JP5630434B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の製造方法に関する。さらに詳細には、III 族窒化物半導体から成るｐ型コンタクト層とｐ電極とのオーミックコンタクトのオーミック性の向上を図った半導体素子の製造方法に関するものである。

半導体素子は、ｐ電極と、そのｐ電極と接触するｐ型コンタクト層とを有することが一般的である。ｐ電極とｐ型コンタクト層との接触抵抗が大きいと、発熱しやすい。そして、発熱により寿命が短くなるおそれがある。また、接触抵抗が大きいと半導体素子の駆動電圧が高くなる。

特に、III 族窒化物半導体から成るｐ型コンタクト層とｐ電極との接触抵抗を低下させるには、ｐ型コンタクト層の正孔濃度を大きくする必要がある。ところが、III 族窒化物半導体に形成されるアクセプタ不純物準位は深い。そのため、正孔濃度を高くすることが困難である。

したがって、正孔濃度を高くするために多くの研究がなされている。例えば、特許文献１には、ｐ型コンタクト層の成長速度を低くすることで、１０¹⁸／ｃｍ³ 程度の正孔濃度を実現している。

特開２００３−２３１７９号公報

しかし、この程度の正孔濃度のｐ型コンタクト層にｐ電極を形成しても、良好なオーミックコンタクトは得られない。一方、III 族窒化物半導体から成るｐ型コンタクト層とｐ電極とのオーミックコンタクトを得ることは、両者の仕事関数の関係上、困難である。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、窒化物半導体のｐ型コンタクト層とｐ電極との間のオーミックコンタクトのオーミック性の向上を図った半導体素子の製造方法を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた第１の発明に係る半導体素子の製造方法は、発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、ｐ型コンタクト層の上にｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、を有する方法である。ｐ型コンタクト層形成工程は、ｐ型クラッド層の上に第１のｐ型コンタクト層を形成する第１の工程と、第１のｐ型コンタクト層の上に第２のｐ型コンタクト層を形成する第２の工程と、を有する。第１の工程では、キャリアガスとして、窒素と水素との混合気体を用い、そのキャリアガスの全モル数に対する窒素のモル比を５０％以上７５％以下の範囲内とし、第１のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を、１×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以上１×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とし、第１のｐ型コンタクト層の膜厚を、１００Å以上１０００Å以下の範囲内とする。そして、第２の工程では、キャリアガスとして、水素を用い、第２のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を、第１のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度より高い２×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上９×１０ ²¹ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とし、第２のｐ型コンタクト層の膜厚を、２０Å以上９０Å以下の範囲内とする。

かかる半導体素子の製造方法により製造された半導体素子では、ｐ型コンタクト層とｐ電極との間のオーミック接触がよい。すなわち、接触抵抗が小さい。そのため、電力消費量を抑えることができる。そして、発熱量も小さい。また、この膜厚の場合に、格子欠陥を介してトンネル効果によりキャリアがポテンシャル障壁を透過しやすくなる。また、このＭｇ濃度の場合に、第２のｐ型コンタクト層に、より多くの格子欠陥を形成することができるからである。そのため、Ｍｇを活性化させた後に、ｐ電極とｐ型コンタクト層との間で電子の移動がスムーズに行われる。

第２の発明に係る半導体素子の製造方法においては、さらに、ｐ型コンタクト層を低抵抗化するためのアニール処理工程を行う。また、正孔濃度を５×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以上６×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とする。

第３の発明に係る半導体素子の製造方法においては、さらに、ｐ型コンタクト層を低抵抗化するためのアニール処理工程を行わない。また、正孔濃度を２×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以上３×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とするとともに電気抵抗率を４０Ω・ｃｍ以上７０Ω・ｃｍ以下の範囲内とする。アニール処理工程を省略することで、サイクルタイムが短くなり、生産性が向上する。

