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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024121300
(43)【公開日】2024-09-06
(54)【発明の名称】窒化物半導体素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20240830BHJP
【ＦＩ】
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023028325
(22)【出願日】2023-02-27
(71)【出願人】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 恒輔
(72)【発明者】
【氏名】奥秋 裕介
(72)【発明者】
【氏名】小林 敬嗣
(72)【発明者】
【氏名】李 太起
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA43
5F241CA05
5F241CA40
5F241CA57
5F241CA65
5F241CA74
5F241CA86
5F241CA88
5F241CB11
(57)【要約】
【課題】 Ａｌ組成比率が０．８以上と高いＡｌＧａＮが窒化物半導体層の最上層に用いられていても、窒化物半導体素子の駆動時にＡｌＧａＮの変質が起きにくく長寿命な窒化物半導体素子を得る。
【解決手段】 窒化物半導体素子は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成された電極と、窒化物半導体層上の一部に形成された保護層と、電極及び保護層の上の一部に形成された金属配線と、を備え、金属配線の平面視での全ての外形線は、保護層の外形線の内側に位置している。
【選択図】図１
【解決手段】 窒化物半導体素子は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成された電極と、窒化物半導体層上の一部に形成された保護層と、電極及び保護層の上の一部に形成された金属配線と、を備え、金属配線の平面視での全ての外形線は、保護層の外形線の内側に位置している。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に形成された電極と、
前記窒化物半導体層上の一部に形成された保護層と、
前記電極及び前記保護層の上の一部に形成された金属配線と、
を備え、
前記金属配線の平面視での全ての外形線は、前記保護層の外形線の内側に位置している
窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層上に形成された電極と、
前記窒化物半導体層上の一部に形成された保護層と、
前記電極及び前記保護層の上の一部に形成された金属配線と、
を備え、
前記金属配線の平面視での全ての外形線は、前記保護層の外形線の内側に位置している
窒化物半導体素子。
【請求項2】
前記窒化物半導体層の前記電極と反対側の面に配置された基板を備え、
前記窒化物半導体層の前記基板から最も離れた最上層が、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層の前記基板から最も離れた最上層が、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項3】
前記保護層は、前記電極を構成する材料と同様の元素を含む材料により形成されている
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項4】
前記保護層の上に形成された絶縁層を備え、
前記絶縁層の上に前記金属配線が形成されている
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
前記絶縁層の上に前記金属配線が形成されている
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項5】
前記保護層は、前記電極及び前記絶縁層と同様の元素を含む材料により形成されている
請求項４に記載の窒化物半導体素子。
請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化物半導体素子は発光ダイオードや薄膜トランジスタなどに応用されており、その材料としてはＡｌ、Ｇａ及びＮの混晶であるＡｌＧａＮが広範に用いられている（特許文献１，２）。ＡｌＧａＮを用いた窒化物半導体素子は材料となる薄膜母材にＡｌＧａＮを用いているが、バンドギャップを大きくするためにＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）で示されるIII族組成比率（Ａｌ組成比率）を高くしたＡｌＧａＮが一般的に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－１１７２９９号広報
【特許文献2】特開２０２２－１０３１６３号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、発明者らが鋭意検討を行った結果、Ａｌ組成比率の高いＡｌＧａＮを用いた窒化物半導体素子に電気を流して使用すると、大気中の水や酸素とＡｌＧａＮとが反応して変質し、窒化物半導体素子に電気が流れなくなる問題があることが分かった。この現象は、特にＡｌ組成比率が０．８を越えるＡｌＧａＮを窒化物半導体層の最上層として用いた場合に顕著であることが分かった。
【0005】
上述した課題を解決するために、本開示は、Ａｌ組成比率が０．８以上と高いＡｌＧａＮが窒化物半導体層の最上層に用いられていても、窒化物半導体素子の駆動時にＡｌＧａＮの変質が起きにくく長寿命な窒化物半導体素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決するために、本開示の一態様に係る窒化物半導体素子は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成された電極と、窒化物半導体層上の一部に形成された保護層と、電極及び保護層の上の一部に形成された金属配線と、を備え、金属配線の平面視での全ての外形線は、保護層の外形線の内側に位置している。
【発明の効果】
【0007】
本開示の窒化物半導体素子によれば、Ａｌ組成比率が０．８以上と高いＡｌＧａＮが窒化物半導体層の最上層に用いられていても、窒化物半導体素子の駆動時にＡｌＧａＮの変質が起きにくく長寿命な窒化物半導体素子を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の一構成例を示す断面図である。
【図2A】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の一構成例の第１導電型半導体層上に形成された電極近傍の構成を拡大して示す断面図である。
【図2B】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の他の構成例の第１導電型半導体層上に形成された電極近傍の構成を拡大して示す断面図である。
【図2C】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の他の構成例の第２導電型半導体層上に形成された電極近傍の構成を拡大して示す断面図である。
【図3】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の第１の変形例の構成例を示す断面図である。
【図4A】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の変形例の構成例を示す断面図である。
【図4B】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の変形例の他の構成例を示す断面図である。
【図5】本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の変形例の構成例を示す断面図である。
【図6】本開示の比較例の窒化物半導体素子の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態を通じて本開示に係る窒化物半導体素子を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明に限定されない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0010】
１．第一実施形態
以下、本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子について、図１から図６を参照して説明する。なお、本実施形態の窒化物半導体素子は、例えば紫外線発光素子である。
以下、窒化物半導体素子１の構成を説明する。
以下、本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体素子について、図１から図６を参照して説明する。なお、本実施形態の窒化物半導体素子は、例えば紫外線発光素子である。
以下、窒化物半導体素子１の構成を説明する。
【0011】
本実施形態の窒化物半導体素子１は、図１に示すように、基板１１と、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層（例えば後述する第一導電型半導体層１２１）を含む積層薄膜層１２と、電極２１及び２２と、保護層２５と、金属配線２３及び２４と、を備えている。また、窒化物半導体素子１は、図１に示すように、電極２１及び金属配線２３と、電極２２及び金属配線２４とを絶縁する絶縁層２６も備えていてもよい。なお、以下の各図には、絶縁層２６が設けられた場合の窒化物半導体素子１の構成を記載する。
【0012】
窒化物半導体素子１は、積層薄膜層１２として、基板１１上に設けられた第１導電型半導体層１２１と、第１導電型半導体層１２１の上に設けられた発光層１２２と、発光層１２２の上に設けられた第２導電型半導体層１２３と、を備えている。窒化物半導体素子１は、樹脂等で封止された形態や、サブマウント基板に実装された形態なども含む。なお、以下、第１導電型半導体層１２１と第２導電型半導体層１２３とのいずれかを「窒化物半導体層」と記載する。本実施形態の窒化物半導体素子１では、窒化物半導体層のうち第１導電型半導体層１２１がＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成され、第１導電型半導体層１２１上に設けられ、電極２１、保護層２５及び金属配線２３が後述する配置となっている場合について説明する。
以下、窒化物半導体素子１の各層について詳細に説明する。
以下、窒化物半導体素子１の各層について詳細に説明する。
【0013】
（１．１）窒化物半導体素子の基本構成
＜基板＞
