JPH0936427A

JPH0936427A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0936427A
Application number: JP18188795A
Authority: JP
Inventors: Mineo Okuyama; 峰夫奥山; Takashi Udagawa; 隆宇田川; Ryoichi Takeuchi; 良一竹内; Noriyuki Aihara; 範行粟飯原
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】非晶質を基板とする簡易な構成の発光強度が
高いＬＥＤ等の半導体装置を得る。【構成】窒素原子を含む気体からなるプラズマにより
表面を処理した非晶質基板材料上に、III −Ｖ族窒化物
半導体からなるヘテロ接合を含む積層構造を直接載置す
る。非晶質基板の裏面側に金属被膜を設ける。また、溝
を形成した基板裏面に反射用途等の金属被膜を設ける。【効果】単結晶材料に比較すれば廉価な非晶質材料基
板上に、結晶化されたIII −Ｖ族窒化物半導体を成長で
きる。また、基板材料への金属被膜の形成はＬＥＤにあ
っては簡易な構成をもって発光強度の向上をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】III −Ｖ族窒化物半導体からなる
半導体装置に係わり、特に高輝度の短波長可視発光ダイ
オード（ＬＥＤ）の発光強度の増大をもたらす材料の構
成に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）または窒化インジウム（ＩｎＮ）、或い
はそれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物半導体は比較的高
温でも動作する耐環境型の電界効果型トランジスタ
（Ｍ．ＡｓｉｆＫｈａｎ他、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．、６５（９）（１９９４）、１１２１．）やＬ
ＥＤ等の半導体装置の構成材料として用いられている。
最近では、ＧａＮ等のIII −Ｖ族窒化物半導体の積層構
造からなる青色や青緑色等の短い波長の可視光を発光す
る短波長可視ＬＥＤが構成されている（例えば真部勝
英、「豊田合成技報」、第３５巻第４号（１９９３）、
６８頁）。

【０００３】III −Ｖ族窒化物半導体から構成されてい
る従来のＬＥＤチップの構造例を図１に示す。ＬＥＤチ
ップを構成するための窒化物半導体各層は酸化アルミニ
ウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）単結晶（サファイア）基板（２０
１）上に設けられている（例えばＨ．Ｍ．Ｍａｎａｓｅ
ｖｉｔ他、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１
１８（１９７１）、１８６４）。従来から、基板として
は、単結晶であるサファイアが使用されるのが通例とな
っている。

【０００４】単結晶であるサファイアが基板として用い
られている理由の一つは、サファイアが青色等の短波長
の光を透過するため発光が基板に吸収されず、外部への
発光の放出を防げないからである。ＬＥＤにあっては、
外部へ効率良く発光を取り出すために発光波長に相当す
るエネルギーよりも高い禁止帯幅を有する材料から基板
を構成するのが通例となっている。

【０００５】また、従来のＬＥＤの構成要素であるＧａ
ＮやＡｌＮ、或いはそれらの混晶であるIII −Ｖ族窒化
物半導体の各層は約１０００℃の高温で成長されている
（Ｍ．Ｉｌｌｅｇｅｍｓ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔ
ｈ，１３／１４（１９７２）、３６０．）。III −Ｖ族
窒化物半導体層の成長には、有機金属気相成長法（ＭＯ
ＣＶＤ、ＭＯＶＰＥやＯＭＶＰＥ法と称される。）やハ
ロゲン化物を原料とする気相成長法（ＶＰＥ法）等の成
長方式に拘らず一般にこの様な高温が必要とされてい
る。従って、高温の成長温度でも変質しない、融点が高
い耐熱性のある材料を基板とする必要があった。融点が
成長温度を上回る約２０４０℃のサファイアを基板とし
て利用する理由が此処にある。

【０００６】基板としてはこの他、単結晶の酸化ガリウ
ム・ネオジウム（ＮｄＧａＯ₃ ）（１９９４年秋季第５
５回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１、講演
番号１９ｐ−ＭＧ−４、１８４頁）や同じく単結晶の酸
化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられている。ＺｎＯの禁止帯幅
は３．２ｅＶと禁止帯幅が広く短波長の光を吸収せずに
透過するため、且つＡｌＧａＩｎＮ等のIII −Ｖ族窒化
物半導体混晶材料との格子の不整合度が小さいためIII
−Ｖ族窒化物半導体の成長に適する基板として開示され
ている（特公平６−１４５６４）。

【０００７】III −Ｖ族窒化物半導体層成長用の従来の
基板材料は単結晶材料が利用されることが多い。サファ
イア等の単結晶は、一般にはアルミナの粉末或いは多結
晶のサファイア塊等を原料として高温高圧での環境下で
合成される。単結晶合成工程を経た後、所望の形状に切
削加工される。その後、表面を機械的或いは化学的に精
密に研磨され、基板として供される。即ち、基板とする
単結晶の材料を得るには多くの工程を経なければなら
ず、従って単結晶材料は一般には高価である。

【０００８】単結晶材料を基板として使用する一般的な
理由は単結晶の成長層を得るためである。即ち、単結晶
基板上にエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長し
た成長層は単結晶となるからである。単結晶成長層は同
一の方位の結晶面から構築されているため、光学的或い
は電気的な特性が画一化され、特性の揃ったＬＥＤ等の
素子を得るには都合が良い。むしろ、ＬＥＤは単結晶の
膜から構成されることが要求される。

