JP2002261101A

JP2002261101A - 半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002261101A
Application number: JP2001058555A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miki; 剛三樹; Shoji Sarayama; 正二皿山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-13
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP4414605B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐ型ドーパントの活性化率が向上した低抵抗
のｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する、動作の安定性
と耐久性とに優れた、半導体素子及びその製造方法を低
コストで提供する。【解決手段】少なくとも１層のｐ型ドーパントをドー
プしたＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子の製
造方法において、前記ｐ型ドーパントをドープしたＩＩ
Ｉ族窒化物半導体層を６００℃以上の温度でアニールし
た後、急冷して、前記ｐ型ドーパントを活性化させる。
前記急冷は、好ましくは、１２５℃／分以上の冷却速度
で行う。前記アニールされたＩＩＩ族窒化物半導体層を
サセプター、冷却ガス等を用いて急冷することができ
る。冷却ガスを用いる場合には、好ましくは、ＩＩＩ族
窒化物半導体層をアニールする際の雰囲気ガスと急冷す
る際の冷却ガスとが互いに異なるガスである。また、急
冷効果を高めるためにアニールしたＩＩＩ族窒化物半導
体層の表裏の両面側から急冷することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１層の
ｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を
有する半導体素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクの大容量化に代表され
る短波長半導体レーザーのニーズの高まりにより、発振
波長６３５〜６５０ｎｍの赤色可視光半導体レーザーに
よるＤＶＤ規格用光源に続いて、次世代高密度ＤＶＤ規
格用光源として、ＧａＮ系材料による青紫半導体レーザ
ーに期待が寄せられている。このＧａＮ系材料による青
紫半導体レーザーにおいては、ｎ型半導体膜は容易に得
られているが、ｐ型半導体膜は、例えば、Ｍｇをドーパ
ントとしてドープしても、アズグロン（as grown）の状
態（即ち、結晶成長後、アニール等によるｐ型ドーパン
トの活性化処理を行わない状態）では活性化しないの
で、低抵抗なｐ型半導体膜は得られていない。現在にお
いても、ＭＯ−ＣＶＤ法により成膜したｐ型不純物をド
ープしたＧａＮ膜の低抵抗化には、活性化アニールが必
要である。超格子構造を用いた低抵抗化技術において
も、やはりアニール等によるｐ型ドーパントの活性化が
必要でであり、ｐ型ドーパントの活性化における活性化
率の向上は、依然としてこの分野の課題の一つである。

【０００３】ｐ型ドーパントを活性化するために最も一
般的に用いられている技術は、活性化により得られる効
果とコストの観点から、アニールとなっている。アニー
ルに係わる技術は、大まかに分けると、(1) 窒素中で行
うアニール、(2) 紫外線照射下で行うアニール、(3) 窒
素雰囲気以外の雰囲気で行うアニール、(4) 金属膜を介
して行うアニール、及び、(5) アニール後に徐冷によっ
て行う冷却、の５つに分けられる。それらの技術の内容
と問題点をＧａＮ単層膜に適用した場合を例にして以下
にまとめる。

【０００４】(1) 窒素中で行うアニール（従来技術１）特許第２５４０７９１号公報には、窒素等の不活性ガス
雰囲気中でのアニールによるアクセプターの活性化に係
わる技術が開示されている。この特許公報によれば、気
相法によりサファイア基板上に成膜した、ｐ型不純物を
ドープした、ＧａＮ半導体膜を窒素雰囲気下で４００℃
以上でアニールすると、アクセプターが活性化するとさ
れている。

【０００５】(2) 紫外線照射下で行うアニール（従来技
術２）特開平７−９７３００号公報によれば、バンドギャップ
を越えるエネルギーを持った紫外線の照射下でアニール
を行うと、アニール温度の低下が可能となり、ｐ型ドー
パントの活性化率が向上するとされている。

【０００６】(3) 窒素雰囲気以外の雰囲気で行うアニー
ル（従来技術３）特開平１０−２０９４９３号公報によれば、酸化雰囲気
中でアニールを行うと、ＧａＮ膜中からの水素の引き抜
きが促進されるので、熱処理温度が低減可能であるとさ
れている。

【０００７】(4) 金属膜を介して行うアニール（従来技
術４）特開平１１−１７７１３４号公報によれば、ＧａＮ膜上
にＰｄ膜を蒸着し、これをアニールすると膜中からの水
素の排出が促進され熱処理温度が低減可能であるとされ
ている。

【０００８】(5) アニール後に徐冷によって行う冷却
（従来技術５）特開平８−３２１１３号公報によれば、アニール後の冷
却速度を自然放冷よりもさらに緩やかな徐冷とすると、
ｐ型半導体膜の低抵抗化が可能であるとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、(1) 従来技術
１においては、アニール後の冷却が自然放冷によるもの
であるので、ｐ型ドーパントと水素との解離が可逆的に
起こる高温域に長く止まり、そのために、ＧａＮ半導体
膜中から排出しきれなかった水素の多くはｐ型ドーパン
トを再び不活性化するという問題があり、(2) 従来技術
２においては、アニール温度が低くなるとＧａＮ半導体
膜中の水素の排出速度も遅くなるので、最終的にＧａＮ
半導体膜中から排出しきれなかった水素によるｐ型ドー
パントの不活性化の影響は免れないという問題があり、
(3) 従来技術３においては、表面の酸化の影響を受ける
ので、やはり、低抵抗なｐ型半導体膜を得ることは難し
いという問題があり、(4) 従来技術４においては、この
メカニズムによっても、短時間のアニール時間では排出
される水素量は窒素雰囲気中と大差はないので、やは
り、低抵抗のｐ型半導体膜を得ることは難しいという問
題があり、そして、(5)従来技術５においては、徐冷に
よりｐ型半導体膜への応力は少なく、膜質の向上は見込
めるが、高温域には他の方法にもまして長く止まること
となるので、ｐ型半導体膜中から排出しきれなかった水
素によるｐ型ドーパントの不活性化の影響を受けること
になり、そのために、低抵抗のｐ型半導体膜を得ること
は難しいという問題があった。

