CN100472721C - n型欧姆电极、具有该电极的半导体发光器件及其形成方法 - Google Patents

n型欧姆电极、具有该电极的半导体发光器件及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适于n型III族氮化物半导体的n型欧姆电极的结构，及其用于提供低的接触电阻率的形成方法。提供的n型欧姆电极在与n型III族氮化物半导体的结界面处包括铝和镧的合金或包括镧。所述方法包括在300℃或更低温度下形成镧铝合金层，以在所述结界面处形成富镧的n型欧姆电极。

Description

n型欧姆电极、具有该电极的半导体发光器件及其形成方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)(1)基于35 U.S.C.§111(b)，要求2003年7月23日提出的美国临时申请60/489,108的优先权，在此通过参考引入。
技术领域
本发明涉及提供与n型III族氮化物半导体层的表面接触的n型欧姆电极、配备有该电极的半导体发光器件、以及用于形成该n型欧姆电极的方法。
背景技术
通常，例如，通过分子式AlxGayInzN(0≤x，y，z≤1，x+y+z＝1)表示的III族氮化物半导体被用于在以蓝色或绿色带内的短波长发射可见光的半导体发光器件中形成例如n型覆层的阻挡层(例如，参照IsamuAkasaki，III-V Zoku Kagobutsu Handoutai(III-V族化合物半导体)，1sted.，Chap.13，Baifukan(1994年5月20日))。同样，在高电子迁移率场效应晶体管的实例中，电子提供层由n型氮化铝镓(组成分子式：AlxGayN，其中0≤x≤1)构成(例如，参照上述文献)。通过提供与上述n型III族氮化物半导体层的表面接触的n型欧姆接触电极(n型欧姆电极)来制造例如发光二极管(英文缩写：LED)和激光二极管(英文缩写：LD)的半导体发光器件。通过提供例如与包括n型III族氮化物半导体的电子提供层或有源层直接接触的n型欧姆电极来制造场效应晶体管(英文缩写：FET)。
至于与n型III族氮化物半导体一起使用的n型欧姆电极，迄今为止公开了由，例如，钛(原子符号：Ti)(例如参照日本专利No.2783349)或铝(原子符号：Al)(例如，参照未经审查公开的日本专利申请No.7-45867)构成n型欧姆电极。
然而，通过在n型III族氮化物半导体层上提供由金属材料形成的常规n型欧姆电极获得的化合物半导体LED要求具有更低的正向电压(所谓的Vf)。同样，FET需要具有更低的漏电阻以防止器件特性因为热电阻的增加而退化。因此，为了提高化合物半导体发光器件或FET的特性，n型欧姆电极必须由具有与n型III族氮化物半导体的低接触电阻的材料形成。本发明具体提供了用于提高化合物半导体发光器件的特性的n型欧姆电极，同时也提供了配备有该电极的化合物发光器件以及用于形成该n型欧姆电极的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明包括下面的内容。
(1)一种与n型III族氮化物半导体一起使用的n型欧姆电极，所述n型欧姆电极与n型III族氮化物半导体层的表面接触，其中所述n型欧姆电极层由铝(原子符号：Al)和镧(原子符号：La)的合金形成，或者包括镧。
(2)如(1)所述的n型欧姆电极，其中在与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述表面上，所述n型欧姆电极层中的所述镧的含量为10质量％或更多。
(3)如(2)所述的n型欧姆电极，其中在离与所述n型III族氮化物半导体层的所述结界面30nm或更远距离的区域中，所述n型欧姆电极层中的所述镧的含量小于10质量％。
(4)如(3)所述的n型欧姆电极，其中与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述表面相反的所述n型欧姆电极层的所述表面由铝形成。
(5)一种半导体发光器件，通过以下步骤制造：在层叠结构体上提供欧姆接触电极，在所述层叠结构体中在晶体衬底的一个表面上提供n型III族氮化物半导体层和p型化合物半导体层，并且发光层置于所述n型和p型化合物半导体层之间，其中与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述n型欧姆电极由镧铝合金层或镧层形成。
