專利名稱：磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件、其制造方法以及發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，所述層在室溫下具有寬帶隙，本發(fā)明還涉及其制造方法以及發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
III族氮化物半導(dǎo)體，如氮化鎵(GaN)通常被用于制造氮化物半導(dǎo)體器件，例如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)(參見(jiàn)例如非專利文獻(xiàn)1)。III族氮化物半導(dǎo)體已知在室溫下具有較寬的帶隙，并且例如，具有六角纖維鋅礦(hexagonal wurtzite)結(jié)構(gòu)的氮化鎵和氮化鋁(AlN)的室溫帶隙分別達(dá)到3.4eV和5.9eV(參見(jiàn)，例如非專利文獻(xiàn)2)。從而，III族氮化物半導(dǎo)體層被用作功能層，例如發(fā)光器件的覆層或發(fā)光層。III族氮化物半導(dǎo)體層具有這樣的大帶隙有利于構(gòu)造具有高勢(shì)壘的結(jié)結(jié)構(gòu)。例如，公開(kāi)了一種高遷移率晶體管，包括電子供給層和電子溝道層的異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)通過(guò)利用帶隙為3.4eV或更高的氮化鋁鎵混合晶體(AlXGa1-XN0＜X≤1)構(gòu)成(參見(jiàn)例如非專利文獻(xiàn)3)。
另一方面，磷化硼基化合物半導(dǎo)體，例如單磷化硼(BP)，公知為間接III-V化合物半導(dǎo)體。
與例如氮化鎵(GaN)的III族氮化物半導(dǎo)體不同，通過(guò)特意向磷化硼基化合物半導(dǎo)體摻雜可以容易獲得p型導(dǎo)電層。例如，公開(kāi)了這樣的技術(shù)，其中將鎂(Mg)作為p型雜質(zhì)摻入，以獲得p型導(dǎo)電層(參見(jiàn)例如專利文獻(xiàn)1)。因此，希望的是，通過(guò)結(jié)合具有寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層與III族氮化物半導(dǎo)體層，可以容易獲得具有勢(shì)壘差的pn結(jié)。
這里，例如磷化硼的室溫帶隙通常公知為2.0eV(參見(jiàn)例如非專利文獻(xiàn)2)，并且，近年來(lái)，已經(jīng)發(fā)展了這樣的技術(shù)，其中通過(guò)優(yōu)化氣相生長(zhǎng)條件或類似方法，獲得2.8至3.4eV的更寬室溫帶隙。然而，為了從磷化硼基化合物半導(dǎo)體層和III族氮化物半導(dǎo)體層例如氮化鎵構(gòu)成具有勢(shì)壘高度的異質(zhì)結(jié)，傳統(tǒng)的提供給磷化硼的2eV的帶隙是不夠的，從而需要磷化硼基化合物半導(dǎo)體層具有更寬的帶隙。目前還沒(méi)有公開(kāi)這樣的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，其具有寬帶隙而適合與寬帶隙半導(dǎo)體例如III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。
(專利文獻(xiàn)1)JP-A-2-288388(這里所用的術(shù)語(yǔ)“JP-A”表示“未審查公開(kāi)的日本專利申請(qǐng)”)(非專利文獻(xiàn)1)Isamu Akasaki(編輯)，III Zoku Kagobutsu Handoutai(III族化合物半導(dǎo)體)，1sted.，Chap.13-14，Baifukan(1999年12月8日)(非專利文獻(xiàn)2)Isamu Akasaki(編輯)，III Zoku Kagobutsu Handoutai(III-V族化合物半導(dǎo)體)，1sted.，page 150，Baifukan(1994年5月20日)(非專利文獻(xiàn)3)Isamu Akasaki(編輯)，III Zoku Kagobutsu Handoutai(III族化合物半導(dǎo)體)，1sted.，Chap.6-8，Baifukan(1999年12月8日)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在這樣的背景下產(chǎn)生，從而，本發(fā)明的一個(gè)目的是說(shuō)明如下的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，所述層具有適合與如氮化鎵(GaN)的III族氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的帶隙，所述異質(zhì)結(jié)具有適當(dāng)?shù)膭?shì)壘高度差，從而提供器件性能優(yōu)異的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，所述器件包括具有寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。
為了解決上述問(wèn)題而進(jìn)行廣泛研究的結(jié)果為，本發(fā)明人發(fā)明了下面的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件、其制造方法以及發(fā)光二極管。
