JP2010098285A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の表面処理方法、ｉｉｉ族窒化物半導体及びその製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法、ＩＩＩ族窒化物半導体及びその製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体構造物に関する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法が開示される。本ＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、第１表面と反対に位置し、窒素極性を有する第２表面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体を備える段階と、窒素極性を有する第２表面がＩＩＩ族元素極性に変換されるように第２表面にレーザーを照射する段階とを含む。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法、ＩＩＩ族窒化物半導体及びその製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体構造物に関するもので、対向する両表面が同一の極性を有するようにするＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法、ＩＩＩ族窒化物半導体及びその製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体構造物に関する。

一般的に、ＩＩＩ族窒化物半導体から成る発光素子は、青色または緑色波長帯の光を得るために使用される発光素子で、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する半導体物質から成る。

ＩＩＩ族窒化物半導体は、サファイア（α−Ａｌ２０３）基板またはＳｉＣ基板のような異種基板上に成長されることができ、特に、サファイア基板は窒化ガリウムと同一の六方晶系構造を有し、ＳｉＣ基板に比べて低コストで、高温で安定するためＩＩＩ族窒化物半導体の成長基板として主に使用される。

一方、サファイア基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物半導体は、Ｗｕｒｔｚｉｔｅ結晶構造を有するもので、非中心対称形態（ｎｏｎ−ｃｅｎｔｒｏｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）の結晶構造を有する。従って、ＩＩＩ族窒化物半導体、例えば、ガリウム窒化物半導体である場合、その一表面はガリウム極性（Ｇａ ｐｏｌａｒｉｔｙ）を有し（以下、‘ガリウム極性面'という）、他の表面は窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）を有する（以下、‘窒素極性面'という）。このようにガリウム窒化物半導体の両表面は極性（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の差によりエッチングの速度、表面再結合（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）の形態、欠陥及び表面転位等のような物性の差が発生するようになる。このような物性の差によってガリウム極性面と窒素極性面の表面特性において差が発生する。

具体的に、ガリウム窒化物半導体のガリウム極性面は、窒素極性面に比べて表面の平坦度に優れ、不純物として作用する物質の結合度が低くて窒素極性面に比べてその結晶性が良い。これにより、ガリウム窒化物半導体を再成長させる場合、ガリウム極性面上に成長された再成長層は平坦な表面を有するようになる。反面、窒素極性面上に成長された再成長層は、その表面にヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）、コラム（ｃｏｌｕｍｎ）及びピラミッド形態のグレイン（ｇｒａｉｎ）等のような欠陥が発生して表面特性が低下する。

一方、ガリウム窒化物半導体の両表面の極性の差により自発分極が発生してガリウム極性面と窒素極性面の表面バンドベンディング（ｓｕｒｆａｃｅ ｂａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ）特性が異なって表われる。

また、ガリウム窒化物半導体のガリウム極性面は、オーミック接続抵抗が低くて定電圧もまた低く表われ、窒素極性面に比べて優れた電気的特性を有する。その上、ガリウム窒化物半導体の両表面は極性の差によりエッチング溶液（例えば、‘ＫＯＨ’）に対する反応速度に差がある。具体的に、ガリウム極性面はエッチング溶液との反応が殆ど起きない反面、窒素極性面はエッチング溶液との反応が活発でエッチングされる程度が大きい。

上述したように、ＩＩＩ族窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素極性を有する面は表面平坦度、不純物との結合度、再成長特性、電気的特性及びエッチング特性の側面で窒素極性を有する面より優れた特性を有する。従って、対向する両表面が全てＩＩＩ族元素極性を有するＩＩＩ族窒化物半導体の開発が求められる。

本発明は上述した問題点を解決するためのもので、本発明の目的は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と反対に位置する窒素極性を有する第２表面に、レーザーを照射することによって第１表面と同一の極性に変換されるようにする、ＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法、ＩＩＩ族窒化物半導体及びその製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体構造物を提供することである。

