(57)【要約】本発明は、半導体本体（１）と該半導体本体（１）上に取り付けられたコンタクト金属被覆部（４）とを有する窒化物ベースの半導体構成素子に関する。該半導体本体（１）には保護層が設けられており、この保護層は、場合によってはコンタクト金属被覆部（４）の部分領域もカバーし、相互に隣接して配置された複数の凹入部（５）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構成素子であって、
半導体本体（１）、コンタクト金属被覆部（４）および保護層（３）を有し、
前記半導体本体（１）は、窒化化合物半導体を含んでおり、
前記保護層（３）は、前記コンタクト金属被覆部（４）上に配置されている形式のものにおいて、
前記保護層（３）は複数の凹入部（５）を有することを特徴とする半導体構成素子。
【請求項２】
半導体構成素子であって、
半導体本体（１）、コンタクト金属被覆部（４）およびｐｎ接合部（６）を有し、
前記半導体本体（１）は、窒化化合物半導体を含んでいる形式のものにおいて、
前記ｐｎ接合部（６）の側方の境界は、前記半導体本体の側面（１０）と同じとされており、
前記半導体本体の側面（１０）には、少なくとも部分的に保護層（３）が設けられており、
前記保護層（６）は、前記側面にて露出しているｐｎ接合部（６）を少なくとも部分的にカバーすることを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
前記コンタクト金属被覆部（４）は、少なくとも部分的に前記保護層（３）によってカバーされていない、請求項２記載の半導体構成素子。
【請求項４】
前記窒化化合物半導体は、周期表の第３族および／または第５族の元素との窒化化合物である、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項５】
前記窒化化合物は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、またはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、である化合物のうち１つである、請求項４記載の半導体構成素子。
【請求項６】
前記半導体本体（１）は、ｐ型導電性の部分領域を有し、
前記コンタクト金属被覆部（４）は、該半導体本体（１）のｐ型導電性の部分領域の表面上に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項７】
前記保護層（３）は酸化シリコンまたは窒化シリコンを含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項８】
前記コンタクト金属被覆部（４）は水素透過性である、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項９】
前記コンタクト金属被覆部（４）は、パラジウム、白金、ニッケルまたは金を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項１０】
前記コンタクト金属被覆部（４）は、相互に隣接して配置された複数の凹入部（８）を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項１１】
前記凹入部（８）は、ブリッジ（９）によって相互に分離されており、
前記ブリッジ（９）は、１μｍ〜５μｍの間の幅を有する、請求項１０記載の半導体構成素子。
【請求項１２】
前記コンタクト金属被覆部の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍの間である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項１３】
前記コンタクト金属被覆部の厚さは、１００ｎｍ〜５μｍの間である、請求項１０または１１記載の半導体構成素子。
【請求項１４】
保護層（３）の凹入部（５）は俯瞰的に見て、コンタクト金属被覆部（４）の凹入部（８）とオーバーラップしている、請求項１０，１１または１３記載の半導体構成素子。
【請求項１５】
前記保護層（３）の凹入部（５）および前記コンタクト金属被覆部（４）の凹入部（８）は同一の形を有しており、合同で相互に積層されて配置されている、請求項１４記載の半導体構成素子。
【請求項１６】
放射放出性の構成素子である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
【請求項１７】
ルミネセンスダイオード、たとえば発光ダイオードまたはレーザダイオードである、請求項１６記載の半導体構成素子。
【請求項１８】
