专利名称：获得与非极性和半极性P-型(Al，Ga，In)N低电阻接触的技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及获得与ρ型(Al，Ga，h)N低电阻接触的技木，特别是与非极性和半极性P型(Al，Ga, In)N低电阻接触的技术。
背景技术：
(注本申请參考大量不同的出版物，如在整个说明书中通过ー个或更多个括号内的參考数字所指示的，例如，[x] O能够在以下标题为“參考文献”的部分发现依照这些參考数字排序的这些不同出版物的列表。这些出版物的每ー篇都通过引用并入本文)ひ1ぷル^1川光电子和电子器件(也称为“第三族氮化物”、“111氮化物”、“11ト氮化物”或仅仅是“氮化物”器件)一般地在C-平面蓝宝石基底、SiC基底或者体(bulk) (Al， ( ，In)N基底上生长。在每个实例中，器件通常沿着它们的极性(OOOl)C轴方位——例如， C-平面方向——生长。然而，由于强压电和自发极化的存在，基于传统的极性(Al，Ga，In)N的器件遭受不期望的量子限定斯塔克效应OiCSm。例如，GaN和它的合金以六边形纤锌矿晶体 (wurtzite crystal)结构是最稳定的，其中该结构是由两个(或三个)相当的基础平面轴描述的，所述基础平面轴相对于彼此旋转120° (a_轴)，所有基础平面轴都垂直于唯一的c 轴。第三族原子，例如( 和氮(N)原子沿着晶体的c轴占据交替的C-平面。在纤锌矿结构中包含的对称元素指示(Al，fei，In) N器件沿着该c轴具有体自发极化(bulk spontaneous polarization)，且纤锌矿结构表现压电极化，其引起限制的载流子再结合效率，减少的振子强度(oscillator strength)，和红移发射。消除(Al，Ga, In)N器件中的自发和压电极化效应的ー种方法是在晶体的非极性平面上生长器件，所述非极性平面垂直于晶体的c平面。例如，对于GaN，这种平面包含相等数目的( 和N原子，且都是电荷中和的。此外，随后的非极性层彼此都是晶体学等价的，因此沿着生长方向晶体不会被极化。GaN中对称等价的非极性平面的两个这种家族是统称为 a_平面的{11-20}家族，和统称为m-平面的{1-100}家族。减少或可能消除GaN光电子器件中极化效应的另ー种方法是在晶体的半极性平面上生长器件。术语半极性平面可用于指具有两个非零h、i或k米勒指数、和非零1米勒指数的很多种类的平面。纤锌矿晶体结构中半极性平面的一些实例包括，但不限干，{10-12}、 {20-21}、和{10-14}。晶体的极化向量既不位于这种平面内也不正交于这种平面，而是位于相对于平面表面法线倾斜的ー些角度下。对于在非极性和半极性(Al，Ga, h)N基底上生长的器件，传统的现有技术水平的 P接触层通常用P+-GaN的薄层覆盖以便改善接触电阻。另ー方面，传统的极性(C-平面) (Al，Ga, In)N器件通过预处理显示改进的电阻接触，所述预处理例如沸腾的王水(BAR)， BAR然后(NH4)2S,等等。例如，參见下面提出的并通过引用并入的參考文献[1-6]。因此，本领域需要获得特别是与非极性和半极性ρ型(Al，Ga, h)N层低电阻接触的改进技木。本发明在直到700°C的生长冷却期间，利用双(环戊ニ烯基)镁(Cp2Mg)流形成金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的镁-氮化物(氮化镁)(Mg-N)层，以减少接触电阻，满足了这种需要。此外，本发明在P接触镀金属之前使用氯化氢(HCl)预处理ρ型层， 满足了这种需要。现有技术传统的非极性(Al，( ，In)N器件没有应用这些技木。
发明内容
