專利名稱：氮化物半導體元件及其制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用氮化物半導體的發(fā)光二極管(LED)和激光二極 管等的發(fā)光元件、HEMT等的晶體管元件等的使用氮化物半導體結晶 層的半導體元件及其制法。更詳細地，涉及通過在氧化鋅系化合物基 板上生長氮化物半導體層，減小基板和氮化物半導體層的晶格常數(shù)差， 生長結晶性優(yōu)異的氮化物半導體層，并且在除去基板的情況下，也能 夠很容易使用濕蝕刻除去的氮化物半導體元件及其制法。
背景技術：
近年來，使用氮化物半導體的藍色系發(fā)光二極管(LED)和激光 二極管等的氮化物半導體發(fā)光元件逐漸被實用化。使用該氮化物半導 體、發(fā)出藍色系的光的LED是通過例如下述形成的如圖6所示，在 藍寶石基板31上，利用MOCVD法疊層由GaN等構成的低溫緩沖層 32、由GaN等構成的n型層33、決定帶隙能量小于n型層33的發(fā)光 波長的材料例如InGaN系(意味著In和Ga的比率可以進行種種改變， 以下同)化合物半導體構成的活性層(發(fā)光層)34、和由GaN等構成. 的p型層35，形成半導體疊層部36，在其表面上經(jīng)由透光性導電層 37設置p側電極38，在蝕刻疊層的半導體疊層部36的一部分露出的 n型層33的表面上設置n側電極39，由此形成LED。此外，為了提 高n型層33和p型層35關閉載流子的效果，可以在活性層側使用 AlGaN系(意味著Al和Ga的比率可以進行種種改變，以下同)化合 物等的帶隙能量更大的半導體層。
當使用MOCVD法疊層該氮化物半導體的情況下，作為其的基板， 在大多數(shù)的情況下，如圖6所示的例子，使用藍寶石基板或者使用SiC 基板，使用與氮化物半導體晶格不匹配的材料(例如參照專利文獻1)。 其它也有使用Si基板的例子，但是在Si上生長的氮化物半導體層的 晶體性進一步惡化，Si吸收發(fā)出的光而無法夠提高亮度，因此不適合
附加值高的高亮度產(chǎn)品。
專利文獻l:日本特幵平10-256662號公報(參照段落0002)

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在使氮化物半導體層生長的情況下，在大多數(shù)情況下， 使用藍寶石基板或SiC基板。但是，藍寶石基板、SiC基板都是非常 硬的材料，存在著從晶片進行芯片化時難以切斷，并且分割芯片降低 了成品率，導致成本上升等問題。并且，在激光二極管的情況下，為 了形成鏡面的反射面，優(yōu)選進行劈開，但是藍寶石是特別穩(wěn)定的化合 物，因此不能夠進行劈開。
此外，在SiC的情況下，基板吸收大，特別是在400nm附近吸收 變得很大。進一步，為了易于獲得接觸而過多進行摻雜時，基板的吸 收進一步變多。這樣，當發(fā)光波長變短時，由基板吸收發(fā)出的光也增 多，因此，從提升外部量子效率的觀點出發(fā)，優(yōu)選除去基板。此外， 在藍寶石基板的情況下，為了形成與下層的例如n型層電連接的電極， 不以臺面狀蝕刻除去半導體疊層部的一部分，而能夠在半導體疊層部 的兩面形成電極，由此優(yōu)選除去基板。但是，為了將藍寶石、SiC構 成的基板從氮化物半導體層除去，只有從基板側照射激光在表面進行 剝離，或者通過研磨除去的方法。激光的照射只能每一枚進行處理， 因此生產(chǎn)效率非常差。此外，研磨會存在下述問題藍寶石、SiC兩 者的基板都是與氮化物晶格不匹配的體系，并且熱膨脹系數(shù)也不同， 因此在研磨中晶片向后彎曲或破裂，難以手工操作。
本發(fā)明就是為了解決這種問題而提出的，本發(fā)明的目的是提供通 過將加工性良好的氧化鋅系化合物，具體地說MgxZnUxO (0^^0.5) 用作基板，使生長的氮化物半導體的結晶性良好、而且能夠非常簡單 地進行基板剝離和芯片化的結構的氮化物半導體元件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種氮化物半導體元件的制法，使用 MgxZni.xO (0&S0.5)那樣的氧化鋅系化合物作為基板，利用MOCVD 法外延生長氮化物半導體層，并且不會由于升華損壞MgxZni.xO基板 的表面，生長結晶性優(yōu)異的氮化物半導體層，由此制造特性優(yōu)異的氮 化物半導體元件。
本發(fā)明的另一個目的在于提供使用上述氮化物半導體，具有容易 進行加工、處理，能夠提高外部量子效率等的發(fā)光特性的結構的LED、 半導體激光等的半導體發(fā)光元件及其制法。 _
本發(fā)明者，對使用能夠結晶性良好的生長氮化物半導體，并且， 容易實施芯片化和基板剝離，處理性優(yōu)異的基板，生長氮化物半導體
