JP2007258248A

JP2007258248A - ＧａＮ系半導体素子の製造方法及びＧａＮ系半導体素子

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Publication number: JP2007258248A
Application number: JP2006077367A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Murayama; 雅洋村山; Daisuke Nakagawa; 大輔中川
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】良好なオーミックコンタクトを形成しつつ、容易に製造することが可能なＧａＮ系半導体素子の製造方法及びＧａＮ系半導体素子を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子１は、ｎ型のＧａＮ基板２上に、ｎ型半導体層３、活性層４、ｐ型半導体層５が順次積層されている。ｐ型半導体層５は、ｐ型電子バリア層２１、ｐ型ガイド層２２、ｐ型超格子クラッド層２３、ｐ型コンタクト層２４が順次積層されている。ｐ型コンタクト層２４は、ｐ側電極６と接続される約１００Åの接続層２５を含む約５００Åの厚みのｐ型ＧａＮ系半導体層からなる。接続層２５以外のｐ型コンタクト層２４は、水素ガスをキャリアガスとして成長させ、接続層２５は、キャリアガスのみを不活性ガスである窒素ガスに切り換えて成長させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｐ型ＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体層からなるｐ型コンタクト層を備えたＧａＮ系半導体素子の製造方法及びＧａＮ系半導体素子に関する。

一般に、ｎ型の基板上に、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を成長させた後、ｐ型半導体層上に金属製の電極を形成する半導体素子の製造方法及び半導体素子が知られている。このような半導体素子では、電極と接続されるｐ型半導体層の最上面には、ｐ側電極とオーミックコンタクトをとることが可能なｐ型半導体層からなるｐ型コンタクト層が形成される。このようなｐ型コンタクト層を構成する材料として、ｐ型ＧａＮ系半導体層が知られている。

このｐ型ＧａＮ系半導体層の製造方法としては、例えば、ＮＨ_３、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビシクロペンタジェニルマグネシウム）等と共に、キャリアガスとして水素ガスを流すことで成長させる方法が知られている。そして、ｐ型ＧａＮ系半導体層を形成した後、電子線照射やアニーリングによってＭｇ等のアクセプタを活性化させることによって、キャリア濃度が高く、ｐ側電極と良好なオーミックコンタクトを形成することが可能なｐ型ＧａＮ系半導体層を形成することができる。これによって、ｐ型ＧａＮ系半導体層をｐ型コンタクト層として適用することができる。

しかしながら、水素ガスをキャリアガスとしてｐ型ＧａＮ系半導体層を成長させた場合、マグネシウム等のアクセプタと結合して、キャリア濃度が低くなるため、良好なオーミックコンタクトを形成することができないため、ｐ型コンタクト層として適用することができないといった問題がある。そこで、水素ガスの代わりに窒素ガス等の不活性ガスをキャリアガスとして用いる技術が知られている。不活性ガスは、アクセプタと結合しにくいため、ｐ型ＧａＮ系半導体層のキャリア濃度の低下を防ぐことができるので、ｐ側電極とのオーミックコンタクトが劣化することを抑制することができる。

しかしながら、キャリアガスとして不活性ガスを用いてｐ型ＧａＮ系半導体層を成長させた場合、水素ガスをキャリアガスとした場合に比べて、ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長速度が非常に遅いことが知られている。例えば、水素ガスをキャリアガスとしてｐ型ＧａＮ系半導体層を成長速度約１５０Å／ｍｉｎ成長させた条件で、キャリアガスのみを窒素ガスに代えてｐ型ＧａＮ系半導体層を成長させると成長速度は約７０Å／ｍｉｎとなる。

そこで、良好なオーミックコンタクトを形成しつつ、成長速度を速くすることが可能なｐ型ＧａＮ系半導体層を有するｐ型コンタクト層を備えた半導体素子の製造方法が求められている。例えば、特許文献１には、下層のｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＩｎＧａＮ層からなる上層の超格子層とによって構成されたｐ型コンタクト層を備えた半導体素子が開示されている。この特許文献１の製造方法では、最初、キャリアガスとして水素ガスを用いて、下層のｐ型ＧａＮ層を成長させた後、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに切り換えて、上層の超格子層を成長させて、ｐ型コンタクト層を作製する半導体素子の製造方法が開示されている。この半導体素子の製造方法によって、良好なオーミックコンタクトを形成しつつ、成長速度を速くすることができる。
特開平１１−１５０２９６号公報

