(57)【要約】【課題】ｐ側ＧａＮ層と電極との接触抵抗を下げることができる窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】成長用基板であるサファイア基板１上に選択成長用マスク１１が形成され、ＡｌＮバッファ層２上には、アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮ層４、活性層５、ｐ型ＧａＮ層６が順に積層されており、ｐ型ＧａＮ層６上には混合ドープＧａＮ層６ａが形成される。混合ドープＧａＮ層６ａは、ＧａＮに、ｐ型不純物とｎ型不純物とが同時にドーピングされており、その濃度はいずれも１×１０１９ｃｍ−３以上である。また、混合ドープＧａＮ層６ａの膜厚は２５ｎｍ以下に形成される。【選択図】        図１
2009152491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚２５ｎｍ以下で、ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上、かつｎ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされた混合ドープＧａＮ層がｐ型ＧａＮ層上に形成され、前記混合ドープＧａＮ層上に電極が形成された構造を備えていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ｐ型不純物はＭｇで、ｎ型不純物はＳｉで構成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ｐ型ＧａＮ及び混合ドープＧａＮ層は、選択成長により形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐ型ＧａＮ層と電極との接触抵抗を下げた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体、いわゆるIII−V族窒化物半導体（以下、窒化物半導体という）と呼ばれる半導体素子の開発が盛んである。窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法によって窒化物半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイア基板を設置した反応室内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、サファイア基板上にＧａＮ半導体結晶のエピタキシャル層を成長させる。
【０００４】
しかし、サファイア基板等の成長用基板とＧａＮとでは、格子定数が異なるため、成長用基板上に成長させたＧａＮ系半導体層においては、基板から上下方向に伸びる転位（格子欠陥）が存在している。この転位は、成長用基板上のＧａＮにのみ発生するのではなく、ＧａＮ上に形成される窒化物半導体層に伝播していき、積層欠陥を発生させてしまう。これらの格子欠陥は、ｐ−ｎ接合リーク、キャリア寿命の短縮、半導体層間に発生する応力によるクラックの発生等、デバイスに悪影響を及ぼす。
【０００５】
そこで、上記のような転位を低減する方法として、選択成長又は選択横方向成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）が良く知られている。例えば特許文献１に示されるように、ＥＬＯは、成長用基板上に、選択成長用マスクを形成し、ＧａＮ系半導体層を開口部に結晶成長させるものである。
【特許文献１】特開２０００−６８５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術のように、ＥＬＯを用いてＧａＮ系半導体層を結晶成長させると、ＧａＮ系半導体層の積層方向の結晶性を高めることができるが、ＧａＮ系半導体層表面と金属との接触抵抗が高くなる。ＧａＮ系半導体層の中でも、ＧａＮ層が金属との接触抵抗がやや小さいので、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に電極が設けられる。
【０００７】
