JPH11330546A - Iii族窒化物半導体およびその製造方法 - Google Patents
Iii族窒化物半導体およびその製造方法Info
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- JPH11330546A JPH11330546A JP12847198A JP12847198A JPH11330546A JP H11330546 A JPH11330546 A JP H11330546A JP 12847198 A JP12847198 A JP 12847198A JP 12847198 A JP12847198 A JP 12847198A JP H11330546 A JPH11330546 A JP H11330546A
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- iii nitride
- group iii
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Abstract
(57)【要約】
【課題】エピタキシャル成長したIII族窒化物半導体
層上のオーミック電極の接触抵抗を低減する。 【解決手段】オーミック電極として、窒素ラジカルを用
いたMBEによりIII族窒化物半導体の表面に、Ti
N、ZrN等のIVa族金属の窒化物を形成する。
層上のオーミック電極の接触抵抗を低減する。 【解決手段】オーミック電極として、窒素ラジカルを用
いたMBEによりIII族窒化物半導体の表面に、Ti
N、ZrN等のIVa族金属の窒化物を形成する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
ガリウムインジウム(以下Alx Gay In1-x- y Nと
記す、但しx=0〜1、y=0〜1)などのIII族窒
化物半導体を用いた発光素子に関する。
ガリウムインジウム(以下Alx Gay In1-x- y Nと
記す、但しx=0〜1、y=0〜1)などのIII族窒
化物半導体を用いた発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】直接遷移で、しかも光学エネルギーギャ
ップが1.9〜6.2eVの範囲で制御可能なAlx G
ay In1-x-y N系材料を使った半導体レーザーや、発
光ダイオードが試作されている。ウルツ鉱型構造である
Alx Gay In1-x-y N系材料では良質で大型の基板
結晶が得られておらず、したがってそのAlx Gay I
n1-x-y N系材料を使った半導体レーザーや発光素子の
ためには、格子定数や熱膨張係数の異なる基板上にヘテ
ロエピタキシャル成長をおこなわなけらばならない。こ
れまでに、エピタキシャル成長用の基板として、格子定
数や熱膨張係数の整合性の良さから、主としてサファイ
ア(Al2 O3 )、スピネル(MgAl2 O4 )、炭化
けい素(以下SiCと記す)やシリコン(以下Siと記
す)などが使用されている。そして、不純物としてSi
やマグネシウム(Mg)を添加することによるn型、p
型の価電子制御や、Alx Gay In1-x-y Nのxやy
を変える組成制御により光学エネルギーギャップの制御
が実現され、ダブルへテロ(DH)構造のレーザが試作
されている。
ップが1.9〜6.2eVの範囲で制御可能なAlx G
ay In1-x-y N系材料を使った半導体レーザーや、発
光ダイオードが試作されている。ウルツ鉱型構造である
Alx Gay In1-x-y N系材料では良質で大型の基板
結晶が得られておらず、したがってそのAlx Gay I
n1-x-y N系材料を使った半導体レーザーや発光素子の
ためには、格子定数や熱膨張係数の異なる基板上にヘテ
ロエピタキシャル成長をおこなわなけらばならない。こ
れまでに、エピタキシャル成長用の基板として、格子定
数や熱膨張係数の整合性の良さから、主としてサファイ
ア(Al2 O3 )、スピネル(MgAl2 O4 )、炭化
けい素(以下SiCと記す)やシリコン(以下Siと記
す)などが使用されている。そして、不純物としてSi
やマグネシウム(Mg)を添加することによるn型、p
型の価電子制御や、Alx Gay In1-x-y Nのxやy
を変える組成制御により光学エネルギーギャップの制御
が実現され、ダブルへテロ(DH)構造のレーザが試作
されている。
【0003】上記のエピタキシャル成長用の各種基板の
中で、サファイアは導電性の基板が得られていない。ま
た劈開面がその上に成長したIII族窒化物と異なるた
め、III族窒化物半導体レーザダイオード(以下LD
と記す)を作製する際に、共振器端面を劈開法により形
成できない。従って、例えば、ドライエッチング法によ
り共振器端面を形成するが、量産性及び素子寿命に大き
な問題を抱えている。
中で、サファイアは導電性の基板が得られていない。ま
た劈開面がその上に成長したIII族窒化物と異なるた
め、III族窒化物半導体レーザダイオード(以下LD
と記す)を作製する際に、共振器端面を劈開法により形
成できない。従って、例えば、ドライエッチング法によ
り共振器端面を形成するが、量産性及び素子寿命に大き
な問題を抱えている。
【0004】またSiCを基板はサファイア基板と同様
に、劈開面が成長したIII族窒化物のそれと異なるだ
けでなく、高価であり量産に適さない。それらに対し
(111)面方位のSi基板では、原子間距離は、0.
