(57)【要約】【課題】アニーリング雰囲気中に実質的に水素が含まれていても、低温または短時間のアニーリング処理で、ＧａＮ系化合物半導体を低抵抗のｐ型半導体にできるｐ型活性化方法を提供する。【解決手段】ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体７を形成後、その表面に、ＧａＮ系化合物半導体７中の水素を吸収して外部へ放出する作用を有する水素吸収透過膜１０を形成してから、ＧａＮ系化合物半導体７をアニーリングすることにより、ＧａＮ系化合物半導体７中に注入されたｐ型不純物と結合している水素を脱離させてＧａＮ系化合物半導体７をｐ型活性化する。【選択図】  図２
2004289014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を形成後、その表面に、前記ＧａＮ系化合物半導体中の水素を吸収して外部へ放出する作用を有する水素吸収透過膜を形成してから、還元雰囲気中で前記ＧａＮ系化合物半導体をアニーリングすることにより、前記ＧａＮ系化合物半導体中に注入されたｐ型不純物と結合している水素を脱離させて前記ＧａＮ系化合物半導体をｐ型活性化することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項２】
前記水素吸収透過膜が前記ＧａＮ系化合物半導体中の原子状水素を吸収して水素分子として外部へ放出する触媒作用を有することを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項３】
前記水素吸収透過膜がニッケル、パラジウム、銀パラジウム合金、白金、ルテニウムから選択される一つ以上の物質からなることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項４】
前記アニーリング時の処理温度が４００℃以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項５】
前記アニーリング時の前記還元雰囲気に水素が含まれることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項６】
前記アニーリング時の前記還元雰囲気が、水素と、窒素、アルゴンまたはその混合ガスで構成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項７】
前記アニーリング時の前記還元雰囲気が大気圧以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項８】
前記アニーリング時の前記還元雰囲気が、ロータリーポンプのみにより４０００Ｐａ以下に減圧されていることを特徴とする請求項７に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項９】
前記ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を形成後、その表面に前記水素吸収透過膜だけを形成してから、還元雰囲気中で前記ＧａＮ系化合物半導体をアニーリングすることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１０】
前記水素吸収透過膜を電極または電極の一部として用いることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１１】
前記電極がｐ型電極であることを特徴とする請求項１０に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１２】
前記水素吸収透過膜を、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）またはレーザアブレーションで作製することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１３】
前記ｐ型不純物がマグネシウムまたはベリリウムの少なくとも何れか一方を含むことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１４】
前記ｐ型不純物がベリリウムを少なくとも含むことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法によりｐ型活性化されたＧａＮ系化合物半導体を備えてなるＧａＮ系化合物半導体装置。
【請求項１６】
請求項１〜１４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法によりｐ型活性化されたＧａＮ系化合物半導体を備えてなる受光素子。
【請求項１７】
バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えてなることを特徴とする請求項１６に記載の受光素子。
【請求項１８】
請求項１〜１４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法によりｐ型活性化されたＧａＮ系化合物半導体を備えてなる発光素子。
【請求項１９】