以上のような目的を達成するための本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、上記第１表面と反対に位置し、窒素極性を有する第２表面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体を備える段階及び、上記窒素極性を有する第２表面がＩＩＩ族元素極性に変換されるように上記第２表面にレーザーを照射する段階を含む。

また、上記ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面にレーザーを照射する段階の前に、上記第２表面に沿って窒素空隙による欠陥を有する結晶損傷層を形成する段階をさらに含むことができる。この場合、上記結晶損傷層を形成する段階は、上記第２表面にプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用する段階となることができる。

また、上記結晶損傷層は、非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつを含むことが好ましい。この場合、上記結晶損傷層は５〜２０００ｎｍの厚さを有することができる。

本発明において、上記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることができる。

または、上記ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体であり、上記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることができる。

一方、本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、窒化物単結晶成長用基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる段階と―上記ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、上記第１表面と反対に位置し、上記基板と接しながら窒素極性を有する第２表面とを有する―、上記窒化物単結晶成長用基板から上記ＩＩＩ族窒化物半導体を分離させる段階と、上記窒素極性を有する第２表面がＩＩＩ族元素極性に変換されるように上記第２表面にレーザーを照射する段階と、を含む。

また、上記ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面にレーザーを照射する段階の前に、上記第２表面に沿って窒素空隙による欠陥を有する結晶損傷層を形成する段階をさらに含むことができる。この場合、上記結晶損傷層を形成する段階は上記第２表面にプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用する段階であることができる。

また、上記結晶損傷層は、非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつを含むことができ、上記結晶損傷層は５〜２０００ｎｍの厚さを有することができる。

そして、上記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることができる。または、上記ＩＩＩ窒化物半導体を備える段階はＧａＮ半導体であり、上記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることができる。

本製造方法は、上記ＩＩＩ族元素極性に変換された第２表面上にさらなる窒化物半導体層を成長させる段階をさらに含むことができる。

そして、上記窒化物単結晶成長用基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２から構成されたグループから選ばれた物質から成ることが好ましい。

一方、本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、上記第１表面と反対に位置した第２表面とを有し、上記ＩＩＩ族窒化物半導体のうち上記第２表面に沿って位置した領域に該当し、上記ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域と連続的に形成されるが、上記第２表面の極性が上記第１表面の極性と同一のＩＩＩ族元素極性を有するように、上記残りの他の領域の結晶配列が反転された極性反転層を有することができる。この場合、上記極性反転層は５〜２０００ｎｍの厚さを有することができる。

また、上記極性反転層に該当する領域と、上記残りの他の領域は同一の組成を有することができる。

そして、上記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることができる。また、上記ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体で、上記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることが好ましい。

一方、本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体構造物は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、上記第１表面と反対に位置した第２表面とを有する第１ＩＩＩ族窒化物半導体、及び上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面上に形成された第２ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体は、上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体のうち上記第２表面に沿って位置した領域に該当し、上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域と連続的に形成されるが、上記第２表面の極性が上記第１表面の極性と同一のＩＩＩ族元素極性となるように上記残りの他の領域の結晶配列が反転された極性反転層を有することができる。この場合、上記極性反転層は５〜２０００ｎｍの厚さを有することができる。

本ＩＩＩ族窒化物半導体構造物において、上記極性反転層に該当する領域と上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域は同一の組成を有することが好ましい。

そして、上記第２ＩＩＩ族窒化物半導体は、上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体と異なる組成を有するかまたは異なる導電型を有することができる。

また、上記第２ＩＩＩ族窒化物半導体は活性層を含む複数のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、上記ＩＩＩ族窒化物半導体構造物は半導体発光素子であることができる。上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることができる。

または、上記第１ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体で、上記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることができる。

本発明によると、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と反対に位置する窒素極性を有する第２表面にレーザーを照射することによって、第１表面と同一の極性を有するように変換させ、対向する両面が同一のＩＩＩ族元素極性を有するＩＩＩ族窒化物半導体を具現することができるようになる。このような方法を利用して、ＩＩＩ族窒化物半導体構造物を製造することもできる。

