(57)【要約】【課題】半導体層の作製にエッチング工程が必要となり、これにより、半導体層に損傷を与えること。【解決手段】六方晶構造を有しかつ導電性を有する単結晶基板１０の一主面上に、発光部を含みＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）であらわされる窒化物半導体層を形成してなるとともに、この窒化物半導体層上に一方電極１７を形成してなり、かつ単結晶基板１０の他主面上に他方電極１８を形成してなる半導体装置とする。【選択図】  図１
2004349588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶構造を有しかつ導電性を有する単結晶基板の一主面上に、発光部を含みＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）であらわされる窒化物半導体層を形成してなるとともに、前記窒化物半導体層上に一方電極を形成し、かつ前記単結晶基板の他主面上に他方電極を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記単結晶基板は、ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒおよびＴｉの少なくとも１種を含む）であらわされる硼化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードや半導体レーザー等の半導体装置に関し、特に硼化物の単結晶基板に窒化物半導体層を形成させた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップを有するため、青色光あるいは紫色光の発光ダイオードや半導体レーザー、フォトディテクタなどの光素子用材料として利用されている。また、高周波や大電力に対応でき、しかも信頼性が高いので、高性能な電子素子用材料として注目されている。
【０００３】
従来、窒化物半導体に対して良好な格子整合が実現される適当な基板がなかったため、サファイア基板などの異種材料の基板を用いて、窒化物半導体をエピタキシャル成長させてきた。
【０００４】
しかしながら、例えばサファイア基板にＧａＮ膜を形成する場合、サファイア基板とＧａＮとでは両者の格子不整合が１３．８％、熱膨張係数の差が３．２×１０−６／Ｋであり、これらの不整合により、サファイア基板とＧａＮ膜の界面に結晶欠陥が生じやすく、これに伴いＧａＮ膜に１０８〜１０１０ｃｍ−２の転位が生じる。さらに、このような結晶欠陥と熱歪とからＧａＮ膜に反りが生じ、全体の結晶性を著しく劣化させることがあった。
【０００５】
これまで、サファイア基板上に結晶成長させて作製された窒化物半導体装置としては青色発光素子などが知られている。このような半導体装置の一例を図４に断面図にて示す。
【０００６】
図４に示すように、サファイア基板４０上には、ＧａＮバッファ層４１が形成され、このＧａＮバッファ層４１上に、ｎ型半導体層のｎ−ＧａＮ層４２、ｎ型半導体層のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４３、ＩｎＧａＮ発光層４４、ｐ型半導体層のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４５、およびｐ型半導体層のｐ−ＧａＮ層４６が順次積層された多層構造のＧａＮ系半導体からなる成長層が形成されている。この成長層の一部において、ｐ−ＧａＮ層４６からｎ−ＧａＮ層４２の上部領域までがエッチング除去されて、ｎ−ＧａＮ層４２の一部が露出されている。この露出領域の上面にはｎ型電極４８が形成され、最上層のｐ−ＧａＮ層４６の上面にはｐ型電極４７が形成されている。
【０００７】
サファイア基板は比抵抗が１０１０Ωｃｍ以上の値を示す絶縁体であるため、サファイア基板の主面上および裏面上には電極を形成することができない。そのため上述したように、窒化物半導体層の一部をエッチングすることにより、サファイア基板の同一主面側の窒化物半導体上にてｐ型電極とｎ型電極を作製しなければならなかった。
【０００８】
そして、このようにして作製した電極は、半導体装置をワイヤーボンディングなどで実装する場合、光の外部取り出しが悪くなる。また、半導体装置の作製工程においてエッチング工程が必要となる。しかも、このエッチング工程により半導体装置の積層構造に対して特性に悪影響を与える損傷を生じさせる。
【０００９】
さらに、図４に示す半導体装置における電流の伝導路は、ｎ−ＧａＮ層４２の水平方向を伝導し、その抵抗はｎ−ＧａＮ層４２の断面と厚さの積に反比例し、極めて高抵抗な値となり、半導体装置の駆動電圧を高める。
【００１０】
以上のことから、一方の電極を窒化物半導体層上に作製し、他方の電極を単結晶基板上に作製するといった縦型伝導の窒化物半導体素子が望まれる。そこで、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板等の導電性のある半導体基板を用いて、その上に窒化物半導体を成長させることが試みられているが、これら半導体基板は六方晶の窒化物半導体とは異なる立方晶の閃亜鉛構造であり格子整合性が悪く、これまで結晶性の良い窒化物半導体は得られていない。
【００１１】
また、６Ｈ−ＳｉＣからなる基板を用いることも考えられるが、この場合ＧａＮとの格子不整合率がサファイア基板の１６．０％に比べて３．５％と小さい値であるものの、ＧａＮ膜に１０８〜１０１０ｃｍ−２の転位が生じて結晶性を著しく劣化させる。さらに、基板の導電性もｎ型しか制御できないので装置全体の構造が制約をうける。
【００１２】
そこで本発明は、半導体層の構造に損傷を与えることがなく、しかも装置全体の構造が制約されない、駆動電圧の低い優れた半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−４３２２３号公報
