(57)【要約】【課題】  窒化ガリウム系半導体素子などにおいて、ピットへの電流集中による半導体層の破壊や、ピットで発生する逆方向リーク電流を防止する対策が施された半導体素子及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  サファイア基板１の（０００１）面の上に、窒化ガリウムバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム層３、窒化インジウム・ガリウム系活性層４、およびマグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム層５をエピタキシャル成長法によって積層する。ＣＶＤ法などによって、ｐ型窒化ガリウム層５の上に酸化シリコンなどからなる絶縁体材料層１４を形成し、不要部分をエッチングにより除去し、ピット１２内の絶縁体層１３のみを残し、ｐ型窒化ガリウム層５の表面を平坦化する。この平坦化されたｐ型窒化ガリウム層５の上にｐ電極８を形成する。【選択図】          図１
2006339550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に、ヘテロ接合を介して少なくとも第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層がエピタキシャル成長によって積層され、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを有する前記第２導電型半導体層の表面に接して電極が設けられている半導体素子であって、前記ピットが絶縁材料又は半導体材料によって埋め込まれ、かつ、前記第２導電型半導体層の前記表面が平坦化されている、半導体素子。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層及び／又は前記第２導電型半導体層を構成する半導体材料が、ドーパントを含まない状態で前記半導体材料として埋め込まれている、請求項１に記載した半導体素子。
【請求項３】
基体上に、ヘテロ接合を介して少なくとも第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層がエピタキシャル成長によって積層され、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを有する前記第２導電型半導体層の表面に接して電極が設けられている半導体素子であって、前記電極が形状保持性の高い材料層を有している、半導体素子。
【請求項４】
前記電極が、エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層と、エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層との積層構造からなる、請求項３に記載した半導体素子。
【請求項５】
前記基体上に、少なくとも、前記第１導電型半導体層、活性層、および前記第２導電型半導体層が前記エピタキシャル成長によって積層され、半導体発光素子として構成されている、請求項１又は３に記載した半導体素子。
【請求項６】
前記ピットが、８００〜９００℃の成長温度の下で形成された前記第２導電型半導体層中に生じたピットである、請求項５に記載した半導体素子。
【請求項７】
前記ピットが、前記活性層に発生したインバージョンドメイン（結晶方位が周囲と異なる部分領域）に起因するピットである、請求項５に記載した半導体素子。
【請求項８】
前記ピットが、前記活性層より前記基体側に設けられた層に生じた転位に起因するピットである、請求項５に記載した半導体素子。
【請求項９】
前記ピットが、前記活性層に接して前記第１導電型半導体層側に設けられた下地層に起点を有するピットである、請求項５に記載した半導体素子。
【請求項１０】
前記基体としてのサファイア基板上に形成された窒化ガリウム（ＧaＮ）系半導体層からなる、請求項５に記載した半導体素子。
【請求項１１】
請求項９に記載した下地層として窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層が設けられている、請求項１０に記載した半導体素子。
【請求項１２】
請求項５〜１１のいずれか１項に記載した半導体素子が複数個、同一基体上に配置され、半導体発光装置として構成されている、半導体装置。
【請求項１３】
ディスプレイとして構成された、請求項１２に記載した半導体装置。
【請求項１４】
前記ディスプレイがパッシブマトリクス駆動される、請求項１３に記載した半導体装置。
【請求項１５】
バックライト用光源として構成された、請求項１２に記載した半導体装置。
【請求項１６】
請求項１、請求項２、請求項５〜１１及び請求項１２〜１５のいずれか１項に記載した半導体素子又は装置の製造方法であって、前記基体上に少なくとも前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層をエピタキシャル成長によって積層する工程と、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを含む表面上に絶縁材料又は半導体材料を堆積させる工程と、前記ピットに埋め込まれた以外の前記絶縁材料又は前記半導体材料を除去して平坦化する工程と、平坦化した前記第２導電型半導体層の表面に前記電極を形成する工程とを有する、半導体素子又は装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項３〜１１及び請求項１２〜１５のいずれか１項に記載した半導体素子又は装置の製造方法であって、前記基体上に少なくとも前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層をエピタキシャル成長によって積層する工程と、形状保持性の高い材料からなる電極材料を、前記第２導電型半導体層の表面に転写する工程とを有する、半導体素子又は装置の製造方法。
【請求項１８】
前記電極材料として、エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層と、エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層との積層体を使用し、前記第２導電材料層の側を前記第２導電型半導体層の表面に転写する、請求項１７に記載した半導体素子又は装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは、ピットが発生した窒化ガリウムなどの化合物半導体層の表面に電極を設ける際のピット構造の改善及び電極構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板上に複数の化合物半導体層を積層して形成した、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略記する。）などの化合物半導体発光素子が知られている。その１つである窒化ガリウム(ＧaＮ)系化合物半導体発光素子は、直接遷移型の発光素子であるため発光効率が高いことや、窒化ガリウムを中心として窒化インジウムや窒化アルミニウムを加え、それらの比率を変えることなどで青紫色から赤色までの発光が得られることなどから注目されている。
【０００３】
図９（ａ）は、窒化ガリウム系ＬＥＤの構造の一例を示す断面図である。図９（ａ）に示したＬＥＤ１００では、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）の上に、窒化ガリウムバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）層５が、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いたエピタキシャル成長法によって積層されている。
【０００４】
窒化インジウム・ガリウム系活性層４では、窒化インジウム・ガリウムからなる薄いウエル層と、窒化ガリウムからなるバリア層とが交互に積層され、バリア層によって挟まれた多数のウエル層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造が形成されている。
【０００５】
上記の窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶成長は、同じ六方晶構造を有するサファイア基板を用いたヘテロ接合によって行われている。しかし、(０００１)面のサファイア基板と窒化ガリウム結晶間では、格子定数の不整合率が大きいため、サファイア基板上にヘテロ成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層には、転位１１が高密度に発生する。
【０００６】