【００１０】本発明は、かかる問題を解決することを目
的としている。即ち、本発明は、ｐ型ドーパントの活性
化率が向上した低抵抗のｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を
有する、動作の安定性と耐久性とに優れた、半導体素子
及びその製造方法を低コストで提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、上記目的を達成するために、少なくとも１層のｐ
型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を有
する半導体素子の製造方法において、前記ｐ型ドーパン
トをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を６００℃以上
の温度でアニールした後、急冷して、前記ｐ型ドーパン
トを活性化させることを特徴とするものである。

【００１２】請求項２に記載された発明は、請求項１に
記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族窒化物
半導体層を１２５℃／分以上の冷却速度で急冷すること
を特徴とするものである。

【００１３】請求項３に記載された発明は、請求項１又
は２に記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層をサセプターを用いて急冷することを特
徴とするものである。

【００１４】請求項４に記載された発明は、請求項１又
は２に記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層を冷却ガスを用いて急冷することを特徴
とするものである。

【００１５】請求項５に記載された発明は、請求項４に
記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族窒化物
半導体層をアニールする際の雰囲気ガスと急冷する際の
冷却ガスとが互いに異なるガスであることを特徴とする
ものである。

【００１６】請求項６に記載された発明は、請求項４又
は５に記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層の表裏の両面側から急冷することを特徴
とするものである。

【００１７】請求項７に記載された発明は、請求項４〜
６のいずれかに記載された発明において、冷却ガスがＨ
ｅガスであることを特徴とするものである。

【００１８】請求項８に記載された発明は、請求項６に
記載された発明において、アニールしたＩＩＩ族窒化物
半導体層の表側を急冷する冷却ガスがＨｅガスであり、
そして、前記アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の裏
側を急冷する冷却ガスがＨ₂ガスであることを特徴とす
るものである。

【００１９】請求項９に記載された発明は、請求項８に
記載された発明において、Ｈｅガスの流れとＨ₂ ガスの
流れとを分離することを特徴とするものである。

【００２０】請求項１０に記載された発明は、少なくと
も１層のｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半
導体層を有する半導体素子であって、前記ｐ型ドーパン
トをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層が６００℃以上
の温度でアニールされた後、急冷されて、前記ｐ型ドー
パントが活性化されていることを特徴とする半導体素子
である。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の少なくとも１層のｐ型ド
ーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を有する
半導体素子の製造方法においては、前記ｐ型ドーパント
をドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を６００℃以上の
温度でアニールした後、急冷して、前記ｐ型ドーパント
を活性化させる。

【００２２】前記「アニール」においては、ｐ型ドーパ
ントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層（膜）中のｐ
型ドーパントを不活性化している水素とｐ型ドーパント
との結合が切られて、その水素が膜外に排出される。そ
れ故、前記アニールの雰囲気は、少なくともその水素濃
度が膜中よりも低い雰囲気であり、好ましくは、窒素ガ
ス雰囲気等の不活性ガス雰囲気である。そして、前記ア
ニールの温度は、前記ｐ型ドーパントと水素の結合を切
るための熱的エネルギーを供給するために、６００℃以
上、好ましくは、７５０℃以上であるが、アニールの温
度が９００℃以上になると、ｐ型ドーパントの活性化よ
りも結晶の熱分解による窒素空孔の生成の方が優勢とな
り、そのために、低抵抗な膜が得られなくなるので、さ
らに好ましくは、６００〜９００℃、もっと好ましく
は、７５０〜９００℃である。

【００２３】従来においては、アニール後の冷却は、一
般的に自然放冷により行われていたが、ｐ型ドーパント
と水素との解離が可逆的に起きる温度領域に長時間さら
されるので、膜中から雰囲気中に排出しきれなかった水
素の多くは、ｐ型ドーパントを再び不活性化させる。し
かしながら、本発明においては、アニール後、急冷する
ので、ｐ型ドーパントと水素との解離が可逆的に起きる
温度領域にさらされる時間が短かくなり、そのために、
ｐ型ドーパントの不活性化が起きる確率は低くなる。よ
って、本発明によれば、ｐ型ドーパントの活性化率が向
上した低抵抗のｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する、
動作の安定性と耐久性とに優れた、半導体素子を低コス
トで得ることができる。

【００２４】本発明における急冷の効果は、高温での急
冷の度合いが大きいほど（短時間で冷却するほど）大き
いが、熱衝撃によるクラックが生じない範囲である必要
がある。それ故、本発明においては、好ましくは、１２
５℃／分以上の冷却速度で急冷される。

