JP2000183465A - 3族窒化物半導体素子製造方法 - Google Patents

3族窒化物半導体素子製造方法

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JP2000183465A JP10361147A JP36114798A JP2000183465A JP 2000183465 A JP2000183465 A JP 2000183465A JP 10361147 A JP10361147 A JP 10361147A JP 36114798 A JP36114798 A JP 36114798A JP 2000183465 A JP2000183465 A JP 2000183465A
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hydrocarbon gas
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Hiroyuki Ota
啓之 太田
Yoshinori Kimura
義則 木村
Mamoru Miyaji
護 宮地
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Pioneer Electronic Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶層p型化のための熱処理工程において、
2族元素を添加した3族窒化物半導体からなる結晶層に
おける正孔濃度を向上させかつ処理の低温化を可能とす
る3族窒化物半導体素子製造方法を提供する。 【解決手段】 3族窒化物半導体素子の製造方法におい
て、2族元素を添加した3族窒化物半導体(AlxGa
1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)からなる
結晶層を形成する工程と、熱処理雰囲気中において該結
晶層を所定温度範囲に加熱し、所定温度範囲に維持され
ている期間の少なくとも一部の期間において、熱処理雰
囲気中へ炭化水素ガスを添加する熱処理工程と、を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、3族窒化物半導体
素子(以下、素子とも記述する)に関し、特に、その素
子の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】発光ダイオード及び半導体レーザダイオ
ード等の発光素子の分野において、3族窒化物半導体
(AlxGa1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦
1)の単結晶にマグネシウム(Mg)や亜鉛(Zn)等
の2族元素が不純物として添加された結晶層を有する半
導体発光素子が、青色発光可能な素子として注目されて
いる。
【0003】上述の窒化物半導体のエピタキシャル成長
は、通常、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)に
よって行なわれるが、MOCVD法を用いMgやZn等
の2族元素が添加された(AlxGa1-x1-yIny
(0≦x≦1,0≦y≦1)結晶は、成長したまま(as
-grown:アズグロン)では極めて高抵抗であり、青色発
光素子を作製しようとしても、電流を通ずることができ
ない。
【0004】近年、Mg等の2族元素を添加し高抵抗化
した(AlxGa1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦y
≦1)結晶に特殊な処理を施すことにより、低抵抗p型
化する方法が報告されている。H.Amano等は結晶
に低加速電子線照射処理を施すことにより、低抵抗p型
化することを見出している(H. Amano et al.: Jp. App
l. Phys. Vol.28, 1989, pp. L2112-2114)。また、S.
Nakamura等は、窒素雰囲気大気圧下又は加圧下で加熱処
理を結晶に施すことによって、やはり低抵抗p型化する
ことを見出している(S. Nakamura et al.: Jpn. J. Ap
pl. Phys. Vol.31, 1992,ppL 139-142)。
【0005】これらのp型化処理の機構は、成膜時にお
いてMg等の2族元素のアクセプタ不純物と膜中で結合
してこれを不導態化している水素原子が、上記処理によ
って解離脱離するものとして解釈されている。上記低加
速電子線照射処理による方法は、発現するp型の室温正
孔濃度値としてE18/cc台の極めて高いものが得ら
れるものの、処理される深さが電子線の浸透深さで制限
され、加速電圧6−30kVに対して約0.3μm程度
であった(S. Nakamura et al.: Jpn. J. Appl. Phys.
