(57)【要約】【課題】窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性に優れた窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム単結晶からなる基板１と、基板１上に形成された窒化物半導体部３と、基板１上に形成されて窒化物半導体部を覆うパッシベーション層５と、基板１とパッシベーション層５とを有する積層部６の側面６ａに形成され、基板１及びパッシベーション層５の全ての成分元素を構成元素として含む変質層７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、
前記基板上に形成された窒化物半導体部と、
前記基板上に形成されて前記窒化物半導体部を覆うパッシベーション層と、
前記基板と前記パッシベーション層とを有する積層部の側面に形成され、前記基板及び前記パッシベーション層の全ての成分元素を構成元素として含む変質層と、を備える窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記側面は、前記基板の外周面と前記パッシベーション層の外周面とを含む請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記積層部は、前記基板と前記パッシベーション層とが接している界面又は前記基板と窒化物半導体部とが接している界面を有する請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記変質層は、前記界面を前記側面の側から覆っている請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体素子は、さまざまな電子機器に用いられており、外部からの電力を光に変換する発光素子や外部からの光を電力へと変換する受光素子などの光学デバイス、各種センサ、演算処理装置などに応用されている。
また、窒化物半導体素子の耐環境性を向上させること、表面準位を経由したリーク電流を抑制することを目的として、窒化物半導体素子の表面にパッシベーション層を積層させる手法が広く用いられている。このパッシベーション層が、窒化物半導体素子の使用に伴い、例えば腐食や応力により窒化物半導体素子の表面から剥離する可能性がある。このような可能性を低減するために、様々な工夫がなされている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、パッシベーション層としてＳｉＯＮを用いることで、表面準位経由のリーク電流を抑制する手法が開示されている。この手法は、窒化物半導体部とパッシベーション層との結合が形成されていることを示しており、密着性の向上に寄与しているものと考えられる。
また、特許文献１には、窒化物半導体部の表面に凹凸を形成することで絶縁膜（パッシベーション層）と窒化物半導体部との密着性を向上させる手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１―１８５８０２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓ．  Ａｒｕｌｋｕｍａｒａｎ  ｅｔ  ａｌ．  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．８４，  Ｎｏ．４，  ６１３−６１５  （２００４）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、窒化物半導体素子の耐久性を向上させる観点から、窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性が高い窒化物半導体素子が期待されている。しかし、非特許文献１や特許文献１に記載の窒化物半導体素子では、窒化物半導体部とパッシベーション層との間のすべての領域に明確な界面が存在する。この界面が、パッシベーション層の剥離の起点になるという懸念がある。
【０００７】
また、例えば窒化物半導体部の洗浄が不十分で、窒化物半導体部とパッシベーション層との間に有機物などの不純物が含まれている場合には、パッシベーション層は窒化物半導体部から容易に剥離してしまう可能性がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性に優れた窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の態様により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の一態様に係る窒化物半導体素子は、窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体部と、前記基板上に形成されて前記窒化物半導体部を覆うパッシベーション層と、前記基板と前記パッシベーション層とを有する積層部の側面に形成され、前記基板及び前記パッシベーション層の全ての成分元素を構成元素として含む変質層と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性に優れた窒化物半導体素子を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第１の構成例を示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の構成例を示す平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の構成例を示す平面図及び断面図である。
【図４】実施例で得られた窒化物半導体素子の側面ＳＥＭ画像である。
【図５】比較例で得られた窒化物半導体素子の側面ＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について説明する。
