(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の電極を形成する方法において、
ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体の上に白金(Pt)を形成し、少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の電極形成方法。
【請求項２】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の電極を形成する方法において、
ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体の上に白金(Pt)を形成し、０.０１〜１００％の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の電極形成方法。
【請求項３】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と電極とを有する素子の製造方法において、
ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、
この窒化ガリウム系化合物半導体層上に白金(Pt)から成る電極を形成し、
前記電極の形成された窒化ガリウム系化合物半導体層を少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と電極とを有する素子の製造方法において、
ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、
この窒化ガリウム系化合物半導体層上に白金(Pt)から成る電極を形成し、
前記電極の形成された窒化ガリウム系化合物半導体層を０.０１〜１００％の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とそれぞれの層に対する電極を有する素子の製造方法において、
前記ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層に白金(Pt)から成る第１電極を形成し、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に第２電極を形成した後、
少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とそれぞれの層に対する電極を有する素子の製造方法において、
前記ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層に白金(Pt)から成る第１電極を形成し、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に第２電極を形成した後、
０.０１〜１００％の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記酸素を含むガスは、O2、O3、CO、CO2 、NO、N2O、NO2、又は、H2O の少なくとも１種又はこれらの混合ガス、又は、これらのガスと不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理は４００℃以上の温度で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体に対する接合強度と表面の平滑度を改善した電極を形成する方法及びその電極を有した素子を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平９−６４３３７号公報に開示されているように、ｐ型窒化ガリウムの電極として、第１層にＮｉ、第２層にＡｕを用いて、加熱処理により窒化ガリウムへの侵入分布においてＮｉとＡｕとで反転させたものが知られている。この構成により、金属電極のオーミック性が改善されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の構造の電極は、Ａｕが接合金属となっているため接合強度が弱く、電極がはがれ易いという問題がある。又、表面の平滑性が悪く、その電極を発光ダイオードの光取り出しのための透光性電極とする場合に発光パターンが均一でないという問題がある。さらに、電極が２層構造であるため製造工程が複雑になる。薄い層の２層構造であることから厚さの制御が困難であり、製品素子の電極の厚さを均一とすることが困難である等の問題がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体に対する接合強度が強く、且つ、表面が平滑で単純なプロセスで形成出来る電極を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の電極を形成する方法において、ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体の上に白金(Pt)を形成し、少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする。
又、第３の発明は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と電極とを有する素子の製造方法において、ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、この窒化ガリウム系化合物半導体層上に白金(Pt)から成る電極を形成し、電極の形成された窒化ガリウム系化合物半導体層を少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする。
