JP2021100032A - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
p型不純物を添加して、第1厚みで、AlとGaとNとを有する第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の上に、n型不純物及びp型不純物を添加せずに、第2厚みで、AlとNを有する第2半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層を熱処理する工程と、
を備え、
前記第2厚みは、前記第1厚みよりも小さく、
前記第2半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第1半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記熱処理する工程の後の前記第2半導体層は、前記第1半導体層から拡散された前記p型不純物を有する。
以下、図1A〜図3Jを用いて、各工程について詳述する。
図3Aに示すように、n型半導体層形成工程S102の前に、基板1を準備する工程を有してよい。基板1としては、サファイアのC面、R面及びA面の他、スピネル(MgAl2O4)等の絶縁性基板を用いることができ、また、SiC、ZnS、ZnO、GaAs、GaN及びAlN等の半導体基板を用いることができる。
図3Bに示すように、基板準備工程の後であってn型半導体層形成工程S102の前に、バッファ層2等のその他の層を形成する工程を有していてもよい。図2に示す窒化物半導体素子100では、基板1の表面に、まずバッファ層2、超格子層3及びアンドープ層4をこの順に形成する。バッファ層2及び超格子層3は、基板1とn窒化物半導体層との格子定数等の違いにより生じる歪による応力を緩和する層である。基板1上にまずバッファ層2を形成し、次にバッファ層2上に超格子層3を形成し、さらに超格子層3上にアンドープ層4を形成する。バッファ層2として、例えばAlNからなる層を用いることができる。超格子層3として、例えばAlGaN層及びAlN層のペアを複数回繰り返す構造を用いることができる。アンドープ層4は、超格子層3に生じたピットを減少させるためのピット埋込層である。アンドープ層4は、例えばAlGaN層であってよい。アンドープ層4は、例えば3μmの厚みで形成される。基板1の上に形成する各半導体層は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成することができる。一部の層をそれ以外の層と異なる成長方法により形成してもよい。例えば、バッファ層2をスパッタリングにより形成し、超格子層3以降をMOCVD法により形成してもよい。
工程S102では、n型不純物を添加してn型半導体層を形成する。n型半導体層は、基板1の上方に設けることができる。本実施形態では、図3Cに示すように、n型半導体層として、n側コンタクト層5を形成する。n側コンタクト層5は、Al、Ga及びNを含有するAlGaN層である。Gaに対するAlの含有比率は、窒化物半導体発光素子が深紫外の波長域の光を発光することができるように、他の構成を考慮して適宜調節してよい。AlGaN層の自己吸収を抑制して光取り出し効率を高めるため、AlGaN層のGaに対するAlの含有比率は高いことが好ましい。とりわけ、n側コンタクト層5は、AlaGa1−aN(0.5≦a<1)層であることが好ましい。
工程S104では、n型半導体層の上に、発光層6を形成する。n型半導体層と発光層6は接していてもよく、あるいは、それらの間に他の層が配置されていてもよい。本実施形態では、図3Dに示すように、n側コンタクト層5の上に発光層6が形成される。発光層6は、例えば井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなる。発光層6は、深紫外の光を発光可能な層であることが好ましい。深紫外の光とは、ピーク波長が220〜350nmの光を指す。Al組成比が第1半導体層9よりも大きい第2半導体層10を用いることで、深紫外光に対する吸収率を低減することができるため、得られる窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
発光層形成工程S104の後であって第1半導体層形成工程S106の前に、p側半導体層を構成するその他の層を形成する工程を有していてもよい。本実施形態では、図3Eに示すように、発光層6を形成した後、p側クラッド層7及び組成傾斜層8をこの順に形成する。p側クラッド層7は、電子をブロックするp側の障壁層である。p側クラッド層7は、例えばMg等のp型不純物が添加されたAlGaN層である。p側クラッド層7のAl組成比は第1半導体層のAl組成比よりも大きくすることができる。p側クラッド層7の厚みは例えば10nm以上30nm以下が挙げられる。組成傾斜層8は、例えばMg等のp型不純物が添加されたAldGa1−dN(0≦d<1)層である。組成傾斜層8の厚みは例えば20nm以上60nm以下が挙げられる。
工程S106では、第1半導体層9を形成する。図3Fに示すように、第1半導体層9は、発光層6の上に形成される。発光層6と第1半導体層9は接していてもよく、あるいは、それらの間に上述のp側クラッド層7等が配置されていてもよい。第1半導体層9は、p型不純物を添加して形成され、AlとGaとNを有する。AlとGaとNを有する層としては、AlとGaを有する窒化物半導体層が挙げられ、例えばAlGaN層又はAlInGaN層である。第1半導体層9がAlxGa1−xN層である場合、第1半導体層9のAl組成比xは、0.2以上0.5以下が挙げられる。第1半導体層9は、例えば、MOCVD法により形成することができる。第1半導体層9の厚み(第1厚み)は、例えば30nm以上600nm以下が挙げられる。p型不純物としてはMgが挙げられる。
