JP2010245109A - Ｉｉｉ族窒化物系半導体素子、及び電極を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型非極性GaN面と電極との間に良好なオーミック接触を提供できる、電極を作製する方法を提供する。
【解決手段】半導体領域１３の非極性主面１３ａの酸化物１５上にニッケルを含む金属層１７及び金を含む金属層１９を順に堆積した後に、基板生産物Ｐ２の熱処理を行う。この熱処理によって、金属層１７のニッケルが非極性主面１３ａの自然酸化物中の酸素の少なくとも一部分が除かれる。第１の層２１ａはニッケルを含み、第２の層２１ｂは金を含む。第２の層２１ｂが半導体領域１３に接合を成す。第２の層２１ｂが第１の層２１ａと半導体領域１３との間に移動する。ニッケルと酸素の化合物２３は、基板生産物の表面近傍に形成される。ニッケルと酸素の化合物２３を除去して、基板生産物Ｐ３が得られる。ｐ型ドーパントを含む半導体領域１３に接触を成す金属電極２１を作製できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、III族窒化物系半導体素子、及び電極を作製する方法に関する。

特許文献１には、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の電極及びその製造方法が記載されている。この電極は、サファイア基板上に成長されたＳｉドープｎ型ＧａＮ層上に形成される。このｎ型ＧａＮ層はｃ軸方向に成長される。電極は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の（０００１）面上に形成されたチタン層と、この層上に形成されたチタン及びアルミニウムを含む層とを含む。

特許文献２には、ｐ型III族窒化物系半導体の電極及びその製造方法が記載されている。この電極は、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層を介して成長されたｐ型半導体層上に形成される。このｐ型半導体層はＡｌＮバッファ層上にｃ軸方向に成長される。電極は、ｐ型半導体層の（０００１）面に順に形成された２種類の金属層（Ｎｉ、Ａｕ）を有する。熱処理を行って、半導体の表面から深さ方向の元素分布に関して、Ａｕ層の構成元素の分布がＮｉ層の構成元素の分布よりも深い。

特開平０７−０４５８６７号公報 特開平０９−０６４３３７号公報

金とＧａＮ層との間にニッケル層を設けるとき、金とＧａＮ層との密着性を向上させることができる。しかしながら、特許文献２に記載されているように、ｃ面ＧａＮ層上に直接に薄いニッケル層を形成するとき、電極の接触抵抗を低下させることができない。そこで、特許文献２では、ニッケル薄層及び金層をｃ面上ｐ型ＧａＮ層に順次に蒸着した後に電極のアニールを行って、オーミック電極を得ていた。特許文献２によれば、ニッケル薄層による密着性と金の分布による接触抵抗の低減が提供される。

発明者らは、半極性面ＧａＮ基板上のｐ型ＧａＮ層にオーミック電極を形成するために、これと同様の作製条件でニッケル及び金を順次に蒸着した後に電極のアニールを行った。しかしながら、半極性面上ｐ型ＧａＮ層へのオーミック接触が得られなかった。これ故に、ｃ面上ｐ型ＧａＮ層にオーミック電極の形成は、非極性面上ｐ型ＧａＮ層にオーミック電極の形成に適用できない。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ｐ型非極性（無極性及び半極性）面と電極との間に良好なオーミック接触を提供できる、電極を作製する方法を提供することを目的とし、また、この電極を有するIII族窒化物系半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、III族窒化物系半導体素子のための電極を作製する方法である。この方法は、（ａ）ウルツ鉱構造のIII族窒化物系半導体からなる非極性主面を有する半導体領域を処理装置を用いて形成して、第１の基板生産物を形成する工程と、（ｂ）成膜装置を用いて、前記第１の基板生産物の前記半導体領域上に、ニッケルを含む第１の金属層を堆積する工程と、（ｃ）前記第１の金属層を形成した後に、金を含む第２の金属層を形成して第２の基板生産物を形成する工程と、（ｄ）前記第２の金属層を形成した後に、前記第１の金属層のニッケルが前記非極性主面の酸素を除くように前記第２の基板生産物の熱処理を酸素を含む雰囲気で行う工程とを備える。前記熱処理により表面の酸素と結合した酸化ニッケルが第２の金属層の上に浮き上がり、前記半導体領域にはｐ型ドーパントが添加されており、前記非極性主面は半極性及び無極性のいずれかである。

この発明によれば、ニッケルを含む第１の金属層及び金を含む第２の金属層が順に半導体領域の非極性主面上に堆積された第２の基板生産物を酸素を含む雰囲気で熱処理を行うことによって、第１の金属層のニッケルが非極性主面の酸素を除くことができる。熱処理より表面の酸素と結合した酸化ニッケルが第２の金属層の浮き上がり、これ故に、III族窒化物系半導体のｃ面に比べて非極性面は酸化されやすいけれども、ｐ型ドーパントが添加された半導体領域に良好な電気的接触を成す電極を作製できる。

