(57)【要約】【課題】導電性を有する絶縁体層およびその製造方法ならびに基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要のない窒化物半導体素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】複数層を積層して形成された絶縁体層の上記積層方向に沿って複数の微小な貫通孔を形成して導電性を現出させるようにしたものであって、上記複数の貫通孔の少なくとも一部は、上記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われていないようにした。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層を積層して形成された絶縁体層の前記積層方向に沿って複数の微小な貫通孔を形成して導電性を現出させた
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項２】
請求項１に記載の導電性を有する絶縁体層において、
前記複数の貫通孔の少なくとも一部は、前記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われていない
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項３】
請求項１に記載の導電性を有する絶縁体層において、  
前記複数の貫通孔の少なくとも一部は、前記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われている
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項４】
請求項１に記載の導電性を有する絶縁体層において、  
前記複数の貫通孔の少なくとも一部は、前記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の内部が埋められている
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項５】
請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の導電性を有する絶縁体層において、  前記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の導電性を有する絶縁体層において、前記導電体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層。
【請求項７】
金属材料よりなる複数の突起を有する基板上に絶縁体層を結晶成長させて積層することにより、前記突起上部に前記積層方向に沿って複数の微小な貫通孔を形成した導電性を有する絶縁体層を製造する
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の導電性を有する絶縁体層の製造方法において、
前記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、
前記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、前記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われていない
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の導電性を有する絶縁体層の製造方法において、  
前記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、
前記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、前記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われている
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の導電性を有する絶縁体層の製造方法において、  
前記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、
前記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、前記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の内部が埋められている
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項１１】
請求項７、８、９または１０のいずれか１項に記載の導電性を有する絶縁体層の製造方法において、前記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項１２】
請求項７、８、９、１０または１１のいずれか１項に記載の導電性を有する絶縁体層の製造方法において、
前記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする導電性を有する絶縁体層の製造方法。
【請求項１３】
基板上に発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有し、深紫外光を出力する窒化物半導体素子であって、
ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備えるｎ＋基板である前記基板と、
前記基板上に配置された金属材料よりなる粒子状の突起と、
前記突起上部に層の積層方向に沿って穿設された複数の微小な貫通孔を有して導電性を備えるｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に配置されたｐ型電極と
を有して構成されるものであり、
素子全体にわたり導電性を有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１５】
請求項１３または１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、
