專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管(LED)、激光二極管 等的發(fā)光元件、HEMT等的晶體管元件等，利用p型氮化物半導(dǎo)體結(jié) 晶層的半導(dǎo)體元件的制造方法。更詳細(xì)地涉及不會(huì)產(chǎn)生為了使p型氮 化物半導(dǎo)體結(jié)晶層中的受主活性化而進(jìn)行的高溫?zé)崽幚硭鶎?dǎo)致的氮脫 落等弊害，能夠可靠地進(jìn)行受主的活性化，形成低電阻p型層的氮化 物半導(dǎo)體晶體元件的制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)階段，利用氮化物半導(dǎo)體的藍(lán)色系發(fā)光二極管(LED)、激光二 極管等的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件正在實(shí)用化。發(fā)出利用該氮化物半導(dǎo) 體的藍(lán)色系的光的半導(dǎo)體發(fā)光元件是通過(guò)例如利用MOCVD法在藍(lán)寶 石(sapphire)基板上順次地層疊由GaN等構(gòu)成的低溫緩沖層、由GaN 等構(gòu)成的n型層、由禁帶能量(band gap energy:帶隙能量)比n型層 小決定發(fā)光波長(zhǎng)的材料，例如InGaN系(意味著In和Ga的比率可以 進(jìn)行種種改變，以下相同)化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的活性層(發(fā)光層)、和 由GaN等構(gòu)成的p型層，在其表面上通過(guò)透光性導(dǎo)電層設(shè)置p側(cè)電極， 在通過(guò)蝕刻層疊的半導(dǎo)體層疊部的一部分露出的n型層的表面設(shè)置n 側(cè)電極而形成。此外，為了提高n型層和p型層關(guān)閉載流子的效果， 可以在活性層側(cè)利用AlGaN系(意味著Al和Ga的比率可以進(jìn)行種種 改變，以下相同)化合物等的禁帶能量更大的半導(dǎo)體層。
當(dāng)利用MOCVD法層疊該氮化物半導(dǎo)體時(shí)，因?yàn)樵谠蠚怏w中含 有烷基的氫，以及載流氣體為氫氣，還存在著作為氮的原料氣體的NH3 的氫等，所以由于作為p型層的受主導(dǎo)入的Mg容易和H結(jié)合而與H 結(jié)合，并以Mg-H的形式進(jìn)入到氮化物半導(dǎo)體中。這樣，通過(guò)Mg和H 結(jié)合在氮化物半導(dǎo)體層中存在時(shí)，導(dǎo)致Mg不活性化，起不到受主的 作用。因此，至今一般進(jìn)行40(T C以上的在不包含氫的氣氛中的退火
處理，利用溫度切斷Mg和H的結(jié)合，從氮化物半導(dǎo)體層放出H，使 作為受主的Mg活性化(例如請(qǐng)參照專利文獻(xiàn)1)。
此外，也可以利用稱為通過(guò)激光照射進(jìn)行該退火處理的激光退火 方法(例如參照專利文獻(xiàn)2)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)利用該激光退火方法進(jìn)行，即 便不使整個(gè)半導(dǎo)體層疊部的溫度上升，也能夠只使p型層附近的溫度 上升，所以具有容易防止摻雜劑向活性層等擴(kuò)散等的優(yōu)點(diǎn)。但是，因 為需要提高氮化物半導(dǎo)體層的溫度，所以需要使用短波長(zhǎng)的激光，但 是因?yàn)镚aN是直接遷移型半導(dǎo)體，所以對(duì)于與禁帶能量Eg以上相當(dāng) 的短波長(zhǎng)而言其吸收系數(shù)大，激光進(jìn)入到氮化物半導(dǎo)體層的深度變淺， 難以使較厚的p型氮化物半導(dǎo)體層活性化。
專利文獻(xiàn)l:日本特開(kāi)平8-51235號(hào)專利公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2002-289550號(hào)專利公報(bào)
