CN1748324A - Ⅲ族氮化物基化合物半导体器件 - Google Patents
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Abstract
III族氮化物基化合物半导体器件100中，在各自加入受体杂质的p－AlGaN层107和p－GaN层109之间提供中间层108。此时，中间层108掺杂有一定浓度的供体杂质，由此基本上补偿由p－AlGaN层107形成过程中引入到中间层108中的受体杂质所产生的空穴。结果，中间层108的电导率变得非常低，并因而显著提高III族氮化物基化合物半导体器件100的静电耐压。
Description
本申请基于日本专利申请No.2003-322541，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及III族氮化物基化合物半导体器件，更具体而言，涉及具有高静电耐压的III族氮化物基化合物半导体器件。
背景技术
III族氮化物基化合物半导体器件通常用作发光器件，例如绿、蓝和紫外区的发光器件。然而，除了发光强度以外，III族氮化物基化合物半导体器件的性质仍然留有改进余地。尤其是其静电耐压到目前为止仍低于镓-砷基或铟-磷基发光器件，因此需要大幅度提高静电耐压。
日本专利申请特开平No.2001-148507公开了一种提高III族氮化物基化合物半导体发光器件的静电耐压的技术。该技术是在p覆层和p接触层之间提供一层掺杂低浓度受体杂质的p型低浓度掺杂层或者非故意地掺杂微量受体杂质的未掺杂层。根据该具体技术，需要p型低浓度掺杂层具有约200nm的厚度。然而，该层具有高电阻率以及较大的厚度，这会导致其电阻增加。因此，要提高该层电压来驱动器件。
发明内容
本发明是在通过减少p型低浓度掺杂层中的受体杂质和通过减小p型低浓度掺杂层的厚度可以进一步降低驱动电压的概念基础上实现的。
本发明的一个目的是提供一种静电耐压提高且驱动电压降低的III族氮化物基化合物半导体器件。
根据本发明的第一方面，III族氮化物基化合物半导体器件包括：
第一p层和第二p层，每层中均加入受体杂质；和
中间层，提供在第一p层和第二p层之间，
其中中间层掺杂有一定浓度的供体杂质，使得供体杂质的浓度基本上补偿由制造过程中非故意引入中间层中的受体杂质所产生的空穴。
语句“基本上补偿空穴产生”是指由受体杂质浓度产生的空穴被由供体杂质产生的电子补偿，并且作为结果，中间层中的空穴浓度基本上与未掺入杂质的III族氮化物基化合物半导体中的相同。例如，空穴浓度可优选减少至等于或小于1017/cm3。
掺入中间层中的供体杂质可以以与中间层中受体杂质的浓度分布相对应的浓度分布进行掺杂。
表述“与中间层中受体杂质的浓度分布相对应的浓度分布”是考虑激活率的浓度分布。更具体而言，如果受体杂质的激活率等于供体杂质的激活率，则使厚度方向上供体杂质的浓度分布基本上对应于厚度方向上受体杂质的浓度分布。如果受体杂质的激活率是供体杂质激活率的十分之一，则使厚度方向上供体杂质的浓度分布基本上等于厚度方向上受体杂质浓度分布的十分之。
受体杂质可以是镁(Mg)，供体杂质可以是硅(Si)。
硅可具有基本上为镁的1/10的浓度分布。
中间层可具有等于或小于1017/cm3的空穴浓度。
第一p层可以包括由掺杂Mg的p型AlGaN制得的p覆层，第二p层可以包括由掺杂Mg的p型GaN制得的p接触层。
根据本发明的第二方面，III族氮化物基化合物半导体器件包括：
蓝宝石衬底；
n接触层，形成在蓝宝石衬底上；
n覆层，形成在n接触层上；
发光层，形成在n覆层上；
p覆层和p接触层，每层均加入受体杂质；和
中间层，提供在p覆层和p接触层之间，
薄膜p电极，置于p接触层上；
厚膜p电极，置于薄膜p电极上；和
n电极，置于n接触层上，其中中间层掺杂有一定浓度的供体杂质，由此基本上补偿由制造过程中引入其中的受体杂质所产生的空穴。