前記窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１６】
基板上に発光層を挟むようにして積層する窒化物半導体層を形成させ、深紫外光を出力する窒化物半導体素子の製造方法であって、
ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備えるｎ＋基板である前記基板を形成し、
前記基板上に形成された金属材料よりなる複数の突起を形成し、
前記突起を有する基板上にｎ型窒化物半導体を結晶成長させることにより、前記突起の上部に層の積層方向に沿って穿設された複数の微小な貫通孔を備え、かつ、導電性を有するｎ型窒化物半導体層を形成し、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を形成し、
前記窒化物半導体層上に配置されたｐ型電極を形成する
ことを特徴とし、
素子全体にわたり導電性を有する窒化物半導体素子を製造する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成される
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性を有する絶縁体層およびその製造方法ならびに窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、即ち、窒化物半導体を用いた電流注入型発光素子として、所謂、ｐ型電極とｎ型電極とが基板の上面側から配置された横型発光ダイオードと、ｐ型電極が基板の上面側から配置されるとともにｎ型電極が基板の下面側から配置された縦型発光ダイオードが知られている。
【０００３】
ここで、図１には、横型発光ダイオードの構造の一例が示されており、この図１に示す横型発光ダイオード１００は、深紫外波長域の光を出力するように構成された横型発光ダイオード、即ち、横型深紫外発光ダイオードである。
【０００４】
この横型発光ダイオード１００は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などを用いてケイ素もしくはサファイアよりなる基板１０２上にバッファー層としてＡｌＮバッファー層１０４を結晶成長させ、さらにＡｌＮバッファー層１０４上にエピタキシャルに組成の異なる窒化物半導体層としてＡｌＮ層１０６を結晶成長させ、さらにＡｌＮ層１０６上にｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＡｌＧａＮ層１０８を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上に発光層としてＡｌＧａＮ  ＭＱＷ（多重量子井戸）層１１０を結晶成長させ、さらにＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層１１０上に組成の異なるｐ型窒化物半導体層としてｐ−ＡｌＧａＮ層１１２を結晶成長させ、さらにｐ−ＡｌＧａＮ層１１２上にｐ−ＧａＮ層１１４を結晶成長させて、多層膜の積層構造を有している。
【０００５】
また、ｎ型電極１１６は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上に形成されており、一方、ｐ型電極１１８は、ｐ−ＧａＮ層１１４上に形成されている。
【０００６】
こうした横型発光ダイオード１００は、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極１１６とｐ型電極１１８とに電流を流すことにより発光し、ｐ−ＧａＮ層１１４の上面側から深紫外波長域の光Ｌ１が出力される。
【０００７】
なお、ｎ型電極１１６を形成する際には、基板１０２が絶縁性基板であるため、結晶成長によりｐ−ＧａＮ層１１４まで各層がサファイア基板１０２上に形成された結晶を、上方向から部分的にｎ型窒化物半導体層たるｎ−ＡｌＧａＮ層１０８が露出するまでエッチングし、部分的に表面に露出したｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上にｎ型電極１１６を形成する。
【０００８】
また、この横型発光ダイオード１００を作製する際における結晶成長においては、基板１０２と窒化物半導体層との結晶格子不整合を緩和させて良質の窒化物半導体層を結晶成長させるために、上記において説明したように、基板１０２上にバッファー層としてＡｌＮバッファー層１０４を設けており、また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１１２上には良質のｐ接合を得るために接合層としてｐ−ＧａＮ層１１４を結晶成長させて形成している。
【０００９】
しかしながら、上記において説明したような横型発光ダイオードにおいては、ｎ型電極を形成するために結晶を一部エッチングする必要があるので、その製作工程はエピタキシャル成長が難しく、煩雑かつ複雑なものとなっていた。
【００１０】
そのため、製作コストが上昇し、できあがった横型発光ダイオードは高価であるという問題点が指摘されていた。
【００１１】
また、ｎ型電極とｐ型電極とを横に並べて配置する構造となっているため、結晶の面積が大きくなるという問題点が指摘されていた。
【００１２】
上記した横型発光ダイオードにおける問題点に鑑みて、近年においては、ｐ型電極が基板の上面側から配置されるとともにｎ型電極が基板の下面側から配置された縦型発光ダイオードが提案されている。
【００１３】
ここで、図２には、縦型発光ダイオードの構造の一例が示されており、この図２に示す縦型発光ダイオード２００は、深紫外波長域の光を出力するように構成されている。
【００１４】
なお、図２に示す縦型発光ダイオード２００において、図１に示す横型発光ダイオード１００の構成と同一または相当する構成については、図１において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００１５】
