請求項１７】
請求項１〜１２および１５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子を用いてなる電子機器。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子、受光素子および電子デバイス等に利用されるＩＩＩ族窒化物半導体素子に関する。特に、発光効率に優れ、かつ、逆方向に電流が流れ出す閾値の電圧、即ち逆耐圧電圧が大きく、信頼性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体は直接遷移型バンドギャップ構造を持ち、そのギャップエネルギーは可視光から紫外光領域に相当する。この性質を利用して、現在では青・青緑色のＬＥＤ、紫外ＬＥＤおよび蛍光物質と組みあせた白色ＬＥＤなどの発光用の素子に実用化されている。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物単結晶はそれ自体では独立して成長させることは困難とされている。これは構成物質の窒素の乖離圧が高く、引き上げ成長法などでは窒素を固定しておくことができないためというのがその理由である。
【０００４】
そのため、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造は、一般に有機金属気相法（ＭＯＣＶＤ法）が採用されている。この方法は反応空間内の加熱可能な冶具上に単結晶基板をセットして、その基板表面へ原料ガスを供給して、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体単結晶のエピタキシャル膜を成長させる手法である。この時の単結晶基板としては、サファイアおよび炭化珪素（ＳｉＣ）等が用いられる。しかし、これら単結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を直接成長させても、基板結晶と窒化物単結晶の結晶格子ミスマッチが存在するため、これに起因した結晶転位が窒化物単結晶層内に多数発生してしまい、結晶性が良好なエピタキシャル膜を得ることはできない。そのため、良好なエピタキシャル膜を得るために、基板とエピタキシャル膜の間に、結晶転位の発生を抑える機能をもたせたバッファ層に相当するものを成長させる方法がいくつか提案されている。
【０００５】
代表的なものとして、４００〜６００℃の温度で基板上に有機金属原料と窒素源を同時に供給して低温バッファー層と呼ばれる層を堆積させ、その後温度を上昇させて低温バッファー層の結晶化と呼ばれる熱処理を行ない、しかる後に目的とするＩＩＩ族窒化物半導体単結晶をエピタキシャル成長させる方法がある（特許文献１参照）。また、基板表面にＶ族原料とＩＩＩ族原料の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を１０００以下としてＩＩＩ族原料を供給してＩＩＩ族窒化物半導体を形成する第一工程と、その後ＩＩＩ族原料と窒素原料を用いてＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を気相成長させる第二工程からなる方法も知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
これらの方法の出現により、半導体素子材料として使用可能な、結晶転位がある程度抑えられたＩＩＩ族窒化物半導体単結晶が得られるようになった。しかし、電子工業界では半導体素子の一層の性能向上を要求している。
【０００７】
例えば、半導体発光素子にとって、発光波長、定格電流下での順方向電圧ならびに発光強度、および素子としての信頼性が重要である。信頼性を判断するひとつの指標として、順方向に電流を流したときではなく、逆方向に通電したときに電流が流れるかどうかという点、すなわち、逆方向に電流が流れ出す閾値の電圧がどれくらい高いかという点が重要になる。この閾値での電圧を逆耐圧電圧という。近年、この逆耐圧電圧のより大きい素子が望まれるようになった。
【０００８】
一方、結晶転位を低減させる技術として、いわゆる選択成長技術が提案されており、選択マスクを用いた方法（ＥＬＯ）、凹凸加工基板等を用いた方法および窒化物半導体層の表面に凹凸加工を施した後さらに窒化物半導体層を成長させる方法等が知られている。しかし、選択成長では成長面の大部分で転位密度が下がるものの、成長面における成長合体部において結晶転位が集中するという問題がある。
【０００９】
この成長合体部表面における結晶転位の集中を抑制するために、選択成長の位置を変えて再度選択成長を行なうという手法も報告されている（例えば、特許文献３および４）。しかし、選択成長を複数回行なうために成長時間の延長、収率の低下およびコストの増大を生ずる。また、転位密度の高い部分の上方に電流障壁層を設けて転位密度の低い部分に電流を集中させることが提案されている（例えば、特許文献５）。しかし、高転位密度領域の上方に電流障壁層を設けても、低転位密度領域と高転位密度領域が物理的に結合しているため、低転位密度領域から高転位密度領域への電流の漏洩は避けられず、電流障壁層の効果は限定的とならざるを得ない。
【００１０】
【特許文献１】特開平２−２２９４７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３３０２号公報
【特許文献３】特開２００２−３３２８２号公報
【特許文献４】特開２００１−１１１１７４号公報
【特許文献５】特開２００２−３３５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、良好な性能および優れた信頼性を有するＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供することである。また、本発明の目的は、逆方向に電流が流れ出す閾値の電圧、即ち逆耐圧電圧が大きく、信頼性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、以下の発明を提供する。
