專(zhuān)利名稱(chēng)：用于第Ⅲ族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的n－電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的n-電極。
當(dāng)前，對(duì)發(fā)光器件的輸出和效率要求作很大的改進(jìn)。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，就需要極大地減少n-電極和第III族氮化物化合物半導(dǎo)體的n-型層之間的電阻。
當(dāng)?shù)贗II族氮化物化合物半導(dǎo)體被用于發(fā)光器件之外的器件時(shí)，n-型第III族氮化物化合物半導(dǎo)體和電極之間的電阻也要足夠的低。例如一種n-AlGaN/GaN型HFET(異型結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)被認(rèn)為是下一代高頻電力器件。為使這種器件適合于實(shí)用，需要一種在和n-AlxGa1-xN(x＞0.2)接觸時(shí)顯示足夠低的接觸電阻值并且對(duì)熱穩(wěn)定的低電阻歐姆接觸材料。目前在Ti/Al型接觸材料被用于n-GaN的情況下，接觸材料的接觸電阻值隨著n-AlGaN的Al含量的增加而增加。
第二電極材料，由至少一種選自鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)的金屬制成；第三電極材料，由至少一種選自鋁(Al)、硅(Si)和鍺(Ge)的金屬制成。
根據(jù)本發(fā)明的n-電極，其中上述電極材料的組合，特別是第二電極材料的使用，使第III族氮化物化合物半導(dǎo)體的n-型層和電極之間的接觸電阻低于傳統(tǒng)例子中的接觸電阻。
在上述的描述中，從熱穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選使用釩或鈦?zhàn)鳛榈谝浑姌O材料；從獲得低接觸電阻的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選使用鈀(參見(jiàn)

圖1)作為第二電極材料；從材料費(fèi)用的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選使用鋁作為第三電極材料。
根據(jù)本發(fā)明的n-電極可包含第四電極材料。例如，可使用金(Au)，銠(Rh)等作為第四種金屬成份。
舉例來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的n-電極是通過(guò)在n-型層上疊加第一至第三電極材料層并對(duì)這些層進(jìn)行熱處理而形成的。備選地，由選自第一至第三電極材料的多個(gè)電極材料所預(yù)先形成的合金可以疊加在n-型層上。每種電極材料層都可以以多層進(jìn)行疊加。例如，各電極材料層可以被疊加在一起，使第一電極材料層、第二電極材料層、第三電極材料層和第一電極材料層按這樣的順序排列。
大多數(shù)金屬材料可以用做第一、第二或者第三電極材料本身。在這種情況下，一種電極材料層可以由多種金屬材料的合金或者多種金屬材料的疊層制成。在后一種情況中，例如可以制成構(gòu)成第一電極材料的兩種金屬層，使第二電極材料層夾在兩種金屬層之間。
在n-型層上疊加不同的電極材料的方法不受特別的限制。例如可以使用如氣相淀積、濺射等方法。
疊加各電極材料層的順序不受特別限制，但從熱穩(wěn)定性等出發(fā)，優(yōu)選第一電極材料層、第二電極材料層、第三電極材料層從n-型層一側(cè)按次序形成。
進(jìn)行加熱處理以在電極材料和n-型層之間形成歐姆接觸。各電極材料通過(guò)加熱和諧完整地熔合。
加熱優(yōu)選在大氣壓和惰性氣體氣氛中進(jìn)行。氮?dú)?、氦氣、氬氣等可以做為惰性氣體使用，這是考慮到安全的情形。從電極特性的觀點(diǎn)來(lái)看，也可使用氫氣等。
根據(jù)形成n-型層的材料、使用的電極材料、以及其膜厚度等，可適當(dāng)?shù)剡x擇加熱溫度和加熱時(shí)間。
順便提及，在本說(shuō)明書(shū)中，每一個(gè)第III族氮化物化合物半導(dǎo)體用下面的通式表示AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)其包括所謂的二元化合物如AlN、GaN、InN，和所謂的三元化合物如AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN(0＜x＜1，每個(gè))。
第III族元素可以至少部分地被硼(B)、鉈(Tl)等替換。氮(N)可以至少部分地被磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)等替換。每種第III族氮化物化合物半導(dǎo)體層可以包含一種任選的摻雜劑。Si、Ge、Se、Te、C等可用作n-型雜質(zhì)。Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等可用作p-型雜質(zhì)。順便提及，摻雜p-型雜質(zhì)后，第III族氮化物化合物半導(dǎo)體可進(jìn)行電子束輻射、等離子體輻射、或者在加熱爐中加熱，但是這種處理不是必須的。形成各第III族氮化物化合物半導(dǎo)體層的方法不受特別限制。除了金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法(MOCVD法)外，第III族氮化物化合物半導(dǎo)體層可以用已知的方法形成，如通過(guò)分子束外延法(MBE法)、鹵化物氣相外延法(HVPE法)、濺射法、離子鍍層法、電子簇射法等制成。