ＡｌＧａＮを主とする活性層を備えてなることを特徴とする請求項１８に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線センサ等の受光素子、或は、紫外、青色発光レーザダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光素子に利用されるＧａＮ系化合物半導体の製造方法に関し、詳しくは、ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を低抵抗にｐ型活性化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体（一般式：ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオード、及び、紫外線センサ等の受光素子として広範な応用が可能である。
【０００３】
従来から、ｐ型半導体、ｎ型半導体、ｉ型半導体等の半導体層を積層して様々な素子構造の化合物半導体素子が作製されている。例えば、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）を含む受光素子では、基板側からＰＮ、ＮＰ、ＰＩＮ、ＮＩＰ、ＰＮＰ、ＰＩＮＰ、ＮＰＮ、ＮＰＩＮ等の順番に各半導体層を積層して、ダイオード構造またはトランジスタ構造を構成し、当該構造のｉ型半導体層やＰＮ接合層に形成される受光領域で発生する電流をｐ型半導体、ｎ型半導体に設けられた電極から検出可能に構成したものがある。ここで、ｐ型半導体やｎ型半導体が、夫々ｐ型不純物、ｎ型不純物の注入によって形成されることで、上記各種素子構造が構成されるのであるが、更には、ｐ型半導体層やｎ型半導体層におけるｐ型化、ｎ型化、つまりは低抵抗化を十分に行うことで、電極材料との良好な電気的接続を可能にし、更には、素子構造における寄生抵抗成分を小さくして受光素子としての電気的特性の向上を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体においては、結晶成長時の窒素源として、一般にＮＨ３が用いられており、成長中にこのＮＨ３が分解して原子状水素となりＧａＮ系化合物半導体内に滞留し、この原子状水素がｐ型不純物として注入されたＭｇ等と結合することにより、当該ｐ型不純物がアクセプタとして作用するのを阻害すると考えられ、単にｐ型不純物を注入するだけでは、ＧａＮ系化合物半導体のｐ型化は必ずしも成されず、高抵抗のまま十分な素子特性が得られないばかりか、素子構造自体が形成されない場合もあった。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法では、気相成長法によりｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を成長させた後、４００℃以上の温度でアニーリングを行うことで、ＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化を行い、低抵抗のｐ型ＧａＮ系化合物半導体を作製している。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２５４０７９１号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法では、４００℃以上の温度でアニーリングを行うことで、ＧａＮ系化合物半導体中で結合した原子状水素とＭｇ等のｐ型不純物が分離し、ＧａＮ系化合物半導体表面に移動する。しかし、ｐ型不純物から分離した原子状水素は、ＧａＮ系化合物半導体表面のポテンシャル障壁のために外部に放出されずに表面近傍に滞留するようになり、ＧａＮ系化合物半導体中での分離がそれ以上に進行せず、ｐ型活性化がある程度で飽和してしまう虞がある。従って、更にｐ型活性化を促進させるには、アニーリング温度を上昇させる必要がある。しかし、アニーリング温度を上昇し過ぎると、窒素が脱離して、結晶が劣化するために、アニーリング温度の上限が存在する。ＧａＮの場合は、９００℃以下が必要であり、ＩｎＧａＮが含まれる場合は、８００℃以下に設定しなければならない。また、６００℃以下の低温でアニーリングを行う場合に、十分なｐ型活性化を実現するに長時間を要することになり、４００℃が実用上の下限温度である。
【０００８】
また、当該製造方法では、水素が実質的に含まれていない雰囲気中でアニーリングを行う必要があり、例えば、アニーリングを別のアニーリング装置内に移動して行うか、同じ反応室内で処理する場合は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の窒素材料となるＮＨ３やＨ２（キャリアガス）を反応室から事前に除去する必要がある。製造工程上、工数増加となり、製造コスト増加の要因となる。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、アニーリング雰囲気中に実質的に水素が含まれていても、低温または短時間のアニーリング処理で、ＧａＮ系化合物半導体を低抵抗のｐ型半導体にできるｐ型活性化方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係るＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法の第一の特徴構成は、ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を形成後、その表面に、前記ＧａＮ系化合物半導体中の水素を吸収して外部へ放出する作用を有する水素吸収透過膜を形成してから、還元雰囲気中で前記ＧａＮ系化合物半導体をアニーリングすることにより、前記ＧａＮ系化合物半導体中に注入されたｐ型不純物と結合している水素を脱離させて前記ＧａＮ系化合物半導体をｐ型活性化する点にある。
【００１１】
