JPH08213653A - コンタクト抵抗低減層を有する半導体装置 - Google Patents
コンタクト抵抗低減層を有する半導体装置Info
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- JPH08213653A JPH08213653A JP28195895A JP28195895A JPH08213653A JP H08213653 A JPH08213653 A JP H08213653A JP 28195895 A JP28195895 A JP 28195895A JP 28195895 A JP28195895 A JP 28195895A JP H08213653 A JPH08213653 A JP H08213653A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との間の
抵抗値を低減することにより、特性の向上した半導体装
置、特に高輝度の青又は緑色の半導体発光装置を提供す
る。 【解決手段】 ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との
間に薄膜のＧａＰxＮ1-x（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入
したことを特徴とする半導体装置。
抵抗値を低減することにより、特性の向上した半導体装
置、特に高輝度の青又は緑色の半導体発光装置を提供す
る。 【解決手段】 ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との
間に薄膜のＧａＰxＮ1-x（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入
したことを特徴とする半導体装置。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
窒化ガリウム系材料を使用した青色〜緑色発光ダイオー
ド、青色〜緑色レーザーダイオード等の発光素子に関
し、特に接触抵抗を大きく低減した半導体装置に関す
る。
窒化ガリウム系材料を使用した青色〜緑色発光ダイオー
ド、青色〜緑色レーザーダイオード等の発光素子に関
し、特に接触抵抗を大きく低減した半導体装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】最近の青色及び緑色の発光ダイオード
（ＬＥＤ）の高輝度化の進展には目ざましいものがあ
り、材料として、ＺｎＳＳｅ系やＡｌＧａＩｎＮ系が用
いられている。現在、サファイア、ＳｉＣなどの基板上
への高品質な窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体膜
の成長とＧａＮ系への高濃度ｐ型ドーピングが可能とな
ったことにより、高輝度の青色発光ダイオードが実現さ
れており、図２に示すようなダブルヘテロ構造が用いら
れている。
（ＬＥＤ）の高輝度化の進展には目ざましいものがあ
り、材料として、ＺｎＳＳｅ系やＡｌＧａＩｎＮ系が用
いられている。現在、サファイア、ＳｉＣなどの基板上
への高品質な窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体膜
の成長とＧａＮ系への高濃度ｐ型ドーピングが可能とな
ったことにより、高輝度の青色発光ダイオードが実現さ
れており、図２に示すようなダブルヘテロ構造が用いら
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示すように、表面コンタクト層にワイドバンドギャップ
のＧａＮ（Ｅg＝３.３９ｅＶ）を用いているために、電
極との電位障壁が大きくなりやすく、このことが動作電
圧の増加を招いてしまう（図３、ｎ型の場合、Ｅ Cは伝
導帯の底のエネルギー、ＥFはフェルミ準位、ＥVは価電
子帯の底のエネルギー、ｑφBは電位障壁）。このよう
なワイドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるに
は、まず、ヘビードープした層を電極直下に挿入する、
すなわちmetal-n+-n、metal-p+-pなる構造を形成する手
法がある（図４、ただし、ｎ型の場合）。これにより、
電位障壁は残るが、非常に空乏層が薄くなり、キャリア
が自由にトンネル効果で通過できるため、抵抗を示さな
くなる。ｎ型ＧａＮではホール濃度が１０19台という高
濃度までドーピングが可能であるが、一方ｐ型ＧａＮド
ーピングでは、現状では１０17台レベルまでしか入らな
い。このために、特にｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる層と
は、充分低い接触抵抗の実現は困難である。この動作電
圧の増加は、素子の発熱につながり、これは寿命を短く
するため大きな問題となる。
示すように、表面コンタクト層にワイドバンドギャップ
のＧａＮ（Ｅg＝３.３９ｅＶ）を用いているために、電
極との電位障壁が大きくなりやすく、このことが動作電
圧の増加を招いてしまう（図３、ｎ型の場合、Ｅ Cは伝
導帯の底のエネルギー、ＥFはフェルミ準位、ＥVは価電
子帯の底のエネルギー、ｑφBは電位障壁）。このよう
なワイドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるに
は、まず、ヘビードープした層を電極直下に挿入する、
すなわちmetal-n+-n、metal-p+-pなる構造を形成する手
法がある（図４、ただし、ｎ型の場合）。これにより、
電位障壁は残るが、非常に空乏層が薄くなり、キャリア
