專利名稱：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在電子設(shè)備中采用的III族氮化物半導(dǎo)體元件，包括發(fā)光器件如發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)，光接收器件如光學(xué)傳感器，以及晶體管。更具體的說，本發(fā)明涉及用于制造發(fā)射紫外光(即具有380nm或更小波長的光)的發(fā)光器件的III族氮化物半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
GaN(氮化鎵)化合物半導(dǎo)體已經(jīng)用于例如藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)。通常，通過利用有機(jī)金屬化合物作為III族元素源和氨(NH3)作為V族元素源的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，在由藍(lán)寶石(即晶格失配材料)形成的襯底上生長GaN化合物半導(dǎo)體。然而，在GaN半導(dǎo)體層直接在藍(lán)寶石襯底上形成的情況下，不能獲得高發(fā)射強(qiáng)度的藍(lán)光，因?yàn)镚aN半導(dǎo)體層呈現(xiàn)非常差的結(jié)晶性和表面形貌。為了解決在該晶格失配半導(dǎo)體生長中存在的問題，已經(jīng)提出了在藍(lán)寶石襯底和GaN半導(dǎo)體層之間在約400℃的低溫下生長AlN緩沖層的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，在緩沖層上生長的GaN半導(dǎo)體層的結(jié)晶性和表面形貌得到改善(日本專利申請公開號2-229476)。同時(shí)，試圖開發(fā)一種不采用上述低溫緩沖層生長技術(shù)的技術(shù)(國際公開號02/17369)。
然而，即使當(dāng)GaN半導(dǎo)體層通過該技術(shù)形成時(shí)，半導(dǎo)體層呈現(xiàn)108至1010cm-2的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)被認(rèn)為是作為非輻射復(fù)合的中心。具體地，在發(fā)射短波長光(波長在380nm或更小)的紫外LED的情況下，位錯(cuò)極大地影響了發(fā)射效率，因此，必須減小位錯(cuò)密度。在紫外LED中，從發(fā)光層發(fā)射能量近似等于GaN的帶隙(3.4eV)的光，并從而在發(fā)光層下面的GaN半導(dǎo)體層吸收大量的發(fā)射光；即GaN半導(dǎo)體層呈現(xiàn)光吸收效應(yīng)。抑制該光吸收需要用于層疊具有較大帶隙的氮化鋁鎵(AlGaN)半導(dǎo)體厚層的技術(shù)。
在AlGaN半導(dǎo)體層的情況下，與在例如藍(lán)色LED中通常采用的GaN半導(dǎo)體層的情況相比，在生長高質(zhì)量的晶體時(shí)遇到困難。因此，AlGaN半導(dǎo)體層的結(jié)晶性低于GaN半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。當(dāng)在襯底上形成含Al的III族氮化物半導(dǎo)體底層時(shí)，由于在襯底和底層之間晶格常數(shù)的不同產(chǎn)生失配位錯(cuò)，以及這樣產(chǎn)生的失配位錯(cuò)線穿過底層并到達(dá)其表面。因此，在襯底上形成的III族氮化物半導(dǎo)體底層上提供的III族氮化物半導(dǎo)體層中產(chǎn)生由于失配位錯(cuò)導(dǎo)致的高密度位錯(cuò)。為了抑制在含Al的III族氮化物半導(dǎo)體底層(如AlGaN半導(dǎo)體層)中產(chǎn)生這樣的失配位錯(cuò)，通常，通過上述低溫緩沖層生長技術(shù)在襯底與III族氮化物半導(dǎo)體層之間形成低溫緩沖層，從而減小由上述晶格常數(shù)不同引起的效應(yīng)(例如日本專利申請公開號6-196757)。
然而，即使在提供這樣的低溫緩沖層的情況下，構(gòu)成半導(dǎo)體元件的所得的含Al的III族氮化物半導(dǎo)體底層呈現(xiàn)高位錯(cuò)密度(約1010cm-2)；即，低結(jié)晶性。因此，當(dāng)由半導(dǎo)體元件制造半導(dǎo)體發(fā)光器件(即紫外LED)時(shí)，所得的半導(dǎo)體發(fā)光器件呈現(xiàn)低發(fā)射效率；即器件不能獲得預(yù)期的特性。
根據(jù)上述情況，提出了一種技術(shù)，其中在高溫下在藍(lán)寶石襯底頂部通過低溫緩沖層形成厚GaN層(厚度約8μm)，并且在GaN層上生長AlGaN層(Ito等人“PREPARATION OF AlxGa1-xN/GaNHETEROSTRUCTURE BY MOVPE”，J.Cryst.Growth，104(1990)，533-538)。與該技術(shù)相關(guān)，提出了一種技術(shù)，其中在生長AlGaN層之后通過拋光除去厚GaN層和藍(lán)寶石襯底，從而形成無GaN的AlGaN層(Morita等人“High Output Power 365nm Ultraviolet Light-EmittingDiode of GaN-free Structure”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)，1434-1436)。
