专利名称：第iii族氮化物基半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及第III族氮化物基半导体元件。
背景技术：
专利文献1和2中记载有一种用于在(0001)面、即c面上生长的ρ型氮化镓(GaN) 层上形成欧姆电极的方法。根据该方法，在ρ型GaN层上蒸镀M/Au膜，然后在氧氛围中实施热处理。P型GaN层的表面存在氧化膜，利用该方法，镍会将氧化膜吸收。然后，通过氧化膜的氧原子与镍结合而除去氧化膜。由此，Au可与ρ型GaN晶体接触，因而形成欧姆结。另外，专利文献3中记载有实验结果。根据该实验，在蓝宝石衬底上生长ρ型第 III族氮化物半导体层。然后，将衬底加热到30(TC后，在第III族氮化物半导体层的表面蒸镀Pt或镍。然后测试接触电阻。另外，根据专利文献4所记载的方法，在ρ型GaN接触层上蒸镀Pt。然后，在氧氛围中在500°C 600°C的范围内进行热处理，由此进行电极的合金化处理。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开平5-291621号公报专利文献2 日本特开平9-64337号公报专利文献3 日本特开2004-247323号公报专利文献4 日本特开平11-186605号公报
发明内容
制作第III族氮化物基半导体发光元件时，根据所要求的发光波长，有时使例如 InGaNUnAlGaN等含铟的第III族氮化物基半导体生长于例如GaN衬底这样的第III族氮化物基半导体衬底上。由于铟原子的直径比镓原子的直径大，因此当提高铟的含量时，会因晶格不匹配而导致含有铟的层的内部应变增大。其结果是，在该层内引发较大的压电电场， 再结合概率下降从而抑制发光效率。作为用以解决上述问题的技术，有使含有铟的第III族氮化物基半导体在第III 族氮化物基半导体晶体的从c面大幅倾斜的面上生长的技术。这是因为通过使含有铟的第III族氮化物基半导体层在从c面大幅倾斜的面上生长，可以降低该层中产生的压电电场。上述现有的欧姆电极，在以c面为主面的第III族氮化物基半导体上形成电极时， 接触电阻变小。但是，在从c面大幅倾斜的第III族氮化物基半导体的主面上形成电极时， 接触电阻变大。这是因为通过第III族氮化物基半导体的主面从C面大幅倾斜，可形成较厚的表面氧化膜。本发明提供一种第III族氮化物基半导体元件，在第III族氮化物基半导体的面从c面倾斜时，可将设置在半导体层上的电极与半导体层的接触电阻抑制为较小。
本发明的一个方面的第III族氮化物基半导体元件，具备具有包含第III族氮化物晶体的非极性表面的半导体区域、和设置在半导体区域的非极性表面上的金属电极。非极性表面为半极性和无极性中的任意一种。半导体区域中添加有P型掺杂剂。在半导体区域的第III族氮化物晶体与金属电极间形成有过渡层，过渡层由金属电极的金属与半导体区域的第III族氮化物相互扩散而形成。本发明人发现，通过在电极与第III族氮化物晶体的界面生成过渡层，可以有效降低接触电阻。即，在表面为非极性的第III族氮化物半导体区域内，该表面的晶体状态成为容易与金属结合的状态。因此，与在以C面为表面的半导体区域上形成电极的情况不同， 可在半导体区域与电极间形成过渡层。过渡层是由电极的金属与半导体区域的第III族氮化物晶体相互扩散而形成的层。利用该过渡层，可改善半导体区域与电极的密接性，从而可将接触电阻抑制为较小。过渡层的厚度可为0. 5nm以上3nm以下。通过如此厚度的过渡层，可以更有效地降低接触电阻。金属电极可包含钯(Pd)和钼(Pt)中的至少一种。通过这样的金属电极，可在其与半导体区域之间适当地生成过渡层。金属电极可以通过在半导体区域的非极性表面上形成金属膜后，不经热处理而完成。由此，可在金属电极与半导体区域之间适当地生成过渡层。半导体区域表面的法线与第III族氮化物晶体的c轴所成的角度可在10度以上 80度以下或100度以上170度以下的范围内。由此，可提供半导体区域的半极性的表面。另外，半导体区域表面的法线与第III族氮化物晶体的c轴所成的角度可在63度以上80度以下或100度以上117度以下的范围内。由此，可提供半导体区域的半极性的表面。本发明的上述目的和其它目的、特征以及优点，由参考附图进行的本发明的优选实施方式的以下详细记述可以更容易地了解。发明的效果如上说明，根据本发明的一个方面，可以提供一种第III族氮化物基半导体元件， 其中，第III族氮化物基半导体区域的表面从C面倾斜，且设置在该半导体层上的电极与该半导体区域的接触电阻较小。
