JP2007258376A

JP2007258376A - 半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP2007258376A
Application number: JP2006079521A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Murayama; 雅洋村山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US20070232084A1

Abstract

【課題】ｐ型コンタクト層のアニールにより放出される窒素を抑制しつつ、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値を低減することができる半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による半導体素子の製造方法は、ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４を成長させる工程と、ｐ型コンタクト層２４のｐ側電極６が形成される面に絶縁膜材３０ａを塗布した後、絶縁膜材３０ａをベーキングすることによって絶縁膜３０を成膜する工程と、絶縁膜３０がｐ型コンタクト層２４に形成されている状態で、ｐ型半導体層２１〜２４をアニールする工程とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ｐ型ＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層を備えた半導体素子の製造方法に関する。

従来、ｐ型ＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層を備えた半導体素子の製造方法が知られている。このｐ型コンタクト層を備えた半導体素子の製造方法では、水素ガスをキャリアガスとしてｐ型コンタクト層を成長させる。その後、ｐ型コンタクト層内に取り込まれた水素を放出するために、ｐ型半導体層をアニールする。これによって、アクセプタと水素との結合を切ることができるので、ｐ型半導体層中のアクセプタを活性化することができ、ｐ型半導体層のｐ型化を行うことができる。

しかしながら、ｐ型ＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層を高温（例えば、８００℃以上）でアニールすると、ｐ型コンタクト層中のｐ型ＧａＮ系半導体層が熱分解して、窒素が外部へ放出されるといった問題があった。一方、窒素の放出を防ぐために、ｐ型コンタクト層を低温でアニールすると、上述したアクセプタの活性化が充分にできないといった問題があった。そこで、ｐ型コンタクト層を高温でアニールした際に、窒素が外部へと放出されることを防ぐ技術が知られている。

例えば、特許文献１には、プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ_２からなるキャップ層をｐ型コンタクト層の表面に形成した後、アニールを行う半導体素子の製造方法が知られている。このように、ｐ型コンタクト層の表面にキャップ層を形成することによって、ｐ型コンタクト層の表面から窒素が外部へ放出されることを抑制することができる。
特許２５４０７９１号公報

しかしながら、本願発明者が鋭意検討した結果、特許文献１の半導体素子の製造方法のようにＳｉＯ_２からなるキャップ層をプラズマＣＶＤ法によって形成した場合、ｐ型コンタクト層の表面が粗面化され、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値が極めて大きくなり、電流がほとんど流れないといった問題があることがわかった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ｐ型コンタクト層のアニールにより放出される窒素を抑制しつつ、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値を低減することができる半導体素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ｐ型ＧａＮ系半導体層からなりｐ側電極が形成されるｐ型コンタクト層を含むｐ型半導体層を成長させる工程と、前記ｐ型コンタクト層の前記ｐ側電極が形成される面に絶縁膜材を塗布することによって絶縁膜を成膜する工程と、前記ｐ型半導体層をアニールする工程とを備えたことを特徴とする半導体素子の製造方法である。

また、請求項２の発明は、前記アニールは、９００℃以上の温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法である。

また、請求項３の発明は、前記アニールは、大気圧の窒素を含む雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法である。

本発明による半導体素子の製造方法では、ｐ型コンタクト層上に絶縁膜を形成した状態でｐ型半導体層をアニールすることによって、ｐ型半導体層のアクセプタを活性化しているため、ｐ型コンタクト層から窒素が放出されることを抑制することができるので、絶縁膜を形成しない場合に比べて高温でアニールを行うことができる。これによって、ｐ型半導体層中のＭｇ等のｐ型不純物の活性化を高めることができるので、ｐ型半導体層の抵抗値を低減することができる。また、アニールの際にｐ型コンタクト層から窒素が抜けることを絶縁膜によって抑制することができるので、窒素を含む加圧雰囲気中でアニールを行う必要がない。これによって、製造工程を簡単化することができる。

また、絶縁膜材を塗布することによってｐ型コンタクト層上に絶縁膜を形成することにより、プラズマＣＶＤ法によって絶縁膜をｐ型コンタクト層に形成した場合に受けるｐ型コンタクト層上のダメージを防ぐことができる。これによって、ｐ型コンタクト層上のダメージに起因するｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値の増大を防ぐことができるので、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値を低減し、良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本発明の半導体素子の製造方法によって製造された窒化ガリウム系半導体発光素子の断面構造を示す。

