专利名称：氮化物系半导体元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及氮化物系半导体元件及其制造方法。特别是，本发明涉及从紫外光到蓝色、绿色、橙色以及白色等可见光波段整个波段内的发光二极管、激光二极管等GaN系半导体发光元件。这样的发光元件在显示、照明以及光信息处理领域等中的应用备受瞩目。此夕卜，本发明涉及在氮化物系半导体元件中使用的电极的制造方法。
背景技术：
作为V族元素而具有氮(N)的氮化物半导体因为其带隙的大小，有望作为短波长发光元件的材料。其中，氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体:AlxGi^nzN(0 ( x、y、z ( 1， x+y+z = 1)的研究正在盛行，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED以及以GaN系半导体为材料的半导体激光器也正在被实用化(例如参照专利文献1、2)。GaN系半导体具有纤锌矿型结晶结构。图1示意性示出GaN的单位晶格。在 AlxGayInzN(0彡x、y、ζ彡1、x+y+z = 1)半导体的结晶中，图1所示的( 的一部分可被替换成Al和/或^1。图2示出为了用4指数标记(六方晶指数)表示纤锌矿型结晶结构的面而一般使用的4个基本向量 、 、 、C。基本向量c在W001]方向上延伸，该方向被称为“C轴”。 垂直于c轴的面(plane)被称为“c面”或者“(0001)面”。另外，“C轴”和“C面”有时也分别标记为“C轴”和“C面”。在附图中，为了便于观察，使用了大写的文字标记。在使用GaN系半导体制作半导体元件的情况下，作为使GaN系半导体结晶生长的基板，使用c面基板，即在表面上具有(0001)面的基板。但是，由于在c面中，( 原子层和氮原子层的位置稍微偏向c轴方向，因此形成极化(Electrical Polarization)。因此，有时将“c面”称作“极性面”。极化的结果，在活性层的InGaN量子阱中沿着c轴方向会产生压电电场。若在活性层中产生这种压电电场，则因载流子的量子限制斯塔克效应，在活性层内的电子和空穴的分布中会产生位置偏移，内部量子效率会降低。因此，若是半导体激光器，则会引起阈值电流的增大。若是LED，则会引起功耗的增大或发光效率的降低。此外，随着注入载流子密度的上升会引起压电电场的屏蔽，也会引起发光波长的变化。因此，为了解决这些课题，研究了在表面上具有非极性面、即例如垂直于[10-10] 方向的被称为m面的(10-10)面的基板。在此，在表示密勒指数的括号内的数字的左边所附加的“_”意味着横杠。如图2所示，m面是平行于c轴(基本向量c)的面，且与c面正交。由于在m面中，( 原子和氮原子位于同一原子面上，因此在垂直于m面的方向上不会产生极化。其结果，若在垂直于m面的方向上形成半导体层叠结构，则在活性层中也不会产生压电电场，因此能够解决上述课题。m 面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面以及(0-110) 面的总称。另外，在本说明书中，“X面生长”是指在垂直于六方晶纤锌矿结构的X面(X = c、m)的方向上产生外延生长。在X面生长中，有时将X面称为“生长面”。此外，有时将通过X面生长形成的半导体的层称为“X面半导体层”。
现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2001-308462号公报专利文献2 日本特开2003-332697号公报专利文献3 日本特开平8-64871号公报专利文献4 日本特开平11-40846号公报
发明内容
(发明想要解决的课题)如上所述，在m面基板上生长的GaN系半导体元件与在c面基板上生长的GaN系半导体元件相比，可发挥显著的效果，但是存在如下的问题。即，与在c面基板上生长的GaN 系半导体元件相比，在m面基板上生长的GaN系半导体元件的接触电阻大，这在使用在m面基板上生长的GaN系半导体元件的方面成为很大的技术障碍。在这种情形下，本申请的发明人为了解决在作为非极性面的m面上生长的GaN系半导体元件所具有的接触电阻较高这样的课题而进行研究的结果，发现了能够降低接触电阻的方法。本发明鉴于上述情况而完成，其主要目的在于，提供一种能够降低在m面基板上结晶生长的GaN系半导体元件中的接触电阻的结构及制造方法。(用于解决课题的手段)本发明的氮化物系半导体元件具备具有ρ型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构、和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlJnyGazN(x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0)半导体形成，所述ρ型半导体区域是从m面以1°以上的角度倾斜的半导体层，所述P型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且 5°以下，所述电极包括与所述ρ型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。