順便提及，同質(zhì)結(jié)構(gòu)或者單一或雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用作發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)。也可以使用量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)(單一的量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)或多樣的量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu))。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的n-電極(Ti/Pt/Al)的接觸電阻的曲線圖，以及圖3是顯示根據(jù)實(shí)施例的發(fā)光器件的構(gòu)型剖面圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施模式本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)實(shí)施例將在下面描述。
在圖1所示的結(jié)果中用黑點(diǎn)表示的比較例是使用Ti/Al電極(膜厚度nm16/200)的情景。Ti/Al的接觸電阻值是ρc＝5.9×10-5(Ω-cm2)，與這個(gè)接觸電阻值相比，在向Ti/Al中添加Pd的所有樣品中，Ti/Pd/Al的接觸電阻值可以降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。特別是當(dāng)Pd膜的厚度為5nm時(shí)，可以顯示最低的ρc＝4.1×10-6(Ω-cm2)。
從上述描述中很明顯可以看出，在n-型AlGaN/GaN異型結(jié)構(gòu)的GaN層上形成的優(yōu)選電極是Ti/Pd/Al，其膜厚度比值優(yōu)選為T(mén)i∶Pa∶Al＝10∶1-10∶100，更優(yōu)選為10∶2-3∶100。同樣很明顯的是加熱溫度優(yōu)選在500℃-700℃范圍內(nèi)，更優(yōu)選在550℃-650℃范圍內(nèi)。
在圖2所示的結(jié)果中，在添加Pt的實(shí)施例中Ti/Pt/Al的接觸電阻值低于用黑點(diǎn)表示的比較例中Ti/Al(膜厚nm16/200)的接觸電阻值，即，Ti/Pt/Al的接觸電阻值ρc＝3.8×10-5(Ω-cm2)。
很明顯從以上描述中可看出，在n-型AlGaN/GaN異型結(jié)構(gòu)的AlGaN層上形成的優(yōu)選電極為T(mén)i/Pt/Al，其膜厚度比值優(yōu)選為T(mén)i∶Pa∶Al＝10∶1-10∶100，更優(yōu)選為10∶1-2∶100。同樣很明顯的是加熱溫度優(yōu)選在500℃-700℃范圍內(nèi)，更優(yōu)選550℃-650℃范圍內(nèi)。
從這些結(jié)果可以預(yù)見(jiàn)存在一種Pd-Ga化合物。從以上結(jié)果中下列事實(shí)是可以預(yù)見(jiàn)的首先，一種對(duì)Ga高度活潑的金屬如Pd與n-型層中的Ga發(fā)生化學(xué)結(jié)合，這樣在n-型層中產(chǎn)生Ga-空穴。不活潑的Si進(jìn)入Ga-空穴，起到給體的作用。結(jié)果，給體濃度增加，使接觸電阻減少。除此之外，當(dāng)Si不進(jìn)入Ga-空穴的時(shí)候，可以預(yù)見(jiàn)因?yàn)镚a-空穴本身有加速形成n-型半導(dǎo)體的功能，所以也能獲得接觸電阻減少的結(jié)果。
關(guān)于老化作用，把Ti/Pd/Al電極在室溫下放置4000小時(shí)或以上，用上述同樣的方法測(cè)量Ti/Pd/Al電極的接觸電阻。得到的結(jié)果基本上和圖1所示的結(jié)果相同。
當(dāng)然，如果可以獲得n-型AlGaN/GaN的HEMT結(jié)構(gòu)，基片和緩沖層的材料就不受限制。除了n-型AlGaN/GaN之外，也可以使用n-型AlGaN/AlGaN、n-型GaN/InGaN和n-型InGaN/InGaN。即使在Ti/Pa/Al或Ti/Pt/Al電極被用到n-型GaN或n-型InGaN的情況下，以及Ti/Pa/Al或Ti/Pt/Al電極被用到n-型AlGaN上的情況下，也可以獲得良好的結(jié)果。
Zr和W以及Ti也可被用作第一金屬材料的事實(shí)已經(jīng)在JP-A-11-8410中進(jìn)行了描述。Si和Ge以及Al也可被用作第三金屬材料的事實(shí)也已經(jīng)在JP-A-11-8410中進(jìn)行了描述。
盡管當(dāng)使用V/Al時(shí)，接觸電阻是6×10-6(Ω-cm2)，但在V/Pa/Al(膜厚度nm20/5/100)和V/P/Al(膜厚度nm20/3/200)中獲得的接觸電阻值分別是5×10-6(Ω-cm2)和5.5×10-6(Ω-cm2)。
在這種情況下，熱處理溫度優(yōu)選在500℃-700℃范圍內(nèi)。
