JP2008160137A - Group iii nitride semiconductor, method for manufacturing same and semiconductor device using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DVDやCD等の光ピックアップ用光源,電子写真用の書き込み光源,光通信用光源,紫外線センサー,高温動作トランジスター等に利用可能なIII族窒化物半導体およびその製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor that can be used for a light source for optical pickup such as DVD and CD, a writing light source for electrophotography, a light source for optical communication, an ultraviolet sensor, a high temperature operation transistor, and the like, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device. .
従来、青色のLEDは赤色や緑色に比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、一般式InAlGaNで表されるIII族窒化物半導体において、低温AlNバッファー層、あるいは低温GaNバッファー層を用いることによる結晶成長技術の向上と、Mgをドーパントとした低抵抗のp型半導体層が得られたことにより、高輝度青色LEDが実用化され、さらには、低出力ではあるが、室温連続発振する半導体レーザが実用化された。 Conventionally, blue LEDs have lower brightness than red and green and have had difficulties in practical use. Recently, in group III nitride semiconductors represented by the general formula InAlGaN, low-temperature AlN buffer layer or low-temperature GaN buffer layer As a result of improvement of crystal growth technology by using a low-resistance p-type semiconductor layer with Mg as a dopant, a high-intensity blue LED has been put to practical use. An oscillating semiconductor laser has been put into practical use.
III族窒化物半導体の重要な技術として、p型III族窒化物の製造技術がある。この製造技術として、水素をキャリアガスとして使用するMOCVD等の方法があるが、p型III族窒化物は、p型不純物と水素とが結合し、不純物を不活性化してしまうため、水素を含む雰囲気での結晶成長や、水素や水素を生成するガス中での熱処理を行った場合には高抵抗化する。従って、水素をキャリアガスとして使用するMOCVD等の方法では、p型III族窒化物を何も処理しない状態で(as grownで)製造することは困難であった。 As an important technology of the group III nitride semiconductor, there is a manufacturing technology of p-type group III nitride. As this manufacturing technique, there is a method such as MOCVD using hydrogen as a carrier gas. However, the p-type group III nitride contains hydrogen because the p-type impurity and hydrogen are combined to inactivate the impurity. The resistance increases when crystal growth in an atmosphere or heat treatment in a gas that generates hydrogen or hydrogen is performed. Therefore, it has been difficult to produce p-type group III nitride without any treatment (as grown) by a method such as MOCVD using hydrogen as a carrier gas.
このため、p型III族窒化物を製造する方法としては、高抵抗化したIII族窒化物に特別な処理を行なってp型化する第1の方法と、冷却工程時に水素がp型不純物と結合すること(図15参照)を防止するように結晶成長の工程を工夫することによってp型III族窒化物を製造する第2の方法とに大別される。 For this reason, as a method for producing a p-type group III nitride, there are a first method in which a high-resistance group III nitride is p-typed by performing a special treatment, and hydrogen is converted into a p-type impurity during the cooling step. It is roughly divided into a second method for producing p-type group III nitride by devising the crystal growth process so as to prevent bonding (see FIG. 15).
第1の方法としては、特開平5−183189号(以下、従来技術1と称す)、あるいは、特開平3−218625号(以下、従来技術2と称す)に示されているものが知られている。すなわち、従来技術1では、図16に示すように、水素や水素を生成するガスを実質含まない雰囲気ガス中で、熱処理を行い、GaN結晶中の水素Hの一部をGaN結晶外へ拡散排出して低抵抗のp型にするようにしている。また、従来技術2では、低エネルギーの電子線を照射し、水素とp型不純物との結合を切って低抵抗のp型にするようにしている。
As the first method, those disclosed in JP-A-5-183189 (hereinafter referred to as Conventional Technology 1) or JP-A-3-218625 (hereinafter referred to as Conventional Technology 2) are known. Yes. That is, in
また、第2の方法としては、特開平8−125222号(以下、従来技術3と称す)に示されているように、GaN結晶成長終了後の冷却を、水素を含まない雰囲気や不活性ガス中で行い、低抵抗のp型にするようにしている。
上述した従来技術1では、p型不純物を不活性化している水素を、熱処理によって結晶外部へ排出するために、水素を含まない雰囲気、一般的には窒素ガス雰囲気で例えば700℃の温度で熱処理を行なう。しかしながら、窒素ガス雰囲気においては、窒素分子からなる窒素ガスはIII族窒化物の生成原料にはならないために、700℃を超える高温ではIII族窒化物結晶表面の分解が起り、表面抵抗が高くなるなど、特性の劣化が生じる場合がある。
In the
また、本願の発明者による実験では、熱処理によって水素濃度は減少するが、水素濃度の分布は、熱処理前の濃度分布と相似形をしており、表面近傍が最も濃度が高く、このため、電極の接触抵抗率は必ずしも低くならなかった。 In addition, in the experiment by the inventors of the present application, the hydrogen concentration is reduced by the heat treatment, but the hydrogen concentration distribution is similar to the concentration distribution before the heat treatment, and the concentration is highest near the surface, so that the electrode The contact resistivity was not necessarily low.
また、従来技術3では、1000℃程度の結晶成長温度から室温までの降温を窒素ガス雰囲気や不活性ガスのみの雰囲気で行った場合には、結晶表面の分解が起り、表面抵抗が高くなるなど、特性の劣化が生じる場合があった。 Further, in the prior art 3, when the temperature drop from the crystal growth temperature of about 1000 ° C. to room temperature is performed in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas only atmosphere, the crystal surface is decomposed and the surface resistance is increased. In some cases, the characteristics deteriorated.
また、従来技術2では、低エネルギーの電子線を照射するが、低エネルギー電子線照射は、電子線の侵入深さが浅く、結晶表面近傍しかp型化できないことと、電子線を一度に照射できる面積が狭いために、ウエハー全面をp型化するには時間がかかり、工業的にはコストがかかりすぎるという問題がある。
In the
一方、水素を含まない原料のみで成長を行うMBE法では、低抵抗のp型GaNが得られることが知られている。 On the other hand, it is known that low resistance p-type GaN can be obtained by the MBE method in which growth is performed only with raw materials not containing hydrogen.
しかしながら、MBE法では、高真空中で結晶成長を行うために窒素の解離による欠陥が形成される等、高品質な結晶成長を行いにくいという問題がある。また、窒素の供給に課題があり、成長速度が遅く、MOCVD法に比べて量産には適していない。 However, the MBE method has a problem that it is difficult to perform high-quality crystal growth, such as formation of defects due to dissociation of nitrogen in order to perform crystal growth in a high vacuum. In addition, there is a problem in supply of nitrogen, the growth rate is slow, and it is not suitable for mass production as compared with the MOCVD method.
一方、MBE法と同様に水素を極力含まない雰囲気で、MOCVD法により結晶成長を行った場合、本願の発明者によるGaNの実験では、表面の凹凸が激しく、結晶性の良いものを成長させることはできなかった。すなわち、水素を含まない雰囲気では、高品質のp型GaNを成長させることはできない。 On the other hand, when the crystal growth is performed by the MOCVD method in an atmosphere containing as little hydrogen as in the MBE method, in the GaN experiment by the inventor of the present application, the surface has unevenness and a crystal with good crystallinity is grown. I couldn't. That is, high-quality p-type GaN cannot be grown in an atmosphere that does not contain hydrogen.
本発明は、表面の劣化が少なく、かつ、低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することの可能なIII族窒化物半導体の製造方法およびIII族窒化物半導体および半導体装置を提供することを目的としている。 The present invention provides a group III nitride semiconductor manufacturing method, a group III nitride semiconductor, and a semiconductor device capable of manufacturing a p-type group III nitride semiconductor with low surface degradation and low resistance. It is an object.
また、本発明は、低コストで、信頼性が高く、動作電圧の低い半導体装置を提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device with low cost, high reliability, and low operating voltage.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶を結晶成長させて冷却した後に、前記III族窒化物結晶の上に、所定の積層構造を形成することによって、前記III族窒化物結晶をp型III族窒化物半導体として製造することを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, after a group III nitride crystal containing at least both p-type impurities and hydrogen is grown and cooled, on the group III nitride crystal, The group III nitride crystal is manufactured as a p-type group III nitride semiconductor by forming a predetermined laminated structure.
また、請求項2記載の発明は、請求項1に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記所定の積層構造は、厚さが0.5μm以上であることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to the first aspect, the predetermined laminated structure has a thickness of 0.5 μm or more.
また、請求項3記載の発明は、水素ガスを含む雰囲気で、少なくともp型不純物を含むp型III族窒化物半導体を結晶成長させ、結晶成長後、NH3を含んだ窒素原料を含むガス雰囲気で成長温度から降温させことを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a gas atmosphere containing a nitrogen source containing NH 3 after crystal growth of a p-type group III nitride semiconductor containing at least p-type impurities in an atmosphere containing hydrogen gas. It is characterized by lowering the temperature from the growth temperature.
また、請求項4記載の発明は、請求項1に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記所定の積層構造の最表面層を、水素ガスを含まない雰囲気で成長可能な層により形成することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to the first aspect, the outermost surface layer of the predetermined laminated structure is formed of a layer that can be grown in an atmosphere not containing hydrogen gas. It is characterized by doing.
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、所定の積層構造の最表面層を少なくともInを含むIII族窒化物とし、この場合、この少なくともInを含むIII族窒化物を、水素ガスを含まない雰囲気か、あるいは、水素ガスに対し窒素原料ガスと窒素ガスが過剰の雰囲気で結晶成長させ、少なくともInを含むIII族窒化物の結晶成長終了後、少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気で冷却することを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride semiconductor according to the fourth aspect, the outermost surface layer of the predetermined laminated structure is a group III nitride containing at least In. After the completion of crystal growth of the group III nitride containing at least In, the group III nitride containing nitrogen is grown in an atmosphere that does not contain hydrogen gas or in an atmosphere in which the nitrogen source gas and nitrogen gas are excessive with respect to the hydrogen gas. And cooling in a gas atmosphere containing at least a nitrogen raw material.
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記p型不純物はMgであることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to any one of the first to fifth aspects, the p-type impurity is Mg.
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法によって製造されたIII族窒化物半導体を特徴としている。
The invention as set forth in
また、請求項8記載の発明は、p型半導体層を少なくとも有する半導体装置において、p型半導体層には、請求項7記載のIII族窒化物半導体が用いられることを特徴としている。
The invention according to
また、請求項9記載の発明は、請求項5記載の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体とp型III族窒化物積層構造の全部または一部とを有し、p型III族窒化物積層構造の表面にp側オーミック電極が形成されている半導体装置を特徴としている。
The invention described in claim 9 includes the p-type group III nitride semiconductor manufactured by the manufacturing method according to
また、請求項10記載の発明は、請求項8または9に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体発光素子であることを特徴としている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the eighth or ninth aspect, the semiconductor device is a semiconductor light emitting element.
また、請求項11記載の発明は、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体電子デバイスであることを特徴としている。
The invention according to
また、請求項12記載の発明は、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体受光素子であることを特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the eighth to tenth aspects, the semiconductor device is a semiconductor light receiving element.
