TW533606B - Nitride semiconductor device - Google Patents

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Description

533606 A7 B7
五、發明説明（1 ) 發明背t 1.發明領1
的電氣接觸之改善。 乙相關技藝說明 ’更特別的是 t屬電極之間 在諸如發光二極體、半導體雷射二極體與類似物之發 光元件領域中，具有第m族氮化物半導體
鋅（Zn)與類似物之第„族元素的結晶層之半導體發光元件 引起注意的是可以作為發藍光的元件。其特別需要發展具 有改善電極與半導體之間的電氣性質之第m族氮化物半 導體元件。 如熟悉該技藝者清楚知道的，在P型半導體/金屬界面 基本上是與半導體價電子帶與金屬的費米能階之間的能量 差有關。依據能量差，可以形成歐姆接觸或蕭基接觸 (Schottky contact)。目前沒有金屬可以充分地降低p型氮化 物半導體的能障，同時進一步改善無法僅藉由選擇適當的 電極金屬而達到的接觸性質。 為了改善電極與半導體之間的電氣接觸性質，普通的 方法是使用具有小的能帶之半導體層作為與金屬接觸層。 曰本專利Kokai第HeilO-65216號揭示一種降低電極之 接觸電阻的.方法，其使用包括銦之具有小能階的氮化物半 導體作為與電極接觸的接觸層。 533606 五、發明説明（2 ) 對於與金屬接觸之接觸層而言 · · 使用八有兩載體濃度 (car⑽⑽⑽m_)之半導體層來改善接觸性質的方法 也是已知的。不過，一般瞭解當能帶較大時，前述的方本 «得高㈣密度會產生困難，特別是P型半導體，高載妒 濃度很難達到。 1 目前已知當氮化錮鎵（InGaN)中氮化銦莫耳分率择力 時，可以獲得較高的電洞濃度（日本應用物理期刊（Jpna; APPl.PhyS.)39卷（2000年）337 頁，以磁咖等）。 不過，即便是上面說明的各種方法，都無法獲得一具 有優異的電極接觸性質半導體元件。 明之目的與摘耍 本發明已經考慮到前面的狀況，而且本發明的一個目 的是提供具有改善該元件之電極接觸性質的第⑴族氮化 物半導體。 依據本發明的一個概念，氮化物半導體元件包含由 III族氮化物半導體組成的半導體層與用於供應該半導 層載體的金屬電極。該元件包含： 由沈積在該半導體層與該金屬電極之間的第III族 化物半導體（(八1?^1_?()111113(〇9$1，〇<0 1)，與被添 加至第III族氮化物之第Π族元素組成的該第一接觸層，·和 由第111族氮化物半導體八1?(，〇&1_?^(0$\，$1)組成， 且沈積在該第一接觸層與該金屬電極之間的第二接觸層。 在本發.明的氮化物半導體元件中，該第二接觸層具有 被添加至其中的第π族元素。 第 體 氮 而 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公董） 533606 五、發明説明（3 ) 在本發明的氮化物半導體元件中，該第二接觸層可能 具有大約500A或更小的厚度。 在本發明的氮化物半導體元件中，該前述的第π族元 素可能是鎂。 在本發明的氮化物半導體元件中，該第一接觸層可能 是InyGayNCO.OSSySOj)。 在本發明的氮化物半導體元件中，該第一接觸層典型 地可能具有大約10至1000A範圍厚度。 在本發明的氮化物半導體元件中，該氮化物半導體元 件可能是一發光元件。 、本务月已經對包含由第hi族氮化物與用於供應該半 T體層载體，也就是半導體層的電洞的金屬電極，其目的 是改善元件的電氣特性以達成此發明，之元件的電極接觸 性貝進行詳細試驗。 舉例來說，前述曰本專利〖吐以第11以10_65216號揭示 的凡件{使用、經由熱回火處理而提供高電洞濃度之P型 InGaN接觸層做成的，而且該元件被用測試接觸性質。不 過無法達到明顯的改善。 >另方面，在本發明的方法中，在組成有鎂添加其中 7第-接觸層的InGaN層或類似物成長之後，一薄的氮化 叙或類似物生長在最頂端表面作為第二接觸層，並且可以 «理而有效地轉化成㈣。這方法可以改善完成 的元件之接觸性質。 祕張尺度適 533606 五、發明説明（4 ) 第1圖是說明依據本發明的實施例，具有 構之半導體發光元件的示意截面圖； 子井、'、° 第2圖是說明在製造依據本發明的實施例，具有多數量 子井：構之半導體發光元件期間，基材的示意戴面圖； 一第3圖是說明依據本發明的實施例，在製造半導體發光 元件期間，基材的示意截面圖； ^ 4圖疋電氣特性的圖’其包括依據本發明之實施例與 比車乂貝％例的半導體發光元件的電壓與電流；和 第5圖是說明依據本發明的另一實施例，具有多數量子 井結構之半導體發光元件的示意截面圖。 复例的詳細說日q 依據本發明的元件將以實施例並參考伴隨圖式而被說 明於下。 一第1圖况明具有依據本發明之多數量子井結構 之半導體發光元件。該元件包含具有多數氮化物半導體晶 體薄膜表示成（AlxGabxkyinyNCOg xg 1，〇<y g 1)。之多 層結構依序在由藍寶石製成之基材丨上縈晶成長。在由藍寶 石製成之基材1上，生成一導電層之氮化紹、氮化鎵與類似 物製成之低溫緩衝層2,同時滲雜矽或類似物之11型氮化鎵 底層3依序被堆疊。在該主動層4上依序沈積的是鎂滲雜氮 化鋁鎵電子阻隔層5、鎂滲雜氮化銦鎵層6、鎂滲雜氮化鎵 層7，其可以經由熱回火處理而轉化成p型。 一絕緣.層8被進一步沈積在該p型鎂滲雜氮化鎵層7和^ 型氮化鎵底層3上，同時p側電極❸與!!側電極1〇分別被形成 533606 五、發明説明（5 ) 在相關的窗中。 製造該些依據本發明之氮化物半導體發光元件的方法 將被說明於下。 此處，在本發明中，除非特別說明，有機金屬蒸汽沈 積（MOCVD)將被用作沈積的方法。除非特別說明，氫氣也 被使用作為用於前驅物的輸送之氣體。 監實石基材1被裝載進入M0CVD反應器（未顯示）中， 同時一氮化鋁緩衝層2在低溫下生長在藍寶石基材上。然 後，二甲基鎵（TMG)、氨氣和甲基矽烷分別以17xl〇_4莫耳 /分鐘、9·Οχ1〇·2莫耳/分鐘和72χ1(Γ9莫耳/分鐘速度被供應 至該反應器，在105(TC基材溫度下生長厚度大約6微米滲雜 矽之η型氮化鎵。 之後’该基材溫度被降低至780°C，同時氨氣以9·〇χΐ〇_9 莫耳/分鐘速度被供應至該反應器。將前驅物氣體更換成氮 氣。InyiGaiuNCylUVIneGawNCyZKHHOAMOA被 堆豐5次以形成一 MQW主動層4，TMG以4·8χ10-6莫耳/分 鐘、三甲基銦（ΤΜΙ)以2·6χ10·5莫耳/分鐘，同時氨氣以 s.ixio·1莫耳/分鐘被供應。在/iny2Gai y2N(y2=〇 〇1)層生成 中，TMG以4.8xl〇-6莫耳/分鐘、TMI以2·6χ1(Γό莫耳/分鐘， 而且氨氣以3.1X1CT1莫耳/分鐘被供應。 其後，氫氣被用作傳遞氣體，該基材溫度被上升並保 持在1050°C，同時TMG以7χ10-6莫耳/分鐘、三甲基鋁（τμΑ) 以1·2χ1〇-6.莫耳/分鐘、雙乙基環戊二烯鎂 (EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}a5.2xl0·7 莫耳/分鐘，而且氨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（210X297公釐） 五、發明説明（6 ) 氣以2.2XUT1莫耳/分鐘被供應，厚度〇 〇2微米由