上記第一の特徴構成によれば、ｐ型活性化が促進され、アニーリング温度が低温でも水素吸収透過膜がない場合に比べて短時間に活性化が進む。つまり、アニーリングによりｐ型不純物と分離してＧａＮ系化合物半導体表面近傍に滞留する水素原子を水素吸収透過膜が吸収して外部に放出することにより、かかる滞留によりＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が飽和するのが防止され、更なる活性化が阻害されずに促進される。
【００１２】
更に、還元雰囲気中でアニーリングすることにより、水素吸収透過膜形成後に、酸化雰囲気の空気または窒素雰囲気中でアニーリングした場合、酸素または残留酸素の影響により、水素吸収透過膜の表面が原子層レベルで酸化、或いは、表面状態の劣化が生じて、水素吸収透過膜の性能が劣化するのを回避できる。
【００１３】
同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記水素吸収透過膜が前記ＧａＮ系化合物半導体中の原子状水素を吸収して水素分子として外部へ放出する触媒作用を有する点にある。
【００１４】
上記第二の特徴構成によれば、水素吸収透過膜の原子状水素を分子化する化学反応が触媒作用によって促進されるため、ＧａＮ系化合物半導体中の水素を吸収して外部へ放出する作用が良好に発揮され、結果としてＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が促進される。
【００１５】
同第三の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成に加えて、前記水素吸収透過膜がニッケル、パラジウム、銀パラジウム合金、白金、ルテニウムから選択される一つ以上の物質からなる点にある。
【００１６】
上記第三の特徴構成によれば、水素吸収透過膜がニッケル、パラジウム、銀パラジウム合金、白金、ルテニウムから選択される一つ以上の物質から形成されるので、ＧａＮ系化合物半導体中の水素を吸収して外部へ放出する作用が発揮され、結果としてＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が促進される。
【００１７】
同第四の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記アニーリング時の処理温度が４００℃以上である点にある。
【００１８】
従来アニーリング温度８５０℃でｐ型不純物としてＭｇを用いてＧａＮのｐ型活性化を水素のない雰囲気中で行ってもＭｇの５０％がせいぜいｐ型活性化に寄与するものと考えられていたところ、つまり、十分なｐ型活性化が望めなかったところ、アニーリング時の処理温度が８５０℃以下であっても、上記第一の特徴構成によるＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が十分に発揮され、４００℃以下でも処理時間を長くすればｐ型活性化が期待できるが、上記第四の特徴構成によれば、処理温度を４００℃以上とすることで、所期の効果がより良く発揮されることになる。
【００１９】
同第五の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記アニーリング時の前記還元雰囲気に水素が含まれる点にある。
【００２０】
同第六の特徴構成は、上記第一乃至第四の特徴構成に加えて、前記アニーリング時の前記還元雰囲気が、水素と、窒素、アルゴンまたはその混合ガスで構成される点にある。
【００２１】
上記第五または第六の特徴構成によれば、還元雰囲気中の水素分子が、還元雰囲気中の平衡酸素濃度以下の微量酸素による水素吸収透過膜表面の酸化を防止するクリーニング作用を発揮し、水素吸収透過膜のＧａＮ系化合物半導体中の水素を吸収して外部へ放出する機能が良好に維持され、結果としてＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が促進される。
【００２２】
同第七の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記アニーリング時の前記還元雰囲気が大気圧以下である点にある。
【００２３】
同第八の特徴構成は、上記第七の特徴構成に加えて、前記アニーリング時の前記還元雰囲気が、ロータリーポンプのみにより４０００Ｐａ（約３０Ｔｏｒｒ）以下に減圧されている点にある。
【００２４】
上記第七または第八の特徴構成によれば、還元雰囲気が減圧下にあることで、水素吸収透過膜の劣化が抑制され、表面状態がより良好に維持され、特に４０００Ｐａ（約３０Ｔｏｒｒ）以下でその効果がより顕著となり、ＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が促進される。また、後工程で電極金属等の他の金属をその上面に堆積させる場合に、良好な表面状態が特に好適となる。また、ロータリーポンプのみにより減圧することで、減圧処理時間も短くスループットが上がり、また、還元ガスを導入後にガスを引くため減圧処理による汚染物質の混入も防止できる。更に、大気圧下では還元ガスの置換が必要となるがその手間も省ける。
【００２５】
同第九の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記ｐ型不純物の注入されたＧａＮ系化合物半導体を形成後、その表面に前記水素吸収透過膜だけを形成してから、還元雰囲気中で前記ＧａＮ系化合物半導体をアニーリングする点にある。
【００２６】
