(57)【要約】【課題】ドーピングしたｐ型不純物の活性化を高め、より高濃度の正孔濃度を有する電気抵抗の低い窒化物系化合物半導体を得る。【解決手段】基板上にｐ型不純物をドープしたＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長した後、熱処理を行って不純物の活性化を行う窒化物系化合物半導体の製造方法において、上記熱処理を不活性ガス雰囲気中又は真空中で行い、その際、上記ｐ型不純物ドープＧａＮ層を成長したウェハ１を電極板２、３間に挟み、この電極板２、３間にＧａＮ層側を負極とする電源５より直流電圧を加えてＧａＮ層中に電界を発生させ、この電界によって熱処理中に乖離した水素をＧａＮ層中から引き抜いて上記ドープした不純物の活性化を高める。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｐ型不純物をドープしたＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長した後、熱処理を行って、上記ドープした不純物の活性化を行う窒化物系化合物半導体の製造方法において、
上記熱処理を不活性ガス雰囲気中又は真空中で行い、その際、上記ｐ型不純物をドープしたＧａＮ層を成長したウェハを電極板間に挟み、この電極板間にＧａＮ層側を負極とする電圧を加えてＧａＮ層中に電界を発生させ、この電界によって熱処理中に解離した水素を結晶中から引き抜いて上記ドープした不純物の活性化を高めることを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物系化合物半導体の製造方法において、
上記電極板間に発生する電界強度を３ｋＶ／cm以上、好ましくは１０ｋＶ／cm以上とすることを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の窒化物系化合物半導体の製造方法において、
上記ＧａＮ層にドープするｐ型不純物としてＭｇを用いることを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれかの製造方法により基板上にｐ型ＧａＮ層が形成された半導体装置であって、上記熱処理後のｐ型ＧａＮ層のキャリア濃度が４×１０17cm-3より高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
ｐ型不純物をドープしたＧａＮ層を成長したウェハを挟むべく互いに対向して配置された電極板と、
この電極板にウェハを内部に設置し、内部を不活性ガス雰囲気又は真空の状態として加熱し得る熱処理炉と、
上記熱処理炉での加熱中に、電極板間にＧａＮ層側を負極とする電圧を加える電圧回路とを具備することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱処理装置において、
上記互いに対向する電極板の周辺部が互いに離れる方向に反っていることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高濃度の正孔濃度を有した窒化物系化合物半導体の製造方法と、これにより得られる半導体装置およびその製造に適した熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物系化合物半導体は、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。
【０００３】
窒化物系化合物半導体を用いてデバイスを構成する場合、導電型、及び正孔あるいは電子密度の制御が非常に重要となる。
【０００４】
例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などを製造する場合には、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。
【０００５】
また、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）においても、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、ｎｐｎあるいはｐｎｐ接合を形成する必要がある。
【０００６】
従来、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの気相成長法により、例えばｐ型ＧａＮ層を成長させるには、水素（Ｈ2）またはＨ2と窒素（Ｎ2）との混合ガス中において、Ｇａ原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ、Ｇａ（ＣＨ3）3）、Ｎ原料としてのアンモニア（ＮＨ3）およびｐ型ドーパントとしてのシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）等を、加熱されたサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板などの上に供給し、熱分解反応によって、ＭｇドープＧａＮ層を成長させる。
