專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種III族類氮化物半導(dǎo)體器件，更具體地說，是涉及在III族類氮化物半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體和金屬電極之間的電接觸性能的一種改進(jìn)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道，在p型半導(dǎo)體/金屬邊界上的電荷遷移基本上依賴于該半導(dǎo)體的價(jià)帶和該金屬的費(fèi)米能級(jí)之間的能量差。依賴該能量差，形成歐姆接觸或肖特基接觸。目前，尚沒有為p型氮化物半導(dǎo)體充分減小肖特基勢(shì)壘的金屬，通過簡(jiǎn)單地選擇最佳電極金屬并不能獲得該接觸性能的進(jìn)一步改善。
為了改善電極和半導(dǎo)體之間的電接觸性能，常規(guī)的方法是采用具有小帶隙的半導(dǎo)體層作為與金屬的接觸層。
在公開號(hào)為平成10-65216的日本專利中公開了一種試圖降低與電極的接觸電阻的方案，該方案是通過采用包括銦并具有小帶隙的氮化物半導(dǎo)體作為與電極的接觸層。
在一種用于改善接觸性能的常見方法中，采用具有高載流子濃度的半導(dǎo)體層用于與金屬的接觸層。然而眾所周知的是，當(dāng)帶隙較大時(shí)，上述方法難以獲得高載流子密度。AlGaN基氮化物也具有較大的帶隙，特別是對(duì)于p型氮化物，難以獲得高載流子密度。
現(xiàn)在已知的是，當(dāng)InN摩爾分?jǐn)?shù)在InGaN中增大時(shí)，獲得較高的空穴濃度(Jpn.J.Appl，Phys.39(2000)337 Kumakura等人)。
然而，上述的各種方法都未獲得在電極接觸性能方面較優(yōu)的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的目的和概述鑒于上述情況提出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種具有改善的電極接觸性能的III族類氮化物半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的一方面的氮化物半導(dǎo)體器件，它包括由III族類氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層和用于向該半導(dǎo)體層提供載流子的金屬電極，該器件包括第一接觸層，由III族類氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)和II族類元素制成，該III族類氮化物半導(dǎo)體被沉積在該半導(dǎo)體層和該金屬電極之間，該II族類元素被加入到該III族類氮化物半導(dǎo)體；及第二接觸層，由III族類氮化物半導(dǎo)體Alx’Ga1-x’N(0≤x’≤1)制成，并被沉積在該第一接觸層和該金屬電極之間。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，該第二接觸層可具有被加入其中的II族類元素。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，該第二接觸層可具有500或更小的厚度。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，上述的II族類元素可以是鎂。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，該第一接觸層可以是InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，該第一接觸層在特性上可具有10至1000之范圍中的厚度。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，該氮化物半導(dǎo)體器件可以是一種發(fā)光器件。
對(duì)于包括由III族類氮化物制成的半導(dǎo)體層和用于向該半導(dǎo)體層提供載流子(即空穴)的金屬電極的器件，本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)它的電極接觸性能進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)，目的在于改善該器件的電特性以獲得本發(fā)明。
例如，在上述的公開號(hào)為平成10-65216的日本專利中公開了一種器件，利用由p型InGaN制成的接觸層制造出該器件，通過熱退火處理向該p型InGaN提供高空穴濃度，并對(duì)該器件進(jìn)行接觸性能的研究。但是沒有獲得明顯的改善。
另一方面，在本發(fā)明的方法中，當(dāng)生成InGaN層或類似層(構(gòu)成其中加入有鎂的第一接觸層)后，較薄的GaN層或類似層被生成在最頂層的表面上作為第二接觸層，通過施加熱退火處理來影響向p型的轉(zhuǎn)化。這一過程被發(fā)現(xiàn)用于改善該所完成的器件的接觸性能。
實(shí)施例的詳細(xì)說明以下將結(jié)合實(shí)施例并參照


根據(jù)本發(fā)明的器件。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明具有多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。該器件包括具有多層氮化物半導(dǎo)體晶體薄膜的多層結(jié)構(gòu)，這些薄膜是由(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)來表示的，按順序外延生成在由藍(lán)寶石制成的襯底1上。在由藍(lán)寶石制成的襯底1上，按順序?qū)盈B有由AlN、GaN等制成的低溫緩沖層2和摻雜有硅等材料用于生成傳導(dǎo)層的n型GaN基層3。在該n型GaN基層3上設(shè)置有活性層(active layer)4。在該活性層4上按順序沉積有摻鎂的AlGaN電子勢(shì)壘層5、摻鎂的InGaN層6和摻鎂的GaN層7，它們通過熱退火處理被轉(zhuǎn)化為p型。