さらに、第５の発明は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とそれぞれの層に対する電極を有する素子の製造方法において、ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体層に白金(Pt)から成る第１電極を形成し、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に第２電極を形成した後、少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス中において、熱処理することを特徴とする。
第２、第４、第６の発明は上記「少なくとも分圧１００Ｐａ以上の酸素を含むガス」を「０.０１〜１００％の酸素を含むガス」と置き換えたものである。
尚、窒化ガリウム系化合物半導体とは、GaN を基礎として、Gaの一部をIn、Al等の３族元素と置換した化合物である。一例として、一般式、(AlxGa1-x)yIn1-yN(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1)の４元系の窒化ガリウム系化合物半導体で表すことができる。
【０００６】
又、上記の全発明において、酸素を含むガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯ、ＣＯ２  、ＮＯ、Ｎ２Ｏ  、ＮＯ２  、又は、Ｈ２Ｏ  の少なくとも１種又はこれらの混合ガスを用いることができる。又は、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯ、ＣＯ２  、ＮＯ、Ｎ２Ｏ  、ＮＯ２  、又は、Ｈ２Ｏ  の少なくとも１種と不活性ガスとの混合ガス、又は、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯ、ＣＯ２  、ＮＯ、Ｎ２Ｏ  、ＮＯ２  、又は、Ｈ２Ｏ  の混合ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。要するに酸素を含むガスは、酸素原子、酸素原子を有する分子のガスの意味である。
【０００７】
熱処理時の雰囲気の圧力は、熱処理温度において、窒化ガリウム系化合物半導体が熱分解しない圧力以上であれば良い。酸素を含むガスは、Ｏ２ガスだけを用いた場合には、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力で導入すれば良く、他の不活性ガスと混合した状態で用いた場合には、全ガスを窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力とし、Ｏ２ガスは全ガスに対して１０−６程度以上の割合を有しておれば十分である。要するに、酸素を含むガスは、極微量存在すれば十分である。尚、酸素を含むガスの導入量の上限値は、ｐ型低抵抗化、電極合金化、接合強度の特性からは、特に、制限されるものではない。しかし、極微量存在することが、強接合強度化、平面の平滑化の特性の上で不可欠である。要は、酸素がｐ型不純物と結合した水素原子を触媒として解離させることでできれば、製造が可能である微量範囲まで使用できる。
【０００８】
又、熱処理に関しては、最も望ましくは、５００〜６００℃である。後述するように、５００℃以上の温度で、抵抗率が完全に飽和した低抵抗のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。又、６００℃以下の温度において、電極の合金化処理を良好に行うことができる。
又、望ましい温度範囲は、４５０〜６５０℃、４００〜６００℃、４００〜７００℃である。温度が低い程、ｐ型抵抗率が大きくなり、温度が高い程電極の特性が悪くなると共に結晶の熱劣化および操作時の劣化を生ずる可能性がある。
【０００９】
Ｐｔ電極の厚さは、任意の範囲で形成でき、薄く透光性があるように形成すれば、発光ダイオードの光取り出し電極に用いることができる。又、厚く形成してフリップチップ型の電極とすることもできる。Ｐｔ電極の厚さは、５ｎｍ〜１０μｍが望ましく、その範囲で十分な接合強度が得られている。
【００１０】
又、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に対する第２電極は、アルミニウム（Ａｌ）、又は、アルミニウム合金から成ることが望ましい。これは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に対する接触抵抗、オーミック性の点から選択された。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
上記の発明においては、ｐ型不純物の添加された窒化ガリウム系化合物半導体の電極材料を白金(Pt)とし、熱処理の雰囲気ガスに、分圧１００Ｐａ以上の、又は０.０１〜１００％の酸素を含むガスを用いた結果、電極の接合強度が改善され、且つ、表面の平滑度を向上させることができた。又、特性の良好な電極の厚さの範囲が広いことから、透光性電極からフリップチップ型のバンプ電極まで用いることができる。又、層は１層で良く、厚さの制御が容易になるため、素子間で均一な厚さの電極を形成することができる。又、白金は酸化され難く、製造後に電極の透光性が劣化することがなく、発光パターンの経年変化を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は、本発明の白金電極を用いた発光素子の構造を示している。図１において、サファイア基板１の上にＧａＮ  系化合物半導体で形成された発光素子１００が形成されている。サファイア基板１０の上に  ＡｌＮから成るバッファ層１２が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層１３が形成されている。この高キャリア濃度ｎ＋  層１３の上に厚さシリコン（Ｓｉ）ドープｎ型ＧａＮ  から成るクラッド層１４が形成されている。