本発明によれば、窒化物半導体のｐ型コンタクト層とｐ電極との間のオーミックコンタクトのオーミック性の向上を図った半導体素子の製造方法が提供されている。

実施例に係る半導体素子の積層構造を示す概略構成図である。 実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するための図（その１）である。 実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するための図（その２）である。 実施例に係る半導体素子の製造方法で製造された発光素子における第１のｐ型コンタクト層の正孔濃度を示すグラフである。 実施例に係る半導体素子の製造方法で製造された発光素子における第１のｐ型コンタクト層の正孔の移動度を示すグラフである。 実施例に係る半導体素子の製造方法で製造された発光素子における第１のｐ型コンタクト層の電気抵抗率を示すグラフである。 実施例に係る半導体素子の製造方法で製造された発光素子における第１のｐ型コンタクト層の活性化率を示すグラフである。 実施例に係る半導体素子の製造方法で製造された発光素子と従来の発光素子とで出力を比較したグラフである。

以下、本発明の具体的な実施例について、発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。つまり、本発明は、ＦＥＭＴなどのトランジスタや、受光素子や、ＬＥＤやレーザーダイオード等の発光素子など、各種の半導体デバイスにも適用することができる。また、後述する発光素子の各層の積層構造は、例示であり、実施例とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。

１．半導体素子
本実施例に係る半導体素子の製造方法により製造される発光素子１００を図１により説明する。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る半導体素子である。図１に示すように、発光素子１００は、サファイア基板１０に、低温バッファ層２０と、ｎ型コンタクト層３０と、ｎ型ＥＳＤ層４０と、ｎ型ＳＬ層５０と、発光源であるＭＱＷ層（多重量子井戸層）６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０とがこの順序で形成されたものである。また、ｎ型コンタクト層３０には、ｎ電極Ｎ１が形成されている。ｐ型コンタクト層８０には、ｐ電極Ｐ１が形成されている。

サファイア基板１０は、ＭＯＣＶＤ法により、その一面に上記の各層を形成するためのものである。光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板１０の表面に凹凸加工がされていてもよい。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどを成長基板として用いてもよい。低温バッファ層２０は、サファイア基板１０の結晶性を受け継ぎつつ、上層を形成するためのものである。低温バッファ層２０の材質として、例えばＡｌＮやＧａＮが挙げられる。

ｎ型コンタクト層３０は、ｎ電極Ｎ１に実際に接触する層である。ｎ型コンタクト層３０は、ＳｉをドーピングしたＧａＮから成る層である。そのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。また、ｎ型コンタクト層３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極とのオーミック性を向上するためである。

ｎ型ＥＳＤ層４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧改善層である。ｎ型ＥＳＤ層４０は、ノンドープのＧａＮと、ＳｉドープのＧａＮの積層構造である。Ｓｉをドープする際には、キャリア濃度を１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上となるようにするとよい。

ｎ型ＳＬ層５０は、ＭＱＷ層６０に加わる応力を緩和するための超格子構造を有する層である。ｎ型ＳＬ層５０は、ＧａＮとＩｎＧａＮとを交互に積層した層である。もしくは、これらに加えて、ｎ−ＧａＮを積層してもよい。特に、ＭＱＷ層６０と接する層を、ｎ−ＧａＮから成る層とするとよい。ｎ型ＳＬ層５０を繰り返し積層する繰り返し回数は、１０回〜２０回である。ｎ型ＳＬ層５０の全体の厚みは、６０ｎｍ〜８０ｎｍである。

ＭＱＷ層６０は、電子と正孔が再結合することで、光を発する発光層である。そのために、ＭＱＷ層６０は、バンドギャップの小さい井戸層と、バンドギャップの大きい障壁層とが交互に形成されている。ここで、井戸層としてＩｎＧａＮを用い、障壁層としてＡｌＧａＮを用いることができる。また、井戸層としてＧａＮを用い、障壁層としてＡｌＧａＮを用いてもよい。もしくは、これらを自由に組み合わせて、４層以上を単位構造として、その単位構造を繰り返してもよい。

ｐ型クラッド層７０は、電子がｐ型コンタクト層８０に拡散するのを防止するためのものである。ｐ型クラッド層７０は、ｐ−ＩｎＧａＮから成る層と、ｐ−ＡｌＧａＮから成る層とを単位構造として、その単位構造を交互に繰り返して形成した層である。その繰り返し回数は、１２回である。また、その繰り返し回数を３〜５０回の範囲としてもよい。

