JPH10163576A

JPH10163576A - 化合物半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JPH10163576A
Application number: JP33637696A
Authority: JP
Inventors: Toru Kachi; 徹加地; Kazuyoshi Tomita; 一義冨田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的の一つは、化合物半導体上にお
けるマスク形成技術を提供することにある。【解決手段】窒化物化合物半導体２のドライエッチン
グ後の表面４に導電性材料からなるマスク６を形成し、
そのマスク６を用いて前記窒化物化合物半導体２に選択
的に不純物を導入する。不純物導入のためのマスクとし
て導電性材料を使用するので、仮に、化合物半導体表面
にマスク成分が残存したとしても、導電性を低下させる
原因とはならない。よって、化合物半導体素子の電気的
特性に悪影響を与えない

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体素子の
製造方法に関し、特に、ＧａＮ等の窒化物化合物半導体
素子の製造方法に関する。

【０００２】

【背景技術】窒化物化合物半導体は、発光ダイオードや
半導体レーザの製造等に使用され、近年は、ＧａＮ等の
III−Ｖ族の窒化物化合物半導体を用いた青〜紫外線領
域の半導体レーザが開発され、注目されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願発明の発明者は、
イオン打ち込みによる化合物半導体への不純物ドーピン
グ技術に関して研究を行った。

【０００４】その結果、ドライエッチング後の化合物半
導体表面にフォトレジストマスクを形成してイオン注入
を行うと、その後にフォトレジストマスクを除去して
も、その表面には微少ながらフォトレジストが残存し、
その残存しているフォトレジストが、化合物半導体素子
の電気的な特性に悪影響を及ぼす場合があることがわか
った。

【０００５】本発明は、上述の新規な知見に基づいてな
されたものであり、その目的の一つは、より改良された
化合物半導体への不純物ドーピング技術を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化物化合物
半導体のドライエッチング後の表面上に、少なくとも前
記表面に接触する部分が導電性材料で構成されているマ
スクを形成する工程を含むことを特徴とする。

【０００７】マスクの、少なくとも化合物半導体に接触
する部分に導電性材料を使用するので、仮に、化合物半
導体表面にマスク成分が残存したとしても、導電性を低
下させる原因とはならない。よって、化合物半導体素子
の電気的特性に悪影響を与えない。

【０００８】「導電性材料」としては、電極に使用する
金属と同じものを使用することが好ましい。電極の成分
であれば、残存したとしても素子の電流・電圧特性に影
響を与えず、また、化合物半導体との整合性もよいから
である。「電極に使用する金属」とは、少なくとも化合
物半導体の表面に接する部分の金属材料を含む金属のこ
とである。

【０００９】本発明は、ドライエッチング等の加工面に
マスクを形成する必要がある場合に適用でき、例えば、
III−Ｖ族の窒化物化合物半導体を用いた短波長（青〜
紫外線領域）の半導体レーザの製造に使用できる。つま
り、III−Ｖ族の窒化物化合物半導体を用いた半導体レ
ーザでは、良好な結晶を得るべく、サファイア（Ａｌ₂
Ｏ₃）などの絶縁性基板上に、例えば、ｎ型のＡｌＧａ
ＩｎＮ系半導体とｐ型のＡｌＧａＩｎＮ系半導体を順次
に成長させる。

【００１０】この場合、絶縁性基板を用いているため
に、ＺｎＳｅ等のII−VI族化合物半導体の場合と違っ
て、ｐ電極，ｎ電極の両電極で成長層を挟む構造（サン
ドイッチ構造）をとることはできず、必然的に、どちら
かの電極を絶縁性基板上に形成するプレーナータイプの
電極構造をとることになる。このプレーナータイプの電
極構造とするためには、結晶成長後の化合物半導体基板
をドライエッチングにより加工しなければならず、ドラ
イエッチングの結果として現れる表面の一部に選択的に
イオンを打ち込んで表面の一部を不導体化する場合など
に、本発明を適用可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（１）本発明の発明者によって明らかされた事項まず、本発明者によって見出された新規な知見について
説明する。

【００１２】（ａ）現象の説明ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を用いた半導体レーザは、サフ
ァイアなどの絶縁性基板上にｎ型のＡｌＧａＩｎＮ系半
導体とｐ型のＡｌＧａＩｎＮ系半導体を順次に成長さ
せ、ｐ型層の一部をＲＩＥなどのドライエッチング法で
除去してｎ型層を露出し、エッチングされていないｐ型
表面とエッチングで露出したｎ型表面に電極を形成し、
両電極間に電流を流す構造をとっている。