尤其是，本發(fā)明包括(1)一種磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層由非晶層和與所述非晶層結(jié)合的多晶層構(gòu)成，其中磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的室溫帶隙為3.0eV至小于4.2eV；(2)如(1)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中多晶層的室溫帶隙小于非晶層的室溫帶隙；(3)如(1)或(2)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中多晶層設(shè)置在非晶層之上；(4)如(1)至(3)中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中非晶層和多晶層都是不特意摻雜的未摻雜層；(5)如(1)至(4)中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中提供III族氮化物半導(dǎo)體層與磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合；(6)如(5)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中III族氮化物半導(dǎo)體層包括由組分公式AlαGaβInγN(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1)或AlαGaβInγNδM1-δ(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1，0＜δ≤1，以及M是除氮以外的V族元素)表示的化合物；(7)如(6)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括磷化硼，以及III族氮化物半導(dǎo)體層包括氮化鎵；(8)如(5)至(7)中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中磷化硼基化合物半導(dǎo)體層是p型導(dǎo)電層，III族氮化物半導(dǎo)體層是n型導(dǎo)電層，以及磷化硼基化合物半導(dǎo)體層與III族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)合以構(gòu)成pn結(jié)結(jié)構(gòu)；以及
(9)如(1)至(8)中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中提供歐姆接觸或整流電極與磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合。
在本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)“多晶層”表示其中非晶部分與單晶部分混合的層，或者表示包括晶體取向不同的多個(gè)柱形單晶的集合的層。
例如，可以從根據(jù)表示為2·n·k的復(fù)介電常數(shù)的虛數(shù)部分的光子能量，確定磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的帶隙，其中n是折射率，k是相同波長(zhǎng)的消光系數(shù)。
另外，術(shù)語(yǔ)“多晶層設(shè)置在非晶層之上”表示，在形成非晶層后，利用非晶層作為底層而形成多晶層。
本發(fā)明還包括(10)一種制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法是用于制造如(1)至(4)中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟在250至1200℃的溫度下氣相生長(zhǎng)非晶層，以及在750至1200℃的溫度下氣相生長(zhǎng)多晶層；(11)如(10)所述的用于制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中在相同的溫度下氣相生長(zhǎng)非晶層和多晶層，并在氣相生長(zhǎng)非晶層時(shí)將V/III比設(shè)為0.2至50，而在氣相生長(zhǎng)多晶層時(shí)將V/III比設(shè)為100至500；以及(12)如(10)或(11)所述的用于制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中非晶層的氣相生長(zhǎng)速度為50至80nm/分鐘，以及多晶層的氣相生長(zhǎng)速度為20至40nm/分鐘。
在本發(fā)明中，“V/III比”表示供給到氣相生長(zhǎng)區(qū)域的如硼的III族原子的濃度與如磷的V族原子的濃度的比值。
另外，本發(fā)明包括(13)一種包括疊層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，所述疊層結(jié)構(gòu)通過(guò)依次層疊下覆層、發(fā)光層以及上覆層獲得，其中發(fā)光層是III族氮化物半導(dǎo)體層，上覆層是磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括非晶層和與非晶層結(jié)合的多晶層，并具有3.0eV至小于4.2eV的室溫帶隙。


