JP3557791B2 - ３族窒化物半導体の電極及びその電極を有した素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ｐ伝導形又はｎ伝導形３族窒化物半導体に対する電極、その電極を有した３族窒化物半導体素子に関する。特に、接触抵抗を低下させ、オーミック性を改善した電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３族窒化物半導体は、エネルギー禁制帯幅が広いため、短波長の発光素子として用いられたり、６００℃以上で動作可能な高温環境用素子として注目されている。このような素子を実現するには、高温での熱安定性が要求され、３族窒化物半導体の基板材料や電極材料の耐熱性の向上が必要である。
【０００３】
現在のところ、ｐ伝導形 ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）の電極として、ニッケル（Ｎｉ）の単層、又は、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２重層を ＧａＮ層表面に蒸着したものが知られている。又、ｎ伝導形 ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）の電極として、アルミニウム（Ａｌ）の単層、又は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の２重層又はＴｉとＡｌの合金をＧａＮ 層表面に蒸着したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極も、ｎ伝導形３族窒化物半導体の電極も、いまだ、接触抵抗が大きく、オーミック性も良くなく、素子を形成する場合の電極として望ましいものではなかった。又、これらの電極は、４００℃位までは熱的安定性があり接触抵抗も小さいが、８００℃以上となると、接触抵抗が２桁程大きくなる。Ｎｉをｐ伝導形３族窒化物半導体の電極とした場合に、熱処理温度と接触抵抗との関係を図４に示す。図４から分かるように、８００℃の接触抵抗は、最低の接触抵抗が得られる４００℃の時の値の２００倍程度となっている。
【０００５】
従って本発明の目的は、ｐ伝導形、又は、ｎ伝導形３族窒化物半導体に対する電極において、よりオーミック性を改善し、接触抵抗を小さくすると共に、高温での電気的特性を改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、３族窒化物半導体と７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属であるタンタル (Ta)をｎ伝導形の３族窒化物半導体上に形成し、７００℃以上の温度で熱処理して電極としたことから、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００７】
請求項２の発明では、電極を、仕事関数が5.1eV 以上で、４００℃以下において３族窒化物半導体の表面層と反応する金属元素で構成された第１金属層と、その第１金属層の上に形成され、３族窒化物半導体とは７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属元素で構成された第２金属層とで構成し、電極を７００℃以上の温度で熱処理した結果、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００８】
請求項３の発明では、第１金属層の構成元素を、ニッケル(Ni), パラジウム(Pd), 白金(Pt)，コバルト(Co)のうち少なくとも一種の元素であり、第２金属層の構成元素は、タンタル(Ta), タングステン(W),ニオブ(Nb)のうち少なくとも１種の元素とすることで、いずれも、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００９】
請求項４の発明では、３族窒化物をｐ伝導形半導体とし、請求項５の発明では、３族窒化物をｐ伝導形半導体とし、第１金属層の構成元素を、Niとし、第２金属層の構成元素はTaとしたので、ｐ伝導形３族窒化物に対するNi単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【００１０】
請求項６の発明では、さらに、電極の表面層として、金(Au)、又は、アルミニウム(Al)からなる金属層を形成したことで、さらに、電極の抵抗を低下させることができた。
【００１１】
上記の電極は、請求項７の発明のように、発光ダイオード、レーザダイオード、又は、トランジスタ等の素子に用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
本実施例では、電極金属の半導体上への積層は、スパッタリング蒸着法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱法により行った。
【００１３】
ｐ伝導形のＧａＮ の上に、Ａｌ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｎｉ を、それぞれ、蒸着して、接触抵抗を測定した。尚、以下の図３、図４、図４、図６において、測定された接触抵抗Ｒ０ は、８μｍの間隔を持った電極間において、±０．１Ｖを印加した時に測定した抵抗値である。抵抗Ｒ０ ＝１×１０３ Ω、接触抵抗率ρｃ ＝１×１０−２Ωｃｍ２ に対応する。そして、各金属元素の仕事関数と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図３に示す。この結果から、仕事関数が小さい元素程、接触抵抗が大きいことが分かる。仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属元素の場合には、蒸着した状態で、 ５×１０３ 〜 ２×１０４ Ωの抵抗（ ５×１０−２〜 ２×１０−１Ωｃｍ２ の抵抗率）を示す。
【００１４】
しかし、これらの金属を８００℃まで熱処理すると、５００℃位までは、接触抵抗は余り変化しないが、それ以上の温度になると接触抵抗は大きくなる。Ｎｉについて、熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図４に示す。図４から理解されるように、４００℃で１×１０４ Ωの接触抵抗（ １×１０−１Ωｃｍ２ の抵抗率）は５００℃までは、余り変化しないが、８００℃では２×１０６ Ω（抵抗率 ２×１０Ωｃｍ２ ）に増加している。この原因について解析した結果、高温では、ＮｉとＧａＮ が反応して、Ｎｉが全てＮｉ３Ｇａ に変態するためであることが分かった。
【００１５】
一方、高融点金属（ 融点２４００℃以上） は仕事関数が小さく、蒸着時には高い接触抵抗を示すが、７００℃以上の高温熱処理では接触抵抗の低下が見られた。Ｔａをｐ−ＧａＮ に蒸着して熱処理して、熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図５に示す。図５から理解されるように、７００℃までは、 ７×１０６ Ω（ 抵抗率 ７×１０Ωｃｍ２ ）以上の高抵抗を示したが、７００℃以上となると１×１０６ Ω（ 抵抗率 １×１０Ωｃｍ２ ）より小さくなり、特に、８００℃では、 ２×１０３ Ω（ 抵抗率 ２×１０−２Ωｃｍ２ ）、即ち、約１／１０００に低下しているのが分かる。
【００１６】
高温熱処理による接触抵抗の低下の原因について解析した結果、ＴａとＧａＮ との界面に非常に薄い５ｎｍ位のＴａ５Ｇａ３が形成されるためであることが分かった。よって、仕事関数が小さい高融点金属元素であっても、蒸着後に７００℃以上、より望ましくは８００℃の高温により熱処理することで、接触抵抗の小さい電極が得られることが分かった。尚、ｐ−ＧａＮ の他、ｎ−ＧａＮ についても、同様な実験を行った結果、同様に接触抵抗の小さいな電極が得られた。
【００１７】
