JPH08186332A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
半導体素子の製造方法Info
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- JPH08186332A JPH08186332A JP70495A JP70495A JPH08186332A JP H08186332 A JPH08186332 A JP H08186332A JP 70495 A JP70495 A JP 70495A JP 70495 A JP70495 A JP 70495A JP H08186332 A JPH08186332 A JP H08186332A
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Abstract
物の電気的活性化率を上げて高品質のp型層を形成する
ことができ、高性能・短波長の半導体レーザ等の実現を
可能とした半導体素子の製造方法を提供すること。 【構成】 基板上に化合物半導体層を積層して半導体素
子を製造する方法において、Mgを添加したGaN系化
合物半導体層15,16上にMgを添加したAlNキャ
ップ層17を形成したのち、GaN系化合物半導体層1
5,16に熱処理を施し、しかるのちAlNキャップ層
17を除去することを特徴とする。
Description
に係わり、特にアクセプタ不純物の添加方法を改良した
半導体素子の製造方法に関する。
であるGaNは、バンドギャップが3.4eVと大き
く、また直接遷移型であることから、短波長発光素子用
材料として期待されている。この材料は低抵抗のp型層
の成長が困難であったが、最近、アクセプタとしてMg
を添加したGaN層を電子ビーム照射又は窒素ガス雰囲
気中で加熱することにより抵抗の低下が可能となってい
る。この抵抗低下は、結晶中に混入した水素の脱離の効
果によると考えられている。
GaN層中のMgの電気的活性化率は低く、半導体レー
ザ等の高性能素子作成に必要な1Ωcm以下の低抵抗p
型層作成のためには、Mgを1019cm-3以上1020c
m-3程度の非常な高濃度に添加する必要があることが判
明した。このような高濃度Mg添加では、結晶欠陥増大
と共に表面平坦性が悪化するために、高性能・短波長の
半導体レーザ等を実現することは不可能である。
N層をキャップ層として形成した後にアニールすること
により、低抵抗なp型GaN層を形成する方法が提案さ
れている(特開平5−183189号公報)。しかしな
がら、この種の方法においても、Mgの十分な電気的活
性化は達成できていないのが現状である。
N系の化合物半導体層(窒化物系III-V族化合物半導体
層)を成長するに際しては、低抵抗のp型を得るために
過剰にMg(アクセプタ不純物)を添加する必要があ
り、結晶欠陥増大と共に表面平坦性が悪化するという問
題があった。
ので、その目的とするところは、窒化物系III-V族化合
物半導体層中におけるアクセプタ不純物の電気的活性化
率を上げて高品質のp型層を形成することができ、高性
能・短波長の半導体レーザ等の実現を可能とした半導体
素子の製造方法を提供することにある。
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、基板上に化合物半導体層を積層して半導体素子を
製造する方法において、アクセプタを添加した窒化物系
III-V族化合物半導体層上にアクセプタを添加したAl
Nキャップ層を形成したのち、窒化物系III-V族化合物
半導体層に熱処理を施し、しかるのちAlNキャップ層
の少なくとも一部を除去することを特徴とする。また本
発明は、アクセプタを添加したAlNの代わりにAl2
O3 をキャップ層として用いることを特徴とする。
は、次のものがあげられる。 (1) AlN中のアクセプタ添加濃度が1017〜1020c
m-3であること (2) 熱処理温度が700℃以上、好ましくは800℃以
上1200℃以下であること。 (3) 窒化物系III-V族化合物半導体はGaN又はAlG
aNであり、アクセプタ不純物はMgであること。
純物として用いられるMgについて考える。Mgの活性
化率を上げることができればMg添加量を減少でき、表
面平坦性の良い低欠陥・低抵抗のp型層を実現できる。
そこで、本発明者らはMgの活性化率の低下に深く係わ
っていると考えられている結晶中の水素濃度について調
べた。この結果、アンドープ層に比べ多量のMg濃度と
同程度の水素がMgドーピング層に混入しており、その