图1是表示一个实施方式的第III族氮化物基半导体元件的制造方法的主要步骤的图。图2是示意地表示图1所示的主要步骤的产物的图。图3是示意地表示图1所示的主要步骤的产物的图。图4(a)是表示第一实施方式中制成的外延衬底的构成的图。图4(b)是表示包含以光刻法形成的内侧电极和与之相隔的外侧电极的Pd电极结构的图。图5是表示接触电阻的测定结果的图。图6是表示第二实施方式的外延衬底的分析结果的图。
图7是表示第二实施方式的外延衬底的分析结果的图。
图8是利用透射电子显微镜拍摄第二实施例中制作的外延衬底的剖面而得到的照片。图9是利用透射电子显微镜拍摄第二实施例中制作的外延衬底的剖面而得到的照片。图10是表示形成有Pd电极的外延衬底中，因表面处理的有无而产生的光谱的差异的图。图11是表示形成有Pd电极的外延衬底中，因表面处理的有无而产生的光谱的差异的图。标号说明
11衬底Ila衬底主面Cx轴VCc轴向量NV法线向量Alpha 角度(偏角)IOa处理装置IOb成膜装置13半导体区域13a非极性表面P1、P2 衬底产物15氧化物17金属电极19过渡层
具体实施例方式以下，参考附图，使用图1 图11详细说明本发明的第III族氮化物基半导体元件的实施方式。另外，
中同一要素标注同一符号，并省略重复的说明。图1是表示一个实施方式的第III族氮化物基半导体元件的制作方法的主要步骤的图。图2和图3是示意地表示图1所示的主要步骤的产物的图。第III族氮化物基半导体元件为例如激光二极管和发光二极管这样的光元件或例如pn结二极管和晶体管这样的电子器件。图1的步骤SlOl中，准备图2(a)所示的衬底11。优选的实施例中，衬底11具有非极性的主面。衬底11例如包含纤锌矿结构的第III族氮化物基半导体。作为第III族氮化物基半导体，例如有A1N、以及AlGaN和GaN这样的氮化镓基半导体等。这些氮化镓基半导体中，衬底11的主面Ila显示非极性。非极性是指半极性或无极性。图2(a)所示的轴Cx表示衬底11的第III族氮化物基半导体的c轴(<0001>轴)的方向，轴Cx的朝向以 c轴向量VC表示。法线向量NV与衬底11的主面Ila垂直。衬底11的法线向量与c轴向量VC所成的角度Alpha例如在10度以上170度以下的范围内。步骤S102中，如图2(b)所示，在称为生长炉的处理装置IOa中配置衬底11。然后，在衬底11的主面Ila上生长半导体区域13。半导体区域13包含第III族氮化物晶体。 半导体区域13例如优选包含一个或多个氮化镓基半导体层。本实施例中，通过衬底11的主面Ila上的外延生长而提供半导体区域13。该晶体生长例如通过有机金属气相沉积法或分子束外延法等而进行。半导体区域13的表面13a具有非极性。该非极性也可为半极性或无极性。另外，半导体区域13的非极性表面13a包含ρ型第III族氮化物基半导体、例如氮化镓基半导体。P型第III族氮化物基半导体中以高浓度添加有例如Mg这样的ρ型掺杂剂。P型第III族氮化物基半导体的形成不限于外延生长。通 过这些步骤，制作第一衬底产物P1。步骤S103中，从处理装置IOa中取出第一衬底产物P1。此时，暴露于大气中的半导体区域13的非极性表面13a比极性面c面容易被氧化。即，在暴露于大气中的半导体区域13的非极性面上形成比较厚的自然氧化膜。自然氧化膜是将衬底产物Pl从处理装置 IOa向成膜装置移动时形成的。