WO2011086755A1 - 半導体素子及び半導体素子を作製する方法 - Google Patents

半導体素子及び半導体素子を作製する方法 Download PDF

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Abstract

 c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を有する半導体素子を提供する。p型半導体領域13の主面13aは該六方晶系III族窒化物のc軸(<0001>軸)に対して傾斜した平面に沿って延在する。金属層15はp型半導体領域13の主面13a上に設けられる。金属層15とp型半導体領域13とは界面17を形成するように積層されてノンアロイ電極を構成する。六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含むので、六方晶系III族窒化物からなる主面13aは、六方晶系III族窒化物のc面に比べて酸化されやすい。金属層15とp型半導体領域13とは、界面17を形成するように積層されてノンアロイ電極を構成する。電極のための金属層15を形成した後のアロイによる酸化物増加を避ける。

Description

半導体素子及び半導体素子を作製する方法

 本発明は、半導体素子、及び半導体素子を作製する方法に関する。

 特許文献1には、c面のp型層へのオーミック接触を得ることが記載されている。p型不純物をドープしたGaAl1-XNにAu、Ni等よりなる金属を使用する。金属層の堆積後に、酸素雰囲気中でアニールを行う。これにより、窒化ガリウム系化合物半導体を利用して、低駆動電圧化、高輝度化した発光デバイスと実現する。

 特許文献2には、c面のp型層へのオーミック接触を得ることが記載されている。p層の表面上にニッケル層を形成すると共に、その上に金層を形成した後に、熱処理によって深さ方向の元素の分布を反転させる。この結果、表面側からニッケル、金の順に元素が存在するように構成される。

 特許文献3には、p型GaNコンタクト層上への電極の形成が記載されている。Mgの添加されたGaNコンタクト層17上に透光性電極を形成した後に、少なくとも酸素を含むガス中において摂氏500~600度の範囲で熱処理して、p型低抵抗化と電極の合金化処理を同時に行う。

 特許文献4に記載された方法では、サファイア基板上にAlNバッファ層を介してGaN層及びMgを添加した積層体を形成した後に、これを摂氏300度の温度で加熱する。この加熱後に、積層体上に厚さ50nmの金属電極を蒸着する。

特開平05-291621号公報 特開平09-64337号公報 特開平11-186605号公報 特開2004-247323号公報

 特許文献1及び2の方法では、c面GaN基板上のp型GaNに対して非常に良好な結果をもたらす。しかしながら、発明者らの知見によれば、無極性及び半極性のGaN基板上のp型GaNでは、良好なオーミック電極を形成できず、これは、非極性面の特有の厚い表面酸化膜の影響であると考えられる。酸化膜の影響の違いは、有極性のc面と非極性面では表面の酸化膜(Ga-O結合)の状態が異なることに起因する。発明者らの実験によれば、非極性面ではGaN-電極界面により厚い酸化膜が存在しており、これ故に電気特性が良くない。さらに、この酸化膜は、c面と非極性面における酸素吸着力の差異に因り、電極を合金化させる酸素アニールにより非極性GaN-電極の界面により多くの酸化物が形成されている。

 本発明は、このような事情を鑑みて試されたものであり、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を有する半導体素子を提供することを目的とし、またc面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を実現できる半導体素子を作製する方法を提供することを目的とする。

 本発明の一側面は、ノンアロイ電極を有する半導体素子である。この半導体素子は、(a)六方晶系III族窒化物からなり、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って該六方晶系III族窒化物のc面と異なるように延在する主面を有するp型半導体領域と、(b)前記p型半導体領域の前記主面上に設けられた金属層とを備える。前記六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、前記金属層と前記p型半導体領域とは界面を成すように積層されてノンアロイ電極を構成する。

 発明者らの知見によれば、六方晶系III族窒化物からなり支持体の傾斜した主面は、六方晶系III族窒化物のc面に比べて酸化されやすい。これ故に、電極のための金属層を形成した後にアロイを行うと、六方晶系III族窒化物と電極との界面に酸化物が増加する。本発明に係る側面に係る半導体素子によれば、金属層とp型半導体領域とは、界面を形成するように積層されてノンアロイ電極を構成する。これ故に、電極のための金属層を形成した後のアロイによる酸化物増加を避けることができる。