ｐ型コンタクト層８０は、第１のｐ型コンタクト層８１と、第２のｐ型コンタクト層８２とを有している。これらはいずれも、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮから成る層である。第２のｐ型コンタクト層８２は、ｐ電極Ｐ１に実際に接触する層である。そのため、第２のｐ型コンタクト層８２は、発光素子１００におけるサファイア基板１０と反対側の表面に表れている。そして、第１のｐ型コンタクト層８１は、第２のｐ型コンタクト層８２の下にある。

ここで、第１のｐ型コンタクト層８１におけるＭｇドープ量は、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²⁰／ｃｍ³ 以下の範囲内である。このＭｇの濃度範囲は、結晶性を低下させることなく、高い正孔濃度が得られる範囲である。そして、第２のｐ型コンタクト層８２におけるＭｇドープ量は、１×１０²⁰／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下の範囲内である。このように、第２のｐ型コンタクト層８２のＭｇの濃度は高い。第２のｐ型コンタクト層８２におけるＭｇドープ量は、第１のｐ型コンタクト層８１におけるＭｇドープ量よりも大きい。

第２のｐ型コンタクト層８２の厚みは、１０Å以上１００Å以下の範囲内である。このように第２のｐ型コンタクト層８２の厚みは、十分に薄い。また、後述するように、第２のｐ型コンタクト層８２の形成に用いるキャリアガスは、水素のみであり、窒素を含んでいない。そのため、第２のｐ型コンタクト層８２の結晶性は悪い。よって、ｐ電極Ｐ１と、第２のｐ型コンタクト層８２との間に形成されるショットキーバリアは極めて薄い。

このため、ｐ電極Ｐ１から第２のｐ型コンタクト層８２に正孔が抜けやすい。すなわち、ｐ電極Ｐ１から正孔がショットキーバリアをトンネルして、第２のｐ型コンタクト層８２に注入されやすくなる。したがって、ｐ電極Ｐ１とｐ型コンタクト層８０との間で好適なオーミックコンタクトが得られる。

２．半導体素子の製造方法
本形態における半導体素子の製造方法では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、上記の各層の結晶を成長させる。本形態の半導体素子の製造方法は、ｐ型コンタクト層８０を形成する工程に特徴のある方法である。以下、図２および図３を用いて、各工程を説明する。

ここで用いたキャリアガスは、水素（Ｈ₂ ）もしくは窒素（Ｎ₂ ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いた。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いた。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＩ」という。）を用いた。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いた。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いた。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ：以下、「ＣＰ₂ Ｍｇ」という。）を用いた。

２−１．低温バッファ層形成工程
本形態では、サファイア基板１０を用いた。そして、そのサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ炉に入れた。次に、水素ガス中でサファイア基板１０のクリーニングを行い、サファイア基板１００の表面に付着している付着物を除去した。そして、基板温度を４００℃として、サファイア基板１０の上に、ＡｌＮから成る低温バッファ層２０を形成した。

２−２．ｎ型コンタクト層形成工程
次に、低温バッファ層２０の上にｎ型コンタクト層３０を形成した（図２（ａ）参照）。ここで、キャリアガスを水素ガスとし、アンモニアガスを流しながら、基板温度を１１００℃まで上昇させた。そして、基板温度が１１００℃になったところで、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを供給した。これにより、Ｓｉ濃度が４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３０が形成された。

２−３．ｎ型ＥＳＤ層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層３０の上にｎ型ＥＳＤ層４０を形成した。基板温度を９００℃まで下げて、ノンドープのＧａＮとＳｉドープのｎ−ＧａＮの積層構造を形成した。このときの成長温度は８００〜９５０℃であればよい。また、このｎ−ＧａＮにおけるＳｉ原子濃度（ａｔｏｍ／ｃｍ³ ）と膜厚（ｎｍ）との積で定義される特性値が０．９×１０²⁰〜３．６×１０²⁰（ａｔｏｍ・ｎｍ／ｃｍ³ ）の範囲内であるとよい。

２−４．ｎ型ＳＬ層形成工程
次に、ｎ型ＥＳＤ層４０の上にｎ型ＳＬ層５０を形成した。ｎ型ＳＬ層５０として、厚さ２．５ｎｍのＩｎＧａＮ層と、厚さ２．５ｎｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層とを交互に積層した。この周期構造を１５周期分、繰り返して形成した。ＩｎＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、シランガス、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給した。ｎ−ＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、シランガス、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。これにより、図２（ｂ）に示した積層構造が形成された。

