TWI323044B - - Google Patents

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TWI323044B
TWI323044B TW095107612A TW95107612A TWI323044B TW I323044 B TWI323044 B TW I323044B TW 095107612 A TW095107612 A TW 095107612A TW 95107612 A TW95107612 A TW 95107612A TW I323044 B TWI323044 B TW I323044B
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Hideto Sugawara
Chie Hongo
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Toshiba Kk
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Description

1323044 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於氮化鎵系半導體元件及其製造方法，特別 關於改善P型雜質活化率的氮化鎵系半導體元件及其製造 方法。 【先前技術】 氮化鎵系材料具有較寬之能隙（band gap)、較高飽和 電子速度。因此，被期待成爲不僅是藍色發光元件、就連 場效電晶體（Field Effect TransiSt〇r:FET)或異接合雙極 性電晶體（Heterojiunction Bipolar Transistor:HBT)之高 速電子元件亦寄與厚望之材料。 欲實現發光元件或電子元件，重要者爲良好地控制p 型及η型導電層之形成。於氮化鎵系半導體材料係以矽爲 η型雜質，因而可形成η型導電層。另外，ρ型雜質可選 擇Mg (鎂）或Ζη (鋅），但因彼等之雜質能階較深，活化 率較低。另外，氮化鎵系之結晶成長使用的有機金屬氣相 成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 法之中，載氣使用之氫等之分解所產生之氫原子會與Mg 結合形成Mg-H而使Mg成爲不活化。 【發明內容】 (發明所欲解決之課題） 被揭示之提高Mg之活化率之方法，有使用電子線照 -4- 1323044 射（非專利文獻1)或熱處理（非專利文獻2)等進行後處 理之技術。此種結晶成長後施予後處理的方法，需要高價 位之製造裝置或者會增加工程數，而有導致生產性降低之 缺點。 另外，被揭示之提高Mg之活化率之其他方法，有使 用惰性氣體作爲成長中之載氣的方法（專利文獻1)。但是 ，使用惰性氣體作爲載氣的上述方法中，存在元件特性或 信賴性不足之問題。 非專利文獻 1 :H. Amano， et al. Jpn. J. P hy s. 2 8 ( 1 9 8 9 ) L2 1 1 2 非專利文獻 2:S.NAkamura， et al. Jpn. J. Appl. P hy s . 31 (1992) 1258 專利文獻1:特開平8-325094號公報 (用以解決課題的手段） 依據本發明之一態樣，提供一種氮化鎵系半導體元件 ，其特徵爲：具備摻雜有Mg (鎂）的第1氮化鎵系半導體 膜；及第2氮化鎵系半導體膜，其設於上述第1氮化鎵系 半導體膜之上，摻雜有Mg;於上述第1氮化鎵系半導體 膜之中，Mg濃度分布與氫濃度分布爲實質平坦，而且Mg 濃度保持爲高於氫濃度，於上述第2氮化鎵系半導體膜之 中，設有朝向表面減少Mg濃度增大氫濃度的第1區域， 上述第1區域中之Mg濃度保持爲高於氫濃度之同時，保 持爲高於上述第1氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度。 1323044 依據本發明另一態樣，提供一種氮化鎵系半導體元件 ，其特徵爲：具備摻雜有Mg (鎂）的第1氮化鎵系半導體 膜；及第2氮化鎵系半導體膜，其設於上述第1氮化鎵系 半導體膜之上，摻雜有Mg;於上述第1氮化鎵系半導體 膜之中，Mg濃度分布與氫濃度分布爲實質平坦，而且Mg 濃度保持爲高於氫濃度，於上述第2氮化鎵系半導體膜之 中，設有朝向表面增大Mg濃度及氫濃度的第1區域，上 述第1區域中之Mg濃度保持爲高於氫濃度之同時，保持 爲高於上述第1氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度。 