本発明に係る方法では、前記第１の金属層の厚さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。この方法によれば、半導体領域の非極性主面に対して良好な電気的接触を成す電極を形成できる。

本発明に係る方法では、前記第１の金属層の厚さは２０ｎｍを超えることが好ましい。この方法によれば、半導体領域の非極性主面に対して優れた電気的接触を成す電極を形成できる。

本発明に係る方法は、前記第１の金属層を堆積するに先だって、前処理溶液で前記第１の基板生産物の前処理を行う工程を更に備えることが好ましい。前記前処理溶液は王水及びフッ酸のいずれかを含む。この方法によれば、前処理までに非極性面に形成された酸化物を前処理により低減できる。

本発明に係る方法は、前記装置から前記第１の基板生産物を取り出して、前記成膜装置に前記第１の基板生産物を配置する工程を更に備えることが好ましい。前記第１の基板生産物を配置する前記工程では、前記第１の基板生産物の前記半導体領域の前記非極性主面は大気にさらされて、該大気により前記非極性主面が改質されて、前記半導体領域の表面は酸化物で覆われる。

この方法によれば、第１の基板生産物の非極性表面は不可避的に大気にさらされる。酸化されやすい非極性面の半導体領域では、大気への露出によって、その表面に酸化物が形成される。

本発明に係る方法では、前記第２の基板生産物の熱処理を行う前記工程の後では、前記半導体領域の表面からの金属元素の分布に関して、前記Ｎｉよりも前記Ａｕが深い。この方法によれば、第２の基板生産物の熱処理により電極が半導体領域に良好な電気的接触を成すことができる。

本発明に係る方法では、前記熱処理の温度は摂氏４００度以上であることが好ましい。この方法によれば、摂氏４００度以上の温度における熱処理により電極が半導体領域に良好な電気的接触を成すことができる。

本発明に係る方法では、前記半導体領域は窒化ガリウム系半導体からなり、前記熱処理により、前記半導体領域の表面におけるガリウム酸化物の量が低減される。この方法によれば、熱処理により非極性面上の酸化物が低減される。これにより、電極が半導体領域に良好な電気的接触を成すことができる。

本発明に係る方法は、非極性面を有する基板を準備する工程を更に備えることが好ましい。前記半導体領域は前記基板上に設けられており、前記基板は、ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり、前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。

この方法によれば、自然酸化膜に形成において、１０度以上１７０度以下の範囲の角度を有する非極性面はｃ面と異なる。

本発明に係る方法では、前記角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。

この方法によれば、非極性面は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にある半極性面である。

本発明に係る方法では、前記角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この方法によれば、非極性面は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある半極性面である。

本発明に係る方法では、前記角度は８０度以上１１０度以下の範囲にあることが好ましい。この方法によれば非極性面は８０度以上１１０度以下の範囲にある無極性面に近い性質を示す非極性面である。

本発明の別の側面に係る発明は、III族窒化物系半導体素子である。III族窒化物系半導体素子は、（ａ）ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり非極性主面を有する第１の半導体領域と、（ｂ）ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり前記非極性主面上に設けられた第２の半導体領域と、（ｃ）前記第２の半導体領域の表面に接した金属電極とを備える。前記非極性主面は半極性及び無極性のいずれかであり、前記第２の半導体領域にはｐ型ドーパントが添加されており、前記金属電極は、少なくとも第１の層及び第２の層を含み、前記第１の層はニッケルを含み、前記第２の層は金を含み、前記第２の層が前記第２の半導体領域に接合を成し、前記第２の層が前記第１の層と前記第２の半導体領域との間にあり、前記金属電極から前記第１の半導体領域への向きに規定された座標軸の方向に関して前記第２の半導体領域において前記金の分布は前記ニッケルの分布より深くなるように形成されることによって、前記第１の層のニッケルが非極性のIII族窒化物主面の酸化物中の酸素原子を該III族窒化物主面から取り除き、前記金属電極は前記第２の半導体領域の前記表面にオーミック接触を形成する。

このIII族窒化物系半導体素子によれば、半導体領域の非極性主面への電気的接触を成す電極では、ニッケルを含む第１の層及び金を含む第２の層を順に堆積した後に第２の基板生産物の熱処理を行うことによって、第１の層のニッケルが非極性のIII族窒化物主面の酸化物中の酸素原子を該III族窒化物主面から取り除き、電極が第２の半導体領域の表面に対してオーミック接触を得ることができる。これ故に、III族窒化物系半導体素子のための電極は、ｐ型ドーパントが添加された半導体領域に電気的接触を成すことができる。