以上に説明したように、請求項1記載の発明によれば、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶を結晶成長させて冷却した後に、所定の積層構造を積層することによって、前記III族窒化物結晶をp型III族窒化物半導体として製造するので、所定の積層構造(例えばIII族窒化物積層構造)の積層中にIII族窒化物結晶に含まれている水素はIII族窒化物結晶外へ放出され、III族窒化物結晶が低抵抗化するとともに、所定の積層構造(例えばIII族窒化物積層構造)の積層終了後の冷却過程での雰囲気からの水素のIII族窒化物結晶への拡散侵入が所定の積層構造で防止され、III族窒化物結晶は高抵抗化しない。その結果、III族窒化物結晶は低抵抗のp型III族窒化物半導体となる。従って、請求項4のp型III族窒化物半導体の製造方法を用いれば、従来のように結晶成長後の熱処理工程が必要なく、また熱処理の雰囲気ガス組成に依存せずに、低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, a group III nitride crystal containing at least both p-type impurities and hydrogen is grown and cooled, and then a predetermined laminated structure is laminated. Since the group III nitride crystal is manufactured as a p-type group III nitride semiconductor, the hydrogen contained in the group III nitride crystal in the stack of a predetermined layered structure (for example, group III nitride stacked structure) is III The group III nitride crystal is released out of the group, the resistance of the group III nitride crystal is reduced, and the group III of hydrogen from the atmosphere in the cooling process after the lamination of the predetermined laminated structure (for example, the group III nitride laminated structure) is completed. Diffusion penetration into the nitride crystal is prevented with a predetermined laminated structure, and the group III nitride crystal does not increase in resistance. As a result, the group III nitride crystal becomes a low-resistance p-type group III nitride semiconductor. Therefore, if the method for producing a p-type group III nitride semiconductor according to claim 4 is used, a heat treatment step after crystal growth is not required as in the prior art, and a low resistance p is obtained without depending on the atmospheric gas composition of the heat treatment. A type III nitride semiconductor can be manufactured.
また、請求項2記載の発明によれば、所定の積層構造の厚さを0.5μm以上にすることにより(すなわち、冷却過程での水素の拡散深さは、表面から約0.5μmであるので、所定の積層構造の厚さをこれ以上にすることにより)、所定の積層構造によって、III族窒化物結晶中への水素の拡散がほとんどなく、高抵抗化の影響の少ない低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができる。 According to the second aspect of the present invention, the thickness of the predetermined laminated structure is 0.5 μm or more (that is, the hydrogen diffusion depth in the cooling process is about 0.5 μm from the surface). (Thus, by increasing the thickness of the predetermined laminated structure), the predetermined laminated structure causes almost no diffusion of hydrogen into the group III nitride crystal, and has a low resistance p with little influence of high resistance. A type III nitride semiconductor can be manufactured.
また、請求項3の発明によれば、水素ガスを含む雰囲気で、少なくともp型不純物を含むp型III族窒化物半導体を結晶成長させ、結晶成長後、窒素原料を含むガス雰囲気で成長温度から降温するので、降温時に窒素原料から供給される原子状窒素によって、III族窒化物結晶表面の分解が抑制され、欠陥による高抵抗化が防止されるとともに、雰囲気ガスからの水素の拡散侵入が抑制されるため、as grownで低抵抗のp型III族窒化物半導体が得られる。 According to a third aspect of the present invention, a p-type group III nitride semiconductor containing at least a p-type impurity is grown in an atmosphere containing hydrogen gas, and after the crystal growth, the growth is performed in a gas atmosphere containing a nitrogen source. As the temperature drops, the atomic nitrogen supplied from the nitrogen source at the time of temperature reduction suppresses the decomposition of the III-nitride crystal surface, prevents high resistance due to defects, and suppresses the diffusion and penetration of hydrogen from the atmospheric gas. Therefore, an as-grown and low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be obtained.
また、降温時(冷却時)のガス雰囲気中にある程度の量の水素を含ませることもでき、この場合には、結晶表面に吸着している未反応の有機原料や有機物の水素によるクリーニング効果が期待できて、表面の汚染による表面抵抗の増加が防止できる。これは従来技術では得られなかった効果である。 In addition, a certain amount of hydrogen can be included in the gas atmosphere when the temperature is lowered (during cooling). In this case, the cleaning effect of hydrogen on unreacted organic raw materials and organic substances adsorbed on the crystal surface is achieved. The increase in surface resistance due to surface contamination can be prevented. This is an effect that cannot be obtained by the prior art.
また、窒素原料として、NH3等のように、その分解によって水素を発生する化合物を使用することによって、原子状窒素による結晶表面の分解抑制効果(それによる水素の拡散抑制効果)と水素によるクリーニング効果とが同時に得られる。 In addition, by using a compound that generates hydrogen by its decomposition, such as NH 3 , as a nitrogen source, the crystal surface decomposition suppression effect (the hydrogen diffusion suppression effect) by atomic nitrogen and hydrogen cleaning The effect is obtained at the same time.
また、請求項4,請求項5記載の発明によれば、請求項1に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記所定の積層構造の最表面層を、水素ガスを含まない雰囲気で成長可能な層により形成するので(より具体的には、請求項10記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、所定の積層構造の最表面層を少なくともInを含むIII族窒化物とし、この場合、この少なくともInを含むIII族窒化物を、水素ガスを含まない雰囲気か、あるいは、水素ガスに対し窒素原料ガスと窒素ガスが過剰の雰囲気で結晶成長させ、少なくともInを含むIII族窒化物の結晶成長終了後、少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気で冷却するので)、積層構造の表面層の結晶性が良く、また、より一層低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができる。
According to the invention of claim 4 or
すなわち、Inを含まないIII族窒化物は、水素を含まない雰囲気で成長を行うと、表面の凹凸が激しく、結晶性の良いものを製造することは困難である。これに対し、Inを含むIII族窒化物は、水素を含まない雰囲気で結晶成長を行っても結晶性の良いものを製造できる。従って、水素をほとんど含まない雰囲気で、Inを含むIII族窒化物を成長させることにより、結晶性が良く、結晶成長中の水素の取り込まれが少ない結晶(Inを含むIII族窒化物結晶)を製造できる。 In other words, when a group III nitride not containing In is grown in an atmosphere not containing hydrogen, it is difficult to manufacture a group with good crystallinity due to severe surface irregularities. On the other hand, a group III nitride containing In can be manufactured with good crystallinity even if crystal growth is performed in an atmosphere not containing hydrogen. Therefore, by growing a group III nitride containing In in an atmosphere containing almost no hydrogen, a crystal with good crystallinity and a small amount of hydrogen taken up during crystal growth (group III nitride crystal containing In) is obtained. Can be manufactured.
また、III族窒化物結晶の成長中にIII族窒化物結晶中に取り込まれた水素は、水素をほとんど含まない雰囲気中でのInを含むIII族窒化物の成長中に、効率良くIII族窒化物結晶外へ放出されるので、III族窒化物結晶内の水素濃度が下がり、さらに低抵抗となる。また、冷却時には、積層構造によってIII族窒化物結晶への水素の拡散侵入が防止されるので、III族窒化物結晶は高抵抗化しない。その結果、より一層低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造できる。 In addition, the hydrogen incorporated into the group III nitride crystal during the growth of the group III nitride crystal is efficiently converted into the group III nitride during the growth of the group III nitride containing In in an atmosphere containing almost no hydrogen. Since it is released out of the crystal, the hydrogen concentration in the group III nitride crystal is lowered, and the resistance is further reduced. Further, at the time of cooling, the layered structure prevents the diffusion and penetration of hydrogen into the group III nitride crystal, so that the group III nitride crystal does not increase in resistance. As a result, an even lower resistance p-type group III nitride semiconductor can be manufactured.
また、請求項6記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記p型不純物がMgであることにより、室温においても低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造できる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a group III nitride semiconductor according to any one of the first to twelfth aspects, since the p-type impurity is Mg, In addition, a low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be manufactured.
また、請求項7記載の発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法によって製造されたIII族窒化物半導体であるので、表面の劣化が少なく、かつ、低抵抗のp型III族窒化物半導体を提供できる。
According to the invention described in
また、請求項8記載の発明によれば、p型半導体層を少なくとも有する半導体装置において、p型半導体層には、請求項7記載のIII族窒化物半導体が用いられるので、低コストで、信頼性が高く、動作電圧の低い半導体装置を提供できる。 According to the eighth aspect of the present invention, in the semiconductor device having at least the p-type semiconductor layer, the group III nitride semiconductor according to the seventh aspect is used for the p-type semiconductor layer. A semiconductor device with high performance and low operating voltage can be provided.
また、請求項9記載の発明によれば、請求項5記載の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体とp型III族窒化物積層構造の全部または一部とを有し、p型III族窒化物積層構造の表面にp側オーミック電極が形成されており、p型III族窒化物半導体の抵抗が低いので、さらに動作電圧の低い半導体装置を提供できる。
According to the invention described in claim 9, the p-type group III nitride semiconductor manufactured by the manufacturing method according to
また、請求項10記載の発明によれば、請求項8または請求項9に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体発光素子(例えば半導体レーザー)であるので、高出力,高効率,高信頼性の半導体発光素子を提供できる。 According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the eighth or ninth aspect, since the semiconductor device is a semiconductor light emitting element (for example, a semiconductor laser), high output, high efficiency, and high reliability. A semiconductor light emitting device can be provided.
また、請求項11記載の発明によれば、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体電子デバイスであるので、高信頼性の半導体電子デバイスを提供できる。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the eighth to tenth aspects, the semiconductor device is a semiconductor electronic device. Can be provided.
また、請求項12記載の発明によれば、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記半導体装置は半導体受光素子であるので、高信頼性の半導体電子デバイスを提供できる。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the eighth to tenth aspects, the semiconductor device is a semiconductor light receiving element. Can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第1の実施形態
図1は本発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法の第1の実施形態を示す図である。図1を参照すると、このIII族窒化物半導体の製造方法では、p型不純物と水素との両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶1を成長させた後(図1(a))、III族窒化物結晶1の表面層2の全部または一部を除去して(図1(b))、p型III族窒化物半導体3を製造するようにしている(図1(c))。なお、図1(b),(c)の例では、III族窒化物結晶1の表面層2の全部を除去した場合が示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a method for producing a group III nitride semiconductor according to the present invention. Referring to FIG. 1, in this method of manufacturing a group III nitride semiconductor, group
本願の発明者による実験では、水素ガスを含む雰囲気で、結晶成長、および、結晶成長後の冷却を行ったp型不純物を含むIII族窒化物結晶中の水素(H)濃度は、図1(a)に示すように、結晶表面が最も高く、結晶内部にいくに従って減少し、結晶内部では一定濃度であった。 In the experiment by the inventors of the present application, the hydrogen (H) concentration in the group III nitride crystal containing the p-type impurity subjected to crystal growth and cooling after crystal growth in an atmosphere containing hydrogen gas is shown in FIG. As shown in a), the crystal surface was the highest and decreased as it moved into the crystal, and the concentration was constant inside the crystal.
図17(a),(b)には、p型不純物であるマグネシウム(Mg)をドーピングしたp型GaN中のMgと水素(H)の膜厚方向の濃度分布のSIMS分析の結果が示されている。なお、図17(a)は結晶成長後に熱処理を行っていないGaNでの結果であり、図17(b)は結晶成長後に窒素雰囲気中で熱処理を行ったGaNでの結果である。図17(a)では、H濃度は結晶表面でMgと同程度で最も高く、結晶内部にいくに従って減少し、結晶内部では約1×1019cm-3と一定濃度になっている。 FIGS. 17A and 17B show the results of SIMS analysis of the concentration distribution of Mg and hydrogen (H) in the thickness direction in p-type GaN doped with magnesium (Mg), which is a p-type impurity. ing. Note that FIG. 17A shows the results for GaN that has not been heat-treated after crystal growth, and FIG. 17B shows the results for GaN that has been heat-treated in a nitrogen atmosphere after crystal growth. In FIG. 17A, the H concentration is the same as that of Mg on the crystal surface and is the highest, decreases as it goes into the crystal, and is constant at about 1 × 10 19 cm −3 inside the crystal.