在某一实施方式中，在所述Mg层与所述金属层之间存在合金层，该合金层包含从 Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属和Mg。 在某一实施方式中，所述Mg层由在所述ρ型半导体区域的所述主面上存在的膜构成。在某一实施方式中。所述Mg层由在所述ρ型半导体区域的所述主面上以岛状存在的多个Mg构成。在某一实施方式中，所述氮化物系半导体层叠结构具有包含AlaInbGaeN层(a+b+c =1，a彡0，b彡0，c彡0)的活性层，所述活性层发出光。在某一实施方式中，所述Mg层的厚度在2nm以上且45nm以下。在某一实施方式中，所述Mg层的厚度在2nm以上且15nm以下。在某一实施方式中，所述Mg层的厚度为所述金属层的厚度以下。在某一实施方式中，所述Mg层中的Ga浓度比所述Mg层中的氮浓度高。在某一实施方式中，所述( 浓度为所述氮浓度的10倍以上。在某一实施方式中，具有支承所述氮化物系半导体层叠结构的半导体基板。
本发明的光源具备氮化物系半导体发光元件；和包含对从所述氮化物系半导体发光元件放射的光的波长进行变换的荧光物质的波长变换部，其中，所述氮化物系半导体发光元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIr^azN(x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0)半导体构成，所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述P型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。本发明的氮化物系半导体元件的制造方法，包括工序(a)，准备基板；工序(b)， 在所述基板上形成具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构，所述P型半导体区域由Al JnyGiizN(x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0)半导体构成，所述半导体的主面的法线与m 面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下；和工序(c)，在所述氮化物系半导体层叠结构的所述P型半导体区域的所述主面上形成电极，所述工序(c)包括在所述ρ型半导体区域的所述主面上形成Mg层的工序；和形成所述Mg层之后形成金属层的工序，其中所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。在某一实施方式中，在所述工序(C)中，在形成所述金属层之后，执行对所述Mg层进行加热处理的工序。在某一实施方式中，所述加热处理是在500°C以上且700°C以下的温度下执行的。在某一实施方式中，所述加热处理是在550°C以上且650°C以下的温度下执行的。在某一实施方式中，形成所述Mg层的工序通过以脉冲方式照射电子束来执行将 Mg蒸镀到所述ρ型半导体区域的所述主面上。在某一实施方式中，使所述加热处理后的所述Mg层的厚度在2nm以上且45nm以下。在某一实施方式中，在所述工序(b)中，执行形成AlxIr^azN(x+y+z = 1，χ彡0， y彡0，ζ彡0)半导体的层的工序。在某一实施方式中，在执行所述工序(b)之后，包括除去所述基板的工序。某一实施方式中，所述Mg层中的( 浓度高于所述Mg层中的氮浓度。在某一实施方式中，所述( 浓度是所述氮浓度的10倍以上。在本发明的半导体器件用电极的形成方法中，通过向Mg照射脉冲状的电子束来使所述Mg蒸发，且在ρ型半导体区域上形成Mg薄膜之后，在所述Mg薄膜上形成金属层，该金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成，所述ρ型半导体区域是从 m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下。在某一实施方式中，在不加热要形成所述Mg薄膜的支承体的情况下形成所述Mg薄膜。本发明的另一氮化物系半导体元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由 AlxInyGazN(x+y+z =0,y ^ 0,z ^ 0)半导体形成，所述ρ型半导体区域是从m面以 1 °以上的角度倾斜的半导体层，所述P型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下，所述电极包括所述Mg层和形成在所述Mg层上的合金层，所述合金层由包含从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属和Mg的合金构成。本发明的另一氮化物系半导体元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由 AlxInyGazN(x+y+z =0,y ^ 0,z ^ 0)半导体形成，所述ρ型半导体区域是从m面以 1 °以上的角度倾斜的半导体层，所述P型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下，所述电极包括与所述ρ型半导体区域的所述主面接触的Mg 层、和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由比Au难与Mg形成合金的金属形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域由GaN系半导体形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域是GaN。