本発明のIII族窒化物系半導体素子では、前記第１の層の厚さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。このIII族窒化物系半導体素子によれば、このIII族窒化物系半導体素子によれば、半導体領域の非極性主面に電気的接触を成す電極を得るためにニッケル量を提供できる。また、本発明のIII族窒化物系半導体素子では、前記第１の層の厚さは２０ｎｍを超えることができる。このIII族窒化物系半導体素子によれば、半導体領域の非極性主面に電気的接触を成す電極を得るために十分なニッケル量を提供できる。

本発明のIII族窒化物系半導体素子は、非極性面を有する基板を更に備えることが好ましい。前記第１及び第２の半導体領域は前記基板上に設けられており、前記基板は、ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり、前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。このIII族窒化物系半導体素子によれば、１０度以上１７０度以下の範囲の角度を有する非極性面では、この非極性面と電極との電気的接触に関して自然酸化膜の振る舞いがｃ面と異なる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体素子では、前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。この発明によれば、非極性面は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にある半極性面である。

本発明に係るIII族窒化物系半導体素子では、前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この発明によれば、非極性面は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある半極性面である。

本発明に係るIII族窒化物系半導体素子では、前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は８０度以上１１０度以下の範囲にあることが好ましい。この発明によれば非極性面は８０度以上１１０度以下の範囲にある無極性面に近い性質を示す非極性面である。

本発明のIII族窒化物系半導体素子では、前記基板の前記非極性面は、ｎ型半導体からなる。当該III族窒化物系半導体素子は、前記基板の前記非極性面上に設けられた発光層を更に備えることが好ましい。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、ｐ型非極性面と電極との間に良好なオーミック接触を提供できる、電極を作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、ｐ型半導体領域に良好なオーミック接触を成す電極を有するIII族窒化物系半導体素子が提供される。

図１は、本実施の形態に係る、電極を作製する方法、III族窒化物系半導体素子を作製する方法、及び基板生産物を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図２は、図１に示された主要な工程における生産物を模式的に示す図面であり、（ａ）は工程Ｓ１０１，（ｂ）は工程Ｓ１０２，（ｃ）は工程Ｓ１０３を示す。 図３は、図１に示された主要な工程における生産物を模式的に示す図面であり、（ａ）は工程Ｓ１０５，（ｂ）は工程Ｓ１０６，（ｃ）は工程Ｓ１０７を示す。 図４は、図１に示された主要な工程における生産物を模式的に示す図面であり、（ａ）は工程Ｓ１０９，（ｂ）は工程Ｓ１１０，（ｃ）は工程Ｓ１１１を示す。 図５は、半極性面（オフ角５８度）及びｃ面のＧａＮ表面からのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）信号を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る方法において、自然酸化膜及び金属層の変化を示す図面であり、（ａ）は熱処理前、（ｂ）は熱処理後である。 図７は実験例に用いたＬＥＤ構造とその特性を示しており、（ａ）はＬＥＤ構造，（ｂ）はＬＥＤモードにおける順方向の電流−電圧特性を示す図面である。 図８は、実施例に係るIII族窒化物系半導体素子及び基板生産物の構造を概略的に示す図面であり、（ａ）は第一の実施例、（ｂ）は第二の実施例である。 図９は、電気的特性の測定を示す図面であり、（ａ）は測定方法、（ｂ）は測定結果である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明に係る、電極を作製する方法、III族窒化物系半導体素子を作製する方法、及び基板生産物を作製する方法における実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る、電極を作製する方法、III族窒化物系半導体素子を作製する方法、及び基板生産物を作製する方法並びに基板生産物及びIII族窒化物系半導体素子における主要な工程を示す図面である。また、図２〜図４は、図１に示された主要な工程における生産物を模式的に示す図面である。III族窒化物系半導体素子は、例えばレーザダイオード及び発光ダイオードといった光素子、または例えばｐｎ接合ダイオード及びトランジスタといった電子デバイスであることが好ましい。

図１の工程Ｓ１０１では、基板１１を準備する。好適な実施例では、基板１１は非極性主面を有することが好ましい。基板１１は、例えばウルツ鉱構造のIII族窒化物系半導体からなる。III族窒化物系半導体としては、例えばＡｌＮ、並びにＡｌＧａＮ及びＧａＮといった窒化ガリウム系半導体等がある。これらの窒化ガリウム系半導体において、基板１１の主面１１ａは非極性を示す。非極性は、半極性又は無極性である。図２（ａ）の実施例を参照すると、基板１１は半極性主面を有する。軸Ｃｘは、基板１１のIII族窒化物系半導体のｃ軸（＜０００１＞軸）の方向を示しており、軸Ｃｘの向きはｃ軸ベクトルＶＣとして表される。法線ベクトルＮＶは、基板１１の主面１１に垂直である。基板１１の非極性面１１ａの法線と基板１１のウルツ鉱構造のｃ軸Ｃｘとの成す角度Ａｌｐｈａは、例えば１０度以上１７０度以下の範囲にある。

