JP4765751B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
(2)前記n型窒化物半導体のドナー濃度が1×1018cm−3以上である、前記(1)に記載の製造方法。
(3)前記ドナー原料がSiを含む、前記(1)または(2)に記載の製造方法。
(4)前記n型窒化物半導体がn型GaNである、前記(3)に記載の製造方法。
(5)前記n型窒化物半導体の抵抗率が0.01Ω・cm以下である、前記(4)に記載の製造方法。
(6)前記n型窒化物半導体をp型窒化物半導体層上に接して形成する、前記(1)または(2)に記載の製造方法。
(7)更に、前記n型窒化物半導体の表面上にオーミック電極を形成する工程を有する、前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(8)発光素子の製造方法である、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)前記3族原料とドナー原料とを交互に供給する際のドナー原料の流量を、当該流量をその0.5倍から2倍まで変化させたときの前記n型窒化物半導体の抵抗率の変化幅が0.01Ω・cm未満となる流量に設定する、前記(1)に記載の製造方法。
本発明の製造方法は、基板上に窒素原料を連続的に供給しつつ、3族原料とドナー原料とを交互に供給して、n型窒化物半導体を形成する工程を有するものであるが、以下では、このようなn型窒化物半導体の形成方法を「交互供給法」とも呼ぶことにする。
図1は、本発明の製造方法により製造される発光ダイオード素子の一構造例を示す模式断面図である。図1において、1はサファイア基板、2はAlGaNからなる低温バッファ層、3はSiドープGaNからなるn型クラッド層、4はGaN障壁層とInGaN井戸層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層、5はMgドープAlGaNからなるp型クラッド層、6はMgドープGaNからなるp型コンタクト層、P1は部分的に露出したn型クラッド層3に形成された負側のオーミック電極、P2はp型コンタクト層6上の略全面を覆って形成された透光性を有する正側のオーミック電極、P3は正側のオーミック電極P2に電気的に接続されたボンディングパッドである。n型クラッド層3は、交互供給法により形成されたn型窒化物半導体層である。
まず、サファイア基板1をMOVPE装置の成長炉内に設置し、水素気流中で1100℃に加熱することにより、その表面のクリーニングを行う。
次に、基板温度を500℃に下げ、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニアを基板上に供給して、AlGaNからなる低温バッファ層2を30nmの厚さに形成する。
次に、基板温度を1000℃に上げ、交互供給法により、n型クラッド層3を3μmの厚さに形成する。具体的には、原料としてアンモニアを流量6slmで連続的に供給しつつ、TMGとシランを交互に供給する。TMGを供給する際には、キャリアガスに水素ガスを用い、流量を42sccmとし、1回当たりの供給時間を1秒とする。シランは水素ガスで10ppmに希釈したものを用い、流量を4sccmとし、1回当たりの供給時間を1秒とする。
次に、基板温度を700℃〜800℃に下げ、キャリアガスとして窒素ガスを用い、原料としてTMG、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニアを用いて、厚さ10nmのGaN障壁層と、厚さ3nmのInGaN井戸層とを交互に成長させ、活性層4を形成する。障壁層および井戸層への不純物のドーピングは任意に行うことができる。
次に、基板温度を1000℃に上げ、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてTMA、TMG、アンモニア、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を基板上に供給して、p型クラッド層5を30nmの厚さに形成する。
次に、基板温度を1000℃に保ったまま、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてTMG、アンモニア、Cp2Mgを基板上に供給して、p型コンタクト層6を100nmの厚さに形成する。
p型コンタクト層6の形成後、基板加熱を停止して、ウェハを室温まで冷却する。この冷却の際の雰囲気を、微量のアンモニアを含む不活性ガス雰囲気とすることで、p型クラッド層5およびp型コンタクト6にアクセプターとして添加したMg(マグネシウム)を活性化させることができる。また、アンモニア雰囲気で冷却を行い、冷却後のウェハに対してアニーリング処理や電子線照射処理を行って、Mgを活性化させてもよい。
