专利名称：：有关氮化镓的化合物半导体器件及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及采用有关氮化镓(GaN)的材料来制造化合物半导体器件的方法。特别涉及器件中电极与n型半导体层连接的改善。采用有关GaN的材料的化合物半导体器件包括，例如，发光二极管和激光二极管。有关GaN的材料的化合物半导体是直接跃迁型，有高发光效率，并发射属于光的三原色之一的蓝光。因此，近年来，象有关GaN的材料的化合物半导体作为发光器件形成材料引起了人们注意。这种有关GaN的材料的化合物半导体发光器件中，要求与n型半导体层连接的n电极有低的功函数。只有铝(Al)用作电极形成材料。n型半导体层在有关GaN的材料的半导体发光器件中通常成为第1覆盖层，其上顺序叠置有发光层和作为第2覆盖层的p型半导体层。之后，部分p型半导体层、发光层和n型半导体层用至少一种含氯和氟的气体或混合气体进行反应离子腐蚀处理，由此、在n型半导体层上形成电极形成部分。由于假设这样由RIE工艺腐蚀的n型层表面上覆盖有腐蚀处理中所残留的如氯化物和氧化物的杂质。因此，电极部分要用如氩气的惰性气体再次进行溅射处理(这在下文中称作“后处理”)，如日本特许公开平3-108779所披露的。在经后处理的电极形成部分上淀积Al，形成n电极。发明人研究了这样形成的器件。结果，发明人发现，这种器件存在以下要克服的缺陷。如果省去后处理，则在半导体层与n电极之间很难获得欧姆接触。但是，即使进行了后处理，欧姆接触也难以稳定。即，半导体层与n电极之间的电阻值有波动。其原因假定是，即使进行后处理也很难完全消除电极部分上所附的杂质。如果进行后处理，必然会增加制造工艺步骤。为了完全消除附在电极部分上的杂质，必须进行复杂的后处理。为克服所述缺陷而提出了本发明。按本发明，提出采用有关GaN的材料的化合物半导体器件的制造方法，包括以下工艺步骤形成由n型GaN化合物半导体制造的半导体层；在半导体层的一部分上形成一基层，用选自V、Nb、Zr和Cr中的至少一种金属来形成基层；在基层上形成一主电极层，主电极层用其它金属构成；并加热半导体层、基层和主电极层。这样获得的半导体器件包括用n型GaN化合物半导体构成的半导体层和设置于半导体层上，用选自V、Nb、Zr和Cr中至少一种金属构成的电极。附图包括图1(a)至1(e)是展示本发明的制造方法的剖视图；图2是按本发明实施例的发光二极管的剖视图；图3是按本发明的制造方法的热处理实例；图4(a)是裸基片的剖视图，图4(b)和4(c)分别是LED实例的剖面图和平面图；图5是只形成Al的n电极的情况下不进行热处理的样品的电压-电流特性曲线图；图6(a)是和图5中相同的样品经550℃3分钟热处理后的特性曲线图，图6(b)是n电极的显微镜照片；图7(a)和10(b)是相同的样品经550℃0.5分钟合金化热处理后的特性图，图7(a)是电压-电流特性曲线，图7(b)是n电极的显微镜照片；图8是在热处理之前形成n电极(基层由150A的V构成；主电极层由1.5μm的Al构成；进行后处理)的情况下的实验例的电压-电流特性曲线；图9(a)和9(b)是在同一实验样品经550℃3分钟合金化热处理后的特性图，图9(a)是电压-电流特性曲线，图9(b)是n电极的显微照片；图10(a)和10(b)是在同一实验样品550℃0.5分钟合金化热处理后的特性图，图10(a)是电压-电流特性曲线；图10(b)是n电极的显微照片；图11是在热处理之前形成n电极的情况下(基层由150A的V构成；主电极层由5000A的Al构成；进行后处理)的实验样品的电压-电流特性曲线；图12(a)和15(b)是相同实验样品经600℃，0分钟合金化处理后的特性图；图12(a)是电压-电流特性曲线；图12(b)是n电极的显微照片。另外，表1是展示本发明在各种情况下的实验结果；表2是展示本发明的实验结果；表3是展示本发明在各种允许的条件下和V厚度的实验结果。以下将详细说明本发明。图1(a)至1(e)是说明按本发明的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件的制造方法的示意图。如图1(a)所示，在衬底1上形成n型半导体层2(以下叫做“n层”)，用GaN化合物半导体构成n层。