（１）基板上に第一のＩＩＩ族窒化物半導体層および第二のＩＩＩ族窒化物半導体層がこの順序で積層されており、該第二の半導体層は能動層を含んでおり、該第一の半導体層は低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に存在するパターンを有し、該第二の半導体層は該第一の半導体層と同様のパターン構造を有しており、かつ、該第一の半導体層の該高転位密度領域上の少なくとも一部に該第二の半導体層が存在しないことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１３】
（２）低転位密度領域と高転位密度領域のパターンが周期的パターンである上記１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１４】
（３）低転位密度領域と高転位密度領域がストライプ状に存在する上記１または２項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１５】
（４）低転位密度領域または高転位密度領域が島状に存在する上記１または２項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１６】
（５）低転位密度領域または高転位密度領域が格子状に存在する上記１または２項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１７】
（６）第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の下方（基板側）に、選択マスクを有する上記１〜５項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１８】
（７）第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の下方に、選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する上記１〜５項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１９】
（８）基板が平面方向に周期的な凹部を有する上記１〜５項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００２０】
（９）ＩＩＩ族窒化物半導体素子が発光素子である上記１〜８項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００２１】
（１０）第一のＩＩＩ族窒化物半導体層がｎ型層の少なくとも一部を形成し、第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が少なくとも発光層およびｐ型層を形成している上記９項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００２２】
（１１）発光素子の周辺部の第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の高転位密度領域上には第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が存在している上記９または１０項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００２３】
（１２）第二のＩＩＩ族窒化物半導体層が存在する第一のＩＩＩ族窒化物半導体層の高転位密度領域は高転位密度領域全体の２０％以下である上記９〜１１項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００２４】
（１３）基板上に低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に存在するパターンを有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で積層させる第１の工程、ｎ型層およびｐ型層に負極および正極をそれぞれ形成する第２の工程および、少なくとも発光層およびｐ型層の高転位密度領域の少なくとも一部を除去する第３の工程からなることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００２５】
（１４）第１の工程、第２の工程および第３の工程がこの順序で行なわれる上記１３項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００２６】
（１５）上記１３または１４項に記載の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００２７】
（１６）上記９〜１２および１５項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いてなるランプ。
【００２８】
（１７）上記１〜１２および１５項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子を用いてなる電子機器。
（１８）上記１７項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子は能動層を構成する窒化物半導体の転位密度が低いので、特性および信頼性が向上する。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体素子が発光素子の場合、優れた発光効率と大きな逆耐圧電圧を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明において、基板には、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶など周知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。好ましくはサファイア基板およびＳｉＣ基板である。基板の面方位は特に限定されないが、サファイア基板を使用する場合は望ましくはＣ面（（０００１）面）であるとよい。また基板表面の垂直軸方向がサファイア基板の＜０００１＞方向から特定の方向に傾いた状態であるとよい。
【００３１】
