CN1306560C - 用于第III族氮化物化合物半导体器件的n－电极 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于使n-电极和由第III族氮化物化合物半导体形成的n-型层之间的电阻极大地减少。根据本发明，n-电极是由下列电极材料形成的：第一电极材料，由至少一种选自钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、和钨(W)的金属构成；第二电极材料，由至少一种选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)的金属构成；和第三电极材料，由至少一种选自铝(Al)、硅(Si)和锗(Ge)的金属构成。

Description

用于第III族氮化物化合物半导体器件的n-电极
技术领域
本发明涉及一种用于第III族氮化物化合物半导体器件的n-电极。
背景技术
迄今，对在第III族氮化物化合物半导体器件如发射蓝光的二极管的n-型层上形成的n-电极已经进行了各种各样的改进，以确保n-电极和n-型层之问的欧姆接触。JP-A-11-8410中介绍的n-电极包括：由至少一种选自钛、锆和钨的金属制成的第一电极材料，由至少一种选自铝、硅和锗中的金属制成的第二电极材料，以及由铑制成的第三电极材料。
当前，对发光器件的输出和效率要求作很大的改进。从这个观点出发，就需要极大地减少n-电极和第III族氮化物化合物半导体的n-型层之间的电阻。
当第III族氮化物化合物半导体被用于发光器件之外的器件时，n-型第III族氮化物化合物半导体和电极之间的电阻也要足够的低。例如一种n-AlGaN/GaN型HFET(异型结场效应晶体管)被认为是下一代高频电力器件。为使这种器件适合于实用，需要一种在和n-AlxGa1-xN(x＞0.2)接触时显示足够低的接触电阻值并且对热稳定的低电阻欧姆接触材料。目前在Ti/Al型接触材料被用于n-GaN的情况下，接触材料的接触电阻值随着n-AlGaN的Al含量的增加而增加。
发明内容
本发明人积极研究解决上述问题，结果取得了如下的发明，这就是：
一种用于第III族氮化物化合物半导体器件的n-电极，包括：
第一电极材料，由至少一种选自钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)和钨(W)的金属制成；
第二电极材料，由至少一种选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)的金属制成；
第三电极材料，由至少一种选自铝(Al)、硅(Si)和锗(Ge)的金属制成。
根据本发明的n-电极，其中上述电极材料的组合，特别是第二电极材料的使用，使第III族氮化物化合物半导体的n-型层和电极之间的接触电阻低于传统例子中的接触电阻。
在上述的描述中，从热稳定性的观点出发，优选使用钒或钛作为第一电极材料；从获得低接触电阻的观点出发优选使用钯(参见图1)作为第二电极材料；从材料费用的观点出发优选使用铝作为第三电极材料。
根据本发明的n-电极可包含第四电极材料。例如，可使用金(Au)，铑(Rh)等作为第四种金属成份。
举例来说，根据本发明的n-电极是通过在n-型层上叠加第一至第三电极材料层并对这些层进行热处理而形成的。备选地，由选自第一至第三电极材料的多个电极材料所预先形成的合金可以叠加在n-型层上。每种电极材料层都可以以多层进行叠加。例如，各电极材料层可以被叠加在一起，使第一电极材料层、第二电极材料层、第三电极材料层和第一电极材料层按这样的顺序排列。
大多数金属材料可以用做第一、第二或者第三电极材料本身。在这种情况下，一种电极材料层可以由多种金属材料的合金或者多种金属材料的叠层制成。在后一种情况中，例如可以制成构成第一电极材料的两种金属层，使第二电极材料层夹在两种金属层之间。
在n-型层上叠加不同的电极材料的方法不受特别的限制。例如可以使用如气相淀积、溅射等方法。
叠加各电极材料层的顺序不受特别限制，但从热稳定性等出发，优选第一电极材料层、第二电极材料层、第三电极材料层从n-型层一侧按次序形成。
进行加热处理以在电极材料和n-型层之间形成欧姆接触。各电极材料通过加热和谐完整地熔合。
加热优选在大气压和惰性气体气氛中进行。氮气、氦气、氩气等可以做为惰性气体使用，这是考虑到安全的情形。从电极特性的观点来看，也可使用氢气等。
