CN102598316B - 氮化物半导体器件及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种氮化物半导体器件，其中超晶格应变缓冲层通过使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层而以良好的平坦性形成，和具有良好平坦性和良好结晶性的氮化物半导体层在所述超晶格应变缓冲层上形成。特别公开一种氮化物半导体器件，其包括基板；在所述基板上形成的包括AlN的AlN应变缓冲层；在所述AlN应变缓冲层上形成的超晶格应变缓冲层；和在所述超晶格应变缓冲层上形成的氮化物半导体层。所述氮化物半导体器件的特征在于所述超晶格应变缓冲层包括AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)，并通过将包括p-型杂质的第一层和包括AlN的第二层交替地层压以形成超晶格结构而生产。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体器件和氮化物半导体器件的生产方法。
背景技术
近年来，在紫外线区域发光、特别是发射波长小于365nm的紫外LED(发光二极管)作为能够有利地用于杀菌、水净化、医疗、照明和高密度光记录等领域中的LED已经吸引注意力。此外，近年来，电子设备如使用化合物半导体的HEMT也吸引注意力。
具有使用AlGaN-类薄膜作为器件材料形成的器件结构的设备已知作为此类紫外LED。此外，关于具有使用此类AlGaN-类薄膜形成的器件结构的紫外LED，已经进行各种方法以通过获得高品质AlGaN-类薄膜来改进紫外LED的发光功率(lightoutput power)。
特别地，已开发出如下的紫外LED：其中AlN应变缓冲层(AlN模板)设置在基板上，除此之外，AlaGa1-aN/AlbGa1-bN(0≤a，b≤1，a＞b)的超晶格应变缓冲层设置在AlN应变缓冲层和n-型氮化物半导体(n-型AlGaN层)之间，由此控制薄膜应力并防止裂纹在n-型AlGaN层中产生从而改进发光功率(例如，参见VinodAdivarahan et al.，″Robust 290nm Emission Light EmittingDiodes over Pulsed Laterally Overgrown AlN″，Japanese Journalof Applied Physics，Vol.46，No.36，P.877(2007))。
然而，上述紫外LED(氮化物半导体器件)的发光功率已经不是充分的。
作为电子设备如上述使用化合物半导体的HEMT，已知使用氮化物半导体的氮化物半导体器件。关于此类使用氮化物半导体的HEMT，已进行各种方法以改进电流特性。
特别地，已开发出如下HEMT：其中缓冲层(GaN层)形成在基板上，由无掺杂氮化物半导体制成的沟道层(i-型AlGaN层)和势垒层(barrier layer)设置在缓冲层上，以及将Si注入源/漏(source/drain)区域，由此实现低接触电阻(例如，参见TakumaNanjo et al.，″First Operation of AlGaN Channel High ElectronMobility Transistors″，Applied Physics Express，Vol.1(2008))。
然而，关于上述HEMT，由GaN制成的在缓冲层上形成的沟道层(i-型AlGaN层)表面的平坦性不充分；因而，用该HEMT不能获得充分的电流特性。
现有技术文献
专利文献
[非专利文献1]Vinod Adivarahan et al.，″Robust 290nmEmission Light Emitting Diodes over Pulsed Laterally OvergrownAlN″，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，No.36，P.877(2007)
[非专利文献2]Takuma Nanjo et al.，″First Operation ofAlGaN Channel High Electron Mobility Transistors″，AppliedPhysics Express，Vol.1(2008)
发明内容
发明要解决的问题
这里，鉴于如上所述氮化物半导体器件(电子设备如HEMT)的电流特性的问题，本发明人发现氮化物半导体器件的电流特性例如，薄层电阻(sheet resistance)等能够通过在基板上形成具有良好平坦性的超晶格应变缓冲层来改进，其中组合GaN或具有低Al含量的AlGaN和AlN，由此改进要堆叠在超晶格应变缓冲层上的氮化物半导体层的结晶性。
因此，为了开发电流特性优良的氮化物半导体器件(其中使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层以良好的平坦性形成在基板上，除此之外，氮化物半导体层以良好的平坦性和结晶性形成在所述超晶格应变缓冲层上)的目的；和为了开发生产此类器件的方法的目的，本发明人已经深入研究。
此外，鉴于如上所述氮化物半导体器件(紫外LED)的发光功率的问题，本发明人发现其中组合GaN或具有低Al含量的AlGaN和AlN的超晶格应变缓冲层对于改进其上堆叠的层的结晶性是有效的，因而提高氮化物半导体器件的发光功率。然而，具有小于紫外区域的发射波长的带隙的GaN或具有低Al含量的AlGaN用作发光器件的光吸收元件；因此，优选尽可能减少GaN或具有低Al含量的AlGaN在超晶格应变缓冲层中的量。因而，本发明人已经尝试最小化超晶格应变缓冲层中由GaN或具有低Al含量的AlGaN制成的层的厚度。