２−５．発光層形成工程
続いて、ｎ型ＳＬ層５０の上にＭＱＷ層６０を形成した。ＭＱＷ層６０は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との繰り返し構造をしている。ＩｎＧａＮ層を、成長温度７５０〜８００℃の範囲内の温度で成長させた。そのために、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給した。ここで、Ｉｎの組成比は、０．０５〜０．１５％の範囲内である。結晶を成長させる厚みは、１〜４ｎｍである。

ＡｌＧａＮ層を、成長温度８５０〜９５０℃の範囲内の温度で成長させた。そのために、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給した。結晶を成長させる厚みは、１〜６ｎｍである。そして、これらのＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを、交互に５層積層した。この積層する層の数は３〜７層程度であればよい。

２−６．ｐ型クラッド層形成工程
次に、ＭＱＷ層６０の上にｐ型クラッド層７０を形成した。ｐ型クラッド層７０は、ｐ−ＩｎＧａＮ層と、ｐ−ＡｌＧａＮ層との繰り返し構造とした。ｐ−ＩｎＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８５５℃として、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。そして、ｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を、厚さ１．７ｎｍに形成した。

ｐ−ＡｌＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８５５℃として、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。そして、ｐ−ＡｌＧａＮ層を、厚さ３．０ｎｍに形成した。その結果、図２（ｃ）に示した積層構造が形成された。

２−７．ｐ型コンタクト層形成工程
２−７−１．第１のｐ型コンタクト層形成工程
続いて、ｐ型クラッド層７０の上に第１のｐ型コンタクト層８１を形成した（図３参照）。キャリアガスとして、窒素と水素の混合気体を用いた。

水素の存在により、構成原子のマイグレーションが増加する。そのため、結晶品質が向上するとともに、層の表面平坦性が向上する。しかしその反面、結晶中にＨが取り込まれて、Ｍｇと結合する。これにより、Ｍｇの活性化を阻害して、正孔濃度を高くすることができない。

一方、窒素ガスは、結晶の分解を阻害して結晶中からＮが抜けるのを防止できる。しかしその反面、結晶性を低下させる要因となる。したがって、全キャリアガスに対する窒素のモル比には最適な範囲が存在する。

その全キャリアガスに対する窒素のモル比、すなわち混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））の望ましい範囲は、４０％以上８０％以下であった。そして、さらに好ましい混合比の範囲は、５０％以上７５％以下であった。その具体的な数値については後述する。混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））が４０％より低いと、後述するように、十分な正孔濃度が得られない。混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））が８０％より高いと、後述するように、表面荒れやピットが多くなるおそれがある。

ここで、結晶を成長させる温度は、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内であった。温度が低すぎると、ＧａＮの結晶品質が悪くなるからである。１０５０℃より高い温度では、各ガスがサファイア基板１０の箇所に届く前に、反応を起こしてしまうからである。

そして、Ｍｇのドープ量は、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²⁰／ｃｍ³ 以下であった。Ｍｇのドープ量が１×１０²⁰／ｃｍ³ 以下であれば、形成される第１のｐ型コンタクト層８１に、格子欠陥が入りにくいからである。形成する第１のｐ型コンタクト層８１の膜厚は、１００Å以上１０００Å以下の範囲内であった。

２−７−２．第２のｐ型コンタクト層形成工程
次に、第１のｐ型コンタクト層８１の上に第２のｐ型コンタクト層８２を形成した。キャリアガスとして、水素のみを用いた。第２のｐ型コンタクト層８２における格子欠陥をあえて多く形成するためである。そのため、窒素ガスの供給を停止して、水素ガスのみをキャリアガスとして供給した。したがって、キャリアガスには窒素は含まれていない。ただし、これらの各層の形成工程は、ＭＯＣＶＤ炉の内部で連続的に行われる。そのため、炉内雰囲気中に、残留窒素ガスが含まれていることもある。

