JP2010062254A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型コンタクト層とｐ型電極との接触抵抗を従来よりも低減化し、動作電圧の低い窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層上にｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層がｐ型電極１１側から順にｐ型第一コンタクト層１０とｐ型第二コンタクト層９によって構成される窒化物半導体素子１において、前記第一コンタクト層１０がｐ型不純物を１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以上２．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下含有したＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．２）からなり、前記ｐ型第二コンタクト層９はｐ型不純物を前記ｐ型第一コンタクト層より低濃度で含有し、Ｉｎ組成比が前記ｐ型第一コンタクト層１０より低いＩｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜０．２）からなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ等の窒化物半導体素子に係り、特に、動作電圧の低減を図った窒化物半導体素子に関するものである。

ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ及びその混晶からなる窒化物半導体は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青紫レーザダイオード（ＬＤ）用の材料としてすでに実用化され、さらに、耐熱性や耐環境性が良いという特徴を活かし、電子デバイス用の半導体材料としての利用も盛んになってきている。

ところで、窒化物半導体では、Ｍｇをドーピングすることでｐ型窒化物半導体を作製するのが一般的である。この窒化物半導体は、アクセプタ準位が深いため、アクセプタの活性化率が非常に低く、ホール濃度を高くすることが困難であるという問題を抱えている。

このため、ｐ型窒化物半導体に対して低抵抗なオーム性電極を形成することは容易ではない。ｐ型コンタクト層とｐ型電極との接触抵抗の高抵抗化は、窒化物半導体素子において、動作電圧の増加を引き起こす。さらに、動作電圧の増加は、ｐ型電極での発熱を生み、ｐ型電極の劣化を生じやすくするため、信頼性を低くしてしまう。

このｐ型コンタクト層とｐ型電極との接触抵抗の低減化という課題に対しては、ｐ型電極側からｐ型不純物濃度の高い層と低い層、という異なるｐ型不純物濃度からなる二層構造のｐ型コンタクト層を用いるという手法が特許文献１に示されている。

特許文献１では、ｐ型電極に対してオーミック接触を得るためには、ｐ型電極と直接接触する層にアクセプタ不純物を高濃度にドーピングすることが有効であるとしている。

また、アクセプタ不純物を高濃度にドーピングすると、ホール濃度は逆に低下するため、その下層にホール濃度が最大となるような濃度のアクセプタ不純物をドーピングした層を設けることで、ホール注入効率の低下を防ぐという手法が示されている。

一方で、ｐ型コンタクト層にこの二層構造を用いた場合、アクセプタ不純物濃度の高い層の膜厚を厚くするにしたがって、閾値電圧が上昇することが特許文献２に示されている。これは、アクセプタ不純物濃度が高い層ではホール濃度が低いため、層の抵抗が高くなることが原因である。そのため、特許文献２では、アクセプタ不純物濃度が高い層の膜厚は、５０ｎｍ以下にすることが望ましいとしている。

さらに、特許文献３、４ではｐ型コンタクト層にｐ型ＩｎＧａＮを形成する手段が示されている。ＩｎＮのバンドギャップは０．６５ｅＶ付近とＧａＮの３．４ｅＶに対して非常に狭いため、その混晶であるＩｎＧａＮはＧａＮよりも狭いバンドギャップを得ることができる。さらに、ＩｎＧａＮはＭｇをｐ型不純物とした場合でも高いホール濃度が実現できる。このため、低抵抗なオーム性電極の形成が期待できる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平８−９７４７１号公報 特開平１０−２４２５８７号公報 特開平８−９７４６８号公報 特開平９−２８９３５１号公報

しかしながら、窒化物半導体の動作電圧の低減化には未だ強い要求があり、ｐ型コンタクト層とｐ型電極との接触抵抗においても更なる低減化が望まれている。

そこで、本発明の目的は、従来よりも低抵抗なオーム性電極の形成を実現することで、動作電圧を低下させた窒化物半導体素子を提供することである。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、窒化物半導体層上にｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層がｐ型電極側から順にｐ型第一コンタクト層とｐ型第二コンタクト層によって構成される窒化物半導体素子において、前記第一コンタクト層がｐ型不純物を１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以上２．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下含有したＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．２）からなり、前記ｐ型第二コンタクト層はｐ型不純物を前記ｐ型第一コンタクト層より低濃度で含有し、Ｉｎ組成比が前記ｐ型第一コンタクト層より低いＩｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜０．２）からなる窒化物半導体素子である。

