專利名稱：氮化物類半導體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)、晶體管等氮化物類半導體元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
用以構(gòu)成氮化物類半導體元件的襯底由藍寶石或碳化硅或硅構(gòu)成。硅襯底比藍寶石襯底和碳化硅襯底容易切斷，具有可低成本化的優(yōu)點。另外，硅襯底能夠得到在藍寶石襯底上不能得到的導電性。因此，能夠?qū)⒐枰r底作為電流通路使用。但是，因硅襯底與氮化物半導體之間的電位勢壘而產(chǎn)生較大的電壓降，發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓變得較高。
在日本特許公開公報2002-208729號(以下，稱為專利文獻1)中公開了用以解決硅襯底上的上述缺點的技術(shù)。該專利文獻1中，在n型硅襯底上，依次外延生長作為緩沖層的AlN(氮化鋁)層、具有與硅襯底相同的導電型的n型InGaN(氮化鎵銦)層、n型GaN(氮化鎵)層、由InGaN構(gòu)成的活性層以及p型GaN層。依據(jù)該技術(shù)，InGaN層的In和Ga以及AlN層的Al擴散到硅襯底，在硅襯底的表面區(qū)域產(chǎn)生由Ga和In和Al和Si構(gòu)成的合金層即金屬化合物區(qū)域。該合金層具有降低硅和AlN之間的異質(zhì)結(jié)的電位勢壘的功能。結(jié)果，能夠降低在發(fā)光二極管上流過預定電流時的驅(qū)動電壓，減小耗電并提高發(fā)光二極管的效率。
但是形成這樣的金屬化合物區(qū)域的場合，AlN層及n型InGaN層的Al、In及Ga也向n型硅襯底擴散。Al、In及Ga等的III族元素對硅而言作為p型雜質(zhì)起作用，因此在n型硅襯底的表面部分形成p型區(qū)域，在硅襯底中產(chǎn)生pn結(jié)。該pn結(jié)產(chǎn)生約0.6V的正向電壓降。結(jié)果，在硅襯底與氮化物半導體之間的電位勢壘比較大，與使用藍寶石襯底的發(fā)光二極管相比，發(fā)光二極管的電壓降即驅(qū)動電壓高達1.2倍左右。
上述的電壓降和驅(qū)動電壓高的問題，在發(fā)光二極管以外的晶體管等其它氮化物類半導體元件上也發(fā)生。
作為發(fā)光二極管的其它問題，存在難以形成滿足光的取出和電連接兩個方面的電極的問題。即，一般對具有發(fā)光功能的半導體區(qū)的表面設(shè)置例如由氧化銦和氧化錫的混合物構(gòu)成的透明電極，并且在透明電極表面上的大致中央設(shè)置用以連接導線等的焊盤電極。透明電極例如厚度為10nm左右的薄的導體膜，因此焊盤電極的金屬材料向透明電極或透明電極和半導體區(qū)兩個部分擴散，在半導體區(qū)和焊盤電極之間形成肖特基勢壘。該肖特基勢壘具有阻止發(fā)光二極管正向電流的功能，因此抑制流入半導體區(qū)的焊盤電極下部分的電流，半導體區(qū)外圍側(cè)部分的電流增大?？墒?，如果通過使用n型硅襯底來增大發(fā)光二極管的正向驅(qū)動電壓，那么硅襯底及半導體區(qū)上的耗電會變大，此處的發(fā)熱量也變大，上述肖特基勢壘的特性劣化，且通過該肖特基勢壘的泄漏電流增大，相反地外圍側(cè)部分的電流減少。由于焊盤部分具有非透光性，即使半導體區(qū)中央內(nèi)部的發(fā)光量增大，取到外部的光量也幾乎不增大。另外，如果半導體區(qū)外圍部分的電流減少，那么半導體區(qū)外圍部分的內(nèi)部的發(fā)光量變少，經(jīng)由透明電極取到外部的光量也減少。因此，使用n型硅襯底不能得到具有高發(fā)光效率的發(fā)光二極管。還有，眾所周知，為了限制焊盤電極下部的電流，在焊盤電極和半導體區(qū)之間設(shè)置由絕緣性材料構(gòu)成的電流阻擋層的發(fā)光二極管，但這需要形成電流阻擋層的特別的工序，發(fā)光二極管的成本必然變高。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于降低使用硅襯底的氮化物類半導體元件的電壓降及驅(qū)動電壓。
用以達成上述目的的本發(fā)明涉及一種氮化物類半導體元件，其特征在于設(shè)有具有導電性的p型硅襯底；在所述p型硅襯底的一方主面上形成且至少包含鎵和鋁和硅的合金層；在所述合金層上配置的至少包含一個n型氮化物半導體層的緩沖區(qū)；在所述緩沖區(qū)上配置的用以形成半導體元件的主要部分的主半導體區(qū)；與所述主半導體區(qū)連接的第一電極；以及與所述p型硅襯底的另一主面連接的第二電極。
所述半導體元件的主要部分是指半導體元件的活性部或有源部。另外，所述半導體元件除所述第一和第二電極外還可以有其它電極。
