JP7470607B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関する。

窒化物半導体素子の一種である窒化物半導体発光素子は、例えば、基板と、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体活性層と、窒化物半導体活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ電極と、窒化物半導体積層体のｐ型窒化物半導体層上に形成されたｐ電極と、で構成されている。
特許文献１には、窒化物半導体層として窒化ガリウム系半導体層を用いた窒化物半導体素子が記載されている。この窒化物半導体素子では、ｎ型窒化物半導体層上に主成分がＡｕである負電極が形成され、ｐ型窒化物半導体層上に主成分がＡｕである正電極（ｐ電極）が形成され、各電極上の外部回路との接続部分を除いた部分に絶縁保護層が形成されている。

特許文献１に記載された発明は、正負の電極間の絶縁性が高く、主成分がＡｕである電極及び半導体層の表面が効果的に保護された、信頼性の高い窒化物半導体素子を提供することを目的としている。そのための手段として、絶縁保護層として酸化シリコン又は窒化シリコンを用いるとともに、負電極および正電極と絶縁保護層との間に、金属（Ｗ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ及びＡｌからなる群から選ばれた少なくとも１つ）または金属酸化物（上記群から選ばれた少なくとも１つの金属の酸化物）からなる接着強化層を形成することが記載されている。

特開１１－１５０３０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の窒化物半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層上の電極（ｐ電極）の電気特性が不十分であり、良好な電気特性を得るために例えばアニールを実施すると、ｐ電極とｐ型窒化物半導体層との密着性が悪化して、窒化物半導体素子の信頼性が低下する恐れがある。
本発明の課題は、第二窒化物半導体層（窒化物半導体活性層上に形成された窒化物半導体層）上の電極の電気特性と、素子としての信頼性の両方に優れた窒化物半導体素子を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明の一態様の窒化物半導体素子は、下記の構成(1)～(3)を有する。
(1)基板と、基板上に形成された第一導電型の第一窒化物半導体層と、第一窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体活性層と、窒化物半導体活性層上に形成された第二導電型の第二窒化物半導体層と、第二窒化物半導体層上の一部に形成された電極と、第二窒化物半導体層の上面の一部（上記電極が形成されていない部分）、上記電極の側面、および上記電極の上面の一部を覆うように連続的に形成された絶縁性酸化物膜と、を備える。
(2)第二窒化物半導体層上に形成された電極は、Ａｕを含む合金部と、Ｎｉを含む酸化物部と、を有する。
(3)合金部は第二窒化物半導体層と接触し、酸化物部は、合金部の上面の少なくとも一部および側面の少なくとも一部を被覆する。

本発明の窒化物半導体素子は、第二窒化物半導体層（窒化物半導体活性層上に形成された窒化物半導体層）上の電極の電気特性と、素子としての信頼性の両方に優れた窒化物半導体素子となることが期待できる。

実施形態の窒化物半導体素子を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体素子が紫外線発光素子に適用された例が記載されている。また、第一窒化物半導体層の導電型をｎ型、第二窒化物半導体層の導電型をｐ型としている。
なお、本発明の一態様の窒化物半導体素子は、紫外線発光素子以外の発光素子に適用されてもよいし、発光素子以外の素子に適用されてもよい。また、第一窒化物半導体層の導電型をｐ型、第二窒化物半導体層の導電型をｎ型としてもよい。

［全体構成］
先ず、図１および図２を用いて、この実施形態の紫外線発光素子１００の全体構成を説明する。図１および図２は、紫外線発光素子１００の基板面に垂直な断面を示している。
図１に示すように、紫外線発光素子１００は、基板１０と、基板１０上に形成されたｎ型窒化物半導体層（第一窒化物半導体層）２０と、ｎ型窒化物半導体層２０の薄い部分２１に形成されたｎ電極３０と、ｎ型窒化物半導体層２０の厚い部分２２に形成された発光層（窒化物半導体活性層）４０と、発光層４０上に形成されたｐ型窒化物半導体層（第二窒化物半導体層）５０と、ｐ型窒化物半導体層５０上の一部に形成されたｐ電極６０と、絶縁性酸化物膜７０と、Ｐａｄ電極８０と、を備える。

なお、ｎ型窒化物半導体層２０の薄い部分２１は、基板１０の上に、ｎ型窒化物半導体層２０、発光層４０、ｐ型窒化物半導体層５０をこの順に積層した後、発光層４０及びｐ型窒化物半導体層５０を含む積層部の一部をエッチング等により除去して、ｎ型窒化物半導体層２０の一部を露出させることにより形成されている。つまり、紫外線発光素子１００は、いわゆるメサ構造を有する。

