(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ伝導形３族窒化物から成る半導体の電極において、
前記半導体の表面上に接して順次積層して形成された第１金属層と第２金属層とを少なくとも有し、
前記第１金属層の構成元素は前記第２金属層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素であり、
前記第２金属層の構成元素は前記半導体に対するオーミック性が前記第１金属層の構成元素よりも良好な元素であり、
熱処理により、前記半導体の表面から深さ方向の元素分布は、前記第２金属層の構成元素の方が前記第１金属層の構成元素よりもより深く浸透した分布であることを特徴とするｐ伝導形３族窒化物半導体の電極。
【請求項２】
前記第１金属層の構成元素は、ニッケル(Ni)，鉄(Fe)，銅(Cu)，クロム(Cr)，タンタル(Ta)，バナジウム(V)，マンガン(Mn)，アルミニウム(Al)，銀(Ag)のうち少なくとも一種の元素であり、前記第２金属層の構成元素は、パラジウム(Pd)，金(Au)，イリジウム(Ir)，白金(Pt)のうち少なくとも１種の元素であることを特徴とする請求項１に記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極。
【請求項３】
前記第１金属層の構成元素は、Niであり、前記第２金属層の構成元素はAuであり、熱処理により、前記半導体の表面から深さ方向の元素分布は、NiよりもAuが深く浸透した分布であることを特徴とする請求項１に記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極。
【請求項４】
前記熱処理は、400℃〜700℃で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極。
【請求項５】
３族窒化物半導体から成る素子層を有し、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極を有する３族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記Niと共に酸素(O)が分布することを特徴とする請求項３に記載の電極を有する３族窒化物半導体素子。
【請求項７】
ｐ伝導形３族窒化物から成る半導体の電極形成方法において、
第１金属層の構成元素は第２金属層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とし、第２金属層の構成元素は前記半導体に対するオーミック性が第１金属層の構成元素よりも良好な元素として、
前記半導体の表面上に接して、順次、第１金属層と第２金属層とを積層させ、
前記第１金属層の元素が表面近くに移動し、その反作用として前記第２金属層の元素が前記３族窒化物半導体と合金化され半導体内に浸透することで前記半導体の表面から深さ方向の元素分布において、前記第２金属層の構成元素の方を前記第１金属層の構成元素よりもより深く浸透した分布とする熱処理を施すことを特徴とするｐ伝導形３族窒化物半導体の電極形成方法。
【請求項８】
前記第１金属層の構成元素は、Ni，Fe，Cu，Cr，Ta，V，Mn，Al，Agのうちの一種の元素であり、前記第２金属層の構成元素は、Pd，Au，Ir，Ptのうちの一種の元素であることを特徴とする請求項７に記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極形成方法。
【請求項９】
前記第１金属層の構成元素は、Niであり、前記第２金属層の構成元素はAuであり、熱処理により、前記半導体の表面から深さ方向の元素分布を、NiよりもAuが深く浸透した分布とすることを特徴とする請求項７に記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極形成方法。
【請求項１０】
前記熱処理は、400℃〜700℃で行われることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載のｐ伝導形３族窒化物半導体の電極形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対する電極、その電極を有した３族窒化物半導体素子、及びその電極形成方法に関する。特に、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対する電極の接合強度とオーミック性と接触抵抗を改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ｐ伝導形GaN（p-GaN)の電極として、金(Au)をGaN層表面に蒸着したものが知られている。しかし、この金(Au)をGaN層表面に直接蒸着する場合には、接合性が悪く、GaN層に対して合金化処理すると、金電極が剥離するという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、金(Au)とGaN層表面との間にニッケル(Ni)を介在させて、金(Au)のGaN層に対する密着性を向上させることが行われている。しかし、この場合においても、オーミック性が良くなく又電極の接触抵抗も大きいという問題がある。
従って本発明の目的は、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対する電極において、よりオーミック性を改善し、接触抵抗を小さくすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、ｐ伝導形３族窒化物から成る半導体の表面上に接して順次積層して形成された第１金属層と第２金属層とを少なくとも有し、第１金属層の構成元素は第２金属層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とし、第２金属層の構成元素は半導体に対するオーミック性が第１金属層の構成元素よりも良好な元素とした。そして、積層後の熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分布が、第２金属層の構成元素の方が第１金属層の構成元素よりもより深く浸透した分布となるように構成されている。