【００１３】この製造工程において、電極形成前に活性
層の一部分にのみ電流が流れるようｐ型電極の下部に電
流狭窄構造を形成する。伝導性ＡｌＧａＩｎＮ系半導体
はイオン注入を行うと不導体化するため、電流狭窄構造
としてｐ型層表面の一部を残してイオン注入により不導
体化する方法が有効な方法としてとられている。

【００１４】一方、ｎ型層表面の一部にもイオンを注入
して一部を不導体化することによって、仮に異物が存在
して、ｎ型層の表面と、ドライエッチングにより側壁が
露出している活性層等とがその異物を介して接触した場
合でも、電気的な短絡（ショート）が生じないようにす
るのが望ましい。

【００１５】したがって、ｐ型層、ｎ型層双方の表面上
にマスクパターンを形成するが、従来は、１μｍほどの
厚みのフォトレジストをマスクとして用いている。

【００１６】そして、フォトレジストをマスクとしてイ
オン注入を行った場合、マスクのイオン素子能力は充分
であるのでｐ型層にマスクパターンに応じた電流狭窄構
造が形成される。

【００１７】しかし、フォトレジストをマスクに使用し
て製造したレーザ素子の電流・電圧特性を測定すると、
電流の流れ始めるときの電圧が約５Ｖでバンドギャップ
から予想される電圧約３．５Ｖより高くなることがわか
った。これはレーザの駆動電圧が高くなることを意味す
る。

【００１８】すなわち、所定電流を流すためには、理論
値よりも高い電圧の印加が必要となり、レーザの発光効
率および信頼性を著しく低下させる原因となる。駆動電
圧を下げるには、この立ち上がり電圧を、バンドギャッ
プから決まる理論値の電圧に近づけることが必要であ
る。

【００１９】以上の現象（不具合）が、本発明者の研究
により明らかとなった。

【００２０】（ｂ）現象の解析結果（および実験結果）
の説明解析結果の概要本願発明者が上記不具合の発生原因（立ち上がり電圧が
高い原因）を検討したところ、主な原因の一つが、ドラ
イエッチングしたｎ型層表面（界面）に、マスク材料で
あるフォトレジストが、極微量ではあるが残ることにあ
ることが判明した（オージェ分析による）。

【００２１】すなわち、ドライエッチングを受けた化合
物半導体の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察す
ると、エッチング条件によって多少の違いはあるもの
の、およそ１０ｎｍから１００ｎｍの高さの柱状構造
が、表面に非常に密に形成されているのが観察された
（図１０，図１１）。

【００２２】したがって、この表面にマスク用のフォト
レジストを塗布すると、フォトレジストが微細な柱状構
造の間に入り込み、マスク除去後も残存してそのフォト
レジストが障壁を形成し、これが、立ち上がり電圧を上
昇させる原因となっていることがわかった。このフォト
レジストの障壁は、電極と化合物半導体との接触抵抗の
上昇の原因ともなっている。

【００２３】電子顕微鏡写真による解析図１１は、ＡｌＧａＮの全面にドライエッチング（ＲＩ
Ｅ）を施した後の表面の断面を、斜め上方から５０００
０倍の倍率で観察した電子顕微鏡写真である。

【００２４】図１１の下側はＡｌＧａＮの断面であり、
中程に柱状構造（界面付近の断面）が見られる。細い柱
が束ねられたような形状となっていることがわかる。

【００２５】柱の高さは１００オングストローム程度で
あり、柱と柱の間隔（溝の幅）はおよそ１０〜３０オン
グストローム程度である。図１１の上側の部分は柱状構
造を斜め上からみた表面の形態を示しており、表面が鏡
面ではなく、空隙が多数存在する様子がわかる。

【００２６】なお、上記サンプルを製造した際の、Ａｌ
ＧａＮのドライエッチング条件は以下のとおりであっ
た。

【００２７】エッチングガスＣｌ₂ エッチングガスの流量Ｃｌ₂（１．４８ｃｍ³／ｍｉ
ｎ）ＢＣｌ₃（５０ｃｍ³／ｍｉｎ）圧力２．７×１０^-4ＰａＲＦパワー１６０Ｗ基板温度２８℃ 図１０は、ＡｌＧａＮの界面の様子を模式的に示す図で
ある。基板１０上に形成されたＧａＮ系の化合物半導体
２０のドライエッチング後の界面には、多数の柱状構造
が形成されている。この柱状構造のすきまに絶縁物であ
るフォトレジストが残留して、素子の電気的特性の劣化
の原因となるのである。