この水素(H)の濃度分布から、結晶成長中に一定濃度の水素(H)がIII族窒化物結晶中に取り込まれ、さらに、結晶成長終了後の冷却過程で雰囲気ガス中の水素(H)が拡散侵入し、結晶表面付近の水素(H)濃度が増加することが考えられる。また、水素(H)濃度が一定である領域(図1(a)の符号3で示す領域)での水素(H)濃度は、約1×1019cm-3で窒素雰囲気で熱処理を行い低抵抗のp型を示したものと同程度であった。図17(b)で、熱処理したGaNのH濃度は、2×1019cm-3(結晶表面)〜9×1018cm-3(結晶内部)である。このことから、水素パシベーションによる高抵抗化は、III族窒化物結晶成長後の冷却過程で起こると考えられる。すなわち、図2に示すように、III族窒化物結晶成長後の冷却過程で水素がIII族窒化物結晶の表面付近に取り込まれるためと考えられる。 From this hydrogen (H) concentration distribution, a constant concentration of hydrogen (H) is taken into the group III nitride crystal during crystal growth, and further, hydrogen (H) in the atmospheric gas during the cooling process after the crystal growth is completed. It is considered that hydrogen penetrates and the hydrogen (H) concentration near the crystal surface increases. Further, the hydrogen (H) concentration in the region where the hydrogen (H) concentration is constant (the region indicated by reference numeral 3 in FIG. 1A) is about 1 × 10 19 cm −3 by heat treatment in a nitrogen atmosphere and is low. The resistance was the same as that showing the p-type. In FIG. 17B, the H concentration of the heat-treated GaN is 2 × 10 19 cm −3 (crystal surface) to 9 × 10 18 cm −3 (inside the crystal). From this, it is considered that the increase in resistance by hydrogen passivation occurs in the cooling process after the growth of the group III nitride crystal. That is, as shown in FIG. 2, it is considered that hydrogen is taken into the vicinity of the surface of the group III nitride crystal in the cooling process after the group III nitride crystal growth.
従って、水素パシベーションによって高抵抗化しているのは表面部分(図1(a)の符号2の部分)のみで、内部(図1(a)の符号3の部分)は低抵抗のp型であると考えられ、高抵抗化した結晶表面層2の全部あるいは一部を除去することによって(例えば図1(b)のように除去することによって)、図1(c)のように低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することが可能となる。
Therefore, only the surface portion (the portion denoted by
図3は第1の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造工程の具体例を示す図である。図3の例では、サファイア基板10上に、520℃で低温GaNバッファー層11を堆積し、しかる後、低温GaNバッファー層11の上に、III族原料としてTMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、p型ドーパントとして(EtCp)2Mgを100ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、また、窒素ガス15LMと水素ガス6LMの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でGaN層12を結晶成長させる(図3(a))。
FIG. 3 is a diagram showing a specific example of the manufacturing process of the p-type group III nitride semiconductor according to the first embodiment. In the example of FIG. 3, a low-temperature
GaN層12の結晶成長後に、III族原料とp型ドーパント原料との供給を止め、NH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気中で室温まで冷却した。このとき、GaN結晶12の表面に電極を形成して、テスターで抵抗を測定したところ高抵抗で測定不能であった。
After crystal growth of the
次に、図3(a)のサンプルの厚さ方向の水素濃度をSIMSで測定したところ、水素濃度は、GaN層12側の表面が最も高く、表面から約0.5μmの深さdまで徐々に減少し、それ以上の深さでは一定濃度であった(図17(a))。
Next, when the hydrogen concentration in the thickness direction of the sample of FIG. 3A was measured by SIMS, the hydrogen concentration was highest on the surface on the
このGaN結晶12の表面から約0.5μmの深さdの部分13をエッチングで除去して、図3(b)のサンプルを製造した。図3(b)のサンプルに電極を形成し、ホール測定を行ったところ、GaN層12のキャリア濃度は2×1017cm-3で低抵抗のp型を示した。
A
このように、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶を成長させた後、前記III族窒化物結晶の表面層の全部または一部を除去してp型III族窒化物半導体を製造することで、表面の劣化の少ない、低抵抗のp型III族窒化物半導体を得ることができる。 Thus, after growing a group III nitride crystal containing at least both a p-type impurity and hydrogen, all or part of the surface layer of the group III nitride crystal is removed to remove the p-type group III nitride semiconductor. Can produce a low-resistance p-type group III nitride semiconductor with little surface degradation.
第2の実施形態
図4は本発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法の第2の実施形態を示す図である。図4を参照すると、このIII族窒化物半導体の製造方法では、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5の上に、所定の積層構造6を形成することによって、III族窒化物結晶5をp型III族窒化物半導体として製造するようにしている。
Second Embodiment FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of a method for producing a group III nitride semiconductor according to the present invention. Referring to FIG. 4, in this method for manufacturing a group III nitride semiconductor, a predetermined
ここで、所定の積層構造6は、次の2つの仕方によって形成することができる。
Here, the predetermined
すなわち、第2の実施形態において、所定の積層構造6を製造するための第1の仕方は、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5を結晶成長した直後に、III族窒化物結晶5の上に、所定の積層構造6を形成するものである。具体的には、III族窒化物結晶5を成長させ、これに続けて(連続して)、III族窒化物結晶5を成長させたのと同一の結晶成長装置内で、所定の積層構造6をIII族窒化物結晶5上に形成するものである。
That is, in the second embodiment, the first method for manufacturing the predetermined
この第1の仕方によれば、次のようにしてp型III族窒化物の低抵抗化を図ることができる。すなわち、前述したように、p型III族窒化物の高抵抗化は、III族窒化物結晶成長終了後の冷却過程でIII族窒化物結晶表面からIII族窒化物結晶中に水素が拡散侵入することによって起こると考えられることから、第1の仕方では、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5を結晶成長させた直後に、III族窒化物結晶5の上に、所定の積層構造6を形成することによって、図4に示すように、所定の積層構造6の形成終了後の冷却過程で所定の積層構造6の表面から水素(H)が拡散しても、水素(H)の拡散は、所定の積層構造6内にとどまり、III族窒化物結晶5には達しない。すなわち、III族窒化物結晶5が高抵抗化する程にまでIII族窒化物結晶5内の水素濃度は増加しない。
According to this first method, the resistance of the p-type group III nitride can be reduced as follows. That is, as described above, the resistance of the p-type group III nitride is increased by diffusion of hydrogen from the surface of the group III nitride crystal into the group III nitride crystal in the cooling process after the completion of the group III nitride crystal growth. In the first method, the group
上記所定の積層構造6としては、水素の拡散を積層構造6内にとどめる機能を満足するものであれば、単結晶,多結晶,アモルファス等の任意のもので形成でき、また、その構造は問わない。また、所定の積層構造6の材質も特に限定されるものではない。例えば、所定の積層構造6をIII族窒化物積層構造にすることもできる。また、所定の積層構造6の電気伝導型も特に限定されるものではない。
The predetermined
なお、この第1の仕方では、水素パシベーションによって高抵抗化しているIII族窒化物5から水素を排出して低抵抗化するのではなく、雰囲気ガスからの水素の拡散侵入を防止する所定の積層構造6を積層することによって、低抵抗のp型III族窒化物5の高抵抗化を抑制し、p型III族窒化物半導体を製造するものであるので、従来技術1や従来技術3とは原理的に異なるものである。従って、結晶成長中および冷却過程の雰囲気ガス中に水素が含まれていても、含まれていなくても特に問題はない。
In the first method, a predetermined stack that prevents diffusion and penetration of hydrogen from the atmospheric gas is not used by reducing the resistance by discharging hydrogen from the
図5は第2の実施形態の第1の仕方によるp型III族窒化物半導体の製造工程の具体例を示す図である。図5を参照すると、サファイア基板10上に520℃で、低温GaNバッファー層21を堆積したものの上に、III族原料としてTMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、p型ドーパントとして(EtCp)2Mgを100ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、また、窒素ガス15LMと水素ガス6LMの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でGaN22を結晶成長させた(図5(a))。
FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the manufacturing process of the p-type group III nitride semiconductor according to the first method of the second embodiment. Referring to FIG. 5, on a
次いで、p型ドーパントの供給を止め、III族窒化物積層構造6として、不純物をドーピングしないGaN23を成長させた(図5(b))。GaN23を成長させた後に、III族原料の供給を止め、NH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気中で室温まで冷却した。
Next, the supply of the p-type dopant was stopped, and
次いで、不純物をドーピングしていないGaN23をエッチング除去し(図5(c))、マグネシウムをドーピングしたGaN22を露出させ、その表面に電極を形成してホール測定を行った。この結果、GaN22のキャリア濃度は2×1017cm-3で低抵抗のp型を示した。
Next,
この第1の仕方のように、III族窒化物結晶5を成長させた後に、続けて所定の積層構造6を積層する場合には、積層構造6を積層後の冷却過程で雰囲気ガス中に含まれる水素は、積層構造6があるため、積層温度から室温までの冷却時間では、III族窒化物結晶5が高抵抗化する程にはIII族窒化物結晶5中に拡散せず、III族窒化物結晶の水素濃度は増加しない。この結果、III族窒化物結晶5は低抵抗のp型伝導特性を有することができる。
When the predetermined
また、第2の実施形態において、所定の積層構造6を製造するための第2の仕方は、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5を結晶成長して冷却した後に、所定の積層構造6を積層するものである。具体的には、例えば、p型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5を結晶成長させた後に、III族窒化物結晶5を結晶成長装置から取り出し、何らかの工程を経た後に、所定の積層構造6を積層するものである。
In the second embodiment, the second method for manufacturing the predetermined
この第2の仕方によれば、次のようにしてp型III族窒化物の低抵抗化を図ることができる。すなわち、III族窒化物結晶5の冷却後に積層構造6を積層する場合には、図6に示すように、積層構造6の積層工程中に、III族窒化物結晶5中に取り込まれている水素(H)がIII族窒化物結晶5外へ放出されるとともに(積層構造6に向けて放出されるとともに)、積層構造6の積層終了後の冷却過程でのIII族窒化物結晶5への水素(H)の侵入が積層構造6によって防止され、III族窒化物結晶5がp型III族窒化物半導体として製造できる。
According to the second method, the resistance of the p-type group III nitride can be reduced as follows. That is, when the
なお、III族窒化物結晶5からの水素の放出には、400℃以上の温度で積層構造6を積層することが望ましい。
In order to release hydrogen from the group
上記所定の積層構造6としては、水素の拡散を積層構造6内にとどめる機能を満足するものであれば、単結晶,多結晶,アモルファス等の任意のもので形成でき、また、その構造は問わない。また、所定の積層構造6の材質も特に限定されるものではない。例えば、所定の積層構造6をIII族窒化物積層構造にすることもできる。また、所定の積層構造6の電気伝導型も特に限定されるものではない。
The predetermined
図7は第2の実施形態の第2の仕方によるp型III族窒化物半導体の製造工程の具体例を示す図である。図7の例では、サファイア基板10上に520℃で低温GaNバッファー層31を堆積し、しかる後、低温GaNバッファー層31の上に、III族原料としてTMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、p型ドーパントとして(EtCp)2Mgを100ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、また、窒素ガス15LMと水素ガス6LMの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でGaN層32を結晶成長させた(図7(a))。
FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the manufacturing process of the p-type group III nitride semiconductor according to the second method of the second embodiment. In the example of FIG. 7, a low temperature
GaN層32の結晶成長後に、III族原料とp型ドーパント原料との供給を止め、NH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気中で室温まで冷却した。このとき、GaN結晶32の表面に電極を形成して、テスターで抵抗を測定したところ高抵抗で測定不能であった。
After crystal growth of the
次いで、別の反応装置にサンプルを入れ、SiH4とNH3系のガスを流し、750℃に加熱して、所定の積層構造としてSiN33を堆積した(図7(b))。この際にGaN結晶32は低抵抗のp型になる。
Next, the sample was put into another reactor, SiH 4 and NH 3 gas were flowed, and heated to 750 ° C., thereby depositing
SiN33を堆積後、SiN33をエッチング除去し(図7(c))、再びGaN表面32に電極を形成し、抵抗測定を行った。この結果、GaN32のキャリア濃度は2×1017cm-3で、低抵抗のp型を示した。
After depositing SiN33, SiN33 was removed by etching (FIG. 7C), an electrode was formed again on the
この第2の仕方のように、III族窒化物結晶5中の水素濃度が増加し高抵抗化したIII族窒化物結晶5の上に所定の積層構造6を積層する場合には、所定の積層構造6の積層中に、III族窒化物結晶5に含まれている水素は、外へ放出され、III族窒化物結晶5が低抵抗化するとともに、所定の積層構造6の積層終了後の冷却過程での雰囲気からの水素のIII族窒化物結晶5への拡散侵入が所定の積層構造6で防止され、III族窒化物結晶5は高抵抗化しない。この結果、III族窒化物結晶5は低抵抗のp型伝導特性を有することができる。換言すれば、この第2の仕方においても、実質水素を含まない雰囲気で熱処理することに変えて、水素の拡散侵入を防止する所定の積層構造6を積層することによって、p型III族窒化物半導体を製造することができる。すなわち、第2の仕方においては、雰囲気に水素を含んでいても特に構わない。
When the predetermined
さらに、この第2の仕方を用いれば、III族窒化物結晶5を加工した後に、別の特性を有するIII族窒化物半導体積層構造を積層して、III族窒化物半導体積層構造の特性とIII族窒化物結晶5のp型半導体としての特性を用いるデバイスを、特別なp型化処理工程を設けずに製造することも可能となる。
Furthermore, if this second method is used, after processing the group
このように、第2の実施形態では、所定の積層構造6を第1の仕方,第2の仕方のいずれによっても形成できる。
Thus, in the second embodiment, the predetermined
また、この第2の実施形態では、第1の仕方,第2の仕方のいずれにおいても、所定の積層構造(例えばIII族窒化物積層構造)6を少なくともAlを含むIII族窒化物とすることができる。 Further, in the second embodiment, in any of the first method and the second method, the predetermined laminated structure (for example, a group III nitride laminated structure) 6 is a group III nitride containing at least Al. Can do.
