JPH10209569A - p型窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents
p型窒化物半導体装置とその製造方法Info
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Abstract
p型窒化物半導体接合を実現する。 【解決手段】p型窒化物半導体上にV族置換型窒化物半
導体の中間層を形成し、該中間層上に金属電極を形成す
るようにしている。中間層を構成する半導体材料として
GaNPAsSb混晶とGaNP混晶、 GaNAs混晶、 GaNSb混晶等が
選ばれる。
Description
とに関し、特にp型窒化物半導体装置において低接触抵
抗の電極を接続するための中間層を有する構造とそれを
形成するための方法とに関する。
化合物)半導体(以下窒化物半導体と称する)は半導体
レーザ(LDと称する)や半導体発光ダイオード(LE
Dと称する)等の半導体発光装置や金属ー半導体電界効
果トランジスタ(MESFET)を始めとする有益な回路装置
に使用するための有望な材料の一つである。特にIII-N
化合物半導体の一つであるGaNに基づく半導体材料(GaN
系材料と称する)を使った半導体レーザ(GaN系半導体
レーザ)は、GaN系材料の禁止帯幅が広いので発光波長
が青紫領域にあり、現在の主力である赤色半導体レーザ
の発光波長に比較して短く、情報処理機器の読み取り・
書き込み処理機能を格段に向上できることが知られてい
る。例えば、西暦2000年ごろの容量15GビットのDVDへの
使用なども考えられている。
半導体レーザの寿命は実用レベルの発光強度で極めて短
く、寿命の向上が求められている。その原因の中で最も
大きなものは、GaN系材料の禁止帯幅が3.4eV等と高いこ
とにより、抵抗性接触が困難であることにある。図1に
一例を示す端面発光型窒化物半導体レーザ1は、サファ
イア基板2にGaNバッファ層3を堆積しその上にn型GaNコ
ンタクト層4、n型AlGaNクラッド層6、GaN光導波路層
7、InGaN多重量子井戸層8、p型GaN光導波路層9、p型A
lGaNクラッド層10、p型GaNコンタクト層11を順次堆
積して形成したものである。n型GaNコンタクト層4とp
型GaNコンタクト層11とのそれぞれには、それぞれの
電極となるn電極5とp電極12とが形成されている。
とn電極5との接触抵抗は、以下に述べるようにかなり
小さいが、p型GaN(p-GaNとも称する)コンタクト層1
1とp電極20との接触抵抗はかなり大きい。たとえ
ば、Au/Ni電極を備えた代表的な装置のp電極・p-GaNコ
ンタクト層間比接触抵抗値は2×10-1Ωcm2ほどあり電極
接触面積100μm×100μmの場合でも接触抵抗は2000Ωと
なり、0.1Aの駆動電流でも20Wの電力を消費する。そ
のため、例えば、25井戸層を有するInGaN多重量子井
戸構造の発光層を有する青紫色半導体レーザは駆動電圧
20V、駆動電流5Aであって、室温では波長417nmで
デューティ比0.001のパルス発振が可能ではあるが、連
続発振ができない(参照:REF1:「日経エレクトロニク
ス」1996.9.23(no.671), p.9 (日経マグローヒル
社)、以下REF1と称す)。この青紫色半導体レーザも連
続発振ならば100Wとなる。パルス動作のため平均消費電
力は0.1Wで済んでいるわけである。
に置いても寄生抵抗を増加し、消費電力を増し、装置温
度を上昇させ半導体装置本来の機能の性能を劣化させ、
あるいは寿命を縮める事が多く、この接触抵抗の低減が
求められている。抵抗性接触(即ちオーミック接触)は
「半導体バルクの抵抗による直列抵抗に比べて無視でき
るほど小さな接触抵抗を有する金属・半導体接触」と定
