CN111587492B - 氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法 - Google Patents

氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种氮化物半导体发光元件(1)，包含：AlN层(22)，其具有规定范围内的晶体质量；以及n型AlGaN，其形成在上述AlN层(22)上，具有规定的Al组分比。另外，AlN层(22)具有与针对(10‑12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度为350～520(arcsec)相应的晶体质量作为规定范围内的晶体质量，n型AlGaN具有40％～70％的Al组分比作为规定的Al组分比。

Description

氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法。
背景技术
近年来，已提供晶体管、发光二极管等氮化物半导体元件，并在推进提高了晶体质量的氮化物半导体元件的开发(参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2013-16711号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1所述的氮化物半导体元件具备：单晶基板；AlN层，其形成在单晶基板的一表面上；第一导电型的第一氮化物半导体层，其形成在上述AlN层上；发光层，其形成在上述第一氮化物半导体层的与上述AlN层侧相反的一侧，包括AlGaN系材料；以及第二导电型的第二氮化物半导体层，其形成在上述发光层的与上述第一氮化物半导体层侧相反的一侧，并且上述氮化物半导体元件构成为，上述AlN层中的N极性的AlN晶体的密度为1000个/cm2以下，上述AlN层的通过针对AlN(10-12)面进行X射线衍射的ω扫描而获得的X射线摇摆曲线的半值宽度为500弧秒(arcsec)以下。在专利文献1所述的氮化物半导体元件中，通过提高AlN层的晶体质量来谋求氮化物半导体元件的电特性的可靠性的提高。
但是，本发明的发明人们获得了如下认知：在AlN层上形成有作为第一氮化物半导体层的n型AlGaN的氮化物半导体元件中，即使提高上述AlN层的晶体质量，作为第一氮化物半导体层的n型AlGaN的晶体质量也未必会提高；以及上述AlN层在晶体质量处于规定范围内时，能够提高上述n型AlGaN的晶体质量。
因此，本发明的目的在于，提供一种包含n型AlGaN的氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法，该n型AlGaN形成在为了提高n型AlGaN的晶体质量而具有规定范围内的晶体质量的AlN层上。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式的氮化物半导体元件包含：AlN层，其具有规定范围内的晶体质量；以及n型AlGaN，其形成在上述AlN层上，具有规定的Al组分比，上述n型AlGaN的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值为规定值以下，上述AlN层形成为，上述AlN层的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值基于与上述n-AlGaN混合值的相关性而成为规定值以上。
另外，本发明的另一实施方式的氮化物半导体元件的制造方法具备：形成具有规定范围内的晶体质量的AlN层的工序；以及形成位于上述AlN层上并具有规定的Al组分比的n型AlGaN的工序，上述n型AlGaN的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值被设定为规定值以下，上述AlN层的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值基于与上述n-AlGaN混合值的相关性而被设定为规定值以上。
发明效果
根据本发明的一实施方式，能够提供一种包含n型AlGaN的氮化物半导体元件和氮化物半导体元件的制造方法，该n型AlGaN形成在为了提高n型AlGaN的晶体质量而具有规定范围内的晶体质量的AlN层上。
附图说明
图1是概略地示出本发明的实施方式的氮化物半导体元件的构成的纵截面图。
图2是示出n-AlGaN混合值和半导体元件的发光输出的数据的图。
图3是示出图2所示的n-AlGaN混合值与半导体元件的发光输出的关系的坐标图。
图4是示出AlN混合值和n-AlGaN混合值的数据的图。
图5是示出图4所示的AlN混合值和n-AlGaN的混合值的相关性的坐标图。
具体实施方式
[实施方式]
参照图1来说明本发明的实施方式。此外，以下说明的实施方式是作为实施本发明方面的优选的具体例来示出的，虽然也有具体地例示了在技术上优选的各种技术事项的部分，但本发明的技术范围不限于该具体的形式。另外，各附图中的各构成要素的尺寸比并非一定与实际的氮化物半导体元件的尺寸比一致。