作為所述半導體元件構(gòu)成發(fā)光二極管時，最好所述主半導體區(qū)至少包含活性層和p型氮化物半導體層。
作為所述半導體元件構(gòu)成晶體管時，最好所述主半導體區(qū)至少包含p型基極區(qū)和n型發(fā)射極區(qū)。
作為所述半導體元件構(gòu)成絕緣柵型場效應晶體管時，最好所述主半導體區(qū)至少包含p型主體區(qū)和n型源極區(qū)。
所述合金層最好具有使與所述p型硅襯底的界面或該界面附近產(chǎn)生電子和孔穴并使電子和孔穴復合的功能。
所述合金層最好為鎵和銦和鋁和硅的合金層。
所述緩沖區(qū)最好包括由在所述合金層上形成的至少包含鋁的氮化物半導體構(gòu)成的第一緩沖層和由在所述第一緩沖層上形成的至少包含鎵的n型氮化物半導體構(gòu)成的第二緩沖層。
所述緩沖區(qū)的所述第一緩沖層最好由可用化學式AlxInyGa1-x-yN表示的材料構(gòu)成，這里x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1的數(shù)值。
所述緩沖區(qū)的所述第一緩沖層最好是具有2nm～60nm厚度的氮化鋁層。
所述緩沖區(qū)的所述第二緩沖層最好由在可用化學式AlaInbGa1-a-bN表示的材料中添加n型雜質(zhì)而構(gòu)成，這里a和b是滿足0≤a＜1、0≤b＜1、a＜x的數(shù)值。
所述緩沖區(qū)的所述第二緩沖層最好由包含銦和鎵的n型氮化物半導體構(gòu)成。
所述緩沖區(qū)最好在所述第二緩沖層上還設(shè)有多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)，所述多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)由按第一比例包含Al(鋁)的氮化物半導體構(gòu)成的多個第一層和不含Al或按小于所述第一比例的第二比例包含Al的氮化物半導體構(gòu)成的多個第二層構(gòu)成，所述第一層和所述第二層交互層疊。
所述主半導體區(qū)是用以形成發(fā)光二極管的區(qū)域，最好至少包括活性層和在該活性層上配置的p型氮化物半導體層，所述第一電極是與所述p型氮化物半導體層電連接的陽極，所述第二電極為陰極。
所述第一電極最好由與所述p型氮化物半導體層電連接的具有透光性的導電膜和在所述導電膜表面的一部分上形成的連接用金屬層構(gòu)成。
所述連接用金屬層最好由可在所述p型氮化物半導體層之間形成肖特基勢壘的材料構(gòu)成。
所述氮化物類半導體元件最好還設(shè)有在所述p型氮化物半導體層和所述導電膜之間配置的n型輔助氮化物半導體層。
所述主半導體區(qū)是用以構(gòu)成晶體管的區(qū)域，最好至少包括p型基極區(qū)和n型發(fā)射極區(qū)，所述第一電極是與所述n型發(fā)射極區(qū)電連接的發(fā)射極，所述第二電極為集電極，并且還設(shè)有與所述p型基極區(qū)電連接的基極。
所述主半導體區(qū)是用以構(gòu)成絕緣柵型場效應晶體管的區(qū)域，最好至少包括p型主體區(qū)和在該p型主體區(qū)相鄰配置的n型源極區(qū)，所述第一電極是與所述n型源極區(qū)電連接的源電極，所述第二電極為漏電極，并且還包括柵電極。
另外，本發(fā)明的制造氮化物類半導體元件的方法，最好包括準備具有導電性的p型硅襯底的工序；在所述p型硅襯底上形成至少包含鎵和鋁和硅的合金層的工序；在所述合金層上外延生長至少包含鎵的n型氮化物半導體而得到緩沖層的工序；以及在所述緩沖層上外延生長用以形成半導體元件的主要部分的氮化物半導體而得到主半導體區(qū)的工序。
另外，制造氮化物類半導體元件的方法，最好包括準備具有導電性的p型硅襯底的工序；在所述p型硅襯底上外延生長至少包含鋁的氮化物半導體而得到第一緩沖層的工序；在所述第一緩沖層上外延生長至少包含鎵的n型氮化物半導體而得到第二緩沖層的工序；以及在所述第二緩沖層上外延生長用以形成半導體元件的主要部分的氮化物半導體而得到主半導體區(qū)的工序，還有，得到所述主半導體區(qū)的工序中，使所述第一緩沖層的鋁和所述第二緩沖層的鎵擴散到所述p型硅襯底，在所述p型硅襯底和所述第一緩沖層之間得到至少包含鎵和鋁和硅的合金層。
本發(fā)明中，盡管設(shè)有包含n型氮化物半導體層的緩沖區(qū)，卻使用p型硅襯底。因此，即使緩沖區(qū)中包含的Ga、Al等的III族元素擴散到p型硅襯底，由于這些元素對硅而言是p型雜質(zhì)，在p型硅襯底上也不產(chǎn)生pn結(jié)。另外，所述合金層具有使與p型硅襯底的界面上產(chǎn)生電子和孔穴并使電子和孔穴復合的功能。結(jié)果，降低p型硅襯底與n型緩沖區(qū)之間異質(zhì)結(jié)的電位勢壘，并容易達成顯著減小半導體元件的驅(qū)動電壓。
另外，由于設(shè)有緩沖區(qū)，能夠得到結(jié)晶性良好的主半導體區(qū)。