384nmであり、例えばGaNの原子間距離0.31
9nmと近く、その上に(0001)面方位のIII族
窒化物をエピタキシャル成長することができる。そして
シリコン基板の劈開面は(111)面であり、成長した
III族窒化物の劈開面(1、−1、0 0)面と稜を
共有する連続面とすることができる。また価格も安価
で、低抵抗基板の供給も可能であるため工業的にも有望
とされている。
に、劈開面が成長したIII族窒化物のそれと異なるだ
けでなく、高価であり量産に適さない。それらに対し
(111)面方位のSi基板では、原子間距離は、0.
384nmであり、例えばGaNの原子間距離0.31
9nmと近く、その上に(0001)面方位のIII族
窒化物をエピタキシャル成長することができる。そして
シリコン基板の劈開面は(111)面であり、成長した
III族窒化物の劈開面(1、−1、0 0)面と稜を
共有する連続面とすることができる。また価格も安価
で、低抵抗基板の供給も可能であるため工業的にも有望
とされている。
【0005】図2は、Si基板を用いたLDチップの模
式断面図である。(111)方位のSi基板1上にn型
窒化アルミニウム(以下AlNと略す)バッファ層2を
介して、n型窒化ガリウム(以下GaNと略す)コンタ
クト層3、n型窒化アルミニウムガリウム(以下Al
0.2 Ga0.8 Nと略す)クラッド層4、窒化インジウム
ガリウム(以下In0.2 Ga0.8 Nと略す)活性層5、
p型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層6、p型GaNコン
タクト層7が例えば、窒素源にrf励起の窒素ラジカル
を用いた分子線エピタキシー(以下MBEとする)によ
るエピタキシャル成長で順次積層されている。エピタキ
シャル層の面方位は(0001)面である。p型GaN
コンタクト層7上には、活性層の一部に電流を流すため
の電流狭窄層としてシリコン酸化膜(以下SiO2 膜と
記す)があり、その隙間を通じて、p側電極がp型Ga
Nコンタクト層7に接触している。p側電極は、ニッケ
ル(Ni)層8a(100nm)/モリブデン(Mo)
層8b(50nm)/金(Au)層8c(300nm)
からなるオーミック電極である。Si基板1の裏面側に
は、Ti(100nm)/Ni(500nm)/Au
(200nm)からなる裏面電極9が設けられている。
LDチップの共振器端面は、例えば劈開法により形成さ
れる。(111)方位のSi基板で劈開すると、図のよ
うに劈開面は約70.5度の角度をとる。一方III族
窒化物の劈開面は成長面に対しほぼ直角に割れる。
式断面図である。(111)方位のSi基板1上にn型
窒化アルミニウム(以下AlNと略す)バッファ層2を
介して、n型窒化ガリウム(以下GaNと略す)コンタ
クト層3、n型窒化アルミニウムガリウム(以下Al
0.2 Ga0.8 Nと略す)クラッド層4、窒化インジウム
ガリウム(以下In0.2 Ga0.8 Nと略す)活性層5、
p型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層6、p型GaNコン
タクト層7が例えば、窒素源にrf励起の窒素ラジカル
を用いた分子線エピタキシー(以下MBEとする)によ
るエピタキシャル成長で順次積層されている。エピタキ
シャル層の面方位は(0001)面である。p型GaN
コンタクト層7上には、活性層の一部に電流を流すため
の電流狭窄層としてシリコン酸化膜(以下SiO2 膜と
記す)があり、その隙間を通じて、p側電極がp型Ga
Nコンタクト層7に接触している。p側電極は、ニッケ
ル(Ni)層8a(100nm)/モリブデン(Mo)
層8b(50nm)/金(Au)層8c(300nm)
からなるオーミック電極である。Si基板1の裏面側に
は、Ti(100nm)/Ni(500nm)/Au
(200nm)からなる裏面電極9が設けられている。
LDチップの共振器端面は、例えば劈開法により形成さ
れる。(111)方位のSi基板で劈開すると、図のよ
うに劈開面は約70.5度の角度をとる。一方III族