水素混入量は熱処理を行うことにより減少することが分
った。
際の熱処理温度と水素濃度の関係を示す。試料はMgド
ープのGaNである。700℃以上の温度にて熱処理を
行うことにより水素濃度を低下させることができる。な
お、半導体レーザ等のキャリア濃度の精密なコントロー
ルが必要な素子の場合は水素濃度を飽和濃度の10%以
下に抑える必要があり、その場合は1000℃以上の処
理が必要となる。ところが、800℃以上の処理では表
面からの窒素等の構成元素の蒸発が急激に激しくなり結
晶表面が顕著に劣化する。
面からの窒素等の構成元素の蒸発を抑えることが重要で
ある。本発明者らの研究によれば、適切な方法を選択す
ることにより、水素を十分除去できるような高温域にお
いても構成元素の蒸発を抑えられることが分かった。そ
れは、別の材料(キャップ層)で表面を覆って熱処理を
行う方法である。その際のキャップ層としては耐熱性が
あること、拡散により窒化物層のp型化に悪影響を含む
元素(例えばSi,Se等のドナー性不純物)を含まな
いこと、水素透過性が良いこと、格子定数が窒化物と近
く熱歪みが入らないこと、窒素やGaを通さない緻密な
膜であることが重要である。また、キャップ層は熱処理
終了後に取り除かれるので、下地の窒化物層と選択的に
エッチングできる材料が適している。
抗増大の要因となるドナー性又は深い準位を形成する不
純物を含まないことである。このためにはIII-V族化合
物半導体が適している。III-V族化合物半導体のうち窒
化物と格子定数が近いものとしては窒化物それ自身とB
Pがある。しかし、BPは化学的に安定でありエッチン
グは困難である。また、GaNも選択的エッチングが困
難であり、InNは耐熱性がない。
り選択的なエッチングも可能であるが、水素透過性の点
で問題があった。しかし、本発明者らの研究ではIII-V
族窒化物の水素透過率はアクセプタを添加することによ
り大幅に増大することが分かった。例えばAlNの場
合、Mgを1017〜1020cm-3添加することにより十
分な水素透過性が得られる。特に、クラッド層のアクセ
プタ不純物と同じ不純物をキャップ層にドープすること
により、熱処理中の表面キャリア濃度減少によるコンタ
クト抵抗増大が防げる。従って、アクセプタをドープし
たAlNをキャップ層に用いることにより、窒素等の構
成元素の蒸発を抑えながら水素の除去が可能になる。
は異なるが、通常窒化物層形成のための基板として用い
られている材料であり、熱処理後の冷却の際に導入され
る熱歪みが大きく問題となることはない。しかも、その
他の点で、上述したようなキャップ層に対する条件を全
て満足する。さらに、Al2 O3 キャップ層は、特にス
パッタリングにより容易に形成でき、かつ酸又はアルカ
リによるエッチングが容易なので有利である。従って本
発明においては、Al2 O3 をキャップ層として用いて
も同様の効果が期待できる。
したAlNやAl2 O3 を耐熱性のキャップ層として堆
積した後に熱処理を行うことにより、熱処理温度の高温
化がはかれ、窒素等の構成元素の蒸発を抑えながら水素
の除去ができる。従って、Mgの活性化率が上がり、過
剰のMg添加を行わずに表面平坦性に優れた低抵抗高品
質のp型窒化物層の作成が可能となるので、半導体レー
ザ等の高性能短波長発光素子が実現できる。
してMgを例に取ったが、窒化物系III-V族化合物半導
体のアクセプタとして機能するもので、そのドープによ
ってドープ層に水素が取り込まれるような材料であれ
ば、キャップ層を設けて熱処理することにより同様の効
果が期待できる。
説明する。図2に、Mgを5×1019cm-3添加したG
aNにおける、本発明によるアクセプタ添加AlNキャ
ップ層を用いた方法により熱処理を行った場合と、アク
セプタを添加しないAlNキャップ層を用いた場合、キ
ャップ層を用いなかった場合の熱処理温度に対する抵抗
値の変化を示す。
以上の熱処理温度にて抵抗値の低減効果が認められ、抵
抗値は処理温度の上昇と共にさらに低下する。700℃
から900℃の間では最も低い抵抗値が得られるが、9
00℃以上の熱処理では再び抵抗は増大する。また、ア
ンドープAlNキャップ層を用いた場合には、処理温度
の上昇と共に抵抗値は単調に減少するが、800℃以上
では飽和してしまう。一方、本発明による方法では、7
00℃以上の処理温度にても処理温度上昇と共に抵抗は
顕著に低下し、800℃以上では抵抗低減効果は大きく
は変化しないが1000℃以上の処理温度領域まで温度
と共に単調に低下する。
℃以上の処理温度では水素の除去効果は温度と共に改善
されるが、窒素等の構成元素の蒸発が同時に激しくなる
