JP2003347660A

JP2003347660A - 窒化物半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003347660A
Application number: JP2002156972A
Authority: JP
Inventors: Hideichiro Yamamoto; 秀一郎山本; Susumu Omi; 晋近江; Shigetoshi Ito; 茂稔伊藤; Kunihiro Takatani; 邦啓高谷; Toshiyuki Kawakami; 俊之川上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧａＮ基板裏面に、良好なオーミック特性を
有し、かつ高い密着性を有する電極構造を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板裏面に電極を形成する際に、
ＧａＮ基板裏面をドライエッチング処理することによっ
て、ＧａＮ基板裏面との間に良好なオーミック特性を有
して、かつ密着性の高い電極を形成することが可能とな
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ＧａＮ基板上に作製
する窒化物半導体素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は、大きなバンドギャップ
を有することから、短波長発光素子材料として利用可能
である。窒化物半導体と格子整合する良好な異種基板は
存在しないことから、窒化物半導体の基板としては一般
的にはサファイアが用いられている。しかしながら、窒
化物半導体と、サファイア基板とは格子不整合が約１６
％あるため、その格子不整合性に起因して窒化物半導体
膜中には、多くの欠陥、転移が生成し、それらの欠陥、
転移は窒化物半導体発光素子においては発光効率、素子
寿命に悪影響を与えている。これらの問題を解決する手
段としては、ＧａＮ基板を用いる方法が考えられる。Ｇ
ａＮ基板上に窒化物半導体層を作製すれば、欠陥、転移
が抑制できると考えられるからである。

【０００３】ＧａＮ基板は主にハイドライド気相成長法
（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔ
ａｘｙ：ＨＶＰＥ法）によって作製されているが、それ
以外の厚膜成長方法も行われている。基板として用いる
ためには、数１０μｍ以上の膜厚が必要であることか
ら、成長方法としては、成長速度が速いＨＶＰＥ法がも
っとも望ましい。また、ＧａＮ基板を作製する際の種基
板としては、サファイア、ＧａＡｓ等種々の基板が用い
られているが、いずれの基板においても、低温でＧａＮ
バッファ層またはＡｌＮバッファ層、もしくはＡｌＧａ
Ｎバッファ層を成長したのちに、厚膜のＧａＮを成長す
ることで、ＧａＮ成長層の結晶性の向上を図っている。
このようにして作製されたＧａＮ基板は、窒化物半導体
と格子整合する基板として用いられている。ＧａＮ基板
は窒化物半導体と格子整合が取れるため、サファイア基
板を用いる場合に比べて、窒化物半導体成長層に生じる
転移、欠陥が低減され、窒化物半導体層の結晶性の改善
が可能となる。このことにより、窒化物半導体素子の長
寿命化、高効率化、また、表面平坦性の向上が期待され
る。

