專利名稱：Ⅲ族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，更具體而言，涉及具有高靜電耐壓的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件通常用作發(fā)光器件，例如綠、藍(lán)和紫外區(qū)的發(fā)光器件。然而，除了發(fā)光強(qiáng)度以外，III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件的性質(zhì)仍然留有改進(jìn)余地。尤其是其靜電耐壓到目前為止仍低于鎵-砷基或銦-磷基發(fā)光器件，因此需要大幅度提高靜電耐壓。
日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_平No.2001-148507公開了一種提高III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的靜電耐壓的技術(shù)。該技術(shù)是在p覆層和p接觸層之間提供一層摻雜低濃度受體雜質(zhì)的p型低濃度摻雜層或者非故意地?fù)诫s微量受體雜質(zhì)的未摻雜層。根據(jù)該具體技術(shù)，需要p型低濃度摻雜層具有約200nm的厚度。然而，該層具有高電阻率以及較大的厚度，這會(huì)導(dǎo)致其電阻增加。因此，要提高該層電壓來驅(qū)動(dòng)器件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在通過減少p型低濃度摻雜層中的受體雜質(zhì)和通過減小p型低濃度摻雜層的厚度可以進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓的概念基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種靜電耐壓提高且驅(qū)動(dòng)電壓降低的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件包括第一p層和第二p層，每層中均加入受體雜質(zhì)；和中間層，提供在第一p層和第二p層之間，
其中中間層摻雜有一定濃度的供體雜質(zhì)，使得供體雜質(zhì)的濃度基本上補(bǔ)償由制造過程中非故意引入中間層中的受體雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴。
語句“基本上補(bǔ)償空穴產(chǎn)生”是指由受體雜質(zhì)濃度產(chǎn)生的空穴被由供體雜質(zhì)產(chǎn)生的電子補(bǔ)償，并且作為結(jié)果，中間層中的空穴濃度基本上與未摻入雜質(zhì)的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體中的相同。例如，空穴濃度可優(yōu)選減少至等于或小于1017/cm3。
摻入中間層中的供體雜質(zhì)可以以與中間層中受體雜質(zhì)的濃度分布相對(duì)應(yīng)的濃度分布進(jìn)行摻雜。
表述“與中間層中受體雜質(zhì)的濃度分布相對(duì)應(yīng)的濃度分布”是考慮激活率的濃度分布。更具體而言，如果受體雜質(zhì)的激活率等于供體雜質(zhì)的激活率，則使厚度方向上供體雜質(zhì)的濃度分布基本上對(duì)應(yīng)于厚度方向上受體雜質(zhì)的濃度分布。如果受體雜質(zhì)的激活率是供體雜質(zhì)激活率的十分之一，則使厚度方向上供體雜質(zhì)的濃度分布基本上等于厚度方向上受體雜質(zhì)濃度分布的十分之。
受體雜質(zhì)可以是鎂(Mg)，供體雜質(zhì)可以是硅(Si)。
硅可具有基本上為鎂的1/10的濃度分布。
中間層可具有等于或小于1017/cm3的空穴濃度。
第一p層可以包括由摻雜Mg的p型AlGaN制得的p覆層，第二p層可以包括由摻雜Mg的p型GaN制得的p接觸層。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件包括藍(lán)寶石襯底；n接觸層，形成在藍(lán)寶石襯底上；n覆層，形成在n接觸層上；發(fā)光層，形成在n覆層上；p覆層和p接觸層，每層均加入受體雜質(zhì)；和中間層，提供在p覆層和p接觸層之間，薄膜p電極，置于p接觸層上；厚膜p電極，置于薄膜p電極上；和n電極，置于n接觸層上，其中中間層摻雜有一定濃度的供體雜質(zhì)，由此基本上補(bǔ)償由制造過程中引入其中的受體雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴。
發(fā)光層可包括多量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過層疊多對(duì)未摻雜InGaN的阱層和未摻雜GaN的阻擋層而形成在n覆層上。
薄膜p電極可以由第一鈷層和第二金層形成。厚膜p電極可以通過依次層疊第一釩層、第二金層和第三鋁層而形成在薄膜p電極上。n電極可以通過層疊第一釩層和第二鋁層而形成在部分暴露的n接觸層部分。
鋁反射金屬層可以形成在藍(lán)寶石襯底的下表面。