ＩＩＩ族窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素極性を有するように表面処理された第２表面を利用して発光素子のような半導体構造物を製造する場合、結晶性を向上させることができ、発光素子の発光効率を向上させることができるようになる。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体においてＩＩＩ族元素極性を有するように表面処理された第２表面を利用して再成長する場合、表面平坦度に優れた再成長層を形成することができるようになる。

その上、ＩＩＩ族窒化物半導体のＩＩＩ族元素極性を有するように表面処理された第２表面に電極を形成する場合、接続面におけるオーミック接続抵抗が減少し電気的特性が向上することができるようになる。

本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体構造物を表す図面である。 図２ａ乃至図２ｅにおいて提供される方法で製造されたＩＩＩ族窒化物半導体を撮影した写真である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の一表面がエッチングされた形態を撮影した写真である。 本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を表す図面である。 図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流−電圧特性を図示したグラフである。

以下では添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

図１ａ乃至図１ｄは、本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法を説明するための図面である。先ず、図１ａに図示されたように、ＩＩＩ族窒化物半導体１０を備える。この場合、ＩＩＩ族窒化物半導体１０はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体組成を有する単結晶層基板であることができる。または、ＩＩＩ族窒化物半導体１０はＧａＮ半導体組成を有する単結晶基板であることもできる。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体１０は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面１１と、第１表面と反対に位置して窒素極性を有する第２表面１２とを有する。具体的に、ＩＩＩ族窒化物半導体１０においてＩＩＩ族元素と窒素元素はＷｕｒｔｚｉｔｅ結晶構造を有するもので、第１表面１１にはＩＩＩ族元素が配列され、第２表面１２には窒素元素が配列された構造を有する。すなわち、第１表面１１と第２表面１２に配列された元素によってその表面の極性が決まる。

以下では、窒素極性を有する第２表面１２がＩＩＩ族元素極性に変換される表面処理過程を具体的に説明する。

図１ｂを参照すると、第２表面１２上に窒素空隙による欠陥を有する結晶損傷層１３を形成する。この場合、結晶損傷層１３は非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつとなることができ、第２表面１２をプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用して形成することができる。

上記のように、第２表面１２をプラズマ処理またはイオンビーム照射する場合、第２表面１２から一部の厚さ層に存在する窒素空隙が発生し、ＩＩＩ族元素と窒素元素が不規則に配列される結晶損傷層１３が形成される。この場合、結晶損傷層１３は第２表面１２から５〜２０００ｎｍの厚さで形成されることができる。

この後、図１ｃに図示されたように、第２表面１２がＩＩＩ族元素極性に変換されるようにレーザーを照射する。具体的に、第２表面１２から一部の厚さまで形成されている結晶損傷層１３上にレーザーを照射し、結晶損傷層１３に不規則に配列されたＩＩＩ族元素と窒素元素を再結晶化させる。これにより、結晶損傷層１３内のＩＩＩ族元素と窒素元素の結晶配列が変更され、第２表面１２に窒素元素ではない、ＩＩＩ族元素が配列された構造を有するようになる。すなわち、第２表面１２がＩＩＩ族元素極性を有する形態に変換される。これは、表面上に窒素元素よりＩＩＩ族元素が配列されるのが安定的であるために表われるもので、第２表面１２はＩＩＩ族元素と窒素元素の再結晶化過程中に相対的に安定した結晶構造を有するＩＩＩ族元素極性を有するようになる。

上記のような方法を通して、図１ｄに図示されたように、ＩＩＩ族窒化物半導体１０'を製造することができるようになる。具体的に、図１ｄに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１０'は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面１１と、第１表面１１と反対となる位置にＩＩＩ族元素極性を有する第２表面１２を含む。また、ＩＩＩ族窒化物半導体１０'は極性反転層１３'を含む。

