JP2002289914A - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Abstract
を提供する。 【解決手段】 3族窒化物半導体からなる半導体層及び
これにキャリアを供給する金属電極を含む窒化物半導体
素子であって、半導体層及び金属電極の間に積層され2
族元素の添加された3族窒化物半導体(AlxGa1-x)
1-ylnyN(0≦x≦1、0<y≦1)からなる第1コ
ンタクト層と、第1コンタクト層と金属電極の間に積層
された3族窒化物半導体Alx'Ga1-x'N(0≦x’≦
1)からなる第2コンタクト層と、を有する。
Description
素子に関し、特に前記素子における金属電極との電気接
触に関する。
ードなどの発光素子の分野において、3族窒化物半導体
(AlxGa1-x)1-ylnyN(0≦x≦1、0<y≦
1)の単結晶にマグネシウム(Mg)や亜鉛(Zn)な
どの2族元素が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。3族
窒化物半導体においては電極と半導体との電気的接触性
の向上が求められている。
が、基本的にはp型半導体/金属界面における電荷輸送
は、半導体の価電子帯と金属のフェルミレベルとのエネ
ルギー差に依存する。そのエネルギー差によって、オー
ミック接触又はショットキー接触になる。現時点でp型
窒化物半導体に対し十分にショットキーバリアを低くす
る金属はなく、電極金属の選択だけでは接触性の改善に
限界がある。
ための従来方法として、バンドギャップの小さい半導体
層を金属とのコンタクト層として用いる方法が知られて
いる。特開平10−65216号公報において、Inを
含むバンドギャップの小さい窒化物半導体を、電極との
コンタクト層として用いることによって、電極との接触
抵抗を低減しようとする試みが開示されている。
ア濃度の半導体層を金属とのコンタクト層に用いる方法
も知られている。しかし、バンドギャップが大きい場
合、上記の方法では高キャリア密度が得ることが困難で
あることも一般に知られている。AlGaN系窒化物に
おいてもバンドギャップが大きく、特にp型で高キャリ
ア濃度にすることが困難であった。
を大きくするに従って大きな正孔濃度が得られることが
知られている(Jpn. J. Appl, Phys. 39 (2000) 337 Ku
makura et. al.)。
理によって高正孔濃度にしたp型InGaNをコンタク
ト層として上記の特開平10−65216号公報に開示
された素子を作製し、かかる素子の接触性を調べたが、
大きな改善は見られなかった。そこで、本発明はかかる
状況に鑑みてなされたものであって、素子の電極接触特
性を向上できる3族窒化物半導体素子を提供することを
目的とする。
子は、3族窒化物半導体からなる半導体層及びこれにキ
ャリアを供給する金属電極を含む窒化物半導体素子であ
って、前記半導体層及び前記金属電極の間に積層され2
族元素の添加された3族窒化物半導体(AlxGa1-x)
1-ylnyN(0≦x≦1、0<y≦1)からなる第1コ
ンタクト層と、前記第1コンタクト層と前記金属電極の
間に積層された3族窒化物半導体Al x'Ga1-x'N(0
≦x’≦1)からなる第2コンタクト層と、を有するこ
とを特徴とする。
記第2コンタクト層には2属元素が添加されていること
を特徴とする。本発明の窒化物半導体素子においては、
前記第2コンタクト層の厚さが500Å以下であること
を特徴とする。本発明の窒化物半導体素子においては、
前記2族元素がマグネシウムであることを特徴とする。
記第1コンタクト層がGa1-yInyN(0.05≦y≦
0.4)であることを特徴とする。本発明の窒化物半導
体素子においては、前記第1コンタクト層の厚さが10
〜1000Åであることを特徴とする。本発明の窒化物
半導体素子においては、前記窒化物半導体素子は発光素
子であることを特徴とする。
れにキャリアすなわち正孔を供給する金属電極を含む素
子の電気特性改善を目的として、素子の電極接触特性に
関する実験を詳細に行い、本発明に至った。すなわち、
Mgを添加した第1のコンタクト層のInGaN層など
を成長した後、第2のコンタクト層として最表面に薄い
GaN層などを成長した素子を熱アニール処理によって
p型化してみたところ接触性が改善していることを見出
した。
て添付図面を参照しつつ、実施例を用いて説明する。図
1は、本発明による多重量子井戸構造(MQW)の半導
体発光素子を示す。素子は、サファイアからなる基板1
の上に(AlxGal-x)1-yInyN(0≦x≦1,0≦
y≦1)で表される窒化物半導体単結晶膜の複数を順次
エピタキシャル成長させた多層構造体からなる。サファ
イアからなる基板1上には、AlNやGaNなどからな
る低温バッファ層2及び導電層を成長するSiなどをド
