JP3618076B2

JP3618076B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子及び電極形成方法

Info

Publication number: JP3618076B2
Application number: JP2000227273A
Authority: JP
Inventors: 士郎酒井
Original assignee: 士郎酒井; ナイトライド・セミコンダクター株式会社
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002043620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体素子、特に電極との接続技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体を用いた青色（発光波長４５０ｎｍ）あるいは紫外領域のＬＥＤは、幅広い適用が考えられている。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体としては、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、あるいはＧａＮとこれらの積層構造等が考えられているが、発光素子とするためにはＰＮ接合を構成し、さらに発光効率を向上させる構造とする必要がある。
【０００４】
例えば、活性層の両側をより広いバンドギャップを有するクラッド層で挟むダブルへテロ構造とすることが考えられる。このような構造により、活性層から射出した光はクラッド層で吸収されず、効率的に光を取り出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、活性層としてＧａＮ、ＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮとＡｌＧａＮを積層した構造とする場合、クラッド層としてはこの活性層よりもバンドギャップの広いＰ型ＡｌＧａＮ及びＮ型ＡｌＧａＮを用いることが必要となるが、ＡｌＧａＮに電極をオーミック接触させることが困難となる問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、Ｐ型ＧａＮ系半導体層あるいはＮ型ＧａＮ系半導体層とのオーミック接触（あるいはオーミック接点）を容易化することができる素子、及び電極形成方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子であって、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に形成された凹凸部を有し、前記凹凸部により前記ＧａＮ層が前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出する。凹凸部によりＧａＮ層を露出させることで、露出したＧａＮ層の部分でオーミック接触を容易に得ることができる。なお、凹凸部とは、ＧａＮ系化合物半導体層に局所的に凹部あるいは穴が形成されていることと同義である。
【０００９】
また、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子であって、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に厚さ方向の傾斜が形成され、前記傾斜により前記ＧａＮ層が前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出する。傾斜によりＧａＮ層を露出させることで、露出したＧａＮ層の部分でオーミック接触を得ることができる。厚さ方向の傾斜は、必ずしも一様である必要はなく、不連続的あるいは階段状に形成されていてもよい。
【００１０】
本発明において、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＰ型ＧａＮ系化合物半導体層及びＮ型ＧａＮ系化合物半導体層を含み、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＡｌＧａＮを含む層であり、前記Ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層及び前記Ｎ型ＧａＮ系化合物半導体層との間にＧａＮ系化合物活性層を有することができる。本発明の素子の１実施態様は発光素子であり、その構造はＰ型ＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ活性層／Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のダブルヘテロ構造であり、Ｐ型あるいはＮ型のクラッド層にはＧａＮ層を介して電極が接続される。また、本発明の他の実施態様はＰ型（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）クラッド層／ＧａＮ活性層／Ｎ型（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）クラッド層のダブルヘテロ構造であり、Ｐ型あるいはＮ型のクラッド層には凹凸部あるいは傾斜が形成されてその表面にＧａＮ層が露出し、その露出されたＧａＮ層に電極が接続される。