依據本發明另一態樣，提供一種氮化鎵系半導體元件 之製造方法，其特徵爲具備以下工程：使用有機金屬氣相 成長法，流入相較於氮含有更多氫的載氣，而成長摻雜有 Mg之第1氮化鎵系半導體膜的工程；於上述第1氮化鎵 系半導體膜之成長後，暫時中斷III族原料氣體之供給的 工程；及使用有機金屬氣相成長法，流入相較於氫含有更 多氮的載氣，而於上述第1氮化鎵系半導體膜之上成長摻 雜有Mg之第2氮化鎵系半導體膜的工程。 【實施方式】 以下參照圖面說明本發明之實施形態。 圖1爲本發明第1實施形態之氮化鎵系半導體元件之 Mg濃度分布及氫原子濃度分布之模式表示圖。 圖2爲第1實施形態之氮化鎵系半導體元件之重要部 分之模式斷面圖。 -6 - 1323044 又，於本說明書中，「氮化鎵系半導體」係指包含 InxGaYAh.x.YN(其中 0 S x S 1，0 S y S 1，x + y S 1)構成之化 學式中組成比X及y分別於各個範圍內變化之全部組成的 半導體。又，上述化學式中，另外含有N(氮）以外之v族 元素者，或含有爲控制導電型而添加之各種摻雜劑之任一 者，均包含於「氮化鎵系半導體」。 如圖2所示，本實施形態之氮化鎵系半導體元件，係 具有於GaN基板10上，依序積層以下之構造：摻雜有p型 雜質之Mg的第1氮化鎵系半導體膜12，及同樣摻雜有p 型雜質之Mg的第2氮化鎵系半導體膜14。另外，p側電 極16設於第2氮化鎵系半導體膜14之上。以第2氮化鎵 系半導體膜14之表面爲原點，表面起之距離以座標X表 示。亦即，表面之x= 〇至x= T1爲止爲第2氮化鎵系半 導體膜14。又，x= T1至x= T2爲第1氮化鎵系半導體膜 12 ° 圖1之橫軸對應於座標X，縱軸表示P型雜質之Mg 濃度（/cnT3)及氫原子濃度（/cnT3)。Mg濃度以實線、氫原 子（H)濃度以一點虛線表示。OSxSTl之區域由第2氮化 鎵系半導體膜14構成，TlSx$T2之區域由第1氮化鎵系 半導體膜12構成。Mg濃度及氫原子濃度之設計値如後述 〇 以下具體說明該積層體之成長方法。該積層體，例如 藉由使用MOCVD法之結晶成長製程形成。於該MOCVD 法使用之瓜族原料爲TMG (三甲基鎵），使用之V族原料 1323044 爲氨，使用之Mg摻雜用之雜質原料爲Cp2Mg (二茂（合）鎂 )。又，使用氫及氮作爲將彼等原料導入基板的載氣。 圖3爲本實施形態之氮化鎵系半導體元件之製造方法 重要部分之流程圖。 首先，藉由有機溶劑等洗淨GaN基板10之表面後， 介由裝載鎖定機構導入MOCVD裝置之反應室，使該GaN 基板10於供給有載氣及氨的環境中加熱至例如ll〇〇°C。 基板溫度到達ll〇〇°C之後，供給成長原料之TMG及雜質 原料之Cp2Mg開始成長。於本實施形態中，成長第1氮化 鎵系半導體膜12至厚度T2之後，暫時停止皿族原料之 TMG之供給。 之後，例如於3 0秒慢慢將載氣由「富含氫」變更爲 「富含氮」（步驟S106)，該狀態保持10秒達成穩定化。 之後，再度開始ΠΙ族原料之TMG及Cp2Mg之供給（步驟 S110)。之後，成長第2氮化鎵系半導體膜14至厚度Tl( 步驟S112)。成長第2氮化鎵系半導體膜14之後，停止原 料氣體之TMG與Cp2Mg之供給，於氮及氨環境下進行降 溫。基板溫度到達3 50°C後再度停止氨之供給。 以下表示第1氮化鎵系半導體膜12之成長之氣體流 量條件之一例。全流量設爲30slm，其中氨設爲9.5slm， 載氣可設爲氫15.5slm/氮5.0slm’該載氣因氫流量多於氮 流量，故稱爲「富含氫氣體」，其中slm爲氣體流量之單 位’係將〇°C、101，325P(PASCAL(巴斯卡））之流量以 litter/min 表示者。 1323044 又，以下表示第2氮化鎵系半導體膜14之成長之氣 體流量條件之一例。全流量45slm之中，氨爲4slm，載氣 可設爲氫〇.3slm/氮4〇.7slm，該載氣因氮流量多於氫流量 ，故稱爲「富含氮氣體」，其中slm爲氣體流量之單位， 係將 〇°C、101 ，325P(PASCAL(巴斯卡））之流量以 litter/min 表示者。 又，任一情況下，供給成長原料之TMG及雜質原料 之CP2Mg的載氣均使用氫濃度。此乃依據以下實驗結果獲 致者，亦即於氫之中，會促進彼等原料之分解或結晶中之 取入，於氮之中，彼等原料之分解不被進行，或對載氣中 之擴散不被進行，而導致表面結構產生粗糙度。m族原料 、V族原料及雜質原料之載氣使用的氫之範圍較好是全流 量之0.5-20%，考慮富含氮條件下更好是設爲〇.5〜0.8 % 〇 第2氮化鎵系半導體膜14之成長時之氣體流量條件 ，設定氨流量爲4slm。氨流量越小時，可減少氨分解產生 對氫之影響。但是，氨流量太小時對結晶成長有不良影響 ，因此，氨流量較好是設爲全流量之5〜1 0%。 考慮氨設爲全流量之5〜10%時，第2氮化鎵系半導 體膜14之成長時氮氣體對全流量之佔比較好是70〜 9 4.5%，氫氣體對全流量之佔比，如上述說明，較好是〇.5 〜2 0 % 〇 以下依據圖1之Mg濃度及氫原子濃度分布圖更詳細 說明。本實施形態中，例如第1氮化鎵系半導體膜12之 1323044