義され、その性能指数は比接触抵抗:Rcで表わされる。
比接触抵抗Rcは半導体装置の駆動電圧V=0において駆動
電流Iを駆動電圧Vで偏微分した値の逆数である。比抵抗
Rcは金属電極と半導体との障壁φBの増減にたいして指
数関数的に増減するのでφBを小さくすることがもとめ
られる。またトンネル電流が支配的な高不純物添加濃度
Nの領域では、比抵抗RcはφBN-1/2の項の増減にたいし
て指数関数的に増減するので濃度Nを増加することも効
果がある。従来技術の一つでは、p-GaNの不純物濃度を
1018cm-3から一桁高い値とすることが考えられているが
(REF.1)、そうするとアクセプタの活性化率が著しく低
下したり、結晶性が極端に劣化する問題があり良好な結
果はえられていない。
を電極として堆積し、900℃で30秒間短時間アニールし
て比接触抵抗8×10-6Ωcm2を実現した例や、InN/GaN短
周期超格子(SPS: Short-Period Superlattice)をGaN層
上に集積して、さらにInNをキャップ層に堆積すること
でアニールしないでも比接触抵抗8×10-5Ωcm2を実現し
た例を開示している。SPS導電帯を通過する量子トンネ
ル効果が実効禁止帯幅を狭めていると考えられている。
図2にそのバンド構造をしめす(参照REF.2:M.E.Lin e
t al :Nonalloyed ohmic contacts on GaN using InN/G
aN short-period superlattice, pp.2557-2559, Appl.
Phys. Lett., Vol. 64, No. 19, 9 May 1994)。SPSを
使用する後者の場合には、n-GaN上にn-InNとn-GaNとを
交互に積層し、n-GaNチャネルとSPSの不純物添加レベル
は5×1018cm-3でn-InNキャップ層とSPSの不純物添加レ
ベルは1×1019cm-3であり、装置の整流性が失われてい
た。しかし上記の従来技術のいずれでもp型-GaNやp型
窒化物半導体に対する有効な比接触抵抗低減の方法とな
り得るかは不明で、p型窒化物半導体に対する接触抵抗
低減の新たな方法が求められている。本発明に関する説
明では、p型窒化物半導体を有しその上に金属電極を接
続する半導体装置を「p型窒化物半導体装置」と総称す
ることにする。
して用いられており、その禁止帯幅が0.75eV(x=0.53で
の値)でGaAsの1.42Vより狭く、そのため比接触抵抗が
低くなることがわかっていた(同上REF.2)。このように
禁止帯幅がp型窒化物半導体より狭い材料をキャップ層
として選び比接触抵抗を低減することができれば工程の
複雑化を回避して装置の製造が可能となるがこれも不明
である。そのような材料としてGaInNが考えられるが、
GaInNはIn含有量にたいして禁止帯幅の折れ曲がり効果
が小さく、禁止帯幅を狭くするためには多量のInをGaN
に添加する必要がある。InをGaN中に多量に拡散させる
とGaNとの格子不整合が大きくなるうえInをGaN中に拡散
させにくいという問題がある。最近GaNに:Mgを不純物導
入したGaN:Mgを高温(800℃)で活性化しホールキャ
リア濃度4ー8×1017cm-3たのち金属電極(Au/Ni)を蒸
着してアニールすることで10-2Ωcm2に比接触抵抗を低
減したとの報告がある(小林他:p型GaNにNi/Auコンタ
クト材の電気的特性と界面構造、第42回応用物理学関
係連合講演会(1995年春季)、講演番号30a-ZH-8,1995
l)。しかしこの程度の値では不十分であり、さらなる比
接触抵抗低減の要求は依然として強い。もしp-GaNに対
するさらに低い比接触抵抗電極が安価で信頼性よく形成
できれば、p-GaNのみにとどまらず、多くのp型窒化物半
導体装置にもその方法が適用できる可能性がたかくそれ