如图2(c)所示，第一衬底产物Pl的表面存在作为自然氧化膜的氧化物15。必要时可以设置对第一衬底产物Pl进行预处理的步骤作为步骤S104。作为用于预处理的溶液，例如优选使用王水、氢氟酸和盐酸中的至少任意一种。利用这些溶液，可将形成于半导体区域13的非极性表面13a上的氧化物15某种程度地除去。然后，如图3(a)所示，在步骤S105中，在成膜装置IOb中配置第一衬底产物P1。必要时可以在配置到成膜装置IOb中之前，在第一衬底产物Pl上形成用于剥离(U 7卜才7 )的掩膜。该掩膜包含抗蚀层。在成膜装置IOb中配置衬底产物Pl后， 快速将成膜装置IOb真空排气，使其达到约lX10_6Torr的真空度。另外，IPa可换算为 0.0075Torr。如图3(b)所示，在步骤S106中，使用成膜装置IOb在第一衬底产物Pl的表面以膜状沉积金属电极17。金属电极17的形成可使用例如电子束蒸镀法或电阻加热法等。 此时的衬底11的温度例如优选为15°C以上100°C以下。金属电极17含有Pd。一个实施例中，金属电极17包含Pd层。Pd层的厚度例如优选为IOnm以上。沉积金属电极17时，在该金属电极17与半导体区域13的非极性表面13的界面上产生过渡层19。过渡层19是Pd与GaN相互扩散的层。过渡层19与金属电极17的沉积同时产生。本实施方式中，由于半导体区域13的非极性表面13a为非极性，因此不同于 c面而易与金属结合，因此这样的过渡层19得以扩展。通过金属电极17的形成，可形成与半导体区域13的非极性主面13a构成电接触的欧姆电极。另外，通过该步骤，制成第二衬底产物P2。衬底产物P2包含设置在衬底产物 Pl的半导体区域13上的金属电极17、和在半导体区域13与金属电极17的界面上产生的过渡层19。步骤S107中，从成膜装置IOb中取出第二衬底产物P2。在第一衬底产物Pl上形成剥离用的掩膜时，实施进行剥离处理的步骤，从而形成有图案形成的电极。剥离处理例如使用丙酮等进行。然后，一般是在热处理装置中配置第二衬底产物P2并进行约400°C的热处理。但是，本实施方式中，在不进行这样的热处理的情况下结束欧姆电极的形成。然后，将第二衬底产物P2切割为芯片状。由此，完成第III族氮化物基半导体元件。对以上说明的本实施方式的第III族氮化物基半导体元件及其制造方法的效果进行说明本发明人尝试利用用于在GaN晶体的c面上形成欧姆电极的现有技术(专利文献1、2)，在GaN的非极性面上形成电极。但是，即使例如在(11-22)面这样的GaN的非极性面上形成Ni/Au金属膜并在氧氛围中使该金属膜合金化，也无法降低欧姆电极的接触电阻。另外，即使如其它现有技术(专利文献3、4)所述，在高温状态下在非极性面上制作Pt 电极，也无法实现欧姆接触。即，通过这些现有技术，可以在GaN晶体的c面上形成良好的欧姆电极，但是对于在非极性面上形成良好的欧姆电极显然存在困难。因此，本发明人在低温下在GaN晶体的非极性面上制作了 Pd电极。结果，获得了良好的欧姆接触。为考察其理由，使用X射线光电子分光分析装置(XPS)进行了表面分析。 通过该分析，在低温下形成于GaN晶体的非极性面上的Pd电极中，可以确认到在他处观察不到的副峰。在GaN晶体的非极性面与Pd电极之间，新生成了由Pd与GaN相互扩散而形成的过渡层，认为由此可改善GaN晶体与Pd电极的接触电阻。另外，晶体表面的结合状态在非极性面上与c面上互不相同。在非极性面上，GaN与Pd容易结合。因此推测上述过渡层在GaN晶体与Pd电极的界面上扩展。认为在GaN外的第III族氮化物基半导体中也同样会产生这种现象。本实施方式中，如上所述，半导体区域13具有非极性表面13a。并且，通过在非极性表面13a上形成包含Pd的金属电极17，产生过渡层19。利用过渡层19可以改善半导体区域13与金属电极17的密接性，从而可减小它们之间的接触电阻。过渡层19的厚度优选为0. 5nm以上3nm以下。本发明人考察了过渡层19的厚度与电特性的关系。其结果，在0.5nm以上3nm以下可获得良好的电特性。