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、六方晶構造をなしかつ導電性を有する単結晶基板の一主面上に、発光部を含みＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）であらわされる窒化物半導体層を形成してなるとともに、前記窒化物半導体層上に一方電極を形成し、かつ前記単結晶基板の他主面上に他方電極を形成したことを特徴とする。特に前記単結晶基板は、ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒおよび／またはＴｉを含む）であらわされる硼化物であることとする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る半導体装置の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、本発明の半導体装置は、六方晶構造をなしかつ導電性を有する単結晶基板１０の一主面上に、発光部を含みＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）であらわされる窒化物半導体層を形成し、この窒化物半導体層上に一方電極である後記する逆導電型電極１７を、単結晶基板１０の他主面上に他方電極である後記する一導電型電極１８を形成したものである。単結晶基板１０は特にＸＢ２（ただし、ＸはＺｒおよび／またはＴｉを含む）であらわされる硼化物とするとよい。
【００１７】
ここで、単結晶基板１０をＺｒＢ２であらわされる二硼化物とした場合、窒化物半導体層を好適に成長させるには（０００１）面を主面とした基板にするのが望ましい。ＺｒＢ２（格子定数：ａ＝３．１７０Å）はウルツアイト構造のＧａＮ（格子定数：ａ＝３．１８９Å）との格子不整合が０．６０％であり、熱膨張係数の差も２．７×１０−６／Ｋと極めて整合性の高い組み合わせとなる。これにより、格子欠陥が少なく、基板に成長させる窒化物半導体の応力が少ない良質な窒化物半導体が得られる。また、単結晶基板１０をＴｉＢ２（格子定数：ａ＝３．０３０Å）であらわされる二硼化物とした場合も、ＴｉＢ２はＺｒＢ２と物理的性質および化学的性質等が類似しているので、ＺｒＢ２の場合と同様に考えることができる。また、ＺｒまたはＴｉのかわりにＺｒおよびＴｉの両方を含む硼化物としても、ＺｒＢ２の場合と同様に考えることができる。
【００１８】
窒化物半導体の結晶成長には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）法、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）法、昇華法などが利用される。また、これらの成長方法を組み合わせることも可能である。例えば、半導体素子を作製するためのエピタキシー成長は、表面状態を制御して成長できるＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法により行なわせることが望ましい。
【００１９】
単結晶基板１０に成長させるバッファ層は５００℃〜６００℃の温度で結晶成長を行なわせる。このとき、ヒーター等で加熱されたサセプターから熱伝導により、単結晶基板１０が加熱される。サセプターからの熱エネルギーは熱接触により単結晶基板１０へ熱伝導する。また、熱接触以外にサセプター表面から熱輻射（赤外光）として放出される。この熱輻射は（半）金属的性質を有する単結晶基板１０で吸収され加熱される。なお、バッファ層はシリコン（Ｓｉ）などの一導電型不純物を含有するものとする。
【００２０】
次に、成長温度を９００℃〜１０００℃に昇温した後、一導電型半導体層と発光部である発光層を含む逆導電型半導体層を成長させる。一導電型半導体層はシリコン（Ｓｉ）などの一導電型不純物を含有する。発光層は半導体不純物を含有しない層とする。逆導電型半導体層はマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型不純物を含有する。
【００２１】
次に、結晶成長後の素子基板に対してフォトリソグラフィー技術を用い、フォトレジストによるマスク処理を施し、蒸着法やスパッタリング法などの形成法を用いて導電型電極材料を成膜する。その後、リフトオフ工程にて形成されているフォトレジストを剥離して逆導電型電極１７を形成する。この逆導電型電極１７には金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などを使用する。
【００２２】
その後、単結晶基板１０の他方主面である裏面に一導電型電極１８を形成する。この一導電型電極１８も逆導電型電極１７と同様な材料と形成法を用いて作製する。
【００２３】
かくして、本発明の半導体装置によれば、従来必要とされた電極作製の際のエッチング工程が不要となり、これにより、半導体層の構造に損傷を与えることがない。さらに、単結晶基板の両主面側に電極を形成するので、装置全体の構造上の制約がなく、しかも電流の伝導が縦型伝導となる。これらのことにより、駆動電圧が低く小型化を図ることが可能な発光効率の優れた半導体装置を提供することができる。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の半導体装置を具体化した紫外半導体発光素子を例にとり、図面に基づいて説明する。
【００２５】
まず、図１に示す単結晶基板１０として（０００１）面を主面とするＺｒＢ２基板を用意した。これをＭＯＣＶＤ成長炉にセットし、高真空の炉内において、単結晶基板１０を８００℃まで加熱して結晶成長を開始させた。その後、温度を６００℃まで降温してバッファ層１１の成長を行なわせた。ここで、バッファ層１１は一導電型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含有するＡｌＧａＮからなり、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）、およびアンモニアガスを原料とし、一導電型不純物原料としてシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いて２０ｎｍの厚さまで成長させた。