然而，在厚GaN層上生長AlGaN層的情況下，因?yàn)镚aN的晶格常數(shù)不同于AlGaN，一旦超過彈性限度，在AlGaN層中產(chǎn)生裂縫。因此，在生長高質(zhì)量的無裂縫晶體時(shí)遇到困難。特別地當(dāng)AlGaN層中AlN的摩爾分?jǐn)?shù)或AlGaN層的厚度增加時(shí)，這樣的裂縫將變得相當(dāng)大。當(dāng)由這樣形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造LED時(shí)，厚GaN層的光吸收效應(yīng)將產(chǎn)生問題。同時(shí)，在生長AlGaN層后除去厚GaN層和藍(lán)寶石襯底導(dǎo)致非常差的生產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種III族氮化物半導(dǎo)體元件，其包括呈現(xiàn)高結(jié)晶性和沒有裂縫的厚AlGaN層，并且不包括厚GaN層(其通常作為在紫外LED中的光吸收層)。
本發(fā)明提供了如下方案。
(1)一種III族氮化物半導(dǎo)體元件，包括襯底；在所述襯底上提供的由AlN構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上提供的由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.1)構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層；以及在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上提供的由Alx2Ga1-x2N(0＜x2＜1并且x1+0.02≤x2)構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層。
(2)根據(jù)上述(1)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述襯底選自藍(lán)寶石單晶體、Si單晶體、SiC單晶體、AlN單晶體和GaN單晶體。
(3)根據(jù)上述(1)或(2)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由，其中排列不同高度的晶體以使其相互分離的島狀結(jié)構(gòu)形成。
(4)根據(jù)上述(1)至(3)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層包括低Al含量區(qū)域和高Al含量區(qū)域。
(5)根據(jù)上述(1)至(4)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.05)構(gòu)成。
(6)根據(jù)上述(5)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.02)構(gòu)成。
(7)根據(jù)上述(1)至(6)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至500nm。
(8)根據(jù)上述(7)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至400nm。
(9)根據(jù)上述(8)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至300nm。
(10)根據(jù)上述(1)至(9)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由未摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成。
(11)一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括根據(jù)上述(1)至(10)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件；在所述半導(dǎo)體元件的所述第三氮化物半導(dǎo)體層上提供的第四氮化物半導(dǎo)體層，所述第四氮化物半導(dǎo)體層包括n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層、發(fā)光層和p型層以這種順序在所述第三氮化物半導(dǎo)體層上依次形成；在所述n型層上提供的負(fù)電極；以及在所述p型層上提供的正電極。
(12)一種發(fā)光二極管，包括根據(jù)上述(11)的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
(13)一種激光二極管，包括根據(jù)上述(11)的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
(14)一種半導(dǎo)體器件，包括根據(jù)上述(1)至(10)中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件。
根據(jù)本發(fā)明，獲得了一種半導(dǎo)體元件，其包括具有低位錯(cuò)密度和沒有裂縫的厚AlGaN層，并且不包括厚GaN層。因?yàn)樗霭雽?dǎo)體元件不包括厚GaN層，當(dāng)由所述半導(dǎo)體元件制造紫外發(fā)光器件時(shí)，可以抑制光吸收，并提高了發(fā)射強(qiáng)度。
所述半導(dǎo)體元件在生長AlGaN層之后不需要任何處理，從而可以高生產(chǎn)率制造所述元件。