在該p型摻鎂的GaN層7和該n型GaN基層3上進(jìn)一步沉積絕緣層8，并在相應(yīng)的窗口中分別形成p側(cè)電極9和n側(cè)電極10，發(fā)光器件是由前述的各部分組成。
以下將詳細(xì)描述制造根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
在此，在本發(fā)明中，除非有另外的指示，采用有機(jī)金屬氣相沉積法(MOCVD)作為沉積方法。同樣，除非另有指示，采用氫氣作為用于前體(precursor)之遷移中的氣體。
藍(lán)寶石襯底1被裝入MOCVD反應(yīng)器(未示出)，在低溫下，在該藍(lán)寶石襯底上生成AlN緩沖層2。然后，分別以1.7×10-4摩爾/分、9.0×10-2摩爾/分和7.2×10-9摩爾/分的流速向反應(yīng)器提供三甲基鎵(TMG)、氨和甲基硅烷，以便在1050℃的襯底溫度下生成摻硅的n型GaN層3，其厚度約為6μm。
隨后，該襯底溫度被降低至780℃，而氨以9.0×10-2摩爾/分的速度被提供給該反應(yīng)器。改前體氣體為氮?dú)猓琁ny1Ga1-y1N(y1＝0.1)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01)＝30/60被層疊5次，以形成MQW活性層4，該層起著發(fā)光層的作用。在該活性層4中的Iny1Ga1-y1N(y1＝0.1)層的生成中，TMG是以4.8×10-6摩爾/分的速度被提供，三甲基銦(TMI)是以2.6×10-5摩爾/分的速度被提供，氨是以3.1×10-1摩爾/分的速度被提供。在Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01)層的生成中，TMG是以4.8×10-6摩爾/分的速度被提供，TMI是以2.6×10-6摩爾/分的速度被提供，氨是以3.1×10-1摩爾/分的速度被提供。
隨后，氫氣被用作載流子氣體，襯底溫度被增大并被保持在1050℃，TMG是以7×10-6摩爾/分的速度被提供，三甲基鋁(TMA)是以1.2×10-6摩爾/分的速度被提供；雙乙基環(huán)戊二烯基鎂(bisethylcyclopentadienyl magnesium)(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}是以5.2×10-7摩爾/分的速度被提供；氨是以2.2×10-1摩爾/分的速度被提供，以便在厚度為0.02μm的活性層4上立即生成由AlxGa1-xN(x＝0.2)組成的電子勢(shì)壘層5。
隨后，襯底溫度被降低到770℃。改載流子氣體為氮?dú)?，摻鎂的InxGa1-xN(x＝0.14)層生成在厚度為0.1μm的電子勢(shì)壘層5上。接下來，襯底溫度為770℃，TMG是以1.0×10-5摩爾/分的速度被提供；TMI是以1.7×10-5摩爾/分的速度被提供；EtCp2Mg是以8.8×10-8摩爾/分的速度被提供；氨是以4.5×10-1摩爾/分的速度被提供，以便沉積摻鎂的InGaN層6。隨后，停止供應(yīng)TMI，EtCp2Mg的提供被改為2.3×10-7摩爾/分的速度，以便生成摻鎂的GaN層7，即在第一接觸層6上、厚度為10的第二接觸層，從而完成圖2所示的晶片。在由摻鎂GaN制成的最終第二接觸層7的生成中，其厚度是通過外延生成第二接觸層7達(dá)40秒來確定的。調(diào)整EtCp2Mg的流速，使得在氮?dú)庵幸?50℃熱退火達(dá)5分鐘后、空穴的濃度為最小。
為檢查形成于接觸電極金屬的各半導(dǎo)體層上的觸點(diǎn)的電接觸性能，本發(fā)明的發(fā)明人另外制作了晶片2和晶片3，晶片2僅采用摻鎂GaN，它是晶片1的第二接觸層7的材料，用于構(gòu)成對(duì)應(yīng)于第一接觸層6和第二接觸層7的各層，即該活性層和電極之間的半導(dǎo)體層，晶片3僅采用摻鎂InxGa1-xN(x＝0.14)，它是晶片1的接觸層6的材料，用于構(gòu)成相應(yīng)的部分。在晶片1至3中，在活性層和電極之間的各層的總薄膜厚度、例如在晶片1之情況下的GaN/InGaN(第二接觸層7/第一接觸層6)的總厚度是彼此相同的。
隨后，為了將摻鎂半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)化為p型半導(dǎo)體，在氮?dú)夥罩幸?50℃對(duì)所得到的每一片晶片進(jìn)行熱退火達(dá)5分鐘。當(dāng)GaN基半導(dǎo)體摻雜鎂時(shí)，它是一種p型摻雜物，由MOCVD方法生成，當(dāng)它未被完全處理時(shí)，這就是半絕緣的，因此并未顯示出p型傳導(dǎo)性。出于這個(gè)原因，在完成發(fā)光器件晶片后，對(duì)它們進(jìn)行熱退火，以激活該摻鎂層來提高p型傳導(dǎo)性。
另外，如圖3所示，作為示例，通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或類似方式，n型GaN層3被暴露出來。隨后，諸如二氧化硅的絕緣膜8被沉積在摻鎂的InxGa1-xN(x＝0.14)層6或摻鎂GaN層7的局部表面上。接下來，窗口被構(gòu)圖在絕緣膜8上用于形成電極。在p型轉(zhuǎn)換的摻鎂層6或7及n型GaN層3上，當(dāng)利用鹽酸進(jìn)行半導(dǎo)體表面處理后，通過這些窗口(圖1)，分別形成p側(cè)電極9和n側(cè)電極10。適用于p側(cè)電極9和n側(cè)電極10的材料分別是鎳和鈦。
隨后，每一晶片的藍(lán)寶石襯底的后表面被拋光，將晶片厚度減小到約100μm。然后，該晶片被劈開為芯片，從而完成器件制作。由晶片1、2、3制作出的器件在以下分別被稱為器件1、器件2和器件3。