圖1示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例中制造的pn結(jié)LED的截面結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明。
磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件本發(fā)明的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括非晶層和與非晶層結(jié)合的多晶層。通過(guò)使用該結(jié)構(gòu)，可以提供包括具有寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，所述帶隙在室溫下為3.0eV至小于4.2eV。
在本發(fā)明中，“磷化硼基化合物半導(dǎo)體”是立方閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的包括硼(B)和磷(P)的III-V族化合物半導(dǎo)體，其實(shí)例包括由如下組分公式表示的化合物BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δAsδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)和BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δNδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)。其特定實(shí)例包括單磷化硼(BP)和混合晶體，所述混合晶體包括多個(gè)V族元素，例如磷化硼鎵銦(組分公式BαGaγIn1-α-γP，其中0＜α≤1，0≤γ＜1)、氮化硼磷(組分公式BP1-δNδ，其中0≤δ＜1)以及砷化硼磷(組分公式BαP1-δAsδ，其中0＜α≤1，0≤δ＜1)。尤其是，優(yōu)選單磷化硼，因?yàn)檫@是構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用具有寬帶隙的磷化硼作為基本材料時(shí)，可以獲得具有寬帶隙的磷化硼基混合晶體。
磷化硼基化合物半導(dǎo)體層可以這樣形成，通過(guò)使用晶體襯底作為底層，所述襯底例如硅(Si)晶體、藍(lán)寶石(α-Al2O3單晶)、六角或立方碳化硅(SiC)、或氮化鎵(GaN)；或者利用在所述晶體襯底上形成的III族氮化物半導(dǎo)體層或類似物。
優(yōu)選通過(guò)氣相生長(zhǎng)方法形成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述方法例如鹵素方法(參見(jiàn)Nippon Kessho Seicho Gakkai Shi(Journal of JapaneseAssociation of Crystal Growth)，Vol.24，No.2，page 150(1997))、鹵化物方法(參見(jiàn)，J.Crystal Growth，24/25，pp.193-196(1974))、分子束外延方法(參見(jiàn)，J.Solid State Chem.，133，pp.269-272(1997))、以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法(參見(jiàn)，Inst.Phys.Conf.Ser.，No.129，pp.157-162，IOP Publishing Ltd.，UK(1993))。其中，優(yōu)選MOCVD方法，因?yàn)槭褂萌菀追纸獾奈镔|(zhì)例如三乙基硼((C2H5)3B)作為硼源，從而可以在較低溫度下氣相生長(zhǎng)非晶層。
在本發(fā)明中，并不限制形成構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的非晶層和多晶層的次序，然而，在構(gòu)成底層的材料例如晶體襯底與磷化硼化合物半導(dǎo)體之間存在大晶格失配的情況中，優(yōu)選形成非晶層，然后在非晶層上形成多晶層并與非晶層結(jié)合，因?yàn)榱谆鸹衔锇雽?dǎo)體的非晶層具有減輕晶格失配的功能，從而，可以獲得沒(méi)有裂縫的多晶層。
在將多晶層設(shè)置在非晶層的情況下，非晶層的厚度優(yōu)選為2nm或更多。如果非晶層的厚度小于2nm，則非晶層將不能在底層的整個(gè)表面上均勻地生長(zhǎng)，以均勻覆蓋其上沉積非晶層的底層的表面。在本發(fā)明的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件中，當(dāng)非晶層的厚度更大時(shí)，磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的帶隙有利地更寬。例如，當(dāng)非晶層的厚度是50nm時(shí)，磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的室溫帶隙是約4.2eV。
非晶層或多晶層的厚度可以實(shí)際這樣測(cè)量，通過(guò)利用例如測(cè)量厚度的高分辨率掃描電子顯微鏡(SEM)、或透射電子顯微鏡(TEM)。