請求項２の発明は、前記ｐ型第一コンタクト層の膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体素子である。

請求項３の発明は、前記ｐ型第二コンタクト層が、前記ｐ型第二コンタクト層の下層側のｐ型窒化物半導体層よりもｐ型不純物を高濃度で含有した請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子である。

請求項４の発明は、前記ｐ型第一コンタクト層と前記ｐ型第二コンタクト層に含まれているｐ型不純物が、マグネシウム（Ｍｇ）である請求項１〜３いずれかに記載の窒化物半導体素子である。

請求項５の発明は、前記ｐ型電極が、少なくともパラジウム（Ｐｄ）を含む請求項１〜４いずれかに記載の窒化物半導体素子である。

本発明によれば、ｐ型コンタクト層とｐ型電極との接触抵抗を従来よりも低減化できるため、窒化物半導体素子の動作電圧を低下させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る窒化物半導体素子の断面模式図である。

図１に示すように、窒化物半導体素子１は、Ｓｉドーピングによるｎ型ＧａＮ基板２上に、Ｓｉドーピングによるｎ型ＧａＮバッファ層３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｎ型ＧａＮガイド層５、ノンドープＩｎＧａＮ活性層６、Ｍｇドーピングによるｐ型ＧａＮガイド層７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜０．２）第二コンタクト層９、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．２）第一コンタクト層１０が順次積層された構造である。

また、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０表面には、Ｐｄ／Ａｕ積層によるｐ型電極１１が形成され、ｎ型ＧａＮ基板２の裏面には、Ｔｉ／Ａｕ積層によるｎ型電極１２が形成される。

さらに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０は、リッジ形状であり、そのリッジ側面とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の上面を絶縁膜１３で覆った構造である。

前記のような構成のエピタキシャルウェハ上に、低抵抗なオーム性電極を形成するのに望ましいｐ型第一及び第二コンタクト層の構造条件（又は数値限定理由）を以下に示す。

まず、ｐ型電極１１に接するｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０のＩｎ組成を０＜ｘ≦０．２（即ち２０％以下）とした理由は、ＩｎＧａＮは、非混和性を有するため、高Ｉｎ組成の結晶成長が困難であるからである。

また、ＩｎＧａＮはＩｎ組成が高くなるほど低い温度で成長させる必要があるため、品質の良い結晶が得られにくいからである。つまり、比較的高温で結晶成長が可能なＩｎ組成域では、ＧａＮと比べ高いホール濃度を得ることが可能だが、Ｉｎ組成を高くするために成長温度を下げていくと、結晶品質の悪化で、ホール濃度が低下してしまう問題が生じるからである。

次に、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０のＭｇ濃度に関しては、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以上２．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下の範囲に制御することが望ましく、より効果が高いのはＭｇ濃度が１．４×１０²⁰ｃｍ^-3のときである。

図２は、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０のＭｇ濃度とｐ型電極１１の接触抵抗の関係を表したものである。

図２に示すように、Ｍｇ濃度が１．４×１０²⁰ｃｍ^-3以下となる範囲では濃度を高くするにつれて接触抵抗が低減され、Ｍｇ濃度が１．４×１０²⁰ｃｍ^-3を超える範囲では濃度を高くするにつれて接触抵抗が増大する。１０^-4Ωｃｍ²程度以下の接触抵抗を得ようとした場合、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０の最適なＭｇ濃度は前述の範囲であることが分かる。

また、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０の膜厚に関しては、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲に設定することが望ましい。これは、２ｎｍよりも薄い膜厚のＩｎＧａＮを所望の組成で、且つ所望のＭｇ濃度で成長させるのは困難であり、また、膜厚を２０ｎｍよりも厚くすると、下層との格子不整合により転位が増加し、その結果、結晶品質が悪化して接触抵抗が高くなるからである。

一方、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９は、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０よりもＩｎ組成が小さいＩｎＧａＮ（０＜ｙ＜０．２）もしくはＧａＮ（ｙ＝０）であることが望ましい。

また、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９のＭｇ濃度に関しては、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０のＭｇ濃度以下で、且つｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のＭｇ濃度以上であることが望ましい。

これは、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９のＭｇ濃度がｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０のＭｇ濃度よりも高い場合、接触抵抗を著しく増加させてしまうからである。また、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９のＭｇ濃度がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のＭｇ濃度よりも低い場合、ホール濃度が低下してしまい、やはり接触抵抗を増加させてしまうからである。