即ち、縦型発光ダイオード２００は、横型発光ダイオード１００の場合と同様にｐ型窒化物半導体層よりなる接合層であるｐ−ＧａＮ層２１４まで結晶成長によりサファイア基板２０２上に各層が形成された結晶について、絶縁体であるサファイア基板２０２をレーザー剥離などの技術を用いて剥離するとともに、ＡｌＮバッファー層２０４およびＡｌＮ層２０６をエッチングしてｎ型窒化物半導体層であるｎ−ＡｌＧａＮ層２０８を露出させて、露出したｎ−ＡｌＧａＮ層２０８の表面にストライプ状にｎ型電極２１６を形成している。
【００１６】
即ち、サファイア基板２０２の下面側からｎ型窒化物半導体層たるｎ−ＡｌＧａＮ層２０８にｎ型電極２１６を形成するようにして、ＬＥＤ構造を構成したものである。
【００１７】
なお、ｐ型電極２１８については、上記した横型発光ダイオード１００と同様な構成を備えているものである。
【００１８】
こうした縦型発光ダイオード２００が、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極２１６とｐ型電極２１８とに電流を流すことにより発光し、ｎ−ＡｌＧａＮ層２０８の下面側から光Ｌ２が出力される。
【００１９】
上記した従来の縦型発光ダイオード２００は、絶縁体である基板をレーザー剥離などの技術を用いて剥離したり、バッファー層などをエッチングする必要があり、この剥離やエッチングにより窒化物半導体層に損傷が起こり欠陥が生成されるため発光ダイオードの品質が悪くなるという問題点が指摘されていた。
【００２０】
また、上記した従来の横型発光ダイオードおよび縦型発光ダイオードの基板としては、サファイアの他にケイ素（Ｓｉ）より形成されるものが知られている。ケイ素よりなる基板は、サファイア基板よりも安価であるため、製作コストが上昇するという問題点は生じないものの、製作段階で基板に反りやクラックが生じやすいという問題点があった。
【００２１】
しかしながら、上記ケイ素基板は、導電性があるため、ｎ型電極を取り付ける代わりにケイ素基板をｎ型電極として利用する縦型発光ダイオードが開発されているが、こうした縦型発光ダイオードが出力する光は可視領域の光に限られていた。
【００２２】
また、これまでに、紫外発光ダイオードおよび深紫外発光ダイオードにおいて用いられるＡｌＮおよびＡｌＧａＮでは、ＡｌＮ層はケイ素がドープされにくく、絶縁体のままであるが、ＡｌＧａＮ層ではケイ素をドープすることにより導電性を有するようになることが知られていた。
【００２３】
そのため、結晶の加工が必要な横型発光ダイオードや、絶縁体部分を剥離することが必要な縦型発光ダイオードを用いることなく、ＡｌＮバッファー層およびＡｌＮ層に電流を流せるような新たな技術の開発が望まれていた。
【００２４】
なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、従来の技術の上記したような種々の問題点や要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導電性を有する絶縁体層およびその製造方法ならびに基板を剥離することやバッファー層などをエッチングする必要のない窒化物半導体素子およびその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記目的を達成するために、本発明は、絶縁体層に微小な貫通孔を形成することで導電性を現出させたものであり、これにより、例えば、ｎ型電極を用いずに発光素子を構成することができるようになる。
【００２７】
即ち、本発明によれば、例えば、基板としてｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えた基板（なお、本明細書においては、こうしたｎ型不純物を高濃度でドーピングされた導電性を備えた基板を「ｎ＋基板」と称する。）を用いて、このｎ＋基板上に形成される絶縁層であるＡｌＮ層に導電性を持たせることができ、これによりｎ＋基板でｎ型電極を代用可能であるため、基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要がない。
【００２８】
従って、基板の剥離やバッファー層などのエッチングによるｎ型窒化物半導体層への欠陥生成の恐れがなくなるとともに、素子作製プロセスがきわめて簡易になり、作製コストを低減することができるようになる。
【００２９】
また、本発明によれば、例えば、ｎ＋基板上に形成するバッファー層上に積層する窒化物半導体層に微小な貫通孔が複数形成されるため、その貫通孔によって結晶成長中に発生するひずみを緩和して、当該窒化物半導体層上に積層される窒化物半導体層にクラックが入らないようになる。
【００３０】
即ち、本発明は、複数層を積層して形成された絶縁体層の上記積層方向に沿って複数の微小な貫通孔を形成して導電性を現出させるようにしたものである。
【００３１】
また、本発明は、上記した発明において、上記複数の貫通孔の少なくとも一部は、上記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われていないようにしたものである。
【００３２】
また、本発明は、上記した発明において、上記複数の貫通孔の少なくとも一部は、上記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われているようにしたものである。
【００３３】
また、本発明は、上記した発明において、上記複数の貫通孔の少なくとも一部は、上記導電性を有する絶縁体層の上面に形成された導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の内部が埋められているようにしたものである。
【００３４】
また、本発明は、上記した発明において、上記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明は、上記した発明において、上記導電体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００３６】
また、本発明は、金属材料よりなる複数の突起を有する基板上に絶縁体層を結晶成長させて積層することにより、上記突起上部に上記積層方向に沿って複数の微小な貫通孔を形成した導電性を有する絶縁体層を製造するようにしたものである。
【００３７】