本发明的其他光源具备氮化物系半导体发光元件；和包括对从所述氮化物系半导体发光元件放射的光的波长进行变换的荧光物质的波长变换部，所述氮化物系半导体发光元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIriy(;azN(x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0)半导体构成，所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述 P型半导体区域的所述主面接触的Mg层、和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由比 Au难与Mg形成合金的金属形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域由GaN系半导体形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域是GaN。本发明的氮化物系半导体元件的制造方法包括工序(a)，准备基板；工序(b)，在所述基板上形成具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构，所述P型半导体区域由 AlxInyGazN(x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0)半导体构成，所述半导体的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下；和工序(c)，在所述氮化物系半导体层叠结构的所述P型半导体区域的所述主面上形成电极，所述工序(c)包括在所述ρ型半导体区域的所述主面上形成Mg层的工序；和形成所述Mg层之后形成金属层的工序，所述金属层由比 Au难与Mg形成合金的金属形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域由GaN系半导体形成。在某一实施方式中，所述ρ型半导体区域是GaN。(发明效果)根据本发明的氮化物系半导体元件，半导体层叠结构上的电极包括Mg层，通过使该Mg层与ρ型半导体区域的主面(m面)接触，从而能够降低接触电阻。在本发明中，即使在利用了将从m面以Γ以上且5°以下的角度倾斜的面作为主面的ρ型半导体区域的情况下，也能够起到与利用了将从m面倾斜的角度小于Γ的面作为主面的ρ型半导体区域时同样的效果。
图1是示意性表示GaN的单位晶格的立体图。图2是表示纤锌矿型结晶结构的基本向量ai、a2、a3、c的立体图。
图3(a)是本发明的实施方式所涉及的氮化物系半导体发光元件100的剖面示意图，(b)是表示m面的结晶结构的图，(c)是表示c面的结晶结构的图。图4(a)至(c)是表示与GaN相接触的金属的功函数(eV)和固有接触电阻 (Ω - cm2)之间的关系的曲线图。图5(a)是表示Mg/Pt电极中的Mg层厚度(热处理后的值)与固有接触电阻之间的关系的曲线图，(b)是表示Pd/Pt电极的固有接触电阻的曲线图。图6(a) (c)分别是表示Mg层厚度为2nm、15nm、45nm时热处理后的电极的表面状态的照片。图7是表示对于Mg/Pt电极和Pd/Pt电极的各自的接触电阻而言，接触面为m面时和c面时的接触电阻的曲线图。图8是对于接触电阻表示热处理温度的依赖性的曲线图。图9是表示在各温度下进行热处理之后的电极的表面状态的光学显微镜的附图代替用照片。图10 (a)和(b)分别是表示在800°C和900°C下进行了热处理时的GaN层的光致发光测量结果的曲线图。图11 (a)和(b)是基于SIMS分析的电极结构(Mg/Pt)中的Mg的深度方向的分布图。图12(a)和(b)是基于SIMS分析的电极结构(Mg/Pt)中的( 的深度方向的分布图。图13(a)和(b)是基于SIMS分析的电极结构(Mg/Pt)中的N的深度方向的分布图。图14 (a)和(b)是在m面GaN层上形成了 Mg层的电极结构(Mg/Pt)的截面透过电子显微镜(TEM)的附图代替用照片。图15(a)和(b)是基于SIMS分析的电极结构(Mg/Pt)中的Pt的深度方向的分布图。图16(a)是表示在m面GaN层上形成了 Mg层的热处理前的电极结构(Mg/Pt)的截面的图，(b)是表示热处理后的电极结构(Mg/Pt)的截面的图。图17(a)是表示使用了由Mg/Pt层构成的电极的发光二极管的电流-电压特性的曲线图，(b)是表示发光二极管的接触电阻的值的曲线图。图18(a)是表示使用了 Au层构成的电极和Mg/Au层构成的电极时的接触电阻的曲线图，(b)和(c)是分别表示Mg/Au层和Au层的电极的表面的光学显微镜的附图代替用照片。图19 (a)和(b)分别是表示c面和m面的GaN基板的硬度分布的图。图20是表示白色光源的实施方式的剖视图。图21是表示本发明的其他实施方式所涉及的氮化镓系化合物半导体发光元件 IOOa的剖视图。