另外，依據(jù)本發(fā)明的具體例，在所述發(fā)光二極管的所述第一電極由與所述p型氮化物半導體層電連接的具有透光性的導電膜和在所述導電膜表面的一部分上形成的連接用金屬層構(gòu)成時，如上所述，在連接用金屬層和半導體區(qū)之間產(chǎn)生肖特基勢壘，該肖特基勢壘發(fā)揮阻止發(fā)光二極管的正向電流的功能。但是，若發(fā)光二極管的耗電和發(fā)熱大，則降低肖特基勢壘對發(fā)光二極管正向電流的阻止功能。與之相比，由于依據(jù)本發(fā)明具體例的發(fā)光二極管的耗電和發(fā)熱小，能夠抑制降低肖特基勢壘對發(fā)光二極管正向電流的阻止功能，從而提高發(fā)光效率。
附圖的簡單說明
圖1是概略表示本發(fā)明實施例1的發(fā)光二極管的剖視圖。
圖2是表示圖1的發(fā)光二極管和傳統(tǒng)發(fā)光二極管的正向電壓和電流之關(guān)系的特性圖。
圖3是與傳統(tǒng)發(fā)光二極管比較表示圖1的發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓的減小效果的能帶圖。
圖4是概略表示本發(fā)明實施例2的發(fā)光二極管的剖視圖。
圖5是概略表示本發(fā)明實施例3的發(fā)光二極管的剖視圖。
圖6是概略表示本發(fā)明實施例4的發(fā)光二極管的剖視圖。
圖7是概略表示本發(fā)明實施例5的發(fā)光二極管的剖視圖。
圖8是概略表示本發(fā)明實施例6的晶體管的剖視圖。
圖9是概略表示本發(fā)明實施例7的場效應晶體管的剖視圖。
實施本發(fā)明的最佳方式以下，參照圖1～圖9說明本發(fā)明的實施方式。
實施例1圖1所示的作為實施例1的氮化物類半導體元件的發(fā)光二極管，其中設(shè)有p型硅襯底1、合金層2、緩沖區(qū)3、用以構(gòu)成發(fā)光二極管主要部分的主半導體區(qū)4、第一和第二電極5、6。緩沖區(qū)3由在p型硅襯底1上外延生長的第一緩沖層11和n型的第二緩沖層12構(gòu)成。主半導體區(qū)4由在緩沖區(qū)3上外延生長的n型氮化物半導體層13和活性層14和p型氮化物半導體層15構(gòu)成。從活性層14發(fā)射的光由配置第一電極5的主半導體區(qū)4的主面向外部取出。
p型硅襯底1是本發(fā)明特征的構(gòu)成要件，盡管其上配置了n型的第二緩沖層12，卻具有相反的導電型。在該硅襯底1上作為p型雜質(zhì)起作用的例如B(硼)等的III族元素例如以5×1018cm-3～5×1019cm-3左右的濃度摻雜。因而，硅襯底1是具有0.0001Ω·cm～0.01Ω·cm左右的低電阻率的導電性襯底，成為第一和第二電極6、7間的電流通路。另外，該硅襯底1具有能夠作為其上緩沖區(qū)3和主半導體區(qū)4等的機械支持襯底起作用的厚度例如350nm。
p型硅襯底1上的合金層2是硅(Si)和鎵(Ga)和銦(In)和鋁(Al)的合金層。在該合金屬2和硅襯底1的界面以及該合金屬2和緩沖區(qū)3的界面發(fā)生電子和孔穴，且產(chǎn)生電子和孔穴的復合。因而，該合金層2也可稱為電位勢壘減小層，具有降低硅襯底1和緩沖區(qū)3之間產(chǎn)生的電位勢壘的功能。為了得到充分的電位勢壘減小效果，最好使合金層2的平均厚度在5nm以上。還有，該合金層2可具有均一的厚度，也可具有不均一的厚度。關(guān)于該合金層2的生成的詳細容后詳述。
緩沖區(qū)3配置在合金層2上，且通過組合由按第一比例包含Al(鋁)的氮化物半導體構(gòu)成的第一緩沖層11和不含Al或按小于所述第一比例的第二比例包含Al的n型氮化物半導體構(gòu)成的第二緩沖層12形成。
第一緩沖層11例如由化學式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半導體構(gòu)成，這里x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1的數(shù)值。圖1的實施例的第一緩沖層11相當于x＝1、y＝0的氮化鋁(AlN)。第一緩沖層11的厚度最好在1～60nm范圍。另外，第一緩沖層11的厚度最好為可得到量子力學隧道效應的1～10nm，若為2～3nm則更好。圖1的實施例的第一緩沖層11形成厚度約為3nm。還有，第一緩沖層11上能夠摻雜例如硅(Si)等的n型雜質(zhì)。另外，第一緩沖層11上可添加B(硼)。含有B(硼)的第一緩沖層11可由化學式AlxMyGa1-x-yN表示，這里所述M是從In(銦)和B(硼)中選擇的至少1種元素，所述x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1的數(shù)值。
