JPH11126758A - 半導体素子製造方法 - Google Patents
半導体素子製造方法Info
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- JPH11126758A JPH11126758A JP30970597A JP30970597A JPH11126758A JP H11126758 A JPH11126758 A JP H11126758A JP 30970597 A JP30970597 A JP 30970597A JP 30970597 A JP30970597 A JP 30970597A JP H11126758 A JPH11126758 A JP H11126758A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 量産が容易であり、電極との接触抵抗が小さ
い半導体素子を得るための製造方法を提供すること。 【解決手段】 2族不純物元素を添加したGaN系半導
体層を積層する工程と、前記GaN系半導体層を所定温
度に加熱し、前記GaN系半導体層のエネルギー禁制帯
幅を上回るエネルギーを有する電磁波を照射する工程
と、電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
い半導体素子を得るための製造方法を提供すること。 【解決手段】 2族不純物元素を添加したGaN系半導
体層を積層する工程と、前記GaN系半導体層を所定温
度に加熱し、前記GaN系半導体層のエネルギー禁制帯
幅を上回るエネルギーを有する電磁波を照射する工程
と、電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、GaN系半導体を用い
た半導体素子の製造方法に関する。
た半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】発光ダイオード及び半導体レーザダイオ
ード等の半導体素子の分野において、窒化物半導体(A
lx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x≦1.0、0≦
y≦1.0)等の単結晶にマグネシウム(Mg)や亜鉛
(Zn)等の2族元素が添加された半導体層を有する半
導体素子が、青色発光可能なワイドギャップ半導体素子
として注目されている。
ード等の半導体素子の分野において、窒化物半導体(A
lx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x≦1.0、0≦
y≦1.0)等の単結晶にマグネシウム(Mg)や亜鉛
(Zn)等の2族元素が添加された半導体層を有する半
導体素子が、青色発光可能なワイドギャップ半導体素子
として注目されている。
【0003】上述の窒化物半導体のエピタキシャル成長
は、通常MOCVD法(有機金属化学気相成長法)によ
って行われるが、MOCVD法を用いMgやZn等の2
族元素が添加された半導体層は、成長したまま(as−
grown:アズグロン)では極めて高抵抗であり、青
色発光させようとしても、電流を通ずることができな
い。
は、通常MOCVD法(有機金属化学気相成長法)によ
って行われるが、MOCVD法を用いMgやZn等の2
族元素が添加された半導体層は、成長したまま(as−
grown:アズグロン)では極めて高抵抗であり、青
色発光させようとしても、電流を通ずることができな
い。
【0004】近年、Mg等の2族元素を添加し高抵抗化
した窒化物半導体に特殊な処理を施すことにより、p型
化する方法が報告されている。例えば、窒化物半導体に
低加速電子線照射処理を施すことにより、低抵抗p型化
すること(H.Amanoetal.:Jpn.J.Appl.Phys.Vol28,1989,
pp.L2112-2114)や、窒素雰囲気大気圧下または加圧下
で800℃で20分程度の加熱処理を窒化物半導体に施
すことによって、やはり低抵抗p型化することをも提案
されている(S.Nakamura etal.:Jpn.J.Appl.Phys.Vol.3
1,1992,ppL139-142 )。
した窒化物半導体に特殊な処理を施すことにより、p型
化する方法が報告されている。例えば、窒化物半導体に
低加速電子線照射処理を施すことにより、低抵抗p型化
すること(H.Amanoetal.:Jpn.J.Appl.Phys.Vol28,1989,
pp.L2112-2114)や、窒素雰囲気大気圧下または加圧下
で800℃で20分程度の加熱処理を窒化物半導体に施
すことによって、やはり低抵抗p型化することをも提案
されている(S.Nakamura etal.:Jpn.J.Appl.Phys.Vol.3
1,1992,ppL139-142 )。
【0005】低加速電子線照射処理による方法は、発現
するp型の室温正孔濃度として1018cm-3台の極めて
高いものが得られるものの、処理される深さが電子線の
浸透深さで制限され、加速電圧6〜30KVに対して約
0.3μm程度であった(S.Nakamura etal.:Jpn.J.App
l.Phys.Vol.31,1992,ppL139-142 を参照)。また、真空
中で電子線を走査することによって処理を行うことにな
るため、装置が大がかりになる上、1枚のウェハを処理
するのに必要な時間が長くなる等の量産上の難点があっ
た。
するp型の室温正孔濃度として1018cm-3台の極めて
高いものが得られるものの、処理される深さが電子線の
浸透深さで制限され、加速電圧6〜30KVに対して約
0.3μm程度であった(S.Nakamura etal.:Jpn.J.App
l.Phys.Vol.31,1992,ppL139-142 を参照)。また、真空
中で電子線を走査することによって処理を行うことにな
るため、装置が大がかりになる上、1枚のウェハを処理
するのに必要な時間が長くなる等の量産上の難点があっ
た。
【0006】一方、加熱処理による方法は、処理深さに
ついては低加速電子線照射処理ほどの強い制約は無く、
また、多数のウェハを加熱炉に入れて一度に処理できる
ため量産に適している。しかしながら、加熱処理による
場合、この現象を発見したS.Nakamura等の実験結果でも
明らかなように、室温正孔濃度として3×1017cm-3
と、低加速電子線照射処理より明らかに低い値にとどま
っている。この3×1017cm-3という室温正孔濃度の
値は、発光ダイオードや半導体レーザの基本構成用件で
あるpnダイオードを形成するには十分な値であり、こ
の加熱処理により実際に発光ダイオードが製造されるに
至っている。
ついては低加速電子線照射処理ほどの強い制約は無く、
また、多数のウェハを加熱炉に入れて一度に処理できる
ため量産に適している。しかしながら、加熱処理による
場合、この現象を発見したS.Nakamura等の実験結果でも
明らかなように、室温正孔濃度として3×1017cm-3
と、低加速電子線照射処理より明らかに低い値にとどま
っている。この3×1017cm-3という室温正孔濃度の
値は、発光ダイオードや半導体レーザの基本構成用件で
あるpnダイオードを形成するには十分な値であり、こ
の加熱処理により実際に発光ダイオードが製造されるに
至っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】こうした加熱処理によ
り、半導体素子、特に半導体レーザ素子を作製した場合
に問題となるのが、電極部分の接触抵抗である。
り、半導体素子、特に半導体レーザ素子を作製した場合
に問題となるのが、電極部分の接触抵抗である。
【0008】一般的に、金属と半導体の界面には、電子
あるいは正孔の通過に対する電気的障壁が形成される。