【０００４】さらに、ＧａＮ基板はｎ型の導電性を持た
せることが可能であるため、窒化物半導体素子を作製す
る際に、ＧａＮ基板裏面にｎ型電極を作製することが可
能である。この構造はサファイア基板上に窒化物半導体
を形成した場合には不可能である。すなわち、サファイ
ア基板は導電性を有していないことからサファイア基板
裏面にｎ型電極を作製することができないため、従来構
造のサファイア基板上の窒化物半導体素子では、エッチ
ングによって窒化物半導体層のｎ型層を露出させ、露出
部にｎ型電極を作製していた。ＧａＮ基板を用いればｎ
型電極はＧａＮ基板裏面に形成すればよいので、窒化物
半導体層のｎ型層を露出させるためのエッチングが不要
となり、窒化物半導体素子作製の工程数が削減され、低
コスト化につながる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＮ基板裏面にｎ型
電極を形成する場合、電極形成前に基板を薄くする必要
がある。これは、ウエハー上に複数作製された素子構造
をチップに分割する際に、劈開しやすくするためのもの
であり、研削・研磨工程によって行っている。ところ
が、ＧａＮ基板においては、その裏面にｎ型電極を作製
した際、アロイなどの処理を行っても、良好なオーミッ
ク電極を作製できないという問題が生じる。その原因と
しては、ＧａＮ裏面では、ＧａＮの結晶の面方位が一定
ではなく面内分布が大きい、裏面を研削・研磨する過程
において研磨傷などが発生し、それが障壁層となってシ
ョットキー特性を示す、ということが考えられるのであ
る。これまでに、この問題に対しては、ＧａＮ基板裏面
に酸やアルカリによる処理を行うことで、表面の欠陥層
を除去し、良好なオーミック特性を有するＧａＮ基板裏
面ｎ型電極の作製が試みられてきた。しかしながら、Ｇ
ａＮは化学的に非常に安定であるため、酸やアルカリに
よる処理では、表面のダメージ層を完全に除去すること
はできない。さらに、ＧａＮ基板裏面ではその面方位が
そろっていない、面内分布が大きいなどの理由のため、
酸やアルカリによる溶液でのエッチングでは、その面内
の不均一性に起因して、エッチング速度にも不均一性が
現れるため、表面を均一にエッチングすることができな
い。このためエッチング後の表面は十分平坦とはなら
ず、ｎ型電極を作製した場合に、電極特性の不安定性、
電極はがれ等の原因となるのである。発明者らは、フッ
酸、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などの酸およびこれらの
酸の混合液、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの
アルカリ溶液を用いて、表面処理を行ったが、ＧａＮ基
板裏面に良好なオーミック特性を有するｎ型電極を安定
して得ることはできなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】これに対して、本発明の
方法は、ＧａＮ基板裏面にドライエッチング処理を行っ
て、ＧａＮ基板表面に存在する欠陥を多く含むダメージ
層を除去するのである。本発明の目的は、ＧａＮを基板
として用いた窒化物半導体構造において、ＧａＮ裏面に
良好なオーミック特性を有する電極を作製し、さらには
低閾値電圧、低閾値電流密度を有する窒化物半導体装
置、特に窒化物半導体発光装置を歩留りよく提供するこ
とにある。本発明者らは、ＧａＮ基板に対して、ドライ
エッチング処理を用いて表面処理を行うことによって、
ＧａＮ基板の表面平坦性を大きく損なうことなく、良好
なオーミック特性を有するｎ型電極を作製することが可
能であることを見いだした。

【０００７】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体装置の製造方法であっ
て、ＧａＮ基板主面に窒化物半導体層を成長する工程
と、ＧａＮ基板の第２の主面である裏面を研磨する工程
と、ＧａＮ基板裏面にドライエッチングを行う工程と、
前記ＧａＮ基板裏面に電極を形成する工程と、電極形成
後に熱処理を行う工程とをこの順に有することを特徴と
する。これによって、ＧａＮ基板裏面側に良好なオーミ
ック電極を作製することが可能となる。

【０００８】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
導電性がｎ型であって、そのｎ型不純物濃度が１×１０
¹⁶ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲内であり、ｎ型不純
物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、
酸素（Ｏ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、硫黄
（Ｓ）等のＩＶ族またはＶＩ族の元素を一種類以上含ん
だＧａＮ基板を用いることを特徴とする。

【０００９】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
前記ドライエッチングで、エッチングガスとして、塩素
（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）等のハロゲン元素を含むガスを
用いることを特徴とする。

【００１０】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
前記ドライエッチングで、ＧａＮ基板裏面研磨面側を
０．０１μｍ〜５μｍエッチングすることで、ＧａＮ基
板裏面のダメージ層を除去するとともに、表面改質を行
うことを特徴とする。

【００１１】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
ｎ型電極材料として、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ、もしくはそれ
らの合金が用いられていることを特徴とする。

【００１２】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
ｎ型電極に対して、Ｎ₂、Ａｒ等の不活性ガス中、また
は真空中で４００〜９００℃の範囲内の温度領域で熱処
理を行うことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施形態】本発明の実施形態を説明する。本発
明による半導体装置は、ＧａＮ基板裏面研磨面側に、オ
ーミック特性の電極を有するものである。このため、Ｇ
ａＮ基板はｎ型または、ｐ型の電導性を有する必要があ
る。ｎ型の導電性を持つＧａＮ基板を用いた場合の半導
体装置の作製方法を説明する。ＧａＮ基板にｎ型の導電
性を持たせるために、不純物のドーピングを行う必要が
ある。ｎ型の不純物としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲル
マニウム（Ｇｅ）、酸素（Ｏ）、セレン（Ｓｅ）、テル
ル（Ｔｅ）、硫黄（Ｓ）、等のＩＶ族またはＶＩ族の元
素を用いることが好ましい。特に、シリコン（Ｓｉ）ま
たは、酸素（Ｏ）を用いることが好ましい。さらに、不
純物濃度は、良好なｎ型の電導性を得るため、１×１０
¹⁶ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲内であることが望ま
しい。

