JP3741528B2

JP3741528B2 - Method for manufacturing gallium nitride based semiconductor device

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Publication number: JP3741528B2
Application number: JP34352597A
Authority: JP
Inventors: 泰司森本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2017-12-15
Also published as: JPH11177135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子の素子構造およびその製造方法に係り、特に、Ｍｇをドーピングした半導体層を含む半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの混晶に代表される窒化物系半導体材料により、可視から紫外領域まで発光する発光素子（ＬＥＤ素子）等の半導体発光素子が実現されており、種々の構造が提案されている。図５は窒化物系半導体材料を用いた従来例であり、特開平７−９４７８２号公報、発明の名称：窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、出願人：日亜化学工業株式会社、である。
【０００３】
図５（ａ）は従来例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の平面図のＦ−Ｆ’線で切断した略断面図である。図５（ｂ）において、サファイア基板等の絶縁性基板５０の上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層５１とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５３とが順に積層されており、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層５１には負電極５２が形成され、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５３には正電極５４が形成されている。５５はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５３表面のほぼ全面に形成された電流拡散用の透光性電極であり、５６は前記透光性電極５３に設けられた正電極５４を取り出すための窓部である。
【０００４】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）の発光素子に素子表面保護用の保護膜５６を形成したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ａ）、（ｂ）に示した従来例の発光素子構造においては、発光素子の側面には、積層した結晶表面が露出している。図５の発光素子側面の発光層近傍の拡大図を図６に示す。
【０００６】
図６（ａ）において、発光素子を構成する結晶の表面近傍６５では、構成原子の結合が切れているため、結晶と接する雰囲気、例えば大気中の酸素、炭素、水分等と結合しやすい。これにより、表面近傍の結晶においては新たな準位を形成する。その結果、結晶領域６５を流れる電流は、非発光成分が増加することになり、発光効率の低下が起こる。また、図６（ｂ）に示すように、発光素子側面のｐｎ接合部に異物６６、例えば水蒸気、有機物等が付着する場合もある。この場合には、ｐ型層６２→付着物６６→ｎ型層６１、のリーク電流経路６７が形成され、発光効率が低下する。また、異物が結晶に付着することによる、前述の表面近傍の結晶において新たな準位を形成し、その結果非発光成分が増加し、発光効率の低下が起こる。さらに、これら準位を流れる電流は熱となり、結晶中の欠陥を増殖させ、発光素子の長期信頼性を低下させる要因となる。
【０００７】
これに対して、図５（ｃ）のように、発光素子表面に電極と結晶保護用の絶縁膜を形成したものでも、発光素子側面の結晶が露出してから絶縁膜形成までにエッチングガス、大気等のガス、エッチング後の洗浄剤等が接触するため、表面近傍の結晶の非発光成分が増加することにおいては変わりが無い。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面が、同じ組成の層の他の部位に対して高抵抗化されていることを特徴とするものである。
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、基板上に少なくともｎ型窒化ガリウム系半導体層とＭｇを含む窒化ガリウム系半導体層とが積層された窒化ガリウム系半導体素子であって、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の一部が露出するまでエッチング加工され、前記エッチング加工されたＭｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面が、内部に対して高抵抗化されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、温度４００℃以上の水素を含む雰囲気下で熱処理することにより、前期Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体が高抵抗化されてなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、前記窒化ガリウム系半導体素子が窒化ガリウム系半導体発光素子であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の表面近傍が、電極が形成されている領域を除き、その内部に比べ高抵抗化されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面を、同じ組成の層の他の部位に対して高抵抗化する工程を含むことを特徴とするものである。
また本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型窒化ガリウム系半導体層とＭｇを含む窒化ガリウム系半導体層とが積層された窒化ガリウム系半導体素子の製造方法であって、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の一部が露出させるためのエッチング工程と、前記エッチング工程によりエッチングされた前記Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面を、内部に対して高抵抗化する工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層を、ＮＨ₃ガス、および／または、Ｈ₂ガスを含む雰囲気中に一定時間曝すことで、同じ層内で抵抗率の異なる部位を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、同じ層内で抵抗率の異なる部位を形成する際に、正電極をマスクすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面を高抵抗化する前記方法が、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に絶縁膜を形成する工程を兼ねることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に絶縁膜（以下、「保護膜」ともいう。）を形成する際の雰囲気ガスにより、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の端部表面を高抵抗化することを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に形成する前記絶縁膜が、窒化シリコン、またはアモルファスシリコン、または二酸化シリコン、或いはそれらの積層膜であることを特徴とするものである。
【００１８】
Ｍｇを含むｐ型窒化ガリウム系半導体層の高抵抗化の原理について説明する。Ｍｇを含むｐ型窒化ガリウム系半導体層は、結晶内のＭｇが水素と結合している状態では高抵抗であり、その水素の一部が結晶外に出ると低抵抗化することが知られている。また、その低抵抗化したｐ型層をアンモニア中で再度アニールすることで再び高抵抗化することが知られている（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａｅｔ．ａｌ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３１（１９９２）Ｐｔ．Ｉ，Ｎｏ．５Ａ）。
【００１９】
そこで、まず、結晶成長後に窒素雰囲気中でアニール（例えば、８００℃、２０分、１気圧）を行い、ｐ型層全体から水素を一部、あるいは全て離脱させ低抵抗化する。この後、一連の発光素子製造プロセスを経ることで、ｐ型層表面の一部が正電極により覆われる。続いて、水素、あるいは、アンモニアを含む雰囲気中（例えば、８００℃、２分、１気圧）で再度アニールすることにより、正電極で覆われていないＭｇドープｐ型層結晶表面部分から結晶内に水素が取り込まれる。その結果、水素が取り込まれた領域においてＭｇ−Ｈの結合が再形成され、その領域のみが高抵抗化する。これにより、この領域を流れる電流が抑制され、このため、表面準位、あるいは、表面に付着した物質の影響、による非発光再結合や、リーク電流の発生が抑制され、発光効率の低下を防止することが出来た。本発明は、部分的な高抵抗化を、専用工程を設けなくも、従来工程の中で行うことを見出し、これを半導体素子に適用したことを本発明は特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４は本発明の一実施の形態に関する図である。以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体発光素子の構成を示す略断面図である。図１において、サファイア基板１０上に、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）１１が形成され、その上に、発光層であるＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ層（０≦Ｚ≦１、０≦Ｔ≦１）１２、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１３が積層されている。１４は負電極、１５は正電極であり、負電極１４はｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層１１を一部エッチングした面に形成されており、正電極１５はＭｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層１３の面に形成されている。１６はｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１３を熱処理により高抵抗化した領域である。