基板１１は、第１主面１１Ａと、第１主面１１Ａの反対側に位置する第２主面１１Ｂとを有している。基板を構成する材料は、第１主面１１Ａ上に第１導電型半導体層１２１を配置することが可能であれば特に制限されない。具体的には、基板１１を構成する材料として、窒化アルミニウム基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。基板１１上に結晶性の高い半導体層を配置する観点から、基板１１は窒化アルミニウム基板であることが好ましく、単結晶窒化アルミニウム基板であることがより好ましい場合がある。ここで、本実施形態の窒化物半導体素子１の説明において、「Ａの上にＢを配置する」とは、Ａの表面上に直接Ｂを配置する形態と、Ａの表面から別の物質を介して間接的にＢを配置する形態の両方を意味する。例えば、基板１１の表面（第１主面１１Ａ）から別の物質（一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層）を介して間接的に第１導電型半導体層１２１が配置されていてもよい。
＜基板＞
基板１１は、第１主面１１Ａと、第１主面１１Ａの反対側に位置する第２主面１１Ｂとを有している。基板を構成する材料は、第１主面１１Ａ上に第１導電型半導体層１２１を配置することが可能であれば特に制限されない。具体的には、基板１１を構成する材料として、窒化アルミニウム基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。基板１１上に結晶性の高い半導体層を配置する観点から、基板１１は窒化アルミニウム基板であることが好ましく、単結晶窒化アルミニウム基板であることがより好ましい場合がある。ここで、本実施形態の窒化物半導体素子１の説明において、「Ａの上にＢを配置する」とは、Ａの表面上に直接Ｂを配置する形態と、Ａの表面から別の物質を介して間接的にＢを配置する形態の両方を意味する。例えば、基板１１の表面（第１主面１１Ａ）から別の物質（一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層）を介して間接的に第１導電型半導体層１２１が配置されていてもよい。
【0014】
基板１１は、第１主面１１Ａ上に発光層１２２を含む積層薄膜１２を配置可能であればよく、形状は特に制限されない。窒化物半導体素子１は、基板１１の発光層１２２と反対側の第２主面１１Ｂの方向に光を放射する。
基板１１の膜厚は、上層にＡｌＧａＮで形成された薄膜を積層させる目的であるならば特に制限されないが、５０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
基板１１は、上層の薄膜の支持、及び結晶性の向上、外部への放熱を目的として使用される。そのため、ＡｌＧａＮを高品質で成長させることが出来、熱伝導率の高い材料である窒化アルミニウム基板を用いることが好ましい。
基板１１の膜厚は、上層にＡｌＧａＮで形成された薄膜を積層させる目的であるならば特に制限されないが、５０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
基板１１は、上層の薄膜の支持、及び結晶性の向上、外部への放熱を目的として使用される。そのため、ＡｌＧａＮを高品質で成長させることが出来、熱伝導率の高い材料である窒化アルミニウム基板を用いることが好ましい。
【0015】
基板１１の結晶品質には特に制限はないが、高い発光効率を有する素子薄膜を上層に形成することを目的として貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２以下であることが好ましく、１×１０６ｃｍ－２以下であることがより好ましい。
基板１１の成長面は、一般的に用いられる＋ｃ面ＡｌＮが低コストなため好ましいが、－ｃ面ＡｌＮであっても、半極性面基板であっても、非極性面基板であっても良い。分極ドーピングの効果を大きくする観点から、基板１１の成長面は、＋ｃ面ＡｌＮであることが好ましい。
基板１１の成長面は、一般的に用いられる＋ｃ面ＡｌＮが低コストなため好ましいが、－ｃ面ＡｌＮであっても、半極性面基板であっても、非極性面基板であっても良い。分極ドーピングの効果を大きくする観点から、基板１１の成長面は、＋ｃ面ＡｌＮであることが好ましい。
【0016】
基板１１の第１主面１１Ａ以外の面が外界に露出している場合、基板１１がサファイア基板であると、窒化物半導体素子１の発熱により基板１１が外界の水等と反応して基板１１の表面に水酸化膜が形成される場合がある。また、基板１１が窒化アルミニウム基板であると、窒化物半導体素子１の発熱により基板１１が外界の酸素と反応して酸化膜が形成される場合がある。これらの膜（水酸化膜又は酸化膜）は、発光スペクトルの中心波長を含む光を減衰させたり、反射させたりして、所望の波長の光の発光効率を低減、すなわち出力を低下させてしまう。これらの膜は、形成時に外界の二酸化炭素若しくは基板１１中に不純物として混入している炭素、又は窒化物半導体素子１のパッケージで使用されている樹脂由来の炭素を取り込むことがある。これにより、各膜のバンドギャップエネルギーが発光エネルギーよりも大きい場合でも、各膜において不純物由来の光の吸収が起こり、光の減衰が起こる。また、基板１１と屈折率の異なる膜が基板１１表面に形成されると、基板１１と膜との界面で反射が起こる。特に、例えば窒化アルミニウム製の基板１１の表面に、基板１１よりも低屈折率の酸化アルミニウム膜が形成されると、比較的強い反射が起こり外界に光が取り出せなくなる。これらを防止する観点から、基板１１の表面に保護層を配置しても良い。
【0017】
積層薄膜層１２の転位密度低減の観点から、基板１１の第１主面１１Ａ側の二乗平均平方根（ＲＭＳ：Root Mean Square）高さ（二乗平均平方根高さＲｑ）は、１０μｍ×１０μｍの面積に対して１０ｎｍ未満であることが好ましく、１ｎｍ未満であることがより好ましい。
【0018】
＜積層薄膜層＞
積層薄膜層１２は、窒化物半導体層である第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１３３と、発光層１２２とを含み、基板１１の第１主面１１Ａ上に配置されていれば、その構成は特に制限されない。
積層薄膜層１２は、発光効率向上の観点から、発光層１２２を挟むように第１導電型半導体層１２１と第２導電型半導体層１２３とを更に備えることが好ましい。ここで、「第１導電型」「第２導電型」は、互いに異なる導電性を示す半導体であることを意味し、一方がｎ型導電性の場合、他方はｐ型導電性となる。一般的には発光層１２２と基板１１との間の第１導電型半導体層１２１がｎ型半導体層であるが、本実施形態はこれに制限されない。
また、積層薄膜層１２は、一部に発光層１２２を含んだ凸部形状のメサ構造であってもよい。
積層薄膜層１２は、窒化物半導体層である第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１３３と、発光層１２２とを含み、基板１１の第１主面１１Ａ上に配置されていれば、その構成は特に制限されない。
積層薄膜層１２は、発光効率向上の観点から、発光層１２２を挟むように第１導電型半導体層１２１と第２導電型半導体層１２３とを更に備えることが好ましい。ここで、「第１導電型」「第２導電型」は、互いに異なる導電性を示す半導体であることを意味し、一方がｎ型導電性の場合、他方はｐ型導電性となる。一般的には発光層１２２と基板１１との間の第１導電型半導体層１２１がｎ型半導体層であるが、本実施形態はこれに制限されない。
また、積層薄膜層１２は、一部に発光層１２２を含んだ凸部形状のメサ構造であってもよい。
【0019】
積層薄膜層１２は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法により形成することが可能である。メサ構造を有する積層薄膜層１２は、上述したＭＯＣＶＤ法等により積層薄膜層１２を構成する薄膜層を形成した後に、所望の領域をエッチングすることで形成することができる。積層薄膜層１２にはＡｌＧａＮの混晶であるＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）で構成されており、ＡｌＧａＮ薄膜積層体の最上層にＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）で示されるＡｌ組成比率が０．８以上と高Ａｌ組成比率のＡｌＧａＮが設けられていても良い。ここで、積層薄膜層１２の最上層とは、積層薄膜層１２と積層薄膜層１２以外（例えば、後述する電極２１及び２２や保護層２５、外界の大気等）とを区分する面の積層薄膜層１２側の層を指す。すなわち、本願実施形態で説明する窒化物半導体素子１のメサ凸部においては、メサ最上層の第２導電型半導体層１２３が「最上層」該当し、メサ凹部においては、最上層の第１導電型半導体層１２１が「最上層」該当する。窒化物半導体素子１の場合では、第１導電型半導体層１２１のＡｌ組成比率が０．８以上である場合、本開示に含まれる。
以下、窒化物半導体層１２の各層について説明する。
以下、窒化物半導体層１２の各層について説明する。
【0020】
（第１導電型半導体層）
第１導電型半導体層１２１は、Ａｌ組成比率が０．８以上のＡｌＧａＮ（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８））で形成されている。Ａｌ組成比率が０．８以上となることで、窒化物半導体素子１が発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合には発光波長が２１０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下のＵＶ－Ｃ ＬＥＤ（新紫外線発光素子）を作製することが出来る。この波長帯の光を放射するＵＶ－Ｃ ＬＥＤは、ウイルスや菌の不活化による水、空気、物質表面の除染や殺菌、硝酸塩の検知による水質の検査、クロマトグラフィーにおける有機物の検知・分析用の励起光源として用いることが出来る。
第１導電型半導体層１２１は、Ａｌ組成比率が０．８以上のＡｌＧａＮ（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８））で形成されている。Ａｌ組成比率が０．８以上となることで、窒化物半導体素子１が発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合には発光波長が２１０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下のＵＶ－Ｃ ＬＥＤ（新紫外線発光素子）を作製することが出来る。この波長帯の光を放射するＵＶ－Ｃ ＬＥＤは、ウイルスや菌の不活化による水、空気、物質表面の除染や殺菌、硝酸塩の検知による水質の検査、クロマトグラフィーにおける有機物の検知・分析用の励起光源として用いることが出来る。
【0021】
第１導電型半導体層１２１は、本実施形態の窒化物半導体素子１の場合、第１導電型半導体層の一部が除去されることにより形成された第１積層領域１２１Ａと、第１積層領域１２１Ａ上に位置してメサ構造を構成する第２積層領域１２１Ｂとを有している（図１参照）。
【0022】
第１導電型半導体層１２１を構成する第１導電型半導体がｎ型半導体である場合、第１導電型半導体として例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第１導電型半導体として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
【0023】