図１に示すように、窒化ガリウム系半導体発光素子１は、ｎ型のＧａＮ基板２上に、ｎ型半導体層３、活性層４、ｐ型半導体層５が順次積層されている。また、ｐ型半導体層５の上面には、金属製のｐ側電極６が形成されると共に、ｎ型半導体層３には、後述するｎ型コンタクト層１１にｎ側電極（図示略）が形成されている。

ｎ型半導体層３は、ＧａＮ基板２側から順に、ｎ型ＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１１、約２５Åの厚みのｎ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層及び約２５Åの厚みのｎ型ＧａＮ層が各２６０層積層された約１３０００Åの厚みのｎ型超格子クラッド層１２、約７００Åの厚みのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型ガイド層１３、ｎ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層が交互に複数積層されたｎ型超格子層１４が順次積層されている。

活性層４は、Ｉｎの組成比の異なる２つのＩｎＧａＮ層からなる障壁層及び井戸層が交互に複数積層されている。

ｐ型半導体層５は、活性層４側から順に、約２００Åの厚みのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層からなるｐ型電子バリア層２１、約１０００Åの厚みのｐ型ガイド層２２、約２５Åの厚みのｐ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層及び約２５Åの厚みのｐ型ＧａＮ層が各８０層積層された約４０００Åの厚みのｐ型超格子クラッド層２３、約５００Åの厚みのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４が順次積層されている。

この窒化ガリウム系光半導体発光素子１では、ｎ側電極及びｐ側電極６からキャリアが供給されると、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５を介して、活性層４に注入される。そして、活性層４に注入されたキャリアが結合することによって、光を発光する。

次に、上述した窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について、図２〜図５を参照して説明する。図２〜図５は、実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の各製造工程の断面構造を示す図である。

まず、図２に示すように、ＭＯＣＶＤ法等の既知の方法によって、ｎ型のＧａＮ基板２を約１０５０℃の成長温度に保持した状態で、ＧａＮ基板２上に、ｎ型コンタクト層１１、ｎ型超格子クラッド層１２、ｎ型ガイド層１３を順次成長させる。次に、ＧａＮ基板２を約７８０℃の成長温度に下げてｎ型超格子層１４、活性層４を順次成長させた後、ＧａＮ基板２を約１０７０℃の成長温度まで上げてｐ型電子バリア層２１を成長させる。次に、ＧａＮ基板２を約１０００℃の成長温度まで下げてｐ型ガイド層２２を成長させた後、ＧａＮ基板２を約１０５０℃の成長温度まで上げてｐ型超格子クラッド層２３を成長させる。次に、ＧａＮ基板２を約１０００℃の温度に下げた状態で、約５００Åの厚みのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４を成長させる。

次に、ｐ型コンタクト層２４上にＳｉＯ_２からなる約１０００Åの厚みの絶縁膜３０を塗布及びベーキングすることによって成膜する。具体的には、図３に示すように、ジブチルエーテル溶液にポリシラザンを溶解させた絶縁膜材３０ａをｐ型コンタクト層２４上に滴下する。次に、図４に示すように、スピンコート法によって絶縁膜材３０ａをｐ型コンタクト層２４の上面に渡って延ばして塗布したものを加水分解又は重縮合反応させた後、多段階ベーキングを行うことによってＳｉＯ_２からなる絶縁膜３０を成膜する。多段階ベーキングは、成膜する絶縁膜３０によって異なるが、例えば、約２２０℃で２分間行った後、約３５０℃で約２分間行い、最後に、約４００℃で３０分間行う多段階ベーキングを適用することができる。尚、絶縁膜３０の厚みを１０００Å以上にする場合には、上述した絶縁膜の形成工程を複数回行ってもよいが、半導体層のクラックを防ぐためには、絶縁膜３０の厚みは１００００Å以下にすることが望ましい。このように、絶縁膜３０を１００００Å以下にすることによって、ｐ型コンタクト層２４と絶縁膜３０との熱膨張率の違いに起因する、ｐ型コンタクト層２４のクラック等の破損を防止することができる。

次に、約９００℃以上の温度の窒素又は窒素と酸素を含む大気圧の雰囲気中でアニールすることによって、ｐ型コンタクト層２４を含むｐ型半導体層５内のアクセプタ（Ｍｇ）を活性化して、ｐ型半導体層５をｐ型化する。

