專利名稱：自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括發(fā)光二極管(LED)或激光二極管器件(LD)的半導(dǎo)體光發(fā)射器件的三族氮化物半導(dǎo)體器件，特別涉及自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法。
周期表三族氮化物半導(dǎo)體的直接帶隙能量根據(jù)其組成可以在1.95到6.2eV之間變化，因此它們作為如發(fā)光二極管(LED)器件和激光二極管(LD)器件等光發(fā)射器件的材料可以使發(fā)光器件的工作波長(zhǎng)覆蓋整個(gè)可見光譜并延伸到紫外光區(qū)，因此已引起人們極大的關(guān)注。最近，由于利用了這些三族氮化物半導(dǎo)體材料，高亮度藍(lán)光LED器件、綠光LED器件、白光LED和紫光激光器已進(jìn)入實(shí)用階段。這些LED器件具有含p-n結(jié)的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或量子阱有源層。
常規(guī)三族氮化物半導(dǎo)體LED器件基本上皆具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中氮化銦鎵(InGaN)構(gòu)成的有源區(qū)或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鋁鎵(AlGaN)構(gòu)成的n型和p型限制層之間。限制層與有源層接觸且具有比有源層帶隙能量大，根據(jù)各能級(jí)該結(jié)構(gòu)可效向有源層有效地注入電子和空穴。氮化鎵(GaN)構(gòu)成的n型限制層是形成在n型接觸層上。GaN構(gòu)成的p型接觸層形成在p型限制層上。p型接觸層和n型接觸層分別用來(lái)制造正負(fù)電極。這種層疊結(jié)構(gòu)形成在如藍(lán)寶石之類的絕緣基片上，其特點(diǎn)是所有P-N結(jié)和異質(zhì)結(jié)都為平行于藍(lán)寶石表面的平面。例如在中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開說(shuō)明書(申請(qǐng)?zhí)?6120525.3)中公開了能提高向有源層有效地注入電子和空穴的一種結(jié)構(gòu)。
同樣生長(zhǎng)在如藍(lán)寶石之類的絕緣基片上的常規(guī)三族氮化物半導(dǎo)體LED器件n型和p型電極均需從三族氮化物的一面引出，因此常規(guī)三族氮化物半導(dǎo)體LED和器件通常的制造方法是利用金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)技術(shù)一次連續(xù)生長(zhǎng)完全部器件結(jié)構(gòu)，這樣外延片的P-N結(jié)為平面且與藍(lán)寶石襯底表面平行，最外表面全部被P-GaN所覆蓋。為了從外延片的一面引出n型和p型電極，需要用光刻和干法腐蝕方法選擇性的去除部分p型層，暴露出N型層同時(shí)形成發(fā)光臺(tái)面。此發(fā)光臺(tái)面頂部為p-GaN正電極接觸層，依次為P限制層，發(fā)光的有源區(qū)，n限制層，底部為n-GaN負(fù)電極接觸層。然后，再用常規(guī)光刻與淀積金屬的方法分別在p區(qū)正電極接觸層和n區(qū)負(fù)電極接觸層上分別形成歐姆接觸的正負(fù)電極。這種現(xiàn)行工藝有如下缺點(diǎn)1、干法腐蝕工序成為不可缺少的工序。干法腐蝕形成的發(fā)光臺(tái)面時(shí)，臺(tái)面?zhèn)让媸芨煞ǜg時(shí)的粒子轟擊會(huì)出現(xiàn)表面損傷層并造成表面化學(xué)比偏離，同時(shí)在干法腐蝕時(shí)環(huán)境中的氫離子可能擴(kuò)散進(jìn)入P-GaN層中使P型雜質(zhì)鎂(Mg)又重新被氫鈍化。上述兩種效應(yīng)均會(huì)造成P-GaN層的退化，甚至轉(zhuǎn)變成N型，造成正電極歐姆接觸不良，使器件特性變差；或P-N結(jié)短路，使器件失效。為了減少這種影響，還需要增加腐蝕或退火工藝。
2、干法腐蝕工藝后，PN結(jié)和有源區(qū)的側(cè)邊界面暴露于空氣中，如不增加鈍化工序，p-n結(jié)特性和發(fā)光效率會(huì)受環(huán)境影響而退化。

圖1表示現(xiàn)有技術(shù)制造的LED器件的剖面圖；其P-N結(jié)面平行于襯底表面，P-N結(jié)側(cè)邊界是暴露的。
3、在利用專利(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?0105756.1)減少電流沿n型半導(dǎo)體層平行于p-n結(jié)流動(dòng)的電阻而使用二維電子氣的n型半導(dǎo)體接觸層時(shí)，干法腐蝕的腐蝕終點(diǎn)精度要求較高，增加了工藝難度，或影響獲得高成品率。
本發(fā)明的目的是提供一種自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法，其是利用選擇外延技術(shù)在藍(lán)寶石之類的絕緣基片上生長(zhǎng)非平面的P-N結(jié)和異質(zhì)結(jié)，同時(shí)免去常規(guī)外延生長(zhǎng)平面P-N結(jié)后必須的干法刻蝕工藝，在選擇外延生長(zhǎng)出的p-GaN正電極接觸層上，直接制作正電極，可避免常規(guī)工藝過(guò)程中干法刻蝕造成的退化，改善歐姆接觸，降低串聯(lián)電阻以降低功耗、延長(zhǎng)器件壽命。同時(shí)免去干法刻蝕和減少器件的制作工藝步驟，提高成品率，降低成本。