在本發(fā)明的磷化硼基化合物半導(dǎo)體中，優(yōu)選提供III族氮化物半導(dǎo)體層與磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合。III族氮化物半導(dǎo)體的實(shí)例包括由組分公式AlαGaβInγN(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1)表示的化合物，例如氮化鎵，以及由組分公式AlαGaβInγNδM1-δ(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1，0＜δ≤1，并且M是除氮以外的V族元素)表示的化合物。
在例如單磷化硼(BP)的磷化硼基化合物半導(dǎo)體的情況下，不同于III族氮化物半導(dǎo)體，可以容易獲得原生(as-grown)狀態(tài)的低阻p型導(dǎo)電層。另一方面，在III族氮化物半導(dǎo)體的情況下，可以容易地氣相生長(zhǎng)n型導(dǎo)電層。因此，當(dāng)提供n型III族氮化物半導(dǎo)體層與p型磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合時(shí)，可以容易地構(gòu)成具有適當(dāng)勢(shì)壘高度差的pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。例如，可以利用這樣的發(fā)光層構(gòu)成具有勢(shì)壘高度差為約0.3eV的pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光部分，所述發(fā)光層包括室溫帶隙為約2.7eV的n型氮化鎵銦(GaβInγN，其中0≤β，γ≤1)以及帶隙為約3.0eV的p型磷化硼層。具有寬帶隙磷化硼層的該pn結(jié)結(jié)構(gòu)可以適用于構(gòu)成具有高擊穿電壓的pn結(jié)二極管。
尤其是，當(dāng)磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括磷化硼，并且III族氮化物半導(dǎo)體層包括氮化鎵(GaN)時(shí)，可以形成具有優(yōu)異質(zhì)量的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，這是優(yōu)選的。
具有立方閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的磷化硼(BP)的a軸晶格常數(shù)是0.454nm，從而，在磷化硼的{111}晶面上的晶格間距是0.319nm。另一方面，具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氮化鎵(GaN)的a軸晶格常數(shù)是0.318nm。并且立方氮化鎵的a軸晶格常數(shù)是0.451nm。這樣，磷化硼的{111}晶面上的晶格間距基本與纖維鋅礦結(jié)構(gòu)或立方氮化鎵的a軸晶格常數(shù)一致。由于這種幾乎無(wú)晶格失配，可以在六角或立方氮化鎵單晶層上生長(zhǎng)例如失配位錯(cuò)的晶體缺陷密度減小的優(yōu)質(zhì)結(jié)晶磷化硼層。從而，可以從磷化硼層和六角或立方氮化鎵層，構(gòu)成可以防止產(chǎn)生局部擊穿的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并且其可以適用于LED、LD等。
當(dāng)將特意摻雜的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層與例如III族氮化物半導(dǎo)體層的底層結(jié)合時(shí)，磷化硼基化合物半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)有時(shí)擴(kuò)散或侵入底層，從而降低了底層的電性質(zhì)。例如，在包括n型氮化鎵單晶的III族氮化物半導(dǎo)體層上形成磷化硼層，所述磷化硼層通過(guò)添加鎂(Mg)而變成p型導(dǎo)電層，所添加的鎂擴(kuò)散進(jìn)入n型氮化鎵單晶層，從而電補(bǔ)償n型載流子，結(jié)果，氮化鎵層變成高阻。
因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選通過(guò)未特意摻雜的所謂的未摻雜層構(gòu)成非晶層和多晶層，其構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。當(dāng)通過(guò)未摻雜層構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層時(shí)，可以獲得這樣的pn結(jié)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)不會(huì)不利地影響與其結(jié)合的底層，例如III族氮化物半導(dǎo)體層，這樣是優(yōu)選的。
通過(guò)控制氣相生長(zhǎng)溫度等，可以形成未摻雜的p型磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。例如，當(dāng)在氮化鎵單晶的(0.0.0.1.)表面上氣相生長(zhǎng)未摻雜的(111)磷化硼時(shí)，在超過(guò)約1000℃的氣相生長(zhǎng)溫度下容易獲得p型導(dǎo)電層，而在約1000℃或以下的溫度下容易獲得n型導(dǎo)電層。