例えば、水素吸収透過膜と他の金属膜を重ねてｐ型電極を形成する場合に、他の金属膜を先に堆積してアニーリングすると水素吸収透過膜の水素を吸収して外部へ放出する機能が阻害され、水素吸収透過膜と他の金属膜の間に蓄積された水素がその金属膜を通過する過程で、その金属膜に穴が開き、金属膜の品質劣化を招く結果となる。
【００２７】
そこで、上記第九の特徴構成によれば、還元雰囲気中でアニーリングすることとの相乗効果で、かかる問題が効果的に解消される。特に水素を含む減圧還元雰囲気中でアニーリングすると特に効果的である。
【００２８】
同第十の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記水素吸収透過膜を電極または電極の一部として用いる点にある。
【００２９】
同第十一の特徴構成は、上記第十の特徴構成に加えて、前記電極がｐ型電極である点にある。
【００３０】
上記第十または第十一の特徴構成によれば、水素吸収透過膜をそのまま電極として使用する場合や、水素吸収透過膜に金、ニッケル、アルミニウム、チタン等の上層電極金属を重ねて電極とすることできる。特に、水素吸収透過膜はｐ型半導体層に接触しているので、当該電極がｐ型電極であれば、効率的な電極作製が可能となる。
【００３１】
同第十二の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記水素吸収透過膜を、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）またはレーザアブレーションで作製する点にある。
【００３２】
上記第十二の特徴構成によれば、緻密な水素吸収透過膜を形成でき、水素吸収透過膜の機能が向上するので、アニーリングのスループットの向上が期待でき、ＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が促進される。
【００３３】
同第十三の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記ｐ型不純物がマグネシウムまたはベリリウムの少なくとも何れか一方を含む点にある。
【００３４】
同第十四の特徴構成は、上記各特徴構成に加えて、前記ｐ型不純物がベリリウムを少なくとも含む点にある。
【００３５】
上記第十三または第十四の特徴構成によれば、上記第一の特徴構成によるＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化が発揮される。
【００３６】
一般にアクセプタ準位が深くなると同じ不純物濃度でも正孔キャリア密度が低くなり、また、ＡｌＮ組成比（モル分率）が高くなるにつれてアクセプタ準位が深くなるため、ｐ型不純物としてＭｇを使用した場合、ＡｌＮ組成比が２０％以上のＧａＮ系化合物半導体では、十分なｐ型活性化（低抵抗化）が困難であった。
【００３７】
ところで、第十四の特徴構成によれば、同じＡｌＮ組成比におけるアクセプタ準位がＭｇに比べて浅いＢｅを使用することで、ＡｌＮ組成比が２０％以上のＧａＮ系化合物半導体に対しても十分なｐ型活性化が得られる。また、水素とＢｅの電気陰性度の差が水素とＭｇの電気陰性度の差より小さいことから、水素とＢｅの方が、水素とＭｇより結合のイオン性が低いため、アニーリングによる水素の脱離がより容易に促進される結果と考えられる。
【００３８】
本発明に係るＧａＮ系化合物半導体装置、受光素子、及び、発光素子の特徴構成は、上記第一乃至第十四の特徴構成のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法によりｐ型活性化されたＧａＮ系化合物半導体を備えてなる点にある。
【００３９】
上記特徴構成によれば、上記第一乃至第十四の特徴構成のＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法により活性化されたｐ型ＧａＮ系化合物半導体を備えた所期の特性を有する半導体装置、受光素子、或は、発光素子を作製することができる。
【００４０】
特に、上記受光素子は、バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えることにより、３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）以下の波長の紫外線を上記受光領域によって選択的に検出することができる。
【００４１】
更に、バンドギャップエネルギが４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、上記受光領域において夫々４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅＶ）以下、約２９０ｎｍ（４．３ｅＶ）以下、或は、約２８０ｎｍ（４．６ｅＶ）以下の波長の紫外線を上記受光領域によって検出することができる。
【００４２】
ここで、バンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、各種照明機器などからの室内光に対しては上記受光領域が感度を有さないので、波長約３００ｎｍ以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する紫外線受光素子（火炎センサ）を得ることができる。
【００４３】
