JP2009032939A - 窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型窒化物半導体層と電極との間の抵抗を低く保つことができる。
【解決手段】窒化物半導体装置では、ｐ型窒化物半導体層１０１の上にｐ型電極層１０３が形成されており、ｐ型電極層１０３では、水素透過電極層１０２と水素蓄積電極層１０４とが順に積層されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特にIII-V 族半導体層を備えた窒化物半導体装置に関し、発光素子の低電圧動作を目的とする窒化物半導体装置に関する。

従来、光記録技術におけるデータの読み出しまたは書き込みの基幹素子としてAlGaAs系赤外レーザ素子またはInGaP系赤色レーザ素子などのIII−Ｖ族化合物半導体レーザ素子が用いられている。近年、データの大容量化もしくは高精細化、または発光デバイスの高機能化に伴い、GaN系半導体を用いた紫外もしくは青色で発光する半導体レーザまたは発光ダイオードなどの発光素子が実用化されている。

このような発光素子を量産して産業の発達に貢献するためには、より低電圧で発光素子を駆動させることができる電極を実現させることが好ましい。一般にｐ型窒化物半導体はｎ型窒化物半導体に比べて高抵抗であるので、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との低電圧化が重要となる。

ｐ型窒化物半導体の抵抗が高くなる要因としては、キャリアガスまたは反応ガスとして水素が含まれたガスを用いてｐ型窒化物半導体層を形成すると、水素がｐ型窒化物半導体層にドープされてｐ型不純物と結合し、ｐ型不純物が電気的に不活性な状態となり、その結果、キャリア密度が減少してしまうからである，と考えられている。

これに対して、特許文献１では、水素透過性電極をｐ型電極として用いそのｐ型電極をｐ型窒化物半導体層の上に形成する。これにより、ｐ型窒化物半導体層内における水素濃度を減少させることができるので、キャリア密度の増加を図ることができ、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との低電圧化を実現することができる、と同文献には記載されている。
特開平１１−１７７１３４号公報

特許文献１には、上述のように、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との低抵抗化を図ることができると記載されている。しかし、特許文献１の構成では、半導体装置の製造中などに、水素がｐ型電極からｐ型窒化物半導体層へ再び戻る場合があり、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との間の抵抗が再び高くなる場合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との間の抵抗を低く保つことにある。

本発明の窒化物半導体装置は、ｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層とオーミック接合するｐ型電極層とを備えている。ｐ型電極層は、ｐ型窒化物半導体層に接する水素透過電極層と、水素透過電極層に接する水素蓄積電極層とを有する。

この構成によれば、製造時などにｐ型窒化物半導体層にドープされた水素は、ｐ型窒化物半導体層から水素透過電極層を透過して水素蓄積電極層へ移動し、水素蓄積電極層に蓄積される。その結果、ｐ型窒化物半導体層における水素濃度を減少させることができるので、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極層とのオーミック接合の特性を向上させることができ、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極層との低抵抗化を図ることができる。

また、水素は水素蓄積電極層に蓄積されるので、水素が水素蓄積電極層からｐ型窒化物半導体層へ戻ることを抑制できる。よって、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極層との間の抵抗が再び高くなることを抑制でき、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極層との間の抵抗を低く保つことができる。

さらには、水素が装置の外から装置内へ混入した場合であっても、その水素は水素蓄積電極層に蓄積されるので、水素がｐ型窒化物半導体層へ進入することを防止できる。よって、水素が装置の外から装置内へ混入した場合であっても、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極層との間の抵抗が高くなることを抑制できる。

本発明の窒化物半導体装置では、水素蓄積電極層は、水素透過電極層を透過した水素を蓄積し、水素蓄積電極層では、水素透過電極層との界面から層厚方向に沿って離れるにつれて水素濃度が増加することが好ましい。例えば、水素蓄積電極層では、水素透過電極層との界面とは反対側の面における水素濃度は、水素透過電極層との界面における水素濃度の３倍以上である。

この構成によれば、水素は、水素透過電極層内よりも、ｐ型窒化物半導体層に直接接触していない水素蓄積電極層内に、多く存在している。よって、水素が水素蓄積電極層からｐ型窒化物半導体層へ戻ることを抑制できる。

