(57)【要約】【課題】ｐ型不純物を拡散させることなく低抵抗なｐ型の窒化物半導体層を得ることが可能で、これよって深さ方向の不純物濃度のプロファイルが高精度に制御された良好な特性を有する窒化物半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】予めｐ型不純物を含有する状態で、結晶性の窒化物半導体からなるｐ型キャップ層６，ｐ型クラッド層７，ｐ-型コンタクト層８、およびｐ+型コンタクト層９を、この順に成膜する。これらのｐ型の窒化物半導体層６〜９に対してレーザ光νを照射することによりｐ型不純物の活性化を行う。レーザ光νは、窒化物半導体層６〜９中におけるｐ型不純物と水素との結合エネルギーよりも高い光子エネルギーを有する。また、レーザ光νは、１μ秒以下のパルス幅でパルス照射されることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予めｐ型不純物を含有する状態で結晶性の窒化物半導体層を成膜する工程と、
前記窒化物半導体層に対してレーザ光を照射することにより前記ｐ型不純物の活性化を行う工程とを有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記レーザ光は、前記窒化物半導体層中におけるｐ型不純物と水素との結合エネルギーよりも高い光子エネルギーを有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記レーザ光は、さらに前記窒化物半導体層におけるバンドギャップよりも高い光子エネルギーを有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記レーザ光は、１μ秒以下のパルス幅でパルス照射される
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
窒化物半導体層を成膜する工程では、
有機金属化学気相成長法または分子線エピタキシー法によって予めｐ型不純物を含有する窒化物半導体層を成膜する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記ｐ型不純物の活性化を行う工程では、
パルス幅の異なるパルスレーザ光を照射する
ことを特徴とする窒化物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、窒化物半導体層を用いて構成される窒化物半導体素子の製造方法に関し、特にはｐ型不純物を含有する窒化物半導体層を有する発光ダイオードや半導体レーザのような窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、さらにはＧａＮのような、III族元素とＶ族の窒素とを含有するIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体（以下、窒化物半導体と記す）を用いた発光ダイオードや半導体レーザは、常温ですぐれた発光を示す素子として注目されている。しかしながらこのような窒化物半導体を用いた素子（窒化物半導体素子）においては、シリコンなどのｎ型不純物を添加することにより低抵抗なｎ型の窒化物半導体層が形成されるのに対し、窒化物半導体層中に添加されたｐ型不純物が水素と結合するために活性化率が低く、低抵抗なｐ型の窒化物半導体層を形成することが困難である、と言った問題があった。
【０００３】
そこで、低抵抗なｐ型の窒化物半導体層を形成するための手段として、次のような（１）〜（３）の製造方法が提案されている。（１）ｐ型不純物としてＭｇを添加した窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、この半導体層に電子線照射処理することにより、表面から約０．５μｍの層を低抵抗化する（下記特許文献１参照）。（２）ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、４００℃以上の温度でアニーリングを行うことにより、窒化ガリウム系化合物半導体の低抵抗化を図る（下記特許文献２）。（３）所定の不純物元素をイオン注入によりドーピングした半導体材料に対して、半導体材料のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有するレーザ光をパルス照射することによりアニールを行う（下記特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２５７６７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９５５０号公報
【特許文献３】特開２００３−１７８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した（１）の半導体層を電子線照射処理する方法では、電子線を走査することによって半導体層の全面に対して電子線を照射する必要があるため、膨大な処理時間を必要とする。したがって、このような製造方法を実施することは工業的に困難である。