このことから、ＧａＮ 半導体に対して、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ 等の高融点金属を蒸着して、７００℃以上の温度、より望ましくは８００℃以上の温度で熱処理することで、接触抵抗が小さく、且つ、オーミック性の良い、しかも、高温での特性の安定した電極が得られるのが分かる。
【００１８】
次に、ｐ−ＧａＮ 半導体の上に、Ｎｉを５ｎｍの厚さに形成し、その上に、Ｔａを３０ｎｍの厚さに形成して、同様に熱処理した。その時の熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。又、ｐ−ＧａＮ 半導体の上に、Ｐｄを５ｎｍの厚さに形成し、その上に、Ｔａを３０ｎｍの厚さに形成して、同様に熱処理した。その時の熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。それらの熱処理温度と接触抵抗との関係を図６に示す。４００℃では接触抵抗は ６×１０３ Ω（ 抵抗率 ６×１０−２Ωｃｍ２ ）と低いが、熱処理温度が高くなるに従って、接触抵抗が ４×１０５ Ω（ 抵抗率 ４Ωｃｍ２ ）に増加し、さらに、熱処理温度を８００℃以上とすることで、接触抵抗を ６×１０３ Ω（ 抵抗率 ６×１０−２Ωｃｍ２ ）程度とすることができた。Ｔａの一層の場合の特性図（図５）と比較すると、２層構造の方が熱処理温度が７５０℃以下での接触抵抗を低下させることができる。特に、７００℃ではＴａの一層の場合の接触抵抗が １×１０６ Ω（ 抵抗率 １×１０Ωｃｍ２ ）であり、２層構造では １×１０５ Ω（ 抵抗率 １ｃｍ２ ）であるので、２層構造の接触抵抗はＴａの１層の接触抵抗の１／１０となっているのが分かる。このことからも、２層構造とすることで、より低い熱処理温度で低い接触抵抗が得られることが分かる。
【００１９】
ｐ伝導形の半導体には仕事関数が大きい金属の方が接触抵抗が小さくなることが分かっており、Ｎｉ，Ｐｄ は、仕事関数が大きく、４００℃以下の温度でＧａＮ の表面不純物層と反応する金属である。又、Ｔａは上述したように７００℃以上で３族窒化物半導体と反応する高融点金属である。このことから、一般に、ｐ伝導形３族窒化物半導体の電極としては、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｏ 等の仕事関数が大きく４００℃以下の温度でＧａＮ の表面不純物層と反応する金属を第１金属層とし、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ 等の７００℃以上の高温でのみ３族窒化物半導体と反応する高融点金属を第２金属層とする２層構造により、接触抵抗が小さく、オーミック性が良好で、且つ、高温特性に優れた電極とすることができる。
【００２０】
次に、ｎ−ＧａＮ 上に、大きさ１４０ μｍφで、４００ μｍのピッチで、Ｔａを１００ Å、その上にＡｌを３０００Åの厚さに形成した。又、比較例として、同一寸法で、ＴｉとＡｌを２層構造に積層したものを作成した。そして、６００℃で３０秒間、熱処理した。そして、その電極のＶ−Ｉ特性を測定した。結果を図７に示す。Ｔａ／Ａｌ の２層構造の電極の接触抵抗は、Ｔｉ／Ａｌ の２層構造の電極の接触抵抗の約３／４ であることが分かる。このことら、ｎ伝導形３族窒化物半導体の電極をＴａから成る第１金属層とＡｌから成る第２金属層との２層構造とすることで、接触抵抗を低下させ、且つ、オーミック性を改善することができた。又、温度６００〜８５０℃の範囲で熱処理することで、接触抵抗が低下することが確認された。
【００２１】
次に、上記の電極を形成した発光素子について説明する。図１は本願実施例の発光素子１００ 全体図を示す。発光素子１００ は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に０．０５μｍのＡｌＮ バッファ層２が形成されている。
【００２２】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約４．０ μｍ、電子濃度２ ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ＋ 層３、膜厚約０．５ μｍの電子濃度５ ×１０１７／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ から成るｎ層４、膜厚約１００ ｎｍ，亜鉛（Ｚｎ）とシリコン（Ｓｉ）が、それぞれ、 ５×１０１８／ｃｍ３にドープされたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ から成る発光層５，膜厚約１００ ｎｍ，ホール濃度 ２×１０１７／ｃｍ３， 濃度 ５×１０１９／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＡｌ０．０９Ｇａ０．９２Ｎ から成るｐ伝導型のクラッド層６、膜厚約２００ ｎｍ，ホール濃度 ３×１０１７／ｃｍ３，濃度 ５×１０１９／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＧａＮ から成る第１コンタクト層７１、膜厚約５０ｎｍ，ホール濃度 ６×１０１７／ｃｍ３，濃度 １×１０２０／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＧａＮ から成るｐ＋ の第２コンタクト層７２が形成されている。
【００２３】
そして、第２コンタクト層７２の上面全体にＮｉから成る厚さ２５Åの第１金属層８１が形成され、その第１金属層８１の上にＴａから成る厚さ６０Åの第２金属層８２が形成されている。この第１金属層８１と第２金属層８２とでｐ型ＧａＮ に対する電極層８が構成される。この電極層８は透明である。又、第２金属層８２の上面の隅の部分にはｐ電極パッド９が設けられており、ｐ電極パッド９は、Ｎｉから成る厚さ１０００Åのｐ電極パッド第１金属層９１、Ａｕから成る厚さ１．５ μｍのｐ電極パッド第２金属層９２、Ａｌから成る厚さ３００ Åのｐ電極パッド第３金属層９３が形成されている。この３重層により、ｐ電極パッド９が形成されている。一方、ｎ＋ 層３上には、ｎ電極パッド１０が設けられており、ｎ電極パッド１０は、厚さ０．１ μｍのＴａから成るｎ電極パッド第１金属層１１が形成され、そのｎ電極パッド第１金属層１１の上には厚さ１．５ μｍのＡｌから成るｎ電極パッド第２金属層１２が形成されている。この第１金属層１１と第２金属層１２とで、ｎ電極パッド１０が形成されている。そして、ｐ電極パッド９とｎ電極パッド１０のワイヤボンディングされる領域に窓９Ａと窓１０Ａが形成されたＳｉＯ２から成る保護膜１３が基板１の最上層上に形成されている。
【００２４】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子１００ は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ３） 、キャリアガス（Ｈ２）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＧ 」と記す） 、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＡ 」と記す） 、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＩ 」と記す） 、シラン（ＳｉＨ４）、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）（以下、「ＤＥＺ 」と記す） とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）（以下「ＣＰ２Ｍｇ 」と記す）である。