ところが、ＥＬＯを用いると、ｐ型ＧａＮコンタクト層と電極との接触抵抗がより大きくなって、動作電圧が上昇するという傾向があった。また、ＥＬＯを用いない場合でも、ｐ型ＧａＮと電極とはオーミックコンタクトが取りにくいので、通常、アニール処理等を行って接触抵抗の低減を行っており、オーミックコンタクトの取りやすいｐ側のコンタクト層が求められている。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ｐ側ＧａＮ層と電極との接触抵抗を下げることができる窒化物半導体素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、膜厚２５ｎｍ以下で、ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上、かつｎ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされた混合ドープＧａＮ層がｐ型ＧａＮ層上に形成され、前記混合ドープＧａＮ層上に電極が形成された構造を備えていることを特徴とする窒化物半導体素子である。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、前記ｐ型不純物はＭｇで、ｎ型不純物はＳｉで構成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子である。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、前記ｐ型ＧａＮ層及び混合ドープＧａＮ層は、選択成長により形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、膜厚２５ｎｍ以下で、ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上、かつｎ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされた混合ドープＧａＮ層をｐ型ＧａＮ層上に形成し、この混合ドープＧａＮ層上に電極を形成するようにしたので、電極とＧａＮ半導体との接触抵抗が低下し、ｐ型ＧａＮ層に電流が流れやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の窒化物半導体素子の断面構造の一例を示す。図１は１枚のウエハ上に複数の窒化物半導体素子が形成された状態を示している。
【００１４】
窒化物半導体素子を構成する窒化物半導体は、既知のＭＯＣＶＤ法等によって形成する。ここで、窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶を表し、いわゆるIII−V族窒化物半導体と呼ばれるもので、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表すことができる。また、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮのみからなる半導体、又は構成材料にＧａＮを含む半導体であり、上記ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶において、０＜ｙ≦１で表わされる。
【００１５】
成長用基板であるサファイア基板１上に選択成長用マスク１１が形成され、選択成長用マスク１１の一部が除去された領域にＡｌＮバッファ層２が形成される。ＡｌＮバッファ層２上には、アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮ層４、活性層５、ｐ型ＧａＮ層６が順に積層されており、これらの各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成される。また、活性層５は、ＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１）からなる井戸層との多重量子井戸構造で構成される。また、成長用基板としてはサファイア基板等が用いられるが、その他にも六方晶構造（ウルツ鉱構造）を持つ基板であれば良い。
【００１６】
また、ｐ型ＧａＮ層６上には混合ドープＧａＮ層６ａが形成される。混合ドープＧａＮ層６ａは、半導体層を構成する基本材料は、ｐ型ＧａＮ層６と同じＧａＮ層であるため、図中では、ｐ型ＧａＮ層６と同じハッチングとしている。ｐ型ＧａＮ層６と混合ドープＧａＮ層６ａとが異なるのは、ドーピングされた不純物である。ｐ型ＧａＮ層６には、例えば、ｐ型不純物としてＭｇ（マグネシウム）を用いるが、混合ドープＧａＮ層６ａには、このＭｇに加えてｎ型不純物であるＳｉ（シリコン）も同時にドープされている。
【００１７】
すなわち、混合ドープＧａＮ層６ａには、ｐ型不純物とｎ型不純物が一緒にドープされており、その不純物濃度は、いずれも、１×１０１９ｃｍ−３以上になるように作製されている。ここで、不純物濃度とは、ドーパントの原子濃度を意味する。また、後述するが、混合ドープＧａＮ層６ａの膜厚は２５ｎｍ（２５０Å）以下である。