【０００６】
また（２）のｐ型不純物がドープされた半導体を４００℃以上の温度でアニーリングする方法では、アニーリングの際の熱によって、半導体層中のｐ型不純物が他の層にまで拡散する。このため、例えば半導体レーザ素子においては、ｐ型半導体層の下層に位置する活性層にｐ型不純物が拡散し、光強度が劣化したり発光波長がずれるなど、素子特性の劣化を引き起こす要因になる。
【０００７】
そして（３）の不純物元素をイオン注入した半導体材料にレーザ光をパルス照射する方法では、ある程度の深さまで不純物濃度の分布を制御しようとした場合、２段階以上のエネルギーを用いた多段階イオン注入を行う必要がある。このため、半導体材料がアモルファス化したり、イオン注入工程が増加することによりコストが高くなると言った問題がある。また、イオン注入では、最表面層に高濃度の不純物を導入することが困難であり、ｐ型半導体層の表面層における不純物濃度を高くして上部に形成される電極とのコンタクト抵抗を低くすることに限界があった。
【０００８】
そこで本発明は、ｐ型不純物を拡散させることなく低抵抗なｐ型の窒化物半導体層を得ることが可能で、これよって深さ方向の不純物濃度のプロファイルが高精度に制御された良好な特性を有する窒化物半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するための本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、予めｐ型不純物を含有する状態で結晶性の窒化物半導体層を成膜する工程と、成膜した窒化物半導体層に対してレーザ光を照射することによりｐ型不純物の活性化を行う工程とを有することを特徴としている。
【００１０】
このような製造方法によれば、予めｐ型不純物を含有する窒化物半導体層を成膜するため、イオン注入によって不純物を導入する方法とは異なり窒化物半導体層をアモルファス化することなく、成膜条件によって深さ方向のｐ型不純物の濃度プロファイルが制御された窒化物半導体層が得られる。このような成膜法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）や、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ;分子線エピタキシー）法が行われる。
【００１１】
そして、このようにｐ型不純物の濃度プロファイルが制御された窒化物半導体層に対して、レーザ光の照射が行われるため、レーザ光の光子エネルギーを制御することにより窒化物半導体層の加熱を抑え、これにより層内のｐ型不純物を拡散させることなく、すなわちｐ型不純物の濃度プロファイルを保った状態でｐ型不純物の活性化が行われるようになる。これにより、ｐ型の窒化物半導体層に隣接する層にｐ型不純物が拡散することによる、素子特性のばらつきや劣化が生じることを防止できる。さらに、例えば最表面層において成膜の際に予め高濃度に添加されたｐ型不純物の濃度を維持した状態で、当該ｐ型不純物の活性化が図られるため、この際表面層におけるキャリア濃度を高く保ってコンタクト抵抗を低くすることができる。尚、この場合、レーザ光をパルス照射することによっても、表面から所定の深さ領域のみにおいて不純物の活性化を行われるようにもなる。また、レーザ照射は、窒化物半導体層に対する広い領域に対して行われるため、電子線を用いた場合のように全面に対してレーザを走査させる必要はなく、したがって短い処理時間でｐ型不純物の活性化が行われる。
【発明の効果】
【００１２】
以上の結果、本発明の窒化物半導体素子の製造方法によれば、ｐ型不純物を拡散させることなく活性化させて低抵抗なｐ型の窒化物半導体層を得ることが可能であり、これよって深さ方向の不純物濃度のプロファイルが高精度に制御されて、良好な特性を有する窒化物半導体素子を、工業的に実現可能な処理時間で作製することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の窒化物半導体素子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
ここで、窒化物半導体素子とは、III−Ｖ族窒化物系化合物半導体（以下、窒化物半導体と記す）からなる層を用いた素子である。また、III−Ｖ族窒化物系化合物半導体は、周期表の３Ｂ族元素であるホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびのうちの少なくとも１種と、周期表の５Ｂ族元素である窒素（Ｎ）とを含有し、ＡｌxＢyＧａzＩｎuＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１，１≧ｚ，ｙ，ｚ，ｕ≧０）で表されることとする。尚、以下においては、このような窒化物半導体素子の製造方法として半導体レーザの製造に本発明を適用した実施の形態を説明する。
【００１５】
