CN1316782A - 一种氮化物半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物半导体器件，其中包含：在绝缘衬底上生长氮化物缓冲层，在其上并与其相接触具有增强平行于PN结平面电子迁移率的又具有与负电极金属形成低阻欧姆接触功能的氮化物半导体多重异质及掺杂结构层构成的负电极n型复合接触层。其具有新结构的氮化物半导体器件，这种结构的氮化物半导体器件的串联电阻低发光效率高。
Description
本发明涉及包括发光二极管(LED)或激光二极管器件(LD)的光发射器件，特别涉及氮化物半导体发射器件。
三族氮化物半导体的直接带隙能量根据其组成可以从氮化铟的1.95eV到氮化铝的6.0eV之间变化，因此它们作为如发光二极管(LED)器件和激光二极管(LD)器件等光发射器件的材料可以使发光器件的工作波长覆盖整个可见光谱并延伸到紫外光区，因此已引起人们极大的关注。最近，由于利用了这些氮化物半导体材料，高亮度蓝光LED器件、绿光LED器件、白光LED和紫光激光器已进入实用阶段。这些LED器件具有含p-n结的双异质结结构或量子阱有源层。
常规LED器件基本上皆具有双异质结结构，其中氮化铟镓(InGaN)构成的有源区或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化铝镓(AlGaN)构成的n型和p型限制层之间。氮化镓(GaN)构成的n型接触层形成在n型限制层上，GaN构成的p型接触层形成在p型限制层上。所形成的与有源层接触且具有比有源层带隙能量大的限制层，根据各能级该结构可用于向有源层有效地注入电子和空穴。这种层叠结构形成在如蓝宝石之类的绝缘基片上。LD器件基本上可以具有和上述LED器件相似的结构。但是，大多数LD器件都有光和载流子分别限制的载流子分别限制结构。(可参见申请号96120525.3的中国发明专利申请公开说明书)。
生长在如蓝宝石之类的绝缘基片上的常规氮化物半导体LED和LD器件n型和p型电极均需从氮化物的一面引出，因此流经器件的电流路径为U字形(例如参见上述提到的公开申请)。由于LED器件的尺寸为350μm×350μm左右正方形，p焊盘和n焊盘布置在正方形的对角上，而外延层总厚度仅为4μm左右，电流沿n型半导体层平行于p-n结流动的路径是电流垂直于p-n结流动的路径的100倍左右，特别是从p焊盘端到n焊盘端。因此，在常规氮化物半导体LED和LD器件中n型半导体层的串联电阻比较大，成为器件总串联电阻的主要部分。在常规器件中降低串联电阻的困难在于进一步提高掺杂剂硅的浓度会导致氮化镓层的龟裂；进一步增加n-GaN层厚度会导致成本增加。
当常规LED器件工作时电流流过附加的串联电阻生产的焦耳热使器件温度升高。焦耳热本身成为降低半导体发光器件外量子效率的机理之一。另一方面，结温升高，非复合辐射几率增加，同时分别从n型层和p型层注入到有源层的电子和空穴复合发光之前，热能增加了电子和空穴分别从有源层逸出到波导层的几率，也导致发光效率降低。
因此，本发明的目的是提供一种氮化物半导体器件，其具有新结构的氮化物半导体器件，这种结构的氮化物半导体器件的串联电阻低发光效率高。
为实现本发明的目的，这种结构的氮化物半导体器件包括：
在绝缘衬底上生长氮化物缓冲层，在其上并与其相接触具有增强平行于PN结平面电子迁移率的又具有与负电极金属形成低阻欧姆接触功能的氮化物半导体多重异质及掺杂结构层构成的负电极n型复合接触层。
所说负电极n型复合接触层中包含二维电子气结构层，即具有增强平行于PN结平面电子迁移率以降低器件串联电阻能力的氮化物半导体多重异质结构层；二维电子气结构层由氮化镓半导体层和比氮化镓大的带隙能量的含铝的氮化物构成，其中包括使用不掺杂的含铝的氮化物空间层。
所说含铝的氮化物半导体层厚度为10-100nm。
所说含铝的氮化物半导体层掺有杂质。
所说杂质包括硅、锗和氧。
所说含铝的氮化物半导体空间层位于含铝的氮化物半导体势垒和氮化物半导体层之间，空间层层厚度为10-40nm。
所说含铝的氮化物半导体空间层不有意掺杂。
所说氮化物半导体层可以是二层或二层以上。
所说氮化物半导体层厚度为0.1-0.4μm。
所说氮化物半导体层可以掺有杂质或不掺有杂质。
所说含铝的氮化物半导体层可以是一层或多层。
所说二维电子气结构层起始和终止层均为氮化镓层。