らを含む装置の製造に有益である。
な方法で低比接触抵抗の金属電極・p型窒化物半導体接
合を実現することである。本発明の別の目的は、比較的
簡単な方法で低比接触抵抗でショットキバリアの低い金
属電極・p型窒化物半導体接合を実現することである。
本発明のさらに別の目的は低比接触抵抗でショットキバ
リアの低い金属電極接合を有するp型窒化物半導体装置
を提供することにある。さらに別の目的は、他の素子と
製造工程を共用しやすいp型窒化物半導体装置の製造方
法の提供にある。
p型窒化物半導体上にV族置換型窒化物半導体の中間層
を形成し、該中間層上に金属電極を形成するようにして
いる。該中間層は禁止帯幅がp型窒化物半導体より狭い
材料が選ばれ金属電極との比接触抵抗を低減することが
できる。そのような中間層を構成する半導体材料として
GaNPAsSb混晶とGaNP混晶、 GaNAs混晶、 GaNSb混晶等が
選ばれる。そして中間層を構成する半導体材料にII族不
純物(元素)を高い濃度で添加すれば、低い比接触抵抗
が得られる。II族不純物としてはZnあるいはMgを用いる
ことができる。
製造するため、前記V族置換型窒化物半導体の中間層を
形成する方法はいくつかあり;V族元素を含むガラスか
らV族元素を熱拡散して形成する方法、V族元素を含む雰
囲気からV族元素を熱拡散して形成する方法、V族元素を
溶解したIII族金属融液からV族元素を熱拡散して形成す
る方法、結晶成長によって形成する方法、などが用いら
れる。
半導体の中間層に添加する方法もいくつかあり;II族元
素を含むガラスからII族不純物を熱拡散する方法、II族
元素を含む雰囲気からII族不純物を熱拡散する方法、II
族元素を溶解したIII族金属融液からII族不純物を熱拡
散する方法、II族元素をイオン打ち込みする方法、II族
元素を含む金属多層膜またはII族元素を含む合金からII
族不純物を熱拡散する方法、結晶成長によって含有させ
る方法、等が用いられる。
造方法の場合には、p型窒化物半導体装置の製造が容易
で満足できる比接触抵抗値をうることができる。 (A)窒化物半導体の中間層をV族元素を含むガラスか
らV族元素を熱拡散して形成し、前記II族不純物はこれ
をV族置換型窒化物半導体の中間層にII族元素を含むガ
ラスから熱拡散して添加する。 (B)前記V族置換型窒化物半導体の中間層をV族元素を
含む雰囲気からV族元素を熱拡散して形成し、前記II族
不純物はこれをV族置換型窒化物半導体の中間層にII族
元素を含む雰囲気から熱拡散して添加する。 (C)前記V族置換型窒化物半導体の中間層をV族元素を
溶解したIII族金属融液からV族元素を熱拡散して形成
し、前記II族不純物はこれをV族置換型窒化物半導体の
中間層にII族元素を溶解したIII族金属融液から熱拡散
して添加する。
しxは0から1までの値をとる)混晶を中間層に選んだ
場合の本発明の第1の実施例を説明する。GaP1-xNx(但
しxは0から1までの値をとる)混晶は、その禁止帯幅
が2.3eV(GaP)から3.4eV(GaN)までの高い値で比較的大幅
に変化し、青色や紫外の光学材料として有望である(
参照REF.3:S.Miyoshi and K. Onabe : " Semi-empiri
caltight-binding calculation of the electronic str
ucture of GaP1-xNx(x=0.25, 0.5, 0.75) alloys," P-
1, ABSTRACT on 'Topical Workshop on III-V Nitride
s', September 21-23, 1995, Nagoya Congress Center,
Nagoya, Japan)。燐(P)はInと異なり原子半径が窒
素(N)のそれに近く容易にNと置換するのでGaNに添