絶縁性酸化物膜７０はシリコン酸化膜であり、ｐ型窒化物半導体層５０の上面の一部（ｐ電極６０が形成されていない部分）、ｎ型窒化物半導体層２０の薄い部分２１の上面の一部（ｎ電極３０が形成されていない部分）、ｎ電極３０およびｐ電極６０の側面と上面の一部（Ｐａｄ電極８０が形成されていない部分）、およびＰａｄ電極８０の側面の一部を覆うように連続的に形成されている。

図２に示すように、ｐ電極６０は、Ａｕを含む合金部６１と、Ｎｉを含む酸化物部６２と、を有する。合金部６１はｐ型窒化物半導体層５０と接触し、酸化物部６２は、合金部６１の上面６１ａおよび側面６１ｂの全てを被覆している。合金部６１のＡｕを含む合金はＴｉＡｕである。なお、Ｎｉを含む酸化物部６２は半導体的な導電性を有するため、Ａｕを含む合金部６１とＰａｄ電極８０との電気的接続が可能である。
合金部６１の膜厚は３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、膜厚のばらつきは２０ｎｍ以下である。酸化物部６２の膜厚は２５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、膜厚のばらつきは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

図２に示す断面（基板面に垂直な断面）において、絶縁性酸化物膜７０に接する酸化物部６２の側面６２ａとｐ型窒化物半導体層５０の上面５０ａとのなす角αは、合金部６１の側面６１ｂに接する酸化物部６２の内面６２ｂとｐ型窒化物半導体層５０の上面５０ａとのなす角βよりも小さく、角βは鋭角である。つまり、α＜β＜９０°を満たす。なお、酸化物部６２の側面６２ａおよび内面６２ｂは、厳密には平坦ではなく凹凸になっているため、角α，βは、凹凸を平面に近似した線Ｌ１，Ｌ２と上面５０ａとのなす角度として測定される。

［ｐ電極６０の形成方法］
Ａｕを含む合金部６１とＮｉを含む酸化物部６２とを有するｐ電極６０は、例えば、ｐ型窒化物半導体層５０上に、先ずＮｉを堆積し、その上にＡｕ合金を堆積する堆積工程と、堆積工程後に酸素雰囲気下で熱処理する工程と、を備える方法で形成することができる。この方法では、Ｎｉが酸化される反応をドライビングフォースとしてＮｉとＡｕが入れ替わり、ｐ型窒化物半導体層５０上にＡｕを含む合金部６１が形成され、その上にＮｉを含む酸化物部６２が形成される。
また、ｐ型窒化物半導体層５０上に、先ずＡｕ合金を堆積し、その上にＮｉを含む酸化物を堆積し熱処理を行わない方法で形成することもできる。

［実施形態の作用、効果］
実施形態の紫外線発光素子１００は、ｐ電極６０がＡｕを含む合金部６１とＮｉを含む酸化物部６２とを有するため、Ａｕを含む合金部６１とＮｉを含む酸化物部６２とを有するｐ電極６０を備えないものと比較して、ｐ電極６０の電気特性、ｐ電極６０とｐ型窒化物半導体層５０との密着性、ｐ電極６０と絶縁性酸化物膜７０との密着性、および信頼性（光出力が長期間維持されること）が良好なものとなっている。
また、紫外線発光素子１００は、ｐ電極６０がα＜β＜９０°を満たすため、絶縁性酸化物膜７０が良好に被覆された状態になっているとともに、発熱が防止される点および電流集中の抑制の点でも、特に好ましい状態となっている。

具体的には、酸化物部６２は、酸化物部６２の側面６２ａがｐ型窒化物半導体層５０に向けて広がるテーパー面である（α＜９０°）ため、絶縁性酸化物膜７０の被覆性が良好になる。また、酸化物部６２の側部の厚さがｐ型窒化物半導体層５０に向けて厚くなっている（α＜β）ため、導電性の高いＡｕを含む合金部６１の発熱が抑制できるとともに、ｐ電極６０の端部（ｐ型窒化物半導体層５０に近い部分）での電流集中を抑制できる。そして、合金部６１の発熱が抑制されることで、信頼性の高い紫外線発光素子が実現でき、ｐ電極６０の端部での電流集中が抑制されることで高出力な紫外線発光素子を実現できる。

また、紫外線発光素子１００は、合金部６１の膜厚が３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、膜厚のばらつきが２０ｎｍ以下であるため、ｐ型窒化物半導体層５０との良好なコンタクト特性を得ることができる。また、紫外線発光素子１００は、Ａｕを含む合金部６１の代わりにＡｕを主成分とした電極を有する場合と比較して、熱処理中のＡｕの凝集によるボイドの発生を防ぐことができ、半導体との接触面積が維持できることから、良好なコンタクト特性を得ることができる。
さらに、紫外線発光素子１００は、酸化物部６２が、合金部６１の上面６１ａおよび側面６１ｂの全てを被覆しているため、合金部６１と酸化物部６２の密着性の点でも優れている。
よって、実施形態の紫外線発光素子１００は、ｐ電極６０の電気特性と、素子としての信頼性の両方に優れたものとなっている。