極性反転層１３'はＩＩＩ族窒化物半導体１０'のうち第２表面１２に沿って位置した領域に該当するもので、ＩＩＩ族窒化物半導体１０'と別個に形成される層ではなく、ＩＩＩ族窒化物半導体１０'の残りの他の領域と連続的に形成されたものである。

上述したように、図１ｄに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１０'は、極性反転層１３'により反対に位置する第１表面１１と第２表面とが互いに同一のＩＩＩ族元素極性を有する構造を有するようになる。

図２ａ乃至図２ｅは本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を説明するための図面である。図２ａを参照すると、窒化物単結晶成長用基板２００上に矢印方向にＩＩＩ族窒化物半導体１００を成長させる。この場合、窒化物単結晶成長用基板２００はサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２で構成されたグループから選ばれた物質から成るものであることができる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体１００の成長は、基板２００上にＭＯＣＤＶ方法、ＨＶＰＥ方法及びＭＢＥ方法のうちいずれかひとつの方法を利用することができる。

図２ａにおいて成長されるＩＩＩ族窒化物半導体１００は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体組成を有することができる。従って、ＩＩＩ族窒化物半導体１００はアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）のうち少なくともひとつ以上のＩＩＩ族元素と窒素元素が一定の配列で結合された結晶構造を有する。また、ＩＩＩ族窒化物半導体１００はガリウム元素と窒素元素を含むＧａＮ半導体組成を有することもできる。

一方、図２ａでのように成長されたＩＩＩ族窒化物半導体１００は第１表面１１０と、窒化物単結晶成長用基板２００に接して、且つ第１表面１１０の反対に位置する第２表面１２０とを含む。この場合、第１表面１１０はＩＩＩ族元素が配列されたものでＩＩＩ族元素極性を有し、第２表面１２０は窒素元素が配列されたもので窒素極性を有する。

より具体的に、ＩＩＩ族窒化物半導体１００の第１表面１１０及び第２表面１２０の結晶構造を参照すると、ＩＩＩ族元素であるガリウム元素と窒素元素が周期的に配列された構造を有する。この場合、ＩＩＩ族窒化物半導体１００のうち第１表面１１０はガリウム元素が配列されたガリウム極性を有し、窒化物単結晶成長基板２００と接する第２表面１２０は窒素元素が配列された窒素極性を有する。

この後、ＩＩＩ族窒化物半導体１００の成長が完了すると、図２ｂに図示されたように、窒化物単結晶成長用基板２００にレーザーを照射して窒化物単結晶成長用基板２００からＩＩＩ族窒化物半導体１００を分離させる。これにより、窒化物単結晶成長用基板２００が接合されていたＩＩＩ族窒化物半導体１００の第２表面１２０が露出される。

次に、図２ｃ及び図２ｄに図示されたように、ＩＩＩ族窒化物半導体１００の第２表面１２０の極性を変換させる。図２ｃ及び図２ｄは、説明の便宜をはかるために図２ｂに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１００の第２表面１２０が上部を向くように回転させて図示したものである。

図２ｃに図示されたように、ＩＩＩ族窒化物半導体１００の第２表面１２０に結晶損傷層１３０を形成する。この場合、結晶損傷層１３０は窒素空隙による欠陥を含む層で、ＩＩＩ族元素と窒素元素が不規則に配列された結晶構造を有する。すなわち、結晶損傷層１３０は非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつとなることができる。

結晶損傷層１３０は、第２表面１２０にプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用する方法を通して形成されることができ、プラズマ処理またはイオンビーム照射による時間及び条件等を調節して５〜２０００ｎｍの厚さを有するように形成されることができる。

