JP2008071947A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型半導体層とｐ側電極などのと接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが可能な半導体素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板１にｐ型不純物がドープされたＧａＮ層２Ａを形成する工程と、ＧａＮ層２Ａに対して活性化処理を施すことによりｐ型半導体層２を形成する工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、上記活性化処理を、ＧａＮ層２Ａが形成された基板１を、溶融したＧａに浸漬させた状態で行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光ダイオードなどに代表される半導体を用いた半導体素子の製造方法に関する。

サファイアなどからなる基板にＧａＮからなるｐ型半導体層を形成することにより、発光ダイオードなどに代表される半導体素子が広く製造されている（たとえば特許文献１）。ｐ型半導体層を形成するには、まず、サファイア基板にＭｇがドープされたＧａＮ層を形成する。次いで、上記サファイア基板を、たとえばＮ₂雰囲気中でその温度が４００〜８００℃となるように加熱する。これにより、上記ＧａＮ層中のＭｇが活性化され、上記ＧａＮ層をｐ型半導体層とすることができる。

しかしながら、活性化を適切に行うには、上記ＧａＮ層を活性化する温度をより高くすることが好ましい。上記ＧａＮ層は、高い温度とされるほど、その表面において窒化化合物としてのＧａＮの分解が生じやすくなる。この結果、上記ｐ型半導体層の表面には、Ｎが欠乏した層が形成されてしまう。このような上記ｐ型半導体層は、たとえば上記ｐ型半導体層に正孔を注入するための電極を形成しても、この電極と上記ｐ型半導体層との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが困難であった。

特開平０５−１８３１８９号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ｐ型半導体層とｐ側電極などとの接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが可能な半導体素子の製造方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体素子の製造方法は、基板にｐ型不純物がドープされたＧａＮ層を形成する工程と、上記ＧａＮ層に対して活性化処理を施すことによりｐ型半導体層を形成する工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、上記活性化処理を、溶融したＧａに上記ＧａＮ層を浸漬させた状態で行うことを特徴としている。

このような構成によれば、上記ＧａＮ層にＮが欠乏した表層部分などが生じても、この表層部分を上記溶融したＧａに溶かすことが可能である。したがって、上記ｐ型半導体層の表面を正常な状態とすることが可能であり、たとえばｐ側電極との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記溶融したＧａに上記ｐ型不純物を混入しておく。このような構成によれば、上記ｐ型半導体層の表層部分は、上記ｐ型不純物の濃度が比較的高いものとなる。したがって、上記ｐ型半導体層とｐ側電極との接触状態を良好なオーミックコンタクトとするのに好適である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図３は、本発明に係る半導体素子の製造方法の第１実施形態を示している。まず、図１に示すように、基板１を用意する。基板１は、たとえばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉからなる。次いで、基板１をたとえばＭＯＣＶＤ法用の成膜室内に導入し、成膜室内の温度である成膜温度を１，１００℃とする。そして、Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとを上記成膜室内に流すことにより、基板１を洗浄する。次に、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなるバッファ層１１を形成した後に、ＧａＮ層２Ａを形成する。ＧａＮ層２Ａの形成は、たとえば成膜温度を１，０１０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを供給するとともに、ｐ型不純物であるＭｇのドープを行うために、Ｃｐ₂Ｍｇガスを同時に供給することにより行う。

次に、図２に示すように、たとえばＡｌ₂Ｏ₃からなるるつぼＭｐを用意し、その中に溶融したＧａをみたす。溶融したＧａには、ｐ型不純物であるＭｇを混入する。このとき、Ｇａを５００〜６００℃程度に加熱することにより、Ｍｇを溶融したＧａに均一に溶かしておく。ついで、バッファ層１１およびＧａＮ層２Ａが形成された基板１をるつぼＭｐ内の溶融したＧａに浸漬させる。るつぼＭｐにふたをした後に、６００〜７６０torr程度の圧力とした状態で８００〜９６０℃程度に溶融したＧａを加熱する。この状態で、６０ｍｉｎ保持する。この活性化処理により、ＧａＮ層２Ａに含まれるＭｇが活性化し、ＧａＮ層２Ａがｐ−ＧａＮ層２となる。そして、基板１をるつぼＭｐから取り出し、たとえば４０〜５０℃のＨ₂Ｏ、希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０）、およびＨＣｌを交互に用いて基板１およびｐ−ＧａＮ層２を洗浄する。