［各層についての詳細］
＜基板＞
基板１０としては、その上にｎ型窒化物半導体層２０を形成可能なものであれば特に制限されない。具体的にはサファイア、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、三酸化二ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又はこれらの混晶基板等が挙げられる。

基板１０上に形成するｎ型窒化物半導体層２０との格子定数差が小さく、格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる観点や、ホールガス発生のための格子歪みを大きくできる観点から、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体をバルクとする単結晶基板や、ある材料上に成長されたＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層（テンプレートとも称される）を、基板１０として用いることが好ましい。
また、基板１０には不純物が混入していても良い。基板１０の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法等の気層成長法や液相成長法等の一般的な基板成長法を適用することができる。

＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層２０は、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）からなる層であって、図１に示すように基板１０上に直接形成されていてもよいし、基板１０上にｎ型窒化物半導体層２０以外の層が形成され、その上にｎ型窒化物半導体層２０が形成されていても良い。例えば、基板１０上にバッファ層が形成され、その上にｎ型窒化物半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮ層が形成され、その上に、発光層４０が形成されていても良い。

また、本発明の他の実施形態に係る紫外線発光素子においては、ｎ型窒化物半導体層２０が発光層４０上に直接又は間接的に形成されていてもよい。つまり、基板１０上にｐ型窒化物半導体層５０と発光層４０とがこの順に積層され、この発光層４０の上に、ｎ型窒化物半導体層２０が直接又は間接的に形成されていてもよい。

また、ｎ型窒化物半導体層２０はＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）からなる層であるが、この場合に、本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子１００と同様の効果が得られる範囲で、例えばインジウム（Ｉｎ）等のIII族元素や、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等のＶ族元素等を数％程度加える等、他の元素を少量加えてｎ型窒化物半導体層２０の組成に軽微な変更を加える場合についても本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、その他の層の組成についても同様である。

ｎ型窒化物半導体層２０は、紫外線の透過性の観点から、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０．４≦Ｘ≦１．０）であることが好ましい。
ｎ型窒化物半導体層２０は、ｎ型ドーパントの他にリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）といった他のＶ族元素や、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）といった不純物が混入していても良い。ここで、不純物の定義としては、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下の濃度でＡｌ、Ｇａ、Ｎ以外の元素を含むことを意味する。つまり、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下の割合でアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）を除く元素を含むような場合にも、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）からなる層と解釈される。

＜発光層＞
発光層４０は、図１に示すようにｎ型窒化物半導体層２０上に直接形成されていてもよいし、ｎ型窒化物半導体層２０上に発光層４０以外の層が形成され、その上層に発光層４０が形成されていても良く、特に限定はされない。具体的には、ｎ型窒化物半導体層２０上にアンドープＡｌＧａＮ層が形成された上に発光層４０が形成されていても良い。
また、本発明の他の実施形態に係る紫外線発光素子として、発光層４０は、ｐ型窒化物半導体層５０上に形成されていてもよい。つまり、基板１０上にｐ型窒化物半導体層５０が形成され、その上に発光層４０が積層され、この発光層４０の上に、ｎ型窒化物半導体層２０が形成されていてもよい。

発光層４０の材料は窒化物半導体であれば特に制限はされないが、高い発光効率を実現する観点から窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶であることが望ましい。発光層４０には、窒素（Ｎ）の他にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）といった他のＶ族元素や、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）といった不純物が混入していても良い。また、量子井戸構造でも単層構造でも良いが、高い発光効率を実現する観点から少なくとも１つの井戸構造を有していることが望ましい。

＜ｐ型窒化物半導体層＞
ｐ型窒化物半導体層５０は、ｐ型導電型を示すものであれば単層であっても良いし、多層であっても良い。図１に示すように発光層４０上に直接形成されていてもよいし、発光層４０上にｐ型窒化物半導体層５０以外の層が形成され、その上にｐ型窒化物半導体層５０が形成されていてもよい。例えば、発光層４０上に構成元素の比率が連続的又は離散的に変化する傾斜組成層が形成され、その上にｐ型窒化物半導体層５０が形成されていても良く特に限定はされない。また、発光層４０と傾斜組成層との間に相対的にバンドギャップの大きいバリア層をさらに有していてもよい。

また、本発明の他の実施形態に係る紫外線発光素子として、ｐ型窒化物半導体層５０は、基板１０上に直接又は間接的に形成されていてもよい。つまり、基板１０上に直接又は間接的にｐ型窒化物半導体層５０が積層され、その上に発光層４０とｎ型窒化物半導体層２０とがこの順に形成されていてもよい。
ｐ型窒化物半導体層５０は上層に直接電極が接触していてもよく、また、多層となった最上面に電極が接していても良い。つまり、ｐ型窒化物半導体層の上に他のｐ型層が形成されている場合には、２つの層を併せてｐ型窒化物半導体層５０とみなすことができる。

