專利名稱：氮化鎵基半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種III-V族GaN基半導體器件及其制造方法，特別是涉及一種在p型半導體層的形成過程中能夠保護有源層不受熱沖擊的III-V族GaN基半導體器件及其制造方法。
背景技術：
在III-V族GaN基半導體器件的制造期間，在生長有源層之后，反應溫度必須在p型化合物半導體層的生長之前升高到大約1050℃的高溫。
對有源層暴露的頂部表面施以高溫損壞了有源層，因而使有源層和p型化合物半導體層之間的界面特性退化。
防止損壞有源層以及界面特性退化的技術是必須的。為了這一目的，美國專利申請第20020053676 AA號公開了一種半導體器件，在生長的有源層上直接形成厚度約為200至500埃的InGaN保護層以保護有源層，反應溫度升高到大約1100℃的高溫，然后形成p型半導體層。
形成所述InGaN保護層以保護有源層不受高溫氣氛的影響，但并不能充分抑止對有源層的損壞。而且，所述InGaN保護層導致了一逐漸下降的層的形成，其削弱了半導體器件的工作性能。
日本專利特開平第9-36429號提出了用于防止由于高溫造成的有源層退化的另一種方法。在這種情況下，在生長有源層之后，生長厚度約為10至50埃的低溫AlGaN保護層。
然而，在這種方法中，所述AlGaN保護層自身不足以抵抗高溫以保護有源層。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了能夠防止由于溫度升高造成的有源層退化的III-V族GaN基半導體器件及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種III-V族GaN基半導體器件，該器件包括一n型GaN基化合物半導體層；一包括設置在所述n型GaN基化合物半導體層上的交替疊置的量子阱和勢壘層(barrier layer)的有源層；一設置在所述有源層上的AlGaN擴散阻擋層(diffusion blocking layer)；一形成于所述AlGaN擴散阻擋層上的InGaN犧牲層；一設置在所述InGaN犧牲層上的p型GaN基化合物半導體層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種III-V族GaN基半導體器件的制造方法，該方法包括在一襯底上生長一n型GaN基化合物半導體層；在所述n型GaN基化合物半導體層上生長一具有多量子阱的有源層；在所述有源層上生長一AlxGaN擴散阻擋層；在所述擴散阻擋層上生長一InGaN犧牲層；以及在所述InGaN犧牲層上生長一p型GaN基化合物半導體層。
所述擴散阻擋層的生長和所述犧牲層的生長可在與所述有源層的生長溫度相同的溫度下在有源層的生長之后立即進行。
在生長犧牲層之后，反應溫度可被提高到適于生長p型GaN基化合物半導體層的溫度。
所述犧牲層可形成為20至200埃的厚度，優(yōu)選50埃。同時，所述犧牲層可由10％或更少，優(yōu)選1％或更少重量的In形成。
所述擴散阻擋層可依賴于其Al的成分，以不同的厚度形成。對于大于10％，直至50％的Al成分，所述層的厚度可形成為5至100埃，優(yōu)選20埃。對于小于10％的擴散阻擋層的Al成分，擴散阻擋層的厚度應該增加，對于1％的Al成分達到500埃。優(yōu)選地，300埃厚的擴散阻擋層以4％的Al形成。


