CN1263172C - 生产第ⅲ族氮化物化合物半导体器件的方法 - Google Patents

生产第ⅲ族氮化物化合物半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

p座电极层压到透光电极形成层后，进行第一个加热步骤和第二个加热步骤以合金化这两层。在第一个加热步骤中，在含氧气氛中在相当低的温度下进行热处理。在第二个加热步骤中，在不含氧的气氛中在相当高的温度下进行热处理。

Description

生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及一种第III族氮化物化合物半导体器件。例如，本发明适合第III族氮化物化合物半导体发光器件例如蓝色发光二极管等的电极的改进。
背景技术
在第III族氮化物化合物半导体发光器件例如蓝色发光二极管等中，已经提出多种建议从器件整个表面获得均匀光发射。
例如，透光电极粘结到p型层使得电流能注入到p型层表面的较宽范围。在这种情况下，透光电极形成如下。第二个电极层(例如Au)层压在第一个电极层(例如Co)上形成透光电极形成层。透光电极形成层在500-600℃温度下含氧气体中被热处理。结果，透光电极形成层和p型层合金化，从而保证了两层之间的欧姆接触。顺便提及，在这种情况下第一个电极层的组成元素的分布发生变化。
根据本发明人的检验，当在不低于500℃的高温下含氧气氛中进行热处理，p座电极(p-seat electrode)的表面状态发生变化，使得对导电性电线粘附力的可靠性被降低。
象透光电极那样，p座电极用层压多个电极层形成(例如从较低侧起连续层压Cr和Au)。当在高温下含氧气氛中进行热处理时，可能会发生低金属层的部分移到表面并在那里被分离的情况。这种情况下，除了降低对导电性电线的粘附力外，电线粘结时在图片处理(识别p座电极)中可能发生错误。
发明内容
开发本发明以解决上述问题，本发明构思如下。
一种生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法，包括：
在第III族氮化物化合物半导体的p型层上层压第一种金属形成第一电极层和在第一电极层上层压离子化电位比第一种金属高的第二种金属形成第二电极层的电极形成步骤；
在含氧的气氛中第一个温度下进行热处理的第一个加热步骤，其中所述的第一个温度低于440℃；和
在无氧的气氛中第二个温度下进行热处理的第二个加热步骤，其中所述的第二个温度不低于440℃。
在本发明的生产方法中，在第一电极层和第二电极层层压形成的电极与p型层之间能保证充分的欧姆接触。并且当，例如在电极上形成p座电极时，在含氧气氛中热处理的条件为低温(温和条件)，从而能阻止p座电极表面被氧化，并且能阻止p座电极的底涂金属层迁移并分离(segregate)在p座电极表面上。
附图简要说明
图1表示本发明一个方案的发光器件的层结构。
图2表示该方案的发光器件中电极的层结构。
实施发明的最佳方式
(第III族氮化物化合物半导体的描述)
在本说明书中，每个第III族氮化物化合物半导体用通式表示：AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)，包括所谓的二元化合物例如AlN、GaN和InN，和所谓的三元化合物例如AlXGa1-XN、AlXIn1-XN和GaXIn1-XN(上述式中，0＜X＜1)。第III族元素可以部分地被硼(B)、铊(Tl)等代替。氮(N)可以部分地被磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等代替。第III族氮化物化合物半导体层可以包含选择性掺杂剂。Si、Ge、Se、Te、C等可以用作n型杂质。Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等可以用作p型杂质。顺便提及，掺杂p型杂质后，第III族氮化物化合物半导体可以进行电子束照射、等离子体照射或炉子的加热，但是不是必需的。形成第III族氮化物化合物半导体层的方法不特别限定。第III族氮化物化合物半导体层可以用金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)、或以已知方法例如分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子镀法、电子簇射法等。