如上所述，對(duì)于利用MOCVD法生長(zhǎng)的p型氮化物半導(dǎo)體層而言， 若其不在40(T C以上的高溫進(jìn)行退火處理，則不能夠使作為受主而摻 雜的Mg活性化，起不到受主的作用。但是，若為了切斷該Mg和H 的結(jié)合并放出H而在400° C以上的高溫進(jìn)行退火處理，則容易放出 氮化物半導(dǎo)體層表面的氮，發(fā)生稱為氮脫落的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生氮脫落時(shí)， 因?yàn)樾纬傻瘴?，該氮空位作為施?donor)起作用，所以使空穴濃 度下降，結(jié)果存在著不能夠得到高載流子濃度的p型層等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題提出的，本發(fā)明的目的在于提供一種 不發(fā)生因長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高溫退火處理而引起的形成氮空位等問(wèn)題，進(jìn)行 受主的活性化，具有載流子濃度高(低電阻)的p型氮化物半導(dǎo)體層 的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法。
本發(fā)明的其它目的在于提供一種即便在不與氮化物半導(dǎo)體晶格匹 配的基板上層疊氮化物半導(dǎo)體層的情形中，也能夠生長(zhǎng)出結(jié)晶缺陷少 的氮化物半導(dǎo)體層，使p型層的電阻更低的氮化物半導(dǎo)體元件的制造 方法。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其利用MOCVD法 在基板上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層，使得至少在表面?zhèn)染哂衟型氮化物半導(dǎo)體層，其特征在于通過(guò)對(duì)摻雜有受主的氮化物半導(dǎo)體層照射能量 比作為該氮化物半導(dǎo)體層的受主的Mg和H的結(jié)合能大的激光，切斷
上述Mg和H的結(jié)合，接著通過(guò)在300 400°C的溫度下進(jìn)行熱處理， 將所述切離的H從所述氮化物半導(dǎo)體層放出，使所述受主活性化，從 而形成所述p型層。
這里，所謂的氮化物半導(dǎo)體是指由將IIIA族元素的Ga和VA族元 素的N的化合物或者IIIA族元素的Ga的一部分或全部置換成Al、 In 等其它IIIA族元素和/或?qū)A族元素的N的一部分置換成P、 As等的 其它VA族元素的化合物(氮化物)構(gòu)成的半導(dǎo)體。
具體地說(shuō)，以利用MOCVD法在基板上順次地外延生長(zhǎng)由氮化物 半導(dǎo)體構(gòu)成的n型層、活性層和p型層而形成發(fā)光層的方式，形成半 導(dǎo)體層疊部，從該半導(dǎo)體層疊部的表面?zhèn)日丈洳ㄩL(zhǎng)在X^h c / E以下 的激光(其中，X表示激光的振蕩波長(zhǎng)，h表示普朗克常數(shù)，c表示光 速，E表示能夠切斷Mg和H的結(jié)合的能量)，此后在300 400°C的 溫度下進(jìn)行熱處理，能夠得到氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，此外，除上述構(gòu)成 外，通過(guò)利用PLD法在不與氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的基板的表而生長(zhǎng) 由AlxGayIn,.x.yN (0^x$l， 0蘭y^1， 0蘭x + y51)構(gòu)成、并且該 AlxGayIni_x.yN的a軸和c軸定向的單結(jié)晶緩沖層，利用MOCVD法在 該單晶緩沖層上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層，能夠得到結(jié)晶缺陷少，與 抑制氮空位的形成相互結(jié)合，具有載流子濃度更大(低電阻)的p型 層的氮化物半導(dǎo)體元件。
這里，不與氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的基板是指具有(氮化物半導(dǎo) 體和基板的a軸方向的晶格常數(shù)之差的絕對(duì)值)/ (氮化物半導(dǎo)體的a 軸方向的晶格常數(shù))$0.5%的關(guān)系的基板。
如果根據(jù)本發(fā)明，則因?yàn)橥ㄟ^(guò)照射激光離解摻雜在氮化物半導(dǎo)體 層中的作為受主的例如Mg和H的結(jié)合，在其上進(jìn)行溫度為300 400°C 的低溫?zé)崽幚恚阅軌蚝?jiǎn)單地從氮化物半導(dǎo)體層放出離解的H。結(jié) 果，因?yàn)闆](méi)有必要在只利用退火處理實(shí)現(xiàn)受主活性化的高溫下在長(zhǎng)時(shí) 間進(jìn)行退火處理，所以不會(huì)從氮化物半導(dǎo)體層表面離解氮而形成氮空 位。因此，不會(huì)隨著因氮空位引起的空穴濃度下降而可靠地進(jìn)行作為
