JP2005093578A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】III族窒化物系化合物半導体素子の静電耐圧を向上させる。
【解決手段】III族窒化物系化合物半導体素子１００のアクセプタ不純物の添加されたｐ−ＡｌＧａＮ層１０７とｐ−ＧａＮ層１０９の間に中間層１０８を設ける。このとき、ｐ−ＡｌＧａＮ層１０７を形成する際に用いられたアクセプタ不純物の、中間層１０８への混入によるホール発生を補償する濃度にドナー不純物を添加する。中間層１０８は極めて伝導度の低い層となり、III族窒化物系化合物半導体素子１００の静電耐圧が著しく向上する。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子に関する。本発明は静電耐圧の高いIII族窒化物系化合物半導体素子構造を提供するものである。

例えば緑、青乃至紫外領域の発光素子としてIII族窒化物系化合物半導体素子は汎用されつつあるが、発光強度以外のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の諸特性は尚改善の余地がある。特に静電耐圧については、ガリウム・ヒ素系の発光素子やインジウム・リン系の発光素子に比較して格段に低く、大幅な静電耐圧の向上が期待されている。ここにおいて、III族窒化物系化合物半導体発光素子の静電耐圧の向上のため、下記のような提案がされている。
特開２００１−１４８５０７号公報

上記特許文献１で提案された技術は、低濃度にアクセプタ不純物を添加した、又はアンドープであるがアクセプタ不純物が混入したｐ型低濃度ドープ層を、ｐクラッド層とｐコンタクト層の間に設ける技術である。当該技術によると、ｐ型低濃度ドープ層は200nm程度の厚さを確保する必要がある。しかし、この層は抵抗率が高く、厚さが厚い層であるので抵抗が大きくなるため、この層は素子を駆動するための電圧を上昇させると考えられる。そこで当該ｐ型低濃度ドープ層のアクセプタ不純物を低下させて薄膜化すれば、駆動電圧を更に下げることができるとの着想から、本願発明は完成された。即ち、本願発明はIII族窒化物系化合物半導体素子の静電耐圧を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、アクセプタ不純物の添加された第１のｐ層と第２のｐ層とを有するIII族窒化物系化合物半導体素子において、第１のｐ層と第２のｐ層との間に中間層を有し、中間層は、製造工程で混入されるアクセプタ不純物によるホール発生を略補償する濃度に、ドナー不純物が添加されていることを特徴とする。ここで「ホール発生を略補償する」とは、当該濃度のアクセプタ不純物によりホールが発生しうるはずであるが、ドナー不純物により発生する電子と相殺して、中間層におけるホール濃度が、不純物無添加のIII族窒化物系化合物半導体のそれと実質的に同一であることを言う。例えば10¹⁷/cm³以下のホール濃度まで減少すれば良い。

また、請求項２に記載の手段によれば、中間層に添加されるドナー不純物は、混入されるアクセプタ不純物の中間層での濃度分布に対応した濃度分布で添加されることを特徴とする。ここで「混入されるアクセプタ不純物の中間層での濃度分布に対応した濃度分布」とは、活性化率を考慮しての表現である。即ち、アクセプタ不純物とドナー不純物の活性化率が等しいならば、ドナー不純物の厚さ方向の濃度分布はアクセプタ不純物の厚さ方向の濃度分布に略一致させる。アクセプタ不純物の活性化率がドナー不純物の活性化率の1/10ならば、ドナー不純物の厚さ方向の濃度分布はアクセプタ不純物の厚さ方向の濃度の略1/10の濃度分布とする。

また、請求項３に記載の手段によれば、アクセプタ不純物はマグネシウム(Mg)であり、ドナー不純物はシリコン(Si)であることを特徴とする。また、請求項４に記載の手段によれば、中間層におけるホール濃度が10¹⁷/cm³以下であることを特徴とする

本発明による中間層は極めて伝導度の低い層となり、当該中間層が100nm以下の薄い層であってもIII族窒化物系化合物半導体素子の静電耐圧が著しく向上する。また、中間層を設けたことによる駆動電圧の上昇はほとんど無く、III族窒化物系化合物半導体素子特性は劣化しない。このような効果を生ずる作用については、印加電圧がｐ電極側の一部に集中することなく、ｐ電極側の広い範囲に広がる作用を本願発明の中間層が奏するものと考えられる。

本発明の好ましい実施の形態について説明する。「製造工程で混入されるアクセプタ不純物」とは、意図的には当該層を形成する際にアクセプタ不純物を導入しないのであるが、何らかの技術的理由で混入されるものを言う。当該技術的理由としては近接する層からのマイグレーション、異なる層を形成する境界時における導入原料の切り替えが完全でないことによるコンタミネーション（いわゆるメモリー効果）、或いは製造装置の洗浄不十分等により「常に」微量に生成するコンタミネーションがあげられる。ここにおいて、下記実施例の中間層には、アクセプタ不純物は意図的には導入しないが、下記製造工程において自然に混入されるものとする。

ドナー不純物は、上記のとおり、中間層を形成して混入されるアクセプタ不純物の濃度分布を測定し、それに対応して添加する。アクセプタ不純物がマグネシウムでドナー不純物がシリコンの場合、マグネシムとシリコンの活性化率を考慮してシリコンの濃度分布を決定することが必要となる。マグネシウムの活性化率はシリコンの活性化率の1/10くらいであるのでマグネシウムの濃度分布の1/10でシリコンを添加するようにする。

