JP2783349B2 - ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極及びその形成方法 - Google Patents
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極及びその形成方法Info
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード、レー
ザーダイオード等の発光素子に用いられるｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体の電極とその製造方法に係り、特
に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と良好なオーミッ
ク接触が得られる電極とその電極形成方法に関する。
ザーダイオード等の発光素子に用いられるｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体の電極とその製造方法に係り、特
に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と良好なオーミッ
ク接触が得られる電極とその電極形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変
化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発
光素子の材料として有望視されている。現在、この材料
を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の
窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ
構造の青色発光ダイオードが知られている。
ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変
化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発
光素子の材料として有望視されている。現在、この材料
を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の
窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ
構造の青色発光ダイオードが知られている。
【０００３】ＭＩＳ構造の発光素子は発光強度、発光出
力共非常に低く、また高抵抗なｉ層を発光層としている
ため順方向電圧（Ｖｆ）が２０Ｖ以上と非常に高いため
に発光効率が悪く、実用化するには不十分であった。順
方向電圧を下げ、発光効率を向上させて実用化を図るに
は、ＭＩＳではなくｐ−ｎ接合が有利であることは自明
である。
力共非常に低く、また高抵抗なｉ層を発光層としている
ため順方向電圧（Ｖｆ）が２０Ｖ以上と非常に高いため
に発光効率が悪く、実用化するには不十分であった。順
方向電圧を下げ、発光効率を向上させて実用化を図るに
は、ＭＩＳではなくｐ−ｎ接合が有利であることは自明
である。
【０００４】ところで、最近窒化ガリウム系化合物半導
体をｐ型とする技術が開発され、ｐ−ｎ接合の窒化ガリ
ウム系化合物半導体が実現できるようになってきた。
（例えば、特開平２−２５７６７９号公報、特開平３−
２１８３２５号公報、他文献）。
体をｐ型とする技術が開発され、ｐ−ｎ接合の窒化ガリ
ウム系化合物半導体が実現できるようになってきた。
（例えば、特開平２−２５７６７９号公報、特開平３−
２１８３２５号公報、他文献）。
【０００５】ｐ−ｎ接合の発光素子が実現できるように
なると、順方向電圧を下げ、発光効率を高めるために
も、ｐ層およびｎ層とオーミック接触の得られる電極材
料が非常に重要である。しかしながら、従来のＭＩＳ構
造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極はｉ層
とショットキ−バリアを用いる構造であったため、ｎ層
のオーミック電極にはほとんど注意されていなかった。
なると、順方向電圧を下げ、発光効率を高めるために
も、ｐ層およびｎ層とオーミック接触の得られる電極材
料が非常に重要である。しかしながら、従来のＭＩＳ構
造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極はｉ層
とショットキ−バリアを用いる構造であったため、ｎ層
のオーミック電極にはほとんど注意されていなかった。
【０００６】例えば、ＭＩＳ構造の素子のｎ層とオーミ
ック接触を得る電極材料として、特開昭５５−９４４２
号公報に、ＡｌまたはＡｌ合金が開示されている。その
他、Ｉｎもよく使用されている。しかしながら、Ｉｎ、
Ａｌともｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオー
ミック接触が得にくく、さらにまた電極形成時に、電極
材料を窒化ガリウム系化合物半導体となじませるため、
アニーリング装置を用いてアニールを行うのであるが、
そのアニーリング時に装置内の残留酸素、水分等の雰囲