受主的Mg的活性化，能夠得到載流子濃度非常大，電阻率非常小的p 型層，能夠得到高性能的半導(dǎo)體發(fā)光元件等的氮化物半導(dǎo)體元件。


圖1是表示作為根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法的一 個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光元件的制造步驟的剖面說(shuō)明圖。
圖2是利用圖1的制造方法得到的氮化物半導(dǎo)體元件芯片的立體 說(shuō)明圖。
圖3是在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法的其它實(shí)施 方式中制造的發(fā)光元件芯片的立體說(shuō)明圖。
圖4是表示氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其它構(gòu)造例的剖面說(shuō)明圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明形成的晶體管的構(gòu)成剖面說(shuō)明圖。 標(biāo)號(hào)說(shuō)明
1:基板；2:低溫緩沖層；3: n型層；4:活性層；5: p型層；6: 半導(dǎo)體層疊部；7:透光性導(dǎo)電層；8: p側(cè)電極；9: n側(cè)電極；10:
單晶緩沖層。
具體實(shí)施例方式
下面， 一面參照附圖一面說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造
方法。根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法是，在利用MOCVD 法在基板上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層，使得至少在表面?zhèn)刃纬删哂衟型氮 化物半導(dǎo)體層的氮化物半導(dǎo)體元件的情形中，為了形成p型層，利用 具有能夠切斷作為受主的Mg和H的結(jié)合的能量的激光對(duì)摻雜有受主 的氮化物半導(dǎo)體層進(jìn)行照射，來(lái)切斷作為受主的Mg和H的結(jié)合，接 著在300 400°C的溫度下進(jìn)行熱處理，由此能夠?qū)⑶须x的H從該氮化 物半導(dǎo)體層放出，使受主活性化的方法。
具體地說(shuō)，圖1是表示作為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED)的制造步驟說(shuō)明圖，在圖2中以分別表示該 芯片的立體說(shuō)明圖的方式，以利用MOCVD法順次地在基板1上外延 生長(zhǎng)由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的n型層3、活性層4和p型層5而形成發(fā)光 層的方式來(lái)形成半導(dǎo)體層疊部6 (請(qǐng)參照?qǐng)D1 (a))，從該半導(dǎo)體層疊
部6的表面?zhèn)?，照射例如波長(zhǎng)在 ^h'c/E (其中，X表示激光的振蕩波 長(zhǎng)，h表示普朗克(Planck)常數(shù)，c表示光速，E表示能夠切斷Mg 和H結(jié)合的能量)以下的波長(zhǎng)人的激光(請(qǐng)參照?qǐng)D1 (b))。而且，在 300 400°C的溫度下迸行熱處理(請(qǐng)參照?qǐng)D1 (c))。此后，與通常的 氮化物半導(dǎo)體LED的制造步驟相同，但是在半導(dǎo)體層疊部6的表面上 設(shè)置有ZnO、 IT0等的透光性導(dǎo)電層7 (請(qǐng)參照?qǐng)D1 (d))，分別在通 過(guò)蝕刻除去半導(dǎo)體層疊部6的一部分而露出的n型層3上形成n側(cè)電 極9，在透光性導(dǎo)電層7的表面上形成p側(cè)電極8 (請(qǐng)參照?qǐng)D1 (e))， 并進(jìn)行芯片化，得到如圖2所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件芯片。