次に、図２ｄに図示されたように、結晶損傷層１３０にレーザーを照射して窒素極性を有する第２表面１２０がＩＩＩ族元素極性に変換されるようにする。具体的に、レーザーの照射を通して結晶損傷層１３０に不規則に配列されたＩＩＩ族元素と窒素元素を再結晶化させる。これにより、結晶損傷層１３０内のＩＩＩ族元素と窒素元素が再配列され、第２表面１２０にＩＩＩ族元素が配列された構造を有するようになる。すなわち、第２表面１２０がＩＩＩ族元素極性を有する形態に変換される。

図２ｄにおいて、結晶損傷層１３０内のＩＩＩ族元素と窒素元素を再配列させるために使用されるレーザーは、１９３ｎｍエキシマレーザー、２４８ｎｍエキシマレーザー及び３０８ｎｍエキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒイオンレーザー等であることができる。

一方、結晶損傷層１３０内のＩＩＩ族元素と窒素元素を再配列させるためにレーザーを照射する以外に、結晶損傷層１３０に一定の熱を加えてＩＩＩ族元素と窒素元素を再配列させることができるイオンビームやアニーリング等のような方法を利用することもできる。

図２ａ乃至図２ｄに図示された方法を通して図２ｅに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１００'を製造することができるようになる。具体的に、図２ｅに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１００'はＩＩＩ族元素極性を有する第１表面１１０、第１表面１１０と反対の位置にＩＩＩ族元素極性を有する第２表面１２０、及び第２表面１２０から一部の厚さまで形成された極性反転層１３０'を含む。

図２ｅにおいて極性反転層１３０'は、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'のうち第２表面１２０に沿って位置した領域に該当するものである。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'と別個に形成される層ではなく、図２ａに図示されたようにＩＩＩ族窒化物半導体１００'の単一成長工程を通して連続的に形成された層で、残りの他の領域と連続的に形成される。この場合、残りの他の領域とは、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'に含まれた極性反転層１３０'において第２表面１２０の反対となる領域、すなわち、第１表面１１０から極性反転層１３０'の境界領域であることができる。

また、極性反転層１３０'は、第２表面１２０の極性が第１表面１１０の極性と同一のＩＩＩ族元素極性を有するように、残りの他の領域の結晶配列が反転された層であることができる。すなわち、極性反転層１３０'は図２ｃ及び図２ｄに図示された結晶損傷層１３０に含まれるＩＩＩ族元素と窒素元素の結晶配列が反転される形態で再結晶化された層である。このような極性反転層１３０'は５〜２０００ｎｍの厚さを有することができる。

一方、図２ｅに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１００'の第２表面１２０を成長面としてＩＩＩ族窒化物半導体１００'を再成長させることによって結晶性及び表面平坦度に優れたＩＩＩ族窒化物半導体構造物を形成することができる。これに対して次で具体的に説明する。

図３は、本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体構造物を表す図面である。図３を参照すると、ＩＩＩ族窒化物半導体構造物５００は第１ＩＩＩ族窒化物半導体１００'及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１を含む。

第１ＩＩＩ族窒化物半導体１００'は図２ｅに図示されたＩＩＩ族窒化物半導体１００'と同一のもので、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面１１０、第１表面１１０と反対に位置した第２表面１２０を含む。そして、第２表面１２０に沿って位置した領域に該当し、第２表面１２０の極性が第１表面１１０の極性と同一のＩＩＩ族元素極性になるように残りの他の領域の結晶配列が反転された極性反転層１３０'を含む。

第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体１００'の第２表面１２０上に形成される。この場合、第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１はＭＯＣＤＶ方法、ＨＶＰＥ方法及びＭＢＥ方法のうちいずれかひとつの方法を利用して形成されることができる。そして、第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体１００'と同一の半導体組成で形成されることができ、異なる半導体組成で形成されることもできる。

このように、第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１はＩＩＩ族元素極性を有する第２表面１２０上に形成されることにより、ヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）、コラム（ｃｏｌｕｍｎ）及びピラミッド形態のグレイン（ｇｒａｉｎ）等の欠陥の発生が減少する。これにより、窒素極性を有する面において成長されるものと比較する際、第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１は結晶性及び表面平坦度の側面において向上した結果を得ることができるようになる。