(氮化物半导体元件的构成)
图1是概略地示出本发明的实施方式的氮化物半导体元件的构成的纵截面图。氮化物半导体元件1例如包含晶体管、激光二极管(Laser Diode：LD)、发光二极管(LightEmitting Diode：LED)等。在本实施方式中，作为氮化物半导体元件1(以下，也简称为“半导体元件1”。)，将发出紫外区域的波长的光(特别是，中心波长为250nm～350nm的深紫外光)的发光二极管举作例子进行说明。
如图1所示，半导体元件1构成为包含：基板10；缓冲层20；n型包覆层30；活性层40，其包含多量子阱层；电子阻挡层50；p型包覆层70；p型接触层80；n侧电极90；以及p侧电极92。
构成半导体元件1的半导体例如能够使用由AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的二元系、三元系或者四元系的III族氮化物半导体。另外，可以用硼(B)、铊(Tl)等来取代这些III族元素的一部分，另外，也可以用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等来取代N的一部分。
基板10例如是包含蓝宝石(Al2O3)的蓝宝石基板。除了蓝宝石(Al2O3)基板之外，基板10例如也可以使用氮化铝(AlN)基板或氮化铝镓(AlGaN)基板。
缓冲层20形成在基板10上。缓冲层20构成为包含AlN层22、以及形成在AlN层22上的无掺杂的u-AlpGa1-pN层24(0≤p≤1)。AlN层22具有规定范围内的晶体质量。详细情况将后述。另外，基板10和缓冲层20构成基底结构部2。此外，在基板10为AlN基板或AlGaN基板的情况下，缓冲层20可以不必一定设置。
n型包覆层30形成在基底结构部2上。n型包覆层30是由n型AlGaN(以下，也简称为“n-AlGaN”。)形成的层，例如是掺杂有作为n型的杂质的硅(Si)的AlqGa1-qN层(0≤q≤1)。此外，作为n型的杂质，也可以使用锗(Ge)、硒(Se)、碲(Te)、碳(C)等。n型包覆层30具有1μm～5μm左右的厚度。n型包覆层30可以是单层，也可以是多层结构。
包含多量子阱层的活性层40形成在n型包覆层30上。活性层40是包含如下多量子阱层的层，该多量子阱层是将包含由AlrGa1-rN形成的多量子阱层的n型包覆层30侧的障壁层42a、以及后述的电子阻挡层50侧的障壁层42c在内的3层的障壁层42a、42b、42c与由AlsGa1-sN形成的3层的阱层44a、44b、44c(0≤r≤1，0≤s≤1，r>s)交替层叠而成的。此外，在本实施方式中，在活性层40内将障壁层42和阱层44各设置了3层，但不限于3层，也可以是2层以下，还可以是4层以上。
电子阻挡层50形成在活性层40上。电子阻挡层50由AlN形成。电子阻挡层50具有1nm～10nm左右的厚度。此外，电子阻挡层50也可以包含由p型AlGaN(以下，也简称为“p-AlGaN”。)形成的层。另外，电子阻挡层50并非一定限于p型的半导体层，也可以是无掺杂的半导体层。
p型包覆层70形成在电子阻挡层50上。p型包覆层70是由p-AlGaN形成的层，例如是掺杂有作为p型的杂质的镁(Mg)的AltGa1-tN包覆层(0≤t≤1)。此外，作为p型的杂质，也可以使用锌(Zn)、铍(Be)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)等。p型包覆层70具有300nm～700nm左右的厚度。
p型接触层80形成在p型包覆层70上。p型接触层80例如是以高浓度掺杂有Mg等杂质的p型的GaN层。
n侧电极90形成在n型包覆层30的一部分区域上。n侧电极90例如由在n型包覆层30之上按顺序层叠钛(Ti)/铝(Al)/Ti/金(Au)而成的多层膜形成。
p侧电极92形成在p型接触层80之上。p侧电极92例如由在p型接触层80之上按顺序层叠镍(Ni)/金(Au)而成的多层膜形成。
(n-AlGaN的晶体质量与半导体元件的发光输出的关系)
接下来，参照图2和图3来说明形成n型包覆层30的n-AlGaN的晶体的质量(也简称为“晶体质量”。此外，也能够使用“结晶性”这一表述。)与半导体元件的发光输出的关系。发明人们以评估形成n型包覆层30的n-AlGaN的晶体质量与半导体元件1的发光输出的关系为目的，进行了调查n-AlGaN的混合值(以下，也简称为“n-AlGaN混合值”。)与半导体元件1的发光输出的关系的实验。在此，所谓n-AlGaN混合值，是指n-AlGaN晶体的通过针对(10-12)面(Mixed面)进行X射线衍射的ω扫描而得到的X射线摇摆曲线的半值宽度(arcsec)，是表示n-AlGaN的晶体质量的代表性指标的一个例子。n-AlGaN混合值的数值越小，意味着n-AlGaN的晶体质量越好。