所说二维电子气结构层的氮化镓层终止层厚度为0.2-0.5μm。
所说二维电子气结构层厚度为1-3μm。
所说负电极n型复合接触层中包含掺硅氮化镓低阻顶层，它在二维电子气结构层终止层上并与其接触。
所说掺硅氮化镓低阻顶层的杂质包括硅、锗和氧；该层掺杂导致的电子浓度大于二维电子气结构层的氮化镓层终止层的电子浓度。
所说掺硅氮化镓低阻层半导体层厚度为0.1-1.0μm。
所说负电极n型复合接触层半导体层厚度为2.0-4.0μm。
所说的负电极由与n型氮化镓形成欧姆接触的金属制成。
所说金属负电极通常可以用如铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)等单层金属材料、Ti/Al、Au/Ni/Al/Ti等双层和多层金属材料和上述金属材料的合金如WSi合金。
所说金属负电极的厚度0.1μm以上。
所说金属负电极的厚度1μm以下。
其中器件的n型电极为环形电极。
在绝缘衬底上生长氮化物缓冲层，在其上并与其相接触的负电极n型复合接触层。该接触层由氮化物半导体多重异质及掺杂结构层构成，具有增强平行于PN结平面电子迁移率和形成负电极形成低阻欧姆接触的双重功能。前一功能由具有二维电子气结构的氮化物半导体构成的负电极n型复合接触下层实现。所说二维电子气结构层由氮化镓半导体层和比氮化镓带隙能量大的含铝的氮化物半导体层构成的交替层叠结构。后一功能由掺杂的氮化镓顶层实现。因而负电极n型复合接触层既能降低n型半导体层的串联电阻又能实现与金属电极之间的低接触电阻。
在负电极复合接触层上并与其相接触的是含铟氮化物的防裂层。防裂层是为了防止在其上并与其相接触的比氮化镓带隙能量大的含铝的氮化物半导体n型限制层发生龟裂。
在防裂层上并与其相接触的是比氮化镓带隙能量大的含铝的氮化物半导体n型限制层；
在n型限制层上并与其相接触的是含铟的氮化物半导体构成的量子阱结构有源层，并且至少具有一个厚度不大于70埃的阱层；
在有源层上并与其相接触的是且具有比有源层大的带隙能量的p型含铝氮化物半导体限制层；
在p型氮化物限制层上并与其相接触的是比p型氮化物限制层带隙能量小的p型氮化物半导体正电极接触层；
在p型氮化物半导体接触层和含有二维电子气结构的n型氮化物接触层上分别形成欧姆接触的正(包括半透明电极)、负电极。
由于在本发明的氮化物器件中，引进了二维电子气结构层，因此可以降低n型半导体层的串联电阻以降低功耗、延长器件寿命。
另外本发明提供一种利用与n焊盘相连的环绕p台面而又不与p台面接触的环行n电极，缩短电流沿n型半导体层平行于p-n结流动的平均路径以降低串联电阻和功耗，延长器件寿命的氮化镓发光二极管。
本发明n接触层的厚度由于采用二维电子气和或环型欧姆负接触电极，n接触层的厚度较低，其器件所需外延层的总厚度较低，因而可以降低原料的消耗从而降低器件成本。另一方面，由于器件所需外延层的总厚度较低，因而可以降低金属有机物化学气相淀积(MOCVD)生长时间，提高MOCVD设备的生产效率从而进一步降低器件成本。
在本发明中，广义的氮化物半导体是指时周期表中Ⅲ族元素的氮化物，主要地是由InxAlyGazB1-x-y-zN表示的Ⅲ族元素铝、镓、铟的氮化物半导体，这里0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z≤1。在本说明书中InxGa1-xN(0≤x≤1)表示氮化铟镓三元固溶体，有时简化为InGaN。类似的表达还有AlGaN，以及四元固溶体AlGaInN等。
为进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，其中：
图1表示根据本发明第一实施例的LED器件的剖面图；
图2表示根据本发明第二实施例的LED器件的剖面图；
图3是图2中的LED器件中n型复合接触层局部的剖面图；
图4表示根据本发明第二实施例的LED器件的平面图。
实施例一
参阅图1，它是本发明第一实施例的LED器件的剖面图，在该器件中，在缓冲层和n型铟镓氮(InGaN)防裂层之间有本发明的负电极n型复合接触层。