Mg濃度設爲3xl019cm_3(區域A)，第2氮化鎵系半導體膜 14之Mg濃度，於通常區域（區域C)，設爲較其高之 1 X 1 020cm-3。 本具體例之特徵爲，於第2氮化鎵系半導體膜14，設 定値可將和第1氮化鎵系半導體膜12 (區域A)接合之區域 B之Mg濃度，設爲高於通常區域之設定値^亦即，第1 氮化鎵系半導體膜12之形成後，如圖3所示，進行載氣 切換（步驟S106)及氣體穩定（步驟Si〇8)。之後，再度開 始使ΙΠ族原料及Cp2Mg之供給（步驟s 1 1 0)。如此則，產生 Mg濃度急速增加之R‘X$T1之區域，在x= R，Mg濃度 增大爲至2xl〇2()Cnr3之最大値，之後，越接近表面變爲減 少’於OSxSQ之通常區域成爲平衡狀態被設爲設計値 lxl02()Crrr3。RgxSTl之區域，可考慮爲第2氮化鎵系半 導體膜14之成長中藉由Mg之擴散而形成者。又，亦可考 慮爲成長中斷中成長前沈積之Mg，和次一第2氮化鎵系 半導體膜14之成長開始同時被取入結晶內部者。 另外’氫原子濃度，係於QSxSTl之區域B朝表面 增大。但是，因爲Mg濃度變化伴隨之氫原子取入量變化 而導致，於QSxSR與RSxSTl之濃度傾斜呈現不同。 又’不僅於「富含氮」之成長區域B及C，可以使氫原子 濃度低於Mg濃度，在「富含氫」所形成之成長區域a， 亦可使氫原子濃度低於Mg濃度，此種氮化鎵系積層體對 於電子元件或光元件之構造極爲有效。亦即，於第2氮化 鎵系半導體膜14之上形成p側電極16，因而有效受體濃 -10- 1323044 度（亦即電洞濃度）越高越好。可以提升Mg濃度、而且降 低活化率之氫原子濃度可以被減低的本構造，能實現更高 之有效受體濃度。 圖4藉由二次離子質量分析器（SIMS)之Mg及氫原子 (H)濃度之X (nm)分布實測値。又此例中，設爲 T1 = lOOnm，Τ2= 2.1μηι。Mg 濃度，於 χ$50 大略爲 ΙχΙΟ20 cnT3，於50$χ‘Τ1內上升至大略2xl02eCm_3之峰値，於 lOOSx大略爲3xl019cnT3， 和圖1之分布有良好之一致 性。同樣地，氫原子濃度，於大略爲5xl019CnT3， 於lOOSx爲2xl019cnT3， 和圖1之上述分布有良好之一 致性。 於SIMS之測定，測定樣品之表面附近存在吸附之影 響，大多會產生測定誤差，因而於圖4省略表面附近之資 料。又，圖4所示資料之情況下，在SIMS之測定時，係 由高濃度側（亦即表面側）開始分析者，因而可考慮爲樣品 中含有之Mg或氫因爲1次離子束而產生埋入樣品中的「 撞擊效應」。因此，在由富含氫載體成長之區域A，至跨 越富含氮載體成長之區域B的境界面，可觀察到Mg及氫 原子濃度變化爲較實際分布平穩。亦即，可考慮爲Mg或 氫原子之濃度較圖4之測定結果變化爲更陡峭。 以下說明本具體例與本發明人檢討之比較例之差異。 於比較例，使用和本具體例同一之富含氫成長條件形 成2.0 μηι厚度之第1氮化鎵系半導體膜12。此情況下， 和本具體例同樣進行暫時停止ΙΠ族原料供給之成長中斷， -11 - 1323044 設定爲可於同一條件予以比較。之後，再度使用富含氫成 長條件形成l〇〇nm(毫微米，1〇·9米）厚度之第2氮化鎵系 半導體膜14。 圖5爲比較例之Mg濃度分布（實線所示）及氫原子（H) 濃度分布（虛線所示）之表示圖。其中 Tl= 1 OOnm，T2 = 2.1 μιη ° 第1氮化鎵系半導體膜12(區域Α)之氫原子（Η)濃度 ，於比較例爲4><l〇l9cm_3(SIMS之實測値），相對於此，第 1實施形態中減半爲2xl019cnT3。此可以說明爲，本具體 例之情況下，成長後爲4xl 019cm·3之氫原子濃度，因爲成 長第2氮化鎵系半導體膜14時環境氣體切換爲富含氮， 於膜14呈平衡狀態之氫原子被排出結晶外部而減少至 2xl〇19cm-3。 又，第2氮化鎵系半導體膜14(區域D)之氫原子（H) 濃度，於比較例爲深至lOOnm之lxl02Qcm — 3(SIMS之實測 値）。相對於此，本實施形態中，第2氮化鎵系半導體膜 14之氫原子（H)濃度，於連接成長區域A的QSxSTl之區 域B內，成爲自2><1019cm·3至5xl019crrT3之朝向表面增 加，於OSxSQ之區域C成爲大略5xl019Cra·3之一定値， 任一情況下均低於比較例。 如上述說明，於比較例，在第1氮化鎵系半導體膜 12(區域A)’氫原子濃度高於Mg濃度，在第2氮化鎵系 半導體膜14，Mg濃度與氫原子濃度大略爲同一。