JP2005286343A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体を利用した,短波長発光ダイオード、短波長半導体レーザや高温・高速トランジスタなどとして機能する半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor and functioning as a short wavelength light emitting diode, a short wavelength semiconductor laser, a high temperature / high speed transistor or the like.
従来より、窒化物半導体は、禁制帯幅が大きいので(例えばGaNで室温3.4eV程度)、緑色・青色あるいは白色といった比較的短波長領域での可視域発光ダイオード、あるいは、光ディスクの大容量化に有効な短波長半導体レーザを実現できる材料である。窒化物半導体は、特に発光ダイオードの活性層として一般に広く使用されており、また、青色又は青紫色レーザは高密度光ディスクの読み出し・書き込み用光源としてその商品化が強く望まれている。 Conventionally, nitride semiconductors have a large forbidden band width (for example, room temperature of about 3.4 eV for GaN), so that a visible light emitting diode in a relatively short wavelength region such as green, blue, or white, or an increase in capacity of an optical disk It is a material that can realize an effective short wavelength semiconductor laser. Nitride semiconductors are generally widely used as active layers of light-emitting diodes in particular, and blue or blue-violet lasers are strongly desired to be commercialized as read / write light sources for high-density optical disks.
これらのデバイスの市販・量産の可能性が大きくひらけてきた背景には、技術的にいくつかのブレークスルーがあった。その一つは、低温バッファ層の導入を始めとするヘテロエピタキシャル成長技術の進歩である。GaN層を利用する場合、バルクのGaN基板が存在しないので、結晶成長は異種基板上に行なう必要がある。そこで、GaN基板と同じ六方晶構造を有しているサファイア基板を用い、サファイア基板の上に有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)によりGaN層をエピタキシャル成長させる方法が広く採用されている。その方法の一例として、サファイア基板上に、アモルファス状のAlN層あるいはGaN低温バッファ層を形成した後に、比較的高温でのCVDにより、デバイスの主要部となるIII-V 族化合物半導体層であるエピタキシャル成長層を形成し、表面が平坦でかつ結晶欠陥の少ない半導体層を得ることが可能となっている。 There have been several breakthroughs in the technology that have greatly opened up the possibility of commercial and mass production of these devices. One of them is the progress of heteroepitaxial growth technology including the introduction of a low-temperature buffer layer. When a GaN layer is used, since there is no bulk GaN substrate, crystal growth needs to be performed on a heterogeneous substrate. Therefore, a sapphire substrate having the same hexagonal structure as the GaN substrate is used, and a method of epitaxially growing a GaN layer on the sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is widely adopted. ing. As an example of this method, after forming an amorphous AlN layer or GaN low-temperature buffer layer on a sapphire substrate, epitaxial growth, which is a III-V group compound semiconductor layer that becomes the main part of the device, is performed by CVD at a relatively high temperature. By forming a layer, it is possible to obtain a semiconductor layer having a flat surface and few crystal defects.
また、デバイス構造の改良や結晶成長の物理的現象の解明、あるいはInGaN,AlGaNといった混晶の結晶成長技術も大きく進んできている。 In addition, improvements in device structures, elucidation of physical phenomena of crystal growth, and crystal growth techniques for mixed crystals such as InGaN and AlGaN have been greatly advanced.
さらに、もう一つのブレークスルーが低抵抗p型層の実現である。以前は、エピタキシャル成長層中のp型GaN層では、II族であるMgがドーパントとしてドープされていても、その低抵抗化が困難であった。しかし、最近では、エピタキシャル成長層を形成した後に、電子線照射や窒素ガス雰囲気中でのアニールを行なうことより低抵抗化できることが明らかになっている。また、そのメカニズムとして、p型GaN層中で水素が不純物原子をパッシベーションしているので、この水素を脱離させることでp型GaN層の低抵抗化が実現することも明らかになった。 Furthermore, another breakthrough is the realization of a low resistance p-type layer. Previously, it was difficult to reduce the resistance of the p-type GaN layer in the epitaxial growth layer even when Mg, which is a group II, is doped as a dopant. However, recently, it has become clear that the resistance can be lowered by forming an epitaxially grown layer and then performing electron beam irradiation or annealing in a nitrogen gas atmosphere. It has also been clarified that, as the mechanism, hydrogen has passivated impurity atoms in the p-type GaN layer, and thus the resistance of the p-type GaN layer can be reduced by desorbing this hydrogen.
上記2つのブレークスルーにより、結晶性の良好なpn接合が再現性良く得られるに至り、これを用いた発光ダイオードは実用化され、半導体レーザは実用化が近い状況になっている。 Due to the above two breakthroughs, a pn junction with good crystallinity can be obtained with good reproducibility. Light emitting diodes using the pn junction have been put into practical use, and semiconductor lasers are almost in practical use.
以下、上記窒化物半導体装置の製造方法について説明する。図9(a)〜(c)は、上記従来の窒化物半導体装置の製造方法を示す断面図である。 Hereinafter, a method for manufacturing the nitride semiconductor device will be described. 9 (a) to 9 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the conventional nitride semiconductor device.
まず、図9(a)に示す工程で、サファイア基板101(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いて、サファイア基板101上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約2μmのn型InGaAlN層104を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、n型InGaAlN層を形成してもよい。また、図示しないが、n型InGaAlN層104は、n型GaN層あるいはn型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、n型InGaAlN層104の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層103を形成する。InGaAlN活性層103は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザ素子の場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層103の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約2μmのp型InGaAlN層102を形成する。p型InGaAlN層102は、p型AlGaNクラッド層あるいはp型GaN層を含んでいる。さらに、CVDにより、p型InGaAlN層102の上に、酸化シリコンからなる酸化膜キャップ層106を形成する。
First, in the process shown in FIG. 9A, the composition is formed on the
図9(a)に示す工程において、p型InGaAlN層102の形成には例えばCp2Mgを用いるので、p型InGaAlN層102にはMgがドープされている。as-grownの状態では、このMg原子は、p型InGaAlN層102において水素原子によりパッシベーションされているため、p型InGaAlN層102は高い電気抵抗を有している。そこで、p型InGaAlN層102から水素を脱離させるため、通常は、水素を含まないガス雰囲気中で熱処理を行なう必要がある。
In the step shown in FIG. 9A, for example, Cp 2 Mg is used to form the p-
次に、図9(b)に示す工程において、ウエハを結晶成長装置から取り出して、窒素ガス雰囲気の炉,例えばランプ加熱炉に導入する。そして、加熱用ランプ10を用いて、ウエハに例えば700℃程度の温度での熱処理を行なうことにより、p型InGaAlN層102の低抵抗化を行なう。
Next, in the step shown in FIG. 9B, the wafer is taken out of the crystal growth apparatus and introduced into a furnace in a nitrogen gas atmosphere, for example, a lamp heating furnace. Then, the resistance of the p-
次に、図9(c)に示す工程で、酸化膜キャップ層106を除去する。その後、p型InGaAlN層102,InGaAlN活性層103及びn型InGaAlN層104を用いて、半導体レーザ,発光ダイオードなどを形成する。
しかしながら、上記のような窒化物半導体の製造方法では、以下のような不具合があった。 However, the nitride semiconductor manufacturing method as described above has the following problems.
図9(b)に示すp型InGaAlN層102中のp型不純物の活性化を十分に行なうためには、800℃程度の高温が必要である。ところが、この温度はInGaAlN活性層103の成長温度と同程度であるために、InGaAlN活性層103の量子井戸構造中のIn原子が拡散する等、InGaAlN活性層103の劣化を生じる場合があった。これを防止するために熱処理温度を下げると、逆にp型InGaAlN層102の抵抗率が大きくなり、p型InGaAlN層102,InGaAlN活性層103及びn型InGaAlN層104間の直列抵抗や、InGaAlN層に接続される電極のコンタクト抵抗が増大するという不具合があった。すなわち、低温での活性層の形成とp型InGaAlN層の低抵抗化を同時に実現することが困難であるという課題があった。
In order to sufficiently activate the p-type impurity in the p-
本発明の目的は、活性層を劣化させることなく窒素を含むp型III-V 族化合物半導体層を低抵抗化できる半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the resistance of a p-type III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen without degrading an active layer.
本発明の半導体装置の製造方法は、単結晶基板からのエピタキシャル成長により形成された半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、上記単結晶基板の上面上に、p型不純物がドープされた窒素を含むIII-V 族化合物からなる第1の半導体層と、n型不純物がドープされた窒素を含むIII-V 族化合物からなるn型の第2の半導体層とを少なくとも有する積層膜を形成する工程(a)と、上記第1の半導体層の禁制帯幅よりも大きいエネルギーを有する光を上記第1の半導体層に照射して、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化する工程(b)とを含んでいる。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer formed by epitaxial growth from a single crystal substrate, wherein nitrogen is doped with a p-type impurity on the upper surface of the single crystal substrate. Forming a laminated film having at least a first semiconductor layer made of a III-V group compound containing nitrogen and an n-type second semiconductor layer made of a III-V group compound containing nitrogen doped with an n-type impurity Step (a) and irradiating the first semiconductor layer with light having energy larger than the forbidden band width of the first semiconductor layer to activate the p-type impurity in the first semiconductor layer. Step (b).
この方法により、ランプ加熱などの輻射熱を用いた加熱ではなく光の照射による加熱を用いることで、照射する光のエネルギー,照射時間を選択すれば、不純物の活性化を行ないたい第1の半導体層に効率よく吸収させることができる。つまり、第1の半導体層を選択的に加熱することができるので、第2の半導体層に熱的損傷を与えることなく、第1の半導体層から水素を脱離させて低抵抗化させることが可能となる。 According to this method, the first semiconductor layer which is desired to be activated by selecting the energy and irradiation time of the light to be irradiated by using heating by irradiation of light instead of heating using radiant heat such as lamp heating. Can be absorbed efficiently. That is, since the first semiconductor layer can be selectively heated, hydrogen can be desorbed from the first semiconductor layer to reduce resistance without causing thermal damage to the second semiconductor layer. It becomes possible.