图2是以表格示出n-AlGaN混合值和半导体元件的发光输出的数据的图。图3是示出图2所示的n-AlGaN混合值与半导体元件的发光输出的关系的坐标图。图3的横轴表示n-AlGaN混合值(arcsec)，纵轴表示半导体元件1的发光输出(任意单位)。另外，图3的实线是概略地示出半导体元件1的发光输出(任意单位)相对于n-AlGaN混合值(arcsec)的变化的倾向的辅助线。图3的单点划线是示出500arcsec的辅助线。此外，发光输出能通过各种公知的方法来测定，但在本实施例中，作为一个例子，在上述的n侧电极90和p侧电极92之间流通电流，通过设置在半导体元件1的下侧的光检测器来测定。
如图2和图3所示，半导体元件1的发光输出在n-AlGaN混合值为500arcsec的前后变化。具体地说，当n-AlGaN混合值超过500arcsec时，半导体元件1的发光输出会开始下降。该实验表明，要想抑制半导体元件1的发光输出的下降，优选n-AlGaN混合值为550arcsec以下，进一步优选n-AlGaN混合值为500arcsec以下。
(AlN混合值与n-AlGaN混合值的关系)
接下来，参照图4和图5来说明AlN的混合值(以下，也简称为“AlN混合值”。)与n-AlGaN混合值的关系。AlN混合值是形成AlN层22的AlN的晶体的通过针对(10-12)面(Mixed面：混合面)进行X射线衍射的ω扫描而得到的X射线摇摆曲线的半值宽度(arcsec)，是表示AlN的晶体质量的代表性指标的一个例子。AlN混合值的数值越小，意味着AlN的晶体质量越好。发明人们进行了锐意研究，结果发现AlN混合值与n-AlGaN混合值之间具有相关性。以下，详细进行说明。
具体地说，发明人们首先制作了122个包含由具有40％～70％的AlN摩尔分数(％)(以下，也称为“Al组分比”。)的n-AlGaN形成的n型包覆层30的上述的半导体元件1。接下来，将这122个半导体元件1按Al组分比的范围分类为3个组(组A、组B及组C)。然后，按每一组测定了各半导体元件1的AlN混合值、以及n-AlGaN混合值。
图4是以表格示出AlN混合值和n-AlGaN混合值的数据的图。如图4所示，具备由具有60％～70％的Al组分比的n-AlGaN形成的n型包覆层30的半导体元件1被分类到组A。具备由具有50％～60％的Al组分比的n-AlGaN形成的n型包覆层30的半导体元件1被分类到组B。具备由具有40％～50％的Al组分比的n-AlGaN形成的n型包覆层30的半导体元件1被分类到组C。此外，上述122个中的44个半导体元件1被分类到组A。上述122个中的62个样品被分类到组B。上述122个中的16个样品被分类到组C。
图5是示出图4所示的AlN混合值和n-AlGaN混合值的相关性的坐标图。图5的三角标志表示分类到组A的半导体元件1的数据。方形标志表示分类到组B的半导体元件1的数据。圆形标志表示分类到组C的半导体元件1的数据。另外，图5的单点划线是概略地示出在组A的半导体元件1的数据中n-AlGaN混合值相对于AlN混合值的变化的倾向的线。虚线是概略地示出在组B的半导体元件1的数据中n-AlGaN混合值相对于AlN混合值的变化的倾向的线。点线是概略地示出在组C的半导体元件1的数据中n-AlGaN混合值相对于AlN混合值的变化的倾向的线。细线是示出n-AlGaN混合值的500arcsec的线。
如图5所示，n-AlGaN混合值相对于AlN混合值的坐标图具有大致向下侧凸的形状。换言之，AlN混合值与n-AlGaN混合值之间具有如下关系：相对于AlN混合值，存在n-AlGaN混合值的最小值。
具体地说，在组A中，即在n-AlGaN的Al组分比为60％～70％的半导体元件1中，在AlN混合值为390±10arcsec的附近存在n-AlGaN混合值的最小值(参照图5的单点划线)。在组B中，即在n-AlGaN的Al组分比为50％～60％的半导体元件1中，在AlN混合值为450±10arcsec的附近存在n-AlGaN混合值的最小值(参照图5的虚线)。在组C中，即在n-AlGaN的Al组分比为40％～50％的半导体元件1中，在AlN混合值为450±10arcsec的附近存在n-AlGaN混合值的最小值(参照图5的点线)。
这些结果表明，在AlN混合值大于特定的值(n-AlGaN混合值为最小值时的AlN混合值)的情况下，n-AlGaN混合值随着AlN混合值的变小而变小，并且在AlN混合值为该特定的值以下的情况下，n-AlGaN混合值随着AlN混合值的变小而变大。即，上述的结果表明，n-AlGaN的晶体质量在AlN具有规定范围内的晶体质量的情况下，随着AlN的晶体质量而变好，另一方面，在AlN变成规定的晶体质量以上的情况下，即使AlN的晶体质量进一步变好，n-AlGaN的晶体质量也会下降。若将该结果套用到上述的半导体元件1，则可以说AlN层22在规定的晶体质量时，能够提高n型AlGaN的晶体质量。
另外，在组A、组B及组C的任何一组的结果中，既存在n-AlGaN混合值超过500arcsec的情况，也存在n-AlGaN混合值为500arcsec以下的情况。即，存在能赋予500±10arcsec以下的n-AlGaN混合值的AlN混合值的规定范围。