这里，AlN层在AlN模板上相对平坦地生长。然而，关于GaN或具有低Al含量的AlGaN，在AlN上沿横向的晶体生长速率低，因此，由于此类材料的层的厚度小，明显更加难以获得具有良好平坦性的晶体。因此，关于使用由GaN或具有低Al含量的AlGaN制成的层的超晶格应变缓冲层，发现了超晶格应变缓冲层的平坦性劣化，超晶格结构的面内变化变得更大，因而在超晶格应变缓冲层上要堆叠的层的结晶性恶化。
因此，为了开发具有高发光功率的氮化物半导体器件的目的；和为了开发生产此类器件的方法的目的，本发明人已经深入研究，在氮化物半导体器件中，使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层以良好的平坦性形成于AlN模板基板上，除此之外，具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层形成于所述超晶格应变缓冲层上。
用于解决问题的方案
本发明旨在有利地解决电流特性的上述问题。本发明的氮化物半导体器件包括基板；在所述基板上形成的由AlN制成的AlN应变缓冲层；在所述AlN应变缓冲层上形成的超晶格应变缓冲层；和在所述超晶格应变缓冲层上形成的氮化物半导体层，其特征在于所述超晶格应变缓冲层具有通过将由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成的超晶格结构。AlN应变缓冲层由此形成于基板和超晶格应变缓冲层之间，因此能够抑制基板和超晶格应变缓冲层之间位错的产生。此外，能够抑制氮化物半导体层中翘曲(warpage)(应变)的产生从而进一步减少位错的产生。此外，如果氮化物半导体层形成于其中p-型杂质包含于具有低Al含量的第一层的超晶格应变缓冲层上，当用作半导体器件的层堆叠在作为基础的氮化物半导体层上时，能够获得电流特性优良的氮化物半导体器件。注意：本发明中，氮化物半导体层不特别地限定，并可以为任何给定的氮化物半导体层如p-型氮化物半导体层、n-型氮化物半导体层或i-型氮化物半导体层。此外，本发明中，i-型氮化物半导体层是指不故意掺杂有特定杂质如Mg或Si的氮化物半导体层(也是指无掺杂层)。i-型氮化物半导体层优选为理想地不包含杂质的半导体层；然而，不在电气上起到p-型或n-型作用的任何半导体层是可接受的。因此，本发明中，具有低电荷载流子密度(例如，小于5×1016/cm3)的层能够称作为i-型层。
此外，本发明旨在有利地解决发光功率的上述问题。本发明的氮化物半导体器件包括基板；在所述基板上形成的由AlN制成的AlN应变缓冲层；在所述AlN应变缓冲层上形成的超晶格应变缓冲层；在所述超晶格应变缓冲层上形成的n-型氮化物半导体层，在所述n-型氮化物半导体层上形成的发光层；在所述发光层上形成的p-型氮化物半导体层；电连接至所述n-型氮化物半导体层的n-侧电极；和电连接至所述p-型氮化物半导体层的p-侧电极，其特征在于所述超晶格应变缓冲层具有通过将由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成的超晶格结构。AlN应变缓冲层由此形成于基板和超晶格应变缓冲层之间，因此能够抑制基板和超晶格应变缓冲层之间位错的产生。此外，能够抑制n-型氮化物半导体层、发光层和p-型氮化物半导体层中翘曲(应变)的产生从而进一步减少位错的产生。此外，当n-型氮化物半导体层形成于其中p-型杂质包含于具有低Al含量的第一层的超晶格应变缓冲层上从而形成氮化物半导体器件时；具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层能够形成于平坦的超晶格应变缓冲层上。因而，能够获得具有高发光功率的氮化物半导体器件。
这里，在本发明的氮化物半导体器件中，p-型杂质优选为选自由Mg、Zn、Ca和Be组成的组中的任一种，更优选Mg或Zn，和特别优选Mg。鉴于在氮化物半导体上的偏析效果(segregationeffect)，Mg、Zn、Ca或Be可以用作p-型杂质。Mg或Zn适合为用于促进AlGaN或GaN沿横向的晶体生长的横向晶体生长促进物质。那些中，Mg特别适合作为横向晶体生长促进物质，因为其不易于扩散至另一层。注意：本发明中，第一层中包含的不是Si(n-型杂质)或C等，通过这些由于抗表面活性剂效果(anti-surfactant effect)而沿三维促进晶体生长，而是Mg等(p-型杂质)，通过这些沿横向促进晶体生长。因而，具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层能够形成于平坦的超晶格应变缓冲层上。此外，本发明中，使用术语″p-型杂质″；然而，在本发明的氮化物半导体器件中，上述杂质是否是活性的不重要，并且杂质可以为惰性的。
此外，在本发明的氮化物半导体器件中，各第一层的厚度优选为0.1nm-3nm。由于形成超晶格应变缓冲层的层的厚度小，氮化物半导体器件的发光功率增加。在该情况下，当各第一层的厚度为3nm以下，更优选2nm以下时，能够获得具有高发光功率的氮化物半导体器件。另外，由于形成超晶格应变缓冲层的层的厚度小，改进氮化物半导体器件的电流特性。另一方面，难以形成和控制具有小于0.1nm厚度的层。
