JP4476105B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、Ｐ型電極を備えた窒化物半導体装置およびその製造方法に関するものである。
従来の窒化物半導体装置においては、Ｐ型コンタクト層上に形成されるＰ型電極の材料としてパラジュウム（Ｐｄ）が用いられている（例えば、非特許文献１）。
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 95, NUMBER 10, PP5917-5919.
前述のような窒化物半導体装置を用いて、例えば、レーザダイオードを製造する場合には、Ｐ型コンタクト抵抗が十分に低くないと、レーザダイオードを動作させるための動作電圧が増加するとともに、動作時の発熱によってレーザダイオードの特性にバラツキが生じる。その結果、規定の温度範囲内で安定した動作および出力を得ることできるレーザダイオードを製造することが困難であるという問題がある。そのため、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低減された窒化物半導体装置が切望されている。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、低抵抗なＰ型電極を有する窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の一の局面の窒化物半導体装置は、窒化物半導体であるＰ型コンタクト層と、Ｐ型コンタクト層上に設けられたＡｕＧａ膜と、ＡｕＧａ膜上に設けられたＡｕ膜とを備えている。この構成によれば、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低いＰ型電極を有する窒化物半導体装置が得ることが可能になる。
本発明の他の局面の窒化物半導体装置は、窒化物半導体であるＰ型コンタクト層と、Ｐ型コンタクト層上に設けられたＡｕ膜と、Ａｕ膜上に設けられたＡｕＧａ膜とを備えている。この構成によっても、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低いＰ型電極を有する窒化物半導体装置を得ることが可能になる。
前述の一および他の局面の窒化物半導体装置のそれぞれは、ＡｕＧａ膜中のＧａ原子の含有率が２％以上４８％以下であることが望ましい。この構成によれば、Ｇａ原子が窒化物半導体としてのＰ型コンタクト層中の窒素原子を引き寄せる効果が適切に得られる。
前述の一および他の局面の窒化物半導体装置のそれぞれは、Ａｕ膜およびＡｕＧａの合計の膜厚に対するＡｕＧａ膜の膜厚の比が２５％以上６５％以下であることが望ましい。この構成によれば、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗を低減させる効果が得られ易くなる。
本発明のさらに他の局面の窒化物半導体装置は、窒化物半導体であるＰ型コンタクト層と、Ｐ型コンタクト層上に設けられた層であって、ＡｕＧａとＡｕとの合金層とを備えている。この構成によっても、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低いＰ型電極を有する窒化物半導体装置を得ることが可能になる。
前述の窒化物半導体装置がレーザダイオードに用いられれれば、レーザダイオードを動作させるための動作電圧が低減されるとともに、動作時の発熱によってレーザダイオードの特性にバラツキが生じることが抑制される。その結果、規定の温度範囲内で安定した動作および出力を得ることできるレーザダイオードが得られる。
本発明の一の局面の窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体であるＰ型コンタクト層上にＡｕＧａ膜を形成する工程と、ＡｕＧａ膜上にＡｕ膜を形成する工程と、ＡｕＧａ膜とＡｕ膜とを熱処理する工程とを備えている。この製法によれば、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低いＰ型電極を有する窒化物半導体装置を製造することが可能になる。
本発明の他の局面の窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体であるＰコンタクト層上にＡｕ膜を形成する工程と、Ａｕ膜上にＡｕＧａ膜を形成する工程と、ＡｕＧａ膜とＡｕ膜とを熱処理する工程とを備えている。この製法によれば、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗が低いＰ型電極を有する窒化物半導体装置を製造することが可能になる。
前述の一および他の局面の窒化物半導体装置の製造方法のそれぞれにおいては、前述の熱処理する工程は、６５０℃以上８６０℃以下の温度で実行されることが望ましい。この製法によれば、コンタクト抵抗を所望の値に低下させることができる。