ｎ型窒化ガリウム層３の成長温度は１０００℃以上と高いため、転位１１が発生しても、ｎ型窒化ガリウム層３における転位１１の拡大は、問題となるほどではない。しかしながら、実施の形態１で後述するように、窒化インジウム・ガリウム系活性層４の成長温度は発光波長に応じて６００〜８００℃の間の温度に定まり、活性層４に悪影響を与えないように、ｐ型窒化ガリウム層５の成長温度も８００〜９００℃の間の温度に制限される。これらの低い成長温度では上記転位箇所からの格子欠陥の拡大が著しくなり、半導体層４および５中では図９（ｂ）の部分拡大図に示すように、上記転位箇所を頂点とし、Ｓ面や（１１−２２）面などによって囲まれた六角錐などの多角錐状の欠陥部分１２が形成される。この多角錐状の孔１２はピットと呼ばれる。
【０００７】
ピットは、成長温度が低く、ピットの側面を形成している（１−１０１）面や（１１−２２）面などの成長速度が、（０００１）面の成長速度に比べて遅くなるときに、転位などを核にした特異な領域を結晶の構成粒子で埋めきれなくなることによって発生する。半導体層４または５の厚さが１０ｎｍほど成長する間には転位１１からピット１２が形成され、半導体層の厚さが１００ｎｍほど成長する間には、多角錐の底面の差し渡しが１００ｎｍ程度もある大きなピット１２が形成される。このようなピット１２の密度は転位１１の密度と同程度であり、１ｃｍ2あたり１０9個にも達する。
【０００８】
また、最近の研究によって、ピットには、転位に起因して活性層から生じるピットばかりではなく、活性層にインバージョンドメイン（結晶方位が周囲と異なる部分領域）が生じ、それから生じるピットも存在することが見出された。また、活性層４の多重量子井戸部分とｎ型窒化ガリウム層３との間に、インジウムのモル組成比（インジウムとガリウムとの合計に対するインジウムのモル分率。以下、同様。）が１〜５％で厚みが５０〜５００ｎｍ（好ましくは、インジウムのモル組成比が３％で厚みが１００ｎｍ）の下地層を挿入することがある。この場合には、この下地層からもピットが発生し、電極形成面におけるその径は活性層から発生したピットの径よりも大きくなるので、特に問題になりやすい。
【０００９】
ｐ型窒化ガリウム層５のうち、ピット１２が形成された領域では、他の領域に比べてｐ型層の厚さが著しく薄くなっている。また、ピット１２の下部のｐ型層では結晶性のよい結晶ができておらず、ｎ型に近くなっていると思われる。さらに、このｐ型層ではマグネシウムＭgのドーピング条件も変わってしまい、所定のｐ型ドーパント濃度が実現されていないと思われる。このようなピット１２を放置したまま、ｐ型窒化ガリウム層５の表面にｐ電極８を形成すると、ピット１２内にｐ電極８が入り込み、ｐ電極８とｎ型窒化ガリウム層３との距離が極めて小さくなる。このため、ｐ電極８に接したピット１２では、局所的な電流集中による半導体層の破壊や、静電耐圧の不足による短絡や、逆方向リーク電流の増大などの問題が発生する。
【００１０】
また、電極材料も制限される。銀は光反射率が高いため、ｐ電極８の下層電極の材料として望ましい金属である。しかし、銀はエレクトロマイグレーションを起こしやすいので、銀電極がピット１２と接触すると、図９（ｂ）に示すように、半導体素子の動作中のエレクトロマイグレーションによって銀がピット１２内に侵入して、破壊や逆方向リーク電流増大の原因になる。このため、エレクトロマイグレーションを防止する対策を講じた上でないと、銀をｐ電極８の下層電極材料として用いることができない。
【００１１】
図９（ｃ）は、ピット１２を放置したまま、ｐ型窒化ガリウム層５の表面にｐ電極８を形成した窒化ガリウム系ＬＥＤにおける電流−電圧特性の一例を示すグラフである。このＬＥＤは、電極の直径が１４μｍ、常用の駆動電流が１００μＡのＬＥＤである。理想的なＬＥＤでは、電圧が０Ｖ以下では電流が流れないが、実際のＬＥＤでは、逆方向リ−ク電流が存在する。ピット１２の影響がない場合、上記のＬＥＤの逆方向リ−ク電流は、通常、０．０１μＡ以下であって許容される大きさである。しかし、図９（ｃ）に示した例では、ピット１２の影響によって、電圧が−５Ｖのときの逆方向リ−ク電流が−１μＡに達している。逆方向リ−ク電流が１ｕＡ程度になると、例えば、素子１００００個を並列で駆動するディスプレイなどを形成した場合、ほぼその個数分、すなわち１０ｍＡ程度の逆方向リーク電流がある一箇所に集中して流れる可能性があり、不都合である。
【００１２】
そこで、後述の特許文献１には、硫酸水溶液または過酸化水素水溶液を電解液とする陽極酸化によってピット１１２の窒化ガリウム表面を選択的に酸化して、ピット１１２の表面にガリウム酸化物を含む陽極酸化膜である絶縁膜１１３を形成した、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法が提案されている。
【００１３】
図１０（ａ）は、特許文献１に示されている、陽極酸化処理後のピット１１２近傍を拡大して示す模式的断面図である。図１０（ａ）によれば、陽極酸化膜である絶縁膜１１３は、ピット１１２に選択的に形成され、かつ、多角錐状のピット１１２の頂点から底面までピット１１２をほぼ完全に埋め尽くすように描かれている。
【００１４】
しかしながら、特許文献１には、なぜピット１１２にだけ選択的に陽極酸化膜である絶縁膜１１３が形成されるのか、その理由や選択性の程度が示されていない。また、特許文献１には、電気メッキなどでピット１１２表面に選択的に別の金属、例えば、アルミニウムを付着させ、これを酸化して絶縁膜を形成してもよいと記されているが、なぜ電気メッキなどでピット１１２にだけ選択的に別の金属を被着させることができるのか、またその選択性がどの程度であるのか、記されていない。
【００１５】
図１０（ａ）に示されているように、絶縁膜１１３がピット１１２からはみ出して形成されるものとすると、このはみ出した絶縁膜１１３で被覆されている高不純物濃度ＧaＮ層１０５の表面はｐ電極１０８と接触できなくなり、ｐ電極１０８から高不純物濃度ＧaＮ層１０５へ流れる電流が制限されることになる。また、絶縁膜１１３が平坦化されていないので、その上に形成されるｐ電極１０８の表面にも凹部１１４が生じる。この凹部１１４は、例えば、フォトリソグラフィなどの微細加工法によって層間絶縁膜を介して上部配線などを形成する際、パターンずれの原因となる。
【００１６】
また、図１０（ａ）についても、いくつかの疑問点が存在する。仮に１００％の選択性でピット１１２近傍にだけ絶縁膜１１３が形成されるとしても、ピット１１２の表面酸化膜にすぎない絶縁膜１１３が、大きなピット１１２をほぼ完全に埋め尽くすほどの大きな体積をもつようになるとは考えられない。また、電解液では水の強い表面張力が作用するので、電解液がピット１１２の頂点付近まで侵入するのは困難である。このため従って、ピット１１２の壁面をなす傾斜面のうち、頂点付近の傾斜面には電解液が触れることがない。従って、頂点付近の傾斜は酸化されず、未処理のピット１１２と変わりないはずである。
【００１７】
図１０（ｂ）は、上記の観点から予想した陽極酸化処理後のピット１１２の推定断面図であり、絶縁膜１１３はピット１１２の壁面の一部を薄く被覆するに過ぎない。このようなピット１１２を有する高不純物濃度ＧaＮ層１０５の表面に、アルミニウムからなるｐ電極１０８を蒸着によって形成すると、気体状のアルミニウム原子は熱運動によってピット１１２内のあらゆる所に侵入して堆積し、例えば図１０（ｂ）に示した状態になる。
【００１８】
図１０（ｂ）からわかるように、単にピット１１２の壁面の一部に絶縁膜を形成するだけでは未処理のピットと本質的な違いはなく、ピットへの電流集中による半導体層の破壊や、ピットで発生する逆方向リーク電流を防止することはできない。
【００１９】
また、特許文献１には窒化ガリウム（ＧaＮ）層がｉ型層として示されており、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型構造などを念頭においているため、ピットを回避する構造が必須であると思われる。一方、図９に示したように、ｉ型層ではなくｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ）層５を形成する通常のＬＥＤの場合には、すべての逆方向リーク電流が一箇所のピットを通じて流れやすいので、その内容も大きく異なる。
【００２０】
すなわち、ｐ型層で不純物濃度が高い場合には、電流はｐ型層を横断する方向にも流れることができる。このため、ｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ）層５では、一箇所ピットを通じて抵抗の低い部分ができると、ｐ電極８からｐ型層５に流れ込んだ多くの電流が、ｐ型層５を伝わって横方向に流れ、抵抗が低くなった、活性層４を突っ切る上記のピットに集中することになる。一方、特許文献１のように、窒化ガリウム（ＧaＮ）層がｉ型層であれば、ｉ型層の電気抵抗が大きいので、ｐ電極から流れ込んだ多くの電流は層の厚さ方向にだけ流れるので、電流が特定のピットに集中することは起こりにくいと考えられる。
【００２１】
これまで窒化ガリウム系発光素子に関し多くの発明が提案されているが、ピット構造の十分な改善を提案した発明は存在せず、また、ピット構造の十分な改善を行った発光素子を用いることを特徴とするディスプレイ、特にパッシブディスプレイは存在しない。
