专利名称：氮化物半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种III族类氮化物半导体器件，更具体地说，是涉及在III族类氮化物半导体器件的半导体和金属电极之间的电接触性能的一种改进。
本领域技术人员都知道，在p型半导体/金属边界上的电荷迁移基本上依赖于该半导体的价带和该金属的费米能级之间的能量差。依赖该能量差，形成欧姆接触或肖特基接触。目前，尚没有为p型氮化物半导体充分减小肖特基势垒的金属，通过简单地选择最佳电极金属并不能获得该接触性能的进一步改善。
为了改善电极和半导体之间的电接触性能，常规的方法是采用具有小带隙的半导体层作为与金属的接触层。
在公开号为平成10-65216的日本专利中公开了一种试图降低与电极的接触电阻的方案，该方案是通过采用包括铟并具有小带隙的氮化物半导体作为与电极的接触层。
在一种用于改善接触性能的常见方法中，采用具有高载流子浓度的半导体层用于与金属的接触层。然而众所周知的是，当带隙较大时，上述方法难以获得高载流子密度。AlGaN基氮化物也具有较大的带隙，特别是对于p型氮化物，难以获得高载流子密度。
现在已知的是，当InN摩尔分数在InGaN中增大时，获得较高的空穴浓度(Jpn.J.Appl，Phys.39(2000)337 Kumakura等人)。
然而，上述的各种方法都未获得在电极接触性能方面较优的半导体器件。
本发明的目的和概述鉴于上述情况提出本发明，本发明的目的是提供一种具有改善的电极接触性能的III族类氮化物半导体器件。
根据本发明的一方面的氮化物半导体器件，它包括由III族类氮化物半导体制成的半导体层和用于向该半导体层提供载流子的金属电极，该器件包括第一接触层，由III族类氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)和II族类元素制成，该III族类氮化物半导体被沉积在该半导体层和该金属电极之间，该II族类元素被加入到该III族类氮化物半导体；及第二接触层，由III族类氮化物半导体Alx’Ga1-x’N(0≤x’≤1)制成，并被沉积在该第一接触层和该金属电极之间。
在本发明的氮化物半导体器件中，该第二接触层可具有被加入其中的II族类元素。
在本发明的氮化物半导体器件中，该第二接触层可具有500或更小的厚度。
在本发明的氮化物半导体器件中，上述的II族类元素可以是镁。
在本发明的氮化物半导体器件中，该第一接触层可以是InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)。
在本发明的氮化物半导体器件中，该第一接触层在特性上可具有10至1000之范围中的厚度。
在本发明的氮化物半导体器件中，该氮化物半导体器件可以是一种发光器件。
对于包括由III族类氮化物制成的半导体层和用于向该半导体层提供载流子(即空穴)的金属电极的器件，本发明的发明人对它的电极接触性能进行了详细的实验，目的在于改善该器件的电特性以获得本发明。
例如，在上述的公开号为平成10-65216的日本专利中公开了一种器件，利用由p型InGaN制成的接触层制造出该器件，通过热退火处理向该p型InGaN提供高空穴浓度，并对该器件进行接触性能的研究。但是没有获得明显的改善。
另一方面，在本发明的方法中，当生成InGaN层或类似层(构成其中加入有镁的第一接触层)后，较薄的GaN层或类似层被生成在最顶层的表面上作为第二接触层，通过施加热退火处理来影响向p型的转化。这一过程被发现用于改善该所完成的器件的接触性能。
实施例的详细说明以下将结合实施例并参照
根据本发明的器件。
图1示出根据本发明具有多量子阱结构(MQW)的半导体发光器件。该器件包括具有多层氮化物半导体晶体薄膜的多层结构，这些薄膜是由(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)来表示的，按顺序外延生成在由蓝宝石制成的衬底1上。在由蓝宝石制成的衬底1上，按顺序层叠有由AlN、GaN等制成的低温缓冲层2和掺杂有硅等材料用于生成传导层的n型GaN基层3。在该n型GaN基层3上设置有活性层(active layer)4。在该活性层4上按顺序沉积有掺镁的AlGaN电子势垒层5、掺镁的InGaN层6和掺镁的GaN层7，它们通过热退火处理被转化为p型。
在该p型掺镁的GaN层7和该n型GaN基层3上进一步沉积绝缘层8，并在相应的窗口中分别形成p侧电极9和n侧电极10，发光器件是由前述的各部分组成。
以下将详细描述制造根据本发明的氮化物半导体发光器件的方法。