此外，在本发明的氮化物半导体器件中，第一层中p-型杂质的浓度优选为5×1016cm-3以上至小于2×1019cm-3，更优选7×1017cm-3至1.7×1019cm-3。当p-型杂质浓度为5×1016cm-3以上时，能够改进超晶格应变缓冲层的平坦性从而形成具有良好平坦性和结晶性的氮化物半导体层或n-型氮化物半导体层。同时，当p-型杂质浓度为2×1019cm-3以上时，杂质的凝缩(condensation)出现从而劣化超晶格应变缓冲层的结晶性，这不利地影响随后要堆叠的氮化物半导体层或n-型氮化物半导体层的平坦性和结晶性。注意：本发明中，p-型杂质浓度是指通过SIMS测量的值。
这里，根据本发明氮化物半导体器件的生产方法包括以下步骤：在基板上形成由AlN制成的AlN应变缓冲层的步骤；在所述AlN应变缓冲层上形成超晶格应变缓冲层的步骤；和在所述超晶格应变缓冲层上形成氮化物半导体层的步骤，其特征在于所述形成超晶格应变缓冲层的步骤是通过将由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成超晶格结构的步骤。AlN应变缓冲层由此形成于基板和超晶格应变缓冲层之间，因此能够抑制基板和超晶格应变缓冲层之间位错的产生。此外，能够抑制氮化物半导体层中翘曲(应变)的产生从而进一步减少位错的产生。此外，如果形成具有包含于具有低Al含量的第一层中的p-型杂质的超晶格应变缓冲层，除此之外氮化物半导体层形成于超晶格应变缓冲层上从而形成氮化物半导体器件，用作半导体器件的层堆叠在作为基础的氮化物半导体层上，因此能够获得电流特性优良的氮化物半导体器件。注意：本发明中，氮化物半导体层不特别地限定，并可以为任何给定的氮化物半导体层如p-型氮化物半导体层、n-型氮化物半导体层或i-型氮化物半导体层。此外，本发明中，i-型氮化物半导体层是指不故意掺杂有特定杂质如Mg或Si的氮化物半导体层(也是指无掺杂层)。i-型氮化物半导体层优选为理想地不包含杂质的半导体层；然而，不在电气上起到p-型或n-型作用的任何半导体层是可接受的。因此，本发明中，具有低电荷载流子密度(例如，小于5×1016/cm3)的层能够称作为i-型层。
此外，根据本发明氮化物半导体器件的生产方法包括以下步骤：在基板上形成由AlN制成的AlN应变缓冲层的步骤；在所述AlN应变缓冲层上形成超晶格应变缓冲层的步骤；在所述超晶格应变缓冲层上形成n-型氮化物半导体层的步骤；在所述n-型氮化物半导体层上形成发光层的步骤；在所述发光层上形成p-型氮化物半导体层的步骤；形成电连接至所述n-型氮化物半导体层的n-侧电极的步骤；和形成电连接至所述p-型氮化物半导体层的p-侧电极的步骤，其特征在于所述形成超晶格应变缓冲层的步骤是通过将由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成超晶格结构的步骤。AlN应变缓冲层由此形成于基板和超晶格应变缓冲层之间，因此能够抑制基板和超晶格应变缓冲层之间位错的产生。此外，能够抑制n-型氮化物半导体层、发光层和p-型氮化物半导体层中翘曲(应变)的产生从而进一步减少位错的产生。此外，当形成具有包含于具有低Al含量的第一层中的p-型杂质的超晶格应变缓冲层，和n-型氮化物半导体层形成于超晶格应变缓冲层上从而形成氮化物半导体器件时，具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层能够形成于平坦的超晶格应变缓冲层上。因而，能够获得具有高发光功率的氮化物半导体器件。
这里，在根据本发明氮化物半导体器件的生产方法中，形成所述n-侧电极的步骤优选包括，在所述发光层上形成所述p-型氮化物半导体层之后，暴露在所述发光层侧的一部分所述n-型氮化物半导体层，和在所述暴露部分上形成所述n-侧电极。
此外，在根据本发明氮化物半导体器件的生产方法中，所述p-型杂质优选为选自由Mg、Zn、Ca和Be组成的组中的任一种，更优选Mg或Zn，和特别优选Mg。鉴于在氮化物半导体上的偏析效果，Mg、Zn、Ca或Be可以用作p-型杂质。Mg或Zn适合为用于促进AlGaN或GaN沿横向的晶体生长的横向晶体生长促进物质。那些中，Mg特别适合作为横向晶体生长促进物质，因为其不易于扩散至另一层。注意：本发明中，第一层中包含的不是Si(n-型杂质)或C等，通过这些由于抗表面活性剂效果而沿三维促进晶体生长，而是Mg等(p-型杂质)，通过这些沿横向促进晶体生长。因而，具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层能够形成于平坦的超晶格应变缓冲层上。此外，本发明中，使用术语″p-型杂质″；然而，在本发明的氮化物半导体器件中，上述杂质是否是活性的不重要，并且杂质可以为惰性的。
此外，在根据本发明氮化物半导体器件的生产方法中，各第一层的厚度为0.1nm-3nm。由于形成超晶格应变缓冲层的层的厚度小，氮化物半导体器件的发光功率增加。在该情况下，当各第一层的厚度为3nm以下，更优选2nm以下时，能够获得具有高发光功率的氮化物半导体器件。另外，由于形成超晶格应变缓冲层的层的厚度小，改进氮化物半导体器件的电流特性。另一方面，难以形成和控制具有小于0.1nm厚度的层。