Alを含むIII族窒化物は、アルカリ溶液で容易にエッチングされる。また、結晶性の違いによってエッチング速度が異なり、結晶性の良い単結晶が最もエッチング速度が遅い。従って、所定の積層構造6として、結晶性の悪い単結晶や多結晶,アモルファス状のAlを含むIII族窒化物を積層することによって、エッチングにより、p型III族窒化物5の表面を容易に露出させることができる。
The group III nitride containing Al is easily etched with an alkaline solution. In addition, the etching rate differs depending on the crystallinity, and a single crystal with good crystallinity has the slowest etching rate. Therefore, the surface of the p-type
また、この第2の実施形態において、所定の積層構造(例えばIII族窒化物積層構造)6の厚さは、0.5μm以上であるのが良い。 In the second embodiment, the thickness of the predetermined laminated structure (for example, a group III nitride laminated structure) 6 is preferably 0.5 μm or more.
本願の発明者による実験では、前述したように、水素(H)の拡散深さは、約0.5μmであるので、所定の積層構造6の厚さを0.5μm以上にすることによって、高抵抗化の影響の少ない低抵抗のp型III族窒化物半導体が製造できる。
In the experiment by the inventor of the present application, as described above, the diffusion depth of hydrogen (H) is about 0.5 μm. Therefore, by increasing the thickness of the predetermined
第3の実施形態
本発明の第3の実施形態は、p型III族窒化物半導体を製造する場合、図8(a)に示すように水素ガスを含む雰囲気で、少なくともp型不純物を含むp型III族窒化物半導体7を結晶成長させ、p型III族窒化物半導体7の結晶成長後、図8(b)に示すように窒素原料を含むガス雰囲気で成長温度から降温する(冷却する)ことによって、p型III族窒化物半導体7を製造するものである。
Third Embodiment In the third embodiment of the present invention, when a p-type group III nitride semiconductor is manufactured, p containing at least p-type impurities in an atmosphere containing hydrogen gas as shown in FIG. The type
ここで、窒素原料を含むガス雰囲気(すなわち、冷却雰囲気)としては、モノメチルヒドラジンやジメチルヒドラジンやその他の有機窒素化合物、あるいはNH3を含む雰囲気であるのが良い。より具体的に、窒素原料を含むガス雰囲気(すなわち、冷却雰囲気)として、Ar等の不活性ガスと窒素原料との混合ガス、あるいは、窒素と窒素原料との混合ガスあるいは100%の窒素原料ガスを用いることができる。また、これらのガスに、ある程度の量の水素ガスを混ぜてもよい。 Here, the gas atmosphere containing the nitrogen raw material (that is, the cooling atmosphere) is preferably an atmosphere containing monomethylhydrazine, dimethylhydrazine, other organic nitrogen compounds, or NH 3 . More specifically, as a gas atmosphere containing a nitrogen source (that is, a cooling atmosphere), a mixed gas of an inert gas such as Ar and a nitrogen source, a mixed gas of nitrogen and a nitrogen source, or 100% nitrogen source gas Can be used. Further, a certain amount of hydrogen gas may be mixed with these gases.
窒素原料の分解によって生成される原子状の窒素によってIII族窒化物結晶表面の分解が抑制されているために、水素の拡散パスになる表面欠陥が減少して、水素の拡散侵入が抑制されるとともに、p型III族窒化物結晶表面の分解による表面抵抗の増加が抑制されるので、III族窒化物結晶が高抵抗化しないことが予想される。実際、本願の発明者による実験の結果、冷却雰囲気をNH3ガスにすることによってIII族窒化物(例えばGaN)は、as grownで低抵抗のp型特性を示した。 The atomic nitrogen generated by the decomposition of the nitrogen source suppresses the decomposition of the group III nitride crystal surface, thereby reducing the surface defects that become the hydrogen diffusion path and suppressing the hydrogen diffusion and penetration. At the same time, since the increase in surface resistance due to the decomposition of the surface of the p-type group III nitride crystal is suppressed, it is expected that the group III nitride crystal will not increase in resistance. In fact, as a result of experiments by the inventors of the present application, the group III nitride (for example, GaN) exhibited p-type characteristics with as grown and low resistance by using NH 3 gas as the cooling atmosphere.
なお、窒素原料を含むガス雰囲気(すなわち、冷却雰囲気)として、例えば、NH3ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることができるが、NH3ガスの分解によって生成される原子状の窒素によってIII族窒化物結晶表面の分解を抑制する観点から、混合ガス中のNH3ガスの割合は多い方が良い。その割合は0%でなければ効果は期待できるが、望ましくは25%以上、さらに望ましくは50〜100%が良い。 The gas atmosphere containing nitrogen material (i.e., cooling atmosphere) as, for example, can be a mixed gas of NH 3 gas and nitrogen gas, the atomic nitrogen produced by the decomposition of the NH 3 gas III From the viewpoint of suppressing the decomposition of the group nitride crystal surface, it is preferable that the proportion of NH 3 gas in the mixed gas is large. If the ratio is not 0%, the effect can be expected, but preferably 25% or more, more preferably 50 to 100%.
また、その他の有機窒素原料等の場合にも同様に窒素原料の割合は多い方が良い。 Similarly, in the case of other organic nitrogen raw materials, it is better that the ratio of nitrogen raw materials is large.
以上のことから、III族窒化物結晶成長後の冷却雰囲気を、少なくとも窒素原料を含むガスとすることによって、as grownでp型III族窒化物を製造することができる。 From the above, the p-type group III nitride can be produced as grown by setting the cooling atmosphere after the group III nitride crystal growth to a gas containing at least a nitrogen raw material.
より具体的に、本願の発明者による実験では、NH3ガス100%中、あるいは、NH3ガスと窒素ガスとの混合ガス(NH3を25%にした場合とNH3を60%にした場合)中、あるいは、NH3ガスと窒素ガスと水素ガスとの混合ガス(水素6%)中で冷却して、それぞれの場合でas grownで2×1017cm-3のキャリア濃度を有する低抵抗のp型III族窒化物を製造することができた。 More specifically, in the experiment by the inventors of the present application, in NH 3 gas 100%, or a mixed gas of NH 3 gas and nitrogen gas (when NH 3 is 25% and NH 3 is 60%) ) Or in a mixed gas of NH 3 gas, nitrogen gas and hydrogen gas (6% hydrogen), and in each case as grown, low resistance having a carrier concentration of 2 × 10 17 cm −3 Of p-type group III nitrides could be produced.
なお、冷却中の雰囲気ガス中に水素を含む場合には、結晶表面に吸着している未反応の有機原料や有機物の水素によるクリーニング効果が期待できるので、表面の汚染による表面抵抗の増加を防止できる。これは、従来技術では得られなかった効果である。 In addition, when hydrogen is contained in the atmospheric gas during cooling, the cleaning effect by hydrogen of unreacted organic raw materials and organic substances adsorbed on the crystal surface can be expected, thus preventing an increase in surface resistance due to surface contamination. it can. This is an effect that cannot be obtained by the prior art.
また、窒素原料としては特に限定はしないが、NH3等のように、その分解によって水素を発生する化合物を使用することによって、原子状窒素による結晶表面の分解抑制効果(それによる水素の拡散抑制効果)と水素によるクリーニング効果とが同時に得られる。 The nitrogen raw material is not particularly limited, but by using a compound that generates hydrogen by its decomposition, such as NH 3 , the effect of suppressing the decomposition of the crystal surface by atomic nitrogen (thereby suppressing the diffusion of hydrogen) Effect) and a cleaning effect by hydrogen can be obtained at the same time.
前述の従来技術1では、水素を発生する化合物(NH3等)や水素ガスを含む雰囲気中では、高抵抗化したIII族窒化物から水素を排出させてp型化することは困難であるため、実質水素を含まない雰囲気中で熱処理を行っていた。これに対し、本発明では、結晶成長直後の低抵抗のp型III族窒化物中への水素の拡散侵入を抑制して、結晶成長後の冷却過程における高抵抗化を防止し、低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造するものである。従って、従来技術とは原理的に異なるものである。また、雰囲気中には水素を発生する化合物(NH3等)やある程度の量の水素ガスを含んでいても良い。そして水素を含む場合には、水素の効果を積極的に利用している点も従来技術とは異なる。
In the
次に、この第3の実施形態の製造工程の具体例について説明する。この具体例では、MOCVD法により、p型III族窒化物半導体としてp型GaNを成長させた。 Next, a specific example of the manufacturing process of the third embodiment will be described. In this specific example, p-type GaN was grown as a p-type group III nitride semiconductor by MOCVD.