【００２５】本発明においては、このようにｐ型ドーパ
ントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を６００℃以
上の温度でアニールした後、急冷するので、加熱の方法
（熱源の種類）、アニール炉の形式及び急冷の方法にか
かわらず、ｐ型ドーパントを活性化させることができ
る。

【００２６】本発明においては、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層をサセプターを用いて急冷することがで
きる。このようなサセプターを用いる冷却は、基板を保
持する機構であるサセプターを介して基板を冷却するこ
とにより行われる。このようなサセプターによる冷却
は、例えば、サセプターを直接水冷することにより、或
いは、冷却ガスにより冷却することにより行われるが、
水冷ブロック等の冷却部材とサセプターを熱結合させる
ことによっても行うことができる。よって、本発明によ
れば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層をサセプタ
ーを用いて急冷するので、アニール後に速やかに急冷す
ることが可能となり、また、サセプターの冷却方法の選
択により冷却速度の選択が可能となる。

【００２７】本発明においては、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層を冷却ガスを用いて急冷することができ
る。前記冷却ガスは、試料温度よりも温度の低い気体を
意味する。かかる冷却ガスを用いてＩＩＩ族窒化物半導
体層を冷却すると、冷却ガスは、ＩＩＩ族窒化物半導体
層から直接に熱を奪うこととなるので、アニールしたＩ
ＩＩ族窒化物半導体層を急冷させることとなる。このよ
うに、本発明によれば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半
導体層を冷却ガスを用いて急冷するので、冷却ガスの流
量により冷却速度が調節可能であり、そのために、急冷
の効果と急冷時に生じる温度分布のバランスをとり、最
大限のｐ型ドーパントの活性化率を達成しながら応力に
よる結晶の劣化を最小限とすることができる。また、窒
素雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で用いることが
でき、窒素雰囲気でのアニール同様低コストのプロセス
となる。

【００２８】本発明においては、アニールの雰囲気は、
少なくともその水素濃度が膜中よりも低い雰囲気であ
り、好ましくは、窒素ガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気
であることは、前述のとおりであるが、アニール後の冷
却では、急冷して、即ち、冷却速度を大きくして、ｐ型
ドーパントと水素の解離が可逆的に起きる温度領域に曝
される時間を短くすることにより、ｐ型ドーパントの不
活性化の起きる確率を低くする。それ故、冷却効果の高
いガス、即ち、比熱容量の大きなガスを冷却ガスに用い
ることにより、目的とする「急冷」の効果を得ることが
可能となる。ここでいう比熱容量の大きな冷却ガスは、
例えば、水素、ヘリウム、アンモニア、メタン等の炭化
水素、及び、エチルアルコール、メチルアルコール等の
アルコールの蒸気である。これらの内で、ヘリウム等の
不活性ガスは、直接冷却にも間接冷却にも使用可能であ
るが、水素等の活性ガスは、直接半導体膜の冷却には用
いることはできないので、基板等を通しての間接冷却に
用いられる。

【００２９】このように、アニールする際の雰囲気ガス
と急冷する際の冷却ガスとでは求められるガスの特性が
異なるので、本発明においては、ＩＩＩ族窒化物半導体
層をアニールする際の雰囲気ガスと急冷する際の冷却ガ
スとは、好ましくは、異にするものとする。ＩＩＩ族窒
化物半導体層をアニールする際の雰囲気ガスと急冷する
際の冷却ガスとが互いに異なるガスであるので、アニー
ルでは、結晶中からの水素の排出の効果と結晶の熱分解
による窒素空孔の生成を抑制効果が大きな雰囲気を選ぶ
ことが可能であり、また、急冷では、冷却速度を大きく
するために比熱容量の大きなガス雰囲気を用いることが
可能であり、そのために、ｐ型ドーパントと水素の解離
が可逆的に起きる温度領域に曝される時間を短くするこ
とにより不活性化の起きる確率は低下できる。また、窒
素雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で用いることが
でき、窒素雰囲気でのアニール同様低コストのプロセス
となる。

【００３０】本発明においては、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層の表裏の両面側から急冷する。このよう
に、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の表裏の両面
側から急冷すると、片面からの冷却に比較して基板を含
めたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造の温度分布を小さく
することができるので、結晶に加わる応力を最小限にす
ることができ、しかも、応力による結晶の劣化を抑える
ことが可能となる。また、窒素雰囲気でのアニール炉を
小規模の改造で用いることができるので、ｐ型ＩＩＩ族
窒化物半導体層を有する半導体素子の製造コストを低く
おさえることができる。

【００３１】本発明における冷却ガスは、好ましくは、
Ｈｅガスである。Ｈｅガスは、不活性ガス中で最も冷却
効果の高いガスであるので、本発明のように、冷却ガス
がＨｅガスであると、成膜面表面の酸化或いは膜中への
水素の再拡散等の悪影響が無い条件で急冷の効果を最大
限に発揮したｐ型ドーパントの活性化が可能となり、そ
のために、高品位かつ低抵抗なｐ型ＩＩＩ族窒化物半導
体層を有する半導体素子が得られる。また、窒素雰囲気
でのアニール炉を小規模の改造で用いることができるの
で、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子の
製造コストを低くおさえることができる。

