JP3797280B2 - Iii族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子に関する。例えば、青色系発光ダイオードなどのIII族窒化物系化合物半導体発光素子のp型層の改良として好適な発明である。
【0002】
【従来の技術】
従来から、多層構造のp型層を備えるIII族窒化物系化合物半導体素子が提案されている。例えば(K.Kumakura and N.Kobayashi ; Jpn J Appl. Phys. 38(1999) L1012)においては、AlGaNとGaNとを繰返し積層してなる超格子構造のp型層が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにp型層を超格子構造とすることにより、それ自体の電気抵抗が低下することとなるが、昨今の素子には更なるp型層の電気的特性の向上が要求されている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者らはこのような超格子構造を有するp型層に着目し、その電気的特性を更に向上させるべき鋭意検討を重ねてきた。その結果、その抵抗を低下させるのに次なる製造方法が有効であることを見出した。即ち、
超格子構造のp型層を有するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子構造の各層をMOCVD法により成長させる間に、V族材料ガスの供給は維持してIII族材料ガスの供給を止めるパージステップが含まれる、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【0005】
【発明の効果】
超格子構造の各層の成長をパージステップで切り分けることにより、p型層の抵抗が低下する(図1参照)。そして、超格子構造の各層の組成を規定することによりその抵抗は更に低下する。特に、AlGaNで形成された超格子構造の各層において、Inをドープするとその抵抗が更に低下し、Inのドープを一層おきとすると、その抵抗が更に更に低下する(図2参照)。Inのドープ量を調整すること(図3参照)及び各層の膜厚を調整すること(図4参照)も、p型層の低抵抗化に影響を及ぼすことが明らかになった。
【0006】
以下、試験例に沿って本発明を更に詳細に説明する。
▲1▼ 試験例1:AlGaN単層
膜厚は1000nmである。
▲2▼ 試験例2:AlGaN:In単層
膜厚は1000nmである。Inのドープ量は気相比でTMI/(TMI+TMG+TMA) = 0.16であり、固相比で1016〜1022/cm3である。
▲3▼ 試験例3:AlGaN\AlGaNの超格子構造
各層の膜厚は8nmであり、繰返し数は120である。
一つの層を形成した後、層表面にH2ガスとNH3ガスを流通させた。各ガスの流量はH2:23、NH3:10slmである。流通時間は2秒である。
▲4▼ 試験例4:AlGaN:In\AlGaN:Inの超格子構造
試験例3において、III族元素として微量のInをドープしたものである。Inのドープ量は気相比:0.16、固相比:1016〜1023/cm3とした。
【0007】
図1の結果において、試験例▲1▼と試験例▲2▼との比較により、単一層において、Inをドープすることにより、抵抗率が低下することがわかる。また、H2ガスとNH3ガスとによりパージステップを実行することにより、AlGaNの単一組成であっても(試験例▲3▼)、Inをドープした場合(試験例▲2▼)と同等の低い抵抗率が得られることが確認できた。Inをドープしたものについて各層をパージステップで切り分けると、更にその抵抗率が低下する(試験例▲4▼参照)。
【0008】
上記において、各試験例の半導体層はMOCVD法にノンドープGaN(2μm)の上に形成したものである。
パージステップは実質的にIII族窒化物系化合物半導体層をMOCVD法で成長させるときに、III族原料ガスの供給を止めることにより行うことができる。キャリアガスはH2ガスとすることが好ましい。
このパージステップを介挿することにより半導体層の抵抗率が低下する理由は、V族材料ガス(NH3ガス)を供給することにより、半導体結晶中においてV族元素の欠損を防止できるためと考えられる。
パージステップにおいて、H2ガスとNH3ガスとの混合比は特に限定されるものではないが、製造工程管理を容易にする観点から、半導体層を成長させるときと同じ混合比とすることが好ましい。
パージステップの実行時間も特に限定されるものではないが、1〜20秒とすることが好ましい。更に好ましくは1〜5秒である。
【0009】
パージステップを行うことによる抵抗率の低下は他のIII族窒化物系化合物半導体においても得られると考えられる。
ここに、III族窒化物系化合物半導体は一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるであるが必須ではない。
有機金属気相成長法(MOCVD法)のほか、ハライド気相成長法(HVPE法)等によって各層を形成した場合においても当該パージステップを実行することにより、低抵抗化の効果が得られるものと考えられる。
なお、本明細書において、III族窒化物系化合物半導体素子には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、FET等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙げられる。また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