首先，疊加半導(dǎo)體層形成如圖3的構(gòu)型。
層 組成p型層5 p-GaN∶Mg含發(fā)光層的層4 含InGaN層的層n-型層3 n-GaN∶Si緩沖層2 AlN基片1 藍(lán)寶石攙雜Si作為n-型雜質(zhì)的GaN的n-型層3是通過(guò)緩沖層2在基片1上形成的。盡管上面示出使用藍(lán)寶石作為基片1的情形，但基片1并不局限于此?？梢允褂盟{(lán)寶石、尖晶石、硅、碳化硅、氧化鋅、磷化鎵、砷化鎵、氧化鎂、氧化錳、第III族氮化物化合物半導(dǎo)體單晶等。盡管緩沖層是利用MOCVD方法由AlN制成的，但緩沖層并不局限于此。GaN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等也可以用作緩沖層的材料。分子束外延法(MBE法)、鹵化物氣相外延法(HVPE法)、濺射法、離子鍍層法、電子簇射法等可以作為形成緩沖層的方法。例如，當(dāng)GaN被用作基片時(shí)，緩沖層可以省卻。
在需要時(shí)，可以在半導(dǎo)體器件形成后，去除基片和緩沖層。
盡管在上面示出由GaN制成的n-型層，但也可以使用AlGaN、InGaN、或AlInGaN。
盡管上面示出了摻雜Si作為n-型雜質(zhì)的n-型層的情況，但也可以使用其它n-型雜質(zhì)，如Ge、Se、Te、C等。
n-型層3可以是兩層結(jié)構(gòu)，其在含發(fā)光層的層4一側(cè)上具有低電子濃度的n-層，在緩沖層2一側(cè)具有高電子濃度的n+層。
含發(fā)光層的層4可以含有量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層。發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)可以是單異質(zhì)型、雙異質(zhì)型或等同質(zhì)連接型。
含發(fā)光層的層4可以包含在p型層5一側(cè)的第III族氮化物化合物半導(dǎo)體層，其中摻雜受體如鎂并具有寬的帶隙。這樣制造是為了有效阻止注入到含發(fā)光層的層4的電子擴(kuò)散進(jìn)入p型層5。
GaN的p型層5，其中摻雜Mg作為p型雜質(zhì)，是在含有發(fā)光層的層4上形成的。作為p型層的材料，可以交替使用AlGaN、InGaN或InAlGaN。
此外，p型層5可以是雙層結(jié)構(gòu)，其中在含發(fā)光層的層4一側(cè)具有低空穴濃度的p-層和在電極一側(cè)具有高空穴濃度的p+層。
在如上所述構(gòu)造的發(fā)光二極管中，每個(gè)第III族氮化物化合物半導(dǎo)體層都可以通過(guò)在常規(guī)條件下進(jìn)行MOCVD形成，或者通過(guò)其它方法如分子束外延法(MBE法)、鹵化物氣相外延法(HVPE法)、濺射法、離子鍍層法、電子簇射法等形成。
然后，形成一個(gè)掩模，通過(guò)反應(yīng)性離子蝕刻法部分去除p型層5、含有發(fā)光層的層4、和n-型層3，露出形成n-電極的表面11，在其上面將形成n-電極9。然后，利用蒸發(fā)裝置把作為形成半透明電極6的Co層(1.5nm)和Au層(60nm)連續(xù)地層疊在晶片的整個(gè)表面上。此后，通過(guò)蒸汽淀積Cr層(30nm)、 Au層(1.5μm)和Al層(10nm)，并利用剝離法層疊成形成p-座電極7的疊層。
然后，Ti層(20nm)、Pd層(5nm)和Al層(200nm)通過(guò)剝離法連續(xù)疊加成形成n-電極9的層。
通過(guò)前述方式獲得的樣品在大氣壓和氮?dú)鈿夥障?，?00℃加熱30秒。然后，晶片用切割法切割成小片。按照這種方式，獲得根據(jù)該實(shí)施例的發(fā)光二極管10。在發(fā)光二極管10中，在20mA時(shí)可獲得不高于3.2V的電壓，因而這種發(fā)光二極管10是優(yōu)良的。甚至在Ti/Pa/Al被Ti/Pt/Al、V/Pa/Al或V/Pt/Al替換的情況下，也可以獲得一個(gè)良好的結(jié)果。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照特定的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下進(jìn)行各種變換和修改。
本申請(qǐng)是以2001年9月6日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)(日本專(zhuān)利申請(qǐng)2001-270960)為基礎(chǔ)的，其全文通過(guò)引用結(jié)合在此。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明完全不局限于本發(fā)明實(shí)施例中的描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易預(yù)見(jiàn)到的各種改進(jìn)也可以包含在本發(fā)明中，而不背離權(quán)利要求范圍的描述。自然本發(fā)明也適用于激光二極管、接收器件、電子器件、和除發(fā)光器件外的另一種第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件。
下述各項(xiàng)被公開(kāi)。
