JP2019149429A - 成膜方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化ガリウムを主成分とする半導体材料を用いた半導体デバイスにおいて、複数の半導体層を積層形成する際に下地となる半導体層に対するダメージを減少させる技術を提供する。【解決手段】基板上に設けられた窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第１の半導体層の表面に、窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第２の半導体層を形成する工程を有する成膜方法である。窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層をスパッタリング法によって形成するスパッタ成膜工程を有し、スパッタ成膜工程を、窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の分解温度より低い基板温度で行う。【選択図】図１
Description
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする下地となる半導体層上にスパッタリングによって窒化ガリウムを主成分とする半導体層を形成する技術に関する。
近年、高寿命、高効率の発光デバイスとして、ＧａＮ系の半導体材料を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザー（ＬＤ）等が用いられている。
このようなＧａＮ系の発光デバイスでは、ＧａＮやＡｌＧａＮ等を主成分とする各種ＧａＮ系半導体材料を用いた層が積層される。
このようなＧａＮ系の発光デバイスでは、ＧａＮやＡｌＧａＮ等を主成分とする各種ＧａＮ系半導体材料を用いた層が積層される。
従来、このようなＧａＮ系の半導体材料層を積層する場合には、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いるが、一般的なＭＯ−ＣＶＤ法やＨＶＰＥ法では、下層膜の表面に上層膜を形成する際に下層膜の分解温度より上層膜の形成（成長）温度が高い場合がある。
このような方法によって成膜を行うと、上層膜の形成時において下層膜に対するダメージが生じ、その結果、発光デバイスの特性が低下してしまう等という問題がある。
そこで、近年、このような問題を解決する手段を開発することが求められている。
そこで、近年、このような問題を解決する手段を開発することが求められている。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、窒化ガリウムを主成分とする半導体材料を用いた半導体デバイスにおいて、複数の半導体層を積層形成する際に下地となる半導体層に対するダメージを減少させる技術を提供することにある。
上記課題を解決すべくなされた本発明は、基板上に設けられた窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第１の半導体層の表面に、窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第２の半導体層を形成する工程を有する成膜方法であって、前記窒化ガリウムを主成分とする前記第２の半導体層をスパッタリング法によって形成するスパッタ成膜工程を有し、前記スパッタ成膜工程を、前記窒化ガリウムを主成分とする前記第１の半導体層の分解温度より低い基板温度で行う成膜方法である。
本発明では、前記スパッタ成膜工程における基板温度が８００℃以下である場合にも効果的である。
本発明では、前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層が、ＭＯ−ＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成されたものである場合にも効果的である。
本発明では、前記窒化ガリウムを主成分とする半導体が、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化アルミニウムガリウムからなる場合にも効果的である。
また、本発明は、前記窒化ガリウムを主成分とする半導体層が積層されたデバイスを製造する方法であって、上述したいずれかの方法を用い、前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の表面に、前記窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法である。
本発明では、前記第１の半導体層の表面に、上述したいずれかの方法によって形成された前記第２の半導体層が設けられている半導体デバイスである。
本発明では、前記第１の半導体層が発光層である場合にも効果的である。
本発明では、前記スパッタ成膜工程における基板温度が８００℃以下である場合にも効果的である。
本発明では、前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層が、ＭＯ−ＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成されたものである場合にも効果的である。
本発明では、前記窒化ガリウムを主成分とする半導体が、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化アルミニウムガリウムからなる場合にも効果的である。
また、本発明は、前記窒化ガリウムを主成分とする半導体層が積層されたデバイスを製造する方法であって、上述したいずれかの方法を用い、前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の表面に、前記窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法である。
本発明では、前記第１の半導体層の表面に、上述したいずれかの方法によって形成された前記第２の半導体層が設けられている半導体デバイスである。
本発明では、前記第１の半導体層が発光層である場合にも効果的である。