(6)如(5)所述的半导体发光器件，其中所述n型欧姆电极在与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述侧面包括镧铝合金层或镧层，而在相反的侧面包括铝层。
(7)如(5)或(6)所述的半导体发光器件，其中所述n型欧姆电极包括镧铝合金层，所述镧铝合金层在与所述n型III族氮化物半导体层的结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
(8)一种用于形成n型欧姆电极的方法，包括通过使用镧铝合金(组成分子式：LaAl2)作为原始材料形成构成所述n型欧姆电极的镧铝合金层。
(9)如(8)所述的用于形成n型欧姆电极的方法，其中提供所述镧铝合金层以将它与n型III族氮化物半导体层的表面接合，同时将所述n型III族氮化物半导体层设置在300℃或更低温度下，从而通过镧铝合金层形成n型欧姆电极，所述镧铝合金层在所述结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
(10)一种用于制造半导体发光器件的方法，包括在层叠结构体上提供欧姆接触电极，在所述层叠结构体中在晶体衬底的一个表面上提供n型III族氮化物半导体层和p型化合物半导体层，并且发光层置于所述n型和p型化合物半导体层之间，其中通过使用镧铝合金(组成分子式：LaAl2)作为原始材料形成构成与所述n型III族氮化物半导体层接触的n型欧姆电极的所述镧铝合金层。
(11)如(10)所述的用于制造半导体发光器件的方法，其中提供所述镧铝合金层以将它与所述n型III族氮化物半导体层的所述表面接合，同时将所述n型III族氮化物半导体层设置在300℃或更低温度下，从而通过镧铝合金层形成n型欧姆电极，所述镧铝合金层在所述结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
根据本发明，与所述n型III族氮化物半导体层的表面接触的所述n型欧姆电极包括镧和铝的合金，从而可以形成具有低接触电阻的电极，并使提供的器件驱动电流可以被有效转换用于光发射，结果，可以提供具有高发射强度的化合物半导体发光器件。
附图说明
图1示出了实例1中描述的镧铝层的元素分析结果。
图2示出了实例1中描述的电极的电流-电压特性。
图3示出了依赖于实例1中描述的电极之间的距离的电流-电压特性的变化。
图4示出了实例2中描述的在高温下淀积的镧铝合金层中的元素分布。
图5示出了实例2中描述的镧铝合金层的电流-电压特性。
图6示出了实例3中描述的LED的截面示意图。
图7是图6所示的LED的平面示意图。
具体实施方式
可以通过卤素工艺、氢化物工艺或MOCVD(金属有机化学气相淀积)工艺，还可以通过分子束外延工艺形成在其上提供有n型欧姆电极的n型III族氮化物半导体层(参照，J.Solid State Chem.，pp.269-272，133(1997))。N型III族氮化物半导体层的载流子浓度适宜为1×1018cm-3或更大，而电阻率(具体电阻)适宜为5×10-2Ω·cm或更小。N型III族氮化物半导体层的厚度适宜为可以获得连续膜的50nm或更大，而没有产生显著裂纹的5,000nm或更小。载流子浓度优选几乎在n型III族氮化物半导体层的厚度方向上为常数，或向该层的表面增加。
可以通过使用由组成分子式LaAl4(镧含量＝56.3质量％)、LaAl2(镧含量＝73.0质量％)或LaAl(镧含量＝83.7质量％)表示的镧铝合金作为原始材料，形成根据本发明的由镧铝合金形成的n型欧姆电极。尤其，镧铝合金(组成分子式：LaAl2)相对于LaAl4具有大的镧含量，并具有能够满足利用一般的真空气相淀积技术的气相淀积的熔点，并因此，该合金可以用作特别适合的原始材料。LaAl相对于LaAl2具有高的镧含量，但是类似于二铝化三镧(组成分子式：La3Al2)，该合金不能形成镧和铝之间的成分比稳定的镧铝合金膜。
为了形成具有好的接触特性的n型欧姆电极，没必要在淀积原始材料合金期间加热n型III族氮化物半导体层。淀积原始材料合金期间的III族氮化物半导体层的温度适宜为50℃或更低。如果电极是通过加热n型III族氮化物半导体层到超过300℃的温度来形成，那么就会在与n型半导体层的结界面处不利地形成具有小的镧含量的镧铝合金层。当形成的镧铝合金层在结界面附近的区域内具有更小的镧含量时，n型欧姆电极的接触电阻就会增加。如果结界面附近的区域内的镧铝合金层的镧含量小于10质量％，就不能稳定地形成具有0.1Ω·cm-2或更小的接触电阻的n型欧姆电极。同样，优选在从与n型III族氮化物半导体层的结界面向合金层的表面的30nm或更小的区域内提供包含10质量％或更多的镧的铝镧合金层。相反，在离结界面30nm或更远的区域内，优选镧含量小于10质量％。与n型III族氮化物半导体层的表面接触的层可以由简单的镧物质形成，也就是说，可以是具有100质量％的镧质量含量的层。