【００２２】
図２に、図１の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を示す。上記各半導体層の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法またはガスソースＭＢＥ法が用いられる。上記各半導体層を構成する元素のソースおよびドーパント原料としては、以下の化合物を用いることができる。
【００２３】
Ｇａソース：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）等。Ａｌソース：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）等。Ｉｎソース：トリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）等。Ｎ₂ソース：アンモニア（ＮＨ₃）等。ドーパントガス：シラン（ＳｉＨ₄）（ｎ型ドーパント用）およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）（ｐ型ドーパント用）等。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、（０００１）面を持つウェハー状のサファイア基板１０を基板温度１１５０℃にてサーマルクリーニングする。続いて、基板温度を８００℃に下げて、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）１１を成長させる。また、図示されていないが、サーマルクリーニングの後、基板温度６００℃程度で、Ａｌ_SＧａ_WＩｎ_1-S-WＮ系バッファ層（０≦Ｓ≦１、０≦Ｗ≦１）を成長させてもよいことは当然である。
【００２５】
次に、発光層であるＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ層（０≦Ｚ≦１、０≦Ｔ≦１）１２、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１３を同様に、ＭＯＶＰＥ法またはガスソースＭＢＥ法により積層成長する。Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層１３が高抵抗の場合には、８００℃、１気圧の窒素雰囲気中で２０分間アニールを行うことで、結晶中のＭｇ−Ｈの結合の一部が解消され、その結果、ｐ型層１３が低抵抗化する。
【００２６】
高抵抗化したｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１６の抵抗値の値は、１×１０⁴Ωｃｍ〜１×１０⁷Ωｃｍ程度、であり、低抵抗化したｐ型層１３の抵抗値の値は、１×１０^-1Ωｃｍ〜１×１０²Ωｃｍ程度、である。
【００２７】
続いて、図２（ｂ）に示すように、パターンに従って、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層１３を形成後、ドライエッチングによって、ｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層１３及びＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ層１２を部分的にエッチング除去し、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層１１の内部に達する深さまで部分的に除去する。
【００２８】
続いて、図２（ｃ）に示すように、真空蒸着法やスパッタリング法などを用いて、露出されたｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層１１上に負電極１４（例えばＴｉとＡｌの積層電極膜）を、及び残してあるＭｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層１３上に正電極１５（例えばＮｉとＡｕの積層膜）を、それぞれ所定のパターンに形成する。
【００２９】
続いて、図２（ｄ）に示すように、８００℃、２分、１気圧の水素ガス、あるいは、アンモニアガス、または水素ガスとアンモニアガス、が含まれるガス雰囲気中で５分間アニールを行い、正電極１５に覆われていない領域のＭｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１３に、水素ガスが、またはアンモニアガスが熱分解して出来た水素ガスが、結晶中に取り込まれる。
【００３０】
この結果、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）１３の表面付近の領域１７において、Ｍｇ−Ｈの結合が再形成され、その結果その領域のみが高抵抗化（１×１０⁴Ωｃｍ〜１×１０⁷Ωｃｍ程度）する。これにより、この領域を流れる電流が抑制され、このため、表面準位、あるいは、表面に付着した物質の影響、による非発光再結合や、リーク電流の発生が抑制され、発光効率の低下を解決することが出来る。また、上記のアニール処理の雰囲気ガスの気圧は、前記１気圧の雰囲気ガスの外、減圧下または加圧下の雰囲気ガス下で行うことも出来る。
【００３１】
アニール温度やアニール処理時間と高抵抗化効果との関係について説明する。結晶中に取り込まれたＭｇにＨが結び付くと、アクセプターを不活性化すると言われており、「水素のパシベーション」とも言われている。これをＮ₂（窒素）雰囲気中でアニールすると、一部のＭｇ−Ｈ結合が切れて、低抵抗化する。Ｍｇ−Ｈ結合が切れる割合は、全体の１〜５％程度です。これをＨ₂（水素）雰囲気中でアニールすると、再びＭｇ−Ｈ結合が形成され、高抵抗化する。Ｍｇ−Ｈ結合を切るためには、温度というエネルギーを使うが、高温過ぎると、結晶を痛めるため、４００℃〜１０００℃程度、望ましくは、６００℃〜９００℃程度、である。４００℃〜６００℃程度の低い温度では、アニールするのに長い処理時間を必要とします。具体的な処理温度の一例としては、６００℃／８０分とか、７００℃／４０分とか、８００℃／２０分とか、である。８００℃の処理温度でも、短時間であれば、Ｔｉ／Ａｌの負電極１４を損なうことはない。
【００３２】
本実施例における上記半導体層１１、１２及び１３の詳細の一例は、例えば、以下の通りである。半導体層１１は、ｎ型ＧａＮ層、厚さ約４μｍ、半導体層１２は、（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99）_0.65Ｉｎ_0.35Ｎ層、厚さ約３ｎｍ、半導体層１３は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、厚さ約０．２μｍ、であり、ｐ型のキャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、である。半導体層１６のｐ型の比抵抗：５×１０⁶Ωｃｍ、厚さ（結晶表面から）約５μｍ、であり、チップサイズは約３００μｍ×３００μｍ程度である。これにより、本実施例の半導体発光素子は、波長４７０ｎｍの青色の高効率の発光が得られ、順方向電流Ｉ_F＝２０ｍＡで、輝度は１〜５％程度向上し、長時間のライフテストデータである５０００時間における輝度の低下は約５％程度抑制することができた。
【００３３】
また、高抵抗化処理のためには、半導体層１３にＡｌが含まれることは、必ずしも必須の条件では無く、Ｉｎ系のＧａＮやＧａＮのみでも良い。
【００３４】
［実施の形態２］
図３は、本発明の第２の実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体発光素子の構成を示す略断面図である。図３において、サファイア基板３０上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法またはガスソースＭＢＥ法等により、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）３１を形成し、その上に、発光層であるＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ層（０≦Ｚ≦１、０≦Ｔ≦１）層３２、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３を順次積層形成する。３４は負電極、３５は半透明正電極、３６は不透明正電極、３７はｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３を熱処理により高抵抗化した領域である。
【００３５】
図４は、図３の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を示す図であり、製造方法は、基本的には、前記図２で説明した同様の手法が用いられる。図４（ａ）に示すように、サファイア基板３０上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法またはガスソースＭＢＥ法等により、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）３１、Ａｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｔ≦１）発光層３２、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３を順次積層形成する。Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３が高抵抗（１×１０⁴Ωｃｍ〜１×１０⁷Ωｃｍ程度）の場合には、８００℃、１気圧の窒素雰囲気中で２０分間アニールを行うことで、結晶中のＭｇ−Ｈの結合の一部が解消され、その結果ｐ型層が低抵抗化する。
【００３６】