本發(fā)明的另一目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，利用選擇外延技術(shù)使得p-n結(jié)和有源區(qū)邊緣自然終止于絕緣電介質(zhì)層，不與周圍氣氛接觸。因而結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)工藝制造的氮化鎵發(fā)光二極管。還可以利用設(shè)備和運(yùn)行成本都較低的氫化物氣相外延(HVPE)制備厚n-GaN負(fù)電極接觸底層，因而可以縮短MOVPE生長(zhǎng)時(shí)間，提高M(jìn)OVPE設(shè)備的生產(chǎn)效率，從而進(jìn)一步降低器件成本。本發(fā)明由于不對(duì)負(fù)電極接觸底層3進(jìn)行腐蝕，因而特別適合于配合發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?0105756.1的專利。該專利在n型半導(dǎo)體負(fù)電極接觸層中使用二維電子氣結(jié)構(gòu)以減少電流沿n型半導(dǎo)體層平行于p-n結(jié)流動(dòng)的電阻。
在本發(fā)明中，廣義的三族氮化物半導(dǎo)體是指時(shí)周期表中III族元素的氮化物，主要地是由氮化銦鋁鎵硼(InxAlyGazB1-x-y-zN)表示的氮化物半導(dǎo)體，這里0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。在本說(shuō)明書中InxGa1-xN(0≤x≤1)表示氮化銦鎵三元固溶體，有時(shí)簡(jiǎn)化為InGaN。類似的表達(dá)還有AlGaN，以及四元固溶體氮化銦鋁鎵(AlGaInN)等。
本發(fā)明一種非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其中包括一藍(lán)寶石襯底或其它絕緣襯底；在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)有三族氮化物緩沖層和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層；在n型三族氮化物上淀積有和電介質(zhì)層；在淀積的電介質(zhì)層上開有器件發(fā)光區(qū)窗口；在窗口區(qū)上依次的選擇外延生長(zhǎng)層有負(fù)電極接觸頂層、防裂層、n型限制層、量子阱有源層、p型限制層、p型正電極接觸層，并組成雙異質(zhì)結(jié)或量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延層；在p型正電極接觸層上制作正透明電極和正電極焊盤；在電介質(zhì)層上第二次開負(fù)電極窗口，并在此窗口上制作負(fù)電極。
其中在窗口區(qū)上依次生長(zhǎng)的負(fù)電極接觸頂層、防裂層、n型限制層、量子阱有源層、p型限制層、p型正電極接觸層，其中負(fù)電極接觸頂層與n型三族氮化物底層共同組成負(fù)電極接觸層，防裂層包覆負(fù)電極接觸層，n型限制層包覆防裂層，量子阱有源層包覆n型限制層，p型限制層包覆量子阱有源層，p型正電極接觸層包覆p型限制層。
其中所說(shuō)的其它絕緣襯底還可以是鎂鋁尖晶石或鋁酸鋰或鎵酸鋰或其他氧化物單晶片。
其中所說(shuō)n型三族氮化物層總厚度為3到5微米之間，可以是n型氮化鎵層；或含有反射波長(zhǎng)與二極管發(fā)光波長(zhǎng)一致的由多層氮化鎵/氮化鋁鎵組成的布拉格反射器的n型氮化鎵層；或含有氮化鎵/氮化鋁鎵二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵層；或同時(shí)含有氮化鎵/氮化鋁鎵布拉格反射器和氮化鎵/氮化鋁鎵二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵層。
其中所說(shuō)電介質(zhì)層，其電介質(zhì)層可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅或其他，以及由它們組成的疊層結(jié)構(gòu)。
其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
其中所說(shuō)電介質(zhì)層厚度為200～1000nm。
其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化銦鎵構(gòu)成的有源區(qū)或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鎵鋁構(gòu)成的n型限制層和p型限制層之間。
其中所說(shuō)p型限制層可以是摻鎂的p型氮化鋁鎵，或摻鎂的p型氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格。
其中所說(shuō)終止面為p型正電極接觸層可以是摻鎂的p型氮化鎵層，或是摻鎂的p型氮化鎵銦層，或是摻鎂的p型氮化鎵/氮化鎵銦超晶格層。
其中所說(shuō)二極管正電極包含透明電極和焊盤。
其中所說(shuō)正電極包含透明電極和焊盤的正電極由鎳/金或氧化鎳/金或其它高功函數(shù)金屬如鉑、鈀等構(gòu)成；透明電極厚度在0.05～0.5μm之間；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間。
其中所說(shuō)二極管負(fù)電極由鈦/鋁或鈦/鋁/鈦/金構(gòu)成；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間。