為了使硅襯底1的面方位良好地繼承由包含Ga的氮化物半導體構(gòu)成的第二緩沖層12，包含Al的第一緩沖層11最好由該第一緩沖層11與p型硅襯底1之間的晶格常數(shù)之差小于第二緩沖層12與p型硅襯底之間的晶格常數(shù)的材料形成。另外，第一緩沖層11的材料最好為其特性上該第一緩沖層11與p型硅襯底1之間的熱膨脹系數(shù)之差小于第二緩沖層12或主半導體區(qū)4～4c與p型硅襯底1之間的熱膨脹系數(shù)之差。另外，第一緩沖層11具有延遲第二緩沖層12中包含的In和Ga開始向硅襯底1擴散的功能。為了得到這些功能，第一緩沖層11最好具有2nm～60nm的厚度。
緩沖區(qū)3的第二緩沖層12在至少包含鎵(Ga)的n型氮化物半導體例如由化學式AlaInbGa1-a-bN表示的氮化物半導體中添加n型雜質(zhì)而構(gòu)成，這里a和b是滿足0≤a＜1、0≤b＜1、a＜x、y＜b的數(shù)值。本實施例的第二緩沖層12由厚度為30nm的n型氮化鎵銦(In0.5Ga0.5N)構(gòu)成。還有，第二緩沖層12上可添加B(硼)。包含B(硼)的第二緩沖層12可用化學式AlaMbGa1-a-bN表示，這里所述M是從In(銦)和B(硼)中選擇的至少1種元素，所述a和b是滿足0≤a＜1、0≤b≤1、a+b≤1、a＜x的數(shù)值。
第一和第二緩沖層11、12的組成根據(jù)外延生長工序中與相鄰區(qū)域的相互擴散而變化。因而，這里的第一和第二緩沖層11、12的成分表示這些主成分。
包含Ga和In的第二緩沖層12具有其上形成主半導體區(qū)4的緩沖功能外，還具有在外延生長工序中向硅襯底1提供Ga和In的功能。第二緩沖層12的厚度最好設(shè)定為可向硅襯底1提供所需充分的Ga、In的1nm以上，且為防止該第二緩沖層12的斷裂而最好設(shè)定為500nm以下。
公知的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管用主半導體區(qū)4由在第二緩沖層12上依次配置的n型氮化物半導體層13和活性層14和p型氮化物半導體層15構(gòu)成。還有，可將主半導體區(qū)4稱為發(fā)光功能區(qū)。
主半導體區(qū)4的n型氮化物半導體層13在例如由化學式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半導體上摻雜n型雜質(zhì)而形成，這里x和y是滿足0≤x＜1、0≤y＜1的數(shù)值。本實施例的n型氮化物半導體層13由相當于化學式的x＝0、y＝0的n型GaN構(gòu)成，且具有約2μm的厚度。該n型氮化物半導體層13也稱為發(fā)光二極管的n包覆層。
活性層14由例如化學式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半導體形成，這里x和y是滿足0≤x＜1、0≤y＜1的數(shù)值。本實施例中活性層14由氮化鎵銦(InGaN)形成。還有，圖1中活性層14由一層概略示出，但實際上具有公知的多重量子阱結(jié)構(gòu)。顯然，活性層14可由一層構(gòu)成。另外，本實施例中活性層14上未摻雜導電型確定雜質(zhì)，但可以摻雜p型或n型雜質(zhì)。
在活性層14上配置的p型氮化物半導體層15由在例如用化學式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半導體上摻雜p型雜質(zhì)而形成，這里x和y是滿足0≤x＜1、0≤y＜1的數(shù)值。本實施例的p型氮化物半導體層15由厚度500nm的p型GaN形成。還有，該p型氮化物半導體層15也稱為p包覆層。
構(gòu)成主半導體區(qū)4的n型氮化物半導體層13、活性層14和p型氮化物半導體層15隔著緩沖區(qū)3形成于硅襯底1上，因此其結(jié)晶性較良好。
作為陽極起作用的第一電極5與p型氮化物半導體層15表面的一部分連接，作為陰極起作用的第二電極6與p型硅襯底1下面連接。還有，為了連接第一電極5而在p型氮化物半導體層15上增加設(shè)置接觸用的p型氮化物半導體層，可在此連接第一電極5。
以下，說明圖1的發(fā)光二極管的制造方法。
首先，準備具有用密勒指數(shù)表示的晶體面方位中設(shè)為(111)面的主面的p型硅襯底1。
接著，對硅襯底1實施用HF類蝕刻液的公知的氫終端處理。
接著，將襯底1放入公知的OMVPE(Organometallic Vapor PhaseEpitaxy)即有機金屬氣相生長裝置的反應室中，例如升溫至1170℃。接著，在1170℃溫度進行10分鐘的熱清洗，除去襯底1表面的氧化膜后，例如降溫至1100℃并在穩(wěn)定后用OMVPE法作為緩沖區(qū)3的第一緩沖層11將氮化鋁層(AlN層)例如以3nm的厚度形成。該氮化鋁層通過向反應室將三甲基鋁氣體(以下稱為TMA)例如按63μmol/min的比例、將氨氣(NH3)例如按0.14mol/min的比例供給而形成。