また、バンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）のエネルギを有する光が吸収されることで、紫外線受光素子に照射される光に太陽光等の外乱光が含まれていたとしても、波長約２９０ｎｍ以下ではそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、波長約２９０ｎｍ以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する、太陽光等の外乱光の影響を極めて受けにくい紫外線受光素子（火炎センサ）を得ることができる。
【００４４】
更に、バンドギャップエネルギが４．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、４．６ｅＶ以上（波長約２８０ｎｍ以下）のエネルギを有する光が吸収されることで、紫外線受光素子に照射される光に太陽光等の外乱光が含まれていたとしても、各種照明機器などからの室内光および太陽光（自然光）に対しては上記受光領域が感度を有さないので、波長約２８０ｎｍ以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する、室内光や太陽光等の外乱光の影響を受けない紫外線受光素子（火炎センサ）を得ることができる。
【００４５】
また、上記発光素子は、活性層のＡｌＧａＮのＡｌＮ組成比を適当に選択することで、光エネルギが３．４ｅＶから６．２ｅＶの発光を得ることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法（以下、適宜「本発明方法」という。）の実施の形態につき、紫外線受光素子２０の作製工程に適用する場合を例に、図面に基づいて説明する。
【００４７】
図１に示す紫外線受光素子２０は、ＰＩＮ型の素子構造を採用した場合の例である。この紫外線受光素子２０は、基板１上に、下地構造部とデバイス構造部とを順次積層して形成される。下地構造部は、基板１上に、低温堆積緩衝層２と、結晶改善層３と、低温堆積中間層４とを順次積層して形成され、デバイス構造部は、低温堆積中間層４上に、ｎ型半導体層５と、ｉ型半導体層（受光領域）６と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｐ型半導体層７とを順次積層して形成される。また、ｎ型半導体層５が部分的に露出するようにデバイス構造部をエッチングなどによって除去し、その露出部位に電極８が形成され、ｐ型半導体層７上には電極９が形成される。尚、電極８および電極９は、それぞれｎ型半導体層５およびｐ型半導体層７との間の電気的な特性がオーミックなものとなるオーミック電極である。
【００４８】図１に例示した紫外線受光素子２０では、（０００１）サファイア基板１上に、ＡｌＮの低温堆積緩衝層２、ＧａＮの結晶改善層３、ＡｌＮの低温堆積中間層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ｉ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＡｌＧａＮ層７が、夫々形成されている。上記の各ＧａＮ系化合物半導体層は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を利用して作製可能である。
【００４９】尚、上記下地構造部２〜４の目的は、デバイス構造部５〜７の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア基板１の結晶成長表面における格子間隔と、デバイス構造部を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在するが、下地構造部によってその格子不整合を緩和し、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を小さくすることができる。その結果、デバイス構造部中のＡｌＧａＮ層の結晶品質を良好にすることができる。
【００５０】尚、格子不整合を緩和し、その上部に形成されるデバイス構造部の結晶品質を改善するための下地構造部の構造及びその形成過程は、種々提案されている。本発明の要旨は下地構造部ではなく、デバイス構造部のｐ型半導体層７にあるので、下地構造部は、例えば、上記のような公知の構造を公知の製造過程で形成したものを利用すればよく、また、上記以外の新規な構造を用いてもよい。また、基板１も（０００１）サファイア基板に限定されるものではない。
【００５１】次に、本発明方法による紫外線受光素子２０のｐ型ＡｌＧａＮ層７に対するｐ型活性化方法について説明する。
【００５２】図２（Ａ）に示すように、先ず、ｐ型ＡｌＧａＮ層７は、ＭＯＣＶＤ法を用いて作製する。ここで、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを流しながら、Ｍｇ（マグネシウム）を注入（ドープ）したｐ型ＡｌＧａＮ層７を成長させる。この状態では、Ｎ源として用いたＮＨ３が分解して原子状水素となりｐ型ＡｌＧａＮ層７内に滞留し、この原子状水素がｐ型不純物として注入されたＭｇと結合することにより、ｐ型不純物であるＭｇがアクセプタとして作用するのを阻害する結果、ｐ型ＡｌＧａＮ層７は十分にｐ型活性化されずに高抵抗状態のままである。
【００５３】次に、Ｍｇ注入したｐ型ＡｌＧａＮ層７を成長した後に、図２（Ｂ）に示すように、その表面に水素吸収透過膜１０を形成する。水素吸収透過膜１０は、ニッケル、パラジウム、銀パラジウム合金、白金、ルテニウムから選択される一つ以上の物質からなり、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）、電子ビーム蒸着（ＥＢ）、レーザアブレーション、ＲＦスパッタ、メッキ等の手法を用いて形成する。尚、生産性では電子ビーム蒸着が有利で、膜の緻密性はＩＢＳまたはレーザアブレーションが有利であると考えられる。特に、膜の緻密性を優先させることで、水素吸収透過膜１０の水素透過性能と触媒作用が高くなり、後工程でのアニーリングのスループットが向上する。従って、ＩＢＳまたはレーザアブレーションの使用が好適である。