圖1是示出本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件的實(shí)例的截面示意圖；圖2是示出采用本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件的實(shí)例的截面示意圖；圖3是示出實(shí)例1中制造的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的截面示意圖；圖4是示出在實(shí)例1中制造的III族氮化物半導(dǎo)體器件的不同區(qū)域中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)的曲線圖；圖5是示出在比較實(shí)例中制造的III族氮化物半導(dǎo)體器件的不同區(qū)域中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)的曲線圖；以及圖6是示出在實(shí)例1的III族氮化物半導(dǎo)體器件中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)和在比較實(shí)例的III族氮化物半導(dǎo)體器件中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)之間的比較圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是示出本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件的實(shí)例的示意性表示。在圖1中，參考標(biāo)號10表示襯底，1表示由AlN構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層，2表示由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.1)構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層，以及3表示由Alx2Ga1-x2N(0＜x2＜1并且x1+0.02≤x2)構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層。襯底和半導(dǎo)體層構(gòu)成本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件。當(dāng)由該III族氮化物半導(dǎo)體元件制造半導(dǎo)體器件時(shí)，在第三氮化物半導(dǎo)體層上提供第四氮化物半導(dǎo)體層4，其結(jié)構(gòu)根據(jù)器件的預(yù)期應(yīng)用適當(dāng)?shù)卮_定。
對用于生長這些III族氮化物半導(dǎo)體層的方法沒有特別的限制，并且可以采用任何已知的方法用于生長III族氮化物半導(dǎo)體，例如MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)、HVPE(氫化物氣相外延)、或者M(jìn)BE(分子束外延)。從層厚度可控性和大規(guī)模生產(chǎn)率的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選采用MOCVD。在通過MOCVD方法生長III族氮化物半導(dǎo)體層的情況下，采用氫(H2)或氮(N2)作為載氣，采用三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)作為Ga(III族元素)源，采用三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)作為Al(III族元素)源，采用三甲基銦(TMI)或三乙基銦(TEI)作為In(III族元素)源，以及采用氨(NH3)、聯(lián)氨(N2H4)等作為N(V族元素)源。另外，采用作為Si源的甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，或作為Ge源的鍺烷(GeH4)作為n型摻雜劑，而采用作為Mg源的雙(環(huán)戊二烯基)鎂(Cp2Mg)或雙(乙基環(huán)戊二烯基)鎂(EtCp2Mg)作為p型摻雜劑。
對襯底的材料沒有特別的限制，襯底可以由任何已知的材料形成。已知材料的例子包括氧化物單晶體如藍(lán)寶石單晶體(Al2O3；A-平面、C-平面、M-平面或R-平面)、尖晶石單晶體(MgAl2O4)、ZnO單晶體、LiAlO2單晶體、LiGaO2單晶體和MgO單晶體；Si單晶體；SiC單晶體；GaAs單晶體；AlN單晶體；GaN單晶體；以及硼化物單晶體如ZrB2單晶體。在這些材料中，優(yōu)選藍(lán)寶石單晶體、Si單晶體、SiC單晶體、AlN單晶體以及GaN單晶體。對襯底的晶體取向沒有特別的限制。襯底可以是軸向襯底或具有偏離角度的襯底。
在襯底上提供由AlN構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層，作為緩沖層。第一氮化物半導(dǎo)體層的厚度優(yōu)選0.001至1μm，更優(yōu)選0.005至0.5μm，特別優(yōu)選0.01至0.2μm。當(dāng)?shù)谝坏锇雽?dǎo)體層的厚度在以上范圍內(nèi)時(shí)，在第一氮化物半導(dǎo)體層頂上將要生長的氮化物半導(dǎo)體層(包括第二氮化物半導(dǎo)體層)呈現(xiàn)優(yōu)良的晶體形貌和改善的結(jié)晶性。
可以通過使用作為Al源的TMA和作為N源的NH3的MOCVD，形成第一氮化物半導(dǎo)體層。層生長溫度優(yōu)選400至1,200℃，更優(yōu)選900至1,200℃。當(dāng)層生長溫度在以上范圍內(nèi)時(shí)，如此生長的第一氮化物半導(dǎo)體層由AlN單晶體構(gòu)成，并且將要在其上生長的氮化物半導(dǎo)體層呈現(xiàn)高結(jié)晶性，這是優(yōu)選的。供給到MOCVD生長爐中的H2(作為載氣)、NH3和TMA的量分別控制在15至30l/分鐘、0.5至2l/分鐘和40至100μmol/分鐘。MOCVD生長爐中的壓強(qiáng)控制在15至30kPa。
當(dāng)襯底由AlN單晶體構(gòu)成時(shí)，AlN襯底也作為第一氮化物半導(dǎo)體層。