本發(fā)明一種非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，第一，在絕緣襯底上使用外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)三族氮化物緩沖層和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層；第二，在n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層上用化學(xué)氣相淀積或等離子體氣相淀積電介質(zhì)層；第三，在淀積的電介質(zhì)層上用光刻方法開器件發(fā)光區(qū)窗口；第四，在窗口區(qū)暴露出的n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層上，利用選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)n型三族氮化物負(fù)電極接觸頂層，并連續(xù)生長(zhǎng)非平面的含有量子阱有源區(qū)的P-N結(jié)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，臺(tái)面P-N結(jié)的終止面為p型三族氮化物正電極接觸層，P-N結(jié)的側(cè)面自然終止于電介質(zhì)層；第五，在p型三族氮化物的臺(tái)面上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積電極金屬配合光刻-剝離工藝形成二極管正電極和；第六，在電介質(zhì)層上利用光刻-腐蝕方法開出負(fù)電極窗口；第七，在負(fù)電極窗口上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積電極金屬配合光刻-剝離工藝形成負(fù)電極。
其中外延生長(zhǎng)法是指金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)，或氫化物氣相外延技術(shù)，或分子束外延技術(shù)，或用上述外延技術(shù)的混合。
其中所說(shuō)形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)的選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)是指三族氮化物的外延生長(zhǎng)僅發(fā)生在暴露出三族氮化物的窗口內(nèi)，而在電介質(zhì)窗口層上不進(jìn)行生長(zhǎng)；選擇外延生長(zhǎng)首選技術(shù)是金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延，也可以采用分子束外延技術(shù)或氫化物氣相外延技術(shù)，或用上述外延方法混合生長(zhǎng)得到。
其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以含有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化鎵銦構(gòu)成的有源區(qū)或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鋁鎵AlGaN構(gòu)成的n型限制層和p型限制層之間。
其中所說(shuō)有p型限制層可以是摻鎂的氮化鋁鎵，或摻鎂的氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格。
其中所說(shuō)終止面為p型三族氮化物正電極接觸層可以是p型氮化鎵層，或p型氮化銦鎵層，或p型氮化鎵/氮化銦鎵超晶格層。
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)剖面圖；其P-N結(jié)面平行于襯底表面，P-N結(jié)側(cè)邊界是暴露的；圖2為本發(fā)明自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的剖面圖，P-N結(jié)側(cè)邊界不是暴露的，以及該器件的制作流程圖。
請(qǐng)參閱圖2所示本發(fā)明一種自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其中包括
一藍(lán)寶石或其它絕緣襯底1；在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)有三族氮化物緩沖層2和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層3；在n型三族氮化物3上淀積有和電介質(zhì)層4；在淀積的電介質(zhì)層4上開有器件發(fā)光區(qū)窗口41；在窗口區(qū)41上依次的選擇外延生長(zhǎng)層有負(fù)電極接觸頂層5、防裂層6、n型限制層7、量子阱有源層8、p型限制層9、p型正電極接觸層10，并組成雙異質(zhì)結(jié)或量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延層；在p型正電極接觸層10上制作正透明電極11和正電極焊盤13；在電介質(zhì)層4上第二次開負(fù)電極窗口121，并在此窗口上制作負(fù)電極12。
其中在窗口區(qū)41上依次生長(zhǎng)的負(fù)電極接觸頂層5、防裂層6、n型限制層7、量子阱有源層8、p型限制層9、p型正電極接觸層10層，其中負(fù)電極接觸層5與n型三族氮化物層3共同組成負(fù)電極接觸層，防裂層6包覆負(fù)電極接觸層5，n型限制層7包覆防裂層6，量子阱有源層8包覆n型限制層7，p型限制層9包覆量子阱有源層8，p型正電極接觸層10包覆p型限制層9。
其中所說(shuō)的其它絕緣襯底可以是鎂鋁尖晶石或鋁酸鋰或鎵酸鋰或其他氧化物單晶片。