窒化物の劈開面は成長面に対しほぼ直角に割れる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のIII族窒素化
合物半導体装置において、p側電極が上述のような構成
の場合の接触抵抗を測定するために、フォトリソグラフ
ィーにより短冊状の電極を形成し、transmiss
ion line measurements法(以下
tlm法と記す)を用いて、測定したところ、約5.0
×10-3Ωcm-2程度であった。これはLDの発光の
際、動作電圧が増大する要因になる。
合物半導体装置において、p側電極が上述のような構成
の場合の接触抵抗を測定するために、フォトリソグラフ
ィーにより短冊状の電極を形成し、transmiss
ion line measurements法(以下
tlm法と記す)を用いて、測定したところ、約5.0
×10-3Ωcm-2程度であった。これはLDの発光の
際、動作電圧が増大する要因になる。
【0007】本発明は、この課題を解決するためになさ
れたものでありその目的は、接触抵抗の低いオーミック
電極を持つIII族窒化物半導体を提供することにあ
る。
れたものでありその目的は、接触抵抗の低いオーミック
電極を持つIII族窒化物半導体を提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め本発明のIII族窒化物半導体は、エピタキシャル成
長したIII族窒化物半導体層上のオーミック電極とし
て、チタン、ジルコニウムなどIVa族元素の窒化物を
用いるものとする。そのようにすれば、後述実施例のよ
うに、従来の金属によるオーミック電極の約1/5の低
い接触抵抗が得られる。
め本発明のIII族窒化物半導体は、エピタキシャル成
長したIII族窒化物半導体層上のオーミック電極とし
て、チタン、ジルコニウムなどIVa族元素の窒化物を
用いるものとする。そのようにすれば、後述実施例のよ
うに、従来の金属によるオーミック電極の約1/5の低
い接触抵抗が得られる。
【0009】オーミック電極を形成するIII族窒化物
層がAlx Gay In1-x-y N(ただし、0≦x≦1、
0≦y≦1、0≦x+y≦1)であるものとする。実際
に窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムお
よびこれらの混合窒化物層上に電極形成をおこない、低
い接触抵抗が得られることが確かめられた。
層がAlx Gay In1-x-y N(ただし、0≦x≦1、
0≦y≦1、0≦x+y≦1)であるものとする。実際
に窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムお
よびこれらの混合窒化物層上に電極形成をおこない、低
い接触抵抗が得られることが確かめられた。
【0010】シリコン基板上にエピタキシャル成長した
III族窒化物半導体であるものとする。シリコンは、
半導体基板として最も一般的で入手し易く、価格も低い
のでエピタキシャル成長用基板として適する。半導体基
板を劈開する半導体レーザーとする。
III族窒化物半導体であるものとする。シリコンは、
半導体基板として最も一般的で入手し易く、価格も低い
のでエピタキシャル成長用基板として適する。半導体基
板を劈開する半導体レーザーとする。
【0011】劈開面を発光面とするIII族窒化物半導
体レーザーのように、大きな電流密度で使用するものに
おいて、接触抵抗は極めて重要である。本発明のIII
族窒化物半導体の製造方法としては、III族窒化物層
上のオーミック電極として、窒素ラジカルを用いたMB
EによりIVa族元素の窒化物を形成するものとする。
体レーザーのように、大きな電流密度で使用するものに
おいて、接触抵抗は極めて重要である。本発明のIII
族窒化物半導体の製造方法としては、III族窒化物層
上のオーミック電極として、窒素ラジカルを用いたMB
EによりIVa族元素の窒化物を形成するものとする。
【0012】そのようにすれば、活性な窒素ラジカルを
用いることによってIII族窒化物層上の酸化膜を生ぜ
ず、清浄な表面にIVa族元素の窒化物が形成される。