が自由にトンネル効果で通過できるため、抵抗を示さな
くなる。ｎ型ＧａＮではホール濃度が１０19台という高
濃度までドーピングが可能であるが、一方ｐ型ＧａＮド
ーピングでは、現状では１０17台レベルまでしか入らな
い。このために、特にｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる層と
は、充分低い接触抵抗の実現は困難である。この動作電
圧の増加は、素子の発熱につながり、これは寿命を短く
するため大きな問題となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】我々は、ＭＯＣＶＤやＭ
ＢＥ法でＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤを作製するにあたり、
ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との間に薄膜のＧａ
ＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入することによ
り、上記の課題を解決するに至った。この理由は、Ｇａ
ＰＮは、ＧａＮからＰ組成を増加させても、またＧａＰ
からＮ組成を増加させてもバンドギャップが減少し、中
間組成でバンドギャップがゼロになってしまうという特
殊なバンド構造を有しているからである。そこで、ワイ
ドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるために、
非常にバンドギャップが小さいもしくはゼロである薄膜
のＧａＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入すること
により、キャリア濃度を非常に高くすることができなく
ても、電極と表面層との間で形成される電位障壁が大幅
に低減され、オーミックコンタクトを非常に取り易くな
るためと考えられる（図５、ｎ型の場合）。
ＢＥ法でＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤを作製するにあたり、
ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との間に薄膜のＧａ
ＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入することによ
り、上記の課題を解決するに至った。この理由は、Ｇａ
ＰＮは、ＧａＮからＰ組成を増加させても、またＧａＰ
からＮ組成を増加させてもバンドギャップが減少し、中
間組成でバンドギャップがゼロになってしまうという特
殊なバンド構造を有しているからである。そこで、ワイ
ドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるために、
非常にバンドギャップが小さいもしくはゼロである薄膜
のＧａＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入すること
により、キャリア濃度を非常に高くすることができなく
ても、電極と表面層との間で形成される電位障壁が大幅
に低減され、オーミックコンタクトを非常に取り易くな
るためと考えられる（図５、ｎ型の場合）。
【０００５】本発明の要点であるＡｌＧａＩｎＮ系から
なる層と電極との間の薄膜のＧａＰ xＮ1-x（０.１≦ｘ
≦０.９）層としては、厚さ、組成等の値については、
ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層のキャリア濃度と組成（バ
ンドギャップ）により異なるため特に限定されないが、
通常好適な厚さとしては、接触抵抗が低下するという効
果を満たすのに必要な厚さがあればよく、通常１μｍ以
下であり、しばしば５〜１００ｎｍ程度の厚さで使用さ
れる。
なる層と電極との間の薄膜のＧａＰ xＮ1-x（０.１≦ｘ
≦０.９）層としては、厚さ、組成等の値については、
ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層のキャリア濃度と組成（バ
ンドギャップ）により異なるため特に限定されないが、
通常好適な厚さとしては、接触抵抗が低下するという効
果を満たすのに必要な厚さがあればよく、通常１μｍ以
下であり、しばしば５〜１００ｎｍ程度の厚さで使用さ
れる。
【０００６】又より好適な混晶比ｘとしては、０．１以
上０．９以下であり、より好ましくは０．２以上０．８
以下である。尚、本明細書においてＡｌＧａＩｎＮ系か
らなる層とは、Ａｌ又はＩｎの組成が０のものを含むも
のとする。以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限り、実施例に
限定されるものではない。 （実施例）本発明の成長に使用した装置の構成は図６に
示すように中央に基板搬送室を設け、基板交換室１室と
減圧ＭＯＣＶＤ装置３台を設置してある。成長室１は通
常のＭＯＣＶＤ装置であり、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半
導体の成長に用いる。成長室２も通常のＭＯＣＶＤ装置
であるがＡｌＧａＩｎＮ系以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体の成長に用いる。成長室３は、原料をマイクロ波励
起によりラジカル分解することができ、基板表面の窒化
及びＡｌＧａＩｎＮ系化合物の成長に用いる。図１に示
すような構造のエピタキシャルウエハを成長手順を示
す。
上０．９以下であり、より好ましくは０．２以上０．８
以下である。尚、本明細書においてＡｌＧａＩｎＮ系か