通過參照附圖對其示例性實施例的詳細說明，本發(fā)明的上述和其他特征及優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光二極管(LD)的示意剖面圖；圖2是圖1所示LD的能帶圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明通過在有源層上疊置擴散阻擋層和犧牲層形成的半導體疊層的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；圖4是圖3所示犧牲層的原子力顯微鏡(AFM)圖像；圖5是包括傳統(tǒng)保護層的氮化物基LD的TEM圖像；
圖6是一樣品的AFM圖像，該樣品通過以下方式獲得以大約0.3埃/秒的生長率生長一傳統(tǒng)的保護層，停止所述保護層的生長，將反應溫度提高到1050℃，將反應溫度維持預定時間，降低反應溫度；圖7是一樣品的AFM圖像，該樣品通過以下方式獲得以大約4.5埃/秒的生長率生長一傳統(tǒng)的保護層，停止所述保護層的生長，將反應溫度提高到1050℃，將反應溫度維持預定時間，降低反應溫度；以及圖8是表示根據(jù)本發(fā)明及傳統(tǒng)樣品的樣品內部量子效率圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參照附圖更加充分地描述本發(fā)明，附圖中表示了本發(fā)明的示例性圖1是根據(jù)本發(fā)明的GaN基III-V族半導體器件、即激光二極管(LD)的示意剖面圖，圖2是圖1所示LD的能帶圖。
參照圖1，InGaN有源層15形成為具有設置在該InGaN有源層15上面和下面的p型化合物半導體疊層和n型化合物半導體疊層的夾層結構。該夾層結構設置在襯底上，例如，藍寶石襯底11。如果需要，可移除襯底11。如果移除了襯底11，則設置在襯底11上的n-GaN接觸層12可用作襯底。
在有源層15和p型化合物半導體疊層之間插入蓋層16。該蓋層16包括設置在單一AlGaN擴散阻擋層16b上的單一InGaN犧牲層16a?？蛇x擇地，蓋層16可通過順序疊置20或更少量的疊置于犧牲層16a上的擴散阻擋層16b和20的組合來形成。
擴散阻擋層16b防止了來自有源層15的銦的擴散，而犧牲層16a保護擴散阻擋層16b。當制造LD時，犧牲層16a保護擴散阻擋層16b不受在p型半導體層制造期間施加的熱量的影響。因此，犧牲層16a被部分的移除而在擴散阻擋層16b上保留少量的犧牲層16a。擴散阻擋層16a生長為約5至100埃的厚度，優(yōu)選20埃。對于小于10％的擴散阻擋層的Al成分，擴散阻擋層的厚度應該增加，對于1％的Al成分達到500埃。優(yōu)選地，300埃厚的擴散阻擋層以4％的Al形成。犧牲層16a生長為20埃至200埃的厚度，優(yōu)選50埃，因為依賴于在升溫期間的生長條件，大約30埃至70埃的犧牲層16a被移除。
下文中，將參照圖1詳細描述LD的結構。
在藍寶石襯底11上疊置n-GaN下部接觸層12。在下部接觸層12上設置多重半導體層以形成臺式結構。即，在n-GaN下部接觸層12的頂部表面上順序疊置n-GaN/AlGaN下部鍍層(clad layer)13，n-GaN下部波導層14，InGaN有源層15，蓋層16，p-GaN上部波導層17以及p-GaN/AlGaN上部鍍層18。n-GaN/AlGaN下部鍍層13和p-GaN/AlGaN上部鍍層18分別比n-GaN下部波導層14和p-GaN上部波導層17具有低的折射率，并且n-GaN下部波導層14和p-GaN上部波導層17比有源層15具有低的折射率。在所述臺式結構中，具有預定寬度的突起脊18a形成在p-GaN/AlGaN上部鍍層18的頂部表面中心以提供脊狀波導結構，并且在脊18a的上部形成p-GaN上部接觸層19。在p-GaN/AlGaN上部鍍層18上設置具有接觸孔20a的埋層20，其作為鈍化層。埋層20的接觸孔20a對應于形成在脊18a上的上部接觸層19的頂部部分，并且接觸孔20a的外側部分與上部接觸層19的外側部分重疊。