根据形成n-型层的材料、使用的电极材料、以及其膜厚度等，可适当地选择加热温度和加热时间。
顺便提及，在本说明书中，每一个第III族氮化物化合物半导体用下面的通式表示：
AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)其包括所谓的二元化合物如AlN、GaN、InN，和所谓的三元化合物如AlXGa1-XN、AlXIn1-XN、GaXIn1-XN(0＜x＜1，每个)。
第III族元素可以至少部分地被硼(B)、铊(Tl)等替换。氮(N)可以至少部分地被磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等替换。每种第III族氮化物化合物半导体层可以包含一种任选的掺杂剂。Si、Ge、Se、Te、C等可用作n-型杂质。Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等可用作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进行电子束辐射、等离子体辐射、或者在加热炉中加热，但是这种处理不是必须的。形成各第III族氮化物化合物半导体层的方法不受特别限制。除了金属有机化学气相淀积方法(MOCVD法)外，第III族氮化物化合物半导体层可以用已知的方法形成，如通过分子束外延法(MBE法)、卤化物气相外延法(HVPE法)、溅射法、离子镀层法、电子簇射法等制成。
顺便提及，同质结构或者单一或双异质结构可以用作发光器件的结构。也可以使用量子势阱结构(单一的量子势阱结构或多样的量子势阱结构)。
附图简述
图1是表示根据本发明实施例的n-电极(Ti/Pa/Al)的接触电阻的曲线图。
图2是表示根据本发明另一个实施例的n-电极(Ti/Pt/Al)的接触电阻的曲线图，以及
图3是显示根据实施例的发光器件的构型剖面图。
本发明的最佳实施模式
本发明的实验实施例将在下面描述。
实施例1
通过MOCVD方法，使AlN缓冲层(0.02μm)、GaN层(2.0μm)和掺杂Si的n-Al0.2Ga0.8N(Nd＝2×1018cm-3)在蓝宝石基片上连续生长，这样HEMT结构被使用。Ti/Pd/Al(膜厚度nm：20/3、5、10/200)和Ti/Pt/Al(膜厚度nm：20/5/200)从半导体接触面被分别淀积在HEMT结构上以制备两种样品，其中每个样品都用RTA(快速热退火)装置在氮气气氛中加热30秒。然后用Marlow-Das型TLM法测定这两种样品的接触电阻值。结果表示在图1和图2中。顺便提及，在图1和图2中表示的结果是用各加热温度下测定结果的算术平均值表示的。
在图1所示的结果中用黑点表示的比较例是使用Ti/Al电极(膜厚度nm：16/200)的情景。Ti/Al的接触电阻值是ρc＝5.9×10-5(Ω-cm2)，与这个接触电阻值相比，在向Ti/Al中添加Pd的所有样品中，Ti/Pd/Al的接触电阻值可以降低约一个数量级。特别是当Pd膜的厚度为5nm时，可以显示最低的ρc＝4.1×10-6(Ω-cm2)。
从上述描述中很明显可以看出，在n-型AlGaN/GaN异型结构的GaN层上形成的优选电极是Ti/Pd/Al，其膜厚度比值优选为Ti∶Pd∶Al＝10∶1-10∶100，更优选为10∶2-3∶100。同样很明显的是加热温度优选在500℃-700℃范围内，更优选在550℃-650℃范围内。
在图2所示的结果中，在添加Pt的实施例中Ti/Pt/Al的接触电阻值低于用黑点表示的比较例中Ti/Al(膜厚nm：16/200)的接触电阻值，即，Ti/Pt/Al的接触电阻值ρc＝3.8×10-5(Ω-cm2)。
很明显从以上描述中可看出，在n-型AlGaN/GaN异型结构的AlGaN层上形成的优选电极为Ti/Pt/Al，其膜厚度比值优选为Ti∶Pt∶Al＝10∶1-10∶100，更优选为10∶1-2∶100。同样很明显的是加热温度优选在500℃-700℃范围内，更优选550℃-650℃范围内。
从这些结果可以预见存在一种Pd-Ga化合物。从以上结果中下列事实是可以预见的：首先，一种对Ga高度活泼的金属如Pd与n-型层中的Ga发生化学结合，这样在n-型层中产生Ga-空穴。不活泼的Si进入Ga-空穴，起到给体的作用。结果，给体浓度增加，使接触电阻减少。除此之外，当Si不进入Ga-空穴的时候，可以预见因为Ga-空穴本身有加速形成n-型半导体的功能，所以也能获得接触电阻减少的结果。