コンタクト金属被覆部（４）は放射透過性である、請求項１６または１７記載の半導体構成素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による窒化物ベースの半導体構成素子に関する。
【０００２】
前記形式の半導体構成素子は、たとえばＵＳ５２１００５１に記載されている。ここでは、発光ダイオードのための半導体チップが開示されている。該半導体チップはＳｉＣ基板を含んでおり、このＳｉＣ基板上には、ｎ導電型の窒化ガリウム層が取り付けられた後にｐ導電型の窒化ガリウム層が取り付けられている。ｐ導電型の層とｎ導電型の層との間には放射放出性のｐｎ接合部が形成されており、このｐｎ接合部は動作時に青色光または紫色光を放出する。ｐ導電型の層上には、コンタクト金属被覆部が取り付けられている。
【０００３】
通常、このような半導体チップには保護層が設けられている。この保護層はとりわけ、コンタクト金属被覆部を腐食および機械的な損傷から保護するために使用される。前記機械的な損傷は、たとえばスクラッチである。さらに、半導体本体の表面上で電気的なスパークが抑圧される。このようなスパークはとりわけ、ｐｎ接合部が露出している表面の箇所において発生する。
【０００４】
確かにこのような保護層は、構成素子の電気的な特性を著しく損なうおそれがある。すなわち窒化ガリウムベースの発光ダイオードに関しては、順方向極性付けの際に順方向電圧が、保護層がない同様の構成素子と比較して１００％以上も上昇することが確認されている。このことは結果的に、保護層を有する構成素子の熱損失ないしは温度が格段に上昇することに繋がり、最終的には熱的な過負荷によって該構成素子が完全に破壊することにも繋がる。
【０００５】
本発明の課題は、冒頭に記載された形式の構成素子の保護層を改善することである。
【０００６】
前記課題は、請求項１による半導体構成素子または請求項２による半導体構成素子によって解決される。
【０００７】
本発明の第１の実施形態では、窒化化合物半導体を含む半導体本体と、コンタクト金属被覆部と、該コンタクト金属被覆部上に取り付けられた保護層とを有する次のような半導体構成素子を形成することが提案されている。すなわち、該保護層に複数の凹入部が設けられた半導体構成素子を形成することが提案されている。
【０００８】
本発明の第２の実施形態では、半導体構成素子には、窒化化合物半導体を含む半導体本体が含まれており、該半導体本体にはｐｎ接合部およびコンタクト金属被覆部が設けられており、該ｐｎ接合部の側方の境界は、該半導体本体の側面と同じとなっている。該半導体本体には保護層が設けられており、この保護層は、前記側面において露出しているｐｎ接合部が少なくとも部分的に該保護層によってカバーされるように配置されている。
【０００９】
窒化化合物半導体とは、ここではとりわけ、化学元素の周期表の第３主族および／または第５主族の元素の窒化化合物を指す。前記窒化化合物はたとえば、たとえばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、またはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。
【００１０】
ここでは、半導体本体とコンタクト金属被覆部との間の境界面の領域に存在する水素によって、構成素子の順方向電圧が不都合にも上昇してしまうことが判明している。半導体本体に従来の閉鎖的な保護層が設けられると、半導体本体に存在する水素が漏出できなくなり、たとえば半導体本体とコンタクト金属被覆部との間の境界面において蓄積され、結果的にコンタクト抵抗に悪影響が及ぼされ、ないしは順方向電圧が上昇してしまう。
【００１１】
それに対して本発明では、保護層は凹入部によって、または半導体本体を部分的にのみカバーすることによって、水素に対して透過性となり、水素は該半導体本体から漏出することができる。このことによって有利に、順方向電圧が格段に低減される。
【００１２】
有利には保護層として、酸化シリコン層または窒化シリコン層が使用される。本発明では、コンタクト金属被覆部として適しているのはたとえば、白金またはパラジウムを含む金属層である。さらに、金を含有する金属被覆部、ニッケルを含有する金属被覆部、パラジウム‐金合金またはパラジウム‐ニッケル合金も使用することができる。
【００１３】
本発明の有利な構成では、コンタクト金属被覆部は水素透過性に形成されている。このための第１の変形形態ではコンタクト金属被覆部は、相互に隣接して配置された複数の凹入部を有する。それゆえ、コンタクト金属被覆部によってカバーされた半導体本体の表面の割合が低減され、それに相応して、水素が通過して漏出できる露出された半導体表面の割合が増加される。有利にはこのことによって、構成素子の順方向電圧が低減される。放射放出性の構成素子では、コンタクト金属被覆部による半導体表面のカバーの割合が低減することによって放射取り出し率も上昇するという別の利点も得られる。
