[发明专利]氮化物系半导体元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物系半导体元件及其制造方法。本发明尤其涉及自紫外光到蓝色、绿色、橙色及白色等可见光区域整个波段的发光二极管、激光二极管等GaN系半导体发光元件。期待这样的发光元件向显示、照明及光信息处理领域等的应用。此外，本发明涉及在氮化物系半导体元件中使用的电极的制造方法。

背景技术

作为V族元素具有氮(N)的氮化物半导体，基于其禁带(band gap)的大小，有望作为短波长发光元件的材料。在此当中，积极地进行氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体：Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)的研究，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、以及以GaN系半导体为材料的半导体激光器也被实用化。

GaN系半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1示意地示出了GaN的单位晶格。在Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)半导体的晶体中，可将图1所示的Ga的一部分替换成Al及/或In。

图2示出为了用4指数标记(六方晶指数)表示纤锌矿型晶体结构的面而通常使用的4个基本向量a₁、a₂、a₃、c。基本向量c向[0001]方向延伸，将此方向称为“c轴”。将与c轴垂直的面(plane)称为“c面”或“(0001)面”。再有，也存在将“c轴”及“c面”分别标记为“C轴”及“C面”的情形。

使用GaN系半导体制作半导体元件的时候，作为使GaN系半导体晶体生长的基板，使用c面基板即在表面具有(0001)面的基板。但是，由于在c面中Ga的原子层和氮的原子层的位置在c轴方向上稍有偏移，所以形成极化(Electrical Polarization)。为此，将“c面”也称为“极性面”。极化的结果，在活性层中的InGaN的量子阱中沿c轴方向产生压电电场。由于一旦在活性层中产生这样的压电电场，就会在活性层内的电子及空穴的分布中产生位置偏移，所以根据载流子的量子封闭斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)，内部量子效率下降。为此，如果是半导体激光器，则会引起阈值电流的增大，如果是LED，则会引起耗电的增大及发光效率的下降。此外，在注入载流子密度的上升的同时引起压电电场的屏蔽，还产生发光波长的变化。

因此，为了解决这些课题，正在研究使用表面具有非极性面、例如垂直于[10-10]方向的、称为m面的(10-10)面的基板(m面GaN系基板)。在此，附在表示密勒指数的括弧内的数字的左侧的“-”表示“横杠(bar)”的意思。如图2所示，m面是平行于c轴(基本向量c)的面，与c面正交。在m面中，由于Ga原子和氮原子存在于同一原子面上，所以在垂直于m面的方向上不发生极化。其结果，如果在垂直于m面的方向上形成半导体叠层结构的话，则由于在活性层中也不产生压电电场，所以能解决上述课题。m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的总称。

再有，在本说明书中，将在垂直于六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m)的方向上发生外延生长表现为“X面生长”。在X面生长中，存在将X面称为“生长面”、将通过X面生长而形成的半导体层称为“X面半导体层”的情形。

专利文献1：JP特开2006-24750号公报

专利文献2：JP发明专利第3821128号公报

如上所述，在m面基板上生长的GaN系半导体元件，虽然与在c面基板上生长的比较，能发挥显著的效果，但存在如下这样的问题。即，在m面基板上生长的GaN系半导体元件与在c面基板上生长的相比，p型电极的接触电阻高，这就成了在使用在m面基板上生长的GaN系半导体元件上的较大的技术障碍。

并且，特别是在发光元件的电极中，除接触电阻的减少外，还要求通过减少在电极部的光吸收损耗来提高外部量子效率。作为GaN系半导体发光元件的p型电极通常使用的功函数大的金属(Pd、Au、Pt等)的光吸收损耗非常地大，使用这些金属作为电极不可能实现高的外部量子效率。再有，所谓外部量子效率是向发光元件外部的放射光子数相对于向发光元件的注入载流子数的比例。