結晶の成長温度は、８００℃以上１０５０℃以下の範囲内であった。成長温度が８００℃より低いと、ＧａＮの結晶品質が悪くなる。一方、成長温度が１０５０℃より高いと、アンモニアやＧａ、Ｍｇ等が炉内の雰囲気中でサファイア基板１０の箇所に届く前に反応してしまうおそれがあるからである。

第２のｐ型コンタクト層８２にドープするＭｇのドープ量は、１×１０²⁰／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下の範囲内であった。Ｍｇのドープ量が、１×１０²⁰／ｃｍ³ 以上にすると、形成する半導体層に格子欠陥が入りやすくなるからである。

第２のｐ型コンタクト層８２の膜厚は、１０Å以上１００Å以下の範囲内であった。１０Åより薄ければ、格子欠陥そのものの形成が困難となるからである。ＧａＮのｃ軸方向の格子定数が５．１８５Åであるため、２層以上の厚みがあるほうが格子欠陥を形成しやすい。一方、格子欠陥のある層が厚ければ、その分だけ電気抵抗は高くなる。そのため、１００Å以下が好ましい。より好ましくは、２０Å以上９０Å以下の範囲内である。また、３０Å以上７０Å以下の範囲内であると、さらに好ましい。

２−８．冷却工程
次に、窒素ガス雰囲気中で、ＭＯＣＶＤ炉を常温まで冷却した。図３に示した積層体９０を窒素ガス雰囲気中で冷却することで、離脱させた水素が再び積層体９０に取り込まれるのを防止するためである。

２−９．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層８０の表面側からドライエッチングを行って、ｎ型コンタクト層３０の途中まで達する溝を形成した。そして、ｐ型コンタクト層８０の上にｐ電極Ｐ１を形成した。ｐ電極Ｐ１として、ｐ型コンタクト層８０の上に、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ａｌ層をこの順番で形成した。または、これらの金属の他に、ＩＴＯを用いてもよい。または、ＩＴＯ電極の上に、Ｎｉ／Ａｕからなる配線電極を形成してもよい。また、Ａｇ、Ｒｈを用いることもできる。また、露出させたｎ型コンタクト層３０の上にｎ電極Ｎ１を形成した。ｎ電極Ｎ１として、ｎ型コンタクト層３０の上に、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順番で形成した。または、Ｔｉ層、Ａｌ層を順に形成してもよい。

２−１０．アニール処理工程
次に、窒素雰囲気中で積層体９０に熱処理（アニール処理）を施した。ドーピングしたＭｇを活性化するためである。なお、このアニール処理工程については、電極形成工程の前に行ってもよい。また、冷却工程の前に行うこともできる。以上により、図１に示した発光素子１００が製造された。

３．製造された半導体素子
本形態の発光素子１００では、ｐ型コンタクト層８０は、第１のｐ型コンタクト層８１と第２のｐ型コンタクト層８２とを有している。第２のｐ型コンタクト層８２があるため、ｐ型コンタクト層８０とｐ電極Ｐ１との間におけるショットキーバリアの厚みが薄い。そのため、ｐ型コンタクト層８０とｐ電極Ｐ１との間にわたって正孔の伝導性が高い。

また、第２のｐ型コンタクト層８２における格子欠陥は多い。もちろん、第１のｐ型コンタクト層８１よりも多い。そのため、ｐ電極Ｐ１と第２のｐ型コンタクト層８２との間の正孔の伝導性はさらに高い。

なお、第２のｐ型コンタクト層８２を設けない場合について説明する。ｐ電極Ｐ１と第１のｐ型コンタクト層８１とを接触させると、駆動電圧Ｖｆは、第２のｐ型コンタクト層８２がない場合に比べて大きい値となる。つまり、第１のｐ型コンタクト層８１とｐ電極Ｐ１との間には、比較的厚いショットキーバリアが形成されていると考えられる。

そこで、第２のｐ型コンタクト層８２を設けることによって、そのショットキーバリアは薄くなる。つまり、ｐ電極Ｐ１とｐ型コンタクト層８０との間で正孔が移動しやすくなる。そして、第２のｐ型コンタクト層８２では、格子欠陥が第１のｐ型コンタクト層８１に比べて多い。そのため、ｐ電極Ｐ１とｐ型コンタクト層８０との間で、正孔はより移動しやすくなる。したがって、本形態の発光素子１００における電気抵抗率は小さい。

