(57)【要約】【課題】  ｐ型窒化物系半導体層を再現性よく高活性化することが可能な窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明による窒化物系半導体素子の製造方法は、基板１上に、少なくとも一層の窒化物系半導体層（２，３）を形成する工程と、窒化物系半導体層（２，３）上に、マグネシウムをドープしたｐ型窒化物系半導体層４を形成する工程と、ｐ型窒化物系半導体層４を窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングする工程とを含む。【選択図】図１
2009272316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも一層の窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記窒化物系半導体層上に、マグネシウムをドープしたｐ型窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記ｐ型窒化物系半導体層を、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングする工程と
を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記アニーリングする時間は、５〜１５分であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項３】
基板上に配置された少なくとも一層の窒化物系半導体層上に、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングされたｐ型窒化物系半導体層を備えたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体素子及びその製造方法に関し、特に、ｐ型窒化物系半導体層を高活性化した窒化物系半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物系半導体は、そのバンドギャップの大きさから短波長の発光素子の材料として注目されている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を中心とした化合物半導体は、多くの研究がなされており、青色発光ダイオードをはじめとして、蛍光体と組み合わせた白色発光ダイオード等として実用化されている。
【０００３】
発光ダイオード素子やレーザ素子などの半導体発光素子では、電子と正孔とを再結合させ、その再結合により光を放出するｐｎ接合の構成を有する。従来から知られているように、ｐ型不純物であるＭｇを含有することで得られるｐ型窒化物系半導体層は、Ｍｇの活性化率が著しく低いため、低抵抗のｐ型窒化物系半導体層を得るのは容易でなかった。
【０００４】
ｐ型ＧａＮ系半導体層を作製する方法としては、ｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体層を成長させた後、水素ガスやアンモニア等を含まない、つまり実質的に水素を含まない雰囲気中で４００℃以上の温度で熱処理を行い、低抵抗のｐ型ＧａＮ系半導体層を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、ｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体層からｐ型不純物と結合した水素を追い出すことによりｐ型不純物を活性化させて低抵抗にするものである。
【特許文献１】特開平６−３１４８２１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、熱処理温度が４００℃以上であっても、ある温度によっては活性化の度合、例えば、キャリア濃度、移動度、或いは抵抗率等が全く異なることが分かった。すなわち、キャリア濃度の高い活性化されたｐ型ＧａＮ系半導体層は、従来の温度条件では必ずしも再現性よく得ることはできないといった問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、ｐ型窒化物系半導体層を再現性よく高活性化することが可能な窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板上に、少なくとも一層の窒化物系半導体層を形成する工程と、前記窒化物系半導体層上に、マグネシウムをドープしたｐ型窒化物系半導体層を形成する工程と、前記ｐ型窒化物系半導体層を、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングする工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、基板上に配置された少なくとも一層の窒化物系半導体層上に、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングされたｐ型窒化物系半導体層を備えたことを特徴とする窒化物系半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ｐ型窒化物系半導体層を再現性よく高活性化することが可能な窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態による窒化物系半導体素子及びその製造方法を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。
【００１１】
[第１の実施の形態]
（窒化物系半導体素子の構造）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子として窒化物系半導体発光素子について、図１を参照して説明する。