Vol.31, 1992,ppL 139-142)。また、真空中で電子線を
掃引することによって処理を行なうことになるため、装
置が大がかりになる上、1枚のウエハを処理するのに必
要な時間が長くなるのが、素子の量産化への適用上の難
点であった。
【0006】一方、上記熱処理による方法は、処理深さ
については低加速電子線照射処理ほどの強い制約はな
く、また、多数のウエハを加熱炉に入れて一度に処理で
きるため、素子の量産に適している。しかしながら、加
熱による方法の場合、この現象を発見したS. Nakamura
等の実験結果でも明らかなように、室温正孔濃度として
3E17/ccと、低加速電子線照射処理より明らかに
低い値にとどまっている。この3E17/ccという室
温正孔濃度の値は、発光ダイオードや半導体レーザの基
本構成要件であるpnダイオードを形成するには十分な
値であり、この加熱処理により実際に発光ダイオードが
製造されるに至っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】こうした加熱処理を用
いて半導体レーザ素子を作製した場合、室温正孔濃度が
3E17/cc程度であるために電極部分の接触抵抗が
問題点となって残ってしまう。また、膜全体の室温正孔
濃度を上げようとして処理温度を高めると、膜表面近傍
の窒素が脱離することにより窒素空孔が発生し、この窒
素空孔がドナーとして働いてアクセプタを補償してしま
うため、表面近傍の正孔濃度はかえって減少してしまう
ことになる。この結果、電極の接触状況はかえって悪化
してしまう。また、処理温度を高く設定することは素子
構造を構成する各層間の相互拡散を助長することにもな
り、素子の発光特性そのものも劣化してしまうという問
題点もあった。
【0008】そこで、本発明では、結晶層p型化のため
の熱処理工程において、2族元素を添加した3族窒化物
半導体(AlxGa1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦
y≦1)からなる結晶層における正孔濃度を向上させ、
該処理の低温化を可能とする3族窒化物半導体素子製造
方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、3族窒化物半
導体素子の製造方法であって、2族元素を添加した3族
窒化物半導体(AlxGa1-x1-yInyN(0≦x≦
1,0≦y≦1)からなる結晶層を形成する工程と、熱
処理雰囲気中において前記結晶層を所定温度範囲に加熱
し、前記所定温度範囲に維持されている期間の少なくと
も一部の期間において、前記熱処理雰囲気中へ炭化水素
ガスを添加する熱処理工程と、を含むことを特徴とす
る。
【0010】本発明による態様においては、前記炭化水
素ガスが、分子内に少なくとも1つの不飽和結合を有す
る炭化水素化合物、例えば、エチレン、プロピレン、ブ
タジエンであることを特徴とする。本発明による他の態
様においては、前記炭化水素ガスがエタン、プロパン又
はブタンであることを特徴とする。
【0011】本発明による他の態様においては、前記熱
処理工程において、前記結晶層の最表層に位置する3族
窒化物半導体(AlxGa1-x1-yInyN(0≦x≦
1,0≦y≦1)のエネルギ禁制帯幅以上のエネルギを
有する光子又はこれを含む電磁波を、前記結晶層の表面
に照射することを特徴とする。本発明による他の態様に
おいては、前記熱処理工程において、前記所定温度範囲
を300℃以上1000℃以下とすることを特徴とす
る。
【0012】本発明による他の態様においては、前記熱
処理工程後の前記結晶層の降温処理工程において、電磁
波の照射を300℃以下の温度まで継続することを特徴
とする。本発明による他の態様においては、前記結晶層
の形成が有機金属化学気相成長法で行なわれていること
を特徴とする。
【0013】本発明の第1態様の特徴は、熱処理雰囲気
中すなわちp型化のための熱アニール処理を行なう際の
雰囲気である窒素(N2)ガス中に、炭化水素化合物ガ
ス、例えば分子中に不飽和結合を有する炭化水素を添加
して、熱処理を行なうので、従来からの温度条件によっ
ても結晶層中の正孔濃度が向上する。また、本発明の第
2態様の特徴は、上記炭化水素化合物ガス導入に加え、
半導体結晶層の表面に光を照射しつつ処理を行なうの
で、熱アニール処理温度の低温化が可能となる。照射に