关于老化作用，把Ti/Pd/Al电极在室温下放置4000小时或以上，用上述同样的方法测量Ti/Pd/Al电极的接触电阻。得到的结果基本上和图1所示的结果相同。
当然，如果可以获得n-型AlGaN/GaN的HEMT结构，基片和缓冲层的材料就不受限制。除了n-型AlGaN/GaN之外，也可以使用n-型AlGaN/AlGaN、n-型GaN/InGaN和n-型InGaN/InGaN。即使在Ti/Pa/Al或Ti/Pt/Al电极被用到n-型GaN或n-型InGaN的情况下，以及Ti/Pa/Al或Ti/Pt/Al电极被用到n-型AlGaN上的情况下，也可以获得良好的结果。
Zr和W以及Ti也可被用作第一金属材料的事实已经在JP-A-11-8410中进行了描述。Si和Ge以及Al也可被用作第三金属材料的事实也已经在JP-A-11-8410中进行了描述。
实施例2
如在实施例1中一样，形成一种HEMT结构，但其中的Ti用钒(V)代替。这种电极是通过气相淀积方法形成的。热处理是在如实施例1同样的条件下的RTA。
尽管当使用V/Al时，接触电阻是6×10-6(Ω-cm2)，但在V/Pd/Al(膜厚度nm：20/5/100)和V/Pt/Al(膜厚度nm：20/3/200)中获得的接触电阻值分别是5×10-6(Ω-cm2)和5.5×10-6(Ω-cm2)。
在这种情况下，热处理温度优选在500℃-700℃范围内。
实施例3
本发明的实施例将在下面描述。
首先，叠加半导体层形成如图3的构型。
层                       ：组成
p型层5                   ：p-GaN:Mg
含发光层的层4            ：含InGaN层的层
n-型层3                  ：n-GaN:Si
缓冲层2                  ：AlN
基片1                    ：蓝宝石
搀杂Si作为n-型杂质的GaN的n-型层3是通过缓冲层2在基片1上形成的。尽管上面示出使用蓝宝石作为基片1的情形，但基片1并不局限于此。可以使用蓝宝石、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。尽管缓冲层是利用MOCVD方法由AlN制成的，但缓冲层并不局限于此。GaN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等也可以用作缓冲层的材料。分子束外延法(MBE法)、卤化物气相外延法(HVPE法)、溅射法、离子镀层法、电子簇射法等可以作为形成缓冲层的方法。例如，当GaN被用作基片时，缓冲层可以省却。
在需要时，可以在半导体器件形成后，去除基片和缓冲层。
尽管在上面示出由GaN制成的n-型层，但也可以使用AlGaN、InGaN、或AlInGaN。
尽管上面示出了掺杂Si作为n-型杂质的n-型层的情况，但也可以使用其它n-型杂质，如Ge、Se、Te、C等。
n-型层3可以是两层结构，其在含发光层的层4一侧上具有低电子浓度的n-层，在缓冲层2一侧具有高电子浓度的n+层。
含发光层的层4可以含有量子势阱结构的发光层。发光器件的结构可以是单异质型、双异质型或等同质连接型。
含发光层的层4可以包含在p型层5一侧的第III族氮化物化合物半导体层，其中掺杂受体如镁并具有宽的带隙。这样制造是为了有效阻止注入到含发光层的层4的电子扩散进入p型层5。
GaN的p型层5，其中掺杂Mg作为p型杂质，是在含有发光层的层4上形成的。作为p型层的材料，可以交替使用AlGaN、InGaN或InAlGaN。
此外，p型层5可以是双层结构，其中在含发光层的层4一侧具有低空穴浓度的p-层和在电极一侧具有高空穴浓度的p+层。
在如上所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都可以通过在常规条件下进行MOCVD形成，或者通过其它方法如分子束外延法(MBE法)、卤化物气相外延法(HVPE法)、溅射法、离子镀层法、电子簇射法等形成。
然后，形成一个掩模，通过反应性离子蚀刻法部分去除p型层5、含有发光层的层4、和n-型层3，露出形成n-电极的表面11，在其上面将形成n-电极9。然后，利用蒸发装置把作为形成半透明电极6的Co层(1.5nm)和Au层(60nm)连续地层叠在晶片的整个表面上。此后，通过蒸汽淀积Cr层(30nm)、Au层(1.5μm)和Al层(10nm)，并利用剥离法层叠成形成p-座电极7的叠层。
