JP2009152644A - 化合物半導体薄膜のp型への活性化方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バンドギャップより高エネルギーの電磁波を薄膜に照射しながら熱処理を施す。成長時にドーピングされるp型不純物の量は、薄膜の固有抵抗と適正熱処理温度を変え、また電極との接触抵抗を改善する。これにより、MOCVDやHVPEなどの気相エピタキシ法で成長した化合物半導体薄膜の吸収波長の電磁波を照射して化合物半導体薄膜の固有抵抗を低下させたり、付随的に化合物半導体と電極との特性接触抵抗率を低下させる。また、化合物半導体薄膜の成長時、化合物半導体薄膜に注入されたp型不純物の量が増加すると、活性化工程の適正熱処理温度が低くなる。そこで、紫外線の照射なしにp型不純物のドーピング温度を高め、低温での熱処理だけで化合物半導体薄膜の固有抵抗を低下させる。
【選択図】図2
Description
GaN系化合物半導体を成長させる方法には、有機金属気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライドVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVP)法などがある。例えば、MOCVD法により成長させたp型不純物を含む薄膜は、固有抵抗が非常に高くて素子に使用できない。これは反応気体の水素が、成長時にp型不純物と結合された形態で結晶に含まれ、p型不純物が電気的に活性化できないように作用するためと考えられる。これを解決するために、まず電子ビームで電気伝導度を増加させる方法がある。これは成長した薄膜に電子線を照射して固有抵抗を低くする方法である。しかし、この方法は、薄膜の表面に欠陥を誘発し、素子の性能を劣化させる恐れがある。また、電子線は、広い面積には照射が難しいため、狭い面積に照射して順次に基板全体を照射することとなり、大容量の生産には適しない。他の方法は熱処理方法である。これは、成長した薄膜を400℃以上で熱処理して固有抵抗を低くする方法である。しかし、この方法では、通常800〜900℃程度の高温に成長した薄膜を露出すべきなので、表面に熱的損傷を招き、薄膜に含まれた不純物が成長時拡散して製作された素子の性能を劣化させる恐れがある。
また、化合物半導体薄膜のp型への活性化方法において、熱処理温度を低下させる技術を提供することを目的とする。
さらに、p型化合物半導体薄膜と電極との接触抵抗を減少させる技術を提供することを目的とする。
なお、p型不純物がドーピングされた化合物半導体、なかでもGaN系化合物半導体の固有抵抗を電磁波を使用して低くする、化合物半導体薄膜のp型への活性化方法も前記課題を解決することができる。この方法において、Mgの含量を増加させて熱処理温度を低めることが好ましい。さらに、成長過程でドーピングされるp型不純物の含量に応じ、電極との接触抵抗を減少させることが好ましい。
前記電磁波を照射する段階は、空気雰囲気または窒素雰囲気で350℃以上の熱処理工程と共に遂行されることが望ましい。
特に、前記電磁波を照射する段階では、前記化合物半導体薄膜がMgをドーピングしたGaN薄膜の場合、使われる前記電磁波は空気中で波長385nmより短い波長を有することが望ましい。
さらに他の化合物半導体薄膜のp型への活性化方法は、気相エピタキシ法で成長し、p型不純物がドーピングされた化合物半導体薄膜及び電極を使用して化合物半導体素子を製作する方法であって、前記p型不純物がドーピングされた半導体薄膜が、p型不純物としてMgを5×1019cm-3以上含有している場合、前記化合物半導体薄膜を200〜850℃の範囲で熱処理する段階を含む。
3元混晶系化合物では0≦x≦1であり、4元混晶系化合物ではx+y+z=1の関係を有するとするとき、前記化合物半導体薄膜は、InxGa1-xN、AlxGa1-xN、AlxGayInzN、BxGa1-xN、BxAlyGazNからなる群のうちのいずれか一のガリウム窒化物系半導体物質からなり、前記化合物半導体薄膜のp型不純物として、Zn、Cd、Be、Ca、Baのうちの少なくとも何れか一つを使用することが望ましい。