結果， 與氫原子結合之之Mg增加而使活化率變高。進行電氣特 -12- 1323044 性評估結果’比較例之膜爲高電阻，未施予熱處理時之元 件動作很困難。 以下更詳細說明本實施形態之區域B內之Mg及氫原 子濃度分布變化之原因。本具體例之氮化鎵系半導體膜之 成長，係使用MOCVD裝置。 圖6-8爲MOCVD裝置內反應室之反應爐壁中Cp2Mg 及其分解生成物之吸附、脫離之表示模式圖。由圖6之石 英管20之左側導入載氣、皿族原料氣體、及雜質原料氣 體。GaN基板10配置於被加熱之承受器26上。 於氮化鎵系材料，P型雜質之Mg之活化率通常較低 ，因此，欲獲得特定之有效受體濃度（亦即電洞濃度）時， 需要供給多量之Mg。此情況下，在富含氫之載氣環境下 成長時，於MOCVD裝置之反應爐壁22等，於氣體供給 停止後，多量之Cp2Mg或其之分解生成物以被吸附狀態殘 留。彼等殘留物於次一結晶成長工程會進入成長膜。此現 象對於氮化鎵系半導體成長使用之MOCVD裝置爲共通者 ，稱爲「Mg 記憶體效應」（J.Crystal Growth， Vol. 93(1988) p624)。 本實施形態中，在富含氫之載氣環境下之第1氮化鎵 系半導體膜12之成長中亦存在該現象，如圖6所示，成 長P型氮化鎵系半導體時，Cp2Mg及其分解生成物28吸 附於反應爐壁22。相對於此，依據本發明人檢討結果得知 ，在富含氮之載氣環境下之第2氮化鎵系半導體膜14之 成長中，如圖8所示，反應爐壁22吸附之Cp2Mg及其分 -13- 1323044 解生成物28之量變少。 亦即，由富含氫之載氣環境切換爲富含氮之載氣環境 時，脫離量相較於反應爐壁22之吸附量變多，產生被取 入結晶中之Mg量增加之過渡期（圖7)。來自反應爐壁22 之脫離量變多時，該多出之量可以摻雜入Mg。而且，此 時不必增加作爲Mg之載氣的氫之量。因此，可提升被摻 雜之Mg之活化率》又，如上述說明，可推測爲由反應爐 壁22脫離之多量之Mg被取入結晶中時，氫之取入變低。 如此則，可考慮爲產生圖1所示QSxSTl之區域B 之Mg濃度與氫濃度之過渡變化。 又，區域B之Mg及氫濃度，可依據Cp2 Mg供給量、 載氣種類、反應爐壁22之材質或構造等予以控制。依據 本發明人檢討結果得知，石英對於Cp2Mg之吸附效果較不 鏽鋼（sus)顯著。因此，MOCVD之反應室以石英與其他材 料之組合形成時，藉由石英元件之形狀及面積等之適當調 整可控制吸附量。 又，不進行載氣切換伴隨之成長中斷時，無法獲得陡 峭之界面。另外，成長中斷太長時，由反應爐壁脫離之 Mg之大部分被排出至反應爐外，無法獲得被取入結晶中 而使Mg成爲更高濃度之區域。 依據本發明人之實驗，於本具體例中，不須進行電子 線照射或熱處理等之後處理，可將第2氮化鎵系半導體膜 14之電阻係數設爲2Ω·(：ιη。此可滿足構成元件之p型導 電型之要求。 -14 - 1323044 又，進行c-ν法之有效受體濃度測定結果，於區域c 爲 3xl018cm_3，在接近區域 A之界面的區域 B爲 lxl019cnT3。彼等電阻係數及有效受體濃度之測定値證實 ，控制氫之取入量，改善Mg之活化率。 圖9爲本發明實施形態之變形例之氮化鎵系半導體元 件之濃度分布之表不圖。 圖10爲本變形例之氮化鎵系半導體元件之重要部分 之斷面模式圖。 亦即，本變形例中，具有在圖1、2所示上述第2氮 化鎵系半導體膜14，區域C被除去、區域B被配置於上 層的構造。 此爲例如可藉由圖1-8說明之上述方法形成氮化鎵系 半導體元件後，蝕刻第2氮化鎵系半導體膜14除去區域 C而形成者。如上述說明，在受體濃度高之區域B之上形 成P側電極16時，可確實降低接觸電阻。又，本變形例 中，另外蝕刻區域B之一部分，使Mg濃度更高之區域露 出表面亦可。如此則，能更有效降低與p側電極16之接 觸電阻。 以下說明本發明第2實施形態之半導體發光元件》 圖11爲本發明第2實施形態之氮化鎵系半導體發光 元件之模式斷面圖。 於n-GaN基板10之上，依序積層n-GaN底層32(膜 厚約 2μπι)、InGaN 系 MQW(Multiple Quantum Well)活化 層30(膜厚約0·045μιη)'成爲p-AlGaN覆蓋層的第1氮化 -15- 1323044 鎵系半導體膜12(膜厚0.5μηι)、成爲p-GaN接觸層的第2 氮化鎵系半導體膜14(膜厚0.03μιη)« p側電極16較好是 來自活化層30之光可透過的薄膜金屬（導電性透光金屬）。 活化層可爲InGaN讲層（3nm)之5層，及InGaN障壁層 (5nm)之6層交互積層而成的MQW構造。