【００１４】ＧａＮ主面側には、窒化物半導体層や化合
物半導体層が形成されていれば、それがどのような機能
を持つものであってもよい。本発明の機能を発揮しうる
構造としては例えば半導体レーザダイオード、発光ダイ
オードなどの素子が上げられる。本発明で用いるＧａＮ
基板は、種基板上にＧａＮの厚膜成長を行い、その後成
長したＧａＮから種基板を除去し、厚膜成長されたＧａ
Ｎを基板としたものである。種基板としてはＧａＡｓ、
サファイアなどが上げられるが、ＧａＮを成長しうるも
のであれば、いかなる基板を種基板として用いてもよ
く、また、ＧａＮの高品質化のために種基板上にＧａＮ
が成長しないＳｉＯ₂のマスクなどを用いて選択成長を
行ったうえでＧａＮ基板を作製したものでもよい。ま
た、種基板上のＧａＮの成長方法については、ＨＶＰＥ
法、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ
ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ：ＭＯＣＶＤ法）、分子線ビームエピタキシー法（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ
法）などが上げられるが、厚膜のＧａＮを成長できれば
いかなる方法で作製された基板でもよい。

【００１５】このようにして作製されたＧａＮ基板を半
導体成長装置内に導入し、第一の主面である表面側に半
導体層の形成を行う。半導体層の成長方法は、ＭＯＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、ＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ
ＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）、スパッタ法等の方法
を用いるが、半導体層を形成できればいかなる方法を用
いてもよい。また、半導体層中に一部絶縁層を挟んだ構
造でもよい。形成する半導体層は窒化物半導体が好まし
いが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の化合物半導体を形成して
もよい。表面に半導体層が形成されたＧａＮ基板は成長
装置から取り出す。

【００１６】成長装置から取り出されたＧａＮ基板に対
して研削、研磨を行う。これは、ＧａＮ基板上に作製さ
れた多数の素子を分割するために必要な工程である。す
なわち、ＧａＮ基板上には、多数の素子が作製されてい
るため、それらを１つずつ分割することが必要である。
このとき、数１００μｍ〜数ｍｍ程度の厚さのＧａＮ基
板とともに素子の分割を行った場合、ＧａＮ基板が厚い
ために、分割をスムーズに行うことができない。そのた
め、研削、研磨を行ってＧａＮ基板を２００μｍ程度の
厚さにする必要がある。研削・研磨工程は、ＧａＮ基板
の厚さが２００μｍ程度になるまで研削機で基板を削る
工程と、ダイヤモンドスラリーで表面を平坦化する工程
と、研磨布を用いた表面の鏡面化の工程とからなる。研
削、研磨工程では、ＧａＮ基板裏面表面には欠陥が導入
され、ＧａＮ基板表面には欠陥が多数集中したダメージ
層が形成される。このダメージ層は電気的な障壁層とし
て働くために、ＧａＮ基板裏面にｎ型電極を作製した場
合、このダメージ層のためにその電気的特性は、オーミ
ック特性とはならない。

【００１７】ＧａＮ基板を薄くするための研削、研磨工
程を行う必要のない場合においても、ＧａＮ基板裏面に
対する研削、研磨は必要である。ＧａＮ基板の作製方法
は、種基板上に厚膜のＧａＮを成長し、種基板を除去す
ることでＧａＮ基板としている方法が現在の技術では主
流となっている。このため、ＧａＮ基板裏面の結晶性は
一般的によくなく、ＧａＮの結晶方位についても、一定
でない場合が多い。このため、裏面に電極を作製しても
その特性はオーミック特性にならない。またＧａＮ基板
裏面の表面は、必ずしも平坦とはいえないため、ＧａＮ
基板裏面に電極を作製した場合、表面が平坦ではないた
めに電極の剥離が生じてしまう。このため、ＧａＮ基板
を薄くする必要がない場合においても、ＧａＮ基板裏面
に対して平坦化を行うための研削、研磨を行う必要があ
る。したがって、ＧａＮ基板裏面の表面には、研削、研
磨によるダメージ層が形成されることになる。