なお、発光素子の構成としては、MIS接合、PIN接合やpn接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。量子井戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)含む層を採用することもできる。
【0010】
試験例▲3▼及び▲4▼においては、各AlGaN層は全て同じ組成としたが、AlxGa1−xN\AlyGa1−yN(x≠y)の繰返し構造とすることもできる。
【0011】
図2に試験例5を示した。
▲5▼ 試験例5:AlGaN\AlGaN:Inの超格子構造
試験例5の半導体層は、試験例4のそれにおいて、一方の層へのみInをドープしたものである。Inのドープ量は試験例4と同じである。
試験例5の結果から、繰返し構造の一方のみへInをドープすると、抵抗率が更に低下することが確認できた。
【0012】
図3において、Inのドープ量と抵抗率との関係を調べた。
試験例5の構成において、Inのドープ量を変化させたところ、Inの材料ガスであるTMI(トリメチルインジウム)の供給量が50sccmを超えたあたりから抵抗率が大きく低下し始めた。当該50sccmのときのIII族材料ガス(TMG、TMA、TMI)におけるTMI(In材料ガス)の供給量は9体積%である。従って、III族材料ガス中においてTMIの供給量を9体積%以上とすることが好ましい。更に好ましくは16体積%以上であり、更に更に好ましくは25体積%以上である。なお、TMI供給量の上限は特に制限されるものではないが、500sccmとすることが好ましい。
換言すれば、超格子構造を構成する層においてInの添加量は1016/cm3以上とすることが好ましく、更に好ましくは1017/cm3以上であり、更に更に好ましくは1018/cm3%以上である。Inの組成比の上限は特に制限されるものではないが、1022/cm3以下とすることが好ましく、更に好ましくは1023/cm3以下とする。
【0013】
図3の例では、試験例5の構造(AlGaN\AlGaN:In)についてのInの配合量について検討したが、ここで得られたInの配合量は試験例2(AlGaN:In単層)、試験例4(AlGaN:In\AlGaN:In)にも適用されると考えられる。
更に敷衍して、GaN:In単層、AlxGa1−xN:In\AlyGa1−yN:In(0≦x≦1、0≦y≦1)、AlxGa1−xN\AlyGa1−yN:In(0≦x≦1、0≦y≦1)の場合にも当該Inの配合量の関係は適用されると考えられる。
【0014】
図4において、超格子構造を構成する層の膜厚と抵抗率との関係を調べた。
試験例5の構成において、各層の膜厚を変化させたところ、膜厚が15nmを超えるあたりから抵抗率が高くなることがわかった。この結果より、各層の膜厚は18nm以下とすることが好ましい。更に好ましくは5〜15nmである。
【0015】
図4の例では、試験例5の構造(AlGaN\AlGaN:In)についての各膜について検討したが、ここで得られた膜厚の関係は試験例3(AlGaN\AlGaN)、試験例4(AlGaN:In\AlGaN:In)にも適用されると考えられる。
更に敷衍して、AlxGa1−xN\AlyGa1−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)、AlxGa1−xN:In\AlyGa1−yN:In(0≦x≦1、0≦y≦1)、AlxGa1−xN\AlyGa1−yN:In(0≦x≦1、0≦y≦1)の場合にも膜厚の関係は適用されると考えられる。
【0016】
以上の試験例では、Mg等のp型不純物を何ら添加していないが、p型不純物を添加した場合も同等な効果が得られるものと考えられる。
【0017】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
図5に実施例の発光ダイオード10の構成を示す。
【0018】
基板1の上にはバッファ層2を介してn型不純物してSiをドープしたGaNからなる第1の層(n型層)3を形成した。ここで、基板1にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
【0019】
ここで第1の層はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型層はn型不純物してSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
第1の層3は発光する層を含む層(第2の層)4側の低電子濃度n-層とバッファ層2側の高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができる。
第2の層(発光する層を含む層)4は量子井戸構造の発光層を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
【0020】
第2の層4は第3の層(p型層)5の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは第2の層4中に注入された電子が第3の層5に拡散するのを効果的に防止するためである。
【0021】
第2の層4の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなる第3の層5を形成した。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。