其中所說(shuō)n型三族氮化物層3總厚度為3到5微米之間，可以是n型氮化鎵層；或含有反射波長(zhǎng)與二極管發(fā)光波長(zhǎng)一致的由多層氮化鎵/氮化鋁鎵組成的布拉格反射器的n型氮化鎵層；或含有氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵(GaN)層；或同時(shí)含有氮化鎵/氮化鋁鎵布拉格反射器和氮化鎵/氮化鋁鎵二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵層。
其中所說(shuō)電介質(zhì)層4，其電介質(zhì)層可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅或其他，以及由它們組成的疊層結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)層4厚度為200～1000nm。
其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化銦鎵(InGaN)構(gòu)成的有源區(qū)8或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層8夾在由氮化鋁鎵(AlGaN)構(gòu)成的n型限制層7和p型限制層9之間。
其中所說(shuō)有p型限制層9可以是摻鎂的p型氮化鋁鎵(AlGaN)，或摻鎂的p型氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)超晶格。
其中所說(shuō)終止面為p型正電極接觸層10可以是摻鎂的p型氮化鎵層10，或是摻鎂的p型氮化鎵銦(InGaN)層10，或是摻鎂的p型氮化鎵/氮化銦鎵(GaN/InGaN)超晶格層。
其中所說(shuō)二極管正電極包含透明電極11和焊盤13；正電極包含透明電極和焊盤的正電極由鎳/金或氧化鎳/金或其它高功函數(shù)金屬如鉑、鈀等構(gòu)成；透明電極厚度在0.05～0.5μm之間；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間；二極管負(fù)電極由鈦/鋁或鈦/鋁/鈦/金構(gòu)成；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間。
本發(fā)明一種非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，第一，在絕緣襯底上使用外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)緩沖層2和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層3；第二，在n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層3上用化學(xué)氣相淀積或等離子體氣相淀積電介質(zhì)層4；第三，在淀積的電介質(zhì)層4上用光刻方法開器件發(fā)光區(qū)窗口41；第四，在開有電介質(zhì)窗口的n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層3上，利用選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)n型三族氮化物負(fù)電極接觸頂層5，并連續(xù)生長(zhǎng)非平面的含有量子阱有源區(qū)的P-N結(jié)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，臺(tái)面P-N結(jié)的終止面為p型三族氮化物正電極接觸層10，P-N結(jié)的側(cè)面自然終止于電介質(zhì)層；第五，在p型三族氮化物的臺(tái)面上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積電極金屬配合光刻-剝離工藝形成二極管正電極11和13；第六，在電介質(zhì)層上利用光刻-腐蝕方法開出負(fù)電極窗口121；第七，在負(fù)電極窗口上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積電極金屬配合光刻-剝離工藝形成負(fù)電極12。
其中外延生長(zhǎng)法是指金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)，或氫化物氣相外延技術(shù)，或分子束外延技術(shù)，或用上述外延技術(shù)的混合。
其中所說(shuō)形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)的選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)是指三族氮化物的外延生長(zhǎng)僅發(fā)生在暴露出三族氮化物的窗口內(nèi)，而在電介質(zhì)層上不進(jìn)行生長(zhǎng)；選擇外延生長(zhǎng)首選技術(shù)是金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延，也可以采用分子束外延技術(shù)或氫化物氣相外延技術(shù)，或用上述外延方法混合生長(zhǎng)得到。
其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以含有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化銦鎵(InGaN)構(gòu)成的有源區(qū)8或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鋁鎵(AlGaN)構(gòu)成的n型限制層7和p型限制層9之間。