本发明描述在基于非极性和半极性(Al，Ga, In) N的器件上制造低电阻ρ型接触的技木。本发明展示改进基于(Al，Ga, Ιη)Ν的器件的电性能的新型外延生长技术和接触金属沉积之前的预处理，所述基于(Al，Ga, In)N的器件包括发光二极管(LEDs)、激光二极管 (LDs)、高电子迁移率晶体管、和其他电动器件。为了减少接触电阻，一些关键特征包括在冷却期间使用生长后Cp2Mg流和在ρ接触镀金属步骤之前的化学预处理。在非极性或半极性(Al，Ga, In)N器件上制造ρ型接触的方法包括步骤在(Al， Ga，h)N器件上生长ρ型层，其中(Al，fe，In)N器件是非极性或半极性(Al，Ga，器件， 且P型层是非极性或半极性(Al，Ga，h)N层；和在双(环戊ニ烯基)镁(Cp2Mg)存在的情况下冷却P型层，以在P型层上形成镁-氮化物(氮化镁)(MgxNy)层。在冷却步骤之后，进行金属沉积以在(Al，fe，器件的ρ型层上制造ρ型接触，其中与具有基本上相似組成的极性(Al，fe，In)N器件的ρ型接触相比，该ρ型接触具有更低的接触电阻率。在冷却步骤之后和金属沉积步骤之前，可进行P型层的氯化氢(HCl)预处理。进行冷却步骤，直到温度达到至少700摄氏度，更优选地，进行冷却步骤，直到温度达到至少500摄氏度。此外，在氮气(N2)和氨水(NH3)的周围环境中进行冷却步骤。所得到的(Al，Ga, 器件包含在(Al，Ga, 器件的ρ型层上制造的ρ型接触，其中(Al，Ga, In)N器件是非极性或半极性(Al，Ga, In)N器件，ρ型层是非极性或半极性(Al，Ga, Ιη)Ν层，且与具有基本上相似組成的极性(Al，Ga, In) N器件的ρ型接触相比，该P型接触具有更低的接触电阻率。具体地，该P型接触具有低于2 X IO-3Ohm-CnT2的接触电阻率，其中该P型层具有充分低以获得该接触电阻率的氧浓度。
现在參考附图，其中始终地，相同參考数字代表相应的部分图1(a)是示出在本发明的一个实施方式中进行的エ艺步骤的流程图，和图1(b) 是示例性所得器件的横断面示意图。图2是接触电阻率(Ohm-cnT2)对生长冷却期间以每分钟标准立方厘米(sccm)为単位的Cp2Mg流的曲线图。图3是在生长冷却期间不用Cp2Mg流制造的非极性p_GaN接触层样品的X-射线光电子能谱(XPS)数据的曲线图，绘制每秒计数(CPS) (ΧΙΟ4)作为以电子伏特(eV)为单位的结合能的函数。图4是在冷却期间利用Cp2Mg流制造的非极性p_GaN接触层样品的XPS数据的曲线图，绘制CPS(X IO4)对以eV为单位的结合能的图。图5是绘制利用HC1、王水(AR)、沸腾的王水(BAR)、以及BAR和(NH4)2S预处理制备的P-GaN接触的接触电阻率(Ohm-cnT2)的曲线图，以提供用不同预处理的极性(c_平面) 和非极性(m-平面)p-GaN接触电阻率的比较。图6 (a)-6(f)是用不同预处理的c_平面和m_平面p_GaN的XPS数据的曲线图， 绘制CPS(X104)对以eV为单位的结合能的图，其中图6(a)是利用BAR和(NH4)2S预处理制造的C-平面P-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6(b)是利用BAR和(NH4)2S预处理制造的m-平面P-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (c)是利用BAR预处理制造的c_平面 P-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (d)是利用BAR预处理制造的m_平面ρ-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (e)是利用HCl预处理制造的C-平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (f)是利用HCl预处理制造的m-平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图。图7是电流-电压(I-V)特性的曲线图，该图显示应用本发明之前和之后(在冷却和HCl处理期间生长后Cp2Mg流之前和之后)，具有最小分离的两个输电线测量(TLM)垫 (pad)之间的差异。
具体实施例方式在下列优选实施方式的描述中，对构成其部分的附图进行參考，其中作为例证示出可实践本发明的具体实施方式