工程Ｓ１０２では、成長炉といった処理装置１０ａに基板１１を配置した後に、図２（ｂ）に示されるように、基板１１の非極性主面１１ａ上に半導体領域１３を成長する。半導体領域１３は、例えば一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことが好ましい。本実施例では、半導体領域１３は、基板１１の非極性主面１１ａへのエピタキシャル成長によって提供され、この結晶成長は例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法等で行われる。半導体領域１３の表面１３ａは非極性を有する。この非極性もまた半極性又は無極性である。また、半導体領域１３の表面１３ａはｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＭｇといったｐ型ドーパントで高濃度に添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体の形成は、エピタキシャル成長に限定されるものではない。これらの工程により第１の基板生産物Ｐ１が作製された。

工程Ｓ１０３では、処理装置１０ａから第１の基板生産物Ｐ１を取り出す。この取り出しの後に、引き続く金属の堆積に先だって、必要な場合には、工程Ｓ１０４では、第１の基板生産物Ｐ１の前処理を行う工程を設けることが好ましい。前処理のための溶液として、例えば王水及びフッ酸の少なくともいずれかを用いることが好適である。これらの溶液によって、窒化ガリウム系半導体の表面に形成された自然酸化物を除去できる。この後に、図３（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０５では、成膜装置１０ｂに第１の基板生産物Ｐ１を配置する。

この取り出しにより、第１の基板生産物Ｐ１の半導体領域１３の非極性主面１３ａが大気、もしくは前処理の酸のエッチ・ストップ用の水により、非極性主面１３ａが改質される。この改質によって、図２（ｃ）に示されるように、半導体領域１３の表面１３ａは酸化物１５で覆われる。第１の基板生産物Ｐ１の前処理を行うとき、金属層の堆積開始の際における酸化物１５の厚さが薄くなる可能性がある。

既に説明したように、大気にさらされたＧａＮの非極性面（半極性面及び無極性面）は、ＧａＮのｃ面（極性面）に比べて酸化されやすい。つまり、大気にさらされたＧａＮの非極性面には、比較的厚い酸化物（いわゆる、厚い自然酸化膜）が形成されている。処理装置１０ａから成膜装置１０ｂへ基板生産物Ｐ１を移動するときに、自然酸化膜が形成されて、第１の基板生産物Ｐ１が成膜装置１０ｂに配置されたとき、図２（ｃ）に示されるように、第１の基板生産物Ｐ１の表面には酸化物１５が存在する。

非極性面における酸化物の形成について説明する。図５は、半極性面（オフ角５８度）及びｃ面のＧａＮ表面からのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）信号を示す図面である。半極性ＧａＮ面からのＸＰＳ信号は、ｃ面ＧａＮからのＸＰＳ信号よりも大きい。Ｇａ信号のピークはほぼ同じ強度であるけれども、Ｇａ−Ｏ信号のピークに関して、半極性ＧａＮ面からのＸＰＳ信号はｃ面ＧａＮからのＸＰＳ信号よりも大きい。この実験によれば、その信号比率は１．５倍である。

必要な場合には、成膜装置１０ｂへの配置に先立って、第１の基板生産物Ｐ１上にリフトオフのためのマスクを形成することができ、このマスクはレジスト層を含む。この後に、工程Ｓ１０５では、図３（ａ）に示されるように、成膜装置１０ｂに基板生産物Ｐ１を配置する。この後に速やかに、成膜装置１０ｂを真空排気して、１×１０^−６Ｔｏｒｒ（１Ｐａは０．００７５Ｔｏｒｒで換算される）程度の真空度を達成する。これ故に、成膜装置１０ｂ内では自然酸化膜の形成は実質的に生じない。成膜装置１０ｂを用いて、図３（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０６では、第１の基板生産物Ｐ１の表面に第１の金属層１７を堆積する。金属層１７の形成は、例えば電子ビーム蒸着法または抵抗加熱法等を用いることができる。金属層１７はニッケルを含む。一実施例では、金属層１７はニッケル層からなり、その厚みは例えば１０ｎｍ以上であることが好ましい。ニッケル層の形成により、半導体領域１３の非極性主面１３ａに電気的接触を成す電極を形成できる。また、このニッケル層の厚みは、例えば２０ｎｍを超えることが更に好ましい。半導体領域１３の非極性主面１３ａに優れた電気的接触を成す電極を形成できる。