然后，Ti层(20nm)、Pd层(5nm)和Al层(200nm)通过剥离法连续叠加成形成n-电极9的层。
通过前述方式获得的样品在大气压和氮气气氛下，在600℃加热30秒。然后，晶片用切割法切割成小片。按照这种方式，获得根据该实施例的发光二极管10。在发光二极管10中，在20mA时可获得不高于3.2V的电压，因而这种发光二极管10是优良的。甚至在Ti/Pd/Al被Ti/Pt/Al、V/Pd/Al或V/Pt/Al替换的情况下，也可以获得一个良好的结果。
尽管本发明已经参照特定的实施例进行了详细的描述，但对本领域的技术人员来说，很显然可以在不脱离本发明的精神和范围下进行各种变换和修改。
本申请是以2001年9月6日提交的日本专利申请(日本专利申请2001-270960)为基础的，其全文通过参考结合在此。
工业实用性
本发明完全不局限于本发明实施例中的描述。本领域技术人员可以很容易预见到的各种改进也可以包含在本发明中，而不背离权利要求范围的描述。自然本发明也适用于激光二极管、接收器件、电子器件、和除发光器件外的另一种第III族氮化物化合物半导体器件。
下述各项被公开。
11、一种n-电极，其是通过加热层叠在n-型层上的下列电极获得的：至少一种选自钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、和钨(W)的金属构成的第一电极材料层，至少一种选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、和铜(Cu)的金属构成的第二电极材料层，和至少一种选自铝(Al)、硅(Si)、和锗(Ge)的金属构成的第三电极材料层。
12、如11项所述的n-电极，其特征在于第一电极材料层是在n-型层上形成的，第二电极材料层是在第一电极材料层上形成的，第三电极材料层是在第二电极材料层上形成的。
13、如11或12项所述的n-电极，其特征在于加热是在惰性气体气氛下，在500℃-700℃的加热温度下进行的。
14、如13项所述的n-电极，其特征在于惰性气体是氮气，加热温度为550℃-650℃。
15、如11-14项中的任意一项所述的n-电极，其特征在于第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的膜厚度比值是10∶1-10∶100。
16、一种第III族氮化物化合物半导体器件，其特征在于该器件具有11-15项中任何一项所述的n-电极。

Claims (6)

1.一种用于第III族氮化物化合物半导体器件的n-电极，其包含：
第一电极材料，由钛构成；
第二电极材料，由至少一种选自钯和铂的金属构成；
第三电极材料，由铝构成；
其中第二电极材料设置到第一电极材料上，第三电极材料设置到第二电极材料上，所述的第一电极材料层、所述的第二电极材料层和所述的第三电极材料层的膜厚度比值是10∶1-10∶100；
并且所述n-电极是通过在500℃-700℃的温度下加热形成的。
2.一种第III族氮化物化合物半导体器件，其中在n-型层上形成根据权利要求1的n-电极。
3.如权利要求3所述的第III族氮化物化合物半导体器件，其中所述的n-型层是由GaN、GaInN或AlGaN制成的。
4.一种制造用于第III族氮化物化合物半导体器件的n-电极的方法，包括如下步骤：
在n-型层上形成由钛构成的第一电极材料层；
在第一电极材料层上形成由至少一种选自钯和铂的金属构成的第二电极材料层；
在第二电极材料层上形成由铝构成的第三电极材料层；其中所述的第一电极材料层、所述的第二电极材料层和所述的第三电极材料层的膜厚度比值是10∶1-10∶100；以及
在500℃-700℃的温度下加热所述的n-型层和所述的第一、第二和第三电极材料层。
5.如权利要求4所述的制造n-电极的方法，其中所述的惰性气体是氮气，所述的加热温度为550℃-650℃。
6.一种制造具有n-电极的第III族氮化物化合物半导体器件的方法，其包括根据权利要求4的制造所述n-电极的步骤。
CNB028028309A 2001-09-06 2002-09-02 用于第III族氮化物化合物半导体器件的n－电极 Expired - Lifetime CN1306560C (zh)

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