先ず、図１（１）に示すように、例えば、サファイアよりなる基板１を用意する。そしてこの基板１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮよりなるバッファ層（ＧａＮ）２、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型のＧａＮよりなるｎ型コンタクト層（ｎ−ＧａＮ）３，ｎ型不純物（Ｓｉ）を添加したｎ型のＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＮ）４を順次成長させる。
【００１６】
次いで、ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＮ）４上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、不純物を含有するまたは含有しないＩｎＧａＮ混晶よりなる活性層５を成長させる。
【００１７】
その後、活性層５の上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｐ型不純物を添加した以下の各ｐ型の窒化物半導体層を順次成長させる。すなわち、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加した活性層５とは組成が異なるＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型キャップ層（ｐ−ＡｌＧａＮ）６を成膜する。次に、ｐ型不純物（Ｍｇ）を添加したｐ型キャップ層６とは組成が異なるＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＮ）７を成膜する。その後、ｐ型不純物（Ｍｇ）を添加したＧａＮよりなるｐ-型コンタクト層（ｐ-ＧａＮ）８，さらにｐ型不純物（Ｍｇ）の添加量を増加させたＧａＮよりなるｐ+型コンタクト層（ｐ+ＧａＮ）９を、この順に成長させる。これらの各層６〜９は、隣接する層と組成が異なり、かつｐ型不純物（Ｍｇ）の添加量も異なる。
【００１８】
以上の各窒化物半導体層２〜９のＭＯＣＶＤ法による成膜においては、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとして例えばトリメチルガリウム［（ＣＨ3）3Ｇａ］、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして例えばトリメチルアルミニウム［（ＣＨ3）3Ａｌ］、インジウム（Ｉｎ）の原料ガスとして例えばトリメチルインジウム［（ＣＨ3）3Ｉｎ］、ホウ素（Ｂ）の原料ガスとして例えばトリメチルホウ素［（ＣＨ3）3Ｂ］、窒素（Ｎ）の原料ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ3）をそれぞれ用いる。また、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）の原料ガスとしては例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム［（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ］を用いる。
【００１９】
そして、以上の各窒化物半導体層２〜９の成膜は、成膜ガスおよびその流量比などの成膜条件により、窒化物半導体の組成および添加されるｎ型不純物、ｐ型不純物の深さ方向の濃度プロファイルを制御しながら行われることとする。
【００２０】
ただし、これらの各窒化物半導体層２〜９は、最下層のサファイアからなる基板１の結晶状態を順次受け継いで、良好な結晶状態が維持できる程度に、組成および不純物の添加量の増減が設定されていることとする。ただし、最上層のｐ+型コンタクト層（ｐ+型ＧａＮ）９におけるｐ型不純物の添加量については、次に行われるレーザ光照射後のｐ型不純物の活性化率から、所望のコンタクト抵抗を実現可能な添加量に設定して良い。
【００２１】
以上の後、図１（２）に示すように、必要に応じて予めｎ型不純物またはｐ型不純物が所定濃度で添加された状態で積層成膜された窒化物半導体層２〜９のうち、上層部を構成するｐ型の窒化物半導体層６〜９に対して、最上層のｐ+型コンタクト層９側からレーザ光νを照射することにより、ｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化を行う。尚ここでは、レーザ光νの照射に先立ち、先ず熱処理（熱アニール）による活性化を行い、その後レーザ光νの照射（レーザアニール）による活性化を行っても良い。
【００２２】
ここでは、レーザ光νをパルス照射することにより、過剰なレーザ光照射によって、下層の活性層５側へｐ型不純物（Ｍｇ）が拡散し、ｐ型の窒化物半導体層６〜９中におけるｐ型不純物（Ｍｇ）の濃度プロファイルが変動することを防止する。このため、レーザ光νのパルス幅は、１μ秒以下であることが好ましい。
【００２３】