即，利用该厚度的过渡层19可更有效地降低接触电阻。金属电极17优选包含Pd。这是因为，利用包含Pd的金属电极17，可以其在与半导体区域13之间适当地产生过渡层19。但是，产生过渡层19的金属不限于Pd。例如，也可以通过包含Pt的金属电极而产生过渡层。金属电极17优选在半导体区域13的非极性表面13a上形成金属膜后，不经过热处理而完成。由此，可在其与半导体区域13之间适当地生成过渡层19。(第一实施方式)使用η型半极性GaN衬底31，利用有机金属气相沉积法制作图4(a)所示的外延衬底。GaN衬底31的主面包含m面。在该主面上形成η型GaN缓冲层32。外延衬底Epil 包含Si掺杂η型GaN层33、Mg掺杂GaN层34和高浓度Mg掺杂ρ型GaN层35。Si掺杂η 型GaN层33的厚度为1 μ m。Mg掺杂GaN层34的厚度为0. 4 μ m。高浓度Mg掺杂ρ型GaN 层35的厚度为50nm。这些氮化镓基半导体层依次生长于衬底31上。然后，在蒸镀用于ρ型电极的金属膜前，利用光刻法形成抗蚀膜。该抗蚀膜具有圆环状开口。然后，在真空度约IXlO-6Torr的蒸镀装置内，利用电子束法在外延衬底上蒸镀 Pd电极。Pd电极的厚度为500A。抗蚀膜使用丙酮而剥离。这样，如图4(b)所示，制成Pd电极结构。该Pd电极结构包含以光刻法形成的内侧电极Ein和与之相隔的外侧电极Eot。对这些电极结构不进行热处理。使用该电极结构测定电极的接触电阻。图5是表示接触电阻的测定结果的图。图 5中一并显示关于利用与上述相同的方法制成的M/Au电极结构的接触电阻的测定结果。如图5所示，根据本实施例的Pd电极结构，与M/Au电极结构相比可有效降低接触电阻。(第二实施例)按照与第一实施例相同的顺序制作外延衬底。使用丙酮和2-丙醇对该外延衬底进行超声波有机清洗。然后，利用盐酸、王水和氢氟酸各进行5分钟清洗。在该外延衬底上， 利用电子束法蒸镀Pd电极。Pd电极的厚度为100 A。蒸镀时的温度为室温。另一方面，准备通过与该外延衬底相同的步骤制作和清洗的另一外延衬底。在该外延衬底上蒸镀m/Au电极。然后，对该Ni/Au电极进行热处理。Ni使用电子束法蒸镀。Au使用电阻加热法蒸镀。 Ni和Au各自的厚度为50A。由此，在两块外延衬底上分别制作种类不同的P型电极。对这些外延衬底进行GaN晶体与ρ型电极的界面的分析。该分析使用X射线光电子分光分析装置。
图6和图7是表示这些外延衬底的分析结果的图。图6(a)和图6(b)表示Ga2p 光谱。图7 (a)和图7(b)表示Nls光谱。图6和图7中，图Gl和G2表示形成有Pd电极的外延衬底的光谱。图6和图7中，图G3和G4表示形成有Ni/Au电极的外延衬底的光谱。 如图6(a)和图6(b)所示，在形成有Pd电极的外延衬底的Ga2p光谱的高能量侧存在副峰。 但是，在形成有Ni/Au电极的外延衬底的Ga2p光谱中不存在这样的峰。由此，可以确认在形成有Pd电极的外延衬底上生成了 GaN晶体以外的新的层、即过渡层。图8和图9是这些外延衬底的剖面的透射电子显微镜照片。图8(a)表示形成有 Pd电极且不经过热处理的外延衬底的剖面。图8(b)表示形成有Pd电极且经过热处理的外延衬底的剖面。该热处理的温度为310°C，时间为1分钟。图9(a)和图9(b)表示形成有 Au/Ni电极的外延衬底的剖面。如图8(a)和图8(b)所示，在形成有Pd电极的外延衬底中，可以确认在Pd电极与 GaN层之间产生了薄薄的新的层、即过渡层19。但是，如图9(a)和图9(b)所示，在形成有 Ni/Au电极的外延衬底中，无法确认到这样的层。图8(a)中，过渡层19的厚度为0. 5nm。与此相对，图8(b)中，过渡层19的厚度扩大至2. Onm。如此，对形成有Pd电极的外延衬底实施热处理时，过渡层向深度方向扩展。并且，Pd电极与GaN层间的接触电阻稍稍下降。图10和图11是表示形成有Pd电极的外延衬底中，因表面处理的有无而产生的光谱的差异的图。