気により電極が変質しやすいという問題があった。また
特開平４−３２１２７９号公報には、ｎ型ＧａＮと高抵
抗なｉ型ＧａＮ層が積層され、その上に電極が形成され
た、いわゆるＭＩＳ（metal-insulater-semiconducto
r）構造の 発光素子が開示されている。このＭＩＳ構造
のｎ層、及びｉ層の両方に形成される電極としてＡｌと
ＴｉとＮｉとを順に積層した３層構造の電極が記載され
ている。しかしながら、この公報に開示される素子構造
はＭＩＳであり、ＭＩＳ構造の正電極はｉ層と接触して
いるため全くオーミックとは関係なく、いわばショット
キーバリア接触である。また負電極も単に先にＡｌを形
成し、ＡｌとＴｉとＮｉとを順に積層した３層構造の膜
ではｎ型ＧａＮと良好なオーミックを得ることは難し
い。
ック接触を得る電極材料として、特開昭５５−９４４２
号公報に、ＡｌまたはＡｌ合金が開示されている。その
他、Ｉｎもよく使用されている。しかしながら、Ｉｎ、
Ａｌともｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオー
ミック接触が得にくく、さらにまた電極形成時に、電極
材料を窒化ガリウム系化合物半導体となじませるため、
アニーリング装置を用いてアニールを行うのであるが、
そのアニーリング時に装置内の残留酸素、水分等の雰囲
気により電極が変質しやすいという問題があった。また
特開平４−３２１２７９号公報には、ｎ型ＧａＮと高抵
抗なｉ型ＧａＮ層が積層され、その上に電極が形成され
た、いわゆるＭＩＳ（metal-insulater-semiconducto
r）構造の 発光素子が開示されている。このＭＩＳ構造
のｎ層、及びｉ層の両方に形成される電極としてＡｌと
ＴｉとＮｉとを順に積層した３層構造の電極が記載され
ている。しかしながら、この公報に開示される素子構造
はＭＩＳであり、ＭＩＳ構造の正電極はｉ層と接触して
いるため全くオーミックとは関係なく、いわばショット
キーバリア接触である。また負電極も単に先にＡｌを形
成し、ＡｌとＴｉとＮｉとを順に積層した３層構造の膜
ではｎ型ＧａＮと良好なオーミックを得ることは難し
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明はこの
ような事情を鑑み成されたもので、その目的とするとこ
ろは、ｐ−ｎ接合の窒化ガリウム系化合物半導体を用い
た発光素子を実現するにあたり、ｎ型窒化ガリウム系化
合物半導体と良好なオーミック接触が得られると共にア
ニーリング時に変質しにくい電極を提供することによ
り、発光素子の発光効率および信頼性を高めようとする
ものである。
ような事情を鑑み成されたもので、その目的とするとこ
ろは、ｐ−ｎ接合の窒化ガリウム系化合物半導体を用い
た発光素子を実現するにあたり、ｎ型窒化ガリウム系化
合物半導体と良好なオーミック接触が得られると共にア
ニーリング時に変質しにくい電極を提供することによ
り、発光素子の発光効率および信頼性を高めようとする
ものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】我々はｎ型窒化ガリウム
系化合物半導体層と良好なオーミック接触が得られ、ア
ニール時に変質しにくい電極材料について、実験を重ね
たところ、ＡｌにＴｉを含有させ、さらにＴｉをｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体と接触する側にすることによ
り前記問題が解決できることを見いだした。即ち、本発
明のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極は、ｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体層表面に形成されたオーミ
ック接触用の電極であって、前記電極が、少なくともそ
のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に接する側の領域に
チタンが含まれ、その上の領域にチタンとアルミニウム
とが含まれていることを特徴とする。さらに本発明では
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に接する側の領域
に、チタンに加えてアルミニウムが含まれていることを
特徴とする。 また本発明の電極形成方法は、ｎ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層表面に接する側にチタン膜を形
成し、その上にアルミニウム膜を形成して多層膜とした
後、アニーリングすることにより、その多層膜の一部若
しくは全部を合金化して、そ のｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体とオーミック接触させることを特徴とする。
系化合物半導体層と良好なオーミック接触が得られ、ア
ニール時に変質しにくい電極材料について、実験を重ね
たところ、ＡｌにＴｉを含有させ、さらにＴｉをｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体と接触する側にすることによ