【００２８】また、以上の現象は、ＧａＮ，ＡｌＧａ
Ｎ，ＡｌＩｎＧａＮなどのIII族（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）
−Ｖ族（Ｎ）の窒化物化合物半導体に共通にみられるこ
とも確認された。

【００２９】また、Ｖ族の元素としてＮ（窒素）のみな
らず、Ａｓ（砒素），Ｐ（リン）を添加した場合につい
ても同様に実験し、この場合も、同様の現象が生じるこ
とがわかった。

【００３０】（ｃ）考察柱状構造が形成されることについての考察ドライエッチング後に柱状構造が形成される主要な要因
としては、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）時
の化学反応の容易性や、化合物半導体の硬度（緻密性）
などが考えられる。

【００３１】ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなど
のIII族（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）−Ｖ族（Ｎ）の窒化物化
合物半導体は緻密で硬く、また、成長温度も高い。ま
た、ＲＩＥ時の化学反応性もＧａＡｓ，ＩｎＰ等の非窒
化物系の化合物半導体に比べかなり低い。

【００３２】本発明者は、ＧａＡｓ，ＩｎＰ等につい
ても、条件を異ならせながらドライエッチングを施して
その界面の状態を観察した。この場合、多少の柱状構造
が観察される場合もあるが、最適なエッチング条件を設
定すれば、柱状構造が現れないようにすることができる
ことがわかった。

【００３３】そして、Ｖ族の元素としてＮ（窒素）の他
にＡｓ（砒素）やＰ（リン）を含む化合物についても、
ＡｌＧａＮ等と同じく、多数のかなりの高さの柱状構造
が形成されるという事実や、窒素含有率を増大させると
窒化物化合物半導体の化学反応性が低下する傾向がみら
れるといった事実に着目すると、フォトレジストをマス
クとして用いた場合の、柱状構造の形成に起因するフォ
トレジスト材料による障壁の形成は、窒素を含む窒化物
化合物半導体に特に顕著にみられる現象である、と考え
ることができる。

【００３４】対策以上の現象を考慮し、フォトレジストが残留せず、レー
ザ素子の立ち上がり電圧に影響を与えないイオン注入用
マスクを検討した。

【００３５】そして、半導体表面と接触するマスクの少
なくとも第一層を、エッチング表面上に形成する電極と
同じ金属とするマスク構造を採用して実験を行った。こ
の結果として、良好なレーザ素子の電流・電圧特性が得
られることが確認された（図９（ａ），この点について
は後述する）。

【００３６】この構造のマスクでは柱状構造の隙間に入
り込むのは電極金属であるため、たとえマスクの除去工
程で表面に残ったとしても、フォトレジストの場合のよ
うに電極と半導体の界面に障壁を形成することはなく、
また接触抵抗に与える悪影響も解消できる。

【００３７】なお、ドライエッチング加工面の他に、こ
れと同様な空隙のある表面が形成されるような加工（た
とえば研磨処理）後の面にマスクを形成する場合にも、
同様の不具合が生じる可能性はあり、このような場合に
も同様の対策が有効となると考えられる。

【００３８】（２）第１実施の形態図１（ａ）〜（ｃ）を参照して、以下、本発明の第１の
実施の形態について説明する。

【００３９】本実施の形態の化合物半導体素子の製造方
法では、図１（ａ）に示すように、窒化物系化合物半導
体２の表面４に、ドライエッチング加工を施す。

【００４０】次に、図１（ｂ）に示すように、金属やそ
の他の導電材料からなる導電膜６を選択的に形成する。
この導電膜６は、不純物導入の阻止能力を備え、かつ化
合物半導体２上における加工が容易である必要がある。
例えば、金属電極材料を用いることができる。

【００４１】次に、図１（ｃ）に示すように、導電膜６
をマスクとして用いて不純物（例えば、窒素や水素）を
イオン注入する。窒化物系化合物半導体の場合、不純物
が注入された領域は不導体となる。これにより、電流の
絞り込み（電流狭窄）や異物によるショート防止等を図
ることが可能となる。