为了形成器件，在n层2上形成p型半导体层3(以下叫做“p层”)。尽管为了p层与n层晶格匹配，要求用GaN化合物半导体形成p层3，但只要能形成器件，也可用其它材料制造p层3。对n层2和p层3的形成方法无特别限制。如果要制造发光二极管，图1(a)所示步骤如下。即，如图2所示，在蓝宝石衬底11的表面上经过由AlxGa1-xN所制成的非晶缓冲层12形成用AlxInyGa1-x-yN(包括x＝0、x＝y、x＝y＝0，)所构成的n型半导体层13。之后，在半导层13上顺序形成有多量子井结构的发光层14和由AlAInBGa1-A-BN(包括A＝0、A＝B、A＝B＝0)构成的P型半导体层15。按照以金属有机汽相外延生长法(以下叫做“MOVPE法”)为基础的普通方法形成这些半导体层。n型半导体层13可以构成为两层结构，即在光发射层一侧为低电子浓度n层，在缓冲层一侧为高电子浓度n层。发光层14不限于有图2所示的这种MQW结构，也可以是单异质结构、双异质结构等。AlxInyGa1-x-yN(包括x＝0、x＝y、x＝y＝0)层的禁带比用如Mg的受主掺杂的p型第2半导体层15的禁带宽，并可介于发光层14与p型第2半导体层15之间。这是为防止引入发光层14的电子扩散进p型半导体层15中。p型半导体层15可构成两层结构，即在发光层一侧的低空穴浓度p层和电极一侧的高空穴浓度p层。在n型半导体层上叠置i型半导体层，能构成所谓的MIS(金属-绝缘体-半导体)型发光器件。按图1(b)所示步骤，用干法腐蚀除去p层3和n层2的一部分，以形成用于构成n电极的表面4。只要能从n层2的上表面除去至少p层3，就能获得表面4。所述的干法腐蚀处理是用含氯或/和氟原子的气体或混合气体如二氯二氟甲烷(CCl2F2)、四氯甲烷或四氟甲烷(CF4)、BCl3等进行的反应离子腐蚀处理。此外，随后用惰性气体例如氩进行干法腐蚀(溅射腐蚀)以作为后处理。该后处理也可以省去。形成n电极之前必须进行后处理(见前面所提到的日本特许公开平3-108779)。但是，按本发明，即使不进行后处理，在n电极与n型半导体层2之间也能获得欧姆接触。这在以下要详细说明。通过在n层2中限定用于生长P层3的表面，也能获得电极形成表面。例如，在生长p层3的同时，用掩模覆盖n层2上的电极形成表面，然后除去掩模。但是，即使在这种情况下，n层2上的掩模不能完全除去(到表面的原子量级)。因而，即使在这样处理过的n层2上单纯地淀积Al也难以获得欧姆接触。按图1(c)所示步骤，对p层3和表面4上的光刻胶5刻图，从而在n电极形成部分中形成窗口6。用通用的光敏树脂作光刻胶。光刻胶的厚度最好比n电极厚，即，优选厚度范围是0.3至5μm。在光刻胶5和窗口6的整个表面上淀积基层7形成材料和主电极层8形成材料，用所谓的脱离(lift-off)技术除去光刻胶，获得图1(d)所示结构。这里，基层7的形成材料最好是选自Nb、Cr、Zr和V的一种金属，如表1所列。也能用包含这些金属的合金。特别是用V构成基层时，在n电极与n层之间能获得欧姆接触，无论是否进行后处理，也可以在宽的加热条件下进行合金化处理，均能获得欧姆接触。换言之，用V作基层，能使n电极形成到n层时所需条件放松，这有助于简化形成的操作。主电极8的形成材料最好是选自Al、Ti、Zn、Ta和Ni组成的金属组中的单一金属。这些金属有相对于n层的小功函数，其作为电极有与n层令人满意的相容性。含有这些金属的合金也能用作主电极8的形成材料。图1(e)所示步骤中，至少n层2、基层7、和主电极层8要按图3所示条件进行热处理。当然，p层的未示出的p电极，也能同时进行热处理。结果，基层7和主电极层8被合金化而成为n电极9。应指出的是，该n电极有用其它导电金属覆盖的上表面和/或侧表面。现在说明图3所示热处理。首先，在大气中按每分钟40℃来提高样品温度。当样品温度超过350℃时，按每分钟300℃的速度使温度迅速升高至表1至表3中所示的合金化条件所示的合金化温度。之后，按表中规定的时间保持该合金化温度，之后冷却样品。要指出的是，对热处理环境无特别限制。即，不仅可在大气下进行热处理，也能在真空、低压、高压下进行热处理，还可在引入适量的N2、Ar、O2、H2等气体的环境中进行热处理。这里，设定升温速度为40℃/分钟和300℃/分钟以防止晶片碎裂和电极从晶片上脱落。