上記光は、上記第1の半導体層の少なくとも最下部の禁制帯幅よりも大きいエネルギーを有することが好ましい。 The light preferably has an energy larger than at least the forbidden band width of the first semiconductor layer.
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を上記第2の半導体層の下方に形成しておいて、上記工程(b)では、上記単結晶基板の裏面から上記第1の半導体層に上記光を照射することにより、第2の半導体層に熱的損傷を与えるのを確実に防止することができる。 In the step (a), the first semiconductor layer is formed below the second semiconductor layer, and in the step (b), the back surface of the single crystal substrate is transferred to the first semiconductor layer. By irradiating the light, it is possible to reliably prevent thermal damage to the second semiconductor layer.
上記工程(b)では、照射される光のパワー密度又はエネルギーを少なくとも2種類に変化させることにより、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化するとともに、上記第1の半導体層と上記単結晶基板とを互いに分離させることができる。 In the step (b), the power density or energy of the irradiated light is changed into at least two types to activate the p-type impurity in the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer and The single crystal substrate can be separated from each other.
上記積層体に転写用基板を固着させる工程をさらに含むことにより、積層部を転写用基板と固着させた状態で単結晶基板から分離できる。したがって、転写用基板と積層部との結晶方位を、転写用基板のへき開面と積層部のへき開面とが共通の平面上に位置するように調整することができる。すなわち、単結晶基板と積層部とのへき開面が一致しない場合や単結晶基板がへき開の困難な材料である場合にも、積層部と同時にへき開が可能な材料を転写用基板として選択することにより、端面に平坦なへき開面を形成することが可能になる。したがって、例えば半導体装置が半導体レーザである場合には、平坦なへき開面を共振器面とする光出力の高い半導体レーザが得られる。 By further including the step of fixing the transfer substrate to the laminate, the stacked portion can be separated from the single crystal substrate while being fixed to the transfer substrate. Therefore, the crystal orientation of the transfer substrate and the laminated portion can be adjusted so that the cleavage surface of the transfer substrate and the cleavage surface of the laminated portion are located on a common plane. In other words, even when the cleavage planes of the single crystal substrate and the laminated portion do not coincide or when the single crystal substrate is a material that is difficult to cleave, by selecting a material that can be cleaved simultaneously with the laminated portion as the transfer substrate. A flat cleaved surface can be formed on the end face. Therefore, for example, when the semiconductor device is a semiconductor laser, a semiconductor laser having a high optical output with a flat cleaved surface as a resonator surface can be obtained.
上記工程(b)では、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化させるための第1段階の処理を行なった後、光のパワー密度又はエネルギーを変化させて第1の半導体層と上記単結晶基板とを互いに分離させるための第2段階の処理を行なうことができる。 In the step (b), after performing the first stage treatment for activating the p-type impurity in the first semiconductor layer, the power density or energy of light is changed to change the first semiconductor layer A second stage process for separating the single crystal substrate from each other can be performed.
その場合、上記工程(b)における上記第1段階の処理の後、上記第2段階の処理の前に、上記積層体の上に転写用基板を固着させる工程をさらに含むことにより、上述のように、転写用基板と積層部との結晶方位を、転写用基板のへき開面と積層部のへき開面とが共通の平面上に位置するように調整することができ、上述の効果を発揮することができる。 In that case, after the first stage treatment in the step (b) and before the second stage treatment, the method further includes a step of fixing a transfer substrate on the laminate, as described above. In addition, the crystal orientation of the transfer substrate and the laminated portion can be adjusted so that the cleavage surface of the transfer substrate and the cleavage surface of the laminated portion are located on a common plane, and the above-described effects are exhibited. Can do.
上記工程(b)では、上記第1の半導体層を分解又は変質させて導体層を形成し、上記工程(b)の後に、上記導体層の上に導体材料からなるオーミック電極を形成する工程をさらに含むことにより、コンタクト抵抗の小さい低消費電力型の半導体装置が得られる。 In the step (b), the first semiconductor layer is decomposed or altered to form a conductor layer, and after the step (b), an ohmic electrode made of a conductor material is formed on the conductor layer. Furthermore, a low power consumption type semiconductor device with low contact resistance can be obtained.
その場合、上記工程(b)の後で上記オーミック電極を形成する前に、上記導体層の表面部をエッチングする工程をさらに含むことが好ましい。 In that case, it is preferable to further include a step of etching the surface portion of the conductor layer before forming the ohmic electrode after the step (b).
上記工程(a)の前に、上記単結晶基板の上に、禁制帯幅が上記単結晶基板よりも小さいスペーサ層を形成する工程をさらに備え、上記工程(a)では、上記スペーサ層の上に上記積層膜を形成し、上記工程(b)では、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化するとともに、上記スペーサ層と上記単結晶基板とを互いに分離させることにより、基板分離時に半導体層における格子欠陥やクラックの発生を抑制することができる。 Before the step (a), the method further includes a step of forming a spacer layer having a forbidden band width smaller than that of the single crystal substrate on the single crystal substrate. In the step (b), the p-type impurity in the first semiconductor layer is activated and the spacer layer and the single crystal substrate are separated from each other, thereby separating the substrate. Occasionally, the occurrence of lattice defects and cracks in the semiconductor layer can be suppressed.
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を上記第2の半導体層の上方に形成しておいて、上記工程(b)では、上記第1の半導体層の上方から上記第1の半導体層に上記光を照射することにより、第2の半導体層の熱的損傷をできるだけ回避しつつ、第1の半導体層の低抵抗化を図ることができる。 In the step (a), the first semiconductor layer is formed above the second semiconductor layer, and in the step (b), the first semiconductor layer is formed from above the first semiconductor layer. By irradiating the layer with the light, it is possible to reduce the resistance of the first semiconductor layer while avoiding thermal damage of the second semiconductor layer as much as possible.
上記工程(a)の後、上記積層部の上にキャップ層を形成する工程をさらに備え、上記工程(b)では、上記キャップ層の上方から上記第1の半導体層に光を照射することにより、積層部の表面の面あれを回避することができ、平坦性のよい積層部が得られる。 After the step (a), the method further includes a step of forming a cap layer on the stacked portion, and in the step (b), the first semiconductor layer is irradiated with light from above the cap layer. Therefore, it is possible to avoid surface roughness of the laminated portion, and a laminated portion with good flatness can be obtained.
上記工程(b)の後、上記キャップ層を除去する工程と、上記積層部の上に転写用基板を固着する工程と、上記転写用基板を固着した後又は固着する前に、上記単結晶基板の裏面から光を照射して、上記単結晶基板を上記積層部から分離させる工程とをさらに含むことにより、第1の半導体層の低抵抗化と、単結晶基板の分離とを円滑に進めることができる。 After the step (b), the step of removing the cap layer, the step of fixing the transfer substrate on the laminated portion, and the single crystal substrate after fixing or fixing the transfer substrate. Irradiating light from the back surface of the substrate to further separate the single crystal substrate from the stacked portion, thereby smoothly reducing the resistance of the first semiconductor layer and separating the single crystal substrate. Can do.
上記工程(b)において上記積層部の上方から照射される光よりも、上記基板の裏面から照射される光のエネルギーが大きいことが好ましい。 In the step (b), it is preferable that the energy of light irradiated from the back surface of the substrate is larger than the light irradiated from above the stacked portion.
上記工程(b)の後、上記第1の半導体層の上に、導体材料からなるオーミック電極を形成する工程をさらに含むことにより、オーミック電極と第1の半導体層との間のコンタクト抵抗を低減することができる。 After the step (b), a contact resistance between the ohmic electrode and the first semiconductor layer is reduced by further including a step of forming an ohmic electrode made of a conductive material on the first semiconductor layer. can do.
上記工程(b)では、上記第1の半導体層を分解又は変質させて導体層を形成し、上記工程(b)の後に、上記導体層の上に導体材料からなるオーミック電極を形成する工程をさらに含むことにより、第1の半導体層よりもさらに低抵抗化された導体層を含み、かつ、オーミック電極と導体層との間のコンタクト抵抗を低減することができる。 In the step (b), the first semiconductor layer is decomposed or altered to form a conductor layer, and after the step (b), an ohmic electrode made of a conductor material is formed on the conductor layer. Further, by including a conductor layer having a lower resistance than that of the first semiconductor layer, the contact resistance between the ohmic electrode and the conductor layer can be reduced.
上記工程(b)の後で上記オーミック電極を形成する前に、上記導体層の表面部をエッチングする工程をさらに含むことが好ましい。 It is preferable that the method further includes a step of etching the surface portion of the conductor layer before forming the ohmic electrode after the step (b).
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を挟んで上記第2の半導体層に対向する,上記第1の半導体層とは禁止帯幅が異なるn型の第3の半導体層をさらに有するように上記積層部を形成することにより、ヘテロバイポーラトランジスタの各領域として利用しうる積層部が得られる。 The step (a) further includes an n-type third semiconductor layer opposite to the second semiconductor layer across the first semiconductor layer and having a forbidden band width different from that of the first semiconductor layer. By forming the stacked portion as described above, a stacked portion that can be used as each region of the heterobipolar transistor is obtained.
その場合、上記第3の半導体層の禁止帯幅が、上記第1の半導体層よりも大きく、かつ上記光のエネルギーよりも大きいことにより、第3の半導体層に影響をほとんど与えず、第1の半導体層に到達させることが容易である。 In that case, since the forbidden band width of the third semiconductor layer is larger than that of the first semiconductor layer and larger than the energy of the light, the first semiconductor layer is hardly affected and the first semiconductor layer is hardly affected. It is easy to reach the semiconductor layer.