【００１４】
水素透過性のコンタクト金属被覆部の第２の変形形態では、該コンタクト金属被覆部は、水素が該コンタクト金属被覆部を通過できるように薄く形成されている。
【００１５】
ここでは、第２の変形形態の構造化されていない薄いコンタクト金属被覆部の特徴は、製造コストが低いということであるのに対し、第１の変形形態の比較的厚いコンタクト層は比較的頑強であり、場合によっては、たとえば保護層等の付加的な手段によって機械的な損傷から保護する必要がない。もちろん、双方の変形形態を組み合わせて、複数の凹入部を有する薄いコンタクト金属被覆部の形態で形成することもできる。
【００１６】
水素透過性の薄いコンタクト層としてたとえば、５ｎｍ〜２０ｎｍの間の厚さを有する白金層またはパラジウム層が使用される。それに対して、凹入部によって構造化された比較的厚いコンタクト層は、数マイクロメータまでの厚さを有することができる。
【００１７】
本発明はとりわけ、放射放出性の半導体構成素子、たとえばルミネセンスダイオードに適している。構造化された保護層と、構造化されるかまたは薄く形成されたコンタクト金属被覆部とによって、前記のように、放射取り出し率が上昇するという付加的な利点もともに得られる。さらに、たとえばレーザダイオードは比較的高い電流によって駆動されるので、順方向電圧を低減させることは、発生する熱損失および温度負荷に関して特に有利に作用する。
【００１８】
本発明の別の構成、利点および有効性を、複数の実施例に基づいて図１〜７と関連して以下で説明する。
【００１９】
図面
図１  本発明による構成素子の第１の実施例の概略的な断面図である。
【００２０】
図２  本発明による構成素子の第２の実施例の概略的な断面図である。
【００２１】
図３  本発明による構成素子の第３の実施例の概略的な断面図である。
【００２２】
図４  本発明による構成素子の第３の実施例の概略的な平面図である。
【００２３】
図５  本発明による構成素子の第４の実施例の７つの変形形態である。
【００２４】
図６  従来技術による構成素子と比較して、異なる製造ステップにおける本発明の構成素子の順方向電圧を図示している。
【００２５】
図７  従来技術による構成素子と比較して、異なる製造ステップにおける本発明の構成素子の順方向電圧を図示している。
【００２６】
同一の要素および同機能の要素には、図面において同一の参照記号が付与されている。
【００２７】
図１に示された本発明による構成素子の実施例は半導体本体１を有しており、この半導体本体１は基板２の表面７上に取り付けられている。基板２と反対側の主面９では、半導体本体１にコンタクト金属被覆部４が設けられている。さらに、半導体本体１内にｐｎ接合部６が形成されている。このｐｎ接合部６は、実質的に基板表面７に対して平行に配置されており、主面９から基板表面７まで延在する半導体本体１の側面１０まで延在している。
【００２８】
半導体本体１は、有利には多層で形成されている。個々の層はここでは、たとえばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、０≦ｘ≦１、またはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１等の窒化化合物半導体を含む。
【００２９】
ｐｎ接合部を形成するため、半導体本体ないしは半導体本体に含まれている半導体層シーケンスには、基板の向かい側の面に部分的にｎ型ドーピングされており、基板と反対側の面にはｐ型ドーピングされている。ｎ型ドーピングとして適しているのはたとえばシリコンであり、ｐ型ドーピングとして適しているのはたとえばマグネシウムである。このような半導体層は、適切な基板上にエピタキシャル成長によって形成される。この適切な基板は、有利には炭化シリコン基板またはサファイア基板である。
【００３０】
コンタクト金属被覆部４として適しているのは、とりわけ白金金属層またはパラジウム金属層である。これらの金属層の特徴は、水素透過性が比較的高いことである。ここに図示された実施例では、コンタクト金属被覆部４は構造化されずに、半導体本体１の主面９上に形成されている。コンタクト金属被覆部はここでは、水素に対して十分な透過性を有するように薄く形成されている。ここで適しているのは、とりわけ５ｎｍ〜２０ｎｍの間の層厚さである。
【００３１】
半導体本体には、全ての面に保護層３が設けられている。この保護層３は、たとえば酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る。保護層３は、機械的な損傷からコンタクト金属被覆部を保護するものとして使用される。このことはとりわけ、上記の薄いコンタクト金属被覆部に対して目的に適っている。そうでなければこのような薄いコンタクト金属被覆部において、製造時にすでに、後続の処理ステップによる損傷の危険が発生してしまう。