＜窒化物半導体素子の構造＞
まず、窒化物半導体素子の構造について説明する。
本実施形態に係る窒化物半導体素子は、窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、基板上に形成された窒化物半導体部と、基板上に形成されて窒化物半導体部を覆うパッシベーション層と、基板とパッシベーション層とを有する積層部の側面に形成され、基板及びパッシベーション層の全ての成分元素を構成元素として含む変質層と、を備える。
【００１２】
基板及びパッシベーション層のすべての成分元素を構成元素として含む変質層を、基板とパッシベーション層とを有する積層部の側面に備える。この変質層により、基板とパッシベーション層とを側面の側から連結することができる。これにより、従来よりも窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性に優れ、耐久性の高い窒化物半導体素子を実現することが可能になる。特に、窒化物半導体部とパッシベーション層との間に有機物などの不純物が含まれている場合であっても、窒化物半導体部からのパッシベーション層の剥離を抑制する効果がある。この効果は、上記の変質層により、窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性が向上していることに起因していると考えられる。
【００１３】
また、基板とパッシベーション層とを有する積層部の側面とは、窒化物半導体素子の両側の主面（例えば、表面と裏面）の端部（エッジ）を結ぶ面を意味する。すなわち、基板とパッシベーション層とを有する積層部の側面とは、窒化物半導体素子の側面のことであり、窒化物半導体素子を基板主面に水平な方向から観察した際に確認できる面を意味する。具体的には、上記の側面とは、変質層を無視して観察した際に確認できる基板側面、窒化物半導体部の側面、パッシベーション層の側面の各々の一部もしくは全てであり、これら各々の側面単独又はこれら各々の側面の組み合わせに対応する面である。上記の側面は、上記条件を満たす面であれば特に制限はなく、傾斜、球状、凹凸を含む面なども含まれる。
また、変質層は、上記の側面の少なくとも一部に形成され、好ましくは基板（又は、基板のダイシングライン）を平面視で取り囲むように形成される。
【００１４】
次に、本実施形態の窒化物半導体素子の各構成要件について説明する。以下の各構成要件の説明は、それぞれ独立して又は組み合わせて上述した本実施形態に係る窒化物半導体素子に適用可能である。
〔基板〕
基板は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶からなるものであれば特に制限されず、ｎ型又はｐ型にドーピングされたものであってもよいし、ノンドープであってもよい。また、本実施形態の技術思想を逸脱しない範囲で、基板はＴｉやＷなどの遷移金属、ＺｎやＣｄなどの典型元素の金属、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｈ等の不純物を含んでいてもよい。また、窒化アルミニウム単結晶からなる基板を得る方法は特に制限されず、炉内で窒化アルミニウム原料を昇華させることで単結晶を成長させる昇華法や、塩化アルミニウムや臭化アルミニウムなどのハライドガスと、アンモニアや窒素などの窒素含有ガスとを反応させることで窒化アルミニウムを成長させるＨＶＰＥ法、アルミニウムと窒素とを含有する溶液の温度や圧力を制御することで窒化アルミニウムを成長させる溶液成長法などが挙げられる。これらの方法は、窒化アルミニウム単結晶の種結晶やサファイア基板や炭化ケイ素基板などの異種基板を用いる形態であってもよいし、そうでなくてもよい。
【００１５】
＜窒化物半導体部＞
窒化物半導体部は、窒化物半導体素子としての機能を発現することができれば特に限定されないが、耐圧、耐環境性の観点から特にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であることが望ましい。
窒化物半導体部は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、窒化物半導体部は、ノンドープ層であってもよいし、ｎ型半導体層であってもよいし、ｐ型半導体層であってもよい。また、必要に応じて量子井戸構造の層を採用してもよい。また、電極との接触抵抗を低減するために、高濃度にドーピングされた層をさらに採用してもよい。一例としては、「ｎ型半導体層／量子井戸構造のノンドープ層／ｐ型半導体層」の積層構造を窒化物半導体部として採用し、窒化物半導体素子を発光素子とすることが挙げられる。また別の一例としては、「ｎ型半導体層／ノンドープ半導体層」の積層構造を窒化物半導体部として採用し、窒素化合物半導体素子をトランジスタ素子とすることが挙げられる。また、窒化物半導体部はメサ構造やトレンチ構造などの凹凸形状を有していてもよい。
【００１６】
〔パッシベーション層〕
パッシベーション層とは、窒化物半導体部の表面を覆うように基板上に積層された層を表し、その目的は静電気、水、物理的な衝撃などから窒化物半導体素子を保護することである。この目的を達成する膜は全て本実施形態に係るパッシベーション層に適応される。静電気、水、物理的な衝撃などから窒化物半導体素子を好適に保護する観点から、パッシベーション層としてＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２が挙げられるがこの限りではない。また、パッシベーション層は単層であってもよいし、複数の材料が積層された積層構造であってもよい。
【００１７】
〔変質層〕
