(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくともｎ形層とｐ形層を含み、発光層を形成するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、該積層した半導体層のｐ形層の活性化処理を行う半導体発光素子の製法であって、前記ｐ形層の成長後のいずれかの工程で、該ｐ形層を成長した基板を酸素プラズマの雰囲気に晒すことにより、該ｐ形層内のＨ原子を引き出してｐ形層を活性化させることを特徴とする半導体発光素子の製法。
【請求項２】
前記ｐ形層の活性化処理を４００℃未満の低温で行う請求項１記載の半導体発光素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は青色系の光を発光するチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、低温でｐ形層の活性化処理を行い、低抵抗のｐ形層を得ることができる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のチップ（以下、ＬＥＤチップという）の製法は、つぎのように行われる。すなわち、図２に示されるように、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮからなる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とを順次エピタキシャル成長する。そして、ｐ形層の活性化を行うため、たとえば特開平５−１８３１８９号公報に開示されているように、真空中またはチッ素などの不活性ガス雰囲気で少なくとも４００℃以上、好ましくは７００℃以上の温度で１〜２時間程度の熱処理を行う。その後、その表面に電流拡散層２７を介してｐ側電極２８を設け、積層された半導体層の一部をエッチングして露出するｎ形層２３の表面にｎ側電極２９を設ける。その後、ウェハから各チップに分割することにより図２に示されるようなＬＥＤチップが形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、その半導体層を積層した後にｐ形層の活性化のためにアニール処理が行われる。このアニール処理は、前述のように、真空中または不活性ガス雰囲気で７００℃以上の高温で行われている。しかし、高温で熱処理をすると、半導体ウェハにクラックが入りやすく、歩留りが低下したり、ｎ形層の不純物がアニール処理をしている間に活性層に拡散し、発光特性を低下させるという問題がある。しかも、そのような熱処理を行っても、完全な活性化を達成できず、充分に低抵抗なｐ形層にすることができないという問題がある。
【０００４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、チッ化ガリウム系化合物半導体を積層する半導体発光素子のｐ形層の活性化を低い温度で、しかも確実に行う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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ｐ形層を活性化して低抵抗化するため、鋭意検討を重ねた結果、ｐ形層が充分に活性化されて電気抵抗が下がらない原因が半導体層を積層する際のキャリアガスのＨ2 または反応ガスのＮＨ3 のＨがｐ形層とするドーパントのＭｇなどと結合し、Ｍｇなどがドーパントの働きをせず高抵抗になるという知見に基づき、Ｈ（水素原子）を抜きとることにより低抵抗化できることを見出した。そして、ｐ形層を成長した半導体ウェハにプラズマ酸素などの活性な酸化性ガスを照射したり、活性な酸素雰囲気に半導体ウェハを晒すことにより、非常に低温で活性化処理を行うことができ、非常に低抵抗なｐ形層を得ることができることを見出した。
【０００６】
本発明による半導体発光素子の製法は、基板上に少なくともｎ形層とｐ形層を含み、発光層を形成するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、該積層した半導体層のｐ形層の活性化処理を行う場合に、前記ｐ形層の成長後のいずれかの工程で、該ｐ形層を成長した基板を酸素プラズマの雰囲気に晒すことにより、該ｐ形層内のＨ原子を引き出してｐ形層を活性化させることを特徴とする。
【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の一部または全部が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。
【０００８】