また、本発明は、上記した発明において、上記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、上記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、上記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われていないようにしたものである。
【００３８】
また、本発明は、上記した発明において、上記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、上記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、上記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の周壁面が覆われているようにしたものである。
【００３９】
また、本発明は、上記した発明において、上記絶縁体層の上面に導電性材料を結晶成長させて導電体層を形成するものであって、上記複数の微小な貫通孔の少なくとも一部は、上記導電体層により貫通孔の上面が覆われており、かつ、貫通孔の内部が埋められているようにしたものである。
【００４０】
また、本発明は、上記した発明において、上記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００４１】
また、本発明は、上記した発明において、上記導電性を有する絶縁体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００４２】
また、本発明は、基板上に発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有し、深紫外光を出力する窒化物半導体素子であって、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備えるｎ＋基板である上記基板と、上記基板上に配置された金属材料よりなる粒子状の突起と、上記突起上部に層の積層方向に沿って穿設された複数の微小な貫通孔を有して導電性を備えるｎ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層と、上記窒化物半導体層上に配置されたｐ型電極とを有して構成されるものであり、素子全体にわたり導電性を有するようにしたものである。
【００４３】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００４４】
また、本発明は、上記した発明において、上記窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００４５】
また、本発明は、基板上に発光層を挟むようにして積層する窒化物半導体層を形成させ、深紫外光を出力する窒化物半導体素子の製造方法であって、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備えるｎ＋基板である上記基板を形成し、上記基板上に形成された金属材料よりなる複数の突起を形成し、上記突起を有する基板上にｎ型窒化物半導体を結晶成長させることにより、上記突起の上部に層の積層方向に沿って穿設された複数の微小な貫通孔を備え、かつ、導電性を有するｎ型窒化物半導体層を形成し、上記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を形成し、上記窒化物半導体層上に配置されたｐ型電極を形成することを特徴とし、素子全体にわたり導電性を有する窒化物半導体素子を製造するようにしたものである。
【００４６】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層は、ＡｌＮ、ＢＮまたはＳｉＣのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【００４７】
また、本発明は、上記した発明において、上記窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮまたはダイアモンドのいずれかの材料より形成されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００４８】
本発明は、以上説明したように構成されているので、導電性を有する絶縁体層およびその製造方法ならびに基板を剥離することやバッファー層などをエッチングする必要のない窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、深紫外波長域の光を出力する従来の横型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図２】図２は、深紫外波長域の光を出力する従来の縦型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図３】図３は、深紫外波長域の光を出力する本発明の実施の形態の一例による窒化物半導体素子を利用した縦型の深紫外発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図４】図４（ａ）は、図３に示す深紫外発光ダイオードの概略要部断面斜視説明図であり、図４（ｂ）は、深紫外発光ダイオードのｎ−ＡｌＮ層の表面を光学顕微鏡で観察した光学顕微鏡写真である。
【図５】図５（ａ）は、図３に示す深紫外発光ダイオードの概略要部断面斜視説明図であり、図５（ｂ）は、深紫外発光ダイオードのｎ−ＡｌＧａＮ層の表面を光学顕微鏡で観察した光学顕微鏡写真である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態の一例による深紫外発光ダイオードの断面を電子顕微鏡で観察した電子顕微鏡写真である。
【図７】図７（ａ）は、ＴＭＡガス流量を４ＳＣＣＭで結晶成長した場合のｎ−ＡｌＮ層表面を光学顕微鏡で観察した際の光学顕微鏡写真であり、図７（ｂ）は、ＴＭＡガス流量を６ＳＣＣＭで結晶成長した場合のｎ−ＡｌＮ層表面を光学顕微鏡で観察した際の光学顕微鏡写真であり、図７（ｃ）は、ＴＭＡガス流量を７ＳＣＣＭで結晶成長した場合のｎ−ＡｌＮ層表面を光学顕微鏡で観察した際の光学顕微鏡写真であり、図７（ｄ）は、ＴＭＡガス流量を８ＳＣＣＭで結晶成長した場合のｎ−ＡｌＮ層表面を光学顕微鏡で観察した際の光学顕微鏡写真である。