此外，在根据本发明氮化物半导体器件的生产方法中，在第一层中所述p-型杂质的浓度优选为5×1016cm-3以上至小于2×1019cm-3。当p-型杂质浓度为5×1016cm-3以上时，能够改进超晶格应变缓冲层的平坦性从而形成具有良好平坦性和结晶性的氮化物半导体层或n-型氮化物半导体层。同时，当p-型杂质浓度为2×1019cm-3以上时，杂质的凝缩出现从而劣化超晶格应变缓冲层的结晶性，这不利地影响随后要堆叠的氮化物半导体层或n-型氮化物半导体层的平坦性和结晶性。注意：本发明中，p-型杂质浓度是指通过SIMS测量的值。
发明的效果
本发明能够提供电流特性优良的氮化物半导体器件，其中使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层在基板上的AlN应变缓冲层上以良好的平坦性形成，和具有良好平坦性和结晶性的氮化物半导体层形成在超晶格应变缓冲层上。
此外，本发明能够提供具有高发光功率的氮化物半导体器件，其中使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层在基板上的AlN应变缓冲层上以良好的平坦性形成，和具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层形成在超晶格应变缓冲层上。
附图说明
图1是示意性示出根据本发明的氮化物半导体器件的实例的截面图。
图2(a)和2(b)是示出根据本发明的氮化物半导体器件的生产方法的实例的说明图。
图3是示意性示出根据本发明的氮化物半导体器件的另一实例的截面图。
图4(a)示出在本发明实施例的氮化物半导体器件中超晶格应变缓冲层的顶面的AFM图，和图4(b)示出在本发明比较例的氮化物半导体器件中超晶格应变缓冲层的顶面的AFM图。
图5(a)示出本发明参考例中形成的GaN单层的SIMS曲线(profile)，和图5(b)示出本发明实施例中形成的氮化物半导体器件的SIMS曲线。
图6(a)示出在本发明实施例中氮化物半导体器件的i-型氮化物半导体层的顶面的AFM图，和图6(b)示出在本发明比较例中氮化物半导体器件的i-型氮化物半导体层的顶面的AFM图。
图7是示出AlxGa1-xN晶体的光致发光发射波长和强度之间的关系的图。
具体实施方式
本发明的实施方案以下将参考附图详细地描述。这里，正如图1中示意性示出的截面，根据本发明氮化物半导体器件的实例是包括以下的氮化物半导体器件10：基板1；在基板1上形成的AlN应变缓冲层2；在AlN应变缓冲层2上形成的超晶格应变缓冲层3；在超晶格应变缓冲层3上形成的n-型氮化物半导体层4；在n-型氮化物半导体层4上形成的发光层5；在发光层5上形成的p-型氮化物半导体层6；电连接至n-型氮化物半导体层4的n-侧电极7；和电连接至p-型氮化物半导体层6的p-侧电极8。该氮化物半导体器件10的超晶格应变缓冲层3具有通过进一步包含p-型杂质的由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的第一层31和由AlN制成的第二层32交替堆叠而形成的超晶格结构。注意：图1中，超晶格应变缓冲层3的层压结构部分地省略。
这里，作为基板1，例如，可以使用蓝宝石基板、碳化硅(SiC)基板、硅(Si)基板、锗(Ge)基板、氮化镓(GaN)基板、氮化铝镓(AlGaN)基板或氮化铝(AlN)基板等。
作为AlN应变缓冲层2，可以使用具有例如20nm-1500nm，优选500nm-1500nm，更优选800nm-1000nm的厚度的由AlN制成的层，并且该层通过已知的技术如MOCVD、MOVPE、HVPE或MBE在基板1上外延生长。
超晶格应变缓冲层3可以具有其中第一层31和第二层32通过已知的技术交替外延生长的超晶格结构。注意：在交替堆叠第一层31和第二层32以形成超晶格结构之时，第一层31中各层的厚度例如为，0.1nm-3nm，优选2nm以下，和第二层32中各层的厚度例如为，0.1nm-9nm，优选0.9nm-9nm。此外，第一层31和第二层32的层压数可以为例如，各自包括第一层31中之一和第二层32中之一的20-70组，优选20-50组。在该层压数下，可以充分地抑制位错的产生。
注意：在超晶格应变缓冲层3中，由AlN制成的第二层在AlN应变缓冲层2侧上较厚(第二层的比例较高)，以及第二层相对于第一层的比例优选向n-型氮化物半导体层4侧逐渐减少。在该结构下，可以进一步改进n-型氮化物半导体层4的结晶性。
此外，超晶格应变缓冲层3作为整体实质上不导电(例如，通过薄层电阻测量设备测量的电阻率为10Ω·cm/□以上)，和通过SIM S测量的在超晶格应变缓冲层3作为整体中的杂质浓度优选为1×1018cm-3以下，更优选7×1017cm-3以下。当杂质浓度大于1×1018cm-3时，半导体闸流管(thyristor)故障会在氮化物半导体器件中出现。
通常，p-型杂质掺杂至AlN层是困难的并涉及结晶性的劣化。相对地，由于本发明的超晶格应变缓冲层不需要是导电的，所以除了从第一层31中扩散的不可避免的杂质以外，第二层32中杂质的量优选远远小于通常的杂质掺杂量。
这里，作为第一层31，可以使用由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)，优选AlxGa1-xN(0≤x≤0.23)制成并进一步包含p-型杂质的具有低Al含量的层。注意：作为p-型杂质，例如可以使用Mg、Zn、Ca或Be。通过在第一层31的原料气体中同时提供p-型杂质将p-型杂质供给至第一层31，和/或，间歇地将p-型杂质供给至AlN应变缓冲层2或第二层32，然后形成第一层31以扩散p-型杂质至第一层31中。因而，p-型杂质可以包含在第一层31中。此外，p-型杂质在第一层31中的浓度可以为例如，5×1016cm-3以上至小于2×1019cm-3，优选7×1017cm-3-1.7×1019cm-3，更优选7×1018cm-3-1.7×1019cm-3。