しかしながら、上述の特許文献１における半導体素子の製造方法では、ｐ型コンタクト層の最上面の電極と接続される接続層にｐ型ＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層の２層からなる超格子層を形成するため、キャリアガス以外の原料ガスをも切り換えなくてはならないため、製造工程が複雑化するといった問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、良好なオーミックコンタクトを形成しつつ、容易に製造することが可能な半導体素子の製造方法及び半導体素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、金属製のｐ側電極と接続されるｐ型コンタクト層がｐ型ＧａＮ系半導体層からなる半導体素子の製造方法において、最初は水素ガスを含むキャリアガスによってｐ型ＧａＮ系半導体層の一部を成長させた後、キャリアガスのみを不活性ガスからなるキャリアガスに切り換えてｐ側電極との接続層を構成する残りのｐ型ＧａＮ系半導体層を成長させることによってｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするＧａＮ系半導体素子の製造方法である。

また、請求項２の発明は、５００Å以下の厚みだけ成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法である。

また、請求項３の発明は、金属製のｐ側電極と、前記ｐ側電極と接続される接続層を含むｐ型ＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層とを備えたＧａＮ系半導体素子において、前記ｐ型コンタクト層の接続層は、不活性ガスをキャリアガスとして成長させたことを特徴とするＧａＮ系半導体素子である。

本発明によれば、最初に水素ガスを含むキャリアガスを用いてｐ型ＧａＮ系半導体層を形成した後、キャリアガスのみを不活性ガスからなるキャリアガスに切り換えてｐ型ＧａＮ系半導体層からなる接続層を成長させて、ｐ型コンタクト層を作製しているので、原料ガスをも切り換えて作製する製造方法に比べて、製造工程を簡略化することができる。

また、接続層以外のｐ型コンタクト層を成長速度の速い水素ガスを含むキャリアガスを用いて成長させているので、製造工程に要する時間を短縮することができる。

また、ｐ側電極と接続されるｐ型コンタクト層の上部の接続層を、アクセプタと結合しにくい不活性ガスをキャリアガスとして成長させているので、水素ガスをキャリアガスとして成長させて水素がアクセプタと結合することに起因するキャリア濃度の低下を抑制することができる。これによって、ｐ型コンタクト層の接続層のキャリア濃度を向上させることができるので、ｐ型コンタクト層の接続層とｐ側電極との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、ｐ型コンタクト層を説明するための断面図である。図２は、本発明によるＧａＮ系半導体発光素子（ＧａＮ系半導体素子）の積層構造を示す。

図２に示すように、ＧａＮ系半導体発光素子１は、ｎ型のＧａＮ基板２上に、ｎ型半導体層３、活性層４、ｐ型半導体層５が順次積層されている。また、ｐ型半導体層５の上面には、金属製のｐ側電極６が形成されると共に、ｎ型半導体層３には、後述するｎ型コンタクト層１１にｎ側電極（図示略）が形成されている。

ｎ型半導体層３は、ＧａＮ基板２側から順に、ｎ型ＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１１、約２５Åの厚みのｎ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層及び約２５Åの厚みのｎ型ＧａＮ層が各２６０層積層された約１３０００Åの厚みのｎ型超格子クラッド層１２、約７００Åの厚みのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型ガイド層１３、ｎ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層が交互に複数積層されたｎ型超格子層１４が順次積層されている。

活性層４は、Ｉｎの組成比の異なる２つのＩｎＧａＮ層からなる障壁層及び井戸層が交互に複数積層されている。

ｐ型半導体層５は、活性層４側から順に、約２００Åの厚みのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層からなるｐ型電子バリア層２１、約１０００Åの厚みのｐ型ガイド層２２、約２５Åの厚みのｐ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層及び約２５Åの厚みのｐ型ＧａＮ層が各８０層積層された約４０００Åの厚みのｐ型超格子クラッド層２３、ｐ型コンタクト層２４が順次積層されている。

ここでｐ型コンタクト層２４は、図１に示すように、ｐ側電極６と接続される約１００Åの接続層２５を含む約５００Åの厚みのｐ型ＧａＮ層からなる。接続層２５は、水素ガスをキャリアガスとして成長させた接続層２５以外のｐ型コンタクト層２４と異なり、アクセプタと結合しにくい不活性ガスである窒素ガスをキャリアガスとして成長させている。これによって、接続層２５は、キャリア濃度を向上させることができ、ｐ側電極６と良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