图22 (a)是示意性表示GaN系化合物半导体的结晶结构(纤锌矿型结晶结构)的图，(b)是表示m面的法线与+c轴方向和a轴方向之间的关系的立体图。图23 (a)和(b)是分别表示GaN系化合物半导体层的主面与m面的配置关系的剖视图。图对(幻和(b)是分别示意性表示ρ型GaN系化合物半导体层的主面与其附近区域的剖视图。图25是从m面向-C轴方向倾斜了 1°的ρ型半导体区域的截面TEM照片。图沈是表示在从m面向-C轴方向倾斜了 0°、2°或者5°的ρ型半导体区域上形成Mg/Pt层的电极并测量了其接触电阻(Ω - cm2)的结果的图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。在以下的附图中，为了便于说明，利用同一参考符号表示实质上具有同一功能的构成要素。另外，本发明并不限于以下的实施方式。图3(a)示意性示出了本发明的实施方式所涉及的氮化物系半导体发光元件100 的截面构成。图3(a)示出的氮化物系半导体发光元件100是由GaN系半导体构成的半导体器件，具有氮化物系半导体层叠结构。本实施方式的氮化物系半导体发光元件100具备以m面作为表面12的GaN系基板10、形成在GaN系基板10上的半导体层叠结构20、和形成在半导体层叠结构20上的电极30。在本实施方式中，半导体层叠结构20是通过m面生长形成的m面半导体层叠结构， 其表面是m面。另外，有时也会在r面蓝宝石基板上使a面GaN生长，因此根据生长条件的不同，GaN系基板10的表面不一定就是m面。在本发明的结构中，至少半导体层叠结构20 中的与电极接触的P型半导体区域的表面为m面即可。本实施方式的氮化物系半导体发光元件100具备支承半导体层叠结构20的GaN 基板10，但是也可以代替GaN基板10而具备其他基板，也可以在卸下基板的状态下使用。图3(b)示意性示出表面为m面的氮化物系半导体的截面(垂直于基板表面的截面)中的结晶结构。( 原子和氮原子存在于与m面平行的同一原子面上，因此在垂直于m 面的方向上不会产生极化。即，m面是非极性面，在垂直于m面的方向上生长的活性层内不会产生压电电场。另外，添加的^1和々1位于( 的位上，替换(ia。即使( 的至少一部分被 In或Al替换，也不会在垂直于m面的方向上产生极化。在表面具有m面的GaN系基板于本说明书中被称为“m面GaN系基板”。为了获得在垂直于m面的方向上生长的m面氮化物系半导体层叠结构，典型的是利用m面GaN基板并在该基板的m面上使半导体生长即可。这是因为，GaN系基板的表面的面方位反映在半导体层叠结构的面方位中。但是，如前所述，基板的表面不需要一定是m面，而且也不需要一定在最终的器件中保留基板。为了进行参考，在图3(c)中示意性示出表面为c面的氮化物系半导体的截面(垂直于基板表面的截面)中的结晶结构。( 原子和氮原子未存在于与c面平行的同一原子面上。其结果，会在垂直于C面的方向上产生极化。将在表面具有C面的GaN系基板在本说明书中称为“C面GaN系基板”。c面GaN系基板是用于使GaN系半导体结晶生长的一般的基板。由于平行于c面的( 的原子层和氮的原子层的位置稍微偏向c轴方向，因此沿着c轴方向产生极化。再次参照图3 (a)。在m面GaN系基板10的表面(m面)12上形成有半导体层叠结构20。半导体层叠结构20具备包括AlaInbGEieN层(a+b+c = 1，a彡0，b彡0，c彡0)的活性层24、和AldGaeN层(d+e = 1，d彡0，e彡0)26o AldGaeN层沈以活性层24为基准位于与m面12的一侧相反的一侧。在此，活性层M是氮化物系半导体发光元件100中的电子注入区域。本实施方式的半导体层叠结构20还包括其他层，在活性层M与基板10之间形成有 AluGavInwN 层(u+v+w = 1, u ^ 0, ν ^ 0, w ^ 0)22o 本实施方式的 AluGavInwN 层 22 是第1导电型(η型)的AluGavInwN层22。此外，也可以在活性层M与AldGiieN层沈之间设置未掺杂的GaN层。在六1#￡1》层沈中，Al的组成比率d不需要在厚度方向上是均勻的。在AldGaeN 层沈中，Al的组成比率d可以沿着厚度方向连续或者阶段性地产生变化。S卩，
26可以具有Al的组成比率d不同的多个层被层叠的多层结构，掺杂物的浓度也可以在厚度方向上产生变化。另外，从降低接触电阻的观点出发，优选41#&#层沈的最上部(半导体层叠结构20的上表面部分)由Al的组成比率d为零的层(GaN层)构成。此时，后述的 Mg层32与GaN层接触。此外，Al组成d也可以不为零。也可以利用将Al组成d设为0. 05 左右的Alatl5GEia95Ntj此时，后述的Mg层32与该Alaci5GEia95N层接触。在半导体层叠结构20上形成有电极30。本实施方式的电极30是包括由Mg构成的Mg层32的电极，在Mg层32上形成有由Pt构成的Pt层。电极30中的Mg层32与半导体层叠结构20的ρ型半导体区域接触，作为ρ型电极(ρ侧电极)的一部而发挥功能。在本实施方式中，Mg层32与掺杂了第2导电型(ρ型)掺杂物的AldGaeN层沈接触。在AldGaeN 层沈中，例如作为掺杂物而掺杂Mg。作为Mg以外的ρ型掺杂物，例如也可以掺杂Zn、Be寸。作为与Mg层32的表面接触的金属层34，例如，除了 Pt层之外，也可以使用与Au 相比难以与Mg形成合金的金属层。