需要第二氮化物半導(dǎo)體層以降低AlGaN晶體的位錯(cuò)密度，該AlGaN晶體構(gòu)成在第二氮化物半導(dǎo)體層上將要生長的第三氮化物半導(dǎo)體層。
在AlGaN晶體生長的情況下，與GaN晶體生長的情況相比，因?yàn)锳l和NH3之間的反應(yīng)高，更趨于形成小晶粒(柱狀晶粒)，并且Al的遷移趨于不發(fā)生。因此所得AlGaN晶體的位錯(cuò)密度趨于增高。在通過MOCVD形成GaN層的情況下，雖然需要的層厚度依賴于GaN的生長條件改變，層的厚度必須控制在1至2μm以獲得表面平面化(連續(xù)層結(jié)構(gòu))。在GaN晶體生長的初始階段中，GaN晶體形成相互分離的島狀結(jié)構(gòu)，而不是形成連續(xù)層。其后，隨著島狀結(jié)構(gòu)的厚度增加，水平晶體生長進(jìn)行，并且島狀結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而形成平面連續(xù)層(在下文中，水平晶體生長占優(yōu)勢的這種生長模式稱為“GaN生長模式”)。比較而言，在AlGaN晶體生長的情況下，與GaN晶體生長的情況相比，迅速獲得表面平面化；即，在晶體生長的初始階段中獲得表面平面化(在下文中，垂直晶體生長占優(yōu)勢的這種生長模式稱為“AlGaN生長模式”)。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過GaN生長模式和AlGaN生長模式之間的不同引起AlGaN晶體的位錯(cuò)密度增加。對于AlGaN晶體，其生長是垂直生長模式占優(yōu)勢，位錯(cuò)容易產(chǎn)生。比較而言，對于GaN晶體，其生長是水平生長模式占優(yōu)勢，與AlGaN晶體的情況相比，抑制位錯(cuò)產(chǎn)生。
通過提供第二氮化物半導(dǎo)體層，構(gòu)成第三氮化物半導(dǎo)體層的AlGaN晶體的初始生長是GaN生長模式占優(yōu)勢，從而，所得晶體的位錯(cuò)密度減小，并且其結(jié)晶性增加。也就是說，減小AlGaN晶體的位錯(cuò)密度的臨界點(diǎn)是，AlGaN晶體的初始生長是GaN生長模式占優(yōu)勢。在沒有提供第二氮化物半導(dǎo)體層的情況下，構(gòu)成第三氮化物半導(dǎo)體層的AlGaN晶體的初始生長是AlGaN生長模式占優(yōu)勢，因此所得晶體的位錯(cuò)密度增加，并且其結(jié)晶性降低。
為了通過GaN生長模式獲得AlGaN晶體(構(gòu)成第三氮化物半導(dǎo)體層)的初始生長，在構(gòu)成第二氮化物半導(dǎo)體層的Alx1Ga1-x1N晶體中，x1優(yōu)選在0≤x1≤0.1范圍內(nèi)，更優(yōu)選0≤x1≤0.05，特別優(yōu)選0≤x1≤0.02。當(dāng)x1大于0.1時(shí)，第三氮化物半導(dǎo)體層的生長是AlGaN生長模式占優(yōu)勢，并從而不能減小第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度。當(dāng)?shù)诙锇雽?dǎo)體層的結(jié)構(gòu)類似于GaN的結(jié)構(gòu)時(shí)，所得第三氮化物半導(dǎo)體層趨于呈現(xiàn)高結(jié)晶性。
為了通過GaN生長模式獲得AlGaN晶體(構(gòu)成第三氮化物半導(dǎo)體層)的初始生長，優(yōu)選地，第二氮化物半導(dǎo)體層不是由平面連續(xù)層形成，而是由其中排列不同高度的晶體以使其相互分離的島狀結(jié)構(gòu)形成。
圖4的曲線圖示出了在實(shí)例1中制造的構(gòu)成III族氮化物半導(dǎo)體元件的第二和第三氮化物半導(dǎo)體層的不同區(qū)域中包括的Al成分比例的分析結(jié)果，其中相對于與第一氮化物半導(dǎo)體層的距離繪制Al成分比例的數(shù)據(jù)。例如，在區(qū)域1中，Al含量在距離第一氮化物半導(dǎo)體層約220nm的位置增加，但是在區(qū)域2中，Al含量在距離第一氮化物半導(dǎo)體層約70nm的位置增加。然而，在區(qū)域4中，沒有觀察到Al含量的減小。因此，具有低Al含量的AlGaN晶體，其構(gòu)成第二氮化物半導(dǎo)體層，在區(qū)域4中不存在。比較而言，在區(qū)域1中，第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度約為220nm，但是在區(qū)域2中，第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度約為70nm。第二氮化物半導(dǎo)體層優(yōu)選具有這樣的島狀結(jié)構(gòu)。
第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度優(yōu)選1至500nm，更優(yōu)選1至400nm，尤其優(yōu)選1至300nm。當(dāng)厚度小于1nm時(shí)，第二氮化物半導(dǎo)體層不能呈現(xiàn)降低第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度的效應(yīng)。比較而言，當(dāng)厚度超過500nm時(shí)，在第三氮化物半導(dǎo)體層中可能發(fā)生裂縫，或者由所得半導(dǎo)體元件制造的紫外LED可能出現(xiàn)光吸收問題。
如上所述，優(yōu)選地，第二氮化物半導(dǎo)體層不是由平面連續(xù)層形成，而是由其中排列不同高度的晶體以使其相互分離的島狀結(jié)構(gòu)形成。如在這里使用，第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度由包括最大高度晶體的區(qū)域的厚度限定。根據(jù)該限定，第二氮化物半導(dǎo)體層包括高Al含量區(qū)域和低Al含量區(qū)域。因此，構(gòu)成第二氮化物半導(dǎo)體層的AlGaN的成分表示為在層的不同區(qū)域中包括的AlGaN晶體的平均成分。