接著，停止供給TMA，并將硅襯底1的溫度降至950℃，然后，向OMVPE裝置的反應室內(nèi)將三甲基銦氣體(以下稱為TMI)例如按59μmol/min的比例、將三甲基鎵氣體(以下稱為TMG)例如按6.2μmol/min的比例、將氨氣例如按0.23mol/min的比例以及將硅烷氣體(SiH4)例如按21nmol/min的比例供給，在由AlN構(gòu)成的第一緩沖層11上面形成厚度約30nm的由n型In0.5Ga0.5N構(gòu)成的第二緩沖層12。還有，硅烷氣體用于導入作為n型雜質(zhì)的硅。
該第二緩沖層12的Ga和In是可擴散的物質(zhì)，但設(shè)有由AlN構(gòu)成的第一緩沖層11，而該第一緩沖層11具有Ga和In的擴散延遲功能，因此在第二緩沖層12的形成過程中Ga和In難以通過第一緩沖層11擴散到硅襯底1。因而，在第二緩沖層12的外延生長中不發(fā)生該結(jié)晶性的劣化。
接著，為了形成主半導體區(qū)4的由n型GaN構(gòu)成的n型氮化物半導體層13，停止對OMVPE裝置反應室的TMG、TMI和SiH4的供給后將襯底1的溫度升至1110℃。然后，例如將TMG按4.3μmol/min的比例、將硅烷(SiH4)按1.5nmol/min的比例、將氨氣按53.6mmol/min的比例供給反應室。從而得到2μm厚度的由n型GaN構(gòu)成的n型氮化物半導體層13。該n型氮化物半導體層13的雜質(zhì)濃度例如為3×1018cm-3，低于襯底1的雜質(zhì)濃度。在開始形成n型氮化物半導體層13時，由于其下的第二緩沖層12的結(jié)晶性保持良好，主半導體區(qū)4的n型氮化物半導體層13具有延續(xù)第二緩沖層12的結(jié)晶性的良好的結(jié)晶性。第二緩沖層12的Ga和In在n型氮化物半導體層13的形成后半期稍微擴散到由AlN構(gòu)成的第一緩沖層11，但圖1所示的合金層2尚未形成。還有，通過第一緩沖層11的厚度調(diào)整，在形成n型氮化物半導體層13的過程中也能使Ga和In擴散到襯底1上。
接著，在作為n型包覆層起作用的n型氮化物半導體層13上，形成公知的多重量子阱結(jié)構(gòu)的活性層14。圖1中為了簡化圖示而用一層表示多重量子阱結(jié)構(gòu)的活性層14，但實際上由多個勢壘層和多個阱層構(gòu)成，勢壘層和阱層交互地例如重復4次地配置。在形成該活性層14時，在形成由n型GaN層構(gòu)成的n型氮化物半導體層13后，停止向OMVPE裝置反應室的氣體供給并將襯底1的溫度降至800℃，然后將TMG和TMI和氨氣按預定比例向反應室供給，形成例如由In0.02Ga0.98N構(gòu)成且具有13nm厚度的勢壘層，接著改變TMI的比例形成例如由In0.2Ga0.8N構(gòu)成且具有例如3nm厚度的阱層。通過例如重復4次該勢壘層和阱層的形成來得到多重量子阱結(jié)構(gòu)的活性層14?；钚詫?4繼承其下n型氮化物半導體層13的結(jié)晶性，具有良好的結(jié)晶性。還有，向活性層14可摻雜例如p型雜質(zhì)。
本實施例中，第二緩沖層12的Ga和In從活性層14形成期間的中途通過第一緩沖層11擴散到襯底1，且第一緩沖層11的Al也擴散到襯底1。在活性層14形成期間的后半期，在襯底1的表面?zhèn)葏^(qū)域形成圖1所示的Si和Ge和In和Al的合金層2。該合金屬2的形成期間可用第一緩沖層11的厚度調(diào)整。擴散到襯底1的Ga、In、Al并不全部成為合金層2，產(chǎn)生深于合金層2的包含Ga、In、Al之全部或一部分的p型雜質(zhì)擴散區(qū)16。但是，由于襯底1為p型，不產(chǎn)生導電型的反轉(zhuǎn)。
接著，將硅襯底1的溫度提升到1110℃，并向OMVPE裝置的反應室內(nèi)例如將三甲基鎵氣體(TMG)按4.3μmol/min提供、將氨氣按53.6μmol/min提供、將雙(環(huán)戊二烯基)鎂氣體(以下稱為Cp2Mg)按0.12μmol/min提供，在活性層14上形成厚度約500nm的由p型GaN構(gòu)成的p型氮化物半導體層15。鎂(Mg)例如按3×1018cm-3的濃度導入，具有p型雜質(zhì)的功能。
接著，用公知的真空蒸鍍法形成第一和第二電極5，完成發(fā)光二極管。
圖2的特性線A表示上述實施例1的發(fā)光二極管上施加第一電極5為正、第二電極6為負的正向電壓時，流過該發(fā)光二極管的電流。圖2的B的特性線表示將襯底1設(shè)為與所述專利文獻1相同的n型硅襯底時的傳統(tǒng)發(fā)光二極管上施加正向電壓時的發(fā)光二極管的電流。由該圖2可知，為使20mA的電流流過發(fā)光二極管的必要的驅(qū)動電壓，在特性線A時為3.36V，在特性線B時為3.98V。因而，通過將襯底1的導電型從傳統(tǒng)的n型變更為p型的極簡單的方法，能夠使用以流過20mA的電流的驅(qū)動電壓下降0.62V。