上記第1の半導体層からバイポーラトランジスタのコレクタ領域を形成し、上記第2の半導体層からバイポーラトランジスタのベース領域を形成し、上記第3の半導体層からバイポーラトランジスタのエミッタ領域を形成することができる。 The collector region of the bipolar transistor can be formed from the first semiconductor layer, the base region of the bipolar transistor can be formed from the second semiconductor layer, and the emitter region of the bipolar transistor can be formed from the third semiconductor layer. .
その場合、上記エミッタ領域の禁制帯幅を、上記ベース領域の禁制帯幅よりも大きくすることが好ましい。 In that case, it is preferable that the forbidden band width of the emitter region be larger than the forbidden band width of the base region.
上記工程(c)は、不活性ガス雰囲気又は減圧雰囲気下で行なわれることが好ましい。 The step (c) is preferably performed in an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere.
上記光として、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化させる際には、上記第2の半導体層の禁制帯幅より小さいエネルギーを有するものが用いられることにより、第2の半導体層の熱的損傷を確実に回避することができる。 When the p-type impurity in the first semiconductor layer is activated as the light, the light having an energy smaller than the forbidden band width of the second semiconductor layer is used, so that the second semiconductor layer Thermal damage can be reliably avoided.
上記光の光源が、パルス状に発振するレーザであることにより、比較的出力の大きいレーザを用いることができ、エネルギーと照射時間との制御も容易となる。 Since the light source is a laser that oscillates in a pulsed manner, a laser having a relatively large output can be used, and control of energy and irradiation time is facilitated.
上記光として、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化する際には、水銀灯の輝線が用いられてもよい。 When the p-type impurity in the first semiconductor layer is activated as the light, a bright line of a mercury lamp may be used.
上記光を照射する際に、上記単結晶基板を加熱することにより、スペーサ層を形成する際に熱膨張係数の差により生じた膜中のストレスを緩和することができるので、大面積の単結晶基板上に形成された半導体層を単結晶基板から分離させることが容易となるその場合、記単結晶基板を加熱する際の加熱温度は、400℃以上750℃以下であることが好ましい。 By irradiating the light, the single crystal substrate is heated to relieve stress in the film caused by the difference in thermal expansion coefficient when the spacer layer is formed. In that case, it is easy to separate the semiconductor layer formed over the substrate from the single crystal substrate. In this case, the heating temperature when heating the single crystal substrate is preferably 400 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
上記光が、光束を単結晶基板面内でスキャンさせるように照射されることにより、大面積の単結晶基板上に形成された積層部から単結晶基板を分離させることが容易となる。 By irradiating the light so as to scan the light beam in the plane of the single crystal substrate, the single crystal substrate can be easily separated from the stacked portion formed over the single crystal substrate having a large area.
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を形成する際に、ドーパントとしてMgまたはBeを用いることができる。 In the step (a), Mg or Be can be used as a dopant when forming the first semiconductor layer.
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を、水素を含む雰囲気中で形成することにより、その後第1の半導体層から水素を脱離させる必要が生じるが、その場合にも本発明を適用することにより、水素を容易に脱離させて、第1の半導体層の低抵抗化を図ることができる。 In the step (a), it is necessary to desorb hydrogen from the first semiconductor layer by forming the first semiconductor layer in an atmosphere containing hydrogen. By application, hydrogen can be easily desorbed and the resistance of the first semiconductor layer can be reduced.
上記単結晶基板として、サファイア基板,SiC基板,MgO基板,LiGaO2 基板,LiGax Al1-x O2 (0≦x≦1)混晶基板及びLiAlO2 基板の中から選ばれる1つの基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いることにより、初期成長を改善し結晶性の良好な窒素を含むIII-V 族化合物半導体層をその上に形成することができる。また、SiC基板またはLiAlO2 基板を用いることにより、単結晶基板の格子定数が窒素を含むIII-V 族化合物半導体層と近くなるので、結晶性の良好な窒素を含むIII-V 族化合物からなる半導体層をその上に形成することが可能となる。 As the single crystal substrate, one substrate selected from a sapphire substrate, SiC substrate, MgO substrate, LiGaO 2 substrate, LiGa x Al 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1) mixed crystal substrate and LiAlO 2 substrate is used. It is preferable to use it. By using a sapphire substrate, it is possible to improve the initial growth and form a III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen with good crystallinity thereon. Further, by using a SiC substrate or a LiAlO 2 substrate, the lattice constant of the single crystal substrate is close to that of a III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen, and therefore, it is made of a III-V group compound containing nitrogen with good crystallinity. A semiconductor layer can be formed thereon.
上記転写用基板として、Si基板,GaAs基板,GaP基板及びInP基板の中から選ばれる1つの基板を用いることにより、良好なへき開面が容易に得られる。 By using one substrate selected from a Si substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, and an InP substrate as the transfer substrate, a good cleavage plane can be easily obtained.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、単結晶基板上に、窒素を含むIII-V 族化合物からなる第1,第2の半導体層を有する積層膜を形成した後、積層膜中のp型半導体層に光を照射することにより、水素原子をp型層から脱離させる活性化処理を行なうようにしたので、積層膜中の不純物濃度プロファイルの急峻性を維持しつつ、p型層の低抵抗化を図ることができ、積層膜を用いて形成される半導体装置の特性の向上を図ることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after forming a laminated film having first and second semiconductor layers made of a III-V group compound containing nitrogen on a single crystal substrate, p in the laminated film is formed. Since the activation process for detaching hydrogen atoms from the p-type layer is performed by irradiating the p-type semiconductor layer with light, the steepness of the impurity concentration profile in the stacked film is maintained, and the p-type layer The resistance can be reduced, and the characteristics of the semiconductor device formed using the stacked film can be improved.
(第1の実施形態)
図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(First embodiment)
1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
まず、図1(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのp型InGaAlN層2を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層あるいはGaN層を形成した後に、p型InGaAlN層2を形成してもよい。また、図示しないが、p型InGaAlN層2は、p型GaN層あるいはp型AlGaNクラッド層を含んでいる。本実施形態においては、例えば、下方から順に、p型GaN層,p型(Al0.1 Ga0.9 )Nクラッド層及びp型(Al0.1 Ga0.9 )0.9 Iny0.1 N層を積層して形成されている。
First, in the step shown in FIG. 1A, the composition of (Al x ) is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A p-
続いて、p型InGaAlN層2の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのn型InGaAlN層4を形成する。n型InGaAlN層4は、n型AlGaNクラッド層あるいはn型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
Subsequently, on the p-
上記工程において、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており、p型InGaAlN層2中のp型不純物が活性化されていないので、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms in the p-
次に、図1(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 1B, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) beam (light beam) is irradiated from the back surface of the
図2は、照射するKrFエキシマレーザの出力の時間的変化を示す図である。同図に示すように、第1段階では、例えばパルスエネルギーが50mJで、パルス幅が5msのレーザ、つまり、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するので、p型InGaAlN層2の低抵抗化を行なう。
FIG. 2 is a diagram showing temporal changes in the output of the irradiated KrF excimer laser. As shown in the figure, in the first stage, for example, a laser having a pulse energy of 50 mJ and a pulse width of 5 ms, that is, a laser having a relatively low output and a large pulse width is irradiated. Thereby, the p-
続いて、第2段階で、レーザのパルスエネルギーを200mJに増大させるとともに、パルス幅を10nsに縮小する。この第2段階におけるレーザの照射によって、p型InGaAlN層2のうちサファイア基板1との界面領域で膜の分解が生じる。
Subsequently, in the second stage, the pulse energy of the laser is increased to 200 mJ and the pulse width is reduced to 10 ns. By the laser irradiation in the second stage, the film is decomposed in the interface region of the p-
なお、レーザを第1,第2段階という明確に区別しうる2種類のパルスで照射するのではなく、例えばパルス幅(時間)が少しずつ増大するパルスを用いてもよい。 Instead of irradiating the laser with two types of pulses that can be clearly distinguished, the first and second stages, for example, a pulse whose pulse width (time) gradually increases may be used.
この工程において、レーザビーム(光束)はウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1と積層部10中の各層2,3,4との熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is in the film due to a difference in thermal expansion coefficient between the
そして、図1(c)に示す工程で、積層部10(p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4)からサファイア基板1を分離させる(基板分離)。その後、積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用した発光ダイオードや半導体レーザを形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Then, in the step shown in FIG. 1C, the
従って、本実施形態では、サファイア基板1の裏面から照射したレーザによってp型InGaAlN層2の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部10中の各層が高温に加熱されるのを回避することができる。したがって、積層部10中のドーパントの拡散を抑制して、ドーパントプロファイルの急峻性を維持することができる。よって、特性の良好なデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the resistance of the p-
また、図1(b)に示す工程の第2段階において、照射する半導体レーザのパワーエネルギーやパルス幅を変化させることにより、サファイア基板1とp型InGaAlN層2との界面でサファイア基板1を分離することができるので、低抵抗化と基板分離とを同時に行なうことが可能となる。
In the second stage of the process shown in FIG. 1B, the
また、積層部10のp型InGaAlN層2とn型InGaAlN層4との双方に電極を形成することができる。絶縁性基板上に、p型InGaAlN層2,InGaAlN層3及びn型InGaAlN層4を搭載した場合には、p型InGaAlN層2又はn型InGaAlN層4のうち下方に位置するInGaAlN層にコンタクトする電極を形成するに際し、その上方に位置するInGaAlN層及びInGaAlN活性層をエッチングする必要がある。それに対し、本実施形態では、このようなエッチングプロセスを必要としないので、チップサイズの縮小と製造コストの低減とを図ることができる。
In addition, electrodes can be formed on both the p-
ただし、図1(c)に示す工程の後に、p型InGaAlN層2,InGaAlN層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を、Si基板等の上に搭載してもよい。その場合には、基板の材料としてサファイア基板よりも熱伝導率の高いものを選択することにより、放熱性の向上を図ることができる。放熱性の向上により、例えば発光ダイオードや半導体レーザでは、高パワー動作を実現することが可能となる。
However, after the step shown in FIG. 1C, the stacked
なお、従来では、サファイア基板上にInGaAlN層(GaN層)を形成する場合、アンドープでもn型になりやすいこと、p型層を上面側に形成しないと不純物の活性化が困難と考えられていたことなどから、積層部の最下部はn型層であった。しかし、本発明では、レーザ光の照射によってp型層中のp型不純物を活性化できるので、p型層が積層部の最下部にあってもよいし最上部にあってもよい。よって、積層膜中の各層の導電型を容易に選択することができる。 Conventionally, when an InGaAlN layer (GaN layer) is formed on a sapphire substrate, it is considered that it is likely to be n-type even when undoped, and it is difficult to activate impurities without forming a p-type layer on the upper surface side. For this reason, the lowermost part of the laminated part was an n-type layer. However, in the present invention, since the p-type impurity in the p-type layer can be activated by laser light irradiation, the p-type layer may be at the bottom or the top of the stacked portion. Therefore, the conductivity type of each layer in the laminated film can be easily selected.