【図８】図８は、結晶成長時のＴＭＡガスの流量と形成されるビアホールの総面積との関係を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態の一例による窒化物半導体素子を利用した深紫外発光ダイオードの一部であるサンプルに対して導電性を測定する際の装置構成を示す概略構成説明図である。
【図１０】図１０は、ビアホールの総面積とサンプルに生じる抵抗との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態の一例による窒化物半導体素子を利用した深紫外発光ダイオードの逆電圧電流特性を示す特性図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態の一例による窒化物半導体素子を利用した深紫外発光ダイオードの電流電圧特性を示す特性図である。
【図１３】図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、ビアホールの内部の状態を模式的に示した概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による導電性を有する絶縁体層およびその製造方法ならびに窒化物半導体素子およびその製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００５１】
なお、以下の説明においては、導電性を有する絶縁体層を利用した窒化物半導体素子の一例として、深紫外発光ダイオードについて説明することとする。
【００５２】
ここで、図３には本発明の実施の形態の一例による導電性を有する絶縁体層を利用した深紫外発光ダイオードの構造の一例が示されている。
【００５３】
なお、図３に示す深紫外発光ダイオード１０は縦型発光ダイオードであり、深紫外波長域の光を出力するように構成された深紫外発光ダイオードである。
【００５４】
この深紫外発光ダイオード１０は、ｎ＋基板として、例えば、ｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えたＳｉ基板（なお、本明細書においては、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされた導電性を備えたＳｉ基板を、「ｎ＋−Ｓｉ基板」と称する。）１２と、ｎ＋−Ｓｉ基板１２の上面側に形成されるＡｌよりなる微小サイズの複数の突起１４（バッファー層）と、複数の突起１４の上方側に形成されるｎ−ＡｌＮ層１６と、ｎ−ＡｌＮ層１６の上方側に形成されるｎ−ＡｌＧａＮ層１８と、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８の上方側に形成されるＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０と、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０の上方側に形成されるｐ−ＡｌＧａＮ層２２と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２の上方側に形成されるｐ−ＧａＮ層２４と、ｐ−ＧａＮ層２４の上方側に形成されるｐ型電極２６とを積層して構成される。
【００５５】
そして、突起１４を有するｎ＋−Ｓｉ基板１２上にｎ−ＡｌＮ層１６とｎ−ＡｌＧａＮ層１８とを積層する際に、複数の突起１４の上部に微小な貫通孔として複数の自然形成ビアホール（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｖｉａ  Ｈｏｌｅ：以下、単に「ビアホール」と称する。）２８が形成される。こうしたビアホール２８は、長さが、例えば、１〜２μｍの孔であり、ｎ−ＡｌＮ層１６とｎ−ＡｌＧａＮ層１８とを貫通して形成されるものである。
【００５６】
この深紫外発光ダイオード１０は、上面側から深紫外光Ｌ３を発光する縦型の深紫外発光ダイオードである。
【００５７】
以下に、深紫外発光ダイオード１０の構成についてさらに詳細に説明する。
【００５８】
はじめに、基板としては、上記したようにｎ＋−Ｓｉ基板１２を用いているが、このｎ＋−Ｓｉ基板１２の厚さは、例えば、１００μｍから５０００μｍとすることが好ましい。
【００５９】
次に、ｎ＋−Ｓｉ基板１２表面上に、図４（ａ）に示すようなＡｌよりなる突起１４を配置する。
【００６０】
こうした突起１４は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ＋−Ｓｉ基板１２表面上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを導入することにより形成される。
【００６１】
具体的には、ＴＭＡガス流量を４〜１０ＳＣＣＭとして、６０秒〜２００秒間導入した。
【００６２】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、７００〜１０００℃とした。
【００６３】
ここで、図４（ａ）には、ｎ＋−Ｓｉ基板１２表面上に形成された複数の突起１４を示している。図示されているように、突起１４は、それぞれ異なる大きさと形状でランダムに配置される。
【００６４】
また、突起１４の粒子の大きさは、ＴＭＡガスの流量、即ち、アルミニウムの流量を変化させることにより制御することが可能である。そして、この突起１４の大きさと数が、後述するビアホール２８の形成に影響するものであるが、それについては後に詳述する。
【００６５】
こうした突起１４が、深紫外発光ダイオード１０のバッファー層となる。
【００６６】
次に、ｎ＋−Ｓｉ基板１２表面の突起１４の上方側に、ｎ−ＡｌＮ層１６を形成する。
【００６７】
ｎ−ＡｌＮ層１６も、ＭＯＣＶＤ法により、突起１４上に、ＴＭＡガス、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）ガスおよびアンモニア（ＮＨ３）ガスを導入することによりｎ−ＡｌＮを結晶成長させる。
【００６８】