圖3是說明能夠降低發(fā)光二極管的正向驅(qū)動電壓的理由的能帶圖，其中Ec表示傳導帶，Ev表示價電子帶、Ef表示費米能級。
圖3(A)中示出在n型Si襯底(n-Si)上直接外延生長n型GaN層時的能帶狀態(tài)。該圖3(A)中產(chǎn)生具有比較高的高度BH1的電位勢壘。
圖3(B)中示出使厚度薄到可忽略所述專利文獻1中圖1的由AlN構(gòu)成的第一緩沖層11時的襯底和InGaN層之間的能帶狀態(tài)。在該圖3(B)中，n型硅襯底(n-Si)的表面?zhèn)刃纬珊辖饘?，從而，抑制了圖3(A)所示的高度BH1的電位勢壘。但是，襯底上形成了Ga擴散區(qū)。由于該Ga擴散區(qū)為p型半導體區(qū)，在硅襯底(n-Si)上產(chǎn)生pn結(jié)，并產(chǎn)生高度BH2的電位勢壘。
圖3(C)中與圖3(B)同樣地示出按照本實施例使用p型硅襯底(p-Si)時的能帶狀態(tài)。本實施例中，由于使用p型硅襯底1，即便p型雜質(zhì)即Ga、In、Al擴散到p型硅襯底1也不形成pn結(jié)。在n-GaInN層與p-Si層之間存在高度BH3的電位勢壘，但該電位勢壘的高度BH3低于圖3(B)的高度BH2且隔著合金層，因此此處的電壓降極小。
以上可知，依據(jù)本實施例，能夠良好地保持主半導體區(qū)4的結(jié)晶性，從而容易達成顯著減小發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓。即，盡管設(shè)有n型緩沖區(qū)3，但使用p型硅襯底1。因此，即便包含于緩沖區(qū)3中的Al、Ga、In等的III族元素擴散到p型硅襯底1，由于這些元素對硅而言是p型雜質(zhì)，在p型硅襯底1不會產(chǎn)生pn結(jié)。因而，在本發(fā)明的p型硅襯底1上不會產(chǎn)生相當于所述專利文獻1中產(chǎn)生的硅襯底的pn結(jié)造成的電壓降。另外，合金層2具有使與p型硅襯底1的界面上發(fā)生電子和孔穴，并使電子和孔穴復合的功能，因此在p型硅襯底1和n型緩沖區(qū)3之間的異質(zhì)結(jié)的電位勢壘下降。因而，根據(jù)本實施例能夠容易達成顯著減小發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓。
另外，由于設(shè)有緩沖區(qū)3，能夠得到結(jié)晶性良好的主半導體區(qū)4。
實施例2接著，說明圖4所示的實施例2的發(fā)光二極管。但是，圖4和后述的圖5～圖9中基本上與圖1相同的部分采用同一符號，省略其說明。
圖4的發(fā)光二極管在圖1的緩沖區(qū)3上附加了多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)20，其它結(jié)構(gòu)與圖1相同。圖4的變形的緩沖區(qū)3a通過在與圖1相同地形成的第一和第二緩沖層11、12上配置多層結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)20來構(gòu)成。
圖4的多層結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)20由重復且交互配置的多個第一層21和多個第二層22構(gòu)成。多個第一層21由按第一比例包含Al(鋁)的氮化物半導體構(gòu)成。多個第二層22由不含Al或按小于所述第一比例的第二比例包含Al的氮化物半導體構(gòu)成。
所述第一層21最好由例如化學式AlxMyGa1-x-yN表示的材料構(gòu)成，且具有可得到量子力學隧道效應的厚度例如1～10nm，這里所述M是從In(銦)和B(硼)中選擇的至少1種元素，所述x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1的數(shù)值。還有，本實施例中第一層21由AlN構(gòu)成，不含導電型確定雜質(zhì)。但是，能夠?qū)Φ谝粚?1摻雜硅(Si)等的n型雜質(zhì)。
所述第二層22最好在由例如化學式AlaMbGa1-a-bN表示的材料上添加作為n型雜質(zhì)的硅(Si)來構(gòu)成，這里所述M是從In(銦)和B(硼)中選擇的至少1種元素，所述a和b是滿足0≤a＜1、0≤b≤1、a+b≤1、a＜x的數(shù)值。另外，該第二層22最好由與第二緩沖層12相同的氮化物半導體形成，本實施例中由n型GaN構(gòu)成。還有，第二層22的厚度最好為不發(fā)生量子力學的能級的厚度即10μm以上。
