一種氮化物半導體器件的製作方法
2023-05-25 17:22:56 2
專利名稱：一種氮化物半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括發光二極體(LED)或雷射二極體器件(LD)的光發射器件，特別涉及氮化物半導體發射器件。
三族氮化物半導體的直接帶隙能量根據其組成可以從氮化銦的1.95eV到氮化鋁的6.0eV之間變化，因此它們作為如發光二極體(LED)器件和雷射二極體(LD)器件等光發射器件的材料可以使發光器件的工作波長覆蓋整個可見光譜並延伸到紫外光區，因此已引起人們極大的關注。最近，由於利用了這些氮化物半導體材料，高亮度藍光LED器件、綠光LED器件、白光LED和紫光雷射器已進入實用階段。這些LED器件具有含p-n結的雙異質結結構或量子阱有源層。
常規LED器件基本上皆具有雙異質結結構，其中氮化銦鎵(InGaN)構成的有源區或由InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱有源層夾在由氮化鋁鎵(AlGaN)構成的n型和p型限制層之間。氮化鎵(GaN)構成的n型接觸層形成在n型限制層上，GaN構成的p型接觸層形成在p型限制層上。所形成的與有源層接觸且具有比有源層帶隙能量大的限制層，根據各能級該結構可用於向有源層有效地注入電子和空穴。這種層疊結構形成在如藍寶石之類的絕緣基片上。LD器件基本上可以具有和上述LED器件相似的結構。但是，大多數LD器件都有光和載流子分別限制的載流子分別限制結構。(可參見申請號96120525.3的中國發明專利申請公開說明書)。
生長在如藍寶石之類的絕緣基片上的常規氮化物半導體LED和LD器件n型和p型電極均需從氮化物的一面引出，因此流經器件的電流路徑為U字形(例如參見上述提到的公開申請)。由於LED器件的尺寸為350μm×350μm左右正方形，p焊盤和n焊盤布置在正方形的對角上，而外延層總厚度僅為4μm左右，電流沿n型半導體層平行於p-n結流動的路徑是電流垂直於p-n結流動的路徑的100倍左右，特別是從p焊盤端到n焊盤端。因此，在常規氮化物半導體LED和LD器件中n型半導體層的串聯電阻比較大，成為器件總串聯電阻的主要部分。在常規器件中降低串聯電阻的困難在於進一步提高摻雜劑矽的濃度會導致氮化鎵層的龜裂；進一步增加n-GaN層厚度會導致成本增加。
當常規LED器件工作時電流流過附加的串聯電阻生產的焦耳熱使器件溫度升高。焦耳熱本身成為降低半導體發光器件外量子效率的機理之一。另一方面，結溫升高，非複合輻射機率增加，同時分別從n型層和p型層注入到有源層的電子和空穴複合發光之前，熱能增加了電子和空穴分別從有源層逸出到波導層的機率，也導致發光效率降低。
因此，本發明的目的是提供一種氮化物半導體器件，其具有新結構的氮化物半導體器件，這種結構的氮化物半導體器件的串聯電阻低發光效率高。
為實現本發明的目的，這種結構的氮化物半導體器件包括在絕緣襯底上生長氮化物緩衝層，在其上並與其相接觸具有增強平行於PN結平面電子遷移率的又具有與負電極金屬形成低阻歐姆接觸功能的氮化物半導體多重異質及摻雜結構層構成的負電極n型複合接觸層。
所說負電極n型複合接觸層中包含二維電子氣結構層，即具有增強平行於PN結平面電子遷移率以降低器件串聯電阻能力的氮化物半導體多重異質結構層；二維電子氣結構層由氮化鎵半導體層和比氮化鎵大的帶隙能量的含鋁的氮化物構成，其中包括使用不摻雜的含鋁的氮化物空間層。
所說含鋁的氮化物半導體層厚度為10-100nm。
所說含鋁的氮化物半導體層摻有雜質。
所說雜質包括矽、鍺和氧。
所說含鋁的氮化物半導體空間層位於含鋁的氮化物半導體勢壘和氮化物半導體層之間，空間層層厚度為10-40nm。
所說含鋁的氮化物半導體空間層不有意摻雜。
所說氮化物半導體層可以是二層或二層以上。
所說氮化物半導體層厚度為0.1-0.4μm。
所說氮化物半導體層可以摻有雜質或不摻有雜質。
所說含鋁的氮化物半導體層可以是一層或多層。
所說二維電子氣結構層起始和終止層均為氮化鎵層。
所說二維電子氣結構層的氮化鎵層終止層厚度為0.2-0.5μm。
所說二維電子氣結構層厚度為1-3μm。
所說負電極n型複合接觸層中包含摻矽氮化鎵低阻頂層，它在二維電子氣結構層終止層上並與其接觸。
所說摻矽氮化鎵低阻頂層的雜質包括矽、鍺和氧；該層摻雜導致的電子濃度大於二維電子氣結構層的氮化鎵層終止層的電子濃度。