この際、レーザ光νは、ｐ型の窒化物半導体層６〜９中におけるｐ型不純物（Ｍｇ）と水素との結合エネルギーよりも高い光子エネルギーを有することとし、これによってｐ型不純物（Ｍｇ）と水素とを解離させ、窒化物半導体層６〜９中のｐ型不純物（Ｍｇ）を活性化させる。
【００２４】
またレーザ光νは、ｐ型の窒化物半導体層６〜９のバンドギャップよりも高い光子エネルギーを有する設定であっても良く、これによりレーザエネルギーを熱エネルギーに変換して窒化物半導体層６〜９自体の温度を上昇させ、Ｍｇ−Ｈの解離、窒化物半導体層６〜９中の水素の大気中への拡散およびｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化が促進される。尚、窒化物半導体層６〜９自体の温度が上昇することにより、これらの各層に含有されているｐ型不純物（Ｍｇ）が拡散し易くなる。このため、この拡散を確実に防止するためには、レーザ光νの光子エネルギーを、Ｍｇ−Ｈの結合エネルギーよりも高く、かつｐ型の窒化物半導体層６〜９のバンドギャップよりも低い範囲に設定することが好ましい。
【００２５】
以上のようなレーザ光νの照射は、最上層のｐ+型コンタクト層９の酸化などによる変質を防ぐために不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。尚、ｐ+型コンタクト層９の変質を防止することを目的として、ｐ+型コンタクト層９上に、例えばＳｉＯ2などの、レーザ光を透過するもので剥離が容易なものからなるキャップ層を設けた状態でレーザ光νの照射を行っても良い。
【００２６】
尚、以上のレーザ光νの照射時には、ｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化のために、補助的に基板１を４００℃度以下の範囲で加熱しても良い。
【００２７】
またレーザ光νのショット数やショット間隔は必要に応じて変えることとする。さらに、レーザ光の照射によって活性化させる層の深さ範囲が広い場合には、パルス幅の異なるパルスレーザ光を複数回にわたって照射することで、異なる深さ範囲におけるｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化を目的とした各パルス幅のレーザ光照射を行う用にしても良い。この場合、例えば最初にパルス幅の長いレーザ光で活性化を行い、次にパルス幅の短いレーザ光で最表面層をより活性化させる手順としても良い。
【００２８】
以上のようにしてｐ型不純物の活性化処理を行った後、図２（３）に示すように、ｐ+型コンタクト層９、ｐ-型コンタクト層８，さらにｐ型クラッド層７の上層部分を帯状にパターニングする。この際、ｐ+型コンタクト層９上にレジストパターン（図示省略）を形成し、このレジストパターンをマスクにしてｐ+型コンタクト層９、ｐ-型コンタクト層８，さらにｐ型クラッド層７の上層部分をエッチングする。尚、このエッチングの後には、レジストパターンを除去する。
【００２９】
次に、基板１の上方の全面に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜１１を形成する。その後、レジストパターン（図示省略）をマスクにしたエッチングにより、帯状部分脇に沿って、絶縁膜１１，ｐ型クラッド層７，ｐ型キャップ層６，活性層５、およびｎ型クラッド層４を順次選択的に除去し、ｎ型コンタクト層３を露出させる。尚、このエッチングの後には、マスクとして用いたレジストパターンを除去する。
【００３０】
次に、図２（４）に示すように、レジストパターン（図示省略）をマスクに用いたエッチングにより、帯状部分の上方における絶縁膜１１の一部を除去してｐ+型コンタクト層９を露出させる。次に、ｐ+型コンタクト層９を露出させる開口部を有するレジストパターン（図示省略）を形成し、このレジストパターン上を含む基板１上の全面に電極材料層を成膜し、次いでレジストパターンを除去することによって上部の電極材料層をリフトオフにより除去する。これにより、ｐ+型コンタクト層９の上部に電極材料層を残して第１電極１２をパターン形成する。
【００３１】
また、ｎ型コンタクト層３を露出させる開口部を有するレジストパターン（図示省略）を形成し、このレジストパターン上を含む基板１上の全面に電極材料層を成膜し、次いでレジストパターンを除去することによって上部の電極材料層をリフトオフにより除去する。これにより、ｎ型コンタクト層３の上部に電極材料層を残して第２電極１３をパターン形成する。
【００３２】
以上の後、ここでの図示は省略したが、基板１を裏面側から研削して所定の厚みに整形し、次に基板１を所定の大きさにカットし、さらに第１電極１２の延長方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、半導体レーザ２０を完成させる。
【００３３】
以上説明した製造方法によれば、図１（１）を用いて説明したように、予めｐ型不純物（Ｍｇ）を含有する状態で窒化物半導体層６〜９を成膜するため、イオン注入によって不純物を導入する方法とは異なり、窒化物半導体層をアモルファス化することなく、成膜条件によって深さ方向のｐ型不純物の濃度プロファイルが制御された窒化物半導体層６〜９を成膜することができる。