在此，在本发明中，除非有另外的指示，采用有机金属气相沉积法(MOCVD)作为沉积方法。同样，除非另有指示，采用氢气作为用于前体(precursor)之迁移中的气体。
蓝宝石衬底1被装入MOCVD反应器(未示出)，在低温下，在该蓝宝石衬底上生成AlN缓冲层2。然后，分别以1.7×10-4摩尔/分、9.0×10-2摩尔/分和7.2×10-9摩尔/分的流速向反应器提供三甲基镓(TMG)、氨和甲基硅烷，以便在1050℃的衬底温度下生成掺硅的n型GaN层3，其厚度约为6μm。
随后，该衬底温度被降低至780℃，而氨以9.0×10-2摩尔/分的速度被提供给该反应器。改前体气体为氮气，Iny1Ga1-y1N(y1＝0.1)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01)＝30/60被层叠5次，以形成MQW活性层4，该层起着发光层的作用。在该活性层4中的Iny1Ga1-y1N(y1＝0.1)层的生成中，TMG是以4.8×10-6摩尔/分的速度被提供，三甲基铟(TMI)是以2.6×10-5摩尔/分的速度被提供，氨是以3.1×10-1摩尔/分的速度被提供。在Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01)层的生成中，TMG是以4.8×10-6摩尔/分的速度被提供，TMI是以2.6×10-6摩尔/分的速度被提供，氨是以3.1×10-1摩尔/分的速度被提供。
随后，氢气被用作载流子气体，衬底温度被增大并被保持在1050℃，TMG是以7×10-6摩尔/分的速度被提供，三甲基铝(TMA)是以1.2×10-6摩尔/分的速度被提供；双乙基环戊二烯基镁(bisethylcyclopentadienyl magnesium)(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}是以5.2×10-7摩尔/分的速度被提供；氨是以2.2×10-1摩尔/分的速度被提供，以便在厚度为0.02μm的活性层4上立即生成由AlxGa1-xN(x＝0.2)组成的电子势垒层5。
随后，衬底温度被降低到770℃。改载流子气体为氮气，掺镁的InxGa1-xN(x＝0.14)层生成在厚度为0.1μm的电子势垒层5上。接下来，衬底温度为770℃，TMG是以1.0×10-5摩尔/分的速度被提供；TMI是以1.7×10-5摩尔/分的速度被提供；EtCp2Mg是以8.8×10-8摩尔/分的速度被提供；氨是以4.5×10-1摩尔/分的速度被提供，以便沉积掺镁的InGaN层6。随后，停止供应TMI，EtCp2Mg的提供被改为2.3×10-7摩尔/分的速度，以便生成掺镁的GaN层7，即在第一接触层6上、厚度为10的第二接触层，从而完成图2所示的晶片。在由掺镁GaN制成的最终第二接触层7的生成中，其厚度是通过外延生成第二接触层7达40秒来确定的。调整EtCp2Mg的流速，使得在氮气中以950℃热退火达5分钟后、空穴的浓度为最小。
为检查形成于接触电极金属的各半导体层上的触点的电接触性能，本发明的发明人另外制作了晶片2和晶片3，晶片2仅采用掺镁GaN，它是晶片1的第二接触层7的材料，用于构成对应于第一接触层6和第二接触层7的各层，即该活性层和电极之间的半导体层，晶片3仅采用掺镁InxGa1-xN(x＝0.14)，它是晶片1的接触层6的材料，用于构成相应的部分。在晶片1至3中，在活性层和电极之间的各层的总薄膜厚度、例如在晶片1之情况下的GaN/InGaN(第二接触层7/第一接触层6)的总厚度是彼此相同的。
随后，为了将掺镁半导体层转化为p型半导体，在氮气氛中以950℃对所得到的每一片晶片进行热退火达5分钟。当GaN基半导体掺杂镁时，它是一种p型掺杂物，由MOCVD方法生成，当它未被完全处理时，这就是半绝缘的，因此并未显示出p型传导性。出于这个原因，在完成发光器件晶片后，对它们进行热退火，以激活该掺镁层来提高p型传导性。
另外，如图3所示，作为示例，通过反应离子刻蚀(RIE)或类似方式，n型GaN层3被暴露出来。随后，诸如二氧化硅的绝缘膜8被沉积在掺镁的InxGa1-xN(x＝0.14)层6或掺镁GaN层7的局部表面上。接下来，窗口被构图在绝缘膜8上用于形成电极。在p型转换的掺镁层6或7及n型GaN层3上，当利用盐酸进行半导体表面处理后，通过这些窗口(图1)，分别形成p侧电极9和n侧电极10。适用于p侧电极9和n侧电极10的材料分别是镍和钛。