因此，这些速度不会影响合金化后的晶片性能。合金化温度设定为450℃至700℃，500℃至600℃更好。如果合金化温度低于450℃，在n电极与n层之间难以形成欧姆接触。另外若合金化温度超过700℃，则对半导体层会有不利影响。特别是，在发光器件有MQW结构的发光层的情况下，不仅在MQW层中，而且在量子阱层和势垒层之间，都存在减小结构变化的危险。作为上述热处理的结果，假定覆盖在窗口6的底表面上的表面4的由腐蚀过程所产生的残留物(氧化物、氯化物、有机物等)和光刻胶的残留物，被基层7吸附。而且，假设基层7的形成材料与残留物一起被俘获进主电极8形成材料中。结果，最初能与n层2相容的主电极层8形成材料连接到半导体层2上。以下要说明用下述方法制备实验实例中用的样品。如图4(a)所示，在蓝宝石衬底31上经由AlN形成的160A厚的缓冲层32形成用掺Si的GaN制成的4μm厚的n层33。n层33的载流子浓度是2×1018/cm3。之后在n层33上形成由掺Mg的GaN制成的p层34。用MOVPE法形成各半导体层。之后，进行电子束辐照，把掺Mg的GaN层激活成p型层。用BCl3气体进行反应离子刻蚀处理，获得图4(b)和图4(c)所示半导体层结构。在150W的RF功率和1.5Pa的压力下经180分钟进行这种刻蚀处理。另外，在完成反应离子刻蚀处理后，用Ar气对腐蚀表面进行溅射腐蚀处理，以作为后处理。在150W的RF功率和8Pa的压力下经10分钟进行溅射腐蚀处理。之后，按各表所示条件形成n电极35。n电极35与n电极35之间的距离是340μm。n电极35的直径是110μm。表1至3中所示的电压是在n电极35之间流过20mA的电流时n电极35与n电极35之间的电压。术语“合金化前”是指样品还没经图3所示热处理，术语“合金化后”是指样品经过了相同的热处理。当电流-电压特性呈线性时判断表中用(O)表示的欧姆接触存在。当电流-电压特性基本上是线性时，判断表中“OS”所示的欧姆接触基本上存在。当电流-电压特性不是线性时，判断表中用“S”指示的有特基接触存在。从表1所示得知，无论是否用如Ar气的惰性气体进行溅射腐蚀处理，如果基层用Nb、Cr、Zr或V制成，则在n电极35与n层33之间基本上能获得欧姆接触。即，如果用V制造基层，则在合金化处理后，n电极35与n层33之间总能获得欧姆接触。如果用Nb、Cr、Zr构成基层，则合金化处理后能看到电压降落。另一方面，如果无基层，只用Al构成n电极，则没有看到电压降落。而且，如果用Nb构成基层，则经合金化处理后存在获得欧姆接触和没有获得欧姆接触的情况。由上述可以得出，即使用Cr和Zr构成基层，使热处理条件优化，则也能获得欧姆接触。用Nb制成的基层在550℃以上温度合金化时，n电极35与n层33之间能可靠地获得欧姆接触。合金化温度设定为530℃以上时，则在两层之间基本上获得欧姆接触。用V构成基层时，在更宽的条件下，n电极35与n层33之间获得欧姆接触。如果在550℃经3分钟使基层合金化，则用3个样品获得基本相同的电压，这表明能获得稳定的欧姆接触。表2中证实，用V构成基层时，热处理后对n电极35与n层33之间的欧姆接触无影响。可以得出在用Nb、Cr和Zr构成基层时存在同样的情况。表3所示的表中检测了用V构成的基层厚度。正如从该表中得到的，基层厚度最好设定为75至1000A，100至500A则更好。如果基层厚度小于75A，会出现不与基层反应的残留物保留在电极形成部分表面上的可能。但是，如果n层上的杂质量小，可得出基层厚度小于75A，就能具有令人满意的性能。层厚超过1000A时，即使在热处理后，仍会有基层残留在主电极层与n层之间的危险。用Nb、Cr、Zr构成基层时，可得出其厚度与用V构成的基层厚度相同。图5展示出样品合金化前n电极35与n电极35之间的电压-电流特性，即，不用基层只用单一的铝形成厚1.5μm的n电极时，不进行热处理的电极35之间的电压-电流特性。要指出的是，样品经5分钟后处理(用Ar气溅射腐蚀)。图6(a)是样品按图3所示关系曲线按图5所示的测试条件(在550℃合金化温度下经3分钟)进行热处理后测试的电压-电流特性。图6(b)是经热处理后的n电极表面的显微照片。同样地，图7(a)展示出样品按合金化温度550℃经0.5分钟热处理时的电压-电流特性。