この電気的障壁の高さが大きいと、その金属と半導体と
の接合は整流性となり、電流の通過に対して閾電圧を持
つようになる。このような接合(ショットキー接合と呼
ばれる)は、これを意図して用いる場合(ショットキー
ダイオード等)を除けば極めて不都合であるため、通常
は何らかの方法を用いて金属と半導体の接触をオーミッ
ク接触(線形にすること)にすることが行われる。
あるいは正孔の通過に対する電気的障壁が形成される。
この電気的障壁の高さが大きいと、その金属と半導体と
の接合は整流性となり、電流の通過に対して閾電圧を持
つようになる。このような接合(ショットキー接合と呼
ばれる)は、これを意図して用いる場合(ショットキー
ダイオード等)を除けば極めて不都合であるため、通常
は何らかの方法を用いて金属と半導体の接触をオーミッ
ク接触(線形にすること)にすることが行われる。
【0009】オーミック接触を得る方法は何通りか存在
するが、基本的な必要条件は金属との界面近傍の半導体
層中のキャリア(n型の場合は電子、p型の場合は正
孔)濃度を十分高くすることである。電極直下のキャリ
ア濃度を十分高くし、フェルミ準位が伝導帯あるいは価
電子帯内に入るようにすれば、半導体はいわゆるメタリ
ックな状態となるので、電極金属の種類によらずオーミ
ック接触を得ることができる。
するが、基本的な必要条件は金属との界面近傍の半導体
層中のキャリア(n型の場合は電子、p型の場合は正
孔)濃度を十分高くすることである。電極直下のキャリ
ア濃度を十分高くし、フェルミ準位が伝導帯あるいは価
電子帯内に入るようにすれば、半導体はいわゆるメタリ
ックな状態となるので、電極金属の種類によらずオーミ
ック接触を得ることができる。
【0010】しかしながら、前述した加熱処理によるp
型化処理では、正孔濃度が十分高くならないため、電極
部分の接触抵抗が大きくなってしまうという問題点があ
った。
型化処理では、正孔濃度が十分高くならないため、電極
部分の接触抵抗が大きくなってしまうという問題点があ
った。
【0011】そこで、本発明では、量産が容易であり、
電極との接触抵抗が小さい半導体素子を得るための製造
方法を提供することを目的としている。
電極との接触抵抗が小さい半導体素子を得るための製造
方法を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
2族不純物元素を添加したGaN系半導体層を積層する
工程と、前記GaN系半導体層を所定温度に加熱し、前
記GaN系半導体層のエネルギー禁制帯幅を上回るエネ
ルギーを有する電磁波を照射する工程と、電極を形成す
る工程と、を含むことを特徴とする。
2族不純物元素を添加したGaN系半導体層を積層する
工程と、前記GaN系半導体層を所定温度に加熱し、前
記GaN系半導体層のエネルギー禁制帯幅を上回るエネ
ルギーを有する電磁波を照射する工程と、電極を形成す
る工程と、を含むことを特徴とする。
【0013】請求項2記載の発明は、請求項1記載の半
導体素子製造方法において、前記電磁波を前記GaN系
半導体層の表面に照射することを特徴とする。
導体素子製造方法において、前記電磁波を前記GaN系
半導体層の表面に照射することを特徴とする。
【0014】請求項3記載の発明は、請求項1記載の半
導体素子製造方法において、前記GaN系半導体層が前
記所定温度にあるとき、前記電磁波を所定時間にわたっ
て照射することを特徴とする。
導体素子製造方法において、前記GaN系半導体層が前
記所定温度にあるとき、前記電磁波を所定時間にわたっ
て照射することを特徴とする。
【0015】請求項4記載の発明は、請求項1、2また
は3記載の半導体素子製造方法において、前記GaN系
半導体は、(Alx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x
≦1.0、0≦y≦1.0)からなる3族窒化物半導体
であることを特徴とする。
は3記載の半導体素子製造方法において、前記GaN系
半導体は、(Alx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x
≦1.0、0≦y≦1.0)からなる3族窒化物半導体
であることを特徴とする。
【0016】請求項5記載の発明は、請求項1ないし4
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記電磁波の波長は、前記GaN系化合物半導体層の最表
層の組成に対応した波長であることを特徴とする。
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記電磁波の波長は、前記GaN系化合物半導体層の最表
層の組成に対応した波長であることを特徴とする。
【0017】請求項6記載の発明は、請求項1ないし4
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記GaN系半導体層を積層する工程は、有機金属化学気
相成長法で行われることを特徴とする。
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記GaN系半導体層を積層する工程は、有機金属化学気
相成長法で行われることを特徴とする。
【0018】請求項7記載の発明は、請求項1ないし6
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記所定温度は300℃以上1000℃以下であることを
特徴とする。
のいずれか1に記載の半導体素子製造方法において、前
記所定温度は300℃以上1000℃以下であることを
特徴とする。
【0019】請求項8記載の発明は、請求項1に記載の
半導体素子製造方法において、前記GaN系導体層の温
度が300℃以下となるまで前記電磁波を継続して照射
することを特徴とする。
半導体素子製造方法において、前記GaN系導体層の温
度が300℃以下となるまで前記電磁波を継続して照射
することを特徴とする。
【0020】
【作用】本発明の半導体素子製造方法によれば、高い正
孔濃度を有するp型GaN半導体層を得ることができ、
電極との接触抵抗を小さくすることができる。
孔濃度を有するp型GaN半導体層を得ることができ、
電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【0021】また、p型化のための加熱処理を紫外線な
どの電磁波を照射することにより行うので、ウェハ全体
を一度に処理することができ、電子線装置のような電子
ビームの走査や、高真空を必要とせず大量生産に有効で
ある。
どの電磁波を照射することにより行うので、ウェハ全体
を一度に処理することができ、電子線装置のような電子
ビームの走査や、高真空を必要とせず大量生産に有効で
ある。
【0022】
【実施例】以下、本発明による半導体素子の製造方法を
図面に基づいて説明する。
図面に基づいて説明する。
【0023】(I)半導体素子の構造 図1は本発明の製造方法における製造方法により製造さ
れた半導体素子の構成を示す図であり、サファイア基板
上にGaNホモ接合構造のpnダイオードを有するもの
である。
れた半導体素子の構成を示す図であり、サファイア基板
上にGaNホモ接合構造のpnダイオードを有するもの
である。
【0024】図1において、1はサファイア基板、2は
窒化アルミニウム(以下、AlNとする。)からなるバ
ッファ層、3はSiがドープされたn型GaN層(また
はSiがドープされた(Alx Ga1-x )1-y Iny N
(0≦x≦1.0、0≦y≦1.0))、4はMgが
ドープされたp型GaN層(またはMgがドープされた
(Alx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x≦1.0、