また、本発明の化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法によれば、p型不純物の濃度を増加させて接触抵抗を低める。
本発明は、化合物半導体素子の性能を高めるために、化合物半導体薄膜をp型に活性化して化合物半導体薄膜の固有抵抗を減少させることが主な特徴である。これを具現するための方法として、MOCVD法やHVPE法などの気相エピタキシ(VPE;Vapor Phase Epitaxy)法で成長されp型不純物がドーピングされた化合物半導体薄膜の固有抵抗を低下させるために、化合物半導体薄膜に吸収されうる電磁波を照射する方法と、化合物半導体薄膜に含まれたp型不純物の濃度を増加させて熱処理温度を低下させる方法とがある。
図3には、色々な温度で紫外線を照射しながら測定した活性化したp型化合物半導体薄膜の試料に流れる電流が示されている。温度に応じた電流の変化に紫外線の影響も共に示されている。成長した状態で電流がほとんど流れない半導体薄膜は、熱処理を通じて電流が多く流れる薄膜に転換される。このとき、紫外線は、この熱処理を促進し、さらに低い温度においても同じ程度の電流が流れうるようにする。同じ量の電流が流れる場合、紫外線を照射する時は紫外線なしに熱処理のみする時より約70〜80℃程度の温度下降効果を与えている。また紫外線を照射する場合、100℃程度の非常に低い温度下での熱処理としても、成長した状態、即ち電流がほとんど流れない状態より約30〜40倍程電流が増加したことが分かる。紫外線がない時100℃と200℃で熱処理された試料では、成長した状態のままの熱処理しない半導体薄膜と同じ程度の電流が流れている。即ち、紫外線を照射すれば試料にややの熱のみ加えても流れる電流の量が大きく増えることが分かる。また、紫外線を照射する場合、熱処理温度が350℃以上になれば、流れる電流の量が増加しない傾向を示していて、それ以上の温度範囲で活性化を進行すれば低い固有抵抗のp型不純物がドーピングされたGaNが得られる。
接触抵抗の測定のために一枚の基板から二つの試料を備えて各々他の活性化工程を経た。即ち、MgがドーピングされたGaN薄膜を活性化するために、二つの試料に既存の高温熱処理工程と紫外線を照射する低温熱処理工程とをそれぞれ施した。その後、TLMで特性接触抵抗率を測定した。800℃で活性化した試片は、4.03×10-2Ωcm2から1.16×10-2Ωcm2の特性接触抵抗を示した。一方、370℃で紫外線を照射して活性化した試料は、4.33×10-4Ωcm2から5.62×10-6Ωcm2の特性接触抵抗率を示した。この100倍程度の接触抵抗率の差は非常に大きな値であって、高温で半導体薄膜に表面損傷が発生して欠陥を誘発し、このため電極との接触抵抗が上昇したことを示している。
本発明の実験に用いた水銀灯は、紫外線領域のみならず可視光線領域の電磁波も多量放出している。紫外線の効果を確認するために紫外線を透過しないフィルターを使用して可視光線だけで活性化を進行させてみた。実験に使われたフィルターは、420nmより短波長の電磁波を透過させないフィルタである。370℃で紫外線を照射しながら活性化した試料は約130μAの電流が流れた。一方、フィルターを使用して紫外線を遮断した状態で熱処理された試料には、約10μAの電流のみ流れて、MgがドーピングされたGaNの場合には、紫外線が活性化工程において主要因であることを示した。
普通、半導体薄膜に含まれたp型不純物が増加するほど正孔濃度が増加して薄膜の固有抵抗が低くなり電極との接触抵抗も低くなる傾向がある。特に正孔濃度は、電極との接触抵抗を決定する重要な変数である。しかし、窒化物系半導体はp型不純物の量が2〜3×1019cm-3以上に増加すれば、正孔濃度が減少して薄膜の固有抵抗が増加する。本発明は、Mgが2〜3×1019cm-3以上に過ドーピングされて正孔濃度が減少してもp型不純物の含有量が高い薄膜が電極と低い接触抵抗を形成するという内容である。半導体素子を製作する場合、素子の動作電圧を決定する要因は薄膜の固有抵抗と薄膜と電極との接触抵抗であるが、GaNの場合、バンドギャップエネルギーが大きく、正孔濃度が低くて電極とp-GaNとの接触抵抗が最も重要な要因となる。従って、p-GaNの抵抗がわずかに高くなっても、電極との接触抵抗を低下させる条件として成長したp-GaNを素子に使用してこそ素子の全体抵抗を低めうる。しかし、接触抵抗を低める目的だけのためにMgを過ドーピングする場合、薄膜の抵抗があまりに大きくなり、また正孔濃度の深刻な減少はLEDやLDなどの素子の性能にも悪い影響を及ぼす恐れがある。本発明では、このような問題を解決するために電極と接触する表面層にだけMgを過ドーピングする接触層を作り、その下には適正量のMgをドーピングして薄膜の抵抗を低める構造を提案する。薄膜の抵抗が最も低く、正孔濃度が最も高いGaN薄膜におけるMgの含量は1.5〜2×1019cm-3の範囲である。
