CN111279495B - 具有氮化硼合金接触层的iii族氮化物半导体器件及其制造方法 - Google Patents

具有氮化硼合金接触层的iii族氮化物半导体器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种用于形成III族氮化物半导体器件的方法，所述方法包括确定第一III族氮化物接触层和第一金属接触的功函数。第一III族氮化物接触层的功函数是基于第一III族氮化物接触层的III族元素确定的。基于所确定的第一III族氮化物接触层的功函数和第一金属接触的功函数，确定应该调节的第一III族氮化物接触层的功函数。形成III族氮化物半导体器件包括：与第二III族氮化物接触层相邻的第一III族氮化物接触层、布置在第一III族氮化物接触层上的第一金属接触、以及布置在第二III族氮化物接触层上的第二金属接触。所形成的III族氮化物半导体器件的第一III族氮化物接触层是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于第一III族氮化物接触层的III族元素确定的第一金属层的功函数来调节第一III族氮化物接触层的功函数。

Description

具有氮化硼合金接触层的III族氮化物半导体器件及其制造 方法
本申请要求于2017年10月16日提交的标题为“BORON CONTAINING III-NITRIDEMETAL CONTACT LAYERS”的美国临时专利申请No.62/572,672的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
所公开的主题的实施例大体上涉及具有至少一个接触层的III族氮化物半导体器件，该接触层具有氮化硼合金以相对于没有硼的接触层的功函数来调节接触层的功函数。
背景技术
III族氮化物半导体(氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化硼(BN)及其合金)已成为用于制造例如发光二极管(LED)、激光二极管、光电探测器的光电子器件以及用于制造例如高电子迁移率晶体管(HEMT)的高功率电子设备的关键材料。低电阻欧姆接触的形成对于进一步改善III型氮化物器件的电气性能和光学性能至关重要，因为大的接触电阻能够导致整个接触界面的大的压降，导致功率效率差以及由于发热问题而降低了的设备的可靠性。
掺杂半导体层上的金属接触是否与不同的接触势垒形成肖特基接触或是欧姆接触，在很大程度上取决于金属接触和掺杂半导体层的功函数(Φ)。功函数表示费米能级(Ef)相对于真空能级的距离，该距离受导带边缘和价带边缘的位置以及掺杂的影响。
如图1A所示，当金属接触的功函数大于n型半导体接触层的功函数时，会形成肖特基接触，这会阻碍电子从金属接触到n型半导体接触层的流动。由于较低的导带边缘或费米能级，n型半导体接触层的功函数增加，肖特基势垒或接触势垒减小，这增加了电子从金属接触到n型半导体接触层的流动。如图1B所示，当n型半导体接触层的功函数等于或大于金属接触的功函数时，会形成欧姆接触，这允许电子从金属接触到n型半导体接触层的流动。
p型半导体接触层具有与n型半导体接触层相反的行为。具体地，如图1C所示，当金属接触的功函数小于p型半导体接触层的功函数时，会形成肖特基接触，这会阻碍空穴从金属接触到p型半导体接触层的流动。由于较高的价带边缘或费米能级，p型半导体接触层的功函数减小，肖特基势垒或接触势垒减小，这增加了空穴从金属接触到n型半导体接触层的流动。此外，如图1D所示，当金属接触的功函数等于或大于p型半导体接触层的功函数时，会形成欧姆接触，这允许空穴从金属接触到p型半导体接触层的流动。
因此，期望提供n型和p型半导体接触层，该半导体接触层与布置在接触层上的金属接触具有降低的接触势垒。
发明内容
根据一个实施例，存在一种用于形成III族氮化物半导体器件的方法。该方法包括确定第一III族氮化物接触层和第一金属接触的功函数，其中，第一III族氮化物接触层的功函数是基于第一III族氮化物接触层的III族元素来确定的；基于所确定的第一III族氮化物接触层的功函数和第一金属接触的功函数，确定应该调节第一III族氮化物接触层的功函数，以及形成III族氮化物半导体器件，其包括：与第二III族氮化物接触层相邻的第一III族氮化物接触层、布置在第一III族氮化物接触层上的第一金属接触、以及布置在第二III族氮化物接触层上的第二金属接触，其中，所形成的III族氮化物半导体器件的第一III族氮化物接触层是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于第一III族氮化物接触层的III族元素确定的第一金属层的功函数来调节第一III族氮化物接触层的功函数。