前述の一および他の局面の窒化物半導体装置の製造方法のそれぞれにおいては、ＡｕＧａ膜中のＧａ原子の含有率が２％以上４８％以下であることが望ましい。この製法によれば、窒化物半導体としてのＰ型コンタクト層中の窒素原子をＧａ原子が引き寄せる効果が適切に得られる。
前述の一および他の局面の窒化物半導体装置の製造方法のそれぞれにおいては、Ａｕ膜およびＡｕＧａの合計の膜厚に対するＡｕＧａ膜の膜厚の比が２５％以上６５％以下であることが望ましい。この製法によれば、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗を十分に低減させることができる。
この発明によれば、ＡｕＧａとＡｕとを有する材料をＰ型電極のＰ型コンタクト層との接触部に用いることにより、Ｐ型電極とＰ型コンタクト層との間のコンタクト抵抗を従来よりもさらに低くすることができる。また、窒化物半導体装置の動作電圧を低くすることができる。そのため、窒化物半導体装置の動作時の発熱を減少させることが可能になる。その結果、窒化物半導体装置を高い出力で安定して動作させることが可能になる。
実施の形態１．
図１を用いて、本発明の実施の形態１の窒化物半導体装置を説明する。図１に示すように、本実施の形態の半導体装置においては、Ｐ型コンタクト層１上にＰ型電極が設けられている。Ｐ型電極は、ＡｕＧａ膜２、Ａｕ膜３、Ｐｔ膜４、およびＡｕ膜５からなっている。Ｐ型コンタクト層１上にはＡｕＧａ膜２が設けられている。ＡｕＧａ膜２上にはＡｕ膜３が設けられている。Ａｕ膜３上にはＰｔ膜４が設けられている。Ｐｔ膜４上にはＡｕ膜５が設けられている。なお、前述の窒化物半導体装置においては、窒化物半導体であるＰ型コンタクト層１としてＰ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）が使用されている。
次に、図２を用いて、Ｐ型電極の材料とコンタクト抵抗の相対値との関係を説明する。なお、図２に示されるＰ型電極のコンタクト抵抗の相対値は、従来のＰｄ膜を用いるＰ型電極のコンタクト抵抗に対する比率である。また、本明細書においては、以後、コンタクト抵抗の相対値とは、従来のＰｄ膜を用いるＰ型電極のコンタクト抵抗に対する実施の形態のＰ型電極のコンタクト抵抗の比率であるものとする。
図２から、Ｐｔ膜とＰ型コンタクト層との間にＡｕＧａ膜２のみが設けられるＰ型電極は、従来から用いられているＰｄ膜を用いるＰ型電極に比較して、コンタクト抵抗が高いことが分かる。また、図２から、膜厚２００ｎｍのＡｕＧａ膜２のコンタクト抵抗は、膜厚２０ｎｍのＡｕＧａ膜２のコンタクト抵抗よりも高いことが分かる。しかしながら、Ｐｔ膜とＰ型コンタクト層との間にＡｕＧａ／Ａｕ構造が設けられている本実施の形態のＰ型電極においては、従来のＰｄ膜を用いる電極に比較して、コンタクト抵抗が約７割程度低減されていることが分かる。このことから、低抵抗なＰ型電極を得るためには、Ｐｔ膜とＰ型コンタクト層との間にＡｕＧａ膜のみを設けるのではなく、Ｐｔ膜とＰ型コンタクト層との間にＡｕＧａ膜およびＡｕ膜からなる二層構造を設ける必要があることが分かる。
次に、図３〜図８を用いて、本実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明する。まず、図３に示すように、Ｐ型コンタクト層１上に選択的にＰ型電極を形成するためのレジスト膜６を形成する。次に、図４に示すように、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等によって、Ｐ型コンタクト層１上およびレジスト膜６上にＰ型電極を構成するＡｕＧａ膜２、Ａｕ膜３、Ｐｔ膜４、およびＡｕ膜５をこの順番で堆積させる。その後、リフトオフ法によって、レジスト膜６上の不要なＰ型電極材料をレジスト膜６とともに除去する。それにより、図５に示すように、Ｐ型コンタクト層１上にのみＰ型電極材料が残存する。その後、図５に示す構造を熱処理することによって、Ｐ型電極を形成する。このＰ型電極は、前述のように、コンタクト抵抗値が低い。
次に、図６を用いて、コンタクト抵抗の相対値とＡｕ膜３およびＡｕＧａ膜２の合計の膜厚に対するＡｕＧａ膜２の膜厚の比との関係を説明する。従来よりも低抵抗な窒化物半導体装置を製造するためには、従来のＰｄが用いられたときのコンタクト抵抗に対する本実施の形態のＡｕＧａ／Ａｕ構造が用いられたときのコンタクト抵抗の相対値が１より小さいことが必要である。言い換えれば、コンタクト抵抗の相対値が１以上の場合には、従来に比較してコンタクト抵抗の低減の効果が得られない。そのため、図６に示す実験結果から分かるように、Ａｕ膜３およびＡｕＧａ膜２の合計の膜厚に対するＡｕＧａ膜２の膜厚の比Ｙは、２５％≦Ｙ≦６５％程度であることが望ましい。
なお、実験結果としては、図６にプロットされているように、Ａｕ膜３およびＡｕＧａ膜２の合計の膜厚に対するＡｕＧａ膜２の膜厚の比が１８％、５０％、１００％の場合、コンタクト抵抗の相対値は、それぞれ、１．５３、０．３２、５．４７である。また、図６においてＡｕＧａ／（Ａｕ＋ＡｕＧａ）＝０％かつコンタクト抵抗＝１の座標にプロットされている実験結果は、比較の基準となる従来のＰｄ膜の実験結果である。