４．実験結果
ここで、本形態の発光素子１００について行った実験結果について説明する。以下に、第１のｐ型コンタクト層８１を形成するに際して、キャリアガスにおける窒素の混合比を変化させた場合の各物理量の測定値について説明する。

４−１．正孔濃度
図４は、窒素の混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））に対する第１のｐ型コンタクト層８１の正孔濃度を示すグラフである。図４において、白抜きのシンボルは、アニール処理を行っていない場合の値を示している。そして、黒塗りのシンボルは、アニール処理を行った場合の値を示している。これらは、図５および図６でも同様である。

図４に示すように、全体的に、アニール処理を行った場合の正孔濃度のほうが、アニール処理を行っていない場合の正孔濃度に比べて高い。つまり、アニール処理を行っている場合には、窒素の混合比によらず、正孔濃度の値は十分に高い。およそ、５×１０¹⁶／ｃｍ³ 〜６×１０¹⁶／ｃｍ³ 程度の正孔濃度の値が得られた。

一方、アニール処理を行っていない場合には、窒素濃度を高めたほうが、正孔濃度は高いものとなった。窒素の混合比を４４％としたときには、アニール処理を行わなくても、２×１０¹⁶／ｃｍ³ 〜３×１０¹⁶／ｃｍ³ 程度の正孔濃度の値が得られた。つまり、正孔濃度は、アニール処理を行なった場合の１／２程度の大きさである。したがって、アニール処理を行う前では、半分のＭｇ原子に水素Ｈが結合していると考えられる。

窒素の混合比を６６％としたときには、アニール処理を行わなくても、５×１０¹⁶／ｃｍ³ 程度の正孔濃度の値が得られた。つまり、正孔濃度は、アニール処理を行なった場合と同程度の値であった。したがって、アニール処理を行う前であっても、Ｍｇ原子への水素Ｈの結合がほとんどないと考えられる。このように、窒素の混合比を４４％もしくは６６％とした場合には、正孔濃度の値は十分に高いものであった。

４−２．正孔の移動度
図５は、窒素の混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））に対する第１のｐ型コンタクト層８１における正孔の移動度である。図５に示すように、正孔の移動度は、アニール処理を行った場合とアニール処理を行わなかった場合とでほとんど差がない。そして、窒素ガスの濃度を高くしていくと、正孔の移動度が向上する。つまり、格子欠陥は、減少している。したがって、結晶品質のよいｐ−ＧａＮ層を形成できたことが解る。

窒素の混合比を２２％としたときには、アニール処理を行っていないものの正孔の移動度は、およそ２ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。アニール処理を行ったものの正孔の移動度は、およそ３ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。窒素の混合比を４４％としたときには、アニール処理の有無にかかわらず、正孔の移動度は、４ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。窒素の混合比を６６％としたときには、アニール処理の有無にかかわらず、正孔の移動度は、７〜８ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。

このように、アニール処理の有無による差異は小さい。特に、窒素の混合比が４４％と６６％の場合には、アニール処理の有無による差異はほとんどない。したがって、正孔の伝導性の良いｐ−ＧａＮ層を形成することができる。

４−３．電気抵抗率
図６は、窒素の混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））に対する第１のｐ型コンタクト層８１における電気抵抗率を示すグラフである。図６に示すように、全体的に、窒素の混合比が大きいほど、電気抵抗率は低い。この電気抵抗率の減少は、結晶品質が向上し、格子欠陥による抵抗成分が減少したためであると考えられる。これは、正孔の移動度が向上していることから解る。

窒素の混合比が２２％のときには、アニール処理を行っていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、１１０Ω・ｃｍ程度であった。アニール処理を行った第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、４０〜５０Ω・ｃｍ程度であった。アニール処理を行っていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、アニール処理を行った第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率の約２倍程度である。つまり、アニール処理を行う前では、半分のＭｇ原子に水素Ｈが結合したままである。