り前記問題が解決できることを見いだした。即ち、本発
明のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極は、ｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体層表面に形成されたオーミ
ック接触用の電極であって、前記電極が、少なくともそ
のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に接する側の領域に
チタンが含まれ、その上の領域にチタンとアルミニウム
とが含まれていることを特徴とする。さらに本発明では
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に接する側の領域
に、チタンに加えてアルミニウムが含まれていることを
特徴とする。 また本発明の電極形成方法は、ｎ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層表面に接する側にチタン膜を形
成し、その上にアルミニウム膜を形成して多層膜とした
後、アニーリングすることにより、その多層膜の一部若
しくは全部を合金化して、そ のｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体とオーミック接触させることを特徴とする。
【０００９】本発明の電極は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ等
のｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成
長した窒化ガリウム系化合物半導体層表面、またはノン
ドープの窒化ガリウム系化合物半導体層表面に、蒸着、
スパッタ等の技術により、チタンとアルミニウムよりな
る合金膜を形成するか、またはチタンとアルミニウムよ
りなる多層膜を形成した後、アニーリング（熱処理）を
行うことにより得ることができる。アニーリング温度は
特に限定するものではないが、４００℃以上、１２００
℃以下で行うことが好ましい。なぜなら、４００℃より
も低いと、オーミック接触が得にくく、１２００℃より
も高いと窒化ガリウム系化合物半導体が分解してしまう
からである。
のｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成
長した窒化ガリウム系化合物半導体層表面、またはノン
ドープの窒化ガリウム系化合物半導体層表面に、蒸着、
スパッタ等の技術により、チタンとアルミニウムよりな
る合金膜を形成するか、またはチタンとアルミニウムよ
りなる多層膜を形成した後、アニーリング（熱処理）を
行うことにより得ることができる。アニーリング温度は
特に限定するものではないが、４００℃以上、１２００
℃以下で行うことが好ましい。なぜなら、４００℃より
も低いと、オーミック接触が得にくく、１２００℃より
も高いと窒化ガリウム系化合物半導体が分解してしまう
からである。
【００１０】上記のように合金膜、または多層膜として
形成した電極材料を、アニーリングすることにより、電
極材料と窒化ガリウム系化合物半導体層との接触を良く
してオーミック接触を得ることができる。さらに、多層
膜はアニーリング条件（主として熱）、チタンとアルミ
ニウムそれぞれの層の膜厚等により多層膜の一部、また
は全部が合金化する。多層膜がアニーリングにより合金
化した場合、全体として電極はチタンとアルミニウムか
らなるオーミック電極となるが、例えばチタンが第１層
目、アルミニウムが第２層目とはっきりと分離されたも
のではなく、前にも述べたように条件によっては電極層
が合金化するため、チタンとアルミニウムが渾然一体と
なっている場合が多い。ただ、多層膜の場合、ｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層と接触する側の電極材料をチ
タンとした後、次にアルミニウムを形成して多層膜とす
る方が、再現性良くオーミック接触を得られるため、よ
り好ましい。
形成した電極材料を、アニーリングすることにより、電
極材料と窒化ガリウム系化合物半導体層との接触を良く
してオーミック接触を得ることができる。さらに、多層
膜はアニーリング条件（主として熱）、チタンとアルミ
ニウムそれぞれの層の膜厚等により多層膜の一部、また
は全部が合金化する。多層膜がアニーリングにより合金
化した場合、全体として電極はチタンとアルミニウムか
らなるオーミック電極となるが、例えばチタンが第１層
目、アルミニウムが第２層目とはっきりと分離されたも
のではなく、前にも述べたように条件によっては電極層
が合金化するため、チタンとアルミニウムが渾然一体と
なっている場合が多い。ただ、多層膜の場合、ｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層と接触する側の電極材料をチ
タンとした後、次にアルミニウムを形成して多層膜とす
る方が、再現性良くオーミック接触を得られるため、よ
り好ましい。
【００１１】チタンのアルミニウムに対する含有率は特