【００１８】そこで、本発明では、研削、研磨後のＧａ
Ｎ基板裏面に対して、ドライエッチングを行うことによ
って、ＧａＮ基板のダメージ層を除去する方法を用い
た。ドライエッチングには、ＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）を用いた。ＲＩＥ以外の方法で、ＲＩＢＥ（反
応性イオンビームエッチング）、ＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）によ
るエッチング、あるいは、スパッタ、ＦＩＢ（集束イオ
ンビーム）などによる物理エッチングなどの方法を用い
てもよいが、ＧａＮ基板の表面平坦性を大きく損なう方
法を用いることはできない。本発明のＲＩＥ装置では反
応性プラズマとして、塩素（Ｃｌ）を用いている。Ｃｌ
はＧａＮと反応することによって、Ｇａと結合し、Ｇａ
Ｎ基板の導電性を向上させる効果がある。ＲＩＥ処理に
よって、ＧａＮ基板表面のダメージ層を除去するととも
に、Ｃｌプラズマによる表面改質効果によって、ＧａＮ
基板裏面の電気特性が向上するのである。このため、Ｇ
ａＮ裏面にｎ型電極を作製を行った場合、その電気的特
性は良好なオーミック特性を示すのである。ＲＩＥに用
いるプラズマガスとして、Ｃｌを含むガスやフッ素等の
ハロゲン元素を含むガスを用いた場合でも、Ｃｌを用い
た場合と同様に、ＧａＮ基板に対する表面改質効果があ
るものと考えられる。

【００１９】ＧａＮ基板裏面はドライエッチングによっ
て、０．０１〜５μｍ程度エッチングを行うことが好ま
しい。０．０１〜５μｍ程度エッチングを行うことで、
表面の平坦性を大きく損なうことなく表面のダメージ層
を除去できるためであり、より好ましくは、０．５〜
２．０μｍの範囲でエッチングを行うことが好ましい。

【００２０】比較例としてＧａＮ基板裏面研磨面に対す
る処理方法として、ＲＩＥによるドライエッチング処理
にかえて、フッ酸による表面処理方法を試みたが、良好
なオーミック特性が安定して得られることはなかった。
なお、フッ酸以外にも、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸およ
び、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等
のアルカリ溶液で同様の処理を行った結果、いずれの場
合においても、良好なオーミック特性を安定して得るこ
とはできなかった。

【００２１】本発明に用いるｎ型電極材料は、Ｈｆ、Ｔ
ｉ、Ａｌまたはそれらの合金であることを特徴としてい
るが、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ以外の金属でｎ型電極となりう
る金属を用いてもよい。また、それらの金属とＧａＮと
の金属間化合物を電極材料として用いることもできる。
電極構造は単層でも、２層以上の材料を積層した積層構
造でもよい。これらの材料系の中でも、ｎ型電極として
最もＧａＮとの接触抵抗値を低くできる構造はＨｆ／Ａ
ｌまたはＴｉ／Ａｌをｎ型電極として用いた場合であ
る。ｎ型電極材料は電子ビーム蒸着装置を用いて堆積を
行うが、その他にもスパッタ装置などを用いて堆積を行
ってもよい。本発明では、ｎ型電極蒸着後にアロイを行
うことを特徴としている。ＲＩＥ処理によって、ＧａＮ
基板裏面表面層には、ＧａＮとＣｌとの化合物が形成さ
れている。その表面層上にｎ型電極金属層が蒸着され
る。ｎ型金属層蒸着後にアロイを行うことによって、Ｃ
ｌを介してのＧａＮと電極金属との反応が促進され、良
好なオーミック電極が作製できると考えられるのであ
る。アロイ温度については、ＧａＮと電極金属との反応
が十分進む程度に高温であればよいが、アロイ温度が低
すぎる場合は、その反応が十分に促進されず、電極特性
がオーミックとならない。また、アロイ温度が高すぎる
場合はＧａＮ基板主面に作製された半導体素子構造に熱
によるダメージを与える可能性があるため、アロイ温度
としては４００〜９００℃程度が適当であり、もっとも
適切な温度は４５０〜７００℃である。アロイ雰囲気に
関しては、真空中やＮ₂雰囲気中、またはＡｒなどの不
活性ガス中でアロイを行うことが望ましい。このような
方法でＧａＮ裏面に良好なオーミック特性を有するｎ型
電極を歩留りよく作製することが可能となる。

