JP3560561B2

JP3560561B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP3560561B2
Application number: JP2001132240A
Authority: JP
Inventors: 隆弘小澤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2002026390A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色や短波長領域発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ；０≦ｘ＜１、以下「ＧａＮ」とも記す）は、青色の発光ダイオードや短波長領域の発光素子の材料として注目されている。
【０００３】
ＧａＮは低抵抗ｐ型結晶が得られていないため、これを用いた発光ダイオードは金属電極（Ｍ）−半絶縁性ＧａＮ層（Ｉ層）−Ｎ型ＧａＮ層（Ｓ層）の構造をもつ、いわゆるＭＩＳ型構造をとる。このような発光ダイオードの開発のためには、下層のＮ型ＧａＮ層に接続される電極を形成する技術を確立することが不可欠となる。すなわち、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓなど、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子においては導電性の基板を用いることにより、下層の電極を基板側に形成しているが、ＧａＮの場合、基板となるサファイアが絶縁体であることから、下層のＮ型ＧａＮ層に接続される電極を基板側に形成することが不可能だからである。
【０００４】
また、ＧａＮは化学的に非常に安定な物質であることから、薬品による化学的なエッチングによりＩ型ＧａＮ層を部分的に除去してＮ型ＧａＮ層を露出させ、その露出面に電極を形成することも困難である。さらに、Ｎ型ＧａＮ層の側面に電極部を設け、金属ワイヤで結線する方法もとられるが、Ｎ型ＧａＮ層の厚さはせいぜい数μｍ〜数十μｍ程度であり、電極としての信頼性や量産性に乏しい。そこで、Ｎ型ＧａＮ層への電極形成技術として、これまで以下のような方法が報告されている。
【０００５】
第１の方法は、基板にある種の加工を施すことによりＧａＮ層の一部に低抵抗領域を形成する方法である。すなわち、図５に示すように、サファイア基板１０の一部にあらかじめスクライバまたはダイサにより、浅い切り溝あるいは引っ掻き傷等の凹凸領域１２を形成した後（図５（ａ）参照）、ＧａＮのエピタキシャル成長を行うと、凹凸領域１２上に成長したＧａＮについてはＺｎを大量にドープしてもＩ型層にはならずＮ型低抵抗領域１８が形成される（図５（ｂ）参照）。この低抵抗領域１８上にＮ側電極２０を形成すれば、Ｎ型低抵抗領域１８を介してＮ型ＧａＮ層１４へのコンタクトを取ることができる（図５（ｃ）参照）。さらに、Ｉ型ＧａＮ層１６上にＮ側電極２０と離間してＩ側電極２２を形成する。
【０００６】
同様に、サファイア基板の一部にあらかじめＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４などの誘電体膜を堆積させた後、ＧａＮのエピタキシャル成長を行う場合にも、上記凹凸領域１２を形成した場合と同様に、これらの膜上にはＮ型低抵抗のＧａＮ層が形成され、そこにＮ側電極を形成することによりＮ型ＧａＮ層へのコンタクトを取ることができる。
【０００７】
第２の方法は、Ｉ型ＧａＮ層をドライエッチングなどで除去する方法である。すなわち、図６に示すように、Ｉ型ＧａＮ層１６上にＳｉＯ_２膜２４を堆積した後開口部を設け（図６（ａ）参照）、ＣＣｌ_４，ＣＣｌ_２Ｆ_２等のガスを用いたドライエッチングにより開口部直下のＩ型ＧａＮ層１６を除去してＮ型ＧａＮ層１４を露出させ、凹部（コンタクトホール）２６を形成し（図６（ｂ）参照）、この凹部２６にＮ側電極２０を形成することにより、Ｎ型ＧａＮ層１４へのコンタクトを取ることができる。
【０００８】
同様に、Ｉ型ＧａＮ層上にＳｉＯ_２膜を堆積した後開口部を設け、水素雰囲気中、塩化水素とアルゴンの混合比が３：１の混合ガス雰囲気にて熱処理を行うことにより、露出面のＩ型ＧａＮ層を分解除去してＮ型ＧａＮ層を露出させ、そこにＮ側電極を形成することもできる。また、ダイヤモンド製の針でスクライブすることにより、Ｉ型ＧａＮ層を機械的に除去してＮ型ＧａＮ層にまで達する凹部を形成し、そこにＮ側電極を形成する方法もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記第１の方法は、基板１０表面に凹凸領域１２の形成等の加工を施した部分に成長させたＧａＮが多結晶となることを利用してＮ型低抵抗領域１８を形成しているため、そのキャリア濃度などを正確に、かつ再現性よく制御することは困難であると共に、低抵抗領域１８はＩ型ＧａＮ層１６の表面からサファイア基板１０に達する深さにまで形成されており、その深さを任意に設定することは不可能である。また、この第１の方法は、従来用いられてきたＧａ−ＨＣｌ−ＮＨ_３系のハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法によるＧａＮ結晶作製において考案された方法であって、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法による結晶作成に際してはこれらの方法をそのまま使用することはできない。特にＭＯＶＰＥ法ではＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの誘電体薄膜上に均一に多結晶ＧａＮ層を成長させることはできず、低抵抗領域を形成できない。
