(57)【要約】【課題】  歩留まりを高めることが可能なＧａＮ系半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明によるＧａＮ系半導体素子の製造方法は、ＧａＮ系半導体層（２〜４）の積層体９を、所定深さまでドライエッチングによりエッチングするＧａＮ系半導体素子１０の製造方法であって、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下にした後、反応ガスを供給することにより所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングにより積層体９をエッチングする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系半導体層の積層体を、所定深さまでドライエッチングによりエッチングするＧａＮ系半導体素子の製造方法であって、
エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下にした後、反応ガスを供給することにより所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングにより前記積層体をエッチングすることを特徴とするＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記所定圧力は、０．２〜８Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記反応ガスは、塩素（Ｃｌ２）及び四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項４】
ＧａＮ系半導体層の積層体を備えたＧａＮ系半導体素子であって、
前記積層体は、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下の状態から、反応ガスの供給により所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングによりエッチングされたことを特徴とするＧａＮ系半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体素子及びその製造方法に関し、特に、歩留まりを改善したＧａＮ系半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ系半導体は、そのバンドギャップの大きさから短波長の発光素子の材料として注目されている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を中心とした化合物半導体は、多くの研究がなされており、青色発光ダイオードをはじめとして、蛍光体と組み合わせた白色発光ダイオード等として実用化されている。
【０００３】
一般に、このＧａＮ系発光素子では、サファイア基板上に主としてｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層が形成されており、ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させてｎ型ＧａＮ層に対する電極を形成している。そして、このｎ型ＧａＮ層の露出は、ＧａＮが化学的に安定しており、酸に対してもほとんど溶解しないので、ウェットエッチングによる方法は実用的でなく、通常、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）を用いたドライエッチングにより行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２４７６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ドライエッチングの際、通常、エッチング装置内は真空引きをした上でエッチングガスを供給してエッチングを行うが、到達真空度を管理しない場合、到達真空度の違いによりエッチング深さが異なる場合があった。すなわち、エッチング時間が同じであっても、一定のエッチング深さが得られず、浅く或いは深くエッチングされてしまうおそれがあった。例えば、エッチング深さが深すぎると、ｎ型ＧａＮ層の抵抗が大きくなり、駆動電圧が高くなる等、所望のデバイス構造が得られず、歩留まりが悪くなるといった問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、歩留まりを高めることが可能なＧａＮ系半導体素子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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、ＧａＮ系半導体層の積層体を、所定深さまでドライエッチングによりエッチングするＧａＮ系半導体素子の製造方法であって、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下にした後、反応ガスを供給することにより所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングにより前記積層体をエッチングすることを特徴とするＧａＮ系半導体素子の製造方法が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、ＧａＮ系半導体層の積層体を備えたＧａＮ系半導体素子であって、前記積層体は、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下の状態から、反応ガスの供給により所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングによりエッチングされたことを特徴とするＧａＮ系半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、歩留まりを高めることが可能なＧａＮ系半導体素子及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態によるＧａＮ系半導体素子及びその製造方法を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。