藉由注入InGaN 系MQW活化層30之電流，可於虛線所示發光區域33獲 得發光波長3 8 0〜540nm之放射光V。 成長原料使用氨、TMG(三甲基鎵）、TMA(三甲基鋁） ' TMI(三甲基銦），p型雜質原料使用CP2Mg，η型雜質原 料使用SiH4，載氣使用氫及氮，藉由MOCVD法進行結晶 成長。本變形例之特徵爲，成爲p-AlGaN覆蓋層的第1氮 化鎵系半導體膜12之成長系於富含氫之載氣環境下進行 ，之後切換爲富含氮之載氣環境，進行成爲P-GaN接觸層 的第2氮化鎵系半導體膜14之成長。亦即，於圖11設爲 T 1 = 0.0 3 μιη > Τ2 二 0.53μιη。 於上述積層體，在成爲接觸層的第2氮化鎵系半導體 膜14於富含氮之載氣環境下成長的工程中，成爲覆蓋層 的第1氮化鎵系半導體膜12中之氫原子被排出外部，因 此覆蓋層中之Mg不需要後處理即可活化。成爲接觸層的 第2氮化鎵系半導體膜14之成長係於富含氮之載氣環境 進行，氫原子之取入被抑制，Mg之活化率被提升，不需 要後處理即可獲得低電阻之p型。 又，藉由Mg之記億體效應，富含氫之載氣環境下被 吸附於反應爐壁的Cp2Mg及其之分解生成物，於富含氮之 -16- 1323044 載氣環境會脫離。藉由該脫離，第2氮化鎵系半導體膜14 之成長初期之Mg濃度將高於平衡狀態，脫離之Mg被摻 雜時，氫之取入量變少，因而如圖1所示，氫原子濃度較 平衡狀態減少。 如上述說明，Mg以更高濃度被摻雜，而且氫成爲更 低濃度之結果，可提升有效受體濃度。將P側電極16形 成於該區域（亦即圖1之區域B)內，可以大幅減少接觸電 阻。使有效受體濃度較高之區域B接觸p側電極，實質上 係使區域B成爲表面而成長較薄之第2氮化鎵系半導體膜 14，如圖9、10之說明，可以採用成長後施予蝕刻除去區 域C之任一方法。依據本發明人之試做結果得知，半導體 發光元件之驅動電流爲20mA時，動作電壓可以改善約 0.2V。 以下說明本發明第3實施形態之半導體雷射元件。 圖12爲本發明第3實施形態之半導體雷射元件的氮 化鎵系半導體元件之模式斷面圖。 於n-GaN基板10之上，依序積層n-GaN底層50(膜 厚2μιη)、n-AlGaN覆蓋層49(膜厚0.5μιη)、GaN導引層 48(膜厚 Ο.ίμιη)、InGaN 系 MQW 活化層 46(膜厚 0·049μιη) 、GaN導引層44(膜厚Ο.ΐμπι)、p-AlGaN溢流防止層42( 膜厚Ο,ΟΙμπι)、成爲p-GaN/AlGaN超格子覆蓋層的第1氮 化鎵系半導體膜12(膜厚〇.5μιη)、成爲p-GaN接觸層的第 2氮化鎵系半導體膜M(膜厚0.03μπι)。p側電極16連接 於p-GaN接觸層，η側電極34連接於η-GaN基板10之背 -17- 1323044 面。活化層46可爲InGaN阱層（3nm)之3層，及InGaN障 壁層（10 nm)之4層交互積層而成的M QW構造。 成爲p-GaN/AlGaN超格子覆蓋層的第1氮化鎵系半導 體膜12、與成爲p-GaN接觸層的第2氮化鎵系半導體膜 14，係被圖案化加工成爲帶狀之脊型波導路。之後，於脊 側面17及脊旁部18，被覆氧化矽膜等構成之絕緣膜40。 藉由注入InGaN系MQW活化層46之電流，可於紙面垂 直方向放射發光波長380〜450nm之雷射光。此情況下， 藉由n-AlGaN覆蓋層49及p-GaN/AlGaN超格子覆蓋層， 光被封閉於X方向。另外，沿著帶狀方向，藉由絕緣膜40 所被覆之脊型波導路封閉光。結果，雷射光由虛線所示發 光區域47放射。 成長原料使用氨、TMG (三甲基鎵）' TMA (三甲基鋁） 、TMI (三甲基銦），p型雜質原料使用Cp2Mg，η型雜質 原料使用SiH4，載氣使用氫及氮，藉由MOCVD法進行結 晶成長。本變形例之特徵爲，成爲P-GaN/AlGaN超格子 覆蓋層的第1氮化鎵系半導體膜12之成長系於富含氫之 載氣環境下進行，之後切換爲富含氮之載氣環境，進行成 爲p-GaN接觸層的第2氮化鎵系半導體膜14之成長。亦 即，於圖 12 設爲 Τ1= 0.03μιη，Τ2= 0.53μιη。 於上述積層體，在第2氮化鎵系半導體膜14於富含 氮之載氣環境下成長的工程中，第1氮化鎵系半導體膜12 中之氫被排出外部，因此Mg不需要後處理即可活化。又 ’第2氮化鎵系半導體膜14之成長係於富含氮之載氣環 -18- 1323044 境進行，氫原子之取入被抑制，Mg之活化率被提升，不 需要後處理即可獲得P型。 又，藉由Mg之記憶體效應，富含氫之載氣環境下被 吸附於反應爐壁的Cp2Mg及其之分解生成物，於富含氮之 載氣環境會脫離。彼等脫離之Cp2Mg及其之分解生成物被 取入結晶中，而使第2氮化鎵系半導體膜14之成長初期 之Mg濃度高於平衡狀態，脫離之Mg被摻雜時，氫之取 入量變少，因而如圖1所示，氫濃度較平衡狀態減少。