 本発明の別の側面は、半導体素子を作製する方法である。この方法は、(a)六方晶系III族窒化物からなる主面を有するp型半導体領域を含む支持体を準備する工程と、(b)前記p型半導体領域の前記主面上に金属層を堆積して、ノンアロイ電極を形成する工程とを備える。前記六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、前記p型半導体領域の前記主面は、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って該六方晶系III族窒化物のc面と異なるように延在する。

 上記側面に係る方法によれば、六方晶系III族窒化物からなる支持体主面は六方晶系III族窒化物のc面に比べて酸化されやすいけれども、六方晶系III族窒化物からなるp型半導体領域の主面上に金属層を堆積してノンアロイ電極を形成するので、電極のための金属層を形成した後のアロイによる酸化物増加を避けることができる。

 本発明の別の側面に係る方法は、前記金属層を堆積する前に、前記支持体の前記p型半導体領域を処理する工程を更に備えることができる。前記処理は、前記支持体に酸洗浄を適用することによって行われる。

 上記側面に係る方法によれば、金属層の形成に先立つ自然酸化がp型半導体領域の表面に影響を与えるけれども、上記の前処理により、自然酸化の影響を低減できる。上記の処理は、例えば、塩酸、王水及びフッ化水素酸の少なくともいずれかに支持体を浸すことによって行われる。

 本発明の更なる別の側面は、ノンアロイ電極である。このノンアロイ電極は、(a)六方晶系III族窒化物からなり、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って該六方晶系III族窒化物のc面と異なるように延在する主面を有するp型半導体領域と、(b)前記p型半導体領域の前記主面上に設けられた金属層とを備える。前記六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、前記金属層と前記p型半導体領域とは界面を成すように積層されてノンアロイ電極を構成する。

 上記の側面では、前記金属層は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及び金(Au)の少なくともいずれか、又はこれらの合金からなることができる。上記側面によれば、これらの金属層は良好な電気特性を提供できる。

 上記の側面では、前記金属層を堆積した後には、酸素を含む雰囲気中で電極アニールを行わない。電極アニールによる酸化物の生成を界面において避けることができる。

 上記の側面では、前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲であることができる。上記の側面によれば、傾斜角が10度未満170度以上であるとき、p型半導体領域の主面は、半極性面というよりは極性面としての性質を示す。傾斜角が80度以上100度以下であるとき、半極性面というよりは無極性面としての性質を示す。

 上記の側面では、前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、63度以上80度以下、又は100度以上117度以下の範囲であることができる。上記の側面によれば、傾斜角が上記範囲にあるとき、青色から緑色波長領域の高品質な活性層が作製可能である。例えば、活性層が、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層(例えば、InGaN等)を含むとき、In元素の取り込みができる。また、窒化ガリウム系半導体がInGaN等であるとき、In組成の揺らぎが小さい。これ故に、発光ダイオードでは発光むらが小さくでき、レーザダイオードでは、In組成の揺らぎよるしきい値電流増加を低減できる。ノンアロイ電極により、素子の直列抵抗を低減できる。

 上記の側面では、半導体素子は六方晶系III族窒化物からなる支持基体を更に備えることができる。前記支持基体は半極性主面を有しており、前記p型半導体領域は、前記支持基体の前記半極性主面上に設けられている。この側面によれば、p型半導体領域に半極性主面を提供することが容易になる。また、この側面において、前記支持基体の前記半極性主面における法線ベクトルと前記支持基体のc軸との成す傾斜角は、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲であることができる。上記の側面によれば、支持基体の傾斜角が10度未満170度以上であるとき、p型半導体領域の主面が半極性面というよりは極性面としての性質を示す。上記の傾斜角が80度以上100度以下であるとき、半極性面というよりは無極性面としての性質を示す。さらに、前記支持基体の前記半極性主面における法線ベクトルと前記支持基体のc軸との成す傾斜角は63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であることができる。支持基体の傾斜角が上記角度範囲であるとき、p型半導体領域の主面に、傾斜角は63度以上80度以下又は100度以上117度以下の角度範囲の半極性面を提供することが容易になる。

 上記の側面では、支持体は、六方晶系III族窒化物からなるn型半導体領域と、六方晶系III族窒化物からなる活性層とを更に備えることができる。前記活性層は、前記n型半導体領域と前記p型半導体領域との間に設けられる。上記の側面によれば、良好なオーミック性を有する電極を発光素子に提供できる。