0≦y≦1.0))である。また、p型GaN層4にド
ープされる不純物元素としては、Mgに限らず、Be、
Ca等の2A族元素やZn等の2B族元素を用いてもよ
い。
窒化アルミニウム(以下、AlNとする。)からなるバ
ッファ層、3はSiがドープされたn型GaN層(また
はSiがドープされた(Alx Ga1-x )1-y Iny N
(0≦x≦1.0、0≦y≦1.0))、4はMgが
ドープされたp型GaN層(またはMgがドープされた
(Alx Ga1-x )1-y Iny N (0≦x≦1.0、
0≦y≦1.0))である。また、p型GaN層4にド
ープされる不純物元素としては、Mgに限らず、Be、
Ca等の2A族元素やZn等の2B族元素を用いてもよ
い。
【0025】さらに、5はn型GaN層側の電極であ
り、6はp型GaN層側の電極である。n型GaN層及
びp型GaN層の表面は酸化シリコン(以下、SiO2
とする。)の保護層7で保護され、n型GaN層側の電
極5は窓部8のみ、p型GaN層側の電極6は窓部9の
みで、それぞれn型GaN層、p型GaN層側と接触し
ている。
り、6はp型GaN層側の電極である。n型GaN層及
びp型GaN層の表面は酸化シリコン(以下、SiO2
とする。)の保護層7で保護され、n型GaN層側の電
極5は窓部8のみ、p型GaN層側の電極6は窓部9の
みで、それぞれn型GaN層、p型GaN層側と接触し
ている。
【0026】(II)半導体素子の製造方法 次に、この半導体素子の製造方法について説明する。
【0027】(ウェハの作製工程)サファイア基板1を
成膜用MOCVD成長炉に装填し、1050℃の温度に
おいて水素気流中で10分間保持し、サファイア基板1
の表面の熱クリーニングを行う。この後、サファイア基
板1をその温度が600℃になるまで降温し、窒素原料
となるNH3 と、Al原料であるTMA(トリメチルア
ルミニウム)を成長炉内に導入し、AlNからなるバッ
ファ層2を20nmの厚さに積層させる。
成膜用MOCVD成長炉に装填し、1050℃の温度に
おいて水素気流中で10分間保持し、サファイア基板1
の表面の熱クリーニングを行う。この後、サファイア基
板1をその温度が600℃になるまで降温し、窒素原料
となるNH3 と、Al原料であるTMA(トリメチルア
ルミニウム)を成長炉内に導入し、AlNからなるバッ
ファ層2を20nmの厚さに積層させる。
【0028】続いてTMAの供給を止め、NH3 のみを
流したまま、バッファ層2が積層されたサファイア基板
1の温度を再び1050℃に昇温し、TMG(トリメチ
ルガリウム)を導入しn型GaN層3を積層させる。こ
のときn型不純物としてSiを添加するためMe−Si
H3 (メチルシラン)を加える。
流したまま、バッファ層2が積層されたサファイア基板
1の温度を再び1050℃に昇温し、TMG(トリメチ
ルガリウム)を導入しn型GaN層3を積層させる。こ
のときn型不純物としてSiを添加するためMe−Si
H3 (メチルシラン)を加える。
【0029】n型GaN層3が2μm程度成長したとこ
ろで、Me−SiH3 の供給を止め、代わりにp型不純
物としてのMgの原料であるEt−Cp2 Mg(エチル
シクロペンタジエニルマグネシウム)を導入する。
ろで、Me−SiH3 の供給を止め、代わりにp型不純
物としてのMgの原料であるEt−Cp2 Mg(エチル
シクロペンタジエニルマグネシウム)を導入する。
【0030】MgがドープされたGaN層を1μm程度
成長させたところでNH3 以外の原料供給を停止し、こ
れと同時に冷却を開始する。室温近傍まで冷却後、n型
GaN層及びMgがドープされたGaN層が積層された
ウェハをMOCVD成長炉から取り出す。
成長させたところでNH3 以外の原料供給を停止し、こ
れと同時に冷却を開始する。室温近傍まで冷却後、n型
GaN層及びMgがドープされたGaN層が積層された
ウェハをMOCVD成長炉から取り出す。
【0031】(p型化工程)図2は、本発明における加
熱処理炉の構成を示す図である。図2において、10は
ステンレス製の加熱処理炉本体、11はウェハの作成工
程で作成されたウェハ17を設置するグラファイト製サ
セプタであり、加熱処理炉本体10の下部より石英製窓
12を通して図示せぬ赤外線ランプ等により加熱され
る。
熱処理炉の構成を示す図である。図2において、10は
ステンレス製の加熱処理炉本体、11はウェハの作成工
程で作成されたウェハ17を設置するグラファイト製サ
セプタであり、加熱処理炉本体10の下部より石英製窓
12を通して図示せぬ赤外線ランプ等により加熱され
る。
【0032】光源13からの光は、光ファイバ14で石
英製集光レンズ15に導かれ、加熱処理炉本体10上部
に設けられた石英製の光導入窓16を通してサセプタ1
1上に照射される。光源13としては水銀キセノンラン
プを用い可視・赤外領域を除去してから照射される。
英製集光レンズ15に導かれ、加熱処理炉本体10上部
に設けられた石英製の光導入窓16を通してサセプタ1
1上に照射される。光源13としては水銀キセノンラン
プを用い可視・赤外領域を除去してから照射される。
【0033】照射に用いる光(電磁波)は、加熱処理を
施すべきウェハ最表面の半導体層のエネルギーギャップ
(エネルギー禁制帯幅)に相当する波長より短波長のも
のを使用する。したがって、最表面の半導体層が3.4
eVのエネルギーギャップを有するGaNである場合は
365nmより短い波長の紫外線を用いる。
施すべきウェハ最表面の半導体層のエネルギーギャップ
(エネルギー禁制帯幅)に相当する波長より短波長のも
のを使用する。したがって、最表面の半導体層が3.4
eVのエネルギーギャップを有するGaNである場合は
365nmより短い波長の紫外線を用いる。
【0034】また、最表面の半導体層が(Alx Ga
1-x )1-y Iny N(0≦x≦1.0、0≦y≦1.
0)である場合は、x、yの値に応じて、InNのエネ
ルギーギャップに対応する波長約650nmから、Al
Nのエネルギーギャップに対応する波長約200nmの
間で照射に用いる電磁波の波長が変化する。よって、光
源13に用いられるのは水銀キセノンランプに限らず、
照射すべき電磁波に応じて適宜選択される。
1-x )1-y Iny N(0≦x≦1.0、0≦y≦1.
0)である場合は、x、yの値に応じて、InNのエネ
ルギーギャップに対応する波長約650nmから、Al
Nのエネルギーギャップに対応する波長約200nmの
間で照射に用いる電磁波の波長が変化する。よって、光
源13に用いられるのは水銀キセノンランプに限らず、
照射すべき電磁波に応じて適宜選択される。
【0035】ウェハ17をサセプタ11設置した後、排
気口18から図示せぬ真空ポンプを用いて加熱処理炉本
体10の内部を真空にする。しかる後にガス導入口19
から高純度窒素ガスを導入して内部を窒素ガスで置換
し、大気圧に到達すると同時にガス排出口20を開放し
て加熱処理炉10内に窒素フローを作る。
気口18から図示せぬ真空ポンプを用いて加熱処理炉本
体10の内部を真空にする。しかる後にガス導入口19
から高純度窒素ガスを導入して内部を窒素ガスで置換
し、大気圧に到達すると同時にガス排出口20を開放し
て加熱処理炉10内に窒素フローを作る。
【0036】その後、赤外線ランプでサセプタ11を温
度800℃まで昇温させる。ウェハ17の温度が800
℃に到達した後、光源13からの紫外光をサセプタ11
上のウェハ17のMgがドープされたGaN半導体層の
表面に照射する。電磁波を照射する際のウェハの温度は
300℃から1000℃以下が望ましい。後述するが、
Mg−Hの解離反応が約300℃くらいから始まるので
300℃以下では効果がなく、1000℃以上の高温で
