JP4149054B2

JP4149054B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4149054B2
Application number: JP33744898A
Authority: JP
Inventors: 大介花岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: JP2000164922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置に関する。ここに、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体とは、Ｖ族元素として少なくとも窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる半導体をいう。つまり、ＩＩＩ族元素のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等と、Ｖ族元素のＮ、Ｐ、Ａｓ等を含み、且つ、必ずＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である。例えば、組成式で書くと、次のようになる。
Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_cＮ_dＸ_1-d
（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０＜ｄ≦１、Ｘ：Ｐ、Ａｓ等のＶ族原子）
また、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体は、紫外から緑色の波長の領域での発光素子や、電力用パワーデバイス等の半導体装置への利用に注目されている。特に、近年、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体において、高品質な単結晶薄膜作製技術が開発され、単結晶低抵抗ｐ型層の作製が可能になって以来、本半導体材料に関する開発が急速に進展し、青色から緑色の波長で発光する発光ダイオードの実用化が実現され、更なる展開が期待されている。
【０００３】
今後、実用化された発光ダイオードの性能向上や、実用化が期待されている半導体レーザ等の実現に向けて、様々な方面からの取り組みが行われており、その一つに、ｐ型コンタクト層の開発がある。
【０００４】
例えば、発光ダイオードや半導体レーザ等のような、オーミック性に優れ、接触抵抗が低く、低抵抗なコンタクト層が必要な半導体装置においては、その特性が、半導体装置の性能、例えば、低電圧動作、高輝度化、高信頼性、長寿命化に大きな影響を与える。
【０００５】
従来の技術としては、例えば、特開平８−９７４７１号公報に示されている技術が知られている。この技術は、Ｍｇ不純物濃度の異なる層を二層形成し、正電極に近い側からＭｇ不純物濃度の高い層および低い層を配置する構成になっている。
【０００６】
実施例においては、例えば、正電極に近いＭｇ不純物濃度の高い層で、その濃度が２×１０²⁰［／ｃｍ³］、層厚が５０ｎｍとなっており、一方、Ｍｇ不純物濃度が低い層で、その濃度が１×１０²⁰［／ｃｍ³］、層厚が０．２μｍとなっている構造が示されている。なお、Ｍｇ不純物濃度の低い層は主に活性層にホールを効率よく注入するための層であり、Ｍｇ不純物濃度の高い層は主に正電極とオーミック接触を取るための層としての役割を持っていると考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、先に示した従来の技術においては、各種半導体装置に求められる特性、つまり、オーミック性、接触抵抗、直列抵抗に対して、まだ、不十分である。そのため、半導体装置の性能、例えば、低電圧動作、高輝度化、高信頼性、長寿命化に課題を残している。
【０００８】
ｐ型コンタクト層自体の抵抗の大きさ、および、正電極の接触抵抗のため、動作電圧が高くなると共に、その部分で発生する熱のため、さらに、ｐ型コンタクト層の結晶性が悪いため、素子が劣化しやすい。例えば、従来の技術を用いて作製した発光ダイオードでは、信頼性試験を行ったところ、過半数の素子が、発光強度が初期値の半値以下に低下するか、或いは動作不能になった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、正電極に対してオーミック性に優れ、接触抵抗が低く、低抵抗なｐ型コンタクト層を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を解決する方法として、接触抵抗を下げるために、正電極と接触する部分のｐ型コンタクト層のアクセプタ不純物濃度を３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］とし、ｐ型コンタクト層中において、正電極に接する側からその反対側に向けてアクセプタ不純物濃度を連続的に減少させており、ｐ型コンタクト層の正電極とは反対側の層と接する部分のアクセプタ不純物濃度を１×１０ ¹⁸ 〜３×１０ ¹⁹ ［／ｃｍ ³ ］としている。
【００１２】
本発明においては、ｐ型コンタクト層におけるアクセプタ不純物濃度の減少は、指数関数的または一次関数的であることが望ましい。