【００２５】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をＭ０ＶＰＥ 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ２を流速２ ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００２６】
次に、温度を ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ を １．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ のバッファ層２を約０．０５μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを２０×１０−８モル／分で４０分導入し、膜厚約４．０ μｍ、電子濃度 １×１０１８／ｃｍ３、シリコン濃度 ４×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ＋ 層３を形成した。
【００２７】
上記の高キャリア濃度ｎ＋ 層３を形成した後、続いて温度を１１００°Ｃ に保持し、Ｈ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １．１２ ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０−９モル／分で３０分導入し、膜厚約５．０ μｍ、電子濃度 ５×１０１７／ｃｍ３、シリコン濃度 １×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成るｎ層４を形成した。
【００２８】
続いて、温度を８００ ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．２ ×１０−４モル／分、ＴＭＩ を１．６ ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０−８ｍｏｌ／分で、ＤＥＺ を ２×１０−４モル／ 分で、３０分間供給して厚さ１００ｎｍ のシリコンと亜鉛が、それぞれ、 ５×１０１８／ｃｍ３にドープさたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ から成る発光層５を形成した。
【００２９】
続いて、温度を１１００℃に上げて、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を２ ×１０−５モル／分で ６分間導入し、膜厚約１００ ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ から成るクラッド層６を形成した。クラッド層６のマグネシウム濃度は ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、クラッド層６は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３０】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を ２×１０−５モル／分で １分間導入し、膜厚約２００ ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ から成る第１コンタクト層７１を形成した。第１コンタクト層７１のマグネシウム濃度は ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、第１コンタクト層７１は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３１】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を ４×１０−５モル／分で３ 分間導入し、膜厚約５０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ から成るｐ＋ の第２コンタクト層７２を形成した。第２コンタクト層７２のマグネシウム濃度は １×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、第２コンタクト層７２は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３２】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，及びクラッド層６に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ＫＶ、試料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ 、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０ ×１０−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，クラッド層６は、それぞれ、ホール濃度 ６×１０１７／ｃｍ３，３×１０１７／ｃｍ３，２×１０１７／ｃｍ３、抵抗率 ２Ωｃｍ， １ Ωｃｍ，０．７Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００３３】
次に、第２コンタクト層７２の上にＴｉを２０００Åの厚さに形成し、そのＴｉ層の上にＮｉを９０００Åの厚さに形成した。そして、そのＮｉ層の上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィによりｎ電極パッド１０を形成する部分のフォトレジストを除去した。その後、残ったフォトレジストをマスクとして、フォトレジストで覆われていないＴｉ層とＮｉ層とを酸性エッチング液にてエッチングした。その後、残ったＴｉ層とＮｉ層とをマスクとして、Ｔｉ層とＮｉ層とにより覆われていない部分の第２コンタクト層７２、第１コンタクト層７１、クラッド層６、発光層５、ｎ層４の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ＋ 層３の表面を露出させた。その後、Ｔｉ層とＮｉ層とを酸性エッチング液にて除去した。次に、以下の手順で電極層８を形成した。
【００３４】
（１） 表面上にフォトレジスト１４を一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、第２コンタクト層７２の上の電極形成部分のフォトレジスト１４を除去して、窓部１４Ａを形成する。
（２） 蒸着装置にて、露出させた第２コンタクト層７２の上に、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にてニッケル（Ｎｉ）を２５Å成膜させて、図２に示すように、第１金属層８１を形成する。
（３） 続いて、第１金属層８１の上にタンタル（Ｔａ）を６０Å成膜させて、図２に示すように、第２金属層８２を形成する。
（４） 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法により、フォトレジスト１４上に堆積したＮｉとＴａとを除去して、第２コンタクト層７２に対するＮｉ／Ｔａの透明な電極層８を整形する。
（５） 次に、フォトレジストを一様に塗布して、ｐ電極パッド９の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。そして、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌを、順次、厚さ、１０００Å、１．５ μｍ、３００ Åに蒸着した。その後、レジストをリフトオフすることで、必要な箇所にｐ電極パッド第１金属層９１、ｐ電極パッド第２金属層９２、ｐ電極パッド第３金属層９３を形成した。このようにして、３層構造のｐ電極パッド９を形成した。