第１導電型半導体層１２１を構成する第１導電型半導体がｐ型半導体である場合、第１導電型半導体として例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第１導電型半導体として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｐ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。２３０ｎｍ未満のピーク波長を有する光を発光する発光層１２２の活性層に効率良くキャリアを輸送する観点から、第１導電型半導体としてＡｌ組成比率が０．８以上のＡｌＧａＮを用いることが好ましい。
【0024】
本実施形態の窒化物半導体素子１の場合、第１積層領域１２１Ａにおける積層薄膜層１２の最上層がＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮであれば、本開示に係る窒化物半導体素子１に含まれる。すなわち、第２積層領域１２１Ｂの最上層（最も発光層１２２側の層）がＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮでは無い場合でも、第２積層領域１２１Ｂの最上層がＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮであれば本開示に係る窒化物半導体素子に含まれる。
【0025】
なお、第１導電型半導体層１２１は、２層以上の層が積層されて形成されていても良く、１層のみで形成されていても良い。つまり、基板１１上にＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮ1層のみが積層されて第１導電型半導体層１２１が形成されていたとしても、第１積層領域１２１Ａの最上層はＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮであり、本開示に係る窒化物半導体素子に含まれる。
【0026】
（発光層）
発光層１２２は、発光層１２２に電力が印加された時に発光層１２２のバンドギャップに応じた光を発する層である。発光層１２２は、第１導電型半導体層１２１の第２積層領域１２１Ｂの上層に設けられている。本実施形態の窒化物半導体素子１における発光層１２２は、発光スペクトルのピーク波長が紫外線域であれば特に制限されないが、好ましくはピーク波長が硝酸等を検出する光源として有効な２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下であり、より好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な波長２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下であり、さらに好ましくはピーク波長が硝酸等をより高精度に検出する光源として有効な２２５ｎｍ以上２３５ｎｍ以下である。ここで、発光層１２２で発光される光の発光スペクトルが複数のピークを有する場合、発光強度が最も大きいピークの波長が光の中心波長として定義される。
発光層１２２は、発光層１２２に電力が印加された時に発光層１２２のバンドギャップに応じた光を発する層である。発光層１２２は、第１導電型半導体層１２１の第２積層領域１２１Ｂの上層に設けられている。本実施形態の窒化物半導体素子１における発光層１２２は、発光スペクトルのピーク波長が紫外線域であれば特に制限されないが、好ましくはピーク波長が硝酸等を検出する光源として有効な２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下であり、より好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な波長２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下であり、さらに好ましくはピーク波長が硝酸等をより高精度に検出する光源として有効な２２５ｎｍ以上２３５ｎｍ以下である。ここで、発光層１２２で発光される光の発光スペクトルが複数のピークを有する場合、発光強度が最も大きいピークの波長が光の中心波長として定義される。
【0027】
なお、本開示の窒化物半導体素子１は、上述した硝酸等の検出用途には制限されず、例えばウイルス不活化光源として用いられても良い。この場合、窒化物半導体素子１は、動物細胞への影響が少ない波長のウイルス不活化光源として、発光層１２２が発光する光のピーク波長が例えば２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であっても良い。
【0028】
発光層１２２の具体的構造の一例としては、量子井戸構造が挙げられる。例えば、組成比が異なる（バンドギャップが異なる）ＡｌＧａＮ層を積層した量子井戸構造が採用可能である。より好ましくは組成比が異なる（バンドギャップが異なる）ＡｌＧａＮ層を多層積層した多重量子井戸が採用可能である。より具体的な構造としては、組成がＡｌ０．８７Ｇａ０．１３Ｎの井戸層（厚さ１ｎｍ）３層と、組成がＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎの障壁層（厚さ５ｎｍ）２層とを交互に積層した３重量子井戸構造が挙げられる。また、多重量子井戸層の量子井戸数は１層であっても（つまり、多重量子井戸ではなく単量子井戸）、２層、４層、５層等の３層以外の多重量子井戸層であっても良い。
【0029】
発光層１２２を形成する材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、及びその混晶が挙げられる。発光層１２２のＡｌｘＧａ１－ｘＮのＡｌ組成比率ｘは、電極から注入したキャリアを効率よく発光層１２２に閉じ込めるために、第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１２３のＡｌ組成比率より小さいことが好ましい。また、発光層１２２を形成する材料としては、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【0030】
発光層１２２がｎ型半導体の場合、上述したＡｌＮ、ＧａＮ、及びその混晶等に対して例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。
発光層１２２がｐ型半導体の場合、上述したＡｌＮ、ＧａＮ、及びその混晶等に対して例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。
また、発光層１２２は、不純物がドープされていないアンドープ層でもよい。
発光層１２２がｐ型半導体の場合、上述したＡｌＮ、ＧａＮ、及びその混晶等に対して例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。
また、発光層１２２は、不純物がドープされていないアンドープ層でもよい。
【0031】
発光層１２２を構成する材料中のＡｌ組成比率は、断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X－ray spectroscopy）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａとのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率、すなわちＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析及び定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。
【0032】
（第２導電型半導体層）
第２導電型半導体層１２３は、多重量子井戸構造である発光層１２２上に配置される層であれば特に制限されない。つまり、第２導電型半導体層１２３は第２積層領域１２１Ｂに形成されている。第２導電型半導体層１２３を構成する材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、これらの組み合わせ（多層）であっても良い。
第２導電型半導体層１２３は、多重量子井戸構造である発光層１２２上に配置される層であれば特に制限されない。つまり、第２導電型半導体層１２３は第２積層領域１２１Ｂに形成されている。第２導電型半導体層１２３を構成する材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、これらの組み合わせ（多層）であっても良い。
【0033】
第２導電型半導体層１２３を構成する第２導電型半導体がｎ型半導体である場合、第２導電型半導体として例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第２導電型半導体として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
【0034】
第２導電型半導体層１２３を構成する第２導電型半導体がｐ型半導体である場合、第２導電型半導体として例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。第２導電型半導体がｐ型半導体である場合、第２導電型半導体層１２３はＡｌ組成比率が基板１１から離れる方向に連続的又は段階的に小さくなるＡｌＧａＮ傾斜組成を有していても良い。これにより、積層薄膜層１２上に設けられる電極２２と第２導電型半導体層１２３との間のコンタクト抵抗を下げることができる。
【0035】
第２導電型半導体層１２３の厚みは特に制限されないが、高い光出力を実現するという観点から、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。第２導電型半導体層１２３の厚さは薄い方が光の吸収を抑制できるため好ましいが、５ｎｍより薄いと薄膜積層面中の組成ムラの影響が大きくなり、均一な電流の注入が困難となる。第２導電型半導体層１２３の厚さが１０００ｎｍより厚くなると、薄膜形成の時間が長くなるためコストが高くなる。
なお、窒化物半導体層１２３の最上層がＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮであれば、本開示に係る窒化物半導体素子１に含まれる。すなわち、第１積層領域１２１ＡがＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮでは無い場合でも、本開示に係る窒化物半導体素子に含まれる。
なお、窒化物半導体層１２３の最上層がＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮであれば、本開示に係る窒化物半導体素子１に含まれる。すなわち、第１積層領域１２１ＡがＡｌ組成比率０．８以上のＡｌＧａＮでは無い場合でも、本開示に係る窒化物半導体素子に含まれる。
【0036】
＜電極＞
窒化物半導体素子１に備えられる電極２１は、第１導電型半導体層１２１上に形成された電極であり、電極２２は、第２導電型半導体層１２３上に形成された電極である。電極２１及び電極２２は、接触する窒化物半導体層（第１導電型半導体層１２１又は第２導電型半導体層１２３）とオーミック接続となる材料で形成されることが好ましい。