其中所說(shuō)有p型限制層9可以是摻鎂的氮化鋁鎵(AlGaN)，或摻鎂的氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)超晶格。
其中所說(shuō)終止面為p型三族氮化物正電極接觸層10可以是p型氮化鎵(GAN)層，或p型氮化銦鎵(InGaN)層，或p型氮化鎵/氮化銦鎵(GaN/InGaN)超晶格層。
本發(fā)明的第一實(shí)施例提供一種三族氮化物量子阱半導(dǎo)體器件制造方法，其制造步驟為1)用MOVPE方法，在藍(lán)寶石襯底1上生長(zhǎng)20nm的緩沖層2，然后生長(zhǎng)生長(zhǎng)3～5μm的摻硅n型含有GaN/AlGaN二維電子氣層的GaN負(fù)電極接觸底層3，如圖2A；2)在3～5μm的n型含有GaN/AlGaN二維電子氣層的GaN負(fù)電極接觸底層3上淀積二氧化硅(SiO2)電介質(zhì)層4，如圖2B；3)在SiO2上光刻形成器件發(fā)光區(qū)窗口41，成為選擇外延生長(zhǎng)用襯底如圖2C；4)再次用MOVPE法選擇外延生長(zhǎng)摻硅n-GaN接觸頂層5與層3共同組成n型負(fù)電極接觸層(如圖2D)。然后接續(xù)生長(zhǎng)摻硅n-InGaN防裂層6，摻硅n-AlGaN限制層7，InGaN量子阱有源層8，摻鎂p-A1GaN限制層9，摻鎂p-GaN正電極接觸層10，如圖2E；5)在p-GaN正電極接觸層10上，直接淀積鎳/金(Ni/Au)，制作p型透明電極11和焊盤13；6)在負(fù)電極接觸層上的電介質(zhì)層4上，選擇除去部分SiO2，形成n型負(fù)電極窗口121，然后形成n型鈦/鋁負(fù)電極12，如圖2F。
在絕緣襯底上生長(zhǎng)三族氮化物緩沖層，在其上并與其相接觸具有二維電子氣結(jié)構(gòu)的三族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的n型負(fù)電極接觸層。所說(shuō)二維電子氣結(jié)構(gòu)層由氮化鎵半導(dǎo)體層和比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成；在負(fù)電極接觸層上并與其相接觸的是含銦的三族氮化物的防裂層。防裂層是為了防止在其上并與其相接觸的是比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體n型限制層發(fā)生龜裂。
生長(zhǎng)在氮化鎵層上的含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體層當(dāng)厚度較大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生龜裂。而在含銦三族氮化物層上生長(zhǎng)的含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體層就不發(fā)生龜裂。因此，在n型負(fù)電極接觸層和n型限制層間就插入含銦三族氮化物的防裂層。
在防裂層上并與其相接觸的是比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的三族氮化物半導(dǎo)體n型限制層；在n型限制層上并與其相接觸的是含銦的三族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層，且并至少具有一個(gè)厚度不大于70埃的阱層；在有源層上并與其相接觸的是且具有比有源層大的帶隙能量的p型含鋁三族氮化物半導(dǎo)體限制層；在p型三族氮化物限制層上并與其相接觸的是比p型三族氮化物限制層帶隙能量小的p型三族氮化物半導(dǎo)體正電極接觸層；在p型三族氮化物半導(dǎo)體接觸層和含有二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型三族氮化物接觸層上分別形成歐姆接觸的正(包括半透明正電極)、負(fù)電極。
本發(fā)明的第二實(shí)施例提供一種三族氮化物雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件制造方法，其制造步驟為1)在藍(lán)寶石襯底1上用MOVPE方法生長(zhǎng)20nm的緩沖層2，然后生長(zhǎng)3μm的負(fù)電極接觸底層n-GaN3，如圖2A；2)在3μm的摻硅n-GaN負(fù)電極接觸底層3上淀積SiO2絕緣電介質(zhì)層4，如圖2B；3)在SiO2上光刻形成器件發(fā)光區(qū)窗口41，成為選擇外延生長(zhǎng)用襯底如圖2C；4)在選擇外延生長(zhǎng)時(shí)，在襯底上再次用MOVPE法生長(zhǎng)摻硅n-GaN負(fù)電極接觸頂層5與n-GaN3共同構(gòu)成復(fù)合n-GaN負(fù)電極接觸層(如圖2D)，再連續(xù)生長(zhǎng)摻硅n-InGaN防裂層6，摻硅n-AlGaN限制層7，InGaN有源層8，摻鎂p-AlGaN限制層9，摻鎂p-GaN正電極接觸層10，R如圖2E；5)利用光刻-蒸發(fā)鎳/金-剝離方法直接在p-GaN正電極接觸層10上，制作p型透明電極11，然后再次利用相同工藝形成正電極焊盤13。
6)利用光刻和腐蝕方法選擇除去部分SiO2形成n型負(fù)電極窗口121，然后利用光刻-蒸發(fā)鈦/鋁-剝離方法在窗口處形成n型負(fù)電極12，如圖2F。