发光层可包括多量子阱结构，该结构通过层叠多对未掺杂InGaN的阱层和未掺杂GaN的阻挡层而形成在n覆层上。
薄膜p电极可以由第一钴层和第二金层形成。厚膜p电极可以通过依次层叠第一钒层、第二金层和第三铝层而形成在薄膜p电极上。n电极可以通过层叠第一钒层和第二铝层而形成在部分暴露的n接触层部分。
铝反射金属层可以形成在蓝宝石衬底的下表面。
根据本发明的中间层表现出非常低的电导率。即使中间层薄至100nm或更薄，III族氮化物基化合物半导体器件的静电耐压仍将显著提高。此外，由于提供了中间层，因此驱动电压几乎没有提高，并且III族氮化物基化合物半导体的性能没有变差。就提供这种效果的作用而言，认为本发明的中间层有效发挥了作用，由此外加电压不会集中于p电极侧的一部分，而是充分扩展于整个p电极侧。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方案的III族氮化物基化合物半导体器件100的截面图。
图2是根据本发明该实施方案的III族氮化物基化合物半导体器件100的中间层中镁和硅的浓度分布示意图。
具体实施方式
下面将描述本发明的优选实施方案。“制造过程中非故意引入层中的受体杂质”是指在形成所述层时尽管不想混入受体杂质，但仍由于某些技术原因而混入其中的受体杂质。
技术原因包括从相邻层的迁移、由于在形成不同层时的转变时刻所引入原材料的不完全转换所导致的污染(所谓的记忆效应)，和由于例如没有充分清洁制造设备而导致的痕量“持续”污染。在下述实施方案中，认为受体杂质不是有意引入到中间层中，而是在下列制造过程中自发混入其中。
根据通过形成上述中间层而混入的受体杂质浓度分布的测量值，加入供体杂质。如果受体杂质是镁且供体杂质是硅，那么需要在确定硅的浓度分布时考虑镁和硅的激活率。由于镁的激活率约为硅的十分之一，因此应加入相应于镁浓度分布十分之一的浓度分布的硅。
第一p层和第二p层的结构是任意的。当形成发光器件时，使n侧层(一层或多层，可包括多重层)、发光层、第一p层、中间层和第二p层依次层叠，并在第二p层上形成电极。在这种情况下，建议对加入受体杂质的III族氮化物基化合物半导体层进行调节，使得能带隙依第一p层、中间层和第二p层的次序变小。另外，该结构不限于上述简单构造，并且有意加入具有多种作用的多重层或者添加任何杂质的单层也都包括在本发明范围内。
当形成发光器件时，优选构成发光层的多量子阱结构包括由至少含有铟(In)的III族氮化物基化合物半导体AlyGa1-y-zInzN(0≤y＜1，0＜z≤1)组成的阱层。发光层的构成单元包括，例如，掺杂或未掺杂的Ga1-zInzN(0＜z≤1)阱层，和具有比阱层更大的能带隙的任何组成的III族氮化物基化合物半导体AlGaInN阻挡层。优选实施例是未掺杂Ga1-zInzN(0＜z≤1)阱层和未掺杂GaN阻挡层的组合。
根据本发明的III族氮化物基化合物半导体器件可具有任意构造。具体地，发光器件可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光耦合器或者其他任何发光器件。可以使用任何制造方法制造III族氮化物基化合物半导体发光器件。
具体地，可以使用蓝宝石、尖晶石、Si、SiC、ZnO、MgO或III族氮化物基化合物单晶作为允许晶体生长的衬底。作为允许III族氮化物基化合物半导体层晶体生长的方法，分子束外延(MBE)、金属有机物气相外延(MOVPE)、氢化物气相外延(HVPE)、液相外延等是有效的。
III族氮化物基化合物半导体层如电极形成层可以由至少以AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的包含二元、三元或四元半导体的III族氮化物基化合物半导体形成。此外，这些III族元素中的一部分可以由硼(B)或铊(Tl)取代，一部分氮(N)可以由磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)取代。