変質層は、窒化アルミニウムからなる基板の構成元素、つまりＡｌとＮを組成として含み、かつ、パッシベーション層のすべての構成元素を含む層である。例えば、パッシベーション層としてＳｉＯ２を用いた場合には、構成元素として少なくともＡｌ、Ｎ、Ｓｉ、Ｏを含む層を表す。また、本発明における変質層は、窒化物半導体素子の側面に局所的に形成されていてもよいし、側面全面に形成されていてもよい。ただし材料効率良く密着性を向上させる観点から、変質層は、パッシベーション層の表面から基板側へパッシベーション層の厚みより厚く形成されることが好ましい。また変質層を除いた窒化物半導体素子の側面が、基板と窒化物半導体部とパッシベーション層を含む場合、変質層は、パッシベーション層の表面から基板側へパッシベーション層と窒化物半導体部の厚みの合計より厚く形成されることが好ましい。
【００１８】
〔具体例〕
次に、構造の具体例を示す。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物半導体素子の構成例を示す平面図と断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この窒化物半導体素子は、窒化アルミニウムからなる基板１と、基板１上に形成された窒化物半導体部３と、基板１上に形成されて窒化物半導体部３を覆うパッシベーション層５と、基板１とパッシベーション層５とを有する積層部６の側面６ａに形成され、基板１及びパッシベーション層５の全ての成分元素を構成元素として含む変質層７とを備える。
【００１９】
この例では、積層部６の側面６ａは、基板１の外周面（すなわち、端面）１ａとパッシベーション層の外周面５ａとを含む。また、積層部６は、基板１の外周部１１とパッシベーション層５とが接している界面９を有する。変質層７は、基板１の外周面１ａからパッシベーション層５の外周面５ａ又は上面５ｂにかけて形成されている。これにより、変質層７は、基板１とパッシベーション層５との界面９を側面の側から覆うとともに、基板１とパッシベーション層５とを側面の側から連結している。
【００２０】
なお、窒化物半導体素子は、窒化物半導体部３に電気的に接続する配線層（図示せず）を備えていてもよい。また、図１（ａ）及び（ｂ）では、窒化物半導体素子が窒化物半導体部３を複数備える場合を図示しているが、本発明において窒化物半導体部の数は複数に限定されない。本実施形態では、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、窒化物半導体素子が備える窒化物半導体部３の個数は１つでもよい。
【００２１】
また、図１（ａ）及び（ｂ）では、変質層７を除いた窒化物半導体素子の側面は基板１とパッシベーション層５とを含み、窒化物半導体部３を含まない場合を示しているが、本実施形態はこれに限定されない。本実施形態は、例えば図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、変質層７を除いた窒化物半導体素子の側面は、基板１と窒化物半導体部３とパッシベーション層５とを含んでいてもよい。
【００２２】
すなわち、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、積層部６は、基板１とパッシベーション層５との間に窒化物半導体部３を含んでいてもよく、基板１の外周部１１と窒化物半導体部３とが接している界面１９を有していてもよい。積層部６の側面６ａは、基板１の外周面１ａと、窒化物半導体部３の外周面３ａと、パッシベーション層の外周面５ａとを含む。図３（ａ）及び（ｂ）では、変質層７は、基板１の外周面１ａから、窒化物半導体部３の外周面３ａを通ってパッシベーション層５の外周面５ａ又は上面５ｂにかけて形成されている。これにより、変質層７は、基板１と窒化物半導体部３とが接している界面１９や、窒化物半導体部３とパッシベーション層５とが接している界面２９を側面の側から覆うとともに、基板１と窒化物半導体部３とパッシベーション層５とを側面の側から連結している。このように、図２及び図３に示す形態も本発明に含まれる。
【００２３】
＜窒化物半導体素子の製造方法＞
次に、窒化物半導体素子を製造方法について説明する。
本実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法は、窒化アルミニウム基板と、窒化アルミニウム基板上に形成された窒化物半導体部と、窒化アルミニウム基板上に形成されて窒化物半導体部を覆うパッシベーション層と、を有する窒化物半導体素子に対し、レーザ照射を行うことで、窒化物半導体素子の側面に、窒化アルミニウム基板及びパッシベーション層の全ての成分元素を構成元素として有する変質層を形成する。
【００２４】
ここでレーザ照射とは、レーザ光を対象物に照射し熱を発生させ、素子材料が変質、気化することで加工する技術である。レーザ照射の種類としては、照射により素子分離を行うレーザダイシング、表面にアブレーション加工傷を形成するレーザスクライブ、基材を溶融させるＬＭＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ法）、基材内部に集光し、変質層を形成するステルスダイシングなどが挙げられる。
【００２５】
＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、基板及びパッシベーション層のすべての成分元素を構成元素として含む変質層を、基板とパッシベーション層とを有する積層部の側面に備える。この変質層により、基板とパッシベーション層とを側面の側から連結することができる。これにより、基板とパッシベーション層との間に位置する各層の密着性を高めることができ、基板とパッシベーション層との間に位置する窒化物半導体部についても、パッシベーション層との密着性を高めることができる。
【００２６】