在本实施例中LED器件芯片结构如下：在蓝宝石(Al2O3)衬底1上生长有20nm厚的镓氮(GaN)缓冲层2；其上是由掺硅(Si)的氮化镓/氮化铝镓(Si:GaN/AlxGa1-xN)二维电子气结构层和掺硅(Si)的氮化镓组成的n型复合接触层3；GaN的厚度在0.1-1μm之间，AlxGa1-xN的厚度在20-100nm之间，X值在0.1-0.4之间；然后是150nm厚的掺Si:InxGa1-xN防裂层4,X值在0.06-0.15之间；防裂层4上面是150nm厚的掺SiAlxGa1-xN限制层5,X值在0.1-0.2之间；其上是掺Si InxGa1-xN/InyGa1-yN单量子阱有源层6，垒层厚度为25埃，Y值在0.01-0.06之间；阱层厚度为25埃，X值在0.15-0.25之间；再上面是限制层7，该限制层为0.5μm掺镁的pAlxGa1-xN；最后是0.5μm掺镁的p GaN接触层8。
利用常规光刻工艺辅助以干法刻蚀，光刻胶剥离工艺、金属蒸发和溅射工艺、和二氧化硅(SiO2)镀膜工艺，最终在P型GaN接触层8上形成半透明Ni/Au电极15和正电极焊盘16；在干法刻蚀后暴露出的复合接触层3的掺硅氮化镓低阻顶层上形成Ti/Au负电极焊盘14。
在本实施例中，衬底1除蓝宝石外，也可以采用尖晶石(MgAl2O4)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)、硅上生长氧化锌复合衬底(ZnO/Si)和AlN/SiC复合衬底。这里硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)是指在常规硅衬底上淀积三氧化二铝薄膜的双层结构组成的衬底，氮化物将生长在Al2O3上面。其他复合衬底依此类推以避免赘述。
缓冲层2也可以用AlN,AlGaN等。
在负电极复合接触层中的GaN/AlGaN二维电子气结构层3也可以是多重结构，例如图2中示出的3层。
实施例二
图3表示根据本发明另一实施例的LED器件局部的剖面图。本实施例和第一实施例除了负电极n型复合接触层中的二维电子气部分和n电极外，其他部分基本相同。
在本实施例中，在负电极复合接触层中的二维电子气结构带有空间层，即在GaN和n-AlGaN之间生长一层不掺杂的AlxGa1-xN层，如图3所示。其结构为：起始层是0.1-1μm厚的掺Si的GaN层3-1；在其上是10-40nm的不掺杂AlxGa1-xN3-3,X值在0.1-0.4之间；然后是20-100nm厚的掺Si的AlxGa1-xN层3-2,X值在0.1-0.4之间；接着又是10-40nm的不掺杂AlxGa1-xN3-3。这种结构重复两次。最后生长0.1-0.5μm厚的掺Si的GaN复合接触层的掺硅氮化镓低阻顶层。
在本实施例中，负电极采用环形电极。利用利用常规光刻工艺辅助以精确干法刻蚀，暴露出的复合接触层3的掺硅氮化镓低阻顶层，同时形成p-GaN台面。利用光刻胶剥离工艺、金属蒸发和溅射工艺，在p型GaN接触层8上形成半透明Ni/Au电极15和Ni/Au正电极焊盘16；再次利用光刻胶剥离工艺、金属蒸发和/或溅射工艺，在干法刻蚀后暴露出的复合接触层3的掺硅氮化镓低阻顶层上形成Ti/Au带利用常规光刻工艺辅助以干法刻蚀，光刻胶剥离工艺、金属蒸发和溅射工艺、和二氧化硅(SiO2)镀膜工艺，最终在P型GaN接触层8上形成半透明Ni/Au电极15和正电极焊盘16；在干法刻蚀后暴露出的复合接触层3的掺硅氮化镓低阻顶层上形成Ti/Au负电极焊盘14。利用SiO2镀膜工艺在器件表面形成钝化层，然后用光刻工艺开出正、负电极焊盘孔以被压焊用。其平面图如图4所示。
本发明同样适用于氮化物LD器件和其他发光器件。
Claims (23)
1、一种氮化物半导体器件，其特征在于，其中包含：在绝缘衬底上生长氮化物缓冲层，在其上并与其相接触具有增强平行于PN结平面电子迁移率的又具有与负电极金属形成低阻欧姆接触功能的氮化物半导体多重异质及掺杂结构层构成的负电极n型复合接触层。
2、根据权利要求1所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说负电极n型复合接触层中包含二维电子气结构层，即具有增强平行于PN结平面电子迁移率以降低器件串联电阻能力的氮化物半导体多重异质结构层；二维电子气结构层由氮化镓半导体层和比氮化镓大的带隙能量的含铝的氮化物构成，其中包括使用不掺杂的含铝的氮化物空间层。
3、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说含铝的氮化物半导体层厚度为10-100nm。