本発明によれば、窒化ガリウムを主成分とする下地となる第１の半導体層の表面にスパッタリング法によって窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層を形成する際、窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の分解温度より低い温度で成膜を行うことにより、第１の半導体層に対するダメージを減少させることができるので、第１の半導体層の結晶性を反映した高品位の結晶性を有する第２の半導体層を形成することができる。
また、第１の半導体層が半導体レーザー等の発光層である場合には、第２の半導体層を形成する際に発光層に対するダメージを減少させることができるので、発光デバイスの発光特性を向上させることができる。
以下、本発明を図面を参照して説明する。
本明細書において、「窒化ガリウムを主成分とする」とは、ガリウム（Ｇａ）の原子数と窒素（Ｎ）の原子数の合計数が、全原子の５０原子％よりも多くの割合で含有されていることを意味するものとする。
本明細書において、「窒化ガリウムを主成分とする」とは、ガリウム（Ｇａ）の原子数と窒素（Ｎ）の原子数の合計数が、全原子の５０原子％よりも多くの割合で含有されていることを意味するものとする。
例えば、ｐ型又はｎ型の窒化ガリウム層（ＧａＮ層）の場合は、ｐ型又はｎ型のドーパント以外の原子は、ＧａとＮであり、ＧａＮは１００％に近い主成分であるが、「ＧａＮを主成分とする半導体」には、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の半導体も含まれる。
図１は、本発明が適用される発光ダイオードの構成例を示す断面図である。
図１に示すように、この発光ダイオード１は、サファイヤ基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１４、ｐ型ＧａＮ層１５が順次形成されたＬＥＤ基本構造を有している。
図１に示すように、この発光ダイオード１は、サファイヤ基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１４、ｐ型ＧａＮ層１５が順次形成されたＬＥＤ基本構造を有している。
さらに、本実施の形態では、ｐ型ＧａＮ層１５と後述する正電極１Ａとの接触抵抗を低減するため、トンネル接合型ダイオード構造を有する層として、ｐ型ＧａＮ層１５上に、Ｍｇを高濃度添加したｐ+ＧａＮ層１６（第１の半導体層）、Ｓｉを高濃度添加したｎ+ＧａＮ層１７（第２の半導体層）、ｎ型ＧａＮ層１８、ｎ+ＧａＮからなるコンタクト層１９が積層形成されている。
コンタクト層１９の表面には、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕが積層された正電極１Ａが電気的に接触して設けられている。
他方、ｎ型ＧａＮ層１２上には、その一部を露出させた部分の表面に負電極１Ｂが電気的に接触して設けられている。
他方、ｎ型ＧａＮ層１２上には、その一部を露出させた部分の表面に負電極１Ｂが電気的に接触して設けられている。
本構成例では、例えばＭＯ−ＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成される下地となる第１の半導体層として、Ｍｇを高濃度添加したｐ+ＧａＮ層１６の表面に、後述するスパッタリング法によって、Ｓｉを高濃度添加したｎ+ＧａＮ層１７が形成される。
図２は、本発明が適用される半導体レーザー（ＬＤ）の構成例を示す断面図である。
図２に示すように、この半導体レーザー２は、サファイア基板２０上に、窒化アルミニウム化合物からなる低温バッファ層２１、結晶欠陥低減層２２、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２４、ｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層２６（第１の半導体層）、ｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２７（第２の半導体層）、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２８、ｐ型コンタクト層２９が順次形成されている。
図２に示すように、この半導体レーザー２は、サファイア基板２０上に、窒化アルミニウム化合物からなる低温バッファ層２１、結晶欠陥低減層２２、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２４、ｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層２６（第１の半導体層）、ｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２７（第２の半導体層）、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２８、ｐ型コンタクト層２９が順次形成されている。
本構成例では、例えばＭＯ−ＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成される第１の半導体層である、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層２６の表面に、後述するスパッタリング法によって、ｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２７が形成される。
図３は、本発明に用いる成膜装置を示す概略構成図である。
図３に示すように、本実施の形態に用いる成膜装置３は、真空槽４を有し、この真空槽４の内部には基板配置部５０と、スパッタ部３０と、ラジカルガン部４０とが設けられている。
図３に示すように、本実施の形態に用いる成膜装置３は、真空槽４を有し、この真空槽４の内部には基板配置部５０と、スパッタ部３０と、ラジカルガン部４０とが設けられている。
基板配置部５０は、ＧａＮを主成分とする下地となる第１の半導体層が例えばＭＯ−ＣＶＤ法によって形成された基板５が配置保持される基板ホルダ５１と、基板ホルダ５１に配置された基板５を加熱するヒータ５３とを有している。
基板ホルダ５１は真空槽４の天井部分に設けられ、ヒータ５３は、基板ホルダ５１に保持された基板５の裏面と天井部分との間に位置するように天井部分に固定されている。