對(duì)于激光照射而言，因?yàn)閾诫s在p型層5中的作為受主的Mg與 在半導(dǎo)體層生長(zhǎng)中包含在原料氣體的有機(jī)金屬、氨乃至載流氣休中的H 結(jié)合而存在，所以要切斷該結(jié)合。即，通過(guò)本發(fā)明者反復(fù)進(jìn)行仔細(xì)地 研討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)為了切斷該Mg和H的結(jié)合，通過(guò)照射具有0.067eV 以上的能量E的激光，而能夠切斷Mg和H的結(jié)合。g卩，對(duì)于用于得 到該能量E的激光，當(dāng)令它的波長(zhǎng)為X時(shí)，成為^=h c/E二18)itm。這 里h是普朗克常數(shù)，c是光速。因此，如果波長(zhǎng)比它短，則其能量增大， 所以結(jié)果是如果照射波長(zhǎng)X為18pm以下的激光，則能夠離解Mg和H 結(jié)合。結(jié)果，能夠利用與GaN的禁帶能量3.39eV以下相當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)為 365nm以上的激光照射，不需要加熱氮化物半導(dǎo)體，利用激光的能量 便能夠切斷Mg和H的結(jié)合。
艮口，當(dāng)利用激光退火處理，實(shí)現(xiàn)受主的活性化時(shí)，因?yàn)樾枰诘?化物半導(dǎo)體中吸收激光能量轉(zhuǎn)變成熱，又因?yàn)槔鏕aN的禁帶能量為 3.39eV，與365nm相當(dāng)，所以需要使用在比其短的波長(zhǎng)為248nm振蕩 的KrF激光器、在193nm振蕩的ArF激光器等，加熱整個(gè)半導(dǎo)體層， 但是在本發(fā)明中，只要是能夠切斷該Mg和H的結(jié)合的能量，則也可 以使用例如波長(zhǎng)為1.064|im的YAG激光器(添加Nd的釔鋁石榴石)、 波長(zhǎng)為10.5pm的C02激光器、波長(zhǎng)為0.8pm的半導(dǎo)體激光器等，能夠 不加熱氮化物半導(dǎo)體而離解Mg和H的結(jié)合。
此外，在照射激光時(shí)，當(dāng)在激光的照射面積內(nèi)不能放入1塊晶片 的情形中，掃描激光。這時(shí)，進(jìn)行約0.05w/cr^以上的激光照射。此外， 因?yàn)槿鐭g(ablation)裝置那種通過(guò)會(huì)聚照射的激光會(huì)使GaN層升華，
容易生成氮空位，因此優(yōu)選不會(huì)聚地使用激光。
接著進(jìn)行的熱處理是為了從氮化物半導(dǎo)體層放出通過(guò)上述激光照
射分離Mg-H結(jié)合所生成的H。即，如上所述，激光照射的目的是切 斷該Mg和H的結(jié)合，因?yàn)椴粫?huì)使半導(dǎo)體層的溫度上升，所以即便通 過(guò)激光照射分離H，該分離的H也原封不動(dòng)地存留在氮化物半導(dǎo)體層 內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)H原封不動(dòng)地放置著時(shí)，Mg非常容易與H結(jié)合，所以因 再結(jié)合而降低Mg的活性化。因此，為了從氮化物半導(dǎo)體層驅(qū)趕出分 離的氫而進(jìn)行熱處理，但是如果只是為了驅(qū)趕出切斷了與Mg的結(jié)合 的H，例如通過(guò)在氮?dú)獾炔淮嬖跉錃獾臍夥罩?，在比較低的約300 400。C的溫度中，進(jìn)行約1 10分鐘的熱處理，則能夠簡(jiǎn)單地驅(qū)趕出已 經(jīng)與Mg切離的H。因此，無(wú)需利用己有的退火處理分離Mg-H的結(jié)合 并驅(qū)趕出H所需要的400。C以上、20分鐘以上的長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，不 會(huì)導(dǎo)致因半導(dǎo)體層疊部中的摻雜劑的移動(dòng)和氮從半導(dǎo)體層疊部表面的 游離而形成氮空位的弊害。此外，其它的半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)等與通常的 制造步驟相同。