 上記の側面では、前記界面には厚さ10nm以下の酸化物層が含まれることができる。上記の側面によれば、酸化物層の厚さが上記範囲であれば、半極性面に対する良好なオーミック接触を提供できる。

 上記の側面では、前記酸化物層は構成元素としてガリウムを含む。上記の側面に係る半極性面は、ガリウム酸化物を形成しやすい。

 上記の側面では、前記酸化物層は前記金属層の構成元素の酸化物を含まない。上記の側面に係る酸化物層は電極アニールの際に形成されるものではないので、酸化物は主に半極性面の構成元素と結合している。

 本発明の各側面に係る上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

 以上説明したように、本発明の一側面によれば、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を有する半導体素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を実現できる半導体素子を作製する方法が提供される。

図1は、本実施の形態に係る半導体素子の一例を示す図面である。 図2は、本実施の形態に係る半導体素子を作製する方法における主要な工程を示す工程フローを示す図面である。 図3は、半極性p型GaN面におけるアロイ電極及びノンアロイ電極の特性を示す図面である。 図4は、半極性p型GaN面におけるアロイ電極及びノンアロイ電極におけるXPS測定結果を示す図面である。

 本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本実施の形態に係るノンアロイ電極、ノンアロイ電極を有する半導体素子、ノンアロイ電極を作製する方法及び半導体素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

 図1は、本実施の形態に係る半導体素子の一例を示す図面である。半導体素子11は、ノンアロイ電極を有する。半導体素子11は、p型半導体領域13と、金属層15とを含む。p型半導体領域13は、六方晶系III族窒化物からなる。六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、例えば窒化ガリウム系半導体からなることができる。窒化ガリウム系半導体は、例えばGaN、」InGaN、AlGaN、InAlGaNを含む。p型半導体領域13は主面13aを有しており、主面13aは該六方晶系III族窒化物のc軸(<0001>軸)に対して傾斜した平面に沿って延在する。このような主面13aとして例えば半極性面がある。図1では、c軸に方向はc軸ベクトルCVで表される。金属層15はp型半導体領域13の主面13a上に設けられる。金属層15とp型半導体領域13とは界面17を形成するように積層されてノンアロイ電極を構成する。

 発明者らの知見によれば、六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含むので、六方晶系III族窒化物からなる半極性主面13aは、六方晶系III族窒化物のc面に比べて酸化されやすい。これ故に、電極のための金属層15を形成した後にアロイを行うと、六方晶系III族窒化物と電極との界面に酸化物が増加する。本実施の形態に係る半導体素子11によれば、金属層15とp型半導体領域13とは、界面17を形成するように積層されてノンアロイ電極を構成する。これ故に、電極のための金属層15を形成した後のアロイによる酸化物増加を避けることができる。

 実施例では、金属層15は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及び金(Au)の少なくともいずれかからなることができ、これらの合金からなることができる。これらの金属層は良好な電気特性を提供できる。金属層15とp型半導体領域13とがノンアロイ電極を構成するためには、金属層15を主面13a上に堆積した後に、酸素を含む雰囲気中で電極アニールを行わない。この雰囲気中での電極アニールによる酸化物の生成を界面において避けることができる。例えば半極性面に構成されるノンアロイ電極界面では、酸素雰囲気中の電極アニールによる酸化物の生成を避けることができる。

 図1を参照すると、主面13aの法線を示す法線ベクトルNVPが示されている。この法線ベクトルNVPとc軸ベクトルVCとの成す傾斜角ALPHAは、10度以上170度以下の範囲であることができる。上記の側面によれば、有極性c面と異なる極性の半導体面が基板主面13aに提供される。傾斜角APLHAが10度未満170度以上であるとき、p型半導体領域13の主面13aは、半極性面というよりは極性面としての性質を示す。傾斜角が80度以上100度以下であるとき、半極性面というよりは無極性面としての性質を示す。また、傾斜角ALPHAは、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲であることができる。上記の側面によれば、半極性面が基板主面13aに提供される。

 傾斜角ALPHAは63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であることができる。傾斜角ALPHAが上記範囲にあるとき、表面酸化膜が少なく、電極材料や前処理により良好な電気特性を得ることができる。