如上所述，在n-AlGaN混合值为500±10arcsec以下时，半导体元件1的发光输出的下降会被抑制(参照图3)。若将该图3所示的结果应用到图5所示的数据，则可以认为在AlN混合值处于规定范围的情况下，n-AlGaN混合值会被抑制到500arcsec±10以下，半导体元件1的发光输出的下降会被抑制。换言之，可以认为在AlN具有规定范围的晶体质量时，半导体元件1的发光输出的下降会被抑制。
具体地说，如图5所示，在组A的结果中，AlN混合值的规定范围为480arcsec以下。在组B的结果中，AlN混合值的规定范围为380～520arcsec。在组C的结果中，AlN混合值的规定范围为410～490arcsec。如组B和组C的结果所示，为了抑制半导体元件1的发光输出的下降，AlN混合值具有由第一规定值以上的值和第二规定值以下的值确定的规定范围。即，在AlN混合值中，存在由用于抑制半导体元件1的发光输出的下降的下限值与上限值确定的规定范围。
综合上述组A、组B及组C的结果来看，在n-AlGaN的Al组分比为40％～70％时，AlN混合值的规定范围为350～480arcsec。特别是，综合组B和组C的结果来看，在n-AlGaN的Al组分比为40％～60％时，AlN混合值的规定范围为380～520arcsec。
若将以上内容换一种说法，则在n-AlGaN的Al组分比为40％～70％时，AlN层22具有与针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度为350～520arcsec相应的晶体质量作为规定的范围内的晶体质量。另外，在n-AlGaN的Al组分比为40％～60％时，AlN层22具有与针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度为380～520arcsec相应的晶体质量作为规定的范围内的晶体质量。另外，在n-AlGaN的Al组分比为40％～50％时，AlN层22具有与针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度为410～490arcsec相应的晶体质量作为规定的范围内的晶体质量。
(半导体元件的制造方法)
接下来，说明半导体元件1的制造方法。在基板10上使缓冲层20、n型包覆层30、活性层40、电子阻挡层50、p型包覆层70按此顺序连续地高温生长来形成这些层。关于这些层的生长，能够使用有机金属化学气相生长法(Metal Organic Chemical VaporDeposition：MOCVD)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy：MBE)、卤化物气相外延法(Halide Vapor Phase Epitaxy：NVPE)等周知的外延生长法来形成这些层。
形成缓冲层20的AlN层22的工序包含以使针对AlN晶体的(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度成为规定范围内的方式来形成的工序。在通过MOCVD进行AlN层22的形成的情况下，例如能够在如下条件下进行晶体生长：将生长温度设为1150～1350℃的范围，将Ga的掺杂量设为约1×1017～1×1018(cm-3)的范围，将AlN层22的膜厚设为约2μm。
若提高生长温度，则能够使针对AlN晶体的(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度变小。另外，若增加Ga的掺杂量，则能够使针对AlN晶体的(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度变小。另外，若使AlN层22的膜厚大于2μm，则能够使针对AlN晶体的(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度变小。因此，通过适当变更生长温度、Ga的掺杂量、AlN层22的膜厚中的至少1个以上的条件，能够形成具有所希望的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN层20。即，为了得到规定的晶体质量，形成AlN层22的工序包含变更生长温度的工序、变更Ga的掺杂量的工序以及变更AlN层22的膜厚的工序中的至少1个以上的工序。
另外，形成n型包覆层30的工序包含以使n-AlGaN具有规定的Al组分比的方式来形成的工序。
接下来，在p型包覆层70之上形成掩模，将未形成有掩模的露出区域的活性层40、电子阻挡层50以及p型包覆层70除去。活性层40、电子阻挡层50以及p型包覆层70的除去例如能够通过等离子体蚀刻来进行。在n型包覆层30的露出面30a(参照图1)上形成n侧电极90，在除去掩模后的p型接触层80上形成p侧电极92。n侧电极90和p侧电极92例如能够通过电子束蒸镀法、溅射法等周知的方法来形成。根据以上，形成图1所示的半导体元件1。
(实施方式的作用和效果)