次に、図５に示すように、約１４．９％の濃度を有する約２５℃のＢＨＦ（一水素二フッ化アンモニウム）溶液でウェットエッチングすることにより、ｐ型コンタクト層２４上から絶縁膜３０を除去する。このように絶縁膜３０を成膜した後ウェットエッチングによって除去することによって、ｐ型コンタクト層２４のｐ側電極６が形成される面上の多くの自然酸化膜や汚染物を絶縁膜３０と共に除去することができる。

最後に、次に、ｐ側電極６を既知の方法によって形成した後、電子線照射やアニールによってオーミックコンタクトを形成する。最後にｎ側電極を形成して、窒化ガリウム系半導体発光素子１が完成する。

上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法では、ｐ型コンタクト層２４上に絶縁膜３０を形成した状態でｐ型半導体層２１〜２４のアクセプタを活性化しているので、約９００℃以上でアニールを行っても、ｐ型コンタクト層２４から窒素が放出されることを抑制することができる。これによって、ｐ型コンタクト層２４のＭｇの活性化を高めて抵抗値を低減することができる。

また、このように絶縁膜材３０ａを塗布することによってｐ型コンタクト層２４上に絶縁膜３０を形成することにより、プラズマＣＶＤ法によって絶縁膜をｐ型コンタクト層に形成した場合に受けるｐ型コンタクト層上のダメージを防ぐことができる。これによって、ｐ型コンタクト層２４上のダメージに起因するｐ型コンタクト層２４とｐ側電極６との間の抵抗値の増大を防ぐことができるので、ｐ型コンタクト層２４とｐ側電極６との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

また、絶縁膜３０をｐ型コンタクト層２４上に形成することにより、ｐ型コンタクト層２４から窒素が放出されることを抑制することができるので、大気圧の窒素を含む雰囲気中でアニールすることができる。この結果、アニールの工程を簡単化することができる。

次に、図面を参照して、ｐ型コンタクト層上に絶縁膜を形成した後アニールすることによって、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との間の抵抗値が低減する効果を証明するために行った実験について説明する。

まず、上述の実験を行うために作製した本発明及び比較例による試料について説明する。図６は、実験のために作製した試料の断面構造を示す図である。

図６に示すように、試料４１は、ｎ型ＧａＮ層４２と、ｎ型ＧａＮ層４２上に形成されたｐ型ＧａＮ層４３を備えている。ｐ型ＧａＮ層４３には、Ｐｄ及びＡｕからなるｐ側電極４４が形成されると共に、ｎ型ＧａＮ層４２には、Ｔｉ及びＡｌからなるｎ側電極４５が形成されている。

この試料４１は、ｎ型ＧａＮ層４２上にｐ型ＧａＮ層４３及びＰｄ／Ａｕからなるｐ側電極４４を順次積層した後、ｐ側電極４４、ｐ型ＧａＮ層４３及びｎ型ＧａＮ層４２の一部をメサエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層４２の一部にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極４５を形成することによって、作製した。

ここで、本発明による試料４１は、ｐ型ＧａＮ層４３を形成した後、ｐ側電極４４を形成する前に、上述の実施形態で説明した製造方法に基づいて、約１０００Åの絶縁膜を形成した後、約９１０℃で約１０分間、大気圧の窒素雰囲気中でアニールを行い、その後、ＢＨＦ溶液で絶縁膜を除去した。一方、比較用の試料４１は、ｐ型ＧａＮ層４３を形成した後、絶縁膜を形成することなく、約８００℃で約１０分間、大気圧の窒素雰囲気中でアニールを行った。

まず、図７を参照して電流−電圧特性を調べた実験結果について説明する。図７は、試料に流した電流と電圧との関係を示す図である。尚、横軸が流した電流を示し、縦軸がその際の電圧を示す。この実験は、ｐ側電極４４とｎ側電極４５との間に流す電流の電流値を徐々に上げ、各電流値での電圧値を測定した。

図７に示すように、ｐ型ＧａＮ層４３に絶縁膜を形成した状態でアニールを行った本発明による試料４１は、ｐ型ＧａＮ層４３に絶縁膜を形成せずにアニールを行った比較例の試料４１に比べて抵抗値が高いことがわかる。これは、本発明による試料４１は、ｐ型ＧａＮ層４３上に絶縁膜を形成した状態でアニールを行うことによって、比較例の試料４１に比べて、ｐ型ＧａＮ層４３から抜ける窒素を抑制することができたためと考えられる。