在磷化硼基化合物半導(dǎo)體的情況下，即使是未摻雜狀態(tài)，也可以獲得載流子濃度為1×1019cm-3或更高的低阻p型或n型導(dǎo)電層。例如，可以獲得這樣的p型導(dǎo)電層，其載流子濃度在室溫下為約2×1019cm-3，并具有低電阻值，例如其電阻率(電阻系數(shù))為約5×10-2Ω·cm。尤其是，當(dāng)在超過(guò)1000℃的高溫下氣相生長(zhǎng)非晶層時(shí)，可以有效地獲得整體電阻值較低的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。在該低阻p型或n型磷化硼基化合物半導(dǎo)體層上，可以有利地形成良好的接觸歐姆電極(歐姆接觸電極)或整流電極。
所述歐姆電極材料可以是一般用于在III-V族化合物半導(dǎo)體層上形成歐姆電極的材料，例如砷化鎵(GaAs)。例如，在p型磷化硼層上可以形成包括金合金(例如金(Au)·鋅(Zn)、金(Au)·鈹(Be))的p型歐姆電極，而在n型磷化硼層上可以形成包括金合金(例如金(Au)·鍺(Ge)、金(Au)·錫(Sn)、金(Au)·銦(In))的n型歐姆電極。
當(dāng)在磷化硼基化合物半導(dǎo)體層上形成接觸性質(zhì)優(yōu)異的歐姆電極時(shí)，例如，可以獲得具有低正向電壓(Vf)或低閾值電壓(Vth)的LED或LD，這是優(yōu)選的。尤其優(yōu)選在這樣的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層上形成歐姆電極，所述半導(dǎo)體層這樣構(gòu)造，將非晶層設(shè)置在下面，將多晶層設(shè)置在其上。這是因?yàn)椋谑覝叵?，多晶層比非晶層具有更小的帶隙，從而容易獲得具有優(yōu)異接觸性質(zhì)的歐姆電極。例如，可以合適地使用這樣的結(jié)構(gòu)來(lái)制造高電子遷移率MESFET，在所述結(jié)構(gòu)中，將源極或漏極歐姆電極設(shè)置與帶隙更小的多晶層接觸。
如上所述，優(yōu)選通過(guò)將非晶層設(shè)置在下面，將多晶層設(shè)置在其上，來(lái)構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，但是也可以采用反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)置多晶層，然后在其上設(shè)置帶隙更大的非晶層，所構(gòu)成的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層適用于形成非整流電極(例如Schottky接觸電極)。Schottky接觸電極材料可以是通常用于在III-V族化合物半導(dǎo)體層上形成Schottky接觸電極的材料，例如鋁(Al)、金(Au)、鈦(Ti)、鉭(Ta)以及鈮(Nb)。
這樣的結(jié)構(gòu)適于形成例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)，在所述結(jié)構(gòu)中，在高阻非晶層上設(shè)置Schottky接觸電極，并且將設(shè)置在非晶層下的多晶層用作電子供給層。
用于形成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的方法下面詳細(xì)描述本發(fā)明的用于形成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的方法，所述半導(dǎo)體層構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件。
通過(guò)利用不同的氣相生長(zhǎng)裝置或相同的氣相生長(zhǎng)裝置，可以形成非晶層和多晶層，其構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。然而，從生產(chǎn)率方面考慮，優(yōu)選通過(guò)利用相同的氣相生長(zhǎng)裝置連續(xù)氣相生長(zhǎng)這些層。
例如，通過(guò)利用相同的氣相生長(zhǎng)裝置，可以以在250至1200℃范圍內(nèi)的溫度下形成非晶層，然后在750至1200℃的溫度下氣相生長(zhǎng)多晶層。形成非晶層和多晶層的次序可以顛倒。在形成非晶層時(shí)，氣相生長(zhǎng)溫度適合為250℃或更高，從而構(gòu)成非晶層的元素的源材料可以充分地?zé)岱纸?，從而形成所述層。另一方面，在形成多晶層時(shí)，氣相生長(zhǎng)溫度適合為750℃或更高，從而加速結(jié)晶。在形成兩層時(shí)，氣相生長(zhǎng)溫度適合為1200℃或更低，從而可以在抑制形成例如B13P2的多面體硼的情況下，形成包括單磷化硼(BP)的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層、或利用磷化硼的磷化硼基化合物半導(dǎo)體。
通過(guò)利用相同的氣相生長(zhǎng)裝置，還可以在相同的溫度下連續(xù)氣相生長(zhǎng)非晶層和多晶層。在該情況下，構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體的元素的源材料的供給比(V/III比)可以連續(xù)或逐步變化。通過(guò)改變V/III比，可以有差別地形成非晶層和多晶層。例如，在從三氯化硼(BCl3)和三氯化磷(PCl3)開(kāi)始的鹵素氣相生長(zhǎng)方法中，可以通過(guò)控制供給到氣相生長(zhǎng)區(qū)域的PCl3的流速與BCl3的流速比，來(lái)調(diào)節(jié)V/III比。