【００２２】次に本発明によって、ＧａＮ裏面にｐ型電
極を作製する方法を説明する。この場合、用いるＧａＮ
基板はｐ型の電導性を示す必要がある。ｐ型ＧａＮ基板
のドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛
（Ｚｎ）などのII族元素を用いることが好ましい。この
ような、ｐ型ＧａＮ基板の裏面に対して、第一の主面で
ある表面に窒化物半導体層もしくは化合物半導体層を、
もう一方の主面である裏面側にｐ型電極を作製すること
で、半導体素子の作製が可能となる。基板の作製方法は
ｐ型の電導性を示すものであれば、いかなる方法を用い
てもよい。このようなｐ型の電導性を示すＧａＮ基板を
半導体成長装置に導入しＧａＮ基板表面に窒化物半導体
層もしくは、化合物半導体層を作製する。半導体の成長
方法は、いかなる方法を用いてもよい。また作製する半
導体層は窒化物半導体が好ましいが、それ以外の化合物
半導体層を形成してもよい。成長装置から取り出したＧ
ａＮ基板に対して研削、研磨を行う。この目的は、Ｇａ
Ｎ基板を薄くすることで素子の分割を容易にするため、
また、ＧａＮ基板裏面の平坦化のためである。

【００２３】研削、研磨によってＧａＮ基板裏面にはダ
メージ層が形成されるため、ＲＩＥ処理を行うことでＧ
ａＮ基板表面のダメージ層を除去するとともに、ＧａＮ
基板の表面改質による、導電性の改善を行う。次に、Ｒ
ＩＥ処理を行ったＧａＮ基板裏面に、ｐ型電極を形成す
る。ｐ型電極は、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｐｄ、Ｍ
ｏ、Ａｕをこの順に順次、蒸着を行うことで行われる。
電極材料としては、これらの材料以外にも、ｐ型電極と
なる金属もしくは、ＧａＮと金属との金属間化合物を形
成してもよい。このようにして作製した素子に対して、
電極アロイを行うことで、良好なオーミック特性を有す
るＧａＮ基板裏面ｐ型電極を作製することが可能とな
る。電極アロイの温度は、ＧａＮ基板と電極金属が十分
反応を起こす程度の温度が必要であり、４００〜９００
℃が適切であり、さらに望ましくは４５０〜７００℃で
ある。このような方法を用いることで、ｐ型ＧａＮ基板
裏面に良好なオーミック特性を有するｐ型電極を歩留り
よく作製することが可能であると考えられる。（実施例１）ＧａＮ基板裏面に、ｎ型電極を複数作製
し、その電流−電圧特性を評価することで、電極特性の
評価を行った。このＧａＮ基板は、不純物としてシリコ
ンを約４×１０¹⁸ｃｍ^-3含んだｎ型基板であり、ｎ型電
極としては、Ｔｉ／Ａｌを用いた。このｎ型のＧａＮ基
板を３枚用意して、それぞれ研削、研磨を行い表面の平
坦化、鏡面化を行う。研削・研磨は以下のような工程か
らなる。まず、研削機でＧａＮ基板（約４００〜４５０
μｍ）を、２００μｍ程度の厚さになるまで削る。その
後、ダイヤモンドスラリーで表面の平坦化を行った後
に、アルミナを研磨材として研磨布で研磨を行い、表面
の鏡面化を行った。このようにして、表面の平坦化、鏡
面化を行った３枚の基板に対して、それぞれ異なる処理
を行った後にｎ型電極を作製する。処理の方法は、Ｃｌ
プラズマを用いたＲＩＥによるドライエッチング処理、
酸による処理、処理なしの３通りである。