第二氮化物半導(dǎo)體層的生長溫度優(yōu)選控制在800至1,200℃，更優(yōu)選1000至1,200℃。當(dāng)?shù)诙锇雽?dǎo)體層在上述溫度范圍內(nèi)生長時(shí)，在其上將要生長的第三氮化物半導(dǎo)體層呈現(xiàn)高結(jié)晶性。H2(作為載氣)、NH3、TMG和TMA分別以10至20l/分鐘、2至4l/分鐘、20至100μmol/分鐘以及0至30μmol/分鐘的量供給到MOCVD生長爐中。MOCVD生長爐中的壓強(qiáng)控制在15至40kPa。
在構(gòu)成第三氮化物半導(dǎo)體層的Alx2Ga1-x2N中，x2優(yōu)選在0＜x2＜1范圍內(nèi)，更優(yōu)選0.02≤x2≤0.5，特別優(yōu)選0.02≤x2≤0.1。當(dāng)x2在以上范圍內(nèi)時(shí)，第三氮化物半導(dǎo)體層呈現(xiàn)高結(jié)晶性和低位錯(cuò)密度。除上述條件之外，在第二和第三氮化物半導(dǎo)體層中，x1和x2；即Al的成分比例優(yōu)選滿足如下關(guān)系x1+0.02≤x2，以及優(yōu)選地，第三氮化物半導(dǎo)體層的Al含量高于第二氮化物半導(dǎo)體層。當(dāng)?shù)诙锇雽?dǎo)體層的Al含量控制為低于第三氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，可以降低第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度。
對第三氮化物半導(dǎo)體層的厚度沒有特別的限制，但厚度優(yōu)選0.1至20μm，更優(yōu)選1至10μm。當(dāng)厚度控制在1μm或更大時(shí)，所得AlGaN層趨于呈現(xiàn)高結(jié)晶性。
可以用Si(即，n型雜質(zhì))摻雜第三氮化物半導(dǎo)體層，只要Si的含量在1×1017至1×1019/cm3的范圍內(nèi)。然而，從維持高結(jié)晶性的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選第三氮化物半導(dǎo)體層不摻雜(即雜質(zhì)含量低于1×1017/cm3)。對n型雜質(zhì)沒有特別的限制，例如可以采用Si或Ge，優(yōu)選采用Si。
第三氮化物半導(dǎo)體層的生長溫度優(yōu)選控制在800至1,200℃，更優(yōu)選1000至1,200℃。當(dāng)?shù)谌锇雽?dǎo)體層在以上溫度范圍內(nèi)生長時(shí)，該層呈現(xiàn)高結(jié)晶性。H2(作為載氣)、NH3、TMG和TMA分別地以10至25l/分鐘、2至5l/分鐘、100至250μmol/分鐘和5至100μmol/分鐘的量供給到MOCVD生長爐中。MOCVD生長爐中的壓強(qiáng)控制在15至40kPa。
除Al和Ga之外，第一至第三氮化物半導(dǎo)體層還包括III族元素例如In。如果希望，這些層可以包括元素例如Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As、或B。在一些情況下，除有意添加的元素之外，這些層還包括由例如層生長條件引起的不可避免的雜質(zhì)，以及在原始材料或反應(yīng)管材料中含有的微量雜質(zhì)。
第四氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)根據(jù)所得半導(dǎo)體器件的期望應(yīng)用適當(dāng)?shù)卮_定。下面將描述半導(dǎo)體器件是紫外發(fā)光器件的情況。圖2是示出半導(dǎo)體器件的實(shí)例的示意圖。第四氮化物半導(dǎo)體層4包括n型接觸層5、n型覆層6、發(fā)光層7、p型覆層8、以及p型接觸層9。
n型接觸層5是由AlaGa1-aN(0＜a＜1，優(yōu)選0＜a＜0.5，更優(yōu)選0.01＜a＜0.1)構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體層。當(dāng)Al的成分比例在以上范圍內(nèi)時(shí)，可以抑制光吸收，并且可以獲得高結(jié)晶性和良好歐姆接觸。接觸層的n型摻雜劑含量是1×1017至1×1019/cm3，優(yōu)選1×1018至1×1019/cm3。當(dāng)n型摻雜劑的含量在以上范圍時(shí)，可以維持良好歐姆接觸，可以抑制裂縫的發(fā)生，以及可以維持高結(jié)晶性。對n型接觸層的厚度沒有特別的限制，但是厚度優(yōu)選0.1至10μm，更優(yōu)選1至5μm。當(dāng)厚度在以上范圍時(shí)，可以維持高結(jié)晶性，并且可以降低半導(dǎo)體器件的工作電壓。
對n型覆層6的成分沒有特別的限制，只要覆層的帶隙能量大于發(fā)光層，并且覆層能夠限制發(fā)光層中的載流子。從限制發(fā)光層中的載流子的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選由AlbGa1-bN(0＜b＜0.4，優(yōu)選0.1＜b＜0.2)構(gòu)成n型覆層。對n型覆層的厚度沒有特別的限制，但厚度優(yōu)選0.01至0.4μm，更優(yōu)選0.01至0.1μm。n型覆層的n型摻雜劑含量優(yōu)選1×1017至1×1020/cm3，更優(yōu)選1×1018至1×1019/cm3。當(dāng)n型摻雜劑含量在以上范圍時(shí)，可以維持高結(jié)晶性，并且可以降低半導(dǎo)體器件的工作電壓。
