JP2007116076A

JP2007116076A - 半導体素子

Info

Publication number: JP2007116076A
Application number: JP2006030914A
Authority: JP
Inventors: Masanari Kawaguchi; 真生川口; Katsuya Samonji; 克哉左文字; Atsunori Mochida; 篤範持田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】ＧａＮ系半導体の窒素極性面上に、コンタクト抵抗の低いｎ型電極を形成する。
【解決手段】窒素原子を含む面上にｎ型電極１２を備えたＧａＮ系半導体を有する半導体素子において、ｎ型電極１２と接し、（III族原子数）／（V族原子数）が１よりも大きいＶ族原子の空孔領域１１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体のｎ型電極のコンタクト抵抗を低減する技術に関する。

ＧａＮ系半導体は、高耐圧、高速電子デバイスのほか、青紫色レーザなどの発光素子に用いられる重要な材料である。ＧａＮ系半導体においては、ｎ型電極でのコンタクト抵抗を低減することで、素子の動作電圧を低減し、高効率な素子、例えば、高出力かつ信頼性の高い青紫色レーザが実現可能となる。

ＧａＮ系半導体素子において、動作効率の向上や、信頼性の向上を実現するためには、ｎ型電極における電圧降下を低く保つ必要がある。そのために、高い熱的安定性を持ち、コンタクト抵抗が低いｎ型電極が必要である。従来、ＧａＮ系半導体素子には六方晶ＧａＮ系結晶が用いられ、そのＧａ面（Ｇａ原子のみが露出している面）に対して幅広く電極形成技術の開発がなされてきた。一方、近年、ｎ型導電性の六方晶ＧａＮ基板のＮ面（Ｎ原子のみが露出している面）や、サファイア基板のＲ面上に形成されたＧａＮのＲ面など、Ｇａ面以外の面を主面として用いたＧａＮ系素子の研究開発が行われつつある。例えば、Ｇａ面上にｐ型電極を設け、Ｇａ面に対向するＮ面上にｎ型電極を設けたＧａＮ系青紫色レーザでは、ｎ型電極とｐ型電極とが平面的に見て重なるように形成できるので、Ｇａ面上にｐ型電極およびｎ型電極の両方を設ける場合に比べてチップサイズを低減できるほか、プロセスが簡便となりコスト削減が可能となる。このように、ＧａＮ基板のＧａ面以外の面を活用することで、新しいデバイス構成や機能が実現できる可能性がある。
特開２００４−６７１８号公報

しかしながら、Ｎ面などのＮ原子を含む面上にｎ型電極を形成した場合、Ｇａ面に比べてコンタクト抵抗が高くなるという課題がある。この課題を解決するために、ＧａＮ基板のＮ面をエッチングし、酸化物などを含むＮ面上の変質層を除去することが提案されている（特開２００４−６７１８号公報参照）。しかしながら、本願発明者の検討によれば、変質層を除去しただけではｎ型電極におけるコンタクト抵抗を十分に低減することはできなかった。

本発明の目的は、Ｎ原子を含む面上に十分にコンタクト抵抗の低いｎ型電極が形成された半導体素子およびその製造方法を提供することにある。

本願発明者らは、ＧａＮ系半導体基板を用いた半導体素子において、Ｎ面など、Ｎを含む面のコンタクト抵抗がＧａ面に比べて高いのは、面内に存在するＮ原子の一部がＧａ原子との結合を持たないために実効的に正孔として機能し、ｎ型キャリア濃度が減少することが原因であると考えた。

そこで、本願発明者らはＧａＮ系半導体がｎ型電極と接する領域にＮ空孔を形成させ、当該領域のＩＩＩ／Ｖ族原子比を１よりも大きくすることで、ｎ型コンタクト抵抗を低減できるのではないかと考えた。

本発明の半導体素子は、ＧａＮからなる基板と、前記基板のＮ原子を含む面上に設けられ、ＧａおよびＮを含む化合物半導体からなり、（Ｇａの原子数）／（Ｎの原子数）が１より大きいＮ空孔領域と、前記Ｎ空孔領域のＮ原子を含む面の上または上方に設けられたｎ型電極とを備えている。

ＧａＮ系半導体中において、Ｎ空孔はＧａとＮの電気陰性度の差（Ｎ＞Ｇａ）から、正に帯電しており、電子を放出するドナーとして機能し、電子キャリア濃度を増加させると考えられる。このため、ｎ型ＧａＮとｎ型電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。