ｐ型窒化物半導体層５０は薄膜内部でホールを発生させる観点からｐ型ドーパントを含んでいてもよく、逆に、電極から直接界面の二次元ホールガスにホールを注入するためドーパントを含んでいなくても良い。Ｐ型ドーパントとしてはマグネシウムＭｇが一般的に用いられるが、ホールを発生させる不純物であればベリリウムＢｅ、亜鉛Ｚｎ等も用いることができる。

＜ｐ電極（第二窒化物半導体層上に形成された電極）＞
紫外線発光素子１００は、ｐ型窒化物半導体層５０へのホール注入効率を高める観点からｐ電極６０を備えている。ｐ電極は、ｐ型窒化物半導体層５０に導通するように、ｐ型窒化物半導体層５０上に形成されている。

＜絶縁性酸化物膜＞
紫外線発光素子１００は、半導体の信頼性の観点から、ｐ型窒化物半導体層５０の上面の一部、ｐ電極６０の側面、およびｐ電極の上面の一部を覆うように、絶縁性酸化物膜７０が連続的に形成された状態である。絶縁性酸化物膜７０は、ｐ電極６０の上面を直接または間接的に覆っても良いが、ｐ電極６０との密着性の観点からｐ電極６０の上面を直接覆っていることが好ましい。また、絶縁性酸化物膜７０は、Ｎｉを含む酸化物部６２との密着性の観点から金属酸化膜であることが好ましい。中でも密着性の観点からシリコン酸化物であることがより好ましい。
また、紫外線発光素子１００は、プローブ測定やワイヤーボンディングの容易性の観点から、ｐ電極６０は絶縁性膜上にコンタクトホールを形成し、その上部にＰａｄ電極８０を形成した状態となっている。

＜各層の形成方法＞
本実施形態の一実施形態に係る紫外線発光素子１００の各層の成長法としては、例えばＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができるが、これに限定されるものではない。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等を用いて成膜してもよい。

［組成の確認方法や膜厚の測定方法等について］
Ａｕを含む合金部の組成については、試料の断面加工をし、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、続いてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行うことにより確認ができる。
Ａｕを含む合金部の形成方法は特に制限されない。例えば、ＥＢ蒸着やスパッタなどの物理蒸着法により得ることができる。

Ｎｉを含む酸化物部の組成については、試料の断面加工をし、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、続いてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行うことにより確認ができる。
Ｎｉを含む酸化物部の形成方法は特に制限されない。例えば、物理蒸着法により形成したＮｉ膜の酸素雰囲気下での熱処理や酸化物をターゲットに用いたスパッタ、スパッタ空間に酸素ガスなどの活性ガスを導入するリアクティブスパッタなどの方法を用いることにより得ることができる。

Ｎｉを含む酸化物部の膜厚は２５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、膜厚のばらつきは絶縁膜との密着性および第二窒化物半導体とのコンタクト特性の観点から、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。２０ｎｍでは接触面積が不十分なため密着性に劣り、また２００ｎｍ以上の場合は熱処理前のＮｉと含む金属の膜厚が厚すぎることによりコンタクト特性が劣化する。

膜厚ばらつきは、試料の断面加工をし、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察画像から、ｐ電極６０に接している面からのＮｉを含む酸化物の最も厚い部分と最も薄い部分の差分を意味する。
膜厚ばらつきの制御方法は特に制限されないが、Ｎｉを含む金属とＡｕと含む合金を酸素雰囲気下で熱処理する際の熱処理の温度を調整することにより、２０ｎｍ以上２００ｎｍに制御することができる。

角αおよび角βは、電極蒸着時のサンプルへの金属の入射角度や電極のアニール条件を調整することにより実現可能である。一例としては、レジストでパターンを形成したサンプルに対してＡｕを含む合金部を入射角度の小さいＥＢ蒸着法で形成し、その後Ｎｉを含む酸化物部を入射角の大きいスパッタ法で形成し、リストオフを行うことで、α＞βとなるサンプルを作製することが出来る。
角αおよび角βは、試料の断面加工をし、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察を行うことで得られる画像により算出することができる。

［適用できる装置について］
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子１００は、各種の装置に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子１００は、紫外線ランプが用いられている既存の全ての装置に適用可能であり、また置換可能である。特に、波長２８０ｎｍ以下の深紫外線を用いている装置に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子１００は、例えば、医療又はライフサイエンス分野、環境分野、産業又は工業分野、生活又は家電分野、農業分野、及びその他分野の装置に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子１００は、薬品や化学物質の合成又は分解装置、液体、気体、及び固体（容器、食品、医療機器等）に対する殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム、ガラス及び金属等の表面改質装置、半導体、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）、プリント基板（ＰＣＢ）及びその他電子品製造用の露光装置、印刷又はコーティング装置、接着又はシール装置、フィルム、パターン及びモックアップ等の転写又は成形装置、紙幣、傷、血液及び化学物質等の測定又は検査装置に適用可能である。