窒素の混合比が４４％のときには、アニール処理を行っていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、４０〜７０Ω・ｃｍ程度であった。窒素の混合比が２２％のときにアニール処理を行った場合と同程度である。また、窒素の混合比が４４％のときには、アニール処理を行った第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、２０Ω・ｃｍ程度であった。アニール処理を行っていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、アニール処理を行った第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率の約２倍程度である。

窒素の混合比が６６％のときには、アニール処理を行っていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、１５Ω・ｃｍ程度であった。窒素の混合比が６６％のときには、アニール処理を行った第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率は、１２Ω・ｃｍ程度であった。つまり、アニール処理の有無にかかわらず、両者の電気抵抗率は同程度である。

そして、窒素の混合比が６６％の場合においてアニール処理をしていない第１のｐ型コンタクト層８１の電気抵抗率（１５Ω・ｃｍ）は、窒素の混合比が２２％の場合においてアニール処理を施したものの電気抵抗率（４０〜５０Ω・ｃｍ）よりも十分に低い。このように、窒素と水素の混合気体をキャリアガスとして、第１のｐ型コンタクト層８１を形成することによる、電気抵抗を低減する効果は大きい。

４−４．活性化率
図７は、窒素の混合比（Ｎ₂ ／（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ））に対する第１のｐ型コンタクト層８１の活性化率を示すグラフである。ただし、これらはアニール処理を行った場合の値である。

図７に示すように、キャリアガスに窒素を混入させず、水素のみを用いた場合には、第１のｐ型コンタクト層８１の活性化率は０．１２％程度であった。窒素の混合比をあげていくと、一旦は活性化率が下降する。窒素の混合比を２２％としたときには、第１のｐ型コンタクト層８１の活性化率は０．０７％程度である。

しかし、さらに窒素の混合比をあげていくと、再び活性化率は上昇に転じる。そして、窒素の混合比が３５％前後の場合の活性化率は、窒素の混合比が０％の場合の活性化率とほぼ同じとなる。そして、窒素の混合比が４０％以上では、活性化率は十分に高い値をとることとなる。

なお、窒素の混合比が４４％のときには、第１のｐ型コンタクト層８１の活性化率は、０．１４％程度であった。そして、窒素の混合比が６６％のときには、第１のｐ型コンタクト層８１の活性化率は、０．２１％程度であった。この値は、十分に高い値である。

４−５．出力
図８は、発光素子の出力について、第１のｐ型コンタクト層８１の形成に際して、水素ガスを用いた場合（従来例）と、窒素ガスと水素ガスとの混合気体（窒素の混合比６６％）を用いた場合（実施例）とを比較するためのグラフである。なお、図８に示す結果は、アニール処理を行った場合の結果である。図８の縦軸は、その光の相対光度である。そして、従来例の光度を基準とした。そのため、従来例の相対光度は、もちろん１００％である。

図８に示すように、キャリアガスとして、窒素ガスと水素ガスとの混合気体（窒素の混合比６６％）を用いて第１のｐ型コンタクト層８１を形成した場合のほうが、従来例に比べて、光の出力は１０％程度高い。これは、前述のように、キャリアガスに混合ガスを用いて製造された発光素子のほうが、電気抵抗率、正孔濃度、正孔の移動度、活性化率において、好ましい値をもっているからである。

実験では、窒素の混合比が６６％の場合に、最も良好な結果が得られた。そして、窒素の混合比が４４％の場合でも、良好な結果が得られた。よって、窒素の混合比が４４％以上６６％以下の範囲内では、さらに、窒素の混合比の高い領域、すなわち、窒素の混合比が８０％以下の領域でも適用可能であると考えられる。ただし、窒素の混合比が大きいと、表面荒れやピットが生じるおそれがある。したがって、窒素の混合比が５０％以上７５％以下の範囲内であると好ましい。そして、より好ましくは、５５％以上７０％以下の範囲内であると考えられる。

５．変形例
５−１．アニール処理工程の不実施
本実施例では、積層体９０にｐ電極Ｐ１およびｎ電極Ｎ１を形成した後に、アニール処理（熱処理）を行うこととした。しかし、図４〜図６までに示したように、必ずしもアニール処理を行わなくともよい。正孔濃度（図４参照）、正孔の移動度（図５参照）、電気抵抗率（図６参照）、活性化率（図７参照）のそれぞれについて、アニール処理を行わなくとも、ある程度電気抵抗率の低い発光素子を製造することができる。これにより、製造工程がひとつ減る。つまり、発光素子の生産性が向上する。