【００１８】
ＡｌＮバッファ層２〜混合ドープＧａＮ層６ａまでを選択成長させるのであるが、選択成長用マスク１１には、絶縁膜が用いられ、絶縁膜としては、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２等がある。
【００１９】
混合ドープＧａＮ層６ａ上には透明電極７が形成されており、透明電極７上にはｐ電極８が作製される。また、混合ドープＧａＮ層６ａからメサエッチングされて、露出したｎ型ＧａＮ層４上にｎ電極９が設けられる。透明電極７は、ＺｎＯやＩＴＯ等で構成され、ｐ電極８はＰｄ／Ａｕ等の金属多層膜、ｎ電極９はＡｌ等で構成される。
【００２０】
一方、図２は、図１に示される透明電極７がなく、混合ドープＧａＮ層６ａ上に直接ｐ電極８を設けた構造を示している。この場合のｐ電極１８とｎ電極１９の構成材料は、図１の場合と同じである。
【００２１】
以上のように、膜厚２５ｎｍ以下で、ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上、かつｎ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされた混合ドープＧａＮ層６ａをｐ型ＧａＮ層６上に形成し、この混合ドープＧａＮ層６ａ上に電極を形成している。また、ｐ型ＧａＮ層６には、ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされている。したがって、図１では透明電極７とＧａＮ半導体との接触抵抗が低下し、図２ではｐ電極１８とＧａＮ半導体との接触抵抗が低下し、ｐ型ＧａＮ層６に電流が流れやすくなる。
【００２２】
図９は、上記のように形成された本発明の窒化物半導体素子の作用を説明するための図である。図９（ａ）は、従来構造のｐ型ＧａＮ層とｐ電極を構成する金属との接触界面におけるエネルギーバンド図を示す。ここで、ＥＦはフェルミ準位を、ＥＣは伝導帯の準位を、ＥＶは価電子帯の準位を表している。図９（ａ）では、半導体層と金属の接触となるので、ショットキー接触のバンド構造となる。したがって、接触界面に障壁が存在するため、金属からｐ型ＧａＮ層に向かってホールが注入されにくい。
【００２３】
一方、図９（ｂ）は、本発明の構造であるｐ型ＧａＮ層６と金属（ｐ電極又は透明電極）との間に混合ドープＧａＮ層６ａを形成した場合の接触界面におけるエネルギーバンド図である。幅ｔの領域が、混合ドープＧａＮ層６ａに該当する。２点鎖線で描かれたＥａのエネルギーバンドは、図９（ａ）におけるＥＶと同じ形状の曲線を表わす。
【００２４】
まず、ｐ型不純物とｎ型不純物とを混合したＧａＮ層と金属とが接触するために、図９（ａ）のときのＥＶよりも接触界面付近ではエネルギーバンドの曲がりが大きくなっている。エネルギーバンドの曲がりが下の方に大きくなると、接触界面における障壁が大きくなるので、金属から半導体層にホールが流れ込みにくくなる。
【００２５】
他方、ｎ型不純物も同時にドープしているため、ｎ型不純物によって新たにＥＤというエネルギー準位が発生する。このエネルギー準位ＥＤによって、金属からホールが流れ込みやすくなる。
【００２６】
したがって、ｐ型不純物に加えてｎ型不純物のドープの結果、接触界面における障壁の拡大による効果よりも、新たに発生したＥＤというエネルギー準位による効果が大きいときに、接触抵抗が低下し、動作電圧Ｖｆも低下することになる。この作用を発生させるために、ｐ型不純物とｎ型不純物の各ドーピング濃度は、いずれも１×１０１９ｃｍ−３以上としている。
【００２７】
また、ｎ型不純物の混合ドープＧａＮ層６ａの膜厚を大きくしすぎると、エネルギーバンド構造が大きく変化し、素子特性にも大きな影響を与えるので、接触界面付近で価電子帯の準位ＥＶのバンドの曲がりが大きい領域だけで良く、その膜厚は２５０Å以下とすることが望ましい。
【００２８】
図１の窒化物半導体素子の製造方法を図３〜６を参照しつつ説明する。図３に示すように、成長用基板１上に選択成長用マスク１１を形成する。例えば、成長用基板１としてサファイア基板をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイア基板をサーマルクリーニングする。その後、サファイア基板上に選択成長用マスク１１として絶縁膜であるＳｉＯ２を形成する。スパッタパワー３００Ｗ、スパッタ原子Ａｒを２０ｃｃ／分で供給し、圧力１Ｐａの雰囲気中で２０分スパッタを行ってサファイア基板上にＳｉＯ２を膜厚１０００Å程度形成する。
【００２９】