用いる光は、熱処理を施すべき素子ウエハあるいは試料
の最表面に位置する半導体層のエネルギギャップの値に
相当する波長より短波長のものを使用する。従って、半
導体が窒化ガリウム(GaN)である場合は365nm
より短波長の紫外線を用いる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に、本発明による素子作製方
法について実施例を図面を用いて説明する。図1は本発
明の3族窒化物半導体素子の製造方法に用いる熱処理装
置の一例を示す。本発明の第1及び第2実施例の基本的
相違は、電磁波の照射の有無のみであるので、同一の熱
処理装置により処理を行なうことができる。
【0015】図1に示すステンレス製の熱処理炉本体1
中には、グラファイト製サセプタ2が配置され、サセプ
タ2は下部より石英製窓3を通して赤外線ランプ(図示
せず)により加熱される。紫外線光源4で発生した紫外
線は、光ファイバ5と石英製集光レンズ6と熱処理炉本
体1上部に設けられた石英製の光導入窓7を通してサセ
プタ2上に設置された素子ウエハ8(又はGaN試料な
ど)へ照射されるようになっている。熱処理炉本体1に
は、熱処理炉内部を真空にする真空ポンプ(図示せず)
に連通する排気口9と、雰囲気ガス導入口10と、ガス
排気口11などが設けられている。
【0016】図2に示すように、第1及び第2実施例に
より作製するpnダイオードは、サファイア基板12上
に順に積層された窒化アルニウム(AlN)のバッファ
層13、シリコン(Si)がドープされたn型GaN層
14、及びMgがドープされたGaN層15からなり、
電極16及び17がそれぞれn型GaN層14及びMg
ドープGaN層15に接続されている。pnダイオード
は、酸化シリコン(SiO2)の保護層18で表面が保
護され、電極16,17は窓部19,20のみでGaN
膜と接触している。
【0017】(ウエハの作製)基板12となるサファイ
アウエハを成膜用MOCVD成長炉に装填し、1050
℃の温度において水素気流中で10分間保持し、基板表
面熱クリーニングを行なう。この後、基板温度を600
℃まで降温し、窒素原料であるアンモニア(NH3)と
アルミニウム(Al)原料であるトリメチルアルミニウ
ム(TMA)を反応炉内に導入し、低温AlNバッファ
層13を20nmの厚さに堆積させる。続いてTMAの
供給を止め、NH3のみを流したまま基板温度を105
0℃に昇温し、トリメチルガリウム(TMG)を導入し
GaNの成長を行なう。このときn型不純物としてSi
を添加するためメチルシラン(Me−SiH3)を加え
る。Siドープn型GaN層14が2μm程度成長した
時点で、Me−SiH3の供給を止め、代わりにp型不
純物であるMgの原料であるエチルシクロペンタジエニ
ルマグネシウム(Et−Cp2Mg)を導入する。Mg
添加GaN層15が1μm程度成長した時点でNH3
外の原料供給を停止し、これと同時に降温を開始する。
室温近傍まで冷却後、素子ウエハを成膜装置から取り出
す。
【0018】(p型発現工程) <第1実施例の場合>MOCVD装置より取り出された
ウエハを図1に示した熱処理炉のサセプタ2上に設置
し、排気口9から真空ポンプ(図示せず)を用いて熱処
理炉内部を真空にする。しかる後にガス導入口10から
エチレン(C24)を0.5%含む高純度窒素ガスを導
入して内部を置換し、大気圧に到達すると同時にガス排
気口11を開放して処理炉内にガスフローを作る。赤外
線ランプでサセプタを800℃まで昇温し、この状態を
維持し、20分経過時点で降温を開始し室温近傍まで温
度が下がった時点でガスを止め、内部を再び真空に排気
した後、大気を導入し試料を取り出す。 <第2実施例の場合>MOCVD装置より取り出された
ウエハを図1の実施例の、熱処理炉のサセプタ2上に設
置し、排気口9から真空ポンプ(図示せず)を用いて熱
処理炉内部を真空にする。しかる後にガス導入口10か
ら1,3−ブタジエン(1,3−C46)を0.5%含
む高純度窒素ガスを導入して内部を置換し、大気圧に到
達すると同時にガス排気口11を開放して処理炉内にガ
スフローを作る。赤外線ランプでサセプタを400℃ま
で昇温し、紫外線光源4からの光をウエハに照射しつつ
この状態を維持し、20分経過時点で降温を開始し、温
度が300℃以下になった時点で紫外線の照射を停止
し、室温近傍まで温度が下がった時点でガスを止め、内