另外，当这些半导体用于形成n型III族氮化物基化合物半导体层时，可加入Si、Ge、Se、Te、C等作为n型杂质，并可加入Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等作为p型杂质。
利用本发明的前述方面，可以有效合理地解决上述问题。
图1表示根掘本发明实施方案的III族氮化物基化合物半导体器件100的横截面示意图。III族氮化物基化合物半导体器件100是具有下列构造的发光器件：如图1所示，在约300μm厚的蓝宝石衬底101上，形成膜厚为约15nm的氮化铝(AlN)缓冲层102，然后在其上形成膜厚为约500nm的未掺杂GaN层103，再在其上形成掺杂有1×1018/cm3硅(Si)的Ga的n型接触层104(高载流子浓度n+层)，膜厚为约5μm。
而且，在该n型接触层104上，形成掺杂有1×1018/cm3硅(Si)的Al0.15Ga0.85N的n型覆层105，膜厚为约25nm。此外，在其上，通过层叠三对膜厚均为3nm的未掺杂In0.2Ga0.8N阱层1061和膜厚均为20nm的未掺杂GaN阻挡层1062，形成多量子阱结构的发光层106。
另外，在该发光层106上，形成掺杂有2×1019/cm3Mg的p型Al0.15Ga0.85N的p型覆层(第一p层)107，膜厚为25nm。在p型层107上，形成掺杂有浓度分布为2×1018-3×1017/cm3的硅(Si)的中间层108，膜厚为100nm。在中间层108上，形成掺杂有8×1019/cm3Mg的p型GaN的p型接触层(第二p层)109，膜厚为100nm。
此外，透光性薄膜p电极110通过在p型接触层(第二p层)109上进行金属蒸镀而形成，并且在n型接触层104上形成n电极140。透光性薄膜p电极110由第一钴(Co)层111和第二金(Au)层112组成，其中第一钴(Co)层111具有约1.5nm的膜厚且直接连接到p型接触层(第二p层)109，第二金(Au)层112具有约6nm的膜厚且连接到所述钴膜。
通过在透光性薄膜p电极110上依次层叠膜厚为约18nm的第一钒(V)层121、膜厚为约15μm的第二金(Au)层122和膜厚为约10nm的第三铝(Al)层123，构成厚膜p电极120。
通过在部分暴露的n型接触层104部分上层叠膜厚为约18nm的第一钒(V)层141和膜厚为约100nm的第二铝(Al)层142，构成多层结构的n电极140。
此外，在最上面，形成包含SiO2膜的保护膜130。在对应于蓝宝石衬底101底面的外部最底面，利用金属蒸镀形成膜厚为约500nm的铝(Al)反射金属层150。另外，该反射金属层150可以是氮化物，如TiN或HfN，和金属如Rh、Ti或W。
中间层108中硅的浓度分布原则如下：当中间层不加入硅时，测得镁的浓度分布如图2中的Mg所示。然后，考虑到事实上镁激活率(室温下激活时的空穴浓度/镁浓度)为硅激活率(室温下激活时的电子浓度/硅浓度)的约十分之一，向中间层加入硅时，使得厚度方向上的硅浓度分布对应于厚度方向上镁浓度分布的十分之一(图2中所示Si)。这使得由镁激发的空穴浓度可以被由硅激发的电子浓度补偿。因此，中间层的载流子浓度可以显著减小至例如1016-1017/cm3或者更小。
与不形成中间层108的情况相比，如图1所示构成的III族氮化物基化合物半导体器件100表现出提高的静电耐压。而且，与中间层108不掺杂硅的情况相比，该III族氮化物基化合物半导体器件可以具有更薄的中间层，并因此可以减小驱动电压，还可以提高静电耐压。
根据本发明，由受体杂质造成的空穴被上述电子补偿。因此，优选空穴浓度应通过加入供体而减小。换句话说，取决于受体杂质浓度分布的空穴浓度分布不一定完全由供体杂质的浓度分布补偿。