。应该理解，在没有脱离本发明的范畴下，可利用其他实施方式且可进行结构变化。概述本发明的目的是开发非极性和半极性(Al，Ga, In) N光电子和电子器件的低接触电阻。与传统的(Al，( ，In)N器件相比，该发明具有下列优势。1.在大气压下的队和NH3周围环境中，在直到650-700°C的生长冷却期间，使用 Cp2Mg流导致在非极性或半极性ρ型(Al，Ga, In)层——例如p-GaN层——的表面上形成 Mg-N层，并且导致减少的ρ接触电阻。在冷却期间Mg和N的存在防止O并入在p-GaN层的表面上，且也防止N空位形成。因为N空位在(Al，fet，In)N系统中担当表面供体，因此N空位形成的减少降低了 P-接触电阻。2.在ρ接触镀金属之前，对非极性或半极性ρ型(Al，Ga, 层——例如p_GaN 层——使用HCl预处理，导致减少的ρ接触电阻。这种基于氯(Cl)离子的预处理导致表面 0浓度的降低，这导致改进的接触电阻。MgxNy似乎居于p-GaN层的表面上，因此防止任何天然的氧化物或氮空位形成。在镀金属之前的HCl预处理后，部分地或完全地除去MgxNy层， 且P接触的金属使得与P-GaN层欧姆接触。技术描述图1(a)是显示为了获得与非极性和半极性ρ型(Al，fe，In)N的低电阻接触，在本发明的一个实施方式中进行的エ艺步骤的流程图。具体地，图1(a)显示以下步骤。方块100代表步骤1 制造样品，S卩非极性或半极性(Al，fei，In)N光电子或电子器件，其中制造的最后步骤之ー是非极性或半极性P型(Al，Ga，层例如非极性或半极性 P-GaN层的生长。方块102代表步骤2 在P-GaN层的生长之后使用Cp2Mg流。样品在N2和NH3周围环境中冷却，且流动少量的Cp2Mg直到达到700°C的温度。这导致ρ接触镀金属之前在 P-GaN层上形成Ifex-Ny层，这导致较低的接触电阻。方块104代表步骤3 在步骤2之后或没有步骤2 (HCl处理也可应用于p_GaN层而不首先进行步骤2、，在p-GaN层上进行HCl化学预处理。方块106代表步骤4 在步骤3之后，ρ接触镀金属，即，p_GaN层上的金属沉积，导致器件低的0污染和减少的接触电阻。最后，在步骤4之后，方块108代表エ艺的最终结果，即所得到的具有减少的接触电阻的非极性或半极性(Al，fe，h) N器件，其包含非极性或半极性(Al，fe，h) N器件的非极性或半极性P型(Al，fe，In)N层上的ρ接触。该器件也可包含非极性或半极性ρ型(Al， Ga, 层上的Mgx-Ny层，或可完全地或部分地除去Mgx-Ny层。图1 (b)是最终结果108即所得到的具有减少的接触电阻的非极性或半极性(Al， Ga，器件108的横断面示意图。在图1(b)中，其中结构仅仅是示例性的且不能认为是限制性的，器件108至少包含非极性或半极性η型(Al，Ga，层110、非极性或半极性(Al， ( ，In)N活性层112、非极性或半极性的ρ型(Al,Ga, In)N M 114、任选的％X-Ny层116 (其可被部分地或完全地去除)和P接触118。其他实施方式可不包含这些具体的层且可包含其他层，例如基底等等。实验结果图2-7和表1的数据是p-n ニ极管结构器件上的非极性p-GaN层的实验結果。然而，本发明可应用于在P-型层上具有P型接触的任何非极性或半极性器件。图2是接触电阻率(Ohm-cnT2)对生长冷却期间以每分钟标准立方厘米(sccm)为単位的Cp2Mg流的曲线图。具体地，图2显示在ρ型GaN接触层生长后的生长冷却期间，使用20sCCm的Cp2Mg流制造的非极性p-GaN接触层的低接触电阻率。图3是在生长冷却期间不用Cp2Mg流制造的非极性p_GaN接触层样品的XPS数据的曲线图，其绘制CPS(X104)作为以eV为单位的结合能的函数，其中显示与氧(O)Is峰、 氮(N) Is峰、镓(Ga)3p峰和镁(Mg) 2p峰相应的信息，该信息是以eV为单位的峰发射位置 (pos.)