【００１０】
また、第２の方法は、マスクとして用いるＳｉＯ_２層の作製やそのパターン形成、ドライエッチングあるいは熱処理、その後の電極形成など多段階で複雑な工程が必要となる。また、Ｉ型ＧａＮ層をスクライブする方法は、ＧａＮ層にストレスを導入することになりクラックを誘発したり、電気的特性を劣化させたりするなど、実際の素子作製において歩留まりを大きく減じる原因となる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、基板に何らかの加工を施すことなく、あるいはコンタクトホールの作製などの複雑な工程を含まない、信頼性・量産性の優れたＧａＮ発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体と、半絶縁性の窒化ガリウム系化合物半導体からなるＩ層と、電極と、を含む半導体発光素子の製造方法において、
少なくとも前記Ｉ層上に電極を形成した後、熱処理することを特徴とする。
【００１３】
この製造方法によれば、前記熱処理により、前記電極の下層にこの電極の材料が拡散された低抵抗領域を形成することができる。
【００１４】
この製造方法によって得られる半導体発光素子の一例においては、例えば、電極直下の半導体層において、半絶縁性（Ｉ型）ＧａＮ層が形成されている場合の他、電極材料とＧａＮとのイオン化ポテンシャルの違いで不純物の付着により高抵抗層が故意によらず形成されている場合においても、これらの高抵抗層を貫通した低抵抗領域を形成することで、半導体層と電極との抵触抵抗を低減できる。そして、例えば、Ｎ型低抵抗領域は、特定の熱処理によってＮ側電極材料をＧａＮ層中へ拡散させることによって形成している。
【００１５】
前記電極は、例えばニッケル（Ｎｉ）単体でも構成することができるが、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）による第１の導電層と、ＮｉまたはＮｉを含む合金による第２の導電層とを少なくとも積層した多層構造の電極を好ましく用いることができる。Ｎｉ層単独の場合には、該Ｎｉ層のＧａＮ層に対する密着性が悪いため、ＴｉあるいはＣｒの薄膜を介して電極を形成することにより、Ｎｉ層−ＧａＮ層の密着性を向上させることができ、また熱処理後のオーミック特性も良好となる。
【００１６】
この製造方法によって得られる半導体発光素子の一例においては、例えば、前記電極に連続して形成された低抵抗領域を介して電極取出しを行うことができ、発光素子の電気的な抵抗成分を小さくできる。
【００１７】
この製造方法によって得られる半導体発光素子の一例においては、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ；０≦ｘ＜１）からなる半導体層を含む半導体発光素子において、半導体層上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に連続し、この電極の材料の拡散によって形成された低抵抗領域と、前記第１の電極と離間して前記第１の電極と同じ側の面に形成された第２の電極と、を含むことができる。
【００１８】
本発明の製造方法は、例えば、半導体または絶縁体からなる基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ；０≦ｘ＜１）からなる半導体層を形成する工程を含む半導体発光素子の製造方法において、前記半導体層の表面に電極を形成する電極形成工程と、熱処理を行うことにより、前記電極直下に低抵抗領域を形成する工程と、を含むことができる。
【００１９】
例えば、この製造方法においては、以下の工程を含むことができる。まず、例えばサファイア基板上に気相成長法などでＧａＮ層からなる半導体層を形成する。
【００２０】
次に、マスク蒸着ないしフォトエッチング等の半導体工学で良く知られた工程により、ＧａＮ層上に電極（第１の電極）を形成する。
【００２１】
次に、例えば、好ましくは保護膜となるＳｉＯ_２層を蒸着などによって堆積した後、熱処理を加えて前記電極とＧａＮ層との反応を促し、前記電極の材料をＧａＮ層に拡散させることによって低抵抗領域を作製する。例えば、熱処理を加えてＮ側電極とＧａＮ層との反応を促し、Ｎ側電極材料をＧａＮ層に拡散させることによってＮ型低抵抗領域を作製する。このとき、熱処理温度は、好ましくは７００〜１０００℃、さらに好ましくは８００〜９００℃である。熱処理温度が１０００℃を越えるとＧａＮ層の全体あるいは一部が熱による変質を起こし好ましくなく、一方７００℃未満では良好な低抵抗領域が形成できない。また、熱処理は、窒素ガス流下，水素ガス流下などで行うことが好ましい。熱処理時間は、１５秒〜１分程度が好ましい。また、熱処理装置としては、ＧａＮ層の熱ダメージやドーパントの拡散を制御するため、急加熱，急冷の可能な赤外線による加熱方式が好ましい。
