JP2009152356A - 窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】Ｐ型電極と窒化物半導体層との界面でのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を得る。
【解決手段】この窒化物半導体装置１０は、Ｐ型窒化物半導体層１と、Ｐ型窒化物半導体層１上に形成されたＰ型電極３とを備え、Ｐ型電極３は、Ｐ型窒化物半導体層１上に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層３ａと、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰｄ層３ｂと、タンタル（Ｔａ）からなるＴａ層３ｃとを順に積層して形成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体レーザダイオード等に使用可能な窒化物半導体装置に関し、特にＰ型電極と窒化物半導体層との界面でのコンタクト抵抗を改善する技術に関する。
一般に窒化物半導体装置は、Ｐ型ＧａＮ等の窒化物半導体層上にＰ型電極が形成されて構成されている。そして従来の窒化物半導体装置では、Ｐ型電極の材料としてニッケル（Ｎｉ）または白金（Ｐｔ）が用いられている（例えば特許文献１，２）。
特願平８−１６０８８６号公報 特願平９−１０８６７３号公報
上記の様にＰ型電極の材料としてＮｉまたはＰｔを用いた場合、Ｐ型電極の仕事関数と窒化物半導体層の仕事関数との差が大きくなり、Ｐ型電極と窒化物半導体層との界面でのコンタクト抵抗が十分に低くならない。
そのため、従来の窒化物半導体装置を用いて例えば半導体レーザダイオードを製造した場合、その半導体レーザダイオードの動作電圧が増加したり、またその動作時の発熱による特性にばらつきが生じて、規定の温度範囲内で安定して動作させることが難しいという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、Ｐ型電極と窒化物半導体層との界面でのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を得ることを目的としている。
上記課題を解決する為に、本発明の第１の形態は、Ｐ型窒化物半導体層と、前記Ｐ型窒化物半導体層上に形成されたＰ型電極と、を備え、前記Ｐ型電極は、前記Ｐ型窒化物半導体層上に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層と、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰｄ層と、タンタル（Ｔａ）からなるＴａ層とを順に積層して形成されるものである。
本発明によれば、より一層、Ｐ型電極とＰ型窒化物半導体層との界面のコンタクト抵抗を低減できる。
実施の形態１．
この実施の形態に係る窒化物半導体装置１０は、図１の様に、例えばＰ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）により形成されたＰ型の窒化物半導体層（Ｐ型コンタクト層）１と、その上に選択的に形成されたＰ型電極３とを備えている。Ｐ型電極３は、窒化物半導体層１上に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属（例えば白金（Ｐｔ）。）により形成された金属層３ａと、パラジウム（Ｐｄ）により形成されたＰｄ層３ａと、タンタル（Ｔａ）により形成されたＴａ層３ｂとを順に積層して形成される。
金属層３ａは、Ｐ型窒化物半導体層１との界面でオーミック接触を得易くするためのものである。Ｐｄ層３ｂは、Ｐ型窒化物半導体層１の表面をオーミック特性に改質するためのものである。Ｔａ層３ｃは、Ｐ型電極３の熱処理時のＰｄ層３ｂの凝集抑制や、上記のＰ型窒化物半導体層１の表面のオーミック特性への改質を促進するためのものである。
次にこの窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。
まず図２の様に、Ｐ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）によりＰ型の窒化物半導体層１を形成する。そして窒化物半導体層１上にＰ型電極３を形成するためのマスク５を選択的に形成する。
そして図３の様に、マスク５の上から窒化物半導体層１上に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法またはスパッタ法等により、金属層（ここではＰｔ層）３ａ、Ｐｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃを積層形成する。その際、金属層３ａの膜厚は、その上に形成されるＰｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃによるＰ型窒化物半導体層１の表面の改質効果に影響を与えない膜厚（例えば１０ｎｍ以下の膜厚）で且つ均一な厚さに設定される。またＰｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃの膜厚はそれぞれ、例えば１０〜１００ｎｍの膜厚（ここではＰｄ層３ｂの膜厚は５５ｎｍ程度、Ｔａ層３ｃの膜厚は１５ｎｍ程度）に設定される。
そして図４の様に、リフトオフ法によりマスク５を除去して金属層３ａ，Ｐｄ層３ｂ，Ｔａ層３ｃの不要部分を除去することで、窒化物半導体層１上に選択的にＰ型電極３を形成する。そしてそのＰ型電極３を加熱処理して、低抵抗のコンタクト抵抗を有するＰ型電極３を得る。
所望のコンタクト抵抗を得るためにはＰ型電極３の形成後に上記の様にＰ型電極３の加熱処理を行う必要があるが、このときの加熱処理の雰囲気としては、酸素を含む雰囲気が望ましく、具体的には、大気，酸素（Ｏ2）、オゾン（Ｏ3）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）等のガス中であればよい。また、そのときの処理温度としては、例えば４００℃〜８００℃程度とするが、Ｐ型電極３の材料等に応じて最適な温度を採用すればよい。