【０００９】しかし、ＡｌＮ等のIII −Ｖ族窒化物半導
体にあっては、単結晶ではない材料上に成長させた場合
でも結晶化し、単結晶膜が得られることが知られている
（赤崎勇、「光学」、第２２巻第１１号（１９９３）、
６７０頁）。このことは単結晶のIII −Ｖ族窒化物半導
体膜を得るに、一般的に高価な単結晶基板が敢えて必要
とされないことを意味する。即ち、単結晶化のため単結
晶合成工程を要せず、一般的に単結晶の材料に比較すれ
ば廉価である結晶性を持たない非晶質の材料が利用でき
ることを示唆している。

【００１０】過去にあっては、非晶質な材料としてパイ
レックスガラスを使用し、その上にIII −Ｖ族窒化物半
導体の一種であるＡｌＮの単層膜を形成した例が知られ
ている（上村揚一郎他、「応用物理」第４０巻第５号
（１９７１）、５７２頁）。また、導電性のガラス材料
からなる電極上にＡｌＮ膜も設けた例がある（Ｇ．Ａ．
ＷＯＬＦＦ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．、１１４（５）（１
９５９）、１２６２．）。しかし、従来に於ける例で
は、短い波長の可視光を発光する材料としてＡｌ_x Ｇａ
_y Ｉｎ_z Ｎ（ｘ、ｙ及びｚは組成比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１、ｘ＞０である）が示されているが（特公平６−１
４５６４）混晶層等を発光層として備えたＬＥＤ用途の
ヘテロ接合積層構造を、非晶質の材料上に直接設ける実
施態様は例示されていない。

【００１１】非晶質の材料を基板とする場合でも短い波
長の光を透過する材料であれば外部へ発光が効率良く取
り出せ、発光強度の増大が果たせる。透光性の材料の一
主面に、基板材料を透過してくる発光を反射する機能を
有する金属被膜等を設ければ、エピタキシャル膜の結晶
性の向上に依らずとも尚一層のＬＥＤの高輝度化が簡便
に図れる。また、発光部分をヘテロ接合で構成すること
により、より高輝度化が図れる。

【００１２】非晶質材料を石英ガラスとし、石英ガラス
の一主面上に金属導電膜を形成した後、Ａｌ_w Ｇａ_1-w
Ｎ（０≦ｗ≦１）やＩｎＮエピタキシャル膜を堆積する
成長方法も知られている。この場合は、III −Ｖ族窒化
物半導体層を石英ガラス上に直接、堆積するのではな
く、光学研磨を施した石英ガラス等の表面上に、一旦ク
ロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）などの金属を導電
膜として被着させて石英ガラス等の表面に導電性をもた
せ、然る後、III −Ｖ族窒化物半導体層を成長させてい
る（特公平５−８６６４６）。しかし、この場合はヘテ
ロ接合を含んでいない。また、この成長方法は成長層を
石英ガラスの表面に形成した金属導電膜を介して形成す
ることに依って、窒素空格子点の少ない高品質のＡｌ_x
Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）やＩｎＮのエピタキシャル膜
の成長を目的としたものであって、エピタキシャル膜の
結晶性の向上をもって高輝度の発光素子を作製するに有
利とした方法にほかならない。即ち、石英ガラスの表面
に設ける導電性膜は何も発光を反射させるための反射膜
としての作用を果たすために設けられてはいなかった。

【００１３】ましてや、公知例による石英ガラスの上に
設けた金属導電膜を介してIII −Ｖ族化合物半導体層を
成長させるに際しては、金属導電膜と金属アルミニウム
等のターゲット材料との間に直流電圧を印加し、窒素ガ
スを含む雰囲気中で高周波スパッタリング法により、先
ずＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）やＩｎＮのバッファ
層を堆積する。その後、アンモニア（ＮＨ₃ ）と第II
I 族の有機金属を原料とする有機金属気相成長法により
バッファ層と同一の組成のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦
１）またはＩｎＮをエピタキシャル成長させる（特公平
５−８６６４６）。この成長方法に依れば、窒素空格子
点の少ない高品質のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）や
ＩｎＮのエピタキシャル膜が得られ、しいては高輝度の
発光素子を作製できる利点があるとされるが、エピタキ
シャル膜を得るに煩雑な工程を必要としている。例えば
エピタキシャル膜の成長工程にしてもスパッタリング法
と有機金属気相成長法と２種の成長方法が必須となり、
成長工程が複雑となり煩雑であるため、発光素子の製造
価格の上昇を招きかねない。

【００１４】例えばＬＥＤの様な汎用素子にあっては、
特に廉価であることが要求されるため、複雑な工程は好
ましくない。非晶質材料からなる基板にあっては、基板
上に直接III −Ｖ族窒化物半導体層を成長させても容易
に単結晶膜は得られない。III −Ｖ族窒化物半導体層を
堆積する非晶質材料の一主面、即ち基板の表面にその上
に堆積する成長層の単結晶化を促進できる簡易な表面処
理が必要である。