本発明の窒化物半導体装置では、水素蓄積電極層における水素の平均濃度は、水素透過電極層における水素の平均濃度よりも高いことが好ましい。

この構成によれば、水素は、水素透過電極層内よりも、ｐ型窒化物半導体層に直接接触していない水素蓄積電極層内に、多く存在している。よって、水素が水素蓄積電極層からｐ型窒化物半導体層へ戻ることを抑制できる。

本発明の窒化物半導体装置では、水素透過電極層は第１金属からなり、水素蓄積電極層は第２金属からなり、第２金属と水素との結合エネルギーは第１金属と水素との結合エネルギーよりも０．２ｅＶ以上大きいことが好ましい。

この構成によれば、水素蓄積電極層に蓄積された水素が窒化物半導体層へ戻ることを抑制できる。

水素透過電極層は、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、インジウム(In)、錫(Sn)、白金(Pt)、および金(Au)のうち少なくとも１種よりなることが好ましい。

この構成によれば、水素はｐ型窒化物半導体層から水素透過電極層へ移動する。よって、ｐ型窒化物半導体層と水素透過電極層との間の低抵抗化を図ることができる。

本発明の窒化物半導体装置では、水素透過電極層の層厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、水素透過電極層を窒化物半導体層に良好に密着させることができるとともに、水素をｐ型窒化物半導体層から水素蓄積電極層へ透過させやすい。

本発明の窒化物半導体装置では、水素蓄積電極層の層厚は３０ｎｍ以上であることが好ましい。

この構成によれば、水素蓄積電極層は、水素を十分に蓄積することができる。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層を形成する工程（ａ）と、ｐ型窒化物半導体層の上にｐ型電極層を形成して積層体を形成する工程（ｂ）と、積層体を加熱する工程（ｃ）とを備えている。工程（ａ）では、水素がｐ型窒化物半導体層に混入する。工程（ｂ）では、ｐ型窒化物半導体層の上に水素透過電極層および水素蓄積電極層を順に形成する。工程（ｃ）では、水素を、ｐ型窒化物半導体層から水素透過電極層を透過させて水素蓄積電極層へ移動させ、水素蓄積電極層に蓄積させる。

この製造方法によれば、窒化物半導体層における水素濃度を低下させることができる。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法では、工程（ｃ）において、積層体を５０℃以上７００℃以下の温度で加熱し、ｐ型窒化物半導体層における水素濃度を５．０×１０^１８ｃｍ^−３以下に減少させることが好ましい。

本発明によれば、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との間の抵抗を低く保つことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。

《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１における窒化物半導体装置のｐ型電極層１０３付近の断面図である。

本願発明者らは、本願を完成させるにあたり、以下に示す方法に従って窒化物半導体装置を作製し、窒化物半導体装置における水素濃度を測定した。

まず、GaN層もしくはAlGaN層を形成してそのGaN層もしくはAlGaN層にｐ型不純物（例えば、ＭｇまたはＢｅ）をドープした。これにより、ｐ型窒化物半導体層１０１が形成された。このとき、キャリアガスとして水素ガスを用い反応ガスとしてアンモニアガスを用いてｐ型窒化物半導体層１０１を形成したので、ｐ型窒化物半導体層１０１には水素ガスもしくはアンモニアガス由来の水素２０１（図２（ａ）および（ｂ）に図示）がドープされた。

次に、ｐ型窒化物半導体層１０１の上に、ｐ型電極層１０３を形成した。具体的には、ｐ型窒化物半導体層１０１の上に約40nmの厚みを有するPd電極１０２を形成し、Pd電極１０２の上に約30nmの厚みを有するPt電極１０４を形成した。

その後、300℃で加熱処理を行った。これにより、本実施形態にかかる窒化物半導体装置を作製することができた。

図２（ａ）および（ｂ）を用いて、加熱による水素２０１の挙動を説明する。図２（ａ）には加熱による水素２０１の挙動を模式的に示し、図２（ｂ）には加熱後における水素２０１の所在を模式的に示す。

加熱前では、図２（ａ）に示すように、キャリアガスまたは反応ガス由来の水素２０１は、ｐ型窒化物半導体層１０１とPd電極１０２との界面１１１付近に存在しており、ｐ型窒化物半導体層１０１内のｐ型不純物と結合している。