【００２６】
次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させ、この成長温度にて一導電型クラッド層１３、発光部である発光層１４、逆導電型クラッド層１５、および逆導電型コンタクト層１６を順次成長させた。
【００２７】
一導電型クラッド層１３は、一導電型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含有するＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニアガスを原料とし、一導電型不純物原料としてＳｉＨ４ガスを用い、２００ｎｍの厚さまで成長させた。
【００２８】
発光層１４はＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、１００ｎｍの厚さまで成長させた。
【００２９】
逆導電型クラッド層１５は、逆導電型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニアガスを原料とし、逆導電型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、ＣＰ２Ｍｇ）を用い、２００ｎｍの厚さまで成長させた。
【００３０】
逆導電型コンタクト層１６は、逆導電型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、逆導電型不純物原料としてＣＰ２Ｍｇを用い、２０ｎｍの厚さまで成長させた。
【００３１】
次に、結晶成長後の基板を熱拡散にて不純物活性化アニール行なった。活性化アニールは８２５℃の温度で５分間だけ行なった。
【００３２】
そして、真空蒸着機にて逆導電型コンタクト層１６にＮｉ（厚み５０Å）、Ａｕ（厚み２０００Å）を蒸着し、熱拡散炉にて８２５℃の温度で５分間アニール処理を施すことにより逆導電型電極１７を形成した。
【００３３】
その後、単結晶基板１０の裏面に真空蒸着機にてＴｉ（厚み２００Å）、Ａｕ（厚み２０００Å）を蒸着することにより一導電型電極１８を形成した。
【００３４】
また、比較のため、窒化物半導体層の一部をエッチングし、同一主面側の窒化物半導体層上に素子電極を形成した紫外半導体発光素子を作製した。その断面図を図２に示す。この比較例も本発明の実施例と同様にして作製した。すなわち、同様な材料の単結晶基板２０上に同様の結晶成長を行なわせ、バッファ層２１、一導電型クラッド層２３、発光層２４、逆導電型クラッド層２５、および逆導電型コンタクト層２６を形成した。そして、この逆導電型コンタクト層２６上に逆導電型電極２７を形成し、さらに、不純物活性化を施すアニール処理後の単結晶基板２０をフォトグラフィー工程にてフォトレジストによるマスク処理を施した後に、真空蒸着機にて金属を蒸着し、リフトオフ工程を経て素子基板表面に金属のマスクを作製した。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて一導電型クラッド層２３の一部が露出するまでエッチングを行ない、真空蒸着機を用いてＴｉ（厚み約３００Å）、Ａｌ（厚み約１０００Å）、Ａｕ（厚み約２０００Å）を蒸着し、熱拡散炉にて温度約５００℃で５分間アニール処理を行なうことにより一導電型電極２８を形成した。
【００３５】
次に、このように作製した２つの発光素子を発光させ、電流−電圧特性を測定した。その結果を図３に示す。図３から明らかなように、例えば５０ｍＡ以下における２つの発光素子の電圧を比較することで、本発明の実施例による発光素子の駆動電圧が、従来構成の発光素子に相当する比較例の駆動電圧よりきわめて低いことが判明した。つまり、単結晶基板の同一主面側に形成した窒化物半導体層上に素子の両極性の電極を作製するよりも、一方の電極を単結晶基板上に直接形成する方が素子の駆動電圧を大幅に下げることが判明した。これは、比較例の場合、素子の一部をエッチングすることにより、素子構造に損傷を与えたためと考えられる。また、電流の伝導が窒化物半導体層の水平方向になるため、極めて高抵抗となり、これにより素子の駆動電圧を高めたためと考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、六方晶構造をなしかつ導電性を有する単結晶基板の一主面上に、発光部を含みＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）であらわされる窒化物半導体層を形成してなるとともに、前記窒化物半導体層上に一方電極を、前記単結晶基板の他主面上に他方電極を形成してなるので、電極の作製の際に窒化物半導体層をエッチングする必要がなく、これにより発光部を含む窒化物半導体層が損傷を受けることがない。さらに、電流の伝導が縦型伝導となるので、駆動電圧が低く発光効率の優れた半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置である紫外発光素子を模式的に説明する断面図である。
【図２】本発明に係る実施例と比較する紫外発光素子の模式的断面図である。
【図３】本発明に係る実施例と比較例との電流−電圧特性図である。
【図４】従来の青色発光素子を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０  ：  単結晶基板
１１  ：  バッファ層
１３  ：  一導電型クラッド層
１４  ：  発光層
１５  ：  逆導電型クラッド層
１６  ：  逆導電型コンタクト層
１７  ：  逆導電型電極
１８  ：  一導電型電極
【図１】
2004349588.tif 000003
【図２】
2004349588.tif 000004
【図３】
2004349588.tif 000005
【図４】
2004349588.tif 000006