如 上述說明，獲得Mg之更高濃度、氫之更低濃度之結果， 可提升有效受體濃度。將p側電極16形成於該區域（亦即 圖1之區域B)內，可以大幅減少接觸電阻。 依本發明人之試做結果可得，發光波長於41 Onm連續 振盪、驅動電流100mA之動作電壓爲5.0V，臨限値電流 密度成爲3 kA/cm2之良好特性的半導體雷射元件。特別是 有效受體濃度被提升之接觸層14之形成結果，動作電壓 減低約0.5 V。 以下說明本發明第4實施形態之異雙極性電晶體。 圖13-17爲該異雙極性電晶體的工程斷面圖。 首先，如圖13所示，於n-GaN基板10之上，藉由例 如MOCVD法依序成長rT-GaN集極層70(施體濃度約 5xlOl6cm·3、厚度約〇_7μΐη)、p_GaN基極層72(電洞濃度 約 5xl017cm·3、厚度 0_ΐ5μπι)、r^-AluGauN 射極層 74( 施體濃度5xl〇18cm·3、厚度約〇·5μιη)。此情況下，可設定 載氣爲氫，施體爲矽，受體爲Mg。 -19- 1323044 圖14爲以圖案化之絕緣膜76爲遮罩，射極層74藉 由RIE (Reactive Ion Etching)等蝕刻之斷面模式圖。可 設定射極長度L爲20〜50μιη，射極寬度W1爲約2μηι。 增大射極寬度W1時，電流將集中於周邊部，電流難以流 入射極中央部，產生「電流集中效應j 。結果，增大接合 容量，電流增益降低，因此射極寬度W1較好是1〜3μιηβ 之後，於射極層74上被覆氮化矽等之絕緣膜78，施 予圖案化。再度藉由MOCVD法，於p-GaN基極層72之 上選擇性成長第1氮化鎵系半導體膜12(膜厚0·2μιη)及第 2氮化鎵系半導體膜14(膜厚0·3μΓη)(圖15)。此情況下， 和第1實施形態同樣，第1氮化鎵系半導體膜12係於富 含氫之載氣環境成長，之後暫時中斷瓜族原料及Cp2M+g氣 體之供給，切換環境氣體爲富含氮之後，再度供給原料氣 體及Cp2Mg氣體。 第2氮化鎵系半導體膜14之Mg濃度，因爲記憶體效 應而和第1實施形態同樣可以高於通常狀態（區域B)。又 ，氫原子濃度可以低於通常狀態。結果，可提升電洞濃度 。通常’基極載體濃度爲lxlOl8cm·3以下，欲和基極形成 歐姆接合時需要更高濃度之接觸層。第2氮化鎵系半導體 膜14之有效受體濃度，於C-V法測定可得ixi〇19cm·3， 因此可設定區域B爲低電阻之接觸層。 之後’如圖1 6所示，以絕緣膜（未圖示）或阻劑（未圖 示）爲遮罩，對第2氮化鎵系半導體膜14、第1氮化鎵系 半導體膜12及p型基極層12施予圖案化，以絕緣膜（例 -20- 1323044 如氧化矽膜）80覆蓋全體。 之後’爲形成射極84及基極82，絕緣膜80，係於基 極層12之上部被蝕刻除去。 圖17爲射極84、基極82、集極（下面）86形成後之斷 面之模式圖。 彼等電極可藉由剝離工程等形成。此情況下，形成較 薄之第2氮化鎵系半導體膜14，但是較好是如圖9、10之 說明，稍微蝕刻膜成長後表面，使高濃度區域B與基極 8 2接觸而降低電阻。 圖18爲射極及基極之電極配置之模式平面圖。 射極84係由覆蓋長度L之射極的指型部92，及接合 焊墊部90構成。於接合焊墊部90之下，設有絕緣膜80。 又，基極82由指型部94及接合焊墊部96構成。此情況 下，於接合焊墊部96之下設有絕緣膜80。又，可適度選 擇絕緣膜80之厚度及電極厚度，以使指型部於接合焊墊 部不產生段差。射極84及集極86可用例如Ti/Al/Pt/Ai。 基極8 2可用例如N i / A u。 圖19爲該異雙極性電晶體的靜態特性之表示圖。 電流放大率（β= IC/IB)，在集極-射極間電壓VCE爲 15V時，約爲4.8。雙極性電晶體之共通射極電力增益G 爲G= fT/(8Kf2rBCC)，其中，fT爲電晶體頻率，f爲動作 頻率，rB爲基極電阻，CC爲集極容量。基極電阻rB越小 增益G越高。因此，較好是基極接觸電阻儘可能減少。於 習知技術，Mg濃度及活化率低，因此基極電阻rB之減少 -21 - 1323044 有其限制。本具體例中，於富含氮之載氣環境下進行 氮化鎵系半導體膜14之成長，因此可獲得基極接觸 減少的有效受體濃度。 又’上述具體例中說明在GaN基板10上成長結 構造，但是不限定於此，例如藍寶石、Al2〇3、SiC、 GaAs等只要是GaN系結晶成長可能之基板即可。又 濃度不限定於上述具體例，可選擇各個元件之適當値 外’反應爐之元件材質可爲石英以外之SUS、碳、及 表面施予塗敷者。 以上係參照具體例說明本發明之實施形態，但是 明不限定於彼等實施形態。 