【００１５】発光素子の高輝度化はエピタキシャル成長
膜の高品質化のみではなく、発光を反射する機能を有す
る構成とすれば簡易に高輝度化が達成される場合があ
る。例えば反射鏡を適当な位置に配置して外部への発光
の放出を助長する従来法が知られている。この様な反射
鏡を備えてなる従来のＬＥＤの構成例を図２に示す。従
来は高輝度化をもたらす反射鏡（１１１）はＬＥＤのチ
ップ（１１２）を固定するためのステム（台座器具）
（１１３）の一部に設けられている。従来に於いては、
この様に発光を反射させるに特殊で構造が複雑となるス
テムが必要とされた。例えば、基板が透光性であれば、
それを利用して基板の一部に反射作用を得ることを目的
とした部材を被着すれば構造の簡素化が図れる。しか
し、現在迄にこの様に高輝度化を果たすための発光を反
射する作用を得る目的のための部材を有し、尚且つ簡素
化された構成からなる高輝度のＬＥＤは知られていな
い。

【００１６】例えば図２に示す公知例とは異なり、透光
性である石英ガラス基板のIII −Ｖ族窒化物半導体層の
堆積を行う表面とは反対側の一主面、即ち基板の裏面側
に金属反射膜を設ければ発光のＬＥＤの外部への反射強
度を増大できる。反射膜を設ける基板の裏面の表面積を
拡大する加工を施せば、反射強度は反射作用を有する反
射膜の表面積の拡張に伴い増加するため更に増加する。
表面積の増加をもたらす加工方法の一つに表面に凹凸状
の溝を形成する方法がある。実際、表面側に溝を形成し
た（０００１）面を有する六方晶系の基板上に、基板と
同様の六方晶系の結晶層を成長させる方法も公開されて
いる（特開平５−３６６０２）。しかし、従来は、溝は
六方晶基板の表面側に形成されており、且つまた溝は基
板と同じ結晶系の六方晶形の膜の表面状態を向上させる
目的で設けられるもので、基板の一主面の表面積を拡張
させるために溝が設けられているのではない。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】廉価なＬＥＤを供給す
るには、非晶質材料を基板とするのが得策である。それ
には非晶質基板表面上に容易に単結晶膜を与える様な表
面処理が必要である。更には、特殊なステムを必要とせ
ずに発光を反射する作用を有する部材が基板と接触して
設けられており、ＬＥＤからの発光の反射強度を増大さ
せ結果としてＬＥＤからの発光強度の増大がもたらされ
る簡易な構成があれば尚更都合が良い。しかし、現在に
至る迄に短波長の可視ＬＥＤについて、電力消費が少な
く、高輝度ＬＥＤを得るに必要なｐｎ接合となすヘテロ
接合系発光層を含む積層構造が、非晶質材料基板上に設
けられた例は知られていない。または発光の反射強度の
増大をもたらす構成を非晶質基板上に設けられた例は知
られていない。この様な背景に鑑み廉価で且つ高輝度の
ＬＥＤを供給するために、これらの従来の問題を新たな
創意をもって解決するのが本発明の課題である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は非晶質材
料からなる基板を窒素原子を含む気体のプラズマ雰囲気
に曝して表面処理した後、Ａｌ、Ｇａ若しくはＩｎの少
なくとも一つの第 III族元素と第Ｖ族元素として少なく
とも窒素を含むIII −Ｖ族窒化物半導体のヘテロ接合を
備えた積層構造を、該非晶質材料基板の表面上に直接堆
積することを特徴とするものである。また、III −Ｖ族
窒化物半導体を直接堆積する非晶質基板の表面とは反対
側の、対向する基板の裏面上に金属被膜が形成されてな
る半導体装置を提供することを特徴とする。金属被膜は
複数の溝を設けた非晶質基板の裏面上に設けられている
半導体装置も提供する。

【００１９】本発明では単結晶材料に比較すれば廉価な
非晶質材料であり且つ透光性を有する材料を基板として
利用する。非晶質材料とは、結晶学的に無定形（ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ）か或いは部分的に結晶化した領域を持つ
ミセル（ｍｉｓｃｅｌ）構造を有する材料を指す。非晶
質で且つ透光性の材料には、例えば非晶質ガラスや結晶
化ガラスや石英ガラスなどが挙げられる。この他、透光
性を有するＡｌＮなどのセラミック材料もこれに該当す
る。ＧａＮやＡｌＮ等の成膜温度が一般的に約１０００
℃と高温であるため、この様な高温でも軟化または融解
せずに実用に耐える基板材料が望ましい。この点からす
れば、比較的低温で軟化を起こす非晶質ガラス材料より
も石英ガラスやＡｌＮ等の透光性セラミック材料が都合
が良い。石英ガラス材料は紫外線領域の短波長光に対し
ても優れた透過性を有するため特に都合が良い。

【００２０】本発明では、例えば石英ガラス基板等の非
晶質基板材料の成長層の堆積を実施する一主面、即ち表
面を窒素原子を少なくとも構成原子の一つとする分子を
含む気体からなるプラズマ雰囲気に曝し表面処理を行
う。このプラズマ処理により、非晶質基板の表面に窒素
原子を存在させることができる。基板表面の近傍に存在
することとなった窒素原子は、表面上にIII −Ｖ族窒化
物半導体層が成長する際に結晶の成長機構の面から見れ
ば窒素のサイト（ｓｉｔｅ）として働き、これにより単
結晶膜の成長を容易にする効果がある。

【００２１】本発明者らが鋭意検討した結果からは、窒
素原子を少なくとも構成原子の一つとする分子として窒
素ガスを使用し、８０Ｔｏｒｒの真空環境に於いて、周
波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波をもって窒素ガスを
励起し、石英ガラス基板の表面を１０分間処理すると、
例えば常圧のＭＯＣＶＤ法により成長温度６００℃で表
層部が単結晶化されたＧａＮ膜を得るのに充分なプラズ
マ表面処理となる。

