專利名稱：用于n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的n型歐姆電極、具有該電極的半導(dǎo)體發(fā)光器件及用于形成n型 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸的n型歐姆電極、配備有該電極的半導(dǎo)體發(fā)光器件、以及用于形成該n型歐姆電極的方法。
背景技術(shù)：
通常，例如，通過分子式AlxGayInzN(0≤x，y，z≤1，x+y+z＝1)表示的III族氮化物半導(dǎo)體被用于在以藍(lán)色或綠色帶內(nèi)的短波長發(fā)射可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件中形成例如n型覆層的阻擋層(例如，參照IsamuAkasaki，III-V Zoku Kagobutsu Handoutai(III-V族化合物半導(dǎo)體)，1sted.，Chap.13，Baifukan(1994年5月20日))。同樣，在高電子遷移率場效應(yīng)晶體管的實(shí)例中，電子提供層由n型氮化鋁鎵(組成分子式AlxGayN，其中0≤x≤1)構(gòu)成(例如，參照上述文獻(xiàn))。通過提供與上述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸的n型歐姆接觸電極(n型歐姆電極)來制造例如發(fā)光二極管(英文縮寫LED)和激光二極管(英文縮寫LD)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。通過提供例如與包括n型III族氮化物半導(dǎo)體的電子提供層或有源層直接接觸的n型歐姆電極來制造場效應(yīng)晶體管(英文縮寫FET)。
至于與n型III族氮化物半導(dǎo)體一起使用的n型歐姆電極，迄今為止公開了由，例如，鈦(原子符號(hào)Ti)(例如參照日本專利No.2783349)或鋁(原子符號(hào)Al)(例如，參照未經(jīng)審查公開的日本專利申請No.7-45867)構(gòu)成n型歐姆電極。
然而，通過在n型III族氮化物半導(dǎo)體層上提供由金屬材料形成的常規(guī)n型歐姆電極獲得的化合物半導(dǎo)體LED要求具有更低的正向電壓(所謂的Vf)。同樣，F(xiàn)ET需要具有更低的漏電阻以防止器件特性因?yàn)闊犭娮璧脑黾佣嘶?。因此，為了提高化合物半?dǎo)體發(fā)光器件或FET的特性，n型歐姆電極必須由具有與n型III族氮化物半導(dǎo)體的低接觸電阻的材料形成。本發(fā)明具體提供了用于提高化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的特性的n型歐姆電極，同時(shí)也提供了配備有該電極的化合物發(fā)光器件以及用于形成該n型歐姆電極的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明包括下面的內(nèi)容。
(1)一種與n型III族氮化物半導(dǎo)體一起使用的n型歐姆電極，所述n型歐姆電極與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸，其中所述n型歐姆電極層由鋁(原子符號(hào)Al)和鑭(原子符號(hào)La)的合金形成，或者包括鑭。
(2)如(1)所述的n型歐姆電極，其中在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述表面上，所述n型歐姆電極層中的所述鑭的含量為10質(zhì)量％或更多。
(3)如(2)所述的n型歐姆電極，其中在離與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中，所述n型歐姆電極層中的所述鑭的含量小于10質(zhì)量％。
(4)如(3)所述的n型歐姆電極，其中與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述表面相反的所述n型歐姆電極層的所述表面由鋁形成。
(5)一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，通過以下步驟制造在層疊結(jié)構(gòu)體上提供歐姆接觸電極，在所述層疊結(jié)構(gòu)體中在晶體襯底的一個(gè)表面上提供n型III族氮化物半導(dǎo)體層和p型化合物半導(dǎo)體層，并且發(fā)光層置于所述n型和p型化合物半導(dǎo)體層之間，其中與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述n型歐姆電極由鑭鋁合金層或鑭層形成。
(6)如(5)所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述n型歐姆電極在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述側(cè)面包括鑭鋁合金層或鑭層，而在相反的側(cè)面包括鋁層。