【００２２】
【非特許文献１】特開平６−３１４８２３号公報（第２及び３頁、図１及び５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、窒化ガリウム系半導体素子などにおいて、ピットへの電流集中による半導体層の破壊や、ピットで発生する逆方向リーク電流を防止する対策が施された半導体素子及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
即ち、本発明は、基体上に、ヘテロ接合を介して少なくとも第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層がエピタキシャル成長によって積層され、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを有する前記第２導電型半導体層の表面に接して電極が設けられている半導体素子であって、前記ピットが絶縁材料又は半導体材料によって埋め込まれ、かつ、前記第２導電型半導体層の前記表面が平坦化されている第１の半導体素子に係わり、また、前記電極が形状保持性の高い材料層を有している第２の半導体素子に係わるものである。
【００２５】
また、前記基体上に、少なくとも、前記第１導電型半導体層、活性層、および前記第２導電型半導体層が前記エピタキシャル成長によって積層され、半導体発光素子として構成された、前記第１の半導体素子又は前記第２の半導体素子が複数個、同一基体上に配置され、半導体発光装置として構成されている半導体装置に係わるものである。
【００２６】
また、前記第１の半導体素子、又はその複数個を用いて構成された前記半導体装置の製造方法であって、前記基体上に少なくとも前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層をエピタキシャル成長によって積層する工程と、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを含む表面上に絶縁材料又は半導体材料を堆積させる工程と、前記ピットに埋め込まれた以外の前記絶縁材料又は前記半導体材料を除去して平坦化する工程と、平坦化した前記第２導電型半導体層の表面に前記電極を形成する工程とを有する、第１の半導体素子又は装置の製造方法に係わるものである。
【００２７】
また、第２の半導体素子、又はその複数個を用いて構成された前記半導体装置の製造方法であって、前記基体上に少なくとも前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層をエピタキシャル成長によって積層する工程と、形状保持性の高い材料からなる電極材料を、前記第２導電型半導体層の表面に転写する工程とを有する、第２の半導体素子又は装置の製造方法に係わるものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の半導体素子では、前記ピットが絶縁材料又は半導体材料によって埋め込まれているので、前記ピットへの電流の流入が完全に遮断されるか、又は効果的に抑制される。更に、前記第２導電型半導体層の前記表面が平坦化されているので、これに接して形成される前記電極の表面も平坦になり、前記電極の形状が前記ピットへ電流が集中する原因となることがない。このため、前記ピットへの電流集中による半導体層の破壊や、前記ピットで発生する逆方向リーク電流が防止され、信頼性が高く、寿命の長い半導体素子を実現することができる。
【００２９】
また、本発明の第２の半導体素子では、前記電極が形状保持性の高い材料層を有しているので、前記電極が、前記第２導電型半導体層の表面に形成された前記ピットに接して配されても、前記電極はその形状を保持して、変形によって前記ピット内に取り込まれることがない。このため、前記電極の形状変化によって、前記ピットへ電流が集中する原因が生じることがない。このため、前記ピットへの電流集中による半導体層の破壊や、前記ピットで発生する逆方向リーク電流が抑制され、信頼性が高く、寿命の長い半導体素子を実現することができる。
【００３０】
また、本発明の半導体装置は、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層が積層されて、半導体発光素子として構成された前記第１の半導体素子又は前記第２の半導体素子によって構成されているので、信頼性が高く、寿命の長い半導体発光装置を実現することができる。
【００３１】
また、本発明の第１の半導体素子又は装置の製造方法は、前記エピタキシャル成長に際し発生したピットを含む表面上に絶縁材料又は半導体材料を堆積させる工程と、前記ピットに埋め込まれた以外の前記絶縁材料又は前記半導体材料を除去して平坦化する工程と、平坦化した前記第２導電型半導体層の表面に前記電極を形成する工程とを有するので、生産性よく、確実に、前記第１の半導体素子、又はその複数個を用いて構成された前記半導体装置を製造することができる。
【００３２】
また、本発明の第２の半導体素子又は装置の製造方法は、形状保持性の高い材料からなる電極材料を前記第２導電型半導体層の表面に転写する工程を有するので、前記ピット内に前記電極材料が入り込むおそれがない。このため、生産性よく、確実に、前記第２の半導体素子、又はその複数個を用いて構成された前記半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の第１の半導体素子において、前記第１導電型半導体層及び／又は前記第２導電型半導体層を構成する半導体材料が、ドーパントを含まない状態で前記半導体材料として埋め込まれているのがよい。前記ピットに埋め込む前記半導体材料として、前記第１導電型半導体層及び／又は前記第２導電型半導体層を構成する半導体材料と同じ材料を用いることで、前記ピットに前記半導体材料を埋め込む工程の作業能率が向上するばかりでなく、熱膨張率などが同じ材料が埋め込まれるので、温度変化による歪みなどが生じにくくなり、信頼性が向上する利点もある。
【００３４】
本発明の第２の半導体素子において、前記電極が、エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層と、エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層との積層構造からなるのがよい。前記エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層を、前記エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層との積層構造にすることで、前記第２導電材料層の材料がエレクトロマイグレーションによって前記ピット内へ侵入するのを抑えることができる。これにより、光反射率は高いが前記エレクトロマイグレーション耐性の低い銀などの金属を積層構造の前記電極の下層電極材料として用いることができる。
【００３５】
また、いずれの半導体素子においても、前記基体上に、少なくとも、前記第１導電型半導体層、活性層、および前記第２導電型半導体層が前記エピタキシャル成長によって積層され、半導体発光素子として構成されているのがよい。具体的には、前記基体としてのサファイア基板上に形成された窒化ガリウム（ＧaＮ）系半導体層からなるのがよい。窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光効率が高く、青紫色から赤色までの発光を得ることができるため、極めて有用である。
【００３６】
この際、本発明が適用される前記ピットが、８００〜９００℃の成長温度の下で形成された前記第２導電型半導体層中に生じたピットであるのがよい。前記第２導電型半導体層の成長温度を８００〜９００℃と限定することで、前記第２導電型半導体層の特性が向上する。
【００３７】
また、前記ピットが、前記活性層に発生したインバージョンドメイン（結晶方位が周囲と異なる部分領域）に起因するピットであるか、前記活性層より前記基体側に設けられた層に生じた転位に起因するピットであるか、又は、前記活性層に接して前記第１導電型半導体層側に設けられた下地層、具体的には、例えば窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層に起点を有するピットであるのがよい。前記下地層に起点を有するピットは、前記電極を形成する前記第２導電型半導体層の表面における径が、前記活性層や前記第２導電型半導体層に起点を有するピットの径よりも大きくなるので、本発明に基づくピット構造又は電極構造の改善が特に有効である。
【００３８】
また、本発明の半導体装置は、ディスプレイ、特にパッシブマトリクス駆動されるディスプレイとして構成され、或いはバックライト用光源として構成されているのがよい。前記半導体発光素子は、逆方向リーク電流が防止されているので、パッシブマトリクス駆動されるディスプレイに特に好適に適用される。
【００３９】