部を再び真空に排気した後、大気を導入し試料を取り出
す。
【0019】(素子化工程)次に、第1及び第2実施例
の処理を経た素子ウエハのそれぞれに対して、一般的な
フォトリソグラフィを用いて、ウエハ上にエッチングマ
スクを形成し、反応性イオンエッチング(RIE)を用
いてMg添加GaN膜15の不要な部分を除去し、部分
的にn型GaN膜14を露出させる。
【0020】エッチングマスクを除去後、フォトレジス
トを塗布し、これをフォトリソグラフィにより電極形成
部分を残して除去し、この上にSiO2保護膜18をス
パッタリング等の方法によって堆積させる。この後、リ
フトオフ法によってフォトレジストごと不要なSiO2
保護膜の部分すなわち電極成形部分のみ除去する。これ
により、電極形成用の窓部19,20が形成される。
【0021】n型GaN層14が露出している窓部19
に、チタン(Ti)を50nm、続いてアルミニウム
(Al)を200nm蒸着し、n側電極16を形成す
る。p型GaN層15が露出している窓部20には、ニ
ッケル(Ni)を50nm、金(Au)を200nm蒸
着してp側電極17を形成する。このようにして作製さ
れた素子ウエハを各素子に切断して特性の測定を行なっ
た。
【0022】図3のb.は上記の実施例における第1実
施例の方法で処理されたウエハから作製した素子の電圧
電流特性を示す。これと比較するために、N2中で80
0℃,20分の通常のp型化処理を行なって作製した素
子の特性を図3のa.で示す。従来例素子a.の場合、
特に電流の立上り部分での曲がりが著しく、材料である
GaNのバンドギャップから予測される約3.4Vより
高い立上り電圧を示している。このことは、p側電極部
分に何らかの電位障壁があることを示唆している。
【0023】一方、本発明の処理法による図3の素子
b.では立ち上り部分が従来例素子の場合に比べ顕著に
改善されており、電極の接触状態が大きく改善されたこ
とを示している。図3のc.は第2実施例の方法で処理
されたウエハから作製された素子の電圧電流特性であ
る。第1実施例の方法によるものとほぼ同等の特性を示
している。
【0024】以下に、本発明の方法における作用機構に
ついて、従来の方法における問題点の発生原因に関する
考察を含め詳述する。Mg等の2族元素を添加した(A
xGa1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)結
晶膜をMOCVD法により成長させると、膜中に水素が
取り込まれ、アクセプタ不純物となるべきMgが不動態
化される。この水素の量は、膜中に添加されているMg
の量とほぼ等しく、膜中にMg−Hの形に結合した状態
で取り込まれていると考察される。上述したように、窒
素雰囲気中で800℃20分程度の熱処理を行なうこと
によってこの水素が膜から脱離し、Mg原子濃度と、熱
処理後に残留している水素原子濃度の差分に相当する量
のアクセプタが膜中に現れる。従って、800℃20分
程度の熱処理の場合、最終的に得られる正孔濃度は、膜
中に添加されたMg濃度で直接決定されているのではな
く、むしろ膜から離脱したHの量で決定されていること
を示している。
【0025】上述したようにMg添加したGaN膜から
のH離脱が不完全な状態で留まってしまうのは、脱離過
程のどこかに強い律速過程が存在するからであると考え
られる。アズグロンの試料の場合、膜中のMg原子は水
素との間で、Mg−H複合体(complexと呼ばれ
る)を形成しているものと考えられる。加熱(300℃
程度)を行なうことによりこの複合体は解離する。この
過程は、
【0026】
【化1】 Mg-H → Mg- + H+ …… (1) と表されるが、この反応で発生したH+は前述したよう
に膜中を比較的容易に拡散するものの、H+のまま膜外
へ脱離することはできない。なぜなら、独立のH+とは
陽子そのものであり、窒素ガスで満たされた熱処理炉内
雰囲気へそのまま出て行くことはできないからである。
つまり、膜表面から脱離していくのは水素ガス分子(H
2)である。
【0027】このことは、水素の脱離には更に、まずH
+が負電荷を獲得し中性化する過程、
【0028】
【化2】H+ + e- → H0 …… (2) と、この中性H0が会合し水素分子(H2)になる過
程、
【0029】
【化3】 H0 + H0 → H2 …… (3) とが含まれていることを意味する。GaN結晶中におけ