ここで、各ガスの流量としては、ＴＭＡガスを１１〜５０ＳＣＣＭ、ＴＥＳｉガスを２０〜１００ＳＣＣＭ、ＮＨ３ガスを５００〜５０００ｓｌｍとし、１０００秒〜６０００秒間導入した。
【００６９】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、８００℃〜１２００℃とした。
【００７０】
次に、上記の方法で形成したｎ−ＡｌＮ層１６上にｎ−ＡｌＧａＮ層１８を形成する。
【００７１】
ｎ−ＡｌＧａＮ層１８は、ＴＭＡガス、ＴＥＳｉガス、ＮＨ３ガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを用いてＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
【００７２】
各ガスの流量としては、ＴＭＡガスを１１〜５０ＳＣＣＭ、ＴＥＳｉガスを２０〜１００ＳＣＣＭ、ＮＨ３ガスを５００〜５０００ｓｌｍ、ＴＭＧガスを１０〜５０ＳＣＣＭとし、１５００秒〜５０００秒間導入した。
【００７３】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、８００℃〜１２００℃とした。
【００７４】
次に、上記の方法で形成したｎ−ＡｌＧａＮ層１８上にＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０を形成する。
【００７５】
ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０は、ＴＭＡガス、ＮＨ３ガス、ＴＭＧガスを用いてＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
【００７６】
各ガスの流量としては、ＴＭＡガスを５〜５００ＳＣＣＭ、ＮＨ３ガスを１０００〜１００００ｓｌｍ、ＴＭＧガスを１０〜５００ＳＣＣＭとし、２０秒〜２００秒間導入した。
【００７７】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、１１００℃〜１２００℃とした。
【００７８】
次に、上記の方法で形成したＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０上に、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２を形成する。
【００７９】
ｐ−ＡｌＧａＮ層２２は、ＴＭＡガス、ＮＨ３ガス、ＴＭＧガスおよびＣｐ２Ｍｇガスを用いてＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
【００８０】
各ガスの流量としては、ＴＭＡガスを５〜５００ＳＣＣＭ、ＮＨ３ガスを１０００〜１００００ｓｌｍ、ＴＭＧガスを１０〜５００ＳＣＣＭ、Ｃｐ２Ｍｇガス１０〜５００ＳＣＣＭとし、３０秒〜３００秒間導入した。
【００８１】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、１０００℃〜１１００℃とした。
【００８２】
次に、上記の方法で形成したｐ−ＡｌＧａＮ層２２上に、ｐ−ＧａＮ層２４を形成する。
ｐ−ＧａＮ層２４は、ＮＨ３ガス、ＴＭＧガス、Ｃｐ２Ｍｇガスを用いてＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
【００８３】
各ガスの流量としては、ＮＨ３ガスを１０００〜１００００ｓｌｍ、ＴＭＧガスを１０〜５００ＳＣＣＭ、Ｃｐ２Ｍｇガスを１０〜５００ＳＣＣＭとし、３０秒〜３００秒間導入した。
【００８４】
また、その際のＭＯＣＶＤ装置内の温度は、９００〜１０００℃とした。
【００８５】
そして、ｐ型電極２６は、ｐ−ＧａＮ層２４上に形成される。
【００８６】
ここで、深紫外発光ダイオード１０においては、ｎ＋−Ｓｉ基板１２の上方側から光を取り出すために、上記のようにして多層膜の積層構造を作製した後に、ｐ−ＧａＮ層２４がストライプ状を形成するようにエッチングされており、こうしたストライプ形状のｐ−ＧａＮ層２４上にｐ型電極２６が形成される。
【００８７】
また、ｎ＋−Ｓｉ基板１２には、下面にリード線を取るため、ｎ＋−Ｓｉ基板１２の下方側表面に直接金属箔３０を付ける。こうした金属箔３０としては、例えば、導電性材料よりなる箔や銀ペーストなどを用いることが可能である。
【００８８】
本実施の形態による深紫外発光ダイオード１０は、上記の方法により形成されるものであるが、こうした形成段階において、ｎ＋−Ｓｉ基板１２表面に形成された突起１４の上部にビアホール２８が形成される。
【００８９】
より詳細には、深紫外発光ダイオード１０は、突起１４を形成した後、ｎ−ＡｌＮ層１６およびｎ−ＡｌＧａＮ層１８を結晶成長させるが、そうした結晶成長中にｎ−ＡｌＮ層１６およびｎ−ＡｌＧａＮ層１８内部にビアホール２８が形成される。こうしたビアホール２８は、結晶成長過程で自然に形成されるものである。
【００９０】
ここで、図４（ａ）には、深紫外発光ダイオード１０のｎ＋−Ｓｉ基板１２、突起１４、ｎ−ＡｌＮ層１６を示した概略要部断面斜視説明図が示されている。
【００９１】
図４（ａ）においては、理解を容易にするためにｎ＋−Ｓｉ基板１２とｎ−ＡｌＮ層１６との間に間隙を設けて図示しているが、実際には間隙はなくｎ＋−Ｓｉ基板１２とｎ−ＡｌＮ層１６とは密接して形成されている。
【００９２】
ｎ−ＡｌＮ層１６の結晶成長過程において、突起１４上に複数のビアホール２８が形成される。
【００９３】
図４（ｂ）には、ｎ−ＡｌＮ層１６を観察した光学顕微鏡写真が示されている。
【００９４】
また、図５（ａ）には、深紫外発光ダイオード１０のｎ＋−Ｓｉ基板１２、突起１４、ｎ−ＡｌＮ層１６、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８を示した概略要部断面斜視説明図が示されている。
【００９５】
また、図５（ａ）においては、理解を容易にするためにｎ＋−Ｓｉ基板１２とｎ−ＡｌＮ層１６との間に間隙を設けて図示しているが、実際には間隙はなくｎ＋−Ｓｉ基板１２とｎ−ＡｌＮ層１６とは密接して形成されている。
【００９６】
図５（ａ）に図示されるように、ｎ−ＡｌＮ層１６において形成されたビアホール２８は、連続してｎ−ＡｌＧａＮ層１８内においても形成される。