图7(b)是热处理过的n电极表面显微照片。从图5至7得知。电极35用单一的铝构成时，即使样品进行了热处理，n电极35与n层33之间还是能获得有特基接触，这表明n电极35的表面粗糙。图8展示用V形成的150A厚的基层，并在其上用Al形成厚1.5μm的主电极层时，合金化前n电极35与n电极35之间的电压-电流特性。要指出的是进行了5分钟后处理。图9(a)是经过在图8中测试的样品按图3所示关系曲线在合金化温度550℃经3分钟的热处理后的电压-电流特性。图9(b)是经过这样热处理后的n电极表面的显微图。同样，图10(a)展示出样品经合金化温度350℃，0.5分钟热处理后的电压-电流特性，图10(b)是热处理后的n电极的显微照片。从图8至10得知，用V构成基层，能在经过热处理的n电极35与n层33之间获得好的欧姆接触。而且，n电极35的表面清洁。当n电极35的表面清洁时，能容易地进行将布线焊接到n电极层35的工作，也使焊接后的布线很难脱落。而且，如果收集样品的图像数据，并在布线焊接操作中处理这些图像数据，则可把电极的中心部位规定成要焊接的布线位置。这里，如果获得无污染和光滑的电极表面，则能提高由图像处理所规定的电极部位的可靠性。因此，就能提高布线粘接操作的合格率。图11展示出当用V形成厚200A的基层和在其上用Al形成厚5000A的主电极层时在合金化之前的n电极35与n电极35之间的电压电流特性。应指出的是，不进行后处理。图12(a)展示出经过在图11测试的样品按图3所示关系曲线在合金化温度600℃经0分钟热处理后的电压-电流特性。图12(b)是热处理后n电极表面的显微照片。从图11和12得知，用V制造基层，无论是否进行热处理，n电极35与n层33之间均能获得良好的欧姆接触。而且，n电极35的表面形貌好。以下将参见图2说明按本发明实施例的发光二极管。用MOVPE法在衬底11上形成半导体层12至15。该生长法是用来向已加热至适当的温度的衬底提供含III族元素的氨和烷基化合物气体，如三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)或三甲基铟(TMI)，并使衬底经热分解过程，从而在衬底上生成所需的晶体。由于以MOVPE法为基础的半导体层形成方法是已知技术，因此，不再说明该方法的具体条件。有关细节请参见日本特许公开平5-175124、平8-97471、平6-268257等。各半导体层的技术指标如下缓冲层12AlN(50nm)n层13掺硅的GaN(2200nm)；载流子浓度2×1018/cm3发光层14量子阱层In0.16Ga0.84N(3.5nm)势垒层GaN(3.5nm)量子阱层和势垒层的重复数5P层15掺Mg的GaN(75nm)；载流子浓度5×1017/cm3这样设计的半导体层在与形成所述样品相同的条件下进行反应离子刻蚀处理和后处理(溅射腐蚀)，由此通过腐蚀除去P层15、发光层14和n层13的一部分。之后，按采用光刻胶的脱离技术，在已经被腐蚀的n层13的表面上用汽相淀积法形成用V制造的厚150A的基层和由Al制造的厚1.5μm的主电极层。之后，在P层15的几乎整个表面上汽相淀由Au构成的透明电极16，之后在透明电极16上形成Au电极18。而且，按图3所示关系曲线在合金化温度550℃经3分钟对制备的样品加热。结果，基层和主电极层一起被合金并构成n电极17。把这样形成的半导体晶片切成要构成所要求的发光二极管的多个单体元件。本实例的发光二极管设计成有520nm的峰值波长。本发明不限于所述实施例和任何实施例的模式，本领域的技术人员应了解，各种改型均是本发明要求保护的范围。显然，发明也能用于激光二极管。如上所述，发明的特征是在n层上用选自V、Nb、Zr和Cr中的至少一种金属或含这些金属的合金形成基层；基层上用其它金属形成主电极层；并对形成的n层、基层和主电极层进行热处理，以构成n电极。当按该方法形成了n电极时，就能在n电极与n层之间获得稳定的欧姆接触。用反应离子刻蚀处理在n层中形成n电极形成部分时，本发明中不要求进行传统方法中所要求进行的后处理(用例如Ar气的惰性气体进行溅射腐蚀)，就能在n层与n电极之间获得欧姆接触。结果，能减少半导体制造工艺步骤。总之，公开了以下内容。