加しやすくまた禁止帯幅の折れ曲がり効果も大きい。そ
のため、GaP1-xNxの組成比xを適正にえらべばp-GaNと
p電極との間の中間層として比接触抵抗の低減が可能で
あるとの予測がなされた。
的であることは図3の工程図に沿った実験で明らかとな
った。まずMgをアクセプタ不純物としたp-GaN基板上に
あらかじめ燐ガラスを滴下し(40)、110℃で3.5
時間ベークした(42)。次に工程を2系統に分け、一
方はGaP1-xNx中間層を実質的に含まない電極形成を行う
工程の組A(50、521、541、56、58)と
し、もう一方を本発明の一実施例でのGaP1-xNx中間層を
介する電極形成を行う工程の組B(522、542、5
6、58)とした。両組の差は、工程50がGaP1-xNx中
間層を実質的に含まない電極形成を行う工程の組に余分
に存在することのみである。同一参照番号の工程は互い
に等価な工程である。組Aを経験したp-GaN基板は後の
比較測定において基準素子として用いられる。p-GaN基
板組Bを経験したp-GaN基板が本発明の改良素子であ
る。
スを除去し次の工程52での燐の拡散がおこなわれない
ようにする。工程521では、温度900℃で5分間、
高温アニール処理をおこない、GaN中のMgを活性化す
る。工程522では、温度900℃で5分間、GaN中のM
gの活性化と燐の拡散とがおこなわれる。
去をおこない。工程542では、HFにより燐ガラス及
び表面酸化膜の除去をおこなう。工程56において、A
u/Ni等の金属が電極として蒸着される。工程58で
は完成した実験用のサンプルである基準素子と改良素子
とを測定して比較する。
ではNiを1nm堆積した後その上にAuを200nm堆積し
て電極とした場合の基準素子と改良素子の電気的特性は
つぎのようであった。両素子とも作成後アニールをせず
にそのまま測定した。周知のようにアニールにより比接
触抵抗の値は約1桁程度低減される。各素子上に短辺が
0.075mmで長辺が0.50mmの矩形電極を短辺の方向に複数
配置し、電極間距離を0.025mmから変えて、その間の電
流電圧特性を測定した結果の一例は図4に示すとおりで
ある。曲線Aが基準素子の特性を、曲線Bが改良素子の
特性を表わす。測定電流は全電流であり、各素子を流れ
る電流の密度は最短距をとる電極間電流通路で数kA/cm2
程度の値にまで及ぶような測定電流範囲となっている。
改良素子では基準素子に比べショットキバリアの大幅な
低下により直流抵抗の低下している結果が得られてい
る。
値は、基準素子で1.6×10-1Ωcm2、改良素子で1.1×10
-1Ωcm2であった。また、上記工程でT=800、M=
60として処理をした場合は、基準素子の比接触抵抗の
値は基準素子で1.5×10-1Ωcm2程、改良素子で2.0×10
-1Ωcm2程となり、改良素子の比接触抵抗値が基準素子
の比接触抵抗値より大きい。800℃以下では燐が拡散
せず、1100℃以上では素子の劣化が進むので、Tは
800から1100の間になければならない。そして好
ましくはTは850から950の間にあるのがよい。高
温熱処理では、結晶の熱による劣化とGaN:Mg中のアクセ
プタの活性化、燐ガラスからの燐の拡散とが同時に進行
し、それらの調和を取るようにしなければならない。結
晶の熱による劣化の観点からは低温・短時間の処理が、
GaN:Mg中のアクセプタの活性化の観点からは高温・長時
間が、そして燐の拡散の観点からは高温・比較的短時間
が好ましい。本実施例では工程522において温度90
0℃で5分間拡散する場合においてアクセプタ活性化の
最適条件が得られ、同時に燐の拡散も良好に達成され
た。アクセプタ濃度は2×1017cm-3であった。また改良
素子において中間層となるGaP1-xNx混晶の組成比xは0.