根據(jù)本發(fā)明的中間層表現(xiàn)出非常低的電導(dǎo)率。即使中間層薄至100nm或更薄，III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件的靜電耐壓仍將顯著提高。此外，由于提供了中間層，因此驅(qū)動(dòng)電壓幾乎沒有提高，并且III族氮化物基化合物半導(dǎo)體的性能沒有變差。就提供這種效果的作用而言，認(rèn)為本發(fā)明的中間層有效發(fā)揮了作用，由此外加電壓不會(huì)集中于p電極側(cè)的一部分，而是充分?jǐn)U展于整個(gè)p電極側(cè)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施方案的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100的中間層中鎂和硅的濃度分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案?！爸圃爝^程中非故意引入層中的受體雜質(zhì)”是指在形成所述層時(shí)盡管不想混入受體雜質(zhì)，但仍由于某些技術(shù)原因而混入其中的受體雜質(zhì)。
技術(shù)原因包括從相鄰層的遷移、由于在形成不同層時(shí)的轉(zhuǎn)變時(shí)刻所引入原材料的不完全轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的污染(所謂的記憶效應(yīng))，和由于例如沒有充分清潔制造設(shè)備而導(dǎo)致的痕量“持續(xù)”污染。在下述實(shí)施方案中，認(rèn)為受體雜質(zhì)不是有意引入到中間層中，而是在下列制造過程中自發(fā)混入其中。
根據(jù)通過形成上述中間層而混入的受體雜質(zhì)濃度分布的測量值，加入供體雜質(zhì)。如果受體雜質(zhì)是鎂且供體雜質(zhì)是硅，那么需要在確定硅的濃度分布時(shí)考慮鎂和硅的激活率。由于鎂的激活率約為硅的十分之一，因此應(yīng)加入相應(yīng)于鎂濃度分布十分之一的濃度分布的硅。
第一p層和第二p層的結(jié)構(gòu)是任意的。當(dāng)形成發(fā)光器件時(shí)，使n側(cè)層(一層或多層，可包括多重層)、發(fā)光層、第一p層、中間層和第二p層依次層疊，并在第二p層上形成電極。在這種情況下，建議對(duì)加入受體雜質(zhì)的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體層進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得能帶隙依第一p層、中間層和第二p層的次序變小。另外，該結(jié)構(gòu)不限于上述簡單構(gòu)造，并且有意加入具有多種作用的多重層或者添加任何雜質(zhì)的單層也都包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
當(dāng)形成發(fā)光器件時(shí)，優(yōu)選構(gòu)成發(fā)光層的多量子阱結(jié)構(gòu)包括由至少含有銦(In)的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體AlyGa1-y-zInzN(0≤y＜1，0＜z≤1)組成的阱層。發(fā)光層的構(gòu)成單元包括，例如，摻雜或未摻雜的Ga1-zInzN(0＜z≤1)阱層，和具有比阱層更大的能帶隙的任何組成的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體AlGaInN阻擋層。優(yōu)選實(shí)施例是未摻雜Ga1-zInzN(0＜z≤1)阱層和未摻雜GaN阻擋層的組合。
根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件可具有任意構(gòu)造。具體地，發(fā)光器件可以是發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光耦合器或者其他任何發(fā)光器件?？梢允褂萌魏沃圃旆椒ㄖ圃霫II族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
具體地，可以使用藍(lán)寶石、尖晶石、Si、SiC、ZnO、MgO或III族氮化物基化合物單晶作為允許晶體生長的襯底。作為允許III族氮化物基化合物半導(dǎo)體層晶體生長的方法，分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)、氫化物氣相外延(HVPE)、液相外延等是有效的。
III族氮化物基化合物半導(dǎo)體層如電極形成層可以由至少以AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的包含二元、三元或四元半導(dǎo)體的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體形成。此外，這些III族元素中的一部分可以由硼(B)或鉈(Tl)取代，一部分氮(N)可以由磷(P)、砷(As)、銻(Sb)或鉍(Bi)取代。