る水素(H+,H−,H0)の形成エネルギを計算する
と、いかなるフェルミレベルの条件に対してもH+又は
H−という荷電状態よりH0の方が形成エネルギが高
く、つまり、H0なる中性状態は膜中で不安定である。
このことは、上記の中性化の式は、
【0030】
【化4】H+ + e- ⇔ H0 …… (4) なる形で書かれるべきである。一方、H2分子形成の反
応は、水素の熱安定性を考慮すれば、ほとんど右向きの
反応のみで良いことが分かる。しかし、水素分子H2
形成されるためには、膜表面で2つの中性水素原子H0が
会合しなければならず、膜中の水素濃度が低下すればす
るほど、つまり、膜の処理が進みp型になって行く程、
反応速度が低下することになる。
【0031】上記(2)式の反応における電子は明らか
にGaN中の伝導電子である。従って、熱処理前の反絶
縁成膜中に全く存在しない。膜を800℃以上の高温に
すると、GaNが半導体の真性領域に近づいてくるた
め、膜中に電子及び正孔の対が生成される。この電子が
(2)式の反応に寄与するものと考えられる。しかしな
がら、GaNのバンドギャップは3.4eVと大きいた
め、このような機構で発生する電子の濃度は極めて低
い。
【0032】また、膜に処理がかかり始めp型化して来
ると、フェルミレベルが価電子帯へ移動するので、伝導
電子の濃度が激減し、(2)式の進行も減速することと
なる。これらの考察から、水素が膜から脱離していくの
を律速している過程とは、上記の1) H+の中性化の
反応過程と、2) H0原子2個の会合と、である。
【0033】本発明の第1実施例の方法の場合、中性水
素原子(いわゆる水素ラジカル)と高い反応性を有する
ガス分子種であるC24を熱処理雰囲気に添加し、これ
により、中性水素原子同士の会合反応に依存することな
く中性水素原子を膜表面から取り去るものである。原子
状水素とエチレンの素反応は、
【0034】
【化5】 H + C24 → H2 + C23 …… (5) であり、結果としてC23なるラジカルを生成すること
となる。実際には、GaNを熱処理するとわずかに膜中
の窒素が抜ける結果、膜表面に金属Gaが生じ、触媒と
して働く。その結果、
【0035】
【化6】 H + C24 + Ga → C25+Ga ……(6) なる反応でエチルラジカルを生じると考えられる。この
反応は(5)式の反応より遙かに反応速度が大きい。本
発明の第2実施例は、第1実施例に加え、更に光によっ
て膜中に電子を励起し、これによって中性化の反応を促
進し、膜からの水素解脱をいっそう促進するものであ
る。反応式(2)を進行させるに必要な電子を紫外線照
射により発生させているため、膜の温度を800℃以上
の高温にまで上げる必要がない。上述したように300
℃程度の温度でMg−H複合体が解離するので、400
℃に設定している。ブタジエンは比較的低温でHラジカ
ルを良く捕捉するので、この場合は1,3−ブタジエン
を用いている。
【0036】上記第1実施例では、エチレンを用いた
が、他に不飽和結合を有する分子であるプロピレン(C
36)などを用いてもほぼ同様の効果があげられる。ま
た、第1実施例の場合、処理温度が高いので、分子内に
不飽和結合を有していないエタン(C26)、イソブタ
ン(i−C410)などを用いても類似の効果が得られ
る。但し、メタン(CH4)は反応性が極めて悪いので
充分な効果を上げ得ない。
【0037】第2実施例では、処理温度が低いので、低
温から反応する必要があり、上記プロピレン(C36
などの不飽和結合を有する分子種の使用が望ましい。第
1及び第2実施例ともに、炭素数の多い分子種の方が水
素原子との反応性に富むが、雰囲気ガスとしての実用
上、常温常圧でガス体であることが望ましく、この観点
から、飽和化合物としてはブタンまで、不飽和化合物と
してはブチレン、ブタジエンまでが実用に供しうる範囲
である。
【0038】なお、本実施例ではpnホモ接合ダイオー
ドについて述べたが、これは本発明を限定するものでは
なく、ダブルヘテロ構造、SCH(分離閉じ込めヘテロ
構造)、量子井戸レーザ構造といった各種の接合構造で
あっても有効であり、pチャンネルFETのようなユニ
ポーラ素子の製造にもまた同様に有効である。このよう
に、本発明では、通常の熱処理では得ることのできない
高濃度のp型層を得ることができる。また更に、第2実
施例の方法では処理温度を低温化でき、素子構造を高温