以上の構成からなる窒化物半導体素子１によれば、ｐ型コンタクト層（ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０）とｐ型電極１１との接触抵抗を従来よりも低減化できるため、動作電圧を低くすることができる。

窒化物半導体素子１の変形例として、図３に示すように、ｎ型ＧａＮガイド層５、ｐ型ＧａＮガイド層７、絶縁膜１３が無く、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４，８がｎ型及びｐ型ＧａＮクラッド層４’，８’であり、ｐ型ＧａＮクラッド層８’、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０がリッジ形状ではない構造の窒化物半導体素子３０でも同様の効果が得られる。

（実施例１）
実施例１では、図１の窒化物半導体素子１を用いた窒化物半導体レーザを作製した。

まず、Ｓｉドーピングによるｎ型ＧａＮ基板２をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）装置の反応炉内に設置し、アンモニアとキャリアガスの水素を供給しながら、ｎ型ＧａＮ基板２の温度を９００℃まで熱した。

そして、ｎ型ＧａＮ基板２を９００℃まで昇温させた後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とシランガスを供給し、その後、温度を１０５０℃まで昇温させながら、ｎ型ＧａＮ基板２の（０００１）面上にＳｉドーピングによるｎ型ＧａＮバッファ層３を成長させ、次に温度を１０５０℃に保ったままトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給し、Ｓｉドーピングによるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４を積層した。

その後、ＴＭＡの供給を止め、Ｓｉドーピングによるｎ型ＧａＮガイド層５を成長させた。ここで、ＴＭＧとシランガスの供給を止め、温度を８００℃まで降温させた。その際、アンモニアは供給したままで、キャリアガスを水素から窒素に切り替え、温度が８００℃になったら、ＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給し、ノンドープＩｎＧａＮ活性層（多量子井戸（ＭＱＷ））６を成長させた。このとき、ＴＭＩは供給量が異なる供給ラインを２つ用意し、それらを交互に切り替えることでＩｎ組成の異なる井戸層と障壁層とを成長させた。

次に、ＴＭＩとＴＭＧの供給を止め、再び温度を１０５０℃まで昇温させ、キャリアガスを窒素から水素に切り替え、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジニエルマグネシウム）を供給し、Ｍｇドーピングによるｐ型ＧａＮガイド層７、さらにＴＭＡを供給し、Ｍｇドーピングによるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を積層した。

そして、ＴＭＡの供給を止め、Ｍｇドーピングによるｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９を成長させ、その後ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇの供給を止め、キャリアガスを水素から窒素に切り替え、温度を８００℃まで降温させ、温度が８００℃になったらＴＭＩとＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇとを再び供給し、Ｍｇドーピングによるｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０を積層した。ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０の結晶成長終了後、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇ、アンモニアの供給を止め、キャリアガスの窒素のみを供給した状態で室温まで降温させた。

温度を室温に戻した後、反応炉からｎ型ＧａＮ基板２を取り出し、アニーリング装置を用いて６００℃の窒素雰囲気中、２０分間アニーリングを行い、ｐ型不純物の活性化を行った。

その後、ＲＩＥ装置により、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８とｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９とｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０を中央部を除いてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の途中までエッチングすることでリッジ形状とした。

次に、表面全体を絶縁膜１３で覆い、さらにフォトリソグラフィーによって、リッジ上部の絶縁膜１３の除去を行い、露出したｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０表面上にＰｄ／Ａｕ積層によるｐ型電極１１を形成し、ｎ型ＧａＮ基板２の裏面にはＴｉ／Ａｕ積層によるｎ型電極１２を形成した。

最後に、図示しないがへき開などによりレーザ共振器を形成し、窒化物半導体レーザ素子を形成した。

このとき、ｐ型電極１１に接するｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０は、膜厚が１５ｎｍ、Ｍｇ濃度が１．４×１０²⁰ｃｍ^-3、Ｉｎ組成がｘ＝０．０７（即ち７％）のＩｎＧａＮとした。

また、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９は、膜厚が５０ｎｍ、Ｍｇ濃度が７．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のＧａＮ（ｙ＝０（即ちＩｎ組成は０％））で構成した。さらに、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９の下層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のＭｇ濃度は２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。

実施例１で作製した半導体レーザは、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０とｐ型電極１１との接触抵抗、また動作電圧が従来に比べ十分に低かった。

（実施例２）
実施例２では、図３に示す構造の窒化物半導体素子３０を用いた窒化物半導体発光ダイオードを作製した。

この窒化物半導体発光ダイオードは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いてエピタキシャル成長させた。