本發(fā)明的第三實(shí)施例提供一種HVPE和MOVPE混合三族氮化物半導(dǎo)體器件制造方法，其制造步驟為1)在藍(lán)寶石襯底1上用氯化鎵，硅烷和氨為原料的氫化物氣相外延(HVPE)方法生長(zhǎng)生長(zhǎng)3μm的摻硅n-GaN負(fù)電極接觸底層3，如圖2A；2)在3μm的n-GaN負(fù)電極接觸底層3上淀積SiO2電介質(zhì)層4，如圖2B；3)在SiO2上光刻形成器件發(fā)光區(qū)窗口41，成為選擇外延生長(zhǎng)用襯底如圖2C；4)用選擇外延生長(zhǎng)在上述襯底上再次用MOVPE法生長(zhǎng)摻硅n-GaN5與n-GaN3共同構(gòu)成復(fù)合n-GaN負(fù)電極接觸層(如圖2D)，再連續(xù)生長(zhǎng)摻硅n-InGaN防裂層6，摻硅n-AlGaN限制層7，InGaN量子阱有源層8，摻鎂p-AlGaN限制層9，摻鎂p-GaN正電極接觸層10，如圖2E；5)利用光刻-蒸發(fā)鎳/金-剝離方法直接在p-GaN正電極接觸層10上，制作p型透明電極11，然后再次利用相同工藝形成正電極焊盤13。
6)利用光刻和腐蝕方法選擇除去部分SiO2形成n型負(fù)電極窗口121，然后利用光刻-蒸發(fā)鈦/鋁-剝離方法在該窗口處形成n型負(fù)電極12，如圖2F。
從下面的說(shuō)明中可進(jìn)一步看出本發(fā)明的的目的和優(yōu)點(diǎn)，一部分可以從說(shuō)明中獲得，或可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明來(lái)獲悉。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)所附權(quán)利要求書中特別指出的手段和其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
與說(shuō)明書結(jié)合且構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，它們和上面的一般說(shuō)明及對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。
例1在本例中，示出具有圖2所示結(jié)構(gòu)的三族氮化物半導(dǎo)體LED器件制造過(guò)程。
將清潔的藍(lán)寶石襯底置于MOVPE反應(yīng)室的基座上，并使MOVPE系統(tǒng)內(nèi)的氣體完全為氫氣。然后，在氫氣流中將襯底加熱到1150℃的溫度以進(jìn)行襯底的清潔處理。
然后，當(dāng)溫度降到1050℃后向反應(yīng)室連續(xù)通入氨對(duì)藍(lán)寶石表面進(jìn)行氮化，時(shí)間為3～5分鐘，然后溫度降到500～550℃通入氨、三甲基鎵(TMGa)生長(zhǎng)緩沖層2。然后僅在氨氣氛下升溫到1050℃，再次通入氨、三甲基鎵和硅烷(SiH4)生長(zhǎng)摻硅(Si)的GaN層3。摻Si的氮化鎵層至總厚度達(dá)2-4μm。
清潔的或經(jīng)清潔處理的GaN外延片放入CVD反應(yīng)室中，通入硅烷和笑氣在約300℃下淀積二氧化硅。二氧化硅厚度達(dá)300nm。
將有二氧化硅介質(zhì)GaN層經(jīng)光刻工藝，形成器件發(fā)光區(qū)窗口。
將清潔的或經(jīng)清潔處理的有二氧化硅介質(zhì)窗口的GaN層的藍(lán)寶石襯底置于MOVPE反應(yīng)室的基座上，并使MOVPE系統(tǒng)內(nèi)的氣體完全為氫氣。然后，在氨(NH3)和氫氣流中將襯底加熱到1150℃的溫度以進(jìn)行襯底的清潔處理。
然后，當(dāng)溫度降到1050℃后向反應(yīng)室連續(xù)通入氨、三甲基鎵(TMGa)和硅烷(SiH4)生長(zhǎng)摻硅(Si)的GaN層3。生長(zhǎng)摻Si的GaN層層厚在0.1-1μm之間，使摻Si的氮化鎵層至總厚度達(dá)2-5μm。
然后，生長(zhǎng)150nm厚的摻Si-InxGa1-xN防裂層，x值在0.06-0.15之間。
然后，生長(zhǎng)150nm厚的摻Si-AlxGal-xN層，x值在0.1-0.2之間的限制層5。
然后，降溫到800℃在氮載氣下，用氨、TMGa，三甲基銦(TMIn)和SiH4為摻雜劑生長(zhǎng)Si的InxGa1-xN/InyGa1-yN單量子阱有源層6。壘層厚度為50埃，y值在0.01-0.06之間；接著，增加TMIn的分壓，生長(zhǎng)厚度為25埃，x值在0.15-0.25之間阱層。然后在生長(zhǎng)厚度為50埃，y值在0.01-0.06之間的壘層。最終形成單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)的有源層6。
然后，再次升溫到1100℃向反應(yīng)室連續(xù)通入氨、TMGa、三甲基鋁(TMAl)和二茂鎂(CP2Mg)生長(zhǎng)摻鎂(Mg)的p-AlGaN限制層7，到0.15μm的厚度。
最后，在1050℃下，用TMGa、氨和CP2Mg生長(zhǎng)摻Mg的p-GaN接觸層8到0.5μm的厚度。
在此之后，溫度被降到室溫，從MOVPE反應(yīng)室中取出外延片。該外延片在700到950℃下在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火而進(jìn)一步降低p-型層的電阻。用光刻-淀積金屬-剝離法在p臺(tái)面8上形成由Ni和Au所組成的半透明正電極15。然后，再一次用光刻-淀積金屬-剝離法在p臺(tái)面8上形成p-型接觸層焊盤16。然后，用光刻法暴露出n型接觸層3的GaN窗口。在刻蝕處理之后，用光刻-淀積金屬-剝離法在n型接觸層3的GaN表面形成由Ti和Al所組成的負(fù)電極焊盤14。于是形成LED管芯片。