【００１３】
そして、クラッド層１４の上に厚さ３５ÅのＧａＮ  から成るバリア層１５１と厚さ３５ÅのＧａ０．８０Ｉｎ０．２０Ｎ  から成る井戸層１５２で構成された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層５が形成されている。バリア層１５１は６層、井戸層１５２は５層である。発光層１５の上にはｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．９５Ｎ  から成るクラッド層１６が形成されている。さらに、クラッド層１６の上にはｐ型ＧａＮ  から成るコンタクト層１７が形成されている。
【００１４】
又、コンタクト層１７の上には金属による透光性の電極１８Ａが、ｎ＋  層３の上に電極１８Ｂが形成されている。透光性の電極１８Ａは、厚さ５００Åの白金（Ｐｔ）で構成されている。電極１８Ｂは厚さ２００Åのバナジウム（Ｖ）  と厚さ１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金で構成されている。又、電極１８Ａの一部にはワイヤボンディングのための電極パッド２０が形成されている。
【００１５】
次に、この発光素子１００の製造方法について説明する。
上記発光素子１００は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ３）  、キャリアガス（Ｈ２，Ｎ２）  、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＧ  」と記す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＡ  」と記す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＩ  」と記す）、シラン（ＳｉＨ４）と、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）  （以下「ＣＰ２Ｍｇ  」と記す）である。
【００１６】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ２を流速２ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１０をベーキングした。
【００１７】
次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を１．８×１０−５モル／分で約１分間供給してＡｌＮ  のバッファ層１２を約２５ｎｍの厚さに形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０−８モル／分で４０分間供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０１８／ｃｍ３、シリコン濃度４×１０１８／ｃｍ３のＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層１３を形成した。
【００１８】
次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを５×１０−９モル／分で６０分間供給して、膜厚約０．５μｍ、電子濃度１×１０１８／ｃｍ３、シリコン濃度２×１０１８／ｃｍ３のＧａＮ  から成るクラッド層１４を形成した。
【００１９】
上記のクラッド層１４を形成した後、続いて、Ｎ２又はＨ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を２．０×１０−４モル／分で１分間供給して、膜厚約３５ÅのＧａＮ  から成るバリア層１５１を形成した。次に、Ｎ２又はＨ２、ＮＨ３  の供給量を一定として、ＴＭＧ  を７．２×１０−５モル／分、ＴＭＩ  を０．１９×１０−４モル／分で１分間供給して、膜厚約３５ÅのＧａ０．８０Ｉｎ０．２０Ｎ  から成る井戸層１５２を形成した。さらに、バリア層１５１と井戸層１５２を同一条件で５周期形成し、その上にＧａＮ  から成るバリア層１５１を形成した。このようにして５周期のＭＱＷ構造の発光層１５を形成した。
【００２０】
次に、サファイア基板１０の温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．０×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を１．０×１０−４モル／分、ＣＰ２Ｍｇ  を２×１０−５モル／分で３分間供給して、膜厚約５０ｎｍ、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０１９／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ  から成るクラッド層１６を形成した。
【００２１】
次に、サファイア基板１０の温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＣＰ２Ｍｇ  を２×１０−５モル／分で３０秒間供給して、膜厚約１００ｎｍ、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０１９／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型ＧａＮ  から成るコンタクト層１７を形成した。
【００２２】
次に、コンタクト層１７の上にＳｉＯ２から成るエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のコンタクト層１７、クラッド層１６、発光層１５、クラッド層１４、ｎ＋  層１３の一部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１３の表面を露出させた。次に、以下の手順で、ｎ＋  層１３に対する電極（第２電極）１８Ｂとコンタクト層１７に対する透光性の電極（第１電極）１８Ａを形成した。