本发明不限于以上实施方案，可以进行各种不同的变化。例如，每个III族氮化物基化合物半导体层可以是任何晶体混合比率的二元至四元AlGaIn。更具体而言，可以使用二元、三元(GaInN、AlInN、AlGaN)或四元(AlGaInN)的III族氮化物基化合物半导体，其以通式表示为：AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)。这种化合物中的一部分N可以由V族元素如P或As取代。另外，上述实施方案中形成了保护膜130，但其可以省略。而且，在同一实施方案中，反射金属层形成在蓝宝石衬底的底面，并且透光性薄膜p电极提供在p电极侧，但是为了获得倒装晶片类型，不在蓝宝石衬底的底面形成反射金属层，而在p电极侧提供同时作为光反射层的电极层，以形成允许从蓝宝石衬底的底面透光的结构。
虽然只选择了精选的实施方案描述本发明，但是对于本领域的技术人员来说，很明显，可以根据本公开内容进行各种不会背离由所附权利要求所定义的本发明范围的改变和改进。而且，前面对于根据本发明的实施方案的描述仅仅是为了说明，而不是用于限定由所附权利要求及其等价条款所限定的本发明。
Claims (10)
1.III族氮化物基化合物半导体器件，包括：
第一p层和第二p层，每层中均加入受体杂质；和
中间层，提供在第一p层和第二p层之间，
其中中间层掺杂有一定浓度的供体杂质，使该浓度的供体杂质基本上补偿由制造过程中非故意引入中间层中的受体杂质所产生的空穴。
2.根据权利要求1的III族氮化物基化合物半导体器件，其中
掺入中间层的供体杂质以一定浓度分布掺杂，该浓度分布对应于中间层中受体杂质的浓度分布。
3.根据权利要求1的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
受体杂质是镁，供体杂质是硅。
4.根据权利要求3的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
供体杂质硅具有基本上为受体杂质镁的1/10的浓度分布。
5.根据权利要求1的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
中间层具有等于或小于1017/cm3的空穴浓度。
6.根据权利要求1的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
第一p层包括由掺杂Mg的p型AlGaN制得的p覆层，第二p层包括由掺杂Mg的p型GaN制得的p接触层。
7.III族氮化物基化合物半导体器件，包括：
蓝宝石衬底；
n接触层，形成在蓝宝石衬底上；
n覆层，形成在n接触层上；
发光层，形成在n覆层上；
p覆层和p接触层，每层中均加入受体杂质；
中间层，提供在p覆层和p接触层之间，
薄膜p电极，置于p接触层上；
厚膜p电极，置于薄膜p电极上；和
n电极，置于n接触层上，
其中中间层掺杂有一定浓度的供体杂质，由此基本上补偿由制造过程中引入其中的受体杂质所产生的空穴。
8.根据权利要求7的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
发光层包括多量子阱结构，通过层叠多对未掺杂InGaN阱层和未掺杂GaN阻挡层而形成在n覆层上。
9.根据权利要求7的III族氮化物基化合物半导体器件，其中：
薄膜p电极由第一钴层和第二金层形成；
厚膜p电极通过依次层叠第一钒层、第二金层和第三铝层形成在薄膜p电极上；和
n电极通过层叠第一钒层和第二铝层形成在部分暴露的n接触层部分。
10.根据权利要求7的III族氮化物基化合物半导体器件，还包括：
形成在蓝宝石衬底下表面的铝反射金属层。
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