【００５４】尚、上記水素吸収透過膜１０の形成は、図１におけるｎ型半導体層５が部分的に露出するようにデバイス構造部をエッチングする前に行っても、そのエッチング後に行っても構わない。
【００５５】次に、図２（Ｃ）に示すように、水素吸収透過膜１０形成後に、ｐ型ＡｌＧａＮ層７をアニーリング処理する。処理温度は４００℃以上の温度範囲で適宜選択する。ｐ型ＡｌＧａＮ層７の成長、水素吸収透過膜１０の形成、及び、アニーリング処理は同じ反応容器内で行ってもよく、また、夫々別容器で行っても構わない。ここで、処理雰囲気は、水素を含む還元雰囲気とし、還元ガスとして、水素、窒素、アルゴンで構成される混合ガスを反応容器内に導入し、導入後に、ロータリーポンプのみにより短時間で還元ガスを吸引して４０００Ｐａ（３０Ｔｏｒｒ）以下に減圧する。このように還元ガス導入後に減圧することで、汚染物質の反応容器内への進入を防止できる。尚、水素を含む還元雰囲気は、水素を主成分とする還元ガス（例えば水素１００％）でも構わない。
【００５６】本発明方法では、４００℃以下の低温でのアニーリングでも、水素吸収透過膜１０の奏する触媒作用により、十分なｐ型活性化が可能である。即ち、アニーリングによりＭｇから脱離した水素原子が、ｐ型ＡｌＧａＮ層７の表面近傍に滞留することなく、水素吸収透過膜１０に吸収され、水素分子化され、外部雰囲気中に放出されるため、ｐ型ＡｌＧａＮ層７中に原子状水素が滞留して飽和することなく、Ｍｇから水素が脱離するので、ｐ型不純物として注入されたＭｇがアクセプタとして機能する。
【００５７】また、水素吸収透過膜１０は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｄ−Ａｇ（銀パラジウム合金）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｔ）等の単層膜であっても、これらを組み合わせた複層膜であってもよい。更に、水素吸収透過膜１０の一部に上記金属以外の水素吸蔵合金を含んでいても構わない。他の水素吸蔵合金としては、例えば、Ｌａ０．８Ｎｂ０．２Ｎｉ２．５Ｃｏ２．４Ａｌ０．１、Ｌａ０．８Ｎｂ０．２Ｚｒ０．０３Ｎｉ３．８Ｃｏ０．７Ａｌ０．５、ＭｍＮｉ３．６５Ｃｏ０．７５Ｍｎ０．４Ａｌ０．３、ＭｍＮｉ２．５Ｃｏ０．７Ａｌ０．８、Ｍｍ０．８５Ｚｒ０．１５Ｎｉ１．０Ａｌ０．８Ｖ０．２等がある。ここで、Ｍｍはミッシュメタルで、Ｃｅ（４０〜５０％），Ｌａ（２０〜４０％），Ｐｒ，Ｎｄ  を主要構成元素とした希土類の混合物である。
【００５８】尚、上記アニーリング時の反応容器内には水素が含まれていることが好ましい。一般に、ｐ型ＡｌＧａＮ層７の表面に水素吸収透過膜１０を設けずにアニーリング処理を行うとすれば、アニーリング処理雰囲気中の水素の存在は、Ｍｇからの水素の脱離を阻害する要因と考えられていたが、水素吸収透過膜１０を設けた場合は、処理雰囲気中の水素分子が水素吸収透過膜表面の酸化を防止するクリーニング作用を発揮するため、水素吸収透過膜１０が所期の効果を十分に発揮できるため、水素の存在は寧ろ好ましい。
【００５９】また、このことは、ｐ型ＡｌＧａＮ層７を成長させた同じ反応容器内でアニーリング処理を行えることを意味する。つまり、ＭＯＣＶＤ法による成長時の原料ガスのキャリアガスとして水素を使用するので、その水素を主成分とする還元雰囲気をそのまま利用することができる。
【００６０】アニーリング処理によるｐ型活性化後に、水素吸収透過膜１０をエッチング等によって除去するとともに、ｐ型半導体層７とｉ型半導体層６の一部をｎ型半導体層５が部分的に露出するまでエッチング等によって除去し、その露出部位にｎ型電極８を形成し、ｐ型半導体層７上にｐ型電極９を形成する。ここで、ｎ型電極８、ｐ型電極９は、夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。本発明方法により、ｐ型半導体層７が十分にｐ型活性化することで、ｐ型電極９とのオーミック接触が可能となる。
【００６１】ここで、ｐ型電極９として、例えば第１層にパラジウム（Ｐｄ）を使用して第２層に金（Ａｕ）を用いる場合は、当該第１層目のパラジウムと水素吸収透過膜１０のパラジウムを兼用しても構わない。この場合、例えば、水素吸収透過膜１０の膜厚を１００オングストローム（１０−８ｍ）、第２層の金の膜厚を１０００オングストローム（１０−７ｍ）とすることで、良好なｐ型オーミック電極が形成できる。
【００６２】また、ｎ型電極８は、ＺｒＢ２を電極材料として用いて、イオンビームスパッタ、レーザアブレーション、ＣＶＤなどの蒸着方法により作製してもよい。特に、Ｚｒ源としてＺｒ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４、またはＺｒ（ＢＨ４）４などを使用し、Ｂ源としてトリメチルボロンを使用したＭＯＣＶＤ法を利用してＺｒＢ２を作製する場合、デバイス構造部を形成する各窒化物半導体層と共通の成膜装置を使用することができるという利点がある。尚、作製されたＺｒＢ２電極上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属を更に形成してＺｒＢ２電極を保護するような多層電極（保護電極）を形成してもよい。