【０００７】
このＭｇドープＧａＮ層はそのままでは高抵抗層であり、成長後に真空中または不活性ガス中において熱処理を行うことにより、始めて低抵抗なｐ型の導電性を示す。この熱処理は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上に加圧した窒素雰囲気において４００℃以上でアニーリングするものであり、これにより低抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を得ようとするものである。この場合、この熱処理によりＧａＮ中のＭｇと結合していた水素が、熱処理（アニール）により解離し、ＧａＮ結晶表面から排出され、Ｍｇがアクセプタとして作用するようになり、ｐ型化するものと考えられている。
【０００８】
しかしながら、気相成長プロセス中のガスに含まれる水素がマグネシウムと結合してマグネシウムを電気的に不活性化する水素パシベーションのために、成長直後の結晶は高抵抗になることが知られている。 
【０００９】
そこでｐ型化の方法としては、窒素原料としてアンモニアを用いた気相成長法で、ｐ型不純物であるＭｇをドープした窒化ガリウム系半導体を堆積した後、冷却時において６００℃以上の温度域で冷却雰囲気をアンモニアから水素または窒素の混合雰囲気に切り替える方法（例えば、特許文献１参照）がある。この方法によれば ６００℃以上の温度域で冷却雰囲気を切り替えることによりアンモニアから供給される原子状水素の供給を回避できるので、水素パッシベーションが起きず低抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体が得られる。 
【特許文献１】特開平８−１１５８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、既に触れたように、成長後に熱処理を行ってｐ型化する方法の場合、成長後の熱処理により得られるｐ型ＧａＮ層のキャリア濃度が、現状では４×１０17cm-3程度であり、その抵抗率が高いという課題がある。
【００１１】
本発明者等の知見によれば、この原因は、通常の熱処理ではＭｇに結合している水素原子がＭｇからいったん解離するもののその結晶層に留まるため、Ｍｇと再結合してアクセプタとしての活性化が十分に行えないことにある。このため、例えば窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子においては、ｐコンタクト層における電圧損失、発熱による劣化等の問題が不可避であった。また、ＨＢＴではベース層の抵抗が高く高周波特性が十分なものが得られなかった。
【００１２】
特許文献１も、この課題を解決する有効な方法となり得るが、冷却時に気相雰囲気を切り替えるだけであり、より積極的にｐ型ＧａＮ層中の正孔濃度を高めるものではない。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ドーピングしたｐ型不純物の活性化を高め、より高濃度の正孔濃度を有する電気抵抗の低い窒化物系化合物半導体の製造方法と、これにより得られる半導体装置およびその製造に適した熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１５】
請求項１の発明に係る窒化物系化合物半導体の製造方法は、基板上にｐ型不純物をドープしたＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長した後、熱処理を行って、上記ドープした不純物の活性化を行う窒化物系化合物半導体の製造方法において、上記熱処理を不活性ガス雰囲気中又は真空中で行い、その際、上記ｐ型不純物をドープしたＧａＮ層を成長したウェハを電極板間に挟み、この電極板間にＧａＮ層側を負極とする電圧を加えてＧａＮ層中に電界を発生させ、この電界によって熱処理中に乖離した水素を結晶中から引き抜いて上記ドープした不純物の活性化を高めることを特徴とする。
【００１６】
上記不活性ガスとしては、主として、窒素、ヘリウム、アルゴンが好適に用いられる。
【００１７】