【００１０】
[第１の実施の形態]
（ＧａＮ系半導体素子の構造）
本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子としてＧａＮ系半導体発光素子について、図１を参照して説明する。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子１０は、ＧａＮ系半導体層（２〜４）の積層体９を備えたＧａＮ系半導体素子１０であって、積層体９は、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下の状態から、反応ガスの供給により所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングによりエッチングされている。
【００１２】
本実施の形態によるＧａＮ系半導体素子１０は、図１に示すように、基板１と、基板１上にｎ型ＧａＮ系半導体層２、発光層３及びｐ型ＧａＮ系半導体層４が順次積層された積層体９を含む。後述するように、ｎ型ＧａＮ系半導体層２はドライエッチングにより露出されており、露出した上面にはｎ側電極５が配置されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層４の上面には、透明電極層７を介してｐ側電極６が配置されている。
【００１３】
基板１は、ＧａＮ系半導体層（２〜４）を成長させるための基板である。基板１の材質としては、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３），Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＭｇＯ，ＺｎＯ，スピネル，そしてＧａＮ等が挙げられる。
【００１４】
ｎ型ＧａＮ系半導体層２は、発光層３に電子を注入するためのものであって、基板１上に形成されている。ｎ型ＧａＮ系半導体層２は、例えば、約３〜５μｍ程度の厚みを有し、例えば、６〜８×１０１７原子／ｃｍ３程度のキャリア濃度のＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなる。
【００１５】
基板１とｎ型ＧａＮ系半導体層２の間には、格子不整合の影響を緩和するために、薄膜のアモルファス状又は多結晶のＡｌＮ又はＧａＮからなるバッファ層８を配置してもよい。
【００１６】
発光層３は、ＧａＮ系半導体からなり、例えば、青色光を発光するためのものである。発光層３は、ｎ型ＧａＮ系半導体層２上に配置されており、例えば、約２〜３ｎｍ程度の厚みのＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．０５≦Ｘ≦０．２）からなる複数の井戸層（図示略）と、例えば、約２０ｎｍ程度以下の厚みのＧａＮからなる複数のバリア層（図示略）とが交互に積層された、例えば、約０．０５〜０．１５μｍ程度の厚みを有するＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）構造からなる。
【００１７】
ｐ型ＧａＮ系半導体層４は、発光層３にホール（正孔）を注入するためのものであって、発光層３上に形成されている。厚さが、例えば、約０．３〜０．５μｍ程度であり、例えば、約６〜８×１０１７原子／ｃｍ３程度のキャリア濃度のマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型ＧａＮからなる。
【００１８】
なお、ＧａＮ系半導体各層（２〜４）には、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる層を含むＧａＮ系半導体層（２〜４）を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる層以外の層を含むＧａＮ系半導体層、例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなる層を更に用いてもよい。
【００１９】
ｎ側電極５は、ｎ型ＧａＮ系半導体層２の露出した表面に形成され、例えば、約０．１〜０．３μｍ程度の厚みを有し、材質が、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる。ｎ側電極５は、ｎ型ＧａＮ系半導体層２の表面とオーミック接続されている。ｎ側電極５は、平面視において、発光層３及びｐ型ＧａＮ系半導体層４とは、所定の間隔をあけて配置されている。
【００２０】
ｐ側電極６は、ｐ型ＧａＮ系半導体層４上に配置され、ｐ型ＧａＮ系半導体層４と電気的に接続されている。ｐ側電極６は、例えば、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物），ＭｇＯ又はＺｎＯ等からなる透明電極層７を介してｐ型ＧａＮ系半導体層４と接続してもよい。この場合、発光層３から放出された光をｐ側電極６側から効率よく取り出すことができる。ｐ側電極６は、例えば、約０．０６〜０．４μｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｕの金属積層構造からなる。
【００２１】
(動作原理)
本発明の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の動作原理は以下の通りである。
【００２２】