例如，關於構成半導體發光元件、半導體雷射元 異雙極性電晶體等氮化鎵系半導體元件之各要素之尺 材質、配置關係等，或者關於其製造方法，業者可以 各種設計變更，在不脫離本發明要旨情況下均包含於 明之範圍內。 【圖式簡單說明】 圖1爲本發明第1實施形態之氮化鎵系半導體元 Mg及氫原子濃度分布設計値之表示圖。 圖2爲本發明第1實施形態之氮化鎵系半導體元 重要部分之模式斷面圖。 圖3爲本實施形態之氮化鎵系半導體元件之製造 重要部分之流程圖。 第2 電阻 晶之 Si、 ，Mg 。另 彼等 本發 件、 寸、 加以 本發 件之 件之 方法 -22- 1323044 圖4爲本發明第1實施形態之氮化鎵系半導體元件之 Mg及氫原子濃度分布之藉由SIMS增實測値之表示圖。 圖5爲比較例之氮化鎵系半導體元件之Mg及氫原子 濃度分布之表耶圖。 圖6爲反應爐壁吸附Cp2Mg及其分解生成物之模式圖 圖7爲Cp2Mg及其分解生成物由反應爐壁脫離之模式 圖。 圖8爲反應爐壁吸附與脫離呈平衡狀態之模式圖。 圖9爲本發明實施形態之變形例之氮化鎵系半導體元 件之濃度分布之表示圖。 圖10爲本變形例之氮化鎵系半導體元件之重要部分 之斷面模式圖。 圖1 1爲本發明第2實施形態之半導體發光元件的氮 化鎵系半導體元件之模式斷面圖。 圖12爲本發明第3實施形態之半導體雷射元件的氮 化鎵系半導體元件之模式斷面圖。 圖1 3爲本發明第4實施形態之異雙極性電晶體的氮 化鎵系半導體元件之工程斷面圖。 圖14爲本發明第4實施形態之異雙極性電晶體的氮 化鎵系半導體元件之工程斷面圖。 圖1 5爲本發明第4實施形態之異雙極性電晶體的氮 化鎵系半導體元件之工程斷面圖。 圖1 6爲本發明第4實施形態之異雙極性電晶體的氮 -23- 1323044 化鎵系半導體元件之工程斷面圖。 圖1 7爲本發明第4實施形態之異雙極性電 化鎵系半導體元件之工程斷面圖。 圖18爲本發明第4實施形態之異雙極性電 化鎵系半導體元件之電極配置之模式平面圖。 圖19爲本發明第4實施形態之異雙極性電 態特性之表示圖。 【主要元件符號說明】 10 : GaN基板；12:第1氮化鎵系半導體膜 2氮化鎵系半導體膜；1 6 : p側電極；1 7 :脊側 脊旁部；20 :石英管；22 :反應爐壁；26 :承受 分解生成物；30:活化層；32: GaN底層；33: ;34 : η側電極；40 :絕緣膜；42 : AlGaN溢流 44 : GaN導引層；46 : InGaN系 MQW活化層； 導引層；49: AlGaN覆蓋層；50: GaN底層；70 極層；72: GaN基極層；74:射極層；76、78、 膜；86 :集極；92、94 :指型部；90、96 :接合大 晶體的氮 晶體的氮 晶體的靜 ;14 :第 面；18 : 器；28 : 發光區域 防止層： 48 : GaN :GaN 集 8 0 :絕緣 I墊部。 -24-

Claims (1)

1323044 十、申請專利範圍 1. 一種氮化鎵系半導體元件’其特徵爲： 具備： 摻雜有Mg (鎂）的第1氮化鎵系半導體膜；及 第2氮化鎵系半導體膜，其設於上述第1氮化鎵系半 導體膜之上，摻雜有Mg; 於上述第1氮化鎵系半導體膜之中，Mg濃度分布與 氫濃度分布爲實質平坦，而且Mg濃度保持爲高於氫濃度 j 於上述第2氮化鎵系半導體膜之中，設有朝向表面減 少Mg濃度、增大氫濃度的第1區域，上述第1區域中之 Mg濃度保持爲高於氫濃度之同時’保持爲高於上述第1 氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度。 2. 如申請專利範圍第1項之氮化鎵系半導體元件，其 中 另具備： 設於上述第1氮化鎵系半導體膜之下的發光層；及 設於上述第2氮化鎵系半導體膜上的p側電極； 電流介由上述P側電極流向上述發光層而產生發光。 3 .如申請專利範圍第1項之氮化鎵系半導體元件，其 中 於上述第2氮化鎵系半導體膜之中，另設有Mg濃度 分布與氫濃度分布爲實質平坦的第2區域。 4.如申請專利範圍第3項之氮化鎵系半導體元件，其 -25- 1323044 中 上述第2區域中之上述Mg濃度爲高於上述氫濃度。 5. 如申請專利範圍第2項之氮化鎵系半導體元件，其 中 上述第1氮化鎵系半導體膜由A IGaN形成，上述第2 氮化鎵系半導體膜由GaN形成。 6. 如申請專利範圍第5項之氮化鎵系半導體元件，其 中 上述發光層由InGaN形成。 7 ·如申請專利範圍第1項之氮化鎵系半導體元件，其 中 另具備： 集極層，由設於基板上之η型第3氮化鎵系半導體膜 形成； 基極層，爲上述集極層上之一部分，由設於上述第1 氮化鎵系半導體膜之下的ρ型第4氮化鎵系半導體膜形成 » 射極層，由設於上述基極層上之一部分的η型第5氮 化鎵系半導體膜形成；及 基極，設於上述第2氮化鎵系半導體膜之上； 上述集極層、上述基極層、及上述射極層構成異雙極 性電晶體。 