在形成非晶層并然后在其上形成多晶層的情況下，其可以通過(guò)在較低的V/III比下形成非晶層并然后在比上述高的V/III比下氣相生長(zhǎng)多晶層而實(shí)現(xiàn)。相反，在形成多晶層并然后在其上形成非晶層的情況下，其可以通過(guò)將V/III比從高變到低而實(shí)現(xiàn)。而且，當(dāng)V/III比周期性地變化時(shí)，可以交替地、周期性地形成非晶層和多晶層。適于氣相生長(zhǎng)非晶層的V/III比為0.2至50，適于形成多晶層的V/III比為100至500。
例如，通過(guò)x射線衍射方法或電子束衍射方法，可以從獲得的衍射圖形識(shí)別出形成的層是非晶層還是多晶層。
對(duì)于非晶層和多晶層的氣相生長(zhǎng)速度沒(méi)有特定限制，但是當(dāng)非晶層的生長(zhǎng)速度大于多晶層的生長(zhǎng)速度時(shí)，可以有利地形成整體具有寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。尤其是，優(yōu)選以50至80nm/分鐘的速度生長(zhǎng)非晶層，以低于氣相生長(zhǎng)非晶層的速度的20至40nm/分鐘的速度生長(zhǎng)多晶層。
可以主要通過(guò)供給到氣相生長(zhǎng)區(qū)域的III族構(gòu)成元素例如硼的單位時(shí)間的供給量，來(lái)調(diào)節(jié)在氣相生長(zhǎng)非晶層和多晶層時(shí)的生長(zhǎng)速度。然而，在超過(guò)1000℃的溫度下的氣相生長(zhǎng)中，生長(zhǎng)速度可能根據(jù)在氣相生長(zhǎng)區(qū)域中的磷源的濃度而漲落。因此，為了精細(xì)調(diào)節(jié)高溫下的氣相生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速度，優(yōu)選精確地調(diào)節(jié)供給到氣相生長(zhǎng)區(qū)域的III族構(gòu)成元素和V族構(gòu)成元素的量。
例如，在通過(guò)利用三乙基硼((C2H5)3B)/磷化氫(PH3)/H2反應(yīng)體系的MOCVD方法氣相生長(zhǎng)磷化硼非晶層中，當(dāng)將供給的硼源的量設(shè)置為約2.5×10-4摩/分鐘、將供給的磷源的量設(shè)置為約5.1×10-3摩/分鐘時(shí)，在1025℃下，可以獲得約60nm/分鐘的生長(zhǎng)速度。
在本發(fā)明中，通過(guò)非晶層和與非晶層結(jié)合的多晶層構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，因此，如上所述，可以提供這樣的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層具有寬帶隙，例如室溫帶隙為從3.0eV至小于4.2eV。在本發(fā)明中，構(gòu)成磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的非晶層發(fā)揮了主要作用，使得磷化硼基化合物半導(dǎo)體具有大帶隙。
本發(fā)明的包括寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件可以適用于LED、LD等，其具有勢(shì)壘高度差較大的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并具有優(yōu)異的器件性能。例如，具有寬帶隙例如室溫帶隙為3.0eV至小于4.2eV的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層可以在LED或LD中適用于覆層等，所述覆層具有超過(guò)0.3eV的勢(shì)壘差，其大到足以限定發(fā)光層中的載流子。而且，在LED中，磷化硼基化合物半導(dǎo)體層可以適用于窗口層，通過(guò)其，發(fā)射的近紫外光或短波長(zhǎng)可見(jiàn)光可以如需地穿透到外面。
下面通過(guò)參考實(shí)例描述本發(fā)明。
(實(shí)例)對(duì)于本發(fā)明的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，制造了具有pn雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LED)，所述結(jié)構(gòu)包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層由在Si單晶襯底上氣相生長(zhǎng)的非晶層和多晶層構(gòu)成。圖1示例性示出了制造的LED的截面結(jié)構(gòu)。
對(duì)于襯底101，使用摻雜磷(P)的n型(111)Si單晶襯底。
首先，通過(guò)大氣壓(近似大氣壓)金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)方法，在襯底101的(111)表面上沉積未摻雜磷化硼(BP)非晶層102。通過(guò)利用三乙基硼((C2H5)3B)作為硼源、利用磷化氫(PH3)作為磷源，在450℃下沉積磷化硼非晶層102。將單位時(shí)間提供給MOVPE反應(yīng)體系的磷源的濃度與硼源的濃度的比值(PH3/(C2H5)3；V/III比)設(shè)置為16。磷化硼非晶層102的厚度為10nm。