注意：对于例如，在基板1上以氧附着至其的状态堆叠AlN应变缓冲层2和超晶格应变缓冲层3这样的情况，氧(O)将通过扩散等混合入第一层31。此类氧将是氮化物半导体器件10的发光功率降低的原因；因此，氧在第一层31中的浓度优选为1×1018cm-3以下。
作为n-型氮化物半导体层4，可以使用掺杂有Si等的由AlcGa1-cN(其中0≤c≤1)制成的层。作为发光层5，可以使用由AldIneGa1-d-eN(其中0≤d≤1，0≤e≤1，0≤d+e≤1)制成的层。作为p-型氮化物半导体层6，可以使用掺杂有Mg、Zn、Ca或Be的由AlfGa1-fN(其中0≤f≤1)制成的层。此外，层的厚度可以为例如如下：n-型氮化物半导体层4：1300nm-1400nm，发光层5：50nm-80nm和p-型氮化物半导体层6：200nm-300nm。注意：这些层可以通过使用已知的技术外延生长来形成。
此外，作为n-侧电极7，例如，可以使用借助真空气相沉积法顺序地气相沉积含Ti-膜和含Al-膜而形成的Ti/Al电极。同时，作为p-侧电极8，例如，可以使用借助真空气相沉积法顺序地气相沉积含Ni-膜和含Au-膜形成的Ni/Au电极。
接着，氮化物半导体器件10能够例如以下来生产。
首先，如图2(a)所示，AlN应变缓冲层2、超晶格应变缓冲层3、n-型氮化物半导体层4、发光层5和p-型氮化物半导体层6例如通过MOCVD在基板1上顺序地外延生长，从而形成外延层压体。接着，如图2(b)所示，n-型氮化物半导体层4、发光层5和p-型氮化物半导体层6通过干法蚀刻而部分地蚀刻从而部分地暴露在发光层5侧(在图2(b)中的上侧)的n-型氮化物半导体层4。最终，n-侧电极7和p-侧电极8通过真空气相沉积法形成从而分别电连接至n-型氮化物半导体层4和p-型氮化物半导体层6，由此完成如图1所示的氮化物半导体器件10。
在由此生产的氮化物半导体器件10中，关于形成超晶格应变缓冲层3的第一层31和第二层32，由于p-型杂质包含在具有低Al含量的层(第一层31)中，所以促进第一层31沿横向的晶体生长从而改进超晶格应变缓冲层3的平坦性。因此，改进在超晶格应变缓冲层3上形成的n-型氮化物半导体层4的平坦性和结晶性，也因此改进发光层5和其上的p-型氮化物半导体层6的结晶性。因而，能够获得具有高发光功率的氮化物半导体器件10。
注意：关于本发明的氮化物半导体器件，当采用具有AlN应变缓冲层的AlN模板基板和外延生长层形成于其上时，可以形成AlN层作为超晶格应变缓冲层和AlN模板基板之间的初始层。此外，本发明的氮化物半导体器件中n-型氮化物半导体层和p-型氮化物半导体层可以各自为层压体。特别地，可以使用n-包覆层和n-接触层的层压体或者p-包覆层和p-接触层的层压体。此外，在基板上形成的AlN应变缓冲层可以为例如，使用由其他氮化物半导体如GaN或AlGaN制成的氮化物半导体层的应变缓冲层。
上述采用氮化物半导体发光器件作为实例已经描述了本发明的氮化物半导体器件。然而，根据本发明的氮化物半导体器件不限于上述一个实例的氮化物半导体发光器件。
特别地，正如图3示意性示出的其截面，本发明的氮化物半导体器件的另一实例为包括以下的氮化物半导体器件20：基板1、在基板1上形成的AlN应变缓冲层2；在AlN应变缓冲层2上形成的超晶格应变缓冲层3；在超晶格应变缓冲层3上形成的氮化物半导体层4′。该氮化物半导体器件20的超晶格应变缓冲层3具有通过将进一步包含p-型杂质的由AlxGa1-xN(0≤x≤0.25)制成的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成的超晶格结构。该氮化物半导体器件20可以用于例如电子设备如HEMT。注意：图3中，超晶格应变缓冲层3的层压结构部分地省略。此外，图3中，具有与图1的氮化物半导体器件相同结构的组件由相同的附图标记表示。
这里，该氮化物半导体器件20的基板1、AlN应变缓冲层2和超晶格应变缓冲层3可以具有与前述实例类似的结构和组成。
氮化物半导体层4′通过外延生长多个III-氮化物层来形成，并可以具有由Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≤a1≤1，0＜b1≤1，0≤c1≤1，0≤d1≤1，a1+b1+c1+d1＝1)材料制成的沟道层4′a和具有比沟道层4′a的带隙更大的带隙的由Ba2Alb2Gac2Ind2N(0≤a2≤1，0＜b2≤1，0≤c2≤1，0≤d2≤1，a2+b2+c2+d2＝1)材料制成的电子供给层4′b。注意：沟道层4′a和电子供给层4′b两者均可以由单一或多种组成形成。此外，为了防止合金飞散和降低在电流流动部分处的电阻率，接触电子供给层4′b的至少一部分沟道层4′a优选由GaN材料制成。当该氮化物半导体器件20用于HEMT时，HEMT可以通过将源电极、漏电极和栅电极(gateelectrode)设置在电子供给层4′b表面上来形成。
例如，氮化物半导体器件20可以通过借助于使用MOCVD在基板1如Si基板上顺序地外延生长AlN应变缓冲层2、超晶格应变缓冲层3和氮化物半导体层4′而形成外延层压体来生产。