所說摻矽氮化鎵低阻層半導體層厚度為0.1-1.0μm。
所說負電極n型複合接觸層半導體層厚度為2.0-4.0μm。
所說的負電極由與n型氮化鎵形成歐姆接觸的金屬製成。
所說金屬負電極通常可以用如鋁(Al)、鈦(Ti)、鎢(W)、銅(Cu)、鋅(Zn)、錫(Sn)和銦(In)等單層金屬材料、Ti/Al、Au/Ni/Al/Ti等雙層和多層金屬材料和上述金屬材料的合金如WSi合金。
所說金屬負電極的厚度0.1μm以上。
所說金屬負電極的厚度1μm以下。
其中器件的n型電極為環形電極。
在絕緣襯底上生長氮化物緩衝層，在其上並與其相接觸的負電極n型複合接觸層。該接觸層由氮化物半導體多重異質及摻雜結構層構成，具有增強平行於PN結平面電子遷移率和形成負電極形成低阻歐姆接觸的雙重功能。前一功能由具有二維電子氣結構的氮化物半導體構成的負電極n型複合接觸下層實現。所說二維電子氣結構層由氮化鎵半導體層和比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的氮化物半導體層構成的交替層疊結構。後一功能由摻雜的氮化鎵頂層實現。因而負電極n型複合接觸層既能降低n型半導體層的串聯電阻又能實現與金屬電極之間的低接觸電阻。
在負電極複合接觸層上並與其相接觸的是含銦氮化物的防裂層。防裂層是為了防止在其上並與其相接觸的比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的氮化物半導體n型限制層發生龜裂。
在防裂層上並與其相接觸的是比氮化鎵帶隙能量大的含鋁的氮化物半導體n型限制層；在n型限制層上並與其相接觸的是含銦的氮化物半導體構成的量子阱結構有源層，並且至少具有一個厚度不大於70埃的阱層；在有源層上並與其相接觸的是且具有比有源層大的帶隙能量的p型含鋁氮化物半導體限制層；在p型氮化物限制層上並與其相接觸的是比p型氮化物限制層帶隙能量小的p型氮化物半導體正電極接觸層；在p型氮化物半導體接觸層和含有二維電子氣結構的n型氮化物接觸層上分別形成歐姆接觸的正(包括半透明電極)、負電極。
由於在本發明的氮化物器件中，引進了二維電子氣結構層，因此可以降低n型半導體層的串聯電阻以降低功耗、延長器件壽命。
另外本發明提供一種利用與n焊盤相連的環繞p臺面而又不與p臺面接觸的環行n電極，縮短電流沿n型半導體層平行於p-n結流動的平均路徑以降低串聯電阻和功耗，延長器件壽命的氮化鎵發光二極體。
本發明n接觸層的厚度由於採用二維電子氣和或環型歐姆負接觸電極，n接觸層的厚度較低，其器件所需外延層的總厚度較低，因而可以降低原料的消耗從而降低器件成本。另一方面，由於器件所需外延層的總厚度較低，因而可以降低金屬有機物化學氣相澱積(MOCVD)生長時間，提高MOCVD設備的生產效率從而進一步降低器件成本。
在本發明中，廣義的氮化物半導體是指時周期表中Ⅲ族元素的氮化物，主要地是由InxAlyGazB1-x-y-zN表示的Ⅲ族元素鋁、鎵、銦的氮化物半導體，這裡0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z≤1。在本說明書中InxGa1-xN(0≤x≤1)表示氮化銦鎵三元固溶體，有時簡化為InGaN。類似的表達還有AlGaN，以及四元固溶體AlGaInN等。
為進一步說明本發明的特徵和效果，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，其中
圖1表示根據本發明第一實施例的LED器件的剖面圖；圖2表示根據本發明第二實施例的LED器件的剖面圖；圖3是圖2中的LED器件中n型複合接觸層局部的剖面圖4表示根據本發明第二實施例的LED器件的平面圖。
實施例一參閱圖1，它是本發明第一實施例的LED器件的剖面圖，在該器件中，在緩衝層和n型銦鎵氮(InGaN)防裂層之間有本發明的負電極n型複合接觸層。
在本實施例中LED器件晶片結構如下在藍寶石(Al2O3)襯底1上生長有20nm厚的鎵氮(GaN)緩衝層2；其上是由摻矽(Si)的氮化鎵/氮化鋁鎵(Si:GaN/AlxGa1-xN)二維電子氣結構層和摻矽(Si)的氮化鎵組成的n型複合接觸層3；GaN的厚度在0.1-1μm之間，AlxGa1-xN的厚度在20-100nm之間，X值在0.1-0.4之間；然後是150nm厚的摻Si:InxGa1-xN防裂層4,X值在0.06-0.15之間；防裂層4上面是150nm厚的摻SiAlxGa1-xN限制層5,X值在0.1-0.2之間；其上是摻Si InxGa1-xN/InyGa1-yN單量子阱有源層6，壘層厚度為25埃，Y值在0.01-0.06之間；阱層厚度為25埃，X值在0.15-0.25之間；再上面是限制層7，該限制層為0.5μm摻鎂的pAlxGa1-xN；最後是0.5μm摻鎂的p GaN接觸層8。