窒化物半導体素子１に備えられる電極２１は、第１導電型半導体層１２１上に形成された電極であり、電極２２は、第２導電型半導体層１２３上に形成された電極である。電極２１及び電極２２は、接触する窒化物半導体層（第１導電型半導体層１２１又は第２導電型半導体層１２３）とオーミック接続となる材料で形成されることが好ましい。
【0037】
ｎ型の窒化物半導体層と接する電極２１及び２２のうちの一方を構成する材料としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ若しくはその合金、又はＩＴＯ等が挙げられ、アルミニウムとニッケルとを含む材料がコンタクト抵抗低減の観点からより好ましい。
ｐ型の窒化物半導体層と接する電極２１及び２２のうちの一方を構成する材料としては、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ及びその合金、又はＩＴＯ等が挙げられる。ｐ型の窒化物半導体層と接する電極２１又は２２は、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいことから、Ｎｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯで形成されることがより好ましい。
ｐ型の窒化物半導体層と接する電極２１及び２２のうちの一方を構成する材料としては、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ及びその合金、又はＩＴＯ等が挙げられる。ｐ型の窒化物半導体層と接する電極２１又は２２は、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいことから、Ｎｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯで形成されることがより好ましい。
【0038】
電極２１，２２は接続のために、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ等の金属層を連続して形成しても良く、導電性の高いＡｕが用いられることが望ましい場合がある。また、電極２１，２２は、密着性向上のため、積層薄膜層１２との界面にＴｉをさらに含んでいても良い。
【0039】
本実施形態に係る窒化物半導体素子１において、電極２１は第１積層領域１２１Ａにおいて第１導電型半導体層１２１上に設けられている。窒化物半導体素子１において、電極２２は、第２積層領域１２１Ｂにおいて第２導電型半導体層１２３上に設けられている。本開示においては、電極２１が第１導電型半導体層１２１上に設けられ、電極２２が第２導電型半導体層１２３上に設けられているが、電極２１のみ又は電極２２のみが設けられていても良い。また、電極２１，２２の双方が設けられている場合、電極２１，２２は同様の材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていても良い。
【0040】
電極２１，２２は、積層薄膜層１２上に形成したレジストをリソグラフィー技術を用いてパターニングし、パターニングされたレジスト上に金属材料を蒸着法で蒸着した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。また、電極２１，２２は、パターニングした金属材料に対してさらに熱処理を行うことで合金化させて形成しても良い。例えば、基板１１上に形成した積層薄膜層１２のメサ凹部に露出した第１導電型半導体層１２１上に、蒸着法にてＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕを積層させた後に、窒素雰囲気化で８５０℃で５分加熱処理を行うことで、電極２１を形成することが出来る。
【0041】
電極２１，２２は、図２Ａに示すように、後述する保護層２５の外形線に対して覆いかぶさるように配置されていても良い。また、図２Ｂに示すように、保護層２５が電極２１，２２の外形線に対して覆いかぶさるように配置されていても良い。図２Ａ及び図２Ｂは、電極２１近傍の構成を拡大して示している。
ここで、電極２１，２２の「外形線」とは、上面視において、電極２１又は２２が保護層２５と積層薄膜層１２の薄膜積層方向と垂直な方向で接する界面の位置をいう。また、保護層２５の「外形線」も同様に、上面視において、保護層２５が電極２１又は２２と積層薄膜層１２の薄膜積層方向と垂直な方向で接する界面の位置をいう。
ここで、電極２１，２２の「外形線」とは、上面視において、電極２１又は２２が保護層２５と積層薄膜層１２の薄膜積層方向と垂直な方向で接する界面の位置をいう。また、保護層２５の「外形線」も同様に、上面視において、保護層２５が電極２１又は２２と積層薄膜層１２の薄膜積層方向と垂直な方向で接する界面の位置をいう。
【0042】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、「外形線」の具体的な位置を説明する。
図２Ａでは、保護層２５の外形線Ｌ１に対して電極２１が覆いかぶさるように配置されている。図２Ａに示すように、保護層２５が電極２１と、積層薄膜層１２（第１導電型半導体層１２１）の薄膜積層方向（図２中の上下方向）と垂直な方向（図２中の左右方向）で接する界面の位置が、保護層２５の外形線Ｌ１となる。図２Ａにおいて、保護層２５の電極２１側の外形線Ｌ１と電極２１の外形線Ｌ２とが上面視で重複している。また、図２Ａには、金属配線の外形線Ｌ３及び絶縁層２６の外形線Ｌ４も示されている。
図２Ａでは、保護層２５の外形線Ｌ１に対して電極２１が覆いかぶさるように配置されている。図２Ａに示すように、保護層２５が電極２１と、積層薄膜層１２（第１導電型半導体層１２１）の薄膜積層方向（図２中の上下方向）と垂直な方向（図２中の左右方向）で接する界面の位置が、保護層２５の外形線Ｌ１となる。図２Ａにおいて、保護層２５の電極２１側の外形線Ｌ１と電極２１の外形線Ｌ２とが上面視で重複している。また、図２Ａには、金属配線の外形線Ｌ３及び絶縁層２６の外形線Ｌ４も示されている。
【0043】
また、図２Ｂでは、電極２１の外形線Ｌ２に対して保護層２５が覆いかぶさるように配置されている。図２Ｂに示すように、電極２１が、保護層２５と積層薄膜層１２（第１導電型半導体層１２１）の薄膜積層方向（図２中の上下方向）と垂直な方向（図２中の左右方向）で接する界面の位置が、電極２１の外形線Ｌ２となる。
上述する実施形態においては、第１導電型半導体層１２１としてｎ－Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎを用いた窒化物半導体素子１に対して適用することが可能である。
上述する実施形態においては、第１導電型半導体層１２１としてｎ－Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎを用いた窒化物半導体素子１に対して適用することが可能である。
【0044】
＜金属配線＞
金属配線２３は、図示しない外部端子と電極２１とを電気的に繋ぐ目的で配置される。また、金属配線２４は、図示しない外部端子と電極２２とを電気的に繋ぐ目的で配置される。金属配線２３，２４の材料としては、導電率が高く、酸素や湿気で変質しにくいＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料を用いることが好ましい。また、金属配線２３，２４の材料として、ＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物導電性材料、導電性カーボンペースト材料、錫や鉛などの半田材料を用いることも可能である。
金属配線２３は、図示しない外部端子と電極２１とを電気的に繋ぐ目的で配置される。また、金属配線２４は、図示しない外部端子と電極２２とを電気的に繋ぐ目的で配置される。金属配線２３，２４の材料としては、導電率が高く、酸素や湿気で変質しにくいＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料を用いることが好ましい。また、金属配線２３，２４の材料として、ＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物導電性材料、導電性カーボンペースト材料、錫や鉛などの半田材料を用いることも可能である。
【0045】
窒化物半導体素子１は、ＰＩＮ発光素子のように、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有している。このため、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体とのそれぞれの材料の電気的接触によりリーク不良を誘発する構造の場合、ｎ型窒化物半導体層と接続された電極上に設けられた金属配線はｎ型窒化物半導体層上のみに、ｐ型窒化物半導体層と接続された電極上に設けられた金属配線はｐ型窒化物半導体層上のみに配置されていることが好ましい。
金属配線２３，２４の形成は、上述した電極２１，２２の形成方法と同様に、一般的な半導体製造装置を用いて行うことができる。金属配線２３，２４の形成には、純度の高い金属層を形成できる観点から、蒸着法を採用することが好ましい。
金属配線２３，２４の形成は、上述した電極２１，２２の形成方法と同様に、一般的な半導体製造装置を用いて行うことができる。金属配線２３，２４の形成には、純度の高い金属層を形成できる観点から、蒸着法を採用することが好ましい。
【0046】
金属配線２３，２４は、電極２１，２２上に形成したレジストをリソグラフィー技術
用いてパターニングした後、パターニングされたレジスト上に金属材料を蒸着法で蒸着した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。この際、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ４が、保護層２５の外形線Ｌ１の内側に位置するように金属配線２３，２４が配置される。また、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ４が、電極２１，２２の外形線Ｌ２と保護層２５の外形線Ｌ１との間に位置するように金属配線２３，２４が配置されることが好ましい。金属配線２３，２４は、電極２１，２２、保護層２５、絶縁層２６の上に配置して良い。金属配線２３，２４の外形線Ｌ３が保護層２５の外形線Ｌ１よりも外側に配置すると（例えば図２Ａにおいて保護層２５の外形線Ｌ１が金属配線Ｌ３の内側にある場合）、金属配線２３，２４が絶縁層２６を介して積層薄膜層１２と対向する。このため、窒化物半導体素子１に電流を流す際に積層薄膜層１２（例えば絶縁層２６を介して金属配線２３と対向する第１導電型半導体層１２１）表面に電荷が溜まり、外気（酸素や水など）と電気化学反応を起こすことで積層薄膜層１２の窒化物半導体層（第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１２３）表面が変質する。これは、例えばＡｌＧａＮで構成された窒化物半導体層表面でＡｌｗＧａｘＮｙＯｚやＡｌｗＧａｘＮｙＯＨｚが生成するためである。窒化物半導体層表面が変質することにより、窒化物半導体素子１の抵抗増大やリーク電流の増大などの不良に繋がる。金属配線２３，２４の外形線Ｌ３が保護層２５の外形線Ｌ１よりも内側となるように金属配線２３，２４を配置することで、上述したような窒化物半導体層表面に電荷が溜まることを防ぎ、電気化学反応の進行を妨げてＡｌＧａＮの変質を抑制することが可能となる。