下面， 一面參照?qǐng)D1， 一面通過(guò)具體例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的氮化 物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法。作為基板l，能夠使用例如由藍(lán)寶石、 SiC、 GaN系化合物(意味著氮化物半導(dǎo)體)、ZnO系化合物(意味著 包含Zn的氧化物)、Si、 GaAs等構(gòu)成的各種基板。例如，將由藍(lán)寶石 構(gòu)成的基板1放入MOCVD裝置中， 一面流過(guò)氫氣， 一面使溫度上升 至大約1050°C，對(duì)基板1進(jìn)行熱清潔處理(thermal cleaning)。此后， 使溫度降低至大約400 600°C，例如在形成約0.005 0.1pm的由GaN 構(gòu)成的低溫緩沖層2的薄膜后，使溫度上升至大約600 1200。C，例如 約1000°C的高溫，生長(zhǎng)由摻雜有Si的GaN構(gòu)成的接觸層和由InGaN 系化合物/GaN構(gòu)成的超晶格層，由此層疊約1 10Mm的n型層3。下 面，使生長(zhǎng)溫度降低至大約400 600°C的低溫，層疊約0.05 二0.3jim 的未摻雜的InGaN系化合物/GaN-MQW (例如層疊3 8對(duì)(pair)由 l 3nm的In0.17Ga0.83N構(gòu)成的晶片層和由10 20nm的InzGai.zN(0蘭z $0.05)構(gòu)成的阻擋層的多重量子阱構(gòu)造)的活性層4。接著，使生長(zhǎng) 裝置內(nèi)的溫度上升至大約600 1200°C，例如大約1000°C的溫度，生 長(zhǎng)約0.01 0.5Mm的由摻雜有Mg的GaN構(gòu)成的p型層5。
此外，當(dāng)生長(zhǎng)上述各半導(dǎo)體層時(shí)，與載流氣體的H2—起供給三甲
基鎵(TMG)、氨(NH3)、三甲基鋁(TMA)、三甲基銦(TMIn)等 反應(yīng)氣體和作為形成n型時(shí)的摻雜劑氣體的SiH4、作為形成p型時(shí)的 摻雜劑氣體的環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)等必要?dú)怏w，能夠以希望的組 成形成希望厚度的希望的導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
此后，更希望的是，如圖1 (b)所示，利用CVD法等在半導(dǎo)體層 疊部6的表面設(shè)置約0.1 lpm的Si02等的保護(hù)膜12，如上述那樣， 照射激光(圖中的箭頭表示激光的照射)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)置該保護(hù)膜12， 能夠防止氮化物半導(dǎo)體層的N脫落，所以是優(yōu)選的，但是如上述那樣， 岡為即便由于激光的照射氮化物半導(dǎo)體層的溫度也不上升，所以即便 沒(méi)有保護(hù)膜12也沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于該激光照射而言，如上述那樣若不進(jìn) 行會(huì)聚并且能夠一次照射晶片的整個(gè)面，則照射大約15分鐘，當(dāng)不能 夠一次照射晶片的整個(gè)面時(shí)， 一面進(jìn)行掃描， 一面在相同的地方照射 大約上述的時(shí)間。
此后，如圖1 (c)的概念圖所示的那樣，例如將晶片11載置在 MOCVD裝置13等加熱裝置內(nèi)的試料臺(tái)14上， 一面流過(guò)氮?dú)猓?一面 接通加熱器15使晶片11的溫度達(dá)到大約300 400°C，進(jìn)行約1 10 分鐘的熱處理。在圖1 (c)中EXH.指的是氣體排出口。此外，在該例 子中，使激光照射和熱處理順序地連續(xù)進(jìn)行，但是如果以能夠在加熱 裝置內(nèi)直接照射激光的方式構(gòu)成加熱裝置，則能夠同時(shí)進(jìn)行激光照射 和加熱處理，能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)激光照射分離出來(lái)的H直接從氮化物半導(dǎo)體 放出。
此后，如圖1 (d)所示，除去保護(hù)膜12，在半導(dǎo)體層疊部6的表 面設(shè)置例如約0.01 5pm的由ZnO等構(gòu)成的、能夠與p型半導(dǎo)體層5 成為歐姆接觸(ohmic contact)的透光性導(dǎo)電層7。該透光性導(dǎo)電層7 并不限定于ZnO，即便是ITO、 Ni和Au的約2 100nm的薄合金層， 也能夠一面透過(guò)光一面使電流在整個(gè)芯片中擴(kuò)散。
而且，如圖1 (e)所示，為了形成n側(cè)電極，通過(guò)干蝕刻除去透 光性導(dǎo)電層7和半導(dǎo)體層疊部的一部分而露出n型層3，在透光性導(dǎo)電 層7上的一部分上利用剝離(liftoff)法等形成具有Ti和Au的層疊構(gòu) 造的p側(cè)電極8，在露出的n型層3上由Ti-Al合金等形成歐姆接觸用