なお、ｎ型電極にはＴｉ層やＶ層が含まれていてもよく、その場合にはｎ型電極とＮ空孔領域との間にＴｉＮ層やＶＮ層が形成されている場合がある。

本発明の半導体素子は、平面面積が小さい上、ｎ型電極におけるコンタクト抵抗が小さくなっている。そのため、高性能の青紫色レーザなどの発光素子をより低コストで供給することが可能となる。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について、ＧａＮ系材料を用いる青紫色レーザを例にとって説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る青紫色レーザを示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の青紫色レーザは、Ｇａ面を第１の主面とし、Ｎ面を第２の主面とするｎ型ＧａＮ基板１と、ｎ型ＧａＮ基板１のＧａ面上に設けられたｎ型ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層２と、第１のクラッド層２上に設けられ、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸を含む活性層３と、活性層３の上に設けられたＡｌＧａＮからなるオーバーフロー抑制層４と、オーバーフロー抑制層４の上に設けられ、レーザ共振器方向に延びるリッジストライプが上部に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ超格子からなる第２のクラッド層５と、第２のクラッド層５のリッジストライプを除く部分上に設けられたＳｉＯ₂からなる絶縁膜７と、第２のクラッド層５のリッジストライプ上に設けられたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層６と、コンタクト層６の上面（Ｇａ面）上に設けられたパラジウム（Ｐｄ）層と白金（Ｐｔ）層からなるｐ型電極８と、ｐ型電極８上に設けられ、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層からなる配線電極９と、配線電極９上に設けられたＡｕからなるパッド電極１０と、ｎ型ＧａＮ基板１のＮ面（裏面；窒素極性面）上に設けられ、Ｎ空孔を含むＧａＮを有するＮ空孔領域１１と、Ｎ空孔領域１１のＮ面上に設けられ、Ｎ空孔領域１１側から順に形成されたＴｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層からなるｎ型電極１２とを備えている。すなわち、本実施形態の青紫色レーザは、ｎ型ＧａＮ基板１のＧａ面上方にｐ型電極８が、Ｎ面下方にｎ型電極１２がそれぞれ設けられ、ｎ型ＧａＮ基板１とｎ型電極１２との間にはＮ空孔領域１１が設けられていることを特徴とする。Ｎ空孔領域１１は、ＧａＮの結晶構造を維持しつつ、部分的にＮ原子が抜けたＮ空孔を含んでいる。従って、Ｎ空孔領域１１においては、（Ｇａ原子数）／（Ｎ原子数）が１より大きくなっている。ｎ型ＧａＮ基板１およびＮ空孔領域１１の結晶構造は、例えば六方晶である。本実施形態の青紫色レーザでは、活性層３の端面から共振器方向にレーザ光が射出される。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の青紫色レーザの製造方法を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の上面（Ｇａ面）上に、例えば有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ法）により、第１のクラッド層２、活性層３、オーバーフロー抑制層４、第２のクラッド層５およびコンタクト層６を順次成長させる。その後、例えばプラズマＣＶＤ法を用いてコンタクト層６上にストライプ状のＳｉＯ₂膜１５を形成する。
次いで、ＳｉＯ₂膜１５をマスクとして例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ドライエッチングを行い、コンタクト層６と第２のクラッド層５の上部とで構成されるストライプ形状（リッジストライプ）を作成する。そして、ＳｉＯ₂膜１５を除去する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜７を基板上面（Ｇａ面）上に成膜した後、フォトリソグラフィーおよびエッチングを用いて絶縁膜７のうちリッジストライプ上に設けられた部分に開口を形成する。さらに、フォトリソグラフィーによるリフトオフと、例えばＥＢ蒸着装置を用いた蒸着とを行うことによって、Ｐｄ／Ｐｔからなるｐ型電極８を、コンタクト層６の上に形成する。

その後、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーと、例えばＥＢ蒸着装置を用いた蒸着とを行うことによって、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有する配線電極９、およびパッド電極１０を順次形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、へき開による共振器形成が可能となるように、ｎ型ＧａＮ基板１を裏面（Ｎ面）側から研磨して薄くする。その後、ｎ型ＧａＮ基板１のＮ面を、例えばイオン性ガスを用いて処理することでＮ空孔領域１１を形成する。具体的には、以下の条件でＮ面のＥＣＲエッチングを行う。Ｃｌ₂ガスを使用し、ガス流量は１００ｍＬ／ｓｅｃ（１００ｓｃｃｍ）とし、圧力は１Ｐａとする。プラズマ有機ＲＦ出力は３００Ｗとし、μ波電流を２００ｍＡとし、例えば０．９μｍ程度エッチングする。その後、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有するｎ型電極１２を例えばＥＢ蒸着装置を用いてＮ空孔領域１１のＮ面上に形成する。なお、本工程において、ＥＣＲエッチングの代わりにＩＣＰエッチングの他、イオン照射やプラズマ処理、熱処理などを用いてもよい。