(7)如(5)或(6)所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述n型歐姆電極包括鑭鋁合金層，所述鑭鋁合金層在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
(8)一種用于形成n型歐姆電極的方法，包括通過使用鑭鋁合金(組成分子式LaAl2)作為原始材料形成構(gòu)成所述n型歐姆電極的鑭鋁合金層。
(9)如(8)所述的用于形成n型歐姆電極的方法，其中提供所述鑭鋁合金層以將它與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接合，同時(shí)將所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置在300℃或更低溫度下，從而通過鑭鋁合金層形成n型歐姆電極，所述鑭鋁合金層在所述結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
(10)一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，包括在層疊結(jié)構(gòu)體上提供歐姆接觸電極，在所述層疊結(jié)構(gòu)體中在晶體襯底的一個(gè)表面上提供n型III族氮化物半導(dǎo)體層和p型化合物半導(dǎo)體層，并且發(fā)光層置于所述n型和p型化合物半導(dǎo)體層之間，其中通過使用鑭鋁合金(組成分子式LaAl2)作為原始材料形成構(gòu)成與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的n型歐姆電極的所述鑭鋁合金層。
(11)如(10)所述的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中提供所述鑭鋁合金層以將它與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的所述表面接合，同時(shí)將所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置在300℃或更低溫度下，從而通過鑭鋁合金層形成n型歐姆電極，所述鑭鋁合金層在所述結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
根據(jù)本發(fā)明，與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸的所述n型歐姆電極包括鑭和鋁的合金，從而可以形成具有低接觸電阻的電極，并使提供的器件驅(qū)動(dòng)電流可以被有效轉(zhuǎn)換用于光發(fā)射，結(jié)果，可以提供具有高發(fā)射強(qiáng)度的化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。


圖1示出了實(shí)例1中描述的鑭鋁層的元素分析結(jié)果。
圖2示出了實(shí)例1中描述的電極的電流-電壓特性。
圖3示出了依賴于實(shí)例1中描述的電極之間的距離的電流-電壓特性的變化。
圖4示出了實(shí)例2中描述的在高溫下淀積的鑭鋁合金層中的元素分布。
圖5示出了實(shí)例2中描述的鑭鋁合金層的電流-電壓特性。
圖6示出了實(shí)例3中描述的LED的截面示意圖。
圖7是圖6所示的LED的平面示意圖。
具體實(shí)施例方式
可以通過鹵素工藝、氫化物工藝或MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積)工藝，還可以通過分子束外延工藝形成在其上提供有n型歐姆電極的n型III族氮化物半導(dǎo)體層(參照，J.Solid State Chem.，pp.269-272，133(1997))。N型III族氮化物半導(dǎo)體層的載流子濃度適宜為1×1018cm-3或更大，而電阻率(具體電阻)適宜為5×10-2Ω·cm或更小。N型III族氮化物半導(dǎo)體層的厚度適宜為可以獲得連續(xù)膜的50nm或更大，而沒有產(chǎn)生顯著裂紋的5,000nm或更小。載流子濃度優(yōu)選幾乎在n型III族氮化物半導(dǎo)體層的厚度方向上為常數(shù)，或向該層的表面增加。
可以通過使用由組成分子式LaAl4(鑭含量＝56.3質(zhì)量％)、LaAl2(鑭含量＝73.0質(zhì)量％)或LaAl(鑭含量＝83.7質(zhì)量％)表示的鑭鋁合金作為原始材料，形成根據(jù)本發(fā)明的由鑭鋁合金形成的n型歐姆電極。尤其，鑭鋁合金(組成分子式LaAl2)相對于LaAl4具有大的鑭含量，并具有能夠滿足利用一般的真空氣相淀積技術(shù)的氣相淀積的熔點(diǎn)，并因此，該合金可以用作特別適合的原始材料。LaAl相對于LaAl2具有高的鑭含量，但是類似于二鋁化三鑭(組成分子式La3Al2)，該合金不能形成鑭和鋁之間的成分比穩(wěn)定的鑭鋁合金膜。