这里，第III族氮化物化合物半导体器件的例子包括：光学器件例如发光二极管、光敏二极管(photo acceptance diode)、激光二极管、太阳能电池等；双极器件例如整流器、半导体闸流管、晶体管等；单极器件例如FET等；和电子器件例如微波器件等。本发明也可以应用到这些器件的介质层制品中。
顺便提及，均质结构、异型结构、双异质型结构等可以用作发光元件的结构。也可以使用量子阱结构(单一量子阱结构或多重量子阱结构)。(电极层的描述)
如果第二电极层组成元素的离子化电位高于第一电极层组成元素的离子化电位，那么在p型层上形成的电极层就不特别地限定。为了赋予电极层透光性，优先使用下述的金属元素。
优选第一电极层组成元素为离子化电位低于第二电极层组成元素的离子化电位的元素，第二电极层组成元素为与半导体的欧姆接触比第一电极层组成元素更好的元素。从半导体表面起沿深度方向上的元素分布被含氧气氛中第一个热处理改变，从而第二电极层的组成元素比第一电极层的组成元素渗透更深。即，电极层的元素分布被反转为电极层形成时的分布。电极层形成后，在较上侧形成的第二电极层的组成元素转到较低侧，同时在较低侧形成的第一n电极层的组成元素转到较上侧。
优选第一电极层组成元素为选自镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、钽(Ta)、钒(V)、镁(Mg)、铝(Al)和银(Ag)组成的组中的至少一种元素。第一电极层的膜厚选择在0.5-15nm范围内。第二电极层组成元素为选自钯(Pd)、金(Au)、钇(Ir)和铂(Pt)组成的组中的至少一种元素。第二电极层的膜厚选择在3.5-25nm范围内。最优选地，第一电极层组成元素为Co，第二电极层组成元素为Au。这种情况下，从半导体表面起沿深度方向上的元素分布被加热处理改变，从而Au比Co渗透更深。
(p座电极的描述)
形成p座电极的材料也不特别地限定。例如以从较低侧看连续层压第一金属层Cr层、第二金属层Au层、第三金属层Al层的结构形成p座电极。
第一金属层由离子化电位比第二金属层的离子化电位低的元素制成，从而第一金属层能牢固地粘结到第一金属层下的层。第二金属层由对Al或Au粘结特性良好的元素制成，并且对透光电极是非反应性的。第三金属层优选由能和保护膜牢固粘结的元素制成。
优选第一金属层组成元素为选自镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、钽(Ta)、钒(V)、镁(Mg)和钴(Co)组成的组中的至少一种元素。第一金属层的膜厚在1-300nm范围内。
优选第三金属层组成元素为选自铝(Al)、镍(Ni)和钛(Ti)组成的组中的至少一种元素。第三金属层的膜厚在1-30nm范围内。
优选第二金属层组成元素为金(Au)。第二金属层的膜厚在0.3-3μm范围内。
p辅助电极可以使用与p座电极相同的材料和相同的方法形成。这种情况下p辅助电极具有和p座电极相同的厚度。
p辅助电极的形成可以不依赖于p座电极。这种情况下p辅助电极的材料和厚度可以选择为不同于p座电极。
如果p座电极具有用已知方法充分粘结导电性电线的面积，p座电极的形状不特别地限定。为了粘结时确认位置，优先使用不同于n座电极形状的形状作为p座电极的形状。
优选形成窄p辅助电极，因为p辅助电极遮挡光。p辅助电极的宽度优选在1-40μm范围内，更优选在2-30μm范围内，进一步优选在3-25μm范围内，更进一步优选在3-20μm范围内，最优选在5-15μm范围内。
优选地，p座电极和/或p辅助电极周围是不规则的，从而能增加和透光电极的接触面积。
优选地，p座电极的周围表面是倾斜的。座电极的周围表面可以是锥形的，从而在座电极和透光电极的表面形成的保护膜(SiO2膜等)能在锥形部分形成以基本上具有设计的膜厚。
(第一个加热步骤的描述)