このＧａＮ系光半導体素子１では、ｎ側電極及びｐ側電極６からキャリアが供給されると、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５を介して、活性層４に注入される。そして、活性層４に注入されたキャリアが結合することによって、光を発光する。

次に、上述したＧａＮ系半導体発光素子の製造方法について図３を参照して説明する。図３は、ＧａＮ系半導体発光素子の各層を成長させる際の成長温度を示す図である。

まず、ＭＯＣＶＤ法等の既知の方法によって、ｎ型のＧａＮ基板２を約１０５０℃の成長温度に保持した状態で、ＧａＮ基板２上に、ｎ型コンタクト層１１、ｎ型超格子クラッド層１２、ｎ型ガイド層１３を順次成長させる。次に、ＧａＮ基板２を約７８０℃の成長温度に下げてｎ型超格子層１４、活性層４を順次成長させた後、ＧａＮ基板２を約１０７０℃の成長温度まで上げてｐ型電子バリア層２１を成長させる。次に、ＧａＮ基板２を約１０００℃の成長温度まで下げてｐ型ガイド層２２を成長させた後、ＧａＮ基板２を約１０５０℃の成長温度まで上げてｐ型超格子クラッド層２３を成長させる。

次に、ＧａＮ基板２を約１０００℃の温度に下げた状態で、ＭＯＣＶＤ法により、水素ガスをキャリアガスとして、ＮＨ_３、ＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇを供給することによって、ｐ型超格子クラッド層２３上に約４００Åの厚さのｐ型ＧａＮ層を成長させる。その後、ＮＨ_３、ＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇの供給を継続しつつ、キャリアガスのみを水素ガスから不活性ガスである窒素ガスに切り換えて、ｐ型ＧａＮ層からなる約１００Åの厚みの接続層２５を成長させて、約５００Åの厚みのｐ型コンタクト層２４を形成する。次に、ｐ側電極６を既知の方法によって形成した後、電子線照射やアニーリングによってアクセプタを活性化させてオーミックコンタクトを形成する。最後にｎ側電極を形成して、ＧａＮ系半導体発光素子１が完成する。

このように、最初に、水素ガスをキャリアガスとしてｐ型ＧａＮ層を形成した後、原料ガス（ＮＨ_３、ＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇ）の供給はそのまま継続した状態で、キャリアガスのみを窒素ガスに切り換えてｐ型ＧａＮ層からなる接続層２５を成長させることによりｐ型コンタクト層２４を作製しているので、原料ガスを切り換えてｐ型コンタクト層の接続層を形成する製造方法に比べて、製造工程を簡略化することができる。

また、接続層２５以外のｐ型コンタクト層２４を成長速度の速い水素ガスをキャリアガスとして用いて成長させているので、製造工程に要する時間を短縮することができる。

また、ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４を形成する工程において、ｐ側電極６と接続されるｐ型コンタクト層２４の上部の接続層２５を、アクセプタと結合しにくい窒素ガスをキャリアガスとして成長させているので、水素ガスをキャリアガスとして成長させた場合に水素がアクセプタと結合することに起因するキャリア濃度の低下を抑制することができる。これによって、ｐ型コンタクト層２４の接続層２５のキャリア濃度を向上させることができるので、ｐ型コンタクト層２４の接続層２５とｐ側電極６との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

次に、上述したオーミックコンタクトを向上させることができる効果について証明するために行った実験について説明する。

まず、上述の実験を行うために作製した試料について図４を参照して説明する。図４は、実験のために作製した試料の断面構造を示す図である。

図４に示すように、試料４１は、ｎ型ＧａＮ層４２と、ｎ型ＧａＮ層４２上に形成されたｐ型ＧａＮ層４３を備えている。ｐ型ＧａＮ層４３には、Ｐｄ及びＡｕからなるｐ側電極４４が形成されると共に、ｎ型ＧａＮ層４２には、Ｔｉ及びＡｌからなるｎ側電極４５が形成されている。

この試料４１は、ｎ型ＧａＮ層４２上にｐ型ＧａＮ層４３及びｐ側電極４４を順次積層した後、ｐ側電極４４、ｐ型ＧａＮ層４３及びｎ型ＧａＮ層４２の一部をメサエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層４２の一部にｎ側電極４５を形成することによって、作製した。