在由此生产的氮化物半导体器件20中，关于形成超晶格应变缓冲层3的第一层31和第二层32，由于p-型杂质包含在具有低Al含量的层(第一层31)中，所以促进第一层31沿横向的晶体生长从而改进超晶格应变缓冲层3的平坦性。因此，改进在超晶格应变缓冲层3上形成的氮化物半导体层4′的平坦性和结晶性。因而，能够获得电流特性优良的氮化物半导体器件20。
注意：关于本发明的氮化物半导体器件，当采用具有AlN应变缓冲层的AlN模板基板和外延生长层形成于其上时，可以形成AlN层作为超晶格应变缓冲层和AlN模板基板之间的初始层。此外，本发明的氮化物半导体器件可以具有根据应用的任何给定的结构和组成。
实施例
本发明以下将使用实施例更详细地描述；然而，本发明不限于以下实施例。注意：以下实施例和比较例中提及的Al组成对应于在基板中心测量的值。
(实施例1)
通过MOCVD在具有AlN应变缓冲层的AlN模板上在蓝宝石基板的(0001)面上形成AlN层(厚度：27nm)作为初始层，然后超晶格应变缓冲层、n-型氮化物半导体层、发光层和p-型氮化物半导体层顺序地外延生长于其上从而形成外延层压体。之后，n-型氮化物半导体层通过干法蚀刻而部分地暴露。n-侧电极(Ti/Al)形成于n-型氮化物半导体层上，和p-侧电极(Ni/Au)形成于p-型氮化物半导体层上，从而制造氮化物半导体器件。注意：所用的AlN应变缓冲层的厚度为800nm，和其位错密度为1×1010cm-2以下。注意：超晶格应变缓冲层具有以下结构：其中第一层由GaN制成并且具有20组交替堆叠的AlN层(厚度：9nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层I、具有30组交替堆叠的AlN层(厚度：2.7nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层II和具有50组交替堆叠的AlN层(厚度：0.9nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层III顺序堆叠。GaN层(第一层)掺杂有Mg。另外，所得氮化物半导体器件的结构示于表1中，以及超晶格应变缓冲层和AlN初始层的制造条件示于表2中。
注意：为了测量实施例1中超晶格应变缓冲层的电阻率，在已经制成超晶格应变缓冲层的阶段的样品的电阻率通过薄层电阻测量设备来测量，和电阻率为15.2Ω·cm/□。
表1
表2
(比较例1)
除了超晶格应变缓冲层中GaN层中不用Mg掺杂以外，氮化物半导体器件以与实施例1类似的方式制造。
(实施例2-1)
除了超晶格应变缓冲层中第一层由AlxGa1-xN(x＝0.15)替代GaN制成以外，氮化物半导体器件以与实施例1类似的方式制造。
(比较例2-1)
除了超晶格应变缓冲层中AlxGa1-xN(x＝0.15)层中不用Mg掺杂以外，氮化物半导体器件以与实施例2-1类似的方式制造。
(实施例2-2)
除了超晶格应变缓冲层中第一层由AlxGa1-xN(x＝0.23)替代GaN制成以外，氮化物半导体器件以与实施例1类似的方式制造。
(比较例2-2)
除了超晶格应变缓冲层中AlxGa1-xN(x＝0.23)层中不用Mg掺杂以外，氮化物半导体器件以与实施例2-2类似的方式制造。
(比较例3)
超晶格应变缓冲层中第一层由AlxGa1-xN(x＝0.43)制成，和进行与实施例2-1类似的操作直至形成外延层压体。未检测发光功率。
(比较例4)
除了超晶格应变缓冲层中AlxGa1-xN(x＝0.43)层中不用Mg掺杂以外，外延层压体以与比较例3类似的方式制造。
(超晶格应变缓冲层的平坦性的评价)
关于实施例1、2-1和2-2以及比较例1、2-1、2-2、3和4，使用原子力显微镜(AFM)观察在已经形成超晶格应变缓冲层的阶段的各样品中的超晶格应变缓冲层的表面从而求得各n-型氮化物半导体层的表面粗糙度Ra。结果示于表3中。此外，关于实施例1和比较例1，超晶格应变缓冲层顶面的状态分别示于图4(a)和4(b)。
(n-型氮化物半导体层的结晶性的评价)
关于实施例1、2-1和2-2以及比较例1、2-1、2-2、3和4，通过X-射线衍射仪分析在已经形成外延层压体的阶段的各样品，从而求得对应于形成n-型氮化物半导体层、发光层和p-型氮化物半导体层的晶体的(002)面和(102)面的峰的半值宽度。结果示于表3中。注意：半值宽度越小，结晶性越好。特别地，由于(102)面容易影响发光层，对应于(102)面的峰的半值宽度优选为小的。
(氮化物半导体器件的发光功率的评价)
在实施例1、2-1和2-2以及比较例1、2-1和2-2中，在已经形成外延层压体的阶段，将生长面用金刚石笔划线；铟点(Indiumdots)物理性地压印在n-型氮化物半导体层暴露的点和远离暴露点1.5mm的点上。因而，制造使用形成的两点作为n-型电极和p-型电极的简单氮化物半导体器件。接着，将探针放在这些点上，在施加电流之后的光从背面(rear surface)输出，将光通过光纤导向多通道光谱仪。光谱的峰强度转换为W(瓦特)从而获得发光功率Po。结果示于表3中。
表3
表3显示其中超晶格应变缓冲层中GaN层已经用Mg掺杂的实施例1、2-1和2-2中的n-型氮化物半导体层的平坦性和结晶性得到改进，因此显著改进氮化物半导体器件的发光功率。