根据另一实施例，存在一种半导体器件，其包含：第一III族氮化物接触层；布置在第一III族氮化物接触层上的第一金属接触；与第一III族氮化物接触层相邻布置的第二III族氮化物接触层；以及布置在第二III族氮化物接触层上的第二金属接触，其中，第一III族氮化物接触层包括具有附加的III族元素的氮化硼合金，其中，与包括附加的III族元素和氮化物的接触层相比，第一III族氮化物接触层包括一定量的硼以调节第一氮化硼合金接触层的功函数。
根据另外的实施例，存在一种用于形成III族氮化物半导体器件的方法。该方法包括：形成第一III族氮化物接触层；与第一III族氮化物接触层相邻地形成第二III族氮化物接触层；在第一III族氮化物接触层上形成第一金属接触；以及在第二III族氮化物接触层上形成第二金属接触，其中，第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层是不同的氮化硼合金。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图说明了一个或更多个实施例，并且与说明书一起解释了这些实施例。在附图中：
图1A和1B分别是金属至n型半导体结的肖特基接触和欧姆接触的示意图；
图1C和1D分别是金属至p型半导体结的肖特基接触和欧姆接触的示意图；
图2是根据实施例的形成III族氮化物半导体器件的方法的流程图；
图3A-3C是根据实施例的III族氮化物半导体器件的框图；
图4是根据实施例的III族氮化物材料之间的价带和导带偏移的图；以及
图5是根据实施例的形成III族氮化物半导体器件的方法的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参见附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。为了简单起见，关于III族氮化物半导体器件的术语和结构，讨论了以下实施例。
在整个说明书中，提到“一个实施例”或者“实施例”时，指的是结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包含在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定是指同一实施例。另外，可以在一个或更多个实施例中以任何合适的方式结合特定特征、结构或者特性。
图2是根据实施例的形成III族氮化物半导体器件的方法的流程图。首先，确定第一III族氮化物接触层和第一金属接触的功函数(步骤205)。第一III族氮化物接触层的功函数是基于第一III族氮化物接触层的III族元素来确定的。接下来，基于所确定的第一III族氮化物接触层的功函数和第一金属接触的功函数，确定应该调节第一III族氮化物接触层的功函数(步骤210)。形成III族氮化物半导体器件，其包括：与第二III族氮化物接触层相邻的第一III族氮化物接触层、布置在第一III族氮化物接触层上的第一金属接触、以及布置在第二III族氮化物接触层上的第二金属接触(步骤215)。所形成的III族氮化物半导体器件的第一III族氮化物接触层是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于第一III族氮化物接触层的III族元素确定的第一金属层的功函数来调节第一III族氮化物接触层的功函数。第一III族氮化物接触层的III族元素能够是镓、铟或铝中的一种或更多种。
用于调节第一III族氮化物接触层的功函数的硼的量能够通过首先生长具有各种硼成分的不同层来确定。然后能够对层的导带最小值、价带最大值和功函数进行实验测量。然后能够将所述功函数与用于金属接触的金属的功函数进行比较。取决于接触层是p型还是n型，从而确定对应于不同功函数的不同硼成分。这能够执行一次，然后能够使用来自实验测量的信息以用于调节相同或不同设备中不同接触层的功函数。可替代地，能够通过理论计算来确定接触层的硼成分。
应该理解，氮化硼合金接触层包含至少0.1％的硼，这表示有意包含了硼，而不是硼在器件形成期间产生的杂质或污染物而成为接触层的一部分。此外，III族元素(或不止一个III族元素)包含至少0.1％的III族元素(或不止一个III类元素中的每一个)，这表示有意包含了III族元素(或不止一个III族元素)，而不是III族元素(或不止一个III族元素)是在器件形成期间产生的杂质或污染物而成为接触层的一部分。
如下所述，在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间可以布置一个或更多个半导体层。因此，短语“相邻地形成”应该理解为涵盖了第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间的直接物理连接，以及涵盖了插入在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间的一个或更多个半导体层。因此，图2的方法还能够包括：在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间形成半导体层、在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间形成两个半导体层的异质结、在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间形成两个半导体层的同质结、或在第一III族氮化物接触层与第二III族氮化物接触层之间形成三个或更多个半导体层。