第１の金属層１７を形成した後に、図３（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０７では、成膜装置１０ｂを用いて第２の金属層１９を形成する。金属層１９の形成は、例えば電子ビーム蒸着法または抵抗加熱法等を用いることができる。金属層１９は金を含む。一実施例では、金属層１９は金層からなり、その厚みは例えば２０ｎｍ以上であることが好ましい。これらの工程により、基板生産物Ｐ１の自然酸化物１５上に設けられた金属層１７及び金属層１９を含む第２の基板生産物Ｐ２を形成された。

工程Ｓ１０８では、成膜装置１０ｂから第２の基板生産物Ｐ２を取り出す。リフトオフのためのマスクを第１の基板生産物Ｐ１上に形成していたとき、リフトオフの処理を行う工程を行って、パターン形成された電極層を形成される。リフトオフ処理は、例えばアセトン等を用いて行われる。

工程Ｓ１０９では、図４（ａ）に示されるように、熱処理装置１０ｃに第２の基板生産物Ｐ２を配置する。金属層１７、１９を形成した後に、工程Ｓ１１０では、図４（ｂ）に示されるように、熱処理装置１０ｃを用いて第２の基板生産物Ｐ２の熱処理を行う。熱処理は、第１の金属層１７のニッケルが非極性主面の自然酸化物１５の酸素の少なくとも一部分を除くように行われる。熱処理中は、熱処理装置１０ｃに熱処理ガスＧ０が供給される。

熱処理は、酸素を含む雰囲気中で行われることが好ましい。熱処理温度は例えば摂氏４００度以上であることが好ましい。また、熱処理温度は例えば摂氏７００度以下であることが好ましい。半導体領域１３の表面が窒化ガリウム系半導体（例えばｐ^＋型ＧａＮ）からなるとき、この熱処理によって、半導体領域１３の表面１３ａにおけるガリウム酸化物の量が低減される。

酸化物は、以下のように理解される。表面酸化膜がニッケル層に吸収された後に、ニッケルが酸素と結合する。その後に、酸素ガスの酸素とニッケルが結びつくと考えられるので，このニッケル層と金層との順序が入れ替わる。そのため、表面酸化膜の少ないｐ型ＧａＮ領域に金層が接触できる。そして，オーミック電極が形成される。発明者らの実験によれば、良好なオーミック電極が得られている。つまり、本実施の形態によれば、無極性・半極性ＧａＮ基板上のｐ型ＧａＮ領域において非極性面に特有の厚い表面酸化膜の影響があるときでも、良好なオーミック電極を形成できる。この方法は、ｃ面ＧａＮ基板上のｐ型ＧａＮ層に対して非常に良好な結果をもたらすが、逆に、ｃ面ＧａＮ領域への従来の電極形成では、非極性面に特有の厚い表面酸化膜の影響により、良好なオーミック電極を形成できない。

この実施の形態によれば、図６（ａ）に示されるように、半導体領域１３の非極性主面１３ａ上に、ニッケルを含む金属層１７及び金を含む金属層１９を順に堆積した後に基板生産物Ｐ２の熱処理を行う。この熱処理によって、図６（ｂ）に示されるように、金属層１７のニッケルが非極性主面１３ａの自然酸化物中の酸素の少なくとも一部分を除く。これ故に、ｐ型ドーパントが添加された半導体領域１３に接触を成しIII族窒化物系半導体素子のための金属電極２１を作製できる。金属電極２１では、第１の層２１ａはニッケルを含み、第２の層２１ｂは金を含む。第２の層２１ｂが半導体領域１３に接合を成している。第２の層２１ｂが第１の層２１ａと半導体領域１３との間に位置する。また、熱処理により、第２の層２１ｂ及び第１の層２１ａの順序が入れ替わって、第２の層２１ｂが、半導体領域１３に近づくように移動する。ニッケルと酸素の化合物２３で基板生産物の表層が形成される。ニッケルと酸素の化合物２３を除去して、基板生産物Ｐ３が得られる。

金属電極２１から半導体領域１３への向きに規定された座標軸の方向（基板１１の法線軸の方向）に関して半導体領域１３において金の分布はニッケルの分布より深くなるように形成される。この分布によって、第１の層２１ａのニッケルが非極性のIII族窒化物主面１３ａの酸化物１５中の酸素原子を該III族窒化物主面１３ａから遠ざけて、金属電極１５は半導体領域１３の表面１３ｂにオーミック接触を形成できる。

工程Ｓ１１１では、熱処理の後に、熱処理装置１０ｃから基板生産物Ｐ３を取り出す。以上説明したように、図４（ｃ）に示されるように、金属電極２１を有する基板生産物Ｐ３が形成される。金属電極２１は、熱処理装置１０ｃによって金属積層の構造が変更されて、III族窒化物主面１３ｂに良好なオーミック接触を成す。