（６）次に、フォトレジストを一様に塗布して、ｎ電極パッド１０の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。そして、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、Ｔａ、Ａｌを、順次、厚さ、１０００Å、１．５ μｍに蒸着した。その後、レジストをリフトオフすることで、必要な箇所にｎ電極パッド第１金属層１１、ｎ電極パッド第２金属層１２を形成した。このようにして、２層構造のｎ電極パッド１０を形成した。
（７） 次に、上記の基板１を加熱炉に配設し、加熱炉の雰囲気を１ｍ Ｔｏｒｒ以下にまで排気し、その後大気圧までＮ２で封入した。そして、その状態で雰囲気温度を７００ ℃〜８５０ ℃の範囲の温度に設定して、数秒〜１０分程度、基板１を加熱した。但し、雰囲気ガスはＨ２，Ｈｅ，Ｎ２，Ｏ２，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ又はこれらの混合ガスが利用でき、圧力は１ｍＴｏｒｒから大気圧を越える圧力まで実施可能である。
【００３５】
次に、上記のように形成された基板１の最上層の上に一様に、エレクトロンビーム蒸着によりによりＳｉＯ２膜を形成し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、ｐ電極パッド９、ｎ電極パッド１０のワイヤボンディング領域に当たる部分のＳｉＯ２膜に窓９Ａ、窓１０Ａをウエットエッチングにより形成した。
【００３６】
この時、ｐ電極パッド第３金属層９３のＡｌと保護膜１１のＳｉＯ２とは接合度が高いので、ｐ電極パッド第３金属層９３と保護膜１３との間にエッチング液が浸透することが防止される。よって、保護膜１３のマスクされた部分はエッチングされないため、窓９Ａの側壁は垂直となる。この結果、保護膜１３はｐ電極パッド第１金属層９１、ｐ電極パッド第２金属層９２、ｐ電極パッド第３金属層９３の側面を完全に覆うことになり、保護膜として十分に機能する。
【００３７】
ｐ電極パッド第３金属層９３は、保護膜１３に対する接合度がｐ電極パッド第２金属層９２の構成元素の金よりも強いものであれば良い。例えば、Ａｌの他、Ｎｉ、Ｔｉを用いることができる。保護膜１３は窒化珪素を用いることもできる。熱処理の時に、ｐ電極パッド第１金属層９１のＮｉとｐ電極パッド第２金属層９２のＡｕとの分布において、すこし反転が生じ、ｐ電極パッド第２金属層９２の表面にＮｉが一部現れる。しかし、ｐ電極パッド第３金属層９３にＡｌを用いた場合には、Ｎｉはｐ電極パッド第３金属層９３の上には現れなかった。ところが、ｐ電極パッド第３金属層９３にＮｉ、Ｔｉを用いた場合には、ｐ電極パッド第１金属層９１のＮｉがｐ電極パッド第３金属層９３の表面に現れ、ｐ電極パッド第３金属層９３に模様が見られた。この点からすれば、ｐ電極パッド第３金属層９３にはＡｌを用いるのが良い。
【００３８】
上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光素子１００ を得た。このような構造の発光素子は駆動電流２０ｍＡで発光ピーク波長４３０ ｎｍ、発光強度２０００ｍＣｄ であった。従来構造の発光素子に比べて発光強度は２倍になった。又、接触抵抗を低下でき、オーミック性が改善された。
尚、発光効率を向上させることを目的とする発光素子では、ｐ電極パッド９は、Ｎｉ、Ａｕ又はＡｕの単層でも、２層でも良いし、保護膜１３がなくとも良い。
【００３９】
上記の第１金属層８１の厚さは５ Å〜２００ Åが望ましい。５ Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、２００ Åより厚いと透明性が悪化し望ましくない。又、第２金属層８２の厚さは、５ Å〜２００ Åが望ましい。５ Åより薄いとコンタクト抵抗が高くなって望ましくなく、２００ Åより厚いと透明性が悪化し望ましくない。
【００４０】
更に、上記のｐ電極パッド第１金属層９１の厚さは２０Å〜５ μｍが望ましい。２０Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、５ μｍよりも厚いと形成に時間を要し形成が困難となり望ましくない。又、ｐ電極パッド第２金属層９２の厚さは、１００ Å〜５ μｍが望ましい。１００ Åよりも薄いとワイヤーボンディング性能が低下し望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり且つ製造コストが高くなるので望ましくない。又、ｐ電極パッド第３金属層９３の厚さは、１０Å〜５ μｍが望ましい。１０Åより薄いと保護膜の横方向のエッチングが防止できなく望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり望ましくない。又、ｐ電極パッド第３金属層９３がＮｉ又はＴｉの場合には、１０Å〜５００ Åがより望ましい。５００ Åより厚いとワイヤーボンディングの信頼性が低下するので望ましくない。
【００４１】
更に、ｎ電極パッド第１金属層１１の厚さは、２０Å〜５ μｍが望ましい。２０Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、５ μｍよりも厚いと形成に時間を要し形成が困難となり望ましくない。又、ｎ電極パッド第２金属層１２の厚さは、１０Å〜５ μｍが望ましい。１０Åより薄いと保護膜の横方向のエッチングが防止できなく望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり望ましくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例にかかる発光素子の構造を示した断面図。
【図２】第２コンタクト層上における電極層の構造を模式的に示した断面図。
【図３】各種の金属の仕事関数とｐ−ＧａＮ に対する接触抵抗との関係の測定結果を示す特性図。
【図４】ニッケルとｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図５】タンタルとｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図６】ニッケル／タンタルの２層金属又はパラジウム／タンタルの２層金属とｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図７】タンタル／アルミニウムの２層金属又はチタン／アルミニウムの２層金属とｎ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【符号の説明】
１００…半導体発光素子
４…ｎ層
５…活性層
６…クラッド層
８…電極層
９…ｐ電極パッド
９Ａ…窓
１０Ａ…窓
１０…ｎ電極パッド
１１…ｎ電極パッド第１金属層
１２…ｎ電極パッド第２金属層
１３…保護膜
７１…第１コンタクト層
７２…第２コンタクト層
８１…第１金属層
８２…第２金属層
９１…ｐ電極パッド第１金属層
９２…ｐ電極パッド第２金属層
９３…ｐ電極パッド第３金属層
【産業上の利用分野】
本発明は、ｐ伝導形又はｎ伝導形３族窒化物半導体に対する電極、その電極を有した３族窒化物半導体素子に関する。特に、接触抵抗を低下させ、オーミック性を改善した電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３族窒化物半導体は、エネルギー禁制帯幅が広いため、短波長の発光素子として用いられたり、６００℃以上で動作可能な高温環境用素子として注目されている。このような素子を実現するには、高温での熱安定性が要求され、３族窒化物半導体の基板材料や電極材料の耐熱性の向上が必要である。
【０００３】