的n側(cè)電極9。此后，通過(guò)分割各芯片，得到圖2所示的LED芯片。
此外，在上述例子中，是用GaN的單層形成p型層5的例子，但 是例如也能夠在活性層側(cè)形成AlGaN系化合物那樣的禁帶(band gap) 較大的層。這時(shí)也能夠利用與上述相同波長(zhǎng)的激光分離Mg和H的結(jié) 合。此外，也能夠?qū)型層3作為這種兩種以上的復(fù)合層。而且，在 本例中，是使用n型層14和p型層16夾持活性層15的雙異質(zhì)結(jié) (Double-Heterojunction)構(gòu)造，但是也可以是直接結(jié)合n型層和p型 層的pn結(jié)合構(gòu)造。而且，在上述例子中，是LED的例子，但是也能 夠通過(guò)形成帶狀的發(fā)光區(qū)域同樣地形成激光二極管。
這樣形成的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，如上所述，為了進(jìn)行p型層 的活性化，利用激光離解受主Mg和H等的結(jié)合，此后通過(guò)熱處理放 出離解的H，所以，能夠一面在非常低的溫度下在短時(shí)間內(nèi)完成熱處 理，可靠地實(shí)現(xiàn)p型層的活性化， 一面能夠抑制氮從半導(dǎo)體層疊部表 面的離解，能夠抑制氮空位的生成，并且因?yàn)椴恍枰邷責(zé)崽幚?，?以能夠抑制摻雜劑等在層疊的半導(dǎo)體層之間的移動(dòng)，得到非常穩(wěn)定的 高特性的LED、半導(dǎo)體激光器等半導(dǎo)體發(fā)光元件。
在上述的例子中，在藍(lán)寶石基板上直接形成GaN等的低溫緩沖層， 在其上層疊n型層等，但是藍(lán)寶石基板是與GaN等氮化物半導(dǎo)體層的 晶格常數(shù)相差約18%的晶格不匹配的基板。當(dāng)在這種晶格不匹配的基 板上層疊氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，容易生成位錯(cuò)等的結(jié)晶缺陷，因?yàn)檫@種 位錯(cuò)在層疊的半導(dǎo)體層疊部上方成為貫通位錯(cuò)而使結(jié)晶缺陷延伸，所 以存在著即便正確地除去由低溫?zé)崽幚懋a(chǎn)生的氮空位等的弊害，也不 能夠充分地提高載流子濃度的情形。即便在這種晶格不匹配的基板上 層疊氮化物半導(dǎo)體層的情形中，也能夠抑制氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶缺 陷而能夠使p型層的電阻率更小的方法如圖3所示。
艮P，首先將與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的，例如藍(lán)寶石基板1放 入到PLD (Plasma Laser Deposition (等離子激光蒸涂)裝置中，在大 約600 800°C的溫度下對(duì)藍(lán)寶石基板1進(jìn)行熱清潔處理。而且，例如 使用KrF激光對(duì)GaN靶進(jìn)行燒蝕，在藍(lán)寶石基板1上生長(zhǎng)GaN單晶 緩沖層IO。而且，將晶片裝入到MOCVD裝置中，與上述圖l所示的 例子相同，順次生長(zhǎng)n型層3等的半導(dǎo)體層疊部6。此后，與上述例子
i相同，利用激光分離受主的Mg和H等的結(jié)合，此后通過(guò)進(jìn)行大約300 400。C的熱處理，從氮化物半導(dǎo)體層放出分離的H，能夠得到載流子濃 度非常大、電阻率非常小的p型層，能夠得到高特性的半導(dǎo)體發(fā)光元 件。即便作為半導(dǎo)體激光器，也能夠得到閾值電流小的半導(dǎo)體激光器， 并且延長(zhǎng)它的壽命。
本發(fā)明者另外發(fā)現(xiàn)并在日本專利申請(qǐng)2005-19522中揭示有在藍(lán)寶 石基板1上形成這種GaN的a軸和c軸定向的單結(jié)晶層的技術(shù)，艮P， 在PLD法中，以一面使升華的飛散物自由地飛散一面附著在基板表面 上，例如以使飛散的原子能夠自由運(yùn)動(dòng)的方式將基板溫度上升到約 500 1000°C，生長(zhǎng)不僅具有c軸而且也具有a軸的單晶層那樣的性質(zhì) 為基礎(chǔ)。即，對(duì)于PLD法而言，因?yàn)榕c濺射法比較耙組成和薄嫫組成 的偏差小，而且與濺射法不同，由于自偏壓(bias)不產(chǎn)生具有高能量 的粒子，所以具有能夠生長(zhǎng)晶體薄膜的性質(zhì)。而且，對(duì)于PLD法而言， 是與物理蒸涂接近的方法，因?yàn)樵谏A材料中也存在GaN分子，所以 即便在藍(lán)寶石等對(duì)GaN濕潤(rùn)性不好的材料上也能夠容易成膜，因?yàn)橐?能夠?qū)⒀b置保持在高真空中地進(jìn)行生長(zhǎng)，所以能夠在與氮化物半導(dǎo)體 晶格不匹配的基板表面上，不形成低溫緩沖層地直接單晶生長(zhǎng)氮化物 半導(dǎo)體層。