接著，管芯片被切割成為多個(gè)LED管芯。該管芯被粘接到標(biāo)準(zhǔn)LED管座內(nèi)。然后分別完成p-型接觸層焊盤和n-型接觸層焊盤與正負(fù)管腳間的焊接。最后再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)塑封和切斷工藝最終形成發(fā)光二極管。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明利用選擇外延技術(shù)在藍(lán)寶石之類的絕緣基片上生長(zhǎng)自鈍化非平面的P-N結(jié)，同時(shí)免去常規(guī)外延生長(zhǎng)平面P-N結(jié)后必須的干法刻蝕工藝，在選擇外延生長(zhǎng)出的p-GaN接觸層上，直接淀積Ni/Au，制作p型電極，可避免常規(guī)工藝過(guò)程中干法刻蝕工藝造成的退化，改善歐姆接觸，降低串聯(lián)電阻以降低功耗、延長(zhǎng)器件壽命的氮化鎵發(fā)光二極管。同時(shí)減少該三族氮化物半導(dǎo)體器件的制作工藝步驟，提高成品率，降低成本。
2.本發(fā)明利用選擇外延技術(shù)使得p-n結(jié)邊緣終止于絕緣層，不與周圍氣氛接觸自然使p-n結(jié)得到鈍化。因而結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)工藝。
3.提供一種利用可以用的氫化物氣相外延(HVPE)制備厚n-GaN負(fù)電極接觸層3，因而可以縮短氮化鎵生長(zhǎng)速度慢成本高的MOVPE生長(zhǎng)時(shí)間，提高M(jìn)OVPE設(shè)備的生產(chǎn)效率，從而進(jìn)一步降低器件成本。
權(quán)利要求
1.一種自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中包括一藍(lán)寶石或其它絕緣襯底；在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)有三族氮化物緩沖層和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層；在n型三族氮化物上淀積有電介質(zhì)層；在淀積的電介質(zhì)層上開有器件發(fā)光區(qū)窗口；在窗口區(qū)上依次的選擇外延生長(zhǎng)層有負(fù)電極接觸頂層、防裂層、n型限制層、量子阱有源層、p型限制層、p型正電極接觸層，并組成雙異質(zhì)結(jié)或量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延層，該P(yáng)-N結(jié)的側(cè)面自然終止于電介質(zhì)層；在p型正電極接觸層上制作正透明電極和正電極焊盤；在電介質(zhì)層上第二次開負(fù)電極窗口，并在此窗口上制作負(fù)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中在窗口區(qū)上依次選擇外延生長(zhǎng)負(fù)電極接觸頂層、防裂層、n型限制層、量子阱有源層、p型限制層、p型正電極接觸層，其中負(fù)電極接觸頂層與n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層共同組成負(fù)電極接觸層，防裂層包覆負(fù)電極接觸層，n型限制層包覆防裂層，量子阱有源層包覆n型限制層，p型限制層包覆量子阱有源層，p型正電極接觸層包覆p型限制層；如此生長(zhǎng)出非平面的含有量子阱有源區(qū)的P-N結(jié)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其P-N結(jié)的側(cè)面自然終止于電介質(zhì)層而形成鈍化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)的其它絕緣襯底可以是鎂鋁尖晶石或鋁酸鋰或鎵酸鋰或其氧化物單晶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層總厚度為3到5微米之間，可以是n型氮化鎵層；或含有反射波長(zhǎng)與二極管發(fā)光波長(zhǎng)一致的由多層氮化鎵/氮化鋁鎵組成的布拉格反射器的n型氮化鎵層；或含有氮化鎵/氮化鋁鎵二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵層；或同時(shí)含有氮化鎵/氮化鋁鎵布拉格反射器和氮化鎵/氮化鋁鎵二維電子氣結(jié)構(gòu)的n型氮化鎵層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)電介質(zhì)層，其電介質(zhì)層可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅或其他，以及由它們組成的疊層結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)電介質(zhì)層厚度為200～1000nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化鎵銦構(gòu)成的有源區(qū)或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鎵鋁構(gòu)成的n型限制層和p型限制層之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)有p型限制層可以是摻鎂的p型氮化鋁鎵，或摻鎂的p型氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)終止面為p型正電極接觸層可以是摻鎂的p型氮化鎵層，或是摻鎂的p型氮化鎵銦層，或是摻鎂的p型氮化鎵/氮化鎵銦超晶格層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)二極管正電極包含透明電極和焊盤。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)正電極包含透明電極和焊盤的正電極由鎳/金或氧化鎳/金或其它高功函數(shù)金屬如鉑、鈀等構(gòu)成；透明電極厚度在0.0 5～0.5μm之間；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中所說(shuō)二極管負(fù)電極由鈦/鋁或鈦/鋁/鈦/金構(gòu)成；焊盤厚度在0.8～1.5μm之間。