設置在有源層15上的p型化合物半導體層可進一步包括電子阻擋層(EBL)和相位匹配層，其中電子阻擋層阻止從有源層15到p型化合物半導體層中的電子流動。由于EBL和相位匹配層是普通的元件，其并不限制本發(fā)明的技術主旨，因此為了解釋的清晰，它們未在圖1中示出。然而，EBL在圖2的能帶圖中示出。
在埋層20上形成p型電極21，其為包括Zn基疊層的多重層。P型電極21經(jīng)由埋層20的接觸孔19a與上部接觸層19相接觸。在設置于下部接觸層12一個面上的臺階部分上形成n型電極22。設置在上部鍍層17上的脊狀波導結構限制了流到有源層15的電流。因此，限制了共振區(qū)域的寬度，由此穩(wěn)定了橫模并降低了工作電流。
為制造傳統(tǒng)氮化物基半導體激光器件，在藍寶石襯底上形成多重GaN基半導體層，通過干蝕刻形成供應電流的脊，并且在n-GaN下部接觸層上形成臺式結構從而暴露n-GaN下部接觸層并形成共振表面。
另一方面，在本發(fā)明中，在有源層15以多量子阱(MQW)生長后，通過在有源層15上順序疊置AlGaN擴散阻擋層16b和InGaN犧牲層16a而不改變反應溫度來形成蓋層16，然后將反應溫度提高到一較高溫度，例如1050℃，接著在InGaN犧牲層16a上生長p型半導體疊層。設置在有源層15下部的n型化合物半導體疊層可在大約1050℃的溫度下生長，并且在反應溫度降低到780℃之后生長有源層15。
在本發(fā)明中，有效防止了p型GaN基化合物半導體疊層高溫生長期間的InGaN/GaN有源層的退化。因此，工作電流維持在適當水平，LD的壽命得以延長。
在根據(jù)本發(fā)明的LD的制造方法中，在形成有源層15之后，在770-900℃之間的溫度下順序生長擴散阻擋層16b和犧牲層16a，例如，在與生長有源層15的溫度相同的溫度下，比如780℃。擴散阻擋層16b由AlxGa1-xN
或AlxInyGa1-x-uN
形成，并且犧牲層16a由InxGa1-xN
形成。此后，將反應溫度提高到一較高溫度，例如1050℃，然后使用AlxInyGazN
生長p型化合物半導體疊層。如上所述，擴散阻擋層16b生長為5至500埃的厚度，優(yōu)選20埃或更少。犧牲層16a生長為20至200埃的厚度，優(yōu)選50埃，因為依賴于升溫時的生長條件，大約30埃至70埃的犧牲層16a被移除。
在本發(fā)明中，在高溫下同時具有阱和勢壘的擴散阻擋層16b穩(wěn)定的阻止了來自有源層15的銦的擴散。由InxGa1-xN
形成的犧牲層16a被犧牲性的破壞從而防止設置在其下的擴散阻擋層16b的退化。因此，能夠穩(wěn)定擴散阻擋層16b的結晶度。
圖3是根據(jù)本發(fā)明通過在具有MQW的有源層上疊置AlGaN擴散阻擋層和InGaN犧牲層形成的半導體疊層的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，圖4是圖3所示InGaN犧牲層的原子力顯微鏡(AFM)圖像。在圖3和圖4中，通過僅生長有源層和蓋層來獲得樣品以便同時觀察TEM和AFM圖像。為形成該樣品，生長蓋層，停止生長工藝，然后將反應器溫度升高到1050℃，保持預定時間，接著降低反應器溫度。