【００３４】
そして、図１（２）を用いて説明したように、このようにｐ型不純物の濃度プロファイルが制御された窒化物半導体層６〜９に対してレーザ光νをパルス照射することにより、ｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化を行うため、ｐ型の窒化物半導体層６〜９中におけるｐ型不純物（Ｍｇ）の結合状態を直接解離させることができ、加熱による活性化を行う場合とは異なり、ｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散を抑えることができる。このため、成膜時におけるｐ型不純物（Ｍｇ）の濃度プロファイルを保った状態で、ｐ型不純物（Ｍｇ）を活性化させることが可能になる。これにより、ｐ型の窒化物半導体層６〜９から下層の活性層５側へｐ型不純物（Ｍｇ）が拡散することによる、光強度の劣化や発光波長のずれなどの、素子特性のばらつきや劣化が生じることを防止できる。さらに、例えば最上層のｐ+型コンタクト層９においては、成膜の際に予め高濃度に添加されたｐ型不純物（Ｍｇ）の濃度を維持した状態で当該ｐ型不純物（Ｍｇ）の活性化を図ることが可能になる。このため、熱アニールよりも高いキャリア密度を実現することが可能になるのである。したがって、ｐ+型コンタクト層９のキャリア濃度を高く保つことができ、図２（４）に示した第１電極１２とのコンタクト抵抗を低くすることができる。この結果、動作電圧を低くすることができる。
【００３５】
また特に、レーザ光νをパルス照射することにより、ｐ型不純物（Ｍｇ）を殆ど拡散させることなく活性化させることが可能であり、窒化物半導体層６〜９に対して熱ダメージが加わることもない。また、レーザ光νの照射は、窒化物半導体層６〜９に対する広い領域に対して一括して行われるため、電子線を用いた場合のように全面に対してレーザを走査させる必要はなく、したがって短い処理時間で活性化処理を行うことができる。
【００３６】
以上の結果、ｐ型不純物（Ｍｇ）を拡散させることなく活性化させることが可能であるため、これよって深さ方向の不純物濃度のプロファイルが高精度に制御され、良好な特性を有する窒化物半導体素子を、工業的に実現可能な処理時間で作製することが可能になる。
【００３７】
尚、上述した実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成する場合について説明した。しかしながら、本発明においては、予めｐ型不純物を含有する状態で結晶性の窒化物半導体層が形成されれば、窒化物半導体層の成膜方法はＭＯＣＶＤ法に限定されることはなく、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ;分子線エピタキシー）法，ハイドライド気相成長法あるいはハライド気相成長法などの他の方法によりこれらの層を形成するようにしても良い。なお、ハイドライド気相成長法とはハイドライド（水素化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことであり、ハライド気相成長法とはハライド（ハロゲン化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことである。
【００３８】
また、上記実施形態においては、サファイアよりなる基板１を用いるようにしたが、ＧａＮあるいはＳｉＣなどの他の材料よりなる基板を用いるようにしても良い。さらに、以上の実施形態で説明した窒化物半導層２〜９の構成はあくまでも一例であり、各層２〜９は、ＡｌxＢyＧａzＩｎuＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１，１≧ｚ，ｙ，ｚ，ｕ≧０）で表される窒化物半導体を用いて構成することができ、例えば最上層のｐ+型コンタクト層９は、ＩｎＧａＮにｐ型不純物を導入した層であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態における窒化物半導体素子の製造方法を示す断面工程図（その１）である。
【図２】実施形態における窒化物半導体素子の製造方法を示す断面工程図（その２）である。
【符号の説明】
【００４０】
１…基板、２…バッファ層（ＧａＮ）、３…ｎ型コンタクト層（ｎ型ＧａＮ）、４…ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）、５…活性層（ＩｎＧａＮ）、６…キャップ層（ｐ型ＡｌＧａＮ）、７…ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）、８…ｐ-型コンタクト層（ｐ-型ＧａＮ）、９…ｐ+型コンタクト層（ｐ+型ＧａＮ）、２０…半導体レーザ（窒化物半導体素子）、ν…レーザ光
【図１】
2005332845.tif 000003
【図２】
2005332845.tif 000004