【００２４】まず、ＲＩＥによる処理の方法を説明す
る。ＲＩＥ処理では、反応性ガスとして塩素を用いてい
る。研磨を行って鏡面化された基板を、ＲＩＥ装置に導
入する。ＲＩＥの処理条件は、圧力４５ｍｔｏｒｒで塩
素流量８０ｓｃｃｍとし、ＧａＮ基板表面を約１μｍ程
度エッチングしている。次に酸による処理の方法を説明
する。本実施例では、処理にはフッ酸を用いた。研磨を
行って鏡面化されたＧａＮ基板を２０℃のフッ酸溶液中
に１分間浸すことで処理を行った。もう一枚の基板に対
しては、処理は行わなかった。このように、ＲＩＥによ
るドライエッチング処理を行った基板、フッ酸処理を行
った基板、処理を行わなかった基板の３種類のＧａＮ基
板に対して、次に、裏面にｎ型電極の作製を行う。ｎ型
電極の作製は以下のように行った。３枚の基板をそれぞ
れ電子ビーム蒸着装置に導入し、ＧａＮ基板裏面にＴｉ
を３０ｎｍ、さらにＡｌを１５０ｎｍ蒸着する。電極の
形状は直径約１００μｍ、電極間隔約１００μｍの円形
である。次に、ｎ型電極金属層とＧａＮ基板の合金化の
ために、真空中、４５０℃でアロイを行った。以上のよ
うにして作製した、３種類の素子で、それぞれ隣り合う
電極間の電流−電圧特性を測定することで、ｎ型電極の
特性の評価を行った。

【００２５】図１は裏面にＲＩＥ処理を行ってからｎ型
電極を作製した素子の電流−電圧測定の結果を示してい
る。横軸は電圧値、縦軸は電流値を示している。電流−
電圧特性は直線であり、良好なオーミック特性を示して
いる。また、同様の測定を多数の電極間で行ったとこ
ろ、各電極間の特性はほぼ同一となり、電極間での大き
な特性の違いはなかった。このことから、良好なオーミ
ック特性を有するｎ型電極を安定して作製することが可
能であることが示された。

【００２６】一方、図２は、比較例として作製した、フ
ッ酸による処理を行ってからｎ型電極を作製した素子の
電流−電圧特性の測定結果である。電流−電圧特性は必
ずしも直線ではなく、オーミック特性は得られていな
い。また、いくつかの電極間で測定を行ったところ、そ
の電流−電圧特性は一致せず、オーミック特性が得られ
る場合があるものの、電極間で特性のばらつきが大きい
ことがわかる。このことから、フッ酸による処理では、
良好なオーミック特性が得られないことが示された。こ
の原因は、フッ酸処理では、研磨工程で生じたＧａＮの
表面ダメージ層が十分に除去されなかったため、これら
の層が電極金属との界面で電気的な障壁層となったため
に、オーミック特性が得られなかったためであると考え
られる。なお、フッ酸処理にかえて、塩酸、硫酸、硝
酸、リン酸および、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カ
リウム水溶液のようなアルカリの溶液で同様の処理を試
みたが、いずれの場合においてもフッ酸処理の場合と同
様の結果となり、オーミック特性が安定して得られるこ
とはなかった。