用いることによってIII族窒化物層上の酸化膜を生ぜ
ず、清浄な表面にIVa族元素の窒化物が形成される。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。 [実施例1]図1は、本発明にかかるSi基板上にAl
x Gay In1-x-y Nを成長したLDの模式断面図であ
る。
て説明する。 [実施例1]図1は、本発明にかかるSi基板上にAl
x Gay In1-x-y Nを成長したLDの模式断面図であ
る。
【0014】n型Si(111)基板1上に膜厚2nm
のn型AlNバッファ層2、膜厚220nmのn型Ga
Nコンタクト層3を介して、膜厚200nmのn型Al
0.2Ga0.8 Nクラッド層4、膜厚70nmのIn0.2
Ga0.8 N活性層5、膜厚200nmのp型Al0.2 G
a0.8 Nクラッド層6から成るDH構造、膜厚110n
mのp型GaNコンタクト層7が積層されている。Al
Nバッファ層2は、シリコン基板1上にIII族窒化物
エピタキシャル膜を成長を可能とするための下地層であ
り、n型GaNコンタクト層3は、その上のn型Al
0.2 Ga0.8 Nクラッド層4以降のエピタキシャル膜の
結晶性を向上させるための層である。p側電極は厚さ1
00nmの窒化チタン(TiN)層8dと、厚さ300
nmの金(Au)層8cの二層からなっている。Au層
8cはボンディング用である。図示されない断面におい
て、Au層8cの下に、活性層の一部に電流を流すため
の電流狭窄膜として厚さ50nmのシリコン酸化(Si
O2 )膜が設けられている。Si基板1の裏面には、ス
パッタ法によりそれぞれ厚さ100、500、200n
mのチタン(Ti)/ ニッケル(Ni)/金(Au)
の三層からなる裏面電極9が設けられている。
のn型AlNバッファ層2、膜厚220nmのn型Ga
Nコンタクト層3を介して、膜厚200nmのn型Al
0.2Ga0.8 Nクラッド層4、膜厚70nmのIn0.2
Ga0.8 N活性層5、膜厚200nmのp型Al0.2 G
a0.8 Nクラッド層6から成るDH構造、膜厚110n
mのp型GaNコンタクト層7が積層されている。Al
Nバッファ層2は、シリコン基板1上にIII族窒化物
エピタキシャル膜を成長を可能とするための下地層であ
り、n型GaNコンタクト層3は、その上のn型Al
0.2 Ga0.8 Nクラッド層4以降のエピタキシャル膜の
結晶性を向上させるための層である。p側電極は厚さ1
00nmの窒化チタン(TiN)層8dと、厚さ300
nmの金(Au)層8cの二層からなっている。Au層
8cはボンディング用である。図示されない断面におい
て、Au層8cの下に、活性層の一部に電流を流すため
の電流狭窄膜として厚さ50nmのシリコン酸化(Si
O2 )膜が設けられている。Si基板1の裏面には、ス
パッタ法によりそれぞれ厚さ100、500、200n
mのチタン(Ti)/ ニッケル(Ni)/金(Au)
の三層からなる裏面電極9が設けられている。
【0015】以下にその作製方法を述べる。まず厚さ約
500μmの低抵抗率(15mΩ・cm)のn型Si基
板をMBE装置に搬入し840℃まで昇温し、AlNバ
ッファ層2を成長する。導電型をn型にするためにドー
パントとしてSiを加え、キャリア濃度は1×1018c
m-3とした。窒素源には、rf励起の窒素ラジカルを用
いた。
500μmの低抵抗率(15mΩ・cm)のn型Si基
板をMBE装置に搬入し840℃まで昇温し、AlNバ
ッファ層2を成長する。導電型をn型にするためにドー
パントとしてSiを加え、キャリア濃度は1×1018c
m-3とした。窒素源には、rf励起の窒素ラジカルを用
いた。
【0016】次に720℃まで降温し、n型GaNコン
タクト層3、n型Al0.2 Ga0.8Nクラッド層4を成
長する。次に840℃まで昇温し、In0.2 Ga0.8 N
活性層5を成長する。ついでp型Al0.2 Ga0.8 Nク
ラッド層6、p型GaNコンタクト層7を順次成長させ
る。p型のドーパントとしては、Mgを使用した。MB
E装置内で連続して、ハースにセットされたチタン(T
i)に電子ビームを照射して得られたチタン蒸気と、窒