【００１２】
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子１０は、基板１上に配置された少なくとも一層の窒化物系半導体層（２，３）上に、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングされたｐ型窒化物系半導体層４を備える。
【００１３】
本実施の形態による窒化物系半導体素子１０は、図１に示すように、基板１と、基板１上に形成された、ｎ型窒化物系半導体層２、発光層３及びｐ型窒化物系半導体層４が順次積層されている。また、ｎ型窒化物系半導体層２の上面には、ｎ側電極５が配置されると共に、ｐ型窒化物系半導体層４の上面には、透明電極層７を介してｐ側電極６が配置されている。
【００１４】
基板１は、窒化物系半導体層（２〜４）を成長させるための基板である。基板１の材質としては、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル、そしてＧａＮ等が挙げられる。
【００１５】
ｎ型窒化物系半導体層２は、発光層３に電子を注入するためのものであって、基板１上に形成されている。ｎ型窒化物系半導体層２は、例えば、約３〜５μｍ程度の厚みを有し、例えば、６〜８×１０１７原子／ｃｍ３程度のキャリア濃度のＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなる。
【００１６】
基板１とｎ型窒化物系半導体層２の間には、格子不整合の影響を緩和するために、薄膜のアモルファス状又は多結晶のＡｌＮ又はＧａＮからなるバッファ層８を配置してもよい。
【００１７】
発光層３は、例えば、青色光を発光するためのものであって、ｎ型窒化物系半導体層２上に配置されている。発光層３は、例えば、約２〜３ｎｍ程度の厚みのＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．０５≦Ｘ≦０．２）からなる複数の井戸層（図示略）と、例えば、約２０ｎｍ程度以下の厚みのＧａＮからなる複数のバリア層（図示略）とが交互に積層された、例えば、約０．０５〜０．１５μｍ程度の厚みを有するＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）構造からなる。
【００１８】
ｐ型窒化物系半導体層４は、発光層３にホール（正孔）を注入するためのものであって、発光層３上に形成されている。厚さが、例えば、約０．３〜０．５μｍ程度であり、例えば、約６〜８×１０１７原子／ｃｍ３程度のキャリア濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。
【００１９】
なお、窒化物系半導体各層には、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる層を含む窒化物系半導体層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる層以外の層を含む窒化物系半導体層、例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなる層を更に用いてもよい。
【００２０】
ｎ側電極５は、ｎ型窒化物系半導体層２上に形成された、例えば、約０．１〜０．３μｍ程度の厚みを有し、材質が、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる。ｎ側電極５は、ｎ型窒化物系半導体層２の上面とオーミック接続されている。ｎ側電極５は、平面視において、発光層３及びｐ型窒化物系半導体層４とは、所定の間隔をあけて配置されている。
【００２１】
ｐ側電極６は、ｐ型窒化物系半導体層４上に配置され、ｐ型窒化物系半導体層４と電気的に接続されている。ｐ側電極６は、例えば、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物），ＭｇＯ又はＺｎＯ等からなる透明電極層７を介してｐ型窒化物系半導体層４と接続してもよい。この場合、発光層３から放出された光をｐ側電極６側から効率よく取り出すことができる。ｐ側電極６は、例えば、約０．０６〜０．４μｍ程度の厚みを有し、例えば、約０．０１〜０．２μｍ程度の厚さを有するＰａ／Ａｕ及び約０．０５〜約０．２μｍの厚さを有するＴｉ／Ａｕの金属積層構造からなる。
【００２２】
(動作原理)
本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の動作原理は以下の通りである。
【００２３】
まず、ｎ側の外部電極部（図示略）とｐ側の外部電極部（図示略）を介してｎ側電極５とｐ側電極６の間に順方向の電圧が印加されると、ｎ側電極５には電子が注入されるとともに、ｐ側電極６には正孔が注入される。ｎ側電極５に注入された電子は、ｎ型窒化物系半導体層２を介して発光層３に注入される。ｐ側電極６に注入された正孔は、ｐ型窒化物系半導体層４を介して発光層３に注入される。発光層３に注入された電子と正孔は、井戸層で再結合して、例えば、約４５０ｎｍの青色の光を発光する。発光した光は、基板１を透過して外部へ照射される。
【００２４】
（窒化物系半導体素子の製造方法）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、図２及び図３に示すように、基板１上に、少なくとも一層の窒化物系半導体層（２，３）を形成する工程と、窒化物系半導体層（２，３）上に、マグネシウムをドープしたｐ型窒化物系半導体層４を形成する工程と、ｐ型窒化物系半導体層４を、窒素雰囲気中において８００〜９２０℃でアニーリングする工程とを含む。
【００２５】
以下に、製造工程を詳述する。
【００２６】