【００２２】基板表面を処理するプラズマは窒素ガスか
ら生成させるに限らず、例えばアンモニア（ＮＨ₃ ）や
脂肪族、脂環式或いは芳香族アミン類や窒素原子を少な
くとも一つの環の構成要素として含むピロール（Ｐｙｒ
ｒｏｌｅ）等の複素（ヘテロ環式）や窒素を含む置換基
であるアミン基を含む化合物、アゾ基（−Ｎ＝Ｎ−）を
含む化合物等を利用して生成しても構わない。

【００２３】基板表面の処理方法としては、プラズマを
利用する方法以外に例えば窒素イオンを基板表面に注入
する方法もある。しかし、本発明者らが検討を重ねた結
果からは、プラズマ処理と同様の単結晶化についての効
果を得るには、窒素イオンについて約３００ＫｅＶを越
える加速エネルギーを必要とし、尚且つ１０¹⁴から１０
¹⁵ｃｍ^-2或いはそれを越える多大なドーズ（ｄｏｓｅ）
量を必要とする。ドーズ量が増大すると注入を終えるに
至る時間が増加するため簡便な表面処理方法とはなり得
なくなる。

【００２４】本発明のいう非晶質の基板上に成長させる
Ａｌ、Ｇａ若しくはＩｎの少なくとも一つのIII 族元素
と窒素とを含むIII −Ｖ族窒化物半導体の例にはＧａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩ
ｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等がある。

【００２５】また、Ｎに加える第Ｖ族元素としては、ヒ
素（元素記号：Ａｓ）やリン（元素記号：Ｐ）を含むII
I −Ｖ族窒化物半導体も本発明に該当する。これには、
ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＮＰ、ＩｎＮ
Ａｓ、ＩｎＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰ、Ｇａ
ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎ
ＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＰ、ＧａＮ
ＰＡｓ、ＡｌＮＰＡｓ、ＩｎＮＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ
ＰＡｓ等がある。

【００２６】本発明では、これらのIII −Ｖ族窒化物半
導体層の組合せからなるヘテロ接合積層構造を、上記の
プラズマ処理を施した非晶質で且つ短波長の光を透過す
る材料からなる基板の表面上に直接積層する。従来例と
は異なり基板上に直接、積層構造を堆積しても単結晶膜
を得ることができる。単結晶膜を得ることができるのは
基板表面に上記のプラズマ処理を施したことによる。こ
れより、従来の如く非晶質の石英ガラスやガラス上にＡ
ｌＧａＮまたはＩｎＮエピタキシャル膜を成長するに必
要であった煩雑な成長工程を省略出来る利点がある。

【００２７】非晶質基板上にIII −Ｖ族窒化物半導体層
を直接堆積する際の成長方法には、特に制限はない。従
来のＭＯＣＶＤ成長法やＶＰＥ成長法が利用できる。ま
た、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や化学ビームエ
ピタキシャル（ＣＢＥ）法等の成長方法もできる。ＭＢ
Ｅ法には使用する原料の形態に依ってガスソース（Ｇ
Ｓ）ＭＢＥや有機金属（ＭＯ）ＭＢＥ等の方式が有るが
いずれでも利用できる。III −Ｖ族窒化物半導体層を成
長させるに当たってのＧａ、ＡｌまたはＩｎ或いはＮ原
料についても制限はない。本発明は、非晶質の基板上に
設けるIII −Ｖ族窒化物半導体層の窒素の空格子欠陥の
低減による膜質の高品質化により発光強度の増大を果た
すことを目的とはしていないため、従来例の如く複数の
成長方法を必要とせず、よって半導体装置を作製するた
めの積層構造を得るに際し、工程の簡略化が達成され
る。

【００２８】ヘテロ接合は、前記したIII −Ｖ族窒化物
半導体の例の中から、構成元素を異にする層或いは構成
元素が同一であっても構成元素の組成を異にする層、即
ち構成元素や組成を異にする異種（ヘテロ）の半導体を
相互に接合させれば形成できる。例えばＧａＩｎＮとＧ
ａＩｎＮＰとのヘテロ接合は構成元素を異にする半導体
層からなるヘテロ接合の例である。組成比を表すｖとｗ
の値を異にするＩｎＮ_1-v Ａｓ_v とＩｎＮ_1-w Ａｓ_w と
の接合は組成比を異にするヘテロ接合の例である。

【００２９】ヘテロ接合を構成する層が２であれば接合
界面（ヘテロ接合界面）は一つである。これを単一（シ
ングル）ヘテロ接合と称す。３層よりヘテロ接合が構成
されていればヘテロ接合界面の数は２となり二重（ダブ
ル）ヘテロ接合と称される。ヘテロ接合界面の数が３で
あれば三重（トリプル）ヘテロ接合と称される場合もあ
るが、一般には多重ヘテロ接合と呼ばれる。積層構造に
これらのシングル、ダブルヘテロ接合や多重ヘテロ接合
を含ませれば、本発明のいうヘテロ接合を備えた積層構
造が形成される。