まず、Ｓｉドーピングによるｎ型ＧａＮ基板２を炉内に設置し、アンモニアとキャリアガスの水素を供給しながらｎ型ＧａＮ基板２の温度を昇温した。９００℃まで昇温したところでＴＭＧとシランガスを供給し、さらに、１０５０℃まで昇温させながらＳｉドーピングによるｎ型ＧａＮバッファ層３、温度が１０５０℃になったところでＳｉドーピングによるｎ型ＧａＮクラッド層４’を成長させた。

次に、ＴＭＧとシランガスの供給を止め、温度を８００℃まで降温させ、アンモニアを供給したままキャリアガスを水素から窒素に切り替えた。その後、８００℃になったら、ＴＭＧとＴＭＩを供給し、ノンドープＩｎＧａＮ活性層（多量子井戸（ＭＱＷ））６を成長させた。

このとき、ＴＭＩは供給量が異なるラインを２つ用意し、それらを交互に切り替えることでＩｎ組成の異なる井戸層と障壁層とを成長させた。その後、ＴＭＩとＴＭＧの供給を止め、温度を再び１０５０℃まで昇温させ、キャリアガスを窒素から水素に切り替え、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇを供給し、Ｍｇドーピングによるｐ型ＧａＮクラッド層８’を成長させた。

次に、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇの供給を止め、キャリアガスを水素から窒素に切り替え、温度を８００℃まで降温させ、その後ＴＭＩとＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇを供給し、Ｍｇドーピングによるｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９、Ｍｇドーピングによるｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０を積層した。

ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０の結晶成長終了後、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇ、アンモニアの供給を止め、キャリアガスの窒素のみを供給した状態で室温まで降温させた。

温度が室温に戻った後、反応炉からｎ型ＧａＮ基板２を取り出し、アニーリング装置を用いて６００℃の窒素雰囲気中、２０分間アニーリングを行い、ｐ型不純物の活性化を行った。その後、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０表面にはＰｄ／Ａｕ積層によるｐ型電極１１を形成し、ｎ型ＧａＮ基板２の裏面にはＴｉ／Ａｕ積層によるｎ型電極１２を形成した。

このとき、ｐ型コンタクト層の構造は、ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層１０は膜厚が１５ｎｍ、Ｍｇ濃度が１．４×１０²⁰ｃｍ^-3、Ｉｎ組成ｘ＝０．０７（即ち７％）のＩｎＧａＮからなり、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９は膜厚が５０ｎｍ、Ｍｇ濃度が４．０×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｉｎ組成ｙ＝０．０２（即ち２％）のＩｎＧａＮからなる。さらに、ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層９の下層であるｐ型ＧａＮクラッド層８’のＭｇ濃度は２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。

実施例２で作製した発光ダイオードの接触抵抗、動作電圧は従来に比べ十分に低かった。

本発明の好適な実施の形態に係る窒化物半導体素子の断面模式図である。 第一コンタクト層のＭｇ濃度と電極の接触抵抗との関係を示す測定図である。 本発明の実施例２で作製した窒化物半導体発光ダイオードの断面模式図である。

符号の説明

１ 窒化物半導体素子
９ ｐ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ第二コンタクト層
１０ ｐ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第一コンタクト層
１１ ｐ型電極

Claims (5)

1. 窒化物半導体層上にｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層がｐ型電極側から順にｐ型第一コンタクト層とｐ型第二コンタクト層によって構成される窒化物半導体素子において、
   前記第一コンタクト層がｐ型不純物を１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以上２．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下含有したＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．２）からなり、前記ｐ型第二コンタクト層はｐ型不純物を前記ｐ型第一コンタクト層より低濃度で含有し、Ｉｎ組成比が前記ｐ型第一コンタクト層より低いＩｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜０．２）からなることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記ｐ型第一コンタクト層の膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記ｐ型第二コンタクト層が、前記ｐ型第二コンタクト層の下層側のｐ型窒化物半導体層よりもｐ型不純物を高濃度で含有した請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記ｐ型第一コンタクト層と前記ｐ型第二コンタクト層に含まれているｐ型不純物が、マグネシウム（Ｍｇ）である請求項１〜３いずれかに記載の窒化物半導体素子。
5. 前記ｐ型電極が、少なくともパラジウム（Ｐｄ）を含む請求項１〜４いずれかに記載の窒化物半導体素子。

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