構層反復進行了銳意研討，結果，發(fā)現(xiàn)以將加工容易的MgxZni—xO (0a^).5)那樣的氧化鋅系(也稱為ZnO系)化合物作為基板，以 只露出生長該基板的氮化物半導體的面的方式，對基板的背面和側面 進行掩模，當最初的氮化物半導體層生長時，使用氮氛圍，并且在幾 乎不使溫度上升的情況下，生長氮化物半導體層，消除氧化鋅系化合 物基板的露出部，由此，即便在其后，利用通常的MOCVD法進行氮 化物半導體層的生長的情況下，也不會使基板由于氫的侵入而變成凹 凸面，能夠生長漂亮的結晶的氮化物半導體層。
艮P，氧化鋅系化合物，在MOCVD法的氫氛圍下能夠以優(yōu)異的結 品性生長不含In的氮化物半導體的卯0。C以上的高溫下，氧化鋅升華， 在生長氮化物半導體前基板受損，結果不能夠生長結晶性優(yōu)異的氮化 物半導體層，不能夠實用化。但是，如上所述，只露出生長氮化物半 導體的面，而且將氮作為載氣，使其盡可能地不與氫在高溫下發(fā)生反 應，通過在表面生長第一氮化物半導體層，能夠在晶格常數(shù)與氮化物 半導體接近的氧化鋅系化合物基板上生長氮化物半導體層，即便使用 通常的生長方法，也能夠在該第一氮化物半導體層上生長結晶性非常 優(yōu)異的氮化物半導體層。
進一步，ZnO的面內(nèi)晶格常數(shù)為r3.252A， GaN的面內(nèi)晶格常數(shù) 為a二3.189A， GaN的面內(nèi)晶格常數(shù)比ZnO的小，Aa/azn。二—1,937%， 但是因為InGaN系化合物的a軸方向的晶格常數(shù)比GaN的大，而且 InN的a軸的晶格常數(shù)為a=5.76 A很大，所以通過添加少量的In能夠 形成具有與ZnO相同的晶格常數(shù)的InGaN系化合物，著眼于此，發(fā)現(xiàn) 能夠生長與基板晶格匹配在1%以下、更優(yōu)選為0.5%以下的氮化物半 導體層。我們看到假定例如與ZnO晶格匹配的InGaN系化合物的In 的組成y與In的組成成比例，改變晶格常數(shù)時(因為實際上加入了由 畸變產(chǎn)生的彎曲效果，所以難以計算出正確的晶格常數(shù))，根據(jù)凡加爾定律(Vegard， slaw) ， a(y)=3.189(l-y)+5.76y=3.252時，y=0.0245， 即包含2.45%，則能夠與ZnO完全晶格匹配。因此發(fā)現(xiàn)，首先，'通過 含有能夠晶格匹配的比例的In，生長取得晶格匹配的第一氮化物半導 體層，能夠得到結晶性非常優(yōu)異的氮化物半導體層。
此外，當?shù)谝坏锇雽w層和在其上生長的氮化物半導體層之 間晶格常數(shù)之差大的情況下，能夠在其間設置梯度層或超晶格結構， 但是通過分階段地或連續(xù)地緩緩減少該第一氮化物半導體層本身的In 組成，使其與其上的氮化物半導體層的組成一致，也能夠形成與基板 晶格匹配的InGaN系化合物層和GaN層等與在其上的氮化物半導體 層的組成的層的超晶格結構。通過這樣做，能夠緩和畸變，同時在與 氧化鋅系化合物基板直接取得晶格匹配的第一氮化物半導體層上直接 生長取得與第一氮化物半導體層晶格匹配、形成n型層等的半導體元 件的氮化物半導體層。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導體元件是在基板上疊層氮化物半導體層 形成的氮化物半3休元件，上述基板山氧化鋅系化合物構成，與該基 板連接地設置由InyGai.yN (0<^0.5)構成的第一氮化物半導體層，在 該第一氮化物半導體層上疊層氮化物半導體層，以形成半導體元件。
這里氧化鋅系化合物指的是包含Zn的氧化物，作為具體例，指 的是除了 ZnO夕卜，包含IIA族元素和Zn、 IEB族元素和Zn或IIA族 元素、IIB族元素和Zn的各個氧化物的化合物。此外，氮化物半導體 是由IIIA族元素的Ga和VA族元素的N的化合物或將IIIA族元素的 Ga的一部分或全部置換成Al、 In等的其它的IIIA族元素和/或將VA 族元素的N的一部分置換成P、 As等的其它的VA族元素的化合物(氮 化物)構成的半導體。
以在上述基板之間面內(nèi)的結晶晶格常數(shù)進行晶格匹配(Aa/a51。/。， 這里Aa是上述基板與第一氮化物半導體層的a軸的晶格常數(shù)差的絕對 值，a是基板的a軸的晶格常數(shù))的方式形成上述第一氮化物半導體 層，由此能夠進一步改善晶格不匹配問題，因此優(yōu)選。
上述第一氮化物半導體層具有含有In的層和不含有In的層的多 層結構，形成為各層的厚度在50nm以下的超晶格結構，由此，基板 和第一氮化物半導體層即使沒有完全取得晶格匹配，因為超晶格結構，
也不會引起畸變的積累，不發(fā)生伴隨晶格不匹配的不適合情況。而且，