【００３０】本発明では、光透過性の非晶質基板の一主
面上に発光を反射させるための金属の被膜を設ける。金
属被膜を設けるのはIII −Ｖ族窒化物半導体層を堆積す
る一主面、即ち基板の表面ではなく、基板の裏面上に設
ける。この反射用被膜は金（元素記号：Ａｕ）やアルミ
ニウム（元素記号：Ａｌ）やクロム（元素記号：Ｃｒ）
などの金属を真空蒸着法により基板の裏面側に被着させ
れば形成できる。短波長領域の発光に対する反射率の高
さや廉価なＬＥＤを得るための経済性等を勘案するとＡ
ｌが最も適する。設ける金属被膜は単体からなる膜、例
えばＡｌのみからなる膜であっても良いし、例えばＡｌ
とチタン（元素記号：Ｔｉ）の各層を重ねた２層構造の
膜であっても構わない。単層或いは数層の金属被膜を設
ける場合、各層の膜厚に特に制限はないが、１から１０
ｎｍ程度と極端に薄いと光が透過する確率も高くなるた
め好ましくない。１００ｎｍから５０００ｎｍの膜厚が
実用上、適当である。例えば或る特定の波長の光の反射
率を高めるために設計された膜厚を有するＡｌ薄膜とＴ
ｉ薄膜とを多層に積層したいわゆる光干渉膜構造として
も構わない。基板材料の一主面に反射作用を与える金属
被膜を設ければ、従来例の如く反射鏡を別個にステム内
に設ける必要もなく、簡易な構成をもってＬＥＤの発光
を外部へ反射でき、よってＬＥＤからの発光強度の増大
がもたらされる。勿論、従来の様な発光の反射鏡を備え
たステムに本発明に係わる基板の裏面側に反射用金属被
膜を備えた素子をマウントしても発光強度の増加を果た
すという点では構わない。

【００３１】反射光の強度は反射面として機能する面積
が広い程増加する。本発明では、特に導電性を有するが
故に基板の裏面側に反射用の金属被膜を設ける場合に於
いて、基板の裏面側に溝を形成し基板の表面積を拡大し
反射面積の増大を果たす。

【００３２】溝は基板の裏面について公知のフォトリソ
グラフィー法によるパターニング技術を利用しエッチン
グ法等に依れば形成できる。例えば、非晶質の導電性ガ
ラス材料の裏面を、一旦通常のフォトレジスト材料で被
覆する。然る後、露光しフォトレジスト材料を感光させ
所望するの溝の形状にパターニングする。溝の部分に相
当するフォトレジスト材料をレジスト剥離液等で除去
し、基板材料の面を露呈させる。露呈させた領域に限
り、エッチングを施し基板材料の一部を除去する。最終
的に残存するフォトレジスト材料を剥離すれば、溝が形
成された基板材料を得ることができる。溝は旋盤等の工
作機械を利用して機械的な切削によっても形成できる。

【００３３】表面積をより拡大するには、溝を格子状に
形成すると良い。溝の断面の形状は限定がないが、断面
を半円状とし、そこに金属反射被膜を設けるとほぼ全方
位に発光を反射できる。また、基板の裏面に格子状の溝
を形成すべく基板材料をエッチングし、除去するに際
し、三角形状の断面を与えるエッチング薬剤或いはエッ
チング条件を選択すると結果として三角錐状に搾孔され
表面積の拡大をもたらす。基板に設ける溝の数量につい
ては特段の制限はない。但し、ＬＥＤの一般的なチップ
は一辺が３００μｍから４５０μｍの方形であることか
ら、このチップの形状内に少なくとも数本の溝が配置さ
れるのが好ましい。

【００３４】上記の様な溝を形成した後、発光を反射す
る機能を持つ反射膜とする金属被膜を形成すれば良い。
金属被膜の形成方法としては真空蒸着法や塗布法が利用
できる。塗布法では、例えば所望する金属粉或いは化合
物等を含む液状の物質を溝を形成した基板の面に塗布
し、然る後、加熱して固化させれば金属の被膜が形成で
きる。また、塗布法では液状の物質を利用するため溝等
の段差を埋めるのに都合が良く、結果として平坦な表面
の金属被膜が得られ易い利点がある。真空蒸着法やスパ
ッタリング法等の物理的な堆積法では、数十μｍを越え
る膜厚の被膜を得るのが容易でない場合がある。この様
な場合は、溝の側面なり壁面を全体的に覆う程度に一旦
被膜しておき、その被膜の上に然る後に鍍金（メッキ）
法等により被膜の膜厚を増加させ、溝を埋め尽くす手段
もある。但し、溝を金属被膜を構成する材料で完璧に埋
め、敢えて基板裏面を平坦化する絶対的な必要性はな
く、溝の形状を故意に残存させても構わない。基板裏面
側に金属被膜を構成する材料により不完全に埋め尽くさ
れた凹凸上の段差を残した溝が存在すると、ステム材料
へ素子を固定するための接着固定剤の素子に対する接触
面積の増加を招き頑固な固定を達成できるからである。

【００３５】基板に設ける溝の深さは、溝を深くするに
伴い基板の表面積は拡大される傾向にあるため、溝を深
くするほど発光の反射強度の増大を招くが、同時に基板
が薄層化するため、基板の機械的強度が損なわれる。従
って、基板に設ける溝の深さは基板の厚さに対して最深
でも８０％程度に止めておくのが好ましい。例えば厚さ
が３００μｍの基板については、溝の深さは最大でも２
４０μｍに止めておくのが良い。