随后，每一晶片的蓝宝石衬底的后表面被抛光，将晶片厚度减小到约100μm。然后，该晶片被劈开为芯片，从而完成器件制作。由晶片1、2、3制作出的器件在以下分别被称为器件1、器件2和器件3。
图4示出的电特性包括根据本发明的实施例的器件1和比较的器件2及器件3的电流和电压。从图4中可明显看出，由本发明减小了驱动电压。
通常，为了将掺镁的氮化物半导体转化为p型，必须对该薄膜进行一些处理，结果导致该薄膜表面的较高灵敏度退化。特别是在InGaN中，在In与N之间的弱耦合导致明显的退化。据推测，在器件3中，由于加热引起InGaN表面上的退化，该退化抑制了对电接触特性所期望的改善。
当在顶层表面上、由GaN制成的第二接触层7被制成的厚度较大时，在InGaN上的保护效应增大，但是电阻值也增大。因此，第二接触层7的厚度最好是500或更小。
由于第一接触层6具有的晶格常数不同于基层的晶格常数，如果这一层做得太厚，结晶度就会变低，不能提供所期望的效果。因此，第一接触层6的厚度最好是在10到1000的范围中。
尽管上述实施例对本发明适用的发光二极管进行了描述，本发明可以用类似的方式适用于激光二极管。
此外，作为另一个实施例，采用与前述实施例相同的技术，可以形成一种脊型半导体发光器件，如图5所示，除了一个引导层和包覆层(cladding layer)是新提供的。具体来说，n型AlGaN包覆层11和n型GaN引导层12被层叠在n型GaN基层3和活性层4之间，p型GaN引导层13和p型AlGaN包覆层14被进一步层叠在p型掺镁AlGaN电子势垒层5和p型第一接触层6之间。在与上述图3所示相对应的处理中，一个预定宽度的掩膜被形成在第二接触层7上，除了那些在掩膜以下的部分(即p型第一接触层6、p型第二接触层7和p型ALGaN包覆层14)被除去，同时留下p型GaN引导层13的整个厚度之一部分，从而形成一个窄脊(narrow ridge)结构。然后，在所得到的晶片上形成绝缘薄膜8，形成在该脊形之顶部中的p侧电极窗口和n侧电极窗口，配置各电极以制作脊型半导体发光器件。在图5和图1中以相同参考编号表示的部件是同样的部件。在激光二极管的情况下，与LED相比，每单位面积必须注入更大量的电流。因此，根据本发明，在激光二极管的情况下，本发明降低用于注入电流所需的电压的效果是更为有用的。
根据本发明，由于III族类氮化物半导体器件具有位于半导体活性层和金属电极之间的第一接触层和第二接触层，可以改善该器件的电极接触特性。
权利要求
1.一种氮化物半导体器件，包括由III族类氮化物半导体制成的半导体层和用于向该半导体层提供载流子的金属电极，所述器件包括第一接触层，由III族类氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0＜y≤1)制成，它沉积在所述半导体层和所述金属电极之间，并具有被加入到所述III族类氮化物半导体的II族类元素；及第二接触层，由III族类氮化物半导体Alx’Ga1-x’N(0≤x’≤1)制成，并被沉积在所述第一接触层和所述金属电极之间。
2.根据权利要求1的氮化物半导体器件，其中，II族类元素被加入到所述第二接触层。
3.根据权利要求1或2的氮化物半导体器件，其中，所述第二接触层具有的厚度为500或更小。
4.根据权利要求1至3中任一项的氮化物半导体器件，其中，所述的II族类元素是镁。
5.根据权利要求1至4中任一项的氮化物半导体器件，其中，所述第一接触层是InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)。
6.根据权利要求1至5中任一项的氮化物半导体器件，其中，所述第一接触层具有10至1000之范围中的厚度。
7.根据权利要求1至6中任一项的氮化物半导体器件，其中，所述的氮化物半导体器件是一种发光器件。
8.根据权利要求1的氮化物半导体器件，其中，II族类元素至少被加入到所述第二接触层，对包括被沉积在所述半导体层上的第一和第二接触层的层进行热退火处理，以产生p型传导性。
9.根据权利要求8的氮化物半导体器件，其中，所述的II族类元素是镁。
全文摘要
一种氮化物半导体器件,具有较高的电极接触性能。该氮化物半导体器件包括由III族类氮化物半导体制成的半导体层、及用于向该半导体层提供载流子的金属电极。该器件具有第一接触层,由III族类氮化物半导体(Al
文档编号H01S5/30GK1379483SQ0210823
公开日2002年11月13日 申请日期2002年3月28日 优先权日2001年3月28日
发明者高桥宏和, 太田启之, 渡边温 申请人:先锋株式会社