本発明の第２の半導体素子又は装置の製造方法は、前記電極材料として、エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層と、エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層との積層体を使用し、前記第２導電材料層の側を前記第２導電型半導体層の表面に転写するのがよい。
【００４０】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。
【００４１】
実施の形態１
実施の形態１では、請求項１および５に記載した半導体素子と、請求項１１に記載した半導体素子の製造方法とに関わる例として、半導体発光素子として構成された前記第１の半導体素子である窒化ガリウム(ＧaＮ)系発光ダイオード（以下、発光ダイオードをＬＥＤと略記する。）およびその製造方法について説明する。
【００４２】
図１は、実施の形態１に基づく窒化ガリウム(ＧaＮ)系ＬＥＤ１０の基本構造の一例を示す断面図である。ＬＥＤ１０では、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）の上に、薄い窒化ガリウムバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）層５が、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いたエピタキシャル成長法によって順次形成されている。ｎ型半導体層３が前記第１導電型半導体層に相当し、ｐ型半導体層５が前記第２導電型半導体層に相当する。
【００４３】
窒化ガリウムバッファ層２は、サファイア基板１との境界に生じる格子不整合を緩和し、均一な結晶成長を促進するためのものである。窒化ガリウムバッファ層２は５００℃程度の温度においてアモルファス状態で形成され、その後の積層工程中にほぼ再結晶化される。
【００４４】
図１の拡大図Ｂに示すように、窒化インジウム・ガリウム系活性層４では、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）からなる薄いウエル層４ａと、窒化ガリウム（ＧaＮ）からなるバリア層４ｂとが交互に積層され、バリア層４ｂによって挟まれた多数のウエル層４ａからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造が形成されている。例えば、ウエル層４ａの厚さは２．５ｎｍであり、バリア層４ｂの厚さは７ｎｍであり、５〜２０層のウエル層４ａが積層されている。また、バリア層４ｂの厚さは、必要に応じて１５ｎｍ程度の厚さに厚くすることもある。
【００４５】
ウエル層４ａを形成する窒化インジウム・ガリウム系化合物材料は、窒化ガリウムを中心として窒化インジウムや窒化アルミニウムを加えた三元または四元混晶とし、それらの比率を変えることで青紫色から赤色までの発光を得ることができる。
【００４６】
窒化インジウム・ガリウムからなるウエル層４ａが発光する光の波長は、ウエル層４ａにおけるインジウムとガリウムとの組成比の変化によって変化し、インジウムの割合が小さいほど発光波長は短波長になり、インジウムの割合が大きいほど発光波長は長波長になる。このウエル層４ａにおけるインジウムとガリウムとの組成比は、活性層４の成長温度の影響を受けて変化し、成長温度が高いほどインジウムの割合は小さくなる。この結果、発光波長は活性層４の成長温度に依存することになる。
【００４７】
例えば、成長温度が７００℃である場合、形成されるウエル層４ａの組成はＩn0.23Ｇa0.77Ｎとなり、波長５１０〜５２０ｎｍの緑色の発光が得られる。また、成長温度が７４０℃である場合、形成されるウエル層４ａの組成はＩn0.17Ｇa0.83Ｎとなり、波長４５０〜４７０ｎｍの青色の発光が得られる。
【００４８】
良好な窒化ガリウムの単結晶を成長させるには、成長温度は１０００℃以上であることが望ましい。そこで、ｎ型窒化ガリウム層３の成長温度は、例えば１０２０℃とされる。しかし、上述したように、窒化インジウム・ガリウム系活性層４の成長温度は、発光させようとする光の波長に応じて６００〜８００℃のある温度に必然的に定まる。また、ｐ型窒化ガリウム層５の成長温度は、活性層４の成長温度に比べて高すぎると、ｐ型窒化ガリウム層５を形成している間に活性層４が分解して、発光波長が変化したり、発光強度が低下したりする。従って、ｐ型窒化ガリウム層５の成長温度は、活性層４に悪影響を与えないように、活性層４の組成に応じて８００〜９００℃に制限される。
【００４９】
一方、先述したように、サファイア基板の（０００１）面（Ｃ面）上に窒化ガリウム単結晶を成長させる工程は、格子定数の不整合率が大きいヘテロ接続となるため、多くの転位１１が発生する。ｎ型窒化ガリウム層３の成長温度は１０２０℃と高いため、ｎ型窒化ガリウム層３の中での転位１１の拡大は、問題となるほどではない。しかしながら、窒化インジウム・ガリウム系活性層４の成長温度は６００〜８００℃に制限され、ｐ型窒化ガリウム層５の成長温度は８００〜９００℃に制限されるため、これらの層４および５の形成工程では転位箇所１１からの格子欠陥の拡大が著しくなる。この結果、図１の拡大図Ａに示すように、活性層４からｐ型窒化ガリウム層５にかけて、転位箇所１１を頂点とし、Ｓ面や（１１−２２）面などによって囲まれた六角錐などの多角錐状のピット１２が形成される。
【００５０】
従来のように、これらのピット１２を放置したまま、ｐ型窒化ガリウム層５の表面にｐ電極８を形成すると、既述したように、ピット１２内にｐ電極８が入り込み、ｐ電極８とｎ型窒化ガリウム層３との距離が極めて小さくなる。このため、ｐ電極８に接したピット１２では、局所的な電流集中による半導体層の破壊や、静電耐圧の不足による短絡や、逆方向リーク電流の増大などの問題が発生する。また、銀は、光反射率が高いためｐ電極８の下層電極の材料として望ましい金属であるが、エレクトロマイグレーションを起こしやすいので、銀をｐ電極８の下層電極材料として用いることができない。
【００５１】
それに対し、本実施の形態による窒化ガリウム系ＬＥＤ１０では、ピット１２が酸化シリコンなどからなる絶縁体層１３によって埋め込まれているので、ピット１２への電流の流入が完全に遮断される。更に、ｐ型半導体層５の表面が平坦化されているので、これに接して形成されるｐ電極８の表面も平坦になり、ｐ電極８の形状が、ピット１２へ電流が集中する原因となることがない。このため、ピット１２への電流集中による半導体層４または５の破壊や、ピット１２での逆方向リーク電流の発生が防止され、信頼性が高く、寿命の長い半導体素子を実現することができる。
【００５２】
ピット１２内に埋め込む絶縁体材料としては、酸化シリコンの代わりに、酸化ジルコニウムＺrＯ、酸化タンタルや酸化アルミニウムＡl2Ｏ3などの無機絶縁材料を用いてもよい。また、各種セラミックス、あるいは、ポリイミドやモールド樹脂などの有機高分子絶縁材料を用いてもよい。
【００５３】
ｎ電極７は、例えばチタンと金がこの順に積層されたＴi／Ａuの２層構造からなり、ｐ型窒化ガリウム層５、活性層４、およびｎ型窒化ガリウム層３の一部をエッチング除去して形成したｎ型窒化ガリウム層３の露出面に蒸着などによって形成する。
【００５４】
ｐ電極８は、例えば、直径２０μｍの、銀と金がこの順に積層されたＡg／Ａuの２層構造からなる電極で、上記のエッチングでｐ電極８より大きいサイズに残したｐ島領域６のｐ型窒化ガリウム層５表面に蒸着などによって形成する。ｐ電極８は、ニッケルと金が積層されたＮi／Ａuの２層構造や、ニッケルと白金と金が積層されたＮi／Ｐt／Ａuの３層構造であってもよい。
【００５５】
ｐ電極８の下層電極材料としては、光反射率の高い銀や、下地との密着性のよいニッケルがよい。上層電極材料としては、オーミック接触性を実現できる金がよい。中間電極材料としては、金の拡散を防止できる白金がよい。各層の厚さは、例えば、ニッケル層が２ｎｍ、銀層や白金層や金層が１０〜２０ｎｍ程度である。その他、一般にｐ電極およびｎ電極として用いられている材料を、それぞれｐ電極およびｎ電極として用いることができる。
【００５６】
図２は、実施の形態１に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤ１０の作製工程のフローの一部を示す断面図である。なお、これらの断面図は、図１の断面図と同じ位置における断面図である。
【００５７】
まず、図２（ａ）に示すように、（０００１）面（Ｃ面）を主面とするサファイア基板１を用意し、１０００℃の下で基板１の表面を水素で処理するサーマルクリーニングを行う。
【００５８】
次に、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いて、サファイア基板１の上に、窒化ガリウムからなる薄いバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）からなる厚いｎ型層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープした窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）からなるｐ型層５を順次、積層して形成する。