【００３２】
さらに保護層３は、半導体本体１の側面１０にて露出しているｐｎ接合部６をカバーし、該半導体本体の側面においてｎ導電型の側とｐ導電型の側との間で電気的なスパークが発生するのを阻止する。
【００３３】
保護層３内には、相互に隣接する複数の凹入部５が形成されている。これらの凹入部５によって、保護層３が水素に対して透過性であり、半導体本体１からの水素の流出を妨害しないことが保証される。
【００３４】
本発明は、水素汚染を伴う半導体本体に対して特に有利である。とりわけ、たとえば窒化ガリウムをベースとする窒化物ベースの半導体本体は、しばしばある程度の水素残留含有量を有する。
【００３５】
確かに、半導体本体に残留する水素残留含有量は、製造の枠内で適切な手法によって排除することもできる。しかし、このことは付加的な製造コストに繋がる。さらに、水素を半導体本体からこのように排除することにより、別の構成素子特性に対して悪影響が及ぼされ、さらに技術的な問題が発生してしまう。
【００３６】
水素含有量に起因する特別な問題は、半導体本体内に存在する水素は、温度が比較的高いと可動化されることがあることである。この温度はたとえば、構成素子の製造中または動作中に比較的高くなることがある。可動化されたこの水素が、半導体本体のマグネシウムドーピングされた領域に蓄積されると、マグネシウム欠陥箇所と結合しやすくなる。それゆえ、この欠陥箇所の電気的な活性化が阻害され、マグネシウム欠陥箇所がｐ型電荷担体を放出しなくなるという結果になる。このことは最終的に、上記の構成素子の順方向電圧の上昇の原因となる。
【００３７】
さらに水素は、窒化ガリウムベースの半導体本体のマグネシウムドーピングされた領域に蓄積しやすいことが判明している。
【００３８】
このような半導体本体が閉鎖的な保護層によってカバーされると、この保護層は、半導体本体内に閉じこめられた水素に対するバリアとして作用し、順方向電圧の不都合な上昇を助長してしまう。それに対して本発明では、保護層が凹入部によって水素透過性であることが保証される。それに相応して順方向電圧の上昇は、従来技術による構成素子の場合より格段に抑制される。本発明の別の利点は、温度負荷の際にも、上記の水素蓄積が回避されるか、または少なくとも低減されることである。それゆえ本発明による構成素子は、製造時にも動作時にも、従来技術による構成素子より高い温度負荷にさらすことができる。
【００３９】
図２には、本発明による構成素子の第２の実施例が示されている。第１の実施例とは異なり、ここではコンタクト金属被覆部４は比較的厚く形成されており、該コンタクト金属被覆部４には、相互に隣接する複数の凹入部８が設けられている。有利にはこの実施例では、全面積にわたって水素透過性ではないコンタクト金属被覆部も使用される。このようなコンタクト金属被覆部は、たとえば１μｍより大きな厚さを有する金コンタクト金属被覆部である。さらに、コンタクト金属被覆部の厚さおよび製造公差を第１の実施例の場合よりも大きく選択することができるので、コンタクト金属被覆部４を取り付けるための製造コストが低減される。
【００４０】
コンタクト金属被覆部の水素透過性は第２の実施例では、コンタクト金属被覆部４の凹入部８によって保証される。有利には、保護層３の凹入部５は俯瞰的に見て、コンタクト金属被覆部４の凹入部８と合同であるか、または少なくともオーバーラップするように配置されているか、ないしはこの断面図のようにコンタクト金属被覆部４の凹入部８上に配置されている。
【００４１】
図３には、本発明による構成素子の第３の実施例が概略的に断面図で示されており、図４はこれと関連する平面図である。
【００４２】
この実施例では、基板２から半導体本体１の主面９まで延在する側面２のみが保護層３によってカバーされている。こうすることによって、側面１０にて露出しているｐｎ接合部６はカバーされ、この領域において電気的なスパークが発生する危険性が低減される。
【００４３】
半導体本体１の主面９上のコンタクト金属被覆部は十分に厚く形成されているので、機械的な損傷から保護するものとしての保護層は必要ない。ここで適しているのは、とりわけ１００ｎｍ〜数マイクロメータの厚さを有するコンタクト層である。
【００４４】
コンタクト金属被覆部の水素透過性は、俯瞰的に見て円形の凹入部８をコンタクト金属被覆部に設けることによって保証される。有利には、コンタクト金属被覆部のための材料としてここでも白金またはパラジウムが使用される。図３および図４に示された実施例は、本発明の上記の第２の実施形態に相応する。
【００４５】