現在のところ、ｐ伝導形 ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）の電極として、ニッケル（Ｎｉ）の単層、又は、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２重層を ＧａＮ層表面に蒸着したものが知られている。又、ｎ伝導形 ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）の電極として、アルミニウム（Ａｌ）の単層、又は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の２重層又はＴｉとＡｌの合金をＧａＮ 層表面に蒸着したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極も、ｎ伝導形３族窒化物半導体の電極も、いまだ、接触抵抗が大きく、オーミック性も良くなく、素子を形成する場合の電極として望ましいものではなかった。又、これらの電極は、４００℃位までは熱的安定性があり接触抵抗も小さいが、８００℃以上となると、接触抵抗が２桁程大きくなる。Ｎｉをｐ伝導形３族窒化物半導体の電極とした場合に、熱処理温度と接触抵抗との関係を図４に示す。図４から分かるように、８００℃の接触抵抗は、最低の接触抵抗が得られる４００℃の時の値の２００倍程度となっている。
【０００５】
従って本発明の目的は、ｐ伝導形、又は、ｎ伝導形３族窒化物半導体に対する電極において、よりオーミック性を改善し、接触抵抗を小さくすると共に、高温での電気的特性を改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、３族窒化物半導体と７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属であるタンタル (Ta)をｎ伝導形の３族窒化物半導体上に形成し、７００℃以上の温度で熱処理して電極としたことから、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００７】
請求項２の発明では、電極を、仕事関数が5.1eV 以上で、４００℃以下において３族窒化物半導体の表面層と反応する金属元素で構成された第１金属層と、その第１金属層の上に形成され、３族窒化物半導体とは７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属元素で構成された第２金属層とで構成し、電極を７００℃以上の温度で熱処理した結果、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００８】
請求項３の発明では、第１金属層の構成元素を、ニッケル(Ni), パラジウム(Pd), 白金(Pt)，コバルト(Co)のうち少なくとも一種の元素であり、第２金属層の構成元素は、タンタル(Ta), タングステン(W),ニオブ(Nb)のうち少なくとも１種の元素とすることで、いずれも、Ni単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【０００９】
請求項４の発明では、３族窒化物をｐ伝導形半導体とし、請求項５の発明では、３族窒化物をｐ伝導形半導体とし、第１金属層の構成元素を、Niとし、第２金属層の構成元素はTaとしたので、ｐ伝導形３族窒化物に対するNi単層の電極に比べて、接触抵抗が低く、オーミック性が改善され、且つ、高温特性に優れた電極が得られた。
【００１０】
請求項６の発明では、さらに、電極の表面層として、金(Au)、又は、アルミニウム(Al)からなる金属層を形成したことで、さらに、電極の抵抗を低下させることができた。
【００１１】
上記の電極は、請求項７の発明のように、発光ダイオード、レーザダイオード、又は、トランジスタ等の素子に用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
本実施例では、電極金属の半導体上への積層は、スパッタリング蒸着法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱法により行った。
【００１３】
ｐ伝導形のＧａＮ の上に、Ａｌ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｎｉ を、それぞれ、蒸着して、接触抵抗を測定した。尚、以下の図３、図４、図４、図６において、測定された接触抵抗Ｒ０ は、８μｍの間隔を持った電極間において、±０．１Ｖを印加した時に測定した抵抗値である。抵抗Ｒ０ ＝１×１０３ Ω、接触抵抗率ρｃ ＝１×１０−２Ωｃｍ２ に対応する。そして、各金属元素の仕事関数と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図３に示す。この結果から、仕事関数が小さい元素程、接触抵抗が大きいことが分かる。仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属元素の場合には、蒸着した状態で、 ５×１０３ 〜 ２×１０４ Ωの抵抗（ ５×１０−２〜 ２×１０−１Ωｃｍ２ の抵抗率）を示す。
【００１４】
しかし、これらの金属を８００℃まで熱処理すると、５００℃位までは、接触抵抗は余り変化しないが、それ以上の温度になると接触抵抗は大きくなる。Ｎｉについて、熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図４に示す。図４から理解されるように、４００℃で１×１０４ Ωの接触抵抗（ １×１０−１Ωｃｍ２ の抵抗率）は５００℃までは、余り変化しないが、８００℃では２×１０６ Ω（抵抗率 ２×１０Ωｃｍ２ ）に増加している。この原因について解析した結果、高温では、ＮｉとＧａＮ が反応して、Ｎｉが全てＮｉ３Ｇａ に変態するためであることが分かった。
【００１５】
一方、高融点金属（ 融点２４００℃以上） は仕事関数が小さく、蒸着時には高い接触抵抗を示すが、７００℃以上の高温熱処理では接触抵抗の低下が見られた。Ｔａをｐ−ＧａＮ に蒸着して熱処理して、熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。その結果を図５に示す。図５から理解されるように、７００℃までは、 ７×１０６ Ω（ 抵抗率 ７×１０Ωｃｍ２ ）以上の高抵抗を示したが、７００℃以上となると１×１０６ Ω（ 抵抗率 １×１０Ωｃｍ２ ）より小さくなり、特に、８００℃では、 ２×１０３ Ω（ 抵抗率 ２×１０−２Ωｃｍ２ ）、即ち、約１／１０００に低下しているのが分かる。
【００１６】
高温熱処理による接触抵抗の低下の原因について解析した結果、ＴａとＧａＮ との界面に非常に薄い５ｎｍ位のＴａ５Ｇａ３が形成されるためであることが分かった。よって、仕事関数が小さい高融点金属元素であっても、蒸着後に７００℃以上、より望ましくは８００℃の高温により熱処理することで、接触抵抗の小さい電極が得られることが分かった。尚、ｐ−ＧａＮ の他、ｎ−ＧａＮ についても、同様な実験を行った結果、同様に接触抵抗の小さいな電極が得られた。
【００１７】
このことから、ＧａＮ 半導体に対して、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ 等の高融点金属を蒸着して、７００℃以上の温度、より望ましくは８００℃以上の温度で熱処理することで、接触抵抗が小さく、且つ、オーミック性の良い、しかも、高温での特性の安定した電極が得られるのが分かる。
【００１８】
次に、ｐ−ＧａＮ 半導体の上に、Ｎｉを５ｎｍの厚さに形成し、その上に、Ｔａを３０ｎｍの厚さに形成して、同様に熱処理した。その時の熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。又、ｐ−ＧａＮ 半導体の上に、Ｐｄを５ｎｍの厚さに形成し、その上に、Ｔａを３０ｎｍの厚さに形成して、同様に熱処理した。その時の熱処理温度と接触抵抗との関係を測定した。それらの熱処理温度と接触抵抗との関係を図６に示す。４００℃では接触抵抗は ６×１０３ Ω（ 抵抗率 ６×１０−２Ωｃｍ２ ）と低いが、熱処理温度が高くなるに従って、接触抵抗が ４×１０５ Ω（ 抵抗率 ４Ωｃｍ２ ）に増加し、さらに、熱処理温度を８００℃以上とすることで、接触抵抗を ６×１０３ Ω（ 抵抗率 ６×１０−２Ωｃｍ２ ）程度とすることができた。Ｔａの一層の場合の特性図（図５）と比較すると、２層構造の方が熱処理温度が７５０℃以下での接触抵抗を低下させることができる。特に、７００℃ではＴａの一層の場合の接触抵抗が １×１０６ Ω（ 抵抗率 １×１０Ωｃｍ２ ）であり、２層構造では １×１０５ Ω（ 抵抗率 １ｃｍ２ ）であるので、２層構造の接触抵抗はＴａの１層の接触抵抗の１／１０となっているのが分かる。このことからも、２層構造とすることで、より低い熱処理温度で低い接触抵抗が得られることが分かる。