為了形成具有好的接觸特性的n型歐姆電極，沒必要在淀積原始材料合金期間加熱n型III族氮化物半導(dǎo)體層。淀積原始材料合金期間的III族氮化物半導(dǎo)體層的溫度適宜為50℃或更低。如果電極是通過加熱n型III族氮化物半導(dǎo)體層到超過300℃的溫度來形成，那么就會(huì)在與n型半導(dǎo)體層的結(jié)界面處不利地形成具有小的鑭含量的鑭鋁合金層。當(dāng)形成的鑭鋁合金層在結(jié)界面附近的區(qū)域內(nèi)具有更小的鑭含量時(shí)，n型歐姆電極的接觸電阻就會(huì)增加。如果結(jié)界面附近的區(qū)域內(nèi)的鑭鋁合金層的鑭含量小于10質(zhì)量％，就不能穩(wěn)定地形成具有0.1Ω·cm-2或更小的接觸電阻的n型歐姆電極。同樣，優(yōu)選在從與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)界面向合金層的表面的30nm或更小的區(qū)域內(nèi)提供包含10質(zhì)量％或更多的鑭的鋁鑭合金層。相反，在離結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，優(yōu)選鑭含量小于10質(zhì)量％。與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸的層可以由簡單的鑭物質(zhì)形成，也就是說，可以是具有100質(zhì)量％的鑭質(zhì)量含量的層。
適宜將構(gòu)成n型歐姆電極的鑭鋁合金淀積到足夠大的厚度以無縫地覆蓋n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面。通常，適宜將原始材料合金淀積到50nm或更大的厚度。在構(gòu)成用于引線焊接的焊盤電極的情況下，還要在鑭鋁合金膜上重疊金屬膜。提供與接觸n型III族氮化物半導(dǎo)體層的鑭鋁合金膜接合的金屬膜優(yōu)選由鋁或鈦形成。焊盤電極的厚度適宜為從約1μm到約5μm。例如，可以提供并與具有0.3μm厚度的LaAl2合金膜接合具有約1.5μm厚度的Al膜，以構(gòu)成具有1.8μm的總厚度的焊盤電極。對于構(gòu)成良好的n型歐姆電極，不優(yōu)選在鑭鋁合金層上淀積，例如，鋁層，并接著在超過300℃的溫度下進(jìn)行合金化處理。因?yàn)?，由于高溫?zé)崽幚淼蔫|的熱擴(kuò)散會(huì)阻止鑭元素在與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)界面附近的預(yù)期區(qū)域內(nèi)聚集。
提供與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸的鑭鋁合金膜具有提供具有低接觸電阻的n型歐姆電極的功能。
實(shí)例(實(shí)例1)下面將參考其中在n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面上提供包括鑭鋁合金膜的n型歐姆電極的情況更詳細(xì)的描述本發(fā)明。
通過使用三甲基鎵(分子式(CH3)3Ga)和氨(分子式NH3)作為原始材料的減壓MOCVD氣相淀積摻雜硅(Si)的n型GaN層。n型GaN層的載流子濃度為9×1019cm-3，而層厚度約為3.2μm。在用氟化氨(NH4F)溶液處理GaN層表面之后，在此表面上淀積鑭鋁合金膜。
在室溫(高達(dá)23℃)下保持n型GaN層期間，在GaN層表面上通過使用LaAl2合金作為氣相淀積源的一般真空氣相淀積方法淀積鑭鋁合金層。將鑭鋁合金淀積到約0.5μm的厚度。圖1示出了在n型GaN層和鑭鋁合金層之間，通過使用附加到電子顯微鏡的能量分散型X射線微量分析儀測量的結(jié)區(qū)中的元素分析的結(jié)果。分析結(jié)果顯示，通過在室溫下在GaN層上淀積鑭鋁合金層，在與n型GaN層的結(jié)界面附近的區(qū)域中形成了包含約15質(zhì)量％的鑭的鑭鋁合金層。同樣，其中鑭鋁合金包含超過10質(zhì)量％的鑭的區(qū)域?yàn)閺呐cn型GaN層的結(jié)界面向合金層的表面?zhèn)鹊募s8nm的區(qū)域。在比它更接近合金層的表面?zhèn)鹊膮^(qū)域中，鑭含量隨著合金層的厚度的增加而從10質(zhì)量％減小。合金層的表面區(qū)域幾乎不包含鑭，而主要由鋁組成。
圖2示出了由鑭鋁合金膜組成的，在上述n型GaN層的表面上形成的互相接近的電極之間的電流-電壓(I-V)特性。在±50mV的正和負(fù)的低壓區(qū)內(nèi)，電流與電壓成正比例地線性增加。同樣，在±5V或更小的電壓區(qū)內(nèi)，電流按照施加的電壓的增加而線性增加。從這些I-V特性中，顯示出通過鑭鋁合金層形成了用于n型GaN層的良好的n型歐姆電極。