工程S108では、n型半導体層に電気的に接続するn電極21を形成する。本実施形態では、まず、これまでに形成した半導体層の一部を除去して、n型半導体層の一部を露出させる。このような部分的な除去は、例えば、これまでに形成した半導体層の表面に所定形状のマスクを形成し、エッチングでその半導体層を除去することにより行うことができる。その後、図3Gに示すように、n型半導体層の露出した表面にn電極21を形成する。本実施形態では、n電極形成工程S108を、第1半導体層形成工程S106の後であって第2半導体層形成工程S112の前に行う。n電極形成工程S108は、第2半導体層形成工程S112の後に行ってもよい。
工程S110では、n電極21を熱処理する。これにより、n電極21をn型半導体層に対してオーミック接続させることができる。n電極熱処理工程S110は、p電極形成工程S116の前に行うことが好ましく、第2半導体層形成工程S112の前に行うことができる。特に、p電極22にMg層を用いる場合は、Mgの融点が比較的低く、n電極熱処理工程S110によって他の金属層と固溶する可能性があるため、このような順序で行うことが好ましい。n電極熱処理工程S110における熱処理の温度としては、後述する熱処理工程S114における熱処理の温度よりも高い温度が挙げられる。熱処理の温度は、例えば、600℃以上1000℃以下とすることができる。このような熱処理温度の保持時間としては1〜60分が挙げられる。n電極21の熱処理は、例えば、N2雰囲気中において、800℃で1分間保持することにより行う。なお、このn電極21の熱処理の温度は、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置のトレイの温度を指す。熱処理に用いる装置を電気炉など他の装置とする場合は、同様の効果が得られる温度や保持時間とすることができる。
工程S112では、第2半導体層10を形成する。第2半導体層10は、第1半導体層9からp型不純物が移動可能である程度に第1半導体層9の近くに配置する。図3Hに示すように、第2半導体層10は、第1半導体層9の上面に接して形成することが好ましい。これにより、第1半導体層9から第2半導体層10へのp型不純物の移動を効率的に行うことができる。
第2半導体層形成工程S112の後であって熱処理工程S114の前に、酸化錫層11を形成する工程を有していてもよい。図3Iに示すように、酸化錫層11は第2半導体層10の上に形成する。酸化錫層11としては、SnO層又はSnO2層が挙げられる。酸化錫層11は例えばスパッタリングにより形成する。酸化錫層11を形成することにより、酸化錫層11を形成せずに第2半導体層10が露出している場合と比較して、第2半導体層10の酸化が抑制されると考えられる。第2半導体層10の上に形成する層には、酸化錫以外の材料を用いてもよい。酸化錫層11の厚みは、例えば1nm以上20nm以下とすることができる。酸化錫層11の厚みは、例えば第2半導体層10の厚みより大きくすることができる。酸化錫層11を形成する場合は、酸化錫層11にp電極22を接触させることができる。深紫外光の吸収をより低減するためには、図1Bに示すように、酸化錫層11を形成せず、第2半導体層10にp電極22を接触させることが好ましい。
工程S114では、少なくとも第1半導体層9及び第2半導体層10を熱処理(アニール)する。第1半導体層9及び第2半導体層10のみを選択的に熱処理する必要はなく、それ以外の層も同時に熱処理してよい。本実施形態では、基板1及びその上に形成された層のすべてを熱処理する。熱処理により、第2半導体層10の低抵抗化が可能である。その理由としては、第1半導体層9に含有されるp型不純物が第2半導体層10に拡散すること、及び/又は、第2半導体層10に含有されるp型不純物が活性化されることが考えられる。また、第2半導体層10をスパッタリングにより形成する場合には、熱処理工程S114を行うことで、面内の結晶方位を均一に近付けることが可能という効果も得られる。第2半導体層10をスパッタリングで形成する場合には、MOCVD法で形成する場合と比較して、面内における結晶方位のばらつきが大きくなりやすいが、熱処理工程S114を行うことでそのようなばらつきを低減することが可能である。第2半導体層10の結晶方位のばらつきが大きい場合、p電極22をパターニングする際に用いるアルカリ溶液によって第2半導体層10が除去される可能性があるが、熱処理工程S114を行うことでその可能性を低減することができる。
第2半導体層形成工程S112の後に、p電極22を形成する工程S116を有していてよい。図1Aに示すように、p電極22は、酸化錫層11の上面に接して形成される。図1Bに示すように、p電極22は、第2半導体層10の上面に接して形成されてもよい。p電極22は、Mg、Ti、Ru、Ni等の金属材料のほか、ITO等の透明導電材料を用いてもよい。p電極22は、例えば、Mg層、Ti層、Ru層をこの順に積層することにより形成する。窒化物半導体素子100が深紫外光を発光する窒化物半導体発光素子である場合は、Mg層を反射層として用いることができる。p電極22は、例えば、蒸着又はスパッタリングにより形成することができる。
基板1としてサファイア基板をMOCVD装置内に設置し、サファイア基板上に、AlNからなるバッファ層2、AlGaN及びAlNからなる超格子層3、n側半導体層(AlGaNからなるアンドープ層4、Al0.60Ga0.40Nからなるn側コンタクト層5、発光層6、MgドープのAl0.63Ga0.37N層からなるp側クラッド層7、MgドープでAl0.63Ga0.37N層からGaNに組成を徐々に変化させた組成傾斜層8、MgドープのAl0.50Ga0.50N層からなる第1半導体層9を順に成長させた。第1半導体層9は、膜厚300nm、Mg濃度3.3×1019cm−3で成長させた。