まず、ｎ側の外部電極部（図示略）とｐ側の外部電極部（図示略）を介してｎ側電極５とｐ側電極６の間に順方向の電圧が印加されると、ｎ側電極５には電子が注入されるとともに、ｐ側電極６には正孔が注入される。ｎ側電極５に注入された電子は、ｎ型ＧａＮ系半導体層２を介して発光層３に注入される。ｐ側電極６に注入された正孔は、ｐ型ＧａＮ系半導体層４を介して発光層３に注入される。発光層３に注入された電子と正孔は、井戸層で再結合して、例えば、約４５０ｎｍ程度の青色の光を発光する。発光した光は、基板１を透過して外部へ照射される。
【００２３】
（ＧａＮ系半導体素子の製造方法）
本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の製造方法は、図２及び図３に示すように、ＧａＮ系半導体層（２〜４）の積層体９を、所定深さまでドライエッチングによりエッチングするＧａＮ系半導体素子１０の製造方法であって、エッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下にした後、反応ガスを供給することにより所定圧力まで高めた状態で、ドライエッチングにより積層体９をエッチングする。
【００２４】
以下に、製造工程を詳述する。
【００２５】
（ａ）まず、図２（ａ）に示すように、例えば、サファイアからなる基板１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着法）装置（図示略）に導入して、基板１を約４００〜７００℃程度の温度に保持した状態で、ＡｌＮからなるバッファ層８を基板１上に成長させる。
【００２６】
次いで、成長温度を約１０００〜１１００℃程度に設定し、この状態で、キャリアガスによりシランガス，トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する。）ガス及びアンモニアガスを供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ系半導体層２をバッファ層８上に形成する。
【００２７】
（ｂ）次に、図２（ｂ）に示すように、成長温度を約７００〜８００℃程度に設定した状態で、キャリアガス（窒素ガス、水素ガス等）によってトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと称する。）ガス，ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層をｎ型ＧａＮ系半導体層２上に形成する。
【００２８】
次いで、成長温度を約７００〜８００℃程度に保った状態で、キャリアガスによってＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給してノンドープのＧａＮからなるバリア層を井戸層上に形成する。その後、同じ条件で井戸層及びバリア層を交互に複数層積層して、発光層３を形成する。
【００２９】
（ｃ）次に、図２（ｃ）に示すように、成長温度を、例えば、約９５０〜１０５０℃程度に保持した状態で、ＴＭＧ、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、ＥｔＣｐ２Ｍｇと称する。）ガス及びアンモニアガスを供給して、発光層３上にＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型ＧａＮ系半導体層４を形成する。
【００３０】
次いで、ｐ型ＧａＮ系半導体層４を、約６００℃程度以下でアニーリングする。アニーリングの時間は、例えば、約５〜３０分程度であるのがよい。
【００３１】
（ｄ）次に、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィにより、ｐ型ＧａＮ系半導体層４の所定領域上に、厚さが、例えば、約１〜３μｍ程度のＳｉＯ２からなるマスク層２０を形成する。
【００３２】
次いで、ｐ型ＧａＮ系半導体層４上にマスク層２０の形成された基板１をエッチング装置（図示略）に導入し、例えば、油回転ポンプ，油拡散ポンプ，ターボ分子ポンプ等、或いはこれらを組み合わせて、エッチング装置内の真空引きを行い、到達真空度の設定を行う。すなわち、到達真空度は、例えば、約２×１０−３Ｐａ以下、好ましくは、約５×１０−４〜２×１０−３Ｐａ、更に好ましくは、約８×１０−４〜２×１０−３Ｐａになるように設定する。
【００３３】
次いで、反応ガス（エッチングガス）として、Ｃｌ２ガスを、例えば、約３８〜８０ｓｃｃｍ程度、好ましくは、約４５〜６０ｓｃｃｍ程度、更に好ましくは、約４５〜５５ｓｃｃｍ程度、及びＳｉＣｌ４を、例えば、約２〜２０ｓｃｃｍ程度、好ましくは、約２〜１０ｓｃｃｍ程度、更に好ましくは、約４〜６ｓｃｃｍ程度、の流量で供給し、プロセス圧力を、例えば、約０．２〜８Ｐａ程度、好ましくは、約０．２〜４Ｐａ程度、更に好ましくは、約０．２〜１Ｐａ程度に設定する。反応ガスに、Ｃｌ２及びＳｉＣｌ４の混合ガスを用いることにより、平坦性に優れたエッチング面を得ることができる。
【００３４】
エッチング装置内の圧力は、例えば、電離真空計，バラトロンゲージ，ピラニゲージ等を用いて圧力をモニターして調整をすることができる。
【００３５】
次いで、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductively Coupled Plasma RIE）を用いたドライエッチングにより、プラズマ出力を約１５０Ｗ程度、バイアス出力を約５０Ｗ程度の出力で、約２〜５分程度、好ましくは、約３分程度で、ｐ型ＧａＮ系半導体層４、発光層３及びｎ型ＧａＮ系半導体層２からなる積層体９の所定領域をエッチングする。
【００３６】
（ｅ）次に、図３（ｅ）に示すように、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ系半導体層２の所定領域を露出する。その後、エッチング等によりマスク層２０を除去する。
【００３７】
（ｆ）最後に、蒸着法により、例えば、ＺｎＯからなる透明電極層７をｐ型ＧａＮ系半導体層４上に形成した後、透明電極層７上にＴｉ／Ａｕ膜からなるｐ側電極６を形成する。
【００３８】
次いで、Ａｌからなるｎ側電極５をｎ型ＧａＮ系半導体層２上に形成して、図１に示すＧａＮ系半導体素子１０が完成する。