続いて、図４（ｂ）に示すように、ドライエッチング法により、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）３１の表面の一部をエッチングする。
【００３７】
続いて、図４（ｃ）に示すように、真空蒸着法やスパッタリング法などを用いて、負電極３４（例えばＴｉとＡｌの積層電極膜）、正電極３５（例えばＰｔ半透明積層膜）及びその積層構造のＡｕ正電極３６をそれぞれ所定のパターンに形成する。
【００３８】
続いて、図４（ｄ）に示すように、電極変質防止用の保護膜３８をプラズマＣＶＤ法により形成する工程に移る。この保護膜形成工程で、保護膜形成開始前に、一旦反応室に水素ガスを導入し、基板を６００℃まで加熱し、約５分間保持する。これにより、正電極３５、３６に覆われていない領域のＭｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３７には、雰囲気ガスである水素が取り込まれる。続いて、窒化珪素、アモルファスシリコン、二酸化シリコン等からなる保護膜３８の形成を行う。
【００３９】
この結果、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３の表面付近の領域３７においてＭｇ−Ｈの結合が再形成され、その結果その領域のみが高抵抗化（１×１０⁴Ωｃｍ〜１×１０⁷Ωｃｍ程度）する。これにより、この領域を流れる電流が抑制され、このため、表面準位、あるいは、表面に付着した物質の影響、による非発光再結合や、リーク電流の発生が抑制され、発光効率の低下を解決することが出来る。
【００４０】
［実施の形態３］
実施の形態２において、部分的に高抵抗化させる方法として、実施の形態２のように保護膜形成前に水素ガスを導入せず、保護膜形成用の原料ガスから分離する水素ガスを使うことも可能である。保護膜として、例えば、窒化シリコン、アモルファスシリコン、二酸化シリコンが使われ、その原料ガスとしてシランガス、あるいは、ジシランガス等が用いられる。反応室内で、熱分解したこれら原料ガスからは水素ガスが分離し、高抵抗領域を生成するための水素ガス雰囲気を形成する。
【００４１】
また、窒化シリコン等の窒化物保護膜を用いる場合には、窒素原料として、アンモニアガスを用いる。この場合においても、熱分解した後の水素が、高抵抗領域を生成するための水素ガス雰囲気を形成することが可能である。保護膜３８の形成時に、原料ガスを流しながら、基板を５００℃に加熱し、保護膜を形成する。形成に要する時間は約２０分間である。これにより、電極に覆われていない領域のＭｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３７は、原料ガスが分解して出来た水素を含む雰囲気ガスから結晶中に水素が取り込まれる。
【００４２】
この結果、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）３３の表面付近の領域３７において、Ｍｇ−Ｈの結合が再形成され、その結果その領域のみが高抵抗化（１×１０⁴Ωｃｍ〜１×１０⁷Ωｃｍ程度）する。これにより、この領域を流れる電流が抑制され、このため、表面準位、あるいは、表面に付着した物質の影響、による非発光再結合や、リーク電流の発生が抑制され、発光効率の低下を解決することが出来た。
【００４３】
次に、高抵抗化するための温度と処理時間と高抵抗化される層厚との関係や、Ｍｇのドープ量と高抵抗化の程度、について説明する。
【００４４】
再アニール温度が高い程、処理時間は短時間となる。処理される領域は、表面から１〜１０μｍ程度の領域である。再アニールの処理時間が長すぎると、結晶全体が高抵抗へ戻ってしまう。処理時間はの一例としては、例えば、８００℃／２分、７００℃／４分、６００℃／８分、程度です。
【００４５】
Ｍｇのドープ量は、多くても、少なくても、低抵抗のｐ−ＧａＮは得られない。Ｍｇ−Ｈ結合が切れる割合は、高ドープ（結晶用のＭｇが１×１０²⁰ｃｍ^-3程度以上）の場合は、その割合が低下し、低抵抗が得られない。また、低ドープ（結晶用のＭｇが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度以下）の場合は、ｐ型キャリアの濃度が大きく出来ず、低抵抗化しない。結局、最適なＭｇのドープ量は、１〜１０×１０¹⁹ｃｍ^-3程度である。
【００４６】
上記の第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施の形態においては、窒化ガリウム系半導体発光素子について説明したが、
Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の高抵抗化については、半導体発光素子に限定されるものではなく、広く窒化ガリウム系半導体素子に適用できるものであることは当然である。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の一部が、同じ組成の層の他の部位に対して高抵抗化されていることを特徴とするものである。従って、素子側面近傍においては、電流が流れ難くなるため、結晶表面近傍に多く存在する非発光準位による発光効率の低下を抑制することができる。また、素子側面に付着する異物による発光効率の低下も抑制することができる。さらに、非発光成分の抑制により、長期信頼性に優れた発光素子を実現することができる。
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体の一部が露出するまでエッチング加工され、前記エッチング加工された前記Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の表面の一部が、内部に対して高抵抗化されていることを特徴とするものである。従って、素子側面近傍においては、電流が流れ難くなるため、結晶表面近傍に多く存在する非発光準位による発光効率の低下を抑制することができる。さらに、非発光成分の抑制により、長期信頼性に優れた発光素子を実現することができる。
【００４８】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、温度４００℃以上の水素を含む雰囲気下で熱処理することにより、前記Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層が高抵抗化されてなることを特徴とするものである。従って、露出しているＭｇを含む結晶層全領域の表面近傍の高抵抗化された素子構造であるため、より一層の発光効率低下を抑制することができる。また、長期信頼性に優れた発光素子を実現することができる。
【００４９】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、前記窒化ガリウム系半導体素子が窒化ガリウム系半導体発光素子であることを特徴とするものである。従って、発光効率の低下の抑制、及び長期信頼性に優れた窒化ガリウム系半導体発光素子を得ることができる。
【００５０】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の表面近傍が、電極が形成されている領域を除き、その内部に比べ高抵抗化されていることを特徴とするものである。従って、電極直下は、低抵抗が保たれており、動作電圧の上昇を伴わずに、発光効率の改善、長期光度低下の抑制が可能である。
【００５１】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の一部を、同じ組成の層の他の部位に対して高抵抗化する工程を含むことを特徴とするものである。従って、新たに、高抵抗の結晶層で積層するこなく、所望の構造（発光パターン）を持つ窒化ガリウム系半導体素子を得る製造方法である。
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型窒化ガリウム系半導体層とＭｇを含む窒化ガリウム系半導体層とが積層された窒化ガリウム系半導体素子であって、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の一部を露出させるためのエッチング工程と、前記エッチング工程によりエッチングされた前記Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の表面の一部を、内部に対して高抵抗化する工程を含むことを特徴とするものである。
従って、新たに、高抵抗の結晶層で積層するこなく、所望の構造（発光パターン）を持つ窒化ガリウム系半導体素子を得る製造方法である。
【００５２】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層を、ＮＨ₃ガス、および／または、Ｈ₂ガスを含む雰囲気中に一定時間曝すことで、同じ層内で抵抗率の異なる部位を形成することを特徴とするものである。従って、高抵抗化を特定のガス中に曝すという簡便な方法により、同一層内で抵抗率の異なる層を形成する製造方法である。
【００５３】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、同じ層内で抵抗率の異なる部位を形成する際に、正電極をマスクとすることを特徴とするものである。従って、新たに、アニール用のマスクを形成する事無く、電極パターン以外の部分のみを高抵抗化領域に形成できる製造方法である。
【００５４】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の一部を高抵抗化する前記方法が、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に絶縁膜を形成する工程を兼ねることを特徴とするものである。従って、高抵抗化を行う工程を、半導体素子表面に絶縁膜を形成する工程の中で実施することにより、高抵抗化だけのための工程を省くことができ、コストの安い製造方法である。
【００５５】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に絶縁膜を形成する際の雰囲気ガスにより、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の一部を高抵抗化することを特徴とするものである。従って、高抵抗化のためには、水素が必要であるが、その水素が絶縁膜形成のための雰囲気ガス、あるいは、原料ガスが分解して供給される水素を用いることにより、特に、水素を供給しながらの高抵抗化の工程を準備する必要が無く、所望の構造の半導体発光素子が得られる製造方法である。
【００５６】