01から0.5を超えない値になると推察される。
ることにより窒素を燐で置換しGaNP混晶からなる中間層
を形成したが、その他のV族元素をそれらを含むガラス
から熱拡散して添加することにより中間層を形成するこ
とができる。中間層としてはGaNPAsSb混晶とGaNP混晶、
GaNAs混晶、GaNSb混晶等が選ばれる。置換するV族元素
はP、As、Sbの順で原子量が大きくなる。原子量の増加
につれて拡散速度が低下するので、一定の濃度を得るに
は高温で長時間拡散する必要が生じるが、逆に禁止帯幅
の所定の変化に要する濃度は低くなる。従って、結晶性
を良好に維持することと、同時にアクセプタの活性化を
促進することの調和をとり、高温処理での温度や時間は
燐の場合に対してあまり変化させずにすますのが得策で
ある。
法は、熱拡散に止まらない。V族元素を含む雰囲気から
熱拡散して形成する方法、V族元素を溶解したIII族金属
融液から熱拡散して形成する方法、V族元素のイオンを
前記p型窒化物半導体にイオン打ち込みして形成する方
法、結晶成長によって形成する方法などが用いられる。
現在の技術では、整合の簡易性、コストなどの観点から
V族元素を熱拡散する方法が最良と考えられる。
含有させることによりなお一層の比接触抵抗の低減や信
頼性の向上等が期待できる場合がある。中間層はV族元
素の添加によりその価電子帯のエネルギレベルが上昇し
て電極との間のショットキバリアの高さを低減するが、
II族元素の添加によりショットキバリアの幅を狭くする
ことができるからである。ショットキバリアの幅を狭く
する事で金属と中間層の間のトンネル電流が増加し低比
抵抗化が達成される。適当なII族元素にはMgやZn、MgZn
があり、添加されるとp-GaN中のアクセプタ濃度を増大
させ、ショットキバリアの幅を狭くする。
法と同様に種々の方法が選ばれる。例えば、II族元素を
含むガラスから熱拡散して添加する方法、II元素を含む
雰囲気から熱拡散して添加する方法、II族元素を溶解し
たIII族金属融液から熱拡散して添加する方法、II族元
素のイオンをイオン打ち込みして添加する方法、結晶成
長によって添加する方法、II族元素を含む金属多層膜ま
たはII族元素を含む合金から熱拡散して添加する方法が
用いられる。
わせとして、以下の組み合わせは特に顕著な有利な点を
有する。なお、上記II族元素とV族元素の組み合わせは
自由であり、同時に添加する事ができる。それら添加の
制御性に違いがある。 (A) V族元素は該V族元素を含むガラスから熱拡散し
て添加し、II族不純物もII族元素を含むガラスから熱拡
散して添加する方法。(制御容易) (B) V族元素は該V族元素を含む雰囲気から熱拡散し
て添加し、II族不純物はII族元素を含む雰囲気から熱拡
散して添加する方法。(制御やや困難) (C) V族元素はV族元素を溶解したIII族金属融液から
熱拡散して形成し、II族不純物はII族元素を溶解したII
I族金属融液から熱拡散して添加する方法。(制御難) 以上から、現時点ではガラスから熱拡散によるのが最適
と考えられるが、場合によりその他の方法が選ばれるこ
とは当然である。図1に示す端面発光型窒化物半導体レ
ーザに本発明を実施して作製される半導体レーザ1aを
図5に示す。図5では図1におけると同等の部分には図1
におけると同一の参照番号を付した。図5において11aは
図1におけるp型GaNコンタクト層11と同一の材料から
なる部分を、11bはV族置換型窒化物半導体の中間層
を示す。
りp型窒化物半導体上にV族置換型窒化物半導体の中間層
を形成したことにより、低比接触抵抗で金属電極の接続
が可能となり、p型窒化物半導体装置の電力消費の低
減、寄生抵抗の低減、性能の向上に効果がある。また、
本発明の製造方法は、種々の処理態様を許容するので、
製造装置や入手可能材料、技術レベルに応じて適切な処
理態様が選択できる。そのため、実施が容易でもある。
である。
に集積した構造のバンド構造をしめす図である。