基板上に、通常、前述の特許文献１および２に開示されたようなバッファ層を介して、ＩＩＩ族窒化物半導体が積層される。使用する基板やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層の不要な場合がある。
【００３２】
ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知のＩＩＩ族窒化物半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３３】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００３４】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ4）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００３５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子は、基板上に第一のＩＩＩ族窒化物半導体層と第二のＩＩＩ族窒化物半導体層がこの順序で積層されている。第一のＩＩＩ族窒化物半導体層は、結晶転位の少ない低転位密度領域と結晶転位の多い高転位密度領域とが平面方向に交互に存在している。第二のＩＩＩ族窒化物半導体層はこの第一の半導体層と同じ構造をしているが、高転位密度領域の少なくとも一部が除去されている。即ち、第一の半導体層の高転位密度領域上の少なくとも一部に第二の半導体層は存在していない。従って、第二の半導体層は低転位密度領域のみかまたはその大半が低転位密度領域からなっている。そして、本発明の半導体素子における能動層はこの第二の半導体層に含まれている。
【００３６】
本発明において、能動層とは素子機能を発現させる層のことであり、例えば発光素子では発光層、受光素子では受光層、電子デバイスでは電子走行層のことである。
【００３７】
また、本発明において、高転位密度領域とは結晶転位が１〜１００×１０8ｃｍ-2の密度で存在する領域を言う。また、低転位密度領域とは結晶転位の密度が高転位密度領域よりも低く、その１／２〜１／１００の結晶転位密度の領域を言う。
【００３８】
ＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶転位の密度は、チップの表面に幅１μｍのタングステンマスクを蒸着した後、フォーカストイオンビーム（ＦＩＢ）で加工し、さらにアルゴンビームで表面を２０００Å幅まで薄片化したチップの断面をＴＥＭによって観察して測定する。結晶転位部分は線状のコントラストとして観察される。
【００３９】
低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に現れるパターンは、どのようなパターンでもよいが、周期的なパターンが工業的に製造しやすく好ましい。例えば図１に示したような一次元方向の繰り返し周期を持つストライプ状、図２に示したような二次元方向の繰り返し周期を持つ格子状であることができる。これらの図において斜線部が低転位密度領域である。また、図２において低転位密度領域と高転位密度領域が逆になり、低転位密度領域が孤立して存在する島状パターンであってもよい。
【００４０】
高転位密度領域と低転位密度領域の幾何的寸法の比は１：１〜１：１０の範囲がＩＩＩ族窒化物半導体層の成膜条件の自由度が大きくなるので好ましい。また、その繰り返しピッチは、ＩＩＩ族窒化物半導体層の１時間当りの成長厚さの０．１〜１０倍が好ましく、０．５〜５倍がさらに好ましい。ピッチをこの範囲にすることにより、歪みの少ない良好な結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層が得られる。
【００４１】
一次元方向の繰り返し周期を持つストライプ状の場合、低転位密度領域と高転位密度領域の面積比は寸法比がそのまま面積比となるが、二次元方向の繰り返し周期を持つ格子状または島状の場合、低転位密度領域と高転位密度領域の面積比は寸法比の２乗となる。従って、低転位密度領域を大きくする上で二次元方向の繰り返し周期を持つ格子状または島状が好ましい。
【００４２】
上述の低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に現れる半導体層はいわゆる選択成長技術によって形成することができる。選択成長技術としては、例えば特開平１１−１２６９４８号公報に開示されているような、選択マスクを用いる方法が好ましい。この方法は、基板上に下地となるＩＩＩ族窒化物半導体層を積層し、その上に上述の所望のパターンからなる開口部を有する選択マスクを形成した後、さらにＩＩＩ族窒化物半導体層を積層させるものである。選択マスク上に積層された半導体層は、選択マスクの開口部上が高転位密度領域となり、非開口部上が低転位密度領域となる。選択マスクとしては、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮおよびタングステン等からなる厚さ１０〜１００００Åの膜が好ましい。
【００４３】
また、選択成長技術としては、例えば特開平１１−２６３９６７号公報に開示されているような、基板上に選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成し、その上にさらにＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる方法も好ましく用いられる。この方法は、基板上にあらかじめ下地となるＩＩＩ族窒化物半導体層を積層し、その表面を上述の所望のパターン状にエッチングした後、さらにその上にＩＩＩ族窒化物半導体層を積層させるものである。本発明では、表面がエッチングされて凹凸を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層という。選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層上に積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層はエッチング面上が低転位密度領域となる。
【００４４】