【００３２】本発明においては、アニールしたＩＩＩ族
窒化物半導体層の表側を急冷する冷却ガスがＨｅガスで
あり、そして、前記アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体
層の裏側を急冷する冷却ガスがＨ₂ ガスである。Ｈ₂ ガ
スは、Ｈｅガスの３倍の比熱容量をもっているので、冷
却効果は高い。しかも、裏面からの冷却にＨ₂ ガスを用
いることにより基板全体の冷却効果を高め、そして、成
膜面の冷却にはＨｅガスを用いることにより冷却雰囲気
からのＨ₂ ガスの膜中への拡散を防ぐことが可能とな
る。それ故、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の表
側を急冷する冷却ガスがＨｅガスであり、そして、前記
アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の裏側を急冷する
冷却ガスがＨ₂ ガスであると、高品位かつ低抵抗なｐ型
ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子が得られ
る。また、窒素雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で
用いることができるので、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層
を有する半導体素子の製造コストを低くおさえることが
できる。

【００３３】本発明においては、Ｈｅガスの流れとＨ₂
ガスの流れとを分離する。このように、チャンバー内の
半導体層成膜面の冷却ガスであるＨｅガスの流れと裏面
の冷却ガスであるＨ₂ ガスの流れとを分離すると、基板
周辺へのＨ₂ ガスの巻き込み等の影響がないので、ｐ型
ドーパントの活性化率がいっそう均一な膜が得られ、そ
のために、高品位かつ低抵抗なｐ型ＩＩＩ族窒化物半導
体層を有する半導体素子が得られる。また、窒素雰囲気
でのアニール炉を小規模の改造で用いることができるの
で、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子の
製造コストを低くおさえることができる。

【００３４】本発明の半導体素子は、少なくとも１層の
ｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を
有する半導体素子であって、前記ｐ型ドーパントをドー
プしたＩＩＩ族窒化物半導体層が６００℃以上の温度で
アニールされた後、急冷されて、前記ｐ型ドーパントが
活性化されたものとなっている。かかる半導体素子は、
ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層が６００℃以上の温度でア
ニールされた後、急冷されて、前記ｐ型ドーパントが活
性化されたものとなっているので、低抵抗なオーミック
電極の形成が可能となり、しかも、高効率かつ長寿命と
なる。特に、本発明においては、これまでｐ型電極付近
で消費されていた電力の削減が可能となり、そのため
に、発熱量が少なくなるので、半導体素子の動作の安定
と長寿命化が可能となる。また、ｐ型ドーパントが低コ
ストで活性化されるので、ＩＩＩ族窒化物半導体層を有
する半導体素子の製造コストが低減される。

【００３５】

【実施例】（実施例１） (1) 膜の形成図１は、本発明の一実施例を示すアニールする前の半導
体素子の断面説明図である。図１に示すように、良く洗
浄したサファイア基板１０１を反応容器（図示せず）内
のサセプターに固定した。この反応容器内を真空排気
後、水素雰囲気中でサーマルクリーニングを行った。次
に、前記反応容器内に固定したサファイア基板１０１の
温度を５００℃とした後、Ｇａ源としてのＴＭＧ、Ｎ源
としてのアンモニア、並びに、キャリアガスとしてのＮ
₂ ガス及びＨ₂ ガスをそれぞれ反応容器内に供給して、
ＧａＮ低温バッファー層１０２を成膜した。そして、Ｇ
ａ源を停止後、１０５０℃に昇温し、Ｇａ源としてのＴ
ＭＧ、ｐ型ドーパントのＭｇ源としてＥｔＣｐ₂ Ｍｇを
それぞれ供給して、ＭｇドープＧａＮ単層膜１０３を形
成させた。このように形成したＭｇドープＧａＮ単層膜
１０３を有するサファイア基板１０１をＮ₂ ガス及びＨ
₂ ガスの混合雰囲気中において自然放冷した。

【００３６】(2) アニール図２は、本発明の一実施例において用いるアニール炉で
あって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そして、
（ｂ）は、急冷する状態を示す。図２に示すように、本
実施例において用いるアニール炉は、アニール雰囲気ガ
ス導入口２０１、ガス排気口２０５、試料挿入口２０７
を備えたアニール用石英チャンバー２０２、及び、試料
加熱用電気炉２０４で構成されている。試料の搬送は、
冷却水パイプを組み込んだサセプターを一体化したＳＵ
Ｓ製のプッシュロッド２０６により行われる。先ず、図
２（ａ）に示すように、ガス導入口２０１からチャンバ
ー２０２内に１１ｍ／分の流速で窒素ガスを導入してチ
ャンバー２０２内を窒素パージした後、これを電気炉２
０４で加熱して７５０℃に昇温した。このチャンバー２
０２内に試料（前記実施例１と同様に形成したＭｇドー
プＧａＮ単層膜１０３を有するサファイア基板１０１）
を試料挿入口２０７からプッシュロッド２０６の先端に
載せてアニール位置２０３に導入し、さらに、チャンバ
ー２０２内を窒素パージした後、この試料を窒素雰囲気
下において７５０℃で１５分間保持してアニールした。
前記窒素ガスは、ガス排気口２０５より排気した。