此外，显示出当第一层的Al组成为x＝0时通过用Mg掺杂第一层改进平坦性和结晶性和改进功率输出的效果更好；另一方面，在x＝0.43的情况下它们相当差。因此，形成第一层的AlxGa1-xN组成设定为满足0≤x≤0.25，优选0≤x≤0.15。
注意：由于x值超过0.25，引入更多的缺陷，和结晶性的值也显著恶化。图7示出评价AlxGa1-xN中的光致发光的结果。通过使用Ar激光器和SHG晶体产生244nm激光而在晶片中心进行测量。评价使得可以测定AlxGa1-xN中x值和晶体中缺陷量的变动。Yun F.etal，J.Appl.Phys.92，4837(2002)中记载的弯曲参数(Bowing parameters)用于从光致发光的发射波长转换为x值(Al组成)。
生长特定的AlxGa1-xN，关于x＝0.21、0.25、0.30，通过AlxGa1-xN中相对于光致发光发射波长的峰(在最短波长处观察的峰)强度规格化(normalize)强度。结果，关于x＝0.21，在长波长侧似乎没有特别高的峰。在长波长侧看见的峰显示存在不同于AlxGa1-xN带隙的能量水平，这表明缺陷特别是点缺陷引入至晶体中。因此，显示出Al0.21Ga0.79N具有较少的晶体缺陷。另一方面，关于其中x＝0.25的Al0.25Ga0.75N，峰在380nm附近显现。此外，关于其中x＝0.30的Al0.30Ga0.70N，显现由于缺陷而引起的、具有约6倍高于Al0.30Ga0.70N在最大处的峰强度的峰强度的峰。也鉴于此，当x＝0.43时，缺陷迅速引入至AlxGa1-xN晶体中，结果，通过x-射线测量而测定的半值宽度值也认为是已经迅速劣化。
(实施例3)
除了使在超晶格应变缓冲层的GaN层形成时Mg气体的流量两倍以外，氮化物半导体器件以与实施例1类似的方式制造。超晶格应变缓冲层的平坦性、外延层压体的结晶性和氮化物半导体器件的发光功率以与实施例1类似的方式评价。结果示于表4中。
表4
从表4的结果中，与不用Mg掺杂的比较例1相比，具有大量Mg的实施例3显示结晶性的改进；然而，与实施例1相比取得较少的有利影响。这指出对于Mg掺杂量存在适当的范围。
(参考例1)
为测量实施例1的第一层中包含的Mg的量，在不使实施例1的第二层(AlN)用原料气体流动的情况下形成仅第一层(GaN)的层压体，以通过SIMS测量层压体的杂质浓度。图5(a)示出结果。结果显示实施例1的第一层中包含的Mg的浓度为7×1017cm-3-1.7×1019cm-3。该结果进一步显示在对其扩散的影响消除的场合它们形成时第一层中包含的Mg的浓度为7×1018cm-3-1.7×1019cm-3。
(参考例2)
此外，为了测量实施例1的整个超晶格应变缓冲层中的Mg浓度，外延层压体的杂质浓度通过SIMS测量。图5(b)示出结果。由图5(b)中虚线围绕的部分对应于超晶格应变缓冲层。因而，实施例1超晶格的相关区域中包含的Mg的量为7×1017cm-3以下。注意：在SIMS中，不能单独地测量超晶格应变缓冲层中的第一层和第二层；因而，在图5(b)的Mg浓度中，来自第一层的信号和来自第二层的信号混合以致第一层中检测到的Mg浓度似乎是已经被削弱。这里，从第一层至第二层的扩散水平不确定。然而，由于Mg主要残留在第一层中，因此第一层中的掺杂量不认为是与第二层中的掺杂量同等。
(实施例4)
在蓝宝石基板的(0001)面上在具有AlN应变缓冲层的AlN模板上通过MOCVD形成AlN层(厚度：27nm)作为初始层，然后超晶格应变缓冲层和由Al0.35Ga0.65N制成的i-型氮化物半导体层顺序地外延生长于其上从而形成外延层压体。注意：所用的AlN应变缓冲层的厚度为800nm，和其位错密度为1×1010cm-2以下。这里，超晶格应变缓冲具有以下结构：其中第一层由GaN制成并且具有20组交替堆叠的AlN层(厚度：9nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层I、具有30组交替堆叠的AlN层(厚度：2.7nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层II和具有50组交替堆叠的AlN层(厚度：0.9nm)和GaN层(厚度：2.1nm)的超晶格层III顺序堆叠。GaN层(第一层)掺杂有Mg。另外，超晶格应变缓冲层和AlN初始层的制造条件与实施例1中的那些相同。
接着，所得外延层压体中i-型氮化物半导体层的表面使用AFM观察以检测表面平坦性。如图6(a)所示，观察到对应于仅一层或两层原子层厚的原子台阶(atomic steps)，和表面粗糙度Ra为0.73nm。
(比较例5)
除了超晶格应变缓冲层中GaN层不用Mg掺杂以外，外延层压体以与实施例4类似的方式制造。
接着，所得外延层压体中i-型氮化物半导体层的表面使用AFM观察以检测表面平坦性。如图6(b)所示，观察到许多对应于三层以上原子层厚的聚束(bunchings)，和Ra值为2.87nm。
实施例4和比较例5表明在超晶格应变缓冲层上形成的i-型氮化物半导体层的平坦性能够通过用Mg掺杂第一层(GaN层)来改进。因而，证实本发明对于普通半导体器件如光发射/接收器件或电子器件是有效的。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供具有高发光功率的氮化物半导体器件，其中使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层在基板上的AlN应变缓冲层上以良好的平坦性形成，和具有良好平坦性和结晶性的n-型氮化物半导体层形成在超晶格应变缓冲层上。