此外，單晶緩沖層10的組成，不限定于上述的GaN， 一般地，通 過(guò)將由AlxGayIni_x—yN (02x^1， 0SySl， O^x + y^l)表示的化合 物用作靶，能夠形成該組成的單晶緩沖層10。因此，優(yōu)選與層疊在其 上的氮化物半導(dǎo)體層的組成相應(yīng)地形成所要組成的單晶緩沖層10。
而且，在上述的各例中，因?yàn)槭亲鳛榛鍨榻^緣性基板的藍(lán)寶石 基板的例子，所以為了形成n側(cè)電極9，而蝕刻半導(dǎo)體層疊部6的一部 分露出n型層3，但是即便在基板為SiC那樣的半導(dǎo)體基板的情形中， 同樣通過(guò)從半導(dǎo)體層疊部6的表面?zhèn)日丈浼す膺M(jìn)行約300 400°C的熱 處理，能夠得到電阻非常低的p型層。本例中如圖4所示。在本例中， 因?yàn)榛宀皇墙^緣性基板，而是半導(dǎo)體，所以不在通過(guò)蝕刻并除去半 導(dǎo)體層疊部的一部分露出的n型層3上形成電極，只在由半導(dǎo)體構(gòu)成 的基板1的背面形成n側(cè)電極9，以后的與上述例子相同。
艮口，在由SiC構(gòu)成的基板1上，生長(zhǎng)高溫的AlGaN系化合物緩沖
(buffer)層2a，此后與上述同樣，形成由n型層3、活性層4、 p型層 5構(gòu)成的半導(dǎo)體層疊部6，在p型層5的活性化后在其表面上形成透光 性導(dǎo)電層7。這時(shí)，利用上述材料在芯片的大致中央部分的表面形成p 側(cè)電極8，通過(guò)在由SiC構(gòu)成的基板1背面的整個(gè)面上形成例如Ni薄 膜而形成n型電極9。當(dāng)然，因?yàn)檫@時(shí)SiC基板和氮化物半導(dǎo)體層其晶 格也不匹配，所以如上述圖3所示，通過(guò)首先利用PLD法在SiC基板 上生長(zhǎng)由AlxGayIni—x.yN構(gòu)成的單晶緩沖層，在其上利用MOCVD法層 疊各氮化物半導(dǎo)體層，能夠得到晶體性更卓越的低電阻的p型層。
圖5是利用由上述方法形成的p型層，構(gòu)成晶體管的剖面說(shuō)明圖。 與發(fā)光元件的情形相同，將基板1放入到MOCVD裝置中，與上述相 同導(dǎo)入必要的有機(jī)金屬氣體，順次生長(zhǎng)GaN緩沖層2、大約4jim的未 摻雜GaN23層、大約10nm的p型GaN電子渡越層24，照射激光離解 受主和H等的結(jié)合，在大約300 400°C的溫度下進(jìn)行熱處理，放出該 離解的H，能夠得到低電阻的p型GaN電子渡越層(動(dòng)作層)24。此 后，以生長(zhǎng)約為5nm的n型的GaN層25，設(shè)置形成柵極長(zhǎng)度約為1.5|am 的預(yù)定間隔的方式，蝕刻除去n型GaN層25的一部分露出電子渡越 層24。然后，形成約為10nm的由AlN或SiN構(gòu)成的絕緣膜29，通過(guò) 蝕刻n型的GaN層25的一部分使其露出來(lái)。此后，在露出的n型GaN 層25上例如利用Ti膜和Au膜形成源電極26和漏電極27。通過(guò)在它 們之間的絕緣膜29的表面上例如由Pt膜和Au膜的層疊形成柵電極 28，能夠構(gòu)成n溝道的晶體管。這時(shí)，也能夠在基板表面上形成單晶 緩沖層，通過(guò)在其上生長(zhǎng)GaN層，能夠得到晶體性非常卓越的氮化物 半導(dǎo)體層，能夠得到漏電流小，耐壓卓越的高速晶體管(HEMT)。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提高用氮化物半導(dǎo)體的LED和激光二極管等的 發(fā)光元件、HEMT等的晶體管元件等的特性，能夠用于利用這些半導(dǎo) 體元件的各種電子設(shè)備中。