一方、図３では第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１を単一層とみなして図示及び説明したが、第２ＩＩＩ族窒化物半導体１００'−１は活性層を含む複数のＩＩＩ族窒化物半導体層であることができる。すなわち、第１ＩＩＩ族窒化物半導体１００'の第２表面１２０上に複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させ、半導体発光素子を製造することができる。この場合、ＩＩＩ族元素極性を有する第２表面１２０を利用して半導体発光素子を製造する場合、半導体発光素子の結晶性に優れ発光効率を増加させることができるようになる。

図４は、図２ａ乃至図２ｅにおいて提供される方法で製造されたＩＩＩ族窒化物半導体を撮影した写真である。具体的に、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'を垂直に切断してその断面を撮影したもので、断面の上下面に位置した第１表面１１０及び第２表面１２０の結晶配列を表す。

ＩＩＩ族窒化物半導体１００'はＧａＮ半導体で、第１表面１１０及び第２表面１２０は全てガリウム極性を有する。この場合、第２表面１２０はガリウム元素と窒素元素の結晶配列が再配置され、極性が反転された極性反転層１３０'によりガリウム極性を有する層である。

一方、図４に図示された写真において結晶配列を参照すると、Ａ領域は第１表面１１０に対する極性を表し、Ｃ領域は第２表面１２０に対する極性を表す。また、Ｂ領域及びＤ領域は、Ａ領域とＣ領域に表われた所定の極性と結合される極性を表す。

先ず、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'の両表面に該当するＡ領域及びＣ領域は、全てガリウム極性を表す０００２面を有することがわかる。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'の対抗する両表面に向かってガリウム極性が形成されている。そして、Ｂ領域及びＤ領域は全て窒素極性を表す０００−２面を有することがわかる。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体１００'は、ガリウム極性と窒素極性が互いに結合された結晶配列を有するようになり、第１表面１１０及び第２表面１２０ではガリウム極性を表すことがわかる。

図５は本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体の一表面がエッチングされた形態を撮影した写真である。具体的に、図５に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体３００はＧａＮ半導体で、Ａ−Ａ'ラインを基準に左側に位置した第１領域３１０は、図１ｂ及び図１ｃで提供される方法を利用して表面処理された領域、すなわち、極性の反転によりガリウム極性を有する領域をエッチングしたものである。一方、右側に位置した第２領域３２０は表面処理をしない領域で、窒素極性を有する領域をエッチングしたものである。

ＩＩＩ族窒化物半導体３００はＫＯＨエッチング溶液を利用して同一の条件（例えば、エッチング温度及びエッチング時間等）下でエッチングした。その結果、ガリウム極性領域である第１領域３１０は殆どエッチングが成されず、窒素極性領域である第２領域３２０はその表面がエッチングされて不規則な凹凸構造を有するようになる。このように、第１領域３１０及び第２領域３２０のエッチング状態を通して、第１領域３１０の極性がガリウム極性に変換されたことを明確に確認することができる。

図６は本発明の一実施例によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を表す図面である。

図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体４００はＧａＮ半導体から成るもので、第１ＧａＮ半導体層４１１、活性層４１２及び第２ＧａＮ半導体層４１３で構成された発光構造物を含み、第１ＧａＮ半導体層４１１に形成された第１電極４２０及び第２ＧａＮ半導体層４１３に形成された第２電極４３０を含むもので、垂直な構造を有する。この場合、発光構造物の両表面である、第１ＧａＮ半導体層４１１の一面と第２ＧａＮ半導体層４１３の一面は全てガリウム極性を有する。すなわち、ガリウム極性を有する発光構造物上に第１電極４２０及び第２電極４３０が形成される。