図8に、Mg含量が異なる色々なp型化合物薄膜に0.1Vの電圧を印加した場合に、測定された抵抗値を示す。図面で試料1と試料2とは、厚さ1μmにMgが均一にドーピングされた試料である。また、試料3と試料4とは、厚さ0.9μm、Mgが2.0×1019cm-3でドーピングされた層上に、厚さ0.03μmでMgの含有量を増加させた接触層を成長させた試料である。これは全体層にMgを過ドーピングする場合、薄膜の抵抗が増加しすぎることを避けるためである。図面に示された4つの試片の測定された抵抗値のうち、p-GaN薄膜による抵抗は0.4kΩ〜0.8kΩであり、全体抵抗に比べて非常に小さな部分である。従って、測定された抵抗値の大部分が電極との接触抵抗である。図面に示すように、Mg含有量が増加するほど接触抵抗は減少し、特にMg含量が4.5×1019cm-3以上になれば接触抵抗が急激に減少する。この時、Mg含有量は、薄膜の固有抵抗を最も低下させるMgの含有量1.5〜2×1019cm-3の約2〜3倍の値である。薄膜自体の固有抵抗はMg含有量が低い試料1が1.6Ωcmであり、高い試料2は2.2Ωcmで接触抵抗と反対の傾向を有する。即ち、Mgが過ドーピングされて薄膜の抵抗が高くなる場合、むしろ電極との接触抵抗が低くなる。試料3と4はMg含有量が異なる二つの層からなっているが、図面では接触層におけるMg含量に対して測定された抵抗値を示した。この場合にも、接触層にMgが多く含まれる試料が低い接触抵抗を有することが示された。試料3と4との大部分の厚さには試料1と同じ量のMgがドーピングされているため、薄膜の固有抵抗は試料1、3と4の全てに差がない。
10 試料
11 電熱器
12 チャンバ
Claims (5)
- 気相エピタキシ法で成長し、p型不純物をドーピングした化合物半導体薄膜及び電極を用いて化合物半導体素子の接触抵抗を減少させる方法であって、
前記p型不純物を前記化合物半導体薄膜にドーピングする場合に前記薄膜の固有抵抗値を最も低い値としうる前記p型不純物のドーピング濃度の2倍以上の濃度で、前記p型不純物を前記化合物半導体薄膜にドーピングする段階を含む、化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法。 - 前記p型不純物としてMgを4.5×1019cm-3以上ドーピングし、Mg過ドーピング層を形成する段階を含む、請求項1に記載の化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法。
- 前記電極と接触する前記化合物半導体の表面にだけ前記Mgを4.5×1019cm-3以上ドーピングし、厚さ0.03μm以上のMg過ドーピング層を形成する段階を含む、請求項2に記載の化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法。
- 3元混晶系化合物では0≦x≦1であり、4元混晶系化合物ではx+y+z=1の関係を有するとするとき、前記化合物半導体薄膜は、InxGa1-xN、AlxGa1-xN、AlxGayInzN、BxGa1-xN、BxAlyGazNからなる群のうちのいずれか一のガリウム窒化物系半導体物質からなる、請求項1に記載の化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法。
- 前記化合物半導体薄膜のp型不純物として、Zn、Cd、Be、Ca、Baのうちの少なくとも何れか一つを使用する、請求項1に記載の化合物半導体薄膜の接触抵抗の減少方法。
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