8.如申請專利範圍第1項之氮化鎵系半導體元件，其 中 -26- 1323044 上述第2氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度之灣 lx102t)cnT3 以上。 9·一種氮化鎵系半導體元件，其特徵爲： 具備： 摻雜有Mg(鎂）的第1氮化鎵系半導體膜；及 第2氮化鎵系半導體膜，其設於上述第1氮伯 導體膜之上，摻雜有Mg; 於上述第1氮化鎵系半導體膜之中，Mg濃虔 氫濃度分布爲實質平坦，而且Mg濃度保持爲高於 > 於上述第2氮化鎵系半導體膜之中，設有朝向 大Mg濃度及氫濃度的第1區域，上述第1區域1 濃度保持爲高於氫濃度之同時’保持爲高於上述第 鎵系半導體膜中之Mg濃度。 1 〇 .如申請專利範圍第9項之氮化鎵系半導體 其中 於上述第2氮化鎵系半導體膜之中’另設有截 減少Mg濃度、增大氫濃度的第2區域’上述桌2 之Mg濃度保持爲高於氫濃度之同時，保持爲高於 1氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度° j !.如申請專利範圍第9項之氮化鎵系半導體 其中 另具備： 設於上述第1氮化鎵系半導體膜之下的發光層 大値爲 鎵系半 分布與 氫濃度 表面增 ]之Mg 1氮化 元件， 向表面 區域中 上述第 元件， :及 -27- 1323044 設於上述第2氮化鎵系半導體膜上的p側電極； 電流介由上述p側電極流向上述發光層而產生發光。 12. 如申請專利範圍第n項之氮化鎵系半導體元件， 其中 上述第1氮化鎵系半導體膜由AIGaN形成，上述第2 氮化鎵系半導體膜由GaN形成。 13. 如申請專利範圍第12項之氮化鎵系半導體元件， 其中 上述發光層由InGaN形成。 14. 如申請專利範圍第9項之氮化鎵系半導體元件， 其中 另具備： 集極層，由設於基板上之η型第3氮化鎵系半導體膜 形成； 基極層，爲上述集極層上之一部分，由設於上述第1 氮化鎵系半導體膜之下的Ρ型第4氮化鎵系半導體膜形成 t 射極層，由設於上述基極層上之一部分的η型第5氮 化鎵系半導體膜形成；及 基極，設於上述第2氮化鎵系半導體膜之上； 上述集極層、上述基極層、及上述射極層構成異雙極 性電晶體。 1 5 .如申請專利範圍第9項之氮化鎵系半導體元件， 其中 -28- 1323044 上述第2氮化鎵系半導體膜中之Mg濃度之最大値爲 1 X 1 02GcrrT3 以上。 16. —種氮化鎵系半導體元件之製造方法，其特徵爲： 具備以下工程： 使用有機金屬氣相成長法，流入含有氮與氫、氫之流 量大於氮之流量的載氣之同時，成長摻雜有Mg之第1氮 化鎵系半導體膜的工程； 於上述第1氮化鎵系半導體膜之成長後，暫時停止瓜 族原料氣體之供給的工程；及 暫時停止上述ΠΙ族原料氣體之供給之後，使用有機金 屬氣相成長法，流入含有氮與氫、氮之流量大於氫之流量 的載氣之同時，於上述第1氮化鎵系半導體膜之上成長摻 雜有Mg之第2氮化鎵系半導體膜的工程。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之氮化鎵系半導體元件之 製造方法，其中 係於成長上述第2氮化鎵系半導體膜的工程中，形成 朝向表面增大Mg濃度及氫濃度的第1區域。 18.如申請專利範圍第17項之氮化鎵系半導體元件之 製造方法，其中 係於成長上述第2氮化鎵系半導體膜的工程中，另外 形成朝向表面減少Mg濃度、增大氫濃度的第2區域。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項之氮化鎵系半導體元件之 製造方法，其中 係於成長上述第2氮化鎵系半導體膜的工程中，另外 -29- 1323044 形成Mg濃度與氫濃度爲實質平坦的第3區域。 20.如申請專利範圍第16項之氮化鎵系半導體元件之 製造方法，其中 設於有機金屬氣相成長裝置內、用於導入成長用氣體 的反應爐之至少一部分，係使用石英。 -30- 1323044 第95107612號專利申請案 中文圖式修正頁 民國98年5月19日修正 圖3
1323044 七、指定代表圖 (一） 、本案指定代表圖為：第（1)圖 (二） 、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 1 2 :第1氮化鎵系半導體膜 14:第2氮化鎵系半導體膜 A、B、C :區域 X :座標 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：
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