図２（ａ）を参照すると、基板１１の非極性面１３ａの法線ベクトルＮＶと基板１１のウルツ鉱構造のｃ軸Ｃｘとの成す角度Ａｌｐｈａが示されている。この角度Ａｌｐｈａ（「オフ角」と呼ばれる）は１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲では、非極性面１３ａは半極性を示す。また、角度Ａｌｐｈａは６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲では、非極性面１３ａは半極性を示しており、特に自然酸化膜の影響が大きく出現する。さらに、非極性面１３ａが無極性であるとき、基板１１の主面１１ａは、ウルツ鉱構造のIII族窒化物系半導体のｍ面、ａ面、並びにｍ面及びａ面を基準にしてｃ軸の回りに有限な角度で回転された面であることができる。角度Ａｌｐｈａは、８０度以上１１０度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲では、非極性面１３ａは無極性に近い性質を示す。この角度の範囲において、本発明は顕著にその効果を発揮する。

引き続き、実験例の説明を行う。発明者らは、ｃ面ＧａＮ基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層へｐ電極を形成するために用いられる条件（ニッケル層厚５ｎｍ、金層厚１１ｎｍ、酸素雰囲気中で摂氏５００度アニール）で、半極性ｐ型ＧａＮ層上にｐ電極を形成した。ｐ電極は、図７（ａ）に示されるエピタキシャル基板Ｅに形成された。ＬＥＤ構造のエピタキシャル基板は、ｎ型ＧａＮ層５２、ｐ型ＧａＮ層５３及びｐ^＋型ＧａＮ層５４を含み、これらの窒化ガリウム系半導体層５２〜５４はＧａＮ基板５１上に順に成長された。例えばｎ型ＧａＮ層５２は、発光ダイオードの発光層として働く。ｃ面ＧａＮには好適であったオーミック電極形成条件は、図７（ｂ）は、ｃ面上のｐ電極の特性Ｃ、ｍ面上のｐ電極の特性Ｎ、半極性面上の特性Ｓを示す。図７（ｂ）に示されるように、半極性ＧａＮではオーミック接触が得られなかった。５ボルト程度の順方向電圧を印加したとき、電流が流れない。ｐ層及びｎ層で挟まれた発光層を含むレーザ構造のエピタキシャル基板についても同様な特性を示した。

また、ｍ面無極性ＧａＮ基板上に成長されたｐ型ＧａＮ層上にｐ電極を形成した。エピタキシャル基板は、ｎ型ＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層及びｐ^＋型ＧａＮ層を含み、これらの窒化ガリウム系半導体層はｍ面ＧａＮ基板上に順に成長された。ｃ面ＧａＮには好適であったオーミック電極形成条件は、図７（ｂ）に示されるように、無極性ＧａＮでは良好なオーミック接触が得られなかった。この順方向電圧特性における立ち上がり電圧及び直列抵抗が、共に、ｃ面の順方向電圧特性における立ち上がり電圧及び直列抵抗に比べて大きくなった。

発明者らは、ＧａＮ非極性面における上記の実験結果を検討した。抵抗増大の理由は、結晶表面の酸化膜の厚みに起因すると考えられる。この違いは、無極性ＧａＮおよび半極性ＧａＮに固有のダングリング・ボンド密度の多さに起因すると考えられる。大きなダングリング・ボンド密度は、表面エネルギを高くする。このため、ＧａＮ表面に形成された自然酸化膜がｃ面よりも厚いと推測される。この推測は、既に図５に示されたＸＰＳの測定結果に矛盾しない。

非極性面（無極性及び半極性）における厚い表面酸化膜を除去するために、様々な検討を行った結果、本明細書で説明した実施の形態が好適であることを見出した。以下の実施例から理解されるように、無極性および半極性のｐ型ＧａＮへのオーミック電極の形成は、ｃ面のｐ型ＧａＮへのオーミック電極の形成と異なる。

（実施例１）
図８（ａ）に示されるエピタキシャル基板をｎ型半極性ＧａＮ基板３１を用いて有機金属位相成長法で作製した。ＧａＮ基板３１の主面にはｎ型ＧａＮバッファ層が形成された。エピタキシャル基板Ｅｐｉ１は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３２と、０．５μｍ厚のｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層３３と、０．５μｍ厚のＭｇドープＧａＮ層３４と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層３５と、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（ｐ⁺層）層３６とを含み、これらの窒化ガリウム系半導体層は基板３１上に順に成長された。ｐ型電極の金属層の蒸着前に、円環状の開口を有するレジストをフォトリソグラフィにより形成した。この後に、１×１０^−６Ｔｏｒｒ程度の真空度で、蒸着装置内で電子ビーム法により厚さ５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍのニッケル層をそれぞれ別のエピタキシャル基板上に蒸着した。この後に、同一蒸着装置内で抵抗加熱法により厚さ２０ｎｍの金層を蒸着した。この後に後，レジストをアセトンでリフトオフして、図９（ａ）に示すように、フォトリソグラフィで形成した内側の電極Ｅ_ＩＮと、これと隔てられた外側の電極Ｅ_ＯＵＴとを含むＮｉ／Ａｕ電極構造を作製した。その後に，摂氏５００度の温度で、これらの基板生産物に酸素雰囲気中で１分間のアニールを行った。ドーナツ形の開口で分離されたに電極構造を用いて電極の接触抵抗を測定した。接触抵抗の評価は、一定電流を流すために必要な電圧値で表す。図９（ｂ）は、電流１０μAを成す際の電圧差を示す。図９（ｂ）を参照すると、ニッケル層厚５ｎｍの電極における電圧差は大きいけれども、ニッケル層厚１０ｎｍ及び２０ｎｍの電極における電圧差は、半分程度に減少した。この理由は、表面の厚い自然酸化膜が、本実施例におけるニッケル厚の増加により除去できたことによると考える。