、在以eV为单位的最大宽度一半处的峰发射全宽度(FWHM)、以eV为单位的发射峰的面积(A)、和0、N、Ga和Mg的百分含量(At% )、以及Mg 2s、Ga 3s和Ga 3d峰，也示出Ga LMM和Mg KLL俄歇跃迁峰。图4是在冷却期间利用Cp2Mg流制造的与图3相同的非极性p_GaN接触层样品结构的XPS数据的曲线图，其绘制CPS (X IO4对以eV为单位的结合能的图。图4显示p_GaN 接触层表面上减少的0和增加的Mg，其中示出与0 Is峰、N Is峰、Ga 3p峰、和Mg 2p峰相应的信息，该信息是以eV为单位的峰发射位置(pos.)、以eV为单位的峰发射FWHM、以eV 为单位的发射峰的面积(A)、和0、N、Ga、和Mg的百分含量(At% )，也示出Mg 2s, Ga 3s和 Ga 3d峰以及Ga LMM和MgKLL俄歇跃迁峰。图5是绘制利用HC1、王水(AR)、沸腾的王水(BAR)、以及BAR和(NH4)2S预处理制备的P-GaN接触的接触电阻率(Ohm-cnT2)的曲线图，以提供用不同预处理的极性(c_平面) 和非极性(m-平面)p-GaN接触电阻率的比较。具体地，图5说明非极性ρ型III-氮化物接触层可具有比极性P型III-氮化物接触层低的接触电阻率，其中非极性和极性III-氮化物接触层具有相同的III-氮化物組成。图6 (a)-6(f)是用不同预处理的c_平面和m_平面p_GaN的XPS数据的曲线图， 其绘制CPS(X104)对以eV为单位的结合能的图，其中图6(a)是利用BAR和(NH4)2S预处理制造的C-平面P-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6(b)是利用BAR和(NH4)2S预处理制造的m-平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (c)是利用BAR预处理制造的c_平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6 (d)是利用BAR预处理制造的m_平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图，图6(e)是利用HCl预处理制造的C-平面P-GaN接触层的XPS 数据的曲线图，图6 (f)是利用HCl预处理制造的m-平面p-GaN接触层的XPS数据的曲线图。在图6(a)-6(f)的每ー个中，示出与0 Is峰、N Is峰和( 3p峰相应的信息，该信息是以eV为单位的峰发射位置(pos.)、以eV为单位的峰发射FWHM、以eV为单位的发射的面积(幻、和0ぶ和(^的百分含量(At%)。具体地，图6 (a)-6(f)说明在ρ接触金属沉积之前的HCl预处理导致非极性p-GaN接触层表面上的低0污染。下面的表1说明与C-平面p-GaN接触层相比较，本发明的方法可在m-平面p-GaN 接触层的表面上获得更低的0含量。表1 :m-平面和C-平面feiN的表面上0含量的比较
预处理O含量(％)O/Ga 比m-平面C-平面m-平面C-平面未处理的27.18290.670.67HCl10.3420.570.2050.42BAR5.917.350.110.14BAR+NH4S7.038.440.1380.16 图7是依照本发明制造的包含非极性p-GaN接触层的器件的I-V特性的曲线图， 其中使用Cp2Mg流和HCl预处理，显示应用本发明之前和之后(在冷却和HCl处理期间生长后Cp2Mg流之前和之后)，具有最小分离的两个TLM垫之间的差异。具体地，图7的I-V7曲线显示本发明的方法导致非极性的(Al，Ga，器件，其具有较低的接触电阻和欧姆接触。优势和改进对于高性能LEDs、LDs, p-n结ニ极管、双极结晶体管(BJTs)、异质结双极晶体管 (HBTs)等，获得低电阻ρ接触是重要的。本发明已产生与非极性ρ型(Al，fe，In)N层ρ型接触的接触性能的显著提高的接触性质，类似地，其可应用于与半极性ρ型(Al，Ga, In) N层的P型接触。与传统的非极性(Al，Ga, h)N器件结构相比，本发明具有下列优势1.