さらに、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層および電極表面に形成する前記絶縁膜が、窒化シリコン、またはアモルファスシリコン、または二酸化シリコン、或いはそれらの積層膜であることを特徴とするものである。従って、これらの絶縁膜は安定な絶縁膜であり、その結果、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子の製造方法である。
【００５７】
また、窒化ガリウム系半導体発光素子においては、Ｍｇを含む窒化ガリウム系半導体層の表面の一部を高抵抗化することで、非発光再結合、および、リーク電流を抑制することが出来た。また、ｐ型層の表面の一部を高抵抗化する工程を、表面保護層の形成工程に含ませることが出来る、あるいは、表面保護層形成と兼ねる事が出来るため、本発明を採用した発光素子の製造工程において、新たに工程を設ける必要が無い、という長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体素子の構成を示す略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体素子の構成を示す略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態よりなる窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す略断面図である。
【図５】従来例の窒化物系半導体材料を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の説明図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ’線で切断した略断面図、（ｃ）は従来例の発光素子に表面保護膜を付加した形態の発光素子の断面図である。
【図６】窒化ガリウム系半導体素子において、従来例と本発明における電流の流れ方を示す略断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０絶縁性基板であるサファイア基板。
１１、３１、５１、６１ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）。
１２、３２発光屠であるＡｌ_ZＧａ_TＩｎ_1-Z-TＮ層（０≦Ｚ≦１、０≦Ｔ≦１）。
１３、３３、５３、６２ｐ型Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）。
１４、３４、５２、６３負電極。
３５、５５半透明正電極。
１５、３６、５４、６４正電極。
３８、５６表面保護膜。
６６異物。
１０、６７電流経路。
１１、１６、３７、６８高抵抗Ａｌ_UＧａ_VＩｎ_1-U-VＮ層（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ≦１）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an element structure of a gallium nitride based semiconductor element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor element including a semiconductor layer doped with Mg.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor light-emitting elements such as light-emitting elements (LED elements) that emit light from the visible to the ultraviolet region have been realized with nitride-based semiconductor materials typified by GaN, AlN, InN, or mixed crystals thereof. Proposed. FIG. 5 shows a conventional example using a nitride-based semiconductor material, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94782, title of the invention: gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and applicant: Nichia Corporation.
[0003]
FIG. 5A is a plan view of a conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting device, and FIG. 5B is a schematic cross-sectional view taken along the line FF ′ of the plan view of FIG. . In FIG. 5B, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer 51 and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer 53 are sequentially stacked on an insulating substrate 50 such as a sapphire substrate. A negative electrode 52 is formed on the compound semiconductor layer 51, and a positive electrode 54 is formed on the p-type gallium nitride compound semiconductor layer 53. 55 is a translucent electrode for current diffusion formed on almost the entire surface of the p-type gallium nitride compound semiconductor layer 53, and 56 is a window for taking out the positive electrode 54 provided on the translucent electrode 53. Part.
[0004]
FIG. c ) Is obtained by forming a protective film 56 for protecting the element surface on the light emitting element of FIG.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional light emitting device structure shown in FIGS. 5A and 5B, the laminated crystal surface is exposed on the side surface of the light emitting device. FIG. 6 shows an enlarged view of the vicinity of the light emitting layer on the side surface of the light emitting element of FIG.
[0006]
In FIG. 6A, in the vicinity 65 of the surface of the crystal constituting the light emitting element, the bonding of constituent atoms is broken, so that it easily bonds with the atmosphere in contact with the crystal, for example, oxygen, carbon, moisture, etc. in the atmosphere. Thereby, a new level is formed in the crystal near the surface. As a result, in the current flowing through the crystal region 65, the non-light emitting component increases, and the light emission efficiency is lowered. Further, as shown in FIG. 6B, foreign matter 66 such as water vapor or organic matter may adhere to the pn junction on the side surface of the light emitting element. In this case, a leakage current path 67 of p-type layer 62 → attachment 66 → n-type layer 61 is formed, and the light emission efficiency is lowered. In addition, a foreign level adheres to the crystal to form a new level in the crystal in the vicinity of the surface, resulting in an increase in non-light emitting components and a decrease in luminous efficiency. Furthermore, the current flowing through these levels becomes heat, which causes defects in the crystal to grow and causes a decrease in long-term reliability of the light-emitting element.