第１のｐ層と第２のｐ層の構成は任意である。発光素子を形成する場合、ｎ側層（１層又は多重層を含みうる複数層）、発光層、第１のｐ層、中間層、第２のｐ層と積層し、第２のｐ層に電極を形成する。この場合、第１のｐ層、中間層、第２のｐ層の順にバンドギャップが小さくなるよう、アクセプタ不純物を添加したIII族窒化物系化合物半導体層の調整をすると良い。尚、構成は上記の単純な構成に限定されず、意図的に様々な作用を有する多重層や任意の不純物を添加した層を加えることも本願発明に包含される。

発光素子を形成する場合、発光層を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体Al_yGa_1-y-zIn_zN(0≦y＜1, 0＜z≦1)から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。

本発明のIII族窒化物系化合物半導体素子は任意の素子構成をとることができる。特に、発光素子としては発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラ、その他の任意の発光素子として良い。当該III族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

図１に、本発明の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の模式的な断面図を示す。III族窒化物系化合物半導体素子１００は、次の構成を有する発光素子である。図１に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmの層１０３が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ⁺層）が形成されている。

また、このｎ型コンタクト層１０４の上には、シリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³でドープしたAl_0.15Ga_0.85Nから成る膜厚25nmのｎ型クラッド層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのノンドープIn_0.2Ga_0.8Nから成る井戸層１０６１と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。

更に、この発光層１０６の上には、Mgを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚25nmのｐ型Al_0.15Ga_0.85Nから成るｐ型クラッド層（第１のｐ層）１０７が形成されている。ｐ型層１０７の上には、シリコンを(Si)を 2×10¹⁸〜3×10¹⁷/cm³の濃度分布でドープした膜厚100nmの中間層１０８が形成されている。中間層１０８の上には、Mgを8×10¹⁹ドープした膜厚100nmのｐ型GaNから成るｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０９が形成されている。

又、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０９の上には金属蒸着による透光性の薄膜ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性の薄膜ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０９に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金（Au）より成る第２層１１２とで構成されている。

厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１２１と、膜厚約15μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性薄膜ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。

また、最上部には、SiO₂膜より成る保護膜１３０が形成されている。サファイヤ基板１０１の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム（Al）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。

中間層１０８のシリコンの濃度分布の根拠は次の通りである。中間層にシリコンを添加しない場合のマグネシウムの濃度分布が図２のMgと示したように測定された。そこで中間層にシリコンの厚さ方向の濃度分布を、マグネシウムの活性化率（室温において励起させた正孔濃度／マグネシウム濃度）がシリコンの活性化率（室温において励起させた電子濃度／シリコン濃度）の約1/10であることを考慮して、マグネシウムの厚さ方向の濃度分布の1/10の濃度分布に一致するように添加する（図２のSi）。このようにすれば、マグネシウムにより励起された正孔の濃度をシリコンにより励起された電子の濃度によって補償することができる。従って、中間層におけるキャリア濃度は非常に小さくでき、例えば10¹⁶〜10¹⁷/cm³以下とすることができる。

このような構造の図１のIII族窒化物系化合物半導体素子１００は、中間層１０８を形成していないものと比較して静電耐圧が向上する。また、中間層１０８にシリコンをドープしていないものと比較して、中間層を薄くできるので、静電耐圧が向上させながら駆動電圧を低下させることが可能となる。

本発明は、上記のようにアクセプタ不純物による正孔を電子で補償するものであるので、ドナーを添加して正孔の濃度を減少させるものであれば良い。従って、アクセプタ不純物の濃度分布による正孔の濃度分布を、ドナー不純物の濃度分布により完全に補償し尽くすものでなくても良い。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、各III族窒化物系化合物半導体層として、任意の混晶比の２元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「Al_xGa_yIn_1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される２元、３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。また、上記実施例では保護膜１３０を形成したが、保護膜１３０は省略しても良い。また、本例ではサファイア基板裏面に反射金属層を形成し、ｐ電極側に透光性薄膜ｐ電極を設けたが、フリップチップタイプとするためには、サファイア基板裏面から光を取り出す構造とするために、サファイア基板裏面の反射金属層を形成せず、ｐ電極側を光反射層を兼ねる電極層を設けても良い。

本発明の実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の断面図。 本発明の実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の、中間層中のマグネシウム濃度とシリコン濃度の濃度分布の概略図。

符号の説明

１００：III族窒化物系化合物半導体素子
１０１：サファイヤ基板
１０２：バッファ層
１０３：ノンドープＧａＮ層
１０４：高キャリア濃度ｎ⁺層
１０５：ｎ型クラッド層
１０６：発光層
１０７：ｐ型クラッド層（第１のｐ層）
１０８：中間層
１０９：ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）
１１０：透光性薄膜ｐ電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：反射金属層

Claims (4)

1. アクセプタ不純物の添加された第１のｐ層と第２のｐ層とを有するIII族窒化物系化合物半導体素子において、
   前記第１のｐ層と前記第２のｐ層との間に中間層を有し、
   前記中間層は、製造工程で混入されるアクセプタ不純物によるホール発生を略補償する濃度に、ドナー不純物が添加されていることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
2. 前記中間層に添加されるドナー不純物は、前記アクセプタ不純物の前記中間層での濃度分布に対応した濃度分布で添加されることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
3. 前記アクセプタ不純物はマグネシウム(Mg)であり、前記ドナー不純物はシリコン(Si)であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
4. 前記中間層におけるホール濃度が10¹⁷/cm³以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。

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