在生长冷却期间在N2和NH3周围环境，使用Cp2Mg流导致Mg-N层的形成，其显著地减少接触电阻(如图2中示出的)。对在生长冷却期间利用Cp2Mg流制造的m-平面样品，示出Mg XPS峰(图4)。此外，在冷却期间，表面上0浓度随着Cp2Mg流的增加而減少。2. ρ接触金属沉积之前的HCl预处理导致⑴样品表面上的低0浓度，如图6示出的，和⑵与其他传统的处理相比更低的接触电阻。尽管使用BAR预处理极性(c-平面) GaN获得最低的接触电阻，但是对于非极性(m-平面)GaN，有必要使用HCl预处理，如图5 示出的。3.与传统的非极性(Al，Ga，h)N器件相比，所有上述改变导致非极性(Al，Ga，In) N器件具有更低的接触电阻和欧姆接触的电性能，如图7中示出的。可能的修改因此，本发明在基于非极性ρ-GaN的接触层的生长之后，利用Cp2Mg流，其中典型的接触层厚度范围可从IOnm到IOOnm且接触层掺杂有Mg。本发明的其他实施方式可用于基于极性、非极性和半极性(Al，Ga, 的电子学和光学器件，特别是需要低P接触电阻的。例如，本发明可应用于极性、非极性、和半极性 LEDs、LDs、晶体管等。本发明可应用于需要低ρ接触电阻的任何(Al，fe，In)N器件。本发明可应用于包含InGaN、GaN、AlGaN,或Al InGaN层的器件结构。术语如在本文使用的，术语(Al，Ga, In) N、III-氮化物、第三族-氮化物、氮化物、 Al (1_x_y) GaxInyN——其中0<χ<1和0<y< 1、或AlInGaN意欲被广泛地解释为包括单个种类——Al、Ga和In—一的各自氮化物、以及这种第三族金属种类的二元的、三元的和四元的组成。因此，术语(Al，Ga，包括化合物A1N、GaN和hN，和三元化合物AlGaN、 feilnN和AUnN，以及四元化合物AlfeJnN，作为包括在这种术语中的种类。当存在两个或更多个(Al，Ga, In)组成种类时，所有可能的組成，包括化学计量比和“非化学剂量”比 (“off-stoichiometric”proportion)(相对于在组成中存在的每ー个(Al，GaJn)组成种类存在的相对摩尔分数)可在本发明广泛范畴内应用。因此，应该理解在下文中本发明关于具体(Al，fei，h) N材料例如GaN的讨论，适用于这些(Al，fei，h) N材料的各种其他种类的形成。进ー步地，在本发明范畴内的(Al，( ，In)N材料可进ー步包括较小数量的掺杂剂和/或其他杂质或包合材料。此外，在整个公开中，在层材料之前的前缀η-或η+和ρ-或ρ+分別表示层材料是 η型或ρ型掺杂的。例如，P-GaN指示GaN是ρ型掺杂的。參考文献
下列參考文献通过弓I用并入本文。[l]Hun 等，Appl. Phys. Lett. 78，1942(2001).[2]Kim 等，J. Vac. Sci. Technol. B17 (2), 497 (1999).[3]Kim 等，J. Elec. Materials, 30,129 (2000).[4]Kim 等，Current Appli. Phys. 1,385(2001).[5]Lim 等，Thin Solid Film，515，4471 (2007) ·[6]Lee 等，Appli. Phys. Lett. 74,2289(1999).结论这里结束本发明优选的实施方式的描述。前述本发明的一个或更多个实施方式的描述是为了说明和描述的目的提出。其不意欲是穷举的或限制本发明于公开的精确形式。 根据上述教导可能存在很多的修改和变化。本发明的范畴不意欲由这些详细实施方式限制，而是由所附的权利要求限制。
权利要求
1.制造(Al，fei，h)N器件的方法，包括在(Al，Ga, In)N器件上生长ρ型层，其中所述(Al，Ga, In)N器件是非极性或半极性 (Al，Ga, In)N器件，和所述ρ型层是非极性或半极性(Al，Ga, In)N层；和在存在双(环戊ニ烯基)镁(Cp2Mg)的情况下，冷却所述ρ型层，以在所述ρ型层上形成镁-氮化物(MgxNy)层。