【００１４】
さらに、本発明においては、ｐ型コンタクト層のアクセプタ不純物はＭｇであることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態においては、本発明を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体の発光ダイオードを作製した。ＭＯＣＶＤ装置を使用し、原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む有機金属化合物としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、Ｖ族元素を含む水素化物としてアンモニア、不純物の原料ガスとしてはアクセプタ不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ドナー不純物としてシランを用いて、半導体層を成長した。
【００１６】
図１に本実施形態で作製したＤＨ構造を持つｐｎ接合型発光ダイオードの断面図を示す。構造は以下に示す通りである。例えば、サファイア等の基板１１上に、順に、ＧａＮ低温バッファ層１２、ＳｉドープＧａＮ層１３、ｎ型クラッド層としてＳｉドープＡｌＧａＮ層１４、ＩｎＧａＮ活性層１５、ｐ型クラッド層としてＭｇドープＡｌＧａＮ層１６、ＭｇドープＧａＮ層１７が積層され、その上に正電極に接するｐ型コンタクト層としてのＭｇドープＧａＮ層１８が積層されている。
【００１７】
更に、ＭｇドープＧａＮ層１８からＳｉドープＧａＮ層１３までの一部をＳｉドープＧａＮ層１３が表面に露出するまでエッチングを施し、ＭｇドープＧａＮ層１８上に正電極層２０、ＳｉドープＧａＮ層１３上に負電極層２１が形成されている。
【００１８】
以下にその作製方法を示す。なお、図２は、本実施形態での半導体装置の作製工程を示す半導体装置の断面図である。
【００１９】
まず、図２（ａ）の窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体積層構造を形成する。
最初に、ＭＯＣＶＤ装置内に洗浄済みの基板１１を導入し、Ｈ₂キャリアガスの雰囲気で、基板温度を１１００℃にしてクリーニングを行う。引き続き、基板温度を６００℃に設定して、トリメチルガリウム、アンモニアを原料ガスとし、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、基板１１上にＧａＮ低温バッファ層１２を３０ｎｍ成長した。そして、基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを原料ガスとし、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＧａＮ低温バッファ層１２上にＳｉドープＧａＮ層１３を４μｍ成長した。なお、このＧａＮ層のＳｉ不純物濃度は５×１０¹⁸［／ｃｍ³］であった。
【００２０】
ついで、基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランを原料ガスとし、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＳｉドープＧａＮ層１３上に、ｎクラッド層としてＡｌ組成が０．１のＳｉドープＡｌＧａＮ層１４を０．１μｍ成長した。なお、このＡｌＧａＮ層のＳｉ不純物濃度は５×１０¹⁷［／ｃｍ³］であった。その後、基板温度を７５０℃に設定し、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを原料ガスとして、Ｎ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ｎ型のＳｉドープＡｌＧａＮ層１４上にＩｎ組成が０．３のＩｎＧａＮ活性層１５を２ｎｍ成長した。
【００２１】
そして、基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを原料ガスとして、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＩｎＧａＮ活性層１５上に、ｐクラッド層としてＡｌ組成が０．１のＭｇドープＡｌＧａＮ層１６を０．１μｍ成長した。なお、このＡｌＧａＮ層のＭｇ不純物濃度は１×１０¹⁹［／ｃｍ³］であった。更に、基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを原料ガスとして、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＭｇドープＡｌＧａＮ層１６上に、ＭｇドープＧａＮ層１７を０．３μｍ成長した。なお、このＧａＮ層のＭｇ不純物濃度が１×１０¹⁹［／ｃｍ³］であった。Ｍｇ不純物濃度を制御するには、その原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウムの流量を制御すればよい。この場合、たとえばビスシクロペンタジエニルマグネシウムの流量は、０．０２μｍｏｌ／分であった。
【００２２】
