TWI240442B - III-Nitride based semiconductor device with low-resistance ohmic contacts - Google Patents

Description

1240442 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種第IIIA族氮化物半導體元件，特別是指一 種具有改善的P型接觸結構的第IIIA族氮化物半導體元件。 【先前技術】 第IIIA族氮化物族係由第IIIA族元素及氮組成之直接能 帶躍遷化合物（direct-bandgap compound)半導體群。前述半導體 群包含：二元化合物（binary compound)，例如氮化銘、氮化鎵、 鼠化銦；三元化合物（ternary compound)，例如氮化鎵|呂、氮化 鎵銦、氮化铭銦；及四元化合物（quaternary compound)氮化鎵|因 銘（AIJnyGauN)。由於第IIIA族氮化物具有廣的能帶涵蓋範 圍’從0.8電子伏特（eV)(氮化銦）至6.2電子伏特（ev)，其在晚 近受到相當多的矚目。因此第IIIA族氮化物製造的發光二極體 元件的發光波長係涵蓋整個可見光範圍。綠光、藍光及紫外光 (Uv)的氮化物發光二極體元件可從市面上購得，並且已應用於 顯示器、指示燈、交通號誌燈及各種發光源。氮化物雷射二極 體亦已商品化，並且使用於較高儲存容量的新世代數位影像光 碟系統（digital video disk; DVD)。除此之外，由於其機械及溫度 女疋性向，第HIA族氮化物材料非常適合製造高功率電子元 件。這些優異的材料特性，使得此一材料系統成為未來光電元 件最具吸引力的候選對象。 幾乎所有的半導體元件都需要低阻抗的歐姆接觸，以使元 件特性最佳化。高阻抗接觸由於在元件操做期間會在其與半導 體材料的接觸接面產生過熱，而使元件特性劣化。第ΙΠΑ族氮 化物具有較大能帶，使其相較於具有較小能帶的第ΠΙ_ν族化 合物例如砷化鎵及磷化鎵，較難以獲得良好的歐姆接觸。因此， 前述問題對於第IIIA族氮化物材料更顯重要。低阻抗歐姆接觸 1240442 已成為第ΙΙΙΑ族氮化物電子元件及光電元件主要研究課題之 一。在過去幾年中，已成功獲得良好歐姆接觸的Ν型及Ρ型氮 化鎵及氮化鎵鋁材料。對於Ν型第ΙΙΙΑ氮化物的歐姆金屬接觸 可藉由使用鈦/鋁（Ti/Al)等獲致。然而，基於大的接受子活化能 (主要為鎂原子）及缺乏具有足夠大工作函數的金屬等因素，僅 有少數幾個P型第IIIA族氮化物成功的例子。截至目前為止， 已證實鎳/金、鈀/金及銀對於摻雜鎂的P型第IIIA族氮化物材 料具有可接受的歐姆接觸。然而，為獲得較高的元件性能，仍 需要進一步改良的P型接觸。 第IIIA族氮化物已知展現出強的極化效應。強的壓電極化 現象（piezoelectricpolarization)經常存在於層狀結構中。利用此 一優點，係可實現良好的金屬-半導體歐姆接觸。隨著適當的極 化，金屬-半導體接面的蕭基能壁（Schottky barrier)厚度可以被 降低，進而增加載子穿透機率。此種對P型第ΠΙΑ族氮化物的 極性強化（polarization-enhanced)歐姆接觸可藉由沈積一壓縮應 變覆蓋層（compressively strained capping layer)在一鬆弛緩衝層 (relaxed buffer layer)而達到。前述結構的例子有拉緊的（strained) 氮化鎵薄層沈積在鬆弛的（relaxed)氮化鎵鋁厚層或一拉緊的氮 化鎵銦薄層沈積在鬆弛的氮化鎵厚層。 然而，製造前述結構並非易事，尤其是沈積氮化鎵銦層在 氮化鎵層上，乃係由於氮化鎵銦與氮化鎵之間具有非常大的晶 格非匹配現象。 另一方面，如果氮化鎵銦層的能帶小於發光二極體元件發 光層的能帶，氮化鎵銦層會吸收光，而降低元件的光輸出效率。 以在400毫米波長範圍的短波長發光二極體為例，氮化鎵銦材 料在此波長的大吸收係數會導致使用氮化鎵銦覆蓋層的發光二 極體元件非常沒有效率。 & 一 1240442 據此，亟待提供一種具有良好p型接觸結構的第IIIA族氮 化物半導體元件，其可克服習知第IIIA族氮化物半導體元件所 面臨的缺失。 【發明内容】 本發明之目的係提供一種可提高元件性能之具有低阻抗 歐姆接觸之第IIIA族氮化物半導體元件。 本發明之另一目的係提供一種具有良好P型歐姆接觸的第 IIIA族氮化物半導體元件，以提高元件性能。 