在实质上含氧的气氛中进行第一个加热步骤。可以优先使用下列气体获得含氧气氛。即可以从O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2和H2O组成的组中选择的至少一种成分或其混合物作为含氧气体。或含有惰性气体和从O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2和H2O组成的组中选择的至少一种成分的混合气、或含有惰性气体与从O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2和H2O组成的组中选择的成分的混合气的混合气体可以用作含氧气体。简而言之，含氧气体意味着具有氧原子或含氧原子的分子的气体。特别地，优选氧化气体气氛。
加热时气氛的压力可以优选不低于氮化镓化合物半导体在热处理温度下不热分解的压力。当只将氧气气体用作含氧气体时，可以优选地通入气体使得气体压力不低于氮化镓化合物半导体的分解压力。当使用混合氧气的惰性气体时，如果整个气体的压力不低于氮化镓化合物半导体的分解压力和氧气对整个气体的比不低于约10-6，那么含氧气体就能充分地发挥作用。简而言之，如果存在很少量的含氧气体，含氧气体能充分地发挥作用。顺便提及，从电极合金化特性看，引入的含氧气体量的上限不特别限定。即，如果能进行生产，可以使用任意量的含氧气体。
热处理温度优先选择低于440℃。如果热处理温度不低于440℃，可能发生上述问题。热处理温度更优选低于420℃，进一步优选低于400℃。
如果第一电极层和第二电极层之间能发生迁移，加热时间不特别地限定。加热时间优先选择在5-1000分钟范围内，更优选在10-500分钟范围内，进一步优选在30-300分钟范围内。
(第二个加热步骤的描述)
在实质无氧的气氛中进行第二个加热步骤。即，优选在非氧化气氛或还原气氛中不使用第一个加热步骤中使用的含氧气体进行热处理。特别地，优选在惰性气体例如N2、He、Ar等中、在还原气体例如H2等中或在这些气体的混合气中进行热处理。
热处理温度选择高于第一个加热步骤中使用的热处理温度。结果，在电极层和p型层之间能得到欧姆接触。如果省略高温下的热处理，在两层之间不能得到欧姆接触(见表1中对比例3)。因此，在第二个加热步骤中需要的热处理条件是加热温度和加热时间足以保证电极层和p型层之间的欧姆接触。
热处理温度优先选择不低于440℃，更优选不低于480℃，进一步优选不低于520℃。
加热时间优先选择在0.1-180分钟范围内，更优选在0.3-60分钟范围内，进一步优选在0.5-30分钟范围内。
在第二个加热步骤中气氛的压力可以优选不低于第III族氮化物化合物半导体在热处理温度下不热分解的压力。
第一个加热步骤和第二个加热步骤的进行顺序不特别地限定。
在供应含氧气体(通过进行第一个加热步骤)的气氛中缓慢增加的热处理温度达到440℃后，可以停止含氧气体的供应，从而在那之后能进行第二个加热步骤。
(实施例)
发明的实施例描述如下。
首先，按照表1所示的每个配置层压半导体层。
            层                ：组分
            p型层5            ：p-GaN:Mg
            含发光层4的层4    ：含InGaN层的层
            n型层3            ：n-GaN:Si
            缓冲层2           ：AlN
            基底1             ：蓝宝石
掺杂n型杂质Si的GaN的n型层3经缓冲层2在基底1上形成。尽管这儿表示的是蓝宝石用作基底1的情况，但是基底1不局限于此。蓝宝石、尖晶石、硅、碳化硅、氧化锌、磷化镓、砷化镓、氧化镁、氧化锰、第III族氮化物化合物半导体单晶等可以用作基底1。尽管用MOCVD法由AlN制成缓冲层，但是缓冲层不局限于此。可以使用GaN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等作为缓冲层的材料。可以使用分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子镀法、电子簇射法等作为生产缓冲层的方法。当GaN用作基底时，缓冲层能被省略。
在半导体器件形成后，基底和缓冲层都可以根据需要除去。