さらに、例えば特開平１１−２７４５６８号公報に開示されているような、基板表面に上述の所望のパターン状の凹部を設けて、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる方法も好ましく用いることができる。この方法では凹部上に積層された部分が低転位密度領域となる。
【００４５】
積層するＩＩＩ族窒化物半導体層の組成および層構造は目的とする半導体素子に合わせて適宜選択すればよい。
【００４６】
このように基板上に形成された低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に現れるＩＩＩ族窒化物半導体層の高転位密度領域の少なくとも一部は、表面から少なくとも能動層まで除去される。高転位密度領域の除去された層が本発明における第二のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、高転位密度領域の残された層が本発明における第一のＩＩＩ族窒化物半導体層である。
【００４７】
第二のＩＩＩ族窒化物半導体層において、残っている高転位密度領域は高転位密度領域全体の２０％以下にすることが好ましい。さらに好ましくは１０％以下である。たくさん残っていると半導体素子の特性および信頼性の改良が不十分となる。
【００４８】
ＩＩＩ族窒化物半導体層の除去方法は特に限定されず、例えば、半導体層の残す個所に保護マスクを形成した後、ドライエッチングまたはウェットエッチングなどの周知のエッチング方法を適用することによって除去することができる。また、レーザーやイオンビームを照射するこによって除去することもできる。この場合、保護マスクを形成する必要はない。
【００４９】
本発明の構造のＩＩＩ族窒化物半導体素子は、各種半導体素子として利用することができる。例えば、発光ダイオードやレーザーダイオードなどの半導体発光素子の他、各種高速トランジスターや受光素子などのＩＩＩ族窒化物半導体素子として利用可能である。これら各種半導体素子の中でも、能動層である発光層の両側にｎ型層とｐ型層を設けた構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、発光層の結晶転位の多少によって、素子の信頼性を左右する逆耐圧電圧が大きく変化するので、本発明の構造が特に好ましい半導体素子である。以下に半導体発光素子を例にして本発明をさらに詳細に説明する。
【００５０】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、例えばサファイアからなる基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層およびｐ型層がこの順序で積層され、ｐ型層および発光層の一部が除去されて露出したｎ型層に接して負極が設けられ、残ったｐ型層に接して正極が設けられている。図３は、後述の実施例１で作製した、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に示した平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ’における切断断面を示した模式図である。これらの図において、１が基板、５がｎ型層、６が発光層および７がｐ型層である。８が負極であり、ｐ型層および発光層とｎ型層の厚さの半分までが除去されて露出したｎ型層に接して設けられている。９が正極であり、図３の斜線部に設けられている。１０は正極ボンディングパッドであり、正極９の上に接して設けられている。
【００５１】
この例では、低転位密度領域と高転位密度領域が平面方向に交互に現れる半導体層は上述の選択マスクを用いた選択成長技術によりストライプ状で形成されている。基板１上にバッファ層２を介して下地のＩＩＩ族窒化物半導体層３を形成した後、その上に選択マスク４を形成する。その上に再びＩＩＩ族窒化物半導体を成長させて、ｎ型層５、発光層６およびｐ型層７を形成する。選択マスクの開口部４ａ上に高転位密度領域ａが形成され、非開口部４ｂ上に低転位密度領域ｂが形成される。
【００５２】
高転位密度領域ｂはｐ型層の上面からｎ型層の負極形成面まで除去されて、凹部ｃを形成している。しかし、負極が設けられた辺に沿った部分ｄおよび正極ボンディングパッドが設けられた辺に沿った部分ｅの高転位密度領域は除去されずに残されている。また、正極ボンディングパッド部の高転位密度領域も残されている。
【００５３】
従って、ｐ型層の上面からｎ型層の負極形成面までのＩＩＩ族窒化物半導体層Ａが本発明における第二のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ｎ型層の下面から負極形成面までのＩＩＩ族窒化物半導体層Ｂが本発明における第一のＩＩＩ族窒化物半導体層である。
【００５４】
高転位密度領域を除去して凹部ｃを形成する工程は負極形成面を露出させる工程と同時に行なってもよいが、残ったｐ型層上面への正極の形成が煩雑になるので、負極形成面の露出工程に次いで負極および正極等の電極形成工程を行なった後に、その上に形成された正極と共に高転位密度領域を除去することが好ましい。
【００５５】
上述のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、正極ボンディングパッド１０から供給された電流は正極９によって発光素子表面の全面に満遍なく行き渡り、ｐ型層７、発光層６およびｎ型層５を経由して負極８に流れる。発光層６は大部分が低転位密度領域で構成されているので発光効率が高く、逆耐圧電圧が大きい。
【００５６】
上述の例では、低転位密度領域と高転位密度領域のパターンとしてストライプ状を用いたが、勿論格子状または島状でもよい。ストライプ状および島状の場合、各孤立した低転位密度領域を繋げるように高転位密度領域の一部を残し、ｐ型層上に形成された正極全体が電気的に繋がっていることが肝要である。特に発光素子の四周部で繋がっていることが好ましい。
【００５７】
ストライプ状の場合、ＩＩＩ族窒化物半導体層の成膜条件の自由度が大きくなるので好ましい。また、格子状は成膜条件の自由度が小さくなるものの、発光素子の面方向における電流分布に優れ、作動電圧が低下し、発光強度が強くなる。