【００５９】
窒化インジウム・ガリウム系活性層４では、窒化インジウム・ガリウムからなる薄いウエル層４ａと、窒化ガリウムからなるバリア層４ｂとが交互に積層され、バリア層４ｂによって挟まれた多数のウエル層４ａからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を形成する。ウエル層４ａを形成する窒化ガリウム系化合物材料は、窒化ガリウムを中心として窒化インジウムや窒化アルミニウムを加えた三元または四元混晶とし、発光波長に応じてそれらの比率を変更する。
【００６０】
ウエル層４ａの組成に応じて、ｎ型層３には、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡlＧaＮ）層、および窒化ガリウム（ＧaＮ）層などを適切に組み合わせる。これらの層は、ケイ素（Ｓi）をドーパントとして加えることでｎ型の導電型にする。また、ウエル層４ａの組成に応じて、ｐ型層５には、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡlＧaＮ）層、窒化ガリウム（ＧaＮ）層、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層などを適切に組み合わせる。また、ｐ電極８とのコンタクト部分には窒化ガリウム（ＧaＮ）層または窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層を形成するのもよい。これらの層は、マグネシウム（Ｍg）をドーパントとして加えることでｐ型の導電型にする。
【００６１】
窒化ガリウムバッファ層２は、窒化ガリウムがアモルファス状態で形成される５００℃とし、ｎ型窒化ガリウム層３の成長温度は、良好な窒化ガリウム単結晶を成長させることのできる１０２０℃とする。一方、窒化インジウム・ガリウム系活性層４の成長温度は、発光させようとする光の波長に応じて６００〜８００℃の温度にせざるを得ない。また、ｐ型窒化ガリウム層５の成長温度も、活性層４に悪影響を与えないように、活性層４の組成に応じて８００〜９００℃の温度に制限せざるを得ない。この結果、活性層４からｐ型窒化ガリウム層５にかけて、ピット１２が成長することになる。
【００６２】
従来は、ピット１２を放置したまま、電極を形成していたが、本実施の形態では下記の工程を行う。
【００６３】
図２（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法（化学気相成長法）などによって、ｐ型窒化ガリウム層５の上の全面に酸化シリコンＳiＯ2などからなる絶縁体材料層１４を形成する。この酸化シリコンなどからなる絶縁体材料層１４はピット１２内を埋め込むように形成することができる。
【００６４】
次に、図２（ｃ）に示すように、絶縁体材料層１４の上部を機械研磨によって除去した後、残った絶縁体材料層１４の不要部分をエッチングにより表面から徐々に除去して行く。このエッチング工程を最適化された時間だけ行うことで、ピット１２内には酸化シリコンなどの絶縁材料からなる絶縁体層１３を残し、ピット１２内以外の絶縁体材料層１４はすべて除去する。このようにして、ピット１２内にだけ絶縁体層１３を配し、ｐ型窒化ガリウム層５の表面を平坦化することができる。なお、絶縁材料が酸化シリコンである場合には、エッチャントとしてフッ酸系エッチャントを用いるのがよい。
【００６５】
なお、上記の不要な絶縁体材料層１４を除去する工程をＣＭＰ法（化学的機械研磨法）による平坦化処理によって行ってもよい。また、ピット１２内に埋め込む絶縁材料として、酸化シリコンの代わりに、酸化ジルコニウムＺrＯ、酸化タンタルや酸化アルミニウムＡl2Ｏ3などの無機絶縁材料を用いてもよい。また、各種セラミックス、あるいは、ポリイミドやモールド樹脂などの有機高分子絶縁材料を用いてもよい。
【００６６】
次に、図２（ｄ）に示すように、形成しようとするｐ電極８よりも大きいサイズのｐ島領域６を残しながら、ｎ電極７を形成する領域の半導体層を表面からエッチングして、ｐ型窒化ガリウム層５、活性層４、およびｎ型窒化ガリウム層３の一部を除去し、ｎ型窒化ガリウム層３を部分的に露出させる。この露出面に蒸着などによって、例えばチタンと金がこの順に積層されたＴi／Ａuの２層構造からなるｎ電極７を形成する。
【００６７】
エッチングせずに残したｐ島領域６のｐ型窒化ガリウム層５の表面に、蒸着などによって、例えば銀と金がこの順に積層されたＡg／Ａuの２層構造からなる直径２０μｍのｐ電極８を形成する。ｐ電極８を、ニッケルと金が積層されたＮi／Ａuの２層構造や、ニッケルと白金と金が積層されたＮi／Ｐt／Ａuの３層構造としてもよい。
【００６８】
下層電極材料としては、光反射率の高い銀や、下地との密着性のよいニッケルを用いるのがよい。上層電極材料としては、オーミック接触性を実現できる金を用いるのがよい。中間電極材料としては、金の拡散を防止できる白金を用いるのがよい。例えば、ニッケル層の厚さは２ｎｍ、銀層や白金層や金層の厚さは１０〜２０ｎｍ程度とする。その他、一般にｐ電極およびｎ電極として用いられている材料を、それぞれｐ電極およびｎ電極として用いることができる。
【００６９】
この後、基板上に形成された各半導体層２〜５は、基板１を切断して互いに分離し、配線や保護膜の形成などの後工程を行い、個片化したＬＥＤ１０として完成する。
【００７０】
以上に述べたように、本実施の形態に基づく半導体素子の製造方法によれば、ＣＶＤ法などによってピット１２を絶縁材料で完全に埋め込んだ後、ピット１２に埋め込まれた以外の絶縁材料を除去し、平坦化した半導体層５の表面にｐ電極８を形成するので、生産性よく、確実に、前記第１の半導体素子を製造することができる。
【００７１】
本実施の形態では、基板１の上に形成されたＬＥＤ１０を個片化する例を示したが、後述する実施の形態４では、基板１上に形成された多数のＬＥＤ１０を再配置して、多数のＬＥＤ１０からなる半導体発光装置を形成する例を説明する。
【００７２】
以上に説明したように、ＬＥＤ１０は、通常、上記の基本構造を有するが、必要に応じて下記のように変更することが可能である。
【００７３】
すなわち、ｎ型層には、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡlＧaＮ）層、および窒化ガリウム（ＧaＮ）層などを適切に組み合わせる。これらの層は、ケイ素（Ｓi）をドーパントとして加えることでｎ型の導電型にする。また、ｐ型層には、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡlＧaＮ）層、窒化ガリウム（ＧaＮ）層、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層などを適切に組み合わせる。また、ｐ電極８とのコンタクト部分には窒化ガリウム（ＧaＮ）層または窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層を形成するのがよい。これらの層は、マグネシウム（Ｍg）をドーパントとして加えることでｐ型の導電型にする。
【００７４】
図３は、このような変形例のうち、よく用いられる半導体層の構成を示す断面図である。以下、図３参照下に種々の変形例を説明するが、図３の各層をその厚さとともに積層順に記しておくと下記の通りである。
【００７５】
［半導体層の構成］
サファイア基板１：４３０μｍ／窒化ガリウムバッファ層２：３ｎｍ／ケイ素ド−プ  したｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層３：７μｍ／ケイ素ドープした窒化インジウム  ・ガリウム（Ｉn0.03Ｇa0.97Ｎ：Ｓi）下地層１６：１００ｎｍ／窒化ガリウム（ＧaＮ  ）層１７：５ｎｍ／窒化インジウム・ガリウム系活性層４（（ＩnＧaＮ：２．５ｎｍ／  ＧaＮ：１５ｎｍ）×９層））／マグネシウムドープしたｐ型窒化アルミニウム・ガリ  ウム（Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ：Ｍg）層１８：１５ｎｍ／マグネシウムドープしたｐ型窒化ガ  リウム（ＧaＮ：Ｍg）層５：２００ｎｍ／マグネシウムドープしたｐ型窒化インジウム  ・ガリウム（Ｉn0.15Ｇa0.85Ｎ：Ｍg）層１９：５ｎｍ
【００７６】
サファイア基板１の上に窒化ガリウムバッファ層２を形成した後、その上にアンドープの窒化ガリウム層を成長させてから、ｎ型窒化ガリウム層３を積層することが可能である。その際、ｎ型窒化ガリウム層３の中間にｎ型窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ：Ｓi）層を挿入することもできる。これらは歪みを低減する効果があるといわれている。
【００７７】