更に、基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを原料ガスとして、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＭｇドープＧａＮ層１７上に、正電極に接するｐ型コンタクト層として、ＭｇドープＧａＮ層１８を３０ｎｍ成長した。なお、このＧａＮ層のＭｇ不純物濃度は５×１０²⁰［／ｃｍ³］であった。このとき、Ｍｇの原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムの流量は、１．００μｍｏｌ／分であり、ＭｇドープＧａＮ層１７を成長するときに比べ、流量を上げている。引き続き、得られた半導体積層構造を、例えば、Ｎ₂雰囲気、８００℃で熱アニールすることにより、ＭｇドープＡｌＧａＮ層１６、ＭｇドープＧａＮ層１７、ＭｇドープＧａＮ層１８を低抵抗化させた。
【００２３】
ついで、半導体積層構造の図２（ｂ）に示すように、半導体表面にフォトレジスト膜２２を付け、フォトリソグラフィー技術によりその一部を除去する。そして、残ったフォトレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によりエッチングを行い、ＭｇドープＧａＮ層１８からＳｉドープＧａＮ層１３を、ＳｉドープＧａＮ層１３の一部が表面に露出するまでエッチングをする。
【００２４】
その後、フォトレジスト膜を剥がし、図２（ｃ）に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１３上にＴｉ／Ａｌの負電極層２１、ＭｇドープＧａＮ層１８上にＮｉ／Ａｕの正電極層２０の金属膜を蒸着し、電極を作製する。
【００２５】
このようにして得られた半導体積層構造をダイシング等により分割して発光ダイオードのチップを得ることができる。
以上の工程で得られた発光ダイオードのチップの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加電圧３．４Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．５ｍＷを得ることができた。
【００２６】
また、信頼性試験を行ったところ、室温において動作電流５０ｍＡ連続駆動の状態で１０００時間後の発光強度が初期の発光強度と比較して９０％以上の特性を満たす素子が全体の約８０％であった。
【００２７】
（比較例）
次に、比較例として、正電極に接するｐ型コンタクト層としてのＭｇドープＧａＮ層１８の層厚を５０ｎｍと厚く積層した場合を示す。
ＭｇドープＧａＮ層１７を成長するまでは、先の実施例と同じであるが、ＭｇドープＧａＮ層１８の層厚を３０ｎｍではなく、５０ｎｍに設定して成長した。その後は、先に述べた実施例と同じ手法により半導体装置を作製した。
【００２８】
この工程で得られた、発光ダイオードのチップの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加電圧３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．３ｍＷを得た。また、この、従来の技術を用いて作製した素子を、先と同様に信頼性試験を行ったところ、試験後の特性が初期特性の９０％以上の特性を示した素子は、全体の２０％程度であった。
【００２９】
以上のことは、次のように説明できる。
ＧａＮ膜にＭｇをドープすると、その濃度によりホール濃度が変化する。ＭｇドープＧａＮ膜を４ｕｍ成長して、その試料を低抵抗化のための熱アニールを施し、Ｍｇ不純物濃度に対するホール濃度の変化を調べると、概ね図４のようになる。Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹［／ｃｍ³］より少ない場合、Ｍｇ不純物濃度を増加させると、それにともない低抵抗化アニール後のホール濃度が増加する。しかし、Ｍｇ不純物濃度を３×１０¹⁹［／ｃｍ³］以上になると、Ｍｇ不純物濃度を増加させても、ホール濃度は上昇せず、かえってホール濃度が減少する傾向になる。これは、Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹［／ｃｍ³］以上になると高濃度にドーピングされているため、結晶欠陥が多く入り、ホール濃度が増加しないことを示している。
【００３０】
Ｍｇ不純物濃度を３×１０¹⁹［／ｃｍ³］以上の場合、低抵抗化アニール後のホール濃度が、Ｍｇ不純物濃度の増加に対して減少しており、結晶の劣化を示しているが、一方、Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹［／ｃｍ³］より少ない場合に比べて、正電極に対してオーミックコンタクトが取りやすくなることが分かった。このことから、Ｍｇ不純物濃度を３×１０¹⁹［／ｃｍ³］以上のＭｇドープＧａＮ膜は、コンタクト層としては、抵抗が高いが、電極とのオーミック接触は取りやすいということが分かった。なお、Ｍｇ不純物濃度が５×１０²¹［／ｃｍ³］より大きくなると、ＧａＮの単結晶としての結晶性が損なわれ、十分な結晶性をもつＧａＮを得ることができず、実用的ではない。
【００３１】