らなる層とは、Ａｌ又はＩｎの組成が０のものを含むも
のとする。以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限り、実施例に
限定されるものではない。 （実施例）本発明の成長に使用した装置の構成は図６に
示すように中央に基板搬送室を設け、基板交換室１室と
減圧ＭＯＣＶＤ装置３台を設置してある。成長室１は通
常のＭＯＣＶＤ装置であり、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半
導体の成長に用いる。成長室２も通常のＭＯＣＶＤ装置
であるがＡｌＧａＩｎＮ系以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体の成長に用いる。成長室３は、原料をマイクロ波励
起によりラジカル分解することができ、基板表面の窒化
及びＡｌＧａＩｎＮ系化合物の成長に用いる。図１に示
すような構造のエピタキシャルウエハを成長手順を示
す。
【０００７】まずサファイア基板を成長室３に導入し、
加熱昇温する。５００゜Ｃにおいて、成長前に窒素ガス
（Ｎ2）を原料として、マイクロ波励起によりラジカル
窒素を基板表面に供給し、表面の酸素（Ｏ）原子をＮ原
子と置換させる工程、すなわち窒化を行う。この表面上
に、ＧａＮバッファ層２０ｎｍを成長させる。この後、
基板を冷却し、搬送室を経て成長室１へ基板を移動させ
る。成長温度１０００゜Ｃで加熱し、前記エピタキシャ
ル膜成長基板上に、ｎ型ＧａＮバッファ層４μｍ、ｎ型
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１μｍ、ＺｎドープＩｎ
0.1Ｇａ0.9Ｎ活性層０.１μｍ、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
クラッド層１μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１μｍを順
次成長させる。このとき、キャリアガスに水素を用い
て、ＩＩＩ族原料ガスに、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル
インジウム（ＴＭＩ）を用いた。Ｖ族原料には、一般的
にはアンモニア（ＮＨ3）が用いられるが、成長温度の
低減のために、低温での分解効率のよいジメチルヒドラ
ジンやアジ化エチルなどの有機金属を用いてもよい。ｎ
型ドーパントには、ＳｉまたはＧｅを、ｐ型ドーパント
には、ＭｇまたはＺｎを用いた。必要に応じて、成長後
に引き続いて成長室内で熱処理を行い、キャリアを活性
化させる。この後、基板を冷却し、搬送室を経て成長室
２へ基板を移動させる。基板を７００゜Ｃに加熱し、前
記エピタキシャル膜成長基板上に厚み２０ｎｍのＧａＰ
0.2Ｎ0.8を接触抵抗低減層として成長させる。このと
き、キャリアガスに水素を用いて、ＩＩＩ族原料ガス
に、ＴＭＧをＶ族原料には、ＮＨ3及びホスフィン（Ｐ
Ｈ3）を使用した。前記ＧａＰ0.2Ｎ0.8接触抵抗低減層
は、余り厚くすると発光した光の吸収を大きくしてしま
うが、上記実施例のように、光吸収の影響のない非常に
薄い薄膜でも接触抵抗の低減に、非常に有効である。ま
た、この接触抵抗低減層は、抵抗率が非常に小さいため
に、表面で電流を広げる役割も果たしてくれる。
加熱昇温する。５００゜Ｃにおいて、成長前に窒素ガス
（Ｎ2）を原料として、マイクロ波励起によりラジカル
窒素を基板表面に供給し、表面の酸素（Ｏ）原子をＮ原
子と置換させる工程、すなわち窒化を行う。この表面上
に、ＧａＮバッファ層２０ｎｍを成長させる。この後、
基板を冷却し、搬送室を経て成長室１へ基板を移動させ
る。成長温度１０００゜Ｃで加熱し、前記エピタキシャ
ル膜成長基板上に、ｎ型ＧａＮバッファ層４μｍ、ｎ型
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１μｍ、ＺｎドープＩｎ
0.1Ｇａ0.9Ｎ活性層０.１μｍ、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
クラッド層１μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１μｍを順
次成長させる。このとき、キャリアガスに水素を用い
て、ＩＩＩ族原料ガスに、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル
インジウム（ＴＭＩ）を用いた。Ｖ族原料には、一般的
にはアンモニア（ＮＨ3）が用いられるが、成長温度の
低減のために、低温での分解効率のよいジメチルヒドラ
ジンやアジ化エチルなどの有機金属を用いてもよい。ｎ
型ドーパントには、ＳｉまたはＧｅを、ｐ型ドーパント
には、ＭｇまたはＺｎを用いた。必要に応じて、成長後
に引き続いて成長室内で熱処理を行い、キャリアを活性
化させる。この後、基板を冷却し、搬送室を経て成長室
２へ基板を移動させる。基板を７００゜Ｃに加熱し、前
記エピタキシャル膜成長基板上に厚み２０ｎｍのＧａＰ
0.2Ｎ0.8を接触抵抗低減層として成長させる。このと
き、キャリアガスに水素を用いて、ＩＩＩ族原料ガス
に、ＴＭＧをＶ族原料には、ＮＨ3及びホスフィン（Ｐ
Ｈ3）を使用した。前記ＧａＰ0.2Ｎ0.8接触抵抗低減層
は、余り厚くすると発光した光の吸収を大きくしてしま
うが、上記実施例のように、光吸収の影響のない非常に
薄い薄膜でも接触抵抗の低減に、非常に有効である。ま
た、この接触抵抗低減層は、抵抗率が非常に小さいため
に、表面で電流を広げる役割も果たしてくれる。
【０００８】このようにして成長したエピタキシャルウ