發(fā)光層7由發(fā)射峰值波長為390nm或更小(優(yōu)選380nm或更小)的光的氮化物半導(dǎo)體層形成。優(yōu)選地，由Ga1-sInsN(0＜s＜0.1)層構(gòu)成發(fā)光層。對發(fā)光層的厚度沒有特別的限制，只要可以獲得量子效應(yīng)。厚度優(yōu)選1至10nm，更優(yōu)選2至6nm。當(dāng)厚度在以上范圍時(shí)，可以獲得高發(fā)射輸出。發(fā)光層可以具有，代替上述單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)，包括Ga1-sInsN層(作為阱層)和AlcGa1-cN(0≤c＜0.3并且b＞c)勢壘層的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，勢壘層的帶隙能量大于阱層。阱層或勢壘層可以用雜質(zhì)摻雜。
從獲得高結(jié)晶性的觀點(diǎn)來看，AlcGa1-cN勢壘層的生長溫度優(yōu)選800℃或更高，更優(yōu)選900至1,200℃。在600至900℃，優(yōu)選在800至900℃下生長GaInN阱層。為獲得MQW結(jié)構(gòu)的高結(jié)晶性，優(yōu)選地，阱層和勢壘層在不同溫度下生長。
對p型覆層8的成分沒有特別的限制，只要覆層的帶隙能量大于發(fā)光層，并且覆層能夠限制發(fā)光層中的載流子。從限制發(fā)光層中的載流子的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選由AldGa1-dN(0＜d≤0.4，優(yōu)選0.1≤d≤0.3)構(gòu)成p型覆層。對p型覆層的厚度沒有特別的限制，但厚度優(yōu)選0.01至0.4μm，更優(yōu)選0.02至0.1μm。p型覆層的p型摻雜劑含量優(yōu)選1×1018至1×1021/cm3，更優(yōu)選1×1019至1×1020/cm3。當(dāng)p型摻雜劑的含量在以上范圍時(shí)，生長優(yōu)良的p型晶體而不降低結(jié)晶性。
p型接觸層9是至少包括AleGa1-eN(0≤e＜0.5，優(yōu)選0≤e＜0.1，更優(yōu)選0≤e＜0.05)的氮化物半導(dǎo)體層。當(dāng)Al的成分比例在以上范圍內(nèi)時(shí)，可以維持高結(jié)晶性，并且可以獲得良好的歐姆接觸。接觸層的p型摻雜劑含量是1×1018至1×1021/cm3，優(yōu)選5×1019至5×1020/cm3。當(dāng)p型摻雜劑含量在以上范圍內(nèi)時(shí)，可以維持良好的歐姆接觸，可以阻止裂縫的發(fā)生，并且可以維持高結(jié)晶性。對p型摻雜劑沒有特別的限制，但優(yōu)選p型摻雜劑是例如Mg。對p型接觸層的厚度沒有特別的限制，但厚度優(yōu)選0.01至0.5μm，更優(yōu)選0.05至0.2μm。當(dāng)厚度在以上范圍時(shí)，可以獲得高發(fā)射輸出。
通過本領(lǐng)域公知的常規(guī)技術(shù)，在n型接觸層5和p型接觸層9上分別提供負(fù)電極和正電極，從而制造發(fā)射紫外光的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
實(shí)例下面將通過實(shí)例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其不應(yīng)該被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在實(shí)例中采用的分析技術(shù)如下。
通過在透射電子顯微鏡(TEM)下的觀察確定位錯(cuò)密度。
通過X射線衍射確定氮化物半導(dǎo)體層的成分。通過如下步驟確定在曲線圖4至6中的每一個(gè)的縱軸上示出的在氮化物半導(dǎo)體層中包括的Al的成分比例獲得在通過EDX(能量色散X射線光譜)測量的厚AlGaN層的EDX強(qiáng)度比率和通過X射線衍射測量的AlGaN層中包括的Al的成分比例之間的關(guān)系；通過利用所述關(guān)系，由在半導(dǎo)體層的各區(qū)域測量的EDX強(qiáng)度比率，計(jì)算氮化物半導(dǎo)體層的不同區(qū)域中包括的Al的成分比例。
通過在透射電子顯微鏡下的放大觀察確定層厚度。
(實(shí)例1)圖3是示出本實(shí)例中制造的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。通過公知的MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底10上依次形成半導(dǎo)體層，制造圖3示出的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。襯底10是具有0.2°偏離角度的C平面藍(lán)寶石襯底。藍(lán)寶石襯底置于MOCVD生長爐的反應(yīng)器中，并且在1,000℃的氫氣氛圍中維持10分鐘，從而清潔藍(lán)寶石襯底。
然后，將基座的溫度增加至1,180℃，并且將TMA(作為Al源)和NH3(作為N源)供給到生長爐中，從而生長由AlN形成的第一氮化物半導(dǎo)體層1。具體地，將H2(作為載氣)(22l/分鐘)、NH3(0.5l/分鐘)以及TMA(80μmol/分鐘)供給到MOCVD生長爐中，并且生長爐中的壓強(qiáng)控制在15kPa，從而形成厚度約為30nm的AlN層。提供AlN層以減輕襯底和在AlN層上將要形成的氮化物半導(dǎo)體層之間的晶格失配。
在生長第一氮化物半導(dǎo)體層之后，基座的溫度維持在1,150℃，并且將TMG和NH3供給到生長爐中，從而形成GaN層。具體地，將H2(作為載氣)(15l/分鐘)、NH3(2l/分鐘)以及TMG(50μmol/分鐘)供給到MOCVD生長爐中，并且生長爐中的壓強(qiáng)控制在15kPa，從而形成第二氮化物半導(dǎo)體層2?；谏鲜鱿薅?，該層的厚度確定至約220nm(如圖4所示)。第二氮化物半導(dǎo)體層的平均成分發(fā)現(xiàn)是Al0.018Ga0.982N。
