JP3605907B2 - コンタクト抵抗低減層を有する半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置に関し、特に窒化ガリウム系材料を使用した青色〜緑色発光ダイオード、青色〜緑色レーザーダイオード等の発光素子に関し、特に接触抵抗を大きく低減した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の青色及び緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の高輝度化の進展には目ざましいものがあり、材料として、ＺｎＳＳｅ系やＡｌＧａＩｎＮ系が用いられている。現在、サファイア、ＳｉＣなどの基板上への高品質な窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体膜の成長とＧａＮ系への高濃度ｐ型ドーピングが可能となったことにより、高輝度の青色発光ダイオードが実現されており、図２に示すようなダブルヘテロ構造が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、表面コンタクト層にワイドバンドギャップのＧａＮ（Ｅｇ＝３．３９ｅＶ）を用いているために、電極との電位障壁が大きくなりやすく、このことが動作電圧の増加を招いてしまう（図３、ｎ型の場合、Ｅ_Ｃは伝導帯の底のエネルギー、Ｅ_Ｆはフェルミ準位、Ｅ_Ｖは価電子帯の底のエネルギー、ｑφ_Ｂは電位障壁）。このようなワイドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるには、まず、ヘビードープした層を電極直下に挿入する、すなわちｍｅｔａｌ−ｎ＋−ｎ、ｍｅｔａｌ−ｐ＋−ｐなる構造を形成する手法がある（図４、ただし、ｎ型の場合）。ｎ型ＧａＮではホール濃度が１０^１９台という高濃度までドーピングが可能であるが、一方ｐ型ＧａＮドーピングでは、現状では１０^１７台レベルまでしか入らない。このために、特にｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる層とは、充分低い接触抵抗の実現は困難である。この動作電圧の増加は、素子の発熱につながり、寿命の点で大きな問題となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
我々は、ＭＯＣＶＤやＭＢＥ法でＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤを作製するにあたり、ＩｎＡｌＧａＮ系からなる層を電極との間に薄膜のＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≧０．９）層と薄膜のＧａＰ_ｙＮ_１−ｙ（ｙ≦０．１）層を交互に積層した多層膜を挿入すること、より好ましくは１周期当りの厚層が１０分子層以下である前記ＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≧０．９）層及びＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≦０．１）層を挿入することにより、上記の課題を解決するに至った。
【０００５】
ＧａＰＮ混晶はＧａＮからＰ組成を増加させても、またＧａＰからＮ組成を増加させてもバンドギャップが減少し、中間組成でバンドギャップがゼロになってしまうという特殊なバンド構造を有している。しかし、中間組成の混晶は、ミッシビリティギャップの存在のため、成長が困難とされている。そこで、ＧａＰリッチの薄膜とＧａＮリッチの薄膜からなる超格子を積層することにより、ＧａＰＮバルクと同様なバンド構造を実現することができる。そこで、ワイドバンドギャップ半導体で、接触抵抗を下げるために、非常にバンドギャップが小さいもしくはゼロである、薄膜のＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≧０．９）層と薄膜のＧａＰ_ｙＮ_１−ｙ（ｙ≦０．１）層を交互に積層した多層膜を挿入することにより、キャリア濃度を非常に高くすることができなくても、電極と表面層との間で形成される電位障壁が大幅に低減され、オーミックコンタクトを非常に取り易くなる（図５、ただし、ｎ型の場合）。
【０００６】
この場合の多層膜の層の数は、２（１周期）以上であれば特に限定されないが、好ましくは５周期以上である。又、多い分には特に抵抗等の問題を生じない範囲で、任意に設定すればよい。
尚、本明細書においてＡｌＧａＩｎＮ系からなる層とは、Ａｌ又はＩｎの組成が０のものを含むものとする。
【０００７】
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、実施例に限定されるものではない。
（実施例）
本発明の成長に使用した装置の構成は図６に示すように中央に基板搬送室を設け、基板交換室１室と減圧ＭＯＣＶＤ装置３台を設置してある。成長室１は通常のＭＯＣＶＤ装置であり、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体の成長に用いる。成長室２も通常のＭＯＣＶＤ装置であるがＡｌＧａＩｎＮ系以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長に用いる。成長室３は、原料をマイクロ波励起によりラジカル分解することができ、基板表面の窒化及びＡｌＧａＩｎＮ系化合物の成長に用いる。図１に示すような構造のエピタキシャルウエハを成長手順を示す。
【０００８】
