JP3917223B2

JP3917223B2 - 半導体発光素子の製法

Info

Publication number: JP3917223B2
Application number: JP32633496A
Authority: JP
Inventors: 雅之園部; 俊次中田; 幸男尺田; 毅筒井; 範和伊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: JPH10173222A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に、チッ化ガリウム系化合物半導体が積層される青色系（紫外から黄色）の光を発生する半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、ｐ形層のアニール処理を効果的に行う半導体発光素子の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色系の光を発光する半導体発光素子は、たとえば図２に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばＧａＮからなる低温バッファ層２２と、高温でｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることが多い。
【０００３】
この構造で、ｐ形層５はＭｇがドーパントとしてドーピングされているが、Ｍｇがチッ化ガリウム系化合物半導体層にドーピングされる際にＯ（酸素原子）またはＨ（水素原子）と結合しやすく、ＭｇがＯやＨと結合していると、ドーパントとしての作用をせず、直列抵抗が大きくなる。そのため、半導体層を積層した後に、４００〜８００℃程度で１５〜３０分程度のアニール処理を行っている。このアニール処理を行う際に、半導体層からＧａなどの他の元素が蒸発しないように、また周囲の雰囲気からの酸素を吸収しないように、ＳｉＯ₂やＳｉＮ_x（チッ化ケイ素）のような保護膜を設けて行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、アニール時に半導体層の表面にＳｉＯ₂やＳｉＮ_xなどの保護膜を設けて行っているため、Ｇａなどの蒸発を防止することができるが、半導体層中のＯなども蒸発し難く、ＭｇとＯなどとの結合を完全に切り離して、Ｏなどを蒸発分離させることができない。したがって、ｐ形層の活性化を充分に行うことができず、ｐ形層の抵抗を充分に下げることができないという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるｐ形層の活性化を充分に行うことができ、順方向電圧を下げることができる半導体発光素子の製法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体層を積層し、前記ｐ形層の活性化のためのアニール処理を行う半導体発光素子の製法であって、前記半導体層を積層した後のｐ形層の表面側に酸化膜からなる透明導電膜を成膜した後に前記アニール処理を行うことにより、前記透明導電膜と前記ｐ形層中のＯとを化合させ、該透明導電膜上にｐ側電極を形成することを特徴とする。この透明導電膜を設けることにより、半導体層中のＧａなどの他の元素の蒸発を防止すると共に、透明導電膜は成膜時には完全な酸化物になっていないため、Ｍｇと結合したＯが分離して透明導電膜中の成分と化合しやすい。したがって、ｐ形層中のＭｇ-Ｏなどの結合が完全に分離されてドーパント化し、その活性化が充分に行われる。
【０００７】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、透明導電膜とはＩＴＯ、酸化スズ、酸化インジウムなどの導電性があり、充分酸化した状態で透明な材料からなる膜をいう。
【０００８】
前記透明導電膜の表面にさらにシリコン酸化チッ化膜を設けた後に前記アニール処理を行うことが、透明導電膜が雰囲気ガス中のＯなどを吸収しやすいのを防止できるため、半導体層中のＭｇと結合したＯなどを分離しやすくなり好ましい。ここにシリコン酸化チッ化膜とは、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、ＳｉＯ_yＮ_zなどのＳｉとＯおよび／またはＮとが化合した絶縁膜をいう。
【０００９】
前記透明導電膜を設ける前に前記ｐ形層の表面に粒状のＩｎ粉末またはＮｉおよびＡｕを含む合金膜からなるメタル層を設けておくことにより、ｐ形の半導体層とのオーミックコンタクトを取りやすく、透明導電膜をそのまま残して拡散メタル層として使用する場合にその効果が大きくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法について説明をする。図１には、青色発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の方法の一実施形態により製造される半導体発光素子の断面説明図が示されている。
【００１１】
本発明の半導体発光素子の製法は、図１に示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）などからなる基板１の表面にＧａＮからなる低温バッファ層２、ｎ形のＧａＮからなるｎ形層３、活性層４、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層５を順次積層して半導体積層部を形成する。そして、電流拡散用のメタル層７ａを形成し、さらにその上にＩＴＯ膜７ｂなどの透明導電膜および図示しないチッ化ケイ素膜（ＳｉＮ_x）などのシリコン酸化チッ化膜を形成した後に、ｐ形層５の活性化のためのアニール処理をすることに特徴がある。その後、ＳｉＮ_xの一部を除去してＩＴＯ膜７ｂ上に上部電極（ｐ側電極）８を形成している。また、積層された半導体層の一部を除去して露出したｎ形層３に下部電極（ｎ側電極）９を形成している。ここで、ＩＴＯ膜７ｂは、アニール時の保護膜として作用すると共に、メタル層７ａと共に電流拡散用の拡散メタル層７を構成している。
【００１２】
基板１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μｍ程度堆積され、ついでクラッド層となるｎ形層３が１〜５μｍ程度堆積され、さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッド層）５が０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、ｐ形層５はＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層とｐ形層とで活性層が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。