相反，作为与Mg层32接触的金属层34，不优选容易与 Mg形成合金的Au (金)。Mg层32在与构成金属层34的Pt等金属之间并没有合金化。另外，“在与Pt等金属之间未合金化”还包括在Mg中以小于％等级(例如1%)的浓度混合了 Pt等金属的状态。换言之，“在与Pt等金属之间合金化”是指在Mg中以％等级(例如 1%)以上的浓度混合了 Pt等金属的状态。另外，Mg层32和金属层34还可以包括在制造这些层的工序中混入的杂质等。另外，也可以在Mg层32与金属层34之间形成含有Mg的合金层。与Au相比，Pt、 Mo和Pd是难以在与Mg之间合金化的金属，但是通过后述的热处理，能够与Mg层32的一部分产生反应而形成合金层。另外，在Mg层32上堆积了比较薄的金属层的情况下，在热处理之后，有时薄的金属层的全部都与Mg层中的Mg的一部分形成合金。在该情况下，在Mg层上仅存在合金层。在上述的各电极上，也可以与上述的金属层34或合金层分开形成由这些金属以外的金属或合金构成的电极层或布线层。本实施方式的电极30的厚度例如是10 200nm。电极30中的Mg层32的厚度例如是2nm 45nm。另外，这里的Mg层32的厚度是热处理之后的Mg层的厚度。此外，位于Mg层32上的金属层34 (从由Pt、Mo和Pd组成的组中选择的至少1种金属所构成的层)的厚度例如在200nm以下(或者IOnm 200歷)。另外，优选Mg层32的厚度比金属层34的厚度薄。这是为了使得不会因Mg层32与金属层34的应变平衡被破坏而导致在Mg层32与AldGaeN层沈之间发生剥离。此外，具有m面的表面12的GaN系基板10的厚度例如是100 400 μ m。这是因为若是约100 μ m以上的基板厚度则在晶片的操作时不会产生障碍。另外，若本实施方式的基板10具有由GaN系材料构成的m面的表面12，则也可以具有层叠结构。即，本实施方式的GaN系基板10还包括至少m面存在于表面12的基板，因此，可以是基板整体为GaN系， 也可以是与其他材料的组合。本实施方式的结构中，在基板10上，在η型々1力 111力层(例如厚度为0.2 2 μ m) 22的一部分上形成了电极40 (η型电极)。图示的例子中，在半导体层叠结构20的形成有电极40的区域，按照使η型AluGavInwN层22的一部分露出的方式形成了凹部42。在该凹部42露出的η型AluGavInwN层22的表面上设有电极40。电极40例如由Ti层、Al层、 和Pt层的层叠结构构成，电极40的厚度例如是100 200nm。本实施方式的活性层M具有Giia9InaiN阱层(例如厚度为9nm)和GaN阻挡层(例如厚度为9nm)交替地层叠的feJnN/GaN多重量子阱(MQW)结构(例如厚度为81nm)。在活性层M上设有ρ型AldGaeN层沈。ρ型AldGaeN层沈的厚度例如是0. 2 2 μ m0另外，如上所述，在活性层M和AldGaeN层沈之间也可以设置未掺杂的GaN层。除此之外，在AldGaeN层沈上也可以形成第2导电型(例如ρ型)的GaN层。并且，也可以在该GaN层上形成由P+-GaN构成的接触层，进一步在由P+-GaN构成的接触层上形成Mg层32。另外，可以将由GaN构成的接触层认为是不同于AldGaeN层沈的层，也可以将其认为是AldGaeN层沈的一部分。接着，参照图4至图15，更详细地说明本实施方式的特征。首先，图4(a)和(b)是表示与m面GaN接触的金属的功函数(eV)和固有接触电阻(Ω - cm2)之间的关系的曲线图。更详细而言，图4(a)和(b)示出在掺杂了 Mg的ρ型 GaN层(Mg浓度约为lX1019cm_3)上形成各种金属层(Mg层的厚度2nm，除此之外的金属层的厚度200nm)，并利用TLMCTransmission Line Method)法评价了其接触电阻的结果。 另夕卜，纵轴所示的 “ 1. 0E-01 ” 表示 “ 1. 0 X 10—1 ”，“ 1. OE-O2” 表示 “ 1. 0 X 10_2”，即 “ 1. 0Ε+Χ，， 表示 “1.0X10x”。接触电阻一般与接触的面积S(cm2)成反比。在此，若将接触电阻设为R(Q)，则R =Rc/S的关系成立。比例常数Rc被称为固有接触电阻，相当于接触面积S为Icm2时的接触电阻R。即，固有接触电阻的大小不依赖于接触面积S，是用于评价接触特性的指标。以下，有时将“固有接触电阻”略记为“接触电阻”。图4(a)表示形成金属之后不进行热处理的情况(as-cbpo)。另一方面，在图4(b) 中，对于Mg表示了在600°C下且在氮气气氛中进行了 10分钟的热处理后的情况，并且对于 Al、Au、Pd、Ni和Pt，表示了在500°C下且在氮气气氛中进行了 10分钟的热处理后的结果。 另外，该温度的差异是基于以下的理由确定的，即由于最佳热处理温度不同，对于Mg以外的金属在500°C下接触电阻最低。从图4(a)可以看出，各种金属的功函数增加，并且接触电阻降低。这与在c面基板上制作GaN系半导体元件时通常将功函数大的金属(例如Au)用作ρ型电极这一点一致。在加热处理后的结果中，从图4(b)可以看出，在Al、Au、Pd、Ni、Pt中各种金属的功函数增加，并且接触电阻降低。但是，尽管Mg为功函数小的金属，也可以看出其接触电阻急剧降低。另外，图4(c)示出在图4(b)的曲线图上追加了表示Mg以外的各种金属的倾向的虚线的情形。