【００９７】
また、図３および図５（ａ）に示すように、こうしたビアホール２８は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８内で収束し、長さが、例えば、１〜２μｍほどの孔となる。
【００９８】
ここで、図６には、ビアホール２８の電子顕微鏡写真が示されているが、ビアホール２８が、ｎ−ＡｌＮ層１６からｎ−ＡｌＧａＮ層１８へ貫通していることがわかる。
【００９９】
また、図５（ｂ）には、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８を観察した光学顕微鏡写真が示されている。こうしたｎ−ＡｌＧａＮ層１８の表面は、ビアホール２８が到達していないため、孔のないなめらかな面となっている。
【０１００】
次に、深紫外発光ダイオード１０が有する突起１４を作製する際にＭＯＣＶＤ装置内に流すＴＭＡガスの流量と突起１４の大きさとの関係について、図７を参照しながら説明する。
【０１０１】
図７（ａ）は、ｎ−ＡｌＮ層１６の形成時にＭＯＣＶＤ装置内に流すＴＭＡガス流量を４ＳＣＣＭとした場合のｎ−ＡｌＮ層１６表面の光学顕微鏡写真を示しており、また、図７（ｂ）は、ｎ−ＡｌＮ層１６の形成時にＭＯＣＶＤ装置内に流すＴＭＡガス流量を６ＳＣＣＭとした場合のｎ−ＡｌＮ層１６表面の光学顕微鏡写真を示しており、また、図７（ｃ）は、ｎ−ＡｌＮ層１６の形成時にＭＯＣＶＤ装置内に流すＴＭＡガス流量を７ＳＣＣＭとした場合のｎ−ＡｌＮ層１６表面の光学顕微鏡写真を示しており、また、図７（ｄ）は、ｎ−ＡｌＮ層１６の形成時にＭＯＣＶＤ装置内に流すＴＭＡガス流量を８ＳＣＣＭとした場合の光学顕微鏡写真を示している。
【０１０２】
図７（ａ）の場合、ＴＭＡガス流量を４ＳＣＣＭとした。この条件下でｎ−ＡｌＮ層１６に形成されたビアホール２８は、エリア１とした領域内に、直径０．２μｍ以下のビアホールが最大３５個存在した。
【０１０３】
また、図７（ｂ）の場合、ＴＭＡガス流量を６ＳＣＣＭとした。この条件下でｎ−ＡｌＮ層１６に形成されたビアホール２８は、エリア２とした領域内に、直径０．３μｍ以下のビアホールが最大２８個存在した。
【０１０４】
また、図７（ｃ）の場合、ＴＭＡガス流量を７ＳＣＣＭとした。この条件下でｎ−ＡｌＮ層１６に形成されたビアホール２８は、エリア３とした領域内に、直径０．７μｍ以下のビアホールが最大８個存在した。
【０１０５】
また、図７（ｄ）の場合、ＴＭＡガス流量を８ＳＣＣＭとした。この条件下でｎ−ＡｌＮ層１６に形成されたビアホール２８は、エリア４とした領域内に、直径１μｍ以下のビアホールが最大１１個存在した。
【０１０６】
このように、ｎ−ＡｌＮ層１６形成時の流量が増えるにつれて、ｎ−ＡｌＮ層１６に形成されるビアホール２８の径が大きくなる（図８を参照する。）。
【０１０７】
以上の構成において、深紫外発光ダイオード１０を用いてｎ＋−Ｓｉ基板１２をｎ型電極の代わりとして深紫外光を発光することができる。
【０１０８】
ここで、本実施の形態による深紫外発光ダイオード１０のｎ＋−Ｓｉ基板１２の導電性について、以下に説明する。
【０１０９】
ｎ＋−Ｓｉ基板１２の導電性を測定するため、ｎ＋−Ｓｉ基板１２、突起１４、ｎ−ＡｌＮ層１６、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８を積層した状態の素子にプラス電極およびマイナス電極をつけて、導電性を測定した（図９を参照する。）。
【０１１０】
より詳細には、サンプルに電流を流した際に生じる抵抗値を測定した。測定により、素子に生じる抵抗は、ビアホール２８の総面積と関連していた。
【０１１１】
図１０には、ビアホール２８の総面積と抵抗との関係を示した特性図を図示している。
【０１１２】
こうした図１０に示される実験結果は、ビアホール２８の総面積が小さいほど抵抗が大きく、ビアホール２８の総面積が大きいほど抵抗が小さいことを示している。即ち、ビアホール２８の径により、生じる抵抗が変化することから、こうした図９に示す素子がビアホール２８を利用して導電性を有することがわかる。
【０１１３】
即ち、ビアホール２８形成時のＴＭＡガスの流量が多いと、生じる抵抗が小さいという結果が得られた。
【０１１４】
次に、図１１および図１２を参照しながら、導電性を有するサンプルを含有する本発明による深紫外発光ダイオードの特性について説明する。
【０１１５】
図１１には、本発明による深紫外発光ダイオードの逆電流電圧特性を示す特性図を示している。こうした逆電流電圧特性を見ると、降伏電流が観察される。
【０１１６】
また、図１２には、本発明による深紫外発光ダイオードの電流電圧特性を示す特性図を示している。
【０１１７】
こうした結果からも、本発明による深紫外発光ダイオードが、ｐ型電極２６からｎ＋−Ｓｉ基板１２まで導電性を有することが確認できる。
【０１１８】
ここで、図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しながら、ビアホール２８の内部について考察する。図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）には、ビアホール２８の内部の状態を模式的に示した概略説明図を示している。
【０１１９】
ビアホール２８の状態としては、図１３（ａ）に示すビアホール２８の上面がｎ−ＡｌＧａＮで覆われており、かつ、周壁面２８ａがｎ−ＡｌＧａＮで覆われていないもの（状態１）と、図１３（ｂ）に示すビアホール２８の上面がｎ−ＡｌＧａＮで覆われており、かつ、周壁面２８ａがｎ−ＡｌＧａＮで覆われているもの（状態２）と、図１３（ｃ）に示すビアホール２８の上面がｎ−ＡｌＧａＮで覆われており、かつ、内部がｎ−ＡｌＧａＮで埋められているもの（状態３）の３つの状態が存在すると考えられる。
【０１２０】
上記状態１のものは、ｎ−ＡｌＧａＮが持つ導電性とビアホール２８の周壁面２８ａのダングリングボンド（未結合手）による導電性によって電流が流れていると考えられる。
【０１２１】
また、状態２のものについても、ｎ−ＡｌＧａＮで覆われている部分から、ダングリングボンドにより導電性を得ていると考えられる。
【０１２２】