 界面17には酸化物層19が含まれることができる。酸化物層19の厚さは10nm以下であることができる。酸化物層19の厚さが上記範囲であれば、半極性面と金属層のノンアロイ接触に良好なオーミック特性を提供できる。また、発明者らの観察によれば、酸化物層19は界面17に、少なくとも0.5nm程度の残留が確認されている。主面13aはガリウム酸化物を形成しやすいので、酸化物層19は構成元素としてガリウムを含んでいる。一方、酸化物層19は金属層17の構成元素の酸化物を含まない。酸化物層19は電極アニールの際に形成されるものではないので、酸化物は主に主面13aの構成元素と結合している。

 半導体素子11は六方晶系III族窒化物からなる主面を有する支持基体21を更に備えることができる。支持基体21は、GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlN等からなることができる。支持基体21は主面21a及び裏面21bを有する。主面21aが半極性を示す形態では、p型半導体領域13の主面13aに半極性を提供することが容易になる。また、p型半導体領域は、支持基体21の主面21a上に設けられている。支持基体21の主面21aにおける法線ベクトルNVSと支持基体21のc軸ベクトルCVS(<0001>軸の方向)との成す傾斜角BETAは、10度以上170度以下の範囲であることができる。傾斜角BETAが10度未満170度以上であるとき、p型半導体領域13の主面13aが、有極性のc面に近い性質を示し、有極性のc面と異なる極性を示さない。傾斜角BETAが80度以上100度以下であるとき、p型半導体領域13の主面13aが半極性というよりは無極性面としての性質を示す。傾斜角BETAは、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲であることができる。この傾斜角では、主面21aが半極性を示す。上記の形態によれば、良好なオーミック性を有する電極を発光素子に提供できる。

 半導体素子11は、六方晶系III族窒化物からなるn型半導体領域23と、六方晶系III族窒化物からなる活性層25とを更に備えることができる。活性層25は、n型半導体領域23とp型半導体領域13との間に設けられる。n型半導体領域23、活性層25及びp型半導体領域13は支持体29を構成する。n型半導体領域23、活性層25及びp型半導体領域13は支持基体13の主面13a上の法線ベクトルNVSの方向に配列される。

 活性層25は、障壁層25aを含むことができ、また、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層25b(例えば、井戸層)を含むことができる。井戸層25bは例えばInGaNからなることができ、また障壁層25aはInGaN又はGaNからなることができる。

 傾斜角BETAが63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であるとき、p型半導体領域13の主面13aに、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の角度範囲の半極性面を提供することが容易になる。例えば、活性層25がInGaN層を含むとき、In元素の取り込みが良好であり、これ故に長波長の発光が可能である。また、窒化ガリウム系半導体がInGaN等であるとき、In組成の揺らぎを小さい。これ故に、発光ダイオードでは発光むらが小さくでき、レーザダイオードでは、In組成の揺らぎよるしきい値電流増加を低減できる。本実施例では、傾斜角BETAは、結晶に内包される歪みの影響を無視するとき、傾斜角ALPHAと実質的に等しい。

 図2は、本実施の形態に係る半導体素子を作製する方法における主要な工程を示す工程フローを示す図面である。引き続く説明では、理解を容易にするために、製造工程において現れる部材の参照番号として、図1中の対応する部材の参照番号を付する。工程S101では、支持体29を準備する。支持体29はp型半導体領域13を含み、p型半導体領域13は、支持体29最表面として主面13aを有する。主面13aは、例えば六方晶系III族窒化物からなる半極性面であることができる。六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含む。他のIII族構成元素として、インジウム、アルミニウム等を含むことができ、V族構成元素として窒素を含む。p型半導体領域13の主面13aは、例えばMgドープGaNからなることができる。p型半導体領域13の主面13aは、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って延在しており、これ故に、p型半導体領域13の主面13aは半極性を示し、本実施例では、これを「半極性主面」と呼ぶ。

 p側電極のための金属層を堆積する前に、工程S102では、支持体29のp型半導体領域13の前処理を行うことができる。p型半導体領域13を成長炉で成長して支持体29を形成した後に、支持体(エピタキシャル基板)29を成長炉から取り出すと、エピタキシャル基板は大気にさらされる。エピタキシャル基板のエピ表面は、有極性のc面と異なる極性を示すので、大気中の酸素により自然酸化が生じる可能性がある。したがって、電極膜を形成するに先立つ自然酸化がp型半導体領域13の表面13aに影響を与えるけれども、上記の前処理により、自然酸化の影響を低減できる。上記の前処理は、酸洗浄のための溶液、例えば王水及びフッ化水素酸等に支持体29を浸すことによって行われる。