液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置や製氷皿、また貯氷容器及び製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク又は温水タンク、その流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。

気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。
固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用、歯科用、床屋用及び美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
［素子の作製］
＜実施例１＞
このサンプルは、実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１００であって、以下の構成を有する。
基板１０はＡｌＮ基板である。ｎ型窒化物半導体層２０は不純物としてＳｉを２．０×１０²⁰ｃｍ^-3含むｎ－Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層であって、薄い部分（ｎ電極３０が形成されている部分）２１と厚い部分（発光層４０が形成されている部分）２２を有する。また、基板１０とｎ型窒化物半導体層２０との間に、ＡｌＮバッファ層を有する。

発光層４０は、厚さ２．０ｎｍのＡｌ_0.51Ｇａ_0.49Ｎ（井戸層）と厚さ８．０ｎｍのＳｉドーピングＡｌ_0.78Ｇａ_0.22Ｎ（バリア層）とを、交互にそれぞれ五層有する多重量子井戸構造である。ｐ型窒化物半導体層５０は、不純物としてＭｇを２．０×１０²⁰ｃｍ^-3含むｐ型ＧａＮ層である。
ｎ電極３０はＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ層である。ｐ電極（第一電極）６０は、ｐ型窒化物半導体層５０に接触するＡｕＴｉ合金部６１と、ＡｕＴｉ合金部６１の上面および側面を被覆するＮｉを含む酸化物部６２を有する。絶縁性酸化物膜７０は酸化シリコン膜であって、膜厚は３００ｎｍである。パッド電極８０はＴｉとＡｕとの積層構造である。

この紫外線発光素子１００は、以下の方法で作製した。
先ず、ＡｌＮ単結晶から得られたＡｌＮ基板上に、ＡｌＮバッファ層、不純物としてＳｉを２．０×１０²⁰ｃｍ^-3含むｎ－Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層、上記ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造、及び不純物としてＭｇを２．０×１０²⁰ｃｍ^-3含むｐ型ＧａＮ層を、この順に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成膜した。これにより、ＡｌＮ基板上に積層体が形成された。

次に、ＡｌＮ基板上の積層体に対して、面内の一部を所定深さで除去するドライエッチングを行い、ｎ－Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を一部露出させることで、ｎ型窒化物半導体層２０に薄い部分２１を形成した。このドライエッチングは、積層体上にフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、塩素系ガスを用いて行った。
次に、フォトリソグラフィー法で形成したレジストパターンを用いて、ｎ型窒化物半導体層２０の薄い部分２１上の所定領域に、Ｔｉを厚さ２０ｎｍで、Ａｕを厚さ１５０ｎｍで、Ｎｉを厚さ３０ｎｍで、Ａｕを厚さ５０ｎｍで、この順に堆積した。次に、レジストパターンを除去した後、８００℃で１８０秒間の熱処理を行った。これにより、ｎ電極３０が形成された。

次に、フォトリソグラフィー法で形成したレジストパターンを用いて、ｐ型窒化物半導体層５０上の所定領域に、ＥＢ蒸着機により、Ｎｉを厚さ２０ｎｍで、ＴｉＡｕを厚さ３５ｎｍで、この順に堆積した。次に、レジストパターンを除去した後、酸素雰囲気において６００℃で１８０秒間の熱処理を行った。これにより、ＡｕＴｉ合金部６１の上面および側面がＮｉを含む酸化物部６２で被覆されているｐ電極６０が形成された。
次に、この状態のＡｌＮ基板上の全体に、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜を３００ｎｍ形成した。次に、フォトリソグラフィー法で形成したレジストパターンを用い、ＣＦ₄によるエッチングで、この酸化シリコン膜の所定位置（ｎ電極３０の上部およびｐ電極６０の上部）に、コンタクトホールを形成した。

次に、形成された各コンタクトホールに、Ｔｉを厚さ２０ｎｍで、Ａｕを厚さ１０００ｎｍで、この順に堆積した。これにより、ｎ電極３０の上部およびｐ電極６０の上部に、パッド電極８０が形成された。
得られた紫外線発光素子１００を、ｐ電極６０の部分で、基板１０面に垂直に切断し、その切断面をＴＥＭで観察して、ｐ電極６０の断面構造を確認したところ、図２に示す状態になっていることが確認できた。また、切断面のＴＥＭ画像から、角αおよび角βの値を測定したところ、角αは４０°であり、角βは５５°であった。