次に、ｐ型コンタクト層の抵抗率及びホール濃度の向上を証明するために行った実験について説明する。この抵抗率及びホール濃度の測定は、矩形状のｐ型ＧａＮ層を形成し、そのｐ型ＧａＮ層の四隅に電極を設けてｖａｎｄｅｒＰａｕｗ法によって行った。

まず、抵抗率を測定した実験結果について説明する。本発明による試料として、上述の製造方法により絶縁膜を形成した状態で、約９１０℃で約１０分間アニールしたｐ型ＧａＮ層を作製した。そして、比較用の試料として、絶縁膜を形成せずに、約８００℃で約１０分間アニールしたｐ型ＧａＮ層を作製した。上述したｐ型ＧａＮ層による試料の抵抗率は約１．７４Ω・ｃｍとなったのに対し、比較例によるｐ型ＧａＮ層の抵抗率は、本発明の試料の約１．３倍に当たる約２．３１Ω・ｃｍとなった。このことからも、本発明によるｐ型ＧａＮ層の抵抗値が低減していることがわかる。

次に、ホール濃度を測定した実験結果について説明する。本発明による試料として、上述の製造方法により絶縁膜を形成した状態で、約９００℃で約１０分間アニールしたｐ型ＧａＮ層と、約９２５℃で約１０分間アニールしたｐ型ＧａＮ層を作製した。そして、比較用の試料として、絶縁膜を形成せずに、約８００℃で約１０分間アニールしたｐ型ＧａＮ層を作製した。本発明によるｐ型ＧａＮ層のホール濃度は、約９００℃でアニールしたものが約８．２７×１０^１７ｃｍ^−３となり、約９２５℃でアニールしたものが約８．９１×１０^１７ｃｍ^−３となった。一方、約８００℃でアニールした比較用のｐ型ＧａＮ層のホール濃度は、約７．４１×１０^１７ｃｍ^−３となった。従って、本発明による製造方法によって作製されたｐ型ＧａＮ層は、比較用のｐ型ＧａＮ層に比べてホール濃度が向上していることがわかる。このことからも、本発明の製造方法は、ｐ型ＧａＮ層の抵抗値を低減できることがわかる。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲内で変更して実施することができる。即ち、本明細書の記載は、一例であり、本発明を何ら限定的な意味に解釈させるものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述の実施形態では、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜３０を用いたが、他の酸化物又はＳｉＮ等の窒化物からなる絶縁膜を適用してもよい。

また、上述の実施形態では、絶縁膜３０を除去する酸として、ＢＨＦ溶液を用いたが、ＢＨＦ溶液の代わりにフッ酸系溶液等の他の酸を用いることもできる。

また、上述の実施形態では、絶縁膜材３０ａを滴下した後、塗布したが、スプレー等によって絶縁膜材３０ａをｐ型コンタクト層２４上に塗布してもよい。また、絶縁膜材を塗布した後、ベーキングではなく、電子線や紫外線を照射することによって絶縁膜を形成してもよい。

また、上述の実施形態では、ｐ型コンタクト層２４をｐ型ＧａＮ層によって構成したが、ｐ型ＩｎＧａＮ層等、他のｐ型ＧａＮ系半導体層によって構成してもよい。

本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系半導体発光素子の断面構造を示す。実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の各製造工程の断面構造を示す図である。実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の各製造工程の断面構造を示す図である。実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の各製造工程の断面構造を示す図である。実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の各製造工程の断面構造を示す図である。実験のために作製した試料の断面構造を示す図である。試料に流した電流と電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１窒化ガリウム系半導体発光素子
２ＧａＮ基板
３ｎ型半導体層
４活性層
５ｐ型半導体層
６ｐ側電極
１１ｎ型コンタクト層
１２ｎ型超格子クラッド層
１３ｎ型ガイド層
１４ｎ型超格子層
２１ｐ型電子バリア層
２２ｐ型ガイド層
２３ｐ型超格子クラッド層
２４ｐ型コンタクト層
３０絶縁膜
３０ａ絶縁膜材

Claims

ｐ型ＧａＮ系半導体層からなりｐ側電極が形成されるｐ型コンタクト層を含むｐ型半導体層を成長させる工程と、
前記ｐ型コンタクト層の前記ｐ側電極が形成される面に絶縁膜材を塗布することによって絶縁膜を成膜する工程と、
前記ｐ型半導体層をアニールする工程とを備えたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
前記アニールは、９００℃以上の温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
前記アニールは、大気圧の窒素を含む雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。