に限定するものではなく、チタンと、アルミニウムとを
どのような比率で混合しても、ｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体層と再現性良くオーミック接触が得られ、非常
に有利である。多層膜の場合、この含有率は多層膜を形
成する膜厚の比を調整することにより変えることができ
る。
に限定するものではなく、チタンと、アルミニウムとを
どのような比率で混合しても、ｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体層と再現性良くオーミック接触が得られ、非常
に有利である。多層膜の場合、この含有率は多層膜を形
成する膜厚の比を調整することにより変えることができ
る。
【００１２】
【実施例】図１は、２インチφのサファイア基板上にＳ
ｉをドープしたｎ型ＧａＮ層を成長させ、そのｎ型Ｇａ
Ｎ層の表面に、数々の電極材料を１００μｍφの大きさ
で、それぞれ千個蒸着して４５０℃でアニーリングした
後、同一種類の電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を全
て測定してオーミック特性を調べた結果を示す図であ
る。図１において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ Ａ・・ＴｉとＡｌとを０．０１：１の膜厚比で順に積層
した電極、 Ｂ・・Ｔｉを１％含むＡｌ−Ｔｉ合金で形成した電極、 Ｃ・・ｎ型層にＴｉ単独で形成した電極、 Ｄ・・ｎ型層にＡｌ単独で形成した電極、 のＩ−Ｖ特性を示す。
ｉをドープしたｎ型ＧａＮ層を成長させ、そのｎ型Ｇａ
Ｎ層の表面に、数々の電極材料を１００μｍφの大きさ
で、それぞれ千個蒸着して４５０℃でアニーリングした
後、同一種類の電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を全
て測定してオーミック特性を調べた結果を示す図であ
る。図１において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ Ａ・・ＴｉとＡｌとを０．０１：１の膜厚比で順に積層
した電極、 Ｂ・・Ｔｉを１％含むＡｌ−Ｔｉ合金で形成した電極、 Ｃ・・ｎ型層にＴｉ単独で形成した電極、 Ｄ・・ｎ型層にＡｌ単独で形成した電極、 のＩ−Ｖ特性を示す。
【００１３】Ａ〜Ｄはそれぞれ代表的なＩ−Ｖ特性を示
す図であるが、アルミニウムにチタンを含有させた電極
はＡ、Ｂに示すようにｎ型ＧａＮ層と良好なオーミック
接触が得られており、電極千個の内、Ａ、Ｂのようなオ
ーミック接触が確認されないものはなかった。一方、チ
タン単独、もしくはアルミニウム単独の電極は、Ｃ、Ｄ
に示すようにいずれにおいても良好なオーミック接触は
得られず、千個の内でＡ、Ｂのようなオーミック接触が
確認されたものは、Ｄの電極の方に数個あっただけであ
る。
す図であるが、アルミニウムにチタンを含有させた電極
はＡ、Ｂに示すようにｎ型ＧａＮ層と良好なオーミック
接触が得られており、電極千個の内、Ａ、Ｂのようなオ
ーミック接触が確認されないものはなかった。一方、チ
タン単独、もしくはアルミニウム単独の電極は、Ｃ、Ｄ
に示すようにいずれにおいても良好なオーミック接触は
得られず、千個の内でＡ、Ｂのようなオーミック接触が
確認されたものは、Ｄの電極の方に数個あっただけであ
る。
【００１４】さらにアニーリング後、電極表面の状態を
顕微鏡で観察したところ、ＣとＤの電極表面はその９０
％以上が黒く変質していた。
顕微鏡で観察したところ、ＣとＤの電極表面はその９０
％以上が黒く変質していた。
【００１５】図２は、同じく２インチφのサファイア基
板の上にＳｉをドープしたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を成
長させ、そのｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層の表面にＴｉとＡ
ｌとを膜厚比を変えて１００μｍφの大きさで千個蒸着
して、４５０℃でアニーリングした後、同じく同一種類
の電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を測定してオーミ
ック特性を調べた結果を示す図である。図２において、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈはそれぞれ Ｅ・・ＴｉとＡｌとを０．００１：１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｆ・・ＡｌとＴｉとを０．００１：１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｇ・・ＴｉとＡｌとを１：０．００１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｈ・・ＡｌとＴｉとを１：０．００１の膜厚比で順に積
層した電極、 のＩ−Ｖ特性を示している。
板の上にＳｉをドープしたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を成