【００６３】また、ｐ型電極９は、ＺｒＮを電極材料として用いて、イオンビームスパッタ、レーザアブレーション、ＣＶＤなどの蒸着方法により作製してもよい。ＺｒＮは、ｐ型半導体層７上に作製したＺｒＢ２をアンモニアガスなどを用いて窒化処理することで得られる。また、ｎ型電極８の場合と同様に、作製されたＺｒＮ電極上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属を更に形成してＺｒＮ電極９を保護するような多層電極（保護電極）を形成してもよい。
【００６４】ここで、光がｐ型電極９側（図面上側）から入射される場合、ｐ型電極９はメッシュ状または受光領域へ光を透過させる他の形状または素材で形成される。逆に、光が基板１側（図面下側）から入射される場合は、下地構造部のＧａＮ結晶改善層３で入射光が吸収されてｉ型半導体層（受光領域）６まで到達しなくなるので、基板１及び下地構造部の少なくとも低温堆積緩衝層２と結晶改善層３の受光領域に当たる部分をエッチング等で除去開口して入射窓を形成する必要がある。或いは、基板１と下地構造部をｉ型半導体層（受光領域）６で検出すべき波長範囲の光を吸収せず透過する材料を使用すればよい。例えば、結晶改善層３でＧａＮを用いずに、ｉ型半導体層（受光領域）６よりＡｌＮ組成比の大きいＡｌＧａＮまたはＡｌＮを用いればよい。
【００６５】図１に示した紫外線受光素子２０に対して外部から光が照射された場合、その光はメッシュ状の電極９とｐ型半導体層７とを透過して受光領域であるｉ型半導体層６に入射して吸収され、光キャリアが発生する。ｐ型電極８およびｎ型電極９の間には電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。
【００６６】デバイス構造部を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップエネルギはＡｌＮ組成比を変えることで調整され、ＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとは図３に示すような関係で示される。図３から読み取れるように、ＡｌＮ組成比ｘを変えることで、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギを３．４２ｅＶから６．２ｅＶにまで調整することができる。従って、受光領域で吸収可能な光の波長範囲は約３６０ｎｍ〜約２００ｎｍの間で調整可能である。
【００６７】また、紫外線受光素子２０において火炎の光を検出する場合には、図４の発光スペクトルに示すような火炎の発光を吸収できるだけのバンドギャップエネルギを有する受光領域を形成すればよい。尚、図４に示す火炎の発光スペクトルは、ガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生する火炎のスペクトルである。また、太陽光のスペクトルと、各種照明機器からの光による室内光のスペクトルも同時に示す。
【００６８】以下には、受光領域のバンドギャップエネルギについて説明する。紫外線受光素子２０に波長選択性を持たせるためには、受光領域（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）におけるＡｌＮ組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れる火炎の光を選択的に受光することのできる火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．０５、或いはそれ以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上の波長域に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）を受光せずに、検出対象波長範囲にある火炎の光を受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．２５、或いはそれ以上とすればよい。また、約２８０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽光からの光を受光せずに、検出対象波長範囲にある火炎の光のみを受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３５、或いはそれ以上とすればよい。
【００６９】更に、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３１、或いはそれ以上とすればよい。波長約２９０ｎｍ以下では図３に示すようにそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大きいので、結果として火炎の光が存在することを検出することができる。
【００７０】更に、紫外線受光素子２０がエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこで燃焼される燃料の発光を検出したい場合には、上述した室内光や太陽光が存在しないため、それらを排除するような大きいバンドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、検出対象波長範囲にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（エンジンで燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光（波長３１０ｎｍ以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に受光することのできる紫外線受光素子２０を作製した場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下となるように、ＡｌＮ組成比ｘを０．０５以上０．２３以下とすればよい。