本發明之又一目的係提供一種高銦含量島狀氮化鎵銦 (high-indium-content InxGabxN islands; 0<x$ 1)結構，係形成於 P型第ΠΙΑ族氮化物半導體層頂部，以降低電極與p型第ΙΠΑ 族氮化物半導體層之間的接觸電阻，進而提高半導體元件性 為達成上述目的，本發明係將高銦含量島狀氮化鎵銦 (InxGabxN islands; 0<χ$1 )形成於P型第ΙΠΑ族半導體層之頂 部，以降低電極與Ρ型第IIIA族半導體層之間的接觸阻抗。前 述島狀氮化鎵銦結構可應用於需要良好Ρ型歐姆接觸的所有第 IIIA族氮化物電子元件及光電元件，以提高元件性能。前述高銦 含量島狀氮化鎵銦（InxGa^xN islands; 0<x S 1 )係以仿晶方式 (pseudomorphically)成長於Ρ型第IIIA族半導體層頂部，並且形 成壓縮應變（compressively strained)的島狀氮化鎵銦。基於強大的 内部極化場，可加強接觸電極與前述拉緊的島狀氮化鎵銦 (InxGaNxN islands; 0<χ$1 )之間的載子穿隧（carrier tunneling)機 率。前述島狀氮化鎵銦係供做電流流道，可大大降低電極與P型 第IIIA族半導體層之間的接觸電阻。再者，由於氮化鎵銦（inGaN) 材料傾向以运離位錯（dislocation)的晶格缺陷的方式成長，前述 1240442 島狀氣化:i豕姻（InxGai·ΧΝ islands; 0<x S 1 )將退離晶格位錯處，致 使電流不會流過這些缺陷區域，而避免載子流失。另一方面，對 於發光二極體元件而言，前述島狀氮化蘇銦（InxGa^N islands; 0<xS 1 )可供做散射中心（scattering center)，使穿經第ΙΙΙΑ族氮 化物半導體元件頂部的光產生繞射效應，進而促進光從元件中萃 取出來。 本發明之前述目的或特徵，將依據後附圖式加以詳細說明， 惟需明瞭的是，後附圖式及所舉之例，祇是做為說明而非在限制 或縮限本發明。 【實施方式】 近期研究顯示具有[0001]成長方向（鎵晶面）(Ga-face)或 [〇〇〇i]成長方向（氮晶面）(N-face)的第IIIA族氮化物半導體材料 系統的維鋅礦結構（wurtzite structure)會產生強大的自發性極化 場（spontaneous polarization)，並且此自發性極化場會誘生一巨 大的内部電場。前述非零自發性極化場（nonzero spontaneous polarization)係由於維辞礦晶格結構中沿[0001]方向（c-軸）缺乏 對稱中心。此強大的自發性極化場係第IIIA族氮化物維辞礦結 構固有的特性，並且其極化方向係與第IIIA族氮化物材料成長 方向有關。 另一方面，維鋅礦晶體（wurtzite crystal)的拉緊（strain)現象 亦會在第ΠΙΑ族氮化物異晶結構(heterostructure)中誘生強大的 壓電極化場（piezoelectric polarization)。若蟲晶層（epitaxial layer) 的成長厚度係在臨界厚度（critical thickness)範圍内，則蠢晶層可 以仿晶方式（Pseud〇morphically)成長於晶格常數具有微小差異 (slightly different lattice constant)的基板上。若一半導體層係以 仿晶方式成長於晶格常數具有微小差異的基板上，則此半導體 1240442 層係會被拉緊（strained)。因此，如第一 B圖及第一 C圖所示， 當具有鋁及銦合金的氮化鎵（GaN)異晶結構以仿晶方式成長 時，例如一氮化鎵铭覆蓋層（AlGaN capping layer)成長於一氮化 鎵緩衝層（GaN buffer layer)或氮化鎵銦覆蓋層（InGaN capping layer)成長於一氮化鎵緩衝層時，由於前述覆蓋層（capping layer) 被拉緊，而會在結構中誘生巨大的壓電極化場（piezoelectric polarization field)。 基於第ΠΙΑ族氮化物異晶結構中具有強大的自發性極化場 及壓電極化場，此種材料系統會彰顯出非常巨大的内部電場。 在拉緊的氮化鎵鋁/氮化鎵（AlGaN/GaN)(或氮化鎵銦/氮化 鎵）(GaInN/GaN)異晶結構中，自發性極化場誘生的電場強度係接 近於壓電極化場的強度。 極化場、内部電場及誘生的邊界電荷的極性方向係示意於 第一 A圖至第一 C圖。