(57)【要約】【課題】  ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶１中に５Ｅ１８個／ｃｍ3以下のＺｎ濃度を有するＺｎ拡散領域７を提供する。【解決手段】  ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶１上に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３、ＺｎＯ膜４及びアニーリングキャップ膜５を順次積層する工程と、熱処理を行うことにより、ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜（０≦ｙ≦１）２、ＧａＩｎＰ膜３及びＺｎＯ膜４を反応させて、ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜／ＧａＩｎＰ膜／ＺｎＯ反応膜６を形成し、そのＡｌyＧａ1-yＡｓ膜／ＧａＩｎＰ膜／ＺｎＯ反応膜６を拡散源として、ＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶１中にＺｎを拡散させる。【選択図】      図１
2006156532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶と、
前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶表面に順次積層されたＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜と、ＳｉＮまたはＳｉＯ2からなるアニーリングキャップ膜と、
を有する半導体素子であって、
前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶中の前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜側にＺｎ拡散領域を有し、該Ｚｎ拡散領域におけるＺｎ濃度が５Ｅ１８個／ｃｍ3以下であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶表面に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ≦１）膜、ＧａＩｎＰ膜、ＺｎＯ膜、及び、ＳｉＮまたはＳｉＯ2からなるアニーリングキャップ膜を順次積層する積層工程と、
熱処理により、前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜、前記ＧａＩｎＰ膜、及び前記ＺｎＯ膜を反応させて、ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜を形成すると共に、前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶中に前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜を拡散源として、Ｚｎを拡散させたＺｎ拡散領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記積層工程において積層する前記ＧａＩｎＰ膜の膜厚をｔ１、前記ＺｎＯ膜の膜厚をｔ２とするとき、１．２≦ｔ１／ｔ２≦２０として積層することを特徴とする請求項２記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記の熱処理の温度を５００℃以上、７５０℃以下の範囲とすることを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子の製造方法、特に半導体結晶におけるＺｎの拡散方法の一例として、■−■族化合物半導体結晶へのＺｎの拡散方法の例が、特許文献１に開
示されている。以降、図５を用いて説明する。
この特許文献１に記載のＺｎの拡散方法によれば、先ず、■−■族化合物半導
体結晶１上にＺｎＯ膜４を形成する。次に、ＺｎＯ膜４をアニーリングキャップ膜５で被覆する（図５−(ａ)）。引き続き、熱処理によるアニーリングを行う。この熱処理により、ＺｎＯ膜４を拡散源として結晶中にＺｎを拡散してＺｎ拡散領域７０を形成することで半導体素子１００を形成する（図５−(ｂ)）。
【特許文献１】特開平９−２９３９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１上の拡散方法では、半導体結晶がＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）の場合、半導体結晶中のＺｎの拡散濃度が１Ｅ１９個／ｃｍ3以上と高くなる。一般に、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体素子では、半導体結晶内での光吸収を起こす非発光中心を発生させないように、結晶中のＺｎ濃度を５Ｅ１８個／ｃｍ3以下にする必要がある。
非発光中心は、光を吸収する作用がある結晶構造上のポイントである。非発光中心は発した光を吸収するため、発光ロスを引き起こす。これに伴い、発光ダイオード素子では発光出力の低下、半導体レーザ素子では発振閾値電流の増加、及びこれによる寿命特性の劣化を起こす。従って、非発光中心を発生させないことは、これらの素子の信頼性を上げるのに重要である。しかし、上記特許文献に開示の方法では、Ｚｎ濃度を５Ｅ１８個／ｃｍ3以下にすることは極めて困難である。
【０００４】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、これら従来の問題を解決し、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）結晶中のＺｎ拡散領域のＺｎ濃度を５Ｅ１８個／ｃｍ3以下にしてなる、半導体素子及びその製造方法を提供するものであり、高効率な発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体素子を製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は手段として次の構成を有する。
即ち、請求項１に係る発明は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶１と、前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶１表面に順次積層されたＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６と、ＳｉＮまたはＳｉＯ2からなるアニーリングキャップ膜５と、を有する半導体素子であって、前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶１中の前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６側にＺｎ拡散領域７を有し、該Ｚｎ拡散領域７におけるＺｎ濃度が５Ｅ１８個／ｃｍ3以下であることを特徴とする半導体素子１０である。