尽管这里表示的是n型层由GaN制成的情况，但是可以使用AlGaN、InGaN或AlInGaN。
尽管n型层用n型杂质Si掺杂，但是Ge、Se、Te、C等可以用作其它n型杂质。
n型层3可以是具有n-层和n+层的两层结构，其中低电子密度的n-层在含发光层的层4侧，高电子密度的n+层在缓冲层2侧。
含发光层的层4可以含有量子阱结构的发光层。单异质型(singlehetero type)结构、双异质型(double hetero type)结构、同质结型(homo-junction type)结构等可以用作发光器件的结构。
含发光层的层4可以包含第III族氮化物化合物半导体层，该半导体层装置在p型层5侧，掺杂了受体例如镁等，并具有一个宽带隙。这有效地阻止射到含发光层的层4中的电子漫射到p型层5。
掺杂p型杂质Mg的GaN的p型层5在含发光层的层4上形成。作为选择，p型层可以由AlGaN、InGaN或InAlGaN制成。Zn、Be、Ca、Sr或Ba可以用作p型杂质。
p型层5可以是具有p-层和p+层的两层结构，其中低空穴密度的p-层在含发光层的层4侧，高空穴密度的p+层在电极侧。
在上述构造的发光二极管中，每个第III族氮化物化合物半导体层可以在一般条件下进行的MOCVD法形成，或以一种方法例如分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子镀法、电子簇射法等形成。
然后形成掩护膜，用反应离子蚀刻部分除去p型层5、含发光层的层4和n型层3以显露出n电极形成表面11，n电极9将在n电极形成表面11上形成。
接下来，参照图2描述制成透光电极形成层60和p座电极形成层70的方法。
首先，在晶片的整个表面上用蒸发设备连续层压作为第一电极层的Co层(1.5nm)61和作为第二电极层的Au层(60nm)62。然后，用照相平版印刷术均匀地应用光致抗蚀剂并从n电极形成表面11和n电极形成表面11周围外约10μm宽的部分(清除区)除去。通过蚀刻从该部分上除去透光电极形成材料61和62从而显露出p型层5。然后除去光致抗蚀剂。
然后，以气相沉积连续层压Cr层(30nm)71、Au层(1.5μm)72和Al层(10nm)73的方式用剥落法形成p座电极形成层70。
顺便提及，以连续层压钒和铝的方式用剥落法也可形成n电极形成层。
以上述方式得到的每个样品在下列条件下热处理。
                             表1
Figure C0281119800101
Figure C0281119800111
  接触电阻   光学输出   W/B性质   外观
 实例1   低   100   ○   ○
 实例2   低   100   ○   ○
 实例3   低   100   ○   ○
 实例4   低   100   ○   ○
 实例5   低   100   ○   ○
 实例6   低   100   ○   ○
 实例7   低   100   ○   ○
 实例8   低   100   ○   ○
 对比实例1   低   100   △   △
 对比实例2   高   100   ○   ○
 对比实例3   高   100   ○   ○
在表1中，第一个加热步骤(在含氧气氛中相当低的温度下热处理)以斜体表示。
在表1中，基于器件有20mA电流时器件的电压判断接触电阻高/低。
在实施例和对比例之间光学输出基本无差别。
以球剪切强度为基础评价W/B性质(粘结电线的性质)。
以通过显微镜观察p座电极表面的方式检测外观。表面为均衡和均一的情况评价为○。观察到Cr分离的情况评价为△。
从表1明显看出，当不管执行步骤的顺序进行实质含氧的气氛中相当低的温度下进行热处理的第一个加热步骤和实质无氧的气氛中(优选在还原气氛中)相当高的温度下进行热处理的第二个加热步骤时，在接触电阻保持在与对比例1(传统方法)一样低时改进了粘结电线的性质和外观。
也明显看出，当省略第一个加热步骤时(见对比例2)，接触电阻变高。
更明显地看出，当虽然进行第一个加热步骤但省略第二个加热步骤(高温下的热处理)(见对比例3)时，接触电阻也变高。