は半導体層あるいは素子構造の劣化が生じるためであ
る。
度800℃まで昇温させる。ウェハ17の温度が800
℃に到達した後、光源13からの紫外光をサセプタ11
上のウェハ17のMgがドープされたGaN半導体層の
表面に照射する。電磁波を照射する際のウェハの温度は
300℃から1000℃以下が望ましい。後述するが、
Mg−Hの解離反応が約300℃くらいから始まるので
300℃以下では効果がなく、1000℃以上の高温で
は半導体層あるいは素子構造の劣化が生じるためであ
る。
【0037】このp型化工程においてMgがドープされ
たGaN層内で起きている現象については後述する。
たGaN層内で起きている現象については後述する。
【0038】(素子化工程)次に、p型化工程を経たウ
ェハ17上に、一般的なフォトリソグラフィを用いてエ
ッチングマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチ
ング)を用いてp型GaN層の不要な部分を除去し、部
分的にn型GaN層3を露出させる。
ェハ17上に、一般的なフォトリソグラフィを用いてエ
ッチングマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチ
ング)を用いてp型GaN層の不要な部分を除去し、部
分的にn型GaN層3を露出させる。
【0039】エッチングマスクを除去後、フォトレジス
トを塗布し、これをフォトリソグラフィにより電極形成
部分を残して除去する。フォトレジスト上にSiO2 保
護膜をスパッタリング等の方法によって積層させる。こ
の後、リフトオフ法によって、フォトレジストとともに
不要なSiO2 保護膜を除去し、窓部8、9を形成す
る。
トを塗布し、これをフォトリソグラフィにより電極形成
部分を残して除去する。フォトレジスト上にSiO2 保
護膜をスパッタリング等の方法によって積層させる。こ
の後、リフトオフ法によって、フォトレジストとともに
不要なSiO2 保護膜を除去し、窓部8、9を形成す
る。
【0040】n型GaN層3が露出している部分に、T
i(チタン)を50nm、続いてAl(アルミニウム)
を200nm蒸着し、n型GaN層側の電極5を形成す
る。p型GaN層が露出している部分には、Ni(ニッ
ケル)を50nm、Au(金)を200nm蒸着し、p
型GaN側の電極6を形成する。その後、ウェハを切断
し半導体素子を得る。
i(チタン)を50nm、続いてAl(アルミニウム)
を200nm蒸着し、n型GaN層側の電極5を形成す
る。p型GaN層が露出している部分には、Ni(ニッ
ケル)を50nm、Au(金)を200nm蒸着し、p
型GaN側の電極6を形成する。その後、ウェハを切断
し半導体素子を得る。
【0041】上述した、ウェハの作成工程−p型化工程
−素子化工程を経て図1に示す構造の半導体素子を得る
ことができる。
−素子化工程を経て図1に示す構造の半導体素子を得る
ことができる。
【0042】(III)加熱処理における半導体層中の
現象 Mg等の2族元素を添加したGaN系半導体層をMOC
VD法により成長させると、半導体層中に水素が取り込
まれ、アクセプタ不純物となるべきMgが不動態化され
る。この水素の量は、半導体層中に添加されたMgの量
とほぼ等しく、半導体層中にMg−Hの形に結合した状
態で取り込まれていると推察される。
現象 Mg等の2族元素を添加したGaN系半導体層をMOC
VD法により成長させると、半導体層中に水素が取り込
まれ、アクセプタ不純物となるべきMgが不動態化され
る。この水素の量は、半導体層中に添加されたMgの量
とほぼ等しく、半導体層中にMg−Hの形に結合した状
態で取り込まれていると推察される。
【0043】従来技術のように、窒素雰囲気中で800
℃で20分程度の加熱処理を行うことによってこの水素
が半導体層から脱離する。そして、Mg原子濃度と、加
熱処理後に残留している水素原子濃度の差分に相当する
量の有効アクセプタが半導体層中に現れる。このことに
よってMgがドープされた半導体層はp型化する。
℃で20分程度の加熱処理を行うことによってこの水素
が半導体層から脱離する。そして、Mg原子濃度と、加
熱処理後に残留している水素原子濃度の差分に相当する
量の有効アクセプタが半導体層中に現れる。このことに
よってMgがドープされた半導体層はp型化する。
【0044】図5ないし8は、MgをドープしたGaN
半導体層に関し、SIMS(2次イオン質量分析)測定
を行った結果を示している。測定に用いた試料は、Si
をドープしたn型GaN半導体層上にMgをドープした
GaN半導体層を成膜したものである。
半導体層に関し、SIMS(2次イオン質量分析)測定
を行った結果を示している。測定に用いた試料は、Si
をドープしたn型GaN半導体層上にMgをドープした
GaN半導体層を成膜したものである。
【0045】図5及び6はアズグロンの試料の結果を、
図7及び8は800℃で20分の加熱処理を施した試料
のSIMS測定の結果を示している。
図7及び8は800℃で20分の加熱処理を施した試料
のSIMS測定の結果を示している。
【0046】図5及び図7の縦軸はMgの1cm3 に存
在する原子数を示し、横軸は表面からの深さ(μm)を
示している。図6及び図8の縦軸はH、Siの1cm3
に存在する原子数を示し、横軸は表面からの深さ(μ
m)を示している。
在する原子数を示し、横軸は表面からの深さ(μm)を
示している。図6及び図8の縦軸はH、Siの1cm3
に存在する原子数を示し、横軸は表面からの深さ(μ
m)を示している。
【0047】図5及び6から、アズグロンの試料の場
合、Mgがドープされた半導体層の1.0μmまでの水
素原子数とMg原子数は2×1019cm-3であり、水素
濃度とMg濃度は較正誤差内でほぼ一致しているといえ
る。図7及び8から、加熱処理を行った試料では、Mg
原子数は図5と同一であるのに対し、水素原子数は約2
×1019cm-3であり加熱処理前の約1/2に減少して
おり、加熱処理の効果に関する前述の推測を裏付けてい
る。
合、Mgがドープされた半導体層の1.0μmまでの水
素原子数とMg原子数は2×1019cm-3であり、水素
濃度とMg濃度は較正誤差内でほぼ一致しているといえ
る。図7及び8から、加熱処理を行った試料では、Mg
原子数は図5と同一であるのに対し、水素原子数は約2
×1019cm-3であり加熱処理前の約1/2に減少して
おり、加熱処理の効果に関する前述の推測を裏付けてい
る。
【0048】ここで、加熱処理を行った試料について重
要であるのは、p型半導体層内の水素濃度が、n型半導
体層部分に於ける水素濃度(1018cm-3、測定限界
値)までは低下してはいないということである。加熱処
理した試料の室温正孔濃度は2×1017cm-3であり、
p型半導体層中に於けるMgアクセプタの熱活性化率が
10-2台であることを考慮すると、Mg濃度と水素濃度
の差が実効アクセプタ濃度であるとして計算した正孔濃
度とほぼ一致する。このことは、800℃で20分程度
の加熱処理の場合、最終的に得られる正孔濃度は、半導
体層中に添加されたMg濃度で直接決定されているので
はなく、むしろ半導体層からどれだけの水素が脱離した
かで決定されていることを示している。
要であるのは、p型半導体層内の水素濃度が、n型半導
体層部分に於ける水素濃度(1018cm-3、測定限界
値)までは低下してはいないということである。加熱処
理した試料の室温正孔濃度は2×1017cm-3であり、
p型半導体層中に於けるMgアクセプタの熱活性化率が
10-2台であることを考慮すると、Mg濃度と水素濃度
の差が実効アクセプタ濃度であるとして計算した正孔濃
度とほぼ一致する。このことは、800℃で20分程度
の加熱処理の場合、最終的に得られる正孔濃度は、半導