【００１３】
つぎに、本発明の半導体発光素子の製法について、具体例によりさらに詳細に説明をする。
【００１４】
有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ₂と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ₄などを供給して、たとえばサファイアからなる基板１上に４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程度、同じ組成でｎ形のｎ形層（クラッド層）３を１〜５μｍ程度結晶成長する。さらにドーパントガスを止めて、反応ガスとしてトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を追加し、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。
【００１５】
ついで、反応ガスのＴＭＩｎをトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）に変更し、ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を導入して、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａを０.１〜０.５μｍ程度、さらに再度反応ガスのＴＭＡを止めてｐ形のＧａＮ層５ｂを０.１〜０.５μｍ程度それぞれ積層し、ｐ形層５を形成する。
【００１６】
その後、たとえばＮｉおよびＡｕをそれぞれ２〜５０ｎｍ程度蒸着してシンターすることにより薄くて透明なメタル層７ａを１０〜５０ｎｍ程度形成し、その表面にＩＴＯ膜７ｂを０.１〜０.２μｍ程度成膜する。その表面にさらにＳｉＮ_xなどの保護膜（図示せず）を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１５〜３０分程度のアニールを行う。
【００１７】
ついで、下部電極を形成するためｎ形層３が露出するように、積層された半導体層の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをする。この露出したｎ形層３の表面にｎ側電極金属のＴｉおよびＡｌをそれぞれ０.１μｍ程度と０.３μｍ程度づつ真空蒸着などにより成膜することにより、下部電極９を形成する。さらにｐ側電極のために図示しないＳｉＮ_xなどの保護膜の一部を除去してＩＴＯ膜７ｂ上にＴｉとＡｕをそれぞれ真空蒸着することにより、上部電極８を形成する。その結果、図１に示される半導体発光素子が得られる。
【００１８】
本発明によれば、アニール時の半導体層の表面側にＩＴＯ膜などの透明導電膜が設けられているため、半導体層のＧａなどの蒸発を防止する保護膜としての作用を充分に果たす。一方、ＩＴＯ膜は、半導体層などの表面に成膜された際は、完全な酸化膜にはなっておらず、着色しており、熱処理中に雰囲気の酸素と化合して完全な酸化膜となり透明になる性質を有している。そのため、ＩＴＯ膜が設けられてｐ形層のアニール処理が行われるときに半導体層中のドーパントＭｇと結合しているＯなどと化合してｐ形層の活性化に充分に寄与する。その結果、ｐ形層の抵抗が低下し、順方向電圧の低い半導体発光素子が得られる。
【００１９】
以上ように、ＩＴＯ膜がアニール時の半導体層の保護膜として作用するが、このＩＴＯ膜の表面にさらにＳｉＮ_xなどの保護膜が設けられることにより、熱処理時にＩＴＯ膜が雰囲気のＯ原子と化合するのを防止することができるため、半導体層中のＯ原子と一層化合しやすい。そのため、前述のように、ＩＴＯ膜の表面にさらにＳｉＮ_xなどの保護膜が設けられることが、半導体層の活性化を効率よく行うのにとくに効果があり、好ましい。
【００２０】
さらに、ＩＴＯ膜は導電性で、充分に酸化すれば透明になるため、そのまま最後まで残すことにより、電流を半導体層の全面に拡げる拡散メタル層の役割を果たすことができる。しかし、ＩＴＯ膜と半導体層とのオーミックコンタクト特性はそれ程よくないため、拡散メタル層としてそのまま使用するためには、ＩＴＯ膜を設ける前に半導体層の表面にＩｎ粉末を粒状に設けたり、Ｎｉ／Ａｕ、または前述のようにＩｎ／Ｎｉ／Ａｕの薄い合金膜を設け、その上にＩＴＯ膜を設けることにより、合金膜などと半導体層との接触がオーミック接触となり、ＩＴＯ膜はＩｎや合金膜などと良好な電気接触が得られるため好ましい。このとき、合金薄膜層とＩＴＯ膜とが拡散メタル層として作用する。
【００２１】
なお、前述の例では透明導電膜としてＩＴＯを用いたが、酸化スズ、酸化インジウムでも同様の性質を有し、同じように用いられる。さらに保護膜としてはＳｉＮ_x以外のＳｉＯ₂やＳｉＯ_yＮ_zなどのシリコン酸化チッ化膜を用いることもできる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＩＴＯ膜を保護膜としてｐ形層の活性化を行っているため、ｐ形層の活性化が充分に行われ、抵抗値を充分に低下させることができる。その結果、順方向電圧を下げることができ、バンドギャップエネルギーが大きいチッ化ガリウム系化合物半導体を使用する半導体発光素子においてもその駆動電圧を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１基板
３ｎ形層
４活性層
５ｐ形層
７拡散メタル層
７ａメタル層
７ｂＩＴＯ膜
８ｐ側電極
９ｎ側電極

Claims

基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体層を積層し、前記ｐ形層の活性化のためのアニール処理を行う半導体発光素子の製法であって、前記半導体層を積層した後のｐ形層の表面側に酸化膜からなる透明導電膜を成膜した後に前記アニール処理を行うことにより、前記透明導電膜と前記ｐ形層中のＯとを化合させ、該透明導電膜上にｐ側電極を形成することを特徴とする半導体発光素子の製法。
基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体層を積層し、前記ｐ形層の活性化のためのアニール処理を行う半導体発光素子の製法であって、前記半導体層を積層した後のｐ形層の表面側に酸化膜からなる透明導電膜を成膜した後に、該透明導電膜の表面にさらにシリコン酸化チッ化膜を設けた後に前記アニール処理を行うことを特徴とする半導体発光素子の製法。
前記透明導電膜を設ける前に前記ｐ形層の表面に粒状のＩｎ粉末またはＮｉおよびＡｕを含む合金膜からなるメタル層を設ける請求項１または２記載の半導体発光素子の製法。