 工程S103では、p型半導体領域13の主面13a上に金属層15を堆積して、ノンアロイ電極を形成する。これらの工程により、ノンアロイ電極を含む半導体素子の配列を含む基板生産物が形成される。

 六方晶系III族窒化物からなる主面13aは六方晶系III族窒化物のc面に比べて酸化されやすいけれども、この方法によれば、六方晶系III族窒化物からなるp型半導体領域13の主面13a上に金属層15を堆積してノンアロイ電極を形成するので、電極のための金属層15を形成した後のアロイによる酸化物増加を避けることができる。金属層15は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及び金(Au)の少なくともいずれか、或いはこれらの合金からなることができる。これらの金属層は良好な電気特性を提供できる。

 また、金属層15を堆積した後には、酸素を含む雰囲気中で電極アニールを行わない。電極アニール中に界面17に酸化物が新たに生成されることを避けることができる。このようなノンアロイ電極における単位面積当たりの接触抵抗は例えば2×10-4(Ω・cm)以上であることができ、また6×10-3(Ω・cm)以下であることができる。p型半導体領域13の半極性主面13aにおける法線ベクトルNVとc軸ベクトルCVとの成す傾斜角ALPHAは、例えば10度以上80度以下又は100度以上170度以下の範囲であることができる。

 工程S104では、酸素雰囲気中での電極アニールを行うことなく基板生産物を分離して、個々の半導体素子を作製する。これらの工程により、ノンアロイ電極を作製することができ、またノンアロイ電極を有する半導体素子を作製することができる。

 支持体29の作製の一例を、半導体素子として発光素子を作製する工程を参照しながら説明する。工程S105では、III族窒化物基板を準備する。III族窒化物基板21としては、例えばGaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN、AlN等であることができる。引き続く説明する実施例では基板21は半極性主面を有する。III族窒化物基板21は半極性主面21aを含む。半極性主面21aは、既に説明したように、III族窒化物基板21のc軸ベクトルCVSに対して角度BETAで傾斜した法線ベクトルNVSを有する。c軸の傾斜は、III族窒化物基板21のa軸の方向又はm軸の方向であることができる。

 工程S106では、III族窒化物基板21の半極性主面21a上にn型III族窒化物半導体領域23を成長する。n型III族窒化物半導体領域23は、n型クラッド層等であることができる。n型クラッド層は、四元系、三元系及び二元系のIII族窒化物半導体からなることができ、例えばSiドープGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等である。n型III族窒化物半導体領域23の主面は、半極性を示す。

 工程S107では、n型III族窒化物半導体領域23の主面上に、発光層を成長する。発光層は活性層25を含み、必要な場合には活性層25の両側に設けられた光ガイド層を含むことができる。工程S108では、活性層23を成長する。活性層23は、量子井戸構造を有することができる。工程S109では、n型III族窒化物半導体領域23の主面上に障壁層25aを成長し、障壁層25aの表面は半極性を示す。工程S110では井戸層25bを障壁層25aの主面上に成長し、井戸層25bの表面は半極性を示す。必要な場合には、障壁層25aの成長と井戸層25bの成長とを繰り返す。完成した発光層及び活性層23の表面は、半極性を示す。半極性の活性層では、c面に比べてピエゾ電界の影響が低減される。

 工程S111では、発光層の半極性主面上にp型III族窒化物半導体領域13を成長する。p型III族窒化物半導体領域13は、p型電子ブロック層、p型クラッド層、p型コンタクト層等を含むことができる。工程S112では、p型電子ブロック層及び/又はp型クラッド層を活性層25上に成長する。p型クラッド層は、四元系、三元系及び二元系のIII族窒化物半導体からなることができ、例えばMgドープGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等である。工程S113では、p型電子ブロック層及び/又はp型クラッド層を成長した後に、p型コンタクト層を含むことができる。p型コンタクト層は、四元系、三元系及び二元系のIII族窒化物半導体からなることができ、例えばMgドープGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等である。p型コンタクト層におけるp型ドーパント濃度は例えば5×1019cm-3以上であり、また5×1020cm-3以下であることができる。