采用有关GaN的材料的化合物半导体器件的制造方法，包括以下步骤形成用n型GaN化合物半导体构成的半导体层；在一部分上形成基层，基层是用与半导体层表面上形成的膜物质反应并被俘获进以下要说明的主电极中的材料而构成的；在基层上形成主电极层，主电极层是用与半导体层相容的并有导电性的材料构成的。所述方法中可用掺Si的GaN构成半导体层。所述方法中，用AlxInyGa1-x-yN(包括x＝0，y＝0，x＝y＝0)构成半导体层。所述制造方法中，半导体器件是发光二极管。而且，还公开了以下内容。采用有关GaN的材料的化合物半导体器件的电极形成方法，包括以下步骤，形成用n型GaN化合物半导体构成的半导体层；在半导体层的电极部分上形成基层，基层用选自V、Nb、Zr和Cr中至少一种金属或含这些金属的合金构成；在基层上形成主电极层，用选自Al、Ti、Zn、Ta和Ni中的至少一种金属或含这些金属的合金来制造主电极层；将半导体层、基层和主电极层经热处理。在所述方法中，用掺Si的GaN制造半导体层。在所述方法中，用AlxInyGa1-x-yN(包括x＝0，y＝0，x＝y＝0)制造半导体层。在所述方法中，半导体器件是发光器件。表1</tables>基层/主电极200A/5000A(O)欧姆接触(S)肖特基接触(OS)基本上是欧姆接触表2</tables>基层/主电极V(200A)/Al(1.5μm)在20mA的电压单位VAT20mA(O)欧姆接触(S)肖特基接触(OS)基本上是欧姆接触表3</tables>后处理全部样品15分钟(O)欧姆接触(S)肖特基接触(OS)基本上是欧姆接触权利要求1.一种有关GaN的材料的化合物半导体器件的制造方法，包括以下工艺步骤形成n型GaN半导体层；在n型GaN层的一部分上形成电极的基层，用选自V、Nb、Zr和Cr中至少一种金属构成基层；在该基层上形成主电极层，用其它金属构成主电极层；和加热半导体层、基层和主电极层。2.按权利要求1所述的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件制造方法，其中，用V制造基层，用Al制造主电极层。3.按权利要求1所述的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件制造方法，其中，基层厚度是75至1000A。4.按权利要求1所述的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件制造方法，其中，在450℃至700℃温度范围内进行热处理步骤。5按权利要求1所述的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件制造方法，其中，用下述方式形成电极形成部分，包括以下步骤在半导体层上形成由P型GaN半导体层和I型半绝缘层之一所构成的第二层；用至少含氯原子和氟原子之一的气体或混合气体对第二层进行干法腐蚀；和在电极的基层形成步骤之前基本上保持着腐蚀过的电极区域的表面。6.按权利要求5的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件的制造方法，还包括在干法腐蚀第二层的同时干法腐蚀部分n型半导体层的步骤。7.一种有关GaN的材料的化合物半导体器件，包括由n型GaN化合物半导体制成的半导体层；设置于半导体层上并用选自V、Nb、Zr和Cr中的至少一种金属制成的电极。8.按权利要求7的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件，其中，在电极与半导体层之间具有欧姆接触。9.按权利要求7的采用有关GaN的材料的化合物半导体器件，其中，电极用Al和V合金制成。全文摘要一种有关GaN的材料的化合物半导体器件及其制造方法,其中在n型GaN化合物半导体层上,用选自V、Nb、Zr和Cr中的至少一种金属或含这些金属的合金制成基层。并在基层上形成由其它金属构成的主电极层。之后,将半导体层、基层和主电极层经热处理以制成n电极。文档编号H01S5/00GK1181636SQ9712256公开日1998年5月13日申请日期1997年10月3日优先权日1996年10月3日发明者上村俊也,柴田直树申请人:丰田合成株式会社