（熱エネルギー）＞（ｐ型不純物と水素との結合エネルギー）となるように加熱すると、ｐ型不純物と水素２０１との結合が解離され、水素２０１は図２（ａ）に示すようにｐ型窒化物半導体層１０１からPd電極１０２に移動する。水素２０１は、Pdと結合することができるが、（熱エネルギー）＞（Pdと水素との結合エネルギー）となるように加熱していればPdと結合することなくPd電極１０２を透過する。この場合、Pd電極１０２は、水素２０１をｐ型窒化物半導体層１０１からPt電極１０４へ透過させるための電極層として機能する。

Pd電極１０２を透過した水素２０１は、Pt電極１０４へ移動する。（熱エネルギー）＜（Ptと水素との結合エネルギー）となるように加熱していれば、水素２０１はPtと結合されて図２（ｂ）に示すようにPt電極１０４に蓄積される。この場合、Pt電極１０４は、水素２０１を蓄積するための電極層として機能する。

その後、加熱を終了して他の製造工程を行う。（Pdと水素との結合エネルギー）＜（Ptと水素との結合エネルギー）であるのでPtと水素２０１との結合を解離するためには非常に大きなエネルギーが必要となり、Ptと水素２０１との結合を維持することができる。また、Ptと水素２０１との結合が解離された場合であっても、Pt電極１０４とｐ型窒化物半導体層１０１との間にはPd電極１０２が設けられているのでその水素２０１はPd電極１０２へ移動してPdと結合する。以上より、水素２０１がPt電極１０４からｐ型窒化物半導体層１０１へ戻ることを抑制できる。

このようにして、ｐ型窒化物半導体層１０１に接触していないPt電極１０４に水素２０１を蓄積することができるので、ｐ型窒化物半導体層１０１における水素２０１の濃度を低く保つことができる。よって、ｐ型窒化物半導体層１０１とPd電極１０２との間の接触抵抗を小さく抑えることができる。

実際、作製した窒化物半導体装置のｐ型窒化物半導体層１０１における水素濃度を加熱前と加熱後とにおいて分析すると、加熱によりｐ型窒化物半導体層１０１における水素濃度を低くすることができた。図３には、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いてｐ型窒化物半導体層１０１、Pd電極１０２およびPt電極１０４における水素濃度を分析した結果を示す。

図３では、縦軸は水素濃度であり、横軸はPt電極１０４の上面１１３からの深さである。また、図３に示す界面１はｐ型窒化物半導体層１０１とPd電極１０２との界面１１１であり、界面２はPd電極１０２とPt電極１０４との界面１１２であり、界面３はPt電極１０４の上面１１３である。なお、本分析では、Pt電極１０４の上にダミー層を形成しているので、図３では、界面３よりも上に層が存在している。

Pt電極１０４（図３中における界面２から界面３までの層）に注目すると、加熱前においては界面２と界面３とでは水素濃度はほぼ同じ値を示したが、加熱後においては界面２から界面３に向かうにつれて水素濃度は増加した。また、ｐ型窒化物半導体層１０１における水素濃度は、加熱後の方が加熱前に比べて減少し、具体的には、４．５×１０^１８ｃｍ^−３にまで減少した。

以上をまとめると、本実施形態にかかる窒化物半導体装置では、ｐ型窒化物半導体層１０１を形成する際に水素２０１がｐ型窒化物半導体層１０１にドープされるが、その後加熱すると水素２０１はｐ型窒化物半導体層１０１からPd電極１０２を透過してPt電極１０４へ移動してPt電極１０４で蓄積される。

また、（Pdと水素との結合エネルギー）＜（Ptと水素との結合エネルギー）であるのでPtと水素２０１との結合を解離することは容易ではなく、また、Pt電極１０４とｐ型窒化物半導体層１０１との間にPd電極１０２が設けられているので、水素２０１がPt電極１０４からｐ型窒化物半導体層１０１へ戻ることを抑制できる。

さらに、例えば窒化物半導体装置の製造プロセス中（特に、拡散プロセス中）などに、水素が窒化物半導体装置の外から進入する場合がある。このような場合であっても、この水素はPt電極１０４に蓄積されるので、この水素がｐ型窒化物半導体層１０１にドープされることを抑制できる。