 これらの工程により、エピタキシャル基板の形成が完了し、支持体29が提供される。

 本実施例は、半極性p型GaNのオーミック電極の形成に対し、アニールプロセスを用いることなく例えばPt電極を使用することが有効であることを見出したものである。

 まず、発明者らは、金属層を形成した後に酸素雰囲気アニールを行う方法を用いて、p型半極性GaN層の上にp型電極を形成した。しかし、p型GaNの半極性(2-0-21)面上にNi/Au金属積層を形成した後に酸素雰囲気中での合金化工程を適用してp側電極を形成したけれども、このp側電極は、良好なオーミック特性を示さなかった。また、他の方法として、高温状態でPt電極を作製する方法で、半極性(2-0-21)p型GaN上にPt電極を形成した。このPt電極も、良好なオーミック特性を示さなかった。これらの技術を用いて有極性c面のp型GaNに電極を形成するとき、良好なオーミック電極が形成される。上記の説明のように、既存の2方法を半極性GaNへ適用しても、良好なオーミック電極が得られない。

 この理由を考察するために、X線光電子分光分析装置(XPS)を用いてc面GaN表面および半極性GaN表面の分析を行った。その結果、c面GaN面に比べて、半極性GaN面の表面酸化膜が厚い(Ga-O結合の密度が高い)ことが示された。そして、上記の2方法による作製において、合金化処理の後のGaN/電極界面にも同様に酸化膜が観察された。一方で、本実施の形態のようなノンアロイPt電極では、c面のような厚い酸化膜は確認されなかった。

 そこで、発明者らは、酸素を含む雰囲気中で熱処理することが原因で、金属電極とp型半導体結晶との界面が酸化され、それにより接触抵抗が上昇したと推測した。半極性の窒化物表面におけるボンドの状態(ダングリングボンド)がc面表面におけるボンド状態とは異なっており、半極性の窒化物表面は酸素と結合しやすい。これ故に、合金化中の酸素が、窒化物-電極界面に到達して、この界面に酸化物が成長したと推測した。

 そして、発明者らはアニールを用いない電極の開発を進めた。この電極形成プロセスでは、常温(例えば摂氏15度~摂氏40度)で例えばPt電極膜を蒸着すると共にこの電極膜に熱処理を施さない。このPt電極は良好なオーミック性を示し、半導体素子の電気特性(例えばTLM法による接触抵抗値及びPNダイオードのI-V特性等)も優良であった。そして、XPSにより測定結果には、電極とp型半導体領域との界面における酸素-ガリウム結合を示す信号は観測されなかった。この結果から、酸化膜は10nm以下であると見積もられた。また、発明者らの知見から、0.5nm程度の酸化膜が界面に残されている可能性があると見積もられた。つまり、常温でPt電極を形成し、かつこの電極とIII族窒化物半導体との界面に、酸化膜が0.5nm以上10nm以下であれば,良好なオーミック電極が形成される。同様な結果は、Pt電極だけでなく、Pd電極やAu電極、これらの合金電極でも得られた。

 上記の実施例において、Pt電極の蒸着前に、c面及び半極性面のp型GaN結晶をアセトンや2-プロパノール等での超音波有機洗浄を行った後に、塩酸、王水、フッ酸洗浄を行った。洗浄時間は溶液において5分程度であった。このように酸洗浄を行うことによって、オーミック電極の更に良好な特性が得られた。

 (実施例1)図3(a)に示される構造のエピタキシャル基板を有機金属気相成長(MOCVD)法で作製した。その構造は、m軸方向にc軸が傾斜した半極性表面のn型GaN基板上にMOCVD法により、GaNバッファ層(必要な場合)を成長した後に、厚さ1μmのSiドープn型のGaN層、厚さ0.4μmのMgドープp型のGaN層、厚さ50nmの高濃度Mgドープp+型GaN層を成長した。

 p型電極膜の蒸着前に、フォトリソグラフィにより円形のレジストを形成した。この後に、同一蒸着装置内において、電子ビーム法および抵抗加熱法によりそれぞれPt膜(厚さ50nm)及びNi/Au膜(厚さ5nm/11nm)を蒸着した。真空度は、1×10-6Torr程度であった。

 蒸着後に、レジストをアセトンでリフトオフして、ドーナツ状の空隙を有するPt電極を形成した。空隙で分離された内側電極と,外側電極との間で抵抗を測定して、Pt電極の接触抵抗を評価した(c-TLM測定法)。この結果を図3(b)に示した。
測定結果  抵抗値
Pt電極:5×10-3Ω・cm
Ni/Au膜:3×10-2Ω・cm

