JP2009212343A - 窒化物半導体素子および窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体レーザダイオード70において、非極性面を主面とする基板1の主面にp型半導体層12を成長させる。p型半導体層12におけるp型GaNコンタクト層19の、絶縁層6から露出する成長主面25は、基板1の主面に平行な非極性面である。そして、p型電極4を、Ptが主として含有される下層が、絶縁層6から露出するp型GaNコンタクト層19の成長主面25に接触するように、絶縁層6およびp型GaNコンタクト層19の成長主面25に形成する。
【選択図】図1
Description
c面を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板上にIII族窒化物半導体(たとえば、GaN)を有機金属気相成長法(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、n型のGaN層およびp型のGaN層を有する窒化物半導体積層構造を形成することができる。そして、GaN基板の裏面にはn型電極が形成され、p型のGaN層の成長主面にはp型電極が形成される。
一方、p型電極としては、GaNの電子親和力(4.1eV)とバンドギャップ(3.4eV)との和が大きいため、可能な限り大きな仕事関数を有する電極が適用され、たとえば、Pd(仕事関数:5.1eV)/Au電極などが適用される。Pd/Au電極は、アニール処理によりGaNと合金化するので、c面を主面とするp型GaNに対して良好にオーミックコンタクトをとることができる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S.P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
ところが、成長主面が異なれば、GaNの表面における原子組成が異なる。たとえば、c面を主面とするGaNでは、その表面における原子組成がほぼ全てGa原子である。一方、m面を主面とするGaNでは、その表面における原子組成はGa原子:N原子=1:1である。
本発明の目的は、非極性面または半極性を主面とするp型のIII族窒化物半導体層に対して、良好なオーミックコンタクトをとることができる電極を有する窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することにある。
この構成によれば、p型III族窒化物半導体層の主面が非極性面または半極性面である。そして、上記した面方位の主面に形成される電極において、主面に接する接触領域には、Ptが含有されている。これにより、非極性面または半極性面の主面にPtを接触させることができるため、p型III族窒化物半導体層に対して、良好なオーミックコンタクトをとることができる。その結果、窒化物半導体素子の電気特性の低下を抑制することができる。
これら非極性面および半極性面のうち、前記p型III族窒化物半導体層の主面は、請求項2に記載されているように、m面であることが好ましい。
p型III族窒化物半導体層の主面がm面であれば、結晶成長を極めて安定に行なうことができ、c面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上させることができる。その結果、高性能の窒化物半導体素子の作製が可能になる。
この方法によれば、Ptを含有する電極材料が、p型III族窒化物半導体層の主面(非極性面または半極性面)に接するように電極を形成するので、非極性面または半極性面の主面にPtを接触させることができる。そのため、p型III族窒化物半導体層に対して、良好なオーミックコンタクトをとることができる。その結果、窒化物半導体素子において、電気特性の低下を抑制することができる。
c面を主面とするIII族窒化物半導体と、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体とでは、これらの表面における原子組成が異なる。そのため、アニール処理時におけるIII族窒化物半導体と電極材料との反応性が異なる。たとえば、アニール処理するときの温度(アニール温度)の適切値が異なる。m面を成長主面とするp型GaNにPtを含有する電極材料を形成し、この材料をアニール処理する場合、適切なアニール温度は200℃であり、400℃を超えると、p型GaNに対する電極のコンタクト特性が低下する場合がある。
請求項4に記載の発明では、電極材料に対して400℃以下でアニール処理を行なうので、p型III族窒化物半導体層に対する電極のオーミック特性の低下を抑制することができる。その結果、窒化物半導体素子の電気特性の低下を抑制することができる。
上記したように、非極性面の一例であるm面に形成された電極のアニール温度の適切値は、200℃である。そのため、電極材料のアニール処理を200℃で行なえば、p型III族窒化物半導体層に対して、電極を極めて良好にオーミック接触させることができる。その結果、窒化物半導体素子において、優れた電気特性を発現させることができる。
上記したように、p型III族窒化物半導体層の主面(非極性面または半極性面)に形成された電極材料を、400℃を超える温度でアニール処理すると、p型III族窒化物半導体層に対する電極のオーミック特性が低下して、窒化物半導体素子の電気特性が低下する場合がある。
また、請求項8に記載の発明は、前記電極形成工程後の工程において、前記電極材料が晒される工程温度が200℃以下に保持される、請求項3〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法である。