圖5是包括以4.5埃/秒的速率生長的傳統(tǒng)AlGaN保護層的N基激光器半導體結構的剖面TEM圖像，圖6和7是包括分別以0.3埃/秒和4.5埃/秒的生長率生長的傳統(tǒng)AlGaN保護層的樣品的AFM圖像。在圖6和7中，為觀察AFM圖像，僅生長有源層和上述激光器結構的保護層。在生長保護層之后，反應溫度升高到1050℃，保持預定時間，接著降低反應溫度。在圖5所示的傳統(tǒng)情況下，在有源層和保護層中產(chǎn)生了槽型缺陷。然而，在圖3所示本發(fā)明實施例的情況下，獲得了沒有缺陷的清潔截面輪廓。
同時，為確定是否由于保護層的較差結晶度產(chǎn)生了槽型缺陷，通過改變生長率觀察AFM圖像，如圖6和7所示?；谶@些結果，在兩種情況中均出現(xiàn)了缺陷，盡管缺陷的形狀不同。因此，可以斷定保護層的結晶度很大程度上影響N基半導體激光器件的生長，但是即便是具有非常好的結晶度的保護層，也不能阻止槽型缺陷的出現(xiàn)。與在本發(fā)明中不同，在傳統(tǒng)情況下，對于反應器的升溫，保護層不受保護，由此導致了槽型缺陷的產(chǎn)生。包含根據(jù)本發(fā)明的擴散阻擋層和犧牲層的蓋層不傳遞由升溫引起的有源層熱量，并且通過蓋層促成了熱的吸收。換句話說，低溫AlGaN擴散阻擋層和犧牲層能夠抑止在溫度的高速升高期間包括有源層的疊層中的槽型缺陷的產(chǎn)生。這是由于相對容易退化的InxGa1-xN
在整個表面上均勻的退化。
因此，在本發(fā)明中，不僅防止了InGaN有源層的退化，而且避免了產(chǎn)生槽型缺陷的生長AlGaN擴散阻擋層的技術的使用。此外，如圖3的TEM圖像和圖4的AFM圖像所示，能夠獲得沒有缺陷的清潔晶體層。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明及傳統(tǒng)樣品的樣品內部量子效率圖。使用依賴于溫度的光致發(fā)光(photo luminescence)來測量樣品的內部量子效率。內部量子效率通過在室溫下測量的光致發(fā)光密度除以在10K下測量的光致發(fā)光密度來給出。
圖8不僅表示了反應器的溫度升高與生長有源層之后有源層的量子效率之間的關系，還表示了傳統(tǒng)有源層和根據(jù)本發(fā)明的有源層的量子效率的對比。
參照圖8，樣品A、B、C和D通過以下方式獲得生長有源層，停止生長工藝，將反應器的溫度提高到1050℃，將反應器在1050℃維持預定時間，降低反應器的溫度。然后，使用依賴于溫度的光致發(fā)光測量樣品的量子效率。樣品A至E具有以下特性。樣品A具有五個量子阱5QW而沒有保護層，樣品B具有五個量子阱5QW并包括在有源層和生長停止點之間的厚度為280埃的InGaN保護層。樣品C包括在有源層和生長停止點之間的厚度為500埃的InGaN保護層。根據(jù)本發(fā)明獲得的樣品D包括在5個量子阱5QW上(即在有源層和生長停止點之間)的AlGaN擴散阻擋層和InGaN犧牲層(即保護層)。樣品E具有五個量子阱5QW并僅包括設置在其上(即在有源層和生長停止點之間)的AlGaN擴散阻擋層。
參照圖8，根據(jù)本發(fā)明的包括AlGaN擴散阻擋層和未摻雜的InGaN犧牲層(或Mg摻雜InGaN犧牲層)的樣品D具有比各自包括AlGaN和InGaN之一的樣品A、B、C及E高30至213％的內部量子效率。例如，樣品D比既不含犧牲層也不含擴散阻擋層的樣品A的內部量子效率高213％，比具有500埃厚的InGaN擴散阻擋層的樣品C的內部量子效率高30％，比具有280埃厚的InGaN擴散阻擋層的樣品B的內部量子效率高75％。