また、切断面のＴＥＭ画像から、ｐ電極６０のｐ型半導体層５０側の層とＰａｄ電極８０側の層について、膜厚と膜厚のばらつきを測定した。その結果、ｐ型半導体層５０側の層（合金部６１）では、膜厚が２５ｎｍ～４５ｎｍであり、膜厚のばらつきは２０ｎｍ（４５ｎｍ－２５ｎｍ）であった。Ｐａｄ電極８０側の層（酸化物部６２）では、膜厚が１０ｎｍ～２１０ｎｍであり、膜厚のばらつきは２００ｎｍ（２１０ｎｍ－１０ｎｍ）であった。

さらに、この切断面について、ＴＥＭ－ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）による主要元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ、Ｔｉ、Ｏ、Ｎｉ、Ａｕ）の面分析を行ったところ、ｐ電極６０のｐ型半導体層５０側の層（合金部６１）の組成はＡｕＴｉであり、Ｐａｄ電極８０側の層（酸化物部６２）の組成はＮｉＯであった。

＜比較例１＞
実施例１では、ｐ電極６０の形成工程で、ｐ型窒化物半導体層５０上の所定領域に、Ｎｉを厚さ２０ｎｍで、ＴｉＡｕを厚さ３５ｎｍで、この順に堆積したが、この例では、Ｎｉを厚さ２０ｎｍで、Ａｕを厚さ３５ｎｍで、この順に堆積した。また、実施例１では、その後のレジストパターンを除去した後の熱処理を、酸素雰囲気において６００℃で１８０秒間の条件で行ったが、この例では、酸素雰囲気において６５０℃で１８０秒間の条件で行った。これら以外の点は実施例１と同じ方法で、紫外線発光素子を得た。つまり、比較例１の紫外線発光素子は、ｐ電極以外は実施例１と同じ構成を有する。

得られた紫外線発光素子について、実施例１と同様にして得られた切断面の面分析を、実施例１と同じ方法で行ったところ、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層の組成はＡｕであり、Ｐａｄ電極８０側の層の組成はＮｉＯであった。また、ｐ型半導体層５０側の層であるＡｕ層にはボイドが存在していた。つまり、比較例１の紫外線発光素子のｐ電極は、図２で合金層６１の代わりに、ボイドが入ったＡｕ層を有するものであることが確認できた。また、切断面のＴＥＭ画像から、角αおよび角βの値を測定したところ、角αは６５°であり、角βは５５°であった。

また、切断面のＴＥＭ画像から、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層とＰａｄ電極８０側の層について、膜厚と膜厚のばらつきを測定した。その結果、ｐ型半導体層５０側の層では、膜厚が０ｎｍ～７５ｎｍであり、膜厚のばらつきは７５ｎｍ（７５ｎｍ－０ｎｍ）（０ｎｍがボイド領域）であった。Ｐａｄ電極８０側の層では、膜厚が５ｎｍ～２０５ｎｍであり、膜厚のばらつきは２００ｎｍ（２０５ｎｍ－５ｎｍ）であった。

＜比較例２＞
比較例１では、Ｎｉ、Ａｕの堆積およびレジストパターン除去後の熱処理を、酸素雰囲気において６５０℃で１８０秒間の条件で行ったが、この例では、酸素雰囲気において４００℃で１８０秒間の条件で行った。これ以外の点は比較例１と同じ方法で、紫外線発光素子を得た。つまり、比較例２の紫外線発光素子は、ｐ電極以外は実施例１と同じ構成を有する。

得られた紫外線発光素子について、実施例１と同様にして得られた切断面の面分析を実施例１と同じ方法で行ったところ、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層の組成はＡｕであり、Ｐａｄ電極８０側の層の組成はＮｉＯであった。また、ｐ型半導体層５０側の層であるＡｕ層にはボイドは存在していなかった。つまり、比較例２の紫外線発光素子のｐ電極は、図２で合金層６１の代わりに、一様なＡｕ層を有するものであることが確認できた。また、切断面のＴＥＭ画像から、角αおよび角βの値を測定したところ、角αは８０°であり、角βは８０°であった。

また、切断面のＴＥＭ画像から、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層とＰａｄ電極８０側の層について、膜厚と膜厚のばらつきを測定した。その結果、ｐ型半導体層５０側の層では、膜厚が３０ｎｍ～４０ｎｍであり、膜厚のばらつきは１０ｎｍ（４０ｎｍ－３０ｎｍ）であった。Ｐａｄ電極８０側の層では、膜厚が１５ｎｍ～２５ｎｍであり、膜厚のばらつきは１０ｎｍ（２５ｎｍ－１０ｎｍ）であった。
なお、比較例１の紫外線発光素子で、ｐ電極のｐ型窒化物半導体層側の層がボイド入りのＡｕ層となった理由は、酸素雰囲気下での熱処理温度が６５０℃と高すぎたためであり、４００℃とした比較例２では、ボイド無しのＡｕ層となった。