次に、フォトリソグラフィー技術により所定のパターンにレジストをＳｉＯ２膜上に形成し、ドライエッチング、例えば、ＣＦ４ガスを圧力３Ｐａ、パワー１００Ｗでプラズマ状態にして供給し、エッチングを行う。その後レジストを除去すると図３のようになる。
【００３０】
その後、図４のように、ＡｌＮバッファ層２を成長させる。このＡｌＮバッファ層２は、高温ＡｌＮバッファ層であり、温度９００℃以上で（例えば９００℃）、成長圧力は２００Ｔｏｒｒとし、キャリアガスとしては水素を用い、このキャリア水素（Ｈ２）の流量を１４Ｌ／分とし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の流量については２０ｃｃ／分、ＮＨ３（アンモニア）の流量については５００ｃｃ／分とした。このときのＮＨ３／ＴＭＡのモル比を計算すると、約２６００となる。この成長条件下で膜厚３０Åの高温ＡｌＮバッファ層２を形成する。
【００３１】
ところで、図１、２のように、分離した窒化物半導体素子を形成するためには、横方向の成長レートよりも縦方向の成長レートを大きくしておく必要がある。このようにするために、選択成長用マスク１１の開口部は絶縁膜の一部を除去して作製するのであるが、その開口部の形状を図７に示す。
【００３２】
例えば、図７（ａ）のように、六角形状の開口部１１ａを多数形成した選択成長用マスクを用いる。この場合は、六角形状の素子が得られる。窒化物半導体は、（０００１）方位のウルツ鉱型（六方晶）の結晶構造（図１０の結晶構造）を持ち、Ｇａ原子又はＮ原子が成長表面方向になる結晶極性（ｃ軸方向に成長）を有している。
【００３３】
したがって、成長用基板には、同じウルツ鉱型の結晶構造を有するサファイア基板等が用いられ、サファイア基板の主面がＣ面を有し、その主面に窒化物半導体が積層された場合は、すべてＣ面が成長表面方向となる。その場合、図６の六角形状の開口部１１ａを有する選択成長用マスクであれば、六角形の一辺Ｌ１を成長用基板のＭ面と平行に配置すれば、選択成長によって成長する結晶は、ほとんど縦方向方向に成長を行うので、分離した半導体層になる。
【００３４】
一方、図７（ｂ）のように、ストライプ状の開口部を複数有する選択成長用マスク１１を用いても良い。図７（ｂ）の選択成長用マスクであれば、リッジストライプ形状の素子が形成される。この場合、横方向の成長レートよりも縦方向の成長レートが大きくなるように、選択成長時の成長圧力や成長温度等を設定すれば良い。
【００３５】
次に、ＭＯＣＶＤ装置において、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃にし、ＮＨ３とＴＭＡのうち、ＴＭＡの供給を停止し、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２０μモル／分供給し、アンドープＧａＮ層３を厚さ０．５μｍ程度積層する。
【００３６】
その後、ｎ型ドーパントガスとしてシラン（ＳｉＨ４）を供給してｎ型ＧａＮ層４を膜厚４μｍ程度成長させる。次に、ＴＭＧａ、シランの供給を停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で基板温度を７００℃〜８００℃の間に下げて、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を２０μモル／分供給して活性層５のアンドープＧａＮ障壁層を積層し、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を２００μモル／分供給してＩｎＧａＮ井戸層を積層する。そして、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との繰り返しにより多重量子井戸構造とする。活性層５の膜厚は例えば０．１μｍ程度形成する。
【００３７】
活性層５成長後、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃に上昇させて、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ３）、ｐ型不純物Ｍｇのドーパント材料であるＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエチルマグネシウム）を供給し、Ｍｇ（マグネシウム）が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされたｐ型ＧａＮ層６を膜厚約０．３μｍ成長させる。
【００３８】