【００４２】導電膜６は除去してもよく、また、そのま
ま残して電極として使用することも可能である。つま
り、上述のとおり、導電膜６としては電極に使用する金
属と同じものを使用することができ、この場合は、導電
膜６はマスクと電極とを兼ねることになる。つまり、電
極をマスクとして用いたセルフアラインによる不純物導
入となる。なお、「電極に使用する金属」とは、少なく
とも化合物半導体の表面に接する部分の金属材料を含む
金属のことである。

【００４３】不純物導入用マスクとしての導電膜６は、
導電性を有するために素子の電気的特性の妨げとならな
い。

【００４４】（３）第２の実施の形態図２〜図９を用いて、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体を
用いた、電流狭窄構造をもつ短波長レーザ素子の製造方
法を説明する。

【００４５】（Ａ）工程１図２に示すようにサファイア（Ａｌ₂０₃）Ａ面基板４０
上に、ＭＯＣＶＤ法によってレーザの各層を成長させ
る。

【００４６】つまり、まず、窒化アルミニュウム（Ａｌ
Ｎ）層５０を５００オングストローム程度の厚みで、成
長温度５００℃で成長させる。この窒化アルミニュウム
（ＡｌＮ）層５０は、サファイア基板４０とｎ型ＧａＮ
層６０との格子定数の不整合を緩和して良好なＧａＮ結
晶のエピタキシャル成長を可能とするために挿入される
層である。

【００４７】次に、１μｍ程度のｎ型ＧａＮ層６０を成
長させる（成長温度１０００℃，成長時間１５分程
度）。その表面は（０００１）面である。

【００４８】続いて、ｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ0.₈₅Ｎ層７０
を５０００オングストローム程度成長させる。この層が
クラッド層となる。

【００４９】次に、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92層（活性層）８０
を１０００オングストローム程度成長させる。このと
き、混晶比を少しづつ異ならせた層を多数積層して、Ｍ
ＱＷ構造とすることも可能である。

【００５０】続いて、ｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層（ク
ラッド層）９０を５０００オングストローム程度成長さ
せる。

【００５１】次に、ｐ型ＧａＮ層１００を１μｍ程度成
長させる。

【００５２】（Ｂ）工程２図３に示すように、ドライエッチング（ＲＩＥ）によ
り、ｎ−ＡｌＧａＮ層７０の中程までエッチングを施す
（図３）。

【００５３】（Ｃ）工程３次に、図４に示すように、イオン注入用のマスクとなる
金属（Ｎｉ）層１１０（厚さ０．１〜０．５μｍ程度）
を電子ビーム蒸着法等により形成する。そして、その上
にフォトレジスト１２０を塗布する。ニッケル（Ｎｉ）
は、後の工程で形成するｐ，ｎ双方の電極の材料（少な
くとも化合物半導体と接する電極部分の構成成分）でも
ある。

【００５４】（Ｄ）工程４次に、図５に示すようにフォトレジストをパターニング
して、Ｎｉ層１１０の加工用のマスクとなる層１２０
ａ，１２０ｂを形成する。

【００５５】（Ｅ）工程５次に、図６に示すように、フォトレジストパターン１２
０ａ，１２０ｂをマスクとして用いてＮｉ層１１０を酸
でエッチングし、イオン注入用のＮｉ／レジスト２層構
造マスクを形成する。ｐ型層上のマスク（１２０ｂ，１
１０ｂ）の横幅は２〜１０μｍ程度である。

【００５６】（Ｆ）工程６次に、上述のマスク（１１０Ａ、１２０ａ、１１０ｂ，
１２０ｂ）を用いて窒素イオン（Ｎ⁺）をイオン注入す
る。なお、ドーパントはＮ⁺に限定されるものではな
い。

【００５７】これにより、イオンが注入された部分は不
導体に変化する。参照番号１３０ａ，１３０ｂ，１３０
ｃ，１３０ｄは不導体化された領域を示す。一方、マス
キングされた部分は導体に保たれる。

【００５８】ｐ型層上のマスク（１１０ｂ，１２０ｂ）
の幅は２〜１０μｍの幅に設定されているため、流れる
電流もその領域に制限されることになり、その結果とし
て電流狭窄が行われる。すなわち、不導体領域１３０
ｃ，１３０ｄは電流を狭窄する働きをする。