【００３７】(3) 冷却次に、図２（ｂ）に示すように、前記アニールした試料
を冷却位置２０８の位置に引き出し、サセプターに組み
込んだ冷却水パイプに冷却水を循環させて、前記アニー
ルした試料を約１８０℃／分の冷却速度で急冷した。そ
の際、チャンバー２０２内の雰囲気を構成する窒素ガス
の流量は１１ｍ／分とした。このようにして得られたＭ
ｇドープＧａＮ単層膜１０３を有する半導体素子は、ク
ラック等の発生はなく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3を越えるp型
導電性を示した。なお、本発明では、本実施例１に示す
アニール条件及び冷却条件は、あくまでも本発明の一実
施例を示すものであって、それ以外の温度、雰囲気及び
急冷条件が採用可能である。また、本発明の製造方法に
おいて適用可能な半導体素子は、本実施例１に示すｐ−
ＧａＮ半導体層を有するものに限定されることはなく、
その他のｐ型ＩＩＩ窒化物半導体層を有するものに広く
応用可能であり、さらには、ｐ型ＩＩＩ窒化物半導体層
を多層に有するものに広く応用可能である（実施例６参
照）。

【００３８】（実施例２） (1) 膜の形成実施例１と同様にしてＭｇドープＧａＮ単層膜を形成し
た。 (2) アニール図３は、本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そし
て、（ｂ）は、急冷する状態を示す。図３に示すよう
に、本実施例において用いるアニール炉は、アニール雰
囲気ガス導入口３０１、ガス排気口３０５、冷却ガス導
入口３０８、試料挿入口３０７を備えたアニール用石英
チャンバー３０２、及び、試料加熱用電気炉３０４で構
成されている。試料の搬送は、冷却水パイプを組み込ん
だサセプターを一体化した石英製のプッシュロッド３０
６により行われる。先ず、図３（ａ）に示すように、ガ
ス導入口３０１からチャンバー３０２内に１１ｍ／分の
流速で窒素ガスを導入してチャンバー３０２内を窒素パ
ージした後、これを電気炉３０４で加熱して７５０℃に
昇温した。このチャンバー３０２内に試料（実施例１と
同様にして形成したＭｇドープＧａＮ単層膜１０３を有
するサファイア基板１０１）を挿入口３０７からプッシ
ュロッド３０６の先端に載せてアニール位置３０３に導
入し、さらに、チャンバー３０２内を窒素パージした
後、この試料を窒素雰囲気下において７５０℃で１５分
間保持してアニールした。前記窒素ガスは、窒素ガス排
気口３０５より排気した。

【００３９】(3) 冷却次に、図３（ｂ）に示すように、前記アニールした試料
を冷却位置３０９の位置に引き出し、冷却ガスとしてメ
タンガスをガス導入口３０８よりチャンバー３０２内に
１．５１ｍ／分の流速で導入して、前記アニールした試
料を約１３０℃／分の冷却速度で急冷した。このように
して得られたＭｇドープＧａＮ単層膜１０３を有する半
導体素子は、クラック等の発生はなく、４×１０¹⁷ｃｍ
^-3を越えるp型導電性を示した。なお、本発明では、本
実施例２に示すアニール条件及び冷却条件は、あくまで
も本発明の一実施例を示すものであって、それ以外の温
度、雰囲気及び急冷条件が採用可能である。また、本発
明の製造方法において適用可能な半導体素子は、本実施
例２に示すｐ−ＧａＮ半導体層を有するものに限定され
ることはなく、その他のｐ型ＩＩＩ窒化物半導体層を有
するものに広く応用可能である。

【００４０】（実施例３） (1) 膜の形成実施例１と同様にしてＭｇドープＧａＮ単層膜を形成し
た。 (2) アニール図４は、本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そし
て、（ｂ）は、急冷する状態を示す。図４に示すよう
に、本実施例において用いるアニール炉は、アニール雰
囲気ガス導入口４０１、ガス排気口４０５、冷却ガス導
入口４０６，４０９、試料挿入口４０８を備えたアニー
ル用石英チャンバー４０２、及び、試料加熱用電気炉４
０４で構成されている。試料の搬送は、冷却水パイプを
組み込んだサセプターを一体化した石英製のプッシュロ
ッド４０７により行われる。先ず、図４（ａ）に示すよ
うに、ガス導入口４０１からチャンバー４０２内に１１
ｍ／分の流速で窒素ガスを導入してチャンバー４０２内
を窒素パージした後、これを電気炉４０４で加熱して７
５０℃に昇温した。このチャンバー４０２内に試料（実
施例１と同様にして形成したＭｇドープＧａＮ単層膜１
０３を有するサファイア基板１０１）を挿入口４０８か
らプッシュロッド４０７の先端に載せてアニール位置４
０３に導入し、さらに、チャンバー４０２内を窒素パー
ジした後、この試料を窒素雰囲気下において７５０℃で
１５分間保持してアニールした。前記窒素ガスは、窒素
ガス排気口４０５より排気した。

【００４１】(3) 冷却次に、図４（ｂ）に示すように、前記アニールした試料
を冷却位置４１０の位置に引き出し、冷却ガスとしてＨ
ｅガスを成膜面側のガス導入口４０９及びその裏面側の
ガス導入口４０６よりチャンバー４０２内に１１ｍ／分
の流速で導入して、前記アニールした試料を約１６０℃
／分の冷却速度で急冷した。このようにして得られたＭ
ｇドープＧａＮ単層膜１０３を有する半導体素子は、ク
ラック等の発生はなく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3を越えるp型
導電性を示した。なお、本実施例４に示すアニール条件
及び冷却条件は、あくまでも本発明の一実施例を示すも
のであって、それ以外の温度、雰囲気及び急冷条件が採
用可能である。また、本発明の製造方法において適用可
能な半導体素子は、本実施例４に示すｐ−ＧａＮ半導体
層を有するものに限定されることはなく、その他のｐ型
ＩＩＩ窒化物半導体層を有するものに広く応用可能であ
る。