(第2の実施形態)
図3(a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Second Embodiment)
3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the second embodiment of the present invention.
まず、図3(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約2μmのp型InGaAlN層2を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、p型InGaAlN層2を形成してもよい。また、図示しないが、p型InGaAlN層2は、p型GaN層あるいはp型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、p型InGaAlN層2の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのn型InGaAlN層4を形成する。n型InGaAlN層4は、n型AlGaNクラッド層あるいはn型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 3A, a composition (Al x ) is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A p-
上記工程において、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図3(b)に示す工程で、周知の貼り合わせ技術を用いて、n型InGaAlN層4を主面がほぼ(001)面であるSi基板5(転写用基板)に接着する。
Next, in the step shown in FIG. 3B, the n-
このとき、半導体レーザを作成する場合には、へき開が容易になるように、InGaAlN層の< 1 1-2 0>方向と、Si基板の<110>方向とが平行になるように、InGaAlN層とSi基板とを互いに接着する。 At this time, when a semiconductor laser is formed, the InGaAlN layer is formed so that the <1 1-20> direction of the InGaAlN layer and the <110> direction of the Si substrate are parallel to facilitate cleavage. And Si substrate are bonded together.
次に、図3(c)に示す工程で、窒素雰囲気下で、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。このとき、例えば第1の実施形態における図2に示すような第1,第2段階に変化させたレーザを照射することにより、第1段階でp型InGaAlN層2中の水素を脱離させてその低抵抗化を行ない、第2段階で、サファイア基板1をInGaAlN層,3,4から分離する。
Next, in the process shown in FIG. 3C, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) beam (light flux) is irradiated from the back surface of the
なお、レーザを第1,第2段階という明確に区別しうる2種類のパルスで照射するのではなく、例えばパルス幅(時間)が少しずつ増大するパルスを用いてもよい。 Instead of irradiating the laser with two types of pulses that can be clearly distinguished, the first and second stages, for example, a pulse whose pulse width (time) gradually increases may be used.
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1及び積層部10中の各層の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is relieved from stress in the film due to differences in thermal expansion coefficients of the layers in the
なお、ここで用いるKrFエキシマレーザの光密度は、600mJ/cm2 以上が望ましい。 The light density of the KrF excimer laser used here is desirably 600 mJ / cm 2 or more.
そして、図3(d)に示す工程で、積層部10(p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4)及びSi基板5からサファイア基板1を分離させる(基板分離)。
3D, the
なお、第2段階におけるレーザ光の照射によって、サファイア基板1の分離が終了した後に、Si基板5の接着を行なっても良い。
Note that the
その後、積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用した発光ダイオードや半導体レーザを形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Thereafter, a light emitting diode or a semiconductor laser using the p-
従って、本実施形態では、第1の実施形態と同様に、サファイア基板1の裏面から照射したレーザによってp型InGaAlN層2の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部10中の各層が高温に加熱されるのを回避することができる。したがって、積層部10中のドーパントの拡散を抑制して、ドーパントプロファイルの急峻性を維持することができる。よって、特性の良好なデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, similarly to the first embodiment, the resistance of the p-
また、図3(c)に示す工程の第2段階において、照射する半導体レーザのパワーエネルギーやパルス幅を変化させることにより、サファイア基板1とp型InGaAlN層2との界面でサファイア基板1を分離することができるので、低抵抗化と基板分離とを同時に行なうことが可能となる。
3C, the
また、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10をSi基板5の上に搭載しているので、後に、この構造を利用して半導体レーザを作成する場合には、積層部10中の各層(特にInGaAlN活性層3)とSi基板5とのへき開面がほぼ一致するように両者の結晶方位関係を調整することにより、平坦性のよいへき開面が得られる。その結果、半導体レーザの良好な共振器が得られる。また、Si基板5の熱伝導率がサファイア基板1よりも高いことを利用して、低しきい値電流あるいは高パワー動作といった高性能半導体レーザを実現できる。
In addition, since the stacked
(第3の実施形態)
図4(a)〜(c)は、本発明の第3の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Third embodiment)
4A to 4C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the third embodiment of the present invention.
まず、図4(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのn型InGaAlN層4を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、n型InGaAlN層4を形成してもよい。また、図示しないが、n型InGaAlN層4は、n型GaN層あるいはn型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、n型InGaAlN層4の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのp型InGaAlN層2を形成する。p型InGaAlN層2は、p型AlGaNクラッド層あるいはp型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 4A, a composition (Al x ) is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). An n-
さらに、p型InGaAlN層2の上に、CVD法により、酸化シリコンからなる厚み約100nmの酸化膜キャップ層6を形成する。
Further, an oxide
上記工程では、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図4(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、酸化膜キャップ層6の上方からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。なお、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のレーザを照射してもよい。
Next, in the step shown in FIG. 4B, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) beam (light flux) is irradiated from above the oxide
ここで、レーザの出力パワーはInGaAlN層2,3,4が分解しない程度とし、第1の実施形態における図2に示す第1段階の照射のみを行なう。つまり、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するので、p型InGaAlN層2が低抵抗化される。
Here, the output power of the laser is set so that the InGaAlN layers 2, 3, and 4 are not decomposed, and only the first stage irradiation shown in FIG. 2 in the first embodiment is performed. That is, a laser having a relatively low output and a large pulse width is irradiated. Thereby, the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部中の各層及び酸化膜キャップ層6の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is in the film due to the difference in thermal expansion coefficient between each layer in the
次に、図4(c)に示す工程で、酸化膜キャップ層6を例えばフッ酸にて除去する。その後、積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用した発光ダイオードや半導体レーザを形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Next, in the step shown in FIG. 4C, the oxide
従って、本実施形態では、酸化膜キャップ層6を通して照射したレーザによってp型InGaAlN層2の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部10中の各層が高温に加熱されるのを回避することができる。したがって、積層部10中のドーパントの拡散を抑制して、ドーパントプロファイルの急峻性を維持することができる。よって、特性の良好なデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the resistance of the p-
加えて、本実施形態では、酸化膜キャップ層6を形成した後にレーザ照射を行なっているので、温度上昇による表面の面荒れ、分解といった問題が生じず、平坦な表面が形成される。
In addition, in this embodiment, since laser irradiation is performed after the oxide
(第4の実施形態)
図5(a)〜(f)は、本発明の第4の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the fourth embodiment of the present invention.
まず、図5(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのn型InGaAlN層4を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、n型InGaAlN層4を形成してもよい。また、図示しないが、n型InGaAlN層4は、n型GaN層あるいはn型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、n型InGaAlN層4の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのp型InGaAlN層2を形成する。p型InGaAlN層2は、p型AlGaNクラッド層あるいはp型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 5A, the composition of (Al x ) is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is the (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). An n-
さらに、p型InGaAlN層2の上に、CVD法により、酸化シリコンからなる厚み約100nmの酸化膜キャップ層6を形成する。
Further, an oxide
上記工程では、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図5(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、酸化膜キャップ層6の上方からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 5B, a beam (light flux) of a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is irradiated from above the oxide
ここで、レーザの出力パワーはInGaAlN層2,3,4が分解しない程度とし、第1の実施形態における図2に示す第1段階の照射のみを行なう。つまり、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するので、p型InGaAlN層2が低抵抗化される。
Here, the output power of the laser is set so that the InGaAlN layers 2, 3, and 4 are not decomposed, and only the first stage irradiation shown in FIG. 2 in the first embodiment is performed. That is, a laser having a relatively low output and a large pulse width is irradiated. Thereby, the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部10中の各層及び酸化膜キャップ層6との熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is caused by a difference in thermal expansion coefficient between each layer in the
次に、図5(c)に示す工程で、酸化膜キャップ層6を例えばフッ酸にて除去する。
Next, in the step shown in FIG. 5C, the oxide
次に、図5(d)に示す工程で、周知の貼り合わせ技術を用いて、p型InGaAlN層2を主面がほぼ(001)面であるSi基板5(転写用基板)に接着する。
Next, in the step shown in FIG. 5D, the p-
このとき、半導体レーザを作成する場合には、へき開が容易になるように、InGaAlN層の< 1 1-2 0>方向と、Si基板の<110>方向とが平行になるように、InGaAlN層とSi基板とを互いに接着する。 At this time, when a semiconductor laser is formed, the InGaAlN layer is formed so that the <1 1-20> direction of the InGaAlN layer and the <110> direction of the Si substrate are parallel to facilitate cleavage. And Si substrate are bonded together.
そして、図5(e)に示す工程で、窒素雰囲気下で、サファイア基板1の裏面側からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Then, in the step shown in FIG. 5E, a beam (light flux) of a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is irradiated from the back side of the
ここで、レーザの出力パワーはInGaAlN層2,3,4が分解しない程度とし、第1の実施形態における図2に示す第2段階の照射のみを行なう。つまり、高出力でパルス幅の小さいレーザを照射する。 Here, the output power of the laser is set so that the InGaAlN layers 2, 3, and 4 are not decomposed, and only the second stage irradiation shown in FIG. 2 in the first embodiment is performed. That is, a laser with a high output and a small pulse width is irradiated.