例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示した窒化物半導体素子や、図２（ａ）及び（ｂ）に示した窒化物半導体素子では、変質層７は、基板１の外周面１ａからパッシベーション層５の外周面５ａ又は上面５ｂにかけて形成されている。この変質層７により、基板１の外周部１１とパッシベーション層５とを窒化物半導体素子の外周面の側から連結することができる。これにより、基板１の外周部１１とパッシベーション層５との密着性を高めることができ、基板１とパッシベーション層５との間に位置する窒化物半導体部３についても、パッシベーション層５との密着性を高めることができる。また、変質層７は、基板１とパッシベーション層５との界面９を、窒化物半導体素子の外周面の側から部分的に又は全面的に覆っている。これにより、窒化物半導体素子の外周面から界面９への水分や不純物等が侵入することを抑制することができる。
【００２７】
また、例えば図３（ａ）及び（ｂ）に示した窒化物半導体素子では、変質層７は、基板１の外周面１ａから、窒化物半導体部３の外周面３ａを通ってパッシベーション層５の外周面５ａ又は上面５ｂにかけて形成されている。この変質層７により、基板１の外周部１１と窒化物半導体部３とパッシベーション層５とを窒化物半導体素子の外周面の側から連結することができる。これにより、基板１の外周部１１と窒化物半導体部３との密着性を高めることができるとともに、窒化物半導体部３とパッシベーション層５との密着性も高めることができる。また、変質層７は、基板１と窒化物半導体部３との界面１９や、窒化物半導体部３とパッシベーション層５との界面２９を、窒化物半導体素子の外周面の側から部分的に又は全面的に覆っている。これにより、窒化物半導体素子の外周面から各界面１９、２９への水分や不純物等が侵入することを抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、従来よりも窒化物半導体部とパッシベーション層との密着性に優れており、窒化物半導体部からパッシベーション層が剥離しにくく、耐久性の高い窒化物半導体素子を実現することが可能になる。
【実施例】
【００２８】
［実施例］
ＡｌＮ基板の第１主面上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ発光層、Ｐ型ＡｌＧａＮ、Ｐ型ＧａＮを積層し、その上層にパッシベーション層としてＳｉＯ２を積層し、窒化物半導体ウェハを得た。この窒化物半導体ウェハに株式会社ディスコ製のレーザソー「ＤＦＬ７１６０」を用いてアブレーション加工を行い、第１主面側の第１領域にスクライブ傷を形成した。次に、三星ダイヤモンド社製のブレードブレーカ「ＬＢ５０１」を用いて外力を加え、窒化物半導体素子（発光素子）に分割した。
【００２９】
図４に、本手法により作製した窒化物半導体素子の側面ＳＥＭ画像を示す。このＳＥＭ画像は、走査型電子顕微鏡「Ｓ−４７００（ＨＩＴＡＣＨＩ）」（１０，０００倍率倍）を用いて撮像した。
図４のＡが変質層であり、Ｂが窒化アルミニウム基板である。ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線）分析装置「ＥＭＡＸ−７０００（ＨＯＲＩＢＡ）」を用いて図４中のＡ箇所、Ｂ箇所の組成解析を行った結果を表１に示す。本結果より、変質層は構成元素としてＡｌ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏを含んでいることが分かる。すなわち、この変質層は、基板の成分元素であるＡｌとＮ、及びパッシベーション層の成分元素であるＳｉとＯのすべてを含んでいることが確認された。
【００３０】
【表１】
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本実施例で得られた窒化物半導体素子を大気中に放置し、１４，０００時間経過後に再度観察したところ、パッシベーション層と窒化物半導体積層部間の剥離は見られなかった。
【００３１】
［比較例］
実施例と同様にＡｌＮ基板の第１主面上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ発光層、Ｐ型ＡｌＧａＮ、Ｐ型ＧａＮを積層し、その上層にパッシベーション層としてＳｉＯ２を積層し、窒化物半導体ウェハを得た。この窒化物半導体ウェハを、劈開を利用して素子に分割した。
図５に、本手法により作製した素子の側面ＳＥＭ画像（５度傾斜）を示す。このＳＥＭ画像は、走査型電子顕微鏡「Ｓ−４７００（ＨＩＴＡＣＨＩ）」（１０，０００倍率倍）を用いて撮像した。図５に示すように、このＳＥＭ画像では変質層の形成は見られず、ＡｌＮとＳｉＯ２の明確な界面が見られた。
本比較例で得られた窒化物半導体素子を大気中に放置し、１４，０００時間経過後に再度観察したところ、パッシベーション層と窒化物半導体積層部間で部分的に剥離が見られた。
【００３２】
＜その他＞
本発明は、以上に記載した実施形態やその具体例、実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態やその具体例、実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、実施形態やその具体例、実施例を任意に組み合わせてもよく、そのような変更等を加えた態様も本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１     基板
１ａ   （基板の）外周面
３     窒化物半導体部
３ａ  （窒化物半導体部の）外周面
５     パッシベーション層
５ａ   （パッシベーション層の）外周面
５ｂ   （パッシベーション層の）上面
６     積層部
６ａ   （積層部の）側面
７     変質層
９、１９、２９       界面
１１   （基板の）外周部
【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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