在形成緩沖區(qū)3a的多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)20時，形成第二層12之后，向反應室例如將TMA(三甲基鋁)按50μmol/min的比例、將硅烷(SiH4)按20nmol/min的比例、將氨氣按0.14mol/min的比例流過，外延生長厚度為5nm的由AlN構(gòu)成的第一層21。然后，停止TMA的供給，而繼續(xù)供給硅烷和氨氣，與此同時將TMG按50μmol/min的比例流過，外延生長厚度為25nm的由GaN構(gòu)成的第二層22。將第一和第二層21、22的形成工序重復20次而得到多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)20。圖4中為了簡化圖示而第一和第二層21、22各自僅用4層表示。
還有，將第一和第二層21、22與第一和第二緩沖層11、12同樣地形成，能夠?qū)⒌谝缓偷诙彌_層11、12視為多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)20的一部分。
如圖4所示，若增加多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)20，則緩沖區(qū)3a最上面的平坦性得到改善。
實施例3圖5所示的實施例3的發(fā)光二極管從圖1的發(fā)光二極管省去n型氮化物半導體層13，且取代圖1的由p型GaN構(gòu)成的p型氮化物半導區(qū)15，設(shè)置由InGaN構(gòu)成的p型氮化物半導體區(qū)15a。因而，圖5的發(fā)光二極管的主半導體區(qū)4a由活性層14和p型氮化物半導體區(qū)15a構(gòu)成。另外，緩沖區(qū)3的第二層12具有與雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)用的圖1的n型氮化物半導體區(qū)13相同的功能。根據(jù)圖5所示的發(fā)二極管，也能得到與圖1的發(fā)光二極管同樣的效果。
實施例4圖6所示的實施例4的發(fā)光二極管具有變形的第一電極5a，其它結(jié)構(gòu)與圖1相同。
圖6的第一電極5a由在主半導體區(qū)4的表面即p型氮化物半導體層15的大致整個表面形成的透光性導電膜51和在該導電膜51表面上大致中央部分形成的可稱為焊盤電極的連接用金屬層52構(gòu)成。
透光性導電膜51由氧化銦(In2O3)和氧化錫(SnO2)的混合物或氧化銦(In2O3)或氧化錫(SnO2)形成，具有使活性層14上發(fā)生的光透過的功能。該透光性導電膜51具有10nm左右的厚度，與p型氮化物半導體層15有阻接觸。
連接用金屬層52由Ni(鎳)、Au(金)、Al(鋁)等的金屬構(gòu)成，以允許焊接導線(未圖示)的厚度形成。該連接用金屬層52最好由可在p型氮化物半導體層15之間形成肖特基勢壘的材料構(gòu)成。該連接用金屬層52厚于導電膜51，因此在主半導體區(qū)4上發(fā)生的光基本上不透過。雖然未作圖示，但在形成連接用金屬層52時或形成后的工序中連接用金屬層52的金屬擴散到導電膜51或?qū)щ娔?1與主半導體區(qū)4的一部分表面，在連接用金屬層52和主半導體區(qū)4之間形成肖特基勢壘。
在第一和第二電極5a、6之間施加了第一電極5a的電位高于第二電極6的電位的正向電壓時，電流從導電膜51流入主半導體區(qū)4。連接用金屬層52與主半導體區(qū)4肖特基接觸，因此由肖特基勢壘抑制電流，電流幾乎不經(jīng)由連接用金屬層52和主半導體區(qū)4之間的肖特基勢壘而流過。因此，從導電膜51流入主半導體區(qū)4外圍側(cè)部分的電流成分占第一和第二電極5a、6間電流的大部分。根據(jù)流過主半導體區(qū)4外圍側(cè)部分的電流而發(fā)生的光不受不透光性的連接用金屬層52的妨礙而由透光性導電膜51上方取出。
如已說明的那樣，肖特基勢壘隨著溫度上升而劣化，通過肖特基勢壘的泄漏電流變大。由于圖6的實施例4的發(fā)光二極管與圖1的實施例1的發(fā)光二極管同樣使用p型硅襯底1而構(gòu)成，與實施例1同樣，其正向驅(qū)動電壓較小，與使用傳統(tǒng)的n型硅襯底相比，耗電和發(fā)熱均小。因此，抑制了基于硅襯底1和主半導體區(qū)4的發(fā)熱產(chǎn)生的連接用金屬層52和主半導體區(qū)4之間的肖特基勢壘的劣化，通過肖特基勢壘的電流減少。結(jié)果，第一和第二電極5a、6之間的電流與使用傳統(tǒng)的n型硅襯底的發(fā)光二極管相同時，相對總電流的流過主半導體區(qū)4外圍側(cè)部分的電流的比例變大，發(fā)光效率大于使用傳統(tǒng)的n型硅襯底的發(fā)光二極管。另外，如果圖6的主半導體區(qū)4和硅襯底1的發(fā)熱可與使用傳統(tǒng)的n型硅襯底的發(fā)光二極管的發(fā)熱相同時，能夠使大于傳統(tǒng)的電流流過主半導體區(qū)4外周側(cè)部分，發(fā)光效率變大。