【０００６】
本願発明は手段として次の手順を有する。
即ち、請求項２に係る発明は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶１表面に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ≦１）膜２、ＧａＩｎＰ膜３、ＺｎＯ膜４、及び、ＳｉＮまたはＳｉＯ2からなるアニーリングキャップ膜５を順次積層する積層工程と、
熱処理により、前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜２、前記ＧａＩｎＰ膜３、及び前記ＺｎＯ膜４を反応させて、ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６を形成すると共に、前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体結晶１中に前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６を拡散源として、Ｚｎを拡散させたＺｎ拡散領域７を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体素子の製造方法である。
【０００７】
本願発明は手段として次の手順を有する。
即ち、請求項３に係る発明は、前記積層工程において積層する前記ＧａＩｎＰ膜３の膜厚をｔ１、前記ＺｎＯ膜４の膜厚をｔ２とするとき、１．２≦ｔ１／ｔ２≦２０として積層することを特徴とする請求項２記載の半導体素子の製造方法である。
【０００８】
本願発明は手段として次の手順を有する。
即ち、請求項４に係る発明は、前記の熱処理の温度を５００℃以上、７５０℃以下の範囲とすることを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜1）半導体結晶上に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ≦１）膜、ＧａＩｎＰ膜、ＺｎＯ膜およびアニーリングキャップ膜を順次積層し、これを熱処理することによりＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜を形成し、この反応膜を拡散源としてＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中にＺｎを拡散させることにより、Ｚｎ濃度が５Ｅ１８個／ｃｍ3以下のＺｎ拡散領域をＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中に容易に形成することが出来る。この結果、ＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中に非発光中心が発生しにくいＺｎ拡散領域を形成できる。
従って、高効率な発光ダイオードや半導体レーザ素子などの半導体素子を作製することが出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
図２は、本発明の第１の実施例で作製したＺｎ拡散領域のＺｎ濃度プロファイルである。
図３は、本発明の第２の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
図４は、本発明の第３の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【００１１】
本発明による半導体素子の製造方法における第１の実施例について図１を参照して説明する。
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶１上に、有機金属気相成長法によりＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３を順次形成する。次に、スパッタリング法を用いてＺｎＯ膜４を形成する。引き続き、このＺｎＯ膜４上にＳｉＯ2、ＳｉＮなどの無機絶縁膜からなるアニーリングキャップ膜５をスパッタリング法、ＣＶＤ法などにより形成する（図１−（ａ））。
【００１２】
続いて、熱処理（アニーリング）をすることにより、ＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３、及びＺｎＯ膜４が反応してＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６が形成される（図１−（ｂ））とともに、この反応膜６を拡散源としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶１中にＺｎが拡散し、Ｚｎ拡散領域７を形成する（図１−（ｃ））。
【００１３】
ここで熱処理の温度は、５００℃以上、７５０℃以下が望ましい。何故なら５００℃未満の温度では温度が低くなる程、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６が形成さにくくなり、拡散源として機能が低下し、Ｚｎの拡散されにくくなるためである。また、７５０℃を越える温度では温度が高くなる程ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６中のＰの脱離が著しくなり、反応膜の厚みが均一になりにくくなりＺｎ拡散も良好に行われにくくなるためである。
【００１４】
本実施例に係る半導体素子の製造方法は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）結晶表面に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ≦１）膜、ＧａＩｎＰ膜、及びＺｎＯ膜を熱処理して形成されるＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜を拡散源としてＺｎを拡散することによりＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中に５Ｅ１８cm-3以下の拡散領域を形成できるという発明者らの実験から得た知見に基づいて見出されたものである。
【００１５】
ここで、ＧａＩｎＰ膜３と、ＧａＩｎＰ膜３上のＺｎＯ膜４の厚みの比は、ＧａＩｎＰ膜３／ＺｎＯ膜４＝６である。尚、このＧａＩｎＰ膜３とＺｎＯ膜４の厚みの比は、１．２≦ＧａＩｎＰ膜／ＺｎＯ膜≦２０であることが望ましい。この厚みの比を１．２以上とするのは、厚みの比を極端に低くするとＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜が実質的にＺｎＯ膜として作用してＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中の亜鉛濃度が１Ｅ１９ｃｍ-3以上の高濃度になってしまうためである。
また、この厚みの比を２０以下とするのは、厚みの比を極端に高くするとＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜のＺｎ量が拡散源として作用する上で不足し、ＡｌxＧａ1-xＡｓ結晶中のＺｎ拡散が殆ど進行しなくなるためである。
