JPS6224940B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は化合物半導体装置の製造方法に係
り、特にｎ型リン化ガリウム（GaP）などのｎ型
化合物半導体への電極を改良してなる化合物半導
体装置の製造方法に関する。

一般に化合物半導体を用いた装置として、発光
ダイオード、半導体レーザ、或いはガンダイオー
ドなどのマイクロ波素子がある。このうち、最近
最も使用されつつあるものとして、GaP単結晶、
或いはGaAsP単結晶を用いた発光ダイオードが
あり、自動車或いは工業計測器などの表示、時計
の表示などに用いられている。

ところで単結晶だけでは何ら有効な作用は行な
えず、必ず単結晶のある面に電極膜を形成し、そ
の電極を通して、単結晶にエネルギーを与えて初
めて化合物半導体装置として動作する。

例えばGaP発光ダイオードの場合、ｎ型GaP単
結晶基板上にｎ型層続いてｐ型層をエピタキシヤ
ル成長させｐ―ｎ接合を構成し、そしてｐ型層面
及び基板の裏面（ｎ型面）に、各々電極膜を形成
し、その電極膜に電圧を印加して、ｐ―ｎ接合面
で発光させるのが通例である。

ところで上記した電極膜の材質には次の様な制
限がある。即ち半導体面とのオーミツク接触、
ボンデイング性、耐薬品性、耐熱性、微
細加工性、量産性、信頼性等である。そして
GaP発光ダイオードの電極膜としては、これらの
条件をほぼ満足する膜材質として、ｎ側電極膜に
Siが２重量パーセント（2wt％）、Auが98重量パ
ーセント（98wt％）のSi―Au合金膜〔以下説明
都合上Si（２％）―Au（98％）合金膜と明記す
る〕、ｐ側電極膜にBe（１％）―Au（99％）合金
膜が知られている。しかし量産工程でのそれらの
膜形成には、多数の問題を含んでおり、現実には
歩留り低下となつて現われ、優れた膜とは言えな
い。その主要因は、オーミツク接触の不均一性、
再現性でありこの原因は真空蒸着法による合金膜
形成中に発生する合金組成比のバラツキである。
特にｎ側電極膜で顕著に現われるが、これはSiと
Auの蒸発温度の差に起因し、蒸着法では避けら
れないことである。またSiとAuの組み合わせ以
外に、Ge（12％）―Au（88％）膜がGaAs基板
に対して有効であるといわれているが、450℃以
上の熱処理を行なうと膜が変形して小塊状になる
欠点を持ち、この改良には、そのGe―Au膜上に
Ni膜等を積層して熱処理を行なえば良いとの報
告がある。これは特公昭42―24852号公報に詳述
されている。然し乍ら、量産時には膜形成の複雑
さ、微細加工のやり難さが問題となり、コストア
ツプの原因となる。

ここで合金膜を形成後、不活性ガス中に熱処理
する工程は、膜と化合物半導体面とをオーミツク
接触ならしめるためには、どうしても必要なプロ
セスである。その熱処理温度は化合物半導体の材
並びに膜材質の組み合わせにより異なるが、上述
のAuを母体とした電極膜では450〜550℃付近で
ある。この温度で熱処理を施すと、半導体と電極
膜との界面で相互拡散が起り、オーミツク接触と
なるべきであるが、上述したように電極膜が小塊
状に変形する為に、オーミツク接触にならないの
が多い。

ところで上記電極膜のうちGe―Au合金膜は、
GeとAuの蒸着温度がほぼ同一である為に、真空
蒸着にとつてSiとAuの組み合せよりも簡単にし
かも安定に形成することができる。

そこで本発明者等は、化合物半導体特にｎ型化
合物半導体にGe―Au合金電極膜をNi膜などの金
属膜を必要とせずに歩留り良くオーミツク接触を
得られるか否か実験を進めたところ、GeとAuの
重量パーセント（wt％）を適当な値に選ぶこと
によりNi膜などの金属膜を必要とせずに良好な
オーミツク接触を得られることが判明した。

即ち本発明は上記実験事実に基づいてなされた
もので、ｎ型化合物半導体に設ける電極膜のGe
―Au合金のAuに対するGeの重量パーセントを上
記濃度にし且つ不活性雰囲気中でガスの乱流が起
らない程度のガス流量又は真空度１×10^-5Torr
以下の真空中で熱処理を行うようにし、歩留り良
くオーミツク電極膜の形成を可能とした化合物半
導体装置の製造方法を提供するものである。

次に本発明をGaP発光ダイオードに適用した場
合の一実施例について図面を参照して詳細に説明
する。まず第１図はGaP発光ダイオードの構成を
概略的に示した断面図である。