因為交替疊層含有In的層，所以需要與In含有層一致地降低生長溫 度，并且因為在H2中In容易脫離，所以需要使載氣為氮氣，不自動 地暴露在作為在高溫下，MgxZni.xO等氧化鋅系化合物容易升華的作 為還原性氣體的氫氣中，不會損壞基板。因此，能夠生長結晶性良好 的第一氮化物半導體層，也能夠不產(chǎn)生晶格不匹配問題的以優(yōu)異的結 晶性疊層在其上疊層的氮化物半導體層。
以越接近表面?zhèn)仍绞沁B續(xù)地或分階段地減少In的組成的方式形 成上述第一氮化物半導體層，由此，即便在生長GaN層等In的組成 少的氮化物半導體層的情況下，也能夠大體上消除晶格不匹配的問題， 因此優(yōu)選。
在上述第一氮化物半導體層上，設置由n型AlzGa|.zN (0:S-1) 構成的n型層，在該n型層上直接形成n側電極的結構，通過形成上 述結構，例如在形成發(fā)光元件的情況下，與使用現(xiàn)有的藍寶石基板時 相同，在一而側形成一對電極，能夠將該電極作為安裝面，并從基板 側取出發(fā)出的光。此外，即便在除去基板的情況下，因為一方而能夠 利用濕蝕刻除去MgxZn|.xO等的氧化鋅系化合物，另一方面在濕蝕刻 中完全不蝕刻氮化物半導體層，所以能夠簡單地除去基板，在形成發(fā) 光元件的情況下等能夠高效率地利用光。
上述基板和上述第一氮化物半導體層形成為n型，在該n型的第 一氮化物半導體層上，設置由n型AlzGa|.zN (02^1)構成的n型層， 在上述基板的與設置上述第一氮化物半導體層的面相反的面上形成n 側電極，由此，當形成n側電極時，不需要蝕刻半導體疊層部的一部 分露出下層的n型層，能夠形成所謂的垂直型元件，在芯片的上下形 成一對電極。因此，例如半導體元件是發(fā)光元件，即便在將LED芯片 安裝在引線端部中形成的碗狀凹部內(nèi)的情況下，組裝步驟也變得非常 容易。
具體來說，通過以形成發(fā)光層的方式在上述n型層上疊層活性層 和p型層，以與該p型層電連接的方式形成p側電極，能夠形成半導 體發(fā)光元件。 ,
本發(fā)明的氮化物半導體元件的制法的特征是通過下述工序形成氮
化物半導體元件(a)在除去由氧化鋅系化合物構成的基板的半導體
層疊層面露出的面上形成保護膜，(b)將上述基板設置在MOCVD 裝置內(nèi)，使用氮氣作為載氣，生長由InyGa^N (0<y^).5)構成的第一 氮化物半導體層，(c)接著生長所期望的氮化物半導體層，形成氮化 物半導體元件。
通過在比GaN的生長溫度低的600 900°C的低溫下，生長上述 第一氮化物半導體層，能夠不損壞MgxZni.xO基板地生長氮化物半導 體層，因此優(yōu)選。
在上述第一氮化物半導體層的生長中，通過控制In原料氣體的流 量，形成超晶格結構，或In的組成緩緩地或分階段地減少形成梯度層。
在形成上述(c)工序的元件后，通過濕蝕刻除去上述基板的一部 分或全部，由此，在基板等中不吸收發(fā)出的光而取出光，所以能夠提 高外部量子效率，優(yōu)選。這種情況下，上述基板由ZnO基板構成，在 Zn極性方向上生長上述第一氮化物半導體層，使進行濕蝕刻的「一側具 有O極性，可以很快地進行蝕刻，從而具有良好的生產(chǎn)性。
具體來說，在上述第一氮化物半導體層上生長的期望的氮化物半 導體層，以至少含有用于形成發(fā)光層的n型層和p型層、在上述第一 氮化物半導體層側形成n型層、在表面?zhèn)刃纬蓀型層的方式生長而形 成，在通過上述濕蝕刻露出的n型的層上形成n側電極，由此形成半 導體發(fā)光元件。再者，在通過上述濕蝕刻露出的n型的層的表面形成 凹凸，其后通過形成上述n側電極，在形成LED的情況下，能夠提高 光的取出效率。
再者，上述第一氮化物半導體層上生長的期望的氮化物半導體層， 以至少含有用于形成發(fā)光層的n型層和p型層、在上述第一氮化物半 導體層側形成n型層、在表面?zhèn)刃纬蓀型層的方式生長而形成，在該 表面?zhèn)刃纬蓀側電極后進行芯片化，將該p側電極側芯片接合在輔助 固定件上后，通過濕蝕刻除去上述基板的一部分或全部，形成半導體 發(fā)光元件。如果這樣做，能夠在安裝元件后除去基板，因此能夠可靠 地將非常薄的元件搭載在輔助固定件上。作為上述輔助固定件,能夠 使用金屬或ALN、 SiC和金剛石中的某一種或用Cu或Ag覆蓋它們的 表面的材料等。
本發(fā)明的氮化物半導體元件，將氮化物半導體層疊層在由
MgxZnNxO等的氧化鋅系化合物構成的基板上，因此能夠在基板的背 面?zhèn)刃纬梢粋€電極，當除去基板時能夠用濕蝕刻簡單地除去基板。再 者，將直接在基板表面上形成的第一氮化物半導體層作為InyGai.yN
(0<yS0.5)層，因此通過調整In組成，能夠與基板完全晶格匹配。 因此，能夠生長結晶性非常優(yōu)異的氮化物半導體層，能夠得到發(fā)光特 性優(yōu)異的氮化物半導體發(fā)光元件等高特性的氮化物半導體元件。