与包括另一III族元素和氮化物即无硼的层相比，在具有另一III族元素的III族氮化物合金层中包括硼以调节功函数。因此，例如，包括另一III族元素和其上具有金属接触的氮化物的层可以形成肖特基接触，而向该层中添加硼使得该层是氮化硼合金接触层，能够与金属接触形成欧姆接触。应该认识到，硼的添加不需要将接触层与金属接触之间的接触从肖特基接触变为欧姆接触，附加的硼能够降低氮化硼合金层和金属接触之间的接触势垒，同时仍然形成肖特基接触。降低的接触势垒将改善半导体器件的整体性能。具体地，金属接触的功函数相对于不包含硼的III-氮化物接触层的功函数通常会产生较大的接触电阻，从而导致在金属接触与III族氮化物接触层之间的界面上的较大的压降，这导致半导体器件具有较差的功率效率并且可靠性的降低(由于大的接触电阻产生附加的热量)。因此，即使在接触层与金属接触之间形成肖特基接触，也能够通过在接触层中添加硼来改善整个器件的性能，因为通过添加硼将会降低金属接触与III族氮化物接触层之间的界面上的压降。
因此，当第一和/或第二掺杂的III族氮化物接触层是n型掺杂的接触层时，选择第一和/或第二III族氮化物接触层中硼的量，使得第一和/或第二III族氮化物接触层分别具有比无硼的接触层更大的功函数。同样，当第一和/或第二III族氮化物接触层是p型掺杂的接触层时，选择第一和/或第二III族氮化物合金接触层中的硼的量，使得第一和/或第二III族氮化物接触层分别具有比无硼的接触层更小的功函数。
尽管将图2的方法描述为第一III族氮化物接触层具有一定量的硼，以调节该层的功函数，但是该方法还能够包括第二III族氮化物接触层具有一定量的硼，以调节该层的功函数。在这种情况下，图2的方法还能够包括确定第二III族氮化物接触层的功函数和第二金属接触的功函数，以及基于所确定的第二III族氮化物接触层和第二金属接触的功函数，来确定应该调节第二III族氮化物接触层的功函数。所形成的III族氮化物半导体器件的第二III族氮化物接触层是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于第二III族氮化物接触层的III族元素确定的第二金属层的功函数来调节第二III族氮化物接触层的功函数。
第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层的成分是根据所形成的特定半导体器件而变化的。例如，第一和/或第二III族氮化物接触层能够包括任何类型的氮化硼合金，包含：氮化硼铝、氮化硼镓；氮化硼铟；氮化硼铝镓、氮化硼铟镓、氮化硼铝铟和氮化硼铝镓铟。在一个特定的例子中，第一和/或第二III族氮化物接触层能够包括B0.14Al0.86N。
图3A-3C是根据实施例的具有横向台面型设计的III族氮化物半导体器件的框图。图3A所示的半导体器件300A包含布置在衬底305上的第一III族氮化物接触层310和布置在第一III族氮化物接触层310上的第二III族氮化物接触层320。第一金属接触325A布置在第一III族氮化物接触层310上，以及第二金属接触布置在第二III族氮化物接触层320上。第一氮化物305接触层和第二氮化物310接触层310中的一个包括氮化硼合金并且包含另外的III族元素。与包括附加的III族元素和氮化物的接触层相比，第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层中的一个包括一定量的硼以调节第一氮化硼合金接触层的功函数。半导体器件300A是p-n二极管，其中，第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层中的一个是p型掺杂的，另一个是n型掺杂的。因此，第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层能够包括至少一个不同的III族元素。