在形成第二氮化物半導(dǎo)體層之后，將基座的溫度維持在1,150℃，并且暫時(shí)停止TMG的供給。然后，將TMG和TMA供給到生長爐中，從而生長由未摻雜Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層3(厚度約3μm)。具體地，將H2(作為載氣)(15l/分鐘)、NH3(2l/分鐘)、TMG(150μmol/分鐘)以及TMA(20μmol/分鐘)供給到MOCVD生長爐中，并且生長爐中的壓強(qiáng)控制在15kPa。
在生長第三氮化物半導(dǎo)體層之后，在1,180℃的溫度下，由TMG、TMA和作為摻雜劑氣體的硅烷(SiH4)氣體生長由Si(7×1018/cm3)摻雜的Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的n型接觸層5(厚度1.5μm)。具體地，將H2(作為載氣)(15l/分鐘)、NH3(2l/分鐘)、TMG(150μmol/分鐘)以及TMA(20μmol/分鐘)供給到MOCVD生長爐中，并且生長爐中的壓強(qiáng)控制在15kPa。
在生長n型接觸層之后，在1,180℃的溫度下，由TMG、TMA、NH3和SiH4作為原始材料氣體生長由Si(5×1018/cm3摻雜的n型Al0.15Ga0.85N構(gòu)成的n型覆層6(厚度50nm)。n型覆層作為載流子限制層。
然后，通過使用N2作為載氣，由TMG、TMI和SiH4作為原始材料氣體生長發(fā)光層7。首先，在1,000℃的溫度下，生長由Si(5×1017/cm3)摻雜的Al0.1Ga0.9N構(gòu)成的勢壘層(厚度15nm)，并且隨后，在800℃的溫度下生長由未摻雜Ga0.05In0.95N構(gòu)成的阱層(厚度5nm)。進(jìn)行這種步驟5次，并且最后在所得疊層上形成勢壘層，從而制造MQW結(jié)構(gòu)。當(dāng)勢壘層摻雜有n型雜質(zhì)時(shí)，發(fā)射輸出趨于增加。在發(fā)光層的最外層(即勢壘層)上，在1,000℃下生長由未摻雜Al0.1Ga0.9N構(gòu)成的蓋層(厚度13nm)。
隨后，在1,100℃下生長由Mg(1×1020/cm3)摻雜的p型Al0.25Ga0.75N構(gòu)成的p型覆層8(厚度50nm)。類似于n型的覆層的情況，p型覆層作為載流子限制層。最后，在1,100℃下，在p型覆層上生長由Mg(5×1019/cm3)摻雜的p型GaN構(gòu)成的p型接觸層9(厚度0.1μm)。
第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度確定為9×108/cm2；即第三氮化物半導(dǎo)體層呈現(xiàn)高結(jié)晶性。在不同區(qū)域測量在第二和第三氮化物半導(dǎo)體層中包括的Al的成分比例。結(jié)果如圖4所示。如上所述，在第二氮化物半導(dǎo)體層中包括的Al的成分比例在區(qū)域與區(qū)域之間相互不同，并且第二氮化物半導(dǎo)體層不是由平面連續(xù)層形成，而是由其中排列不同高度的晶體以使其相互分離的島狀結(jié)構(gòu)形成。也就是說，第二氮化物半導(dǎo)體層的Al含量在區(qū)域與區(qū)域之間不同。發(fā)現(xiàn)第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度在這樣的區(qū)域低，所述區(qū)域?qū)?yīng)于在第一和第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處存在的低Al含量區(qū)域，然而，發(fā)現(xiàn)第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度在這樣的區(qū)域高，所述區(qū)域?qū)?yīng)于在第一和第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處存在的高Al含量區(qū)域。
通過本領(lǐng)域公知的常規(guī)技術(shù)，在n型接觸層和p型接觸層上分別提供負(fù)電極20和正電極30，從而制造III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。當(dāng)對光發(fā)射器件施加20mA的正向電流時(shí)，器件呈現(xiàn)3.1mW的發(fā)射輸出，并且發(fā)射具有375nm的峰值波長的光。
(實(shí)例2)在本實(shí)例中，采用低溫AlN緩沖層作為第一氮化物半導(dǎo)體層1。基座的溫度控制在500℃，并且將TMA和NH3供給到MOCVD生長爐中，從而形成AlN緩沖層。具體地，將H2(作為載氣)(22l/分鐘)、NH3(0.5l/分鐘)、以及TMA(80μmol/分鐘)供給到MOCVD生長爐中，并且生長爐中的壓強(qiáng)控制在15kPa，從而形成厚度為約30nm的AlN緩沖層。除了采用這樣形成的AlN緩沖層作為第一氮化物半導(dǎo)體層1外，重復(fù)實(shí)例1中的步驟，從而制造發(fā)光二極管器件。所得的發(fā)光二極管器件呈現(xiàn)與實(shí)例1中的那些發(fā)光二極管器件可比的特性。
(比較實(shí)例)除了不形成第二氮化物半導(dǎo)體層2外，重復(fù)實(shí)例1的步驟，從而制造發(fā)光二極管器件。當(dāng)對發(fā)光二極管器件施加20mA的電流時(shí)，器件呈現(xiàn)0.3mW的發(fā)射輸出，并且發(fā)射具有375nm的峰值波長的光。