５−２．ｐ型コンタクト層の材質
本実施例では、第１のｐ型コンタクト層８１および第２のｐ型コンタクト層８２のいずれも、ｐ−ＧａＮから成るとした。しかし、これらの層８１、８２を、ｐ−ＧａＮとする代わりに、ｐ−ＩｎＧａＮとしてもよい。ｐ−ＧａＮでオーミック性の改善が得られたのであるから、ｐ−ＧａＮよりもバンドギャップの小さいｐ−ＩｎＧａＮであっても当然に、同様の効果が得られるはずである。

具体的には、第１のｐ型コンタクト層８１を、ｐ−ＧａＮとするとともに、第２のｐ型コンタクト層８２を、ｐ−ＩｎＧａＮとする場合が挙げられる。また、第１のｐ型コンタクト層８１を、ｐ−ＩｎＧａＮとするとともに、第２のｐ型コンタクト層８２を、ｐ−ＩｎＧａＮとしてもよい。この場合には、第２のｐ型コンタクト層８２におけるＩｎ組成を、第１のｐ型コンタクト層８１におけるＩｎ組成よりも大きくするとよい。

６．まとめ
以上、詳細に説明したように、本実施例に係る発光素子１００の製造方法では、第１のｐ型コンタクト層形成工程ではキャリアガスとして窒素と水素との混合気体を用いて第１のｐ型コンタクト層８１を形成するとともに、第２のｐ型コンタクト層形成工程ではキャリアガスとして水素を用いて第２のｐ型コンタクト層８２を形成する方法である。

これにより、ｐ型コンタクト層８０での正孔の移動度を向上させるとともに、ｐ型コンタクト層８０とｐ電極Ｐ１との間の接触抵抗を小さくすることのできるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法が実現されている。

なお、本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本形態では、積層体９０として図３に示したものを用いた。しかし、積層体の積層構造については、必ずしも図３に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。そしてもちろん、ｐ型コンタクト層８０以外の各層の組成についても、本形態と異なっていて構わない。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。

１０…サファイア基板
２０…低温バッファ層
３０…ｎ型コンタクト層
４０…ｎ型ＥＳＤ層
５０…ｎ型ＳＬ層
６０…ＭＱＷ層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
８１…第１のｐ型コンタクト層
８２…第２のｐ型コンタクト層
９０…積層体
１００…発光素子
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極

Claims (3)

1. 発光層を形成する発光層形成工程と、
   前記発光層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、
   前記ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
   前記ｐ型コンタクト層の上にｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、
   を有する半導体素子の製造方法であって、
   前記ｐ型コンタクト層形成工程は、
   前記ｐ型クラッド層の上に第１のｐ型コンタクト層を形成する第１の工程と、
   前記第１のｐ型コンタクト層の上に第２のｐ型コンタクト層を形成する第２の工程と、
   を有し、
   前記第１の工程では、
   キャリアガスとして、窒素と水素との混合気体を用い、
   そのキャリアガスの全モル数に対する窒素のモル比を５０％以上７５％以下の範囲内とし、
   前記第１のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を、１×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以上１×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とし、
   前記第１のｐ型コンタクト層の膜厚を、１００Å以上１０００Å以下の範囲内とし、
   前記第２の工程では、
   キャリアガスとして、水素を用い、
   前記第２のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を、前記第１のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度より高い２×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上９×１０ ²¹ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とし、
   前記第２のｐ型コンタクト層の膜厚を、２０Å以上９０Å以下の範囲内とすること
   を特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記ｐ型コンタクト層を低抵抗化するためのアニール処理工程を行い、
   正孔濃度を５×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以上６×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とすること
   を特徴とする半導体素子の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記ｐ型コンタクト層を低抵抗化するためのアニール処理工程を行わず、
   正孔濃度を２×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以上３×１０ ¹⁶ ／ｃｍ ³ 以下の範囲内とするとともに電気抵抗率を４０Ω・ｃｍ以上７０Ω・ｃｍ以下の範囲内とすること
   を特徴とする半導体素子の製造方法。

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