[0007]
On the other hand, as shown in FIG. 5C, even in the case where an electrode and an insulating film for protecting a crystal are formed on the surface of the light emitting element, the etching gas, Since the gas such as the atmosphere, the cleaning agent after etching, etc. are in contact with each other, there is no change in increasing the non-light emitting component of the crystal near the surface.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that the end surface of the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg has a higher resistance than other portions of the layer having the same composition.
In addition, the present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor device is a gallium nitride-based semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride-based semiconductor layer and a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate, Etching is carried out until a part is exposed, and the surface of the end portion of the etched gallium nitride based semiconductor layer containing Mg has a high resistance to the inside.
[0009]
In addition, the present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that the resistance of the gallium nitride-based semiconductor containing Mg is increased by heat treatment in an atmosphere containing hydrogen at a temperature of 400 ° C. or higher.
[0010]
In addition, the present invention Nitrogen The gallium nitride based semiconductor device is characterized in that the gallium nitride based semiconductor device is a gallium nitride based semiconductor light emitting device.
[0011]
In addition, the present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor device is characterized in that the vicinity of the surface of the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg has a higher resistance than the inside except for the region where the electrode is formed.
[0012]
In addition, the present invention Nitrogen A method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor element includes a step of increasing the resistance of an end surface of a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg with respect to other portions of a layer having the same composition. .
The present invention Nitrogen A method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is a method for manufacturing a gallium nitride-based semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride-based semiconductor layer and a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate, An etching step for exposing a part of the gallium nitride based semiconductor layer, and a step of increasing resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg etched by the etching step with respect to the inside. It is characterized by including.
[0013]
In addition, the present invention Nitrogen A method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device includes forming a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg into NH _Three Gas and / or H ₂ By exposing to an atmosphere containing gas for a certain period of time, portions having different resistivity are formed in the same layer.
[0014]
In addition, the present invention Nitrogen The method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is characterized in that the positive electrode is masked when forming portions having different resistivity in the same layer.
[0015]
In addition, the present invention Nitrogen In the method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor element, the method of increasing the resistance of the end surface of the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg also serves as a step of forming an insulating film on the gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface. It is a feature.
[0016]
In addition, the present invention Nitrogen A method of manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device includes a gallium nitride-based semiconductor layer and an insulating film on an electrode surface. (Hereinafter also referred to as “protective film”) The resistance of the end surface of the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg is increased by an atmospheric gas when forming.
[0017]
Furthermore, the present invention Nitrogen The method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that the insulating film formed on the gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface is silicon nitride, amorphous silicon, silicon dioxide, or a laminated film thereof. It is.
[0018]
The principle of increasing the resistance of the p-type gallium nitride based semiconductor layer containing Mg will be described. It is known that a p-type gallium nitride based semiconductor layer containing Mg has high resistance when Mg in the crystal is bonded to hydrogen, and lowers resistance when part of the hydrogen goes out of the crystal. Yes. Further, it is known that the resistance of the p-type layer whose resistance has been lowered is increased again by annealing again in ammonia (S. Nakamura et al .: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31 (1992). ) Pt.I, No. 5A).
[0019]
Therefore, first, after crystal growth, annealing is performed in a nitrogen atmosphere (for example, 800 ° C., 20 minutes, 1 atm), and part or all of the hydrogen is separated from the entire p-type layer to reduce resistance. Thereafter, a part of the p-type layer surface is covered with the positive electrode through a series of light-emitting element manufacturing processes. Subsequently, by annealing again in an atmosphere containing hydrogen or ammonia (for example, 800 ° C., 2 minutes, 1 atm), the Mg-doped p-type layer crystal surface portion not covered with the positive electrode enters the crystal. Hydrogen is taken up. As a result, Mg—H bonds are reformed in the region where hydrogen is taken in, and only the region has a high resistance. As a result, the current flowing in this region is suppressed, and therefore, non-radiative recombination due to the surface level or the influence of the substance attached to the surface and the occurrence of leakage current are suppressed, thereby preventing a decrease in luminous efficiency. I was able to do it. The present invention is characterized in that partial resistance increase is performed in a conventional process without providing a dedicated process, and this is applied to a semiconductor element.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 4 are diagrams relating to an embodiment of the present invention. Embodiments of the present invention will be described below.
[0021]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an n-type Al is formed on a sapphire substrate 10. _X Ga _Y In _1-XY An N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1) 11 is formed, and an Al light emitting layer is formed thereon. _Z Ga _T In _1-ZT N layer (0 ≦ Z ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1) 12, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV N layers (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 13 are stacked. 14 is a negative electrode, 15 is a positive electrode, and the negative electrode 14 is n-type Al. _X Ga _Y In _1-XY N layer 11 is formed on a partially etched surface, and positive electrode 15 is Mg-doped p-type Al. _U Ga _V In _1-UV It is formed on the surface of N layer 13. 16 is p-type Al _U Ga _V In _1-UV This is a region in which the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 13 is increased in resistance by heat treatment.
[0022]
FIG. 2 shows a method for manufacturing the gallium nitride based semiconductor light emitting device of FIG. As a method for growing each of the semiconductor layers, MOCVD, MOVPE, or gas source MBE is used. The following compounds can be used as the source of the elements constituting each of the semiconductor layers and the dopant material.
[0023]
Ga source: trimethylgallium (TMG), triethylgallium (TEG) or the like. Al source: trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA) or the like. In source: trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) or the like. N ₂ Source: Ammonia (NH _Three )etc. Dopant gas: Silane (SiH _Four ) (For n-type dopant) and biscyclopentadienyl magnesium (Cp ₂ Mg) (for p-type dopant) and the like.
[0024]
As shown in FIG. 2A, a wafer-like sapphire substrate 10 having a (0001) plane is thermally cleaned at a substrate temperature of 1150 ° C. Subsequently, the substrate temperature is lowered to 800 ° C., and n-type Al _X Ga _Y In _1-XY An N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1) 11 is grown. Although not shown, after thermal cleaning, the substrate temperature is about 600 ° C. and Al _S Ga _W In _1-SW Of course, an N-based buffer layer (0 ≦ S ≦ 1, 0 ≦ W ≦ 1) may be grown.