檢視這些圖式，可看出藉由適當選擇元 件結構參數（拉緊度（strain)、薄層厚度、組成等）及材料參數（成 長晶面、基板選擇、基板晶向（substrate orientation)等，可將所 要的極化方向設計於元件結構中。 參照第二A圖，氮化鎵銦薄層成長於P型氮化鎵層頂部所 產生的内部極化場會導致能帶的彎曲。第二B圖係顯示出相同 結構但未考慮極化效應時的能帶圖。在特殊情況下，量子力學 穿隧效應會成為在接觸接面載子傳輸的主要機制。參照第二A 圖所示，當結構中具有強大的極化效應時，前述氮化鎵銦覆蓋 層（InGaN capping layer)的厚度t可視為載子從電極穿透至半導 體層的穿隧長度（tunneling length)。然而，如第二b圖所示，相 同結構但未具有極化效應時，其穿隧厚度係會大於t許多。根據 量子力學，載子穿透機率（tunneling probability)係隨著穿隧厚度 的減少而增加。因此，具有強大内部極化場的覆蓋層會有較大 1240442 的穿透機率’進而可降低接觸阻抗。 另一方面，氮化鎵銦層内含較高銦含量時，由於較強大的 電場使得穿隧厚度變得較短，進而提高穿透機率。因此為了利 用極化效應最佳化接觸阻抗，需要提供一種壓縮應變具有高銦 含 S 的氮化鎵銦層（compressively strained thin inGaN layer)。 然而’由於氮化鎵銦（InGaN)材料的熱安定性不佳，在氮化 鎵層上製造厚度薄、均勻的高銦含量的氮化鎵銦層做為覆蓋層 (capping layer)極具挑戰性。已知氮化鎵銦成長期間，銦易於集 聚。因此在特定成長條件下，在氮化鎵銦的成長期間，可以形 成奈米顆粒大小（nano-sized)高銦含量的島狀氮化鎵銦（inGaN islands)。同時觀察到這些以仿晶方式（Pseud〇m〇rphicaUy)成長於 氣化鍊層的島狀氮化鎵銦傾向於遠離錯位處（disi〇cati〇n sites)。 本發明具有巨大的内部極化場及奈米顆粒大小高銦含量的 島狀氮化鎵銦等優點，係有利於與p型氮化鎵基底材料(P_type

GaN based material)的歐姆接觸（〇hmic contac〇。第三 a 圖至第 三B圖係對應本發明較佳實施例的氮化鎵半導體元件製造方法 各步驟的結構立體示意圖。參照第三A圖，一壓縮應變 (compressively strained)的氮化鎵銦層（inxGaNxN; 0<x$ 1)係以仿 晶方式成長在P型氮化鎵層（P-type GaN based layer)30的頂部， 以形成奈米顆粒大小的島狀氮化鎵銦（InxGat.xNp〕。換言之，奈 米顆粒大小的島狀氮化鎵銦（InxGakNp〕係直接成長於P型氮 化鎵層30的頂部，即奈米顆粒大小的島狀氮化鎵銦 (InxGai-xN)32與P型氮化蘇層30之間具有物理性接觸（physical contact)。在本發明中，奈米顆粒大小的島狀氮化鎵銦 (InxGai_xN)32可以有機金屬化學氣相沈積方法（organometallic chemical vapor deposition; OMCVD)形成於 P 型氮化鎵層 30 頂 部。奈米顆粒大小的島狀氮化鎵銦（InxGa^Np]在P型氮化鎵 1240442 層30上的覆蓋率係從10%至100%，並且前述島狀氮化鎵銦 (IrixGabxNpZ的側向大小（lateral size)係介於1毫米（nm)與200 宅米之間，而垂直大小（vertical size)係介於〇.5毫米與10毫米 之間。前述氮化鎵層30係形成於一基板（substrate)上（未示出）， 例如藍寶石（sapphire; Al2〇3)、碳化矽（SiC)、氧化鋅（ZnO)、矽、 磷化鎵（GaP)、砷化鎵（GaAs)或其它適合的材料。在本發明中， 氮化鎵層（GaN based layer)30包括氮化鎵（GaN)、氮化鋁（A1N)、 氮化鎵鋁（AlGaN)、氮化鎵銦（InGaN)及氮化鎵銦鋁（AlInGaN)。 參照第三B圖，在奈米顆粒大小的島狀氮化鎵銦（inxGai_xN islands)32長成之後，一電極34係沈積於前述島狀氮化鎵銦 (InxGai-xN islands)32 頂部，以供做歐姆接觸（〇hmic contact)。電 極34可以是一金屬層，係包括至少一種金屬，選自鎳（N〇、金 (Au)、鋁（A1)、鈦（Ti)、鉑（Pt)、lE(Pd)、銀（Ag)、#g(Tl)及銅（Cu) 所組成之群組。