此外，本發(fā)明的氮化物半導體元件的制法，除去由MgxZn,.xO等 的氧化鋅系化合物構成的基板的半導體層疊層面，進行掩模，并且使 用氮氣作為載氣，生長由InyGa,.yN構成的第一氮化物半導體層，所以 即便用MOCVD法生長芯片化鎵系化合物，也不會由于升華損壞基板， 能夠生長氮化物半導體層成為非常漂亮的結晶。結果，即便形成LED 和激光二極管(LD)等也能夠得到內(nèi)部量子效率高、閾值電流小的高 特性的半導體發(fā)光元件，即便構成晶體管等，也能夠得到漏電流小， 耐壓優(yōu)異的高速晶體管(HEMT)。


圖1是本發(fā)明的氮化物半導體元件的一個實施方式的LED的剖面 說明圖。
圖2是表示在圖1的基板上生長氮化物半導體層的情況下的保護 膜的例子的剖面說明圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明在基板上形成的第一氮化物半導體層的結構例。
圖4是表示本發(fā)明的氮化物半導體發(fā)光元件的其它結構例的剖面 說明圖。
圖5是本發(fā)明形成的晶體管的結構剖面說明圖。
圖6是表示使用現(xiàn)有的的氮化物半導體的LED的結構例的圖。
符號說明 1 基板
2第一氮化物半導體層3 n型層 4活性層
5 p型層
6半導體疊層部
7透光性導電層
8 p側電極
9 n側電極
具體實施例方式
下面， 一面參照附圖一面說明本發(fā)明的氮化物半導體元件及其制 法。根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導體元件，如圖1中作為一個實施方式的 氮化物半導體發(fā)光元件(LED芯片)的剖面說明圖所示，當在基板1 上疊層氮化物半導體層形成氮化物半導體元件時，以基板1由 MgxZnNxO (0￡X^).5)那樣的氧化鋅系化合物構成，與該基板1相接 地設靑由InYGaNyN (0<y^).5)構成的第一氮化物半導體層2，在該第 -一氮化物半導體層2上形成半導體元件的方式(在圖1所示的例子中 以形成LED發(fā)光層的方式)疊層氮化物半導體層3 7。
艮P，本發(fā)明的特征是雖然利用MOCVD法疊層氮化物半導體層， 可是作為基板1使用MgxZni_xO等的氧化鋅系化合物的基板，直接在 該基板表面上設置InyGa,.yN層作為第一氮化物半導體層2。如上所述， 當利用MOCVD法使氮化物半導體層生長時，因為生長溫度高，氮化 物半導體的膜質良好，所以當在氫氛圍下在約900 1100。C進行生長 時，氧化鋅升華，基板的外延生長的表面變得凸凹，不能夠生長膜質 良好的氮化物半導體層。因此，不將MgxZn,《0那樣的ZnO系化合物 用作基板。但是，如上所述，本發(fā)明者反復進行潛心研究，結果發(fā)現(xiàn) 通過只露出外延生長的面而利用保護膜包覆其它部分，在氮氛圍中進 行基板l的清潔等，不暴露在氧中，而且當使最初的第一氮化物半導 體層2生長時，使用氮作為載氣，在800。C以下的溫度下生長，更優(yōu) 選作為第一氮化物半導體層2，通過形成含有In的層或形成交替疊層 含有In的層和GaN層而得的超晶格結構，不會損壞由ZnO系化合物 構成的基板，能夠使結晶性優(yōu)異的氮化物半導體層生長。 '
通過使第一氮化物半導體層2形成約lOnrn以上的厚度，用掩模 覆蓋基板的生長面以外的地方，即便此后的氮化物半導體層的生長用 與現(xiàn)有技術相同的生長步驟進行，也不會損壞基板形成凹凸，而且因 為在晶格常數(shù)與基板接近的第一氮化物半導體層2上使氮化物半導體 層生長，所以整個半導體層成長為結晶性優(yōu)異的半導體層。
基板1使用MgxZn,.xO等的ZnO系化合物，例如ZnO基板1。如 果是這種氧化物，則能夠通過濕蝕刻簡單地除去，半導體具有導電性， 因此能夠從基板的背面取出一個電極，因為晶格常數(shù)可以任意地接近 氮化物半導體，所以容易得到晶格匹配，通過在氮化物半導體中含有 適當量的In，能夠完全與基板晶格匹配。此外，即便基板1不是ZnO， 例如當形成發(fā)光元件時當發(fā)光波長短時，為了不吸收該光能夠用進行 了 Mg混晶的MgxZni.xO等。
該基板1，如上所述，當在高溫中暴露在氫氛圍中時，ZnO從露 出面升華，表面變?yōu)橥拱紶?，基板本身的結晶性也會降低，并且在其 上牛長的氮化物半導體層的結晶性也大幅度降低。因此，例如如圖2 所示，利用在SiO、 SiN或Pt等的高溫中不蒸發(fā)的保護膜15包覆從 ZnO基板1的背面和側面到表面的端部而進行保護，將ZnO基板l(晶 片)載置在MOCVD裝置的由碳或鉬構成的接受臺16上，進行氮化 物半導體層的生長。