14.一種自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，第一，在絕緣襯底上使用外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)緩沖層和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層；第二，在n型三族氮化物負(fù)電極接觸層上用化學(xué)氣相淀積或等離子體氣相淀積電介質(zhì)層；第三，在淀積的電介質(zhì)層上用光刻方法開器件發(fā)光區(qū)窗口；第四，在開有電介質(zhì)窗口的n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層上，利用選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)負(fù)電極接觸頂層并連續(xù)生長(zhǎng)非平面的含有量子阱有源區(qū)的P-N結(jié)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，臺(tái)面的終止面為p型三族氮化物正電極接觸層，P-N結(jié)的側(cè)面自然終止于電介質(zhì)層；第五，在p型三族氮化物的臺(tái)面上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積金屬層配合光刻-剝離工藝形成二極管正電極；第六，在電介質(zhì)層上利用光刻-腐蝕方法開出負(fù)電極窗口；第七，在負(fù)電極窗口上利用真空蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法淀積金屬層配合光刻-剝離工藝形成負(fù)電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中外延生長(zhǎng)法是指金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)，或氫化物氣相外延技術(shù)，或分子束外延技術(shù)，或用上述外延技術(shù)的混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中所說(shuō)形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)的選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)是指三族氮化物的外延生長(zhǎng)僅發(fā)生在暴露出三族氮化物的窗口內(nèi)，而在電介質(zhì)層上不進(jìn)行生長(zhǎng)；選擇外延生長(zhǎng)首選技術(shù)是金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延，也可以采用分子束外延技術(shù)或氫化物氣相外延技術(shù)，或用上述外延方法混合生長(zhǎng)得到。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中所說(shuō)非平面的P-N結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以含有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或含有量子阱有源層。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中所說(shuō)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)其中氮化銦鎵構(gòu)成的有源區(qū)或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鋁鎵構(gòu)成的n型限制層和p型限制層之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中所說(shuō)p型限制層可以是摻鎂的氮化鋁鎵，或摻鎂的氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，其中所說(shuō)終止面為p型三族氮化物正電極接觸層可以是p型氮化鎵層，或p型氮化銦鎵層，或p型氮化鎵/氮化銦鎵超晶格層。
全文摘要
一種自鈍化非平面結(jié)三族氮化物半導(dǎo)體器件,包括藍(lán)寶石襯底并外延生長(zhǎng)有三族氮化物緩沖層和n型三族氮化物負(fù)電極接觸底層并淀積有電介質(zhì)層;在淀積的電介質(zhì)層上開有器件發(fā)光區(qū)窗口;在窗口區(qū)上再次外延生長(zhǎng)有負(fù)電極接觸頂層、防裂層、n型限制層、量子阱有源層、p型限制層、p型正電極接觸層;在p型正電極接觸層上制作透明正電極和正電極焊盤;在電介質(zhì)層上第二次開負(fù)電極窗口,并在此窗口上制作負(fù)電極。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1354528SQ0013274
公開日2002年6月19日 申請(qǐng)日期2000年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月16日
發(fā)明者陸大成, 王曉暉, 姚文卿, 劉祥林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所