また、ｎ型窒化ガリウム層３を形成した後、アンドープの窒化ガリウム層、ｎ型窒化ガリウム層なども成長させることで発光効率が向上することもある。また、これらの層の上に、やや低温、例えば約７８０℃度にて、インジウムのモル組成比が３％程度のｎ型窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ：Ｓi）下地層１６を前記下地層として１００ｎｍ成長させることで、全体の電圧特性が向上する。
【００７８】
下地層１６の上には、活性層４の一部をなす薄い窒化ガリウム（ＧaＮ）層（バリア層）１７を形成する。活性層４は、先述したＩnＧaＮ層／ＧaＮ層の繰り返しであることが多いが、まれに、それぞれの層にアルミニウムＡlを添加することがある。
【００７９】
ｐ型窒化ガリウム層５は、前述したように成長温度８００〜９００℃で成長させるが、活性層４とｐ型層５との間に成長温度約７５０℃にて、マグネシウムをドープしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（ＡlＧaＮ：Ｍg）層１８を１０〜２０ｎｍの厚さに成長させることが多い。これは発光効率の向上に必須である。また、駆動電圧の低電圧化のために、ｐ電極８との間にマグネシウムをドープしたｐ型窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ：Ｍg）層１９を５ｎｍ成長させる。
【００８０】
図３には、ピットが形成される種々の形態をも示している。ピット１２ａは既に説明した請求項６に対応するものもので、サファイア基板１との境界で発生した転位１１に起因して、活性層４を６００〜８００℃、ｐ型層５を８００〜９００℃の成長温度の下でそれぞれ成長させる間に、活性層４またはｐ型層５を起点として形成されるピットである。
【００８１】
ピット１２ｂは、請求項７に対応するもので、活性層４に発生したインバージョンドメイン（結晶方位が周囲と異なる部分領域）２２に起因するピットである。インバージョンドメインが生じる原因は、成長温度が低いことと、積層されているＩnＧaＮ層とＧaＮ層との間に格子不整合（Ｉnのモル組成比の１％につき、０．１％の格子不整合）があり、Ｉnの割合が大きくなると格子不整合が大きくなり、歪みが大きくなることである。
【００８２】
ピット１２ｃは、請求項８に対応するもので、活性層４よりサファイア基板１側に設けられたｎ型窒化ガリウム層３などで、ケイ素の多量ドープなどの何らかの成長条件の異常によって内部発生する転位２１に起因するピットである。
【００８３】
ピット１２ｄは、請求項９および１１に対応するもので、活性層４に接してｎ型窒化ガリウム層３側に設けられた下地層、具体的には、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）層１６に起点を有するピットである。
【００８４】
なお、ピット１２ａおよび１２ｃの厚さ方向の発生位置は、図中、活性層４の中央に描かれているがこれに限られるものではなく、活性層４の内部またはそれより上部のすべての位置で発生するピットを含むものとする。同様に、ピット１２ｂおよび１２ｄは、それぞれ、活性層４および下地層１６の内部のすべての位置で発生するピットを含むものとする。また、ピット１２ａ〜１２ｄの形状は、断面が逆三角形の多角錐に限らず、たとえばピット１２ｂとして示した断面が逆台形の頂部を切り詰めた多角錐など、多角錐から誘導される任意の形状を含むものとする。
【００８５】
本実施の形態では、絶縁体層１３によるピットの埋め込みと平坦化によるピット構造の改善を行うので、ピット１２がピット１２ａ〜１２ｄのうちの、あるいはこれら以外の、どのようなピットであっても、確実にピットによる逆方向リーク電流や短絡の問題を解消することができる。ピット１２ｄは、ｐ電極８が形成されるｐ型窒化ガリウム層５の表面における径が、活性層４またはｐ型層５を起点として形成されるピットの径よりも大きくなるので、本実施の形態に基づく絶縁体層１３によるピットの埋め込みと平坦化によるピット構造の改善が特に有効である。
【００８６】
実施の形態２
実施の形態２では、請求項１、２および５に記載した半導体素子と、請求項１１に記載した半導体素子の製造方法とに関わる例として、半導体発光素子として構成された前記第１の半導体素子である窒化ガリウム系発光ダイオードおよびその製造方法について説明する。
【００８７】
図４は、実施の形態２に基づく窒化ガリウム(ＧaＮ)系ＬＥＤ２０の構造の一例を示す断面図である。ＬＥＤ２０では、ＬＥＤ１０と同様、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）の上に、薄い窒化ガリウムバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）層５が、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いたエピタキシャル成長法によって順次形成されている。ｎ型半導体層３が前記第１導電型半導体層に相当し、ｐ型半導体層５が前記第２導電型半導体層に相当する。
【００８８】
その他についても、ＬＥＤ２０は、ピット１２が絶縁体層１３ではなく半導体層１５によって埋め込まれていることを除いて、ＬＥＤ１０と同様に構成されている。
【００８９】
窒化ガリウム系ＬＥＤ２０では、ピット１２が電気伝導率の小さい半導体層１５によって埋め込まれているので、ピット１２への電流の流入が効果的に抑制される。更に、ｐ型半導体層５の表面が平坦化されているので、これに接して形成されるｐ電極８の表面も平坦になり、ｐ電極８の形状が、ピット１２へ電流が集中する原因となることがない。このため、ピット１２への電流集中による半導体層４または５の破壊や、ピット１２での逆方向リーク電流の発生が防止され、信頼性が高く、寿命の長い半導体素子を実現することができる。
【００９０】
ピット１２内に埋め込む半導体材料としては、周囲のｐ型半導体層４または５より電気伝導率の小さいものであればよく、特に制限されるものではないが、半導体層３やｐ型半導体層５を構成する窒化ガリウムなどの半導体材料が、ドーパントを含まない状態で埋め込まれているのがよい。このようにすれば、各半導体層２〜５を形成する設備をそのまま用いることができるので、ピット１２に半導体材料を埋め込む工程の作業効率が向上する。その上、熱膨張率などが同じ材料が埋め込まれるので、温度変化による歪みなどが生じにくくなり、信頼性が向上する。
【００９１】
ピット１２内に窒化ガリウムを埋め込む場合には、下記のように行う。工程を示す図は、絶縁体を半導体と言い換えれば図２（ｂ）〜（ｄ）と同じであるので、ここでは省略する。
【００９２】
まず、ＭＯＣＶＤ法などによって、図２（ｂ）と同様に、ｐ型窒化ガリウム層５の上の全面に、窒化ガリウムなどからなる半導体材料層を形成する。この半導体材料層の形成温度は５００℃程度とし、窒化ガリウムをアモルファス状態で形成するので、窒化ガリウムなどからなる半導体材料層はピット１２内を埋め込むように形成することができる。この際、窒化ガリウムのかわりに窒化アルミウムを用いてもよく、その方が絶縁性が高くなる。この窒化アルミウム層は、減圧の条件下で成長させるのが望ましい。
【００９３】
次に、図２（ｃ）と同様に、半導体材料層の上部を機械研磨によって除去した後、残った半導体材料層の不要部分を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により表面から徐々に除去して行く。このエッチング工程を最適化された時間だけ行うことで、ピット１２内には窒化ガリウムなどからなる半導体層１５を残し、ピット１２内以外の半導体材料層はすべて除去する。このようにして、ピット１２内にだけ半導体層を配し、ｐ型窒化ガリウム層５の表面を平坦化することができる。なお、上記の不要な半導体材料層を除去する工程をＣＭＰ法による平坦化処理によって行ってもよい。
【００９４】
次に、図２（ｄ）と同様にして、ｎ電極７およびｐ電極８を形成する。
【００９５】
上記の半導体素子の製造方法によれば、各半導体層２〜５を形成する設備をそのまま用いてピット１２を半導体材料で完全に埋め込んだ後、ピット１２に埋め込まれた以外の半導体材料を除去し、平坦化した半導体層５の表面にｐ電極８を形成するので、作業効率よく、生産性よく、確実に、前記第１の半導体素子を製造することができる。
【００９６】
以上に述べた実施の形態１との相違点を除けば、実施の形態１と同様であるので、重複を避け、共通点についての記載は省略する。
【００９７】
実施の形態３
実施の形態３では、請求項３〜５に記載した半導体素子と、請求項１２および１３に記載した半導体素子の製造方法とに関わる例として、半導体発光素子として構成された前記第２の半導体素子である窒化ガリウム系発光ダイオードおよびその製造方法について説明する。
【００９８】