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部10中の各層及びSi基板5との熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is in the film due to a difference in thermal expansion coefficient between the
なお、ここで用いるKrFエキシマレーザの光密度は、600mJ/cm2 以上が望ましい。 The light density of the KrF excimer laser used here is desirably 600 mJ / cm 2 or more.
これにより、図5(f)に示すように、積層部10(p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4)及びSi基板5からサファイア基板1を分離させる(基板分離)。
Thereby, as shown in FIG. 5F, the
なお、レーザ光の照射によって、サファイア基板1の分離が終了した後に、Si基板5の接着を行なっても良い。
Note that the
その後、積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用した発光ダイオードや半導体レーザを形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Thereafter, a light emitting diode or a semiconductor laser using the p-
従って、本実施形態では、酸化膜キャップ層6を通して照射したレーザによってp型InGaAlN層2の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部10が高温に加熱されるのを回避することができる。したがって、積層部10中のドーパントの拡散を抑制して、ドーパントプロファイルの急峻性を維持することができる。よって、特性の良好なデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the resistance of the p-
加えて、本実施形態では、酸化膜キャップ層6を形成した後にレーザ照射を行なっているので、温度上昇による表面の面荒れ、分解といった問題が生じず、平坦な表面が形成される。
In addition, in this embodiment, since laser irradiation is performed after the oxide
また、積層部10(p型InGaAlN層2,InGaAlN層3及びn型InGaAlN層4)がSi基板5の上に搭載されているので、後に、この構造を利用して半導体レーザを作成する場合には、InGaAlN層とSi基板とのへき開面がほぼ一致するように両者の結晶方位関係を調整することにより、平坦性のよいへき開面が得られる。その結果、半導体レーザの良好な共振器が得られる。また、Si基板5の熱伝導率がサファイア基板1よりも高いことを利用して、低しきい値電流あるいは高パワー動作といった高性能半導体レーザを実現できる。
In addition, since the stacked portion 10 (p-
(第5の実施形態)
図6(a)〜(c)は、本発明の第5の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Fifth embodiment)
6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the fifth embodiment of the present invention.
まず、図6(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えばRFスパッタリングにより、スペーサ層となる厚み約100nmのZnO層13を形成し、さらに、ZnO層13の上に、例えば有機金属気相成長(MOCVD)により、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのp型InGaAlN層2を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、p型InGaAlN層2を形成してもよい。また、図示しないが、p型InGaAlN層2は、p型GaN層あるいはp型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、p型InGaAlN層2の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのn型InGaAlN層4を形成する。n型InGaAlN層4は、n型AlGaNクラッド層あるいはn型GaN層を含んでいる。n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 6A, a
上記工程では、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図6(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、図2に示すと同様の方法により、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 6B, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) beam (light flux) is irradiated from the back surface of the
このとき、図2に示すような第1段階では、例えばパルスエネルギーが50mJで、パルス幅が5msのレーザ、つまり、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するので、p型InGaAlN層2が低抵抗化される。ただし、このレーザ出力では、ZnO層13は分解または融解しない。
At this time, in the first stage as shown in FIG. 2, for example, a laser having a pulse energy of 50 mJ and a pulse width of 5 ms, that is, a laser having a relatively low output and a large pulse width is irradiated. Thereby, the p-
続いて、第2段階で、レーザのパルスエネルギーを200mJに増大させるとともに、パルス幅を10nsに縮小する。この第2段階におけるレーザの照射によって、p型InGaAlN層2のうちサファイア基板1との界面領域で膜の分解が生じる。
Subsequently, in the second stage, the pulse energy of the laser is increased to 200 mJ and the pulse width is reduced to 10 ns. By the laser irradiation in the second stage, the film is decomposed in the interface region of the p-
なお、レーザを第1,第2段階という明確に区別しうる2種類のパルスで照射するのではなく、例えばパルス幅(時間)が少しずつ増大するパルスを用いてもよい。 Instead of irradiating the laser with two types of pulses that can be clearly distinguished, the first and second stages, for example, a pulse whose pulse width (time) gradually increases may be used.
この工程において、レーザビーム(光束)はウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1及び積層部10中の各層の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this process, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is relieved in order to relieve stress in the film due to differences in thermal expansion coefficients of the layers in the
そして、図6(c)に示す工程で、積層部10(p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4)及びZnO層13からサファイア基板1を分離させる(基板分離)。その後、積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用した発光ダイオードや半導体レーザを形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
6C, the
本実施形態では、図6(b)に示す工程の第1段階(図2参照)において、照射されるレーザのエネルギーによっては、ZnO層13が分解又は融解することがない。一方、ZnO層13及びp型InGaAlN層2で吸収された光が熱として伝導することにより、p型InGaAlN層2が加熱され、水素の脱離によるp型InGaAlN層2が低抵抗化される。すなわち、上記第1の実施形態と同様の効果を発揮することができる。
In the present embodiment, in the first stage of the process shown in FIG. 6B (see FIG. 2), the
しかも、本実施形態においては、上記第1の実施形態の効果に加えて、以下の効果を発揮することができる。 Moreover, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects can be exhibited.
ZnO層13のバンドギャップ(禁制帯幅)は、3.27eVであり、n型InGaAlN層4の最下部を構成するGaN層のバンドギャップ(3.39eV)よりも小さい。したがって、本実施形態では、図6(b)に示す工程中の第2段階において、サファイア基板1の裏面に照射されたレーザ光が、主にZnO層13で吸収されて各InGaAlN層2,3,4にはわずかしか到達しない。したがって、ZnO層13全体あるいはZnO層13のうちサファイア基板1との界面付近の領域で結晶の分解又は融解が生じるので、低い光パワー密度で積層部10及びZnO層13からサファイア基板1を分離することができる。
The band gap (forbidden band width) of the
また、積層部10中の各InGaAlN層2,3,4がほとんど融解しないことから、各InGaAlN層2,3,4中に結晶欠陥やクラックが発生するのを抑制することができる。すなわち、積層部10全体の厚みを5μm以下にしても、積層部10中の各層各InGaAlN層2,3,4の結晶性を良好に維持しつつ、サファイア基板1を分離させることができる。さらに、積層部10全体の厚みは5μm程度と薄いので、エピタキシャル成長後、基板冷却時に積層部10中の各層とサファイア基板1との熱膨張係数の差によって生じる基板の反りを低減することができる。したがって、平坦なSi基板などとの接着を容易にかつ均一に再現性良く行なうことが可能となる。
Moreover, since each
ここで、低い光パワー密度とは、例えばKrFエキシマレーザのレーザ光を使用した場合、GaN層とサファイア基板とが直接接している場合に、GaN層が互いに分離する閾値パワー密度が約600mJ/cm2 であるので、これより小さい値の光パワー密度のことをいう。 Here, the low optical power density means that, for example, when a laser beam of a KrF excimer laser is used, the threshold power density at which the GaN layer is separated from each other when the GaN layer and the sapphire substrate are in direct contact is about 600 mJ / cm. Since it is 2 , it means a light power density of a smaller value.
なお、スペーサ層としてZnO層13に代えてアモルファスのMgOを用いることができる。その場合、光を照射したときにMgOの分解で生じたMgがドーパントとなるので、積層部の最下部がp型層になるように調整することが容易となる。
As the spacer layer, amorphous MgO can be used instead of the
(第6の実施形態)
図7(a)〜(c)は、本発明の第6の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Sixth embodiment)
7A to 7C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the sixth embodiment of the present invention.
まず、図7(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、厚み約2μmのn型GaN層9を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、n型GaN層9を形成してもよい。また、n型GaN層9とサファイア基板1との間に半絶縁性GaN層がさらに設けられていてもよい。続いて、n型GaN層9の上に、厚み約0.2μmのp型GaN層8を形成した後、p型GaN層8の上に、厚み約0.5μmのn型Al0.1 Ga0.9 N層7を形成する。以上により、n型Al0.1 Ga0.9 N層7,p型GaN層8及びn型GaN層9からなる積層部11を形成する。
First, in the step shown in FIG. 7A, an n-thickness of about 2 μm is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A
さらに、n型Al0.1 Ga0.9 N層7の上に、CVD法により、酸化シリコンからなる厚み約100nmの酸化膜キャップ層6を形成する。
Further, an oxide
上記工程において、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図7(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、酸化膜キャップ層6の上方からYAGレーザの第三次高調波(波長355nm,エネルギー3.49eVに相当)のビーム(光束)を照射する。これにより、p型GaN層8における水素の脱離を生じさせて、p型GaN層8中のp型不純物を選択的に活性化して低抵抗化する。なお、サファイア基板1の裏面からYAGレーザの第三次高調波のレーザを照射してもよい。
Next, in the step shown in FIG. 7B, a beam (light beam) of the third harmonic (wavelength 355 nm, corresponding to energy 3.49 eV) of the YAG laser from above the oxide
このとき、Al0.1 Ga0.9 N層の禁制帯幅E1は、3.57eVであるために、照射したレーザのエネルギーはn型Al0.1 Ga0.9 N層7では吸収されずに、禁制帯幅E0が約3.39eVであるp型GaN層8によってほとんど吸収される。レーザの出力パワーは、p型GaN層8における水素の脱離が生じるのに必要な程度であり、第1の実施形態における図2に示す第1段階の照射のみを行なう。つまり、比較的低出力でパルス幅の小さいレーザを照射する。
At this time, since the forbidden band width E1 of the Al 0.1 Ga 0.9 N layer is 3.57 eV, the energy of the irradiated laser is not absorbed by the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 and the forbidden band width E0 is It is almost absorbed by the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部11中の各層及び酸化膜キャップ層6の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is a film due to a difference in thermal expansion coefficient between each layer in the
次に、図7(c)に示す工程で、酸化膜キャップ層6を例えばフッ酸にて除去する。その後、n型GaN層9をコレクタ領域とし、p型GaN層8をベース領域とし、n型Al0.1 Ga0.9 N層7をエミッタ領域とするヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(HBT)を形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Next, in the step shown in FIG. 7C, the oxide
なお、図7(b)に示す工程において照射される光を水銀灯の365nm輝線(エネルギー3.4eV相当)としても、同輝線はAl0.1 Ga0.9 N層7を通過して、p型GaN層8で吸収されるので、本実施形態と同様の効果が得られる。
Even if the light irradiated in the step shown in FIG. 7B is a 365 nm emission line (corresponding to an energy of 3.4 eV) of a mercury lamp, the emission line passes through the Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 and becomes the p-
本実施形態では、酸化膜キャップ層6を通して照射したレーザによってp型GaN層8の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部11中の各層(特にAl0.1 Ga0.9 N層7)が高温に加熱されるのを回避することができるので、ヘテロバイポーラトランジスタ中の各層(特にエミッタ領域)における不純物濃度プロファイルを急峻に維持しつつ、高濃度p型ベース領域を実現することが可能となる。
In the present embodiment, the resistance of the p-
また、キャップ層を形成した後にレーザ照射を行なっているので、温度上昇によるn型Al0.1 Ga0.9 N層7の表面荒れ、分解といった不具合を回避することができ、表面の平坦なヘテロバイポーラトランジスタが可能となる。 In addition, since laser irradiation is performed after the cap layer is formed, problems such as surface roughness and decomposition of the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 due to temperature rise can be avoided, and a heterobipolar transistor with a flat surface can be obtained. It becomes possible.