通過推斷圖8所示的結果，可以確定反應器的升溫降低了有源層形成之后有源層的量子效率。通常，在室溫下測量的光致發(fā)光密度除以在10K下測量的光致發(fā)光密度、即內部量子效率不達到0的原因在于在高溫下非輻射復合中心被激活。因此，如果內部量子效率接近1，則將施加的功率轉化為光的可能性增加。參照圖8，能夠比較由于在各個樣品中的溫度升高所引起的新的非輻射復合中心的產(chǎn)生。從圖8中可以看到，根據(jù)本發(fā)明的樣品D比傳統(tǒng)樣品具有更高的內部量子效率。因此，在本發(fā)明中能夠比在傳統(tǒng)樣品中更有效的避免由于升溫造成的量子效率的降低。
如上所述，本發(fā)明的III-V族GaN基半導體器件包括能在低溫下生長的AlGaN擴散阻擋層，保護該擴散阻擋層的InGaN犧牲層，該擴散阻擋層插入在于低溫下生長的有源層和于高溫下生長的p型化合物半導體疊層之間。因此，該半導體器件含有具有在有源層和p型化合物半導體層之間良好的界面特性的高質量晶體成長結構。
盡管已參考其示例性實施例具體表示和描述了本發(fā)明，但本領域普通技術人員應理解的是可對本發(fā)明進行形式和細節(jié)上的各種變化而不背離由所附權利要求限定的本發(fā)明的主旨和范圍。
權利要求
1.一種III-V族GaN基半導體器件，包括一n型GaN基化合物半導體層；一包括設置在所述n型GaN基化合物半導體層上的交替疊置的量子阱和勢壘層的有源層；一設置在所述有源層上的AlGaN擴散阻擋層；一形成于所述AlGaN擴散阻擋層上的InGaN犧牲層；以及一設置在所述InGaN犧牲層上的p型GaN基化合物半導體層。
2.權利要求1的器件，其中所述犧牲層的厚度約為20至200埃。
3.權利要求1的器件，其中所述犧牲層包含10％或更少重量的In。
4.權利要求2的器件，其中所述犧牲層包含10％或更少重量的In。
5.權利要求1的器件，其中所述擴散阻擋層的厚度約為5至500埃。
6.權利要求2的器件，其中所述擴散阻擋層的厚度約為5至500埃。
7.權利要求5的器件，其中所述擴散層包含1％至50％重量的Al。
8.一種III-V族GaN基半導體器件的制造方法，該方法包括在一襯底上生長一n型GaN基化合物半導體層；在所述n型GaN基化合物半導體層上生長一具有多量子阱的有源層；在所述有源層上生長一AlxGaN擴散阻擋層；在所述擴散阻擋層上生長一InGaN犧牲層；以及在所述InGaN犧牲層上生長一p型GaN基化合物半導體層。
9.權利要求8的方法，其中在與所述有源層的生長溫度相同的溫度下，所述擴散阻擋層的生長和所述犧牲層的生長在所述有源層的生長之后立即進行。
10.權利要求8的方法，其中在生長所述犧牲層之后，反應溫度被提高到適于生長所述p型GaN基化合物半導體層的溫度。
11.權利要求9的方法，其中在生長所述犧牲層之后，反應溫度被提高到適于生長所述p型GaN基化合物半導體層的溫度。
12.權利要求8的方法，其中所述犧牲層的厚度形成為約30至200埃。
13.權利要求12的方法，其中所述犧牲層由10％或更少重量的In形成。
14.權利要求8的方法，其中所述擴散阻擋層的厚度形成為約5至500埃。
15.權利要求9的方法，其中所述擴散阻擋層的厚度形成為約5至500埃。
16.權利要求8的方法，其中所述擴散層由1％至50％重量的Al形成。
全文摘要
提供了一種III－V族GaN基化合物半導體器件及其制造方法。該器件包括在具有多量子阱的有源層和p型GaN基化合物半導體層之間插入的AlGaN擴散阻擋層和InGaN犧牲層。
文檔編號B82Y20/00GK1617364SQ20041008816
公開日2005年5月18日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權日2003年10月17日
發(fā)明者司空坦, 白好善, 李成男, 孫重坤, 李元碩 申請人:三星電子株式會社