图3B和3C示出了半导体器件300B和300C，其中在第一III族氮化物接触层310与第二III族氮化物接触层320之间插入了一个或更多个半导体层。具体地，在图3B中，半导体层315插入在第一III族氮化物接触层310与第二III族氮化物接触层320之间。因此，在该示例中，半导体层315布置在第一III族氮化物接触层310上，并且第二III族氮化物接触层布置在半导体层315上。在图3C中，能够在第一接触层310与第二接触层320之间插入第一半导体层315A和第二半导体层315B的异质结。因此，在该示例中，第一半导体层315A布置在第一III族氮化物接触层310上，并且第二III族氮化物接触层320布置在第二半导体层320上。根据半导体层315(或层315A和315B)以及第一接触层310和第二接触层315的成分，半导体器件300B和300C能够是光电器件(例如，发光二极管、激光器、光电探测器等)或高电子迁移率晶体管(HEMT)。本领域技术人员将理解如何通过选择半导体层315(或层315A和315B)以及第一接触层310和第二接触层315的成分来形成光电器件或高电子迁移率晶体管。
已经将图3A-3C描述为包括第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层以及第一金属接触和第二金属接触。第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层以及第一金属接触和第二金属接触不需要直接对应于上面结合图2所示的方法讨论的第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层以及第一金属接触和第二金属接触。因此，例如，图2所示的方法的第一III族氮化物接触层和第一金属接触能够对应于图3A-3C中的第二III族氮化物接触层和第二金属接触，并且，图2所示方法的第二III族氮化物接触层和第二金属接触能够对应于图3A-3C中的第一III族氮化物接触层和第一金属接触。尽管图3A-3C示出了具有衬底305的半导体器件，但是能够省略该衬底，使得将第一III族氮化物接触层310用作半导体器件的衬底。
应该认识到，图3A-3C示出了通用的III族氮化物半导体器件，并且根据器件的类型，该半导体器件能够包含诸如发光二极管、激光器、光电检测器和高电子迁移率晶体管的附加的层。例如，半导体器件能够包含布置在第二III族氮化物接触层320上的覆盖层，以降低接触电阻。当III族氮化物半导体300A、300B、300C是发光二极管时，能够在III族氮化物半导体层315(或315A和315B)的顶部上布置电子阻挡层，并且，能够在电子阻挡层上布置第二III族氮化物接触层320。
应该注意，能够可选地在衬底305与接触层310之间布置一个或更多个层，例如，覆层和超晶格层。因此，短语“布置在...上”应该理解为层之间的直接物理接触，并且，短语“相邻于...布置”应该理解为层之间的直接物理接触，或者可以在两个层之间插入一个或更多个层。
尽管图3A-3C示出了具有横向台面型设计的半导体，但是这些半导体器件也能够被实现为具有在器件的两个相对的垂直侧上形成的接触的垂直器件。
通过比较图4中所示的化带和导带偏移，能够理解III族氮化物接触层功函数的调节。如图所示，与氮化铝接触层相比，将硼添加到氮化铝接触层以形成氮化硼铝氮化物接触层使价带最大值提高至更接近真空能级。这能够降低功函数，并且因此对于p型III族氮化物接触层特别有用。
图5是根据实施例的形成III族氮化物半导体器件的方法的流程图。首先，形成第一III族氮化物接触层(步骤505)。接下来，与第一III族氮化物接触层相邻地形成第二III族氮化物接触层(步骤510)。在第一III族氮化物接触层上形成第一金属接触(步骤515)，并且在第二III族氮化物接触层上形成第二金属接触(步骤520)。第一III族氮化物接触层和第二III族氮化物接触层是不同的氮化硼合金。
尽管已经结合III族氮化物半导体器件描述了示例性实施例，但是所公开的氮化硼合金接触层能够用于其他类型的半导体器件中，以相对于金属接触的功函数来调节接触层的功函数。此外，尽管已经结合作为发光二极管或高电子迁移率晶体管的III族氮化物半导体器件描述了实施例，但是III族氮化物半导体器件能够替代地是另一类型的光电器件，包含激光二极管或光电探测器。
所公开的实施例提供了一种半导体及其制造方法。应该理解，该说明书无意限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包含在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代例、修改例和等同例。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。
尽管在实施例中以特定组合描述了本示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件能够在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以有或没有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。