【００２２】
前記電極は、前述したように、例えばニッケル単体でも構成することができるが、チタンまたはクロムによる第１の導電層と、ニッケルまたはニッケルを含む合金による第２の導電層とを積層した２層構造の電極を好ましく用いることができる。
【００２３】
すなわち、前記電極形成工程においては、まず前記半導体層の表面に蒸着等の方法によって第１の導電層を形成し、この第１の導電層の表面に第２の導電層を形成することが好ましい。
【００２４】
次に、例えば、保護膜を除去し、さらに蒸着などによって他方の電極（第２の電極）を作製する。
【００２５】
上述した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の一例によれば、低抵抗領域を電極とＧａＮ層との反応により作製することができ、この場合、以下に例示する種々の作用効果を奏する。
【００２６】
１．低抵抗領域は熱処理による電極の材料の拡散で形成されるため、該電極と低抵抗領域との位置は必然的に同じとなり、従来必要であった低抵抗領域あるいはコンタクトホール位置と電極との位置合わせが不要となる。
【００２７】
２．本発明の低抵抗領域は、基板に加工を施した後ＧａＮ層成長時に低抵抗領域が同時に形成される場合（前記従来技術の第１の方法）とは異なり、電極形成後の熱処理工程により形成される。従ってＧａＮ層の成長条件などとは独立に、熱処理の時間や温度を調節することによって低抵抗領域のキャリア濃度などを正確に、かつ再現性よく制御することができ、発光素子の電気的な抵抗成分の低減が容易になると共に、素子間での特性のばらつきも少ない。
【００２８】
また、従来技術の第１の方法では低抵抗領域はＧａＮ層表面から基板にまで達していたが、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、熱処理工程の条件により、低抵抗領域の深さを制御でき、任意の深さに形成することができる。従って、所望の深さで低抵抗領域を作製でき、素子構造の最適化が図れる。
【００２９】
３．コンタクトホールを作製する場合（前記従来技術の第２の方法）には、エッチングマスクとして用いるＳｉＯ_２層の作製およびドライエッチング工程に多工程と時間を要するが、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、工程が簡素化され、しかも比較的短時間の処理ですみ、経済的な素子作製を容易に行うことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施の形態に限定されるものではない。
【００３１】
図１は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を適用した発光ダイオードの構成を模式的に示す断面図である。
【００３２】
図１において、発光ダイオードはサファイア基板３０を有しており、そのサファイア基板３０上に膜厚約５０ｎｍのＡｌＮのバッファ層３２が形成されている。そのバッファ層３２の上面には、膜厚約２．５μｍのＮ型ＧａＮから成るＮ層３４が形成されている。さらにＮ層３４の上面には、膜厚約０．２μｍの半絶縁性ＧａＮからなるＩ層３６が形成されている。そして、Ｉ層３６の上面には、このＩ層３６に接続される金属製Ｉ側電極４２と、Ｎ層３４に接続される金属製Ｎ側電極４０とが離間した状態で形成されている。そして、Ｎ側電極４０の直下には、Ｉ層３６を貫通し、Ｎ層３４に達するＮ型低抵抗領域３８が形成されている。
【００３３】
前記Ｎ側電極４０は、ニッケル単体、或いは少なくとも、チタンまたはクロムによる第１の導電層と、ニッケルまたはニッケルを含む合金による第２の導電層とが積層された多層構造を有することが好ましい。
【００３４】
次に、この構造の発光ダイオードの製造方法について、図２を参照しながら説明する。
【００３５】
前記発光ダイオードは、ＭＯＶＰＥによる気相成長により製造される。
【００３６】
まず、有機洗浄および熱処理により洗浄したａ面を主面とする単結晶のサファイア基板３０をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、水素ガスを反応室に流しながら温度１２００℃でサファイア基板３０を１０分間気相エッチングした。
【００３７】
次に、ＡｌＮのバッファ層３２を約５０ｎｍの厚さに形成した。続いて、膜厚約２．５μｍのＮ型ＧａＮからなるＮ層３４，膜厚約０．２μｍの半絶縁性のＧａＮから成るＩ層３６を順次形成した。このようにして、図２（ａ）に示すような多層構造のＬＥＤウエハが得られた（第１の工程）。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、Ｉ層３６の上面全体に、蒸着によりＴｉ電極層４０ａおよびＮｉ電極層４０ｂを、厚さがそれぞれ約１０ｎｍ，約３００ｎｍとなるように順次形成する。そして、そのＮｉ電極層４０ｂの上面にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィーにより、フォトレジスト４４がＮ層３４に接続される電極部の形成位置に残るように、所定形状にパターン形成した。次に、図２（ｃ）に示すように、そのフォトレジスト４４をマスクとして下層のＴｉ電極層４０ａ，Ｎｉ電極層４０ｂの露出部をエッチングし、さらにフォトレジスト４４を除去してＮ側電極４０を作製した（第２の工程）。