【０００５】
本発明は、上記のように、電極の元素分布が金属層の形成時の分布に対して反転していることを特徴としている。即ち、電極の形成後には、上側に形成した第２金属層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した第１金属層の構成元素の方が上側に存在することが特徴である。
【０００６】
望ましくは、第１金属層の構成元素は、Ni，Fe，Cu，Cr，Ta，V，Mn，Al，Agのうち少なくとも一種の元素、第２金属層の構成元素は、Pd，Au，Ir，Ptのうち少なくとも一種の元素で構成できる。さらに、望ましくは、第１金属層の構成元素は、Niであり、第２金属層の構成元素はAuである。この場合には、熱処理により、本発明の電極は、半導体の表面から深さ方向の元素分布は、NiよりもAuが深く浸透した分布となっている。上記の熱処理の望ましい温度は、400℃〜700℃である。
【０００７】
又、本発明の他の特徴は、Niと共に酸素(O)が分布することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の特徴は、ｐ伝導形３族窒化物から成る半導体の電極形成方法である。即ち、第１金属層の構成元素は第２金属層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とし、第２金属層の構成元素は前記半導体に対するオーミック性が第１金属層の構成元素よりも良好な元素とする。そして、先ず、半導体の表面上に接して、順次、第１金属層と第２金属層とを積層させる。次に、第１金属層の元素が表面近くに移動し、その反作用として第２金属層の元素が３族窒化物半導体と合金化され半導体内に浸透することで、半導体の表面から深さ方向の元素分布において、第２金属層の構成元素の方を第１金属層の構成元素よりもより深く浸透した分布とする熱処理を施す。本発明は、このような方法によりｐ伝導形３族窒化物半導体に対する電極を形成することを特徴とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】
第１金属層の構成元素が第２金属層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素であるため、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対する接合度が高い。さらに、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対してオーミック性の良い金属は仕事関数が大きい元素である。この仕事関数が大きい元素はイオン化ポテンシャルが高い。このような元素で構成される第２金属層が第１金属層の上に形成される。次に、熱処理により、下層にある第１金属層の元素が表面に出てくる。即ち、第２金属層の構成元素がｐ伝導形３族窒化物半導体により深く浸透し、第２金属層の元素と３族窒化物半導体とが合金化し、下層の第１金属層の構成元素の方が第２金属層の構成元素よりもより多く表面近くに分布する。このような構成元素の反転分布により、金属電極の接合性とオーミック性とを著しく向上させることができた。
【００１０】
本発明者らは、金属層の積層時と熱処理後とで、構成元素の分布が反転する理由を検討した。その結果、下層によりイオン化ポテンシャルの低い元素の金属層を形成し、その上にオーミック性が良好な元素を積層し、低真空度で所定温度範囲で熱処理をすれば良いという結論に至った。オーミック性の良好な第２金属層の構成元素が第１金属層の構成元素よりもｐ伝導形３族窒化物半導体により深く浸透する結果、オーミック性が極めて改善された。さらに、第１金属層はイオン化ポテンシャルが低い金属で構成しているので、ｐ伝導形３族窒化物半導体との接合性が強く、オーミック性の良い金属電極を強固に形成することができた。
【００１１】
例えば、第１金属層にニッケル(Ni)、第２金属層に金(Au)を用いた場合には、ｐ伝導形３族窒化物半導体の表面から深さ方向における元素分布が、ニッケル(Ni)よりも金(Au)が深く浸透した分布であるため、オーミック性が良好になり、ニッケル(Ni)による３族窒化物半導体に対する接合強度により、電極層が強固に形成される。
【００１２】
このような電極を有する３族窒化物半導体素子は、印加電圧の低下、信頼性の向上、接触抵抗の低下等、素子特性が優れたものとなる。発光ダイオード、レーザダイオードでは、発光効率が向上する。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１はサファイア基板１の上に形成された３族窒化物半導体で形成された発光素子100の模式的な構成断面図である。サファイア基板１の上にAlNバッファ層２が設けられ、その上にSiドープｎ形GaN層３（ｎ+層）が形成されている。このｎ+層３の上に0.5μｍのアンドープのｎ伝導形のAl0.1Ga0.9N層４（ｎ層）が形成され、ｎ層４の上にマグネシウムドープの厚さ0.4μｍのGaN層５（活性層）が形成され、その活性層５の上にマグネシウムドープのｐ伝導形のAl0.1Ga0.9N層６（ｐ層）が形成されている。そのｐ層６の上に、高濃度マグネシウムドープのｐ伝導形のGaN層７（ｐ+層）が形成されている。ｐ+層７の上には金属蒸着による電極８Ａが、ｎ+層３の上に電極８Ｂが形成されている。電極８Ａは、ｐ+層７に接合するニッケルと、ニッケルに接合する金とで構成されている。電極８Ｂはアルミニウムで構成されている。