【００３９】
なお、ＧａＮ系半導体各層（２〜４）を結晶成長させる方法は、上述したＭＯＣＶＤ装置を用いた方法に限定されない。ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相エピタキシー）法やガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線ビームエピタキシー）法等を用いて、ＧａＮ系半導体各層（２〜４）を結晶成長させてもよい。
【００４０】
ドライエッチングには、ＥＣＲ−ＲＩＥ（Electron Cyclotron Resonance-RIE）やＣＣＰ−ＲＩＥ（Capacitive Coupled Plasma-RIE）等を用いてもよい。また、反応ガスとして、ＢＣｌ３，ＣＣｌ４，ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，ＣＨＦ３，及びＳＦ６，或いはこれらを組み合わせて用いることができる。
【００４１】
（到達真空度とエッチング深さ）
本実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の製造方法により製造されたＧａＮ系半導体素子１０について、到達真空度とエッチング深さについての関係を図４に示した。
【００４２】
図４は、ｎ型ＧａＮ系半導体層２の所定領域を露出するためのエッチングにおいて、反応ガス流量：Ｃｌ２＝約５０ｓｃｃｍ程度、ＳｉＣｌ４＝約５ｓｃｃｍ程度、プロセス圧力＝約０．６Ｐａ程度、プラズマ出力＝約１５０Ｗ程度、バイアス出力＝約５０Ｗ程度、エッチング時間＝約３分程度、の同一条件のもとで、反応ガスを供給する前の到達真空度を変化させ、そのときのエッチング深さを調べた結果である。
【００４３】
図４に示すように、到達真空度によってエッチング深さは異なっていることがわかる。例えば、到達真空度９×１０−４Ｐａ〜１×１０−２Ｐａの間では、エッチング深さには約０．４μｍの違いが見られる。また、到達真空度が悪い（高い）場合は、エッチング深さは浅くなる傾向を示している。つまり、到達真空度を管理しないで、エッチングを行った場合、エッチング深さにバラツキが生じるだけでなく、エッチング不足の素子の割合が多くなるおそれがある。
【００４４】
到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下にした場合、同じエッチングの条件の下では、エッチング深さのバラツキを約０．１〜０．１５μｍ以内に抑えることができると共に、エッチング不足のない素子を作製することができる。
【００４５】
本実施の形態によれば、ｎ型ＧａＮ系半導体層２の所定領域を露出するためのエッチングにおいて、エッチングする前のエッチング装置内の到達真空度を２×１０−３Ｐａ以下に設定するので、良好なエッチング深さを得ることができる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、エッチング時に反応ガスを供給する際、プロセス圧力を０．２〜８Ｐａに設定するので、良好なプラズマ密度が形成され、良好なエッチングを行うことができる。
【００４７】
プロセス圧力が０．２Ｐａ未満であると反応ガスのプラズマ密度が低下してエッチング不足が生じるおそれがある。一方、プロセス圧力が８Ｐａを超えると、プラズマ密度が増加してエッチングが過剰になるおそれがあるので好ましくない。
【００４８】
本実施の形態によれば、良好なエッチング深さが得られることにより、エッチング不足を低減すると共に、深くエッチングされるおそれも低減することができる。これにより、良好な抵抗を有するｎ型ＧａＮ系半導体層２を得ることができる。
【００４９】
本実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子及びその製造方法によれば、歩留まりを高めることが可能となる。
【００５０】
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第１の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００５１】
例えば、ＧａＮ系半導体層（２〜４）の各層の厚みや構成する材料を変更することは可能である。
【００５２】
また、上述した第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子１０の製造方法においては、発光層３から放出される光を利用する半導体発光素子の製造方法について説明したが、本発明はこれに限らず、半導体レーザやこれら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の製造方法の説明図であって、（ａ）基板１上にｎ型ＧａＮ系半導体層２を形成する工程図、（ｂ）ｎ型ＧａＮ系半導体層２上に発光層３を形成する工程図、（ｃ）発光層３上にｐ型ＧａＮ系半導体層４を形成する工程図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体素子の製造方法の説明図であって、（ｄ）ｐ型ＧａＮ系半導体層４上にマスク層２０を形成する工程図、（ｅ）ｎ側電極を形成するためにｎ型ＧａＮ系半導体層２をエッチングする工程図。
【図４】エッチング時における反応ガス供給前の到達真空度とエッチング深さとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・基板
２・・・ｎ型ＧａＮ系半導体層
３・・・発光層
４・・・ｐ型ＧａＮ系半導体層
５・・・ｎ側電極
６・・・ｐ側電極
７・・・透明電極層
８・・・バッファ層
９・・・積層体
１０・・・ＧａＮ系半導体素子
【図１】
2009277700.tif 000003
【図２】
2009277700.tif 000004
【図３】
2009277700.tif 000005
【図４】
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