【００４２】（実施例４） (1) 膜の形成実施例１と同様にしてＭｇドープＧａＮ単層膜を形成し
た。 (2) アニール実施例１と同様にして形成した試料（ＭｇドープＧａＮ
単層膜１０３を有するサファイア基板１０１）を実施例
３と同様にしてアニールした。

【００４３】(3) 冷却次に、図４（ｂ）に示すように、このアニールした試料
を冷却位置４１０の位置に引き出し、冷却ガスとしてＨ
ｅガス及びＨ₂ ガスを、それぞれ、成膜面側のガス導入
口４０９及びその裏面側のガス導入口４０６よりチャン
バー４０２内に１１ｍ／分の流速で導入して、前記アニ
ールした試料を約１８０℃／分の冷却速度で急冷した。
このようにして得られたＭｇドープＧａＮ単層膜１０３
を有する半導体素子は、クラック等の発生はなく、５×
１０¹⁷ｃｍ^-3を越えるp型導電性を示した。なお、本発
明では、本実施例４に示すアニール条件及び冷却条件
は、あくまでも本発明の一実施例を示すものであって、
それ以外の温度、雰囲気及び急冷条件が採用可能であ
る。また、本発明の製造方法において適用可能な半導体
素子は、本実施例４に示すｐ−ＧａＮ半導体層を有する
ものに限定されることはなく、その他のｐ型ＩＩＩ窒化
物半導体層を有するものに広く応用可能である。

【００４４】（実施例５） (1) 膜の形成実施例１と同様にしてＭｇドープＧａＮ単層膜を形成し
た。 (2) アニール図５は、本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、
（ｂ）は、急冷する状態を示し、そして、（ｃ）は、基
板ホルダーの一部拡大説明図である。図５（ａ），
（ｂ）に示すように、本実施例において用いるアニール
炉は、アニール雰囲気ガス導入口５０１、ガス排気口５
０５、冷却ガス導入口５０６，５０９、試料挿入口５０
８を備えたアニール用石英チャンバー５０２、及び、試
料加熱用電気炉５０４で構成されている。試料の搬送
は、冷却水パイプを組み込んだサセプターを一体化した
石英製のプッシュロッド５０７により行われる。図５
（ｃ）に示すように、基板５１４は成膜面５１５を上に
して基板ホルダー５１３に保持され、そして、基板ホル
ダー５１３はプッシュロッド５０７と一体化されてい
る。５１１は脚である。この基板ホルダー５１３下部に
は、円錐状の裏面冷却ガスの拡散を防ぐために、スカー
ト５１２が設けられている。スカート５１２は、成膜面
５１５への裏面冷却ガス（本実施例ではＨ₂ ガス）の拡
散を防止している。併せて、成膜面５１５の冷却ガス流
量を裏面ガス流量の２倍とすることにより成膜面の冷却
ガス流速を高め裏面冷却ガスの拡散を効果的に防いでい
る。先ず、図５（ａ）に示すように、ガス導入口５０１
からチャンバー５０２内に１１ｍ／分の流速で窒素ガス
を導入してチャンバー５０２内を窒素パージした後、こ
れを電気炉５０４で加熱して７５０℃に昇温した。この
チャンバー５０２内に試料（実施例１と同様にして形成
したＭｇドープＧａＮ単層膜１０３を有するサファイア
基板１０１）を挿入口５０８からプッシュロッド５０７
の先端に載せてアニール位置５０３に導入し、さらに、
チャンバー５０２内を窒素パージした後、この試料を窒
素雰囲気下において７５０℃で１５分間保持してアニー
ルした。前記窒素ガスは、窒素ガス排気口５０５より排
気した。

【００４５】(3) 冷却次に、図５（ｂ）に示すように、前記アニールした試料
を冷却位置５１０の位置に引き出し、冷却ガスとしてＨ
ｅガス及びＨ₂ ガスを、それぞれ、成膜面側のガス導入
口５０９及びその裏面側のガス導入口５０６よりチャン
バー５０２内に１１ｍ／分の流速で導入して、前記アニ
ールした試料を約２００℃／分の冷却速度で急冷した。
このようにして得られたＭｇドープＧａＮ単層膜１０３
を有する半導体素子は、クラック等の発生はなく、５×
１０¹⁷ｃｍ^-3を越えるp型導電性を示した。なお、本発
明では、本実施例５に示すアニール条件及び冷却条件
は、あくまでも本発明の一実施例を示すものであって、
それ以外の温度、雰囲気及び急冷条件が採用可能であ
る。また、本発明の製造方法において適用可能な半導体
素子は、本実施例５に示すｐ−ＧａＮ半導体層を有する
ものに限定されることはなく、その他のｐ型ＩＩＩ窒化
物半導体層を有するものにも広く応用可能である。