（ａ）まず、図２（ａ）に示すように、サファイア基板からなる基板１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着法）装置（図示略）に導入して、基板１を約４００〜７００℃程度の温度に保持した状態で、ＡｌＮからなるバッファ層８を基板１上に成長させる。次いで、成長温度を約１０５０℃程度に設定し、この状態で、キャリアガスによりシランガス、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する。）ガス及びアンモニアガスを供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物系半導体層２をバッファ層８上に形成する。
【００２７】
（ｂ）次に、図２（ｂ）に示すように、成長温度を約７６０℃程度に設定した状態で、キャリアガスによってトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと称する。）ガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層をｎ型窒化物系半導体層２上に形成する。次いで、成長温度を約７６０℃程度に保った状態で、キャリアガスによってＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給してノンドープのＧａＮからなるバリア層を井戸層上に形成する。その後、同じ条件で井戸層及びバリア層を交互に複数層積層して、発光層３を形成する。
【００２８】
（ｃ）次に、図２（ｃ）に示すように、成長温度を、例えば、約１０１０℃程度に保持した状態で、窒素雰囲気中において、プロセス圧力を、例えば、約２６．７ｋＰａ（約２００Ｔｏｒｒ）程度に保持し、ＴＭＧの流量、例えば、約１４ｓｃｃｍ[sccm：standard cc/min、すなわち、１ａｔｍ(大気圧1,013hPa)、０ ℃で規格化されたccm＝cm3/分]程度、及びビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、ＥｔＣｐ２Ｍｇと称する。）ガスの流量、例えば、約３０ｓｃｃｍ程度を供給して、発光層３上にＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物系半導体層４を形成する。
【００２９】
次いで、ｐ型窒化物系半導体層４を、約８００〜９２０℃程度、好ましくは、約８２０〜９１０℃程度、更に好ましくは、約８４０〜９１０℃程度の温度でアニーリングする。アニーリングの時間は、例えば、約５〜１５分程度、好ましくは、約１０分程度であるのがよい。
【００３０】
これにより、ｐ型窒化物系半導体層４におけるホール濃度を高めることができる。ホール濃度が高まることにより、抵抗率も低くなり、ｐ型窒化物系半導体層４の活性化を高めることができる。
【００３１】
ｐ型窒化物系半導体層４のホール濃度は、ｐ型窒化物系半導体層４の成長温度により影響を受ける。ｐ型窒化物系半導体層４の成長温度は、約９８０〜１０４０℃程度、好ましくは、約１０００〜１０２０℃程度、更に好ましくは、上述したように、約１０１０℃程度に設定するのがよい。これにより、ｐ型窒化物系半導体層４におけるホール濃度を高めることができる。
【００３２】
また、ｐ型窒化物系半導体層４のホール濃度は、ＥｔＣｐ２Ｍｇガス流量の影響を受ける。ＥｔＣｐ２Ｍｇガス流量は、約２０〜４０ｓｃｃｍ程度、好ましくは、約２５〜３５ｓｃｃｍ程度、更に好ましくは、上述したように、約３０ｓｃｃｍ程度とするのがよい。なお、流入ｍｏｌ数は、Ｍｇ原料容器の温度（Ｍｇ原料の蒸気圧）、容器使用時の圧力（水素の流入圧力）に応じて、流量ｓｃｃｍが一定であっても変化する。本実施の形態における装置環境では、流量約３０ｓｃｃｍ程度は約３×１０−８ｍｏｌ／分程度であった。これにより、ｐ型窒化物系半導体層４におけるホール濃度を高めることができる。その際、ＥｔＣｐ２Ｍｇガス／ＴＭＧの流量比を約３０／１４程度にすることが好ましい。これにより、一層ホール濃度を高めることができる。ＥｔＣｐ２Ｍｇガス流量の割合が大きくなると、結晶性が悪くなり、一方、ＥｔＣｐ２Ｍｇガス流量の割合が小さくなるとホール濃度が低くなるので、好ましくない。
【００３３】
（ｄ）次に、図３（ｄ）に示すように、ｐ型窒化物系半導体層４の所定領域上にエッチングマスク層２０を形成し、このエッチングマスク層２０を用いてｐ型窒化物系半導体層４、発光層３及びｎ型窒化物系半導体層２の所定領域をＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）装置等のプラズマ処理装置を使用して、例えば塩素を含むプラズマによりエッチングする。それにより、ｐ型窒化物系半導体層４、発光層３及びｎ型窒化物系半導体層２から構成されるリッジ部が形成される。エッチングの後、エッチングマスク層２０を除去する。
【００３４】
（ｅ）次に、図３（ｅ）に示すように、蒸着法により、例えば、ＺｎＯからなる透明電極層７をｐ型窒化物系半導体層４上に形成する。次いで、透明電極層７の一部が露出するようにレジスト膜を形成した後、蒸着法等によりＰａ／Ａｕ膜及びＴｉ／Ａｕ膜からなるｐ側電極６を形成する。その後、ｐ側電極６を残してレジスト膜とともにレジスト膜上のＰａ／Ａｕ膜及びＴｉ／Ａｕ膜を除去する。次いで、同様にして、蒸着法等によりＡｌからなるｎ側電極５を形成して、図１に示す窒化物系半導体素子１０が完成する。
【００３５】
なお、窒化物系半導体各層を結晶成長させる方法は、上述したＭＯＣＶＤ装置を用いた方法に限定されない。ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相エピタキシー）法やガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線ビームエピタキシー）法等を用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させてもよい。