体層中に添加されたMg濃度で直接決定されているので
はなく、むしろ半導体層からどれだけの水素が脱離した
かで決定されていることを示している。
【0049】図9はその縦軸に室温正孔濃度、横軸に加
熱処理時間(分)をとったものであり、800℃の温度
条件下で加熱処理を施す時間を変化させた場合の、室温
キャリア濃度の処理時間依存性の測定結果を示してい
る。処理時間15分で正孔濃度は飽和しており、この結
果からは20分間の処理時間で十分であると判断され
る。
熱処理時間(分)をとったものであり、800℃の温度
条件下で加熱処理を施す時間を変化させた場合の、室温
キャリア濃度の処理時間依存性の測定結果を示してい
る。処理時間15分で正孔濃度は飽和しており、この結
果からは20分間の処理時間で十分であると判断され
る。
【0050】これらのことから、800℃での加熱処理
時間を延長しても、添加したMgの量に相当する正孔濃
度までは得られないことがわかる。それはMgをドープ
した半導体層中の水素が脱離しきらないからであると結
論される。
時間を延長しても、添加したMgの量に相当する正孔濃
度までは得られないことがわかる。それはMgをドープ
した半導体層中の水素が脱離しきらないからであると結
論される。
【0051】従来技術の加熱処理によるMgをドープし
た半導体層からの水素の脱離機構には、水素の拡散作用
が含まれていることは明らかであるから、水素の脱離の
みを考えれば、加熱処理の温度を高くすれば促進される
はずである。しかしながら、例えば1000℃以上とい
った高温で加熱処理をおこなうと、今度はGaNからの
窒素の脱離が進行し、半導体層の劣化が生じてしまった
り、素子内に形成された多層構造が熱拡散により劣化し
てしまう問題点を生ずる。
た半導体層からの水素の脱離機構には、水素の拡散作用
が含まれていることは明らかであるから、水素の脱離の
みを考えれば、加熱処理の温度を高くすれば促進される
はずである。しかしながら、例えば1000℃以上とい
った高温で加熱処理をおこなうと、今度はGaNからの
窒素の脱離が進行し、半導体層の劣化が生じてしまった
り、素子内に形成された多層構造が熱拡散により劣化し
てしまう問題点を生ずる。
【0052】その対策の1つとして、半導体層の表面
に、水素透過性を有する一方窒素は透過しない性質を持
った膜を被着させた後に高温で加熱処理を行い、しかる
後に被着させた膜を除去するという工程も原理的には考
えられる。しかし、半導体表面に対し膜の被着・除去を
繰り返すことは量産に不向きである上、表面に汚染を残
しやすく、特に後工程で電極用金属を蒸着する表面に汚
染が残留することは、電極との接触抵抗を高くする恐れ
が大である。
に、水素透過性を有する一方窒素は透過しない性質を持
った膜を被着させた後に高温で加熱処理を行い、しかる
後に被着させた膜を除去するという工程も原理的には考
えられる。しかし、半導体表面に対し膜の被着・除去を
繰り返すことは量産に不向きである上、表面に汚染を残
しやすく、特に後工程で電極用金属を蒸着する表面に汚
染が残留することは、電極との接触抵抗を高くする恐れ
が大である。
【0053】このように、半導体層の質を損ねることな
くp型半導体層中に取り込まれた水素を従来技術の加熱
処理だけで完全にp型半導体層から抜き取ることは不可
能であることを、本願の発明者達は見出した。
くp型半導体層中に取り込まれた水素を従来技術の加熱
処理だけで完全にp型半導体層から抜き取ることは不可
能であることを、本願の発明者達は見出した。
【0054】前述の図8に示されるようにMgをドープ
したp型GaN半導体層からの水素脱離が不完全な状態
で留まってしまうのは、水素脱離過程のどこかに強い律
速過程が存在するからであると考えられる。
したp型GaN半導体層からの水素脱離が不完全な状態
で留まってしまうのは、水素脱離過程のどこかに強い律
速過程が存在するからであると考えられる。
【0055】Mg−H複合体(通常complexと呼
ばれる)の熱解離に関する障壁エネルギーの値は、理論
的に約1.5eVと見積もられており(J.Neugebaueret
al:Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.423,pp619-623 を参
照)、この障壁高さからすれば300℃程度の加熱処理
で水素脱離の効果が現れるはずである。
ばれる)の熱解離に関する障壁エネルギーの値は、理論
的に約1.5eVと見積もられており(J.Neugebaueret
al:Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.423,pp619-623 を参
照)、この障壁高さからすれば300℃程度の加熱処理
で水素脱離の効果が現れるはずである。
【0056】これに反し、実際に加熱処理で顕著なp型
化効果が現れるのは600℃以上の温度領域であること
がわかっている(S.Nakamuraetal.:Jpn.J.Appl.Phys.3
1,1992,pp1258-1266 )。また、熱により解離したMg
−H複合体は、
化効果が現れるのは600℃以上の温度領域であること
がわかっている(S.Nakamuraetal.:Jpn.J.Appl.Phys.3
1,1992,pp1258-1266 )。また、熱により解離したMg
−H複合体は、
【数1】
【0057】となるが、このH+ のGaN半導体層中で
の拡散に関する障壁エネルギーは0.7eV程度と計算
されている(J.Neugebaueretal.Phys.Rev.Lett.75,199
5,p4452 を参照)。これらのことから、上述のNeugeba
uer等も半導体層からの水素脱離には更に別の障壁が存
在する可能性を示唆している(J.Neugebbauer etal:Ma
t.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.423,p623 を参照)。
の拡散に関する障壁エネルギーは0.7eV程度と計算
されている(J.Neugebaueretal.Phys.Rev.Lett.75,199
5,p4452 を参照)。これらのことから、上述のNeugeba
uer等も半導体層からの水素脱離には更に別の障壁が存
在する可能性を示唆している(J.Neugebbauer etal:Ma
t.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.423,p623 を参照)。
【0058】800℃程度の温度に加熱された、Mgが
ドープされたGaN半導体層中では、(1)式でしめす
ようなMg−H複合体の解離が生じる。Mg−H解離反
応の障壁エネルギーは低いので、MgがドープされたG
aN半導体層中の全てのMg−H複合体は上記の(1)
式にしたがって解離していると考えられる。
ドープされたGaN半導体層中では、(1)式でしめす
ようなMg−H複合体の解離が生じる。Mg−H解離反
応の障壁エネルギーは低いので、MgがドープされたG
aN半導体層中の全てのMg−H複合体は上記の(1)
式にしたがって解離していると考えられる。
【0059】この反応で発生したH+ はMgがドープさ
れたGaN半導体層中を比較的容易に拡散するが、H+
のまま脱離することはできない。なぜなら、H+ とは陽
子そのものであり、窒素ガスで満たされた加熱処理炉内
雰囲気へそのまま出て行くことはできないからである。
つまり、MgがドープされたGaN半導体層表面から脱
離していくためには水素ガス分子(以下、H2 と表記す
る)の形態を取らなければならない。
れたGaN半導体層中を比較的容易に拡散するが、H+
のまま脱離することはできない。なぜなら、H+ とは陽
子そのものであり、窒素ガスで満たされた加熱処理炉内