【００７１】尚、上述したＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとの関係は理論値に基づいて説明したものであり、ＡｌＮ組成比ｘが同じになるように成膜を行ったとしても実際に得られるＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが異なる可能性もある。例えば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮの場合には、二元化合物であるＧａＮが生成され易く、その結果、バンドギャップエネルギが低エネルギ側（長波長側）にシフトする傾向にある。従って、理論値通りのバンドギャップエネルギを得たい場合には、ＡｌＮ組成比を予め大きく設定した上で成膜することが行われることもある。
【００７２】
以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層７の成長に係るｐ型不純物としてＭｇを用いたが、ｐ型ＡｌＧａＮ層７のＡｌＮ組成比が２０％以上の場合においても十分なｐ型活性化を得ようとすれば、ｐ型不純物としてＭｇに代えてＢｅ（ベリリウム）を用いるのも好ましい実施形態である。
【００７３】
この場合、ｐ型ＡｌＧａＮ層７は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記実施形態と同様に、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｂｅ（ビスシクロペンタジエニルベリリウム）ガスを流しながら、Ｂｅを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層７を成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層７成長後における水素吸収透過膜１０の形成、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層７のアニーリング処理については、上記実施形態と同様である。
【００７４】
更に、ｐ型不純物の原料ガスとして、（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅガス［ビス（Ｒ−シクロペンタジエニル）ベリリウム］ガス（Ｒは１〜４価のアルキル基）を用いるのも更に好ましい。特に、Ｒが２〜４価のアルキル基の（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅガスを用いるのがより好ましい。当該原料ガスを用いることにより、有機金属化合物気相成長法を用いてｐ型、ｎ型及びｉ型半導体を所定の順序で段階的に形成するにあたり、各型に対応する不純物原料を結晶成長させる反応室内に配管を通して供給する場合に、各半導体層の成長を切り換えるときに、不純物原料の供給も切り換えるが、同じ配管を使用する場合に、配管内壁に残留した残留不純物による影響（メモリ効果）が無視できずに各半導体層間の界面近傍において所期の不純物濃度が達成できないという問題に対して、改善効果を発揮するからである。つまり、当該原料ガスの分子サイズが、Ｃｐ２Ｂｅより大きく、分極による分子間力が弱まるため、配管内壁への残留が少なくなるため、上記メモリ効果を抑制することができ、より効果的にｐ型活性化が促進される。
【００７５】
〈２〉上記実施形態では、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法を紫外線受光素子２０の作製工程に適用する場合を例示したが、本発明方法は、紫外線受光素子以外の受光素子、発光素子、その他の半導体装置に適用可能である。特に、発光素子は、デバイス構造上、受光素子と類似するので、上記実施形態の方法が適用できる。
【００７６】
〈３〉上記実施形態では、デバイス構造部はＰＩＮ構造を例に説明したが、デバイス構造部にｐ型ＡｌＧａＮ層を含む場合は、本発明方法によるｐ型活性化が適用可能であり、デバイス構造部はＰＩＮ構造に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法を用いて作製される紫外線受光素子の構成を示す素子断面図
【図２】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体のｐ型活性化方法の処理工程を説明する素子断面図
【図３】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示すグラフ
【図４】火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトルを示すグラフ
【符号の説明】
１  基板
２  低温堆積緩衝層
３  結晶改善層
４  低温堆積中間層
５  ｎ型半導体層
６  ｉ型半導体層
７  ｐ型半導体層
８  ｎ型電極
９  ｐ型電極
１０  水素吸収透過膜
２０  紫外線受光素子
【図１】
2004289014.tif 000003
【図２】
2004289014.tif 000004
【図３】
2004289014.tif 000005
【図４】
2004289014.tif 000006