しかし、Ｍｇ不純物濃度を３×１０¹⁹［／ｃｍ³］以上にするとホール濃度が増加せず抵抗が高くなってしまう現象は、格子欠陥によるものであり、その度合いは層厚に大きく依存することを見いだした。図４に層厚が３０ｎｍの場合における、Ｍｇ不純物濃度とホール濃度の相関を合わせて示す。
【００３２】
さらに、この構造でコンタクト層としてのＭｇドープＧａＮ層１８の層厚を変化させて素子を作製した場合の、素子特性の変化を図３に示す。この図から、わかるように４０ｎｍを越えると、印加電圧は上昇し、発光出力は下がることがわかる。正電極に接するｐ型コンタクト層の層厚は４０ｎｍ以下にすることが望ましいことが分かる。
【００３３】
図３のような結果は、次の理由からおこると考えられる。本実施例で示したような不純物濃度の場合、結晶性を評価すると、ある層厚を越えると急激に結晶性が劣化するいわゆる臨界膜厚のようなものが存在することが分かった。これは不純物としてのＭｇはＧａの格子位置に入るが、ＭｇとＧａでは原子半径が異なるので、ドーピングにより膜自体にストレスがたまるからだと考えられる。本発明者による評価では、層厚が４０ｎｍを越えると急にＧａＮ膜の結晶性が悪化していることを確認した。このことから、本実施形態で示したように、コンタクト層の層厚の変化により素子特性が大きく変化したものと考えられる。
また、コンタクト層自体の直列抵抗の成分を考慮すると、層厚が薄い方が直列抵抗は小さい。
【００３４】
更に、コンタクト層の層厚によって、活性層で発光した光が外部に取り出される効率が変化していることもある。層厚が厚くなることにより、外部に取り出される光の割合が減少し、発光出力の低下を招いている。
【００３５】
以上のことを総合的に考えると、ｐ型コンタクト層としては、Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］で層厚が４０ｎｍ以下のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体膜を用いればいいことが分かった。
【００３６】
また、別な実施形態として、ＭｇドープＧａＮ層１７を層厚が０．３μｍ、Ｍｇ不純物濃度が５×１０¹⁸［／ｃｍ³］になるようにし、且つ、ｐ型コンタクト層であるＭｇドープＧａＮ層１８を層厚４０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度が５×１０¹⁹［／ｃｍ³］になるようにして、同様に発光ダイオードを作製した場合も、上記と同様の理由により、従来の技術を用いて作製した素子に比べ、良好な素子特性を持つ素子を得られることが確認できた。
【００３７】
なお、本実施例においてはアクセプタ不純物としてＭｇを用いているが、他にＺｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃ等の不純物を用いても同様の結果を得ることができた。
【００３８】
（実施形態２）
本実施形態では、正電極に接するｐ型コンタクト層として、連続的にＭｇ不純物濃度が変化しているコンタクト層構造を作製した。本実施形態で作製した発光ダイオードの断面図を図５に示す。この積層構造を次に示すように作製した。
【００３９】
まず、ｐクラッド層としてのＭｇドープＡｌＧａＮ層１６までは、先の実施形態と同じ手法で作製した。次に、引き続いて、次の手法により、コンタクト層としてＭｇドープＧａＮ層３０を作製した。基板温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを原料ガスとして、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＭｇドープＡｌＧａＮ層１６上にＭｇ不純物濃度が連続的に変化するＭｇドープＧａＮ層３０を０．３μｍ成長した。ＭｇドープＧａＮ層３０のＭｇ不純物濃度（ｙ）は、ＭｇドープＡｌＧａＮ層１６とＭｇドープＧａＮ層３０の界面に対して垂直方向をＺ軸とし、その界面をｚ＝０、ＭｇドープＧａＮ層３０方向を＋としたとき、Ｚ＝０μｍのときｙ＝１×１０¹⁸［／ｃｍ³］、ｚ＝０．３μｍのときにｙ＝１×１０²⁰［／ｃｍ³］となるように、指数関数的に、つまり、ｙ＝ａ×１０^[b*z]の形で増加させてドープした。このような不純物濃度変化させるためには、Ｍｇ不純物の原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムのガス流量を連続的に変化させることで形成できる。
【００４０】
以上のように半導体積層構造を作製し、その後、先実施形態と同様のプロセスを通して、発光ダイオードを作製した。このようにして得られた発光ダイオードのチップの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加電圧３．４Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．５ｍＷを得ることができた。また、本実施形態において作製した素子は、実施形態１と同様に信頼性試験を行ったところ、試験後の特性が初期特性の９０％以上の特性を示した素子は、全体の８０％以上であった。
【００４１】