根据现有技术的常识，由于在不进行热处理的情况下Mg是进行了评价的金属中功函数最小的金属，因此推测出接触电阻会变大，但是相反，根据图4可知Mg通过热处理表现出接触电阻的急剧降低。图5 (a)是表示Mg/Pt电极(在Mg上形成Pt)中的Mg层厚度与固有接触电阻之间的关系的曲线图。在此，Pt层的厚度(热处理前)被固定为75nm。图5(b)是为了进行比较而示出Pd/Pt电极(Pd厚度为40nm，Pt厚度为35nm)的固有接触电阻的曲线图。曲线图的横轴是热处理温度。Mg层以外的金属层的厚度都是热处理前的厚度。图5(a)所示的数据是从利用脉冲蒸镀法堆积了 Mg层的样品中得到的。将在后面叙述脉冲蒸镀法。图5(b)所示的数据是从利用通常的电子束蒸镀法堆积了 Pd、Pt层的样品中得到的。在本申请说明书中的本发明的实施例中，都是通过脉冲蒸镀法堆积Mg层。另外，在本申请说明书中，c面GaN层上的Mg层也是通过脉冲蒸镀法堆积的，但是Mg以外的金属(Pd、Pt、Au)都是通过通常的电子束蒸镀法堆积的。Mg/Pt电极和Pd/Pt电极与掺杂了 Mg的m面GaN层接触。这些电极所接触的 m面GaN层中，在距表面的深度为20nm的区域(厚度为20nm的最表面区域)中掺杂了 7 X IO19CnT3的Mg。此外，在距m面GaN层的表面的深度超过20nm的区域中掺杂了 1 X IO19cnT3 的Mg。由此，在ρ型电极所接触的GaN层的最表面区域中，若局部提高ρ型杂质的浓度，则能够将接触电阻降低到最低。此外，通过进行这种杂质的掺杂，还可以降低电流-电压特性的面内偏差，因此还具有能够降低驱动电压在芯片间的偏差的优点。因此，在本申请所公开的实验例中，都是在距电极所接触的P型GaN层的表面的深度为20nm的区域中掺杂了 7X IO19CnT3的Mg，在比该深度还要深的区域中掺杂了 IX IO19CnT3的Mg。另外，图4(b)所示的Mg的接触电阻高于图5(a)所示的Mg的接触电阻的理由在于，在图4(b)的例子中没有进行在表面局部提高Mg掺杂量的处理。图5(a)的曲线图中的横轴表示热处理后的Mg层的厚度。如后所述，根据透过电子显微镜的评价可知，与热处理前相比，热处理后的Mg层的厚度会减小。在热处理(600°C、 10分钟)前的Mg层的厚度为7nm的情况下，热处理后的Mg层的厚度变为2nm。同样地，在热处理(600°C、10分钟)前的Mg层的厚度为50nm、20nm的情况下，热处理后的Mg层的厚度分别变为45nm、15nm。在图5(a)的曲线图中，针对进行了 600°C、10分钟的热处理之后的样品，记载了表示接触电阻的测量值与Mg厚度之间的关系的实验结果。在其他热处理条件下也通过实验确定了接触电阻的Mg层厚度依赖性具有同样的倾向。根据本申请的发明人的实验，若Mg层厚度超过45nm，则相对于m面GaN层的Mg/ Pt电极的接触电阻，成为与相对于m面GaN层的Pd/Pt电极的接触电阻(图5 (b)所示)大致相同程度的大小，因此没有发现相对于现有例的优越性。另一方面，如图5(a)所示，若Mg 层厚度在45nm以下，则接触电阻变得比m面GaN上的Pd/Pt电极低，确认了本发明的优越性。在Mg层厚度为45nm以下的范围内观测到Mg层厚度越小，接触电阻也会减少。观测到Mg层厚度从15nm附近开始，随着层厚度的减少而接触电阻急剧地减少。在Mg层厚度为2nm的附近时得到了最低的接触电阻。
根据以上的情形，优选经过包括热处理在内的所有制造工序而最终得到的半导体元件中的Mg层32的厚度在45nm以下，更优选在2nm 15nm的范围内。图6(a) (c)是分别表示Mg层厚度为2nm、15nm以及45nm时热处理后的电极的表面状态的照片。其中，Mg层厚度是在600°C下进行了 10分钟的热处理后的值。如图6(c)所示，在Mg层厚度为45nm的样品中，观测到电极表面粗糙化(凹凸)。 认为电极表面粗糙化是在Mg层厚度超过45nm时成为使接触电阻增加的主要原因。此外， 当Mg层厚度超过45nm时，还观察到Mg层部分浮起的现象。通过透过电子显微镜的观察， 还确定了在Mg层和GaN层之间的界面产生了空隙。认为这是因为，Mg层厚度超过45nm时， Mg层的应变增大，在Mg与GaN之间的界面产生了 Mg层的剥离。根据以上的情形，优选将 Mg层的厚度设定在45nm以下。另外，若Mg层厚度约为15nm以下，则电极表面的平坦性变得极其好。因此，优选 Mg层厚度在15nm以下。图7是表示针对Mg/Pt电极和Pd/Pt电极各自的接触电阻比较了接触面为m面时和c面时的接触电阻(测量值)的曲线图。在所有样品中，电极都与P型GaN层接触。在该ρ型GaN层中掺杂了具有前述的浓度分布的Mg。热处理前的各层的厚度如以下的表1所示。[表1]
权利要求
1.一种氮化物系半导体元件，具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIny^izN半导体形成，其中x+y+z = l，x彡0，y彡0，z彡0， 所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述P型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。