に曝すことによって生ずる層間の相互拡散や劣化を防ぐ
ことができる。
【0039】本発明の第2実施例の場合、温度が300
℃以下に達するまで紫外線の照射を持続しているが、こ
れは以下に述べる理由による。加熱により膜中で解離し
たH+は、
【0040】
【化7】H+ + e- ⇔ H0 なる反応式により、中性状態との間で平衡に達する。前
述したように、H0は安定状態ではないものの、光照射
下では、照射光が到達している深さまでの領域では励起
された伝導帯電子の働きによりH0の濃度は通常の熱平
衡状態より高くなっている。光の照射を停止した後に降
温すると、残留しているH0は速やかにH+とe-に解
離し、H+はMg-と再び結合し、e-は正孔と結合して
消滅していく。一方、光照射を持続したまま降温する
と、H0は安定状態ではないものの、光照射により電子
系が熱平衡からずれたまま結晶が冷却されるためH0の
まま準安定成な状態に凍結される。e-は伝導電子であ
るので冷却後は通常の熱平衡状態に戻る。H0なる準安
定状態はMgアクセプタと結びついていないので、この
結果、膜表面の有効アクセプタ濃度が増大するのであ
る。
【0041】上述の第1及び第2実施例では、pnホモ
接合ダイオードの作製について述べたが、次に、図4に
示した3属窒化物半導体を用いたSCH構造のリッジ型
半導体レーザ素子を作製する第3の実施例である製造工
程を説明する。図4に示す半導体レーザ素子は、単結晶
サファイア基板101上に順に積層された、低温成膜さ
れたGaN(又はAlN)層102、n型GaN層10
3、n型Al0.1Ga0.9N層104、n型GaN層10
5、InGaNを主たる構成要素とする活性層106、
p型Al0.2Ga0.8N層107、p型GaN層108、
p型Al0.1Ga0.9N層109、及びp型GaN層11
0からなり、n側電極114並びにp側電極113及び
115はn型GaN層103並びp型GaN層110に
接続されている。p型Al0.1Ga0.9N層109にはリ
ッジストライプ部118が形成されており、素子は電極
を除きSiO2の絶縁膜111で被覆保護されている。
【0042】活性層106において電子と正孔を再結合
させることによって発光する。n型GaN層105及び
p型GaN層108はガイド層であり、活性層106で
発生した光をここに導波するとともに活性層106より
バンドギャップが大きく設定することによって電子及び
正孔を活性層106内に効果的に閉じ込めるようになっ
ている。p型Al0.2Ga0.8N層107は注入されたキ
ャリア(特に電子)の閉じ込めを更に強化する障壁層で
あり、n型Al0.1Ga0.9N層104及びp型Al0.1
Ga0.9N層109はガイド層105,108より低屈
折率で作製されているクラッド層であり、ガイド層との
屈折率差によって膜厚方向の導波が行なわれる。リッジ
ストライプ部118はクラッド層109の厚さを変化さ
せることで実効屈折率に横方向の段差を生じさせて、発
生した光を横方向に閉じ込めるために設けてある。
【0043】n型GaN層103は電流の流路として設
けられている下地層であり、基板であるサファイアに全
く導電性がないために設けられている。また、低温成長
層のGaN(又はAlN)層102はいわゆるバッファ
層であり、GaNにとっての異種物質であるサファイア
基板上に平滑膜を作製するために形成されている。図4
に示した素子構造は以下の作製工程にて製造される。
【0044】サファイア基板101を成膜用MOCVD
成長炉に装填し、1050℃の温度において300Torr
の圧力の水素気流中で10分間保持し、サファイア基板
101の表面の熱クリーニングを行なう。この後、サフ
ァイア基板101をその温度が600℃になるまで降温
し、窒素原料であるNH3と、Al原料であるTMA
(トリメチルアルミニウム)を成長炉内に導入し、Al
Nからなるバッファ層102を20nmの厚さに堆積さ
せる。
【0045】続いてTMAの供給を止め、NH3のみを
流したまま、バッファ層102が成膜されたサファイア
基板101の温度を再び1050℃に昇温し、TMG
(トリメチルガリウム)を導入してn型GaN下地層1
03を積層する。この時、n型不純物であるSiの原料
としてMe−SiH3(メチルシラン)を成長雰囲気ガ
スに添加する。
【0046】n型GaN下地層103が4μm程度成長
したところで、TMGの供給のみを停止する。一方、M