适宜将构成n型欧姆电极的镧铝合金淀积到足够大的厚度以无缝地覆盖n型III族氮化物半导体层的表面。通常，适宜将原始材料合金淀积到50nm或更大的厚度。在构成用于引线焊接的焊盘电极的情况下，还要在镧铝合金膜上重叠金属膜。提供与接触n型III族氮化物半导体层的镧铝合金膜接合的金属膜优选由铝或钛形成。焊盘电极的厚度适宜为从约1μm到约5μm。例如，可以提供并与具有0.3μm厚度的LaAl2合金膜接合具有约1.5μm厚度的Al膜，以构成具有1.8μm的总厚度的焊盘电极。对于构成良好的n型欧姆电极，不优选在镧铝合金层上淀积，例如，铝层，并接着在超过300℃的温度下进行合金化处理。因为，由于高温热处理的镧的热扩散会阻止镧元素在与n型III族氮化物半导体层的结界面附近的预期区域内聚集。
提供与n型III族氮化物半导体层的表面接触的镧铝合金膜具有提供具有低接触电阻的n型欧姆电极的功能。
实例
(实例1)
下面将参考其中在n型III族氮化物半导体层的表面上提供包括镧铝合金膜的n型欧姆电极的情况更详细的描述本发明。
通过使用三甲基镓(分子式：(CH3)3Ga)和氨(分子式：NH3)作为原始材料的减压MOCVD气相淀积掺杂硅(Si)的n型GaN层。n型GaN层的载流子浓度为9×1019cm-3，而层厚度约为3.2μm。在用氟化氨(NH4F)溶液处理GaN层表面之后，在此表面上淀积镧铝合金膜。
在室温(高达23℃)下保持n型GaN层期间，在GaN层表面上通过使用LaAl2合金作为气相淀积源的一般真空气相淀积方法淀积镧铝合金层。将镧铝合金淀积到约0.5μm的厚度。图1示出了在n型GaN层和镧铝合金层之间，通过使用附加到电子显微镜的能量分散型X射线微量分析仪测量的结区中的元素分析的结果。分析结果显示，通过在室温下在GaN层上淀积镧铝合金层，在与n型GaN层的结界面附近的区域中形成了包含约15质量％的镧的镧铝合金层。同样，其中镧铝合金包含超过10质量％的镧的区域为从与n型GaN层的结界面向合金层的表面侧的约8nm的区域。在比它更接近合金层的表面侧的区域中，镧含量随着合金层的厚度的增加而从10质量％减小。合金层的表面区域几乎不包含镧，而主要由铝组成。
图2示出了由镧铝合金膜组成的，在上述n型GaN层的表面上形成的互相接近的电极之间的电流-电压(I-V)特性。在±50mV的正和负的低压区内，电流与电压成正比例地线性增加。同样，在±5V或更小的电压区内，电流按照施加的电压的增加而线性增加。从这些I-V特性中，显示出通过镧铝合金层形成了用于n型GaN层的良好的n型欧姆电极。
图3示出了通过将镧铝合金电极之间的距离(L)不断改变到0.25mm、0.50mm、1.0mm或2.0mm测量的I-V特性。从I-V特性确定电阻值的电极距离依赖性，并且根据TLM(传输线模式)理论由此计算的接触电阻为1.6×10-2Ω·cm-2。在该计算中，考虑了用于通过电流的实际有效的电极宽度。
(实例2)
在350℃下保持上述n型GaN层期间，在GaN层的表面上淀积镧铝合金层。通过仅改变实例1中淀积的温度来形成镧铝合金层。图4示出了镧铝合金层的俄歇电子光谱分析的结果。由于镧铝合金层的合金源(LaAl2)在高温下淀积，所以镧在合金层的表层区域中聚集。另一方面，与n型GaN层的结界面附近的区域，以及至少在从结界面向合金层侧的30nm内的区域，几乎不含镧，而这是具有小于5％的镧质量含量而主要包括铝的层。
图5示出了在高温下淀积的镧铝合金层的I-V特性。如从I-V特性所看到，已经在±1V的低压区内产生了高电阻。当与图2所示的在室温下淀积的镧铝合金层的I-V特性相比较时，显示出在用于n型GaN层的欧姆特性中，本实例在高温下形成的镧铝合金膜给出了比实例1差的n型欧姆电极。当在超过300℃的高温下形成镧铝合金层时，显著出现了显示类似无整流特性的I-V特性。
(实例3)
通过参考其中通过使用由镧铝合金形成的n型欧姆电极制造化合物半导体LED的情况更详细的描述本发明。
图6示出了本实例的LED 1A的截面示意图。另外，图7示出了LED1A的平面示意图。
在(0001)-兰宝石(Al2O3)衬底101上依次层叠Si掺杂的n型GaN层(载流子浓度＝6×1018cm-3，厚度＝4.2μm)102、具有包括铟(In)成分比互相不同的多畴(domain)或多相的多相结构的n型氮化镓铟(Ga0.90In0.10N)发光层103、和未掺杂的p型磷化硼(BP)层(载流子浓度＝1×1019cm-3，厚度＝0.6μm)104，以构成层叠结构体1B。