そしてＰ型電極３を形成した後に、Ｐ型電極３上にワイヤーボンディング等のためのパッド電極（図示省略）を形成する。当該パッド電極の形成は、Ｐ型電極３の形成と同様に蒸着法やスパッタ法を用いて行うことが可能である。そして当該パッド電極の材料としては、チタン（Ｔｉ）を含む材料であることが望ましく、具体的な材料としては、Ｔｉ、Ｔａ、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）が挙げられる。パッド電極の構成としてはＴｉ／Ｔａ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造またはＴｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造が考えられる。また当該パッド電極の膜厚は、パッド電極形成後の処理に応じて変更が可能である。この様にして窒化物半導体装置１０が製造される。
この様に構成された窒化物半導体装置１０によれば、（ａ）Ｐ型電極３はＰｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃを備えるので、それら各層３ｂ，３ｃの改質作用によりＰ型窒化物半導体層１の表面をオーミック特性に改質できると共に、（ｂ）Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との界面に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層３ａが介在するので、Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との仕事関数の差を従来よりも低減でき、これら（ａ）（ｂ）により、より一層、Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との界面のコンタクト抵抗を低減できる。その結果、窒化物半導体装置１０の動作電圧の増加を防止できると共にその動作時の発熱の影響を低減でき、これにより動作出力を安定化および高出力化できる。
尚、一般的に、Ｐ型窒化物半導体装置において、Ｐ型電極とＰ型窒化物半導体層との界面で良好なオーミック特性を得るためには、Ｐ型窒化物半導体層の仕事関数よりも大きな仕事関数を持つ金属を用いてＰ型電極を形成する必要がある。しかし、Ｐ型窒化物半導体層の仕事関数は７．５ｅＶと大きいため、オーミック特性を容易に得ることのできる金属は無い。この発明では、Ｐ型窒化物半導体層１とＰｄ層３ｂとの間に仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層３ａを介在させることで、Ｐ型金属３とＰ型窒化物半導体層１との仕事関数の差を縮め、これによりＰ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との界面でのコンタクト抵抗を従来よりも低減させている。
また金属層３ａはＰｄ層３ｂとＰ型窒化物半導体層１との間全体に均一に形成されるので、Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との境界でのコンタクト抵抗を均一に低減できる。
また金属層３ａの膜厚は１０ｎｍ以下であるので、Ｐｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃによるＰ型窒化物半導体層１の表面のオーミック特性への改質作用を妨げること無く、Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との境界でのコンタクト抵抗を効果的に低減できる。
また以上に説明した製造方法によれば、Ｐ型窒化物半導体層１上に仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層３ａとＰｄ層３ｂとＴａ層３ｃとを順に積層してＰ型電極３を形成する工程と、そのＰ型電極３を加熱処理する工程とを備えるので、従来よりもＰ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との界面のコンタクト抵抗の低い窒化物半導体装置を製造できる。
またＰ型電極３の加熱処理の雰囲気は酸素分子または酸素元素を含むガスを含むので、Ｐ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との界面でのコンタクト抵抗を効果的に低減できる。
尚、この実施の形態では、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属として白金（Ｐｔ）を用いたが、これに限定されるものでは無く、例えばニッケル（Ｎｉ）またはイリジュウム（Ｉｒ）でも同様の効果を得る事ができる。
実施の形態２．
実施の形態１では、金属層３ａは均一に形成されたが、図５の様に、金属層３ａをＰｄ層３ｂとＰ型窒化物半導体層１との間に部分的（例えば島状に分散する様に）に形成してもよい。
この様にすれば、金属層３ａの存在によりＰ型電極３とＰ型窒化物半導体層１との境界でのコンタクト抵抗を効果的に低減でき、且つ金属層３ａの存在しない部分では、Ｐｄ層３ｂおよびＴａ層３ｃの改質作用が直接にＰ型窒化物半導体層１に作用して、Ｐ型窒化物半導体層１の表面のオーミック特性への改質をより促進できる。
実施の形態３．
この実施の形態３では、実施の形態１，２の窒化物半導体装置１０を適用した光発光窒化物半導体装置３５について説明する。図６は、光発光窒化物半導体装置３５の断面概略図である。光発光窒化物半導体装置３５は、窒化物半導体基板であるｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）基板４０を用いて形成されている。
ｎ型ＧａＮ基板４０上には、窒化物半導体から成る層構造が形成されている。具体的には、ｎ型ＧａＮ基板４０上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４１、ｎ型ＧａＮガイド層４２、活性層４３、Ｐ型ＧａＮガイド層４４、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５およびＰ型ＧａＮコンタクト層（Ｐ型窒化物半導体層）４６が、この順番に形成されている。