用いてパターニングした後、パターニングされたレジスト上に金属材料を蒸着法で蒸着した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。この際、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ４が、保護層２５の外形線Ｌ１の内側に位置するように金属配線２３，２４が配置される。また、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ４が、電極２１，２２の外形線Ｌ２と保護層２５の外形線Ｌ１との間に位置するように金属配線２３，２４が配置されることが好ましい。金属配線２３，２４は、電極２１，２２、保護層２５、絶縁層２６の上に配置して良い。金属配線２３，２４の外形線Ｌ３が保護層２５の外形線Ｌ１よりも外側に配置すると（例えば図２Ａにおいて保護層２５の外形線Ｌ１が金属配線Ｌ３の内側にある場合）、金属配線２３，２４が絶縁層２６を介して積層薄膜層１２と対向する。このため、窒化物半導体素子１に電流を流す際に積層薄膜層１２（例えば絶縁層２６を介して金属配線２３と対向する第１導電型半導体層１２１）表面に電荷が溜まり、外気（酸素や水など）と電気化学反応を起こすことで積層薄膜層１２の窒化物半導体層（第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１２３）表面が変質する。これは、例えばＡｌＧａＮで構成された窒化物半導体層表面でＡｌｗＧａｘＮｙＯｚやＡｌｗＧａｘＮｙＯＨｚが生成するためである。窒化物半導体層表面が変質することにより、窒化物半導体素子１の抵抗増大やリーク電流の増大などの不良に繋がる。金属配線２３，２４の外形線Ｌ３が保護層２５の外形線Ｌ１よりも内側となるように金属配線２３，２４を配置することで、上述したような窒化物半導体層表面に電荷が溜まることを防ぎ、電気化学反応の進行を妨げてＡｌＧａＮの変質を抑制することが可能となる。
【0047】
＜保護層＞
保護層２５は、窒化物半導体素子１に通電を行い使用している途中で、ＡｌＧａＮを含む積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面が変質することを抑制する目的で配置する。保護層２５は、電極２１，２２を構成する材料と同様の元素を含む材料により形成されていることが好ましい。また、窒化物半導体素子１が絶縁層２６を有する場合、保護層２５は、電極２１，２２及び絶縁層２６と同様の元素を含む材料により形成されていることが好ましく、例えば電極２１，２２に後述する絶縁層２６の材料が混合された層であることがより好ましい。保護層２５は、具体的にはＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕが合金化した金属材料に絶縁体であるＳｉＮが拡散している構成が挙げられる。この保護層２５を積層薄膜層１２表面に配置することで、保護層２５の上に金属配線２３，２４が配置されていても、窒化物半導体素子１に通電を行った際にても、積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面が変質せずに長期間窒化物半導体素子１を使用することが出来る。
保護層２５は、窒化物半導体素子１に通電を行い使用している途中で、ＡｌＧａＮを含む積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面が変質することを抑制する目的で配置する。保護層２５は、電極２１，２２を構成する材料と同様の元素を含む材料により形成されていることが好ましい。また、窒化物半導体素子１が絶縁層２６を有する場合、保護層２５は、電極２１，２２及び絶縁層２６と同様の元素を含む材料により形成されていることが好ましく、例えば電極２１，２２に後述する絶縁層２６の材料が混合された層であることがより好ましい。保護層２５は、具体的にはＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕが合金化した金属材料に絶縁体であるＳｉＮが拡散している構成が挙げられる。この保護層２５を積層薄膜層１２表面に配置することで、保護層２５の上に金属配線２３，２４が配置されていても、窒化物半導体素子１に通電を行った際にても、積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面が変質せずに長期間窒化物半導体素子１を使用することが出来る。
【0048】
保護層２５は、積層薄膜層１２上に形成したレジストをリソグラフィー技術を用いてパターニングし、パターニングされたレジスト上に保護層２５を構成する材料を配置した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。この際、保護層２５の外形線Ｌ１が平面視で絶縁層２６の内側に位置するように保護層２５が配置されてもよく、金属配線２３，２４の外形線Ｌ３と絶縁層２６との間に位置するように保護層２５が配置されても良い。これは、リソグラフィーにおけるパターニングの設計を行うことで実現できる。保護層２５は、積層薄膜層１２上に配置されていても良い。
【0049】
保護層２５の材料としては、第１導電型半導体層１２１表面に電荷を溜めないために、導電性を有していることが好ましい。一方で保護層２５は、第２導電型半導体層２３から第１導電型半導体層２１あるいは保護層２５を介して第１導電型半導体層１２１へ電流が流れる際の第１導電型半導体層２１あるいは保護層２５の「外形」に当たり、かつ上部に第２導電型半導体層２３が無い領域があり（具体的には外形線Ｌ３よりも外側）、外気に晒される。つまり、腐食を進行させる水や空気と接触しやすい箇所である。つまり、積層薄膜層１２１は耐湿性、耐腐食性が高いことも求められる。
この観点から、保護膜２５の材料には、例えば導電率が高く、酸素や湿気で変質しにくいＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料と、ＳｉＯ２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物または窒化物の絶縁材料との混合物を用いることが良い。これらの材料の組み合わせを用いることで、導電性を有しかつ耐湿性の高い保護膜２５を形成することが可能となる。
この観点から、保護膜２５の材料には、例えば導電率が高く、酸素や湿気で変質しにくいＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料と、ＳｉＯ２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物または窒化物の絶縁材料との混合物を用いることが良い。これらの材料の組み合わせを用いることで、導電性を有しかつ耐湿性の高い保護膜２５を形成することが可能となる。
【0050】
保護膜２５の形成方法としては、例えば上述した金属材料を蒸着法やスパッタ法を用いて第１導電型半導体層１２１上に形成した後に、上述した絶縁材料を積層させて、高温熱処理（例えば７００℃以上）を行うことで拡散させることで保護膜２５とすることが出来る。また、保護膜２５は、金属材料の坩堝と絶縁材料の坩堝とから同時に電子ビーム法にて蒸着を行い、混合物とすることで形成することも出来る。
【0051】
他にも、次の方法で形成が出来る。保護層２５の形成方法は一例として以下の通りである。レジストを用いてパターニングを行った開口部に、電極２１，２２の材料、絶縁層２６の材料を蒸着法で蒸着し、その後熱処理を行うことで形成を行う。この際、保護層２５は電極の材料を用いているために導電性を有している一方で、絶縁層２６の材料も含んでいるためにその抵抗値は電極２１，２２よりも低くなっても良い。保護層２５に導電性を持たせることで、電極２１，２２と保護層２５とが電気的に繋がり、さらに保護層２５を介して積層薄膜層１２に電気を流すことが可能となる。この場合、保護層２５を備えることで、保護層２５を備えていない場合と比較して窒化物半導体素子１に電気を流すことが出来る導体と積層薄膜層１２との接触面積が大きくなり、窒化物半導体素子１の抵抗を低くすることが出来る。保護層２５が電極２１，２２と異なり絶縁層２６の材料を含むことにより、積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面の変質を抑制する効果がある。窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮは大気中の水や酸素と反応して変質を起こすが、この際に保護層２５に絶縁層２６を構成する材料を含んでいると、保護層２５内での水や酸素の移動速度が低下する。これは、水や酸素は保護層２５中では主に原子間での電子のやり取りを介して移動するが、絶縁層２６の材料は導電性が極めて低いために、電子のやり取りを伴う移動の阻害剤となるためである。このため、保護層２５を設けることにより、保護層２５を設けない場合よりも積層薄膜層１２の窒化物半導体層表面の変質を抑制することが出来、さらに保護層２５なしで絶縁層２６を形成した場合よりも窒化物半導体素子１の抵抗を下げて省エネルギー化することが出来る。保護層２５の熱処理には、例えば窒素雰囲気化で８５０℃で５分間加熱する方法が挙げられる。
【0052】
＜絶縁層＞
本実施形態の窒化物半導体素子１では、積層薄膜層１２と金属配線２３，２４との間で電気が流れることを抑制する目的で、金属配線２３，２４と積層薄膜層１２との間に絶縁層２６が配置されてもよい。絶縁層２６の材料としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物または窒化物などが挙げられる。絶縁層２６の形成プロセスが簡便であることから、絶縁層２６の材料としては、特に、ＳｉＯ２またはＳｉＮが用いられることが好ましい。また、絶縁層２６は、単層でもよいし、複数の材料が積層された多層構造でもよい。
本実施形態の窒化物半導体素子１では、積層薄膜層１２と金属配線２３，２４との間で電気が流れることを抑制する目的で、金属配線２３，２４と積層薄膜層１２との間に絶縁層２６が配置されてもよい。絶縁層２６の材料としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物または窒化物などが挙げられる。絶縁層２６の形成プロセスが簡便であることから、絶縁層２６の材料としては、特に、ＳｉＯ２またはＳｉＮが用いられることが好ましい。また、絶縁層２６は、単層でもよいし、複数の材料が積層された多層構造でもよい。
【0053】
絶縁層２６を構成する材料の絶縁破壊電圧をＥとし、絶縁層２６の厚さをｄとした際に、この絶縁層２６の耐圧はＥｄで表される。絶縁層２６の一方の面に接触する積層薄膜層１２と他方の面に接触するチップ上配線である金属配線２３，２４との電位差がこの耐圧Ｅｄより大きい場合、絶縁破壊が生じて積層薄膜層１２と金属配線２３，２４とが電気的に接続される。その場合、積層薄膜層１２に想定外の電流経路が形成され、電流の流れに偏りが出来、通電時の局所破壊などの素子不良を誘発するため、耐圧Ｅｄを上述した電位差より大きくする必要がある。
積層薄膜層１２と金属配線２３，２４との間に絶縁層２６を設けた窒化物半導体素子１は、高出力を実現するために大電流を要する紫外線発光素子や、高温でも安定した特性を実現することが求められる車載用半導体トランジスタ等として用いられる場合に特に大きい効果を奏する。