此外，根据本发明，能够提供具有优良电流特性的氮化物半导体器件，其中使用具有低Al含量的AlGaN层或GaN层的超晶格应变缓冲层在基板上的AlN应变缓冲层上以良好的平坦性形成，和具有良好平坦性和结晶性的氮化物半导体层形成在超晶格应变缓冲层上。
附图标记说明
1：基板
2：AlN应变缓冲层
3：超晶格应变缓冲层
4：n-型氮化物半导体层
4′：氮化物半导体层
4′a：沟道层
4′b：电子供给层
5：发光层
6：p-型氮化物半导体层
7：n-侧电极
8：p-侧电极
10：氮化物半导体器件
20：氮化物半导体器件
31：第一层
32：第二层
Claims (11)
1.一种氮化物半导体器件，其包括：
基板；
在所述基板上形成的由AlN制成的AlN应变缓冲层；
在所述AlN应变缓冲层上形成的超晶格应变缓冲层；和
在所述超晶格应变缓冲层上形成的氮化物半导体层，
其中所述超晶格应变缓冲层具有通过将由AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.25，制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成的超晶格结构，其中所述第二层为无掺杂层，在所述超晶格应变缓冲层作为整体中的杂质浓度为1×1018cm-3以下。
2.一种氮化物半导体器件，其包括：
基板；
在所述基板上形成的由AlN制成的AlN应变缓冲层；
在所述AlN应变缓冲层上形成的超晶格应变缓冲层；
在所述超晶格应变缓冲层上形成的n-型氮化物半导体层；
在所述n-型氮化物半导体层上形成的发光层；
在所述发光层上形成的p-型氮化物半导体层；
电连接至所述n-型氮化物半导体层的n-侧电极；和
电连接至所述p-型氮化物半导体层的p-侧电极，
其中所述超晶格应变缓冲层具有通过将由AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.25，制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成的超晶格结构，其中所述第二层为无掺杂层，在所述超晶格应变缓冲层作为整体中的杂质浓度为1×1018cm-3以下。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体器件，其中所述p-型杂质为选自由Mg、Zn、Ca和Be组成的组中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体器件，其中所述第一层各自的厚度为0.1nm-3nm。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体器件，其中在所述第一层中所述p-型杂质的浓度为5×1016cm-3至2×1019cm-3。
6.一种氮化物半导体器件的生产方法，其包括以下步骤：
在基板上形成由AlN制成的AlN应变缓冲层的步骤；
在所述AlN应变缓冲层上形成超晶格应变缓冲层的步骤；和
在所述超晶格应变缓冲层上形成氮化物半导体层的步骤，
其中所述形成超晶格应变缓冲层的步骤是通过将由AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.25，制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成超晶格结构的步骤，其中所述第二层为无掺杂层，在所述超晶格应变缓冲层作为整体中的杂质浓度为1×1018cm-3以下。
7.一种氮化物半导体器件的生产方法，其包括以下步骤：
在基板上形成由AlN制成的AlN应变缓冲层的步骤；
在所述AlN应变缓冲层上形成超晶格应变缓冲层的步骤；
在所述超晶格应变缓冲层上形成n-型氮化物半导体层的步骤；
在所述n-型氮化物半导体层上形成发光层的步骤；
在所述发光层上形成p-型氮化物半导体层的步骤；
形成电连接至所述n-型氮化物半导体层的n-侧电极的步骤；和
形成电连接至所述p-型氮化物半导体层的p-侧电极的步骤，
其中所述形成超晶格应变缓冲层的步骤是通过将由AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.25，制成的进一步包含p-型杂质的第一层和由AlN制成的第二层交替堆叠而形成超晶格结构的步骤，其中所述第二层为无掺杂层，在所述超晶格应变缓冲层作为整体中的杂质浓度为1×1018cm-3以下。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的生产方法，其中所述形成n-侧电极的步骤包括，在所述发光层上形成所述p-型氮化物半导体层之后，暴露在所述发光层侧的一部分所述n-型氮化物半导体层，和在所述暴露部分上形成所述n-侧电极。
9.根据权利要求6-8任一项所述的氮化物半导体器件的生产方法，其中所述p-型杂质为选自由Mg、Zn、Ca和Be组成的组中的任一种。
10.根据权利要求6-8任一项所述的氮化物半导体器件的生产方法，其中所述第一层各自的厚度为0.1nm-3nm。
11.根据权利要求6-8任一项所述的氮化物半导体器件的生产方法，其中在所述第一层中所述p-型杂质的浓度为5×1016cm-3至2×1019cm-3。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant |