JPH10242074A - 窒化物半導体素子製造方法 - Google Patents

窒化物半導体素子製造方法

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JPH10242074A
JPH10242074A JP3770597A JP3770597A JPH10242074A JP H10242074 A JPH10242074 A JP H10242074A JP 3770597 A JP3770597 A JP 3770597A JP 3770597 A JP3770597 A JP 3770597A JP H10242074 A JPH10242074 A JP H10242074A
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JP
Japan
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nitride semiconductor
gan
type
electrode
annealing
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JP3770597A
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Yoshifumi Yamaoka
慶文 山岡
Kazu Kaneko
和 金子
Tetsuya Takeuchi
哲也 竹内
Norihide Yamada
範秀 山田
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Hewlett Packard Co
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来は、窒化物半導体を外部と電気的に接続す
るために、窒化物半導体の最外部に位置するp型窒化物
半導体上に金属をを蒸着し、比較的短時間アニーリング
を行なっていた。しかしながら、p型窒化物半導体上の
電極の接触抵抗は高抵抗であった。この接触抵抗部分で
発生する余分な熱がデバイスの信頼性向上および長寿命
化の妨げになっていた。本発明の目的は駆動するための
電圧が低く接触抵抗の低い電極の製造方法を開示するこ
とである。 【解決手段】金属を蒸着して生成した電極部分および窒
化物半導体素子を、従来技術より長い時間アニーリング
することにより、電極部分における接触抵抗の著しい低
減が計られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】半導体素子において、半導体の最
外部に位置し外部との電気的接続のための低接触抵抗を
有する蒸着金属電極の製造方法、より詳細には、窒化物
半導体素子における低接触抵抗を有する蒸着金属電極の
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】III-N化合物(III族元素と窒素とを含む
化合物)半導体(以下窒化物半導体と称する)は半導体
レーザ(以下LDと略する)や半導体発光ダイオード
(以下LEDと略する)等の半導体発光素子や金属ー半
導体電界効果トランジスタ(MESFET)を始めとす
る有益な回路素子に使用するための有望な材料の一つで
ある。特にIII-N化合物半導体の一つであるGaNに基
づく半導体材料(GaN系材料と称する)を使った半導
体レーザ(GaN系半導体レーザ)は、GaN系材料の
禁止帯幅が広いので発光波長が青紫領域にあり、現在の
主力である赤色半導体レーザの発光波長に比較して波長
が短く、その為情報処理機器の読み取り・書き込み処理
機能を格段に向上できることが知られている。例えば、
西暦2000年ごろの容量15GビットのDVDへの使用なども考
えられている。
【0003】上記の特徴が得られるものの、現在のGa
N半導体レーザの寿命は実用レベルの発光強度で短く、
寿命の向上が求められている。また、駆動に必要な電圧
が高い為に、駆動に必要な電気入力パワーが大きく、効
率の面で問題がある。また、このことが、寿命の短い原
因になっている。その原因の中で最も大きなものは、電
極となる金属とGaN系材料との接触抵抗、特にp型電
極(+側)での接触抵抗が大きいことによる。この現象
は、まだはっきりと解明されたわけではないが、GaN
系材料の禁止帯幅が3.4eV等と高いことにより、一般
に、p型GaNと金属電極との低抵抗性接触が困難であ
ることが原因の一つであると考えられている。図1に一
例を示す端面発光型窒化物半導体レーザ1は、サファイ
ア基板2にGaNバッファ層3を堆積しその上にn型Ga
Nコンタクト層4、n型AlGaNクラッド層6、 n型G
aN光導波路層7、InGaN多重量子井戸層8、p型Ga
N光導波路層9、p型AlGaNクラッド層10、p型Ga
Nコンタクト層11を順次堆積して形成したものであ
る。n型GaNコンタクト層4とp型GaNコンタクト
層11とのそれぞれには、それぞれの電極となるn電極
5とp電極12とが形成されている。
【0004】n型GaN(n-GaNとも称する)コンタ
クト層4とn電極5との接触抵抗は、以下に述べるよう
にかなり小さいが、p型GaN(p-GaNとも称する)
コンタクト層11とp電極12との接触抵抗はかなり大
きい。たとえば、Au/Ni電極を備えた代表的な素子
のp電極・p-GaNコンタクト層間比接触抵抗値は2X
10―1Ωcm2ほどあり、電極接触面積300μmX3
00μmの場合でも接触抵抗は200Ω以上となり、0.
1Aの駆動電流でも2W以上の電力を消費する。そのた
め、例えば、25層の量子井戸層を有するInGaN多重
量子井戸構造の発光層を有する青紫色半導体レーザは駆
動電圧20V、駆動電流5Aであって、室温では波長41
7nmでデューティ比0.001のパルス発振が可能ではある
が、連続発振ができない(参照:REF1:「日経エレクト
ロニクス」1996.9.23(no.671),p.9 (日経マグローヒル
社)、以下REF1と称す)。パルス動作のため平均消費電
力は0.1Wで済んでいるが、この青紫色半導体レーザも
連続発振ならば100Wとなる。
【0005】このような高い接触抵抗は他の有用な応用
に置いても寄生抵抗を増加し、消費電力を増し、素子温
度を上昇させ半導体素子本来の機能の性能を劣化させ、
あるいは寿命を縮める事が多く、この接触抵抗の低減が
求められている。 抵抗性接触(即ちオーミック接触)
は「半導体バルクの抵抗による直列抵抗に比べて無視で
きるほど小さな接触抵抗を有する金属・半導体接触」と
定義され、その性能指数は比接触抵抗:Rcで表わされ
る。比接触抵抗Rcは金属電極と半導体との障壁φBの
増減にたいして指数関数的に増減するのでφBを小さく
することがもとめられる。またトンネル電流が支配的な
高不純物添加濃度Nの領域では、比抵抗RcはφBN-1/2
の項の増減にたいして指数関数的に増減するので濃度N
を増加することも効果がある。
【0006】従来技術の一つでは、p-GaNの不純物
濃度を1018cm-3から一桁高い値とすることが考えられて
いるが(REF.1)、そうするとアクセプタの活性化率が著
しく低下したり、結晶性が極端に劣化する問題があり良
好な結果は現状では得られていない。
【0007】最近GaNにMgを不純物導入したGa
N:Mgを高温(800℃)で活性化しホールキャリア
濃度を4−8×1017cm-3にしたのち金属電極(Au/N
i)を蒸着してアニールすることで10-2Ωcm2に比接触抵
抗を低減したとの報告がある(小林他:p型GaNにN
i/Auコンタクト材の電気的特性と界面構造、第42
回応用物理学関係連合講演会(1995年春季)、講演番号3
0a-ZH-8,1995l)。しかしこの程度の値では不十分であ
り、さらなる比接触抵抗低減の要求は依然として強い。
【0008】
【発明の解決すべき課題】従来は、窒化物半導体を外部
と電気的に接続するために、窒化物半導体の最外部に位
置する、p型窒化物半導体上にニッケル(Ni、以下N
iと略する)を蒸着し電極としていた。しかしp型窒化
物半導体上の電極の接触抵抗は高抵抗であり、また駆動
するためのしきい値電圧が高かった。このために発光素
子に利用した場合には、所望の光量を放射させるのに、
駆動電圧が高くなり、接触抵抗の部分で余分な熱を発生
していた。この熱は発光素子の連続発振の障害、さらに
デバイスの信頼性向上および長寿命化の妨げになってい
た。本発明の目的は、簡単な方法で低比接触抵抗を有す
るp型窒化物半導体上の低抵抗電極を実現することであ
る。さらに本発明の他の目的は、本発明を窒化物半導体
発光素子に適用することにより、低電圧駆動、高効率、
高信頼性、および長寿命を有するLEDおよびLD等の
窒化物半導体発光素子を実現することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明では、窒化物半導
体の最外部に位置するp型窒化物半導体層の上に生成さ
れる低抵抗の電極を提供するために、電極部を含むp型
窒化物半導体を従来技術より長時間アニーリングするこ
とにより、接触抵抗の低減が計られる。
【0010】
【実施例】本明細書において、窒化物半導体として、Z
n、Si、Mg等を不純物として含み、GaN,InG
aN,AlGaN等に代表されるGaNを主成分とする
窒化物半導体をGaN系半導体と呼び、このGaN系半
導体を例にとって説明する。GaN系半導体を製造する
工程の中で、基板の上にバッファ層、コンタクト層、ク
ラッド層、光導波路層等を堆積する工程、およびコンタ
クト層にMg等をドーピングする工程については、当業
者には周知のことであり、また本発明の課題ではないの
で説明を割愛する。ここではGaN系半導体の最外部に
位置するp型GaN上にあり、外部との低抵抗の電気的
接触を可能にする電極の蒸着およびその後のアニーリン
グについて説明する。
【0011】電極の蒸着工程 従来は、半導体素子において外部との電気的接続のため
の端子形成のために、電極となるAu、Pt、Ni、I
r等の金属を半導体上に蒸着し、その後高温度で、比較
的短い時間、例えば1〜2分アニールする方法がよく用
いられてきた。これによって、界面において金属−半導
体の合金が形成され安定した抵抗性接触を得ることがで
きる。本実施例では、窒化物半導体素子としてGaNを
用い、電極となる金属としてNi/Auを選んだ。これ
らの金属を電子ビーム加熱真空蒸着法を用いて、最外部
にあるp型GaN上に蒸着した。蒸着金属の厚さは、N
iを1.4nm、その上にAuを200nmで蒸着し
た。
【0012】アニーリング工程 しかしながら、従来方法に従った1〜2分間のアニーリ
ングでは、電極の接触抵抗がまだ大きい。このためにこ
れらの窒化物半導体素子を駆動するのに、動作時に接触
抵抗部で発生する熱が問題となっていた。本発明に開示
する方法では、従来技術における1〜2分のアニーリン
グに比べてより長い4時間以上のアニーリングを行な
う。このアニーリングは約500℃の温度の窒素雰囲気
中で行なわれる。
【0013】以下に示す各データは、p型GaN半導体
上に蒸着されたNi/Auからなる金属パターンの接触
抵抗をTLM法(Transmission Line Method)で測定し
たものである。アニーリングの時間経過とともに変化す
る比接触抵抗値の値を示す。
【0014】アニーリング前には、比接触抵抗が約6X
10ー2Ωcm2であったものが、アニーリング4時間後
は 1.3X10ー2Ωcm2、アニーリング9時間後は
6.9X10ー3Ωcm2、アニーリング16時間後は
1.6X10ー3Ωcm2となり約2桁の改善が見られ
た。16時間以上経過すると、逆に比接触抵抗の上昇傾
向が見られる。今回、アニーリングの温度は約500℃
で行なった. 通常のアニーリングが行われる約400℃
から約600℃の範囲でも同様の効果が得られると考え
られる。比較的長時間アニーリングすることにより比接
触抵抗が減少していくのは、蒸着された金属、この場合
はNiがGaN内部に十分に拡散していき、コンタクト
をよくするためであると考えられる。アニーリングの時
間は、約16時間で最良値が得られた。本明細書はp型
窒化物半導体層の上に生成される低接触抵抗の電極を生
成するための一つの方法について開示している。当業者
には周知の従来技術と組み合わせることにより、さらに
効果的な改善が期待できることは明らかである。
【0015】
【発明の効果】窒化物半導体素子の外部との低抵抗の電
気的接続を可能にする電極生成に関する本発明の開示に
より次の様な効果が期待できる。 1)窒化物半導体素子の効率的駆動が可能 p-型窒化物半導体素子を駆動するためのしきい値電圧、
および入力電圧が低減され、入力電力に対する出力の割
合としての素子駆動効率が改善される。 2)窒化物半導体素子の高信頼性化、および高寿命化が
可能 窒化物半導体素子を駆動するときの電極部での接触抵抗
の低減により、駆動時に発生する余分な熱が低減でき、
半導体素子の信頼性が向上し、寿命が延びる。 3)窒化物半導体発光素子の高効率化、高信頼性化、高
寿命化が可能 LED、LD等の発光素子に利用したときに、高効率、
高信頼性、高寿命の窒化物半導体発光素子の製造が可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】端面発光型窒化物半導体レーザの一例の断面図
である。
【符号の説明】
1 端面発光型窒化物半導体レーザ 2 サファイア基板 3 GaNバッファ層 4 n型GaNコンタクト層 5 n電極 6 n型AlGaNクラッド層 7 n型GaN光導波路層 8 InGaN多重量子井戸層 9 p型GaN光導波路層 10 p型AlGaNクラッド層 11 p型GaNコンタクト層 PbQ p電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 哲也 神奈川県川崎市高津区坂戸3丁目2番2号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内 (72)発明者 山田 範秀 神奈川県川崎市高津区坂戸3丁目2番2号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】p型窒化物層上を有する窒化物半導体素子
    の製造において、前記p型窒化物層に金属電極を蒸着し
    た後、前記金属電極を含む前記窒化物半導体素子を約40
    0℃から約600℃の範囲の窒素雰囲気中で少なくとも4時
    間アニーリングすることを特徴とする窒化物半導体素子
    製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の窒化物半導体素子製造方
    法において、前記窒化物半導体がGaN系半導体である
    ことを特徴とする窒化物半導体素子製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の窒化物半導体素子製造方
    法において、前記金属電極がNiおよびAuを含むこと
    を特徴とする窒化物半導体素子製造方法。
JP3770597A 1997-02-21 1997-02-21 窒化物半導体素子製造方法 Pending JPH10242074A (ja)

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