【手続補正書】
【提出日】平成17年1月7日(2005.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層及びｐ型ＧａＮ系半導体層を積層してなる半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層を熱処理することにより活性化させる第１の熱処理工程と、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面上の電流注入領域を金属によりマスクを行うマスク工程と、
前記マスク工程後、さらに熱処理を行い前記マスク以外の前記ｐ型ＧａＮ系半導体層を不活性化させる第２の熱処理工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の熱処理は窒素雰囲気中で行い、前記第２の熱処理は水素もしくは水素化合物を含む雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２の熱処理工程後、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面上に前記マスクを覆うようにｐ型電極を形成するｐ型電極形成工程と、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層にｎ型電極を形成するｎ型電極形成工程とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記金属は、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕのうちのいずれか１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
よって、現在、電流の狭窄構造を設ける方法としては、図３に示した熱処理による方法が考案されている。
図３は、電流を注入したい領域を絶縁物であるマスク８で被い、熱処理を行うことにより、電流注入領域の両側９を高抵抗にする方法である。
なお、図３における半導体素子発光素子は、ｎ型バッファ層２，ｎ型ＧａＮクラッド層３，ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，ＩｎＧａＮ活性層５，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６，ｐ型ＧａＮコンタクト層７により積層されたＧａＮ系化合物半導体層を基板１上に積層した構造となっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
図３に示した熱処理の具体的な方法は、まず、前述した半導体層全体を熱処理することによりｐ型層を活性化させる。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面に絶縁物である絶縁物マスク８を設けて、水素雰囲気中で熱処理する。
その結果、絶縁物マスク８の存在しないｐ型層が高抵抗化され、狭窄された電流注入領域が形成される（図３（ａ））。
つぎに、絶縁物マスク８を除去し、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の電流注入領域にＡｕなどからなるｐ型電極１０を設ける。（図３（ｂ））。
一方、積層された半導体層の一部をエッチングしてｎ型ＧａＮクラッド層３を露出させ（図３（ａ））、露出したｎ型ＧａＮクラッド層３の表面にＡｌなどからなるｎ型電極１１を設け、半導体発光素子が構成される（図３（ｂ））。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示した熱処理の方法は、絶縁物である絶縁物マスク８を除去する工程が必要となり、マスクを除去したことにより半導体層が大気中にさらされることになる。その結果、電流注入の障壁となる半導体表面上の酸化膜の形成がさけられない。また、マスク除去後に電極を設け、その電極の電極接触抵抗低減を行うために再び熱処理を行うので、選択的に高抵抗化した部分から低抵抗化されている狭窄部分へ水素が拡散し、狭窄部分の抵抗が上昇してしまう恐れもある。
そこで、本発明では、上記問題点に鑑み、簡便な作成方法で電流注入領域を制限でき、量産も容易であり、かつ電極との接触抵抗が小さい半導体発光素子を得るための製造方法を提供することを目的としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による半導体素子の製造方法を図面に基づいて説明する。
（Ｉ）半導体素子の構造
図１は本発明の製造方法により製造された半導体素子の構成を示す図であり、サファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体を積層したものである。
図１において、１はサファイア基板、２は窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮと称す）からなるバッファ層、３はＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型ＧａＮクラッド層、４はＳｉがドープされたｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、５はＩｎＧａＮからなるＩｎＧａＮ活性層、６はＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、７はＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層である。
ここで、ｎ型ＧａＮクラッド層３にドープされる不純物元素としては、Ｓｉに限らず、また、ｐ型ＧａＮコンタクト層７にドープされる不純物元素としては、Ｍｇに限らず、Ｂｅ、Ｃａ等の他の２Ａ族元素を用いてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