【００１２】
また、本発明の方法は、ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子の電極形成方法であって、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に凹凸部を形成し、前記凹凸部により前記ＧａＮ層を前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出させ、露出した前記ＧａＮ層と前記電極とをオーミック接触させることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の方法は、ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子の電極形成方法であって、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に厚さ方向の傾斜を形成し、前記傾斜により前記ＧａＮ層を前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出させ、露出した前記ＧａＮ層と前記電極とをオーミック接触させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、発光素子を例にとり説明する。
【００１５】
図１には、本実施形態に係る発光素子の構成が示されている。基板（サファイア等）１０上にＮ型クラッド層１２、ＧａＮ活性層１４、Ｐ型クラッド層１６が順次ＭＯＣＶＤ法等で形成される。活性層１４としては、ＧａＮの他に、ＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した量子井戸構造とすることもできる。Ｎ型クラッド層１２及びＰ型クラッド層１６としては、ＧａＮよりバンドギャップの広いＡｌＧａＮを用いることができる。このようなダブルヘテロ構造において順方向バイアスを印加すると、活性層１４から光が射出し、この光はクラッド層で吸収されることなく外部に取り出すことができる。但し、Ｐ型クラッド層１６に直接金属膜を接続してもオーミック接触を得ることは困難で、駆動特性ひいては発光効率の低下を招く。
【００１６】
そこで、本実施形態では、Ｐ型クラッド層１６上に部分的にＰ型ＧａＮ層１８を形成し、このＰ型ＧａＮ層１８上にＮｉ／Ａｕ等の金属膜（電極）２０を形成する。ＡｌＧａＮと異なり、Ｐ型ＧａＮへのオーミック接触は容易であり、これにより発光効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
図２には、図１に示された発光素子の製造処理フローチャートが示されている。まず、基板１０上にＭＯＣＶＤ法によりＮ型クラッド層１２を成長させる（Ｓ１０１）。具体的には、反応管内のサセプタに基板を載置し、基板を加熱しつつ反応ガス（ＴＭＧやＴＭＡｌ、ＮＨ_３等）を導入して基板１０上にＡｌＧａＮを形成する。Ｎ型とするには、例えばＮ型不純物（Ｓｉ等）をドープすればよい。次に、Ｎ型クラッド層１２上に活性層１４をＭＯＣＶＤ法で成長させる（Ｓ１０２）。活性層１４は、上述したようにＧａＮでもよく、あるいはＧａＮとＡｌＧａＮの量子井戸構造でもよい。活性層１４を形成した後、Ｐ型クラッド層１６を同様にＭＯＣＶＤ法で形成する（Ｓ１０３）。
【００１８】
ダブルヘテロ構造を形成した後、Ｐ型クラッド層１６上にＰ型ＧａＮ層１８をＭＯＣＶＤ法で成長させる（Ｓ１０４）。Ｐ型とするには、例えばＰ型不純物（Ｍｇ等）をドープすればよく、必要に応じて加熱処理やビーム処理、電磁波照射を行うことができる。その後、Ｐ型ＧａＮ層１８上に金属膜２０をスパッタや蒸着などで形成する（Ｓ１０５）。そして、電極以外の金属膜及びＰ型ＧａＮ層をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等で除去する（Ｓ１０６）。
【００１９】
以上のように、Ｐ型クラッド層１６に直接電極を接続するのではなく、Ｐ型ＧａＮ層１８を介在させて電極を接続することで、Ｐ型ＧａＮ層１８との界面でオーミック接触を実現することができる。
【００２０】
図３には、他の実施形態に係る発光素子の構成が示されている。本実施形態では、Ｐ型クラッド層１６とのオーミック接触を図ると共に、Ｎ型クラッド層１２とのオーミック接触を図るものである。
【００２１】
図において、基板１０上にＮ型クラッド層１２、ＧａＮ活性層１４、Ｐ型クラッド層１６が順次形成され、Ｐ型ＧａＮ層１８を介して金属膜２０がＰ型クラッド層上に形成される。活性層１４としてはＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮとＡｌＧａＮを積層した量子井戸構造でもよい。また、Ｎ型クラッド層１２及びＰ型クラッド層１６は本実施形態ではＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した構造を有する。Ｎ型クラッド層１２の特定部位表面には凹凸部１３が形成され、この凹凸部１３上に金属膜（電極）２２が形成される。この凹凸部１３はエッチングで形成され、その凹部の深さはＮ型クラッド層１２を構成する各層の厚さよりも深く設定される。したがって、ＧａＮ活性層との界面にＡｌＧａＮ層が存在していても、この凹部からは内部のＧａＮ層が露出し、この露出したＧａＮ層と金属膜が接触してオーミック接触をとることができる。