素ラジカルとを反応させて、p型GaNコンタクト層7
上にオーミック電極として窒化チタン(TiN)層8d
を成膜する。このとき、基板温度は500℃、成膜時圧
力は5×10-3Paである。ここでMBE装置から取り
出し、フォトリソグラフィーを用いてTiN層8dのス
トライプを形成する。更に図示されない電流狭窄のため
のSiO2 膜をスパッタ法により形成し、Au層8cを
300nm成膜してp側電極とした。
タクト層3、n型Al0.2 Ga0.8Nクラッド層4を成
長する。次に840℃まで昇温し、In0.2 Ga0.8 N
活性層5を成長する。ついでp型Al0.2 Ga0.8 Nク
ラッド層6、p型GaNコンタクト層7を順次成長させ
る。p型のドーパントとしては、Mgを使用した。MB
E装置内で連続して、ハースにセットされたチタン(T
i)に電子ビームを照射して得られたチタン蒸気と、窒
素ラジカルとを反応させて、p型GaNコンタクト層7
上にオーミック電極として窒化チタン(TiN)層8d
を成膜する。このとき、基板温度は500℃、成膜時圧
力は5×10-3Paである。ここでMBE装置から取り
出し、フォトリソグラフィーを用いてTiN層8dのス
トライプを形成する。更に図示されない電流狭窄のため
のSiO2 膜をスパッタ法により形成し、Au層8cを
300nm成膜してp側電極とした。
【0017】tlm法による接触抵抗測定のため、フォ
トリソグラフィーによりTiNの短冊状のパターン(8
0μm×250μm)を作製し、接触抵抗を測定したと
ころ、1.0×10-3Ωcm2 であった。これは、オー
ミック電極としてのTiNを、窒素ラジカルを用いてM
BE装置内で連続的に形成したことにより、従来の金属
のオーミック電極の場合に存在した界面の酸化膜等を生
ぜず、清浄な表面に形成したためと考えられる。なお、
TiNのストイキオメトリはほぼ1であった。
トリソグラフィーによりTiNの短冊状のパターン(8
0μm×250μm)を作製し、接触抵抗を測定したと
ころ、1.0×10-3Ωcm2 であった。これは、オー
ミック電極としてのTiNを、窒素ラジカルを用いてM
BE装置内で連続的に形成したことにより、従来の金属
のオーミック電極の場合に存在した界面の酸化膜等を生
ぜず、清浄な表面に形成したためと考えられる。なお、
TiNのストイキオメトリはほぼ1であった。
【0018】一方LD試料用としては、劈開が容易にお
こなえるように、エピタキシャル膜側を研磨用の試料支
持台に張り付け、Si基板1の裏面から通常の機械的な
研磨により厚さを50μm程度まで薄くする。その後、
純水で洗浄した裏面(研磨したSi基板表面)に、スパ
ッタ法によりTi/Ni/Auからなる裏面電極9を形
成した。
こなえるように、エピタキシャル膜側を研磨用の試料支
持台に張り付け、Si基板1の裏面から通常の機械的な
研磨により厚さを50μm程度まで薄くする。その後、
純水で洗浄した裏面(研磨したSi基板表面)に、スパ
ッタ法によりTi/Ni/Auからなる裏面電極9を形
成した。
【0019】200μm幅に劈開して共振器端面を形成
し、更にスクライブによりIII族窒化物半導体のLD
チップを得て組み立て、発光時の動作電圧が低いことを
確認した。 [実施例2]実施例1と同様の工程を経て、p型GaN
コンタクト層まで成長させる。
し、更にスクライブによりIII族窒化物半導体のLD
チップを得て組み立て、発光時の動作電圧が低いことを
確認した。 [実施例2]実施例1と同様の工程を経て、p型GaN
コンタクト層まで成長させる。
【0020】ハースにセットされたジルコニウム(Z
r)に電子ビームを照射し、その蒸気と窒素ラジカルと
の反応により窒化ジルコニウム(ZrN)を100nm
成膜した。基板温度は500℃、成膜時圧力は5×10
-3Paとした。フォトリソグラフィーによりZrN層を
ストライプ状に加工し、SiO2 膜を挟んで、ワイヤボ
ンディング用Au層を300nm成膜した。
r)に電子ビームを照射し、その蒸気と窒素ラジカルと
の反応により窒化ジルコニウム(ZrN)を100nm
成膜した。基板温度は500℃、成膜時圧力は5×10