图10(a)和图10(b)表示Ga2p光谱。图11(a)和图11(b)表示Nls光谱。 图10和图11中，图Gll和G12表示不进行表面处理的外延衬底的光谱。图10和图11中， 图G13 G16是表示经过表面处理的外延衬底的光谱。如图10和图11所示，经过表面处理的外延衬底的副峰的高度与未经表面处理的外延衬底的副峰的高度相比稍高。但是，这些外延衬底的能带弯曲几乎没有差异。即，形成有Pd电极的外延衬底中，无论有无表面处理都能适当地形成过渡层。本实施方式的第III族氮化物基半导体元件例如为半导体激光器、发光二极管等半导体光元件。本实施方式的第III族氮化物基半导体元件是具有添加有P型掺杂剂的第 III族氮化物基半导体的非极性表面和形成于该非极性表面上的电极的半导体元件。在优选的实施方式中对本发明的原理进行了图示说明，但本领域技术人员应当了解，本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节加以变更。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定构成。因此，请求保护权利要求书请求的范围及源于其构思范围的所有修正及变更。
产业实用性 如上说明，根据本实施方式，可以提供一种第III族氮化物基半导体元件，其中， 第III族氮化物基半导体区域的表面从C面倾斜，且设置在该半导体层上的电极与该半导体区域的接触电阻小。
权利要求
1.一种第III族氮化物基半导体元件，其特征在于，具备具有包含第III族氮化物晶体的非极性表面的半导体区域、和设置在所述半导体区域的所述非极性表面上的金属电极；所述非极性表面为半极性和无极性中的任意一种，所述半导体区域中添加有P型掺杂剂，在所述半导体区域的第III族氮化物晶体与所述金属电极之间，具有由所述金属电极的金属与所述半导体区域的第III族氮化物相互扩散而形成的过渡层。
2.如权利要求1所述的第III族氮化物基半导体元件，其中，所述过渡层的厚度为 0. 5nm以上3nm以下。
3.如权利要求1或2所述的第III族氮化物基半导体元件，其中，所述金属电极包含钯和钼中的至少一种。
4.如权利要求1至3中任一项所述的第III族氮化物基半导体元件，其中，所述金属电极通过在所述半导体区域的所述非极性表面上形成金属膜后，不经热处理而完成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的第III族氮化物基半导体元件，其中，所述半导体区域的所述非极性表面的法线与所述半导体区域的第III族氮化物晶体的C轴所成的角度，在10度以上80度以下或100度以上170度以下的范围内。
6.如权利要求1至4中任一项所述的第III族氮化物基半导体元件，其中，所述半导体区域的所述非极性表面的法线与所述半导体区域的第III族氮化物晶体的C轴所成的角度，在63度以上80度以下或100度以上117度以下的范围内。
全文摘要
本发明提供一种第III族氮化物基半导体元件，在第III族氮化物基半导体区域的表面从c面倾斜时，能够将设置在该半导体层上的电极与该半导体区域的接触电阻抑制为较小。一种第III族氮化物基半导体元件，具备具有包含第III族氮化物晶体的非极性表面(13a)的半导体区域(13)、和设置在半导体区域(13)的非极性表面(13a)上的金属电极(17)；非极性表面(13a)为半极性和无极性中的任意一种，半导体区域(13)中添加有p型掺杂剂，在半导体区域(13)的第III族氮化物晶体与金属电极(17)之间，具有由金属电极(17)的金属与半导体区域(13)的第III族氮化物相互扩散而形成的过渡层(19)。
文档编号H01L33/40GK102422446SQ20108002091
公开日2012年4月18日 申请日期2010年9月22日 优先权日2010年1月18日
发明者上野昌纪, 京野孝史, 住友隆道, 德山慎司, 片山浩二, 足立真宽, 齐藤吉广 申请人:住友电气工业株式会社