本书面说明书使用所公开主题的示例，以使本领域的任何技术人员能够实践该主题，包含制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包含本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例旨在在权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于形成III族氮化物半导体器件(300A、300B、300C)的方法，所述方法包括：
确定(205)第一III族氮化物接触层(310、320)和第一金属接触(325A、325B)的功函数，其中，所述第一III族氮化物接触层(310、320)的功函数是基于所述第一III族氮化物接触层(310、320)的III族元素来确定的；
基于所确定的所述第一III族氮化物接触层(310、320)的功函数和所述第一金属接触(325A、325B)的功函数，确定(210)应该调节所述第一III族氮化物接触层的功函数(310、320)；以及
形成(215)所述III族氮化物半导体器件(300A、300B、300C)，其包括：与第二III族氮化物接触层(310、320)相邻的所述第一III族氮化物接触层(310、320)、布置在所述第一III族氮化物接触层(310、320)上的所述第一金属接触(325A、325B)以及布置在所述第二III族氮化物接触层(310、320)上的第二金属接触(325A、325B)；
其中，所形成的III族氮化物半导体器件(300A、300B、300C)的所述第一III族氮化物接触层(310、320)是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于所述第一III族氮化物接触层(310、320)的III族元素确定的第一金属接触(325A、325B)的功函数来调节所述第一III族氮化物接触层(310、320)的功函数；
其中，基于所确定的所述第一金属接触的功函数和基于根据所述第一III族氮化物接触层的III族元素确定的第一III族氮化物接触层的功函数，在所述第一III族氮化物接触层与所述第一金属接触之间将形成肖特基接触，以及
其中，基于所确定的所述第一金属接触的功函数和基于根据氮化硼合金确定的所述第一III族氮化物接触层的功函数，在所形成的第一III族氮化物接触层与所形成的第一金属接触之间形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述第二III族氮化物接触层的功函数和所述第二金属接触的功函数；和
基于所确定的所述第二III族氮化物接触层的功函数和所述第二金属接触的功函数，确定应该调节所述第二III族氮化物接触层的功函数，
其中，所形成的III族氮化物半导体器件的所述第二III族氮化物接触层是具有一定量的硼的氮化硼合金，以相对于基于所述第二III族氮化物接触层的III族元素确定的所述第二金属接触的功函数来调节所述第二III族氮化物接触层的功函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二III族氮化物接触层的III族元素是镓、铟或铝中的一种或更多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一III族氮化物接触层的III族元素是镓、铟或铝中的一种或更多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述III族氮化物半导体器件的形成还包括：
在所述第一III族氮化物接触层与所述第二III族氮化物接触层之间形成半导体层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述III族氮化物半导体器件的形成还包括：
在所述第一III族氮化物接触层与所述第二III族氮化物接触层之间形成两个半导体层的异质结。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，
基于所确定的所述第二金属接触的功函数和基于根据所述第二III族氮化物接触层的III族元素确定的所述第二III族氮化物接触层的功函数，在所述第二III族氮化物接触层与所述第二金属接触之间形成肖特基接触，以及
基于所确定的所述第二金属接触的功函数和基于根据氮化硼合金确定的所述第二III族氮化物接触层的功函数，在所形成的第二III族氮化物接触层与所形成的第二金属接触之间形成欧姆接触。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体器件是p-n二极管，所述第一III族氮化物接触层包括氮化铝硼，并且所述第二III族氮化物接触层包括氮化铝镓。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一III族氮化物接触层包括B0.14Al0.86N。
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