【００４６】（実施例６）図６は、本発明の他の一実施
例を示す半導体素子の説明図である。図６に示すよう
に、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板６０１上に低
温ＧａＮバッファー層６０２、ｎ−ＧａＮバッファー層
６０３を介して、ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9 Ｎクラック防止
層６０４、ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層６０５、
ｎ−ＧａＮガイド層６０６、活性層としてＩｎ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0. ₉₅Ｎ２周期よりなるＤＱＷ構
造６０７、ｐ−ＧａＮガイド層６０８、ｐ−Ａｌ _0.1 Ｇ
ａ_0.9 Ｎクラッド層６０９、及び、ｐ−ＧａＮコンタク
ト層６１０を順次成膜した。この積層膜をチャンバー内
で自然放冷した後取り出した。その際、ｐ型ドーパント
の活性化は、実施例３と同様に、窒素雰囲気下において
７５０℃で１５分間アニールした後、積層膜の表裏両面
からＨｅガスにより急冷することにより行った。このよ
うにして得られた積層膜にリッジ構造を形成するために
ドライエッチングを施した後、電流狭窄用のＳｉＯ₂ 膜
６１１を成膜した。続いて、電流狭窄用のＳｉＯ₂ 膜６
１１上に電極開口部を開口した後、ｐ−電極用メタル膜
６１３及びｎ−電極用メタル６１２を形成して半導体素
子とした。この半導体素子は、ｐ−電極層及びｐ型クラ
ッド層を含むｐ型元素のドープされた領域が低抵抗化さ
れており、そのために、低電圧駆動可能かつ低抵抗な青
紫可視光レーザーとすることができる。なお、本実施例
６で得られた半導体素子（青紫可視光レーザー）は、あ
くまでも本発明の一実施例を示すものであって、本発明
では、かかる多層構造のみに限定されるものではなく、
それ以外の多層構造を取ることも可能である。また、本
発明は、本実施例６に示される製造方法に限定されるも
のではない。

【００４７】

【発明の効果】（１）請求項１に記載された発明によれ
ば、ｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導体
層を６００℃以上の温度でアニールした後、急冷して、
前記ｐ型ドーパントを活性化させるので、ｐ型ドーパン
トの活性化率が向上した低抵抗のｐ型ＩＩＩ族窒化物半
導体層を有する、動作の安定性と耐久性とに優れた、半
導体素子を低コストで得ることができる。

【００４８】（２）請求項２に記載された発明によれ
ば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層を１２５℃／
分以上の冷却速度で急冷するので、前記（１）の項で記
載した急冷効果を有すると共に熱衝撃によるクラックが
生じない。

【００４９】（３）請求項３に記載された発明によれ
ば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層をサセプター
を用いて急冷するので、アニール後に速やかに急冷する
ことが可能となり、また、サセプターの冷却方法の選択
により冷却速度の選択が可能となる。

【００５０】（４）請求項４に記載された発明によれ
ば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層を冷却ガスを
用いて急冷するので、冷却ガスの流量により冷却速度が
調節可能であり、そのために、急冷の効果と急冷時に生
じる温度分布のバランスをとり、最大限のｐ型ドーパン
トの活性化率を達成しながら応力による結晶の劣化を最
小限とすることができる。また、窒素雰囲気でのアニー
ル炉を小規模の改造で用いることができ、窒素雰囲気で
のアニール同様低コストのプロセスとなる。

【００５１】（５）請求項５に記載された発明によれ
ば、ＩＩＩ族窒化物半導体層をアニールする際の雰囲気
ガスと急冷する際の冷却ガスとが互いに異なるガスであ
るので、アニールでは、結晶中からの水素の排出の効果
と結晶の熱分解による窒素空孔の生成を抑制効果が大き
な雰囲気を選ぶことが可能であり、また、急冷では、冷
却速度を大きくするために比熱容量の大きなガス雰囲気
を用いることが可能であり、そのために、ｐ型ドーパン
トと水素の解離が可逆的に起きる温度領域に曝される時
間を短くすることにより不活性化の起きる確率は低下で
きる。また、請求項３と同様に、窒素雰囲気でのアニー
ル炉を小規模の改造で用いることができ、窒素雰囲気で
のアニール同様低コストのプロセスとなる。

【００５２】（６）請求項６に記載された発明によれ
ば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の表裏の両面
側から急冷するので、片面からの冷却に比較して基板を
含めたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造の温度分布を小さ
くすることができ、そのために、結晶に加わる応力を最
小限にすることができ、しかも、応力による結晶の劣化
を抑えることが可能となる。また、窒素雰囲気でのアニ
ール炉を小規模の改造で用いることができるので、ｐ型
ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子の製造コス
トを低くおさえることができる。

【００５３】（７）請求項７に記載された発明によれ
ば、冷却ガスがＨｅガスであるので、成膜面表面の酸化
或いは膜中への水素の再拡散等の悪影響が無い条件で急
冷の効果を最大限発揮したｐ型ドーパントの活性化が可
能となり、そのために、高品位かつ低抵抗なｐ型ＩＩＩ
族窒化物半導体層を有する半導体素子が得られる。ま
た、窒素雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で用いる
ことができるので、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有す
る半導体素子の製造コストを低くおさえることができ
る。