この第１図に示すGaP発光ダイオードは、次の
ようにして製造される。即ちｎ型GaP結晶１１上
に液相エピタキシヤル成長などによりｎ型GaP層
１２を形成してｎ型GaP基板１１を得、この基板
１１上に液相エピタキシヤル成長などによりｐ―
ｎ接合１３を構成するようにｐ型GaP層１４を形
成してGaP発光ダイオード本体１５を得る。そし
てｐ型GaP層１４にZn―Au合金層１４ａ及びAu
層１４ｂを真空蒸着により形成し、ｎ型GaP基板
１１にGa（0.5％）―Au（99.5％）合金層１１ａ
を真空蒸着により形成する。この後加熱炉に入
れ、500℃の温度にしArガスを１分間当り３ml／
cm²の割合で10分間流して上記した金属と半導体の
オーミツク接触を得た。このようにすると良好な
電極膜が得られ、発光効率が高く且つ歩留りの高
いGaP発光ダイオードとを製造可能となつた。

なおこのGaP発光ダイオードにおいて、ｐ型
GaP層１４にZnとＯを入れて置けば赤色発光、ｎ
型GaP層１２に窒素Ｎを入れて置けば緑色発光が
得られる。

以下に本発明者等の実験事実について説明す
る。まず第２図は、ｎ型GaP基板１１にAuに対
するGeの重量パーセントを変えたGe―Au合金膜
を形成し、これを加熱炉に入れ、500℃の温度に
してArガスを１分間当り３ml／cm²の割合で10分
間流して熱処理した時のGeの重量パーセントと
接触抵抗値との関係を示す曲線図である。この第
２図から明らかのように室温時のAuに対するGe
の固溶限濃度（0.07wt％）から共晶温度時のAu
に対するGeの固溶限濃度（1.2wt％）までにある
時が、接触抵抗値が７×10^-5Ω以下であつて良好
なオーミツク接触をなすことが判る。例えばGe
（0.5％）―Au（9.95％）合金膜を、１分間当り３
ml／cm²のArガス流量で、熱処理の温度を変えた
時の接触抵抗値を測定したところ、第３図に示す
ようになることも判明した。この第３図から明ら
かの如く、475℃以上の温度で熱処理すれば接触
抵抗値が７×10^-5Ω以下であつて良好なオーミツ
ク接触が得られることが判る。ただし熱処理の温
度を600℃以上例えば700℃にした場合、接触抵抗
値の小さいオーミツク接触が得られるが、素子本
体が劣化してしまい発光ダイオードにおいて発光
効率を低下させてしまう。

また上記オーミツク接触となるGe（0.5％）―
Au（99.5％）合金膜を、１分間当り100ml／cm²の
Arガス流量中で熱処理温度を変えた時の接触値
を測定したところ、490℃〜500℃付近では接触抵
抗値が小さくオーミツク接触が良好であるが、
475℃以下或いは510℃以上になると、接触抵抗値
が大きくなつてしまつた。この510℃以上で熱処
理した膜は小塊状に変形していた。

以上説明したことから明らかのように、ｎ型
GaP結晶などのｎ型半導体と良好なオーミツク接
触を得るには、Ge―Au合金のAuに対するGeの
重量パーセントを室温でのGeの固溶限から共晶
温度でのGeの固溶限濃度までにし、そしてその
熱処理におけるガス雰囲気をAu―Ge合金膜に対
して不活性でありガスの乱流が起らない程度のガ
ス流量（１分間当り10ml／cm²以下）中で475℃〜
600℃の温度で熱処理することである。この関係
を第４図に示した。この第４図において、点線領
域内がオーミツク接触を得る部分でその内斜線領
域が最も良好なオーミツク接触を得る部分であ
る。

そこで上述したGe―Au合金膜の重量パーセン
ト及び製造条件に起因して、Ge―Au合金膜が小
塊状に変形してオーミツク接触にならない原因を
推察してみる。まずGe―Au合金膜が小塊状に変
形する条件は1.2Ge％以上の膜では加熱処理だけ
で1.2％Ge以下の膜では加熱処理中のガス流量に
依存すると考えられる。