ために結晶欠陥が増大する。そのために抵抗値低減効果
が阻害され、900℃以上では処理温度を高めたにも拘
らず抵抗値が上昇したものと考えられる。AlNキャッ
プ層を用いることにより表面からの構成元素の脱離を抑
えることができるが、アクセプタを添加しない場合は水
素透過性が悪いため抵抗値は飽和してしまう。それに対
して本発明による方法では、キャップ層なしでは表面か
らの構成元素の脱離が無視できなかった700℃以上の
温度にても構成元素の脱離による欠陥等の増大がなく、
かつ水素透過性が良いことに基づき水素を有効に除去で
きるので、従来よりも低抵抗の結晶が得られた。この効
果は800℃以上の処理温度にて特に顕著である。但
し、1200℃を越えると、GaNの結晶品質を損なう
恐れがある。
の水素透過性の向上の効果は1017cm-3以上で顕著と
なるが、1020cm-3より多いアクセプタ添加は製造上
困難である。従って本発明において、AlNキャップ層
の好ましいアクセプタ添加量は1017〜1020cm-3と
する。
熱処理をした場合のGaN層におけるMg濃度と抵抗値
の関係を示す。キャップ層を用いない従来の方法では、
白濁が生じる1019cm-3を越えるMg添加を行わなけ
れば抵抗値の低下は見られなかった。これに対し、アク
セプタドープのAlNキャップ層を用いた本発明による
方法では、Mgの電気的活性化率を向上できるので、平
坦な膜が得られる1019cm-3以下のMg濃度において
も抵抗値を低下することができた。これらの効果は、A
lN,InNとの混晶においてもほぼ同様であった。
た半導体レーザの素子構造断面図である。サファイア基
板10のc面上にAlN(10nm)の第1バッファ層
11、GaN(1.0μm)の第2バッファ層12、S
iドープn型AlGaN(1.0μm)のクラッド層1
3、GaN(0.5μm)の活性層14、Mgドープp
型AlGaN(1.0μm)のクラッド層15、Mgド
ープp型GaN(0.5μm)のコンタクト層16が順
次形成されている。また、図には示さないが、n型クラ
ッド層13の側面及びp型コンタクト層16の上面にそ
れぞれ電極が設けられている。
長装置を示す概略構成図である。図中の21は石英製の
反応管であり、この反応管21内にはガス導入口22か
ら原料混合ガスが導入される。そして、反応管21内の
ガスはガス排気口23から排気されるものとなってる。
反応管21内には、カーボン製のサセプタ24が配置さ
れており、試料基板20はこのサセプタ24上に載置さ
れる。また、サセプタ24は高周波コイル25により誘
導加熱されるものとなっている。なお、基板20の濃度
は図示の熱電対26によって測定され、別の装置(図示
せず)によりコントロールされる。
の半導体レーザを製造する方法について簡単に説明す
る。まず、基板10を水素中で1100℃に加熱し表面
を清浄化する。次いで、基板温度を450〜900℃に
低下させた後、H2 ガスをNH3 ガス或いはNを含む有
機化合物、例えば(CH3 )2 N2 H2 に切り替えると
共に、成長すべき層に応じて有機金属化合物を導入して
成長を行う。AlNバッファ層11の形成の際には、有
機金属Al化合物、例えばAl(CH3 )3 或いはAl
(C2 H5 )3 を導入してAlN第1バッファ層11の
成長を行う。GaNの第2バッファ層12,活性層1
4,コンタクト層16の形成の際には、有機金属Ga化
合物、例えばGa(CH3 )3 或いはGa(C2 H5 )
3 を導入して成長を行う。AlGaNクラッド層13,
15の形成の際には、有機金属Al化合物と有機金属G
a化合物の両方を導入して成長を行う。
を狭めるためにInを添加してもよく、その場合有機金
属In化合物、例えばIn(CH3 )3 或いはIn(C
2 H5 )3 を導入してInの添加を行う。
時に導入する。クラッド層13を形成する際のn型ドー
ピング用原料としてはSi水素化物、例えばSiH4 或
いは有機金属Si化合物、例えばSi(CH3 )4 を用
いる。また、クラッド層15及びコンタクト層16を形
成する際のp型ドーピング用原料としては有機金属Mg
化合物、例えばCp2 Mg或いは有機金属Zn化合物、
例えばZn(CH3 )2 等を使用する。
AlGaNクラッド層15及びp型GaNコンタクト層
16におけるp型ドーパントMgの活性化率を上げるた
めに、図6に示すように、コンタクト層16上にMgド
ープのAlNキャップ層17(10〜1000nm)を
形成し、室温まで冷却した後に、Ar,He,窒素等の
水素を含まないガス中又は真空中で800〜1200℃
で熱処理を行う。その後、塩酸,燐酸,硫酸を含む酸若