【００３６】

【作用】非晶質基板表面の窒素原子を含む気体からなる
プラズマ処理は、同表面上への単結晶III −Ｖ族窒化物
半導体層の容易な形成をもたらし、従来の非晶質基板上
へエピタキシャル膜成長工程の煩雑さを回避する。基板
裏面に形成された金属被膜は、発光の外部への反射を増
大させる。基板裏面に設ける溝は発光を反射する金属被
膜の表面積を拡張し、反射強度を更に増加させる。

【００３７】

【実施例】

（実施例１）本発明に係わる半導体装置用途の積層構造
をＭＯＣＶＤ法により得る実施例を基に本発明を詳細に
説明する。図３は本実施例に係わる積層構造の断面模式
図である。基板（１０１）には絶縁性の非晶質ＡｌＮを
用いた。このＡｌＮは透光性を有していた。基板（１０
１）の厚さは約３００μｍであった。

【００３８】基板（１０１）を市販のドライエッチング
装置の真空チャンバー内に載置した後、チャンバー内を
真空度が約２×１０^-5１００Ｔｏｒｒに到達する迄排気
した。到達真空度がほぼ安定した時点でチャンバー内に
純度５Ｎの窒素ガスを導入し、チャンバー内の圧力を約
１００Ｔｏｒｒにした。然る後に、チャンバー内の平行
平面電極に周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス
を印加し、窒素プラズマを発生させた。上記の基板（１
０１）は平行に配置された平行平面電極の接地されてい
る側の電極上に載置した。平行平面電極間に生成された
窒素プラズマにより基板（１０１）の表面に窒素プラズ
マによる処理を施した。

【００３９】窒素プラズマにより表面を処理したＡｌＮ
基板（１０１）上に、直接ｎ形のＡｌＮ_0.05Ｐ_0.95層を
下部クラッド層（１０３）として堆積した。膜厚は約
０．１μｍであった。キャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ
^-3とした。この層（１０３）はトリメチルガリウム
（（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ）／トリメチルアルミニウム（（Ｃ
Ｈ₃）₃ Ａｌ）／ホスフィン（ＰＨ₃ ）／水素（Ｈ₂ ）
反応系による常圧ＭＯＣＶＤ法により、温度７５０℃で
成長させた。次にＰＨ₃ の体積濃度を１０％となる様に
高純度水素で希釈されたＰＨ₃ とＨ₂ との混合ガスと
（ＣＨ₃ ）₃ ＧａとのＭＯＣＶＤ反応系への供給を停止
し、替わりにシクロペンタジエニルインジウム（Ｃ₅ Ｈ
₅ Ｉｎ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）を反応系に供給し、ｐ
形のＧａ_0.4 Ｉｎ_0.6 Ｎ層を発光層（１０４）として堆
積した。温度７０℃に保持したＣ₅ Ｈ₅ ＩｎとＮＨ₃ の
反応系内への添加流量は１７０ｃｃ／分と１ｌｃｃ／分
に各々設定した。膜厚は約０．１μｍとした。キャリア
濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００４０】これにより、窒素プラズマにより表面処理
された非晶質なＡｌＮからなる基板（１０１）の表面
に、従来の如く金属被膜を介さずに直接堆積されたＡｌ
Ｎ_0.05P_0.95からなる下部クラッド層（１０３）とＧａ
_0.4 Ｉｎ_0.6 Ｎからなる発光層（１０４）とのヘテロ接
合を形成した。窒素プラズマにより処理された基板（１
０１）表面の上に堆積した成長層（（１０３）及び（１
０４））は、通常のＸ線回折法による回折パターンか
ら、いずれも単結晶化された膜であることが判った。

【００４１】次に、発光層（１０４）上にｐ形のＧａＮ
_0.98Ａｓ_0.02からなる上部クラッド層（１０５）を積層
した。膜厚は０．３μｍとし、キャリア濃度は約２×１
０¹⁸ｃｍ^-3とした。Ａｓ源としては水素希釈されたアル
シン（体積濃度１０％）−高純度水素（体積濃度９０
％）の混合ガスを使用した。Ｇａ源とした（ＣＨ₃ ）₃
Ｇａ）は恒温槽により温度０℃に保持し毎分３０ｃｃの
流量をもって反応系に供給した。アルシン（ＡｓＨ₃ ）
は３５ｃｃ／分の流量とした。

【００４２】以上の構成により、ＡｌＮ_0.05Ｐ_0.95層
（１０３）とＧａ_0.4 Ｉｎ_0.6 Ｎ層（１０４）とのヘテ
ロ接合とＧａ_0.4 Ｉｎ_0.6 Ｎ層（１０４）とＧａＮ_0.98
Ａｓ_0. ₀₂（１０５）とのヘテロ接合とからなるダブルヘ
テロ接合を備えたＬＥＤ用途の積層構造を非晶質ＡｌＮ
基板（１０１）上に直接、堆積することにより構成し
た。このダブルヘテロ接合積層構造を使用して短波長Ｌ
ＥＤを作成した。このＬＥＤは青緑色を帯びた青色の発
光が観測され、その中心の発光波長は約４７２０オング
ストローム（Å）であった。発光強度についての従来例
との比較では、本実施例に係わるＬＥＤは、従来のＬＥ
Ｄと遜色ない強度を与えるのが認められた。ここで、従
来のＬＥＤとはカドミウム（Ｃｄ）や亜鉛（Ｚｎ）等の
不純物を添加した、Ｉｎの組成比率が０．２程度のＧａ
ＩｎＮを発光層とする深緑色の発光をもたらすＬＥＤを
指す。一方、発光スペクトルの半値幅は約３４０オング
ストローム（Å）であり、これに関しては上記の従来の
ＬＥＤに比較すれば約１／２（従来のＬＥＤに於ける発
光スペクトルの半値幅は約７００オングストロームであ
る。）と格別に顕著な改善が達成されるものとなった。
半値幅が縮小した一因として、本発明では表面を窒素プ
ラズマ処理した基板を使用することにより、その上に堆
積するヘテロ接合層内の窒素の空孔（ｖａｃａｎｃｙ）
濃度の減少がもたらされたものと判断された。