AlxGaNxN(x=〇.2)組成的電子阻隔層5隨即生長在主動層4 中。 隨後，該基材溫度被降低至77(rc。將傳遞氣體更換成 氮氣。厚度0_1微米之InxGa1-xN(x=〇.14)層被生長在電子阻 隔層5上。接著，在77〇°c的基材溫度，以1〇χ1(Γ5莫 耳/分鐘、TMI以1.7XHT5莫耳/分鐘、EtCp2Mg以8 8χ1〇_8莫 耳/分鐘而且氨氣以4.5xl(ri莫耳/分鐘被供應以沈積一鎂 滲雜氮化銦鎵（InGaN)層6。之後，停止TMI供應，而且 EtCpzMg的供應變成2·3χ1〇-7莫耳/分鐘，以在該第一接觸層 6上生成厚度1 〇 Α之錤摩雜氮化鎵層6，也就是第二接觸 層。藉此完成第2圖說明的晶圓1。在由鎂滲雜氮化鎵製成 之最終第二接觸層7的生長中，測定縈晶生長4〇秒之該第二 接觸層7的厚度。；£1;(：^2^4§的流速被調整使得電洞濃度在 95〇 C氮氣中熱回火5分鐘之後達到最大。 為了檢查與金屬電極接觸而形成的各種不同半導體層 中之接點的電氣接點性質，本發明人另外製造一晶圓2，僅 使用鎂滲雜氮化鎵，其是形成晶圓丨的第二接觸層的材料， 作為對應於第一層6和第二層7，也就是在主動層與電極之 間的半導體層的個別層，和僅使用鎂滲雜InxGai xN(x=〇 i4) 的晶圓3，其是形成晶圓}的第一接觸層6，以形成該相關的 部分。在晶圓1至3中，在該主動層與電極之間之該些層的 總薄膜厚度，也就是在晶圓1的情況中之GaN/InGaN(第二 接觸層7/第一接觸層6)的總厚度，被做成彼此相同。 533606 A7 ----- -----B7 _ 五、發明説明（7 ) /、後為了將鎂滲雜半導體層轉化成p型半導體，所得 的母曰曰圓在95〇 C被熱回火5分鐘。當藉由MOCVD方法 生成是一p型滲雜物之鎂滲雜氮化鎵（GaN)半導體時，當它 π王/又有被加工時是一半絕緣的，因無法呈現p型導電性。 基於這個理由，在該發光元件晶圓完成之後，他們被熱回 火以活化该鎭滲雜層而生成ρ型導電性。 再者，如第3圖說明的，η型氮化鎵層3舉例來說被暴露 在反應性離子蝕刻（RIE)或類似情況中。之後諸如二氧化矽 之絕緣薄膜8被沈積在鎂滲雜InxGai xN(x=〇·⑷層6或鎂滲 雜鼠化鎵層7的部分表面上。接著，視窗被圖式化在用於形 成電極的絕緣_ 8上。在使用言酸進行半導體表面處理之 後，在轉化的p型鎂滲雜層6或7與11型氮化鎵層7上，透過該 些窗（第1圖）分別形成p側電極9與11侧電極1〇。適合用於作 為P側電極9與η側電極丨〇的材料分別是鎳與鈦。 其後，每一個晶圓的藍寶石基材的後表面被拋光以將 晶圓厚度減少至大約_微米。然後，該晶圓分開成晶粒， 藉此完成該元件。該些元件由晶圓卜2、3製作的元件此後 分別被稱為元件1、元件2和元件3。 第4圖顯示包含依據本發明之實施例的元件！與比較元 件2和3的電流與電壓之電氣特性。由第4圖可見，驅動電屋 可以被本發明降低。 通常為了將鎮滲雜之氮化物半導體轉換成ρ型，該些薄 膜必須進行一些處理，結果薄膜表面的較高磁化率會變 差。特別地，在InGaN中’銦與氮之間弱的輕合會明顯變 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公酱）
訂- 4k- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 五、發明説明（8 ) 呈。假設在兀件3中，因為加熱抑制預期之電氣接觸性質的 改善，InGaN表面上性質變差。 當頂層表面上由氮化鎵製成之第二接觸層7變厚時， 在，InGaN上的保護效果會增加，但是也會增加電阻值。 因此，第二接觸層7的厚度較好是5〇〇A或更小。 因為第一接觸層6晶格常數與底層的不同，如果此層作 的太厚結晶度會變差，而無法提供預期的效果。因此第一 接觸層6的厚度較好是在1〇至1〇〇〇人的範圍中。 當前面用於發光元件之實施例已經使用本發明而被說 明的同時，本發明也可以將類似的方式使用在雷射二極體。 再者，如另一實施例，一隆起型式半導體發光元件可 以使用與先前實施例相同的技術形成，如第5圖所示，但是 導向層與包覆層是新提供的。特別地，n型氮化鋁鎵（AlGaN) 包覆層11和一p型GaN導向層12被堆疊在n型GaN底層3與 主動層4之間，而且p型GaN導向層13和{)型八1(^]^包覆層14 被進一步堆疊在p型鎂滲電子阻隔層5與卩型第一 接觸層6之間。