例えばGe―Au合金膜の合金状態図をみると、
1.2％Ge以上で356℃で共晶組織となる。そして
GaP結晶上に1.2Ge％以上のGe―Au膜では、加熱
処理中の共晶反応でAuとGeの相互拡散が、GaP
への拡散よりも早い速度で起るため局所的に小塊
状になると思われる。また1.2Ge％以下の膜での
ガス流量に依存する原因は、流量増加による高温
化又はガスの乱流が考えられる。前者は実測した
所高々20〜30℃上昇するだけであり主要因にはな
らない。後者については、基板の周辺に種々の障
害物を置き、乱流が起る状態にさせて実験した
所、乱流が起つている個所での膜面が小塊状に変
形してしまう事が判明した。従つて1.2％Ge以下
の膜でも加熱中AuとGeの相互拡散が大きく融解
した様な柔らかい膜となり、そこに乱流が面上に
発生していると膜変形が起り冷却中に小塊状に固
まつてしまうものと思われる。

さらにオーミツク接触するGeの％は0.07〜1.2
％の範囲にある事を見つけだしたが、これもGe
―Au合金膜の合金状態図より、1.2％は共晶温度
での最大固溶限、0.07％室温での最大固溶限であ
り、熱処理後には100％Geが少し混在した0.07％
Geの固溶体であり、共晶組織はもつていない。
この共晶組織をもたないで、100％Geが、混在し
た状態がオーミツク接触になるために有効に働い
ていると思われる。

以上の実験結果と推察よりGe量の限定、並び
に加熱処理中の不活性ガス流量の限定により、
Ge―Au合金膜一層で電極膜を形成できる様にな
つた。このため従来の如くNi等の膜を積層する
手間が省け、特殊な蒸着装置が必要としなく、か
つ微細加工が容易となり、膜形式の効率向上、量
産性の向上が飛躍的に達成できる。又、従来の
Au―Si膜に比べても膜の形成法は容易であり、
量産法も極めて優れている。

さらに発光ダイオードではその発光効率が大き
い程、明るい表示が得られ、かつ駆動エネルギー
も減少できる。発光効率はｐ―ｎ接何の特性で決
るが、その発光センターに最も近接している電極
膜の対向面が黒色であると、そこで光の吸収が発
生し、全体の発光効率は低下する。上記した
AuSi膜はSiによる黒色化があり、AuGe膜は黒色
とはならずに金色に保つている。このため、発光
ダイオードとしてもAuSiよりもAuGe膜を使用す
るのが望ましい。

なお、上記実施例の説明ではGaP結晶を用いた
発光ダイオードについて説明したが、GaP結晶の
かわりにGaAs結晶若しくはGeAsP結晶を用いた
発光ダイオード、またGaAs結晶を用いたマイク
ロ波素子、GaAsなどを用いた半導体レーザにも
用いる事が可能である。

さらに上記実施例の説明ではガス雰囲気をAr
にしたが、N₂ガス雰囲気であつても同様で、Ne
或いはHeであつても良く、また真空度１×
10Torr以下の真空中であつても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例であるGaP発光
ダイオードの製造方法を説明するための断面図、
第２図は本発明方法の一実施例を説明するために
Auに対するGeの重量パーセントと接触抵抗値の
関係を示した図、第３図は本発明方法の一実施例
を説明するために熱処理温度と接触抵抗値の関係
を示した図、第４図は本発明方法の一実施例で最
も良好なオーミツク接触を得る領域を説明するた
めに熱処理温度とガス流量との関係を示した図で
ある。 １１……ｎ型GaP基板、１３……ｐ―ｎ接合、
１４……ｐ型GaP層、１５……GaP発光ダイオー
ド本体、１１ａ……Ge（0.5％）―Au（99.5％）
合金層、１４ａ……Zn―Au合金層、１４ｂ……
Au層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｎ型化合物半導体に金―ゲルマニウム合金膜
   を形成して化合物半導体装置を製造するに際し、
   前記金―ゲルマニウム合金膜の金に対するゲルマ
   ニウムの重量パーセントが、室温でのゲルマニウ
   ムの固溶限濃度の重量パーセントから共晶温度で
   のゲルマニウムの固溶限濃度の重量パーセントま
   での範囲になるようにして形成し、前記金―ゲル
   マニウム合金膜に対して不活性であるガス雰囲気
   中でガスの乱流が起らない程度のガス流量又は真
   空度１×10^-5Torr以下の真空中で熱処理を行う
   ことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 ２ 前記金―ゲルマニウム合金膜に対して不活性
   であるガス雰囲気をアルゴン又は窒素にしたこと
   を特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の化
   合物半導体装置の製造方法。 ３ 前記金―ゲルマニウム合金膜に対して不活性
   であるガス流量を１分間当り10ml／cm²以下とした
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の化合物半導体装置の製造方法。 ４ 前記熱処理温度を475℃〜600℃の範囲内で行
   うことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記
   載の化合物半導体装置の製造方法。