しくはNaOH,KOH等を含むアルカリエッチング液
により70〜200℃の温度でエッチングして、AlN
キャップ層17を取り除く。熱処理は真空中で行っても
構わないが、水素を含まないガス中で行った方が構成元
素の蒸発が妨げるのでより効果的である。またここで、
AlNキャップ層17の膜厚を10〜1000nmとし
たのは、この膜厚が薄いと窒素等の構成元素の蒸発防止
が不十分となる恐れがあり、膜厚が厚いと水素透過性が
低下する傾向があるからである。
10-3 mol/min、Ga(CH3 )3を1×10-5 mol/mi
n、Al(CH3 )3 を1×10-6 mol/min導入してA
lGaNクラッド層15の成長を行う。GaNコンタク
ト層16の場合はAlの供給を停止し、AlNキャップ
層17の場合はGaの供給を停止する。基板温度は10
50℃、圧力75Torr、原料ガスの総流量は1 l/min、
p型AlGaNクラッド層15,p型GaNコンタクト
層16及びAlNキャップ層17へのMg添加両は5×
1018cm-3とした。クラッド層13,15におけるド
ーピング用原料は、n型としてSiH4 、p型としてC
p2 Mgを使用する。AlNキャップ層17形成後の熱
処理は図5の成長装置内でAr中で1000℃,30分
間行った。キャップ層17の除去は、燐酸(85%)に
より120℃,15分間エッチングして行った。
GaN系化合物半導体層(AlGaNクラッド層15,
GaNコンタクト層16)のMgの活性化率を高めるこ
とができるので、Mgを過剰に添加することなしに低抵
抗のp型GaN系化合物半導体層を形成することができ
る。このため、高品質なp型GaN系化合物半導体層を
成長することができ、短波長の半導体レーザの高性能化
及び長寿命化をはかることができる。
えてAl2 O3 キャップ層を形成した以外は全く同様に
して半導体レーザを製造した。より具体的には、スパッ
タリングによりAl2 O3 キャップ層を形成し、室温ま
で冷却した後にAr中で1000℃,30分感の熱処理
を行い、塩酸(85%)により70℃,15分間エッチ
ングしてAl2 O3 キャップ層を除去した。この場合
も、得られるp型GaN系化合物半導体層のMgの活性
化率を高め、Mgを過剰に添加することなく低抵抗高品
質のp型GaN系化合物半導体層を成長することができ
た。
るものではない。実施例では、低抵抗のp型化合物半導
体層にGaN又はAlGaNを用いたが、本発明はこれ
らのGaN系化合物半導体に限るものではなく、窒化物
系III-V族化合物半導体であれば適用可能である。ま
た、キャップ層の膜厚やアクセプタのドーピング量、更
にはキャップ層形成後の熱処理温度等は仕様に応じて適
宜変更可能である。また、半導体レーザに限らず発光ダ
イオードの製造に適用することができ、さらにp型の窒
化物系III-V族化合物半導体層を有する各種の半導体素
子の製造に適用することが可能である。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施すること
ができる。
クセプタ添加の窒化物系III-V族化合物半導体層上に、
アクセプタ添加のAlNやAl2 O3 のキャップ層を形
成した後に熱処理を行うことにより、熱処理温度の高温
化がはかれ、窒素等の構成元素の蒸発を抑えながら水素
の除去ができるので、窒化物系III-V族化合物半導体層
中におけるアクセプタ不純物の電気的活性化率を上げて
高品質のp型層を形成することができ、高性能・短波長
の半導体レーザ等の実現に寄与することが可能となる。
の熱処理温度と水素濃度との関係を示す特性図。
抗値との関係を示す特性図。
抗値との関係を示す特性図。
ザを示す素子構造断面図。
示す概略構成図。
を行う場合の手順を示す模式図。
Claims (2)
- 【請求項1】アクセプタを添加した窒化物系III-V族化
合物半導体層上にアクセプタを添加したAlNキャップ
層を形成する工程と、前記窒化物系III-V族化合物半導
体層に熱処理を施す工程と、前記AlNキャップ層の少
なくとも一部を除去する工程とを含むことを特徴とする
半導体素子の製造方法。 - 【請求項2】アクセプタを添加した窒化物系III-V族化
合物半導体層上にアクセプタを添加したAl2 O3 キャ
ップ層を形成する工程と、前記窒化物系III-V族化合物
半導体層に熱処理を施す工程と、前記Al2 O3 キャッ
プ層の少なくとも一部を除去する工程とを含むことを特
徴とする半導体素子の製造方法。
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