図５は、保護層の凹入部５ないしはコンタクト金属被覆部の凹入部８の配置の７つの変形形態を示している。この凹入部は、たとえば六角形、図５ａ、正方形、図５ｂ、または円形、図５ｃ、で形成される。凹入部はそれぞれ、ラスタ状に相互に隣接して配置されており、幅ｗを有するブリッジ９によって相互に分離されている。ここでは、１μｍ〜４μｍの間の幅ｗを有するブリッジが、コンタクト金属被覆部の水素透過性に関して特に有利であることが判明している。
【００４６】
さらに凹入部は、十字、図５ｂ、Ｔ字形開口部、図５ｅ、矩形、図５ｆ、または細長いスロット、図５ｇ、の形態で形成することもできる。図５ｄ、５ｅ、５ｆおよび５ｇに示された変形形態では、コンタクト金属被覆部の各凹入部に単位セル１８が割り当てられている。凹入部の配置の密度を可能な限り高くするため、単位セル１８は全面的にラスタ状に相互に隣接して配置されている。
【００４７】
図６には本発明による構成素子の順方向電圧が、製造時の異なる処理ステップに依存して、従来技術による構成素子と比較して示されている。横軸上のポイント１は、閉鎖的な保護層を有する構成素子を示している。ポイント２の場合、本発明による構成素子において保護層に開口が設けられている。すなわち、複数の凹入部が保護層に形成されている。ポイント３は、３００℃で２０分の持続時間にわたる熱処理を示している。
【００４８】
線１１ないしは所属の測定値は、本発明による構成素子の順方向電圧を示しており、線１２および所属の測定値は、従来技術による構成素子の相応する順方向電圧を示している。これらの構成素子は基本的に、図２に示された構造を有しており、コンタクト金属被覆部には、図５ｄによる複数の十字形の凹入部が形成されている。本発明による構成素子の場合、横軸上のポイント２において、コンタクト金属被覆部の構造が保護層の構造に複製され、コンタクト金属被覆部の領域における保護層のカバー率が、当初の１００％から４２％まで低減される。従来技術の構成素子では、保護層のこのような開口部は設けられていない。
【００４９】
ここに図示されているように、従来技術による構成素子では熱処理後、順方向電圧が当初の約４Ｖから９Ｖ以上まで上昇する。このことによって、該構成素子の完全破壊が引き起こされてしまう。それに対して本発明による構成素子、線１１および所属の測定値の場合、順方向電圧は実質的に一定である。
【００５０】
図７には同様に、本発明による構成素子の順方向電圧が従来技術による構成素子と比較して示されている。横軸上にプロットされたポイント２，３，４および５は、構成素子の３００℃で２０分、３５０℃で１５分、３５０℃で４５分、および３５０℃で１２０分にわたるさらなる熱処理に相応する。
【００５１】
ここでも、従来技術による構成素子の順方向電圧、線１４および所属の測定値が、約９Ｖまで格段に上昇しているのが確認できる。このような順方向電圧によって、構成素子が完全破壊してしまう。それに対して本発明による構成素子、線１３および所属の測定値の場合、順方向電圧は実質的に一定のままである。
【００５２】
ここに示された実施例に基づく本発明の説明はもちろん、本発明を該実施例に限定するものではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による構成素子の第１の実施例の概略的な断面図である。
【図２】本発明による構成素子の第２の実施例の概略的な断面図である。
【図３】本発明による構成素子の第３の実施例の概略的な断面図である。
【図４】本発明による構成素子の第３の実施例の概略的な平面図である。
【図５】本発明による構成素子の第４の実施例の７つの変形形態である。
【図６】従来技術による構成素子と比較して、異なる製造ステップにおける本発明の構成素子の順方向電圧を図示している。
【図７】従来技術による構成素子と比較して、異なる製造ステップにおける本発明の構成素子の順方向電圧を図示している。
【国際公開パンフレット】
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2005507179.tif 000004
2005507179.tif 000005
2005507179.tif 000006
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2005507179.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005507179.tif 000023
【国際調査報告】
2005507179.tif 000024
2005507179.tif 000025
2005507179.tif 000026
2005507179.tif 000027
2005507179.tif 000028
2005507179.tif 000029