なお、pGaN層8中のp型不純物の活性化後に、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(248nm)を照射し、サファイア基板1を分離する工程を含んでも良い。
A step of separating the
(第7の実施形態)
図8(a)〜(d)は、本発明の第7の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Seventh embodiment)
8A to 8D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the seventh embodiment of the present invention.
まず、図8(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、厚み約0.5μmのn型Al0.1 Ga0.9 N層7を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層を形成した後に、n型Al0.1 Ga0.9 N層7を形成してもよい。また、n型Al0.1 Ga0.9 N層7とサファイア基板1との間に半絶縁性GaN層がさらに設けられていてもよい。続いて、n型Al0.1 Ga0.9 N層7の上に、厚み0.2μmのp型GaN層8と、厚み約2μmのn型GaN層9とを順次形成する。以上により、n型Al0.1 Ga0.9 N層7,p型GaN層8及びn型GaN層9からなる積層部11を形成する。
First, in the process shown in FIG. 8A, a thickness of about 0.5 μm is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 is formed. Here, for example, after forming an amorphous AlN buffer layer as thin as about 50 nm at a low temperature of about 500 ° C., the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 may be formed. Further, a semi-insulating GaN layer may be further provided between the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 and the
上記工程において、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図8(b)に示す工程で、例えば張り合わせ技術を用いて、主面が(001)面であるSi基板5をn型GaN層9に接着する。
Next, in the step shown in FIG. 8B, the
次に、図8(c)に示す工程で、窒素雰囲気下で、サファイア基板1の裏面からYAGレーザの第三次高調波(波長355nm,エネルギー3.49eVに相当)のビーム(光束)を、第1の実施形態と同様に、出力及び時間を2段階に変化させて照射する。
Next, in the step shown in FIG. 8C, a beam (light flux) of the third harmonic (wavelength 355 nm, equivalent to energy 3.49 eV) of the YAG laser from the back surface of the
このとき、図2に示す第1段階に相当する段階では、p型GaN層8における水素の脱離を生じさせて、p型GaN層8中のp型不純物を選択的に活性化して低抵抗化する。Al0.1 Ga0.9 N層の禁制帯幅E1は、3.57eVであるために、照射したレーザのエネルギーはn型Al0.1 Ga0.9 N層7では吸収されずに、禁制帯幅E0が約3.39eVであるp型GaN層8によってほとんど吸収される。レーザの出力パワーは、p型GaN層8における水素の脱離が生じるのに必要な程度であり、第1の実施形態における図2に示す第1段階と同様に、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。
At this time, in a stage corresponding to the first stage shown in FIG. 2, desorption of hydrogen in the p-
続いて、第2段階で、エネルギーの大きなKrFエキシマレーザ(248nm,エネルギー5eVに相当))を用いて、第1段階よりもレーザのパワー密度を上げ、パルス幅を小さくする。この第2段階におけるレーザの照射によって、n型Al0.1 Ga0.9 N層7のうちサファイア基板1との界面領域で膜の分解が生じる。
Subsequently, in the second stage, a high-energy KrF excimer laser (248 nm, corresponding to energy of 5 eV) is used to increase the laser power density and reduce the pulse width compared to the first stage. By the laser irradiation in the second stage, the film is decomposed in the interface region with the
この工程において、レーザビーム(光束)はウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,n型Al0.1 Ga0.9 N層7,各GaN層8,9及びSi基板5の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this step, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is formed of the
そして、KrFレーザの照射により、図8(d)に示すように、サファイア基板1が積層部11(n型Al0.1 Ga0.9 N層7,各GaN層8,9及びSi基板5)から分離される。つまり、Si基板5の上に、n型GaN層9,p型GaN層8及びn型Al0.1 Ga0.9 N層7を順に積層してなる構造が得られる。
Then, as shown in FIG. 8D, the
その後、n型GaN層9をコレクタ領域とし、p型GaN層8をベース領域とし、n型Al0.1 Ga0.9 N層7をエミッタ領域とするヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(HBT)を形成するが、その工程では周知慣用の技術を用いることができる。
Thereafter, a heterojunction bipolar transistor (HBT) having the n-
図9は、第7の実施形態の製造工程によって形成されるヘテロ接合型バイポーラトランジスタの構造を示す断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a heterojunction bipolar transistor formed by the manufacturing process of the seventh embodiment.
同図に示すように、このヘテロ接合型バイポーラトランジスタは、n型GaN層9(コレクタ層)の下面に接触するTi膜及びこれを被覆するAl膜からなる裏面電極21と、p型GaN層8(ベース層)の上に形成され、p型GaN層8に接触するNi膜及びこれを被覆するAu膜からなるベース電極22と、n型Al0.1 Ga0.9 N層7をパターニングして形成されたエミッタ層23と、エミッタ層23の上に設けられ、エミッタ層23に接触するTi膜及びこれを被覆するAl膜からなるエミッタ電極24とを備えている。つまり、図9に示す構造により、npn型のバイポーラトランジスタが構成されている。
As shown in the figure, this heterojunction bipolar transistor includes a
なお、図8(c)に示す工程の第1段階において照射される光を水銀灯の365nm輝線(エネルギー3.4eV相当)としても、同輝線はAl0.1 Ga0.9 N層7を通過して、p型GaN層8で吸収されるので、本実施形態と同様の効果が得られる。
Even if the light irradiated in the first stage of the process shown in FIG. 8C is a 365 nm emission line (equivalent to an energy of 3.4 eV) of a mercury lamp, the emission line passes through the Al 0.1 Ga 0.9 N layer 7 and becomes p Since it is absorbed by the
また、レーザ光の照射によってサファイア基板1の分離を行なってから、Si基板5の接着を行なってもよい。
Alternatively, the
本実施形態では、サファイア基板1の裏面から照射したレーザによってp型GaN層8の低抵抗化を図ることができる。このとき、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、n型GaN層9が高温に加熱されるのを回避することができるので、エミッタ領域における不純物濃度プロファイルの急峻なヘテロバイポーラトランジスタを実現することが可能となる。
In the present embodiment, the resistance of the p-
また、Si基板5等の放熱の良好な基板をn型GaN層9に接着することにより、ヘテロバイポーラトランジスタの高パワー動作が可能となる。
Further, by adhering a substrate with good heat dissipation such as the
さらに、本実施形態のヘテロ接合型バイポーラトランジスタによると、ベース電極でのコンタクト抵抗が低減し、ベース抵抗が小さく高周波特性の優れたヘテロ接合型バイポーラトランジスタが得られる。 Furthermore, according to the heterojunction bipolar transistor of this embodiment, the contact resistance at the base electrode is reduced, and a heterojunction bipolar transistor having a small base resistance and excellent high frequency characteristics can be obtained.
(第8の実施形態)
図11(a)〜(d)は、本発明の第8の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Eighth embodiment)
11A to 11D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the eighth embodiment of the present invention.
