JP2022120989A - 半導体素子構造の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基板を収容した反応炉内に水素元素を含むガスを供給して、前記基板の上に半導体層を積層して結晶成長させる結晶成長装置を用い、
p型不純物が添加されたp型半導体層を前記基板の上に積層するp型半導体層形成工程と、
前記p型半導体層形成工程を実行後、前記p型半導体層に含まれる水素を前記p型半導体層から脱離させる水素脱離工程と、
前記水素脱離工程を実行後、前記p型半導体層の表面に前記p型不純物が添加されない非p型半導体層を積層する非p型半導体層形成工程と、
を備え、
前記非p型半導体層形成工程における前記基板の温度は、500℃から650℃であることを特徴とする。
基板を収容した反応炉内に水素元素を含むガスを供給して、前記基板の上に半導体層を積層して結晶成長させる結晶成長装置を用い、
p型不純物が添加されたp型半導体層を前記基板の上に積層するp型半導体層形成工程と、
前記p型半導体層形成工程を実行後、前記p型半導体層に含まれる水素を前記p型半導体層から脱離させる水素脱離工程と、
前記水素脱離工程を実行後、前記p型半導体層の表面に前記p型不純物が添加されない非p型半導体層を積層する非p型半導体層形成工程と、
を備え、
前記非p型半導体層形成工程における前記基板の温度は、450℃から550℃であることを特徴とする。
〔トンネル接合の概要〕
通常のpn接合は、p型半導体層及びn型半導体層で構成され、ダイオード特性により逆バイアス電圧を印加しても電流が流れない。これに対して、トンネル接合は、p型半導体層及びn型半導体層で構成されるpn接合であるが、逆バイアス電圧を印加すると電流が流れる。詳しくは、トンネル接合は、通常のpn接合に比べてp型半導体層及びn型半導体層のそれぞれにp型不純物及びn型不純物が高濃度に添加されたpn接合である。これによって、トンネル接合は、通常のpn接合に比べてp型半導体層とn型半導体層との界面近傍に形成される空乏層の層厚が薄くなり、pn接合の両端に逆バイアス電圧を印加するとキャリア(電子及びホール(正孔))が空乏層を通り抜ける(トンネルする)ことができる。つまり、トンネル接合は、n型半導体層からp型半導体層に向けて電流を流すことができる。
本発明の半導体素子構造の製造方法を用いた半導体素子である半導体発光素子の製造手順について概要を説明する。この製造手順によって製造する半導体発光素子1は、図1に示すように、サファイア基板10、アンドープGaN層11、下部n-GaN層12、GaInN/GaN5重量子井戸活性層13、p-AlGaN層14、p-GaN層15、トンネル接合層16、及び上部n-GaN層17を備えている。トンネル接合層16は、p++-GaN層16A、及びn++-GaN層16Bを有している。半導体発光素子1には、窒化物半導体が用いられている。ここで、p++とはp型不純物であるMgが高濃度に添加された状態を意味し、n++とはn型不純物であるSiが高濃度に添加された状態を意味する。
先ず、n++-GaN層16Bの成長温度が710℃の比較例1、及び比較例2のサンプルの場合、水素脱離工程の有無による電流・電圧特性の差(違い)は見られなかった。なお、比較例1と比較例2との電流・電圧特性を比較する結果は図示しない。これは、710℃でNH3を供給するとウエハ最表面層(n++-GaN層16B)にHが侵入し、Hがn++-GaN層16Bを通過してp型半導体層14,15,16A内のMgが不活性化されることを示唆していると思われる。ゆえに、実施例1から実施例5のサンプルにおいて、比較例1のサンプル(n++-GaN層16Bの成長温度が710℃の)における電流・電圧特性よりも低い駆動電圧が観測されれば、水素脱離工程、及びMgの不活性化の抑制が共に実現していると判断できる。
この半導体素子構造の製造方法におけるn++-GaN層16Bの厚みが電流・電圧特性に及ぼす影響を検討するため、n++-GaN層16Bの厚さが15nm、3.5nm、1.7nmの3種類のサンプルを実施例6から実施例8として作製した。ここで、n++-GaN層16Bを15nmより厚くすると、結晶の表面平坦性が大幅に悪化したため、半導体素子に応用するには不適当と判断した。n++-GaN層16Bの成長温度は、実施例1から実施例5のサンプルにおいて電流・電圧特性、及び電流・光出力特性の両方に効果が得られた550℃を選択した。実施例6から実施例8のサンプルの製造手順は、n++-GaN層16Bの厚さを除いて実施例1から実施例5のサンプルと同じであり、実施例1から実施例5のサンプルにおける素子評価と同様の素子評価を行った。