圖3示出了通過將鑭鋁合金電極之間的距離(L)不斷改變到0.25mm、0.50mm、1.0mm或2.0mm測量的I-V特性。從I-V特性確定電阻值的電極距離依賴性，并且根據(jù)TLM(傳輸線模式)理論由此計(jì)算的接觸電阻為1.6×10-2Ω·cm-2。在該計(jì)算中，考慮了用于通過電流的實(shí)際有效的電極寬度。
(實(shí)例2)在350℃下保持上述n型GaN層期間，在GaN層的表面上淀積鑭鋁合金層。通過僅改變實(shí)例1中淀積的溫度來形成鑭鋁合金層。圖4示出了鑭鋁合金層的俄歇電子光譜分析的結(jié)果。由于鑭鋁合金層的合金源(LaAl2)在高溫下淀積，所以鑭在合金層的表層區(qū)域中聚集。另一方面，與n型GaN層的結(jié)界面附近的區(qū)域，以及至少在從結(jié)界面向合金層側(cè)的30nm內(nèi)的區(qū)域，幾乎不含鑭，而這是具有小于5％的鑭質(zhì)量含量而主要包括鋁的層。
圖5示出了在高溫下淀積的鑭鋁合金層的I-V特性。如從I-V特性所看到，已經(jīng)在±1V的低壓區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了高電阻。當(dāng)與圖2所示的在室溫下淀積的鑭鋁合金層的I-V特性相比較時(shí)，顯示出在用于n型GaN層的歐姆特性中，本實(shí)例在高溫下形成的鑭鋁合金膜給出了比實(shí)例1差的n型歐姆電極。當(dāng)在超過300℃的高溫下形成鑭鋁合金層時(shí)，顯著出現(xiàn)了顯示類似無整流特性的I-V特性。
(實(shí)例3)通過參考其中通過使用由鑭鋁合金形成的n型歐姆電極制造化合物半導(dǎo)體LED的情況更詳細(xì)的描述本發(fā)明。
圖6示出了本實(shí)例的LED 1A的截面示意圖。另外，圖7示出了LED1A的平面示意圖。
在(0001)-蘭寶石(Al2O3)襯底101上依次層疊Si摻雜的n型GaN層(載流子濃度＝6×1018cm-3，厚度＝4.2μm)102、具有包括銦(In)成分比互相不同的多疇(domain)或多相的多相結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵銦(Ga0.90In0.10N)發(fā)光層103、和未摻雜的p型磷化硼(BP)層(載流子濃度＝1×1019cm-3，厚度＝0.6μm)104，以構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)體1B。
接著，通過使用公知的光刻工藝對作為層疊結(jié)構(gòu)體1B的最外層的p型BP層104進(jìn)行構(gòu)圖，并通過使用氯氣(Cl2)的常規(guī)等離子體蝕刻方法處理為器件形狀。通過該處理，如圖6和7所示，除去了p型BP層104的部分區(qū)域。在通過等離子體蝕刻暴露的n型GaN層102的表面上，通過公知的真空氣相淀積技術(shù)連續(xù)淀積鑭鋁合金層105a和鋁層105b。此后，通過構(gòu)圖這些重疊的金屬層(105a和105b)，形成矩形n型歐姆電極105。在室溫下，在n型GaN層102上通過使用鑭鋁合金(LaAl2)作為氣相淀積源來形成鑭鋁合金層105a，并且鑭鋁合金層105a的厚度被設(shè)定為100nm。鋁層105b的厚度被設(shè)定為1.5μm。另一方面，在p型BP層的表面上，形成通過電子束氣相淀積方法淀積的由鈦(Ti)106a和金(Au)106b的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的p型歐姆電極106。這兩個(gè)歐姆電極105和106不經(jīng)過合金化。
對于如此制造的具有雙異質(zhì)(DH)結(jié)結(jié)構(gòu)的LED 1A，其中表面為(0001)晶體平面的n型GaN層102作為下覆層，而取向(111)晶體方向的p型(111)-BP層104作為上覆層，器件驅(qū)動(dòng)電流正向通過。當(dāng)在n型和p型歐姆電極105和106之間通過20mA的正向電流時(shí)，光發(fā)射中心波長為440nm。正向電壓為3.4V而具有10μA的反向電流的反向電壓為8.3V。
權(quán)利要求
1.一種與n型III族氮化物半導(dǎo)體一起使用的n型歐姆電極，所述n型歐姆電極與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接觸，其中所述n型歐姆電極層由鋁(原子符號(hào)Al)和鑭(原子符號(hào)La)的合金形成，或者包括鑭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的n型歐姆電極，其中在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述表面上，所述n型歐姆電極層中的所述鑭的含量為10質(zhì)量％或更多。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的n型歐姆電極，其中在離與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中，所述n型歐姆電極層中的所述鑭的含量小于10質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的n型歐姆電極，其中與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述表面相反的所述n型歐姆電極層的所述表面由鋁形成。