【００１９】
ｐ伝導形の半導体には仕事関数が大きい金属の方が接触抵抗が小さくなることが分かっており、Ｎｉ，Ｐｄ は、仕事関数が大きく、４００℃以下の温度でＧａＮ の表面不純物層と反応する金属である。又、Ｔａは上述したように７００℃以上で３族窒化物半導体と反応する高融点金属である。このことから、一般に、ｐ伝導形３族窒化物半導体の電極としては、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｏ 等の仕事関数が大きく４００℃以下の温度でＧａＮ の表面不純物層と反応する金属を第１金属層とし、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ 等の７００℃以上の高温でのみ３族窒化物半導体と反応する高融点金属を第２金属層とする２層構造により、接触抵抗が小さく、オーミック性が良好で、且つ、高温特性に優れた電極とすることができる。
【００２０】
次に、ｎ−ＧａＮ 上に、大きさ１４０ μｍφで、４００ μｍのピッチで、Ｔａを１００ Å、その上にＡｌを３０００Åの厚さに形成した。又、比較例として、同一寸法で、ＴｉとＡｌを２層構造に積層したものを作成した。そして、６００℃で３０秒間、熱処理した。そして、その電極のＶ−Ｉ特性を測定した。結果を図７に示す。Ｔａ／Ａｌ の２層構造の電極の接触抵抗は、Ｔｉ／Ａｌ の２層構造の電極の接触抵抗の約３／４ であることが分かる。このことら、ｎ伝導形３族窒化物半導体の電極をＴａから成る第１金属層とＡｌから成る第２金属層との２層構造とすることで、接触抵抗を低下させ、且つ、オーミック性を改善することができた。又、温度６００〜８５０℃の範囲で熱処理することで、接触抵抗が低下することが確認された。
【００２１】
次に、上記の電極を形成した発光素子について説明する。図１は本願実施例の発光素子１００ 全体図を示す。発光素子１００ は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に０．０５μｍのＡｌＮ バッファ層２が形成されている。
【００２２】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約４．０ μｍ、電子濃度２ ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ＋ 層３、膜厚約０．５ μｍの電子濃度５ ×１０１７／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ から成るｎ層４、膜厚約１００ ｎｍ，亜鉛（Ｚｎ）とシリコン（Ｓｉ）が、それぞれ、 ５×１０１８／ｃｍ３にドープされたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ から成る発光層５，膜厚約１００ ｎｍ，ホール濃度 ２×１０１７／ｃｍ３， 濃度 ５×１０１９／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＡｌ０．０９Ｇａ０．９２Ｎ から成るｐ伝導型のクラッド層６、膜厚約２００ ｎｍ，ホール濃度 ３×１０１７／ｃｍ３，濃度 ５×１０１９／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＧａＮ から成る第１コンタクト層７１、膜厚約５０ｎｍ，ホール濃度 ６×１０１７／ｃｍ３，濃度 １×１０２０／ｃｍ３にマグネシウム（Ｍｇ） がドープされたＧａＮ から成るｐ＋ の第２コンタクト層７２が形成されている。
【００２３】
そして、第２コンタクト層７２の上面全体にＮｉから成る厚さ２５Åの第１金属層８１が形成され、その第１金属層８１の上にＴａから成る厚さ６０Åの第２金属層８２が形成されている。この第１金属層８１と第２金属層８２とでｐ型ＧａＮ に対する電極層８が構成される。この電極層８は透明である。又、第２金属層８２の上面の隅の部分にはｐ電極パッド９が設けられており、ｐ電極パッド９は、Ｎｉから成る厚さ１０００Åのｐ電極パッド第１金属層９１、Ａｕから成る厚さ１．５ μｍのｐ電極パッド第２金属層９２、Ａｌから成る厚さ３００ Åのｐ電極パッド第３金属層９３が形成されている。この３重層により、ｐ電極パッド９が形成されている。一方、ｎ＋ 層３上には、ｎ電極パッド１０が設けられており、ｎ電極パッド１０は、厚さ０．１ μｍのＴａから成るｎ電極パッド第１金属層１１が形成され、そのｎ電極パッド第１金属層１１の上には厚さ１．５ μｍのＡｌから成るｎ電極パッド第２金属層１２が形成されている。この第１金属層１１と第２金属層１２とで、ｎ電極パッド１０が形成されている。そして、ｐ電極パッド９とｎ電極パッド１０のワイヤボンディングされる領域に窓９Ａと窓１０Ａが形成されたＳｉＯ２から成る保護膜１３が基板１の最上層上に形成されている。
【００２４】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子１００ は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ３） 、キャリアガス（Ｈ２）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＧ 」と記す） 、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＡ 」と記す） 、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＩ 」と記す） 、シラン（ＳｉＨ４）、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）（以下、「ＤＥＺ 」と記す） とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）（以下「ＣＰ２Ｍｇ 」と記す）である。
【００２５】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をＭ０ＶＰＥ 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ２を流速２ ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００２６】
次に、温度を ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ を １．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ のバッファ層２を約０．０５μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを２０×１０−８モル／分で４０分導入し、膜厚約４．０ μｍ、電子濃度 １×１０１８／ｃｍ３、シリコン濃度 ４×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ＋ 層３を形成した。
【００２７】