利用常規光刻工藝輔助以幹法刻蝕，光刻膠剝離工藝、金屬蒸發和濺射工藝、和二氧化矽(SiO2)鍍膜工藝，最終在P型GaN接觸層8上形成半透明Ni/Au電極15和正電極焊盤16；在幹法刻蝕後暴露出的複合接觸層3的摻矽氮化鎵低阻頂層上形成Ti/Au負電極焊盤14。
在本實施例中，襯底1除藍寶石外，也可以採用尖晶石(MgAl2O4)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、矽上生長氧化鋁複合襯底(Al2O3/Si)、矽上生長氮化鋁複合襯底(AlN/Si)、矽上生長氧化鋅複合襯底(ZnO/Si)和AlN/SiC複合襯底。這裡矽上生長氧化鋁複合襯底(Al2O3/Si)是指在常規矽襯底上澱積三氧化二鋁薄膜的雙層結構組成的襯底，氮化物將生長在Al2O3上面。其他複合襯底依此類推以避免贅述。
緩衝層2也可以用AlN,AlGaN等。
在負電極複合接觸層中的GaN/AlGaN二維電子氣結構層3也可以是多重結構，例如圖2中示出的3層。
實施例二圖3表示根據本發明另一實施例的LED器件局部的剖面圖。本實施例和第一實施例除了負電極n型複合接觸層中的二維電子氣部分和n電極外，其他部分基本相同。
在本實施例中，在負電極複合接觸層中的二維電子氣結構帶有空間層，即在GaN和n-AlGaN之間生長一層不摻雜的AlxGa1-xN層，如圖3所示。其結構為起始層是0.1-1μm厚的摻Si的GaN層3-1；在其上是10-40nm的不摻雜AlxGa1-xN3-3,X值在0.1-0.4之間；然後是20-100nm厚的摻Si的AlxGa1-xN層3-2,X值在0.1-0.4之間；接著又是10-40nm的不摻雜AlxGa1-xN3-3。這種結構重複兩次。最後生長0.1-0.5μm厚的摻Si的GaN複合接觸層的摻矽氮化鎵低阻頂層。
在本實施例中，負電極採用環形電極。利用利用常規光刻工藝輔助以精確幹法刻蝕，暴露出的複合接觸層3的摻矽氮化鎵低阻頂層，同時形成p-GaN臺面。利用光刻膠剝離工藝、金屬蒸發和濺射工藝，在p型GaN接觸層8上形成半透明Ni/Au電極15和Ni/Au正電極焊盤16；再次利用光刻膠剝離工藝、金屬蒸發和/或濺射工藝，在幹法刻蝕後暴露出的複合接觸層3的摻矽氮化鎵低阻頂層上形成Ti/Au帶利用常規光刻工藝輔助以幹法刻蝕，光刻膠剝離工藝、金屬蒸發和濺射工藝、和二氧化矽(SiO2)鍍膜工藝，最終在P型GaN接觸層8上形成半透明Ni/Au電極15和正電極焊盤16；在幹法刻蝕後暴露出的複合接觸層3的摻矽氮化鎵低阻頂層上形成Ti/Au負電極焊盤14。利用SiO2鍍膜工藝在器件表面形成鈍化層，然後用光刻工藝開出正、負電極焊盤孔以被壓焊用。其平面圖如圖4所示。
本發明同樣適用於氮化物LD器件和其他發光器件。
權利要求
1.一種氮化物半導體器件，其特徵在於，其中包含在絕緣襯底上生長氮化物緩衝層，在其上並與其相接觸具有增強平行於PN結平面電子遷移率的又具有與負電極金屬形成低阻歐姆接觸功能的氮化物半導體多重異質及摻雜結構層構成的負電極n型複合接觸層。
2.根據權利要求1所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說負電極n型複合接觸層中包含二維電子氣結構層，即具有增強平行於PN結平面電子遷移率以降低器件串聯電阻能力的氮化物半導體多重異質結構層；二維電子氣結構層由氮化鎵半導體層和比氮化鎵大的帶隙能量的含鋁的氮化物構成，其中包括使用不摻雜的含鋁的氮化物空間層。
3.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說含鋁的氮化物半導體層厚度為10-100nm。
4.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說含鋁的氮化物半導體層摻有雜質。
5.根據權利要求4所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說雜質包括矽、鍺和氧。