[0025]
Next, Al which is a light emitting layer _Z Ga _T In _1-ZT N layer (0 ≦ Z ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1) 12, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV Similarly, the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 13 is laminated and grown by the MOVPE method or the gas source MBE method. Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV When the N layer 13 has a high resistance, annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. and 1 atm for 20 minutes to eliminate a part of the Mg—H bond in the crystal. As a result, the p-type layer 13 lowers the resistance.
[0026]
High resistance p-type Al _U Ga _V In _1-UV The resistance value of the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 16 is 1 × 10 ^Four Ωcm ～ 1 × 10 ⁷ The resistance value of the p-type layer 13 having a resistance of about Ωcm is 1 × 10 ^-1 Ωcm ～ 1 × 10 ² It is about Ωcm.
[0027]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, according to the pattern, the Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV After forming the N layer 13, p-type Al is performed by dry etching. _U Ga _V In _1-UV N layer 13 and Al _Z Ga _T In _1-ZT The N layer 12 is partially etched away to form n-type Al _X Ga _Y In _1-XY Partial removal to a depth reaching the inside of the N layer 11 is performed.
[0028]
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the exposed n-type Al is formed by using a vacuum deposition method or a sputtering method. _X Ga _Y In _1-XY Negative electrode 14 (for example, a laminated electrode film of Ti and Al) on N layer 11 and the remaining Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV A positive electrode 15 (for example, a laminated film of Ni and Au) is formed on the N layer 13 in a predetermined pattern.
[0029]
Subsequently, as shown in FIG. 2D, annealing is performed for 5 minutes in a gas atmosphere containing 800 ° C., 2 minutes, 1 atmosphere of hydrogen gas, or ammonia gas, or hydrogen gas and ammonia gas, Mg-doped p-type Al in a region not covered by the positive electrode 15 _U Ga _V In _1-UV In the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 13, hydrogen gas or hydrogen gas produced by thermal decomposition of ammonia gas is taken into the crystal.
[0030]
As a result, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV In the region 17 near the surface of the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 13, Mg—H bonds are re-formed, and as a result, only that region has a high resistance (1 × 10 ^Four Ωcm ～ 1 × 10 ⁷ Ωcm). As a result, the current flowing through this region is suppressed, so non-radiative recombination due to the surface level or the influence of substances attached to the surface and the occurrence of leakage current are suppressed, solving the decrease in luminous efficiency. I can do it. Moreover, the atmospheric pressure of the above-mentioned annealing treatment can be performed under the reduced atmospheric pressure or the atmospheric gas in addition to the atmospheric gas of 1 atm.
[0031]
The relationship between the annealing temperature and annealing treatment time and the effect of increasing resistance will be described. It is said that when H is bound to Mg incorporated in the crystal, the acceptor is inactivated, and is also referred to as “hydrogen passivation”. N ₂ When annealing is performed in a (nitrogen) atmosphere, some of the Mg—H bonds are broken and the resistance is reduced. The rate at which the Mg-H bond breaks is about 1 to 5% of the total. This is H ₂ When annealed in a (hydrogen) atmosphere, Mg—H bonds are formed again, and the resistance is increased. In order to break the Mg—H bond, energy called temperature is used. However, when the temperature is too high, the crystal is damaged, so that the temperature is about 400 ° C. to 1000 ° C., preferably about 600 ° C. to 900 ° C. At temperatures as low as 400 ° C to 600 ° C, a long processing time is required for annealing. Specific examples of the processing temperature include 600 ° C./80 minutes, 700 ° C./40 minutes, and 800 ° C./20 minutes. Even at a processing temperature of 800 ° C., the Ti / Al negative electrode 14 is not damaged for a short time.
[0032]
An example of details of the semiconductor layers 11, 12 and 13 in the present embodiment is as follows, for example. The semiconductor layer 11 is an n-type GaN layer, about 4 μm thick, and the semiconductor layer 12 is (Al _0.01 Ga _0.99 ) _0.65 In _0.35 N layer, thickness of about 3 nm, semiconductor layer 13 is Mg-doped p-type GaN layer, thickness of about 0.2 μm, p-type carrier concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 . P-type specific resistance of the semiconductor layer 16: 5 × 10 ⁶ Ωcm, thickness (from the crystal surface) is about 5 μm, and the chip size is about 300 μm × 300 μm. As a result, the semiconductor light emitting device of this example can emit blue light having a wavelength of 470 nm with high efficiency, and the forward current I _F At 20 mA, the luminance was improved by about 1 to 5%, and the decrease in luminance at 5000 hours, which is long-life test data, could be suppressed by about 5%.
[0033]
For high resistance treatment, it is not always essential that the semiconductor layer 13 contains Al, and only In-based GaN or GaN may be used.
[0034]
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, n-type Al is formed on the sapphire substrate 30 by MOCVD, MOVPE, or gas source MBE. _X Ga _Y In _1-XY An N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1) 31 is formed, and an Al light emitting layer is formed thereon. _Z Ga _T In _1-ZT N layer (0 ≦ Z ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1) layer 32, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV N layers (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33 are sequentially stacked. 34 is a negative electrode, 35 is a translucent positive electrode, 36 is an opaque positive electrode, and 37 is p-type Al. _U Ga _V In _1-UV This is a region in which the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33 is increased in resistance by heat treatment.
[0035]
FIG. 4 is a view showing a manufacturing method of the gallium nitride based semiconductor light emitting device of FIG. 3, and basically the same method as described in FIG. 2 is used for the manufacturing method. As shown in FIG. 4A, n-type Al is formed on the sapphire substrate 30 by MOCVD, MOVPE, gas source MBE, or the like. _X Ga _Y In _1-XY N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1) 31, Al _Z Ga _T In _1-ZT NAl _Z Ga _T In _1-ZT N (0 ≦ Z ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1) light emitting layer 32, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV N layers (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33 are sequentially stacked. Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33 has high resistance (1 × 10 ^Four Ωcm ～ 1 × 10 ⁷ In the case of about Ωcm), annealing for 20 minutes in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. and 1 atm. Eliminates some of the Mg—H bonds in the crystal, resulting in lower resistance of the p-type layer. To do.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, n-type Al is formed by dry etching. _X Ga _Y In _1-XY A part of the surface of the N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1) 31 is etched.
[0037]
Subsequently, as shown in FIG. 4C, the negative electrode 34 (for example, a laminated electrode film of Ti and Al), the positive electrode 35 (for example, a Pt translucent laminated film), and the like using a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like. The Au positive electrodes 36 having the laminated structure are formed in a predetermined pattern.