積層薄膜層１２と金属配線２３，２４との間に絶縁層２６を設けた窒化物半導体素子１は、高出力を実現するために大電流を要する紫外線発光素子や、高温でも安定した特性を実現することが求められる車載用半導体トランジスタ等として用いられる場合に特に大きい効果を奏する。
【0054】
ＡｌＧａＮ層を積層薄膜層１２として用いた窒化物半導体素子１では、耐圧Ｅｄの値は１０Ｖより大きいことが好ましく、２０Ｖより大きいことがより好ましい。絶縁層２６が多層構造である場合は、各層において算出された耐圧Ｅｄの和が１０Ｖより大きいことが好ましい。
【0055】
なお、第一実施形態に係る窒化物半導体素子１では、金属配線２３，２４と積層薄膜層１２との間に形成された絶縁層２６の耐圧Ｅｄが基準となる。このため、絶縁層２６のうち、金属配線２３，２４と積層薄膜層１２との間で最も薄い部分の厚さを「絶縁層２６の厚さｄ」として使用し、絶縁層２６の絶縁破壊電圧Ｅとして、絶縁層２６の材料に対して当業者が一般的に用いる物性値を使用して、耐圧Ｅｄの値を算出する。
【0056】
第一実施形態に係る窒化物半導体素子１は、積層薄膜層１２の表面が絶縁層２６で覆われていることで、静電気、水、物理的な衝撃などから保護される。
絶縁層２６の形成は、一般的な半導体製造装置を用いて行うことができる。半導体製造装置としては、例えば、原料ガスをプラズマ雰囲気下で分解し、積層薄膜層１２を構成する半導体薄膜上に絶縁層２６を成膜するプラズマ気相成長装置（プラズマＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）や、原材料をスパッタリングで成膜するスパッタ装置、熱や電子ビームで原材料を気化し成膜する蒸着装置などが挙げられる。
絶縁層２６の形成は、一般的な半導体製造装置を用いて行うことができる。半導体製造装置としては、例えば、原料ガスをプラズマ雰囲気下で分解し、積層薄膜層１２を構成する半導体薄膜上に絶縁層２６を成膜するプラズマ気相成長装置（プラズマＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）や、原材料をスパッタリングで成膜するスパッタ装置、熱や電子ビームで原材料を気化し成膜する蒸着装置などが挙げられる。
【0057】
絶縁層２６は、積層薄膜層１２上の電極２１，２２を露出させる部分以外の全面に形成されていてもよい。また、積層薄膜層１２上の電極２１，２２を露出させる部分以外の一部に絶縁層２６が形成されていない領域を設けて、この領域に金属配線２３，２４を設けてもよい。
絶縁層２６は、金属配線２３，２４及び保護層２５上に形成したレジストをリソグラフィー技術を用いてパターニングし、パターニングされたレジスト上に上述の手法で絶縁層２６を構成する材料を配置した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。この際、絶縁層２６の外形線Ｌ４が電極２１，２２の外形線Ｌ２と金属配線２３，２４の外形線Ｌ３との間に位置するように絶縁層２６が配置されても良い。また、絶縁層２６のもう一方の外形線Ｌ５が保護層２５の電極２１，２２（図２Ａ参照）では無い方に間を空けて位置するように絶縁層２６が配置されても良い。これは、リソグラフィーにおけるパターニングの設計を行うことで実現できる。
絶縁層２６は、金属配線２３，２４及び保護層２５上に形成したレジストをリソグラフィー技術を用いてパターニングし、パターニングされたレジスト上に上述の手法で絶縁層２６を構成する材料を配置した後レジストを除去するリフトオフ法を用いて形成されて良い。この際、絶縁層２６の外形線Ｌ４が電極２１，２２の外形線Ｌ２と金属配線２３，２４の外形線Ｌ３との間に位置するように絶縁層２６が配置されても良い。また、絶縁層２６のもう一方の外形線Ｌ５が保護層２５の電極２１，２２（図２Ａ参照）では無い方に間を空けて位置するように絶縁層２６が配置されても良い。これは、リソグラフィーにおけるパターニングの設計を行うことで実現できる。
【0058】
絶縁層２６は、積層薄膜層１２、電極２１，２２、保護層２５の上に配置して良い。絶縁層２６の外形線Ｌ４を金属配線２３の外形線Ｌ３よりも外側に配置すると、絶縁層２６で被覆されていない保護層２５が大気に露出され、積層薄膜層１２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮの変質が進行しやすくなる。絶縁層２６の電極２１側の外形線Ｌ４を金属配線２３，２４の外形線Ｌ３よりも内側に配置すると、保護層２５が絶縁層で隙間無く被覆される。このため、保護層２５が大気に露出されることが無く、窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮの変質を抑制することが出来る。
【0059】
＜電極、金属配線、保護層の外形線の関係に関して＞
本実施形態に係る窒化物半導体素子１では、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された積層薄膜層１２の上層に電極２１，２２が配置されて、電極２１，２２の外形線Ｌ２に沿う形で電極２１，２２の外側に保護層２５が配置されて、電極２１，２２の上に金属配線２３，２４がそれぞれ配置されている。この構造において、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ３は、保護層２５の外形線Ｌ１の内側に位置している。
本実施形態に係る窒化物半導体素子１では、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された積層薄膜層１２の上層に電極２１，２２が配置されて、電極２１，２２の外形線Ｌ２に沿う形で電極２１，２２の外側に保護層２５が配置されて、電極２１，２２の上に金属配線２３，２４がそれぞれ配置されている。この構造において、金属配線２３，２４の平面視での全ての外形線Ｌ３は、保護層２５の外形線Ｌ１の内側に位置している。
【0060】
＜ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）に関して＞
上述した本実施形態に係る窒化物半導体素子１の電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層を含む積層薄膜層１２上に設けられる電極、金属配線、保護層に対して適用される。ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）はｎ型半導体でも、ｐ型半導体でも良い。これは、ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）が電子を運搬する材料であるために、酸化還元反応においては酸化されやすい、つまり大気中の酸素や水と反応しやすく、本実施形態で説明した電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置によるＡｌＧａＮの変質抑制の効果が大きいためである。
ここで、発明者らが鋭意検討を行った結果、ＡｌｘＧａ１－ｘＮのｘの値が０．８以上であると、本実施形態で説明した電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置によるＡｌＧａＮの変質抑制効果が極めて大きいことを見出した。これは、ｘの値が高いとＡｌｘＧａ１－ｘＮ材料のＡｌ組成比率（Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ））が高くなり、Ｇａに対してより反応性が高く酸化・変質しやすいＡｌの割合が高くなり、ＡｌＧａＮの変質抑制効果が生じやすくなるためである。
なお、上述する実施形態では、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された第１導電型半導体層１２１Ａ上の保護膜２５、金属配線２３、電極２１の例で外形線の位置関係を説明したが、当該構成に限られない。例えば図２Ｃに示すように、第２導電型半導体１２３がＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）である場合には、上述する実施形態と同様に、第２導電型半導体１２３上の電極２２に保護膜２５を配置し、配線金属２４の配置を、上述した実施形態と同様の配置とすることが出来る。この場合、第１導電型半導体層１２１ＡがＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ＜０．８）で形成されているときには、電極２１と金属配線２３とが積層配置されていれば良く、上述する実施形態で説明した保護膜２５、金属配線２３、電極２１の配置となっていなくても良い。
上述した本実施形態に係る窒化物半導体素子１の電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された窒化物半導体層を含む積層薄膜層１２上に設けられる電極、金属配線、保護層に対して適用される。ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）はｎ型半導体でも、ｐ型半導体でも良い。これは、ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）が電子を運搬する材料であるために、酸化還元反応においては酸化されやすい、つまり大気中の酸素や水と反応しやすく、本実施形態で説明した電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置によるＡｌＧａＮの変質抑制の効果が大きいためである。
ここで、発明者らが鋭意検討を行った結果、ＡｌｘＧａ１－ｘＮのｘの値が０．８以上であると、本実施形態で説明した電極２１，２２、金属配線２３，２４及び保護層２５の配置によるＡｌＧａＮの変質抑制効果が極めて大きいことを見出した。これは、ｘの値が高いとＡｌｘＧａ１－ｘＮ材料のＡｌ組成比率（Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ））が高くなり、Ｇａに対してより反応性が高く酸化・変質しやすいＡｌの割合が高くなり、ＡｌＧａＮの変質抑制効果が生じやすくなるためである。
なお、上述する実施形態では、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）で形成された第１導電型半導体層１２１Ａ上の保護膜２５、金属配線２３、電極２１の例で外形線の位置関係を説明したが、当該構成に限られない。例えば図２Ｃに示すように、第２導電型半導体１２３がＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０．８）である場合には、上述する実施形態と同様に、第２導電型半導体１２３上の電極２２に保護膜２５を配置し、配線金属２４の配置を、上述した実施形態と同様の配置とすることが出来る。この場合、第１導電型半導体層１２１ＡがＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ＜０．８）で形成されているときには、電極２１と金属配線２３とが積層配置されていれば良く、上述する実施形態で説明した保護膜２５、金属配線２３、電極２１の配置となっていなくても良い。
【0061】