另外，當(dāng)這些半導(dǎo)體用于形成n型III族氮化物基化合物半導(dǎo)體層時(shí)，可加入Si、Ge、Se、Te、C等作為n型雜質(zhì)，并可加入Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等作為p型雜質(zhì)。
利用本發(fā)明的前述方面，可以有效合理地解決上述問題。
圖1表示根掘本發(fā)明實(shí)施方案的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100的橫截面示意圖。III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100是具有下列構(gòu)造的發(fā)光器件如圖1所示，在約300μm厚的藍(lán)寶石襯底101上，形成膜厚為約15nm的氮化鋁(AlN)緩沖層102，然后在其上形成膜厚為約500nm的未摻雜GaN層103，再在其上形成摻雜有1×1018/cm3硅(Si)的Ga的n型接觸層104(高載流子濃度n+層)，膜厚為約5μm。
而且，在該n型接觸層104上，形成摻雜有1×1018/cm3硅(Si)的Al0.15Ga0.85N的n型覆層105，膜厚為約25nm。此外，在其上，通過層疊三對(duì)膜厚均為3nm的未摻雜In0.2Ga0.8N阱層1061和膜厚均為20nm的未摻雜GaN阻擋層1062，形成多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層106。
另外，在該發(fā)光層106上，形成摻雜有2×1019/cm3Mg的p型Al0.15Ga0.85N的p型覆層(第一p層)107，膜厚為25nm。在p型層107上，形成摻雜有濃度分布為2×1018-3×1017/cm3的硅(Si)的中間層108，膜厚為100nm。在中間層108上，形成摻雜有8×1019/cm3Mg的p型GaN的p型接觸層(第二p層)109，膜厚為100nm。
此外，透光性薄膜p電極110通過在p型接觸層(第二p層)109上進(jìn)行金屬蒸鍍而形成，并且在n型接觸層104上形成n電極140。透光性薄膜p電極110由第一鈷(Co)層111和第二金(Au)層112組成，其中第一鈷(Co)層111具有約1.5nm的膜厚且直接連接到p型接觸層(第二p層)109，第二金(Au)層112具有約6nm的膜厚且連接到所述鈷膜。
通過在透光性薄膜p電極110上依次層疊膜厚為約18nm的第一釩(V)層121、膜厚為約15μm的第二金(Au)層122和膜厚為約10nm的第三鋁(Al)層123，構(gòu)成厚膜p電極120。
通過在部分暴露的n型接觸層104部分上層疊膜厚為約18nm的第一釩(V)層141和膜厚為約100nm的第二鋁(Al)層142，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的n電極140。
此外，在最上面，形成包含SiO2膜的保護(hù)膜130。在對(duì)應(yīng)于藍(lán)寶石襯底101底面的外部最底面，利用金屬蒸鍍形成膜厚為約500nm的鋁(Al)反射金屬層150。另外，該反射金屬層150可以是氮化物，如TiN或HfN，和金屬如Rh、Ti或W。
中間層108中硅的濃度分布原則如下當(dāng)中間層不加入硅時(shí)，測得鎂的濃度分布如圖2中的Mg所示。然后，考慮到事實(shí)上鎂激活率(室溫下激活時(shí)的空穴濃度/鎂濃度)為硅激活率(室溫下激活時(shí)的電子濃度/硅濃度)的約十分之一，向中間層加入硅時(shí)，使得厚度方向上的硅濃度分布對(duì)應(yīng)于厚度方向上鎂濃度分布的十分之一(圖2中所示Si)。這使得由鎂激發(fā)的空穴濃度可以被由硅激發(fā)的電子濃度補(bǔ)償。因此，中間層的載流子濃度可以顯著減小至例如1016-1017/cm3或者更小。
與不形成中間層108的情況相比，如圖1所示構(gòu)成的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100表現(xiàn)出提高的靜電耐壓。而且，與中間層108不摻雜硅的情況相比，該III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件可以具有更薄的中間層，并因此可以減小驅(qū)動(dòng)電壓，還可以提高靜電耐壓。
根據(jù)本發(fā)明，由受體雜質(zhì)造成的空穴被上述電子補(bǔ)償。因此，優(yōu)選空穴濃度應(yīng)通過加入供體而減小。換句話說，取決于受體雜質(zhì)濃度分布的空穴濃度分布不一定完全由供體雜質(zhì)的濃度分布補(bǔ)償。