スパッタ部３０とラジカルガン部４０とは基板ホルダ５１の下方に配置されており、基板ホルダ５１に配置された基板５の表面が下方を向くように構成されている。
スパッタ部３０とラジカルガン部４０とは基板ホルダ５１の下方に配置されており、基板ホルダ５１に配置された基板５の表面が下方を向くように構成されている。
スパッタ部３０は、防着板容器３１を有しており、防着板容器３１の内部には、カソード電極３２が配置されている。カソード電極３２は容器形状に形成され、カソード電極３２である容器の中には金属ガリウム（Ｇａ）からなるターゲット３３が配置されている。
カソード電極３２の開口３４と防着板容器３１の開口３７とは連通する位置に配置されており、それら二個の開口３４，３７を介して、基板ホルダ５１に保持された基板５とターゲット３３とが対面するように配置されている。
真空槽４の外部にはスパッタ電源３５と加熱電源５８とが配置されている。
真空槽４は接地電位に接続されており、スパッタ電源３５の動作によってカソード電極３２に負電圧のスパッタ電圧が印加され、一方、加熱電源５８の動作によってヒータ５３に通電がなされてヒータ５３が発熱するようになっている。
真空槽４は接地電位に接続されており、スパッタ電源３５の動作によってカソード電極３２に負電圧のスパッタ電圧が印加され、一方、加熱電源５８の動作によってヒータ５３に通電がなされてヒータ５３が発熱するようになっている。
真空槽４の外部にはスパッタガス源３６が配置されており、スパッタガス源３６は配管によって防着板容器３１に接続され、スパッタガス源３６から防着板容器３１の内部にスパッタリングガスを導入できるようにされている。スパッタリングガスにはアルゴン等の希ガスが用いられる。
真空槽４には真空排気装置６が接続されており、真空排気装置６を動作させると真空槽４の内部は真空排気され、真空雰囲気が形成される。
真空槽４の内部に真空雰囲気が形成された後、スパッタガス源３６から防着板容器３１の内部にスパッタリングガスを導入し、スパッタ電源３５を動作させてカソード電極３２に交流のスパッタ電圧を印加すると、ターゲット３３の表面がスパッタリングされ、金属ガリウムの粒子がターゲット３３から飛び出し、基板ホルダ５１に保持された基板５に到達する。なお、交流のスパッタ電圧は例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧である。
ラジカルガン部４０は、反応筒４４と、反応筒４４に設けられた活性化装置４３とを有している。
真空槽４には、装置用容器４２が設けられており、反応筒４４は、装置用容器４２の内部に配置されている。
真空槽４には、装置用容器４２が設けられており、反応筒４４は、装置用容器４２の内部に配置されている。
真空槽４の外部には、原料ガス供給源４８と反応用電源４６とが配置されている。原料ガス供給源４８には原料ガスが配置されており、原料ガスを反応筒４４の内部に供給する。ここでは、原料ガスは窒素（Ｎ2）ガスである。
このような構成において、反応用電源４６から高周波のイオン化電圧を活性化装置４３に供給すると原料ガスは反応筒４４の内部で活性化され、原料ガスのイオン(窒素イオン)と原料ガスのラジカル(窒素ラジカル)とが生成される。
反応筒４４の開口４９には、フィルタ装置４７が配置されており、反応筒４４の内部で生成された原料ガスのラジカルはフィルタ装置４７を通過するが、原料ガスのイオンはフィルタ装置４７を通過できず、原料ガスのイオンは反応筒４４の外部に漏出しないように構成されている。
このような構成により、反応筒４４の開口４９から原料ガスのラジカルが放出され、基板ホルダ５１に保持された基板５の表面に到達する。
これにより、基板５の表面に到達した金属Ｇａからなるスパッタリング粒子と上述した原料ガスであるＮ2ガスのラジカルとが、基板５上の第１の半導体層の表面で反応し、基板５上の第１の半導体層の表面にＧａＮ薄膜が成長する。
この成膜装置３を用いて成膜を行う際には、真空槽４の内部の原料ガスは、ラジカルガン部４０からのみ供給され、原料ガス供給源４８から反応筒４４に供給する原料ガスは、真空槽４の内部の原料ガス分圧が所定の圧力になる供給速度で反応筒４４に供給され、ラジカルガン部４０から原料ガスのラジカルが放出される。
この状態において、カソード電極３２に高周波電圧を印加し、ターゲット３３に対して所定の電力を供給してターゲット３３の表面をスパッタリングし、金属Ｇａからなるスパッタリング粒子をターゲット３３の表面から飛び出させる。
この場合、加熱電源５８の動作によってヒータ５３の温度を制御し、基板５の温度が第１の半導体層の分解温度より低くなるようにする（例えば８００℃以下）。
例えば、基板５上に形成された第１の半導体層がｐ型ＧａＮからなる場合は、その分解温度は約９００℃であるが、ｐ型ＧａＮの分解は約６００℃付近で始まるので、基板５の温度が６００℃より低くなるように温度制御を行うことが好ましい。
なお、ＭＯ−ＣＶＤ法によってｐ型ＧａＮ層を形成する場合には、その形成温度が約１２００℃であるので、ＭＯ−ＣＶＤ法による場合よりかなり低い温度に基板温度を制御することになる。
以上述べたように本実施の形態によれば、窒化ガリウムを主成分とする下地となる第１の半導体層の表面にスパッタリング法によって窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層を形成する際、窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の分解温度より低い温度で成膜を行うことにより、第１の半導体層に対するダメージを減少させることができるので、第１の半導体層の結晶性を反映した高品位の結晶性を有する第２の半導体層を形成することができる。
また、第１の半導体層が半導体レーザー等の発光層である場合には（図２の半導体レーザー２の発光層２６参照）、第２の半導体層（例えばｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層２７）を形成する際に発光層に対するダメージを減少させることができるので、発光デバイスの発光特性を向上させることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態では、図３に示す原料ガスであるＮ2ガスのラジカルを用いる装置によってスパッタリングを行う場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、通常のＤＣスパッタ装置を用いてＧａＮ層を形成することもできる。