如以上所说明的那样，本发明的实施方式的半导体元件1包含：针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度为规定范围内的AlN层22；以及由具有规定的Al组分比的n型AlGaN形成的n型包覆层30。在n型AlGaN具有规定的Al组分比的情况下，通过将AlN层22的针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度设为规定范围内，能抑制n型AlGaN的晶体质量的下降。其结果是，能抑制半导体元件1的发光输出的下降。
(实施方式的总结)
接下来，援用实施方式中的附图标记等来记载从以上说明的实施方式掌握的技术思想。不过，以下的记载中的各附图标记等并不是将权利要求书中的构成要素限定于实施方式中具体示出的构件等。
[1]一种氮化物半导体元件(1)，包含：AlN层(22)，其具有规定范围内的晶体质量；以及n型AlGaN，其形成在上述AlN层上，具有规定的Al组分比，上述n型AlGaN的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值为规定值以下，上述AlN层形成为，上述AlN层的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值基于与上述n-AlGaN混合值的相关性而成为规定值以上。
[2]根据上述[1]所述的氮化物半导体元件(1)，上述AlN层(22)具有与上述AlN混合值为350～520(arcsec)相应的晶体质量，上述n型AlGaN具有40％～70％的Al组分比。
[3]根据上述[2]所述的氮化物半导体元件(1)，上述AlN层(22)具有与上述AlN混合值为380～520(arcsec)相应的晶体质量，上述n型AlGaN具有40％～60％的Al组分比。
[4]根据上述[3]所述的氮化物半导体元件(1)，上述AlN层(22)具有与上述AlN混合值为410～490(arcsec)相应的晶体质量，上述n型AlGaN具有40％～50％的Al组分比。
[5]一种氮化物半导体元件(1)的制造方法，具备：形成具有规定范围内的晶体质量的AlN层(22)的工序；以及形成位于上述AlN层上并具有规定的Al组分比的n型AlGaN的工序，上述n型AlGaN的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值被设定为规定值以下，上述AlN层的表示针对(10-12)面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值基于与上述n-AlGaN混合值的相关性而被设定为规定值以上。
[6]根据权利要求5所述的氮化物半导体元件(1)的制造方法，上述形成具有规定范围内的晶体质量的AlN层(22)的工序包含变更生长温度的工序、变更Ga的掺杂量的工序以及变更AlN层(22)的膜厚的工序中的至少1个以上的工序。
附图标记说明
1…氮化物半导体元件(半导体元件)
22…AlN层。

Claims (5)

1.一种氮化物半导体元件，其特征在于，包含：
AlN层；以及
n型AlGaN，其形成在上述AlN层上，具有40%～70%的Al组分比，
上述n型AlGaN的表示针对（10-12）面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值为500arcsec以下，
上述AlN层形成为，上述AlN层的表示针对（10-12）面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值成为350～520arcsec。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，
上述AlN层具有与上述AlN混合值为380～520arcsec相应的晶体质量，
上述n型AlGaN具有40%～60%的Al组分比。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体元件，
上述AlN层具有与上述AlN混合值为410～490arcsec相应的晶体质量，
上述n型AlGaN具有40%～50%的Al组分比。
4.一种氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，具备：
形成AlN层的工序；以及
形成位于上述AlN层上并具有40%～70%的Al组分比的n型AlGaN的工序，
上述n型AlGaN的表示针对（10-12）面的X射线摇摆曲线的半值宽度的n-AlGaN混合值被设定为500arcsec以下，
上述AlN层的表示针对（10-12）面的X射线摇摆曲线的半值宽度的AlN混合值被设定为350～520arcsec。
5.根据权利要求4所述的氮化物半导体元件的制造方法，
上述AlN层形成在蓝宝石基板上，
上述形成AlN层的工序包含变更生长温度的工序、将Ga的掺杂量设为1×1017～1×1018cm-3的工序以及变更AlN层的膜厚的工序中的至少1个以上的工序。
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