e−SiH3(メチルシラン)はその供給量を増加して
そのまま供給し続ける。5分間この状態を保持した後、
Me−SiH3の供給量をn型層として必要な量まで減
らすと共に、TMGを再度導入し、同時にTMAを導入
してn型AlGaNクラッド層104の成膜を行なう。
n型AlGaNクラッド層104が0.5μm程度成長
したところでTMAの供給を停止し、n型GaNガイド
層105を0.1μm成長する。n型GaNガイド層1
05の成長が完了したところでTMG,Me-SiH3
供給を停止して降温を開始し、基板温度を750℃とす
る。基板温度が750℃となった時点でキャリアガスを
水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定したところ
でTMG,TMI,Me−SiH 3を導入して活性層1
06の成長を行なう。該活性層を成膜したところでTM
G,TMI,Me-SiH3の供給を停止すると共に、キ
ャリアガスを窒素から水素に切換え、ガス流の状態が安
定したところで基板温度を再び1050℃に昇温し、T
MG,TMAとp型不純物であるMgの原料としてEt
−Cp2Mg(エチル−シクロペンタジエニルマグネシ
ウム)を導入してp型AlGaN層107を0.01μ
m積層する。続いてTMAの供給を停止し、p型GaN
ガイド層108を0.1μm成長し、再びTMAを導入
してp型AlGaNクラッド層109を0.5μm成長
する。更にこの上にp型GaNコンタクト層110を
0.1μm成長させ、図5に示す素子ウエハを得る。そ
の後、TMG及びEt−Cp2Mgの供給を停止し、降
温を開始し、基板温度が400℃になった時点で、NH
3の供給も停止し、基板温度が室温になった時点で反応
炉より取り出す。
【0047】こうして作製されたウエハ上に、図6に示
すように、p側電極として、真空蒸着法によりNi(ニ
ッケル)膜115を200nm成膜する。次に、図7に
示すように、ウエットエッチングによりNi膜115の
一部を除去する。次に、図8に示すように、残っている
Ni膜115をマスクとして、Cl2(塩素)ガスによ
るRIE(反応性イオンエッチング)を用いて、露出し
ている窒化物半導体層をエッチングする。この時、n型
クラッド層104を若干残す深さまでエッチングを行な
う。
【0048】次に、図9に示すように、Ni膜を幅5μ
mを残して、ウエットエッチングにより除去し、5μm
幅のNiをマスクを形成する。次に、RIE(反応性イ
オンエッチング)を用いてNiマスク15を介して、5
μm幅のリッジストライプ部直下以外の部分、すなわち
コンタクト層110及びp型AlGaNクラッド層9
を、クラッド層9の約0.1μm残して除去し、図10
に示すように、狭リッジ構造118を形成する。この
時、同時に、残りのn型クラッド層104が除去され、
部分的にn型GaN下地膜103が露出する。
【0049】この状態になったウエハを、図1に示す前
出の実施例で用いた熱処理炉に装填し、熱処理を行な
う。熱処理炉内部を真空にし、その後にC24(エチレ
ン)を0.5%含む高純度窒素ガスを導入して内部を置
換し、大気圧に到達すると同時にガス排出口を開放して
処理炉内にガスフローを作る。赤外線ランプでサセプタ
を600℃まで昇温し、この状態を維持し、20分経過
時点で降温を開始し室温近傍まで温度が下がった時点で
ガスを止め、内部を再び真空に排気した後、大気を導入
しウエハを取り出す。
【0050】(素子化工程)ウエハ上にSiO2保護膜
をスパッタリング等の方法によって堆積させる。この
後、通常のフォトリソグラフィ法によってSiO2保護
膜にp型リッジ部に3μm幅の窓部、及びn側電極用窓
部を形成する。n型GaN層103が露出している部分
に、Ti(チタン)を50nm、続いてAlを200n
m蒸着し、n側電極14を形成する。p型GaN層が露
出している部分には、Niを50nm、Auを200n
m蒸着してp側電極113を形成して素子が完成する。
【0051】比較例として、図6のNi被着工程の前に
順窒素雰囲気中で800℃20分の従来の方法により試
料を熱処理し、以降は、RIE後の熱処理工程を削除す
る以外、第3実施例と全く同一の工程により素子を作製
した。こうして作製した素子ウエハから、各々素子を切
り出して電圧−電流特性の測定を行なった。図11中の
a.で示したものが第3実施例による素子の特性、b.