【００１４】
次に、この発光素子100の電極８Ａの製造方法について説明する。
ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層２からｐ+層７までを形成する。そして、ｐ+層７の上にTiを2000Åの厚さに形成し、そのTi層の上にNiを9000Åの厚さに形成した。そして、そのNi層の上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより電極８Ｂを形成する部分のフォトレジストを除去した。その後、残ったフォトレジストをマスクとして、フォトレジストで覆われていないTi層とNi層とを酸性エッチング液にてエッチングした。その後、残ったTi層とNi層とをマスクとして、Ti層とNi層とにより覆われていない部分のｐ+層７、ｐ層６、活性層５、ｎ層４を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ+層３の表面を露出させた。その後、Ti層とNi層とを酸性エッチング液にて除去した。次に、以下の手順で電極８Ａを形成した。
【００１５】
(1)表面上にフォトレジスト９を一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐ+層７の上の電極形成部分のフォトレジスト９を除去して、窓部９Ａを形成する。
(2)蒸着装置にて、露出させたｐ+層７の上に、10-7Torr程度の高真空にてニッケル(Ni)を10〜200Å成膜させて、図２(a)に示すように、第１金属層８１を形成する。
(3)続いて、第１金属層８１の上に金(Au)を20〜500Å成膜させて、図２(a)に示すように、第２金属層８２を形成する。
(4)次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法により、フォトレジスト９上に堆積したNiとAuとを除去して、ｐ+層７に対する電極８Ａを整形する。
(5)電極８Ａ上の一部に電極パッドを形成する場合には、フォトレジストを一様に塗布して、その電極パッドの形成部分のフォトレジストに窓を開ける。次に、金(Au)またはアルミ(Al)を含む合金を1.2μｍ程度、蒸着により成膜させる。(4)の工程と同様に、リフトオフ法により、フォトレジスト上に堆積したAu又はAlとを除去して、電極パッドを整形する。
(6)その後、試料雰囲気を１mTorr以下にまで排気し、その後大気圧までN2で封入して、その状態で雰囲気温度を400℃以上700℃以下にして、数秒〜10分程度、加熱させる。
但し、この加熱処理は以下の条件で行うことが可能である。雰囲気ガスはN2，H2，He，O2，Ne，Ar，Krのうちの１種以上を含むガスが利用可能であり、圧力は１mTorrから大気圧を越える圧力の範囲で任意である。さらに、雰囲気ガスにおけるN2，H2，He，O2，Ne，Ar，又はkrガスの分圧は0.01〜100％であり、この雰囲気ガスで封入した状態又はこの雰囲気ガスを還流させた状態で加熱しても良い。
【００１６】
ニッケル(Ni)、金(Au)の積層後に上記の加熱処理をした結果、ニッケル(Ni)の第１金属層８１の上の第２金属層８２の金(Au)が、第１金属層８１を通してｐ+層７の中に拡散され、ｐ+層７のGaNと合金状態を形成する。図２(b)に熱処理後の様子を模式的に示す（パッド電極は図示されていない。)。即ち、熱処理前後において、AuとNiの深さ方向の分布が反転する。
【００１７】
熱処理が実施された後のｐ+層７の表面付近の元素分布をオージェ電子分光分析(AES)で調べた。その結果を図３に示す。ｐ+層７の表面付近（表面から約3nmまで）はニッケルの濃度が金濃度よりも高い。表面から約3nm以上に深いところのｐ+層７では金がニッケルよりも高濃度に分布しているのが分かる。よって、金はニッケルの第１金属層８１を通過して、ｐ+層７の深層部にまで達して、そこで、合金が形成されているのが分かる。
【００１８】
上記のような反転分布が生じる理由として、第１金属層の金属を第２金属層の金属に比べてイオン化ポテンシャルが低い元素とすることで、熱処理中に、第１金属層の元素が表面近くに移動し、その反作用として第２金属層の元素が３族窒化物半導体と合金化され半導体内に浸透すると考えられる。この結果、オーミック性の良い第２金属層の元素と３族窒化物半導体とが合金化される結果、この電極のオーミック性は良好となる。又、第１金属層の元素は第２金属層の元素よりも反応性が高く３族窒化物半導体と強固に接合する結果、この電極の接着強度が向上する。
【００１９】
上記の考察から、ｐ伝導形３族窒化物半導体に対してオーミック性が良好な金属元素は仕事関数が大きな元素であるので、第２金属層の構成元素として、例えば、パラジウム(Pd)，金(Au)，イリジウム(Ir)，白金(Pt)の少なくとも１種の元素が用いられる。又、イオン化ポテンシャルが低い第１金属層の構成元素は、ニッケル(Ni)，鉄(Fe)，銅(Cu)，クロム(Cr)，タンタル(Ta)，バナジウム(V)，マンガン(Mn)，アルミニウム(Al)，銀(Ag)のうち少なくとも一種の元素を用いることができる。又、第１金属層に水素吸蔵機能のある金属を用いることで、下層の３族窒化物半導体から水素を吸収し、その結晶性を良好にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例にかかる発光素子の構造を示した断面図。
【図２】ｐ+層の表面層における電極の熱処理前と熱処理後の構造を模式的に示した断面図。
【図３】ｐ+層の表面層のオージェ電子分光分析の結果を示した測定図。
【符号の説明】
１００…GaN系半導体発光素子
８Ａ，８Ｂ…電極
４…ｎ層
５…活性層
６…ｐ層
７…ｐ+層
９Ａ…窓部
【図１】
0003620926.tif 000002
【図２】
0003620926.tif 000003
【図３】
0003620926.tif 000004