電極34亦可以包含至少一種合金，係選自鎳/ 金（Ni/Au)、鈀/金(Pd/Au)、鉈/金（Tl/Au)及銅/金（Cu/Au)組成之群 組。此外，電極3 4可以包含至少一導電透明氧化層（conductive transparent oxide layer)，係包括銦、錫、編及鋅至少任一者。每 一個島狀氮化鎵銦（InxGauxN islands)32可以視為電極34與P型 氮化鎵層30之間的一個導電通道（conductive channel)。由於島 狀氮化鎵銦（InxGai-χΝ islands)32與P型氮化鎵層30之接面具有 低接觸阻抗（low contact resistance)，而可以實現高品質的歐姆接 觸。再者，前述島狀氮化鎵銦（IrixGa^xN islands)32傾向於遠離 位錯處（dislocation site)，因而可降低經由這些位錯處的漏電 流’而避免載子過度流失。 本發明前述高銦含量的島狀氮化鎵銦（InxGabxN islands; 〇<χ$ 1)可以應用在要求良好P型歐姆接觸的所有第ΠΙΑ族氮化 物電子元件及光電元件，例如發光二極體、雷射二極體及電晶 1240442 體等。第四圖係本發明的一個應用例，其顯示出一個發光二極 體元件40的截面示意圖。發光二極體元件40係形成於基板400 上，例如是藍寶石（Al2〇3)基板。一核種層（nucleation layer)401 及一 N型緩衝層（bufferlayer〇402係依序形成於基板400上。緩 衝層402包括攙有N型摻質的氮化鎵，以利於後續長晶製程易 於長晶。發光主動層（light-emitting active layer)404係形成於緩 衝層402上。主動層404係被限制層（confinement layers)即下侷 限層（lower cladding layer) 403 及上侷限層（higher cladding layer)405所侷限。下侷限層403及上侷限層405攙有相反電性 的摻質。例如，假如下侷限層403係攙有N型摻質的氮化鎵層， 上侷限層20則為攙有P型摻質的氮化鎵層。之後，p型接觸層 4〇6形成於上侷限層405上。P型接觸層406係一 P型氮化鎵層。 接下來，島狀氮化鎵銦（InxGabxN islands; 0<χ$ 1)407形成於P 型氮化鎵層406上。島狀氮化鎵銦（InxGauxN islands; 〇<x$ 1)407 相對於Ρ型氮化鎵層406呈壓縮應變（compressively strain)狀 態。接著，一透明電極層408形成於島狀氮化鎵銦（InxGaixN islands; 〇<χ$ 1)407上，以供做二極體之陽極。再者，供做二極 體之陰極的電極層409係形成於缓衝層402上，但與下侷限層 4〇3及上侷限層406以及主動層404隔開。 以上所述僅為本發明之具體實施例而已，並非用以限定本 發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所 元成之專效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 12 1240442 【圖式簡單說明】 第一 A圖至第一 C圖係第IIIA族氮化物異晶結構中自發性 極化場及壓電極化場效應所引起之極化場、電場及接面電荷示 意圖； 第二A圖係具有極化效應的氮化鎵銦/氮化鎵結構的能帶示 意圖； 第二B圖係未具有極化效應的氮化鎵銦/氮化鎵結構的能帶 示意圖； 第三A圖至第三B圖係根據本發明較佳實施例之氮化鎵半 導體元件製造方法各步驟對應的結構立體示意圖；及 第四圖係一發光二極體元件截面示意圖，其中一壓縮應變的 具高銦含量的島狀氮化鎵銦（InxGal-xN islands)係形成於一 P型 氮化鎵層上。 【主要元件符號說明】 30…-P型氮化鎵層 408-…透明導電層 32----島狀氮化鎵銦 409-…電極層 34----電極 40-…發光二極體元件 400----基板 4〇1…-核種層 402——緩衝層 403…-下侷限層 404----發光主動層 405- …上侷限層 406- …P型接觸層 407----島狀氣化蘇姻 13

Claims (1)

