CN1617364A - 氮化镓基半导体器件及其制造方法 - Google Patents

氮化镓基半导体器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种III－V族GaN基化合物半导体器件及其制造方法。该器件包括在具有多量子阱的有源层和p型GaN基化合物半导体层之间插入的AlGaN扩散阻挡层和InGaN牺牲层。

Description

氮化镓基半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种III-V族GaN基半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种在p型半导体层的形成过程中能够保护有源层不受热冲击的III-V族GaN基半导体器件及其制造方法。
背景技术
在III-V族GaN基半导体器件的制造期间，在生长有源层之后，反应温度必须在p型化合物半导体层的生长之前升高到大约1050℃的高温。
对有源层暴露的顶部表面施以高温损坏了有源层，因而使有源层和p型化合物半导体层之间的界面特性退化。
防止损坏有源层以及界面特性退化的技术是必须的。为了这一目的，美国专利申请第20020053676 AA号公开了一种半导体器件，在生长的有源层上直接形成厚度约为200至500埃的InGaN保护层以保护有源层，反应温度升高到大约1100℃的高温，然后形成p型半导体层。
形成所述InGaN保护层以保护有源层不受高温气氛的影响，但并不能充分抑止对有源层的损坏。而且，所述InGaN保护层导致了一逐渐下降的层的形成，其削弱了半导体器件的工作性能。
日本专利特开平第9-36429号提出了用于防止由于高温造成的有源层退化的另一种方法。在这种情况下，在生长有源层之后，生长厚度约为10至50埃的低温AlGaN保护层。
然而，在这种方法中，所述AlGaN保护层自身不足以抵抗高温以保护有源层。
发明内容
本发明提供了能够防止由于温度升高造成的有源层退化的III-V族GaN基半导体器件及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种III-V族GaN基半导体器件，该器件包括：一n型GaN基化合物半导体层；一包括设置在所述n型GaN基化合物半导体层上的交替叠置的量子阱和势垒层(barrier layer)的有源层；一设置在所述有源层上的AlGaN扩散阻挡层(diffusion blocking layer)；一形成于所述AlGaN扩散阻挡层上的InGaN牺牲层；一设置在所述InGaN牺牲层上的p型GaN基化合物半导体层。
根据本发明的另一方面，提供了一种III-V族GaN基半导体器件的制造方法，该方法包括：在一衬底上生长一n型GaN基化合物半导体层；在所述n型GaN基化合物半导体层上生长一具有多量子阱的有源层；在所述有源层上生长一AlxGaN扩散阻挡层；在所述扩散阻挡层上生长一InGaN牺牲层；以及在所述InGaN牺牲层上生长一p型GaN基化合物半导体层。
所述扩散阻挡层的生长和所述牺牲层的生长可在与所述有源层的生长温度相同的温度下在有源层的生长之后立即进行。
在生长牺牲层之后，反应温度可被提高到适于生长p型GaN基化合物半导体层的温度。
所述牺牲层可形成为20至200埃的厚度，优选50埃。同时，所述牺牲层可由10％或更少，优选1％或更少重量的In形成。
所述扩散阻挡层可依赖于其Al的成分，以不同的厚度形成。对于大于10％，直至50％的Al成分，所述层的厚度可形成为5至100埃，优选20埃。对于小于10％的扩散阻挡层的Al成分，扩散阻挡层的厚度应该增加，对于1％的Al成分达到500埃。优选地，300埃厚的扩散阻挡层以4％的Al形成。
附图说明
通过参照附图对其示例性实施例的详细说明，本发明的上述和其他特征及优点将变得更加显而易见，附图中：
图1是根据本发明的激光二极管(LD)的示意剖面图；
图2是图1所示LD的能带图；
图3是根据本发明通过在有源层上叠置扩散阻挡层和牺牲层形成的半导体叠层的透射电子显微镜(TEM)图像；
图4是图3所示牺牲层的原子力显微镜(AFM)图像；
图5是包括传统保护层的氮化物基LD的TEM图像；
图6是一样品的AFM图像，该样品通过以下方式获得：以大约0.3埃/秒的生长率生长一传统的保护层，停止所述保护层的生长，将反应温度提高到1050℃，将反应温度维持预定时间，降低反应温度；