【００２３】
（１）ＳｉＯ２  マスクを残した状態で、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフにより所定領域に窓を形成して、１０−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空にて厚さ２００Åのバナジウム（Ｖ）  と厚さ１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）を蒸着した。次に、フォトレジスト及びＳｉＯ２マスクを除去する。
（２）  次に、表面上にフォトレジスト１９を一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、コンタクト層１７の上の電極形成部分のフォトレジスト１９を除去して、図２に示すように窓部１９Ａを形成する。
（３）  蒸着装置にて、露出させたコンタクト層１７の上に、１０−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空に排気した後白金（Ｐｔ）から成る金属層８１を５００Å成膜した。
（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１９上に堆積したＰｔを除去し、コンタクト層１７に対する透光性の電極１８Ａを形成する。
（５）  次に、透光性の電極１８Ａ上の一部にボンディング用の電極パッド２０を形成するために、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、白金（ｐｔ）もしくはコバルト（Ｃｏ）もしくはニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は、それらの合金を膜厚１．５  μｍ程度に、蒸着により成膜させ、（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蒸着により堆積したＣｏもしくはＮｉとＡｕ、Ａｌ、又はそれらの合金から成る膜を除去して、電極パッド２０を形成する。
（７）  その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、Ｏ２ガスを供給して圧力１００Ｐａとし、その状態で雰囲気温度を約５００℃にして、３分程度、加熱し、コンタクト層１７、クラッド層１６を低抵抗化すると共にコンタクト層１７と電極１８Ａとの合金化処理と電極１８Ｂとｎ＋  層１３との合金化処理を行った。
【００２４】
この加熱処理は５００〜６００℃の範囲が最も望ましい。その温度範囲であれば、ｐ型層は、抵抗値の十分低い飽和域にあり、且つ、上記の電極１８Ａ，１８Ｂにおける合金化が最も良質に行われ、接合強度が極めて強くなり、表面が極めて平滑となる。又、透光性の電極１８Ａの酸化が防止され、発光パターンのむらがなく、発光パターンに関する経年変化をなくすることができる。尚、加熱処理は、４００  ℃未満で熱処理されるとｐ型層の抵抗が低くならず、かつ電極はオーミック特性を示さず、７００  ℃より高い温度で熱処理されるとｐ型層は十分低い抵抗値を示しているが、電極の接触抵抗が増加し、表面モフォロジーが悪化してしまい、後工程であるワイヤーボンディング不良の原因にもなる。このため、  ４００℃〜  ７００℃の範囲内で熱処理するのが望ましい。
【００２５】
Ｎ２ガスに対して１％のＯ２ガスを含ませ、そのＯ２ガスの分圧を１００Ｐａとした雰囲気中での熱処理を行ったが同様な効果が得られた。純粋な酸素ガスの他、Ｏ２にＮ２，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒのうちの１種以上を加えたガスが利用可能である。Ｏ２の割合は、極微量で良く、例えば、１０−４％程度以上あれば良い。特に、０．０１〜１００％の範囲で接合性が極めて強く、表面の平滑な電極が得られている。
【００２６】
このようにして形成された発光素子１００に対して２０ｍＡの電流を流したとき、３．５Ｖの駆動電圧が得られ、接触抵抗が十分に小さいことが確認された。又、透光性電極１８Ａはコンタクト層１７上の全面に均一に形成され、接合強度が強く非常に平滑な表面が得られた。このため、製品の歩留りを向上させることができる共に発光パターンを一様且つ均質にすることができた。又、接触抵抗は十分に低く、良好なオーミック特性が得られた。
【００２７】
尚、上記のコンタクト層１７、クラッド層１６に添加されているｐ型不純物のマグネシウム（Ｍｇ）は、これに代えて、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）などの２族元素を用いてもよい。又、発光素子１００の発光層１５はＭＱＷ構造としたが、ＳＱＷやＧａ０．８０Ｉｎ０．２０Ｎ  等から成る単層、その他、任意の混晶の４元、３元系のＡｌＩｎＧａＮ  としても良い。
【００２８】
上記実施例は透光性電極を有する発光ダイオードについて説明したが、本発明はレーザダイオード（ＬＤ）、受光素子、その他の窒化ガリウム系化合物半導体素子の展開が予想される高温デバイスやパワーデバイス等の電子デバイスにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に係る発光素子の構成を示した断面図。
【図２】発光素子の電極形成方法を示した断面図。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…バッファ層
１３…ｎ＋  層
１４…クラッド層
１５…発光層
１６…クラッド層
１７…コンタクト層
１８Ａ、１８Ｂ…電極
１９Ａ…窓部
８１…金属層
１００…発光素子
【図１】
0003555419.tif 000002
【図２】
0003555419.tif 000003