上記基板としては、主として、サファイア基板が好適に用いられるが、必ずしもサファイア基板に限定されるべきものではなく、その上にＧａＮ層を形成できるものであるならば基本的にどのようなものでも良い。例えば、上記基板としては、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などでも良い。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１記載の窒化物系化合物半導体の製造方法において、上記電極板間に発生する電界強度を３ｋＶ／cm以上、好ましくは１０ｋＶ／cm以上とすることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の窒化物系化合物半導体の製造方法において、上記ＧａＮ層にドープするｐ型不純物としてＭｇを用いることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明に係る半導体装置は、上記請求項１〜３のいずれかの製造方法により基板上にｐ型ＧａＮ層が形成された半導体装置であって、上記熱処理後のｐ型ＧａＮ層のキャリア濃度が４×１０17cm-3より高いことを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明に係る熱処理装置は、ｐ型不純物をドープしたＧａＮ層（ｐ型不純物ドープＧａＮ層）を成長したウェハを挟むべく互いに対向して配置された電極板と、この電極板に挟んだウェハを内部に設置し、内部を不活性ガス雰囲気又は真空の状態として加熱し得る熱処理炉と、上記熱処理炉での加熱中に、電極板間にＧａＮ層側を負極とする電圧を加える電圧回路とを具備することを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項５記載の熱処理装置において、上記互いに対向する電極板の周辺部が互いに離れる方向に反っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００２４】
請求項１〜３に記載の製造方法によれば、ｐ型化の熱処理に際して、ｐ型不純物ドープＧａＮ層、例えばＭｇドープＧａＮ層を成長したウェハを電極板間に挟み、この電極板間にｐ型不純物ドープＧａＮ層側が負極となるように電圧を加え、ＧａＮ層中に発生する電界によって熱処理中に解離した水素を結晶中から引き抜くようにしたので、上記ドープした不純物の活性化率を高めることができる。
【００２５】
特に、請求項２の発明によれば、上記電極板間に発生する電界強度を３ｋＶ／cm以上、好ましくは１０ｋＶ／cm以上とするので、図２から分かるように、４×１０17cm-3より高いキャリア濃度の窒化物系化合物半導体装置、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、ＨＢＴなどの半導体素子構造を形成したウェハとそれを用いて作製したＬＥＤ、ＬＤ、ＨＢＴなどの半導体素子を得ることができる（請求項４）。
【００２６】
また請求項５に記載の熱処理装置によれば、ｐ型不純物ドープＧａＮ層を成長したウェハを挟むべく互いに対向して配置された電極板と、この電極板に挟んだウェハを内部に設置し、内部を不活性ガス雰囲気又は真空の状態として加熱し得る熱処理炉と、上記熱処理炉での加熱中に、電極板間にＧａＮ層側を負極とする電圧を加える電圧回路とを具備する構成としたので、ＧａＮ層中に電界を発生させ、この電界によって、熱処理中に乖離した水素をＧａＮ層中から引き抜いて不純物の活性化を高めることができる。
【００２７】
特に、請求項６の発明によれば、上記互いに対向する電極板の周辺を互いに離れる方向に反らせているので、周辺部での電界集中を避けてウェハ面内での電界強度の均一性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２９】
本発明の要点は、結晶中に熱処理によって解離した水素イオンを電界によって表面から強制的に引き出すようにしたことにある。すなわち、ウェハを電極板間に挟み熱処理中に高電界を加えることで不活性化の要因となる原子を引き抜く。
【００３０】
図１に、このための熱処理装置の構成を示す。この熱処理装置は、ｐ型不純物ドープＧａＮ層を成長したウェハ１を挟むべく互いに対向して配置された電極板２、３と、この電極板２、３に挟んだウェハ１を内部に設置し、内部を不活性ガス雰囲気又は真空の状態として加熱し得る熱処理炉４と、上記熱処理炉４での加熱中に、電極板２、３間にＧａＮ層側を負極とする電圧を電源５から加えてＧａＮ層中に電界を発生させ、この電界によって熱処理中に解離した水素を結晶中から引き抜く作用を営ませる電圧回路５０とを具備する。
【００３１】
上記熱処理装置において、例えば、ＭＯＣＶＤ法で成長したｐ型ＧａＮ層を備えるウェハ１を平行平板電極である電極板２、３間に挟み、電圧を加えながら不活性ガス雰囲気中や真空中で６５０℃において３０分間熱処理する。この際、電極板２、３間に５００Ｖ程度の直流電圧を加えると、基板を含めて約５００ミクロンメートルの厚さの結晶中には１０ｋＶ／cmの高電界が発生し、表面側を負電極にすることで乖離した水素を結晶から引き抜くことができる。これにより電界がない通常の熱処理に比べ、図２の如く、Ｍｇのドーピング濃度にもよるが、ｐ型ＧａＮ層中の正孔濃度を大幅に高めることができる。図２には、Ｍｇのドーピング濃度が２×１０20cm-3の場合と、２×１０19cm-3の場合とが示されており、前者の方がより正孔濃度の改善効果が大きい。
【実施例１】
【００３２】
本発明の第１の実施例を図１を用いて説明する。