図2は、本発明の製造方法により製造される発光ダイオード素子の、他の構造例を示す模式断面図である。図2において、1はサファイア基板、2はAlGaNからなる低温バッファ層、3はSiドープGaNからなるn型クラッド層、4はGaN障壁層とInGaN井戸層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層、5はMgドープAlGaNからなるp型クラッド層、6はMgドープGaNからなるp型中間層、7はSiドープGaNからなるn型コンタクト層、P1は部分的に露出したn型クラッド層3に形成された負側のオーミック電極、P2はn型コンタクト層6に形成された正側のオーミック電極である。p型中間層6とn型コンタクト層7の間にはトンネル接合が形成されている。正側のオーミック電極P2は、例えば、Al、Ti(チタン)、W(タングステン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)などから選ばれる一種以上の金属を用いて形成することができる他、ITO(インジウム錫酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、酸化錫、酸化亜鉛などの導電性酸化物で形成することもできる。
p型クラッド層5上に設けるp型中間層6は、基板温度を1000℃とし、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてTMG、アンモニア、Cp2Mgを基板上に供給して、100nmの厚さに形成する。p型中間層6のMg濃度は、5×1019cm−3となるようにする。
p型中間層6の形成後、基板温度を1000℃に保持したまま、交互供給法により、n型コンタクト層7を1μmの厚さに形成する。具体的には、原料としてアンモニアを流量6slmで連続的に供給しつつ、TMGとシランを交互に供給する。TMGを供給する際には、キャリアガスに水素ガスを用い、流量を42sccmとし、1回当たりの供給時間を1秒とする。シランは水素ガスで10ppmに希釈したものを用い、流量を16sccmとし、1回当たりの供給時間を1秒とする。
なお、p型クラッド層5やp型中間層6の形成時に供給したCp2Mgが成長炉の内壁等に吸着して系内に残留し、後に成長するn型コンタクト層7に混入する、いわゆる「メモリー効果」が問題となる場合には、p型中間層6の形成後、ウェハをMOVPE装置から取出し、成長系内からCp2Mgを除去する処置を行うか、あるいは、n型コンタクト層7の形成を、異なるMOVPE装置を用いて行うことにより、この問題を解決することができる。
n型コンタクト層7の形成後、基板加熱を停止して、ウェハを室温まで冷却する。この冷却の際の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることで、p型クラッド層5およびp型中間層6にアクセプターとして添加したMgを活性化させることができる。また、アンモニア雰囲気で冷却を行い、冷却後のウェハに対してアニーリング処理を施して、p型クラッド層5およびp型中間層6に添加したMgを活性化させてもよい。
電極の形成後、この分野の周知の方法を用いて、ウェハからチップ状の発光ダイオード素子を切り出す。
3族原料と窒素原料とドナー原料とを同時に基板上に供給して、n型窒化物半導体の形成を行う従来の方法では、3族原料とドナー原料の供給量の比率によって、形成されるn型窒化物半導体の抵抗率を制御できる利点がある反面、ウェハ面内でこの比率が不均一となった場合には、形成されるn型窒化物半導体の抵抗率も不均一となるために、一枚のウェハから得られるチップ間で特性が大きく変動するという問題がある。また、ひとつの成長炉内に複数枚の基板を設置することのできる量産用のMOVPE装置を用いた場合には、更に、ウェハ間で3族原料とドナー原料の供給量の比率が変動するので、ウェハ間でのn型窒化物半導体の抵抗率の変動が発生する。
本発明の製造方法の好適な実施形態によれば、このような従来技術の問題点を解決する方法が提供される。以下、このことを実験例に基づいて説明する。
本実験例1で用いたサンプルの構造を図3に模式的に示す。図3において、10はサファイア基板、21は低温バッファ層、22はアンドープGaN層、30はn型GaN層である。このサンプルの作製方法は次の通りである。
まず、直径2インチのc面サファイア基板10をMOVPE装置の成長炉内に設置し、水素気流中で1100℃に加熱することにより、その表面のクリーニングを行った。
次に、基板温度を500℃に下げ、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてTMGとアンモニアを供給して、基板10上にGaNからなる低温バッファ層21を30nmの厚さに形成した。