本發(fā)明不限于以上實(shí)施方案，可以進(jìn)行各種不同的變化。例如，每個(gè)III族氮化物基化合物半導(dǎo)體層可以是任何晶體混合比率的二元至四元AlGaIn。更具體而言，可以使用二元、三元(GaInN、AlInN、AlGaN)或四元(AlGaInN)的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體，其以通式表示為AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)。這種化合物中的一部分N可以由V族元素如P或As取代。另外，上述實(shí)施方案中形成了保護(hù)膜130，但其可以省略。而且，在同一實(shí)施方案中，反射金屬層形成在藍(lán)寶石襯底的底面，并且透光性薄膜p電極提供在p電極側(cè)，但是為了獲得倒裝晶片類型，不在藍(lán)寶石襯底的底面形成反射金屬層，而在p電極側(cè)提供同時(shí)作為光反射層的電極層，以形成允許從藍(lán)寶石襯底的底面透光的結(jié)構(gòu)。
雖然只選擇了精選的實(shí)施方案描述本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很明顯，可以根據(jù)本公開內(nèi)容進(jìn)行各種不會(huì)背離由所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明范圍的改變和改進(jìn)。而且，前面對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的描述僅僅是為了說明，而不是用于限定由所附權(quán)利要求及其等價(jià)條款所限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，包括第一p層和第二p層，每層中均加入受體雜質(zhì)；和中間層，提供在第一p層和第二p層之間，其中中間層摻雜有一定濃度的供體雜質(zhì)，使該濃度的供體雜質(zhì)基本上補(bǔ)償由制造過程中非故意引入中間層中的受體雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中摻入中間層的供體雜質(zhì)以一定濃度分布摻雜，該濃度分布對(duì)應(yīng)于中間層中受體雜質(zhì)的濃度分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中受體雜質(zhì)是鎂，供體雜質(zhì)是硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中供體雜質(zhì)硅具有基本上為受體雜質(zhì)鎂的1/10的濃度分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中中間層具有等于或小于1017/cm3的空穴濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中第一p層包括由摻雜Mg的p型AlGaN制得的p覆層，第二p層包括由摻雜Mg的p型GaN制得的p接觸層。
7.III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，包括藍(lán)寶石襯底；n接觸層，形成在藍(lán)寶石襯底上；n覆層，形成在n接觸層上；發(fā)光層，形成在n覆層上；p覆層和p接觸層，每層中均加入受體雜質(zhì)；中間層，提供在p覆層和p接觸層之間，薄膜p電極，置于p接觸層上；厚膜p電極，置于薄膜p電極上；和n電極，置于n接觸層上，其中中間層摻雜有一定濃度的供體雜質(zhì)，由此基本上補(bǔ)償由制造過程中引入其中的受體雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中發(fā)光層包括多量子阱結(jié)構(gòu)，通過層疊多對(duì)未摻雜InGaN阱層和未摻雜GaN阻擋層而形成在n覆層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，其中薄膜p電極由第一鈷層和第二金層形成；厚膜p電極通過依次層疊第一釩層、第二金層和第三鋁層形成在薄膜p電極上；和n電極通過層疊第一釩層和第二鋁層形成在部分暴露的n接觸層部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件，還包括形成在藍(lán)寶石襯底下表面的鋁反射金屬層。
全文摘要
III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100中，在各自加入受體雜質(zhì)的p－AlGaN層107和p－GaN層109之間提供中間層108。此時(shí)，中間層108摻雜有一定濃度的供體雜質(zhì)，由此基本上補(bǔ)償由p－AlGaN層107形成過程中引入到中間層108中的受體雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴。結(jié)果，中間層108的電導(dǎo)率變得非常低，并因而顯著提高III族氮化物基化合物半導(dǎo)體器件100的靜電耐壓。
文檔編號(hào)H01L33/06GK1748324SQ20048000369
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者瀧哲也 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社