上記の高キャリア濃度ｎ＋ 層３を形成した後、続いて温度を１１００°Ｃ に保持し、Ｈ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １．１２ ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０−９モル／分で３０分導入し、膜厚約５．０ μｍ、電子濃度 ５×１０１７／ｃｍ３、シリコン濃度 １×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成るｎ層４を形成した。
【００２８】
続いて、温度を８００ ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．２ ×１０−４モル／分、ＴＭＩ を１．６ ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０−８ｍｏｌ／分で、ＤＥＺ を ２×１０−４モル／ 分で、３０分間供給して厚さ１００ｎｍ のシリコンと亜鉛が、それぞれ、 ５×１０１８／ｃｍ３にドープさたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ から成る発光層５を形成した。
【００２９】
続いて、温度を１１００℃に上げて、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を２ ×１０−５モル／分で ６分間導入し、膜厚約１００ ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ から成るクラッド層６を形成した。クラッド層６のマグネシウム濃度は ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、クラッド層６は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３０】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を ２×１０−５モル／分で １分間導入し、膜厚約２００ ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ から成る第１コンタクト層７１を形成した。第１コンタクト層７１のマグネシウム濃度は ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、第１コンタクト層７１は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３１】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ を ４×１０−５モル／分で３ 分間導入し、膜厚約５０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ から成るｐ＋ の第２コンタクト層７２を形成した。第２コンタクト層７２のマグネシウム濃度は １×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、第２コンタクト層７２は、まだ、抵抗率１０８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００３２】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，及びクラッド層６に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ＫＶ、試料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ 、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０ ×１０−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，クラッド層６は、それぞれ、ホール濃度 ６×１０１７／ｃｍ３，３×１０１７／ｃｍ３，２×１０１７／ｃｍ３、抵抗率 ２Ωｃｍ， １ Ωｃｍ，０．７Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００３３】
次に、第２コンタクト層７２の上にＴｉを２０００Åの厚さに形成し、そのＴｉ層の上にＮｉを９０００Åの厚さに形成した。そして、そのＮｉ層の上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィによりｎ電極パッド１０を形成する部分のフォトレジストを除去した。その後、残ったフォトレジストをマスクとして、フォトレジストで覆われていないＴｉ層とＮｉ層とを酸性エッチング液にてエッチングした。その後、残ったＴｉ層とＮｉ層とをマスクとして、Ｔｉ層とＮｉ層とにより覆われていない部分の第２コンタクト層７２、第１コンタクト層７１、クラッド層６、発光層５、ｎ層４の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ＋ 層３の表面を露出させた。その後、Ｔｉ層とＮｉ層とを酸性エッチング液にて除去した。次に、以下の手順で電極層８を形成した。
【００３４】
（１） 表面上にフォトレジスト１４を一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、第２コンタクト層７２の上の電極形成部分のフォトレジスト１４を除去して、窓部１４Ａを形成する。
（２） 蒸着装置にて、露出させた第２コンタクト層７２の上に、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にてニッケル（Ｎｉ）を２５Å成膜させて、図２に示すように、第１金属層８１を形成する。
（３） 続いて、第１金属層８１の上にタンタル（Ｔａ）を６０Å成膜させて、図２に示すように、第２金属層８２を形成する。
（４） 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法により、フォトレジスト１４上に堆積したＮｉとＴａとを除去して、第２コンタクト層７２に対するＮｉ／Ｔａの透明な電極層８を整形する。
（５） 次に、フォトレジストを一様に塗布して、ｐ電極パッド９の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。そして、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌを、順次、厚さ、１０００Å、１．５ μｍ、３００ Åに蒸着した。その後、レジストをリフトオフすることで、必要な箇所にｐ電極パッド第１金属層９１、ｐ電極パッド第２金属層９２、ｐ電極パッド第３金属層９３を形成した。このようにして、３層構造のｐ電極パッド９を形成した。
（６）次に、フォトレジストを一様に塗布して、ｎ電極パッド１０の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。そして、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、Ｔａ、Ａｌを、順次、厚さ、１０００Å、１．５ μｍに蒸着した。その後、レジストをリフトオフすることで、必要な箇所にｎ電極パッド第１金属層１１、ｎ電極パッド第２金属層１２を形成した。このようにして、２層構造のｎ電極パッド１０を形成した。
（７） 次に、上記の基板１を加熱炉に配設し、加熱炉の雰囲気を１ｍ Ｔｏｒｒ以下にまで排気し、その後大気圧までＮ２で封入した。そして、その状態で雰囲気温度を７００ ℃〜８５０ ℃の範囲の温度に設定して、数秒〜１０分程度、基板１を加熱した。但し、雰囲気ガスはＨ２，Ｈｅ，Ｎ２，Ｏ２，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ又はこれらの混合ガスが利用でき、圧力は１ｍＴｏｒｒから大気圧を越える圧力まで実施可能である。
【００３５】