【００２７】図３は、比較例であり、研磨工程後の基板
裏面に処理を行わずにｎ型電極を作製した素子の電流−
電圧特性の測定結果である。この素子では電流はほとん
ど流れていない。これは、ＧａＮ基板の表面ダメージ層
が全く除去できていないためであると考えられる。以上
の結果から、ＧａＮ基板裏面研磨面に対してｎ型電極蒸
着前の処理方法としてはＣｌプラズマを用いたＲＩＥに
よるドライエッチングが有効であることが示された。こ
れは、ＲＩＥによるエッチング効果でＧａＮ基板表面の
ダメージ層を除去するとともに、プラズマガスとして用
いたＣｌがＧａおよびＮと結合する表面改質効果、アロ
イを行うことによって、Ｃｌを介してのＧａＮと電極金
属との反応が促進され、良好なオーミック電極が作製可
能となるのである。（実施例２）次に、本発明を、レーザ素子に適用を行っ
た例を示す。レーザ素子構造の作製はＭＯＣＶＤ法によ
り行う。図４にＭＯＣＶＤ装置で作製する素子の構造を
示す。素子の作製方法を以下に示す。ｎ型のドーパント
としてシリコンが４×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドーピングされ
たｎ型のＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内に導入
し、窒素（Ｎ₂）とアンモニア（ＮＨ₃）をそれぞれ５Ｌ
／ｍｉｎ流しながら１０５０℃まで昇温する。温度が上
がればキャリアガスをＮ₂からＨ₂に代えて、トリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）を１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、モノシ
ラン（ＳｉＨ₄）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ
型ＧａＮ層１０２を４μｍ成長させる。その後、ＴＭＧ
の流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、トリメチルア
ルミニウム（ＴＭＡ）を４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し
て、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０３を０．５μ
ｍの厚さで成長させる。Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１
０３の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭ
Ｇを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮ光
ガイド層１０４を０．１μｍの厚さになるように成長さ
せる。その後、ＴＭＧ、ＳｉＨ₄の供給を停止して、キ
ャリアガスをＨ₂からＮ₂に再び代えて、７００℃まで降
温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（Ｔ
ＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ
／ｍｉｎ導入し、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる４ｎｍ厚
の障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給量を５０
μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる
２ｎｍ厚の井戸層を成長させる。障壁層と井戸層の成長
を繰り返し、井戸層は合計３層、同様の手法で成長さ
せ、井戸層と井戸層との間および両側に合計４層の障壁
層が存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）の発光層１
０５を成長させる。ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩ
およびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇
温して、キャリアガスを再びＮ₂からＨ₂に代えて、ＴＭ
Ｇを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍ
ｉｎ、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉ
ｎ流し、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブ
ロック層１０６を成長させる。キャリアブロック層の成
長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給
量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、０．１μｍの
厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７を成長させる。その
後、ＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、Ｔ
ＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、０．４μｍ厚のｐ
型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０８を成長させ、最後
に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し
て、ＴＭＡの供給を停止し、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮ
コンタクト層１０９の成長を行い、発光素子構造の成長
を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ₂Ｍ
ｇの供給を停止して降温して、室温で基板をＭＯＣＶＤ
装置より取り出す。

【００２８】続いて、ＭＯＶＰＥ装置から取り出された
素子に、レーザ構造を作製する。図５に作製するレーザ
構造を示す。レーザ構造の作製方法を以下に示す。ま
ず、ドライエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮコンタ
クト層１０９を５μｍ幅のストライプ状リッジ形状に残
し、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ光ガイド層１０８までエッチ
ングを行って、光導波路を形成する。次に絶縁膜として
ＳｉＯ₂膜１１０の蒸着を行い、その後、リッジ上部の
ＳｉＯ₂を除去したのち、ｐ−ＧａＮ部分にパラジウム
（Ｐｄ）を１５ｎｍ、Ｍｏを１５ｎｍ、Ａｕを２００ｎ
ｍ順次蒸着して、ｐ型電極１１１を形成する。

【００２９】次に、ＧａＮ基板裏面に対して、研磨処理
を施す。研磨工程は次のような工程からなる。まず、研
削機を用いて、ＧａＮ基板１０１の厚さが２００μｍ程
度になるまで、裏面を削る。次に、ダイヤモンドスラリ
ーを用いて、研削を行った裏面の研磨を行い、最後にア
ルミナを研磨剤として、研磨布による仕上げを行い、表
面を鏡面化する。このような研磨を行ったＧａＮ基板で
は、表面にダメージ層が生じているために、そのまま、
裏面にｎ型電極を作製しても、良好なオーミック特性が
得られない。このため、ｎ型電極部分での電圧降下が大
きくなり、素子の動作電圧の上昇をもたらす。そこで、
研磨工程で表面に生じたダメージ層を除去する目的で、
塩素プラズマによるＲＩＥ処理を行う。塩素プラズマ
は、Ｇａと反応してＧａＮ基板の導電性を高める表面改
質効果をもたらす。ＲＩＥの処理条件は、圧力４５ｍｔ
ｏｒｒ、塩素流量８０ｓｃｃｍの条件で、ＧａＮ基板裏
面研磨面を約１μｍエッチングを行う。この処理によっ
て、ＧａＮ裏面に存在する欠陥層が除去される。この際
に、ＧａＮ裏面の表面平坦性が大きく損なわれることは
ない。処理を行ったＧａＮ裏面にＥＢ蒸着装置でＴｉを
３０ｎｍ、Ａｌを１５０ｎｍ順次蒸着し、ｎ型電極を作
製する。Ｔｉ／Ａｌ電極を蒸着後、４５０℃、３分間真
空中でアロイを行った後に、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕの蒸着を
行う。