【００３６】
（実施例）
本実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法により製造された窒化物系半導体素子１０について、実施例として、ｐ型窒化物系半導体層４についてのアニール温度に対するホール濃度及び抵抗率の特性を図４に示した。
【００３７】
実施例では、ｐ型窒化物系半導体層４の製造において、ｐ型窒化物系半導体層４の成長条件として、成長温度＝約１０１０℃、成長プロセス圧力＝約２００Ｔｏｒｒ、反応ガス流量：ＴＭＧ＝約１４ｓｃｃｍ、ＥｔＣｐ２＝約３０ｓｃｃｍとし、アニール条件として、窒素雰囲気中で、アニール処理時間を約１０分とした。一方、比較例として、窒素雰囲気に代えて、窒素／酸素雰囲気中でアニーリングを行った以外は、上述と同様の条件で行い、その結果を図５に示した。ただし、窒素／酸素の流量比を、約１ｓｌｍ（slm：standard liter/min）／０．２ｓｌｍとした。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、ｐ型窒化物系半導体層４におけるホール濃度は、アニール温度が約８５０℃のときピークを示し、約７．３×１０１７／ｃｍ３と高い濃度を示した。アニール温度が約８００〜９２０℃の範囲内、特に約８４０〜９１０℃の範囲内で、ホール濃度は高くなっている。アニール温度が約８００〜９２０℃の範囲外では、ホール濃度は低下している。また、図４（ｂ）に示すように、アニール温度が約８００〜９２０℃の範囲内で、抵抗率は、他の温度に比べて良好な値を示した。
【００３９】
これに対して、比較例では、図５（ａ）に示すように、ｐ型窒化物系半導体層４におけるホール濃度は、アニール温度が約８５０℃のとき約５．８×１０１７／ｃｍ３であり、また他のアニール温度においても、実施例におけるピーク濃度（図５（ａ）の破線）よりも低い濃度を示した。また、図５（ｂ）に示すように、アニール温度が約８００〜９２０℃の範囲で、抵抗率は、実施例に比べて高い値を示した。
【００４０】
本実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法によれば、窒素雰囲気中において、８００〜９２０℃の範囲内でｐ型窒化物系半導体層４のアニーリングを行うことにより、キャリア濃度及び抵抗率の良好な窒化物系半導体素子１０を得ることができる。
【００４１】
本実施の形態に係る窒化物系半導体素子１０によれば、ｐ型窒化物系半導体層４のキャリア濃度が高くなるので、ホールの注入効率が高くなり、輝度を高めることができる。また、抵抗率が下がるので、低い駆動電圧で駆動することが可能となる。
【００４２】
本実施の形態に係る窒化物系半導体素子及びその製造方法によれば、ｐ型窒化物系半導体層４を再現性よく高活性化することが可能となる。
【００４３】
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第１の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００４４】
例えば、窒化物系半導体層の各層の厚みや構成する材料を変更することは可能である。
【００４５】
また、上述した第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子１０の製造方法においては、窒化物系半導体層の発光層３から放出される光を利用する半導体発光素子の製造方法について説明したが、本発明はこれに限らず、半導体レーザやこれら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。また、窒化物系半導体層を有するパワーデバイスやＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の電子デバイスへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法の説明図であって、（ａ）基板１上にｎ型窒化物系半導体層２を形成する工程図、（ｂ）ｎ型窒化物系半導体層２上に発光層３を形成する工程図、（ｃ）発光層３上にｐ型窒化物系半導体層４を形成する工程図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法の説明図であって、（ｄ）ｎ側電極５を形成するためにｎ型窒化物系半導体層２をエッチングする工程図、（ｅ）ｎ側電極５及びｐ側電極６を形成する工程図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の特性を示す図であって、（ａ）アニール温度とホール濃度との関係を示す特性図、（ｂ）アニール温度と抵抗率との関係を示す特性図。
【図５】比較例の窒化物系半導体素子の特性を示す図であって、（ａ）アニール温度とホール濃度との関係を示す特性図、（ｂ）アニール温度と抵抗率との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・基板
２・・・ｎ型窒化物系半導体層
３・・・発光層
４・・・ｐ型窒化物系半導体層
５・・・ｎ側電極
６・・・ｐ側電極
７・・・透明電極層
８・・・バッファ層
１０・・・窒化物系半導体素子
【図１】
2009272316.tif 000003
【図２】
2009272316.tif 000004
【図３】
2009272316.tif 000005
【図４】
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【図５】
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