圖4示出的電特性包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的器件1和比較的器件2及器件3的電流和電壓。從圖4中可明顯看出，由本發(fā)明減小了驅(qū)動(dòng)電壓。
通常，為了將摻鎂的氮化物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為p型，必須對(duì)該薄膜進(jìn)行一些處理，結(jié)果導(dǎo)致該薄膜表面的較高靈敏度退化。特別是在InGaN中，在In與N之間的弱耦合導(dǎo)致明顯的退化。據(jù)推測(cè)，在器件3中，由于加熱引起InGaN表面上的退化，該退化抑制了對(duì)電接觸特性所期望的改善。
當(dāng)在頂層表面上、由GaN制成的第二接觸層7被制成的厚度較大時(shí)，在InGaN上的保護(hù)效應(yīng)增大，但是電阻值也增大。因此，第二接觸層7的厚度最好是500?；蚋　?br> 由于第一接觸層6具有的晶格常數(shù)不同于基層的晶格常數(shù)，如果這一層做得太厚，結(jié)晶度就會(huì)變低，不能提供所期望的效果。因此，第一接觸層6的厚度最好是在10到1000的范圍中。
盡管上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明適用的發(fā)光二極管進(jìn)行了描述，本發(fā)明可以用類似的方式適用于激光二極管。
此外，作為另一個(gè)實(shí)施例，采用與前述實(shí)施例相同的技術(shù)，可以形成一種脊型半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖5所示，除了一個(gè)引導(dǎo)層和包覆層(cladding layer)是新提供的。具體來說，n型AlGaN包覆層11和n型GaN引導(dǎo)層12被層疊在n型GaN基層3和活性層4之間，p型GaN引導(dǎo)層13和p型AlGaN包覆層14被進(jìn)一步層疊在p型摻鎂AlGaN電子勢(shì)壘層5和p型第一接觸層6之間。在與上述圖3所示相對(duì)應(yīng)的處理中，一個(gè)預(yù)定寬度的掩膜被形成在第二接觸層7上，除了那些在掩膜以下的部分(即p型第一接觸層6、p型第二接觸層7和p型ALGaN包覆層14)被除去，同時(shí)留下p型GaN引導(dǎo)層13的整個(gè)厚度之一部分，從而形成一個(gè)窄脊(narrow ridge)結(jié)構(gòu)。然后，在所得到的晶片上形成絕緣薄膜8，形成在該脊形之頂部中的p側(cè)電極窗口和n側(cè)電極窗口，配置各電極以制作脊型半導(dǎo)體發(fā)光器件。在圖5和圖1中以相同參考編號(hào)表示的部件是同樣的部件。在激光二極管的情況下，與LED相比，每單位面積必須注入更大量的電流。因此，根據(jù)本發(fā)明，在激光二極管的情況下，本發(fā)明降低用于注入電流所需的電壓的效果是更為有用的。
根據(jù)本發(fā)明，由于III族類氮化物半導(dǎo)體器件具有位于半導(dǎo)體活性層和金屬電極之間的第一接觸層和第二接觸層，可以改善該器件的電極接觸特性。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括由III族類氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層和用于向該半導(dǎo)體層提供載流子的金屬電極，所述器件包括第一接觸層，由III族類氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)制成，它沉積在所述半導(dǎo)體層和所述金屬電極之間，并具有被加入到所述III族類氮化物半導(dǎo)體的II族類元素；及第二接觸層，由III族類氮化物半導(dǎo)體Alx’Ga1-x’N(0≤x’≤1)制成，并被沉積在所述第一接觸層和所述金屬電極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，II族類元素被加入到所述第二接觸層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述第二接觸層具有的厚度為500?；蚋?。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述的II族類元素是鎂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述第一接觸層是InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述第一接觸層具有10至1000之范圍中的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述的氮化物半導(dǎo)體器件是一種發(fā)光器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，II族類元素至少被加入到所述第二接觸層，對(duì)包括被沉積在所述半導(dǎo)體層上的第一和第二接觸層的層進(jìn)行熱退火處理，以產(chǎn)生p型傳導(dǎo)性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述的II族類元素是鎂。
全文摘要
一種氮化物半導(dǎo)體器件,具有較高的電極接觸性能。該氮化物半導(dǎo)體器件包括由III族類氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層、及用于向該半導(dǎo)體層提供載流子的金屬電極。該器件具有第一接觸層,由III族類氮化物半導(dǎo)體(Al
文檔編號(hào)H01S5/30GK1379483SQ0210823
公開日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月28日
發(fā)明者高橋宏和, 太田啟之, 渡邊溫 申請(qǐng)人:先鋒株式會(huì)社