図５は、実施の形態３に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤ３０の構造の一例を示す断面図である。図５に示したＬＥＤ３０では、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）の上に、薄い窒化ガリウムバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）層５が、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いたエピタキシャル成長法によって順次形成されている。ｎ型半導体層３が前記第１導電型半導体層に相当し、ｐ型半導体層５が前記第２導電型半導体層に相当する。
【００９９】
ＬＥＤ３０は、ピット１２を絶縁体層１３や半導体層１５によって埋め込むのではなく、前記電極であるｐ電極の構造および作製方法を変更することによって、ピット１２への電流集中による半導体層の破壊や、ピット１２で発生する逆方向リーク電流が抑制される点を除いて、ＬＥＤ１０およびＬＥＤ２０と同様に構成されている。
【０１００】
ＬＥＤ３０においては、ｐ電極９が、前記形状保持性の高い材料層である銅層９ｂを有しているので、ｐ電極９が、ｐ型窒化ガリウム層５の表面に形成されたピット１２に接して配されても、ｐ電極９はその形状を保持して、変形によってピット１２内に取り込まれることがない。このため、ｐ電極９の形状変化によって、ピット１２へ電流が集中する原因が生じることがなく、ピット１２への電流集中による半導体層の破壊や、ピット１２で発生する逆方向リーク電流が抑制され、信頼性が高く、寿命の長い半導体素子を実現することができる。
【０１０１】
この際、ｐ電極９が、エレクトロマイグレーション耐性の高い第１導電材料層でもある銅層９ｂと、エレクトロマイグレーション耐性の低い第２導電材料層である銀層９ａとの積層構造からなるので、銀がエレクトロマイグレーションによってピット１２内へ侵入するのを抑えることができる。これにより、光反射率は高いがエレクトロマイグレーション耐性の低い銀などの金属を積層構造のｐ電極９の下層電極材料として用い、光の出射効率を向上させることができる。
【０１０２】
図６は、実施の形態１に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤ３０の作製工程のフローの一部を示す断面図である。なお、これらの断面図は、図５の断面図と同じ位置における断面図である。
【０１０３】
まず、図６（ａ）に示すように、（０００１）面（Ｃ面）を主面とするサファイア基板１を用意し、１０００℃の下で基板１の表面を水素で処理するサーマルクリーニングを行う。
【０１０４】
次に、サファイア基板１の（０００１）面（Ｃ面）上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いて、サファイア基板１の上に、窒化ガリウムからなる薄いバッファ層２、ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）からなる厚いｎ型層３、窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系活性層４、およびマグネシウムをドープした窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）からなるｐ型層５を順次、積層して形成する。
【０１０５】
次に、図６（ｂ）に示すように、形成しようとするｐ電極９よりも大きいサイズのｐ島領域６を残すように、ｎ電極７を形成する領域の半導体層を表面からエッチングして、ｐ型窒化ガリウム層５、活性層４、およびｎ型窒化ガリウム層３の一部を除去して、ｎ型窒化ガリウム層３を部分的に露出させる。
【０１０６】
次に、図６（ｃ）に示すように、エッチングせずに残したｐ島領域６のｐ型窒化ガリウム層５の表面に、例えば直径２０μｍのｐ電極９を形成する。この際、ガラスプレート３１の上に形成した銅層９ｂの上に銀層９ａを積層したものをｐ型窒化ガリウム層５の表面に圧着し、ガラスプレート３１の背後からレーザー光を照射して、電極層９ａおよび９ｂを剥離させ、ｐ型窒化ガリウム層５の表面に転写する。その後、加熱して電極層９ａおよび９ｂをアロイ化することで、ピット１２内に入り込まないように電極層９ａおよび９ｂをｐ型窒化ガリウム層５の表面に設けることができる。ここでは電極層９ａとして銀層を用いる例を示したが、銀層の代わりにニッケル層を用いてもよい。銀は光反射率に優れ、ニッケルは下地との密着性に優れている。
【０１０７】
次に、図６（ｄ）に示すように、蒸着などによって、ｎ電極７形成領域のｎ型窒化ガリウム層３の露出面に、例えばチタンと金がこの順に積層されたＴi／Ａuの２層構造からなるｎ電極７を形成する。
【０１０８】
この後、基板上に形成された各半導体層２〜５は、基板１を切断して互いに分離し、配線や保護膜の形成などの後工程を行い、個片化したＬＥＤ３０として完成する。
【０１０９】
以上のように、本実施の形態に基づく半導体素子の製造方法は、形状保持性の高い材料からなる電極材料を、半導体層５の表面に転写する工程を有するので、蒸着法などと異なり、前記ピット内に前記電極材料が入り込むおそれがない。このため、生産性よく、確実に前記第２の半導体素子を製造することができる。
【０１１０】
以上に述べた実施の形態１および２との相違点を除けば、実施の形態１および２と同様であるので、重複を避け、共通点についての記載は省略する。
【０１１１】
実施の形態４
実施の形態４では、請求項７〜９に記載した半導体装置に関わる例として、複数の窒化ガリウム系ＬＥＤを用い、パッシブマトリクス駆動されるディスプレイとして構成された半導体発光装置について説明する。既述したＬＥＤ１０、２０または３０は、逆方向リーク電流が防止されているので、パッシブマトリクス駆動されるディスプレイに特に好適に適用され、信頼性が高く、寿命の長いディスプレイを形成することができる。
【０１１２】
図７は、実施の形態４に基づくＬＥＤディスプレイ５０の部分断面図（ａ）および（ｂ）と、透明基板４９の側から見た平面図（ｃ）とである。但し、部分断面図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ平面図（ｃ）に６ａ−６ａ線および６ｂ−６ｂ線で示した位置における断面図である。
【０１１３】
ＬＥＤディスプレイ５０は、赤色ＬＥＤ４０Ｒ、緑色ＬＥＤ４０Ｇおよび青色ＬＥＤ４０Ｂを有し、ＲＧＢ三原色光の混色によってフルカラーを表示可能なディスプレイとして構成されている。各ＬＥＤ４０は、発光色が同じＬＥＤが一列に並んだ列アレイを形成し、全体ではマトリックスを形成するように配置されている。
【０１１４】
青色発光ＬＥＤ４０Ｂおよび緑色発光ＬＥＤ４０Ｇは、実施の形態１〜３に既述した窒化ガリウム系ＬＥＤ１０、２０または３０を、ｎ電極の位置を変更して用いる。すなわち、サファイア基板１上にＬＥＤ４０Ｂまたは４０Ｇを構成する各半導体層２〜５を形成し、ｐ電極４２を形成した後、ｎ電極４１を形成する前に、サファイア基板１側からエキシマレーザを照射して、サファイア基板１からＬＥＤ４０Ｂまたは４０Ｇとなる半導体層３〜５を剥離させる。この際、バッファ層２は薄いので、レーザ光照射によって分解し、消失する。
【０１１５】
レーザ光照射による剥離の後、必要に応じて剥離面の洗浄を行い、その後、剥離面を研磨する。この結果露出したｎ型窒化ガリウム層３の面上に、チタンと金を積層してＴi／Ａuの２層構造からなるｎ電極４１をわずかな面積で取り付ける。一方、ｐ電極４２は、ｐ型窒化ガリウム層５のほぼ全面に、例えば、厚さ１００ｎｍの銀層と厚さ５００ｎｍの金層とを積層して形成し、光出射方向と反対の方向へ進む発光光を反射して、光の出射効率を高める反射メタル層としても機能するようにする。
【０１１６】
赤色発光ＬＥＤ４０Ｒとしては、例えば、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系ダブルヘテロ構造からなるＬＥＤを作製し、ラッピングとエッチングによりその厚さを薄くしたものに、２０μｍ程度の電極を取り付けることで作製する。
【０１１７】
より詳しくは、赤色発光ＬＥＤ４０Ｒは、例えば、通常はガリウム砒素（ＧaＡs）結晶の（１００）面から１５度傾斜した面方位をもつ基板上に、ｎ型アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン（ＡlＧaＩnＰ）クラッド層、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン活性層、ｐ型アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン・クラッド層、およびｐ型ガリウム・インジウム・リン（ＧaＩnＰ）コンタクト層を積層した半導体層で構成する。ｐ型ガリウム・インジウム・リン・コンタクト層の上にｐ型ガリウム砒素層を形成し、これをコンタクト層とすることもある。なお、ガリウム砒素（ＧaＡs）基板は、結晶面から傾斜していない、結晶面と同じ面方位をもつ基板を用いる方がよい場合もある。
【０１１８】
アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン層における（Ａl＋Ｇa）とＩnとのモル比は０．５：０．５であり、そのうち、クラッド層におけるＡlとＧaとのモル比は１：０から０．７：０．３程度であり、活性層におけるＡlとＧaとのモル比は０．５：０．５から０：１である。