【００３３】
周知のＭＯＣＶＤ法により（０００１）面サファイア基板上にアンドープＧａＮ層（厚さ５００nm）とＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ１０００nm）を順に成長したウェハ１を用意する。原料ガスには一般に用いられるところの、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム、Ｎ原料としてアンモニア、ｐ型ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウムを使用した。
【００３４】
このウェハ１を電極板２と電極板３間に挟み、熱処理炉４に設置する。電極板２、３の材料として、本実施例ではタンタルを用いた。タンタル以外にチタン、タングステン、モリブデン、グラファイトなどの高温でも脱ガスの少ない導電性材料であれば効果に変わりはない。
【００３５】
電極板の周辺を反らせるように変形させてあるのは、周辺部での電界集中を避けてウェハ面内での電界強度の均一性を高めるためである。不活性ガスである高純度窒素ガスを熱処理炉４に流しながら、ｐ型ＧａＮ層側の電極板が負極、サファイア基板側の電極板が正極となるように電源５より直流電圧を加える。この状態で６５０℃に昇温して３０分間熱処理する。
【００３６】
図２は、２種類のＭｇドーピング濃度（２×１０20cm-3の試料Ａと、２×１０19cm-3の試料Ｂ）における熱処理中の電界強度と正孔濃度の関係を示したものである。高濃度にＭｇをドーピングした試料ほど、電界を加えることによる正孔濃度の改善効果が大きい。これはＭｇ濃度が高い試料Ａでは水素も高濃度になっていたことから説明できる現象である。
【００３７】
この図２から分かるように、本実施例によれば、電解強度が３ｋＶ／cm以上で通常の電解のない場合を比べて正孔濃度が上昇し始め、１０ｋＶ／cm以上では２倍から１０倍の改善効果が得られる。
【実施例２】
【００３８】
本発明を発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に適用した第２の実施例を、図３を用いて説明する。
【００３９】
図３は、本発明によるウェハを用いたＬＥＤの構造である。作製工程はＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板６上に形成したアンドープＧａＮ層７の上に、シリコンをドープしたｎ型ＧａＮ層８を１１００℃で成長し、その上にシリコンをドープしたｎ型ＩｎＧａＮ層９を低温の８００℃で成長し、その後、成長温度を再び１１００℃まで上昇し、ｐ型ＧａＮ層１０を成長した。
【００４０】
この結晶成長後、実施例１と同様に、熱処理炉４において電界強度１０ｋＶ／cmで熱処理を行った。すなわち、このウェハ１を電極板２と電極板３間に挟んで熱処理炉４に設置し、不活性ガスである高純度窒素ガスを熱処理炉４に流しながら、ｐ型ＧａＮ層１０側の電極板が負極、サファイア基板６側の電極板が正極となるように電源５より直流電圧を加え、この状態で６５０℃にて３０分間熱処理した。
【００４１】
上記の半導体ウェハ表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により部分的に除去して、ｎ型ＧａＮ層８の一部を露出させ、露出した部分にＴｉ／Ａｌ電極１１を形成する一方、ｐ型ＧａＮ層１０の表面にＮｉ／Ａｕ電極１２を形成した。
【００４２】
本実施例の構成のＬＥＤと、電界を加えないで熱処理した従来型のウェハを用いた同様の構成のＬＥＤを対象に、その発光出力と発光開始電圧を測定したところ、２０ｍＡ通電時の発光出力が、本実施例のＬＥＤでは５１ｍＷであったのに対して、従来型のウェハを用いたＬＥＤでは１ｍＷであった。また、発光開始電圧は、実施例のＬＥＤでは２．８Ｖであったのに対して、従来型の半導体ウェハを用いたＬＥＤでは４．０Ｖであった。このようにＬＥＤにおいても本発明の効果が顕著に現れている。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１、２に係る熱処理装置の構成を示した概略図である。
【図２】ＭｇドープＧａＮの正孔濃度と熱処理中における電界強度との関係を示した図である。
【図３】本発明の実施例２に係るＬＥＤの構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ウェハ
２、３  電極板
４  熱処理炉
５  電源
６  サファイア基板
７  アンドープＧａＮ層
８  ｎ型ＧａＮ層
９  ｎ型ＩｎＧａＮ層
１０  ｐ型ＧａＮ層
１１  Ｔｉ／Ａｌ電極
１２  Ｎｉ／Ａｕ電極
５０  電圧回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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