图7是一样品的AFM图像，该样品通过以下方式获得：以大约4.5埃/秒的生长率生长一传统的保护层，停止所述保护层的生长，将反应温度提高到1050℃，将反应温度维持预定时间，降低反应温度；以及
图8是表示根据本发明及传统样品的样品内部量子效率图。
具体实施方式
现将参照附图更加充分地描述本发明，附图中表示了本发明的示例性
实施例。
图1是根据本发明的GaN基III-V族半导体器件、即激光二极管(LD)的示意剖面图，图2是图1所示LD的能带图。
参照图1，InGaN有源层15形成为具有设置在该InGaN有源层15上面和下面的p型化合物半导体叠层和n型化合物半导体叠层的夹层结构。该夹层结构设置在衬底上，例如，蓝宝石衬底11。如果需要，可移除衬底11。如果移除了衬底11，则设置在衬底11上的n-GaN接触层12可用作衬底。
在有源层15和p型化合物半导体叠层之间插入盖层16。该盖层16包括设置在单一AlGaN扩散阻挡层16b上的单一InGaN牺牲层16a。可选择地，盖层16可通过顺序叠置20或更少量的叠置于牺牲层16a上的扩散阻挡层16b和20的组合来形成。
扩散阻挡层16b防止了来自有源层15的铟的扩散，而牺牲层16a保护扩散阻挡层16b。当制造LD时，牺牲层16a保护扩散阻挡层16b不受在p型半导体层制造期间施加的热量的影响。因此，牺牲层16a被部分的移除而在扩散阻挡层16b上保留少量的牺牲层16a。扩散阻挡层16a生长为约5至100埃的厚度，优选20埃。对于小于10％的扩散阻挡层的Al成分，扩散阻挡层的厚度应该增加，对于1％的Al成分达到500埃。优选地，300埃厚的扩散阻挡层以4％的Al形成。牺牲层16a生长为20埃至200埃的厚度，优选50埃，因为依赖于在升温期间的生长条件，大约30埃至70埃的牺牲层16a被移除。
下文中，将参照图1详细描述LD的结构。
在蓝宝石衬底11上叠置n-GaN下部接触层12。在下部接触层12上设置多重半导体层以形成台式结构。即，在n-GaN下部接触层12的顶部表面上顺序叠置n-GaN/AlGaN下部镀层(clad layer)13，n-GaN下部波导层14，InGaN有源层15，盖层16，p-GaN上部波导层17以及p-GaN/AlGaN上部镀层18。n-GaN/AlGaN下部镀层13和p-GaN/AlGaN上部镀层18分别比n-GaN下部波导层14和p-GaN上部波导层17具有低的折射率，并且n-GaN下部波导层14和p-GaN上部波导层17比有源层15具有低的折射率。在所述台式结构中，具有预定宽度的突起脊18a形成在p-GaN/AlGaN上部镀层18的顶部表面中心以提供脊状波导结构，并且在脊18a的上部形成p-GaN上部接触层19。在p-GaN/AlGaN上部镀层18上设置具有接触孔20a的埋层20，其作为钝化层。埋层20的接触孔20a对应于形成在脊18a上的上部接触层19的顶部部分，并且接触孔20a的外侧部分与上部接触层19的外侧部分重叠。
设置在有源层15上的p型化合物半导体层可进一步包括电子阻挡层(EBL)和相位匹配层，其中电子阻挡层阻止从有源层15到p型化合物半导体层中的电子流动。由于EBL和相位匹配层是普通的元件，其并不限制本发明的技术主旨，因此为了解释的清晰，它们未在图1中示出。然而，EBL在图2的能带图中示出。
在埋层20上形成p型电极21，其为包括Zn基叠层的多重层。P型电极21经由埋层20的接触孔19a与上部接触层19相接触。在设置于下部接触层12一个面上的台阶部分上形成n型电极22。设置在上部镀层17上的脊状波导结构限制了流到有源层15的电流。因此，限制了共振区域的宽度，由此稳定了横模并降低了工作电流。
为制造传统氮化物基半导体激光器件，在蓝宝石衬底上形成多重GaN基半导体层，通过干蚀刻形成供应电流的脊，并且在n-GaN下部接触层上形成台式结构从而暴露n-GaN下部接触层并形成共振表面。
另一方面，在本发明中，在有源层15以多量子阱(MQW)生长后，通过在有源层15上顺序叠置AlGaN扩散阻挡层16b和InGaN牺牲层16a而不改变反应温度来形成盖层16，然后将反应温度提高到一较高温度，例如1050℃，接着在InGaN牺牲层16a上生长p型半导体叠层。设置在有源层15下部的n型化合物半导体叠层可在大约1050℃的温度下生长，并且在反应温度降低到780℃之后生长有源层15。