6.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說含鋁的氮化物半導體空間層位於含鋁的氮化物半導體勢壘和氮化物半導體層之間，空間層層厚度為10-40nm。
7.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說含鋁的氮化物半導體空間層不有意摻雜。
8.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說氮化物半導體層可以是二層或二層以上。
9.根據權利要求6所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說氮化物半導體層厚度為0.1-0.4μm。
10.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說氮化物半導體層可以摻有雜質或不摻有雜質。
11.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說含鋁的氮化物半導體層可以是一層或多層。
12.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說二維電子氣結構層起始和終止層均為氮化鎵層。
13.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說二維電子氣結構層的氮化鎵層終止層厚度為0.2-0.5μm。
14.根據權利要求2所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說二維電子氣結構層厚度為1-3μm。
15.根據權利要求1所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說負電極n型複合接觸層中包含摻矽氮化鎵低阻頂層，它在二維電子氣結構層終止層上並與其接觸。
16.根據權利要求15所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說摻矽氮化鎵低阻頂層的雜質包括矽、鍺和氧；該層摻雜導致的電子濃度大於二維電子氣結構層的氮化鎵層終止層的電子濃度。
17.根據權利要求15所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說摻矽氮化鎵低阻層半導體層厚度為0.1-1.0μm。
18.根據權利要求1所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說負電極n型複合接觸層半導體層厚度為2.0-4.0μm。
19.根據權利要求18所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說的負電極由與n型氮化鎵形成歐姆接觸的金屬製成。
20.根據權利要求18所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說金屬負電極通常可以用如鋁、鈦、鎢、鈷、鋅、錫和銦等單層金屬材料、鈦/鋁、金/鎳/鋁/鈦等雙層和多層金屬材料和上述金屬材料的合金如矽化鎢合金。
21.根據權利要求18所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說金屬負電極的厚度大於0.1μm。
22.根據權利要求18所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，所說金屬負電極的厚度小於1μm。
23.根據權利要求1所述的一種氮化物半導體器件，其特徵在於，其中器件的n型電極為環形電極。
全文摘要
一種氮化物半導體器件，其中包含在絕緣襯底上生長氮化物緩衝層，在其上並與其相接觸具有增強平行於PN結平面電子遷移率的又具有與負電極金屬形成低阻歐姆接觸功能的氮化物半導體多重異質及摻雜結構層構成的負電極n型複合接觸層。其具有新結構的氮化物半導體器件，這種結構的氮化物半導體器件的串聯電阻低發光效率高。
文檔編號H01L33/00GK1316782SQ0010575
公開日2001年10月10日 申請日期2000年4月5日 優先權日2000年4月5日
發明者陸大成, 劉祥林, 袁海榮, 王曉暉 申請人:中國科學院半導體研究所