この後は、図３に示すように、ｐ−ＧａＮ層２上に活性層３およびｎ−ＧａＮ層４を積層させる。活性層３は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造とされた層であり、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層３は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層されている。上記ＩｎＧａＮ層は、活性層３の井戸層を構成している。上記ＧａＮ層は、活性層３のバリア層を形成している。ｎ−Ｇａｎ層４は、ＧａＮにＳｉがドープされたｎ型半導体からなる。

活性層３を形成するには、成膜温度を７００〜８００℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガス、ＴＭＧガスおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスを上記成膜室内に供給することにより、上述した井戸層としてのＩｎＧａＮ層および上記バリア層としてのＧａＮ層の形成を交互に行う。それぞれの層を３〜７層程度形成することにより、ＭＱＷ構造を有する活性層３が得られる。次いで、成膜温度を１，０６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＴＭＧガスを上記成膜室内に供給する。この際、ｎ型のドーパントであるＳｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給する。これにより、ｎ−ＧａＮ層４が形成される。この後は、ｐ−ＧａＮ層２にｐ側電極（図示略）を、ｎ−ＧａＮ層４にｎ型電極（図示略）をそれぞれ形成することにより、半導体発光素子Ａが得られる。

次に、上述した実施形態の半導体素子の製造方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、ＧａＮ層２Ａの活性化処理は、溶融したＧａ中で行われる。活性化処理においてはＧａＮ層２Ａが８００〜９６０℃程度の比較的高温とされるため、ＧａＮ層２Ａの表層部分においてＮが抜け出してしまうことが多い。このＮが欠乏したＧａＮ層２Ａの表層部分を、溶融したＧａ中に溶かすことにより、活性化処理によって得られるｐ−ＧａＮ層２の表面を清浄な状態とすることが可能である。したがって、ｐ−ＧａＮ層２と上記ｐ側電極との接触状態を、良好なオーミックコンタクトとすることができる。

図４は、溶融したＧａ中において活性化処理を施したｐ−ＧａＮ層２の顕微鏡写真であり、図５は、Ｎ₂雰囲気において活性化処理を施したｐ−ＧａＮ層の例の顕微鏡写真である。図４に示すように、ｐ−ＧａＮ層２の表面には、図５に示された例の表面よりも細かな凹凸が多く見られる。これは、活性化処理により分解した表層部分が溶融したＧａに溶け出したことによる。このようなｐ−ＧａＮ層２の表面は、Ｎが欠乏した表層部分などが存在しない、清浄なものとなっている。これは、上記ｐ側電極との接触状態をオーミックコンタクトとするのに適している。

活性化処理を８００〜９６０℃の範囲で行うことにより、ＧａＮ層２Ａ中のＭｇを適切に活性化させることが可能である。図６は、横軸に活性化温度Ｔを、縦軸にｐ−ＧａＮ層２の抵抗率ρとＮ₂雰囲気で活性化させたｐ−ＧａＮ層の抵抗率ρ₀との比をとったグラフである。本図から理解されるように、活性化処理温度を約８８０℃とすることにより、ρ／ρ₀を１．０程度とすることが可能である。すなわち、ｐ−ＧａＮ層２の表面を清浄としつつ、その抵抗が不当に大きくなることを防止することができる。

図７は、ｐ−ＧａＮ層２とＮ₂雰囲気で活性化処理を施したｐ−ＧａＮ層の例とのそれぞれの複数のサンプルについてキャリア濃度を計測した結果を示している。双方のキャリア濃度は、ほぼ同等であるか、本発明のｐ−ＧａＮ層２のキャリア濃度が高い結果となっている。

図８は、ｐ−ＧａＮ層２中のＭｇ濃度Ｃと表面からの深さとの関係を示している。同図に示されるとおり、表面からの深さＤが８０ｎｍ程度までの部分では、それよりも深い部分と比べてＭｇ濃度Ｃが顕著に高くなっている。これは、活性化処理において溶融したＧａに混ぜられたＭｇが、ＧａＮ層２Ａに拡散したからである。これにより、ｐ−ＧａＮ層２の表面は、上記ｐ側電極との接触状態を良好なオーミックコンタクトとするのに適したｐ型半導体となっている。