2.根据权利要求1所述的氮化物系半导体元件，其中，在所述Mg层与所述金属层之间存在合金层，该合金层包含从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属和Mg。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述Mg层由所述ρ型半导体区域的所述主面上存在的膜构成。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中，所述Mg层由在所述ρ型半导体区域的所述主面上以岛状存在的多个Mg构成。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中，所述氮化物系半导体层叠结构具有包含的活性层，所述活性层发出光，其中 a+b+c = 1，a >0，b >0，c > 0。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述Mg层的厚度在2nm以上且45nm以下。
7.根据权利要求6所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述Mg层的厚度在2nm以上且15nm以下。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述Mg层的厚度在所述金属层的厚度以下。
9.根据权利要求1至8的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述Mg层中的( 浓度高于所述Mg层中的氮浓度。
10.根据权利要求9所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述( 浓度是所述氮浓度的10倍以上。
11.根据权利要求1至10的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中，所述氮化物系半导体元件具有支承所述氮化物系半导体层叠结构的半导体基板。
12.一种光源，具备氮化物系半导体发光元件；和波长变换部，其包含对从所述氮化物系半导体发光元件放射的光的波长进行变换的荧光物质，所述氮化物系半导体发光元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIny^IzN半导体构成，其中x+y+z =0,y ^ 0,z ^ 0,所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述P型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。
13.一种氮化物系半导体元件的制造方法，包括 工序(a)，准备基板；工序(b)，在所述基板上形成具有ρ型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构，所述ρ 型半导体区域由AlJnyGazN半导体构成，并且所述半导体的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下，其中x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0 ；和工序(c)，在所述氮化物系半导体层叠结构的所述P型半导体区域的所述主面上形成电极，所述工序(c)包括在所述ρ型半导体区域的所述主面上形成Mg层的工序；和形成所述Mg层之后形成金属层的工序，所述金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1 种金属形成。
14.根据权利要求13所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中，在所述工序(c)中，在形成所述金属层之后，执行对所述Mg层进行加热处理的工序。
15.根据权利要求14所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述加热处理是在500°C以上且700°C以下的温度下执行的。
16.根据权利要求15所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述加热处理是在550°C以上且650°C以下的温度下执行的。
17.根据权利要求13至16的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 形成所述Mg层的工序，通过以脉冲方式照射电子束来执行将Mg蒸镀到所述ρ型半导体区域的所述主面上。
18.根据权利要求14至16的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 使所述加热处理后的所述Mg层的厚度在2nm以上且45nm以下。
19.根据权利要求13至18的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 在所述工序(b)中，执行形成AlJnyGazN半导体的层的工序，其中x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0。
20.根据权利要求13至19的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 在执行所述工序(b)之后，包括除去所述基板的工序。