例えば、上記実施の形態では、図３に示す原料ガスであるＮ2ガスのラジカルを用いる装置によってスパッタリングを行う場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、通常のＤＣスパッタ装置を用いてＧａＮ層を形成することもできる。
また、上記実施の形態では、第２の半導体層として、ＧａＮ層を形成する場合を例にとって説明したが、上述したように、「ＧａＮを主成分とする半導体」である、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の半導体を含む材料を用いて第２の半導体層を形成することもできる。
さらに、本発明は、発光ダイオード、半導体レーザーに限られず、種々の半導体デバイスに適用することができるものである。
さらに、本発明は、発光ダイオード、半導体レーザーに限られず、種々の半導体デバイスに適用することができるものである。
１……発光ダイオード（半導体デバイス）
２……半導体レーザー（半導体デバイス）
３……成膜装置
１１……サファイヤ基板
１６……Ｍｇを高濃度添加したｐ+ＧａＮ層（第１の半導体層）
１７……Ｓｉを高濃度添加したｎ+ＧａＮ層（第２の半導体層）
２０……サファイヤ基板
２６……ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層（第１の半導体層）
２７……ｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層（第２の半導体層）
２……半導体レーザー（半導体デバイス）
３……成膜装置
１１……サファイヤ基板
１６……Ｍｇを高濃度添加したｐ+ＧａＮ層（第１の半導体層）
１７……Ｓｉを高濃度添加したｎ+ＧａＮ層（第２の半導体層）
２０……サファイヤ基板
２６……ＩｎＧａＮ／ＧａＮによる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層（第１の半導体層）
２７……ｐ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる光ガイド層（第２の半導体層）
Claims (7)
- 基板上に設けられた窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第１の半導体層の表面に、窒化ガリウムを主成分とする半導体からなる第２の半導体層を形成する工程を有する成膜方法であって、
前記窒化ガリウムを主成分とする前記第２の半導体層をスパッタリング法によって形成するスパッタ成膜工程を有し、
前記スパッタ成膜工程を、前記窒化ガリウムを主成分とする前記第１の半導体層の分解温度より低い基板温度で行う成膜方法。 - 前記スパッタ成膜工程における基板温度が８００℃以下である請求項１記載の成膜方法。
- 前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層が、ＭＯ−ＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成されたものである請求項１又は２のいずれか１項記載の成膜方法。
- 前記窒化ガリウムを主成分とする半導体が、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化アルミニウムガリウムからなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の成膜方法。
- 前記窒化ガリウムを主成分とする半導体層が積層されたデバイスを製造する方法であって、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法を用い、前記窒化ガリウムを主成分とする第１の半導体層の表面に、前記窒化ガリウムを主成分とする第２の半導体層を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法。 - 前記第１の半導体層の表面に、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法によって形成された前記第２の半導体層が設けられている半導体デバイス。
- 前記第１の半導体層が発光層である請求項６記載の半導体デバイス。
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| JP2018032496A Pending JP2019149429A (ja) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 成膜方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022054877A1 (ja) * | 2020-09-11 | 2022-03-17 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の製造方法 |
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| JP2004335716A (ja) * | 2003-05-07 | 2004-11-25 | Fujikura Ltd | 白色ｌｅｄ |
| JP2006237556A (ja) * | 2005-01-31 | 2006-09-07 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | ＧａＮ膜生成方法及び半導体素子並びにＩＩＩ族窒化物の薄膜生成方法及びＩＩＩ族窒化物の薄膜を有する半導体素子 |
| JP2008159954A (ja) * | 2006-12-26 | 2008-07-10 | Showa Denko Kk | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びｉｉｉ族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
-
2018
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