次に、上記のように形成された基板１の最上層の上に一様に、エレクトロンビーム蒸着によりによりＳｉＯ２膜を形成し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、ｐ電極パッド９、ｎ電極パッド１０のワイヤボンディング領域に当たる部分のＳｉＯ２膜に窓９Ａ、窓１０Ａをウエットエッチングにより形成した。
【００３６】
この時、ｐ電極パッド第３金属層９３のＡｌと保護膜１１のＳｉＯ２とは接合度が高いので、ｐ電極パッド第３金属層９３と保護膜１３との間にエッチング液が浸透することが防止される。よって、保護膜１３のマスクされた部分はエッチングされないため、窓９Ａの側壁は垂直となる。この結果、保護膜１３はｐ電極パッド第１金属層９１、ｐ電極パッド第２金属層９２、ｐ電極パッド第３金属層９３の側面を完全に覆うことになり、保護膜として十分に機能する。
【００３７】
ｐ電極パッド第３金属層９３は、保護膜１３に対する接合度がｐ電極パッド第２金属層９２の構成元素の金よりも強いものであれば良い。例えば、Ａｌの他、Ｎｉ、Ｔｉを用いることができる。保護膜１３は窒化珪素を用いることもできる。熱処理の時に、ｐ電極パッド第１金属層９１のＮｉとｐ電極パッド第２金属層９２のＡｕとの分布において、すこし反転が生じ、ｐ電極パッド第２金属層９２の表面にＮｉが一部現れる。しかし、ｐ電極パッド第３金属層９３にＡｌを用いた場合には、Ｎｉはｐ電極パッド第３金属層９３の上には現れなかった。ところが、ｐ電極パッド第３金属層９３にＮｉ、Ｔｉを用いた場合には、ｐ電極パッド第１金属層９１のＮｉがｐ電極パッド第３金属層９３の表面に現れ、ｐ電極パッド第３金属層９３に模様が見られた。この点からすれば、ｐ電極パッド第３金属層９３にはＡｌを用いるのが良い。
【００３８】
上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光素子１００ を得た。このような構造の発光素子は駆動電流２０ｍＡで発光ピーク波長４３０ ｎｍ、発光強度２０００ｍＣｄ であった。従来構造の発光素子に比べて発光強度は２倍になった。又、接触抵抗を低下でき、オーミック性が改善された。
尚、発光効率を向上させることを目的とする発光素子では、ｐ電極パッド９は、Ｎｉ、Ａｕ又はＡｕの単層でも、２層でも良いし、保護膜１３がなくとも良い。
【００３９】
上記の第１金属層８１の厚さは５ Å〜２００ Åが望ましい。５ Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、２００ Åより厚いと透明性が悪化し望ましくない。又、第２金属層８２の厚さは、５ Å〜２００ Åが望ましい。５ Åより薄いとコンタクト抵抗が高くなって望ましくなく、２００ Åより厚いと透明性が悪化し望ましくない。
【００４０】
更に、上記のｐ電極パッド第１金属層９１の厚さは２０Å〜５ μｍが望ましい。２０Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、５ μｍよりも厚いと形成に時間を要し形成が困難となり望ましくない。又、ｐ電極パッド第２金属層９２の厚さは、１００ Å〜５ μｍが望ましい。１００ Åよりも薄いとワイヤーボンディング性能が低下し望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり且つ製造コストが高くなるので望ましくない。又、ｐ電極パッド第３金属層９３の厚さは、１０Å〜５ μｍが望ましい。１０Åより薄いと保護膜の横方向のエッチングが防止できなく望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり望ましくない。又、ｐ電極パッド第３金属層９３がＮｉ又はＴｉの場合には、１０Å〜５００ Åがより望ましい。５００ Åより厚いとワイヤーボンディングの信頼性が低下するので望ましくない。
【００４１】
更に、ｎ電極パッド第１金属層１１の厚さは、２０Å〜５ μｍが望ましい。２０Åより薄いと密着性が不良となり望ましくなく、５ μｍよりも厚いと形成に時間を要し形成が困難となり望ましくない。又、ｎ電極パッド第２金属層１２の厚さは、１０Å〜５ μｍが望ましい。１０Åより薄いと保護膜の横方向のエッチングが防止できなく望ましくなく、５ μｍより厚いと形成困難となり望ましくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例にかかる発光素子の構造を示した断面図。
【図２】第２コンタクト層上における電極層の構造を模式的に示した断面図。
【図３】各種の金属の仕事関数とｐ−ＧａＮ に対する接触抵抗との関係の測定結果を示す特性図。
【図４】ニッケルとｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図５】タンタルとｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図６】ニッケル／タンタルの２層金属又はパラジウム／タンタルの２層金属とｐ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【図７】タンタル／アルミニウムの２層金属又はチタン／アルミニウムの２層金属とｎ−ＧａＮ との接触抵抗の熱処理温度に対する関係の測定結果を示す特性図。
【符号の説明】
１００…半導体発光素子
４…ｎ層
５…活性層
６…クラッド層
８…電極層
９…ｐ電極パッド
９Ａ…窓
１０Ａ…窓
１０…ｎ電極パッド
１１…ｎ電極パッド第１金属層
１２…ｎ電極パッド第２金属層
１３…保護膜
７１…第１コンタクト層
７２…第２コンタクト層
８１…第１金属層
８２…第２金属層
９１…ｐ電極パッド第１金属層
９２…ｐ電極パッド第２金属層
９３…ｐ電極パッド第３金属層
Claims (7)
- ３族窒化物から成る半導体の電極において、
３族窒化物半導体と７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属であるタンタル (Ta)をｎ伝導形の３族窒化物半導体上に形成し、７００℃以上の温度で熱処理して電極としたことを特徴とする３族窒化物から成る半導体の電極。 - ３族窒化物から成る半導体の電極において、
前記電極は、前記半導体の表面上に形成され、仕事関数が5.1eV 以上で、４００℃以下において３族窒化物半導体の表面層と反応する金属元素で構成された第１金属層と、その第１金属層の上に形成され、３族窒化物半導体とは７００℃以上の高温でのみ反応する融点２４００℃以上の高融点金属元素で構成された第２金属層とから成り、
前記電極は７００℃以上の温度で熱処理されていることを特徴とする３族窒化物から成る半導体の電極。 - 前記第１金属層の構成元素は、ニッケル(Ni), パラジウム(Pd), 白金(Pt)，コバルト(Co)のうち少なくとも一種の元素であり、前記第２金属層の構成元素は、タンタル(Ta), タングステン(W),ニオブ(Nb)のうち少なくとも１種の元素であることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体の電極。
- 前記３族窒化物はｐ伝導形半導体であることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体の電極。
- 前記３族窒化物はｐ伝導形半導体であり、前記第１金属層の構成元素はNiであり、前記第２金属層の構成元素はTaであることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体の電極。
- さらに、電極の表面層として、金(Au)、又は、アルミニウム(Al)からなる金属層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の３族窒化物半導体の電極。
- 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電極を有したことを特徴とする発光ダイオード、レーザダイオード、又は、トランジスタ等の素子。
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