【０１１９】
ｎ型コンタクト層に形成するｎ電極４１は、ニッケルと金ゲルマニウムと金とを積層したＮi／ＡuＧe／Ａuの３層構造とするのがよい。ｐ型ガリウム・インジウム・リン・コンタクト層に形成するｐ電極４２としては、例えば、厚さ５００ｎｍの金層をほぼ全面に形成し、光出射方向と反対の方向へ進む発光光を反射して、光の出射効率を高める反射メタル層としても機能するようにする。
【０１２０】
ＬＥＤディスプレイ５０を作製するには、まず、各ＬＥＤ４０を形成した基板の素子側の面をワックスなどを用いて支持基板に固定した後、ＬＥＤ４０ＢおよびＬＥＤ４０Ｇではレーザ剥離によって、ＬＥＤ４０Ｒでは研削とエッチングとによって、それぞれ基板から剥離する。続いて、支持基板に固定したまま、エッチングなどによって素子間を分離し、所定のサイズに切り分ける。
【０１２１】
次に、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、各ＬＥＤ４０を支持基板から高分子樹脂層４６に転写して埋め込む。この際、ウエハ上に作製した当初の間隔で支持基板上に並んでいる素子を、数個ずつ間隔をあけて転写することにより、素子間の間隔を拡大して転写することができる。実際の加工では、シリコーンなどを用いて素子の貼り付けや、剥がしなどを行うことができる。
【０１２２】
このようにして各ＬＥＤ４０が所定の間隔で配列し、高分子樹脂層４６に埋め込まれたＬＥＤ配列体を形成した後、このＬＥＤ配列体に対し、ｎ電極４１の側ではｎ電極４１に電気的に接続された透明電極４３およびｎ側配線４４を所定の位置に形成し、ｐ電極４２の側ではｐ電極４２に電気的に接続されたｐ側配線４５を所定の位置に形成する。次に、透明樹脂によってｎ電極４１の側を石英基板などの光透過性基板４７に貼り付け、ＬＥＤディスプレイ５０の表示部を形成する。
【０１２３】
そして、図７（ｃ）に示すように、ＬＥＤディスプレイ５０の表示部のｎ側配線４４に行駆動回路を接続し、ｐ側配線４５に列駆動回路を接続することで、パッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイ５０を構成することができる。
【０１２４】
図８は、パッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの問題点の１つを説明するための等価回路図である。
【０１２５】
このＬＥＤディスプレイでは、行駆動回路と列駆動回路によってそれぞれｉ行目のｎ側配線４４とｊ列目のｐ側配線４５とを選択すると、その交点の位置にあるＬＥＤ（ｉ，ｊ）５１にのみ順方向電圧が印加され、ＬＥＤ５１に正常電流５２が流れ、ＬＥＤ５１のみが点灯するように構成されている。
【０１２６】
しかしながら、例えば、（ｉ−１）行目のｎ側配線４４と（ｊ−１）列目のｐ側配線４５との交点の位置にあるＬＥＤ（ｉ−１，ｊ−１）５３が不良ＬＥＤで、逆方向リーク電流が大きすぎたり、ｐ極側とｎ極側とが短絡していたりすると、図中に矢印1-2-3-4-5で示した経路を異常電流５４が流れることになる。同様に、ＬＥＤ（ｉ−２，ｊ＋１）５３が不良ＬＥＤであれば、図示した経路6-7-8-9-10に異常電流が発生する。このようにして、莫大な個数のＬＥＤで構成されているパッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの場合、逆方向リーク電流が大きいＬＥＤが多数含まれていると、不特定多数の経路に異常電流が発生する。
【０１２７】
上記のように、図７（ｃ）および図８に示した構造をもつパッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイでは、ＬＥＤの大きな逆方向リーク電流の存在や短絡状態の発生は、きわめて重大な問題となりうる。このため、パッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイ５０に用いるＬＥＤ４０としては、ピット１２における大きな逆方向リーク電流の存在や短絡状態の発生を防止したＬＥＤが必要となる。本実施の形態では、ＬＥＤ４０ＢおよびＬＥＤ４０Ｇとして、実施の形態１〜３に示したピット１２に対する対策を講じたＬＥＤ１０、２０または３０を用いているので、信頼性のあるパッシブマトリックス駆動型ディスプレイ５０を実現することができる。
【０１２８】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明の半導体素子及びその製造方法は、発光ダイオードなどの半導体発光素子の信頼性の向上と長寿命化に寄与することができる。また、本発明の半導体装置は、上記発光ダイオードなどが複数個、同一基板上にアレイ状に形成された半導体発光装置として構成され、バックライト光源などの、線状または面状などの様々な形状を有する光源や、自発光型のディスプレイ、特にパッシブマトリクス駆動されるディスプレイなどを提供することができ、これらの装置の信頼性の向上と長寿命化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤの断面図である。
【図２】同、窒化ガリウム系ＬＥＤの作製工程のフローの一部を示す断面図である。
【図３】同、変形例に基づくＧaＮ系ＬＥＤの半導体層の構成と種々のビットを示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に基づく窒化ガリウム系ＬＥＤの断面図である。
【図６】同、窒化ガリウム系ＬＥＤの作製工程のフローの一部を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に基づくＬＥＤディスプレイの部分断面図（ａ）と平面図（ｂ）とである。
【図８】パッシブマトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの問題点の１つを説明するための等価回路図である。
【図９】従来の窒化ガリウム系ＬＥＤの問題点の１つを示す断面図（ａ）と部分拡大断面図（ｂ）とＬＥＤの電流−電圧特性を示すグラフ（ｃ）である。
【図１０】特許文献１に示されている窒化ガリウム系発光素子の改善されたピット構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１…サファイア基板、２…窒化ガリウム（ＧaＮ）バッファ層、
３…ケイ素をドープしたｎ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｓi）層、
４…窒化インジウム・ガリウム（ＩnＧaＮ）系ＭＱＷ活性層、
４ａ…窒化インジウム・ガリウムウエル層、４ｂ…窒化ガリウムバリア層、
５…マグネシウムをドープしたｐ型窒化ガリウム（ＧaＮ：Ｍg）層、
６…ｐ島、７…ｎ電極（Ｔi／Ａu）、８…ｐ電極（Ａg／Ａu）、８ａ…銀層、
８ｂ…金層、９…ｐ電極（Ａg／Ｃu）、９ａ…銀層、９ｂ…銅層、１０…ＬＥＤ、
１１…転位、１２、１２ａ〜１２ｄ…ピット、１３…絶縁体層（酸化シリコン層など）、
１４…絶縁体材料層、１５…半導体層（窒化ガリウム層など）、
１６…ケイ素をドープした窒化インジウム・ガリウム（Ｉn0.03Ｇa0.97Ｎ:Ｓi）下地層、
１７…窒化ガリウム（ＧaＮ）層、
１８…マグネシウムドープｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ:Ｍg）層、
１９…マグネシウムドープｐ型窒化インジウム・ガリウム（Ｉn0.15Ｇa0.85Ｎ:Ｍg）層、
２０…ＬＥＤ、２１…活性層よりサファイア基板側に設けられた層に発生した転位、
２２…インバージョンドメイン（結晶方位が周囲と異なる部分領域）、３０…ＬＥＤ、
３１…ガラスプレート、４０…ＬＥＤ、４０Ｒ…赤色ＬＥＤ、４０Ｇ…緑色ＬＥＤ、
４０Ｂ…青色ＬＥＤ、４１…ｎ電極、４２…ｐ電極（反射メタル層）、
４３…透明電極（ＩＴＯなど）、４４…ｎ側配線、４５…ｎ側配線、
４６…高分子樹脂層、４７…光透過性基板（石英など）、５０…ＬＥＤディスプレイ、
５１…選択されたＬＥＤ、５２…正常電流、５３、５５…不良ＬＥＤ、
５４、５６…異常電流、１００…窒化ガリウム系ＬＥＤ、
１０４…高不純物濃度ＧaＮ層、１０５…低不純物濃度ＧaＮ層、
１０８…ｐ電極（Ａl）、１１２…ピット、１１３…陽極酸化膜である絶縁膜、
１１４…凹部
【図１】
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【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】
2006339550.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006339550.tif 000011
【図１０】
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