4、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说含铝的氮化物半导体层掺有杂质。
5、根据权利要求4所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说杂质包括硅、锗和氧。
6、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说含铝的氮化物半导体空间层位于含铝的氮化物半导体势垒和氮化物半导体层之间，空间层层厚度为10-40nm。
7、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说含铝的氮化物半导体空间层不有意掺杂。
8、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说氮化物半导体层可以是二层或二层以上。
9、根据权利要求6所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说氮化物半导体层厚度为0.1-0.4μm。
10、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说氮化物半导体层可以掺有杂质或不掺有杂质。
11、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说含铝的氮化物半导体层可以是一层或多层。
12、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说二维电子气结构层起始和终止层均为氮化镓层。
13、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说二维电子气结构层的氮化镓层终止层厚度为0.2-0.5μm。
14、根据权利要求2所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说二维电子气结构层厚度为1-3μm。
15、根据权利要求1所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说负电极n型复合接触层中包含掺硅氮化镓低阻顶层，它在二维电子气结构层终止层上并与其接触。
16、根据权利要求15所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说掺硅氮化镓低阻顶层的杂质包括硅、锗和氧；该层掺杂导致的电子浓度大于二维电子气结构层的氮化镓层终止层的电子浓度。
17、根据权利要求15所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说掺硅氮化镓低阻层半导体层厚度为0.1-1.0μm。
18、根据权利要求1所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说负电极n型复合接触层半导体层厚度为2.0-4.0μm。
19、根据权利要求18所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说的负电极由与n型氮化镓形成欧姆接触的金属制成。
20、根据权利要求18所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说金属负电极通常可以用如铝、钛、钨、钴、锌、锡和铟等单层金属材料、钛/铝、金/镍/铝/钛等双层和多层金属材料和上述金属材料的合金如硅化钨合金。
21、根据权利要求18所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说金属负电极的厚度大于0.1μm。
22、根据权利要求18所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，所说金属负电极的厚度小于1μm。
23、根据权利要求1所述的一种氮化物半导体器件，其特征在于，其中器件的n型电极为环形电极。
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