まず、サファイア基板をMOCVD装置にセットし、水素ガス中において、1120℃で加熱し、基板表面をクリーニングした。 First, the sapphire substrate was set in an MOCVD apparatus and heated in hydrogen gas at 1120 ° C. to clean the substrate surface.
次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、水素をキャリアガスとして、TMG(トリメチルガリウム)を20ccm流し、低温GaNバッファー層を堆積した。 Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen, TMG (trimethylgallium) was flowed at 20 ccm using hydrogen as a carrier gas, and a low-temperature GaN buffer layer was deposited.
次いで、温度を1050℃に上げ、TMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、p型ドーパントとして(EtCp)2Mgを100ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、さらに、窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でGaNを結晶成長させた。 Next, the temperature is raised to 1050 ° C., 10 ccm of TMG (trimethylgallium), 100 ccm of (EtCp) 2 Mg as a p-type dopant, 5 LM of NH 3 as a nitrogen source, 15 LM of nitrogen gas and 6 LM of hydrogen gas And GaN were crystal-grown at 1050 ° C.
GaNの結晶成長後に、III族原料とp型ドーパント原料と水素ガスの供給を止め、アンモニア(NH3)ガス5LMと窒素ガス15LMとの混合ガス雰囲気中で室温まで冷却した。なお、窒素ガス15LMは、アンモニア(NH3)を基板表面に積極的に吹き付けるための閉じ込めガスとして流しており、基板表面の雰囲気は大部分がアンモニア(NH3)ガスとなっている。 After the GaN crystal growth, the supply of group III material, p-type dopant material and hydrogen gas was stopped, and the mixture was cooled to room temperature in a mixed gas atmosphere of ammonia (NH 3 ) gas 5LM and nitrogen gas 15LM. The nitrogen gas 15LM flows as a confining gas for actively blowing ammonia (NH 3 ) to the substrate surface, and the atmosphere on the substrate surface is mostly ammonia (NH 3 ) gas.
次いで、このGaN結晶の表面に電極を形成してホール測定を行った。この結果、GaN層のキャリア濃度は2×1017cm-3で、低抵抗のp型を示した。 Next, an electrode was formed on the surface of the GaN crystal, and hole measurement was performed. As a result, the carrier concentration of the GaN layer was 2 × 10 17 cm −3 , indicating a low resistance p-type.
また、同様の成長方法でGaNの結晶成長を行った後に、アンモニア(NH3)ガス100%の雰囲気中で成長温度から室温まで冷却を行ったGaN結晶も製造した。このGaN結晶の表面に電極を形成してホール測定を行った結果、同様にキャリア濃度は2×1017cm-3で、低抵抗のp型を示した。 In addition, after GaN crystal growth was performed by the same growth method, a GaN crystal was manufactured that was cooled from the growth temperature to room temperature in an atmosphere of 100% ammonia (NH 3 ) gas. As a result of forming an electrode on the surface of the GaN crystal and performing hole measurement, the carrier concentration was 2 × 10 17 cm −3 and a low resistance p-type was shown.
次に、この第3の実施形態の製造工程の別の具体例について説明する。この具体例(製造工程例)では、MOCVD法により、n型GaN上に、p型III族窒化物半導体としてp型GaNを成長させ、図18に示すようなp−n接合ダイオードを製造した。 Next, another specific example of the manufacturing process of the third embodiment will be described. In this specific example (manufacturing process example), p-type GaN was grown as a p-type group III nitride semiconductor on n-type GaN by MOCVD to produce a pn junction diode as shown in FIG.
この製造工程例では、まず、サファイア基板110をMOCVD装置にセットし、水素ガス中において、l120℃で加熱し、基板110の表面をクリーニングした。次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、水素をキャリアガスとして、TMG(トリメチルガリウム)を20ccm流し、低温GaNバッファー層111を堆積した。
In this example of the manufacturing process, first, the
次いで、温度を1050℃に上げ、TMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、n型ドーパントとしてSiH4を5.5ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、さらに、窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でn型GaN層112を1.5μm結晶成長させた。
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG (trimethylgallium) is 10 ccm, SiH 4 is 5.5 ccm as an n-type dopant, NH 3 is 5 LM as a nitrogen source, nitrogen gas 15 LM and
続けて、TMG(トリメチルガリウム)を10ccm、また、p型ドーパントとして(EtCp)2Mgをl00ccm、また、窒素原料としてNH3を5LM、さらに、窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガスを同時に反応管に流し、1050℃でp型GaN層113を0.5μm結晶成長させた。
Subsequently, 10 ccm of TMG (trimethylgallium), 100 ccm of (EtCp) 2 Mg as a p-type dopant, 5 LM of NH 3 as a nitrogen source, and a mixed gas of nitrogen gas 15 LM and
p型GaN層113の結晶成長後に、III族原料とp型ドーパント原料と水素ガスと窒素ガスの供給を止め、アンモニア(NH3)ガス5LMの雰囲気中で室温まで冷却した。次いでドライエッチングを行い、p型GaN層113の一部をエッチング除去し、n型GaN層112を露出させた。
After the crystal growth of the p-
次いで、p型GaN層113とn型GaN層112との表面にそれぞれインジウムを付着し、200℃に加熱して、p側,n側の電極114,115を形成した。なお、電極にインジウムを使用したのは、従来技術1に記載されたp型GaNの製造方法の効果と区別するために電極形成の際の高温(400℃以上)でのアニールを避けるためである。
Next, indium was attached to the surfaces of the p-
次いで、p側,n側の電極114,115に、順方向あるいは逆方向に電圧を印加し、電流−電圧特性を調べた。図19はp側,n側の電極114,115に電圧を印加したときの電流−電圧特性を示す図である。図19から、製造したp−n接合では、逆方向への電圧印加では電流がほとんど流れず、順方向への電圧印加において電流が流れた。すなわち整流特性を示しており、ダイオードが形成されていることがわかる。
Next, a voltage was applied to the p-side and n-
このことから、as grownにおいてp型GaNが製造され、p−n接合が形成されていることが分かる。 From this, it can be seen that p-type GaN is manufactured in as grown and a pn junction is formed.
第4の実施形態
本発明の第4の実施形態は、前述した第2の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法において、所定の積層構造6の最表面層を、水素ガスを含まない雰囲気で成長可能な層で形成するものである。具体的には、所定の積層構造6の最表面層を少なくともInを含むIII族窒化物とし、この少なくともInを含むIII族窒化物を、水素ガスを含まない雰囲気か、あるいは、水素ガスに対し窒素原料ガスと窒素ガスが過剰の雰囲気で結晶成長させ、少なくともInを含むIII族窒化物の結晶成長終了後、少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気で冷却するものである。
Fourth Embodiment In a fourth embodiment of the present invention, in the method for manufacturing a p-type group III nitride semiconductor of the second embodiment described above, the outermost surface layer of the predetermined
上述した第1,第2,第3の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法で得られるp型III族窒化物半導体よりもさらに低抵抗のp型III族窒化物結晶を製造するためには、アクセプターを不活性化し高抵抗にする水素をIII族窒化物結晶中に取り込まないことが必要である。 A p-type group III nitride crystal having a lower resistance than that of the p-type group III nitride semiconductor obtained by the method for manufacturing a p-type group III nitride semiconductor of the first, second, and third embodiments described above is manufactured. For this purpose, it is necessary not to incorporate hydrogen into the group III nitride crystal, which deactivates the acceptor and makes it highly resistant.
本願の発明者は、この目的のため、水素を含まない雰囲気でのIII族窒化物結晶の成長を試みた。しかしながら、水素を含まない雰囲気でGaNやAlGaN等のIII族窒化物を結晶成長したところ、表面の凹凸が激しくなり、高品質の結晶は得られなかった。 For this purpose, the inventors of the present application tried to grow a group III nitride crystal in an atmosphere containing no hydrogen. However, when a group III nitride such as GaN or AlGaN was crystal-grown in an atmosphere containing no hydrogen, the surface irregularities became severe and high quality crystals could not be obtained.
一方、Inを含むIII族窒化物結晶を、水素を極力減らして、窒素原料と窒素ガス過剰の雰囲気で成長させ、III族窒化物結晶の成長終了後は、結晶表面の分解を防止するため、少なくとも高温では窒素原料(一般的にはアンモニアNH3)と窒素ガスを停止せずに、窒素分圧の高い雰囲気で室温まで降温したところ、表面が平坦で高品質のIII族窒化物結晶を成長させることができた。 On the other hand, the group III nitride crystal containing In is reduced as much as possible to grow hydrogen in an atmosphere of nitrogen source and nitrogen gas excess, and after the growth of the group III nitride crystal is completed, in order to prevent decomposition of the crystal surface, At least at high temperatures, the nitrogen source (generally ammonia NH 3 ) and nitrogen gas are not stopped, and the temperature is lowered to room temperature in an atmosphere with a high nitrogen partial pressure. I was able to.