【００３９】
次に、図２（ｄ）に示すように、Ｉ層３６およびＮ側電極４０の上面全体に蒸着によりＳｉＯ_２層４６を約１００ｎｍの厚さに形成した。そして、窒素ガス中で赤外線ランプなどで試料を加熱し、系が９００℃に達したところで２０秒間以上その温度を保持した後、試料を冷却した。このようにして、図２（ｅ）に示すように、ＧａＮ層内にＮ型低抵抗領域３８を形成した（第３の工程）。
【００４０】
次に、ＳｉＯ_２層４６の上面にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィーにより、フォトレジストがＩ層３６に接続される電極部以外が残るように所定形状にパターン形成する。続いて、試料の上面全体にＡｌ層を蒸着により形成し、さらに試料をＳｉＯ_２剥離液に浸して前記ＳｉＯ_２層４６を除去することで、そのＳｉＯ_２層４６の直上に形成されたフォトレジストおよびＡｌ層を除去し、図２（ｆ）に示すように、Ｉ層３６に接続されたＩ側電極４２を形成した（第４の工程）。
【００４１】
このようにして、図１に示す構造のＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。
【００４２】
上記の製造工程において、Ｎ型低抵抗領域３８は、第３の工程において、熱処理によりＮ側電極４０とＧａＮ層との反応を促すことにより形成されている。このことを確認するために、以下の分析試験を行った。
【００４３】
図３および図４は、試料のＮ側電極４０部分での、熱処理前後の深さ方向における組成変化をオージェ電子分光（ＡＥＳ）分析により観察した結果を示す。なお、図３および図４に示す分析結果においては、理解を容易にするため、Ｔｉ，Ｏ，Ｔｉ＋Ｎの曲線を省略し、ＮｉおよびＧａの曲線のみを示した。
【００４４】
図３および図４を比較すると、熱処理後におけるＮｉのＧａＮ層中への侵入，ＧａのＮｉ層中への侵入が確認され、Ｎ側電極４０の電極材料とＧａＮとの相互拡散によりＮ型低抵抗領域が形成されていることがわかる。
【００４５】
また、上記の方法で製造された図１に示す発光ダイオードは、電流−電圧特性において、立ち上がり電圧が６Ｖであり、従来の構造に比して約３／４となり、駆動電圧の低減に貢献したことが確認された。
【００４６】
なお、上記製造例ではＮ側電極４０としてＴｉおよびＮｉの２層構造の電極を用いたが、ＣｒおよびＮｉの２層構造の電極、あるいはＮｉ１層のみの電極を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を適用した発光ダイオードの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、図１に示す発光ダイオードの製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図３】低抵抗領域が形成されたことを確認するための、熱処理前のオージェ電子分光分析結果を示す図である。
【図４】低抵抗領域が形成されたことを確認するための、熱処理後のオージェ電子分光分析結果を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造例を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、他の従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
３０サファイア基板
３２バッファ層
３４Ｎ層
３６Ｉ層
３８Ｎ型低抵抗領域
４０Ｎ側電極
４２Ｉ側電極

Claims

Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体と、半絶縁性の窒化ガリウム系化合物半導体からなるＩ層と、電極と、を含む半導体発光素子の製造方法において、
窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる前記Ｉ層上にニッケルまたはニッケル合金からなる電極を形成した後、熱処理を行い前記電極の材料を拡散することにより低抵抗領域を形成することを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
請求項１において、
前記熱処理前に、前記Ｉ層および前記電極を覆う保護層を形成し、前記熱処理後に前記保護層を除去することを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
請求項２において、
前記保護層は、ＳｉＯ _２層からなることを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記熱処理は、７００℃から１０００℃の温度で行うことを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記熱処理は、窒素雰囲気中で行うことを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。