エハの表面側に電極を形成し、チップに加工した。この
チップを発光ダイオードとして組み立てて発光させたと
ころ、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４２０ｎ
ｍ、発光出力８００μＷと非常に良好な値が得られた。
このとき動作電圧は３.３Ｖであり、比較のために作製
したｐ−ＧａＮ表面上に電極を形成した従来の発光ダイ
オードでは動作電圧が４.０Ｖであった。この動作電圧
の低減は、素子自体の発熱の低下を意味し、素子の寿命
を大きく改善できた。
エハの表面側に電極を形成し、チップに加工した。この
チップを発光ダイオードとして組み立てて発光させたと
ころ、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４２０ｎ
ｍ、発光出力８００μＷと非常に良好な値が得られた。
このとき動作電圧は３.３Ｖであり、比較のために作製
したｐ−ＧａＮ表面上に電極を形成した従来の発光ダイ
オードでは動作電圧が４.０Ｖであった。この動作電圧
の低減は、素子自体の発熱の低下を意味し、素子の寿命
を大きく改善できた。
【０００９】上記実施例は、発光ダイオードについてで
あったが、半導体レーザにも同様な効果があることは言
うまでもなく、そしてその他ＡｌＧａＩｎＮ系半導体層
の上に直接電極を設置する全ての半導体素子について、
抵抗の減少によるロスを減らすことができ、効果を発揮
する。
あったが、半導体レーザにも同様な効果があることは言
うまでもなく、そしてその他ＡｌＧａＩｎＮ系半導体層
の上に直接電極を設置する全ての半導体素子について、
抵抗の減少によるロスを減らすことができ、効果を発揮
する。
【００１０】
【発明の効果】ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との
間に薄膜のＧａＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入
することにより、抵抗を低減し、これを発光装置として
用いた場合には、動作電圧を大きく低減することがで
き、紫外〜赤色のＡｌＧａＩｎＮ系発光素子の特性及び
素子の寿命も大幅に改善できる。
間に薄膜のＧａＰxＮ1ーx（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入
することにより、抵抗を低減し、これを発光装置として
用いた場合には、動作電圧を大きく低減することがで
き、紫外〜赤色のＡｌＧａＩｎＮ系発光素子の特性及び
素子の寿命も大幅に改善できる。
【図１】図１は、本発明の半導体装置の一例を示す説明
図である。
図である。
【図２】図２は従来の半導体装置の一例を示す説明図で
ある。
ある。
【図３】図３は、従来のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の上
に直接電極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図
である。
に直接電極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図
である。
【図４】図４は、従来のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の上
にヘビードープ層を設けその上に電極を設置した場合の
エネルギーバンドの説明図である。
にヘビードープ層を設けその上に電極を設置した場合の
エネルギーバンドの説明図である。
【図５】図５は、本発明のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の
上にＧａＰxＮ1-x（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入して電
極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図である。
上にＧａＰxＮ1-x（０.１≦ｘ≦０.９）層を挿入して電
極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図である。
【図６】図６は、実施例１で用いた製造装置の説明図で
ある。
ある。
Claims (2)
- 【請求項１】ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との間
に薄膜のＧａＰxＮ1-x（０.１≦ｘ≦０.９）層を有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】該ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層がｐ型であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28195895A JP3605906B2 (ja) | 1994-10-28 | 1995-10-30 | コンタクト抵抗低減層を有する半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-265498 | 1994-10-28 | ||
| JP26549894 | 1994-10-28 | ||
| JP28195895A JP3605906B2 (ja) | 1994-10-28 | 1995-10-30 | コンタクト抵抗低減層を有する半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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