第一氮化物半導體層2，如上所述，以不損壞ZnO基板1的表面 的方式首先包覆表面，并且設置為與ZnO基板1晶格匹配的層，但是 因為原來ZnO基板1和氮化物半導體層之間的晶格不匹配不如藍寶石 基板和氮化物半導體層那樣地大，所以防止ZnO基板1的升華是第一 位的，使晶格常數(shù)完全一致是第二位的。即，如上所述，當使用ZnO 基板l，利用MOCVD法進行氮化物半導體層的生長時，在進行氮化 物半導體層生長的卯0。C以上的高溫下，ZnO基板1升華，損壞表面， 不能夠生長結晶性良好的氮化物半導體層，因此，不如優(yōu)選InGaN系 化合物的生長在使成長溫度降低到卯0。C以下進行，而且具有使用氫 作為載氣時難以生長，而使用氮氣容易生長的性質，因此首先在ZnO 基板1上生長InGaN系化合物。這樣，通過在900。C以下，而且在氮 氣氛圍下生長由InGaN系化合物構成的氮化物半導體層，能夠完全不
損壞ZnO基板1的表面，生長結晶性優(yōu)異的氮化物半導體層。第一氮
化物半導體層，當在基板1的背面形成一個電極的情況下，需要與基 板l導電型一致，但是當在基板l的背面不形成電極時，既可以不摻
雜也可以摻雜Si (n摻雜劑)等。
另一方面，第一氮化物半導體層2，不一定必須是含有In的層， 例如如圖3(a)所示，也能夠用交替疊層每個厚度50nm以下例如5nm 左右的InGaN系化合物層21和GaN層22的超晶格結構形成第一氮化 物半導體層2(在剖面圖右側表示GaN和InGaN的組成變化的樣子)。 這時，如在圖3 (b)中表示同樣的說明圖所述，使超晶格結構的InGaN 系化合物層21的In組成隨著向表面?zhèn)刃羞M而減小，優(yōu)選接近n型層 3的組成。
但是，第一氮化物半導體層2，如上所述，通過調整In的組成， 能夠與基板l的面內(nèi)晶格常數(shù)完全一致，通過實現(xiàn)材料不同的基板和 氮化物半導體層的晶格匹配，能夠生長結晶性非常好的氮化物半導體 層，因此優(yōu)選。如果實現(xiàn)與這種基板1的晶格匹配，生長結晶性優(yōu)異 的第一氮化物半導體層2，則疊層在其上的氮化物半導體，即便由于 其材料組成不同使晶格常數(shù)多少有些不同，因為是同種的氮化物半導 體材料，所以也能夠結晶性良好地生長，但是因為進一步通過在其間 夾持超晶格結構和梯度層等地進行疊層，能夠緩和由組成不同引起的 畸變，所以能夠得到更好的結晶性。這種情況下，也可以在圖l所示 的第一氮化物半導體層2和n型接觸層3之間設置消除由于該兩組成 之差造成的晶格不匹配的超晶格結構或梯度層，既可以如圖3 (a)或 (b)所示，使第一氮化物半導體層2本身形成超晶格結構，也可以如 圖3 (c)所示，用梯度層23形成第一氮化物半導體層2。
艮口，在圖3 (c)中，設置最初的10nm左右的與ZnO基板1晶格 匹配的InGaN層21，在其上徐徐地減少In的組成，最后以形成與在 其上生長的n型層3的組成一致的GaN層加方式形成。對包含該梯度 層的整體厚度沒有限制，但是優(yōu)選在lpm以下。該例子也表示在剖面 圖的右側GaN和InGaN的組成變化的樣子。該梯度層，如圖3 (c) 所示的例子，既可以連續(xù)地變化，也可以分階段地變化。在利用 MOCVD法生長第一氮化物半導體層的過程中，通過連續(xù)地或分階段
地減少例如作為In的原料氣體的三甲基銦(TMIn)的量能夠得到這 種組成變化。
其他的半導體疊層部6，在圖1所示的例子中，通過分別設置下 述層而形成約1 10^im的由摻雜了 Si的GaN構成的接觸層3a和由 InGaN系化合物/GaN構成的超晶格層3b構成的n型層3、整體約 0.05 0.3pm的由未摻雜的InGaN系化合物/GaN-MQW層4a (例如疊 層3 8對由1 3nm的Inai7Gaa83N構成的阱層和由10 20nm的 Ino.(),Ga。.99N構成的阻擋層的多重量子阱結構)和未摻雜的GaN層4b 構成的活性層4、約0.2 lpm的由摻雜了 Mg的GaN構成的p型層5。
此外，半導體疊層部6的結構，疊層形成為與制造的半導體元件 相應的必要的結構，即便在LED的情況下，也不限定于上述例子，n 型層3和p型層5也能夠形成在活性層側設置帶隙能量大的層(壁壘 層)的多層結構，也能夠在組成不同的半導體層之間設置超晶格結構 或梯度層，相反地也能夠省略上述的超晶格層3b和未摻雜的GaN層 4b等。進一步，在木例中，是用n型層3和p型層5夾持活性層4的 雙異質結構造，但是也可以是直接結合n型層和p型層的異質結構造。 重點是，在構成LED的情況下，可以以形成發(fā)光層的方式設置n型層 3和p型層5。此外，上述例子是LED的例子，但是也能夠通過形成 帶狀的發(fā)光區(qū)域同樣形成激光二極管。