ーピングしたn型GaN下地層3が順次積層されてい
る。n型GaN下地層3上には、活性層4が配されてい
る。活性層4上には、さらに熱アニール処理によってp
型となる、MgドープAlGaN電子バリア層5、Mg
ドープInGaN層6、及びMgドープGaN層7が順
に積層されている。
GaN下地層3上には、絶縁膜8が成膜され、それぞれ
対応する窓にはp側電極9及びn側電極10が形成さ
れ、発光素子をなしている。以下、本発明による窒化物
半導体発光素子の製造方法について詳述する。ここで、
本発明においては、成膜方法として、特に断りのない限
り有機金属気相成長(MOCVD)法を用いている。ま
た原料輸送のために用いるガスとしては、特に断りのな
い限り水素ガスを用いている。
ず)に装填し、サファイア基板上にAlNバッファ層2
を低温成長させた後、トリメチルガリウム(TMG)を
1.7×10-4mol/分、アンモニアを9.0×10
-2mol/分、メチルシランを7.2×10-9mol/
分の流量で、反応管に供給し、基板温度1050℃に
て、Siをドーピングしたn型GaN層3を約6μmの
厚さに成長する。
/分を反応管に供給しながら基板温度を780℃に降温
する。原料キャリアガスを窒素に換えて、Iny1Ga
1-y1N(y1=0.1)/Iny2Ga1-y2N(y2=
0.01)=30Å/60Åを5周期積層して発光層と
なるMQW活性層4を形成する。活性層4のIny1Ga
1- y1N(y1=0.1)層の成長においては、TMGを
4.8×10-6mol/分、トリメチルインジウム(T
MI)を2.6×10-5mol/分、アンモニアを3.
1×10-1mol/分で供給し、Iny2Ga1-y2N(y
2=0.01)層の成長においてTMGを4.8×10
-6mol/分、TMIを2.6×10-6mol/分、ア
ンモニアを3.1×10-1mol/分で供給する。
度を1050℃に昇温、保持し、TMGを7×10-6m
ol/分、トリメチルアルミニウム(TMA)を1.2
×10-6mol/分、ビスエチルシクロペンタジエニル
マグネシウム(EtCp2Mg){Mg(C2H5C
5H4)2}を5.2×10-7mol/分、アンモニアを
2.2×10-1mol/分で供給し、活性層4直上にA
lxGa1-xN(X=0.2)からなる電子バリア層5を
0.02μm成長する。
キャリアガスを窒素に変えて、電子バリア層5上に厚さ
0.1μmのMgドープInxGa1-xN(x=0.1
4)層6を成長する。次に、MgドープInGaN層6
を基板温度770℃において、TMGを1.0×10-5
mol/分、TMIを1.7×10-5mol/分、Et
Cp2Mgを8.8×10-8mol/分、アンモニアを
4.5×10-1mol/分で供給して、堆積する。続い
て、TMIの供給を止め、さらにEtCp2Mgの供給
を2.3×10-7mol/分に変更し、第1コンタクト
層6上に10ÅのMgドープGaN層7すなわち第2コ
ンタクト層を成長し、図2に示すようなウエハ1が完成
する。最後のMgドープGaNの第2コンタクト層7の
成長においては、40秒かけてエピタキシャル成長する
ことで厚さを制御した。EtCp2Mgの流量は窒素中
950℃、5分の熱アニール後に正孔濃度が最大になる
ように調整する。
おける電気的接触性を比較するために、上記ウエハ1の
第1コンタクト層6及び第2コンタクト層7の部分すな
わち活性層−電極間の半導体層を上記第2コンタクト層
7の材料であるMgドープGaNのみで構成したウエハ
2と、上記第1コンタクト層6の材料であるMgドープ
InxGa1-xN(X=0.14)のみで構成したウエハ
3を作製した。素子2の活性層−電極間のInGaN第
1コンタクト層及び素子3の同GaN第2コンタクト層
の膜厚は素子1のGaN/InGaN(第2コンタクト
層7/第1コンタクト層6)の合計膜厚と等しい。
型半導体とするため、完成したレーザーウエハそれぞれ
に対して窒素雰囲気中で950℃、5分の熱アニール処
理を行う。p型ドーパントであるMgをドーピングした
GaN系半導体をMOCVD法で成長した場合、何も処
理を行わない状態では半絶縁性であり、p型の導電性を
示さない。そのため、発光素子ウエハ完成後、熱アニー
ル処理を行うことでMgをドーピングした層を活性化
し、p型の導電性を発現させる。
IE)などにより、図3に示すように、n型GaN層3
を露出させる。その後、各素子のMgドープInxGa
1-xN(x=0.14)層6又はMgドープGaN層7
の部分表面にSiO2などの絶縁膜8を堆積する。次
に、この絶縁膜8に、電極を形成するための窓をパター
ニングする。p型化したMgドープ層6又は7及びn型
GaN層3上には、塩酸による半導体表面処理の後、窓
を介して、それぞれp側電極9及びn側電極10を形成
する(図1)。p側電極9及びn側電極10の材料はそ