【００２２】
図４には、凹凸部１３の凹部の拡大説明図が示されている。Ｎ型クラッド層１２はＧａＮ層１２ａとＡｌＧａＮ層１２ｂとを交互に積層して構成され、凹部は各層の厚さよりも深く形成されているため凹部表面にはＧａＮ層１２ａ及びＡｌＧａＮ層１２ｂが露出する。凹凸部１３に金属膜２２を形成すると、この凹部表面に露出したＧａＮ層１２ａと金属膜２２とが接触し（図における接触部１３ａ）、この部分でオーミック接触が実現する。
【００２３】
図５には、本実施形態に係る発光素子の製造処理フローチャートが示されている。まず、図２におけるＳ１０１〜Ｓ１０３と同様に基板１０上にＮ型クラッド層１２及び活性層１４並びにＰ型クラッド層１６をＭＯＣＶＤ法で形成する（Ｓ２０１）。次に、Ｎ型クラッド層１２の表面が露出するまでエッチングするとともに、エッチング条件を調整してＮ型クラッド層１２の表面に「荒れ」、すなわち凹凸が生じるようにする（Ｓ２０２）。例えば、ＲＩＥによるエッチングの場合、ＲＩＥへ供給する高周波電磁波の出力を増減する、あるいは印加するメタンガスの量を増減する等により表面に「荒れ」を形成することができる（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３８（１９９９）ｐｐ．２６４６−２６５１）。荒れの程度、すなわち凹凸部の凹部の深さはＮ型クラッド層１２の各層の厚さ以上とする。凹凸を形成した後、凹凸部分にＴｉ／Ａｌなどの金属膜２２をスパッタや蒸着で形成する（Ｓ２０３）。さらに、図２のＳ１０４〜Ｓ１０６と同様の処理によりＰ型クラッド層１６とのオーミック接触をとる。
【００２４】
このように、本実施形態ではＮ型クラッド層１２の表面に凹凸部を形成してＧａＮ層を露出させ、露出ＧａＮ層と金属膜を接続することでオーミック接触を得ることができる。
【００２５】
なお、本実施形態において、Ｐ型クラッド層１６の表面に凹凸を形成してＧａＮ層を露出させ、露出ＧａＮ層と金属膜を接触させてオーミック接触を得てもよい。
【００２６】
図６には、図４に示された発光素子の他の製造処理フローチャートが示されている。まず、図２におけるＳ１０１〜Ｓ１０３と同様に基板１０上にＮ型クラッド層１２及び活性層１４並びにＰ型クラッド層１６をＭＯＣＶＤ法で形成する（Ｓ３０１）。次に、Ｎ型クラッド層１２の表面が露出するまでエッチングする（Ｓ３０２）。Ｎ型クラッド層１２の表面を露出させた後、２回目のエッチングを行ってその表面に凹凸部１３を形成する（Ｓ３０３）。以下、図５と同様にして凹凸部１３に金属膜２２を形成し、凹部において露出したＧａＮ層とオーミック接触させる（Ｓ３０４）。凹凸部１３を形成するには、例えば露出した表面にフォトレジストをストライプ状あるいは円形に形成し、ＲＩＥでエッチングすればよい。１回のエッチング処理でＮ型クラッド層１２の表面に凹凸部１３を形成するよりも、２回に分けて形成することで確実に凹凸部１３を形成することができる。また、凹凸を形成するための方法として他のエッチング方法を採用することも可能となる。
【００２７】
図７には、他の実施形態に係る発光素子の構成が示されている。基板１０上にＮ型クラッド層１２、ＧａＮ活性層１４、Ｐ型クラッド層１６が順次形成される。活性層１４としてはＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮとＡｌＧａＮの量子井戸構造でもよい。また、Ｎ型クラッド層１２及びＰ型クラッド層１６はＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層して構成される。Ｐ型クラッド層１６にはＰ型ＧａＮ層１８が形成され、さらにＮｉ／Ａｕ金属膜２０が形成されてオーミック接触となる。
【００２８】
一方、Ｎ型クラッド層１２の特定部位には傾斜部１５が形成されており、この傾斜部１５上にＴｉ／Ａｌ金属膜２２が形成される。傾斜部１５の傾斜度合い、すなわち最も浅い部分と最も深い部分との差は少なくともＮ型クラッド層１２の各層の厚さよりも大きく設定される。これにより、傾斜部からはＮ型クラッド層１２中のＧａＮ層が露出し、金属膜２２と接触することになる。
【００２９】
図８には、傾斜部１５の拡大説明図が示されている。Ｎ型クラッド層１２の傾斜部１５からはＮ型クラッド層１２の各層が露出し、ＧａＮ層と金属膜２２が接触する（図における接触部１５ａ）。なお、傾斜部１５は少なくともＧａＮ層の一部が表面から露出する程度に形成すればよい。
【００３０】
図９には、図７に示された発光素子の製造処理フローチャートが示されている。まず、Ｓ１０１〜Ｓ１０３と同様に基板１０上にＮ型クラッド層１２、ＧａＮ活性層１４、Ｐ型クラッド層１６を順次ＭＯＣＶＤ法で形成する（Ｓ４０１）。次に、Ｎ型クラッド層１２まで達するようにエッチングするとともに、Ｎ型クラッド層１２の表面において、そのエッチング深さが異なるようにエッチング条件を調整して傾斜部１５を形成する（Ｓ４０２）。エッチング深さが異なるようにするには、例えばエッチングを行う際のフォトレジストの厚さを変化させＲＩＥを行えばよい。フォトレジストの薄い部分はより深くエッチングされることになる。フォトレジストを階段状に積層してその厚さに変化をもたせてもよい。エッチング深さの差は、Ｎ型クラッド層１２の各層の厚さ以上とするのが好適である。傾斜部１５を形成した後、傾斜部１５上に金属膜２２を形成して露出したＧａＮとオーミック接触をとる。Ｎ型クラッド層１２についてオーミック接触をとった後、Ｓ１０４〜Ｓ１０６と同様にしてＰ型クラッド層１６についてもオーミック接触をとる。