[0038]
Subsequently, as shown in FIG. 4D, the process proceeds to a step of forming a protective film 38 for preventing electrode alteration by a plasma CVD method. In this protective film forming step, before the protective film formation is started, hydrogen gas is once introduced into the reaction chamber, and the substrate is heated to 600 ° C. and held for about 5 minutes. As a result, the Mg-doped p-type Al in the region not covered by the positive electrodes 35 and 36 _U Ga _V In _1-UV The N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 37 takes in hydrogen as an atmospheric gas. Subsequently, a protective film 38 made of silicon nitride, amorphous silicon, silicon dioxide or the like is formed.
[0039]
As a result, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV In the region 37 in the vicinity of the surface of the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33, Mg—H bonds are re-formed, and as a result, only that region has a high resistance (1 × 10 ^Four Ωcm ～ 1 × 10 ⁷ Ωcm). As a result, the current flowing through this region is suppressed, so non-radiative recombination due to the surface level or the influence of substances attached to the surface and the occurrence of leakage current are suppressed, solving the decrease in luminous efficiency. I can do it.
[0040]
[Embodiment 3]
In the second embodiment, as a method of partially increasing the resistance, hydrogen gas that is separated from the raw material gas for forming the protective film is used without introducing the hydrogen gas before forming the protective film as in the second embodiment. Is also possible. For example, silicon nitride, amorphous silicon, or silicon dioxide is used as the protective film, and silane gas, disilane gas, or the like is used as a raw material gas. In the reaction chamber, hydrogen gas is separated from these pyrolyzed source gases to form a hydrogen gas atmosphere for generating a high resistance region.
[0041]
When a nitride protective film such as silicon nitride is used, ammonia gas is used as the nitrogen source. Also in this case, hydrogen after pyrolysis can form a hydrogen gas atmosphere for generating a high resistance region. When the protective film 38 is formed, the substrate is heated to 500 ° C. while flowing the source gas to form the protective film. The time required for formation is about 20 minutes. As a result, the Mg-doped p-type Al in the region not covered by the electrode _U Ga _V In _1-UV In the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 37, hydrogen is taken into the crystal from an atmospheric gas containing hydrogen generated by decomposition of the source gas.
[0042]
As a result, Mg-doped p-type Al _U Ga _V In _1-UV In the region 37 in the vicinity of the surface of the N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1) 33, Mg—H bonds are re-formed, and as a result, only the region has a high resistance (1 × 10 ^Four Ωcm ～ 1 × 10 ⁷ Ωcm). As a result, the current flowing through this region is suppressed, so non-radiative recombination due to the surface level or the influence of substances attached to the surface and the occurrence of leakage current are suppressed, solving the decrease in luminous efficiency. I was able to do it.
[0043]
Next, the relationship between the temperature for increasing the resistance, the processing time, and the layer thickness to be increased, and the amount of Mg doped and the degree of increasing the resistance will be described.
[0044]
The higher the reannealing temperature, the shorter the processing time. The area to be treated is an area of about 1 to 10 μm from the surface. If the reannealing time is too long, the entire crystal returns to high resistance. As an example, the processing time is, for example, 800 ° C / 2 minutes, 700 ° C / 4 minutes, 600 ° C / 8 minutes.
[0045]
Even if the doping amount of Mg is large or small, low-resistance p-GaN cannot be obtained. The rate at which the Mg—H bond breaks is highly doped (Mg for crystal is 1 × 10 ²⁰ cm ^-3 In the case of more than about), the ratio decreases, and low resistance cannot be obtained. Moreover, low dope (Mg for crystal is 1 × 10 ¹⁹ cm ^-3 In the case of less than about), the concentration of the p-type carrier cannot be increased and the resistance is not reduced. After all, the optimal Mg doping amount is 1-10 × 10 ¹⁹ cm ^-3 Degree.
[0046]
In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the gallium nitride based semiconductor light emitting device has been described.
The increase in resistance of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg is not limited to the semiconductor light emitting device, but is naturally applicable to a wide range of gallium nitride based semiconductor devices.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that a part of the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg has a higher resistance than other portions of the layer having the same composition. Accordingly, current hardly flows in the vicinity of the side surface of the element, so that it is possible to suppress a decrease in light emission efficiency due to non-light emission levels that exist in the vicinity of the crystal surface. In addition, a decrease in light emission efficiency due to foreign matters adhering to the side surface of the element can be suppressed. Further, a light-emitting element with excellent long-term reliability can be realized by suppressing non-light-emitting components.
In addition, the present invention Nitrogen The gallium nitride semiconductor device is etched until a part of the n-type gallium nitride semiconductor is exposed, and a part of the surface of the etched gallium nitride semiconductor layer containing Mg is It is characterized by high resistance. Accordingly, current hardly flows in the vicinity of the side surface of the element, so that it is possible to suppress a decrease in light emission efficiency due to non-light emission levels that exist in the vicinity of the crystal surface. Further, a light-emitting element with excellent long-term reliability can be realized by suppressing non-light-emitting components.
[0048]
In addition, the present invention Nitrogen The gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that the gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg is increased in resistance by heat treatment in an atmosphere containing hydrogen at a temperature of 400 ° C. or higher. Accordingly, since the element structure has a high resistance in the vicinity of the surface of the entire region of the crystal layer containing Mg that is exposed, it is possible to further suppress a decrease in light emission efficiency. In addition, a light-emitting element with excellent long-term reliability can be realized.
[0049]
In addition, the present invention Nitrogen The gallium nitride based semiconductor device is characterized in that the gallium nitride based semiconductor device is a gallium nitride based semiconductor light emitting device. Therefore, it is possible to obtain a gallium nitride based semiconductor light emitting device excellent in suppression of a decrease in luminous efficiency and excellent long-term reliability.
[0050]
In addition, the present invention Nitrogen Gallium phosphide-based semiconductor devices Is In the vicinity of the surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg, an electrode is formed. Have Except for the region, it is characterized by a higher resistance than the inside. Therefore, the low resistance is maintained immediately below the electrode, and it is possible to improve the light emission efficiency and suppress the long-term decrease in luminous intensity without increasing the operating voltage.
[0051]
In addition, the present invention Nitrogen The method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor element includes a step of increasing the resistance of a part of a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg with respect to other portions of the layer having the same composition. Therefore, this is a new manufacturing method for obtaining a gallium nitride based semiconductor element having a desired structure (light emission pattern) without being laminated with a high-resistance crystal layer.