次に、本実施形態の構成による効果と、当該効果が得られる理由についての仮説とを説明する。

ＧａＮ結晶において、Ｎ原子はＧａ原子に比べて他の原子との結合力が弱く、比較的結晶格子中から遊離しやすい。このため、ＧａＮ結晶のＮ面にイオン照射やプラズマ処理などを行うと、ＧａＮ結晶内からＮ原子が遊離してＮ面の表層部分にＮ空孔が形成されると考えられる。Ｎ空孔はキャリアとして機能する電子を発生させる。従って、ｎ型電極１２とｎ型ＧａＮ基板１との間のコンタクト抵抗が低減できると考えられる。

図３は、ｎ型ＧａＮ基板１のＮ面とｎ型電極１２との間にＮ空孔領域１１を形成した場合としない場合の青紫色レーザにおいて、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有するｎ型電極におけるコンタクト抵抗の測定結果を示す図である。ｎ型電極のＴｉ層は５ｎｍとした。なお、同図の横軸は、ｎ型電極１２の形成後に加えられた熱処理（シンター）の処理温度を示す。

図３に示すように、Ｎ空孔領域１１が設けられない場合、熱処理を受けない場合でもコンタクト抵抗は２ｘ１０^-3Ω・ｃｍ²であり、３００℃以上の熱処理（シンター）を受けると、コンタクト抵抗は１０^-2Ω・ｃｍ²台にまで上昇した。一方、Ｎ空孔領域１１が設けられた場合のコンタクト抵抗は熱処理温度が５００℃以下であればおよそ１ｘ１０^-4Ω・ｃｍ²で安定していた。半導体素子を外部回路と接続する際に通常はんだ付けを行うが、このとき２００℃〜３００℃の熱が基板に加わる。そのため、本実施形態の青紫色レーザによれば、外部回路との接続のためにはんだ付けを行った場合でもコンタクト抵抗を従来の青紫色レーザに比べて大幅に低減できることが分かる。以上のように、Ｎ空孔を形成することで、ｎ型ＧａＮ系半導体のＮ面とｎ型電極とのコンタクト抵抗を低減できるほか、コンタクト抵抗値を熱に対して安定化させることができる。

図４は、ｎ型ＧａＮ基板１のＮ面側にＮ空孔領域１１を形成させた後に、Ｔｉ層の厚さを５ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍに変えたｎ型電極１２を形成させたときのコンタクト抵抗を示す図である。すべての試料においてｎ型電極１２中のＰｔ層は１００ｎｍでＡｕ層の厚さは２００ｎｍとする。また、図４の横軸は、ｎ型電極１２の形成後に青紫色レーザに加えた熱処理の温度を示す。この結果から、ｎ型電極１２中のＴｉ層を薄くするとコンタクト抵抗が低下するとともに、熱的な安定性が増すことが分かる。Ｔｉ層の厚さが１０ｎｍであれば３００℃以下の熱処理後にコンタクト抵抗を低減でき、Ｔｉ層の厚さが５ｎｍであれば５００℃以下の熱処理後であってもコンタクト抵抗を低減することができる。

なお、本願発明者らが本実施形態の青紫色レーザをオージェ電子分光（ＡＥＳ）を用いて調査したところ、ｎ型電極１２とＮ空孔領域１１（ｎ型ＧａＮ基板１）との界面にＴｉＮ層が形成されていることが確認された。Ｎ空孔領域１１を形成する際に、結晶中から完全に抜け切らないＮ原子が存在し、それがｎ型電極１２のＴｉ層と結合してＴｉＮ層を形成した可能性がある。また、Ｔｉ層がＮを吸収することによりＧａＮ中のＮ空孔濃度を増す効果があり、半導体中の電子濃度を増し、コンタクト抵抗を低減させる効果がある。しかしながら、Ｔｉ層の厚さが５０ｎｍ以上となって厚すぎる場合、絶縁膜として機能するＴｉＮ層が厚くなるので、図４に示すようにコンタクト抵抗が上昇すると考えられる。ただし、Ｔｉ層の全ての部分にＮが拡散しない場合があるので、Ｔｉ層の厚さが薄い場合には、ＴｉＮ層が形成されても部分的に残存するＴｉによってコンタクト抵抗は低く保たれると考えられる。