＜比較例３＞
比較例１では、Ｎｉ、Ａｕの堆積およびレジストパターン除去後の熱処理を、酸素雰囲気において６５０℃で１８０秒間の条件で行ったが、この例では、窒素雰囲気において６００℃で１８０秒間の条件で行った。これ以外の点は比較例１と同じ方法で、紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子について、実施例１と同様にして得られた切断面の面分析を実施例１と同じ方法で行ったところ、ｐ電極は全体の組成がＡｕＮｉ層であった。つまり、比較例３の紫外線発光素子のｐ電極は、図２で酸化物部６２を有さず、全体がＡｕＮｉ層（Ａｕを含む合金層）であることが確認できた。
また、切断面のＴＥＭ画像から、ｐ電極について、膜厚と膜厚のばらつきを測定した結果、膜厚が５０ｎｍ～６０ｎｍであり、膜厚のばらつきは１０ｎｍ（６０ｎｍ－５０ｎｍ）であった。

＜比較例４＞
実施例１では、ｐ型窒化物半導体層５０上の所定領域に、Ｎｉを厚さ２０ｎｍで、ＴｉＡｕを厚さ３５ｎｍで、この順に堆積した後に、レジストパターンを除去して熱処理を行った。これに対して、この例では、Ｎｉを堆積せずにＡｕのみを厚さ３５ｎｍで堆積し、レジストパターン除去後に、フォトリソグラフィー法で形成したレジストパターンを用いて、スパッタ装置によりメッシュ状にＮｉＯを２００ｎｍ、Ａｕ層の上に堆積した。
そして、その後、熱処理を実施することなく、プラズマＣＶＤ法による３００ｎｍ厚の酸化シリコン膜形成を行った。これら以外の点は実施例１と同じ方法で、紫外線発光素子を得た。つまり、比較例４の紫外線発光素子は、ｐ電極以外は実施例１と同じ構成を有する。

得られた紫外線発光素子について、実施例１と同様にして得られた切断面の面分析を実施例１と同じ方法で行ったところ、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層の組成はＡｕであり、Ｐａｄ電極８０側の層はメッシュ状のＮｉＯ層であった。また、ｐ型半導体層５０側の層であるＡｕ層にはボイドは存在していなかった。つまり、比較例４の紫外線発光素子のｐ電極は、図２で合金層６１の代わりにＡｕ層を有し、酸化物部６２がメッシュ状になっているものであることが確認できた。また、切断面のＴＥＭ画像から、角αおよび角βの値を測定したところ、角αは４０°であり、角βは８０°であった。

また、切断面のＴＥＭ画像から、ｐ電極のｐ型半導体層５０側の層とＰａｄ電極８０側の層について、膜厚と膜厚のばらつきを測定した。その結果、ｐ型半導体層５０側の層では、膜厚が３０ｎｍ～４０ｎｍであり、膜厚のばらつきは１０ｎｍ（４０ｎｍ－３０ｎｍ）であった。Ｐａｄ電極８０側の層では、膜厚が０ｎｍ～２００ｎｍであり、膜厚のばらつきは２００ｎｍ（２００ｎｍ－０ｎｍ）であった。

［評価］
実施例１、比較例１～４の各紫外線発光素子について、ｐ電極の電気特性、ｐ電極とｐ型窒化物半導体層５０との密着性、ｐ電極と絶縁性酸化物膜７０との密着性、および信頼性を、以下の方法で測定した。

＜ｐ電極の電気特性＞
基板上に上記と同じｐ－ＧａＮ層を形成した後、このｐ－ＧａＮ層の上面にレジストパターンを形成し、その開口部に実施例１および比較例１～４のｐ電極をそれぞれ形成した。このようにして得られた実施例１および比較例１～４の各試験用ｐ電極の接触抵抗率を測定して、オーミックコンタクトの性能を調べた。
接触抵抗率の測定は、ＣＴＬＭ（Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）測定法で行った。具体的には、接触抵抗測定用のリングパターンのギャップを２０μｍとし、電圧２０Ｖを印加した時の電流値を測定した。この電流値が１０ｍＡ以下である場合に、ｐ電極の電気特性が不良と判断した。

＜ｐ電極とｐ型窒化物半導体層および絶縁性酸化物膜との密着性＞
実施例１、比較例１～４の各紫外線発光素子がウエハ上に形成されている状態で、各ウエハを有機溶剤に入れて超音波洗浄を行った後に、超純水に入れて超音波洗浄を行った。その後の各ウエハを顕微鏡で観察して、ｐ電極とｐ型窒化物半導体層との間、ｐ電極と絶縁性酸化物膜との間に、それぞれ剥離が発生しているかどうかを調べた。
また、実施例１、比較例１～４の各紫外線発光素子（ウエハから切り出して、デバイス化したもの）を、５５℃の環境下に置き、３５０ｍＡの定電流で通電した後に、顕微鏡で観察して、ｐ電極とｐ型窒化物半導体層との間、ｐ電極と絶縁性酸化物膜との間に、それぞれ剥離が発生しているかどうかを調べた。
密着性の評価は、上記二つの試験の両方で剥離が発生しない場合に良好であると判断し、いずれか一方または両方の試験で剥離が発生した場合に不良であると判断した。