まず、図11(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのn型InGaAlN層4を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層(又はGaNバッファ層)を形成した後に、n型InGaAlN層2を形成してもよい。また、図示しないが、n型InGaAlN層4は、n型GaN層あるいはn型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、n型InGaAlN層4の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのp型InGaAlN層2を形成する。p型InGaAlN層2は、p型AlGaNクラッド層あるいはp型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 11A, a composition of (Al x ) is formed on a sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). An n-
上記工程では、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図11(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、上方からp型InGaAlN層2にKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 11B, the p-
ここで、レーザのパワー密度,パルス幅は、InGaAlN層2,3,4が分解しない程度とし、第1の実施形態における図2に示す第1段階の照射のみを行なう。つまり、比較的低出力でパルス幅の大きいレーザを照射する。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するので、p型InGaAlN層2が低抵抗化される。
Here, the laser power density and pulse width are set such that the InGaAlN layers 2, 3, and 4 are not decomposed, and only the first stage irradiation shown in FIG. 2 in the first embodiment is performed. That is, a laser having a relatively low output and a large pulse width is irradiated. Thereby, the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部10中の各層の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this process, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is relieved of stress in the film due to the difference in thermal expansion coefficient between the layers of the
次に、図11(c)に示す工程で、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4の各一部をエッチングして、n型InGaAlN層4のうちn側オーミック電極に対するコンタクト領域となる部分を露出させるとともに、p型InGaAlN層2のうちp側オーミック電極に対するコンタクト領域となる部分を他の部分よりも突出させるようにp型InGaAlN層2をパターニングする。
Next, in the step shown in FIG. 11C, a part of each of the p-
次に、図11(d)に示す工程で、基板上に、例えばNi/Au膜を堆積した後、Ni/Au膜をパターニングしてp型InGaAlN層2のうち突出している部分の上に、半導体レーザのp側オーミック電極15を形成する。続いて、N2 あるいはO2 雰囲気中で600℃程度の温度での熱処理を行なうことにより、p側オーミック電極15とp型InGaAlN層2とのコンタクト抵抗を低減する。さらに、基板上に、例えばTi/Al膜を堆積した後、Ti/Al膜をパターニングして半導体レーザのn型InGaAlN層4のうち露出している部分の上に、n側オーミック電極17を形成する。その後、チップ劈開工程などの周知慣用の技術を用いて、半導体レーザを形成することができる。
Next, in the step shown in FIG. 11D, after depositing, for example, a Ni / Au film on the substrate, the Ni / Au film is patterned, and on the protruding portion of the p-
なお、図11(d)に示す積層部10中のp型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用して発光ダイオードを形成することもできる。
In addition, a light emitting diode can also be formed using the p-
従って、本実施形態では、レーザの照射によってp型InGaAlN層2の低抵抗化を図るとともに、p型InGaAlN層2とp側オーミック電極15とのコンタクト抵抗の低減を図ることができる。p型InGaAlN層2の低抵抗化の際には、照射するレーザのエネルギーとパルス幅との調整によって、積層部10中の各層が高温に加熱されるのを回避することができる。したがって、積層部10中のドーパントの拡散を抑制して、ドーパントプロファイルの急峻性を維持することができる。よって、オーミック電極とのコンタクト抵抗の低減による消費電力の小さい、かつ、特性の良好なデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや低しきい値電流を有する半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the resistance of the p-
(第9の実施形態)
図12(a)〜(d)は、本発明の第9の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Ninth embodiment)
12A to 12D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the ninth embodiment of the present invention.
まず、図12(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのn型InGaAlN層4を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層(又はGaNバッファ層)を形成した後に、n型InGaAlN層4を形成してもよい。また、図示しないが、n型InGaAlN層4は、n型GaN層あるいはn型AlGaNクラッド層を含んでいる。続いて、n型InGaAlN層4の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのp型InGaAlN層2を形成する。p型InGaAlN層2は、p型AlGaNクラッド層あるいはp型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 12A, the composition of (Al x ) is formed on the sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is the (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). An n-
上記工程では、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており(活性化されていない)、その結果、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms (not activated) in the p-
次に、図12(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、上方からp型InGaAlN層2にKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 12B, the p-
ここで、レーザのパワー密度,パルス幅は、p型InGaAlN層2が分解又は変質する程度とし、第1の実施形態における図2に示す第1段階及び第2段階の照射を共に行なう。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するとともに、p型InGaAlN層2が分解され又は変質して、N組成率の小さい低抵抗GaN層16が形成される。また、低抵抗GaN層16の表面部には、Nをほとんど含まない金属Ga層が薄く形成されている。
Here, the power density and pulse width of the laser are set to such an extent that the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部10中の各層の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this process, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is relieved of stress in the film due to the difference in thermal expansion coefficient between the layers of the
次に、図12(c)に示す工程において、HCl等の酸を用いて、低抵抗GaN層16の表面部をエッチングする。つまり、図12(b)に示す工程で、p型InGaAlN層2が分解又は変質して低抵抗GaN層16に変化する際に形成された比較的高抵抗の金属Ga層を除去する。エッチング後の低抵抗GaN層16には表面荒れが残っている。
Next, in the step shown in FIG. 12C, the surface portion of the low-
次に、図12(d)に示す工程で、低抵抗GaN層16,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN4の各一部をエッチングして、n型InGaAlN層4のうちn側オーミック電極に対するコンタクト領域となる部分を露出させるとともに、低抵抗GaN層16のうちp側オーミック電極に対するコンタクト領域となる部分を他の部分よりも突出させるように低抵抗GaN層16をパターニングする。その後、周知慣用の技術を用いて、半導体レーザや発光ダイオードを形成することができる。
Next, in the step shown in FIG. 12D, each of the low-
図13は、第9の実施形態の製造工程によって形成される半導体レーザの構造を示す断面図である。この構造は、以下の処理によって形成される。 FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor laser formed by the manufacturing process of the ninth embodiment. This structure is formed by the following process.
図12(d)に示す工程の後で、基板上に、例えばNi/Au膜を堆積した後、Ni/Au膜をパターニングして低抵抗GaN層16のうち突出している部分の上に、半導体レーザのp側オーミック電極15を形成する。続いて、N2 あるいはO2 雰囲気中で600℃程度の温度での熱処理を行なうことにより、p側オーミック電極15と低抵抗GaN層16とのコンタクト抵抗を低減する。特に、低抵抗GaN層16に表面荒れが存在していることにより、低抵抗GaN層16とp側オーミック電極15との接触面積が増大するので、コンタクト抵抗の低減効果が顕著になる。
After the step shown in FIG. 12D, after depositing, for example, a Ni / Au film on the substrate, the Ni / Au film is patterned to form a semiconductor on the protruding portion of the low-
さらに、基板上に、例えばTi/Al膜を堆積した後、Ti/Al膜をパターニングしてn型InGaAlN層4のうち露出している部分の上に、半導体レーザのn側オーミック電極17を形成する。その後、チップ劈開工程などの周知慣用の技術を用いて、半導体レーザを形成することができる。
Further, after depositing, for example, a Ti / Al film on the substrate, the Ti / Al film is patterned to form the n-
なお、図13に示す低抵抗GaN層16,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4を利用して、発光ダイオードを形成することもできる。
A light-emitting diode can also be formed by using the low-
従って、本実施形態では、レーザの照射によってp型InGaAlN層2を分解又は変質させて低抵抗GaN層16を形成しているので、オーミック電極15とのコンタクト抵抗の低減を図ることができる。
Therefore, in this embodiment, the p-
p型InGaAlN層2の分解又は変質によって形成された低抵抗GaN層16とオーミック電極との接触抵抗が小さい理由は、今のところ明確に把握されているわけではない。しかし、この接触抵抗の低減作用は以下のように推測することが可能である。第1に、上述のように、低抵抗GaN層16の表面荒れによってオーミック電極とのコンタクト面積が増大するためと考えられる。第2に、GaN層の組成が化学量論的組成からずれることによって禁制帯幅(バンドギャップ)が小さくなり、導体である電極とのオーミック接触における抵抗が小さくなると考えられる。
The reason why the contact resistance between the low
よって、オーミック電極とのコンタクト抵抗の低減による消費電力の小さいデバイス(発光特性の良好な発光ダイオードや低しきい値電流を有する半導体レーザなど)を実現することが可能となる。 Accordingly, it is possible to realize a device (such as a light-emitting diode with good light emission characteristics or a semiconductor laser having a low threshold current) with low power consumption by reducing contact resistance with the ohmic electrode.
(第10の実施形態)
図14(a)〜(d)は、本発明の第10の実施形態における窒化物半導体を用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
(Tenth embodiment)
14A to 14D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using a nitride semiconductor according to the tenth embodiment of the present invention.