まずサファイア基板を成長室３に導入し、加熱昇温する。５００゜Ｃにおいて、成長前に窒素ガス（Ｎ_２）を原料として、マイクロ波励起によりラジカル窒素を基板表面に供給し、表面の酸素（Ｏ）原子をＮ原子と置換させる工程、すなわち窒化を行う。この表面上に、ＧａＮバッファ層２０ｎｍを成長させる。この後、基板を冷却し、搬送室を経て成長室１へ基板を移動させる。成長温度１０００゜Ｃで加熱し、前記エピタキシャル膜成長基板上に、ｎ型ＧａＮバッファ層４μｍ、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎクラッド層１μｍ、ＺｎドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ活性層０．１μｍ、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎクラッド層１μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１μｍを順次成長させる。このとき、キャリアガスに水素を用いて、ＩＩＩ族原料ガスに、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。Ｖ族原料には、一般的にはアンモニア（ＮＨ_３）が用いられるが、成長温度の低減のために、低温での分解効率のよいジメチルヒドラジンやアジ化エチルなどの有機金属を用いてもよい。ｎ型ドーパントには、ＳｉまたはＧｅを、ｐ型ドーパントには、ＭｇまたはＺｎを用いた。必要に応じて、成長後に引き続いて成長室内で熱処理を行い、キャリアを活性化させる。この後、基板を冷却し、搬送室を経て成長室２へ基板を移動させる。基板を７００゜Ｃに加熱し、前記エピタキシャル膜成長基板上に厚み１分子層のＧａＰと厚み３分子層のＧａＮを交互に１０周期積層した超格子を接触抵抗低減層として成長させる。このとき、キャリアガスに水素を用いて、ＩＩＩ族原料ガスに、ＴＭＧをＶ族原料には、ＮＨ_３及びホスフィン（ＰＨ_３）を使用した。前記ＧａＰ_{０．２ ５}Ｎ_{０． ７５}接触抵抗低減層は、余り厚くすると発光した光の吸収を大きくしてしまうが、上記実施例のように、光吸収の影響のない非常に薄い薄膜でも接触抵抗の低減に、非常に有効である。また、この接触抵抗低減層は、抵抗率が非常に小さいために、表面で電流を広げる役割も果たしてくれる。
【０００９】
このようにして成長したエピタキシャルウエハを表面側に電極を形成し、チップに加工した。このチップを発光ダイオードとして組み立てて発光させたところ、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４２０ｎｍ、発光出力８００μＷと非常に良好な値が得られた。このとき動作電圧は３．４Ｖであり、比較のために作製したｐ−ＧａＮ表面上に電極を形成した従来の発光ダイオードでは動作電圧が４．０Ｖであった。この動作電圧の低減は、素子自体の発熱の低下を意味し、素子の寿命を大きく改善できた。
【００１０】
上記実施例は、発光ダイオードについてであったが、半導体レーザにも同様な効果があることはもちろん、他の半導体装置においても同様の特性の向上が得られることは言うまでもない。
【００１１】
【発明の効果】
本発明により、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体層と電極の間の抵抗を低減した半導体装置が得られ、これを発光装置として用いた場合には、動作電圧を大きく低減することができ、紫外〜赤色のＡｌＧａＩｎＮ系発光素子の特性及び素子の寿命も大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の半導体装置の一例を示す説明図である。
【図２】図２は従来の半導体装置の一例を示す説明図である。
【図３】図３は、従来のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の上に直接電極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図である。
【図４】図４は、従来のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の上にヘビードープ層を設けその上に電極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図である。
【図５】図５は、本発明のＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の上に薄膜のＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≧０．９）層と薄膜のＧａＰ_ｙＮ_１−ｙ（ｙ≦０．１）層を交互に積層した多層膜を挿入して電極を設置した場合のエネルギーバンドの説明図である。
【図６】図６は、実施例１で用いた製造装置の説明図である。

Claims (3)

1. ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層と電極との間に薄膜のＧａＰ_ｘＮ_１−ｘ（ｘ≧０．９）層と薄膜のＧａＰ_ｙＮ_１−ｙ（ｙ≦０．１）層を交互に積層した多層膜を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記Ｇａ_ｘＰ_１ーｘＮ（ｘ≧０．９）層及びＧａＰ_ｙＮ_１−ｙ（ｙ≦０．１）層の１周期当りの厚層が１０分子層以下である請求項１記載の半導体装置。
3. 該ＡｌＧａＩｎＮ系からなる層がｐ型である請求項１又は２記載の半導体装置。

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