＜信頼性＞
実施例１、比較例１～４の各紫外線発光素子（ウエハから切り出して、デバイス化したもの）について、２５℃の環境下で５００ｍＡでの連続通電試験を行い、５００時間経過後に光出力を測定した。この測定値が光出力の初期値の半分以下に低下した場合、信頼性が不良であると判断した。
これらの結果を各素子の構成とともに表１に示す。

表１の結果から以下のことが分かる。
実施例１の紫外線発光素子１００は、図２に示す構造のｐ電極６０を有する、つまり、ｐ電極が、Ａｕを含む合金（ＴｉＡｕ合金）部６１とＮｉを含む酸化物部６２とを有し、α＜βを満たし、各部の膜厚のばらつきも好ましい範囲を満たすため、電気特性が良好で、ｐ型窒化物半導体層および絶縁性酸化物膜に対する密着性も良好で、素子の信頼性も良好なものとなった。

比較例１の紫外線発光素子は、ｐ電極のｐ型窒化物半導体層側の層がボイド入りの一様でないＡｕ層であるため、ｐ電極の電気特性が不良であった。また、ｐ型窒化物半導体層に対する密着性が不良で、素子の信頼性も不良であった。
比較例２の紫外線発光素子は、ｐ電極のｐ型窒化物半導体層側の層がボイド無しの一様なＡｕ層であったが、酸素雰囲気下での熱処理温度が４００℃と低かったため、ｐ電極の電気特性が不良であった。また、Ｎｉ酸化物部の膜厚ばらつきが１０ｎｍ（２５ｎｍ未満）であるため、絶縁性酸化物膜に対する密着性が不良で、素子の信頼性も不良であった。

比較例３の紫外線発光素子は、ｐ電極の全体がＡｕＮｉ層であったため、ｐ電極の電気特性が不良であった。また、ｐ電極がＮｉ酸化物部を有さないため、絶縁性酸化物膜に対する密着性が不良で、素子の信頼性も不良であった。
比較例４の紫外線発光素子は、ｐ電極のｐ型窒化物半導体層側の層がボイド無しの一様なＡｕ層であったが、熱処理をしていないことでｐ電極の電気特性が不良であり、素子の信頼性も不良であった。なお、ｐ電極がメッシュ状のＮｉ酸化物部を有するため、ｐ型窒化物半導体層および絶縁性酸化物膜に対する密着性は良好であった。

１０ 基板
２０ ｎ型窒化物半導体層（第一窒化物半導体層）
３０ ｎ電極
４０ 発光層（窒化物半導体活性層）
５０ ｐ型窒化物半導体層（第二窒化物半導体層）
５０ａ ｐ型窒化物半導体層の上面
６０ ｐ電極（第二窒化物半導体層上の一部に形成された電極）
６１ Ａｕを含む合金部
６１ａ Ａｕを含む合金部の上面
６１ｂ Ａｕを含む合金部の側面
６２ Ｎｉを含む酸化物部
６２ａ Ｎｉを含む酸化物部の側面
６２ｂ Ｎｉを含む酸化物部の内面
７０ 絶縁性酸化物膜
８０ Ｐａｄ電極
１００ 紫外線発光素子（窒化物半導体素子）

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第一導電型の第一窒化物半導体層と、
   前記第一窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体活性層と、
   前記窒化物半導体活性層上に形成された第二導電型の第二窒化物半導体層と、
   前記第二窒化物半導体層上の一部に形成された電極と、
   前記第二窒化物半導体層の上面の一部、前記電極の側面、および前記電極の上面の一部を覆うように連続的に形成された絶縁性酸化物膜と、を備え、
   前記電極は、Ａｕを含む合金部と、Ｎｉを含む酸化物部と、を有し、
   前記合金部は前記第二窒化物半導体層と接触し、前記酸化物部は、前記合金部の上面の少なくとも一部および側面の少なくとも一部を被覆する窒化物半導体素子。
2. 前記合金部の膜厚は３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記膜厚のばらつきは２０ｎｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記酸化物部の膜厚は２５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記膜厚のばらつきは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記合金部はＴｉＡｕ合金部である請求項１～３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記合金部の側面の全てが前記酸化物部により被覆されている請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記絶縁性酸化物膜はシリコン酸化膜である請求項１～５のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記基板面に垂直な断面において、前記絶縁性酸化物膜に接する前記酸化物部の側面と前記第二窒化物半導体層の上面とのなす角αは、前記合金部の側面に接する前記酸化物部の内面と前記第二窒化物半導体層の上面とのなす角βよりも小さく、前記角βは鋭角である請求項１～６のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。

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