In addition, the present invention Nitro A method of manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is a gallium nitride-based semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride-based semiconductor layer and a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate, the n-type gallium nitride-based semiconductor device An etching process for exposing a part of the semiconductor layer, and a process of increasing a resistance of a part of the surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg etched by the etching process to the inside. It is a feature.
Therefore, this is a new manufacturing method for obtaining a gallium nitride based semiconductor element having a desired structure (light emission pattern) without being laminated with a high-resistance crystal layer.
[0052]
In addition, the present invention Nitrogen A method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device includes forming a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg into NH _Three Gas and / or H ₂ By exposing to an atmosphere containing gas for a certain period of time, portions having different resistivity are formed in the same layer. Therefore, this is a manufacturing method in which layers having different resistivity are formed in the same layer by a simple method of exposing the increased resistance to a specific gas.
[0053]
In addition, the present invention Nitrogen The method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is characterized in that a positive electrode is used as a mask when forming portions having different resistivity in the same layer. Therefore, it is a manufacturing method in which only a portion other than the electrode pattern can be formed in the high resistance region without newly forming an annealing mask.
[0054]
In addition, the present invention Nitrogen A method of manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is characterized in that the method for increasing the resistance of a part of a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg also serves as a step of forming an insulating film on the gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface. It is what. Therefore, by carrying out the process of increasing the resistance in the process of forming the insulating film on the surface of the semiconductor element, the process for increasing the resistance can be omitted, and the manufacturing method is low in cost.
[0055]
In addition, the present invention Nitrogen A method of manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor device is characterized in that a part of a gallium nitride-based semiconductor layer containing Mg is made to have high resistance by an atmospheric gas when forming an insulating film on the gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface. To do. Therefore, hydrogen is necessary for increasing the resistance, but the hydrogen is used in particular by using the atmospheric gas for forming the insulating film or the hydrogen supplied by decomposing the source gas. This is a manufacturing method in which a semiconductor light emitting device having a desired structure can be obtained without preparing a step of increasing resistance while supplying.
[0056]
Furthermore, the present invention Nitrogen The method for manufacturing a gallium phosphide-based semiconductor element is characterized in that the insulating film formed on the gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface is silicon nitride, amorphous silicon, silicon dioxide, or a laminated film thereof. It is. Therefore, these insulating films are stable insulating films, and as a result, a highly reliable method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor device.
[0057]
Further, in the gallium nitride semiconductor light emitting device, non-radiative recombination and leakage current can be suppressed by increasing the resistance of a part of the surface of the gallium nitride semiconductor layer containing Mg. In addition, the process of increasing the resistance of a part of the surface of the p-type layer can be included in the process of forming the surface protective layer, or can be combined with the formation of the surface protective layer. In the element manufacturing process, there is an advantage that it is not necessary to provide a new process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a gallium nitride based semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the gallium nitride based semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a gallium nitride based semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
5A and 5B are explanatory diagrams of a conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting device using a nitride semiconductor material, FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a FF ′ line in FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view of a light emitting device in a form in which a surface protective film is added to the light emitting device of the conventional example.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a current flow in the conventional example and the present invention in a gallium nitride based semiconductor device.
[Explanation of symbols]
10, 30, 50 A sapphire substrate which is an insulating substrate.
11, 31, 51, 61 n-type Al _X Ga _Y In _1-XY N layer (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1).
12, 32 Al is a luminescent slaughterhouse _Z Ga _T In _1-ZT N layer (0 ≦ Z ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1).
13, 33, 53, 62 p-type Al _U Ga _V In _1-UV N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1).
14, 34, 52, 63 Negative electrode.
35, 55 Translucent positive electrode.
15, 36, 54, 64 Positive electrode.
38, 56 Surface protective film.
66 Foreign matter.
10, 67 Current path.
11, 16, 37, 68 High resistance Al _U Ga _V In _1-UV N layer (0 ≦ U ≦ 1, 0 ≦ V ≦ 1).

Claims

In the method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor element including the step of increasing the resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg to other parts of the layer having the same composition ,
The method of high resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing the Mg is, a gallium nitride-based semiconductor device, characterized in that also serves as a step of forming an insulating film on the gallium-based semiconductor layer and the electrode surface nitriding Manufacturing method.

In the method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor element including the step of increasing the resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg to other parts of the layer having the same composition ,
The gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface by the atmospheric gas at the time of forming the insulating film, the gallium nitride-based semiconductor device characterized by a high resistance to the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing the Mg Production method.

In the method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor element including the step of increasing the resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg to other parts of the layer having the same composition ,
The method for manufacturing a gallium nitride semiconductor device, wherein the insulating film formed on the gallium nitride semiconductor layer and the electrode surface is silicon nitride, amorphous silicon, silicon dioxide, or a laminated film thereof.

A method of manufacturing a gallium nitride semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride semiconductor layer and a gallium nitride semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate,
An etching process for exposing a part of the n-type gallium nitride based semiconductor layer, and an end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg etched by the etching process are made highly resistant to the inside. Process ,
The method of high resistance of the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing the Mg is, a gallium nitride-based semiconductor device, characterized in that also serves as a step of forming an insulating film on the gallium-based semiconductor layer and the electrode surface nitriding Manufacturing method.

A method of manufacturing a gallium nitride semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride semiconductor layer and a gallium nitride semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate,
An etching process for exposing a part of the n-type gallium nitride based semiconductor layer, and an end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg etched by the etching process are made highly resistant to the inside. Process ,
The gallium nitride-based semiconductor layer and the electrode surface by the atmospheric gas at the time of forming the insulating film, the gallium nitride-based semiconductor device characterized by a high resistance to the end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing the Mg Production method.

A method of manufacturing a gallium nitride semiconductor device in which at least an n-type gallium nitride semiconductor layer and a gallium nitride semiconductor layer containing Mg are stacked on a substrate,
An etching process for exposing a part of the n-type gallium nitride based semiconductor layer, and an end surface of the gallium nitride based semiconductor layer containing Mg etched by the etching process are made highly resistant to the inside. Process ,
The method for manufacturing a gallium nitride semiconductor device, wherein the insulating film formed on the gallium nitride semiconductor layer and the electrode surface is silicon nitride, amorphous silicon, silicon dioxide, or a laminated film thereof.