 (実施例2)X線光電子分光分析装置(XPS)を用いて、GaN-電極極界面の分析を行った。実施例1と同様のエピタキシャル成長を行って、c面エピタキシャル基板(評価デバイスA)及び半極性エピタキシャル基板(評価デバイスB)を成長した。これらのエピタキシャル基板(評価デバイスA、B)の各々に電子ビーム法でPt電極を蒸着して、c面基板生産物(評価デバイスC)及び半極性基板生産物(評価デバイスD)を形成した。また、これらのエピタキシャル基板(評価デバイスA、B)に電子ビーム法及び抵抗加熱法でNi/Au膜を蒸着して、c面基板生産物(評価デバイスE)及び半極性面基板生産物(評価デバイスF)を形成した。

 上記の全ての評価デバイスの作製において、蒸着前に上記の有機洗浄及び酸洗浄をエピタキシャル基板に行った。また、評価デバイスE、Fには、少量の酸素が入った窒素雰囲気中で1分のアニール処理を行った。

 評価デバイスBにおける表面酸化膜は、評価デバイスAに比べて厚い(Ga-O結合の密度が高い)ことが示された。また、評価デバイスEに比べて、評価デバイスFもGaN-電極界面に厚い酸化膜が確認された。しかしながら、評価デバイスC及びDでは、それらの酸化膜は確認できなかった。

 図4(a)は、半極性面上のノンアロイ電極におけるGa-O結合の結合エネルギの範囲におけるXPS信号を示す図面であり、図4(b)は、半極性面上のアロイ電極におけるGa-O結合の結合エネルギの範囲におけるXPS信号を示す図面である。

 図4を参照すると、以下のように理解される。図示された結果から、半極性基板上では表面酸化が起こりやすく、オーミック特性が得られにくいと推測できる。しかしながら、半極性基板上でも、熱処理を加えないノンアロイである電極であれば、酸化膜が生じないことが確認できた。また、酸による前処理を行うことにより、更に良好なオーミック特性から得られる。

 (実施例3)半極性の角度による違いを確認するために、(20-21)面から+5度、-5度、+10度、-10度の角度で傾けた(四種類の角度)半極性基板、及びm面基板の非極性基板を準備した。これらのGaN基板を用いて、実施例2と同様にエピタキシャル基板を作製した。実施例2と同様にXPSの測定を行った。この測定結果によれば、半極性及び無極性のGaN基板を用いてエピタキシャル基板上にPtノンアロイ電極を形成したとき、このノンアロイ電極の界面は、c面上のアロイ電極よりも良好であることがわかった。また、上記の角度範囲による電気特性の大きな差は測定には現れなかった。したがって、有極性であるc面と異なる性質の非極性面(半極性・無極性)の主面を有する基板上のノンアロイ電極であれば、良好なオーミック特性を得ることができた。

 本実施の形態によれば、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を有する半導体素子を提供できる。また、本実施の形態によれば、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を実現できる半導体素子を作製する方法を提供できる。さらに、本実施の形態によれば、c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を実現できるノンアロイ電極を提供できる。

 好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、発光素子について例示的に説明しているけれども、トランジスタやダイオードといった電子デバイスにおけるp側電極にも適用できる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

 c面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を有する半導体素子であり、またc面に対して傾斜したp型主面において良好なオーミック接触を実現できる半導体素子を作製する方法である。

11…半導体素子、13…p型半導体領域、13a…主面、15…金属層、17…界面、ALPHA…傾斜角、19…酸化物層、21…支持基体、21a…主面、21b…裏面、23…n型半導体領域、25…活性層、29…支持体、NVS…法線ベクトル、25a…障壁層、25b…窒化ガリウム系半導体層、BETA…傾斜角。

Claims (20)