また、図７には、熱処理温度とコンタクト抵抗の相対値との関係が示されている。図７から分かるように、コンタクト抵抗の相対値を１より小さくするためには、熱処理の温度は、６５０℃以上８６０℃以下であることが望ましい。なお、熱処理雰囲気は、大気、窒素、酸素、または不活性ガスであることが望ましい。
なお、実験結果としては、図７にプロットされているように、熱処理温度が５００℃、７００℃、８００℃、１０００℃の場合、コンタクト抵抗の相対値は、それぞれ、５．１７、０．３２、０．１４７、５．７９である。また、図７において熱処理温度＝４００℃かつコンタクト抵抗＝１の座標にプロットされている実験結果は、比較の基準となる従来のＰｄ膜の実験結果である。
また、図８には、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子の濃度とコンタクト抵抗の相対値との関係が示されている。なお、前述のＡｕＧａ膜２中のＧａ原子はＰ型コンタクト層１中から窒素原子（Ｎ）を吸い上げるために用いられる。図８から分かるように、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子の割合が２％より小さいと、窒素原子の吸い上げ効果が十分には得られない。逆に、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子の割合が４８％より大きくなると、Ｇａ原子が窒素原子を必要以上に吸い上げるために、Ｐ型コンタクト層１の表面の近傍がＮ型半導体の特性に近づくことによって、Ｐ型コンタクト層１とＡｕＧａ膜２との間のコンタクト抵抗が増加してしまう。そのため、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子の割合は２％以上４８％以下程度であることが望ましい。
なお、実験結果としては、図８にプロットされているように、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子の濃度が５％、１０％、３０％、６０％の場合、コンタクト抵抗の相対値は、それぞれ、０．８、０．３２、０．１５、２．０である。また、図８においてＧａ濃度＝０％かつコンタクト抵抗＝１の座標にプロットされている実験結果は、比較の基準となる従来のＰｄ膜の実験結果である。
前述のような本実施の形態のレーザダイオードの製造方法によれば、熱処理によって、ＡｕＧａ膜２中のＧａ原子によって、Ｐコンタクト層１中の窒素原子が、Ｐ型半導体としてのＰ型コンタクト層１の表面の近傍に引き寄せられる。それにより、Ｐ型コンタクト層１の表面の近傍では、引き寄せられた窒素原子によって、Ｐ型コンタクト層１内の窒素の空孔が埋められる。その結果、Ｐ型コンタクト層１を構成するＰ型半導体の表面の近傍の特性がＮ型半導体の特性に近づくことが抑制される。
また、Ａｕ膜３の作用によって、Ｐ型コンタクト層１の表面の近傍のＧａ原子がコンタクト層１からＡｕＧａ膜２内へ引き抜かれる。それにより、Ｐ型半導体の表面の近傍のＰ型の特性がより強くなる。さらに、Ｐ型コンタクト層１内のＧａの空孔にアクセプタ不純物が取り込まれる。それにより、Ｐ型半導体の表面の近傍がＰ型の特性がより強くなる。したがって、Ｐコンタクト層１の表面の近傍のキャリアの濃度が増加する。その結果、低抵抗なＰ型電極が得られる。
また、前述の熱処理の条件に応じて、図１に示すように、ＡｕＧａ膜２とＡｕ膜３とがそれぞれ別個の層として残存する場合と、図９に示すように、ＡｕＧａ膜２とＡｕ膜３とが合金化され、合金膜７が形成される場合とがある。ＡｕＧａ膜２とＡｕ膜３とが合金化される場合には、合金膜７中にＧａ原子が分布する。なお、Ｇａ原子の分布は、熱処理が実行される前においては、不均一であることが望ましい。
このように、Ｐ型電極とＰ型コンタクト層１との接触部の構造としてＡｕＧａ／Ａｕ構造を用いることにより、Ｐ型コンタクト層とＰ型電極との間のコンタクト抵抗を低減することができる。そのため、Ｐ型電極を有する窒化物半導体装置においては、動作電圧が低減されるとともに、発熱による悪影響が低減される。その結果、たとえば、レーザダイオードに本実施の形態の窒化物半導体装置が用いられれば、レーザダイオードは、安定して動作するとともに、その出力が向上する。
実施の形態２．
次に、図１０を用いて、本発明の実施の形態２の窒化物半導体装置を説明する。本実施の形態の窒化物半導体装置においては、Ｐ型コンタクト層１の上面にＰ型電極材料が設けられている。Ｐ型電極は、Ａｕ膜８、ＡｕＧａ膜９、Ｐｔ膜４、およびＡｕ膜５からなっている。Ｐ型コンタクト層１上にはＡｕ膜９が設けられている。Ａｕ膜８上にはＡｕＧａ膜９が設けられている。ＡｕＧａ膜９上にはＰｔ膜４が設けられている。Ｐｔ膜４上にはＡｕ膜５が設けられている。