請求項8に記載の発明では、電極形成工程後の工程において、電極材料が晒される工程温度が200℃以下に保持される。そのため、たとえば、電極材料のアニール処理を200℃で行なうか、あるいは、アニール処理を行なわないことによって、p型III族窒化物半導体層に対して、電極を極めて良好にオーミック接触させることができる。その結果、窒化物半導体素子において、優れた電気特性を発現させることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図2は、図1のII−II線に沿う縦断面図であり、図3は、図1のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード70は、基板1と、基板1上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造2と、基板1の裏面(III族窒化物半導体積層構造2と反対側の表面)に接触するように形成されたn型電極3と、III族窒化物半導体積層構造2の成長主面に接触するように形成されたp型電極4とを備えたファブリペロー型のものである。
発光層10は、たとえばInGaNを含むMQW(multiple-quantum well)構造(多重量子井戸構造)を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層10は、具体的には、InGaN層(たとえば3nm厚)とGaN層(たとえば9nm厚)とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、InGaN層は、Inの組成比が5%以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、GaN層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層(障壁層)として機能する。たとえば、InGaN層とGaN層とは交互に2〜7周期繰り返し積層されて、MQW構造の発光層10が構成されている。発光波長は、量子井戸層(InGaN層)におけるInの組成を調整することによって、たとえば400nm〜550nmとされている。
p型電極4は、Ptを含有する金属からなり、たとえば、Ptを主として含有し、p型GaNコンタクト層19に接触する下層(仕事関数:5.3eV 層厚:5〜50nm)と、Auを主として含有し、上記下層に積層された上層(層厚:10〜150nm)とからなる2層構造の金属からなる。p型電極4は、p型GaNコンタクト層19にオーミック接続されている。具体的には、p型電極4がリッジストライプ20の頂面のp型GaNコンタクト層19だけに接触するように、n型GaNガイド層17およびp型AlGaNクラッド層18の露出面を覆う絶縁層6が設けられている。これにより、リッジストライプ20に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。
共振器端面21,22には、それぞれ絶縁膜23,24(図1では図示を省略した。)が形成されている。本実施形態の場合、共振器端面21,22は、c面(+c面または−c面)であり、共振器端面21は、たとえば+c軸側端面であり、共振器端面22は、たとえば−c軸側端面である。この場合、共振器端面21の結晶面は+c面であり、共振器端面22の結晶面は−c面である。
一方、六角柱の側面がそれぞれm面(10-10)であり、隣り合わない1対の稜線を通る面がa面(11-20)である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面などの面である。
非極性面の例として、たとえば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、(0001)方向および(11−20)方向の両方に関する方位誤差が、±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないGaN単結晶基板が得られる。このようなGaN単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
m面を主面とするGaN単結晶基板1上にm面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造2を成長させてa面に沿う断面を電子顕微鏡(STEM:走査透過電子顕微鏡)で観察すると、III族窒化物半導体積層構造2には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、c軸方向への平坦性(最後部と最低部との高さの差)は10Å以下であることが分かる。このことは、発光層10、とくに量子井戸層のc軸方向への平坦性が10Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
そして、絶縁層6から露出するp型GaNコンタクト層19の成長主面25がm面であって、p型電極4の下層がこの成長主面25(m面)に接触するように、p型電極4が絶縁層6およびp型GaNコンタクト層19の成長主面25に形成されている。すなわち、Ptを含有する層がm面の成長主面25に接触するようにp型電極4が形成される。これにより、成長主面25がm面であるp型GaNコンタクト層19の成長主面25にPt(仕事関数:5.3eV)を接触させることができるため、p型GaNコンタクト層19に対して、良好なオーミックコンタクトをとることができる。その結果、半導体レーザダイオード70の電気特性の低下を抑制することができるので、レーザ特性を向上することができる。