11、一種n-電極，其是通過(guò)加熱層疊在n-型層上的下列電極獲得的至少一種選自釩(V)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、和鎢(W)的金屬構(gòu)成的第一電極材料層，至少一種選自鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、和銅(Cu)的金屬構(gòu)成的第二電極材料層，和至少一種選自鋁(Al)、硅(Si)、和鍺(Ge)的金屬構(gòu)成的第三電極材料層。
12、如11項(xiàng)所述的n-電極，其特征在于第一電極材料層是在n-型層上形成的，第二電極材料層是在第一電極材料層上形成的，第三電極材料層是在第二電極材料層上形成的。
13、如11或12項(xiàng)所述的n-電極，其特征在于加熱是在惰性氣體氣氛下，在500℃-700℃的加熱溫度下進(jìn)行的。
14、如13項(xiàng)所述的n-電極，其特征在于惰性氣體是氮?dú)?，加熱溫度?50℃-650℃。
15、如11-14項(xiàng)中的任意一項(xiàng)所述的n-電極，其特征在于第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的膜厚度比值是10∶1-10∶100。
16、一種第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件，其特征在于該器件具有11-15項(xiàng)中任何一項(xiàng)所述的n-電極。
權(quán)利要求
1.一種用于第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的n-電極，其包含第一電極材料，由至少一種選自釩、鈦、鋯和鎢的金屬構(gòu)成；第二電極材料，由至少一種選自鈀、鉑、金、銀和銅的金屬構(gòu)成；第三電極材料，由至少一種選自鋁、硅和鍺的金屬構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的用于第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的n-電極，其中所述的第一電極材料是釩或鈦，所述的第三電極材料是鋁。
3.一種第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件，其中在n-型層上形成根據(jù)權(quán)利要求1的n-電極。
4.如權(quán)利要求3所述的第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件，其中所述的n-型層是由GaN、GaInN或AlGaN制成的。
5.一種制造用于第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的n-電極的方法，包括如下步驟在n-型層上形成由至少一種選自釩、鈦、鋯和鎢的金屬構(gòu)成的第一電極材料層；形成由至少一種選自鈀、鉑、金、銀和銅的金屬構(gòu)成的第二電極材料層；形成由至少一種選自鋁、硅和鍺的金屬構(gòu)成的第三電極材料層；以及加熱所述的n-型層和所述的第一、第二和第三電極材料層。
6.如權(quán)利要求5所述的制造n-電極的方法，其中所述的第一電極材料層是在n-型層上形成的，所述的第二電極材料層是在第一電極材料層上形成的，以及所述的第三電極材料層是在第二電極材料層上形成的。
7.如權(quán)利要求5所述的制造n-電極的方法，其中所述的加熱步驟是在惰性氣體氣氛下，在500℃-700℃的加熱溫度下進(jìn)行的。
8.如權(quán)利要求7所述的制造n-電極的方法，其中所述的惰性氣體是氮?dú)?，所述的加熱溫度?50℃-650℃。
9.如權(quán)利要求5所述的制造n-電極的方法，其中所述的第一電極材料層、所述的第二電極材料層和所述的第三電極材料層的膜厚度比值是10∶1-10∶100。
10.一種制造具有n-電極的第III族氮化物化合物半導(dǎo)體器件的方法，其包括根據(jù)權(quán)利要求5的制造所述n-電極的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于使n－電極和由第III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的n－型層之間的電阻極大地減少。根據(jù)本發(fā)明，n－電極是由下列電極材料形成的第一電極材料，由至少一種選自釩(V)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、和鎢(W)的金屬構(gòu)成；第二電極材料，由至少一種選自鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)的金屬構(gòu)成；和第三電極材料，由至少一種選自鋁(Al)、硅(Si)和鍺(Ge)的金屬構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L21/28GK1473356SQ02802830
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2002年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者村井俊介, 村上正紀(jì), 小出康夫, 柴田直樹(shù), 夫, 樹(shù), 紀(jì) 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社