以下では、本実施形態にかかる窒化物半導体装置において、Pd電極１０２と、Pt電極１０４と、水素濃度とを具体的に示す。

まず、Pd電極１０２について示すと、その層厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。Pd電極１０２の層厚が５０ｎｍ以下であれば、水素２０１をｐ型窒化物半導体層１０１からPt電極１０４へ容易に透過させることができ、また、ｐ型窒化物半導体層１０１とPd電極１０２との密着性を向上させることができる。Pd電極１０２は、水素２０１を容易に透過させるという観点からは薄い方が好ましいが、ｐ型窒化物半導体層１０１とPt電極１０４との接触を回避するためには厚い方が好ましい。本願発明者らは、Pd電極１０２の層厚が３ｎｍ程度であればｐ型窒化物半導体層１０１とPt電極１０４との接触を回避できる，と考えている。よって、Pd電極１０２の層厚は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。

Pd電極１０２は、上述のように水素透過電極層として機能すればよい。水素透過電極層としては、（ｐ型不純物と水素との結合エネルギー）＜（第１金属Ｍ_１と水素との結合エネルギー）を満たすような第１金属Ｍ_１であればよく、第１金属Ｍ_１としては、Pd以外に、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、インジウム(In)、錫(Sn)、白金(Pt)、および金(Au)の少なくとも一種を用いることができる。

次に、Pt電極１０４について示すと、その層厚みは３０ｎｍ以上であることが好ましい。Pt電極１０４の層厚が３０ｎｍ以上であれば、Pt電極１０４は水素を十分に蓄積させることができるので、ｐ型窒化物半導体層１０１とPd電極１０２との間の抵抗を小さくすることができる。Pt電極１０４の層厚の上限は特に制限されないが、電極が厚くなりすぎると剥がれが生じやすいなどの理由から、１０μm以下であることが好ましい。

Pt電極１０４は、上述のように水素蓄積電極層として機能すればよく、水素蓄積電極層の材質はPtに限定されない。（第１金属Ｍ_１と水素との結合エネルギー）＜（第２金属Ｍ_２と水素との結合エネルギー）を満たせばよく、その差が０．２ｅＶ以上であれば好ましい。例えば、第１金属Ｍ_１としてPdを用いた場合には、第２金属Ｍ_２としては水素との結合エネルギーが２．６３ｅＶ以上であればよいので、表１に示すように、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)または白金(Pt)を選択すればよい。その中でも、第２金属Ｍ_２としてPtを選択すると結合エネルギー差が最も大きくなるので、Ptを選択することが好ましい。

続いて、水素濃度について示すと、以下に示すように水素濃度が設計されているので水素２０１がPt電極１０４からｐ型窒化物半導体層１０１へ戻ることを抑制できる。よって、このような水素濃度を有するPd電極１０２およびPt電極１０４をコンタクト層（ｐ型窒化物半導体層）１０１の上に形成することにより、安定かつ低抵抗な電極を実現することができる。

具体的には、Pt電極１０４では、Pt電極１０４における水素濃度は、界面１１２から界面１１３へ向かうにつれて高いことが好ましい。Pt電極１０４の上面１１３（界面３）における水素濃度は、図３ではPt電極１０４とPd電極１０２との界面１１２（界面２）における水素濃度の約５倍程度であるが、Pt電極１０４とPd電極１０２との界面１１２（界面２）における水素濃度の３倍以上である。

また、Pd電極１０２とPt電極１０４とでは、Pt電極１０４における水素濃度の平均値はPd電極１０２における水素濃度の平均値よりも高いことが好ましい。

さらには、加熱後のｐ型窒化物半導体層１０１における水素濃度としては、５．０×１０^１８ｃｍ^−３以下にまで減少していることが好ましく、例えば上述のように４．５×１０^１８ｃｍ^−３以下にまで減少していればよい。

本実施形態にかかる窒化物半導体装置の製造方法において、加熱温度としては、水素２０１とｐ型ドーパントとの結合を解離することができる温度であればよく、水素２０１とPdとの結合を解離することができる温度であればよく、さらには、水素２０１とPtとの結合が解離されない温度であればよい。よって、加熱温度としては、上述の３００℃に限定されず、50℃以上700℃以下であることが好ましい。

なお、本実施形態では、Pt電極１０４の上に別の電極をさらに形成してもよい。

また、本実施形態にかかるｐ型電極層１０３は、半導体レーザなどの発光装置に設けられていることが好ましい。このような発光装置は、基板と、ｎ型およびｐ型窒化物半導体層と、発光層と、ｎ型およびｐ型電極層とを有していることが好ましい。具体的には、基板の上にはｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層が順に設けられており、ｎ型電極層はｎ型窒化物半導体層の上に設けられており、ｐ型電極層はｐ型窒化物半導体層の上に設けられていることが好ましい。