雰囲気へそのまま出て行くことはできないからである。
つまり、MgがドープされたGaN半導体層表面から脱
離していくためには水素ガス分子(以下、H2 と表記す
る)の形態を取らなければならない。
【0060】H2 の脱離には更に、まずH+ が負電荷を
獲得し中性化する過程、
獲得し中性化する過程、
【0061】
【数2】
【0062】と、この中性化したH0 同士が会合しH2
になる過程、
になる過程、
【0063】
【数3】
【0064】とからなる反応が存在する。上記では中性
化する過程の式(2)を1方向への反応の様に記述した
が、実際には正しくない。半導体層中に於ける水素(H
+ 、H0 、H- )の形成エネルギーを計算すると、いか
なるフェルミレベルの条件に対してもH+ またはH- と
いう荷電状態よりH0 の方が形成エネルギーが高い(こ
の点については、J.Neugebbaueretal:Mat.Res.Soc.Sym
p.Proc.Vol.395,p645 を参照)。つまり中性状態のH0
は半導体層中で不安定である。
化する過程の式(2)を1方向への反応の様に記述した
が、実際には正しくない。半導体層中に於ける水素(H
+ 、H0 、H- )の形成エネルギーを計算すると、いか
なるフェルミレベルの条件に対してもH+ またはH- と
いう荷電状態よりH0 の方が形成エネルギーが高い(こ
の点については、J.Neugebbaueretal:Mat.Res.Soc.Sym
p.Proc.Vol.395,p645 を参照)。つまり中性状態のH0
は半導体層中で不安定である。
【0065】このことは、(2)式において左向きの反
応の方が起こりやすいことを意味し、
応の方が起こりやすいことを意味し、
【0066】
【数4】
【0067】なる形で書かれるべきである。一方、
(3)式の反応は、水素の熱安定性を考慮すれば、ほと
んど右向きの反応のみと考えてよい。
(3)式の反応は、水素の熱安定性を考慮すれば、ほと
んど右向きの反応のみと考えてよい。
【0068】これらの考察から、水素の脱離を律速する
過程とは、(2)式で示す中性化の反応過程であること
が推測される。
過程とは、(2)式で示す中性化の反応過程であること
が推測される。
【0069】(2)式において、左辺のe- (電子)
は、明らかに伝導帯中の電子である。加熱処理前のMg
をドープしたGaN半導体層は室温ではほとんど絶縁体
であり、伝導帯の電子濃度は皆無と言ってよい。また、
フェルミレベルは禁制帯のほぼ中央にある。仮に、Mg
- の濃度とH+ の濃度が等しいまま(つまり水素が全く
脱離しないまま)温度が上がったと仮定すると、フェル
ミレベルの位置はほぼそのままで、図10に示すように
フェルミ分布の裾が広がってくる(図10において縦軸
はエネルギー、横軸は電子の占有確立を示す)。
は、明らかに伝導帯中の電子である。加熱処理前のMg
をドープしたGaN半導体層は室温ではほとんど絶縁体
であり、伝導帯の電子濃度は皆無と言ってよい。また、
フェルミレベルは禁制帯のほぼ中央にある。仮に、Mg
- の濃度とH+ の濃度が等しいまま(つまり水素が全く
脱離しないまま)温度が上がったと仮定すると、フェル
ミレベルの位置はほぼそのままで、図10に示すように
フェルミ分布の裾が広がってくる(図10において縦軸
はエネルギー、横軸は電子の占有確立を示す)。
【0070】伝導帯にいる電子の密度は、伝導帯の有効
状態密度とフェルミ分布の積で近似されるので、温度の
上昇によって伝導帯の電子濃度が上昇してくる。この電
子によってH+ の中性化反応が進行し、結果として水素
が半導体層中から脱離する。
状態密度とフェルミ分布の積で近似されるので、温度の
上昇によって伝導帯の電子濃度が上昇してくる。この電
子によってH+ の中性化反応が進行し、結果として水素
が半導体層中から脱離する。
【0071】しかし、このようにして生じた電子の濃度
は、バンドギャップの値が室温で約3.4eVと大きい
GaNの場合は、800℃の温度でも1011cm-3程度
と極めて小さな値である。
は、バンドギャップの値が室温で約3.4eVと大きい
GaNの場合は、800℃の温度でも1011cm-3程度
と極めて小さな値である。
【0072】更に、半導体層から水素が脱離して行くに
したがい、MgがドープされたGaN半導体層はp型に
なっていくが、p型になるということはMgがドープさ
れたGaN半導体のフェルミレベルが価電子帯へと移動
していくことを意味し、伝導帯中の電子濃度は急速に減
少して行く。
したがい、MgがドープされたGaN半導体層はp型に
なっていくが、p型になるということはMgがドープさ
れたGaN半導体のフェルミレベルが価電子帯へと移動
していくことを意味し、伝導帯中の電子濃度は急速に減
少して行く。
【0073】図11はその縦軸に残存水素量(相対
値)、横軸に加熱処理時間をとったものであり、上記の
反応式(1)から(3)を元に、半導体層中に残留する
水素濃度の処理時間依存性を計算したものである。ここ
で、800℃でMgアクセプタは全て電離しているこ
と、及びH+ の拡散が十分速く半導体層中にH+ の濃度
分布が発生しないことを仮定し、温度一定の元ではnp
積(電子濃度と正孔濃度の積)が一定であると近似して
計算している。
値)、横軸に加熱処理時間をとったものであり、上記の
反応式(1)から(3)を元に、半導体層中に残留する
水素濃度の処理時間依存性を計算したものである。ここ
で、800℃でMgアクセプタは全て電離しているこ
と、及びH+ の拡散が十分速く半導体層中にH+ の濃度
分布が発生しないことを仮定し、温度一定の元ではnp
積(電子濃度と正孔濃度の積)が一定であると近似して
計算している。
【0074】図11から分かるように、加熱処理の初期
には水素が急速に脱離するが、p型の発現と共に脱離速
度が急速に減少し、数割の水素が脱離して明らかなp型
状態(室温正孔濃度に換算して1017cm-3程度)に到
達すると、ほとんど水素の脱離が進行しなくなるのであ
る。
には水素が急速に脱離するが、p型の発現と共に脱離速
度が急速に減少し、数割の水素が脱離して明らかなp型
状態(室温正孔濃度に換算して1017cm-3程度)に到
達すると、ほとんど水素の脱離が進行しなくなるのであ
る。
【0075】加熱処理によるp型化工程は、このような
メカニズムで進行していると推測される。したがって、
従来の加熱処理では、大量の水素が半導体層中に残留し
てしまうため、室温キャリア濃度が十分上昇せず電極と
の接触抵抗がある程度以下にならないのである。
メカニズムで進行していると推測される。したがって、
従来の加熱処理では、大量の水素が半導体層中に残留し
てしまうため、室温キャリア濃度が十分上昇せず電極と
の接触抵抗がある程度以下にならないのである。
【0076】(IV)電磁波(光) 照射をともなう加熱
処理 これに対し、本発明の半導体素子製造方法の加熱処理に
おいては、電磁波(光)照射を行い、半導体層の最表層
にこの光子を吸収させる点が最大の特徴である。
処理 これに対し、本発明の半導体素子製造方法の加熱処理に
おいては、電磁波(光)照射を行い、半導体層の最表層
にこの光子を吸収させる点が最大の特徴である。
【0077】半導体にその禁制帯より高いエネルギーの
光子を照射吸収させると、伝導帯と価電子帯に熱平衡状
態を超える濃度の電子・正孔対が形成される。こうした
電子・正孔対は、熱平衡状態へ復帰すべく発光性・非発
光性再結合過程を通じて消滅して行く。結果として、照
射光の強度に対応した濃度の過剰電子(熱平衡状態に対
しての過剰電子)が伝導帯中に存在することになる。
光子を照射吸収させると、伝導帯と価電子帯に熱平衡状
態を超える濃度の電子・正孔対が形成される。こうした
電子・正孔対は、熱平衡状態へ復帰すべく発光性・非発