そこで、Inを含まないIII族窒化物については、水素を含む雰囲気で高品質に結晶成長させ、積層構造6の最表面に、水素を極力含まない雰囲気で高品質のInを含むIII族窒化物を成長させることで、高品質で低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができた。
Therefore, for a group III nitride not containing In, a group III nitride containing high quality In in an atmosphere containing as little hydrogen as possible on the outermost surface of the
この第4の実施形態の方法によれば、III族窒化物結晶5の成長中にIII族窒化物結晶5中に取り込まれた水素は、水素をほとんど含まない雰囲気中でのInを含むIII族窒化物結晶の成長中に、効率良くIII族窒化物結晶5外へ放出されるので、III族窒化物結晶5内の水素濃度が下がり、さらに低抵抗となる。また、冷却中の水素の拡散侵入が防止されるので、III族窒化物結晶5は高抵抗化せず、as grownで低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができる。
According to the method of the fourth embodiment, the hydrogen taken into the group
第5の実施形態
本発明の第5の実施形態は、p型III族窒化物半導体を製造する場合、図9に示すように、水素を含む雰囲気で結晶成長されたp型不純物と水素の両方を少なくとも含むIII族窒化物結晶5の上に、水素ガスを含まない雰囲気か、水素ガスに対して窒素原料ガスと窒素ガスを過剰にした雰囲気で、少なくともp型不純物とInを含むIII族窒化物(III族窒化物積層構造)8を結晶成長し、III族窒化物(III族窒化物積層構造)8の結晶成長終了後、少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気で冷却することにより、p型III族窒化物半導体5とp型III族窒化物(p型III族窒化物積層構造)8とを製造するものである。
Fifth Embodiment In the fifth embodiment of the present invention, when a p-type group III nitride semiconductor is manufactured, as shown in FIG. 9, both a p-type impurity and hydrogen grown in an atmosphere containing hydrogen are used. Group III nitride containing at least p-type impurities and In in an atmosphere not containing hydrogen gas or an atmosphere in which nitrogen source gas and nitrogen gas are excessive with respect to hydrogen gas on group
すなわちInを含まないIII族窒化物は、水素を含まない雰囲気で成長を行うと、表面の凹凸が激しく、結晶性の良いものを製造することは困難である。これに対し、Inを含むIII族窒化物は、水素を含まない雰囲気で結晶成長を行っても結晶性の良いものが製造できる。従って、水素をほとんど含まない雰囲気で、Inを含むIII族窒化物8を成長させることにより、結晶性が良く、結晶成長中の水素の取り込まれが少ない結晶(Inを含むIII族窒化物)8を製造できる。
That is, when a group III nitride containing no In is grown in an atmosphere containing no hydrogen, it is difficult to produce a crystal with good crystallinity due to severe surface irregularities. On the other hand, a group III nitride containing In can be produced with good crystallinity even if crystal growth is performed in an atmosphere not containing hydrogen. Therefore, by growing a
また、この第5の実施形態のInを含むIII族窒化物8の成長方法では、Inを含むIII族窒化物8は、水素を極力含まない雰囲気で結晶成長するので、III族窒化物結晶5の結晶成長中に取り込まれた水素は、Inを含むIII族窒化物結晶8の成長中にIII族窒化物結晶5外へ放出される。すなわち、III族窒化物8はIII族窒化物5上に成長するので、III族窒化物8を成長させている間に、III族窒化物結晶5中に取り込まれている水素は、III族窒化物結晶5外に多量に放出され、その結果、III族窒化物結晶5の抵抗は下がる。
Further, in the method for growing a
また、Inを含むIII族窒化物8は、III族窒化物8の結晶成長中の雰囲気が極力水素を含まない雰囲気であるので、水素によるアクセプターの不活性化が少なく、また、この雰囲気において高品質結晶が成長できるので、ドナー性欠陥によるアクセプターの補償が少ない。さらに、InGaN等のInを含むIII族窒化物8は、GaN等よりもバンドギャップが狭く、p型化しやすい。
Further, in the
また、冷却過程では、雰囲気が少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気であるので、第3の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、冷却過程では、雰囲気ガスが少なくとも窒素原料を含むガス雰囲気であるので、III族窒化物8の結晶表面の分解による劣化が防止されて、欠陥による高抵抗化が防止されるとともに、雰囲気中からの水素の拡散侵入による高抵抗が抑制されて、as grownで低抵抗のp型を示すInを含むIII族窒化物結晶(例えばInGaN結晶)8が得られる。すなわち、Inを含むIII族窒化物結晶8として、p型化のための後処理をせずに、as grownで低抵抗のp型を示すInGaN結晶が得られる。その結果、III族窒化物半導体5は、より一層低抵抗のp型III族窒化物半導体となり、また、III族窒化物8も結晶性の良い低抵抗のp型III族窒化物半導体とすることができる。すなわち、III族窒化物5とIII族窒化物(III族窒化物積層構造)8との両方が低抵抗のp型半導体として結晶成長できる。
In the cooling process, since the atmosphere is a gas atmosphere containing at least a nitrogen raw material, the same effect as in the third embodiment can be obtained. That is, in the cooling process, since the atmospheric gas is a gas atmosphere containing at least a nitrogen raw material, degradation due to decomposition of the crystal surface of the
なお、上述した第1,第2,第3,第4,第5の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法において、p型不純物をMgにすることにより、室温においても低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造できる。 In addition, in the manufacturing method of the p-type group III nitride semiconductor of the first, second, third, fourth, and fifth embodiments described above, the p-type impurity is changed to Mg so that the resistance is low even at room temperature. A p-type group III nitride semiconductor can be manufactured.
すなわち、Mgの不純物レベルは、Zn等の他の不純物レベルよりも低いので、他の不純物に比べて活性化率が高く、より低抵抗のp型III族窒化物を得やすい。例えば、GaN中のMgの不純物レベルは、GaNの価電子帯の上、約200meVと他のIII族元素のp型不純物の中では最も低く、室温においても活性化する。従って、室温においても低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造できる。 That is, since the impurity level of Mg is lower than other impurity levels such as Zn, the activation rate is higher than other impurities and it is easy to obtain a p-type group III nitride having a lower resistance. For example, the impurity level of Mg in GaN is the lowest among the p-type impurities of about 200 meV and other group III elements above the valence band of GaN, and is activated even at room temperature. Therefore, a low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be manufactured even at room temperature.
また、本発明では、上述の第1,第2,第3,第4または第5の実施形態で製造されたIII族窒化物半導体を提供することができる。すなわち、表面の劣化が少なく、かつ、低抵抗のp型III族窒化物半導体を提供することができる。 In addition, the present invention can provide the group III nitride semiconductor manufactured in the first, second, third, fourth, or fifth embodiment. That is, it is possible to provide a p-type group III nitride semiconductor with little surface degradation and low resistance.
また、本発明では、p型半導体層を少なくとも有する半導体装置において、p型半導体層には、上述の第1,第2,第3,第4または第5の実施形態で製造されたIII族窒化物半導体を用いることができる。具体的に、上述の第1または第3の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体3または7を有している半導体装置、あるいは、上述の第2,第4または第5の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体5を含む積層構造を有している半導体装置、あるいは、上述の第2,第4または第5の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体5と積層構造6または8の全部または一部を有している半導体装置を提供できる。
According to the present invention, in the semiconductor device having at least a p-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer includes a group III nitride manufactured in the first, second, third, fourth, or fifth embodiment. A physical semiconductor can be used. Specifically, the semiconductor device having the p-type group
この半導体装置は、発光素子,受光素子,電子デバイスなどとして構成できる。 This semiconductor device can be configured as a light emitting element, a light receiving element, an electronic device, or the like.
図10は本発明に係る半導体装置の一例を示す図であり、図10の例では、半導体装置はフォトダイオードとして構成されている。なお、図10のフォトダイオードは、その製造工程において、第2の実施形態による方法でp型III族窒化物(後述のp型GaN層44,p型GaNコンタクト層45)を製造している。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the present invention. In the example of FIG. 10, the semiconductor device is configured as a photodiode. In the manufacturing process of the photodiode of FIG. 10, a p-type group III nitride (a p-
図10を参照すると、このフォトダイオードは、サファイア基板40上に、低温GaNバッファー層41,高温GaNバッファー層42,n型GaN層43,p型GaN層44,p型GaNコンタクト層45を順次積層した積層構造を、n型GaN層43が露出するまでエッチングして形成された直径150μmのメサ構造となっている。
Referring to FIG. 10, this photodiode is formed by sequentially laminating a low-temperature
メサ構造の上部にはリング状のp側オーミック電極47が形成され、また、露出したn型GaN層43にはn側オーミック電極48が形成されている。
A ring-shaped p-
そして、オーミック電極47,48が形成されている部分以外の領域にはSiN絶縁保護膜46が形成されている。また、メサ構造の側面とn型GaN43上のSiN絶縁保護膜46上には、p側オーミック電極47から引き出されて配線電極49が形成されている。
A SiN insulating
このフォトダイオードでは、メサ構造上部のリング状のp側オーミック電極47で囲まれた部分が受光面となる。このフォトダイオードに逆バイアスを印加し、受光面に光(hν)を照射すると光の強度に対応した光電流が流れる。
In this photodiode, the portion surrounded by the ring-shaped p-
次に、図10のフォトダイオードの製造方法を説明する。まず、サファイア基板40を反応管にセットし、水素ガス中において、1120℃で加熱し、基板40の表面をクリーニングした。
Next, a method for manufacturing the photodiode of FIG. 10 will be described. First, the
次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気にし、TMGを流し、低温GaNバッファー層41を堆積した。
Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 gas 5LM, nitrogen gas 15LM, and hydrogen gas 6LM, TMG was allowed to flow, and the low temperature
次いで、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMGを供給し、高温GaNバッファー層42を2μm積層し、続いて、SiH4を加えて、n型GaN層43を3μm積層した。
Next, the temperature was raised to 1050 ° C., TMG was supplied using hydrogen as a carrier gas, a high-temperature
次いで、SiH4の供給を止め、(EtCp)2Mgを供給し、p型GaN層44を1μm積層し、次いでp型GaNコンタクト層45を0.2μm積層した。しかる後、TMG,(EtCp)2Mgの供給を停止し、NH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気中で室温まで冷却し、反応管からウエハーを取り出した。ウエハー表面にテスターをあてて電気的導通を調べると高抵抗で導通性が無かった。
Next, the supply of SiH 4 was stopped, (EtCp) 2 Mg was supplied, the p-
次に、直径150μmの円パターンをレジストで形成した。このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチングを行い、高さ約2μmのメサ形状を形成するとともに、n型GaN層43を露出させた。
Next, a circular pattern having a diameter of 150 μm was formed from a resist. Using this resist pattern as a mask, dry etching was performed to form a mesa shape having a height of about 2 μm, and the n-
レジストマスクを除去した後、ウエハーを別の反応管にセットし、SiH4とNH3系のガスを流し、750℃に加熱して、表面にSiN46を約0.5μm堆積した。この際に、p型不純物を含むIII族窒化物(p型GaN層44,p型GaNコンタクト層45)は低抵抗のp型III族窒化物半導体となる。
After removing the resist mask, the wafer was set in another reaction tube, SiH 4 and NH 3 gas were flowed and heated to 750 ° C., and about 0.5 μm of
次いで、p側オーミック電極47を形成した。P側オーミック電極47の形成の工程は次の通りである。
Next, a p-
すなわち、まず、メサ構造の上部にレジストでリング状のヌキパターンを形成した後、SiN46をリング状にエッチングで抜き、p型GaNコンタクト層45を露出させる。
That is, first, a ring-shaped pattern is formed with a resist on the top of the mesa structure, and then
次いでp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、メサ構造上部にp側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気中において、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層45上にp側オーミック電極47を形成した。
Next, Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form a p-side ohmic electrode pattern on the mesa structure. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to form a p-
次いで、n側オーミック電極48と配線電極49を形成した。n側オーミック電極48と配線電極49の形成工程は次の通りである。
Next, an n-
まず、n型GaN層43上部のSiN膜46上に、レジストでメサ構造を囲む形状のヌキパターンを形成した後、SiN膜46をエッチングしてn型GaN層43を露出させる。
First, on the
次に、レジストを除去し、再度レジストで、配線電極とn側オーミック電極のリフトオフパターンを形成する。 Next, the resist is removed, and a lift-off pattern of the wiring electrode and the n-side ohmic electrode is formed again with the resist.
次いで、n側オーミック電極と配線電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極48と配線電極49パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極48を形成した。
Subsequently, Ti / Al which is an n-side ohmic electrode and a wiring electrode material was vapor-deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form an n-
図10のフォトダイオードを調べた結果、図10のフォトダイオードは従来技術1あるいは従来技術3のようにp型化のための熱処理による結晶表面の分解がほとんどないので、結晶欠陥が発生せず、暗電流の少ないフォトダイオードとなった。
As a result of investigating the photodiode of FIG. 10, the photodiode of FIG. 10 has almost no decomposition of the crystal surface due to the heat treatment for p-type conversion as in the
また、本発明では、第5の実施形態のp型III族窒化物半導体の製造方法で製造されたp型III族窒化物半導体5とp型III族窒化物半導体(p型III族窒化物積層構造)8の全部または一部とを有し、p型III族窒化物半導体8表面にp側オーミック電極が形成された半導体装置(第5の実施形態の方法で製造されたp型III族窒化物半導体5と少なくともInを含むp型III族窒化物8の全部あるい一部を含み、少なくともInを含むp型III族窒化物8にp側オーミック電極が形成されている半導体装置)を提供できる。
Further, in the present invention, the p-type group
この半導体装置は、発光素子,受光素子,電子デバイスなどとして構成できる。 This semiconductor device can be configured as a light emitting element, a light receiving element, an electronic device, or the like.