また、状態３のものについては、導電性のあるｎ−ＡｌＧａＮを通して電流が流れていると考えられる。
【０１２３】
これらの３つの状態は、単一の状態のみでもよいものであり、また、いずれか２つの状態でもよいものであり、また、３つの状態が混在していてもよいものである。
【０１２４】
以上において説明したように、導電性を有するｎ＋−Ｓｉ基板をｎ型電極として用いることが可能であるため、剥離工程やｎ型電極を取り付ける工程を行わずに、縦型の深紫外発光ダイオードを得ることができるようになる。
【０１２５】
そのため、剥離工程により素子に欠陥を生じさせることもなくなり、また、工程が減ることにより低コスト化が可能となる。
【０１２６】
また、ｎ＋−Ｓｉ基板がｎ型電極の代わりとなるため、素子の小型化が見込まれる。
【０１２７】
なお、上記した各実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形することができるものである。
【０１２８】
（１）上記した実施の形態においては、ｎ＋基板としてｎ＋−Ｓｉ基板を用いた例について説明したが、本発明においてｎ＋基板として用いることのできる基板はｎ＋−Ｓｉ基板に限られるものではなく、ｎ型不純物が高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えた各種材料よりなる基板、例えば、サファイアあるいはＡｌＮなどの基板を用いることができる。
【０１２９】
（２）上記した実施の形態においては、ビアホール２８が形成される絶縁体として、ＡｌＮを用いた例について説明したが、これに限られるものではないものであり、絶縁体としては、ＢＮやＳｉＣなどを用いることが可能である。また、導電体として、ＡｌＧａＮを用いた例について説明したが、これに限られるものではないものであり、導電体としては、ＡｌＢＮやダイアモンドなどを用いることが可能である。
【０１３０】
また、こうした絶縁体と導電体の組み合わせとしては、ＢＮとＡｌＢＮとを組み合わせたり、ＳｉＣとダイアモンドとを組み合わせることがより好ましい。
【０１３１】
（３）上記した実施の形態においては、基板上に突起を形成し、ＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層を結晶成長させることによりビアホールを形成させたが、これに限られるものではないものであり、基板上に結晶成長させたＡｌＮ層に対して、基板に到達するよう微小の貫通孔を穿設した後、ＭＯＣＶＤ法でＡｌＧａＮ層を結晶成長させても本発明による深紫外発光ダイオードにおけるビアホールと同等の効果が見込まれる。
【０１３２】
（４）上記した実施の形態においては、深紫外発光ダイオードの基板としてｎ＋−Ｓｉ基板を用いたが、これに限られるものではないものであり、サファイア基板を用いてもよいものである。
【０１３３】
また、サファイア基板を用いてビアホールを形成する場合には、サファイア基板にｎ−ＡｌＮに到達する貫通孔を穿設し、貫通孔内に例えば、アルミニウムのような導電性物質を流し込むことにより導電性を確保することが可能であり、こうした場合もｎ＋−Ｓｉ基板上に形成されたビアホールと同等の効果が見込まれる。
【０１３４】
（５）上記した実施の形態のいては、窒化物半導体素子を利用する例として深紫外発光ダイオードを用いたが、これに限られるものではないことは勿論あり、その他に、例えば、高圧トランジスターなどに用いることが可能である。
【０１３５】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す他の実施の形態は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明は、半導体素子として多様な用途で利用することができるものである。
【符号の説明】
【０１３７】
１０、２００      縦型発光ダイオード
１２      ｎ＋−Ｓｉ基板
１４      突起（バッファー層）
１６      ｎ−ＡｌＮ層
１８      ｎ−ＡｌＧａＮ層
２０      ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層
２２      ｐ−ＡｌＧａＮ層
２４      ｐ−ＧａＮ層
２６      ｐ型電極
２８      ビアホール
３０      金属箔    
１００      横型発光ダイオード
１０２      基板
１０４      ＡｌＮバッファー層
１０６      ＡｌＮ層
１０８      ｎ−ＡｌＧａＮ層
１１０      ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層
１１２      ｐ−ＡｌＧａＮ層
１１４      ｐ−ＧａＮ層
１１６      ｎ型電極
１１８      ｐ型電極
２０２      基板
２０４      ＡｌＮバッファー層
２０６      ＡｌＮ層
２０８      ｎ−ＡｌＧａＮ層
２１０      ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層
２１２      ｐ−ＡｌＧａＮ層
２１４      ｐ−ＧａＮ層
２１６      ｎ型電極
２１８      ｐ型電極
【図１】
2015176955.tif 000003
【図２】
2015176955.tif 000004
【図３】
2015176955.tif 000005
【図８】
2015176955.tif 000006
【図９】
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【図１０】
2015176955.tif 000008
【図１１】
2015176955.tif 000009
【図１３】
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【図４】
2015176955.tif 000011
【図５】
2015176955.tif 000012
【図６】
2015176955.tif 000013
【図７】
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【図１２】
2015176955.tif 000015