【００４３】（実施例２）ナトリウム、カリウム、リチ
ウム等のアルカリ金属類の総含有量が５重量ｐｐｍ以下
の非晶質石英ガラスを基板（１０１）として使用した。
図４に本実施例に係わるＬＥＤの構造の平面模式図を、
図５に図４の破線Ａ−Ａ’に沿う断面模式図を示す。石
英ガラス基板（１０１）の表面を実施例１に記載の方法
に則り、窒素プラズマによる表面処理を施した。プラズ
マ処理時の真空度等の条件は実施例１とほぼ同一とした
が、プラズマ生成時のパワーは２１０Ｗと増大させた。
実施例１で基板として使用した非晶質のＡｌＮは、そも
そも窒素原子を構成元素として含んでいるが、石英ガラ
スは二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）を主成分とし窒素原子を構
成元素として含有しないため、石英ガラス基板の表面に
効率良く窒素のサイトを形成するためにプラズマパワー
を増大させた。

【００４４】プラズマ処理を施した石英ガラス基板（１
０１）の表面に、直接上記の常圧ＭＯＣＶＤ法によりｎ
形のＧａＮ層を下部クラッド層（１０３）として堆積し
た。膜厚は約０．１μｍとした。キャリア濃度は約１×
１０¹⁸ｃｍ^-3とした。次に、ｐ形のＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ
層を発光層（１０４）として堆積した。発光層（１０
４）の膜厚は０．２５μｍとし、キャリア濃度は１×１
０¹⁷ｃｍ^-3とした。発光層（１０４）上にはｐ形のＧａ
Ｎを上部クラッド層（１０５）として形成した。膜厚は
０．０５μｍとし、キャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3と
した。これらの非晶質基板上に直接堆積された結晶層
（（１０３）〜（１０５））によりダブルヘテロ接合を
備えた積層構造を構成した。反射電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）による極く表面近傍に於ける結晶形態に関する分析
では、窒素プラズマ処理を施した石英ガラス基板（１０
１）の表面に堆積させた第一層であるＧａＮ下部クラッ
ド層（１０３）の表層部は結晶化していた。

【００４５】積層構造の最表層にあたる上部クラッド層
（１０５）に公知のフォトリソグラフィー技術を利用し
てＡｌからなる陽極電極（１０７）を形成した。対向す
る陰極電極（１０８）は上部クラッド層（１０５）及び
発光層（１０４）の周辺部分をメサエッチングして露呈
させた下部クラッド層（１０３）上に形成した。

【００４６】非晶質な石英基板（１０１）の裏面側に
は、発光層（１０４）からの発光を反射するためのＡｌ
からなる金属被膜（１０９）を真空蒸着により被着させ
た。金属被膜（１０９）の膜厚は約０．５μｍとした。
本実施例では、発光の反射用の金属被膜と電極を構成す
る材料を同一としたが、別段この様な材料構成に限るこ
とはなく、電極と反射用の金属被膜とを構成する材料を
異にしても差し支えはない。

【００４７】以上の構成により、プラズマ処理された非
晶質基板の表面上に直接堆積されたダブルヘテロ接合を
備えたIII −Ｖ族窒化物半導体層からなる積層構造を有
し、且つ非晶質基板の裏面側に発光を反射する目的で設
けられた金属被膜とを有する半導体装置（ＬＥＤ）を構
成した。発光は紫色がかった青色であって、その中心波
長は約３８５０オングストローム（Å）であった。この
発光は上記の正及び負電極に数ボルト（Ｖ）の直流電圧
を印加することにより観測され、順方向電流を２０ｍＡ
とした時の非モールド品チップの発光強度は約６２ミリ
カンデラ（ｍｃｄ）に達した。得られた発光強度は、同
様のダブルヘテロ積層構造から構成された金属被膜を具
備しないＬＥＤの約２．２倍の大きさであることから、
非晶質の基板材料の裏面側に金属被膜によって、発光強
度の増大をもたらすことが如実に示された。この結果は
光学的に透明な単結晶材料に比較すれば廉価な非晶質透
明材料であっても、発光を反射する金属被膜を設けるこ
とによって強度が増大した発光を得ることができること
を示している。

【００４８】（実施例３）非晶質の溶融石英ガラスを基
板（１０１）として、実施例２と同様の積層構造を実施
例２の窒素プラズマ処理を施した基板表面に直接設け
た。図６に本実施例に係わるＬＥＤの断面模式図を示
す。積層構造を構成する各層は常圧のＭＯＣＶＤ法によ
り、成長温度を７００℃として形成した。使用した基板
（１０１）は直径が５０ｍｍの円形であり、厚みは１５
０μｍであった。