在本发明中，有效防止了p型GaN基化合物半导体叠层高温生长期间的InGaN/GaN有源层的退化。因此，工作电流维持在适当水平，LD的寿命得以延长。
在根据本发明的LD的制造方法中，在形成有源层15之后，在770-900℃之间的温度下顺序生长扩散阻挡层16b和牺牲层16a，例如，在与生长有源层15的温度相同的温度下，比如780℃。扩散阻挡层16b由AlxGa1-xN[0.01≤x≤0.5]或AlxInyGa1-x-uN[0.01≤x≤0.5，0.01≤y≤0.1]形成，并且牺牲层16a由InxGa1-xN[0≤x≤0.1]形成。此后，将反应温度提高到一较高温度，例如1050℃，然后使用AlxInyGazN[0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z＝1]生长p型化合物半导体叠层。如上所述，扩散阻挡层16b生长为5至500埃的厚度，优选20埃或更少。牺牲层16a生长为20至200埃的厚度，优选50埃，因为依赖于升温时的生长条件，大约30埃至70埃的牺牲层16a被移除。
在本发明中，在高温下同时具有阱和势垒的扩散阻挡层16b稳定的阻止了来自有源层15的铟的扩散。由InxGa1-xN[0＜x＜0.1]形成的牺牲层16a被牺牲性的破坏从而防止设置在其下的扩散阻挡层16b的退化。因此，能够稳定扩散阻挡层16b的结晶度。
图3是根据本发明通过在具有MQW的有源层上叠置AlGaN扩散阻挡层和InGaN牺牲层形成的半导体叠层的透射电子显微镜(TEM)图像，图4是图3所示InGaN牺牲层的原子力显微镜(AFM)图像。在图3和图4中，通过仅生长有源层和盖层来获得样品以便同时观察TEM和AFM图像。为形成该样品，生长盖层，停止生长工艺，然后将反应器温度升高到1050℃，保持预定时间，接着降低反应器温度。
图5是包括以4.5埃/秒的速率生长的传统AlGaN保护层的N基激光器半导体结构的剖面TEM图像，图6和7是包括分别以0.3埃/秒和4.5埃/秒的生长率生长的传统AlGaN保护层的样品的AFM图像。在图6和7中，为观察AFM图像，仅生长有源层和上述激光器结构的保护层。在生长保护层之后，反应温度升高到1050℃，保持预定时间，接着降低反应温度。在图5所示的传统情况下，在有源层和保护层中产生了槽型缺陷。然而，在图3所示本发明实施例的情况下，获得了没有缺陷的清洁截面轮廓。
同时，为确定是否由于保护层的较差结晶度产生了槽型缺陷，通过改变生长率观察AFM图像，如图6和7所示。基于这些结果，在两种情况中均出现了缺陷，尽管缺陷的形状不同。因此，可以断定保护层的结晶度很大程度上影响N基半导体激光器件的生长，但是即便是具有非常好的结晶度的保护层，也不能阻止槽型缺陷的出现。与在本发明中不同，在传统情况下，对于反应器的升温，保护层不受保护，由此导致了槽型缺陷的产生。包含根据本发明的扩散阻挡层和牺牲层的盖层不传递由升温引起的有源层热量，并且通过盖层促成了热的吸收。换句话说，低温AlGaN扩散阻挡层和牺牲层能够抑止在温度的高速升高期间包括有源层的叠层中的槽型缺陷的产生。这是由于相对容易退化的InxGa1-xN[0.01≤x≤0.1]在整个表面上均匀的退化。
因此，在本发明中，不仅防止了InGaN有源层的退化，而且避免了产生槽型缺陷的生长AlGaN扩散阻挡层的技术的使用。此外，如图3的TEM图像和图4的AFM图像所示，能够获得没有缺陷的清洁晶体层。
图8是表示根据本发明及传统样品的样品内部量子效率图。使用依赖于温度的光致发光(photo luminescence)来测量样品的内部量子效率。内部量子效率通过在室温下测量的光致发光密度除以在10K下测量的光致发光密度来给出。
图8不仅表示了反应器的温度升高与生长有源层之后有源层的量子效率之间的关系，还表示了传统有源层和根据本发明的有源层的量子效率的对比。
参照图8，样品A、B、C和D通过以下方式获得：生长有源层，停止生长工艺，将反应器的温度提高到1050℃，将反应器在1050℃维持预定时间，降低反应器的温度。然后，使用依赖于温度的光致发光测量样品的量子效率。样品A至E具有以下特性。样品A具有五个量子阱5QW而没有保护层，样品B具有五个量子阱5QW并包括在有源层和生长停止点之间的厚度为280埃的InGaN保护层。样品C包括在有源层和生长停止点之间的厚度为500埃的InGaN保护层。根据本发明获得的样品D包括在5个量子阱5QW上(即在有源层和生长停止点之间)的AlGaN扩散阻挡层和InGaN牺牲层(即保护层)。样品E具有五个量子阱5QW并仅包括设置在其上(即在有源层和生长停止点之间)的AlGaN扩散阻挡层。