下面，說明圖1所示的氮化物半導體發(fā)光元件的制法。首先，例 如在形成n型的ZnO基板1的生長面以外，如圖2所示，將形成了保 護膜15的晶片放入MOCVD裝置中，在氮載氣中上升到約700 900°C，對基板表面進行清潔。這種情況下，因為如藍寶石基板等， 進行超過1000。C的基板清潔時，ZnO升華，外延生長表面形成凹凸， 所以需要加以注意。 ；
下面仍然用氮載氣使溫度下降到約800°C，用Si摻雜與基板1晶 格匹配的、例如由InGaN系化合物構成的第一氮化物半導體層'2，生 長約10 100nm。當在基板1的背面形成電極時需要該Si摻雜，但是 當在基板背面不形成電極時，也可以不摻雜。此后，通過將載氣變更 為氫，并且使基板溫度上升到約900 1200°C，例如約1000。C的高溫， 使由慘雜了 Si的GaN構成的接觸層3a生長，使溫度降低到600
800°C，使由Si慘雜的InGaN系化合物/GaN構成的超晶格層3b生長， 由此疊層約1 10pm的n型層3。為了對需要特別好的結晶性的活性 層4不產(chǎn)生晶格畸變設置該超晶格層3b。
接著，疊層約0.05 0.3(im的由MQW層4a和未摻雜的GaN層 4b構成的活性層4，該MQW層4a以未摻雜的方式，交替疊層有約3 8對例如由約1 3謹?shù)腎n0.17Ga0.83N構成的阱層和由約10 20nm的 GaN構成的阻擋層。它們也可以摻雜約l"017 5xl018cm—3的Si。隨 后，使生長裝置內(nèi)的溫度上升到約900 1200。C，例如約1000°C，使 由摻雜了 Mg的GaN構成的p型層5生長約0.2 lpim，由此形成半導 體疊層部6。
此外，當從上述n型層3生長各半導體層時，供給下述必要氣體 與載氣的H2 —起供給三甲基鎵(TMG)、氨(NH3)、三甲基鋁(TMA )、 三甲基銦(TMIn)等的反應氣體；和作為形成n型的情況下的摻雜劑 氣體的SiH4、作為形成p型時的摻雜劑氣體的環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg) 等，能夠以期望的組成，將期望的導電型的半導體層形成期望的厚度。 此外，改變InGaN系化合物的In組成，能夠通過控制作為In原料氣 體的TMIn的流量進行改變。
此后，在半導體疊層部6的表面設置約0.01 5pm的例如由ZnO 等構成的能夠與p型半導體層5取得歐姆接觸的透光性導電層7。以 摻雜Ga、形成約3 5xl0^^cm的電阻率的方式形成該ZnO膜。該透 光性導電層7，不限定于ZnO，即便是ITO、 Ni和Au的約2 100nm 的薄的合金層，也能夠一面透過光一面使電流在整個芯片中擴散。
接著，在通過研磨基板1的背面使基板1的厚度達到約100pm后， 在該背面上疊層Ti/Au或Cr/Pt/Au等形成n側電極9，進一步，在透 光性導電層7的表面利用剝離法，形成具有Ti/Au的疊層結構的p側 電極8，最后利用由等離子體CVD法產(chǎn)生的未圖示的SiON膜覆蓋整 個芯片，在電極部形成開口部。此后，通過從晶片形成芯片，形成圖 1所示的結構的發(fā)光元件芯片。此外，當進行芯片化時，預先通過干 蝕刻將半導體疊層部6的芯片邊界部分蝕刻成臺面狀。n側電極9，如 后所述，也能夠不在基板1的背面形成，而在蝕刻疊層的半導體疊層 部6的一部分露出的n型層3的表面上形成。 根據(jù)本發(fā)明，因為在ZnO系氧化物基板上疊層氮化物半導體層， 所以能夠形成在基板的背面形成一個電極，在芯片上下形成一對電極
的垂直型元件。但是，當使用這種半導體基板時，如圖4 (a)所示， 能夠在用干蝕蝕刻刻疊層的氮化物半導體層6的一部分露出的n型層 3上形成n側電極9。此外，半導體層疊層部等的結構與圖l所示的例 子相同，在相同的部分上附加相同的標號并省略對它們的說明。也可 以形成通過使它的上面向下直接焊接在安裝基板等上，能夠與一對電 極連接地進行安裝的倒裝片結構。
此外，在本發(fā)明中，因為使用ZnO系化合物基板，所以當形成這 樣的結構時，如圖4(b)所示，能夠通過使用HC1等的濕蝕刻簡單地 除去基板。即，因為不能夠通過濕蝕刻對氮化物半導體層進行蝕刻， 所以通過掩蔽電極部分等的表面?zhèn)?、進行濕蝕刻，能夠容易地除去基 板，即便在發(fā)光波長短，被基板吸收的情況下，也能夠通過這種除去 基板，提高外部量子效率。此外，在本例中，半導體層疊層部6等的 —丄〔它結構與圖1所示的例子相同，在相同的部分上附加相同的標號并 省略對它們的說明。此外，以在ZnO基板的Zn極性方向上生長氮化 物半導體層、使被濕蝕刻一側為O極性的方式，在ZnO的Zn極性面 上生長InGaN系化合物，由此可以很快地進行蝕刻，從而具有良好的 生產(chǎn)性。