1240442 十、申請專利範圍： 1· 一種氮化鎵半導體元件，係包括： 一 P 型氮化鎵層（GaN based layer); 複數個壓縮應變的島狀氮化鎵銦（InxGai xN)(c〇mpressively strained Ir^GakN islands)，係直接形成於該p型氮化鎵層上，其 中〇<χ$ 1 ;及 一電極，係形成於該等壓縮應變的島狀氮化鎵銦上。 2·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之壓縮應變的島狀氮化鎵銦係包含奈米尺寸的島狀氮化鎵銦 (InxGa^xN islands) 〇 3·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之島狀氮化鎵銦在該Ρ型氮化鎵層上的覆蓋率為1〇()/。至1〇〇%。 4·如申請專利範圍第2項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之島狀氮化鎵銦之側向大小係介於1毫米（nm)至2〇〇毫米之間。 5·如申請專利範圍第2項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之島狀氮化鎵銦之垂直方向大小係介於〇·5毫米（11111)至1〇毫米 之間。 6·如申請專利範圍第4項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之島狀氮化鎵銦之垂直方向大小係介於〇·5毫米化叫至1〇毫米 之間。 7·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之島狀氮化鎵銦與該ρ型氮化鎵層之間係為物理性接觸。 8·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之氮化鎵半導體元件係可為發光二極體、雷射二極體及電晶體 任一者。 9·如申請專利範圍第丨項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之Ρ型氮化鎵層包括氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化鎵銦及 14 1240442 氮化鎵銦鋁。 ι〇·如中請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中 上述之電極包括鎳、金、鋁、鉑、鈀、銀、鉈及銅。 11. 如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中上 述之電極包含至少一種合金，係選自下列任一者：鎳/金、鈀/金、 鉈/金及銅/金。 12. 如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵半導體元件，其中 上述之電極包含至少一透明導電的氧化物層，係包括至少下列任 一者：銦、錫、錦及辞。 13·—種氮化鎵半導體元件製造方法，係包括： 形成一 P型氮化鎵層於一基板上； 直接形成複數個壓縮應變（compressively strained)的島狀氮 化鎵銦（InxGaUxN islands)於該P型氮化鎵層上，其中0<xS 1 ;及 形成一電極於該壓縮應變的島狀氮化鎵銦上。 14·如申請專利範圍第13項所述之氮化鎵半導體元件製造方 法，其中上述之壓縮應變的島狀氮化鎵銦係以仿晶方式成長 (pseudomorphically growing)於該 P 型氮化鎵層上。 15. 如申請專利範圍第14項所述之氮化鎵半導體元件製造方 法，其中上述之壓縮應變的島狀氮化鎵銦係以有機金屬化學氣相 沈積方法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)形成。 16. 如申請專利範圍第13項所述之氮化鎵半導體元件製造方 法，其中上述之島狀氮化鎵銦在該P型氮化鎵層的覆蓋率為10% 至 100%。 17. 如申請專利範圍第13項所述之氮化鎵半導體元件製造方 法，其中上述之P型氮化鎵層包括氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、 氮化鎵銦及氮化鎵銦鋁。 18. 如申請專利範圍第13項所述之氮化鎵半導體元件製造方 15 1240442 法，其中上述之基板係包括藍寶石（sapphire)、碳化石夕（SiC)、氧化 鋅、矽、磷化鎵及砷化鎵任一者。

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