この方法で行うことにより、ｐ形層の表面にプラズマ酸素やオゾンなどの非常に活性な酸化性ガスが存在するため、ｐ形層内のＨ（水素）が引き寄せられて活性な酸素と化合し、ｐ形層からＨ（水素）が抜ける。そのため、ｐ形層内にドーパントとしてドーピングされたＭｇなどがＨとの化合を解かれて、Ｇａサイト内にＭｇが入り、ｐ形ドーパントとして充分に機能する。その結果、高い温度でのアニール処理を行わなくても、ｐ形層の活性化が充分に行われて低抵抗化を達成することができる。
【０００９】
前記ｐ形層の活性化処理を４００℃未満の低温で行うことが、常温で行うよりはＨが抜けやすいと共に、半導体ウェハに熱ショックなどによるダメージを与えることがなく、また、アニール処理中に不純物が活性層などの他の層に拡散することがなく、非常に安定した特性の半導体発光素子が得られる。
【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、青色系の発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層をウェハ状のサファイア基板上に積層し、ＬＥＤチップを製造する本発明の製法の一実施形態における工程説明図が示されている。
【００１１】
まず、図１（ａ）に示されるように、基板１上に第１導電形半導体層（ｐ形層５）および第２導電形半導体層（ｎ形層３）を含み発光層を形成する半導体層を積層する。具体的には、半導体層を積層するため、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入して、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなるウェハ状の基板１の表面にＧａＮからなる低温バッファ層２と、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／または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）の積層構造からなるｎ形層３を１〜５μｍ程度堆積し、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系化合物半導体層からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５を０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層する。
【００１２】
つぎに、図１（ｂ）に示されるように、ｐ形層５が積層されたウェハ１１をボート１５に載せ、酸素プラズマの照射装置１７内に入れ、たとえば酸素プラズマをｐ形層５の表面に照射するように吹き込むか、酸素プラズマが吹き込まれることにより酸素プラズマが照射装置内１７で還流する雰囲気に晒す。酸素プラズマは、たとえば図１（ｂ）に示されるように、一端部が金網２１により閉塞されてマイクロ波を遮断しながら気体を透過させ、他端部をマイクロ波を透過しながら気体を遮断する透過窓２２により仕切られた導波管２３などからなるマイクロ波共振器の透過窓２２を貫通して、酸素供給管２４により酸素をマイクロ波共振器内に導入することにより、酸素供給管２４から供給される酸素がマイクロ波によりプラズマ化され、生成される。そして、そのプラズマ化された酸素は酸素供給管２４から排出される一定圧力により、ウェハ１１の表面のｐ形層５に吹き付けられる。この酸素の照射方向とウェハ１１表面の向きが完全に対向して直接吹き付けられなくても、吹き出される酸素の圧力によりプラズマ照射装置１７内を酸素プラズマが還流するため、装置内部に載置されたウェハ１１の表面は常に酸素プラズマにより晒される。常温でこの処理を１０〜６０分程度行うことにより、非常に低抵抗のｐ形層５を形成することができた。
【００１３】
照射装置１７は、余り温度を上昇させないため、石英管でなくてもよく、アルミニウムなどの金属により断面が円形または矩形形状の容器に形成されてもよい。この容器には、内部の空気を除去することができるように、図示しない排気ポンプに接続される排気管１７ａが設けられると共に、一端部にはボート１５の出し入れをすることができる開閉扉１７ｂが設けられている。この照射装置１７内は、高温にする必要はないが、たとえば３００℃程度に温度を上昇した方がｐ形層５内のＨをその表面側に移動させやすく、表面のＨは活性な酸素と化合しやすいため、温度を上昇させることが、ｐ形層５の活性化を早めるのに都合がよい。そのため、周囲に加熱用のヒータが設けられることもある。たとえば３００℃程度で前述と同じ活性化処理を行うことにより、前述の例より１／２程度の短い処理で同程度の低抵抗のｐ形層５にすることができた。また、前述の図１（ｂ）では、酸素プラズマの供給するマイクロ波共振器が１個しか書かれていないが、周囲に複数個設けて周囲から酸素プラズマを供給することもできる。
【００１４】