さらに、第3層5を第2の層側の低ホール濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができる。
【0022】
上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成する。キャリアガスはH2、V族材料ガスはNH3である。そして、第4の層6において、一つの層を形成した後、III族材料ガス(TMG、TMA及び必要に応じてTMI)及びドープガス(RC5H4)2Mgをとめ、H2ガスとNH3ガスとを流通させてパージを5秒間実行する。基板温度は特に変化させずほぼ1000℃を維持する。
【0023】
その後、マスクを形成して第4の層6、第3の層5、第2の層4及び第1の層3の一部を反応性イオンエッチングにより除去し、n電極9を形成すべきn電極形成面11を表出させる。
【0024】
次に、ウエハの全面に、蒸着装置にて、Co層(1.5nm)とAu層(60nm)を順次積層する。次に、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電極形成面11及びその周囲からほぼ10μm幅の部分(クリアランス領域)でフォトレジストを除去して、エッチングによりその部分の透光性電極形成材料を除去し、半導体層5を露出させる。その後、フォトレジストを除去する。
次に、リフトオフ法により、V層(17.5nm)、Au層(1.5μm)及びAl層(10nm)を順次蒸着積層してp台座電極形成層を形成する。
なお、バナジウムとアルミニウムとを順次積層してn電極形成層も同様にリフトオフ法により形成される。
【0025】
上記のようにして得られた試料を酸素の存在する雰囲気下で熱処理をする。熱処理の結果、透光性電極形成層は合金化して透光性電極7となり、p台座電極形成層も合金化してp台座電極8となり、n電極形成層も合金化してn電極9となる。
【0026】
比較例
図5に示す実施例の発光ダイオードにおいて、超格子構造の第4の層6(p型)を省略し、当該第4の層の膜厚分だけ第3の層5(p型)を厚くした発光ダイオードを比較例として調製した。即ち、比較例の発光ダイオードのp型層は単一層構造である。
【0027】
実施例の発光ダイオードと比較例の発光ダイオードとの特性を比較したところ、図6の結果を得た。図6の上図は各発光ダイオードへ順方向に20mAの電流を印加したときの駆動電圧を示し、同下図は各発光ダイオードへ順方向に20mAの電流を印加したときの光出力を示す。
図6の結果から、p型層に超格子構造を有する実施例の発光ダイオードは単一層構造のp型層を有する比較例の発光ダイオードに比べて、駆動電圧の低下と光出力の向上がみられる。
【0028】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0029】
以下、次の事項を開示する。
21 III族窒化物系化合物半導体発光素子の超格子構造を製造する方法であって、
前記超格子構造の各層をMOCVD法により成長させる間に、V族材料ガスの供給は維持してIII族材料ガスの供給を止めるパージステップが含まれる、III族窒化物系化合物半導体の超格子構造の製造方法。
22 前記V族材料ガスがNH3ガスであり、キャリアガスとしてH2ガスが採用される、21に記載の製造方法。
23 前記超格子構造のp型層は第1の層と第2の層を繰返し積層したものである、ことを特徴とする21又は22に記載の製造方法。
24 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaNである、ことを特徴とする23に記載の製造方法。
25 前記第1の層はAlGaN:Inであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする23に記載の製造方法。
26 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする23に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
27 前記Inの添加量はIII族元素中において1016〜1022/cm3である、25又は26に記載の製造方法。
28 前記Inの添加量はIII族元素中において1017〜1020/cm3である、25又は26に記載の製造方法。
29 III族材料ガス中において前記Inの材料ガスは5〜50体積%である、25又は26に記載の製造方法。
30 前記第1の層と第2の層の各膜厚は18nm以下である、23〜29の何れかに記載の製造方法。
31 前記第1の層と前記第2の層の各膜厚は5〜15nmである、23〜29のいずれかに記載の製造方法。
41 超格子構造のp型層を有するIII族窒化物系化合物半導体素子であって、前記超格子構造は一つの半導体層を成長させたのち、該半導体層の表面へキャリアガスを供給しかつV族材料ガスの供給を止めてパージし、その後次の半導体層を成長させて得られたものであるIII族窒化物系化合物半導体素子。
42 前記V族材料ガスがNH3ガスであり、キャリアガスとしてH2ガスが採用される、41に記載の製造方法。
43 前記超格子構造のp型層は第1の層と第2の層を繰返し積層したものである、ことを特徴とする41又は42に記載の製造方法。
44 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaNである、ことを特徴とする43に記載の製造方法。
45 前記第1の層はAlGaN:Inであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする43に記載の製造方法。