また、Ｍｇ不純物濃度の変化させ方として、擬似的に連続的に変化するように、微小にステップ状に変化させて同様に発光ダイオードも作製した。具体的には、ｐコンタクト層の正電極とに接する側の反対側の下地層に接する部分のＭｇ不純物濃度を２×１０¹⁸［／ｃｍ³］に、正電極に接する部分のＭｇ不純物濃度を５×１０¹⁹［／ｃｍ³］になるように、ｐ型コンタクト層内のＭｇ不純物濃度を層厚８ｎｍの１ステップごとに２×１０¹⁸［／ｃｍ³］づつ増加するように変化させた。この場合も、同様に、先に示した従来の技術を用いて作製した素子に比べて、良好な素子特性を持つ素子を得ることができた。
【００４２】
以上のことから、次のことが分かる。本実施形態のように、正電極に接するコンタクト層において、活性層側の不純物濃度を低く、正電極側の不純物濃度が高くなるようにして、連続的に不純物濃度を増加させることによっても、実施形態１で示したのと同様の効果が得られる。特に、この場合、ステップ状に急峻に不純物濃度を変化させる場合に比べ、不純物濃度の高い層での結晶欠陥の増大を比較的抑えることができることが分かった。このため、コンタクト層を比較的厚く成長することができるようになる。このように、不純物濃度の高い領域の層厚が厚くても結晶性の劣化を抑えることができれば、比較的厚いコンタクト層を形成でき、より電流を横方向に広げられることから、素子特性も良好になる。
【００４３】
なお、実施形態１のデータより、本コンタクト層におけるＭｇ不純物濃度は、正電極に接する側の最も濃度の高い部分では、正電極との接触を考慮して３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］とし、正電極に接する側とは反対側の最も濃度の低い部分では活性層へホールを効率よく注入するを考慮して１×１０¹⁸〜３×１０¹⁹［／ｃｍ³］にすることが望ましい。更に、Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］の範囲にある総層厚は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００４４】
また、本実施形態においては、Ｍｇ不純物濃度を指数関数的に増加させたが、別の関数、例えば、一次関数的に変化させてもよい。
また、本実施形態で示したように、擬似的な状態として連続的にＭｇ不純物濃度が変化する場合、つまり、微小な変化量づつステップ状にＭｇ不純物濃度が変化していても、連続的に変化させたときとほぼ同様の効果が得られる。この場合、互いに接する層間のＭｇ不純物濃度の比が１０以下であることが望ましく、個々の層の層厚は４０ｎｍ以下、Ｍｇ不純物濃度が３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］の範囲にある総層厚は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００４５】
（実施形態３）
本実施形態では、正電極に接するｐ型コンタクト層として、Ｍｇ不純物濃度を周期的に変化させた層であるＭｇドープＧａＮ層４０を導入した。その作製した発光ダイオードの断面図を図６に示す。ＭｇドープＧａＮ層４０は、Ｍｇ不純物濃度が１×１０¹⁹［／ｃｍ³］、層厚が３ｎｍのＭｇ不純物低濃度層４１と、Ｍｇ不純物濃度が３×１０²⁰［／ｃｍ³］、層厚が２ｎｍのＭｇ不純物高濃度層４２の二層を一周期として、それを２０周期繰り返した構造である。その他の層は、実施形態１と同じように作製した。
【００４６】
以上の工程で得られた発光ダイオードのチップの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加電圧３．４Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．５ｍＷを得ることができた。また、本実施形態において作製した素子は、実施形態１と同様に信頼性試験を行ったところ、試験後の特性が初期特性の９０％以上の特性を示した素子は全体の約８０％であった。
【００４７】
また、別な実施形態として、ｐ型コンタクト層の構造として、Ｍｇ不純物濃度が１×１０¹⁹［／ｃｍ³］、層厚が４０ｎｍのＭｇ不純物低濃度層４１と、Ｍｇ不純物濃度が５×１０²⁰［／ｃｍ³］、層厚が４ｎｍのＭｇ不純物高濃度層４２の二層を一周期として、それを１０周期繰り返した構造も作製した。
【００４８】
この場合も、先の実施形態と同様に、従来の技術を用いて作製した素子に比べて、良好な素子特性を持つ素子を得ることができた。
【００４９】
更に、別な実施形態として、ｐ型コンタクト層の構造として、Ｍｇ不純物濃度が２×１０¹⁸［／ｃｍ³］、層厚が３０ｎｍのＭｇ不純物低濃度層４１と、Ｍｇ不純物濃度が５×１０¹⁹［／ｃｍ³］、層厚が１０ｎｍのＭｇ不純物高濃度層４２の二層を一周期として、それを５周期繰り返した構造も作製した。この場合も、先の実施形態と同様に、従来の技術を用いて作製した素子に比べて、良好な素子特性を持つ素子を得ることができた。
【００５０】
さらに別の実施形態として、ｐ型コンタクト層の構造として、Ｍｇ不純物濃度が２×１０¹⁹［／ｃｍ³］、層厚が１００ｎｍのＭｇ不純物低濃度層４１と、Ｍｇ不純物濃度が１×１０²⁰［／ｃｍ³］、層厚が２０ｎｍのＭｇ不純物高濃度層４２の二層による、いわゆる一周期に相当する構造も作製した。この場合も、先の実施形態と同様、良好な素子特性を有する素子を得ることができた。
【００５１】