5.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，通過以下步驟制造在層疊結(jié)構(gòu)體上提供歐姆接觸電極，在所述層疊結(jié)構(gòu)體中在晶體襯底的一個(gè)表面上提供n型III族氮化物半導(dǎo)體層和p型化合物半導(dǎo)體層，并且發(fā)光層置于所述n型和p型化合物半導(dǎo)體層之間，其中與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述n型歐姆電極由鑭鋁合金層或鑭層形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述n型歐姆電極在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的所述側(cè)面包括鑭鋁合金層或鑭層，而在相反的側(cè)面包括鋁層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述n型歐姆電極包括鑭鋁合金層，所述鑭鋁合金層在與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
8.一種用于形成n型歐姆電極的方法，包括通過使用鑭鋁合金(組成分子式LaAl2)作為原始材料形成構(gòu)成所述n型歐姆電極的鑭鋁合金層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的用于形成n型歐姆電極的方法，其中提供所述鑭鋁合金層以將它與n型III族氮化物半導(dǎo)體層的表面接合，同時(shí)將所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置在300℃或更低溫度下，從而通過鑭鋁合金層形成n型歐姆電極，所述鑭鋁合金層在所述結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
10.一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，包括在層疊結(jié)構(gòu)體上提供歐姆接觸電極，在所述層疊結(jié)構(gòu)體中在晶體襯底的一個(gè)表面上提供n型III族氮化物半導(dǎo)體層和p型化合物半導(dǎo)體層，并且發(fā)光層置于所述n型和p型化合物半導(dǎo)體層之間，其中通過使用鑭鋁合金(組成分子式LaAl2)作為原始材料形成構(gòu)成與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層接觸的n型歐姆電極的所述鑭鋁合金層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中提供所述鑭鋁合金層以將它與所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層的所述表面接合，同時(shí)將所述n型III族氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置在300℃或更低溫度下，從而通過鑭鋁合金層形成n型歐姆電極，所述鑭鋁合金層在所述結(jié)界面處具有10質(zhì)量％或更多的鑭含量而在離所述結(jié)界面30nm或更遠(yuǎn)距離的區(qū)域中具有小于10質(zhì)量％的鑭含量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適于n型III族氮化物半導(dǎo)體的n型歐姆電極的結(jié)構(gòu)，及其用于提供低的接觸電阻率的形成方法。提供的n型歐姆電極在與n型III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)界面處包括鋁和鑭的合金或包括鑭。所述方法包括在300℃或更低溫度下形成鑭鋁合金層，以在所述結(jié)界面處形成富鑭的n型歐姆電極。
文檔編號(hào)H01L21/285GK1802728SQ20048001569
公開日2006年7月12日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月16日
發(fā)明者宇田川隆 申請人:昭和電工株式會(huì)社