  1.  ノンアロイ電極を有する半導体素子であって、
     六方晶系III族窒化物からなり、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って該六方晶系III族窒化物のc面と異なるように延在する主面を有するp型半導体領域と、
     前記p型半導体領域の前記主面上に設けられた金属層と
    を備え、
     前記六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、
     前記金属層と前記p型半導体領域とは界面を成すように積層されてノンアロイ電極を構成する、ことを特徴とする半導体素子。
  2.  前記金属層は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及び金(Au)の少なくともいずれかからなる、ことを特徴とする請求項1に記載された半導体素子。
  3.  前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された半導体素子。
  4.  前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、63度以上80度以下、又は100度以上117度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載された半導体素子。
  5.  六方晶系III族窒化物からなる支持基体を更に備え、
     前記支持基体は半極性主面を有しており、
     前記p型半導体領域は前記支持基体の前記半極性主面上に設けられると共に、前記主面は半極性を有する、ことを特徴とする請求項1~請求項4のいずれか一項に記載された半導体素子。
  6.  前記支持基体の前記半極性主面と前記支持基体のc軸との成す傾斜角は、63度以上80度以下、又は100度以上117度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項5に記載された半導体素子。
  7.  六方晶系III族窒化物からなるn型半導体領域と、
     六方晶系III族窒化物からなる活性層と
    を更に備え、
     前記活性層は、前記n型半導体領域と前記p型半導体領域との間に設けられる、ことを特徴とする請求項1~請求項6のいずれか一項に記載された半導体素子。
  8.  前記界面には厚さ10nm以下の酸化物層が含まれる、ことを特徴とする請求項1~請求項7のいずれか一項に記載された半導体素子。
  9.  前記酸化物層は構成元素としてガリウムを含む、ことを特徴とする請求項8に記載された半導体素子。
  10.  前記酸化物層は前記金属層の構成元素の酸化物を含まない、ことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載された半導体素子。
  11.  半導体素子を作製する方法であって、
     六方晶系III族窒化物からなる主面を有するp型半導体領域を含む支持体を準備する工程と、
     前記p型半導体領域の前記主面上に金属層を堆積して、ノンアロイ電極を形成する工程と
    を備え、
     前記六方晶系III族窒化物はIII族構成元素としてガリウムを含み、
     前記p型半導体領域の前記主面は、該六方晶系III族窒化物のc軸に対して傾斜した平面に沿って該六方晶系III族窒化物のc面と異なるように延在することを特徴とする、半導体素子を作製する方法。
  12.  前記金属層は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及び金(Au)の少なくともいずれかからなることを特徴とする請求項11に記載された、半導体素子を作製する方法。
  13.  前記金属層を堆積する前に、前記支持体の前記p型半導体領域を処理する工程を更に備え、
     前記処理は、酸洗浄を前記支持体に適用することによって行われることを特徴とする請求項11又は請求項12に記載された、半導体素子を作製する方法。
  14.  前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、10度以上80度以下、又は100度以上170度以下の範囲であることを特徴とする請求項11~請求項13のいずれか一項に記載された、半導体素子を作製する方法。
  15.  前記p型半導体領域の前記主面における法線ベクトルと前記c軸との成す傾斜角は、63度以上80度以下、又は100度以上117度以下の範囲であることを特徴とする請求項11~請求項14のいずれか一項に記載された、半導体素子を作製する方法。
  16.  前記金属層を堆積した後には、酸素を含む雰囲気中で電極アニールを行わない、ことを特徴とする請求項11~請求項15のいずれか一項に記載された、半導体素子を作製する方法。
  17.  前記金属層と前記p型半導体領域とは、界面を形成するように積層され、
     前記界面には厚さ10nm以下の酸化物層が含まれる、ことを特徴とする請求項11~請求項16のいずれか一項に記載された、半導体素子を作製する方法。
  18.  前記支持体は、六方晶系III族窒化物からなる支持基体を含み、
     前記支持基体は半極性主面を有しており、
     前記p型半導体領域は、前記支持基体の前記半極性主面上に設けられると共に、前記主面は半極性を有することを特徴とする請求項11~請求項17のいずれか一項に記載された、半導体素子を作製する方法。
  19.  前記支持基体の前記半極性主面における法線ベクトルと前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物のc軸との成す傾斜角は、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であることを特徴とする請求項18に記載された、半導体素子を作製する方法。
  20.  前記支持体は、六方晶系III族窒化物からなるn型半導体領域と、六方晶系III族窒化物からなる活性層とを更に備え、
     前記n型半導体領域は、前記支持基体の前記半極性主面上に設けられ、
     前記活性層は、前記支持基体の前記半極性主面上に設けられ、
     前記活性層は、前記n型半導体領域と前記p型半導体領域との間に設けられることを特徴とする請求項18又は請求項19に記載された、半導体素子を作製する方法。
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