なお、青紫色レーザにおいて、熱処理によりコンタクト抵抗が上昇する傾向があるが、熱処理によりＧａＮからＮが抜け、ＴｉＮが厚くなることが原因と考えられる。コンタクト抵抗が上昇する温度は、Ｔｉ層の厚さが１０ｎｍのときで４００℃、Ｔｉ層の厚さが５ｎｍのときで６００℃である。半導体素子を回路に接続させるためには通常はんだ付けを行うが、このとき、２００〜３００℃程度の熱が加わる。はんだ付けをした後にもコンタクト抵抗を低く保つためには、Ｔｉ層の膜厚を１０ｎｍ以下、さらに望ましくは５ｎｍ以下とするとよい。

また、本実施形態の青紫色レーザではｎ型のＧａＮ基板が用いられているので、絶縁性のサファイア基板を用いる場合に比べて放熱性の面で優れている。さらに、基板のＮ面側にｎ型電極が設けられていることで製造プロセスが簡易になっている上、ｐ型電極とｎ型電極とを平面的に重複するように形成させることができるので、チップサイズを小さくすることができ、製造コストを低減することができる。

なお、本実施形態の青紫色レーザは、ｎ型ＧａＮ基板１のＮ面（Ｃ面；０００１面）上方にｎ型電極１２が設けられているが、ｎ型ＧａＮ基板１のＭ面（１−１００面）、Ａ面（１１−２０）面、Ｒ面（１−１０２面）、（１１−２２）面など、Ｎ原子を含む面の上方であればＮ空孔領域を形成してコンタクト抵抗を低減することができる。ここで、「−１」、「−２」との表記は「１バー」、「２バー」を意味するものである。

また、本実施形態の青紫色レーザにおいて、ｎ型電極１２中のＴｉ層に代えてバナジウム（Ｖ）層を設けてもＮ空孔領域１１を設けた場合にコンタクト抵抗を低減することが可能となる。なお、ここではｎ型電極１２にＴｉ層またはＶ層が含まれている場合について説明しているが、ｎ型電極１２にこれらの層が含まれていない場合でも、電極とは別にＴｉ層またはＶ層をＮ空孔領域１１のＮ面上に形成してこれらの窒化物を形成させてもよい。この際に、Ｔｉ層またはＶ層がＮ空孔領域１１からＮ原子を効果的に奪えるように、Ｎ空孔領域１１に損傷を加えるなどの加工を行うことにより、ｎ型電極１２におけるコンタクト抵抗をさらに低くすることができる。また、Ｔｉ層やＶ層に限らず、Ｎと反応する物質の層であればＮ空孔領域のＮ面上に設けてＮ空孔を生じさせることができる。

また、本実施形態では、青紫色レーザの例を説明したが、ＧａＮ基板のＮ原子を含む面上にｎ型電極が設けられたＬＥＤ（Light Emitting Device）にＮ空孔領域を設けてもｎ型電極におけるコンタクト抵抗を低減することができる。

本発明に係るＧａＮ系半導体素子は、低抵抗な光源や増幅素子として、高密度ディスクへの高速書き込みや、携帯電話基地局における高出力送信などに用いることができる。

本発明の実施形態に係る青紫色レーザを示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係る青紫色レーザの製造方法を示す断面図である。Ｎ空孔領域を形成した場合としない場合の青紫色レーザにおいて、ｎ型電極でのコンタクト抵抗の測定結果を示す図である。本発明の青紫色レーザにおいて、Ｔｉ層の厚さが異なるｎ型電極を形成させたときのｎ型電極でのコンタクト抵抗を示す図である。

符号の説明

１ｎ型ＧａＮ基板
２第１のクラッド層
３活性層
４オーバーフロー抑制層
５第２のクラッド層
６コンタクト層
７絶縁膜
８ｐ型電極
９配線電極
１０パッド電極
１１Ｎ空孔領域
１２ｎ型電極
１５ＳｉＯ₂膜

Claims

ＧａＮからなる基板と、
前記基板のＮ原子を含む面上に設けられ、ＧａおよびＮを含む化合物半導体からなり、（Ｇａの原子数）／（Ｎの原子数）が１より大きいＮ空孔領域と、
前記Ｎ空孔領域のＮ原子を含む面の上または上方に設けられたｎ型電極とを備えていることを特徴とする半導体素子。
前記基板および前記Ｎ空孔領域の結晶構造は六方晶であり、
前記Ｎ空孔領域のＮ原子を含む面は、Ｎ面であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記ｎ型電極と前記Ｎ空孔領域との間にＧａＮとは異なる金属窒化物を含む膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記金属窒化物を含む膜は、前記ｎ型電極の構成材料とＮとの化合物を含む膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
前記ｎ型電極の構成材料とＮとの化合物はＴｉＮまたはＶＮであることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
前記ｎ型電極の構成材料とＮとの化合物はＴｉＮであり、
前記ｎ型電極は厚さが１０ｎｍ以下のＴｉ層を有していることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。