【００１６】
本実施例では、６５０℃、６０分間の熱処理を行い拡散深さが４μｍのＺｎの拡散領域を形成した。なお、一例として、ＡｌyＧａ1-yＡｓ膜厚は６００ｎｍ、ＧａＩｎＰ膜厚は３００ｎｍ、ＺｎＯ膜厚は５０ｎｍ、アニーリングキャップ膜（ＳｉＯ2膜）厚は１００ｎｍに形成した。
【００１７】
次に、図２に上記実施例で得られたＺｎ拡散領域のＺｎ濃度プロファイルを公知のＣ−Ｖ法で調べた結果を示す。図２において横軸はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶表面からの深さ（単位：μｍ）を、縦軸はＺｎの濃度（単位：個／ｃｍ3）を表している。図中の曲線Ａは上記実施例で得られたＺｎの拡散領域のＺｎ濃度プロファイルを示している。曲線Ａが示すように、上記実施例では、結晶の表面から全ての拡散領域で４μｍ付近の深さまでＺｎ濃度は５Ｅ１８個／ｃｍ3以下になっている。
なお、本実施例ではＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶を用いているが、これ以外のＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）でも同様に４μｍ付近の深さまでＺｎ濃度が５Ｅ１８個／ｃｍ3以下になることが確認されている。
【００１８】
また図２では比較例として従来の方法でＺｎを拡散し得られた拡散領域のＣ−Ｖ法によるＺｎ濃度プロファイルを曲線Ｂで併せて示している。曲線Ｂから、従来の方法では拡散領域の大部分でＺｎ濃度が１Ｅ１９個／ｃｍ3以上の高濃度になっている。
上述により本実施例から、Ｚｎ濃度が５Ｅ１８個／ｃｍ3以下の低濃度となるＺｎ拡散領域を容易に得ることができる。
【００１９】
次に、本発明による半導体素子の製造方法における第２の実施例について図３を参照して説明する。
先ず、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶１上に、有機金属気相成長法によりＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３を順次形成する。次に、スパッタリング法を用いてＺｎＯ膜４を形成する（図３−ａ）。さらに、その一部をフォトリソグラフィ法で選択的に除去する（図３−ｂ）。最後に、全面にＳｉＯ2、ＳｉＮなどの無機絶縁膜からなるアニーリングキャップ膜５をスパッタリング法、ＣＶＤ法などにより形成する（図３−（ｃ））。
【００２０】
引き続き、６５０℃、６０分の条件で熱処理（アニーリング）する。これによりＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３、及びＺｎＯ膜４が反応してＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６が形成される（図３−（ｄ））とともに、この反応膜を拡散源としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体結晶１に選択的にＺｎを拡散してＺｎ拡散領域７を形成する（図３−（ｅ））。
【００２１】
次に、本発明による半導体素子の製造方法における第３の実施例について図４を参照して説明する。第３の実施例は、選択的にＺｎ拡散領域を形成する他の方法である。
先ず、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体結晶１上に、有機金属気相成長法によりＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３を順次形成する。次に、この上にＳｉＯ2、ＳｉＮなどからなる無機絶縁膜８をスパッタリング法を用いて形成する（図４−ａ）。さらに、無機絶縁膜の一部をフォトリソグラフィ法により選択的に開口部９を形成した後に、無機絶縁膜上及び開口部９上にスパッタリング法を用いてＺｎＯ膜４を形成する（図４−ｂ）。ここで、ＧａＩｎＰ膜３厚をｔ１、ＺｎＯ膜４厚をｔ２とすると、その厚みの比は、ｔ１／ｔ２＝６である。なお、開口部及び開口部付近以外のＺｎＯ膜４はフォトリソグラフィ法により選択的に除去しても構わない。次に、全面にＳｉＯ2、ＳｉＮなどの無機絶縁膜からなるアニーリングキャップ膜５をスパッタリング法、ＣＶＤ法などにより積層する（図４−ｃ）。なお、ＺｎＯ膜４上及びＺｎＯ膜４周辺以外のアニーリングキャップ膜５はフォトリソグラフィ法により選択的に除去しても構わない。
【００２２】
引き続き、６５０℃、６０分の条件で熱処理（アニーリング）する。これにより前記開口部９でＧａＡｓ膜２、ＧａＩｎＰ膜３、及びＺｎＯ膜４が反応してＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜６が形成される（図４−ｄ）とともに、この反応膜を拡散源として前記開口部９下部のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶１に選択的にＺｎを拡散してＺｎ拡散領域７を形成する（図４−ｅ）。
上述により本実施例から、５Ｅ１８個／ｃｍ3以下の低濃度のＺｎ拡散領域を選択的に形成することが可能である。
【００２３】
この第２実施例、及び第３実施例によれば、５Ｅ１８個／ｃｍ3以下の低濃度のＺｎ拡散領域を選択的に形成できる。選択的拡散により、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレーなど同一基板上に複数箇所のＺｎ拡散が必要なデバイスが作製可能となる。
以上により、５Ｅ１８個／ｃｍ3以下の低濃度のＺｎ拡散領域を選択的に形成することが可能で、非発光中心が少ない半導体素子を製造することができる。
【００２４】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２】本発明で作製したＺｎ拡散領域のＺｎ濃度プロファイルである。
【図３】本発明の第２の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の第３の実施例で示した半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図５】図５は、従来の半導体素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）半導体結晶
２  ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ≦１）膜
３  ＧａＩｎＰ膜
４  ＺｎＯ膜
５  アニーリングキャップ膜
６  ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＺｎＯ反応膜
７  Ｚｎ拡散領域
８  絶縁膜
９  開口部
１０  半導体素子
【図１】
2006156532.tif 000003
【図２】
2006156532.tif 000004
【図３】
2006156532.tif 000005
【図４】
2006156532.tif 000006
【図５】
2006156532.tif 000007