【００３１】
なお、本実施形態においても、Ｐ型クラッド層１６の表面に傾斜を形成し、この傾斜上に金属膜を形成してオーミック接触をとることもできる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００３３】
例えば、図３に示された構成では、Ｎ型クラッド層１２の表面にエッチングで凹凸を形成しているが、例えばＮ型クラッド層１２の表面に離散的にビーム照射などにより複数の穴を形成し、この穴を埋めるように金属膜を形成することもできる。穴の深さは各層の厚さ以上とすることができ、穴の側面にＧａＮが露出するようにして金属膜と接触させる。あるいは、Ｎ型クラッド層１２の表面を鋸歯状にエッチングすることもできる。このような複数の穴が形成されたＮ型クラッド層１２や鋸波状の表面を有するＮ型クラッド層は、本発明における凹凸が形成されたＮ型クラッド層１２に含まれるものである。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば簡易にＰ型ＧａＮ系化合物半導体層あるいはＮ型ＧａＮ系化合物半導体層とオーミック接触を得ることができる。したがって、発光特性（あるいは駆動特性）に優れた発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る発光素子の構成説明図である。
【図２】図１の発光素子の製造処理フローチャートである。
【図３】他の実施形態に係る発光素子の構成説明図である。
【図４】図３の一部拡大説明図である。
【図５】図３の発光素子の製造処理フローチャートである。
【図６】図３の発光素子の他の製造処理フローチャートである。
【図７】他の実施形態に係る発光素子の構成説明図である。
【図８】図７の一部拡大説明図である。
【図９】図７の発光素子の製造処理フローチャートである。
【符号の説明】
１０基板、１２Ｎ型クラッド層、１４活性層、１６Ｐ型クラッド層、１８Ｐ型ＧａＮ層、２０金属膜、２２金属膜。

Claims

ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子であって、
前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に形成された凹凸部を有し、前記凹凸部により前記ＧａＮ層が前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出し、露出した前記ＧａＮ層と前記電極との界面でオーミック接触を構成することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子であって、
前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に厚さ方向の傾斜が形成され、前記傾斜により前記ＧａＮ層が前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出し、露出した前記ＧａＮ層と前記電極との界面でオーミック接触を構成することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
請求項１、２のいずれかに記載の素子において、
前記ＧａＮ系化合物半導体層はＰ型ＧａＮ系化合物半導体層及びＮ型ＧａＮ系化合物半導体層を含み、前記ＧａＮ系化合物半導体層はＡｌＧａＮを含む層であり、前記Ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層及び前記Ｎ型ＧａＮ系化合物半導体層との間にＧａＮ系化合物活性層を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子の電極形成方法であって、
前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に凹凸部を形成し、前記凹凸部により前記ＧａＮ層を前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出させ、露出した前記ＧａＮ層と前記電極とをオーミック接触させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の電極形成方法。
ＧａＮ系化合物半導体層を有する素子の電極形成方法であって、
前記ＧａＮ系化合物半導体層はＧａＮ層を含む複数層を積層して構成され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の電極が接する部位に厚さ方向の傾斜を形成し、前記傾斜により前記ＧａＮ層を前記ＧａＮ系化合物半導体層表面に露出させ、露出した前記ＧａＮ層と前記電極とをオーミック接触させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の電極形成方法。