次に、混合ドープＧａＮ層６ａを成長させるが、ｐ型ＧａＮ層６と同じＧａＮ層であり、不純物の種類のみが異なるので、ｐ型不純物の原料ガスのＣＰ２Ｍｇに加えて、ｎ型不純物の原料ガスであるシラン（ＳｉＨ４）も供給し、Ｓｉ（シリコン）が１×１０１９ｃｍ−３以上、かつＭｇ（マグネシウム）が１×１０１９ｃｍ−３以上ドーピングされるように形成する。このようにして、混合ドープＧａＮ層６ａを２５０Å以下の膜厚に成長させる。アンドープＧａＮ層３〜混合ドープＧａＮ層６ａまでを選択成長させて、図５のような積層構造が得られる。
【００３９】
次に、図６に示すように、混合ドープＧａＮ層６ａからｎ型ＧａＮ層４が露出するまでメサエッチングを行い、透明電極７を混合ドープＧａＮ層６ａ上に形成し、透明電極７上にｐ電極８、露出したｎ型ＧａＮ層４の面上にｎ電極９を形成すれば、図１の窒化物半導体素子が完成する。透明電極７はＺｎＯで形成し、その厚みは２０００Å、ｐ電極８はＰｄ／Ａｕの金属多層膜で構成し、その各膜厚は１００Å／１２５０Å、ｎ電極９はＡｌで構成し、その厚みは３０００Åとした。
【００４０】
一方、図２の透明電極７がない構造にするには図６の状態から、ｐ電極１８をＰｄ／Ａｕの金属多層膜として、その各膜厚を１００Å／１２５０Åに形成し、ｎ電極１９をＡｌとして、その厚みを３０００Åに形成する。
【００４１】
各半導体層の製造については、キャリアガスの水素又は窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型にする場合のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等の必要なガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成することができる。
【００４２】
以上のように作製された図１の窒化物半導体素子のＶ−Ｉ特性曲線を図８の点線Ｙで示す。一方、図１の構成で、混合ドープＧａＮ層６ａをなくし、ｐ型ＧａＮ層６のみで０．３μｍの膜厚にした窒化物半導体素子のＶ−Ｉ特性曲線を図８の実線Ｘで示す。上述したように、ｎ型不純物にはＳｉを、ｐ型不純物にはＭｇを用いた。また、混合ドープＧａＮ層６ａの膜厚は２００Åとした。
【００４３】
これらは、図７（ａ）のような六角形状パターンにより、六角形のリッジ形状に形成された窒化物半導体素子であり１２０μｍ×１６０μｍサイズの素子である。本発明の構造の曲線Ｙを見ればわかるように、曲線Ｘと比較してすべての順方向電流領域（Ｉｆ）で動作電圧Ｖｆが小さくなっている。例えば、Ｉｆ＝２０ｍＡで比較すると、曲線ＸではＶｆ＝８．２Ｖ、曲線ＹではＶｆ＝７．５Ｖとなる。順方向電流が大きくなるほど、曲線ＸとＹとの電圧差は大きくなっており、本発明の構造の方が素子の抵抗が低下していることがわかる。
【００４４】
このように、ＧａＮに対しては、ｎ型不純物であるＳｉとｐ型不純物であるＭｇとを混合してドープすることにより、ＧａＮと電極との接触抵抗を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の窒化物半導体素子の断面構造の一例を示す図である。
【図２】本発明の窒化物半導体素子の断面構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の窒化物半導体素子の一製造工程を示す図である。
【図４】本発明の窒化物半導体素子の一製造工程を示す図である。
【図５】本発明の窒化物半導体素子の一製造工程を示す図である。
【図６】本発明の窒化物半導体素子の一製造工程を示す図である。
【図７】成長用基板上の選択成長用マスクの形状と配置例を示す図である。
【図８】従来構造と本発明の構造とのＶ−Ｉ特性の比較を示す図である。
【図９】本発明の作用を説明するエネルギーバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    成長用基板
２    ＡｌＮバッファ層
３    アンドープＧａＮ層
４    ｎ型ＧａＮ層
５    活性層
６    ｐ型ＧａＮ層
６ａ  混合ドープＧａＮ層
７    透明電極
８    ｐ電極
９    ｎ電極
１１  選択成長用マスク
【図１】
2009152491.tif 000003
【図２】
2009152491.tif 000004
【図３】
2009152491.tif 000005
【図４】
2009152491.tif 000006
【図５】
2009152491.tif 000007
【図６】
2009152491.tif 000008
【図７】
2009152491.tif 000009
【図８】
2009152491.tif 000010
【図９】
2009152491.tif 000011