は比較対象用の素子のものである。第3実施例の方法に
より、素子の電気特性が大幅に改善されているのが分か
る。
【0052】従来方法による素子の特性が、前出の第1
及び第2実施例における従来方法のものより特性的に良
くないが、これはp側電極の面積が、前出のホモジャン
クション素子より小さいためである。この第3実施例の
場合、熱処理時に表面がNiで被われているが、リッジ
幅が5μmと極めて狭いため、リッジ端部から水素が脱
離する。また、C24が水素原子(H)を捕捉する反応
において、Niは極めて良好な触媒として働くので、6
00℃という低めの温度設定でも熱処理効果が得られる
のである。また、p型膜の最表層部分からの窒素の脱離
をNi膜により防止することができるため、電極特性を
いっそう良好な状態にすることができる。GaNから窒
素が脱離した場合、窒素の空孔はドナーとして働き、ア
クセプタを補償してしまい、このため、熱処理温度が高
いと、かえってp−GaNの最表層の正孔濃度が低下
し、電極の接触状態が悪くなってしまうからである。
【0053】
【発明の効果】 本発明によれば、熱処理雰囲気中に、
炭化水素化合物ガスを添加して、熱処理を行なうので、
結晶層中の正孔濃度が向上する。また、本発明によれ
ば、上記炭化水素化合物ガス導入に加え、半導体結晶層
の表面に光を照射しつつ処理を行なうので、熱アニール
処理温度の低温化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の3族窒化物半導体素子の製造方法に
用いる熱処理装置の概略断面図。
【図2】 本発明による実施例にて作製されたpnダイ
オードの概略断面図。
【図3】 本発明による実施例にて作製されたpnダイ
オードと従来例pnダイオードとの電圧電流特性を示す
グラフ。
【図4】 本発明による他の実施例にて作製されたリッ
ジ型半導体レーザ素子の概略断面図。
【図5】 本発明による他の実施例の半導体レーザの製
造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図6】 本発明による他の実施例の半導体レーザの製
造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図7】 本発明による他の実施例の半導体レーザの製
造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図8】 本発明による他の実施例の半導体レーザの製
造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図9】 本発明による他の実施例の半導体レーザの製
造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図10】 本発明による他の実施例の半導体レーザの
製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図11】 本発明による実施例にて作製された半導体
レーザと従来例半導体レーザとの電圧電流特性を示すグ
ラフ。
【主要部分の符号の説明】
1 熱処理炉本体 2 サセプタ 3 石英製窓 4 紫外線光源 5 光ファイバ 6 集光レンズ 7 光導入窓 8 素子ウエハ 9 排気口 10 雰囲気ガス導入口 11 ガス排気口 12 サファイア基板 13 AlNバッファ層 14 Siドープn型GaN層 15 MgドープGaN層 16,17 電極 18 保護層 19,20 窓部 101 単結晶サファイア基板 102 低温成膜GaN(又はAlN)層 103 n型GaN層 104 n型Al0.1Ga0.9N層 105 n型GaN層 106 InGaN活性層 107 p型Al0.2Ga0.8N層 108 p型GaN層 109 p型Al0.1Ga0.9N層 110 p型GaN層 114 n側電極 113,115 p側電極 111 SiO2絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮地 護 埼玉県鶴ヶ島市富士見6丁目1番1号パイ オニア株式会社総合研究所内 Fターム(参考) 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC01 AC08 AC12 AC19 AD10 AD14 AF04 AF09 BB16 CA12 DA53 EB15 EK14 HA16 HA18 5F073 CA02 CA17 DA05 DA16 DA35

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3族窒化物半導体素子の製造方法であっ
    て、2族元素を添加した3族窒化物半導体(AlxGa
    1-x1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)からなる
    結晶層を形成する工程と、 熱処理雰囲気中において前記結晶層を所定温度範囲に加
    熱し、前記所定温度範囲に維持されている期間の少なく
    とも一部の期間において、前記熱処理雰囲気中へ炭化水
    素ガスを添加する熱処理工程と、を含むことを特徴とす
    る製造方法。
  2. 【請求項2】 前記炭化水素ガスが、分子内に少なくと
    も1つの不飽和結合を有する炭化水素化合物であること
    を特徴とする請求項1記載の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記炭化水素ガスがエチレンであること
    を特徴とする請求項2記載の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記炭化水素ガスがプロピレンであるこ
    とを特徴とする請求項2記載の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記炭化水素ガスがブタジエンであるこ
    とを特徴とする請求項2記載の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記炭化水素ガスがエタンであることを
    特徴とする請求項1記載の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記炭化水素ガスがプロパンであること
    を特徴とする請求項1記載の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記炭化水素ガスがブタンであることを
    特徴とする請求項1記載の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記熱処理工程において、前記結晶層の
    最表層に位置する3族窒化物半導体(AlxGa1-x
    1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)のエネルギ禁制
    帯幅以上のエネルギを有する光子又はこれを含む電磁波
    を、前記結晶層の表面に照射することを特徴とする請求
    項1〜8のいずれか1記載の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記熱処理工程において、前記所定温
    度範囲を300℃以上1000℃以下とすることを特徴
    とする請求項9記載の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記熱処理工程後の前記結晶層の降温
    処理工程において、電磁波の照射を300℃以下の温度
    まで継続することを特徴とする請求項9又は10記載の
    製造方法。
  12. 【請求項12】 前記結晶層の形成が有機金属化学気相
    成長法で行なわれていることを特徴とする請求項1〜1
    1のいずれか1記載の製造方法。
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