本実施例では、ｃ面上のｐ電極の形成に比べて、厚い自然酸化膜上に厚いニッケル膜を蒸着した後に、さらに金層を蒸着した。これらの金属層を形成した後に、酸素雰囲気中でアニールした。このアニールにより、非極性に固有の厚い自然酸化膜は半導体表面から除去された。この結果、非常に高かった接触抵抗は低減され、電流（１０μＡ）を流すために印加される電圧は、図９（ｂ）に示されるように、１／２以下にまで低減された。

また，半極性に特有の厚い自然酸化膜を除去する実験のために、９個のＧａＮエピタキシャル基板を準備した。電極金属の蒸着前に、これらのエピタキシャル基板を塩酸、王水及びフッ酸の線上により前処理を施した。これらのエピタキシャル基板の前処理毎に、厚さ５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍのニッケル層を蒸着して、電気的特性を測定した。すると、ニッケルの厚み５ｎｍでは、ｐｎ接合の抵抗が他の実験条件に比べて高くなった。ニッケル層厚１０ｎｍ及び２０ｎｍの電極は良好な接触抵抗を示した。

また、塩酸の前処理を施して形成した電極の接触抵抗よりも，王水およびフッ酸の前処理を施して形成した電極の接触抵抗が低い傾向にあった．これより，王水，フッ酸洗浄後に，厚１０ｎｍ以上のニッケル層を蒸着することが有効である。また、厚２０ｎｍを越えるニッケル層を蒸着することが更に有効である。

（実施例２）
図８（ｂ）に示されるエピタキシャル基板をｎ型無極性ＧａＮ基板４１を用いて有機金属位相成長法で作製した。ＧａＮ基板４１の主面にはｎ型ＧａＮバッファ層が形成された。エピタキシャル基板Ｅｐｉ２は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層４２と、０．５μｍ厚のｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層４３と、０．５μｍ厚のＭｇドープＧａＮ層４４と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層４５と、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（ｐ⁺層）層４６とを含み、これらの窒化ガリウム系半導体層は基板４１上に順に成長された。無極性に特有の厚い自然酸化膜を除去するために、９個のＧａＮエピタキシャル基板を準備した。実施例１と同様に、電極のための金属層を無極性のＧａＮ基板主面（無極性ｍ面及びａ面）において行った。ニッケル層厚１０ｎｍ及び２０ｎｍの電極が良好な接触抵抗を示した。前処理の条件についても、実施例２は実施例１と同様な結果であった。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。本発明に係る半導体素子は、例えば半導体レーザ、発光ダイオードといった半導体光素子に適用され、さらにｐ型ドーパントが添加されたIII族窒化物系半導体からなる非極性主面に形成される電極を有する半導体素子に適用される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１１…基板、１１ａ…基板主面、Ｃｘ…軸、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＮＶ…法線ベクトル、Ａｌｐｈａ…角度（オフ角）、１０ａ…処理装置、１０ｂ…成膜装置、１０ｃ…熱処理装置、１３…半導体領域、１３ａ…半導体領域表面、１３ｂ…半導体領域表面、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…基板生産物、１５…酸化物、１７…金属層（ニッケル系）、１９…金属層（金系）、Ｇ０…熱処理ガス、２１…金属電極、２１ａ…第１の層（ニッケル系）、２１ｂ…第２の層（金系）、２３…ニッケルと酸素の化合物、３１…ｎ型半極性ＧａＮ基板、Ｅｐｉ１…エピタキシャル基板、３２…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、３３…ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層、３４…ＭｇドープＧａＮ層、３５…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層、３６…高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（ｐ⁺層）層、４１…ｎ型無極性ＧａＮ基板、Ｅｐｉ２…エピタキシャル基板、４２…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、４３…ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層、４４…ＭｇドープＧａＮ層、４５…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層、４６…高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（ｐ⁺層）層