＜測定方法＞
（電極、金属配線、絶縁層、保護層の配置の確認方法）
本実施形態に係る窒化物半導体素子１の電極２１，２２、金属配線２３，２４、保護層２５及び絶縁層２６の配置は、基板１１の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、ＳＥＭ測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、ＳＥＭを用いて窒化物半導体素子１の基板１１の第１主面１１Ａに対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、窒化物半導体素子１の基板１１の第１主面１１Ａに対して垂直な断面を示すＳＥＭ画像内の、基板１１の第１主面１１Ａに対して平行な方向において５μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲（観察領域）において、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察される。このため、このコントラストを目印として電極２１，２２の外形線Ｌ２、金属配線２３，２４の外形線Ｌ３、保護層２５の外形線Ｌ１及び絶縁層２６の外形線の外形線Ｌ４又はＬ５を観察する。この観察領域内に含まれる各層の配置関係を、上述した５μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層の配置関係を得る。
（電極、金属配線、絶縁層、保護層の配置の確認方法）
本実施形態に係る窒化物半導体素子１の電極２１，２２、金属配線２３，２４、保護層２５及び絶縁層２６の配置は、基板１１の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、ＳＥＭ測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、ＳＥＭを用いて窒化物半導体素子１の基板１１の第１主面１１Ａに対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、窒化物半導体素子１の基板１１の第１主面１１Ａに対して垂直な断面を示すＳＥＭ画像内の、基板１１の第１主面１１Ａに対して平行な方向において５μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲（観察領域）において、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察される。このため、このコントラストを目印として電極２１，２２の外形線Ｌ２、金属配線２３，２４の外形線Ｌ３、保護層２５の外形線Ｌ１及び絶縁層２６の外形線の外形線Ｌ４又はＬ５を観察する。この観察領域内に含まれる各層の配置関係を、上述した５μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層の配置関係を得る。
【0062】
（組成測定）
本実施形態の電極２１，２２、金属配線２３，２４、保護層２５及び絶縁層２６の材料組成の測定法として、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）が挙げられる。各層を構成する材料の組成は、上述した各層の配置の確認方法で観察する断面において、点分析が可能なＥＤＸで同定する。
本実施形態の電極２１，２２、金属配線２３，２４、保護層２５及び絶縁層２６の材料組成の測定法として、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）が挙げられる。各層を構成する材料の組成は、上述した各層の配置の確認方法で観察する断面において、点分析が可能なＥＤＸで同定する。
【0063】
（２）変形例
（２．１）第１の変形例
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第１の変形例である窒化物半導体素子１Ａについて説明する。
窒化物半導体素子１Ａは、例えば図３に示すように、発光層１２２と、第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１２３の少なくとも一方との間に、電子又は正孔をブロックするブロック層１２４が備えられている。すなわち、窒化物半導体素子１Ａの積層薄膜層１２Ａが、第１導電型半導体層１２１、発光層１２２及び第２導電型半導体層１２３と、ブロック層１２４とが備えられている。なお、図３では、発光層１２２と第２導電型半導体層１２３との間にブロック層１２４として電子ブロック層が設けられた窒化物半導体素子１Ａを示している。
（２．１）第１の変形例
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第１の変形例である窒化物半導体素子１Ａについて説明する。
窒化物半導体素子１Ａは、例えば図３に示すように、発光層１２２と、第１導電型半導体層１２１及び第２導電型半導体層１２３の少なくとも一方との間に、電子又は正孔をブロックするブロック層１２４が備えられている。すなわち、窒化物半導体素子１Ａの積層薄膜層１２Ａが、第１導電型半導体層１２１、発光層１２２及び第２導電型半導体層１２３と、ブロック層１２４とが備えられている。なお、図３では、発光層１２２と第２導電型半導体層１２３との間にブロック層１２４として電子ブロック層が設けられた窒化物半導体素子１Ａを示している。
【0064】
電子ブロック層であるブロック層１２４は、第１導電型半導体層１２１側から流入されて発光層１２２の活性層に注入されなかった電子を反射して電子を活性層に注入することができる。発光層１２２の活性層に注入されなかった電子は、例えば、第２導電型半導体層１２３の正孔濃度が低い場合に、活性層に注入されずに第２導電型半導体層１２３側に流れてしまう電子である。電子が第２導電型半導体層１２３側に流れると、発光層１２２の活性層への電子の注入効率が低下するので、発光効率を十分に向上させることが困難になる。ブロック層１２４を設けることにより、活性層への電子の注入効率が向上し、発光効率の向上を図ることができる。
【0065】
（２．２）第２の変形例
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第２の変形例である窒化物半導体素子１Ｂについて説明する。
窒化物半導体素子１Ｂは、例えば図４Ａに示すように、第２導電型半導体層１２３の電極２２側（第２導電型半導体層１２３と電極２２との間）に、電極２２との接触抵抗を低減する観点から、不純物が多量にドーピングされたコンタクト層１２５を有している。すなわち、窒化物半導体素子１Ｂの積層薄膜層１２Ｂは、第１導電型半導体層１２１、発光層１２２及び第２導電型半導体層１２３と、コンタクト層１２５とを備えている。
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第２の変形例である窒化物半導体素子１Ｂについて説明する。
窒化物半導体素子１Ｂは、例えば図４Ａに示すように、第２導電型半導体層１２３の電極２２側（第２導電型半導体層１２３と電極２２との間）に、電極２２との接触抵抗を低減する観点から、不純物が多量にドーピングされたコンタクト層１２５を有している。すなわち、窒化物半導体素子１Ｂの積層薄膜層１２Ｂは、第１導電型半導体層１２１、発光層１２２及び第２導電型半導体層１２３と、コンタクト層１２５とを備えている。
【0066】
なお、図４Ｂに示すように、例えば発光層１２２と第２導電型半導体層１２３との間には、さらに第１の変形例で説明したブロック層１２４を備えていても良い。図４Ｂでは、第１導電型半導体層１２１、発光層１２２及び第２導電型半導体層１２３と、ブロック層１２４及びコンタクト層１２５とを有する積層薄膜層１２Ｃが備えられた窒化物半導体素子１Ｃを示している。
【0067】
（２．３）第３の変形例
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第３の変形例である窒化物半導体素子１Ｄについて説明する。
窒化物半導体素子１Ｄは、例えば図５に示すように、積層薄膜層１２の結晶性向上の観点から、積層薄膜層１２の基板１１と接する側の面にバッファ層１３を更に備えている。
バッファ層１３は、基板１１との間の格子定数差及び熱膨張係数差が小さく欠陥の少ない積層薄膜層１２（第１導電型半導体層１２１）をバッファ層１３上に形成させることができる。また、バッファ層１３は、圧縮応力下で第１導電型半導体層１２１を成長させることができ、第１導電型半導体層１２１にクラックの発生を抑制することができる。
以下、本実施形態に係る窒化物半導体素子１の第３の変形例である窒化物半導体素子１Ｄについて説明する。
窒化物半導体素子１Ｄは、例えば図５に示すように、積層薄膜層１２の結晶性向上の観点から、積層薄膜層１２の基板１１と接する側の面にバッファ層１３を更に備えている。
バッファ層１３は、基板１１との間の格子定数差及び熱膨張係数差が小さく欠陥の少ない積層薄膜層１２（第１導電型半導体層１２１）をバッファ層１３上に形成させることができる。また、バッファ層１３は、圧縮応力下で第１導電型半導体層１２１を成長させることができ、第１導電型半導体層１２１にクラックの発生を抑制することができる。
【0068】
一例として、バッファ層１３は、基板１１の全面に形成されている。バッファ層１３は、例えばＡｌＮによって形成されている。
バッファ層１３は、数μｍ（例えば１．６μｍ）の厚さを有していてもよいが、この値には限らない。具体的には、バッファ層１３の膜厚は、１０ｎｍより厚く１０μｍより薄いことが好ましい。バッファ層１３の膜厚が１０ｎｍより厚いことで、結晶性の高いＡｌＮを作製することができ、バッファ層１３の膜厚が１０μｍより薄いことでウェハ全面においてクラックの無い結晶成長が可能である。バッファ層１３は、より好ましくは５０ｎｍより厚く、５μｍより薄い膜厚を有しているとよい。バッファ層１３の膜厚が５０ｎｍより厚いことで結晶性の高いＡｌＮを再現良く作製することができ、バッファ層１３の膜厚が５μｍより薄いことでクラック発生確率の低い結晶成長が可能となる。
バッファ層１３は、数μｍ（例えば１．６μｍ）の厚さを有していてもよいが、この値には限らない。具体的には、バッファ層１３の膜厚は、１０ｎｍより厚く１０μｍより薄いことが好ましい。バッファ層１３の膜厚が１０ｎｍより厚いことで、結晶性の高いＡｌＮを作製することができ、バッファ層１３の膜厚が１０μｍより薄いことでウェハ全面においてクラックの無い結晶成長が可能である。バッファ層１３は、より好ましくは５０ｎｍより厚く、５μｍより薄い膜厚を有しているとよい。バッファ層１３の膜厚が５０ｎｍより厚いことで結晶性の高いＡｌＮを再現良く作製することができ、バッファ層１３の膜厚が５μｍより薄いことでクラック発生確率の低い結晶成長が可能となる。
【0069】
基板１１の形成材料としてＡｌＮを用いた場合、バッファ層１３と基板１１との間の差異が同一材料のため、バッファ層１３と基板１１との境界が不明確となる。本実施形態では、基板１１がＡｌＮで形成されている場合には、基板上にバッファ層１３が積層されていなくても、窒化物半導体素子１はバッファ層１３を有していると見做すことにする。
【0070】