その後、ウェハ１１を酸素プラズマ照射装置１７から取り出して、場合によっては塩酸またはフッ酸などにより半導体層の表面に形成された酸化膜を除去する洗浄処理を行う。そして、表面を清浄化させた後に、真空蒸着などによりＮｉおよびＡｕを蒸着して４００〜７００℃程度、５〜２０分程度シンターすることにより、導電性で光を透過する電流拡散層７を２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成する。ついで、図１（ｃ）に示されるように、ｎ側電極９を形成するため、電流拡散層７の表面にレジスト膜などを設けてパターニングをし、電流拡散層７および積層された半導体層３〜５の一部をエッチングしてｎ形層３を露出させる。このエッチングは、塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより行うことができ、厚い半導体層をエッチングするためにはＴｉなどをマスクとして用いることにより、エッチングをすることができる。
【００１５】
さらに、積層される半導体層の表面のｐ形層５（電流拡散層７）および前記半導体層の一部を除去して露出するｎ形層３にそれぞれ電気的に接続してｐ側電極８およびｎ側電極９を形成する。ｎ側電極９は、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してシンターすることにより、また、ｐ側電極８は、ＴｉとＡｕをそれぞれ真空蒸着して積層することにより、それぞれ形成される。この例のように、電流拡散層７が設けられる場合は、ｐ側電極８は電流拡散層７を介してｐ形層５と電気的に接続され、電流拡散層７が設けられない場合は、直接ｐ形層５にまたは他のｐ形半導体層を介して電気的に接続される。
【００１６】
その後、ウェハから各チップに分割することにより図１（ｃ）に示されるようなＬＥＤチップが得られる。
【００１７】
本発明によれば、酸素プラズマなどの非常に活性化した酸素などをｐ形層の表面に吹き付けたり、その雰囲気内にｐ形層を有するウェハが晒されるため、まず、ｐ形層の表面に存在するドーパントのＭｇなどと化合したＨが活性化した酸素に引きつけられてＭｇから分離して、その活性な酸素と化合する。Ｈと分離したＭｇはＧａサイトに入りやすくなり、ｐ形ドーパントとして充分に機能する。そして順次、内部のＭｇと化合したＨが表面側に押し出される。表面側には活性な酸素が接触しているため、Ｍｇと化合しているＨは順次活性な酸素に引きつけられてｐ形層から抜け出、活性な酸素と化合する。その結果、Ｈと分離したＭｇはＧａサイトに入りドーパントとして作用する。その結果、高い温度のアニール処理をしなくても、低温でｐ形層の活性化処理を充分に行うことができる。
【００１８】
このように低温でもｐ形層の活性化処理を充分に行うことができるが、内部のＭｇと化合したＨを表面側に追い出すのに、ある程度温度が高い方がＨ原子の動きが早くなる。そのため、温度を上昇させた方が好ましい。しかし、この昇温は熱だけによりＭｇと化合したＨを分離させて追い出すためのものではないため、従来のように高温にする必要はなく、精々４００℃未満の温度でよい。たとえば前述のように、３００℃程度にして行うことにより、一層早くｐ形層の活性化処理を行うことができ、５〜２０分程度の活性化処理で従来以上の低抵抗のｐ形層を得ることができた。
【００１９】
前述の例では、酸素プラズマを照射またはその雰囲気にウェハのｐ形層を晒すことにより活性化処理を行ったが、酸素プラズマでなくても、オゾンや、Ｎ2 Ｏなどの非常に活性な酸化性ガスであれば、同様に低温でもｐ形層内のＨを引き出して化合し、ｐ形層を活性化する。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、ウェハの温度を高温にするアニール処理を行わないで、ｐ形層内に取り込まれている水素（Ｈ）を短時間で効率よく取り出すことができるため、ウェハの熱ショックなどに起因する割れや結晶欠陥の発生などが生じにくく、さらに半導体層間のドーパントの拡散による不純物濃度の変化なども生じない。そのため、非常に高性能で高信頼性の発光素子を高歩留りで得ることができる。
【００２１】
さらに、ｐ形層の活性化処理を非常に短時間で行うことができると共に、ｐ形層の活性化処理を完全に行うことができるため、直列抵抗が低下して低電圧で動作すると共に、発光効率が向上し高特性の青色系の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製法の一実施形態の工程説明図である。
【図２】従来の青色系の半導体発光素子の一例の断面説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
【図１】
0003723374.tif 000002
【図２】
0003723374.tif 000003