【００３０】最後に、素子長が約１ｍｍとなるように劈
開を行ってミラーとなる端面を形成する。以上のプロセ
スにより得られた半導体レーザの動作電圧は、従来の方
法を用いてエッチングによってｎ型層を露出させる方法
で上面にｎ型電極を作製した素子の動作電圧と比較する
と０．１〜０．２Ｖの電圧低減効果が得られた。次に作
製した素子をチップに分割して、ステムに実装して、ワ
イヤボンドを行ったところ、電極剥がれ等の影響はなか
った。このことからＧａＮ基板裏面のＲＩＥ処理によっ
て表面平坦性が損なわれることはなく、ＧａＮ裏面とｎ
型電極との密着強度は十分であることが示された。エー
ジング装置によって、レーザ寿命の加速試験を行ったと
ころ、１０００時間以上の寿命が確認された。加速試験
によってもＧａＮ基板裏面のｎ型電極に劣化はみられ
ず、通電による劣化も生じなかった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ＧａＮ基板裏面にｎ型
電極を有する構造において、ＧａＮ裏面にＲＩＥ処理を
施すことによって、ＧａＮ基板裏面の表面平坦性を損な
うことなく、表面のダメージ層を除去することができ
る。また、ＲＩＥ処理に用いる塩素プラズマの表面改質
効果のために、アロイ処理を行うことによって、ＧａＮ
と電極金属との反応が促進された結果、良好なオーミッ
ク特性を有するｎ型電極を安定して作製することが可能
となる。本発明は、半導体レーザや発光ダイオード等の
発光デバイスの作製に用いることができ、歩留まりの向
上、工程数の減少によるコスト削減が可能となる。ま
た、レーザや発光ダイオード以外にも、ＧａＮ基板を用
いて作製する受光素子、太陽電池等にも応用が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＮ基板裏面にＲＩＥ処理を行った後に、ｎ
電極を形成して作製した素子のｎ型電極間の電流−電圧
特性を測定した結果である。

【図２】ＧａＮ基板裏面にフッ酸による処理を行った後
に、ｎ型電極を形成して作製した素子の、ｎ型電極間の
電流−電圧特性を測定した結果である。

【図３】ＧａＮ基板裏面に処理を行わずに、ｎ型電極を
形成して作製した素子の、ｎ型電極間の電流−電圧特性
を測定した結果である。

【図４】実施例２のＭＯＶＰＥ装置を用いて作製した窒
化物半導体素子の、模式的な断面図である。

【図５】実施例２のレーザ構造を作製した後の、窒化物
半導体素子の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１０１ＧａＮ基板１０２ＧａＮ層１０３ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０５活性層１０６ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０８ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０ＳｉＯ₂膜１１１ｐ型電極１１２ｎ型電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤茂稔大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者高谷邦啓大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者川上俊之大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA44 CA40 CA73 CA74 CA82 CA92 CA99 5F073 AA13 AA51 AA74 CB02 CB22 DA16 DA23 DA25 DA35 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体装置の
製造方法であって、ＧａＮ基板主面に窒化物半導体層を
成長する工程と、ＧａＮ基板の裏面を研磨する工程と、
ＧａＮ基板裏面にドライエッチングを行う工程と、前記
ＧａＮ基板裏面に電極を形成する工程と、電極形成後に
熱処理を行う工程とをこの順に有することを特徴とする
窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記ＧａＮ基板の導電性はｎ型であっ
て、そのｎ型不純物濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜１×１０
²⁰ｃｍ^-3の範囲内であり、ｎ型不純物として、酸素
（Ｏ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、硫黄
（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の
ＩＶ族またはＶＩ族の元素を一種類以上含んでいること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置の製造
方法。
【請求項３】前記ドライエッチングは、エッチングガ
スとして、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）等のハロゲン元
素を含むガスを用いることを特徴とする請求項１に記載
の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記ドライエッチングは、ＧａＮ基板裏
面側を０．０１μｍ〜５μｍ除去することを特徴とする
請求項１に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項５】ｎ型電極材料として、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａ
ｌ、もしくはそれらの合金が用いられていることを特徴
とする、請求項１に記載の窒化物半導体装置の製造方
法。
【請求項６】前記熱処理は、Ｎ₂、Ａｒ等の不活性ガ
ス中、または真空中で４００〜９００℃の範囲内の温度
領域で行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半
導体装置の製造方法。