停止供給硼源以結(jié)束氣相生長(zhǎng)磷化硼非晶層102。然后，在磷源(PH3)和氫氣(H2)的混合氣體中將襯底101的溫度升高到925℃。隨后，重新流入硼源，并且在925℃下，在磷化硼非晶層102上沉積未摻雜n型{111}磷化硼單晶層103。在氣相生長(zhǎng)中將V/III比設(shè)為1300。磷化硼單晶層103的厚度為120nm。
在磷化硼單晶層上，通過(guò)利用鎵(Ga)/氨氣(NH3)/氫氣(H2)反應(yīng)體系的氫化物VPE方法，在1050℃下沉積包括氮化鎵(GaN)單晶的下覆層104。所述下覆層的厚度為3μm。
在下覆層104上，通過(guò)利用三甲基鎵((CH3)3Ga)/三甲基銦((CH3)3In)/H2反應(yīng)體系的大氣壓MOCVD方法，在850℃下氣相生長(zhǎng)包括n型氮化鎵銦(Ga0.90In0.10N)的n型發(fā)光層105。n型發(fā)光層105的載流子濃度為7×1017cm-3，以及層厚為50nm。
在n型發(fā)光層105上，通過(guò)利用(C2H5)3B/PH3/H2反應(yīng)體系的大氣壓MOCVD方法，在1025℃下氣相生長(zhǎng)磷化硼非晶層106a。在氣相生長(zhǎng)磷化硼非晶層106a時(shí)將V/III比(＝PH3/(C2H5)3B)設(shè)為16，并且以50nm/分鐘的速度生長(zhǎng)磷化硼非晶層106a。將氣相生長(zhǎng)精確地持續(xù)30秒，以形成厚度為25nm的磷化硼非晶層106a。隨即，增加供給到氣相生長(zhǎng)區(qū)域的PH3的流速，以將V/III比增大到120，從而隨后在磷化硼非晶層106a上沉積磷化硼多晶層106b。以30nm/分鐘的生長(zhǎng)速度氣相生長(zhǎng)磷化硼多晶層106b。磷化硼多晶層的厚度為380nm。通過(guò)這樣，形成了這樣的p型磷化硼層106，其厚度為405nm，并包括未摻雜磷化硼非晶層106a和未摻雜磷化硼多晶層106b的雙層結(jié)構(gòu)。
通過(guò)常規(guī)霍爾效應(yīng)測(cè)量，測(cè)出獲得的p型磷化硼層106的載流子濃度為約1×1019cm-3。
另外，從光子能量確定獲得的p型磷化硼層106的室溫帶隙為約3.6eV，所述光子能量基于折射率(n)和通過(guò)常規(guī)橢率計(jì)測(cè)量的消光系數(shù)(k)的積(＝2·n·k)，從而發(fā)現(xiàn)，p型磷化硼層106可以適用于發(fā)光層105的上覆層，還可以用作窗口層，通過(guò)所述窗口層，來(lái)自發(fā)光層105的發(fā)射如需地穿透到外面。
通過(guò)常規(guī)截面TEM方法測(cè)量獲得的p型磷化硼層106的位錯(cuò)密度，并測(cè)出為平均小于1×103/cm2。位錯(cuò)密度為1×102/cm2或更小的區(qū)域也部分存在。
在用作上覆層的p型磷化硼層106的中心部分，提供具有多層結(jié)構(gòu)的p型歐姆電極107，所述結(jié)構(gòu)包括Au·Be合金(Au99質(zhì)量％·Be 1質(zhì)量％)下層和Au上層。還用作焊盤電極以引線焊接的p型歐姆電極107具有直徑為約120μm的圓形。另一方面，在襯底101的幾乎整個(gè)背面上設(shè)置包括鋁(Al)·銻(Sb)合金的n型歐姆電極108。
通過(guò)這樣，制造了具有pn雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)的LED，其中n型發(fā)光層105夾在包括n型氮化鎵層的下覆層104和包括p型磷化硼層106的上覆層之間。
在獲得的LED的p型和n型歐姆電極107和108之間通正向的20mA的工作電流，結(jié)果，發(fā)射出波長(zhǎng)為約430nm的藍(lán)帶光。通過(guò)利用常規(guī)積分球測(cè)量芯片態(tài)的亮度，并測(cè)出為7mcd。另外，通過(guò)近場(chǎng)發(fā)射圖形發(fā)現(xiàn)，發(fā)射強(qiáng)度在發(fā)光層105的幾乎整個(gè)表面上是均勻的。這是由于歐姆電極107被設(shè)置為與低位錯(cuò)密度的p型磷化硼層106接觸。并且因此，抑制了在常規(guī)技術(shù)中，由于器件工作電流通過(guò)位錯(cuò)的短路電流發(fā)生的微光點(diǎn)的產(chǎn)生。
從發(fā)射波長(zhǎng)計(jì)算出發(fā)光層105的帶隙為約2.9eV，并且與構(gòu)成上覆層的p型磷化硼層106的帶隙之差達(dá)到約0.7eV。另外，因?yàn)闅W姆電極107被設(shè)置為與具有低位錯(cuò)密度的p型磷化硼層106接觸，從而沒(méi)有發(fā)生局部擊穿。因此，提供了整流特性優(yōu)異的LED，其中在20mA的正向電流下，正向電壓(Vf)為約3V，在10μA的反向電流下，反向電壓(Vr)為8V或更大。
如上所述，在該實(shí)例中，提供了這樣的LED，其不僅具有優(yōu)異的整流特性，還具有均勻的發(fā)光強(qiáng)度。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)非晶層和與非晶層結(jié)合的多晶層構(gòu)成了磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，從而可以提供器件性能優(yōu)異的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，所述器件包括寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，其室溫帶隙為3.0eV到小于4.2eV。