あることを示すための実験の工程図である。
電圧・電流特性を示すグラフである。
ザの一例の断面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】p型窒化物半導体上にV族置換型窒化物半
導体の中間層を形成し、該中間層上に金属電極を形成し
たp型窒化物半導体装置。 - 【請求項2】前記中間層を構成する半導体材料がGaNPAs
Sb混晶とGaNP混晶、 GaNAs混晶、GaNSb混晶とからなる
群から選ばれることを特徴とする請求項1に記載のp型
窒化物半導体装置。 - 【請求項3】前記中間層にII族不純物を高い濃度で添加
したことを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載
のp型窒化物半導体装置。 - 【請求項4】前記II族不純物がZnあるいはMgの一方であ
ることを特徴とする請求項3に記載のp型窒化物半導体
装置。 - 【請求項5】請求項1に記載のp型窒化物半導体装置を
製造するための方法であって、前記V族置換型窒化物半
導体の中間層を;V族元素を含むガラスからV族元素を熱
拡散して形成するか、 V族元素を含む雰囲気からV族元素を熱拡散して形成する
か、 V族元素を溶解したIII族金属融液からV族元素を熱拡散
して形成するか、 V族元素のイオンを前記p型窒化物半導体にイオン打ち
込みして形成するか、 結晶成長によって形成するか、のいずれかの方法で形成
することを特徴とすp型窒化物半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】請求項3に記載のp型窒化物半導体装置を
製造するための方法であって、前記II族不純物はこれを
V族置換型窒化物半導体の中間層に;II族元素を含むガ
ラスからII族不純物を熱拡散するか、 II族元素を含む雰囲気からII族不純物を熱拡散するか、 II族元素を溶解したIII族金属融液からII族不純物を熱
拡散するか、 II族元素をイオン打ち込みするか、 II族元素を含む金属多層膜またはII族元素を含む合金か
らII族不純物を熱拡散するか、 結晶成長によって含有させるか、のいずれかの方法で添
加することを特徴とするp型窒化物半導体装置の製造方
法。 - 【請求項7】前記II族不純物がZnあるいはMgの一方であ
ることを特徴とする請求項6に記載のp型窒化物半導体
装置の製造方法。 - 【請求項8】請求項1に記載のp型窒化物半導体装置を
製造するための方法であって、前記V族置換型窒化物半
導体の中間層をV族元素を含むガラスからV族元素を熱拡
散して形成し、前記II族不純物はこれをV族置換型窒化
物半導体の中間層にII族元素を含むガラスから熱拡散し
て添加することを特徴とすp型窒化物半導体装置の製造
方法。 - 【請求項9】請求項1に記載のp型窒化物半導体装置を
製造するための方法であって、前記V族置換型窒化物半
導体の中間層をV族元素を含む雰囲気からV族元素を熱拡
散して形成し、前記II族不純物はこれをV族置換型窒化
物半導体の中間層にII族元素を含む雰囲気から熱拡散し
て添加することを特徴とすp型窒化物半導体装置の製造
方法。 - 【請求項10】請求項1に記載のp型窒化物半導体装置
を製造するための方法であって、前記V族置換型窒化物
半導体の中間層をV族元素を溶解したIII族金属融液から
V族元素を熱拡散して形成し、前記II族不純物はこれをV
族置換型窒化物半導体の中間層にII族元素を溶解したII
I族金属融液から熱拡散して添加することを特徴とすp
型窒化物半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】前記IV族元素の熱拡散と前記II族不純物
の熱拡散とは850℃から950℃の温度でおこなわれ
ることを特徴とする請求項8に記載のp型窒化物半導体
装置の製造方法。
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