次に、基板温度を1000℃に上げ、キャリアガスとして水素ガスを用い、原料としてTMGとアンモニアを供給して、低温バッファ層21上にアンドープGaN層22を2μmの厚さに形成した。
次に、基板温度を1000℃に保ったまま、交互供給法により、n型GaN層30を2μmの厚さに形成した。このn型GaN層30を形成する際に、基板上に供給するTMGの量とシランの量との比率を4通りに変化させて、4種類のサンプル(サンプルA〜サンプルD)を作製した。具体的には、TMGをキャリアガスに水素ガスを用いて供給する際の流量を42sccmに固定し、TMGの供給時間と、シランの流量および供給時間を、表1に示すように設定した。TMGの供給量に対するシランの供給量の比率は、サンプルAを1としたとき、サンプルBは2.5、サンプルCは10、サンプルDは40である。いずれのサンプルにおいても、n型GaN層30を形成する際に基板10に供給するアンモニアの流量は6slmとし、また、シランは水素ガスで10ppmに希釈したものを用いた。
一方で、シランの供給量が増加するにつれ、n型GaN層におけるキャリアの移動度が低下する傾向が見られ、n型GaN層の抵抗率が0.01Ω・cm以下となる領域では、シランの供給量の変化に対するn型GaN層の抵抗率の変化が極めて小さくなっている。具体的には、サンプルCとサンプルDとでは、n型GaN層を形成するときに供給したシランの量に4倍の差があるが、それにもかかわらず、形成されたn型GaN層の抵抗率の差は、僅か0.003Ω・cmである。例えば、図1に示した発光ダイオード素子において、n型クラッド層3の抵抗率にこの程度のバラツキがあっても、それが素子特性に与える影響は無視できる程度となる。従って、n型GaN層を成長する際のシランの供給量を、サンプルCにおける供給量とサンプルDにおける供給量の中間の値に設定すれば、該n型GaN層の形成時にウェハ面内やウェハ間で3族原料とドナー原料の供給量の比率に多少の不均一が生じても、得られるn型GaN層の抵抗率の変動は極めて小さなものとなり、それによる半導体素子チップ間の特性の変動も無視できる程度となる。
本発明の製造方法では、基板として、サファイア基板の他に、SiC基板、GaN基板、AlGaN基板、AlN基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、スピネル基板、ZnO基板、NGO(NdGaO3)基板、LGO(LiGaO2)基板、LAO(LaAlO3)基板、ZrB2基板、TiB2基板などの単結晶基板を好適に用いることができる。本発明の製造方法により製造される窒化物半導体素子は、本発明の製造方法に用いられた基板を必須として含むものではなく、該基板は、研磨、エッチング、レーザリフトオフなどの方法によって除去される場合がある。
2 低温バッファ層
3 n型クラッド層
4 活性層
5 p型クラッド層
6 p型コンタクト層
P1 負側のオーミック電極
P2 正側のオーミック電極
P3 ボンディングパッド
Claims (9)
- 有機金属化合物気相成長法によってn型窒化物半導体を基板上に層状に形成する工程を含んでいる窒化物半導体素子の製造方法において、前記基板上に窒素原料を連続的に供給しつつ3族原料とドナー原料とを交互に供給して前記n型窒化物半導体を形成することを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記n型窒化物半導体のドナー濃度が1×1018cm−3以上である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記ドナー原料がSiを含む、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記n型窒化物半導体がn型GaNである、請求項3に記載の製造方法。
- 前記n型窒化物半導体の抵抗率が0.01Ω・cm以下である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記n型窒化物半導体をp型窒化物半導体層上に接して形成する、請求項1または2に記載の製造方法。
- 更に、前記n型窒化物半導体の表面上にオーミック電極を形成する工程を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 発光素子の製造方法である、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記3族原料とドナー原料とを交互に供給する際のドナー原料の流量を、当該流量をその0.5倍から2倍まで変化させたときの前記n型窒化物半導体の抵抗率の変化幅が0.01Ω・cm未満となる流量に設定する、請求項1に記載の製造方法。
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