接着，通过使用公知的光刻工艺对作为层叠结构体1B的最外层的p型BP层104进行构图，并通过使用氯气(Cl2)的常规等离子体蚀刻方法处理为器件形状。通过该处理，如图6和7所示，除去了p型BP层104的部分区域。在通过等离子体蚀刻暴露的n型GaN层102的表面上，通过公知的真空气相淀积技术连续淀积镧铝合金层105a和铝层105b。此后，通过构图这些重叠的金属层(105a和105b)，形成矩形n型欧姆电极105。在室温下，在n型GaN层102上通过使用镧铝合金(LaAl2)作为气相淀积源来形成镧铝合金层105a，并且镧铝合金层105a的厚度被设定为100nm。铝层105b的厚度被设定为1.5μm。另一方面，在p型BP层的表面上，形成通过电子束气相淀积方法淀积的由钛(Ti)106a和金(Au)106b的多层结构构成的p型欧姆电极106。这两个欧姆电极105和106不经过合金化。
对于如此制造的具有双异质(DH)结结构的LED 1A，其中表面为(0001)晶体平面的n型GaN层102作为下覆层，而取向(111)晶体方向的p型(111)-BP层104作为上覆层，器件驱动电流正向通过。当在n型和p型欧姆电极105和106之间通过20mA的正向电流时，光发射中心波长为440nm。正向电压为3.4V而具有10μA的反向电流的反向电压为8.3V。

Claims (7)

1.一种与n型III族氮化物半导体一起使用的n型欧姆电极，所述n型欧姆电极与n型III族氮化物半导体层的表面接触，其中所述n型欧姆电极由铝和镧的合金形成；
其中所述n型欧姆电极的镧含量在与所述n型III族氮化物半导体层的结界面处为10质量％或更多，而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中为小于10质量％。
2.根据权利要求1的n型欧姆电极，其中与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述表面相反的所述n型欧姆电极层的表面由铝形成。
3.一种半导体发光器件，包括：在层叠结构体上提供欧姆接触电极，在所述层叠结构体中在晶体衬底的一个表面上提供n型III族氮化物半导体层和p型化合物半导体层，并且发光层置于所述n型和p型化合物半导体层之间，其中与所述n型III族氮化物半导体层接触的所述n型欧姆电极由镧铝合金层形成；
其中所述n型欧姆电极的镧含量在与所述n型III族氮化物半导体层的结界面处为10质量％或更多，而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中为小于10质量％。
4.一种用于形成n型欧姆电极的方法，包括通过使用镧铝合金作为原始材料形成构成所述n型欧姆电极的镧铝合金层，其中所述n型欧姆电极的所述镧铝合金层在与n型III族氮化物半导体层的结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
5.根据权利要求4的用于形成n型欧姆电极的方法，其中提供所述镧铝合金层以将它与n型III族氮化物半导体层的表面接合，同时将所述n型III族氮化物半导体层设置在300℃或更低温度下，从而通过镧铝合金层形成n型欧姆电极，所述镧铝合金层在结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
6.一种用于制造半导体发光器件的方法，包括在层叠结构体上提供欧姆接触电极，在所述层叠结构体中在晶体衬底的一个表面上提供n型III族氮化物半导体层和p型化合物半导体层，并且发光层置于所述n型和p型化合物半导体层之间，其中通过使用镧铝合金作为原始材料形成构成与所述n型III族氮化物半导体层接触的n型欧姆电极的所述镧铝合金层，其中所述n型欧姆电极的所述镧铝合金层在与所述n型III族氮化物半导体层的结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
7.根据权利要求6的用于制造半导体发光器件的方法，其中提供所述镧铝合金层以将它与所述n型III族氮化物半导体层的所述表面接合，同时将所述n型III族氮化物半导体层设置在300℃或更低温度下，从而通过镧铝合金层形成n型欧姆电极，所述镧铝合金层在结界面处具有10质量％或更多的镧含量而在离所述结界面30nm或更远距离的区域中具有小于10质量％的镧含量。
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