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其利用MOCVD法在基板上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層，使得至少在表面?zhèn)染哂衟型氮化物半導(dǎo)體層，其特征在于通過(guò)對(duì)摻雜有受主的氮化物半導(dǎo)體層照射能量比作為該氮化物半導(dǎo)體層的受主的Mg和H的結(jié)合能大的激光，切斷所述Mg和H的結(jié)合，接著通過(guò)在300～400℃的溫度下進(jìn)行熱處理，將所述切離的H從所述氮化物半導(dǎo)體層放出，使所述受主活性化，從而形成所述p型層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 在于所述激光是具有X二h c/E以下能量的激光，其中，X表示激光的振蕩波長(zhǎng)，h表示普朗克常數(shù)，c表示光速，E 表示能夠切斷Mg和H的結(jié)合的能量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 在于所述激光是具有0.067eV以上且3.39eV以下的能量的激光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 在于所述激光是具有18Mm以下且365nm以上的波長(zhǎng)的激光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征所述激光是添加有Nd的YAG激光、C02激光和波長(zhǎng)為0.8|am的半導(dǎo)體激光中的任一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 在于所述激光以不會(huì)聚的方式直接對(duì)所述半導(dǎo)體層進(jìn)行照射。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 在于進(jìn)行1 10分鐘所述熱處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征 同時(shí)進(jìn)行所述激光照射和熱處理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于以利用MOCVD法在基板上順次外延生長(zhǎng)由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的 n型層、活性層和p型層而形成發(fā)光層的方式形成半導(dǎo)體層疊部，由此 形成發(fā)光元件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于以構(gòu)成p型層作為動(dòng)作層的晶體管的方式生長(zhǎng)所述氮化物半導(dǎo)體層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于利用PLD法在不與氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的基板表面上生長(zhǎng)由 AlxGayln!.x.yN (O^x^l, O^y^l, O^x + y^l)構(gòu)成、并且該 AlxGayIni.x.yN的a軸和c軸已定向的單晶緩沖層，利用MOCVD法在 該單晶緩沖層上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法，不發(fā)生因長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高溫退火處理所引起的形成氮空位的問(wèn)題來(lái)進(jìn)行受主的活性化，該氮化物半導(dǎo)體元件具有載流子濃度高(低電阻)的p型氮化物半導(dǎo)體層。在基板(1)上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層疊部(6)，從該半導(dǎo)體層疊部的表面?zhèn)日丈洇耍絟·c/E以下(E為能夠切斷Mg和H結(jié)合的能量)波長(zhǎng)λ的激光。此后，在300～400℃的溫度下進(jìn)行熱處理。而且，與通常氮化物半導(dǎo)體LED的制造步驟相同來(lái)設(shè)置透光性導(dǎo)電層(7)，并在通過(guò)蝕刻除去半導(dǎo)體層疊部的一部分露出的n型層(3)上形成n側(cè)電極(9)，在透光性導(dǎo)電層的表面形成p側(cè)電極(8)。
文檔編號(hào)H01L21/324GK101176213SQ20068001606
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月9日
發(fā)明者中原健 申請(qǐng)人:羅姆股份有限公司