(1)上記実施例では、GaNを用いたトンネル接合層を例示しているが、GaInNやAlGaN、AlInN等の他の窒化物を用いたトンネル接合にも適用できる。
(2)上記実施例では、半導体発光素子としてLEDを例示しているが、レーザーダイオードなどの他の半導体発光素子や、整流素子としてのダイオードやトランジスタ等の半導体素子においても本発明は有効である。また、トンネル接合を有したダイオードやトランジスタ等の半導体素子にも本発明は適用できる。また、トンネル接合に限らず、p型不純物が添加されない半導体層によってp型半導体層が埋め込まれた構成を有する半導体発光素子や半導体素子に対しても本発明は有効である。
(3)上記実施例では、基板としてサファイア基板を用いているが、GaN基板やSiC基板等の他の基板であってもよい。
(4)上記実施例では、p型不純物としてMgを用いているが、p型不純物である、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等であってもよい。
(5)上記実施例では、n型不純物としてSiを用いているが、n型不純物である、Ge等であってもよい。
(6)上記実施例では、半導体発光素子として窒化物を用いているが、窒化物に代えて他の化合物を半導体発光素子や半導体素子に用いた構成であってもよい。
(7)上記実施例では、MOCVD装置を用いて積層して結晶成長させているが、これに限らず、HVPEやLPEE等の他の方法を実行し得る装置を用い積層して結晶成長させても良い。
(8)上記実施例では、非p型半導体層としてn型不純物を添加したn++-GaN層を例示しているが、p型不純物及びn型不純物を添加しない半導体層を非p型半導体層としてもよい。
(9)上記実施例では、発光素子などの半導体素子部(量子井戸活性層)が基板側であり、トンネル接合層が半導体素子部よりも表面側に存在するが、トンネル接合層が基板側であり、発光素子などの半導体素子部(量子井戸活性層)がトンネル接合層よりも表面側に存在する構造であってもよい。
14…p-AlGaN層(p型半導体層)
15…p-GaN層(p型半導体層)
16…トンネル接合層
16A…p++-GaN層(p型半導体層)(トンネル接合層)
16B…n++-GaN層(非p型半導体層)(トンネル接合層)
Mg…p型不純物
Claims (4)
- 基板を収容した反応炉内に水素元素を含むガスを供給して、前記基板の上に半導体層を積層して結晶成長させる結晶成長装置を用い、
p型不純物が添加されたp型半導体層を前記基板の上に積層するp型半導体層形成工程と、
前記p型半導体層形成工程を実行後、前記p型半導体層に含まれる水素を前記p型半導体層から脱離させる水素脱離工程と、
前記水素脱離工程を実行後、前記p型半導体層の表面に前記p型不純物が添加されない非p型半導体層を積層する非p型半導体層形成工程と、
を備え、
前記非p型半導体層形成工程における前記基板の温度は、500℃から650℃であることを特徴とする半導体素子構造の製造方法。 - 基板を収容した反応炉内に水素元素を含むガスを供給して、前記基板の上に半導体層を積層して結晶成長させる結晶成長装置を用い、
p型不純物が添加されたp型半導体層を前記基板の上に積層するp型半導体層形成工程と、
前記p型半導体層形成工程を実行後、前記p型半導体層に含まれる水素を前記p型半導体層から脱離させる水素脱離工程と、
前記水素脱離工程を実行後、前記p型半導体層の表面に前記p型不純物が添加されない非p型半導体層を積層する非p型半導体層形成工程と、
を備え、
前記非p型半導体層形成工程における前記基板の温度は、450℃から550℃であることを特徴とする半導体素子構造の製造方法。 - 前記非p型半導体層形成工程における前記基板の温度は、500℃から550℃であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子構造の製造方法。
- 前記非p型半導体層の厚みは、1.7nmから15nmであることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体素子構造の製造方法。
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