ｎ型ＧａＮ基板４０およびこれらの層構造によって半導体レーザダイオードが形成される。Ｐ型ＧａＮコンタクト層４６上には、Ｐ型電極１２が形成され、このＰ型電極１２上にパッド電極２２が形成される。Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５、Ｐ型ＧａＮコンタクト層４６は、エッチングによって所定の形状にパターニングされている。Ｐ型電極１２は、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属（例えばＮｉ，ＰｔまたはＩｒ）からなる金属層１２ａ、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰｄ層１２ｂおよびタンタル（Ｔａ）からなるＴａ層１２ｃによって構成される。金属層１２ａ、Ｐｄ層１２ｂおよびＴａ層１２ｃは、この順にＰ型ＧａＮコンタクト層４６上に形成される。
金属層１２ａは、Ｐ型ＧａＮコンタクト層４６との界面でオーミック接触を得易くするためのものである。Ｐｄ層１２ｂは、Ｐ型ＧａＮコンタクト層４６の表面をオーミック特性に改質するためのものである。Ｔａ層１２ｃは、Ｐ型電極１２の熱処理時のＰｄ層１２ｂの凝集抑制や、上記のＰ型ＧａＮコンタクト層４６の表面のオーミック特性への改質を促進するためのものである。
また保護膜としてＰ型ＡｌＧａＮクラッド層４５の表面部の一部分にＳｉＯ2膜４８が形成される。またｎ型ＧａＮ基板４０の下部には、金属電極としてｎ電極４９が形成される。
この様に構成された光発光窒化物半導体装置３５によれば、実施の形態１と同様、（ａ）Ｐ型電極１２はＰｄ層１２ｂおよびＴａ層１２ｃを備えるので、それら各層１２ｂ，１２ｃの改質作用によりＰ型ＧａＮコンタクト層４６の表面をオーミック特性に改質できると共に、（ｂ）Ｐ型電極１２とＰ型窒化物半導体層１との界面に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層１２ａが介在するので、Ｐ型電極１２とＰ型ＧａＮコンタクト層４６との仕事関数の差を従来よりも低減でき、これら（ａ）（ｂ）により、より一層、Ｐ型電極１２とＰ型ＧａＮコンタクト層４６との界面のコンタクト抵抗を低減できる。その結果、光発光窒化物半導体装置３５の動作電圧の増加を防止できると共にその動作時の発熱の影響を低減でき、これにより動作出力を安定化および高出力化できる。
実施の形態１に係る窒化物半導体装置１０の断面概略図である。 Ｐ型窒化物半導体層１上にマスク５を選択的に形成した状態を示す図である。 Ｐ型窒化物半導体層１上に金属層３ａ，Ｐｄ層３ｂ，Ｔａ層３ｃを順に積層形成した状態を示す図である。 Ｐ型窒化物半導体層１上にＰ型電極３を形成した状態を示す図である。 金属層３ａの変形例（島状に部分的に形成した状態）を示した図である。 実施の形態３に係る光発光窒化物半導体装置３５の断面概略図である。
符号の説明
１ Ｐ型窒化物半導体層、３ Ｐ型電極、３ａ 仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層、３ｂ Ｐｄ層、３ｃ Ｔａ層、５ マスク、１０窒化物半導体装置、１２ Ｐ型電極、１２ａ 仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層、１２ｂ Ｐｄ層、１２ｃ Ｔａ層、２２ パッド電極、３５ 光発光窒化物半導体装置、４０ ｎ型ＧａＮ基板、４１ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、４２ ｎ型ＧａＮガイド層、４３ 活性層、４４ Ｐ型ＧａＮガイド層、４５ Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、４６ Ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｐ型窒化物半導体層）。

Claims (7)

  1. Ｐ型窒化物半導体層と、
    前記Ｐ型窒化物半導体層上に形成されたＰ型電極と、
    を備え、
    前記Ｐ型電極は、前記Ｐ型窒化物半導体層上に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層と、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰｄ層と、タンタル（Ｔａ）からなるＴａ層とを順に積層して形成されることを特徴とする窒化物半導体装置。
  2. 前記金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、イリジュウム（Ｉｒ）の何れかで形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  3. 前記金属層は、前記Ｐｄ層と前記Ｐ型窒化物半導体層との間全体に均一に形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記金属層の膜厚は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記金属層は、前記Ｐｄ層と前記Ｐ型窒化物半導体層との間に部分的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  6. Ｐ型窒化物半導体層上に、仕事関数が５．１ｅＶ以上の金属からなる金属層と、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰｄ層と、タンタル（Ｔａ）からなるＴａ層とを順に積層してＰ型電極を形成する工程と、
    前記Ｐ型電極を加熱処理する工程と、
    を備えることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
  7. 前記加熱処理の雰囲気は、酸素分子または酸素元素を含むガスを含むことを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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