光性再結合過程を通じて消滅して行く。結果として、照
射光の強度に対応した濃度の過剰電子(熱平衡状態に対
しての過剰電子)が伝導帯中に存在することになる。
【0078】本発明の半導体素子製造方法におけるp型
化処理は、この過剰電子によりH+の中性化反応を促進
することで、Mgがドープされた半導体層がp型化する
ことによって引き起こされる処理速度の急激な低下を防
止し、従来の加熱処理に比べて水素脱離反応を促進させ
正孔濃度の高いp型半導体層を得ようとするものであ
る。
化処理は、この過剰電子によりH+の中性化反応を促進
することで、Mgがドープされた半導体層がp型化する
ことによって引き起こされる処理速度の急激な低下を防
止し、従来の加熱処理に比べて水素脱離反応を促進させ
正孔濃度の高いp型半導体層を得ようとするものであ
る。
【0079】但し、電磁波照射をおこなう加熱処理の効
果は半導体層の厚さ方向に対して均一なものではない。
H+ の拡散速度が無限大である(H+ の濃度分布が無
い)と仮定した図11から明らかなように、従来の電磁
波照射をしない加熱処理の場合、水素の脱離速度が大き
いのは加熱処理開始後のごく初期の段階のみであり、以
降は表面からの脱離速度が極端に低下する。したがっ
て、半導体層中でのH+の拡散速度が遅くとも、全体と
しての水素の脱離は半導体層表面からの脱離反応によっ
て律速される。
果は半導体層の厚さ方向に対して均一なものではない。
H+ の拡散速度が無限大である(H+ の濃度分布が無
い)と仮定した図11から明らかなように、従来の電磁
波照射をしない加熱処理の場合、水素の脱離速度が大き
いのは加熱処理開始後のごく初期の段階のみであり、以
降は表面からの脱離速度が極端に低下する。したがっ
て、半導体層中でのH+の拡散速度が遅くとも、全体と
しての水素の脱離は半導体層表面からの脱離反応によっ
て律速される。
【0080】一方、電磁波照射下では、励起された伝導
帯電子の働きにより中性化したH0の表面における濃度
は通常の熱平衡状態よりはるかに高くなっており、半導
体層表面における水素の脱離は、従来における加熱処理
過程のごく初期期間より長い期間維持される。このた
め、半導体層中でのH+ の拡散速度が有限である影響が
現れ、半導体層表面近傍の水素濃度が大きく減少した分
布が形成される。
帯電子の働きにより中性化したH0の表面における濃度
は通常の熱平衡状態よりはるかに高くなっており、半導
体層表面における水素の脱離は、従来における加熱処理
過程のごく初期期間より長い期間維持される。このた
め、半導体層中でのH+ の拡散速度が有限である影響が
現れ、半導体層表面近傍の水素濃度が大きく減少した分
布が形成される。
【0081】このようにして、半導体にその禁制帯より
高いエネルギーを有する電磁波照射をともなう加熱処理
方法の場合、半導体層の内部部分については従来による
加熱処理とほぼ同様の正孔濃度であるが、電極と接する
半導体層の表面部分は高い正孔濃度を有することにな
る。よって、電極との接触抵抗を従来の加熱処理に比べ
て低減することができる。
高いエネルギーを有する電磁波照射をともなう加熱処理
方法の場合、半導体層の内部部分については従来による
加熱処理とほぼ同様の正孔濃度であるが、電極と接する
半導体層の表面部分は高い正孔濃度を有することにな
る。よって、電極との接触抵抗を従来の加熱処理に比べ
て低減することができる。
【0082】以下、本発明による半導体素子製造方法に
より製造された半導体素子の特性について説明する。
より製造された半導体素子の特性について説明する。
【0083】評価対象の半導体素子は上記(II)で述
べた方法にて製造した。なお、光源13には可視・赤外
領域を除去した水銀キセノンランプを用いた(照射され
る電磁波は波長約365nm以下の紫外線である)。ま
た、処理温度は800℃、加熱時間は20分、雰囲気は
窒素とした。なお、サセプタ表面での照射光の強度は1
00mW/cm2 と見積もられ、電磁波の照射は800
℃に到達後開始した。
べた方法にて製造した。なお、光源13には可視・赤外
領域を除去した水銀キセノンランプを用いた(照射され
る電磁波は波長約365nm以下の紫外線である)。ま
た、処理温度は800℃、加熱時間は20分、雰囲気は
窒素とした。なお、サセプタ表面での照射光の強度は1
00mW/cm2 と見積もられ、電磁波の照射は800
℃に到達後開始した。
【0084】このp型化工程において20分経過時点で
電磁波の照射を停止すると共に降温をさせたものを試料
1とし、降温中も光源13からの照射を継続したものを
試料2とした。このようにして作製されたものを切断
し、試料1から得られた半導体素子をサンプル1とし
て、試料2から得られた半導体素子をサンプル2として
特性の測定を行った。
電磁波の照射を停止すると共に降温をさせたものを試料
1とし、降温中も光源13からの照射を継続したものを
試料2とした。このようにして作製されたものを切断
し、試料1から得られた半導体素子をサンプル1とし
て、試料2から得られた半導体素子をサンプル2として
特性の測定を行った。
【0085】図3はサンプル1の電圧電流特性を示す図
であり、縦軸は電流(mA)、横軸は電圧(V)であ
る。図3において、実線31はサンプル1、破線32
は、MgをドープしたGaN半導体層の表面に電磁波の
照射を行わない従来の加熱処理を用いて作製した素子の
電圧電流特性である。
であり、縦軸は電流(mA)、横軸は電圧(V)であ
る。図3において、実線31はサンプル1、破線32
は、MgをドープしたGaN半導体層の表面に電磁波の
照射を行わない従来の加熱処理を用いて作製した素子の
電圧電流特性である。
【0086】従来の加熱処理の場合、特に電流の立ち上
がり部分での曲がりが著しく、p側電極部分に何らかの
電位障壁があることを示唆している。一方、Mgをドー
プしたGaN半導体層の表面に電磁波の照射をともなう
加熱処理の場合では、立ち上がり部分が顕著に改善され
ており、電極の接触状態が大きく改善されたことを示し
ている。
がり部分での曲がりが著しく、p側電極部分に何らかの
電位障壁があることを示唆している。一方、Mgをドー
プしたGaN半導体層の表面に電磁波の照射をともなう
加熱処理の場合では、立ち上がり部分が顕著に改善され
ており、電極の接触状態が大きく改善されたことを示し
ている。
【0087】図4はサンプル2の電圧電流特性を示す図
であり、縦軸は電流(mA)、横軸は電圧(V)であ
る。図4において、実線41はサンプル2、破線42は
サンプル1の電圧電流特性である。
であり、縦軸は電流(mA)、横軸は電圧(V)であ
る。図4において、実線41はサンプル2、破線42は
サンプル1の電圧電流特性である。
【0088】図4から、サンプル1及びサンプル2とも
に、立ち上がり部分の小電流領域ではほぼ等しい特性を
有しているものの、電流の増大した直線領域では、サン
プル2のほうが傾斜が立っている。このことは、サンプ
ル2、すなわち、降温中もMgをドープしたGaN半導
体層の表面に電磁波の照射を継続したもののほうが更に
抵抗が低いことを示している。
に、立ち上がり部分の小電流領域ではほぼ等しい特性を
有しているものの、電流の増大した直線領域では、サン
プル2のほうが傾斜が立っている。このことは、サンプ
ル2、すなわち、降温中もMgをドープしたGaN半導
体層の表面に電磁波の照射を継続したもののほうが更に
抵抗が低いことを示している。
【0089】次に、降温中もMgをドープしたGaN半
導体層の表面に電磁波の照射を継続することにより引き
起こされる現象について考察する。加熱処理により半導
体層中で解離したH+ は、上記の(4)式であらわされ
る反応式により、中性状態との間で平衡に達する。前述
した様に、中性状態のH0 は安定状態ではないものの、