【００４９】積層構造を得る前に、基板（１０１）の裏
面には開口幅が３０μｍの直線状の溝（１１０）を６０
μｍの間隔で周期的に設けた。即ち、溝の中心間の距離
を６０μｍとした。溝の開口幅や溝の中心間の間隔は適
宣、設定すれば良いが、本実施例では溝（１１０）と一
辺が３６０μｍの正方形のチップを得るためのダイシン
グ用の切削溝とを共用するためこの値とした。このチッ
プサイズはあくまでも一例である。溝（１１０）の断面
形状は半円形とし、溝（１１０）の深さは２０μｍとし
た。この溝（１１０）の深さは基板（１０１）の厚さに
対して１３％強の比率となった。これらの溝（１１０）
は旋盤を使用した切削加工により形成した。

【００５０】裏面に溝（１１０）を周期的に形成した非
晶質石英基板（１０１）の上には、実施例２と同様の積
層構造を直接堆積した。電極（（１０７）及び（１０
８））も上記実施例２に記載と同様にＡｌにより形成し
た。

【００５１】積層構造及び電極（（１０７）及び（１０
８））を形成した後、基板（１０１）の裏面に全面にＡ
ｌを真空蒸着し、発光反射用のＡｌからなる金属被膜
（１０９）を形成した。真空蒸着した金属被膜（１０
９）の厚さは約７μｍとした。本実施例では、反射用の
金属被膜は非晶質基板（１０１）上に直接積層構造を形
成するプロセスを経た後設けた。これは、上記した様に
積層構造を構成する各層を、金属被膜（１０９）材料の
Ａｌの融点である６６０℃を上回る温度で成長させてい
るため、予め非晶質基板（１０１）の裏面にこの様な比
較的低い融点の金属を被着させておくと成長中に金属被
膜が溶解し、溝（１１０）の壁面から離脱し反射作用を
示す表面積の低下、即ち反射効率の低下を生ずるからで
ある。

【００５２】この様にして得られた基板に反射用の金属
被膜を備えたＬＥＤは、従来例のＬＥＤに比較し、発光
強度が増加するのが認められた。更に、特に実施例３に
記載の表面積を増大させた面に発光反射用の金属被膜を
設けることにより、単に、反射用金属を基板に付着させ
た場合よりも更なる反射強度の増大が達成された。具体
例を示せば、実施例２及び３で得られたＬＥＤの発光の
中心波長には然したる相違はないものの、前記の実施例
２の場合に比較すれば発光強度は更にその１．３倍の約
８０ミリカンデラ（ｍｃｄ）に到達した。

【００５３】

【発明の効果】窒素を含有する気体によるプラズマ表面
処理は非晶質基板上に直接、堆積された成長層の単結晶
化を促す効果がある。また、基板の裏面側に金属被膜を
設けることによってＬＥＤの素子としての発光強度を増
大させる効果がある。反射用の金属被膜を設ける基板裏
面の表面積を増大させれば尚更、発光の外部への反射強
度をより増大される効果が発揮される。

【００５４】尚、本実施例では本発明に係わる半導体装
置の一例としてＬＥＤについて説明したが、本発明の効
果、特に非晶質材料基板の表面にプラズマ処理を施すこ
とにより単結晶化が促進される効果は他の半導体装置、
例えばＧａＮ／ＡｌＧａＮ等のヘテロ接合を備えてなる
ホール素子、電界効果型トランジスタ等のいわゆる電子
デバイス用途の積層構造を得るにも効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の青色ＬＥＤチップの例を示す断面模式図
である。

【図２】反射鏡を備えた台座に固定されてなるＬＥＤの
断面模式図である。

【図３】本発明の実施例１に係わるＬＥＤ用途の積層構
造例の断面模式図である。

【図４】本発明の実施例２に係わるＬＥＤの平面模式図
である。

【図５】図４に示した破線Ａ−Ａ’に沿った断面模式図
である。

【図６】本発明の実施例３に係わるＬＥＤの断面模式図
である。

【符号の説明】

（１０１）基板（１０２）緩衝層（１０３）下部クラッド層（１０４）発光層（１０５）上部クラッド層（１０６）コンタクト層（１０７）陽極電極（１０８）陰極電極（１０９）金属被膜（１１０）溝（１１１）反射鏡（１１２）チップ（１１３）ステム（１１４）外囲樹脂（１１５）結線（２０１）サファイア基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者粟飯原範行埼玉県秩父市大字下影森1505番地昭和電工株式会社秩父研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ、Ｇａ若しくはＩｎのうち少なくと
も１種の第 III族元素と、少なくとも窒素を含む第Ｖ族
元素とからなる III−Ｖ族窒化物半導体ヘテロ接合を、
非晶質材料基板の表面上に直接堆積した積層構造から構
成されてなる発光素子用の半導体装置。
【請求項２】 III −Ｖ族窒化物半導体ヘテロ接合を堆
積した基板の表面とは反対側の、基板の裏面上に金属被
膜が形成されてなる請求項１に記載の発光素子用の半導
体装置。
【請求項３】非晶質材料基板の裏面に複数の溝を設
け、さらにその上に金属被膜を設けた請求項２に記載の
発光素子用の半導体装置。
【請求項４】非晶質材料基板を窒素原子を含むプラズ
マ雰囲気中に曝した後、該基板表面にＡｌ、Ｇａ若しく
はＩｎのうち少なくとも１種の第 III族元素と、少なく
とも窒素を含む第Ｖ族元素とからなる III−Ｖ族窒化物
半導体ヘテロ接合を堆積させることを特徴とする発光素
子用半導体装置の製造方法。