2.根据权利要求1所述的方法，进ー步包括在所述冷却步骤之后，进行金属沉积以在所述(Al，Ga, 器件的所述ρ型层上制造ρ型接触，其中与具有基本上相似組成的极性 (Al，Ga, 器件的ρ型接触相比，所述ρ型接触具有更低的接触电阻率。
3.根据权利要求2所述的方法，进ー步包括在所述冷却步骤之后和在进行所述金属沉积之前，对所述P型层进行氯化氢(HCl)预处理，以在所述ρ型层上制造所述ρ型接触。
4.根据权利要求1所述的方法，其中进行所述冷却步骤直到达到至少700摄氏度的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中进行所述冷却步骤直到达到至少500摄氏度的温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在氮气(N2)和氨(NH3)周围环境中进行所述冷却步骤。
7.根据权利要求1制造的(Al，Ga,In)N器件。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述(Al，Ga,In)N器件是发光二极管、激光二极管、p-n结器件、晶体管、双极结晶体管或异质结双极晶体管。
9.(Al, Ga, h)N器件，其包括在(Al，fe，In)N器件的ρ型层上制造的ρ型接触，其中所述(Al，Ga，h)N器件是非极性或半极性(Al，Ga, In) N器件，所述ρ型层是非极性或半极性(Al，Ga, In)N层，且与具有基本上相似組成的极性(Al，fe，器件的ρ型接触相比，所述ρ型接触具有更低的接触电阻率。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述ρ型接触具有低于2X IO-3Ohm-CnT2的接触电阻率。
11.根据权利要求9所述的器件，其中所述P型层具有足够低以获得低于 2X IO-3Ohm-CnT2的接触电阻率的氧浓度。
12.制造(Al，fei，h)N器件的方法，包括在P型层上制造P型接触之前，对所述(Al，Ga, 器件的所述ρ型层进行氯化氢 (HCl)预处理，其中所述(Al，Ga，h)N器件是非极性或半极性(Al，( ，In) N器件，和所述ρ 型层是非极性或半极性(Al，Ga，层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中与具有相同組成的极性(Al，fe，器件的ρ 型接触相比，所述ρ型接触具有更低的接触电阻率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述ρ-型层具有足够低以获得低于 2X IO-3Ohm-CnT2的接触电阻率的氧浓度。
15.根据权利要求12制造的(Al，Ga,In)N器件。
16.根据权利要求15所述的器件，其中所述(Al，Ga,In)N器件是发光二极管、激光二极管、P-n结器件、晶体管、双极结晶体管或异质结双极晶体管。
全文摘要
在非极性或半极性(Al，Ga，In)N器件上制造p型接触的方法包括步骤在(Al，Ga，In)N器件上生长p型层，其中(Al，Ga，In)N器件是非极性或半极性(Al，Ga，In)N器件，且p型层是非极性或半极性(Al，Ga，In)N层；和在存在双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)的情况下，冷却p型层，以在p型层上形成镁-氮化物(MgxNy)层。在冷却步骤之后，进行金属沉积以在(Al，Ga，In)N器件的p型层上制造p型接触，其中与具有基本上相似组成的极性(Al，Ga，In)N器件的p型接触相比，该p型接触具有更低的接触电阻率。在冷却步骤之后和金属沉积步骤之前，可对p型层进行氯化氢(HCl)预处理。
文档编号H01L33/00GK102598207SQ201080049853
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月21日 优先权日2009年11月3日
发明者A·查克拉伯蒂, S·P·德恩巴阿斯, S·纳卡姆拉, Y-D·林 申请人:加利福尼亚大学董事会