図11,図12は第4および第5の実施形態の方法で製造されたp型III族窒化物半導体をp型半導体層(後述のp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層55,p型GaNキャップ層56,p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57)に用いた半導体装置の一例を示す図であり、図11,図12の例の半導体装置は、端面発光型発光ダイオードと端面受光型フォトダイオードがモノリシックに集積化された受発光素子として構成されている。なお、図11は、受発光素子の発光ダイオードの光出射端面に垂直な面での断面図であり、図12は、発光ダイオードの光出射端面に平行な面での断面図である。
11 and 12 show a p-type group III nitride semiconductor manufactured by the methods of the fourth and fifth embodiments as a p-type semiconductor layer (a p-type Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer 55, a p-type GaN cap described later). 13 is a diagram showing an example of a semiconductor device used for the
図11,図12の集積型受発光素子において、発光ダイオードとフォトダイオードとは、概ね直方体の形状をしており、発光ダイオードの一方の光出射端面とフォトダイオードの受光端面とが向き合うように空間的に分離されて形成されている。そして、発光ダイオードとフォトダイオードは同一の積層構造からなっている。この積層構造は、サファイア基板50上に、AlN低温バッファー層51,n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52,n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層53,In0.17Ga0.83N活性層54,p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層55,p型GaNキャップ層56,p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57が順次積層されて形成されている。
11 and 12, the light emitting diode and the photodiode have a substantially rectangular parallelepiped shape, and a space is provided so that one light emitting end face of the light emitting diode faces the light receiving end face of the photodiode. Are separated from each other. The light emitting diode and the photodiode have the same laminated structure. This laminated structure includes an AlN low-
そして、発光ダイオードとフォトダイオードは、上記積層構造がp型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57の表面からn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52までエッチングされ、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52表面が露出したものとなっている。また、発光ダイオードとフォトダイオードのp型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57上には、Ni/Auからなるp側オーミック電極59が形成されている。
In the light emitting diode and the photodiode, the stacked structure is etched from the surface of the p-type In 0.1 Ga 0.9
また、露出したn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52上には、Ti/Alからなるn側オーミック電極60が形成されている。
An n-
さらに、オーミック電極59,60以外の部分には、SiO2からなる絶縁保護膜58が堆積されている。そして、絶縁保護膜58上に、Ti/Alからなる配線電極61が形成されている。配線電極61は、発光ダイオードとフォトダイオードのそれぞれのp側オーミック電極59と電気的に接続されている。
Further, an insulating
発光ダイオードとフォトダイオードの側面は、基板に対して概ね垂直に形成されている。そして、発光ダイオードとフォトダイオードの溝62を介して向き合う側面が、それぞれ光出射端面と受光面になる。また、発光ダイオードのフォトダイオードと向き合う端面とは反対側の端面が外部へ光を出射する光出射端面となる。
The side surfaces of the light emitting diode and the photodiode are formed substantially perpendicular to the substrate. The side surfaces that face each other through the
この集積型受発光素子は、発光ダイオードに順方向電流を注入し、フォトダイオードに逆バイアスを印加することによって動作する。すなわち、それぞれの素子のp側オーミック電極59,n側オーミック電極60に順方向あるいは逆方向にバイアスをかけると、発光ダイオードは2つの光出射端面から光を出射する。そして、フォトダイオードに向いた光出射端面から出射した光が、フォトダイオードの受光面に入射し、その強度に対応した光起電力がフォトダイオードで発生し、外部に光電流として取り出される。フォトダイオードの光電流をモニターすることによって、発光ダイオードに注入する電流を調整し、光出力を制御することができる。
This integrated light emitting / receiving element operates by injecting a forward current into the light emitting diode and applying a reverse bias to the photodiode. That is, when a bias is applied in the forward direction or the reverse direction to the p-
次に、図11,図12の集積型受発光素子の製造方法を説明する。なお、集積型受発光素子の積層構造はMOCVD法で結晶成長させて製造した。 Next, a method for manufacturing the integrated light emitting and receiving element shown in FIGS. 11 and 12 will be described. The laminated structure of the integrated light emitting / receiving element was manufactured by crystal growth by MOCVD.
まず、サファイア基板50を反応管にセットし、水素ガス中において1120℃で加熱し、基板表面をクリーニングした。
First, the
次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、TMAを流し、低温AlNバッファー層51を堆積した。
Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen, TMA was flown, and a low temperature
次いで、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMA,SiH4を組成に合わせて供給し、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を3μm積層し、n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層53を0.5μm積層した。
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMA, and SiH 4 are supplied in accordance with the composition using hydrogen as a carrier gas, and an n-type Al 0.03 Ga 0.97
次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素との混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMIを供給し、In0.17Ga0.83N活性層54を50nm成長させた。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG and TMI are supplied using hydrogen as a carrier gas, and the In 0.17 Ga 0.83 N active layer 54 Was grown to 50 nm.
次いで、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMA、(EtCp)2Mgを組成に合わせて供給し、p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層55を0.5μm積層し、p型GaNキャップ層56を0.2μm積層した。
Next, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen, the temperature is raised to 1050 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, TMG, TMA, (EtCp) 2 Mg are supplied according to the composition, and p-type Al A 0.07 Ga 0.93 N clad layer 55 was laminated by 0.5 μm, and a p-type
次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素との混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMI,(EtCp)2Mgを供給し、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57を0.1μm積層した。成長終了後、TMG,TMI,(EtCp)2Mgの供給を止め、NH3と窒素(NH3と窒素の供給比は3:2)との混合ガス雰囲気で室温まで冷却した。成長表面にテスターを当てると導通があり、最上層のIn0.1Ga0.9Nコンタクト層57は低抵抗のp型半導体になっていることが確認された。
Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG, TMI, (EtCp) 2 Mg is supplied using hydrogen as a carrier gas, and p-type An In 0.1 Ga 0.9
次に、幅30μm,長さ50μmの矩形パターンを長さ方向に5μm離して2つ並べたパターンをレジストで形成した。このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチングを行い、発光ダイオードとフォトダイオードになる高さ約1.5μmの直方体形状を形成するとともに、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を露出させた。
Next, a pattern in which two rectangular patterns with a width of 30 μm and a length of 50 μm were arranged 5 μm apart in the length direction was formed with a resist. Using this resist pattern as a mask, dry etching was performed to form a rectangular parallelepiped shape with a height of about 1.5 μm to be a light emitting diode and a photodiode, and the n-type Al 0.03 Ga 0.97
次いで、絶縁保護膜58となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μm堆積した。次いで、p側オーミック電極59を形成した。
Next, about 0.5 μm of SiO 2 serving as the insulating
P側オーミック電極59の形成工程は次の通りである。すなわち、まず、発光ダイオードとフォトダイオードの上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜58をエッチングして、リッジ上のp型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57を露出させる。
The formation process of the P-
次いでp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、発光ダイオードとフォトダイオードの上部にp側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層57上にp側オーミック電極59を形成した。
Next, Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form a p-side ohmic electrode pattern on the light emitting diode and the photodiode. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to form a p-
次いで、n側オーミック電極60と配線電極61を形成した。n側オーミック電極60と配線電極61の形成工程は次の通りである。まず、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52上部のSiO2膜58上に、レジストで約100μm幅のヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜58をエッチングしてn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を露出させる。
Next, an n-
次に、レジストを除去し、再度レジストで、配線電極61とn側オーミック電極60のリフトオフパターンを形成する。次いで、n側オーミック電極と配線電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極と配線電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極60を形成した。次いで、ダイシングを行い、集積型受発光素子をチップに分離した。
Next, the resist is removed, and a lift-off pattern of the
このように製造された集積型受発光素子において、発光ダイオードに電流を注入して発光させると、発光のピーク波長は約412nmであった。 In the integrated light emitting / receiving element manufactured as described above, when a current was injected into the light emitting diode to emit light, the peak wavelength of light emission was about 412 nm.
また、図13は第4および第5の実施形態の方法で製造されたp型III族窒化物半導体をp型半導体層(後述のp型Al0.2Ga0.8N層76,p型GaNガイド層77,p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層78,p型GaNキャップ層79,p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80)に用いた半導体装置の他の例を示す図であり、図13の例の半導体装置は、半導体レーザーとして構成されている。なお、図13は半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図である。
13 shows a p-type group III nitride semiconductor manufactured by the methods of the fourth and fifth embodiments as a p-type semiconductor layer (a p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 76 and a p-type
図13を参照すると、この半導体レーザーは、サファイア基板70上に、AlGaN低温バッファー層71,n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72,n型Al0.12Ga0.88Nクラッド層73,n型GaNガイド層74,In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層75,p型Al0.2Ga0.8N層76,p型GaNガイド層77,p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層78,p型GaNキャップ層79,p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80が順次積層されて形成されている。
Referring to FIG. 13, this semiconductor laser includes an AlGaN low
そして、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80の表面からn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72までエッチングされ、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72の表面が露出している。露出したn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72上には、Ti/Alからなるn側オーミック電極83が形成されている。
Etching from the surface of the p-type In 0.1 Ga 0.9
また、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80の表面からp型Al0.12Ga0.88Nクラッド層78の途中までエッチングされ、電流狭窄リッジ構造800が形成されている。そして、リッジ構造800の最表面のp型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80上に、Ni/Auからなるp側オーミック電極82が形成されている。
Further, the current
また、電極形成部以外は、絶縁保護膜81としてSiO2が堆積されている。そして、積層構造と電流狭窄リッジ構造800とに概ね垂直に、光共振器端面が形成されている。
Further, except for the electrode forming portion, SiO 2 is deposited as the insulating
次に、図13の半導体レーザーの製造方法を説明する。なお、半導体レーザーの積層構造の結晶成長はMOCVD法で行った。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of FIG. 13 will be described. The crystal growth of the stacked structure of the semiconductor laser was performed by the MOCVD method.
まず、サファイア基板70を反応管にセットし、水素ガス中において、1120℃で加熱し、基板70の表面をクリーニングした。
First, the
次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、TMGとTMAを流し、低温AlGaNバッファー層71を堆積した。
Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen, TMG and TMA were flowed, and a low temperature
次いで、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMI,SiH4を組成に合わせて供給し、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を2μm、n型Al0.12Ga0.88Nクラッド層73を0.7μm、n型GaNガイド層74を0.1μm積層した。
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMI, and SiH 4 are supplied in accordance with the composition using hydrogen as a carrier gas. The n-type Al 0.03 Ga 0.97
次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素との混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMIを供給し、In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層75(2ペア)を成長させた。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG and TMI are supplied using hydrogen as a carrier gas, and In 0.15 Ga 0.85 N / In 0.02 A Ga 0.98 N multiple quantum well active layer 75 (2 pairs) was grown.