在一相當於前面第3圖中說明的方法中，第 二接觸層7上可以形成一預定寬度的光罩，而且其他不在光 罩下面的部分，也就是p型第一接觸層6、p型第二接觸層7 和P型AlGaN包覆層會被移除，藉此而行成一窄的隆起結 構然後，在所开》成的晶圓上形成一絕緣層8，在該隆起的 頂端部分形成一 P側電極窗，同時形成電極窗，而且 個別的電極被配置以製造一隆起型式的半導體發光元件。 在第5圖與第1圖中相同數字標示的組件表示是相同的組 W3606 五、發明説明（9 ) 件、。在雷射二極體的情況中，與發光二極體相比，單位面 積幻頁射出較大篁的電流。因此’本發明在降低用於射出 電流所需要的電壓是有效的。這在雷射二極體中更有效。 依據本發明，因為第111族氮化物半導體元件在半導體 主動層與金屬電極之間有一第一層與一第二層，該元件的 電極接觸性質可以被改善。 元件標號對照 1.. ·藍寶石基材 2 · ·.低溫緩衝層 3···η型氮化鎵底層 4. · ·主動層 5···氮化鎵鋁電子阻隔層 6.. .鎂滲雜氮化銦鎵層/第一接觸層 7·.·鎂滲氮化鎵層第二接觸層 8.·.絕緣層 9.. .Ρ·側電極 1〇·.·η-侧電極 11 ···!!型氮化鎵鋁包覆層 12.··η型氮化鎵導向層 13··.ρ型GaN導向層 14.··ρ型AlGaN包覆層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公董） 12

Claims (1)

  1. 533606 Γ ：： ：·4一㈣ I —_ . 一. i — I ....………一5、申請專利範圍 ABCD 第〇911_78號專利申請案申請專利範圍修正本 修正日期：92年3月 1· 一種氮化物半導體元件，其包含由第m族氮化物半導 體製成的半導體層與用於供應該半導體層作為載體的 金屬電極，該元件包含： 由沈積在該半導體層與該金屬電極之間的第m族 氮化物半導體製 成’並以第II族元素添加其間的第一接觸層；和 由第III族氮化物半導體Alx’Gau’NCO S X，g 1)製 成’而且沈積在該第一接觸層與該金屬電極之間的第二 接觸層。 2·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中一第 Π族元素被添加至該第二接觸層。 3 ·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該第 二接觸層具有500人或更小的厚度。 4·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該第 Π族元素是鎖。 5·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該第 一接觸層是111#&1-0(〇.〇5$7$〇.4)。 6·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該第 一接觸層具有在10至1000A範圍中的厚度。 7·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該氮 化物半導體元件是一發光元件。 8·如申請專利範圍第1項的氮化物半導體元件，其中該第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱) — -13 -
    533606 A B c D 六、申請專利範圍 II族元素至少被添加在該第二接觸層，同時包含被沈積 在該半導體層上之第一與第二層之該些層以熱回火處 理方式處理，而形成P型傳導性。 9.如申請專利範圍第8項的氮化物半導體元件，其中該第 II族元素是鎂。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）
    14
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