このことから次のことが分かる。本実施形態のように、不純物濃度が低い層と高い層を交互に積層することによっても、実施形態１で示したのと同様の効果が得られる。この場合、不純物濃度の高い層では結晶欠陥が比較的多いが、層厚が薄い層であればまだ十分な結晶性を有している。その上に不純物濃度の低い層を成長すると、この層は比較的、結晶欠陥が少なく結晶性が改善される。そのため、更にその上に再び不純物濃度の高い層を成長しても、この層の結晶性は、連続的に不純物濃度の高い層を積んだときに比べ結晶性の悪化を抑えることができる。よって、結晶性の高いコンタクト層を形成することができ、素子特性の悪化が見られない。このことから、電極に対してオーミック接触の取りやすいコンタクト層を、層厚も厚く形成することが可能であることが分かった。
【００５２】
なお、この場合、Ｍｇ不純物濃度の低い層で結晶性を回復させることができるため、濃度の低い層と高い層の濃度比は、実施形態２のアクセプタ不純物の濃度を疑似的に連続的に変化させる場合に比べ大きくすることができる。実施形態１のデータより、本コンタクト層におけるＭｇ不純物濃度は、濃度の低い部分で１×１０¹⁸〜３×１０¹⁹［／ｃｍ³］、濃度の高い部分で３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］とすることが望ましい。また、高濃度層の層厚は、実施形態１で示したように、層厚がある程度厚くなることにより素子特性の悪化を示すようになる。このことから、一層の層厚は４０ｎｍ以下にすることが望ましい。
また、周期数は、本実施形態で示した数値に限定されるものではない。
また、ｐ型コンタクト層の総層厚は１μｍを越えると素子としての直列抵抗が高くなってしまい、かえって問題を生じる。よって、ｐ型コンタクト層の総層厚は１μｍ以下であることが望ましい。更に望ましくは０．５μｍ以下である。
【００５３】
今までの実施形態においては、発光ダイオードの例であった。しかし、本発明は、発光ダイオード、半導体レーザといった発光素子以外の半導体装置、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた受光素子のｐ型コンタクト層として、或いは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いたｎｐｎバイポーラトランジスタのベース電極として、といったように、ｐ型コンタクト層が必要な様々な半導体装置への利用も可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体装置の低電圧動作、高輝度化、高信頼性、長寿命化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１で示した、本発明を用いて作製したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体装置の構造断面図である。
【図２】実施形態１で示した、本発明を用いて作製したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体装置の作製工程を示す図である。
【図３】正電極に接するｐ型コンタクト層の層厚に対する、発光ダイオードの特性の変化を示す図である。
【図４】ＭｇドープＧａＮ膜におけるＭｇ不純物濃度とホール濃度の関係を示す図である。
【図５】実施形態２で示した、本発明を用いて作製したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体装置の構造断面図である。
【図６】実施形態３で示した、本発明を用いて作製したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体装置の構造断面図である。
【符号の説明】
１１基板
１２ＧａＮ低温バッファ層
１３ＳｉドープＧａＮ層
１４ＳｉドープＡｌＧａＮ層
１５ＩｎＧａＮ活性層
１６ＭｇドープＡｌＧａＮ層
１７ＭｇドープＧａＮ層
１８ＭｇドープＧａＮ層
２０正電極層
２１負電極層
２２フォトレジスト膜
３０ＭｇドープＧａＮ層
４０ＭｇドープＧａＮ層
４１Ｍｇ不純物低濃度層
４２Ｍｇ不純物高濃度層

Claims

ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いて作製された、ｐ型層とｎ型層とそれらの間に配置された活性層とを有する半導体装置において、正電極に接するｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層の正電極に接する最表面部分のアクセプタ不純物濃度が３×１０¹⁹〜５×１０²¹［／ｃｍ³］であって、前記ｐ型コンタクト層は、前記正電極に接する側からその反対側に向けてアクセプタ不純物濃度が連続的に減少しており、前記ｐ型コンタクト層の正電極とは反対側の層と接する部分のアクセプタ不純物濃度が１×１０ ¹⁸ 〜３×１０ ¹⁹ ［／ｃｍ ³ ］であることを特徴とする半導体装置。
前記ｐ型コンタクト層におけるアクセプタ不純物濃度の減少は、指数関数的または一次関数的であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ｐ型コンタクト層のアクセプタ不純物はＭｇであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。