第三氮化物半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度確定為5×109/cm2；即第三氮化物半導(dǎo)體層呈現(xiàn)低結(jié)晶性。以類似于實(shí)例1的方式，在不同區(qū)域測量第二和第三氮化物半導(dǎo)體層中包括的Al的成分比例。結(jié)果如圖5所示。從圖5清楚地看到，低Al含量的第二氮化物半導(dǎo)體層不存在，高Al含量的第三氮化物半導(dǎo)體層直接與第一氮化物半導(dǎo)體層接觸。
圖6是示出在實(shí)例1的器件的第二和第三氮化物半導(dǎo)體層中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)和在比較實(shí)例的器件的第三氮化物半導(dǎo)體層中測量的Al成分比例的數(shù)據(jù)之間的比較圖，其中相對于與第一氮化物半導(dǎo)體層的距離繪制Al成分比例的數(shù)據(jù)。臨界點(diǎn)是低Al含量區(qū)域與第一氮化物半導(dǎo)體層接觸。
工業(yè)適用性當(dāng)在電子器件例如發(fā)光器件(例如發(fā)光二極管或激光二極管)、光接收器件(例如光學(xué)傳感器)或晶體管中采用本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件時(shí)，所得的器件可以獲得非常高的效率。因此，該III族氮化物半導(dǎo)體元件具有非常高的工業(yè)利用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物半導(dǎo)體元件，包括襯底；在所述襯底上提供的由AlN構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上提供的由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.1)構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層；以及在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上提供的由Alx2Ga1-x2N(0＜x2＜1并且x1+0.02≤x2)構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述襯底選自藍(lán)寶石單晶體、Si單晶體、SiC單晶體、AlN單晶體和GaN單晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由其中排列不同高度的晶體以使其相互分離的島狀結(jié)構(gòu)形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層包括低Al含量區(qū)域和高Al含量區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.05)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤0.02)構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至500nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至400nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為1至300nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層由未摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成。
11.一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件；在所述半導(dǎo)體元件的所述第三氮化物半導(dǎo)體層上提供的第四氮化物半導(dǎo)體層，所述第四氮化物半導(dǎo)體層包括n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層、發(fā)光層和p型層以這種順序在所述第三氮化物半導(dǎo)體層上依次形成；在所述n型層上提供的負(fù)電極；以及在所述p型層上提供的正電極。
12.一種發(fā)光二極管，包括根據(jù)權(quán)利要求11的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
13.一種激光二極管，包括根據(jù)權(quán)利要求11的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
14.一種半導(dǎo)體器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項(xiàng)的III族氮化物半導(dǎo)體元件。
全文摘要
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種III族氮化物半導(dǎo)體元件，其包括呈現(xiàn)高結(jié)晶性和沒有裂縫的厚AlGaN層，并且不包括厚GaN層(其通常作為在紫外LED中的光吸收層)。本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體元件包括襯底；在所述襯底上提供的由AlN構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上提供的由Al
文檔編號H01L33/12GK1868070SQ20048002985
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者酒井浩光, 奧山峰夫 申請人:昭和電工株式會社