さらにまた、実質的に転位のないGaN単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造2は基板1の成長面(m面)からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
一方、処理室30には、サセプタ32に保持されたウエハ35の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路40が導入されている。この原料ガス供給路40には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管41と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)を供給するガリウム原料配管42と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給するアルミニウム原料配管43と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム(TMIn)を供給するインジウム原料配管44と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を供給するマグネシウム原料配管45と、シリコンの原料ガスとしてのシラン(SiH4)を供給するシリコン原料配管46とが接続されている。これらの原料配管41〜46には、それぞれバルブ51〜56が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
ウエハ35(GaN単結晶基板1)上にIII族窒化物半導体積層構造2の構成層10,13〜19を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室30内のウエハ35に供給されるガリウム原料(トリメチルガリウム)のモル分率に対する窒素原料(アンモニア)のモル分率の比であるV/III比は、1000以上(好ましくは3000以上)の高い値に維持される。
リッジストライプ20の形成後には、絶縁層6が形成される。絶縁層6の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行なわれる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、p型AlGaNクラッド層18およびp型GaNコンタクト層19の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてp型GaNコンタクト層19を露出させるようにして、絶縁層6を形成できる。
Auが蒸着されてPt/Auからなるp型電極4を構成する電極材料が形成された後には、Au膜の全体を覆うように、フォトレジストが形成される。次いで、このフォトレジストのプリベーク処理が、たとえば、400℃以下、好ましくは、200℃以下の温度で行なわれる。そして、ストライプ状のマスクを介してフォトレジストが露光され、現像された後、フォトレジストのポストベーク処理が、たとえば、400℃以下、好ましくは、200℃以下の温度で行なわれる。
p型電極4が形成された後には、p型電極4が、たとえば、酸素を含む雰囲気(たとえば大気雰囲気)下など、200℃でアニール処理される。その後、n型GaNコンタクト層13にオーミック接触するn型電極3が、p型電極4と同様の方法により、形成される。
劈開を行なう場合、基板1と、半導体積層構造2の成長方向の厚さとの総厚が200μm以下であることが好ましく、そのため、予め基板1を機械的、化学的研磨を行なう場合もある。劈開の具体的方法は、まず、半導体積層構造2の表面に、ダイヤモンドペンによりスクライブラインを加える、またはレーザにより、半導体積層構造2の内部に焦点を合わせることで、半導体内部にスクライブラインを入れる。それ以外にも、スクライブラインとは、劈開にそった方向に半導体に損傷を加えることを意味する。次に、そのスクライブラインにそって、外部から応力を加えるなどして、劈開を行なう。劈開面がc面またはa面であるので、対称性のよい劈開を行なうことができる。
以上のように得られる半導体レーザダイオード70は、たとえば、配線回路基板のランド(図示せず)に塗布されたボンディングペーストに載置され、たとえば、400℃以下、好ましくは、200℃以下で加熱されるとともに、加圧されることにより、配線回路基板に実装される。
c面を主面とするIII族窒化物半導体と、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体とでは、これらの表面における原子組成が異なる。そのため、アニール処理時におけるIII族窒化物半導体と電極材料との反応性が異なる。たとえば、アニール処理するときの温度(アニール温度)の適切値が異なる。m面を成長主面とするp型GaNにPtを含有する電極材料を形成し、この材料をアニール処理する場合、適切なアニール温度は200℃であり、400℃を超えると、p型GaNに対する電極のコンタクト特性が低下する場合がある。
この実施形態の半導体レーザダイオード80では、結晶主成長面が非極性面または半極性面であり、半極性面の具体例は、(10-1-1)面、(10-1-3)面などである。また、リッジストライプ20がa軸方向に平行に形成されており、したがって、共振器端面21,22は、いずれもa面となっており、p型GaNコンタクト層19の成長主面25は、半極性面となっている。
たとえば、前述の実施形態では、半導体レーザダイオードを例示して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、たとえば、III族窒化物半導体を用いて形成される発光ダイオードなどに適用することもできる。