Claims (19)

1. III族窒化物系半導体素子のための電極を作製する方法であって、
   ウルツ鉱構造のIII族窒化物系半導体からなる非極性主面を有する半導体領域を処理装置を用いて形成して、第１の基板生産物を形成する工程と、
   成膜装置を用いて、前記第１の基板生産物の前記半導体領域上に、ニッケルを含む第１の金属層を堆積する工程と、
   前記第１の金属層を形成した後に、金を含む第２の金属層を形成して第２の基板生産物を形成する工程と、
   前記第２の金属層を形成した後に、前記第１の金属層のニッケルが前記非極性主面の酸素を除くように前記第２の基板生産物の熱処理を酸素を含む雰囲気で行う工程と
   を備え、
   前記熱処理により表面の酸素と結合した酸化ニッケルが第２の金属層の上に浮き上がることを特徴とし、
   前記半導体領域にはｐ型ドーパントが添加されており、
   前記非極性主面は半極性及び無極性のいずれかであることを特徴とする、電極を作製する方法。
2. 前記第１の金属層の厚さは１０ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された、電極を作製する方法。
3. 前記第１の金属層の厚さは２０ｎｍを超える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された、電極を作製する方法。
4. 前記第１の金属層を堆積するに先だって、前処理溶液で前記第１の基板生産物の前処理を行う工程を更に備え、
   前記前処理溶液は王水及びフッ酸のいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
5. 前記処理装置から前記第１の基板生産物を取り出して、前記成膜装置に前記第１の基板生産物を配置する工程を更に備え、
   前記第１の基板生産物を配置する前記工程では、前記第１の基板生産物の前記半導体領域の前記非極性主面は大気にさらされて、該大気により前記非極性主面が改質されて、前記半導体領域の表面は酸化物で覆われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
6. 前記第２の基板生産物の熱処理を行う前記工程の後では、前記半導体領域の表面からの金属元素の分布に関して、前記Ｎｉよりも前記Ａｕが深くなっていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
7. 前記熱処理の温度は摂氏４００度以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
8. 前記半導体領域は窒化ガリウム系半導体からなり、
   前記熱処理により、前記半導体領域の表面におけるガリウム酸化物の量が低減される、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
9. 非極性面を有する基板を準備する工程を更に備え、
   前記半導体領域は前記基板上に設けられており、
   前記基板は、ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり、
   前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された、電極を作製する方法。
10. 前記角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項９に記載された、電極を作製する方法。
11. 前記角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載された、電極を作製する方法。
12. 前記角度は、８０度以上１１０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項９に記載された、電極を作製する方法。
13. III族窒化物系半導体素子であって、
    ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり非極性主面を有する第１の半導体領域と、
    ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり前記非極性主面上に接して設けられた第２の半導体領域と、
    前記第２の半導体領域の表面に接した金属電極と
    を備え、
    前記非極性主面は半極性及び無極性のいずれかであり、
    前記第２の半導体領域にはｐ型ドーパントが添加されており、
    前記金属電極は、少なくとも第１の層及び第２の層を含み、
    前記第１の層はニッケルを含み、
    前記第２の層は金を含み、
    前記第２の層が前記第２の半導体領域に接合を成し、
    前記第２の層が前記第１の層と前記第２の半導体領域との間にあり、
    前記金属電極から前記第１の半導体領域への向きに規定された座標軸の方向に関して前記第２の半導体領域において前記金の分布は前記ニッケルの分布より深くなるように形成されることを特徴とし、前記第１の層のニッケルが非極性のIII族窒化物主面の酸化物中の酸素原子を該III族窒化物主面から取り除き、前記金属電極は前記第２の半導体領域の前記表面にオーミック接触を形成する、ことを特徴とするIII族窒化物系半導体素子。
14. 前記第１の層の厚さは１０ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１３に記載されたIII族窒化物系半導体素子。
15. 非極性面を有する基板を更に備え、
    前記第１及び第２の半導体領域は前記基板上に設けられており、
    前記基板は、ウルツ鉱構造のIII族窒化物からなり、
    前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載されたIII族窒化物系半導体素子。
16. 前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１５に記載されたIII族窒化物系半導体素子。
17. 前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある、ことを特徴とすることを特徴とする請求項１６に記載されたIII族窒化物系半導体素子。
18. 前記基板の前記非極性面の法線と前記基板のウルツ鉱構造のｃ軸との成す角度は、８０度以上１１０度以下の範囲にある、請求項１６又は請求項１７に記載されたIII族窒化物系半導体素子。
19. 前記基板の前記非極性面は、ｎ型半導体からなり、
    当該III族窒化物系半導体素子は、前記基板の前記非極性面上に設けられた発光層を更に備える、ことを特徴とする請求項１６に記載されたIII族窒化物系半導体素子。

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