次に、前述のような構造を有する窒化物半導体装置の製造方法を説明する。その製造方法は、基本的には、図３〜図５を用いて説明した実施の形態１の製造方法とほぼ同様である。ただし、本実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法は、Ｐ型電極を構成する材料の蒸着の順序が実施の形態１の窒化物半導体装置の製造方法と異なっている。
本実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法においては、まず、Ｐ型コンタクト層１上に選択的にＰ型電極を形成するためのレジスト膜６を形成する。次に、図１１に示すように、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等によって、Ｐ型電極材料であるＡｕ膜８、ＡｕＧａ膜９、Ｐｔ膜４、およびＡｕ膜５をこの順番で堆積する。その後、リフトオフ法によって、レジスト膜６上の不要なＰ型電極材料をレジスト膜６とともに除去する。それによって、図１０に示すように、Ｐ型コンタクト層１上にのみＰ型電極材料が残存する。次に、図１０に示す構造を熱処理する。それによって、実施の形態１の窒化物半導体装置と同様に、図９に示すように、Ａｕ膜８とＡｕＧａ膜９とが合金化されたＡｕ／ＡｕＧａ合金膜７が形成される。なお、本実施の形態においても、熱処理の条件によっては、Ａｕ膜８とＡｕＧａ膜９とは、図９に示すような合金膜７とはならず、図１０に示すように、Ａｕ膜８およびＡｕＧａ膜９のそれぞれが、別個独立の層として残存することも考えられる。
なお、図９に示す構造および図１０に示す構造のいずれのＰ型電極も、実施の形態１のＰ型電極と同様に、従来のＰｄ膜を用いるＰ型電極に比較して、Ｐ型コンタクト層１との間のコンタクト抵抗が低い。つまり、本実施の形態においても、Ｐ型電極材料としてＡｕ／ＡｕＧａ構造を用いることによって、Ｐ型コンタクト層１とＰ型電極材料とのコンタクト抵抗を低減することができる。
また、本実施の形態の窒化物半導体装置においても、図６に示すＡｕＧａ／（Ａｕ＋ＡｕＧａ）の膜厚比とコンタクト抵抗の相対値との関係、図７に示す熱処理温度とコンタクト抵抗の相対値との関係、および、図８に示すＡｕＧａ膜中のＧａ原子の濃度とコンタクト抵抗の相対値との関係と同様の関係が得られる。したがって、本実施の形態の窒化物半導体装置に、実施の形態１の窒化物半導体装置の数値限定と同様の数値限定を適用することが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態１の窒化物半導体装置を示す断面図である。 Ｐ型電極の材料とコンタクト抵抗の相対値との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実験によって得られた、ＡｕＧａ／（Ａｕ＋ＡｕＧａ）の膜厚比とコンタクト抵抗の相対値との関係を示すグラフである。 実験によって得られた、熱処理温度とコンタクト抵抗の相対値との関係を示すグラフである。 実験によって得られた、ＡｕＧａ膜中のＧａ原子の濃度とコンタクト抵抗の相対値との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１および２の窒化物半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の窒化物半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
符号の説明
１ Ｐ型コンタクト層、２ ＡｕＧａ膜、３ Ａｕ膜、４ Ｐｔ膜、５ Ａｕ膜、６ レジスト膜、７ 合金層、８ Ａｕ膜、９ ＡｕＧａ膜。

Claims (4)

  1. 窒化物半導体であるＰ型コンタクト層と、
    前記Ｐ型コンタクト層上に設けられ、Ｇａ原子の含有率が２％以上４８％以下であるＡｕＧａ膜と、
    前記ＡｕＧａ膜上に設けられたＡｕ膜とを備えた、窒化物半導体装置。
  2. 前記Ａｕ膜および前記ＡｕＧａ膜の合計の膜厚に対する前記ＡｕＧａ膜の膜厚の比が２５％以上６５％以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  3. 窒化物半導体であるＰ型コンタクト層上にＧａ原子の含有率が２％以上４８％以下であるＡｕＧａ膜を形成する工程と、
    前記ＡｕＧａ膜上にＡｕ膜を形成する工程と、
    前記ＡｕＧａ膜と前記Ａｕ膜とを酸素雰囲気または大気雰囲気中において６５０℃以上８６０℃以下の温度で熱処理する工程とを備えた、窒化物半導体装置の製造方法。
  4. 前記Ａｕ膜および前記ＡｕＧａ膜の合計の膜厚に対する前記ＡｕＧａ膜の膜厚の比が２５％以上６５％以下である、請求項３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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