また、III族窒化物半導体積層構造2を形成し、p型電極4を形成した後にレーザリフトオフなどで基板1を除去し、基板1のない半導体レーザダイオードとすることもできる。この場合、n型電極3は、基板1が除去されることにより露出するn型GaNコンタクト層13の裏面に接触するように形成される。具体的には、p型電極4が形成された後、III族窒化物半導体積層構造2が、たとえば、ワックスなどの接着剤により支持基板に接着されて支持される。次いで、たとえば、化学的機械的研磨処理や、エッチング処理などによって、基板1が除去されてn型GaNコンタクト層13の裏面が露出する。そして、露出したn型GaNコンタクト層13の裏面にn型電極3が形成される。III族窒化物半導体積層構造2を支持していた支持基板は、たとえば、400℃以下、好ましくは、200℃以下の温度でワックスを溶解させることにより取り外される。この場合にも、p型電極4が形成された後のワックスを溶解するときの工程温度が、たとえば、400℃以下、好ましくは、200℃以下に保持される。つまり、p型電極4が晒される温度が400℃以下に保持される。そのため、p型GaNコンタクト層19に良好にオーミック接触したp型電極4のオーミック特性の低下を抑制することができる。その結果、半導体レーザダイオード70において、電気特性の低下を抑制することができる。
実施例1〜3
上記第1の実施形態で説明した製造工程に従って、図1〜3に示した構造を有する半導体レーザダイオードを作製した。
比較例1〜4
p型電極として、Pdを含有する下層と、Auを含有する上層とからなる2層構造のPd/Au金属からなる電極を形成した以外は、上記第1の実施形態で説明した製造工程に従って、図1〜3に示した構造を有する半導体レーザダイオードを作製した。
(評価試験)
1)通電試験
各実施例および各比較例で作製された半導体レーザダイオードに対して、室温において、直流電流を0〜100mAまで変化させながら注入することにより通電試験を行なった。
2)順方向電圧(Vf)評価
1)の通電試験において、注入電流が50mAのときの、各実施例および各比較例で作製された半導体レーザダイオードの順方向電圧(Vf)を比較評価した。グラフを図9に示す。
一方、p型電極がPd/Au金属からなる比較例1(アニール温度:0℃)、比較例2(アニール温度:200℃)、比較例3(アニール温度:400℃)および比較例4(アニール温度:600℃)の半導体レーザダイオードのVfは、それぞれ6.5V、6.2V、6.8Vおよび8.0Vであった。
3)電流−電圧特性(I−V特性)評価
1)の通電試験において、注入電流を0〜100mAまで変化させたときの、各実施例で作製された半導体レーザダイオードの順方向電圧(Vf)の変化量を評価した。そのI−V曲線を図10〜12に示す。
これにより、いずれの実施例の半導体レーザダイオードにおいても、p型電極とp型GaNコンタクト層との間の抵抗値が低く、p型GaNコンタクト層に対して、p型電極が良好にオーミック接触していることが確認された。とりわけ、p型電極の形成後、アニール処理を行なわない実施例1および200℃でアニール処理を行なった実施例2の半導体レーザダイオードにおいて、極めて良好にオーミック接触していることが確認された。
2 III族窒化物半導体積層構造
4 p型電極
12 p型半導体層
16 p型AlGaN電子ブロック層
17 p型GaNガイド層
18 p型AlGaNクラッド層
19 p型GaNコンタクト層
25 成長主面
70 半導体レーザダイオード
80 半導体レーザダイオード
Claims (8)
- 非極性面または半極性面を主面とするp型III族窒化物半導体層と、
前記p型III族窒化物半導体層の主面に形成され、前記主面に接する接触領域にPtを含有する電極と
を有する、窒化物半導体素子。 - 前記p型III族窒化物半導体層の主面がm面である、請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 非極性面または半極性面を主面とするp型III族窒化物半導体層の主面に電極を有する窒化物半導体素子の製造方法であって、
Ptを含有する電極材料を、前記主面に接するように形成する電極形成工程を含む、窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記電極形成工程後、前記電極材料に対して400℃以下でアニール処理を行なうアニール処理工程を含む、請求項3に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記アニール処理工程が、前記電極材料に対して200℃でアニール処理を行なう工程である、請求項4に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記電極形成工程後、前記電極材料に対してアニール処理を行なわない、請求項3に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記電極形成工程後の工程において、前記電極材料が晒される工程温度が400℃以下に保持される、請求項3〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記電極形成工程後の工程において、前記電極材料が晒される工程温度が200℃以下に保持される、請求項3〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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