バッファ層１３は、第１導電型半導体層１２１よりも薄く形成されていることが好ましいが、これに限らない。第１導電型半導体層１２１がバッファ層１３よりも厚い場合、クラックを抑制する範囲内で第１導電型半導体層１２１を出来る限り厚膜化することができる。このため、第１導電型半導体層１２１の薄膜面内方向の抵抗が低減され、低電圧駆動の窒化物半導体素子を実現することができる。窒化物半導体素子１の低電圧駆動が実現すると、発熱による高電流密度駆動下での破壊をより抑制することが可能となる。バッファ層１３を設けることにより、バッファ層１３との間の格子定数差及び熱膨張係数差が小さく、欠陥の少ない第１導電型半導体層１２１をバッファ層１３上に成長させることができる。
【0071】
さらに、バッファ層１３は、圧縮応力下で第１導電型半導体層１２１を成長させることができ、第１導電型半導体層１２１にクラックの発生を抑制することができる。基板１１がＧａＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成されている場合、上述した理由のため欠陥の少ない窒化物半導体層を基板１１上に成長させることができる。このため、基板１１がＧａＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成されている場合、バッファ層１３が設けられていなくてもよい。また、その他の材料により形成された基板１１上においても、高品質のＡｌＧａＮを直接基板１１上に形成することができればバッファ層１３が設けられていなくても良い。
バッファ層１３には、炭素やケイ素、鉄、マグネシウム等の不純物が混入されていてもよい。
バッファ層１３には、炭素やケイ素、鉄、マグネシウム等の不純物が混入されていてもよい。
【実施例0072】
＜実施例１＞
ＡｌＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて窒化物半導体層を以下手順で形成し、波長２３０ｎｍの光を発する窒化物半導体素子を得た。
基板上に、バッファ層となるＡｌＮ層を５００ｎｍと、第１導電型半導体層となるＳｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比率：０．８７）を３５０ｎｍとを形成した。次に、発光層となる５回の繰り返し周期をもつ量子井戸層ＡｌｘＧａ１－ｘＮとバリア層ＡｌｙＧａ１－ｙＮとを形成した。このとき、量子井戸層の厚さは１ｎｍ、Ａｌ組成比率は０．８２とし、バリア層の厚さは６ｎｍ、Ａｌ組成比率は０．９２とした。
ＡｌＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて窒化物半導体層を以下手順で形成し、波長２３０ｎｍの光を発する窒化物半導体素子を得た。
基板上に、バッファ層となるＡｌＮ層を５００ｎｍと、第１導電型半導体層となるＳｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比率：０．８７）を３５０ｎｍとを形成した。次に、発光層となる５回の繰り返し周期をもつ量子井戸層ＡｌｘＧａ１－ｘＮとバリア層ＡｌｙＧａ１－ｙＮとを形成した。このとき、量子井戸層の厚さは１ｎｍ、Ａｌ組成比率は０．８２とし、バリア層の厚さは６ｎｍ、Ａｌ組成比率は０．９２とした。
【0073】
続いて、繰り返し周期をもつ量子井戸層上に電子ブロック層を形成した。電子ブロック層は、ドーパントを含まないＡｌＧａＮ層とした。電子ブロック層は、Ａｌ組成比率が０．９５で、１０ｎｍの厚さで形成した。
続いて、電子ブロック層上に第２導電型半導体層を形成した。第２導電型半導体層は、基板から遠ざかる方向にＡｌ組成比率が分布をもち、Ａｌ組成比率が０．８５から０．２５まで変化する３０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層とした。
続いて、第２導電型半導体層上に、ｐコンタクト層となるｐ型の導電性を有する窒化物半導体膜を形成した。ｐコンタクト層は、１０ｎｍの厚さを有し、ＧａＮ層（ｐ－ＧａＮ、Ａｌ組成比率：０）とした。
続いて、電子ブロック層上に第２導電型半導体層を形成した。第２導電型半導体層は、基板から遠ざかる方向にＡｌ組成比率が分布をもち、Ａｌ組成比率が０．８５から０．２５まで変化する３０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層とした。
続いて、第２導電型半導体層上に、ｐコンタクト層となるｐ型の導電性を有する窒化物半導体膜を形成した。ｐコンタクト層は、１０ｎｍの厚さを有し、ＧａＮ層（ｐ－ＧａＮ、Ａｌ組成比率：０）とした。
【0074】
このようにして形成した積層薄膜層に対して塩素ガスを用いたドライエッチングを行うことにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比率：０．８７）表面を露出させ、第１導電型半導体層を形成した。
続いて、露出させたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比率：０．８７）に対して、保護層材料としてＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕをこの順に電子ビーム蒸着法にて蒸着して、さらにスパッタ法にてＳｉＮを積層させた。その後９００℃の窒素中で加熱することにより、保護層を形成した。
続いて、露出させたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比率：０．８７）に対して、保護層材料としてＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕをこの順に電子ビーム蒸着法にて蒸着して、さらにスパッタ法にてＳｉＮを積層させた。その後９００℃の窒素中で加熱することにより、保護層を形成した。
【0075】
次に、電極材料としてＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕをこの順に電子ビーム蒸着法にて蒸着し、その後９００℃の窒素中で加熱することで電極を形成した。このとき、電極は、図２Ａに示すように、後述する保護層２５の外形線に対して覆いかぶさるように形成した。
次に、絶縁層としてＳｉＮをスパッタ法にて外形線Ｌ４が図２Ａに示す位置となるように形成した。次に、金属配線としてＴｉとＡｕの金属積層膜を図２Ａに示す外形線Ｌ３の位置となるように電子ビーム蒸着法にて形成した。これにより、電極の外形線Ｌ２、金属配線の外形線Ｌ３及び保護層の外形線Ｌ１が窒化物半導体素子中央側から外側に向けてこの順で配置された、波長２３０ｎｍの光を発する窒化物半導体素子を得た。
次に、絶縁層としてＳｉＮをスパッタ法にて外形線Ｌ４が図２Ａに示す位置となるように形成した。次に、金属配線としてＴｉとＡｕの金属積層膜を図２Ａに示す外形線Ｌ３の位置となるように電子ビーム蒸着法にて形成した。これにより、電極の外形線Ｌ２、金属配線の外形線Ｌ３及び保護層の外形線Ｌ１が窒化物半導体素子中央側から外側に向けてこの順で配置された、波長２３０ｎｍの光を発する窒化物半導体素子を得た。
【0076】
実施例１の窒化物半導体素子を、環境温度５５℃、湿度８５％の高温高湿環境下において、電流２０ｍＡとなるように駆動させた。この窒化物半導体素子では、通電開始から５００時間まで駆動電圧の変動が見られなかった。また、通電開始から５００時間経過後に窒化物半導体素子を確認したところ、第１導電型半導体層のＡｌＧａＮ表面の変質は観察されなかった。
つまり、窒化物半導体層のＡｌ組成比率が０．８以上であっても、実施例１の各外形線の位置関係とすることで通電開始後の窒化物半導体層のＡｌＧａＮ表面の変質を抑制して窒化物半導体素子の抵抗増大やリーク電流の増大などの不良を抑制することができた。
つまり、窒化物半導体層のＡｌ組成比率が０．８以上であっても、実施例１の各外形線の位置関係とすることで通電開始後の窒化物半導体層のＡｌＧａＮ表面の変質を抑制して窒化物半導体素子の抵抗増大やリーク電流の増大などの不良を抑制することができた。
【0077】
＜比較例１＞
実施例１と同様の方法で、基板、窒化物半導体層を含む積層薄膜、電極、保護層、金属配線、絶縁層を備えるピーク波長２３０ｎｍの窒化物半導体素子を作製した。この際、図６に示すように、電極の外形線Ｌ２、保護層の外形線Ｌ１及び金属配線の外形線Ｌ３が窒化物半導体素子中央側から外側に向けてこの順で配置されるように電極、保護層及び金属配線を形成した。なお、図６では、第１導電型半導体層１１２１、電極１０２１、金属配線１０２３、保護層１０２５、絶縁層１０２６を示している。
実施例１と同様の方法で、基板、窒化物半導体層を含む積層薄膜、電極、保護層、金属配線、絶縁層を備えるピーク波長２３０ｎｍの窒化物半導体素子を作製した。この際、図６に示すように、電極の外形線Ｌ２、保護層の外形線Ｌ１及び金属配線の外形線Ｌ３が窒化物半導体素子中央側から外側に向けてこの順で配置されるように電極、保護層及び金属配線を形成した。なお、図６では、第１導電型半導体層１１２１、電極１０２１、金属配線１０２３、保護層１０２５、絶縁層１０２６を示している。
【0078】
比較例１の窒化物半導体素子を、環境温度５５℃、湿度８５％の高温高湿環境下において、電流２０ｍＡとなるように駆動させた。この窒化物半導体素子では、駆動電圧が、通電開始から１１９時間後に１０．７Ｖから１１．７Ｖへ上昇し、１９９時間後に１３．５Ｖに上昇し、３４４時間後に１８Ｖへ上昇した。
通電開始から３４４時間経過後に窒化物半導体素子を光学顕微鏡にて確認したところ、保護層の外形線Ｌ１と金属配線の外形線Ｌ３との間の窒化物半導体層のＡｌＧａＮが変質しており、また、このＡｌＧａＮの変質が電極下まで延伸して電極下のＡｌＧａＮが変質していた。このようなＡｌＧａＮの変質により、窒化物半導体素子の駆動電圧が上昇することが分かった。
通電開始から３４４時間経過後に窒化物半導体素子を光学顕微鏡にて確認したところ、保護層の外形線Ｌ１と金属配線の外形線Ｌ３との間の窒化物半導体層のＡｌＧａＮが変質しており、また、このＡｌＧａＮの変質が電極下まで延伸して電極下のＡｌＧａＮが変質していた。このようなＡｌＧａＮの変質により、窒化物半導体素子の駆動電圧が上昇することが分かった。
【0079】
以上、本開示を実施の形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【0080】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 窒化物半導体素子
１１ 基板
１１Ａ 第１主面
１１Ｂ 第２主面
１２,１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 積層薄膜層
１２１ 第１導電型半導体層
１２２ 発光層
１２３ 第２導電型半導体層
１２４ ブロック層
１２５ コンタクト層
１３ バッファ層
２１，２２ 電極
２３，２４ 金属配線
２５ 保護層
２６ 絶縁層
１１ 基板
１１Ａ 第１主面
１１Ｂ 第２主面
１２,１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 積層薄膜層
１２１ 第１導電型半導体層
１２２ 発光層
１２３ 第２導電型半導体層
１２４ ブロック層
１２５ コンタクト層
１３ バッファ層
２１，２２ 電極
２３，２４ 金属配線
２５ 保護層
２６ 絶縁層
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】