作為除去這種基板的結構，即便不一定在一面?zhèn)刃纬蓛呻姌O，也 能夠在除去基板露出的氮化物半導體層上形成一個電極。g卩，也能夠 在圖l所示的結構的晶片狀態(tài)下，在形成p側電極8后，在整個表面 上形成SiO、 SiN或八1203等的絕緣膜10，在p側電極8上開口使其 露出來，在整個表面上形成Ag/Ti/Pt/Au的疊層金屬膜11，形成鏡結 構。通過在該狀態(tài)中浸漬在HC1溶液中，能夠不對金屬膜和氮化物半 導體層進行蝕刻，只除去ZnO基板l。能夠在該露出面上形成n側電 極9，將該露出面?zhèn)茸鳛楣馊〕雒妗＿@種情況下，露出的n型層既可 以是形成n型的第一氮化物半導體層，也可以是在其上生長的n型層 3。此外，在形成n型的ZnO基板1的過程中，也可以余留其一部分。 此外，能夠用Au-Sn合金等將上述金屬膜11與芯片接合基板等直接 進行芯片結合的接合。
此外，當如半導體激光器那樣，面朝下地安裝在熱傳導良好的輔 助固定件等支架上的情況下，在晶片狀態(tài)，形成p側電極后進行芯片 化，在將該p側電極側固定在輔助固定件表面上后，通過用上述的蝕 刻液對基板進行蝕刻，能夠除去基板。根據(jù)這種方法，則完全不發(fā)生
處理時的破損等，能夠安裝非常薄型的元件。通過也在LED中實施這 種結構，能夠非常有效地利用發(fā)出的光。此外，作為熱傳導良好的輔 助固定件，能夠使用金屬或ALN、 SiC和金剛石中的任一種或由Cu 或Ag覆蓋它們的表面的材料等。
進一步，當通過露出上述的n型層在它的露出面上形成n側電極 時，通過蝕刻等在露出面上形成凹凸，在LED的情況下，因為提高了 光取出效率而優(yōu)選。這種情況下，當在氮化物半導體層上形成凹凸時， 或者通過干蝕刻形成凹凸或者通過噴沙等機械地形成凹凸，但是也能 夠余留ZnO基板的一部分，通過濕蝕刻形成凹凸。 '
圖5是通過在上述的ZnO系氧化物基板1的表面上形成由InGaN 系化合物構成的第一氮化物半導體層2，疊層結晶性良好的氮化物半 導體層，構成晶體管的剖面說明圖。與發(fā)光元件的情況相同，在 MOCVD裝置中，用氮氣作為載氣在800。C以下的低溫屮，首先使第 一氮化物半導體層2生長，接著與上述同樣導入必要的有機金屬氣體， 依次生長約4pm的未慘雜GaN層23、約10nm的未摻雜的AlGaN系 化合物電子渡越層24，約5nm的n型GaN層25，以設置形成柵極長 度約1.5jim的規(guī)定間隔的方式，通過蝕刻除去n型的GaN層25的一 部分，露出電子渡越層24。之后，在設置規(guī)定間隔殘留的n型的GaN 層25上例如用Ti膜和Au膜形成源電極26和漏電極27，在未摻雜的 AlGaN系化合物層24的表面上，通過疊層例如Pt膜和Au膜細成柵 電極28，由此構成晶體管。也能夠在這種基板表面上形成單結晶緩沖 層2，通過在其上生長GaN層，能夠得到結晶性非常優(yōu)異的氮化物半 導體層，能夠得到漏電流小，耐壓優(yōu)異的高速晶體管(HEMT)
如以上所述，根據(jù)本發(fā)明，在疊層氮化物半導體層的過程中，因 為一面將ZnO那樣的ZnO系化合物等作為基板， 一面在其表面上設 置由能夠與基板晶格匹配的InGaN系化合物構成的第一氮化物半導體 層，在其上疊層氮化物半導體層，所以能夠形成結晶性非常優(yōu)異的氮
化物半導體層。結果，能夠大幅度提高用發(fā)光特性優(yōu)異的LED和LD (激光二極管)等的氮化物半導體發(fā)光元件和漏電流小耐壓優(yōu)異的 HEMT等的氮化物晶體管等的氮化物半導體的元件特性。 產(chǎn)業(yè)上利用的可能性
本發(fā)明能夠提高使用氮化物半導體的LED和激光二極管等的發(fā) 光元件、HEMT等的晶體管元件等的特性，能夠用于利用這些半導體 元件的各種電子設備中。
權利要求
1.一種氮化物半導體元件，其為在基板上疊層氮化物半導體層而形成的氮化物半導體元件，其特征在于所述基板由氧化鋅系化合物構成，與該基板相接設置有由InyGa1-yN(0＜y≤0.5)構成的第一氮化物半導體層，在該第一氮化物半導體層上疊層氮化物半導體層，以形成半導體元件。
2. 根據(jù)權利要求1所述的氮化物半導體元件，其特征在于以面內(nèi)的結晶晶格常數(shù)在與所述基板之間晶格匹配(Aa/a51%，這里Aa是 所述基板與第一氮化物半導體層的a軸的晶格常數(shù)差的絕對值，a是 基板的a軸的晶格常數(shù))的方式形成所述第一氮化物半導體層。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物半導體元件的制法，其特征 在于所述第一氮化物半導體層以含有In的層和不含In的層的多層 結構，形成為各層的厚度在50nm以下的超晶格結構。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物半導體元件，其特征在于 以越接近表面?zhèn)菼n的組成越連續(xù)地或分階段地減少的方式形成所述 第一氮化物半導體層。