れぞれニッケル及びチタンである。
し、ウエハ厚を100μm程度として劈開、チップ化を
行い、素子が完成する。ウェハ1,2及び3から作成し
た素子を以下それぞれ素子1、素子2及び素子3と呼
ぶ。図4は本発明の実施例による素子1と、比較用素子
2及び3の電流電圧の電気特性を示す。図4から明らか
なように、本発明によって駆動電圧が低減している。
体をp型化するには、膜に何らかの処理を加える必要が
あり、その結果として膜の表面が劣化しやすい。特にI
nGaNにおいてはInとNの結合が弱いため、その劣
化が顕著になる。素子2の場合、熱によるInGaN表
面の劣化が、期待される電気的接触性の改善を阻害して
いると推測される。
を厚くするほどInGaNに対する保護効果は増大する
が、抵抗値も増加する。従って、第2コンタクト層7の
厚さは500Å以下であることが好ましい。第1コンタ
クト層6は、その下にある層と格子定数差を有している
ため、この層の厚さを厚くしすぎると結晶性が低下し、
期待される効果が得られない。従って、第1コンタクト
層6の厚さは10〜1000Åであることが好ましい。
用した場合について説明したが、レーザーダイオードに
ついても同様に適用可能である。さらに他の実施例とし
ては、新たにガイド層及びクラッド層を設ける以外、上
記実施例と同一の手法を用いて、図5に示すような、リ
ッジ型半導体発光素子を形成することもできる。すなわ
ち、n型GaN下地層3と活性層4との間にn型AlG
aNクラッド層11及びn型GaNガイド層12を積層
し、さらに、p型MgドープAlGaN電子バリア層5
とp型第1コンタクト層6との間にp型GaNガイド層
13及びp型AlGaNクラッド層14を積層して、上
記図3に対応する工程において、所定幅のマスクを第2
コンタクト層7上に形成し、RIEを用いて、マスク直
下以外の部分、すなわちp型第1コンタクト層6、p型
第2コンタクト層7及びp型AlGaNクラッド層14
を、p型GaNガイド層13の一部厚さを残して除去
し、狭リッジ構造を形成する。そして得られたウェハ上
に、絶縁膜8を形成し、リッジ部上部のp側電極用窓部
及びn側電極用窓部を形成し、各電極を設けて、リッジ
型半導体発光素子を作製する。図5及び図1にて同一の
符号により示される部材は同一の部材である。レーザー
ダイオードの場合はLEDの場合に比べ単位面積当たり
の電流注入量を大きくする必要がある。従って、本発明
による電流を注入する際に必要な電圧を下げる効果はレ
ーザーダイオードで一層有用となる。
における半導体の活性層及び金属電極の間に第1コンタ
クト層と第2コンタクト層とを有するので、素子の電極
接触特性が向上できる。
体発光素子を示す概略断面図。
体発光素子の製造工程中における基板の概略断面図。
程中における基板の概略断面図。
例の素子の電圧電流の電気特性を示すグラフ。
半導体発光素子を示す概略断面図。
Claims (7)
- 【請求項1】 3族窒化物半導体からなる半導体層及び
これにキャリアを供給する金属電極を含む窒化物半導体
素子であって、 前記半導体層及び前記金属電極の間に積層され2族元素
の添加された3族窒化物半導体(AlxGa1-x)1-yl
nyN(0≦x≦1、0<y≦1)からなる第1コンタ
クト層と、 前記第1コンタクト層と前記金属電極の間に積層された
3族窒化物半導体Al x'Ga1-x'N(0≦x’≦1)か
らなる第2コンタクト層と、を有することを特徴とする
窒化物半導体素子。 - 【請求項2】 前記第2コンタクト層には2属元素が添
加されていることを特徴とする請求項1記載の窒化物半
導体素子。 - 【請求項3】 前記第2コンタクト層の厚さが500Å
以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化
物半導体素子。 - 【請求項4】 前記2族元素がマグネシウムであること
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1記載の窒化物半
導体素子。 - 【請求項5】 前記第1コンタクト層がGa1-yInyN
(0.05≦y≦0.4)であることを特徴とする請求
項1〜4のいずれか1記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項6】 前記第1コンタクト層の厚さが10〜1
000Åであることを特徴とする請求項1〜5のいずれ
か1記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項7】 前記窒化物半導体素子は発光素子である
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1記載の窒化
物半導体素子。
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