21.根据权利要求13至20的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述Mg层中的( 浓度高于所述Mg层中的氮浓度。
22.根据权利要求21所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述( 浓度是所述氮浓度的10倍以上。
23.一种半导体器件用电极的形成方法，其中，通过向Mg照射脉冲状的电子束来使所述Mg蒸发，在ρ型半导体区域上形成Mg薄膜之后，在所述Mg薄膜上形成金属层，该金属层由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成，所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下。
24.根据权利要求23所述的半导体器件用电极的形成方法，其中， 在不加热要形成所述Mg薄膜的支承体的情况下形成所述Mg薄膜。
25.一种氮化物系半导体元件，具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIny^izN半导体形成，其中x+y+z = l，x彡0，y彡0，z彡0， 所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下， 所述电极包括Mg层和形成在所述Mg层上的合金层，所述合金层由包含从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属和Mg的合金构成。
26.一种氮化物系半导体元件，具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIny^izN半导体形成，其中x+y+z = l，x彡0，y彡0，z彡0， 所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述P型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由比Au难与Mg形成合金的金属形成。
27.根据权利要求1至11、25、沈的任一项所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述P型半导体区域由GaN系半导体形成。
28.根据权利要求27所述的氮化物系半导体元件，其中， 所述P型半导体区域是GaN。
29.一种光源，具备氮化物系半导体发光元件；和波长变换部，其包含对从所述氮化物系半导体发光元件放射的光的波长进行变换的荧光物质，所述氮化物系半导体发光元件具备具有P型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构；和设置在所述P型半导体区域上的电极，所述P型半导体区域由AlxIny^izN半导体构成，其中x+y+z =0,y ^ 0,z ^ 0,所述P型半导体区域是从m面以Γ以上的角度倾斜的半导体层，所述ρ型半导体区域中的主面的法线与m面的法线所形成的角度在Γ以上且5°以下，所述电极包括与所述P型半导体区域的所述主面接触的Mg层和形成在所述Mg层上的金属层，所述金属层由比Au难与Mg形成合金的金属形成。
30.根据权利要求12或四所述的光源，其中， 所述P型半导体区域由GaN系半导体形成。
31.根据权利要求30所述的光源，其中， 所述P型半导体区域是GaN。
32.—种氮化物系半导体元件的制造方法，包括 工序(a)，准备基板；工序(b)，在所述基板上形成具有ρ型半导体区域的氮化物系半导体层叠结构，所述ρ 型半导体区域由AlJnyGazN半导体构成，所述半导体的主面的法线与m面的法线所形成的角度在1°以上且5°以下，其中x+y+z = 1，χ彡0，y彡0，ζ彡0 ；和工序(c)，在所述氮化物系半导体层叠结构的所述P型半导体区域的所述主面上形成电极，所述工序(c)包括在所述P型半导体区域的所述主面上形成Mg层的工序；和在形成所述Mg层之后形成金属层的工序，所述金属层由比Au难与Mg形成合金的金属形成。
33.根据权利要求13至22、32的任一项所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述P型半导体区域由GaN系半导体形成。
34.根据权利要求33所述的氮化物系半导体元件的制造方法，其中， 所述P型半导体区域是GaN。
全文摘要
本发明提供一种氮化物系半导体元件及其制造方法。本发明的氮化物系半导体元件具备氮化物系半导体层叠结构(20)，其具有表面(12)从m面以1°以上且5°以下的角度倾斜的p型半导体区域；和设置在p型半导体区域上的电极(30)。p型半导体区域由AlxInyGazN(x+y+z＝1，x≥0，y≥0，z≥0)半导体层(26)形成。电极(30)包括与p型半导体区域的表面(12)接触的Mg层(32)、和形成在Mg层(32)上的金属层(34)。金属层(34)由从Pt、Mo和Pd所组成的组中选择的至少1种金属形成。
文档编号H01L33/32GK102511085SQ20108004104
公开日2012年6月20日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月25日
发明者加藤亮, 大屋满明, 山田笃志, 横川俊哉 申请人:松下电器产业株式会社