参照图8，根据本发明的包括AlGaN扩散阻挡层和未掺杂的InGaN牺牲层(或Mg掺杂InGaN牺牲层)的样品D具有比各自包括AlGaN和InGaN之一的样品A、B、C及E高30至213％的内部量子效率。例如，样品D比既不含牺牲层也不含扩散阻挡层的样品A的内部量子效率高213％，比具有500埃厚的InGaN扩散阻挡层的样品C的内部量子效率高30％，比具有280埃厚的InGaN扩散阻挡层的样品B的内部量子效率高75％。
通过推断图8所示的结果，可以确定反应器的升温降低了有源层形成之后有源层的量子效率。通常，在室温下测量的光致发光密度除以在10K下测量的光致发光密度、即内部量子效率不达到0的原因在于在高温下非辐射复合中心被激活。因此，如果内部量子效率接近1，则将施加的功率转化为光的可能性增加。参照图8，能够比较由于在各个样品中的温度升高所引起的新的非辐射复合中心的产生。从图8中可以看到，根据本发明的样品D比传统样品具有更高的内部量子效率。因此，在本发明中能够比在传统样品中更有效的避免由于升温造成的量子效率的降低。
如上所述，本发明的III-V族GaN基半导体器件包括能在低温下生长的AlGaN扩散阻挡层，保护该扩散阻挡层的InGaN牺牲层，该扩散阻挡层插入在于低温下生长的有源层和于高温下生长的p型化合物半导体叠层之间。因此，该半导体器件含有具有在有源层和p型化合物半导体层之间良好的界面特性的高质量晶体成长结构。
尽管已参考其示例性实施例具体表示和描述了本发明，但本领域普通技术人员应理解的是可对本发明进行形式和细节上的各种变化而不背离由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围。

Claims (16)

1.一种III-V族GaN基半导体器件，包括：
一n型GaN基化合物半导体层；
一包括设置在所述n型GaN基化合物半导体层上的交替叠置的量子阱和势垒层的有源层；
一设置在所述有源层上的AlGaN扩散阻挡层；
一形成于所述AlGaN扩散阻挡层上的InGaN牺牲层；以及
一设置在所述InGaN牺牲层上的p型GaN基化合物半导体层。
2.权利要求1的器件，其中所述牺牲层的厚度约为20至200埃。
3.权利要求1的器件，其中所述牺牲层包含10％或更少重量的In。
4.权利要求2的器件，其中所述牺牲层包含10％或更少重量的In。
5.权利要求1的器件，其中所述扩散阻挡层的厚度约为5至500埃。
6.权利要求2的器件，其中所述扩散阻挡层的厚度约为5至500埃。
7.权利要求5的器件，其中所述扩散层包含1％至50％重量的Al。
8.一种III-V族GaN基半导体器件的制造方法，该方法包括：
在一衬底上生长一n型GaN基化合物半导体层；
在所述n型GaN基化合物半导体层上生长一具有多量子阱的有源层；
在所述有源层上生长一AlxGaN扩散阻挡层；
在所述扩散阻挡层上生长一InGaN牺牲层；以及
在所述InGaN牺牲层上生长一p型GaN基化合物半导体层。
9.权利要求8的方法，其中在与所述有源层的生长温度相同的温度下，所述扩散阻挡层的生长和所述牺牲层的生长在所述有源层的生长之后立即进行。
10.权利要求8的方法，其中在生长所述牺牲层之后，反应温度被提高到适于生长所述p型GaN基化合物半导体层的温度。
11.权利要求9的方法，其中在生长所述牺牲层之后，反应温度被提高到适于生长所述p型GaN基化合物半导体层的温度。
12.权利要求8的方法，其中所述牺牲层的厚度形成为约30至200埃。
13.权利要求12的方法，其中所述牺牲层由10％或更少重量的In形成。
14.权利要求8的方法，其中所述扩散阻挡层的厚度形成为约5至500埃。
15.权利要求9的方法，其中所述扩散阻挡层的厚度形成为约5至500埃。
16.权利要求8的方法，其中所述扩散层由1％至50％重量的Al形成。
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