尽管参照具体的方案详细地描述了发明，但是在不脱离发明的精神和范围下可以进行多种变化或修改，对本领域的熟练人员是明显的。
本申请是基于2001年6月4日提交的日本专利申请(日本专利申请2001-167835号)，其中的内容在这儿合成一体并作为参考。
工业实用性
如上所述，当进行本发明提出的两个加热步骤时，能阻止p座电极和导电性电线之间的粘附力因p座电极表面的氧化而降低，同时第III族氮化物化合物半导体的p型层和透光电极之间的欧姆接触能保持良好。
发明根本不局限于发明的实施方式和实例的描述。本领域熟练人员能容易想到的各种修改在不脱离权利要求的范围下都包含在本发明中。
公开了下列项目。
11.一种加热第III族氮化物化合物半导体的p型层和透光电极形成层的方法，透光电极形成层具有在p型层上形成的含第一种金属的第一电极层和在第一电极层上形成的含有离子化电位比第一种金属高的第二种金属的第二电极层，该方法包括：
在实质含氧的气氛中第一温度下进行热处理的第一个加热步骤；
在实质无氧的气氛中在比第一个温度高的第二个温度下进行热处理的第二个加热步骤。
12.根据段11的加热方法，其中在第一个加热步骤后进行第二个加热步骤。
13.根据段11的加热方法，其中在第二个加热步骤后进行第一个加热步骤。
14.根据段11-13中任一个的加热方法，其中第一个温度低于440℃。
15.根据段11-14中任一个的加热方法，其中在非氧化气氛或还原气氛中进行第二个加热步骤。
16.根据段11-15中任一个的加热方法，其中电极形成步骤进一步包括一个形成p座电极的步骤。
17.根据段11-16中任一个的加热方法，其中第一种金属为钴(Co)，第二种金属为金(Au)。
21.一种在两个加热步骤中加热透光电极形成层得到的第III族氮化物化合物半导体发光器件，其中：
以在第III族氮化物化合物半导体的p型层上层压含第一种金属的第一电极层和在第一电极层上层压含离子化电位比第一种金属高的第二种金属的第二电极层的方式形成透光电极形成层；
两个加热步骤为在实质含氧的气氛中在第一个温度下进行热处理的第一个加热步骤和在实质无氧的气氛中在高于第一个温度的第二个温度下进行热处理的第二个加热步骤。
22.根据段21的第III族氮化物化合物半导体器件，其中第二个加热步骤在第一个加热步骤之后进行。
23.根据段21的第III族氮化物化合物半导体半导体器件，其中第一个加热步骤在第二个加热步骤之后进行。
24.根据段21-23中任一个的第III族氮化物化合物半导体器件，其中第一个温度低于440℃。
25.根据段21-24中任一个的第III族氮化物化合物半导体器件，其中第二个加热步骤在非氧化气氛或还原气氛中进行。
26.根据段21-25中任一个的第III族氮化物化合物半导体器件，其中电极形成步骤进一步包括一个形成p座电极的步骤。
27.根据段21-26中任一个的第III族氮化物化合物半导体器件，其中第一种金属为钴(Co)，第二种金属为金(Au)。

Claims (4)

1.一种生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法，包括：
在第III族氮化物化合物半导体的p型层上层压第一种金属形成第一电极层和在所述的第一电极层上层压离子化电位比所述第一种金属高的第二种金属形成第二电极层的电极形成步骤；
在含氧的气氛中第一个温度下进行热处理的第一个加热步骤，其中所述的第一个温度低于440℃；和
在无氧的气氛中第二个温度下进行热处理的第二个加热步骤，其中所述的第二个温度不低于440℃。
2.根据权利要求1的生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法，其中所述的第二个加热步骤在非氧化气氛或还原气氛中进行。
3.根据权利要求1的生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法，其中所述的电极形成步骤进一步包括p座电极形成步骤。
4.根据权利要求1的生产第III族氮化物化合物半导体器件的方法，其中所述的第一种金属为钴，所述的第二种金属为金。
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