実施例1の窒化物半導体発光素子の第2半導体層10及びその周辺の各元素の濃度分布を確認するために、実施例1と酸化錫層11を形成するまでを同じとし、その後、熱処理を行わない試料Aと、熱処理を行った試料Bを準備した。熱処理の条件は、真空中で、500℃の温度で10分間とした。このような試料A及び試料Bについて、3Dアトムプローブによる深さ方向濃度プロファイルの結果を図4A及び図4Bに示す。なお、試料A及び試料Bともに、酸化錫層11の上には測定のためのキャップ層としてITO層が形成されている。第2半導体層10の形成には、AlターゲットとNターゲットのみを用いたが、図4Aに示すとおり、第2半導体層10にはMgが含有されていた。これは、スパッタリングにより、第1半導体層9中のMgが拡散したためと考えられる。第2半導体層10中におけるMg濃度は、熱処理によってもやや増加していると考えられるが、第2半導体層10をスパッタリングで形成する場合は、このように熱処理前にすでにMgを第2半導体層10に拡散させることができる。また、図4A及び図4Bから、第2半導体層にはO(酸素)も含有されていることがわかる。これは、スパッタリング中に意図せず酸化したものと推測される。図4A及び図4Bから、第2半導体層10中において、Oの含有量は上面に近づくほど増加し、逆に、N(窒素)の含有量は上面に近づくほど減少しているといえる。
実施例2として、p電極22を以下の構成としたこと以外は実施例1と同様の窒化物半導体発光素子を作製した。実施例2におけるp電極22として、酸化錫層11側から順に、Ni層(厚み:5nm)、Mg層(厚み:100nm)、Ta層(厚み:30nm)及びRu層(厚み:50nm)を形成した。その後、p電極22の熱処理(真空中、400℃で10分間)を行った。
実施例6として、第2半導体層10及び酸化錫層11を形成した後の熱処理の温度を600℃とし、p電極22の構成を以下のとおりとしたこと以外は実施例2と同様の窒化物半導体発光素子を作製した。実施例6のp電極22として酸化錫層11側から順に、Mg層(厚み:100nm)とRu層(厚み:100nm)を形成した。その後、p電極22の熱処理(真空中、400℃で10分間)を行った。
2 バッファ層
3 超格子層
4 アンドープ層
5 n側コンタクト層
6 発光層
7 p側クラッド層
8 組成傾斜層
9 第1半導体層
10 第2半導体層
11 酸化錫層
21 n電極
22 p電極
30 マスク部材
100 窒化物半導体素子
Claims (15)
- p型不純物を添加して、第1厚みで、AlとGaとNとを有する第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の上に、n型不純物及びp型不純物を添加せずに、第2厚みで、AlとNを有する第2半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層を熱処理する工程と、
を備え、
前記第2厚みは、前記第1厚みよりも小さく、
前記第2半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第1半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記熱処理する工程の後の前記第2半導体層は、前記第1半導体層から拡散された前記p型不純物を有する、
窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第2半導体層を形成する工程において、スパッタリングにより前記第2半導体層を形成する、
請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第2半導体層を、前記第1半導体層の上面に接して形成する、
請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第2半導体層を形成する工程の後に、
前記第2半導体層の上面に接して、p電極を形成する工程を備える、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第2半導体層を形成する工程の後であって、前記p電極を形成する工程の前に、前記熱処理する工程を行う、
請求項4に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第1半導体層を形成する工程の前に、
n型不純物を添加してn型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層の上に、発光層を形成する工程と、を備える、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記発光層は、深紫外の光を発光可能な層である、
請求項6に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記n型半導体層を形成する工程の後であって、前記第2半導体層を形成する工程の前に、
前記n型半導体層に電気的に接続するn電極を形成する工程と、
前記n電極を熱処理する工程と、を備える、
請求項6又は7に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理する工程の温度は、前記n電極を熱処理する工程の温度よりも低い、
請求項8に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理する工程において、酸化雰囲気でない雰囲気中または真空中で前記熱処理を行う、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理する工程において、400℃以上900℃以下で前記熱処理を行う、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第1半導体層を形成する工程において、前記p型不純物を2×1019cm−3以上6×1019cm−3以下の濃度で添加して、前記第1半導体層を形成する、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第1厚みは、30nm以上600nm以下である、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記第2厚みは、1nm以上20nm以下である、
請求項1〜13のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記p型不純物は、Mgである、
請求項1〜14のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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