【００５８】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するｎ型層、発光層およびｐ型層は、それぞれ各種組成および構造のものが周知である。本発明においても、これら周知のものを含めて如何なる組成および構造のものも使用できる。また、負極および正極もそれぞれ各種組成および構造のものが周知である。本発明においても、これら周知のものを含めて如何なる組成および構造のものも使用できる。
【００５９】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子は優れた特性と信頼性を有するので、例えば、この技術を用いた発光素子から高輝度なＬＥＤランプ等の信頼性に優れたデバイスを作製することができる。従って、この技術を用いた素子の組み込まれている携帯電話、ディスプレイおよびパネル類などの電子機器や、その電子機器の組み込まれている自動車、コンピュータおよびゲーム機などの機械装置類の信頼性も向上する。
【実施例】
【００６０】
以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００６１】
（実施例１）
本実施例では、結晶転位低減の選択成長技術として選択マスクを用いる横方向成長法を使用してＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。選択マスクとしてはストライプ状のものを使用した。
【００６２】
図３は本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を模式的に示した平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ’における切断断面を示した模式図である。これらの図において、１は基板、２はバッファ層、３は下地のＩＩＩ族窒化物半導体層である。４は選択マスクであり、４ａが開口部で４ｂが非開口部である。５はｎ型層、６は発光層、７はｐ型層である。８は負極であり、ｐ型層および発光層とｎ型層の厚さの半分までが除去されて露出したｎ型層に接して設けられている。９は正極であり、図３の斜線部で示されたｐ型層に接して設けられている。１０は正極ボンディングパッドであり、正極９の上に接して設けられている。Ａは第二のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ｐ型層７および発光層６とｎ型層５の一部とからなる。Ｂは第一のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ｎ型層５の残りの部分からなる。ａは高転位密度領域であり、選択マスク４の開口部４ａ上に位置する。ｂは低転位密度領域であり、選択マスク４の非開口部４ｂ上に位置する。
【００６３】
バッファ層形成技術を開示した前述の特許文献２の実施例１に記載の方法に従って、基板状にバッファ層２および下地のＩＩＩ族窒化物半導体層３を積層した。即ち、基板１としてサファイアを用い、有機洗浄後成長炉に導入し、水素中１１７０℃まで昇温しながら表面の酸化膜を除去した。
【００６４】
次いで基板温度を１１５０℃に降温し、成長炉にＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＮＨ3を供給してバッファ層２を積層し、更に同温で厚さ２μｍのアンドープのＧａＮからなる下地のＩＩＩ族窒化物半導体層３を積層した。サファイア基板上に成長させたアンドープのＧａＮ層３の転位密度を前述の断面ＴＥＭ評価により別途測定したところ、約８×１０8ｃｍ-2の転位密度を持っていた。
【００６５】
サファイア基板１を成長炉より取り出し、下地のＩＩＩ族窒化物半導体層３上に、スパッタ法により厚さ１０００ÅのＳｉＯ2からなる選択マスク４を形成した。フォトリソグラフ法により２μｍの開口部４ａと２μｍの非開口部４ｂとの繰り返しからなるストライプ状のパターンとした。
【００６６】
選択マスクが形成された基板１を再度成長炉に戻し、１１７０℃まで昇温し、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧａ、Ｖ族原料としてＮＨ3を流通し、ドーパントとしてＳｉＨ4を流通した。流量は夫々３０ｓｃｃｍ、３．５ｓｌｍ、２０ｓｃｃｍである。厚さ２．２μｍのＳｉドープのＧａＮ層からなるｎ型層５を積層した。なお、積層されたｎ型層５の転位密度を別途測定したところ、マスク開口部上のＧａＮ層中では転位密度が８×１０8ｃｍ-2の転位密度であるのに対し、非開口部上においては６×１０7ｃｍ-2であり、非開口部上の転位密度は１／１０に低下していた。
【００６７】
引き続いて成長炉の温度を８００℃まで下げ、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧａ及びＴＭＩｎを用いて、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を有する多重量子井戸構造の発光層６を積層した。多重量子井戸構造は両端が障壁層の５層構造である。次いで、再度、成長炉を１１００℃まで昇温し、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧａ、Ｍｇドーパントの原料としてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｃｐ2Ｍｇ流量を２４０ｓｃｃｍとして、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型層７を形成した。
【００６８】
得られたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造体を成長炉から取り出し、ｐ型層７上に負極を形成する位置を残してレジストにより保護マスクを形成し、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりｎ型層５を露出した。当業界周知の慣用手段により、露出されたｎ型層５上にＴｉ／Ａｌからなる負極８を、残っているｐ型層７上にＡｕ／Ｎｉからなる透明正極（ＴＥ）９を、さらに正極９上に正極ボンディングパッド１０をそれぞれ形成した。
【００６９】