図９および図１０は、本発明に係る半導体素子の製造方法の第２実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

本実施形態においては、図９に示すように、まず基板１上に、バッファ層１１、ｎ−ＧａＮ層４、活性層３、およびＧａＮ層２Ａを順に積層させる。バッファ層１１、ｎ−ＧａＮ層４、活性層３、およびＧａＮ層２Ａを形成する手法は、上述した実施形態と同様である。

次いで、図１０に示すように、バッファ層１１、ｎ−ＧａＮ層４、活性層３、およびＧａＮ層２Ａが形成された基板を、るつぼＭｐに満たされた溶融したＧａに浸漬させる。この溶融したＧａには上述した実施形態と同様にｐ型不純物としてのＭｇが混入されている。るつぼＭｐにふたをした後に、６００〜７６０torr程度の圧力とした状態で８００〜９６０℃程度、好ましくは約８８０℃に溶融したＧａを加熱する。この状態で、６０ｍｉｎ保持する。この活性化処理により、ＧａＮ層２Ａに含まれるＭｇが活性化し、ＧａＮ層２Ａがｐ−ＧａＮ層２となる。

このような実施形態によれば、基板１側にｎ−ＧａＮ層４が形成された半導体発光素子を製造することができる。本実施形態の活性化処理においては、ＧａＮ層２Ａだけでなく、ｎ−ＧａＮ層４および活性層３も溶融したＧａに浸漬される。しかし、ＧａＮ層２Ａ、ｎ−ＧａＮ層４および活性層３は、その厚さが非常に薄い。このため、表面が露出したＧａＮ層２Ａの表層部分のみが溶融したＧａに溶け出し、ｎ−ＧａＮ層４および活性層３は、溶融したＧａには溶け出さない。また、溶融したＧａに含まれるＭｇが拡散する対象となるのも、ＧａＮ層２Ａのみである。さらに、活性層３は、８８０℃程度の活性化処理温度であれば、その結晶構造および組成が劣化するおそれがない。

本発明に係る半導体素子の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体素子の製造方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明で言うｐ型不純物は、Ｍｇに限定されず、ＧａＮ層を適切にｐ型半導体層とすることが可能なたとえばＺｎなどであってもよい。本発明に係る半導体素子の製造方法は、半導体発光素子に限定されず、ｐ型半導体層を利用した種々の半導体素子を製造することができる。

本発明に係る半導体素子の製造方法の第１実施形態において、ＧａＮ層を形成する工程を示す断面図である。 本発明に係る半導体素子の製造方法の第１実施形態における活性化処理を示す断面図である。 本発明に係る半導体素子の製造方法の第１実施形態によって製造された半導体発光素子の一例を示す断面図である。 本発明に係る半導体素子の製造方法の第１実施形態における活性化処理が施されたｐ−ＧａＮ層を示す顕微鏡写真である。 従来技術による活性化処理が施されたｐ−ＧａＮ層を示す顕微鏡写真である。 活性化処理温度と抵抗率との関係を示すグラフである。 キャリア濃度の計測結果を示すグラフである。 表面深さとＭｇ濃度との関係を示すグラフである。 本発明に係る半導体素子の製造方法の第２実施形態において、基板にバッファ層、ｎ−ＧａＮ層、活性層、およびＧａＮ層を形成する工程を示す断面図である。 本発明に係る半導体素子の製造方法の第２実施形態における活性化処理を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 半導体発光素子（半導体素子）
Ｍｐ るつぼ
１ 基板
２Ａ ＧａＮ層
２ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
３ 活性層
４ ｎ−ＧａＮ層
１１ バッファ層

Claims (2)

1. 基板にｐ型不純物がドープされたＧａＮ層を形成する工程と、
   上記ＧａＮ層に対して活性化処理を施すことによりｐ型半導体層を形成する工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、
   上記活性化処理を、溶融したＧａに上記ＧａＮ層を浸漬させた状態で行うことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
2. 上記溶融したＧａに上記ｐ型不純物を混入しておく、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。