次いで、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMA,(EtCp)2Mgを組成に合わせて供給し、p型Al0.2Ga0.8N層76を20nm、p型GaNガイド層77を0.1μm、p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層78を0.7μm、p型GaNキャップ層79を0.2μm積層した。
Next, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen, the temperature is raised to 1050 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, TMG, TMA, (EtCp) 2 Mg are supplied according to the composition, and p-type Al The 0.2 Ga 0.8 N layer 76 was stacked to 20 nm, the p-type
次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素との混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMI,(EtCp)2Mgを供給し、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80を0.1μm積層した。
Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG, TMI, (EtCp) 2 Mg is supplied using hydrogen as a carrier gas, and p-type An In 0.1 Ga 0.9
p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80の成長終了後、TMG,TMI,(EtCp)2Mgの供給を止め、NH3ガス100%の雰囲気で室温まで冷却した。
After the growth of the p-type In 0.1 Ga 0.9
このとき、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80の表面にテスターを当てると導通があり、最上層のIn0.1Ga0.9Nコンタクト層80は低抵抗のp型半導体になっていることが確認された。
At this time, when a tester is applied to the surface of the p-type In 0.1 Ga 0.9
次いで、レジストで幅4μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成し、このレジストパターンをマスクとして、約0.7μmの深さにドライエッチングして、リッジ構造800を形成した。
Next, a stripe pattern having a width of 4 μm was repeatedly formed with a resist at a pitch of 1 mm using a resist, and dry etching was performed to a depth of about 0.7 μm using the resist pattern as a mask to form a
次いで、レジストマスクを除去し、しかる後に、さらにレジストでリッジ構造800を覆う幅500μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約1.5μmドライエッチングして、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を露出させた。
Next, the resist mask was removed, and then a stripe pattern having a width of 500 μm covering the
次いで、絶縁保護膜81となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μm堆積した。
Next, about 0.5 μm of SiO 2 serving as the insulating
次いで、p側オーミック電極82を形成した。P側オーミック電極82の形成工程は次の通りである。まず、リッジ構造800上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜81をエッチングしてリッジ構造800上のp型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80を露出させた。
Next, a p-side ohmic electrode 82 was formed. The formation process of the P-side ohmic electrode 82 is as follows. First, after forming a stripe pattern on the
次いで、レジストを除去し、再度レジストで約450μm幅のヌキストライプパターンを形成し、リッジ構造800上にp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、半導体レーザー積層構造上にのみp側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層80上にp側オーミック電極82を形成した。
Next, the resist was removed, and a resist stripe pattern having a width of about 450 μm was formed again. Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited on the
次いで、n側オーミック電極83を形成した。n側オーミック電極83の形成工程は次の通りである。まず、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72上部のSiO2膜81上に、レジストで約100μm幅のヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜81をエッチングしてn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を露出させた。
Next, an n-
この状態で、n側オーミック電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極83を形成した。
In this state, Ti / Al, which is an n-side ohmic electrode material, was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form an n-side ohmic electrode pattern. Thereafter, the n-
次いで、サファイア基板70を薄く研磨し、リッジ構造800に概ね垂直になるように割り、光共振器端面を形成した。
Next, the
電極82,83に順方向に電流を注入すると発光し、さらに電流を増加させるとレーザー発振した。発振波長は約409nmであった。
When a forward current was injected into the
また、図14は第2の実施形態の第2の仕方によって製造されたp型III族窒化物半導体をp型半導体層(後述のp型Al0.2Ga0.8N層96,p型GaNガイド層97,p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層98,p型GaNコンタクト層99)に用いた半導体装置の例を示す図であり、図14の例では、半導体装置は半導体レーザーとして構成されている。なお、図14は半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図である。
14 shows a p-type group III nitride semiconductor manufactured by the second method of the second embodiment as a p-type semiconductor layer (a p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 96, a p-type
図14を参照すると、この半導体レーザーは、サファイア基板90上に、AlGaN低温バッファー層91,n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92,n型Al0.12Ga0.88Nクラッド層93,n型GaNガイド層94,In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層95,p型Al0.2Ga0.8N層96,p型GaNガイド層97,p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層98,p型GaNコンタクト層99が順次積層されて積層構造が形成されている。
Referring to FIG. 14, this semiconductor laser includes an AlGaN low-
積層構造の一部は、p型GaNコンタクト層99の表面からn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92までエッチングされ、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92の表面が露出している。そして、露出したn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92上には、Ti/Alからなるn側オーミック電極103が形成されている。
Part of the laminated structure is etched from the surface of the p-type
また、p型GaNコンタクト層99の表面からp型Al0.12Ga0.88Nクラッド層98の途中までがエッチングされ、電流狭窄リッジ構造900が形成されている。そして、このリッジ構造900は、Al0.6Ga0.4N多結晶100で埋め込まれている。
In addition, the current
リッジ構造900の最表面は、p型GaNコンタクト層99が露出しており、そこに、Ni/Auからなるp側オーミック電極102が形成されている。また、電極形成部以外は、絶縁保護膜101としてのSiO2が堆積されている。さらに、積層構造と電流狭窄リッジ構造900とに概ね垂直に、光共振器端面が形成されている。
The p-type
次に、図14の半導体レーザーの製造方法を説明する。なお、半導体レーザーの積層構造の結晶成長は、MOCVD法で行った。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of FIG. 14 will be described. The crystal growth of the stacked structure of the semiconductor laser was performed by the MOCVD method.
まず、サファイア基板90を反応管にセットし、水素ガス中において、1120℃で加熱し、基板90の表面をクリーニングした。
First, the
次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、TMGとTMAを流し、低温AlGaNバッファー層91を堆積した。
Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen, TMG and TMA were flowed, and a low-temperature
次いで、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMI,SiH4を組成に合わせて供給し、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92を2μm、n型Al0.12Ga0.88Nクラッド層93を0.7μm、n型GaNガイド層94を0.1μm積層した。
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMI, and SiH 4 are supplied in accordance with the composition using hydrogen as a carrier gas. The n-type Al 0.03 Ga 0.97
次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素との混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMIを供給し、In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層95(2ペア)を成長させた。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG and TMI are supplied using hydrogen as a carrier gas, and In 0.15 Ga 0.85 N / In 0.02 A Ga 0.98 N multiple quantum well active layer 95 (2 pairs) was grown.
次いで、雰囲気をNH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMA,(EtCp)2Mgを組成に合わせて供給し、p型Al0.2Ga0.8N層96を20nm、p型GaNガイド層97を0.1μm、p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層98を0.7μm、p型GaNコンタクト層99を0.2μm積層した。
Next, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen, the temperature is raised to 1050 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, TMG, TMA, (EtCp) 2 Mg are supplied according to the composition, and p-type Al The 0.2 Ga 0.8 N layer 96 was stacked to 20 nm, the p-type
p型GaNコンタクト層99の成長終了後、TMG,(EtCp)2Mgの供給を止め、NH3と窒素との混合ガス(NH3と窒素の供給比は3:2)雰囲気で室温まで冷却した。
p-type After the growth of the
次いで、レジストで幅4μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成し、このレジストパターンをマスクとして、約0.6μmの深さにドライエッチングして、リッジ構造900を形成した。
Next, a stripe pattern having a width of 4 μm was repeatedly formed with a resist at a pitch of 1 mm using a resist, and dry etching was performed to a depth of about 0.6 μm using the resist pattern as a mask to form a
次いで、レジストを除去し、しかる後、ウエハーを再度MOCVD装置にセットし、NH3と窒素と水素との混合ガス雰囲気にし、温度を730℃に上げ、水素をキャリアガスとして、TMG,TMAを供給し、Al0.6Ga0.4N多結晶100を約0.6μm堆積し、リッジ構造900を埋め込んだ。この際に、第2の実施形態の第2の仕方によって、p型不純物を含む層がp型化する。
Next, the resist is removed, and then the wafer is set in the MOCVD apparatus again, and the mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen is raised, the temperature is raised to 730 ° C., and TMG and TMA are supplied using hydrogen as a carrier gas. Then, about 0.6 μm of Al 0.6 Ga 0.4 N polycrystal 100 was deposited, and the
そして、NH3ガス5LMと窒素ガス15LMと水素ガス6LMとの混合ガス雰囲気中で冷却後、ウエハーをMOCVD装置から取り出し、レジストで、リッジ構造900上部が抜けたパターンを形成した。このパターンをマスクとして、KOH溶液で、リッジ構造900上部のAl0.6Ga0.4N多結晶100をエッチングし、p型GaNコンタクト層99を露出させ、表面を平坦化した。
Then, after cooling in a mixed gas atmosphere of NH 3 gas 5LM, nitrogen gas 15LM, and hydrogen gas 6LM, the wafer was taken out of the MOCVD apparatus, and a pattern in which the upper portion of the
次いで、レジストマスクを除去した後に、さらにレジストでリッジ構造900を覆う幅500μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約1.5μmドライエッチングして、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92を露出させた。
Next, after removing the resist mask, a stripe pattern having a width of 500 μm covering the
次いで、絶縁保護膜101となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μm堆積した。
Next, about 0.5 μm of SiO 2 serving as the insulating
次いで、p側オーミック電極102を形成した。p側オーミック電極102の形成工程は次の通りである。すなわち、まず、リッジ構造900の上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜101をエッチングしてリッジ構造900上のp型GaNコンタクト層99を露出させた。
Next, the p-
次いで、レジストを除去し、再度レジストで約450μm幅のヌキストライプパターンを形成し、リッジ構造900上にp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、半導体レーザー積層構造上にのみp側オーミック電極パターン102を形成した。その後、窒素雰囲気中において、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層99上にp側オーミック電極102を形成した。
Next, the resist was removed, and a resist stripe pattern having a width of about 450 μm was formed again. Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited on the
次いで、n側オーミック電極103を形成した。n側オーミック電極103の形成工程は次の通りである。まず、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92上部のSiO2膜101上に、レジストで約100μm幅のヌキストライプパターンを形成した後、SiO2膜101をエッチングして、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層92を露出させた。
Next, an n-
この状態で、n側オーミック電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極103を形成した。
In this state, Ti / Al, which is an n-side ohmic electrode material, was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form an n-side ohmic electrode pattern. Thereafter, heat treatment was performed at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere to form the n-
次いで、サファイア基板90を薄く研磨し、リッジ構造900に概ね垂直になるように割り、光共振器端面を形成した。
Next, the
電極102,103に順方向に電流を注入すると発光し、さらに電流を増加させるとレーザー発振した。発振波長は約409nmであった。
When a forward current was injected into the
1 III族窒化物結晶
2 III族窒化物結晶の表面層
3 p型III族窒化物半導体
5 III族窒化物結晶
6 所定の積層構造
7 p型III族窒化物半導体
8 p型III族窒化物(p型III族窒化物積層構造)
10,40,50,70,90,110 サファイア基板
11,21,31,41,111 低温GaNバッファー層
12,13,22,32 p型不純物を含むGaN層
33 SiN
23 不純物をドーピングしないGaN
42 高温GaNバッファー層
43,112 n型GaN層
44,113 p型GaN層
45,99 p型GaNコンタクト層
47,59,82,102 p側オーミック電極
48,60,83,103 n側オーミック電極
46 SiN絶縁保護膜
49,61 配線電極
51 AlN低温バッファー層
52,72,92 n型 Al0.03Ga0.97Nコンタクト層
53 n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
54 In0.17Ga0.83N活性層
55 p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
56,79 p型GaNキャップ層
57 p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層
58,81,101 SiO2絶縁保護膜
71,91 AlGaN低温バッファー層
73,93 n型Al0.12Ga0.88Nクラッド層
74,94 n型GaNガイド層
75,95 In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層
76,96 p型Al0.2Ga0.8N層
77,97 p型GaNガイド層
78,98 p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層
80 p型In0.1Ga0.9Nコンタクト層
100 Al0.6Ga0.4N多結晶
114 p側インジウム電極
115 n側インジウム電極
800,900 リッジ構造
1 Group
10, 40, 50, 70, 90, 110
23 GaN without doping impurities
42 High-temperature
Claims (12)
Priority Applications (1)
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