電極を形成した積層構造体の上にレジストにより保護マスクを形成した。このレジストは転位密度の高い領域の選択除去のためのエッチングの際、保護マスクとして働く。即ち、積層構造体上全面にレジストを塗布し、高転位密度領域の一部に相当する図３におけるｃ部上のレジストのみ除去した。次いで、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりｎ型層５の厚さの半分に達するまでエッチングし、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得た。
【００７０】
得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の特性を評価したところ、逆耐圧電圧Ｖｒは１０μＡに対し２０Ｖ以上であり、発光出力は２０ｍＡで５ｍＷであった。
なお、比較のため、図３におけるｃ部の除去を行なわない発光素子を同様に評価したところ、Ｖｒは１２Ｖ、発光出力は４ｍＷであった。
【００７１】
（実施例２）
本実施例では、結晶転位低減の選択成長技術として前述の選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層を用いて、格子状パターンの低転位密度領域を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００７２】
厚さ２μｍの下地層ＩＩＩ族窒化物半導体層３の形成までは実施例１と同一である。本例では、下地層のＩＩＩ族窒化物半導体層３上の全面に、フォトリソグラフ法で直径２μｍのレジスト膜を縦横に４μｍのピッチで形成した。次いで、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行ない、下地層のＩＩＩ族窒化物半導体層３を、直径２μｍで高さが１．８μｍの島状突起が縦横４μｍのピッチで存在する形状にした。このように加工された下地層のＩＩＩ族窒化物半導体層３が、本例においては選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層となる。
【００７３】
選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層形成後、再び成長炉に戻し、実施例１と同様にしてｎ型層、発光層およびｐ型層を形成した。但し、ｎ型層の厚さは４μｍとし、ｎ型層の上面で凹凸差が現れないようにした。なお、ｎ型層形成後に別途その転位密度を測定したところ、島状突起の上方は６×１０8ｃｍ-2であるのに対し、他の部分は６×１０7ｃｍ-2であった。
【００７４】
得られたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造体から実施例１と同様にして発光素子を作製した。但し、高転位密度領域に相当するｃ部の除去に当り、ｃ部の形状は一辺が２μｍの正方形を縦横に４μｍのピッチで選択成長用ＩＩＩ族窒化物半導体層の突起部に合わせて配置し、２μｍ幅の格子状ストリートの低転位密度領域が残されるパターンとした。
【００７５】
得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を実施例１と同様に評価したところ、逆耐圧電圧Ｖｒは１０μＡに対し２０Ｖ以上であり、発光出力は２０ｍＡで５．２ｍＷであった。
【００７６】
（実施例３）
本実施例では、結晶転位低減の選択成長技術として平面方向に周期的な凹部を有する基板を用いて、実施例１と同様のストライプ状パターンの低転位密度領域を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００７７】
サファイア基板の表面上に全面に亙って、２μｍ幅のレジスト膜を４μｍピッチで形成した。次いで、サファイア基板を塩素系ガスでエッチングし、深さが２μｍで幅が２μｍの凹部を４μｍピッチで設けた。形成したレジスト膜は有機洗浄により除去した。
【００７８】
上記の処理により得られたサファイア基板を用いて実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。但し、下地層のＩＩＩ族窒化物半導体層３は厚さを４μｍとして、その表面で基板の凹凸に基づく高低差が現れないようにした。また、選択マスク４は設けなかった。なお、下地層のＩＩＩ族窒化物半導体層３の転位密度を別途実施例１と同様に測定したところ、基板の凸部上では、凹凸加工を施さない基板に成長した場合と同様８×１０8ｃｍ-2であったが、凹部上では２×１０8ｃｍ-2であり、１／３〜１／４の転位密度の低減が見られた。
【００７９】
得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を実施例１と同様に評価したところ、逆耐圧電圧Ｖｒは１０μＡに対し２０Ｖ以上であり、発光出力は２０ｍＡで５．２ｍＷであった。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子は、発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光素子、受光素子および各種電子デバイス等に利用すると非常に信頼性の高いデバイスを実現することが可能となり、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】低転位密度領域と高転位密度領域のパターンの一例を示す図である。
【図２】低転位密度領域と高転位密度領域のパターンの別の一例を示す図である。
【図３】実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を模式的に示した平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ’における切断断面を示した模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１    基板
２    バッファ層
５    ｎ型層
６    発光層
７    ｐ型層
８    負極
９    正極
１０    正極ボンディングパッド
【図１】
2006156802.tif 000003
【図２】
2006156802.tif 000004
【図３】
2006156802.tif 000005
【図４】
2006156802.tif 000006