《発明の実施形態２》
上記実施形態１と実施形態２とでは、Pd電極１０２およびPt電極１０４の形成方法が相異なる。

Pd電極１０２をAr等の不活性ガス雰囲気中のプラズマスパッタリング法を用いて形成し、Pt電極１０４を水素雰囲気中のプラズマスパッタリング法を用いて形成する。これにより、あらかじめ水素濃度の高いPt電極１０４をPd電極１０２の上に形成することができる。このようにしてPt電極１０４を形成した場合であっても、窒化物半導体装置の製造工程（特に、拡散プロセス）において外部からｐ型窒化物半導体層１０１へ水素が進入することを防止できる。

本発明の窒化物半導体装置は水素透過電極層と水素蓄積電極層とを備え、ｐ型窒化物半導体層にドープされた水素は水素透過電極層を透過して水素蓄積電極層に蓄積される。これにより、本発明の窒化物半導体装置では安定かつ低抵抗な電圧特性を実現することができるので、本発明は長寿命且つ高出力な窒化物半導体装置に有用である。

本発明における窒化物半導体装置のｐ型電極層付近の断面図である。 （ａ）は加熱による水素の挙動を模式的に示し、（ｂ）は加熱後における水素の所在を模式的に示す。 実施形態１におけるｐ型窒化物半導体層およびｐ型電極層における水素濃度のSIMSデータを示すグラフ図である。

符号の説明

１０１ ｐ型窒化物半導体層
１０２ Pd電極（水素透過電極層）
１０３ ｐ型電極層
１０４ Pt電極（水素蓄積電極層）
２０１ 水素

Claims (10)

1. ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層とオーミック接合するｐ型電極層とを備え、
   前記ｐ型電極層は、前記ｐ型窒化物半導体層に接する水素透過電極層と、前記水素透過電極層に接する水素蓄積電極層とを有する、窒化物半導体装置。
2. 前記水素蓄積電極層は、前記水素透過電極層を透過した水素を蓄積し、
   前記水素蓄積電極層では、前記水素透過電極層との界面から層厚方向に沿って離れるにつれて、水素濃度が増加する、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
3. 前記水素蓄積電極層では、前記水素透過電極層との界面とは反対側の面における水素濃度は、前記水素透過電極層との界面における水素濃度の３倍以上である、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
4. 前記水素蓄積電極層における水素の平均濃度は、前記水素透過電極層における水素の平均濃度よりも高い、請求項１から３の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
5. 前記水素透過電極層は、第１金属からなり、
   前記水素蓄積電極層は、第２金属からなり、
   前記第２金属と水素との結合エネルギーは、前記第１金属と水素との結合エネルギーよりも０．２ｅＶ以上大きい、請求項１から４の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
6. 前記水素透過電極層は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、インジウム(In)、錫(Sn)、白金(Pt)、および金(Au)のうち少なくとも１種よりなる、請求項１から５の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
7. 前記水素透過電極層の層厚は、５０ｎｍ以下である、請求項１から６の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
8. 前記水素蓄積電極層の層厚は、３０ｎｍ以上である、請求項１から７の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
9. ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層を形成する工程（ａ）と、
   前記ｐ型窒化物半導体層の上にｐ型電極層を形成して、積層体を形成する工程（ｂ）と、
   前記積層体を加熱する工程（ｃ）とを備え、
   前記工程（ａ）では、水素が、前記ｐ型窒化物半導体層に混入し、
   前記工程（ｂ）では、前記ｐ型窒化物半導体層の上に水素透過電極層および水素蓄積電極層を順に形成し、
   前記工程（ｃ）では、前記水素を、前記ｐ型窒化物半導体層から前記水素透過電極層を透過させて前記水素蓄積電極層へ移動させ、前記水素蓄積電極層に蓄積させる、窒化物半導体装置の製造方法。
10. 前記工程（ｃ）では、前記積層体を５０℃以上７００℃以下の温度で加熱し、前記ｐ型窒化物半導体層における水素濃度を５．０×１０^１８ｃｍ^−３以下に減少させる、請求項９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

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