-3Paとした。フォトリソグラフィーによりZrN層を
ストライプ状に加工し、SiO2 膜を挟んで、ワイヤボ
ンディング用Au層を300nm成膜した。
【0021】tlm法による接触抵抗測定のため、フォ
トリソグラフィーによりZrN層の短冊状のパターン
(80μm×250μm)を作製し、接触抵抗を測定し
たところ、1.0×10-3Ωcm2 であった。この場合
も、ZrN層を、窒素ラジカルを用いてMBE装置内で
連続的に形成したことにより、従来存在した界面の酸化
膜等が除かれたためと考えられる。なお、ZrN層のス
トイキオメトリはほぼ1であった。
トリソグラフィーによりZrN層の短冊状のパターン
(80μm×250μm)を作製し、接触抵抗を測定し
たところ、1.0×10-3Ωcm2 であった。この場合
も、ZrN層を、窒素ラジカルを用いてMBE装置内で
連続的に形成したことにより、従来存在した界面の酸化
膜等が除かれたためと考えられる。なお、ZrN層のス
トイキオメトリはほぼ1であった。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
ピタキシャル成長したIII族窒化物半導体層上のオー
ミック電極として、TiN、ZrN等のIVa族元素の
窒化物を用いることによって、オーミック電極の接触抵
抗を著しく低減することができる。
ピタキシャル成長したIII族窒化物半導体層上のオー
ミック電極として、TiN、ZrN等のIVa族元素の
窒化物を用いることによって、オーミック電極の接触抵
抗を著しく低減することができる。
【0023】特性の優れたIII族窒化物半導体を作製
できる本発明の方法により、III族窒化物半導体の量
産が可能となり、III族窒化物レーザー等の発展およ
び普及に貢献するところ大である。
できる本発明の方法により、III族窒化物半導体の量
産が可能となり、III族窒化物レーザー等の発展およ
び普及に貢献するところ大である。
【図1】本発明にかかる実施例のIII族窒化物半導体
の断面図
の断面図
【図2】従来のIII族窒化物半導体の断面図
1 n型Si基板 2 n型AlNバッファ層 3 n型GaNコンタクト層 4 n型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層 5 In0.2 Ga0.8 N活性層 6 p型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層 7 p型GaNコンタクト層 8a Ni層 8b Mo層 8c Au層 8d TiN層 9 裏面電極
Claims (6)
- 【請求項1】III族窒化物層上のオーミック電極とし
て、IVa族元素の窒化物を用いることを特徴とするI
II族窒化物半導体。 - 【請求項2】オーミック電極を形成するIII族窒化物
層がAlx Gay In1-x-y N(ただし、0≦x≦1、
0≦y≦1、0≦x+y≦1)であることを特徴とする
請求項1記載のIII族窒化物半導体。 - 【請求項3】IVa族元素がチタン、ジルコニウムのい
ずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載
のIII族窒化物半導体。 - 【請求項4】シリコン基板上にエピタキシャル成長した
III族窒化物半導体であることを特徴とする請求項1
ないし3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体。 - 【請求項5】半導体が半導体基板を劈開したレーザーで
あることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記
載のIII族窒化物半導体。 - 【請求項6】エピタキシャル成長したIII族窒化物半
導体層上に、オーミック電極として、窒素ラジカルを用
いたMBEによりIVa族元素の窒化物を堆積すること
を特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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