つぎに、ＴＭＡの供給を止め、ＮＨ３のみを供給したまま、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を加え、７００〜１２００℃の高温でｎ型ＧａＮからなるｎ型ＧａＮクラッド層３を２μｍ程度の厚さに積層させる。この時、ｎ型不純物としてＳｉを添加するためのＭｅ−ＳｉＨ３（メチルシラン）を加える。
つぎに、前述のガスにさらにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の原料ガスを加え、ｎ型ドーパントのＳｉなどを含んだｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４を０．２μｍ程度の厚さに積層させる。つぎに、前述のＴＭＡに代えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を導入し、ＩｎＧａＮからなるＩｎＧａＮ活性層５を０．０２μｍ程度積層させる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
その後、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４の形成に用いたガスと同じ原料のガスで不純物原料ガスをＳｉＨ４などに代えてｐ型不純物としてＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を加えて、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６を気相成長させる。
最後に、前述のｎ型ＧａＮクラッド層３と同様のガスに、ｐ型不純物としてＣＰ２Ｍｇを加えてｐ型のＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層７を０．２μｍ程度積層させる。以上のようにしてＧａＮ系化合物半導体の各層が積層される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
（素子化工程）
次に、本発明の特徴部分である半導体発光素子の素子化工程について説明する。
図１にて積層されたＧａＮ系化合物半導体は、その積層工程において、図２（ａ）のｐ型半導体層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６，ｐ型ＧａＮコンタクト層７が高抵抗となっている。よって、まず、ｐ型半導体層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６，ｐ型ＧａＮコンタクト層７の低抵抗化処理を行う。
図２（ｂ）は、ｐ型半導体層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６，ｐ型ＧａＮコンタクト層７の低抵抗化を行った後の状態を示す図であり、その工程は以下のようになされる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
まず、低抵抗化処理を行う前に、ｎ型電極を取り出すためのエッチング処理を行うが、その方法は、一般的なフォトリソグラフィーを用いてエッチングマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてｎ型ＧａＮクラッド層３より上の不要な部分を除去し、部分的にｎ型ＧａＮクラッド層３を露出させる。
なお、ｎ型電極をこの他の部分から取り出す場合にはこの工程を行う必要はない。また、本実施例においては、素子化工程の最初の工程でこの工程を行っているが、必ずしも最初に行われる工程ではない。
部分的にｎ型ＧａＮクラッド層３を露出させた後、半導体層が積層された基板全体を窒素雰囲気中内で、約８００℃のもと約２０分間熱処理し、ｐ型層のドーパントであるＭｇとＨとの結合を分離することによりｐ型層を活性化させて抵抗を小さくする第１の熱処理工程を行う。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
つぎに、図２（ｃ）に示されているように、ｐ型のＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上で、電流注入領域としたい部分を金属マスク８０で覆う。
なお、この金属マスク８０の形状は幅２〜２０μｍ程度のストライプ形状とし、一般的なフォトリソグラフィーの方法などを用いて形成し、材料は仕事関数が比較的に大きいＮｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕのうちいずれか１を適用するのがよい。また、この中でも水素透過性がなくｐ型ＧａＮ系化合物半導体層との電気的接触が良好なものが適当であるが、例えば、Ｐｄなどのように水素透過性をもつ金属であっても、その上にＳｉＯ２などのような水素透過性のないものを積層すれば良い。
なお、上述したように金属マスク８０の上にＳｉＯ２などの絶縁物を重ねて積層する方法は、次のような現象に対して有効である。
例えば、水素又は水素化合物に対して触媒作用を有するような金属をマスクとして使用した場合には、熱処理を行う際においてその金属マスク表面での触媒作用により水素又は水素化合物が分解されることで過剰な活性水素が発生することになる。この結果、熱処理時の雰囲気中の活性水素濃度が増加することになる。すると、本来であれば金属マスクの直下の、低抵抗を維持しておきたい部分まで容易に活性水素が拡散し、高抵抗化してしまう恐れがある。
このように金属マスク表面での水素又は水素化合物に対する触媒作用による過剰な活性水素の発生を防ぐために、ＳｉＯ２などを積層することが望ましい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
その後、金属マスク８０を施した半導体層全体を水素もしくは水素化合物を含む雰囲気中内で、約８００℃のもと約１５分間第２の熱処理工程を行う。これにより、雰囲気中のＨがｐ型層の半導体層中に侵入し、ｐ型層のドーパントであるＭｇとＨとの結合が行われ、図２（ｃ）の９で示されている部分のｐ型層が不活性化し高抵抗化（１０５Ωｃｍ程度）される。この際、金属マスク８０で覆われているｐ型層は低抵抗が維持されている。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