図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体４００は次のような方法で製造されることができる。先ず、サファイア基板のような窒化物単結晶成長基板上に第１ＧａＮ半導体層４１１、活性層４１２及び第２ＧａＮ半導体層４１３を順番に積層して発光構造物を形成する。そして、第２ＧａＮ半導体層４１３上に第２電極４３０を形成する。また、図面には図示されてはいないが、第２電極４３０上に発光構造物を支持するための導電性の支持基板をさらに形成することもできる。

この後、通常知られているレーザーリフトオフ方法を利用して窒化物単結晶成長基板から発光構造物を分離させる。この場合、発光構造物において窒化物単結晶成長基板と接合されていた第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａは窒素極性を有することができ、最上部に位置する第２ＧａＮ半導体層４１３の 表面４１３ａはガリウム極性を有することができる。すなわち、発光構造物は対向する両表面が互いに異なった極性を有する。

このような発光構造物において両表面が全てガリウム極性を有することができるように、窒素極性を有する第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａを表面処理する。具体的に、図１ｂ及び図１ｃに図示されたもののように、第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａに結晶損傷層を形成した後、レーザーを照射してその表面４１１ａがガリウム極性を有するように極性を反転させる。

次に、ガリウム極性を有する第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａに第１電極４２０を形成して図６に図示されたようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子４００を製造することができるようになる。この場合、第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａ全体がガリウム極性を有するようにすることもできるが、上記表面４１１ａの中で第１電極４２０が形成される部分のみをガリウム極性を有するようにすることもできる。この場合には、第１ＧａＮ半導体層４１１の表面４１１ａはガリウム極性と窒素極性を全て含む結晶配列を有するようになる。

このように図６に図示された発光構造物は両表面４１１ａ、４１３ａがガリウム極性を有するもので、両表面の極性の差により発生する自発分極現象を改善することができるようになる。これにより、ガリウム極性を有する両面における表面バンドベンディング特性が類似して現れ、オーミック接続抵抗が低く定電圧及び漏洩電流を減少させることができるようになる。これにより、窒化物系半導体発光素子４００の電気的特性が向上されることができるようになる。これについては次で具体的に説明する。

図７は図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流−電圧特性を図示したグラフである。図７を参照すると、第１グラフ１は一般的な方法で製造されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流−電圧特性を表し、第２グラフ２は図６に図示された本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子４００の電流−電圧特性を表す。具体的に、第１グラフ１及び第２グラフ２は各発光素子に電圧を印加して、電圧によって変化する電流を測定する。

当技術分野において半導体発光素子の理想的な電流−電圧特性は非線形特性を有するもので、陰電圧及び弱い陽電圧では非常に低い電流が流れ、所定量の陽電圧（約０．７Ｖ以上）では電流が急激に増加する形態を見せる。

一方、第１グラフ１に表われた電圧−電流特性を有する一般的なＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子４００と 同一の構造を有するが、発光構造物の両表面の極性が異なる。すなわち、発光構造物の一面がガリウム極性を有し、それに対向する他の面が窒素極性を有する。この場合、発光構造物のうち窒素極性を有する他の面に形成された電極はオーミック接続抵抗が高く定電圧及び漏洩電流が発生する。これにより、一般的なＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流−電圧特性は、第１グラフ１でのように−０．５〜０．５Ｖの間の電圧範囲内でのみ低い電流が流れ、それ以外の電圧範囲では高い電流が流れ、漏洩電流が発生する。

反面、図６に図示されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子４００の電流−電圧特性は第２グラフ２でのように、陰電圧では低い電流が流れ、１〜２Ｖを基準に電流が急激に増加する非線形特性を有する。これは理想的な電流−電圧特性と比較する際、類似した特性を有するものであることがわかる。従って、本発明において提供されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を利用する場合、定電圧及び漏洩電流発生を減少させることができるようになり電気的特性を向上させることができるようになる。

以上では本発明の好ましい実施例にについて図示し説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であり、このような変更実施は本発明の技術的思想や展望から個別に理解されてはならない。