長させ、そのｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層の表面にＴｉとＡ
ｌとを膜厚比を変えて１００μｍφの大きさで千個蒸着
して、４５０℃でアニーリングした後、同じく同一種類
の電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を測定してオーミ
ック特性を調べた結果を示す図である。図２において、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈはそれぞれ Ｅ・・ＴｉとＡｌとを０．００１：１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｆ・・ＡｌとＴｉとを０．００１：１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｇ・・ＴｉとＡｌとを１：０．００１の膜厚比で順に積
層した電極、 Ｈ・・ＡｌとＴｉとを１：０．００１の膜厚比で順に積
層した電極、 のＩ−Ｖ特性を示している。
【００１６】Ｅ〜Ｈに示す図は、ＴｉとＡｌの含有率に
かかわらず、全て良好なオーミック接触が得られている
ことを示しているが、特に、Ｅ、Ｇに示すＴｉを先に形
成した電極は千個全て、Ｅ、Ｇの図に示すようなオーミ
ック接触が得られたが、Ｆ、Ｈに示すＡｌを先に形成し
た電極は、それぞれ数個、好ましいオーミック接触が得
られていないものが発見された。また、電極の変質は全
ての電極について観察されなかった。
かかわらず、全て良好なオーミック接触が得られている
ことを示しているが、特に、Ｅ、Ｇに示すＴｉを先に形
成した電極は千個全て、Ｅ、Ｇの図に示すようなオーミ
ック接触が得られたが、Ｆ、Ｈに示すＡｌを先に形成し
た電極は、それぞれ数個、好ましいオーミック接触が得
られていないものが発見された。また、電極の変質は全
ての電極について観察されなかった。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電極はｎ
型窒化ガリウム系化合物半導体層と非常に良好なオーミ
ック接触が得られ、さらに電極の変質がない。しかもオ
ーミックが得られるチタンのアルミニウムに対する定ま
った含有率が無いため、電極形成時において非常に生産
性も向上する。従って、ｐ−ｎ接合を用いた窒化ガリウ
ム系化合物半導体を実現した際、ｎ型層と電極とが完全
にオーミック接触しているため、発光素子のＶｆを下
げ、発光効率を向上させることができ、電極の変質もな
いため発光素子の信頼性も格段に向上する。
型窒化ガリウム系化合物半導体層と非常に良好なオーミ
ック接触が得られ、さらに電極の変質がない。しかもオ
ーミックが得られるチタンのアルミニウムに対する定ま
った含有率が無いため、電極形成時において非常に生産
性も向上する。従って、ｐ−ｎ接合を用いた窒化ガリウ
ム系化合物半導体を実現した際、ｎ型層と電極とが完全
にオーミック接触しているため、発光素子のＶｆを下
げ、発光効率を向上させることができ、電極の変質もな
いため発光素子の信頼性も格段に向上する。
【図１】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形成し
た電極の電流電圧特性を比較して示す図。
た電極の電流電圧特性を比較して示す図。
【図２】 本発明の一実施例にかかる電極の電流電圧特
性を示す図。
性を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (3)
- 【請求項１】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層表面
に形成されたオーミック接触用の電極であって、前記電
極が、少なくともそのｎ型窒化ガリウム系化合物半導体
に接する側の領域にチタンが含まれ、その上の領域にチ
タンとアルミニウムとが含まれていることを特徴とする
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極。 - 【請求項２】 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に
接する側の領域に、チタンに加えてアルミニウムが含ま
れていることを特徴とする請求項１に記載のｎ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層の電極。 - 【請求項３】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層表面
に接する側にチタン膜を形成し、その上にアルミニウム
膜を形成して多層膜とした後、アニーリングすることに
より、その多層膜の一部若しくは全部を合金化して、そ
のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体とオーミック接触さ
せることを特徴とするｎ型窒化ガリウム系化合物半導体
層の電極形成方法。
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