ここで本発明による試料４１は、最初、水素ガスをキャリアガスとして約４００Åの厚みのｐ型ＧａＮ層を成長させた後、窒素ガスをキャリアガスとして、約１００Åの厚みのｐ型ＧａＮ層からなりｐ側電極４４と接続される接続層４６を成長させることによってｐ型ＧａＮ層４３を形成した。一方、比較用の試料４１としては、水素ガスをキャリアガスとして用いて接続層４６を成長させた以外は本発明による試料４１と同じ製造工程によって作製した。

次に、図５を参照して実験結果について説明する。図５は、試料に流した電流と電圧との関係を示す図である。尚、横軸が流した電流を示し、縦軸がその際の電圧を示す。この実験は、ｐ側電極４４とｎ側電極４５との間に流す電流の電流値を徐々に上げ、各電流値での電圧値を測定した。

図５に示すように、窒素ガスをキャリアガスとして用いてｐ型ＧａＮ層４３の上面から約１００Åの領域を形成した本発明による試料４１は、水素ガスをキャリアガスとして用いて接続層４６を形成した比較用の試料４１に比べて、同じ大きさの電流を供給した際の電圧が小さいことがわかる。これによって、本発明による試料４１の方が、比較例による試料４１よりも抵抗が小さいことがわかる。このことから、本発明による試料４１のｐ側電極４４とｐ型ＧａＮ層４３とのオーミックコンタクトが、比較例による試料４１の当該オーミックコンタクトよりも良好であることがわかり、接続層４６のキャリア濃度が高いことがわかる。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲内で変更して実施することができる。即ち、本明細書の記載は、一例であり、本発明を何ら限定的な意味に解釈させるものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述の実施形態では、ｐ型コンタクト層２４をｐ型ＧａＮ層によって構成したが、ｐ型コンタクト層を、ｐ型ＩｎＧａＮ層等の他のｐ型ＧａＮ系半導体層によって形成してもよい。

また、上述の実施形態では、ｐ型コンタクト層２４の厚みを約５００Å、接続層２５の厚みを約１００Åに構成した例を示したが、それぞれの厚みはこれらに限定されるものではない。例えば、ｐ型コンタクト層を約１０００Åの厚みに構成し、接続層を約５００Åに構成してもよい。

また、上述の実施形態では、ｐ型コンタクト層２４の接続層２５を成長させる際のキャリアガスとして、窒素ガスを適用したが、窒素ガス以外にもアルゴンやヘリウム等の希ガス等を適用することができる。

また、上述の実施形態では、接続層２５以外のｐ型コンタクト層２４の領域を水素ガスのみからなるキャリアガスを用いて成長させたが、当該領域を水素ガスと不活性ガスを含むキャリアガスによって成長させてもよい。

また、上述の実施形態における半導体の積層構造は一例であり、適宜変更可能である。さらに、上述の半導体素子の製造方法も一例であり、適宜変更可能である。

ｐ型コンタクト層を説明するための断面図である。本発明によるＧａＮ系半導体発光素子（ＧａＮ系半導体素子）の積層構造を示す。ＧａＮ系半導体発光素子の各層を成長させる際の成長温度を示す図である。実験のために作製した試料の断面構造を示す図である。試料に流した電流と電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１ＧａＮ系半導体発光素子
２ＧａＮ基板
３ｎ型半導体層
４活性層
５ｐ型半導体層
６ｐ側電極
１１ｎ型コンタクト層
１２ｎ型超格子クラッド層
１３ｎ型ガイド層
１４ｎ型超格子層
２１ｐ型電子バリア層
２２ｐ型ガイド層
２２ｐ型クラッド層
２３ｐ型超格子クラッド層
２４ｐ型コンタクト層
２５接続層

Claims

金属製のｐ側電極と接続されるｐ型コンタクト層がｐ型ＧａＮ系半導体層からなる半導体素子の製造方法において、
最初は水素ガスを含むキャリアガスによってｐ型ＧａＮ系半導体層の一部を成長させた後、キャリアガスのみを不活性ガスからなるキャリアガスに切り換えてｐ側電極との接続層を構成する残りのｐ型ＧａＮ系半導体層を成長させることによってｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするＧａＮ系半導体素子の製造方法。
前記接続層は、５００Å以下の厚みだけ成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
金属製のｐ側電極と、
前記ｐ側電極と接続される接続層を含むｐ型ＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層とを備えたＧａＮ系半導体素子において、
前記ｐ型コンタクト層の接続層は、不活性ガスをキャリアガスとして成長させたことを特徴とするＧａＮ系半導体素子。