１０、１００、１００' ＩＩＩ族窒化物半導体
１１、１１０ 第１表面
１２、１２０ 第２表面
１３、１３０ 結晶損傷層
１３'、１３０' 極性反転層

Claims (28)

1. ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、前記第１表面と反対に位置し窒素極性を有する第２表面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体を備える段階と、
   前記窒素極性を有する第２表面が、ＩＩＩ族元素極性に変換されるように前記第２表面にレーザーを照射する段階と
   を含むＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
2. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面にレーザーを照射する段階の前に、
   前記第２表面に沿って窒素空隙による欠陥を有する結晶損傷層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
3. 前記結晶損傷層を形成する段階は、前記第２表面にプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用する段階であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
4. 前記結晶損傷層は、非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
5. 前記結晶損傷層は、５〜２０００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
6. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体基板の表面処理方法。
7. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体であり、
   前記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の表面処理方法。
8. 窒化物単結晶成長用基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる段階と―前記ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、前記第１表面と反対に位置し、前記基板と接しながら窒素極性を有する第２表面とを有し―、
   前記窒化物単結晶成長用基板から前記ＩＩＩ族窒化物半導体を分離させる段階と、
   前記窒素極性を有する第２表面が、ＩＩＩ族元素極性に変換されるように前記第２表面にレーザーを照射する段階と
   を含むＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
9. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面にレーザーを照射する段階の前に、
   前記第２表面に沿って窒素空隙による欠陥を有する結晶損傷層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
10. 前記結晶損傷層を形成する段階は、前記第２表面にプラズマ処理またはイオンビーム照射を適用する段階であることを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
11. 前記結晶損傷層は、非晶質領域、多結晶領域及びＩＩＩ族元素リッチ領域のうち少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
12. 前記結晶損傷層は、５〜２０００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
13. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
14. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体を備える段階は、ＧａＮ半導体であり、
    前記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
15. 前記ＩＩＩ族元素極性に変換された第２表面上にさらなる窒化物半導体層を成長させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
16. 前記窒化物単結晶成長用基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２で構成されたグループから選ばれた物質から成ることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
17. ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、前記第１表面と反対に位置した第２表面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体において、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体のうち前記第２表面に沿って位置した領域に該当し、前記ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域と連続的に形成されるが、前記第２表面の極性が前記第１表面の極性と同一のＩＩＩ族元素極性を有するように、前記残りの他の領域の結晶配列が反転された極性反転層を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体。
18. 前記極性反転層は、５〜２０００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
19. 前記極性反転層に該当する領域と前記残りの他の領域は同一の組成を有することを特徴とする請求項１７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
20. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることを特徴とする請求項１７または請求項１９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
21. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体であり、
    前記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることを特徴とする請求項１７または請求項１９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
22. ＩＩＩ族元素極性を有する第１表面と、前記第１表面と反対に位置した第２表面とを有する第１ＩＩＩ族窒化物半導体と、
    前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の第２表面上に形成された第２ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、
    前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体は、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体のうち前記第２表面に沿って位置した領域に該当し、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域と連続的に形成されるが、前記第２表面の極性が前記第１表面の極性と同一のＩＩＩ族元素極性となるように前記残りの他の領域の結晶配列が反転された極性反転層を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
23. 前記極性反転層は、５〜２０００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
24. 前記極性反転層に該当する領域と、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体の残りの他の領域は同一の組成を有することを特徴とする請求項２２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
25. 前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体は、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体と異なる組成を有するまたは異なる導電型を有することを特徴とする請求項２４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
26. 前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体は、活性層を含む複数のＩＩＩ族窒化物半導体層であり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造物は半導体発光素子であることを特徴とする請求項２５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
27. 前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体であることを特徴とする請求項２２または請求項２４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。
28. 前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮ半導体であり、
    前記ＩＩＩ族元素極性はガリウム（Ｇａ）極性であることを特徴とする請求項２２または２４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体構造物。