【００５９】一方、ｎ型層における不導体領域１３０
ａ，１３０ｂは、異物付着等によってｎ型ＡｌＧａＮ層
７０と活性層８０等とがショートすることを防止した
り、あるいは、ｎ型ＡｌＧａＮ層７０の表面を電流が流
れること（つまり、予定しないルートを電流が流れてレ
ーザ発振に悪影響を及ぼすこと）を防止し、素子の信頼
性を向上させる働きをする。

【００６０】（Ｇ）工程７酸でエッチングすることによりマスク層（１１０ａ，１
２０ａ、１１０ｂ，１２０ｂ）を除去し、Ｎｉからなる
ｎ電極１５０およびｐ電極１４０を表面に形成する。こ
れによって、半導体レーザが完成する。

【００６１】本例では、ｐ，ｎ双方の電極としてＮｉ
（単層）を用いているが、多層膜を使用することもで
き、また、ｐ電極とｎ電極とで異なる材料，構造を使用
することも可能である。

【００６２】例えば、ｐ電極としてはＮｉ（１層目）／
Ａｕ（２層目）を用い、ｎ電極としてはＴｉ（１層目）
／Ａｌ（２層目）を用いることもできる。この場合、上
記工程３におけるイオン注入用マスクを構成する導電性
材料としては、電極の１層目の成分であるＮｉあるいは
Ｔｉ自体、あるいは少なくともそれらの成分を含む合金
を使用できる。

【００６３】図９（ａ）は、上述の各工程を経て製造さ
れた半導体レーザの電流・電圧特性を示す。一方、図９
（ｂ）は対比例として、イオン打ち込みマスクとしてフ
ォトレジストを使用した場合（その他の工程は同じ）の
半導体レーザの電流・電圧特性を示している。

【００６４】ほぼ同じ工程を経ているといっても、イオ
ン打ち込みの工程でＮｉ層をマスクとして用いないで製
造した半導体レーザの電流・電圧特性（図９（ｂ））
は、立ち上がり電圧が高く（（ａ）の場合は４Ｖ程度，
（ｂ）の場合は５Ｖ程度）、特性曲線の立ち上がりの傾
きも緩やかである（つまり、素子抵抗が高い）ことがわ
かる。

【００６５】つまり、両特性を比較すると、図９（ａ）
の特性が、同図（ｂ）の特性より、立ち上がり電圧は低
く、その傾きが急峻で素子抵抗も低く、電流・電圧特性
が優れていることがわかる。

【００６６】本発明を半導体レーザの製造に用いれば、
発光効率が高く、かつ信頼性の高い半導体レーザが得ら
れる。なお、本発明は、半導体レーザの製造に限定され
るものではなく、発光ダイオード等の他の光素子の製造
や他の半導体装置（ＦＥＴ等）の製造にも使用できる。

【００６７】また、不純物の選択的な導入のためのマス
クの形成に限定されるものではなく、遮光用マスクやエ
ッチング用マスクの形成にも本発明を適用できる。

【００６８】

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の第１の実
施の形態にかかる化合物半導体素子の製造方法の工程毎
のデバイスの断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第１の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第２の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第３の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第４の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第５の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第６の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導
体素子の製造方法の第７の工程におけるデバイスの断面
図である。

【図９】（ａ）は本発明の第２の実施の形態にかかる方
法で製造した半導体レーザの電流・電圧特性を示す図で
あり、（ｂ）は対比例（フォトレジストマスクを用いて
不純物導入を行った例）の電流・電圧特性を示す図であ
る。

【図１０】窒化物系化合物半導体にドライエッチング
（ＲＩＥ）を施した場合の、表面の状態を模式的に示す
デバイスの断面図である。

【図１１】ＡｌＧａＮの全面にドライエッチング（ＲＩ
Ｅ）を施した後の表面の断面を、斜め上方から５０００
０倍の倍率で観察した電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

２化合物半導体素子４加工面（ドライエッチング加工面）６導電膜４０サファイア基板５０ＡｌＮ層６０ｎ−ＧａＮ層７０ｎ−ＡｌＧａＮ層８０ＩｎＧａＮ層９０Ｐ−ＡｌＧａＮ層１００Ｐ−ＧａＮ１１０Ｎｉ電極層１２０フォトレジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物化合物半導体のドライエッチング
後の表面上に、少なくとも前記表面に接触する部分が導
電性材料で構成されているマスクを形成する工程を含む
ことを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。