46 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする43に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
47 前記Inの添加量はIII族元素中において1016〜1022/cm3である、45又は46に記載の製造方法。
48 前記Inの添加量はIII族元素中において1017〜1020/cm3である、45又は46に記載の製造方法。
49 III族材料ガス中において前記Inの材料ガスは5〜50体積%である、45又は46に記載の製造方法。
50 前記第1の層と第2の層の各膜厚は18nm以下である、43〜49の何れかに記載の製造方法。
51 前記第1の層と前記第2の層の各膜厚は5〜15nmである、43〜49のいずれかに記載の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は試験例1〜4のキャリア濃度及び抵抗率を示すグラフである。
【図2】図2は試験例3〜5のキャリア濃度及び抵抗率を示すグラフである。
【図3】図3は試験例5においてIn供給量を変化させたときのキャリア濃度及び抵抗率の変化を示すグラフである。
【図4】図4は試験例5において各層の膜厚を変化させたときのキャリア濃度と抵抗率の変化を示すグラフである。
【図5】実施例の発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図6】実施例の発光ダイオードと比較例の発光ダイオードとの特性を比較したグラフである。
【符号の説明】
5 第3の層
6 第4の層
7 透光性電極
8 p台座電極
9 n電極
10 発光素子
Claims (16)
- 超格子構造のp型層を有するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子構造の各層をMOCVD法により成長させる間に、V族材料ガスの供給は維持してIII族材料ガスの供給を止めるパージステップが含まれる、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 前記V族材料ガスがNH3ガスであり、キャリアガスとしてH2ガスが採用される、請求項1に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記超格子構造のp型層は第1の層と第2の層を繰返し積層したものである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaNである、ことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第1の層はAlGaN:Inであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第1の層はAlGaNであり、前記第2の層はAlGaN:Inである、ことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記Inの添加量はIII族元素中において1016〜1022/cm3である、請求項5又は6に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記Inの添加量はIII族元素中において1017〜1020/cm3である、請求項5又は6に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- III族材料ガス中において前記Inの材料ガスは5〜50体積%である、請求項5又は6に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第1の層と第2の層の各膜厚は18nm以下である、請求項3〜9の何れかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第1の層と前記第2の層の各膜厚は5〜15nmである、請求項3〜9のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 超格子構造のp型層を有するIII族窒化物系化合物半導体素子であって、
前記超格子構造のp型層はAlGaN:Inからなる第1の層とAlGaN:Inからなる第2の層を繰返し積層したもの、若しくはAlGaNからなる第1の層とAlGaN:Inからなる第2の層を繰返し積層したものであり、前記Inの添加量は III 族元素中において10 16 〜10 22 /cm 3 である、III族窒化物系化合物半導体素子。 - 前記Inの添加量はIII族元素中において1017〜1020/cm3である、請求項12に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
- 前記第1の層と第2の層の各膜厚は18nm以下である、請求項12又は13に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
- 前記第1の層と前記第2の層の各膜厚は5〜15nmである、請求項12又は13に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
- 発光する層を更に有する、請求項12〜15の何れかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
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