次に、図２（ｄ）に示されているように、上記金属マスク８０及びｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上にｐ型電極１０を堆積する。このｐ型電極１０は、Ｎｉ（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２００ｎｍ蒸着し、上述した金属マスク８０より広い幅（約２００μｍ）のストライプ形状をもって被うように堆積している。
また、部分的にｎ型ＧａＮクラッド層３を露出させた部分には、ｎ型電極１１を堆積する。このｎ型電極１１は、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌ（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着している。
上述したｐ型電極１０の材料は、上記材料に限らず、ワイヤーボンディング（リード線の接着）などを行う際に不都合が生じないようなものであれば、どのようなものでも良い。
このようにして、ＧａＮ系化合物半導体素子が作製される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
(III)金属マスク８０による現象
上述のように、ＧａＮ系化合物半導体素子が作製されるが、本発明の金属マスク８０は、熱処理を加えることにより、金属マスク８０とｐ型ＧａＮコンタクト層７との抵抗が低減されることがわかった。
本発明では、実験の結果に、マスクにＮｉを用いた場合には、熱処理を行う前の接触抵抗率が１００Ωｃｍ２オーダーであったのに対し、熱処理を行った後の接触抵抗率が１０−２Ωｃｍ２ オーダーになることが分かった。
その他の金属材料においても、同様な結果が実験的に得られており、例えば、仕事関数の大きいＰｔ，Ｐｄ，Ａｕなどが同じオーダーの値を示すことがわかった。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
このように、抵抗が下がる理由としては次のようなことが考えられる。
１つ目として、従来のように、マスクを除去した後、電極を蒸着する方法では、マスクを除去した後、半導体表面層が大気に触れることで短時間のうちにその表面層が酸化してしまう。この半導体表面層の酸化現象は、マスクを堆積する前にも自然に存在するが、上述したようにマスク除去により、半導体表面層が大気に触れることで、さらに半導体表面層の酸化が進行してしまうことになる。
この半導体表面層の酸化膜は電気的に絶縁性を有するものなので、電流注入に対しての障壁となってしまう。従来では、マスク除去後に、この酸化膜を除去する工程を経た上で電極金属を堆積していたが、完全に酸化膜を除去することは不可能であり、しかもこの酸化膜除去工程を行っても、電極金属を堆積するまでの間に、再びその表面層が酸化されてしまうのである。つまり、電極金属と下地ＧａＮ半導体層の間には、絶縁体である酸化膜が存在することになる。これが接触抵抗を上げる原因の一つであると考えられる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
このように、酸化膜の形成を最小に抑えることや金属と下地ＧａＮ系半導体層を化学的に反応させたりすることにより、その結果として金属マスク８０とｐ型ＧａＮコンタクト層７との接触抵抗が低減されるため、従来、マスクとして用いていなかった金属を本発明では用いることで、電流狭窄構造を作成するのと同時に、良好なｐ型電極を得ることが可能となった。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
なお、金属マスク８０とｐ型ＧａＮコンタクト層７との接触抵抗率が高いと、電極接触部分での電圧降下が上昇してしまい、結果的に駆動電圧が高くなってしまうと言う問題が生じてくるのである。また、電極接触部分での電圧降下が高いために電極接触部分での発熱が生じ、それにより活性層の温度が上昇してしまい、その結果、特に、青色半導体レーザの場合には、この電極接触部分での発熱に起因する活性層の温度上昇が原因で、室温での連続動作によるレーザ発振が難しい状況になってしまうと言う問題が生じてくるのである。
よって、半導体レーザの特性改善には、電極の接触抵抗の低減が必須であり、本発明では、金属マスク８０を用い、熱処理を行うことにより、電極の接触抵抗の低減が可能となった。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
以上示したように、本発明においては、マスクに金属マスクを用いたため、マスクを除去する工程が減り、最も少ない工程数で半導体発光素子を作製することが可能となった。
また、簡便な作成方法で電流注入領域を制限でき、量産が容易であり、かつ電極との接触抵抗が小さい半導体素子を得ることができた。
なお、本実施例においてはダブルヘテロ構造について述べたが、これは本発明を限定するものではなくｐｎホモ接合ダイオード、分離閉じ込めダブルヘテロ構造、量子井戸構造といった各種の接合構造であっても有効であり、ｐチャンネルＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のようなユニポーラ素子の製造にもまた同様に有効である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【符号の説明】
１・・・・サファイア基板
２・・・・バッファ層
３・・・・ｎ型ＧａＮクラッド層
４・・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
５・・・・ＩｎＧａＮ活性層
６・・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７・・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層
８・・・・絶縁物マスク
９・・・・電流狭窄層（高抵抗層）
１０・・・・ｐ型電極
１１・・・・ｎ型電極
８０・・・・金属マスク