5. 根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的氮化物半導體元件，其特征 在于在所述第一氮化物半導體層上，設置有由n型Al7Gai.zN(0《z《l)構成的n型層，在該n型層上直接形成有n側電極。
6. 根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的氮化物半導體元件，其特征 在于所述基板和所述第一氮化物半導體層形成為n型，在該n型的 第一氮化物半導體層上，設置有由n型AlzGakN (0《z《l)構成的n 型層，在所述基板的與設置有所述第一氮化物半導體層的面相反的面 上形成有n側電極。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的氮化物半導體元件，其特征在于在所述n型層上以形成發(fā)光層的方式疊層活性層和p型層，以與該p型層電連接的方式形成p側電極，從而形成半導體發(fā)光元件。
8. —種氮化物半導體元件的制法，其特征在于(a)在由氧化鋅系化合物構成的基板的除去半導體層疊層面而露出的面上形成保護膜，(b)將所述基板設置在MOCVD裝置內(nèi)，使用氮氣作為載氣， 生長由IiiyGa,-yN (0<y《0.5)構成的第一氮化物半導體層，(c)接著 生長期望的氮化物半導體層，形成氮化物半導體元件。
9. 根據(jù)權利要求8所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在于 在比GaN的生長溫度低的600 900° C的低溫下，生長所述第一氮化 物半導體層。
10. 根據(jù)權利要求8或9所述的氮化物半導體元件的制法，其特征 在于在所述第一氮化物半導體層的生長中，通過控制In原料氣體的 流量，形成超晶格結構，或形成In的組成緩緩地或分階段地減少的梯度層。
11. 根據(jù)權利要求8 10中任一項所述的氮化物半導體元件的制 法，其特征在于在形成所述(c)工序的元件后，通過濕蝕刻除去所 述基板的一部分或全部。
12. 根據(jù)權利要求11所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在 于在所述第一氮化物半導體層上生長的期望的氮化物半導體層，以 形成發(fā)光層、并且在所述第一氮化物半導體層側形成n型層、在表面 側形成p型層的方式生長而形成，所述發(fā)光層以至少含有n型層和p 型層的方式形成，在通過所述濕蝕刻而露出的n型的層上形成n側電 極，從而形成半導體發(fā)光元件。
13. 根據(jù)權利要求12所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在于在通過所述濕蝕刻而露出的n型的層的表面上形成凹凸，此后形 成所述n側電極。
14. 根據(jù)權利要求8 13中任一項所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在于在所述第一氮化物半導體層上生長的期望的氮化物 半導體層，以形成發(fā)光層、并且在所述第一氮化物半導體層側形成n型層、在表面?zhèn)刃纬蓀型層的方式生長而形成，所述發(fā)光層以至少含有n型層和p型層的方式形成，在該表面?zhèn)刃纬蓀側電極后進行芯片 化，在使該p側電極側與輔助固定件芯片結合后，通過濕蝕刻除去所 述基板的一部分或全部，由此形成半導體發(fā)光元件。
15. 根據(jù)權利要求14所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在 于作為所述輔助固定件，使用金屬、或A1N、 SiC和金剛石中的任 一種或利用Cu或Ag包覆它們的表面而形成的材料。
16. 根據(jù)權利要求11所述的氮化物半導體元件的制法，其特征在 于所述基板由ZnO基板構成，在Zn極性方向上生長所述第-氮化 物半導體層，使被濕蝕刻的一側為O極性。
全文摘要
本發(fā)明提供通過將加工性好的氧化鋅系化合物用作基板，使生長的氮化物半導體的結晶性良好，而且具有能夠非常簡單地進行基板剝離和芯片化的結構的氮化物半導體元件及其制法。當在基板(1)上疊層氮化物半導體層形成氮化物半導體元件時，基板由Mg_xZn_1-xO(0＜x≤0.5)構成，與該基板相接地設置有由In_yGa_1-yN(0≤y≤0.5)構成的第一氮化物半導體層(2)，在該第一氮化物半導體層上疊層氮化物半導體層(3)～(7)，以形成半導體元件。
文檔編號H01L21/338GK101171694SQ20068001599
公開日2008年4月30日 申請日期2006年5月8日 優(yōu)先權日2005年5月9日
發(fā)明者中原健 申請人:羅姆股份有限公司