【００５４】（８）請求項８に記載された発明によれ
ば、アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の表側を急冷
する冷却ガスがＨｅガスであり、そして、前記アニール
したＩＩＩ族窒化物半導体層の裏側を急冷する冷却ガス
がＨ₂ ガスであるので、高品位かつ低抵抗なｐ型ＩＩＩ
族窒化物半導体層を有する半導体素子が得られ、また、
窒素雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で用いること
ができるので、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半
導体素子の製造コストを低くおさえることができる。

【００５５】（９）請求項９に記載された発明によれ
ば、Ｈｅガスの流れとＨ₂ ガスの流れとを分離するの
で、基板周辺へのＨ₂ ガスの巻き込み等の影響がなくな
り、ｐ型ドーパントの活性化率がいっそう均一な膜が得
られる。よって、高品位かつ低抵抗なｐ型ＩＩＩ族窒化
物半導体層を有する半導体素子が得られる。また、窒素
雰囲気でのアニール炉を小規模の改造で用いることがで
きるので、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体
素子の製造コストを低くおさえることができる。

【００５６】（１０）請求項１０に記載された発明によ
れば、ｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化物半導
体層が６００℃以上の温度でアニールされた後、急冷さ
れて、前記ｐ型ドーパントが活性化されているので、低
抵抗なオーミック電極の形成が可能となり、しかも、高
効率かつ長寿命となる。また、これまでｐ型電極付近で
消費されていた電力の削減が可能となるので、発熱量が
少なくなり、半導体素子の動作の安定と長寿命化が可能
となる。さらに、ｐ型ドーパントが低コストで活性化さ
れるので、ＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子
の製造コストが低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すアニールする前の半導
体素子の断面説明図である。

【図２】本発明の一実施例において用いるアニール炉で
あって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そして、
（ｂ）は、急冷する状態を示す。

【図３】本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そし
て、（ｂ）は、急冷する状態を示す。

【図４】本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、そし
て、（ｂ）は、急冷する状態を示す。

【図５】本発明の他の一実施例において用いるアニール
炉であって、（ａ）は、アニールする状態を示し、
（ｂ）は、急冷する状態を示し、そして、（ｃ）は、基
板ホルダーの一部拡大説明図である。

【図６】本発明の他の一実施例を示す半導体素子の説明
図である。

【符号の説明】

１０１サファイア基板１０２ＧａＮ低温バッファー層１０３ＭｇドープＧａＮ単層膜２０１，３０１，４０１，５０１アニール雰囲気ガス
導入口２０２，３０２，４０２，５０２アニール用石英チャ
ンバー２０３，３０３，４０３，５０３アニール時の基板位
置２０４，３０４，４０４，５０４試料加熱用電気炉２０５，３０５，４０５，５０５ガス排気口２０６，３０６，４０７，５０７プッシュロッド２０７，３０７，４０８，５０８試料挿入口２０８，３０９，４１０，５１０冷却時の基板位置３０８冷却ガス導入口４０６，５０６（裏面）冷却ガス導入口４０９，５０９（成膜面）冷却ガス導入口５１１脚５１２スカート５１３基板ホルダー５１４基板５１５成膜面６０１サファイア基板６０２低温ＧａＮバッファー層６０３ｎ−ＧａＮバッファー層６０４ｎ−Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラック防止層６０５ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層６０６ｎ−ＧａＮガイド層６０７Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ２
周期よりなるＤＱＷ構造６０８ｐ−ＧａＮガイド層６０９ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層６１０ｐ−ＧａＮコンタクト層６１１ＳｉＯ₂ 膜６１２ｎ−電極用メタル６１３ｐ−電極用メタル

フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA41 AA43 AA44 CA22 CA40 CA49 CA57 CA73 CA77 5F073 AA11 AA74 CA07 CB03 CB14 DA05 DA16 EA07 EA27 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１層のｐ型ドーパントをドー
プしたＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子の製
造方法において、前記ｐ型ドーパントをドープしたＩＩ
Ｉ族窒化物半導体層を６００℃以上の温度でアニールし
た後、急冷して、前記ｐ型ドーパントを活性化させるこ
とを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層を
１２５℃／分以上の冷却速度で急冷することを特徴とす
る請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層を
サセプターを用いて急冷することを特徴とする請求項１
又は２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層を
冷却ガスを用いて急冷することを特徴とする請求項１又
は２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】ＩＩＩ族窒化物半導体層をアニールする
際の雰囲気ガスと急冷する際の冷却ガスとが互いに異な
るガスであることを特徴とする請求項４に記載の半導体
素子の製造方法。
【請求項６】アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の
表裏の両面側から急冷することを特徴とする請求項４又
は５に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】冷却ガスがＨｅガスであることを特徴と
する請求項４〜６のいずれかに記載の半導体素子の製造
方法。
【請求項８】アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の
表側を急冷する冷却ガスがＨｅガスであり、そして、前
記アニールしたＩＩＩ族窒化物半導体層の裏側を急冷す
る冷却ガスがＨ₂ ガスであることを特徴とする請求項６
に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】Ｈｅガスの流れとＨ₂ ガスの流れとを分
離することを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の
製造方法。
【請求項１０】少なくとも１層のｐ型ドーパントをド
ープしたＩＩＩ族窒化物半導体層を有する半導体素子で
あって、前記ｐ型ドーパントをドープしたＩＩＩ族窒化
物半導体層が６００℃以上の温度でアニールされた後、
急冷されて、前記ｐ型ドーパントが活性化されているこ
とを特徴とする半導体素子。