まず、図14(a)に示す工程で、主面が(0001)面であるサファイア基板1(ウエハ)の上に、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約3μmのp型InGaAlN層2を形成する。ここでは、例えば500℃程度の低温で50nm程度と薄いアモルファスAlNバッファ層(又はGaNバッファ層)を形成した後に、p型InGaAlN層2を形成してもよい。また、図示しないが、p型InGaAlN層2は、p型GaN層あるいはp型AlGaNクラッド層を含んでいる。 続いて、p型InGaAlN層2の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるアンドープのInGaAlN活性層3を形成する。InGaAlN活性層3は、例えばInGaN量子井戸構造を含んでおり、発光ダイオードや半導体レーザの場合には、電流の注入に応じて青色あるいは青紫色の光を発光する領域である。さらに続いて、InGaAlN活性層3の上に、組成が(Alx Ga1-x )y In1-y N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される厚み約0.5μmのn型InGaAlN層4を形成する。n型InGaAlN層4は、n型AlGaNクラッド層あるいはn型GaN層を含んでいる。以上により、p型InGaAlN層2,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4からなる積層部10を形成する。
First, in the step shown in FIG. 14A, the composition of (Al x ) is formed on the sapphire substrate 1 (wafer) whose main surface is the (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A p-
上記工程において、n型層の形成時にはSiが、p型層の形成時にはMgが、それぞれドーパントとして添加されている。また、MOCVDによるエピタキシャル成長を行なう際には、キャリアガスとして水素ガスを用いている。as-grownの状態では、p型InGaAlN層2中においてMgが水素原子と結合しており、p型InGaAlN層2中のp型不純物が活性化されていないので、p型InGaAlN層2は高い電気抵抗を有している。
In the above process, Si is added as a dopant when the n-type layer is formed, and Mg is added as a dopant when the p-type layer is formed. Further, when performing epitaxial growth by MOCVD, hydrogen gas is used as a carrier gas. In the as-grown state, Mg is bonded to hydrogen atoms in the p-
次に、図14(b)に示す工程で、窒素雰囲気下で、サファイア基板1の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)のビーム(光束)を照射する。
Next, in the step shown in FIG. 14B, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) beam (light beam) is irradiated from the back surface of the
ここで、レーザのパワー密度,パルス幅は、p型InGaAlN層2が分解する程度とし、第1の実施形態における図2に示す第1段階及び第2段階の照射を共に行なう。これにより、p型InGaAlN層2はレーザを吸収して加熱され、同層内の水素が膜中から脱離するとともに、p型InGaAlN層2が分解され又は変質して、N組成率の小さい低抵抗GaN層16が形成される。また、低抵抗GaN層16の表面部には、Nをほとんど含まない金属Ga層が薄く形成されている。
Here, the laser power density and pulse width are set such that the p-
この工程において、レーザビーム(光束)は、ウエハ面内をスキャンするように照射され、ウエハ全体は、サファイア基板1,積層部10中の各層の熱膨張係数の差による膜中ストレスを緩和するために、500℃程度に加熱されている。この加熱温度は、基板上の各層の特性の劣化や大きな変形を招かない範囲でストレス緩和の機能を発揮するためには、400℃以上750℃以下の範囲にあることが好ましい。
In this process, a laser beam (light beam) is irradiated so as to scan the wafer surface, and the entire wafer is relieved of stress in the film due to the difference in thermal expansion coefficient between the layers of the
そして、図14(c)に示す工程で、積層部10(低抵抗GaN層16,InGaAlN活性層3及びn型InGaAlN層4)からサファイア基板1を分離させる(基板分離)。その後、HCl等の酸を用いて低抵抗GaN層16の表面部をエッチングする。つまり、図14(b)に示す工程で、p型InGaAlN層2が分解又は変質して低抵抗GaN層16に変化する際に形成された金属Ga層を除去する。エッチング後の低抵抗GaN層16には表面荒れが残っている。
14C, the
次に、図14(d)に示す工程で、低抵抗GaN層16の上に、例えばNi/Au膜を堆積した後、Ni/Au膜をパターニングして、発光ダイオードのp側オーミック電極15を形成する。続いて、N2 あるいはO2 雰囲気中で600℃程度の温度での熱処理を行なうことにより、p側オーミック電極15と低抵抗GaN層16とのコンタクト抵抗を低減する。特に、低抵抗GaN層16に表面荒れが存在していることにより、低抵抗GaN層16とp側オーミック電極15との接触面積が増大するので、コンタクト抵抗の低減効果が顕著になる。
Next, in the step shown in FIG. 14D, for example, a Ni / Au film is deposited on the low-
さらに、n型InGaAlN層4の下面上に、例えばTi/Al膜を堆積して、発光ダイオードのn側オーミック電極17を形成する。
Further, a Ti / Al film, for example, is deposited on the lower surface of the n-
従って、本実施形態においても、第9の実施形態と同様に、レーザの照射によってp型InGaAlN層2を分解又は変質させて低抵抗GaN層16を形成しているので、第9の実施形態と同様の作用により、p側オーミック電極15とのコンタクト抵抗の低減を図ることができる。よって、オーミック電極とのコンタクト抵抗の低減による消費電力の小さいデバイス(発光ダイオードや低しきい値電流を有する半導体レーザなど)を実現することが可能となる。
Accordingly, in this embodiment as well, as in the ninth embodiment, the p-
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、単結晶基板としてサファイア基板を用いたが、本発明における単結晶基板はこれに限定されるものではなく、単結晶基板としてSiC基板,MgO基板,LiGaO2 基板,LiGax Al1-x O2 (0≦x≦1)混晶基板,LiAlO2 基板などを用いることができる。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, a sapphire substrate is used as the single crystal substrate, but the single crystal substrate in the present invention is not limited to this, and the single crystal substrate is an SiC substrate, MgO substrate, LiGaO 2 substrate, LiGa x Al. A 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1) mixed crystal substrate, a LiAlO 2 substrate, or the like can be used.
また、転写用基板としては、Si基板の他に、GaAs基板,GaP基板,InP基板などを用いることができる。 In addition to the Si substrate, a GaAs substrate, GaP substrate, InP substrate or the like can be used as the transfer substrate.
1 サファイア基板
2 p型InGaAlN層
3 InGaAlN活性層
4 n型InGaAlN層
5 Si基板
6 酸化膜キャップ層
7 n型Al0.1 Ga0.9 N層
8 p型GaN層
9 n型GaN層
10 積層部
11 積層部
13 ZnO層
15 p側オーミック電極
16 低抵抗GaN層
17 n側オーミック電極
21 コレクタ電極
22 ベース電極
23 エミッタ層
24 エミッタ電極
DESCRIPTION OF
Claims (12)
上記単結晶基板を覆うように、p型不純物がドープされた窒素を含むIII-V 族化合物からなる第1の半導体層と、n型不純物がドープされた窒素を含むIII-V族化合物からなるn型の第2の半導体層とを少なくとも有する積層膜を形成する工程(a)と、
光を上記第1の半導体層に照射して、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化する工程(b)とを含み、
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を上記第2の半導体層の下方に形成しておいて、
上記工程(b)では、上記単結晶基板の裏面から上記第1の半導体層に上記光を照射し、
さらに上記工程(b)では、照射される光のパワー密度又はエネルギーを少なくとも2種類に変化させることにより、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化するとともに、上記第1の半導体層と上記単結晶基板とを互いに分離させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer formed by epitaxial growth from a single crystal substrate,
A first semiconductor layer made of a III-V group compound containing nitrogen doped with a p-type impurity and a III-V group compound containing nitrogen doped with an n-type impurity so as to cover the single crystal substrate forming a laminated film having at least an n-type second semiconductor layer (a);
Irradiating the first semiconductor layer with light and activating p-type impurities in the first semiconductor layer;
In the step (a), the first semiconductor layer is formed below the second semiconductor layer,
In the step (b), the first semiconductor layer is irradiated with the light from the back surface of the single crystal substrate,
Further, in the step (b), the power density or energy of the irradiated light is changed to at least two types to activate the p-type impurity in the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer And a single crystal substrate separated from each other.
上記工程(b)では、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化させるための第1段階の処理を行なった後、光のパワー密度又はエネルギーを変化させて第1の半導体層と上記単結晶基板とを互いに分離させるための第2段階の処理を行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
In the step (b), after performing the first stage treatment for activating the p-type impurity in the first semiconductor layer, the power density or energy of light is changed to change the first semiconductor layer A method for manufacturing a semiconductor device, comprising performing a second stage process for separating the single crystal substrate from each other.
上記工程(b)における上記第1段階の処理の後、上記第2段階の処理の前に、上記積層体の上に転写用基板を固着させる工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 2,
The method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of fixing a transfer substrate on the stacked body after the first stage processing in the step (b) and before the second stage processing. Method.
上記工程(a)の前に、上記単結晶基板の上に、禁制帯幅が上記単結晶基板よりも小さいスペーサ層を形成する工程をさらに備え、
上記工程(a)では、上記スペーサ層の上に上記積層膜を形成し、
上記工程(b)では、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化するとともに、上記スペーサ層と上記単結晶基板とを互いに分離させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 2,
Before the step (a), further comprising a step of forming a spacer layer having a forbidden band width smaller than that of the single crystal substrate on the single crystal substrate,
In the step (a), the laminated film is formed on the spacer layer,
In the step (b), the p-type impurity in the first semiconductor layer is activated, and the spacer layer and the single crystal substrate are separated from each other.
上記単結晶基板を覆うように、p型不純物がドープされた窒素を含むIII-V 族化合物からなる第1の半導体層と、n型不純物がドープされた窒素を含むIII-V族化合物からなるn型の第2の半導体層とを少なくとも有する積層膜を形成する工程(a)と、
光を上記第1の半導体層に照射して、上記第1の半導体層中のp型不純物を活性化する工程(b)とを含み、
上記工程(a)では、上記第1の半導体層を上記第2の半導体層の上方に形成した後に上記積層部の上にキャップ層を形成し、
上記工程(b)では、上記キャップ層の上方から上記第1の半導体層に上記光を照射し、
さらに上記工程(b)の後、上記キャップ層を除去する工程と、
上記積層部の上に転写用基板を固着する工程と、
上記転写用基板を固着した後又は固着する前に、上記単結晶基板の裏面から光を照射して、上記単結晶基板を上記積層部から分離させる工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer formed by epitaxial growth from a single crystal substrate,
A first semiconductor layer made of a III-V group compound containing nitrogen doped with a p-type impurity and a III-V group compound containing nitrogen doped with an n-type impurity so as to cover the single crystal substrate forming a laminated film having at least an n-type second semiconductor layer (a);
Irradiating the first semiconductor layer with light and activating p-type impurities in the first semiconductor layer;
In the step (a), a cap layer is formed on the stacked portion after the first semiconductor layer is formed above the second semiconductor layer,
In the step (b), the first semiconductor layer is irradiated with the light from above the cap layer,
Furthermore, after the step (b), a step of removing the cap layer;
Fixing the transfer substrate on the laminated portion;
Irradiating light from the back surface of the single crystal substrate after the transfer substrate is fixed or before fixing, and separating the single crystal substrate from the stacked portion. Production method.
上記工程(b)において上記積層部の上方から照射される光よりも、上記基板の裏面から照射される光のエネルギーが大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the energy of light irradiated from the back surface of the substrate is larger than the light irradiated from above the stacked portion in the step (b).
上記光の光源が、パルス状に発振するレーザであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the light source is a laser that oscillates in a pulsed manner.
上記光を照射する際に、単結晶基板を加熱することを特徴とする半導体の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor manufacturing method, wherein the single crystal substrate is heated when the light is irradiated.
上記単結晶基板を加熱する際の加熱温度は、400℃以上750℃以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a heating temperature for heating the single crystal substrate is 400 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
上記光は、光束を単結晶基板面内でスキャンさせるように照射されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the light is irradiated so as to scan a light beam in a plane of a single crystal substrate.
上記単結晶基板として、サファイア基板,SiC基板,MgO基板,LiGaO2及びLiAlO2 基板の中から選ばれる1つの基板を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 10,
It said as the single crystal substrate, a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises using one substrate selected sapphire substrate, SiC substrate, MgO substrate, among LiGaO2 and LiAlO 2 substrate.
上記転写用基板として、Si基板,GaAs基板,GaP基板及びInP基板の中から選ばれる1つの基板を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 3, 5 and 6,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein one substrate selected from a Si substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, and an InP substrate is used as the transfer substrate.
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