權(quán)利要求
1.一種磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，包括磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層由非晶層和與所述非晶層結(jié)合的多晶層構(gòu)成，其中所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的室溫帶隙為3.0eV至小于4.2eV。
2.如權(quán)利要求1所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述多晶層的室溫帶隙小于所述非晶層的室溫帶隙。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述多晶層設(shè)置在所述非晶層之上；
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述非晶層和所述多晶層都是不特意摻雜的未摻雜層。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中提供III族氮化物半導(dǎo)體層與所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合。
6.如權(quán)利要求5所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述III族氮化物半導(dǎo)體層包括由組分公式AlαGaβInγN(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1)或AlαGaβInγNδM1-δ(其中0≤α，β，γ≤1，α+β+γ＝1，0＜δ≤1，以及M是除氮以外的V族元素)表示的化合物。
7.如權(quán)利要求6所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括磷化硼，以及所述III族氮化物半導(dǎo)體層包括氮化鎵。
8.如權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層是p型導(dǎo)電層，所述III族氮化物半導(dǎo)體層是n型導(dǎo)電層，以及所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層與所述III族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)合以構(gòu)成pn結(jié)結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其中提供歐姆接觸或整流電極與所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層結(jié)合。
10.一種制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法是用于制造如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟在250至1200℃的溫度下氣相生長(zhǎng)非晶層，以及在750至1200℃的溫度下氣相生長(zhǎng)多晶層。
11.如權(quán)利要求10所述的用于制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中在相同的溫度下氣相生長(zhǎng)所述非晶層和所述多晶層，并在氣相生長(zhǎng)所述非晶層時(shí)將V/III比設(shè)為0.2至50，而在氣相生長(zhǎng)所述多晶層時(shí)將所述V/III比設(shè)為100至500。
12.如權(quán)利要求10或11所述的用于制造磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述非晶層的氣相生長(zhǎng)速度為50至80nm/分鐘，以及所述多晶層的氣相生長(zhǎng)速度為20至40nm/分鐘。
13.一種包括疊層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，所述疊層結(jié)構(gòu)通過(guò)依次層疊下覆層、發(fā)光層以及上覆層獲得，其中所述發(fā)光層是III族氮化物半導(dǎo)體層，所述上覆層是磷化硼基化合物半導(dǎo)體層，所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括非晶層和與所述非晶層結(jié)合的多晶層，并具有3.0eV至小于4.2eV的室溫帶隙。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種器件性能優(yōu)異的磷化硼基化合物半導(dǎo)體器件，其包括具有寬帶隙的磷化硼基化合物半導(dǎo)體層。所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層包括非晶層和與非晶層結(jié)合的多晶層，并且所述磷化硼基化合物半導(dǎo)體層的室溫帶隙為3.0eV至小于4.2eV。
文檔編號(hào)H01L29/20GK1717810SQ20038010444
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月2日
發(fā)明者宇田川隆 申請(qǐng)人:昭和電工株式會(huì)社