電磁波照射下では、照射されている電磁波が到達してい
る深さまでの領域では励起された伝導帯電子の働きによ
り中性状態のH0 の濃度は通常の熱平衡状態より高くな
っている。
導体層の表面に電磁波の照射を継続することにより引き
起こされる現象について考察する。加熱処理により半導
体層中で解離したH+ は、上記の(4)式であらわされ
る反応式により、中性状態との間で平衡に達する。前述
した様に、中性状態のH0 は安定状態ではないものの、
電磁波照射下では、照射されている電磁波が到達してい
る深さまでの領域では励起された伝導帯電子の働きによ
り中性状態のH0 の濃度は通常の熱平衡状態より高くな
っている。
【0090】試料1のように電磁波の照射を停止した後
に降温すると、こうした中性状態のH0 は速やかにH+
とe- に解離し、H+ はMg- と再び結合し、e- は正
孔と結合して消滅していく。
に降温すると、こうした中性状態のH0 は速やかにH+
とe- に解離し、H+ はMg- と再び結合し、e- は正
孔と結合して消滅していく。
【0091】一方、試料2のように電磁波照射を継続し
たまま降温すると、中性状態のH0は安定状態ではない
ものの、電磁波照射により電子系が熱平衡からずれたま
ま半導体層が降温されるため、中性状態のH0 のまま準
安定な状態に凍結される。e- は伝導電子であるので降
温後は通常の熱平衡状態に戻る。
たまま降温すると、中性状態のH0は安定状態ではない
ものの、電磁波照射により電子系が熱平衡からずれたま
ま半導体層が降温されるため、中性状態のH0 のまま準
安定な状態に凍結される。e- は伝導電子であるので降
温後は通常の熱平衡状態に戻る。
【0092】この結果、Mg−H複合体を形成していた
水素の内の一部が半導体層から脱離すること無く中性状
態のH0 という別の形態に固定されることになり、正孔
濃度が増大するのである。この反応は半導体層からの水
素脱離をともなわないため、正孔濃度が増大する深さが
サンプル1より大きくなる。このことにより、サンプル
2ではサンプル1よりp型半導体層全体がより低抵抗化
されるのである。
水素の内の一部が半導体層から脱離すること無く中性状
態のH0 という別の形態に固定されることになり、正孔
濃度が増大するのである。この反応は半導体層からの水
素脱離をともなわないため、正孔濃度が増大する深さが
サンプル1より大きくなる。このことにより、サンプル
2ではサンプル1よりp型半導体層全体がより低抵抗化
されるのである。
【0093】なお、本実施例ではpnホモ接合ダイオー
ドについて述べたが、これは本発明を限定するものでは
なく、ダブルヘテロ構造、SCH(分離閉じこめダブル
ヘテロ構造)、量子井戸レーザ構造といった各種の接合
構造であっても有効であり、pチャンネルFET(電界
効果トランジスタ)のようなユニポーラ素子の製造にも
また同様に有効である。
ドについて述べたが、これは本発明を限定するものでは
なく、ダブルヘテロ構造、SCH(分離閉じこめダブル
ヘテロ構造)、量子井戸レーザ構造といった各種の接合
構造であっても有効であり、pチャンネルFET(電界
効果トランジスタ)のようなユニポーラ素子の製造にも
また同様に有効である。
【0094】
【発明の効果】本発明の半導体素子製造方法によれば、
高い正孔濃度を有するp型GaN半導体層を得ることが
でき、電極との接触抵抗を小さくすることができる。
高い正孔濃度を有するp型GaN半導体層を得ることが
でき、電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【0095】また、低抵抗p型化のための加熱処理を紫
外線などの電磁波を照射することにより行うので、ウェ
ハ全体を一度に処理することができ、電子線装置のよう
な電子ビームの走査や、高真空を必要とせず大量生産に
有効である。
外線などの電磁波を照射することにより行うので、ウェ
ハ全体を一度に処理することができ、電子線装置のよう
な電子ビームの走査や、高真空を必要とせず大量生産に
有効である。
【図1】半導体素子の構成を示す図である。
【図2】本発明の加熱処理における加熱処理炉を示す図
である。
である。
【図3】サンプル1の電流電圧特性を示す図である。
【図4】サンプル2の電流電圧特性を示す図である。
【図5】従来の加熱処理をしない半導体層中のMgの原
子数を示す図である。
子数を示す図である。
【図6】従来の加熱処理をしない半導体層中のH、Si
の原子数を示す図である。
の原子数を示す図である。
【図7】従来の加熱処理をした半導体層中のMgの原子
数を示す図である。
数を示す図である。
【図8】従来の加熱処理をしない半導体層中のH、Si
の原子数を示す図である。
の原子数を示す図である。
【図9】加熱処理時間と室温キャリア濃度を示す図であ
る。
る。
【図10】半導体層のフェルミレベルを示す図である。
【図11】加熱処理時間と残存水素量を示すための図で
ある。
ある。
1・・・・サファイア基板 2・・・・バッファ層 3・・・・n型GaN半導体層 4・・・・p型GaN半導体層 5・・・・n側電極 6・・・・p側電極 7・・・・保護膜 8・・・・n側電極窓部 9・・・・p側電極窓部 10・・・加熱処理炉本体 11・・・サセプタ 12・・・石英製窓 13・・・光源 14・・・光ファイバ 15・・・石英製集光レンズ 16・・・光導入窓 17・・・ウェハ 18・・・排気口 19・・・ガス導入口 20・・・ガス排出口
Claims (8)
- 【請求項1】 2族不純物元素を添加したGaN系半導
体層を積層する工程と、 前記GaN系半導体層を所定温度に加熱し、前記GaN
系半導体層のエネルギー禁制帯幅を上回るエネルギーを
有する電磁波を照射する工程と、 電極を形成する工程と、 を含むことを特徴とする半導体素子製造方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体素子製造方法にお
いて、 前記電磁波を前記GaN系半導体層の表面に照射するこ
とを特徴とする半導体素子製造方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の半導体素子製造方法にお
いて、 前記GaN系半導体層が前記所定温度にあるとき、前記
電磁波を所定時間にわたって照射することを特徴とする
半導体素子の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1、2または3記載の半導体素子
製造方法において、 前記GaN系半導体は、(Alx Ga1-x )1-y Iny
N (0≦x≦1.0、0≦y≦1.0)からなる3族
窒化物半導体であることを特徴とする半導体素子製造方
法。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか1に記載の
半導体素子製造方法において、 前記電磁波の波長は、前記GaN系化合物半導体層の最
表層の組成に対応した波長であることを特徴とする半導
体素子製造方法。 - 【請求項6】 請求項1ないし4のいずれか1に記載の
半導体素子製造方法において、 前記GaN系半導体層を積層する工程は、有機金属化学
気相成長法で行われることを特徴とする半導体素子製造
方法。 - 【請求項7】 請求項1ないし6のいずれか1に記載の
半導体素子製造方法において、 前記所定温度は300℃以上1000℃以下であること
を特徴とする半導体素子製造方法。 - 【請求項8】 請求項1に記載の半導体素子製造方法に
おいて、 前記GaN系導体層の温度が300℃以下となるまで、
前記電磁波を継続して照射することを特徴とする半導体
素子製造方法。
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