還有，圖6的變形的第一電極5a的結(jié)構(gòu)也能用于圖4和圖5所示的實施例2和實施例3的發(fā)光二極管。
實施例5圖7所示的實施例5的發(fā)光二極管在圖6的實施例4的發(fā)光二極管的第一電極5a和主半導體區(qū)4之間附加在由化學式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半導體上摻雜n型雜質(zhì)的n型氮化物半導體構(gòu)成的n型輔助氮化物半導體層53，其它結(jié)構(gòu)與圖6相同，這里x和y是滿足0≤x＜1、0≤y＜1的數(shù)值。還有，n型輔助氮化物半導體層53最好由n型GaN構(gòu)成。
圖7中附加的n型輔助氮化物半導體層53的一方主面與p型氮化物半導體層15接觸，另一主面與透光性導電膜51接觸。在透光性導電膜51由ITO構(gòu)成時，由于ITO具有與n型半導體相同的特性，導電膜51和n型輔助氮化物半導體層53的歐姆接觸的電阻值變?yōu)闃O低，此處的耗電變小，正向驅(qū)動電壓進一步降低，發(fā)光效率提高。
為了防止n型輔助氮化物半導體層53和p型氮化物半導體層15之間的pn結(jié)妨礙正向電流，n型輔助氮化物半導體層53的厚度設(shè)為1～30nm，最好設(shè)為5～10nm。另外，n型輔助氮化物半導體層53的厚度最好為得到量子力學隧道效應的厚度。
若在圖7的第一和第二電極5a、6之間施加正向電壓，電流就會從導電膜51經(jīng)由n型輔助氮化物半導體層53流入p型氮化物半導體層15。通過形成n型輔助氮化物半導體層53，在該n型輔助氮化物半導體層53和導電膜51之間的歐姆接觸的勢壘下降量大于n型輔助氮化物半導體層53與p型輔助氮化物半導體層15之間的勢壘高度時，可按它們的差值降低正向驅(qū)動電壓，提高發(fā)光效率。
圖7的第一電極5a的結(jié)構(gòu)和n型輔助氮化物半導體層53也可用于圖4和圖5的實施例2和實施例3。
實施例6圖8所示的實施例6的晶體管將圖1的發(fā)光二極管用的主半導體區(qū)4置換為晶體管用的主半導體區(qū)4b，其它結(jié)構(gòu)與圖1相同。該圖8中，主半導體區(qū)4b的由n型GaN構(gòu)成的n型氮化物半導體區(qū)13和其下側(cè)的結(jié)構(gòu)與圖1相同。為了構(gòu)成晶體管，主半導體區(qū)4b除了用作集電極區(qū)的n型氮化物半導體區(qū)13外，還包括其上外延生長的由p型氮化物半導體構(gòu)成的基極區(qū)31和其上外延生長并由n型氮化物半導體構(gòu)成的發(fā)射極區(qū)32。基極區(qū)31與基極33連接，發(fā)射極區(qū)32與作為第一電極的發(fā)射極34連接。p型硅襯底1下面的第二電極6用作集電極。
圖8的晶體管為npn型晶體管，因此導通驅(qū)動該晶體管時，將集電極6設(shè)為最高電位，電流從集電極6側(cè)流向發(fā)射極34側(cè)。該晶體管中，也與圖1同樣能夠減小兩個電極6、34之間導通時的電壓降。
實施例7圖9所示的實施例7的絕緣柵型場效應晶體管將圖1的發(fā)光二極管用的主半導體區(qū)4置換為場效應晶體管用的主半導體區(qū)4c，其它結(jié)構(gòu)與圖1相同。圖9的主半導體區(qū)4c設(shè)有與圖1相同的由n型GaN構(gòu)成的n型氮化物半導體區(qū)13。圖9中n型氮化物半導體區(qū)13作為漏極區(qū)起作用。在n型氮化物半導體區(qū)13中通過導入p型雜質(zhì)來設(shè)置由p型氮化物半導體構(gòu)成的主體區(qū)41，通過向該主體區(qū)41中導入n型雜質(zhì)，設(shè)置由n型氮化物半導體構(gòu)成的源極區(qū)42。在源極區(qū)42和作為漏極區(qū)的n型氮化物半導體區(qū)13之間的主體區(qū)41表面上隔著絕緣膜43配置柵電極44。源極區(qū)42與作為第一電極的源電極45連接。p型硅襯底1下面的第二電極6用作漏電極。
圖9的場效應晶體管中，導通驅(qū)動時的源電極45和漏電極6之間的電壓降變小。
本發(fā)明并不限于上述實施例，例如可作如下變形。
(1)圖6和圖7的發(fā)光二極管的緩沖區(qū)3、圖8的晶體管的緩沖區(qū)3以及圖9的場效應晶體管的緩沖區(qū)3可置換為包含圖4的多層結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)20的緩沖區(qū)3a。
(2)圖6、圖7、圖8和圖9中可省去n型氮化物半導體層13，并可將圖6和圖7的發(fā)光二極管的第二層22兼用為n包覆層，將圖8的緩沖區(qū)3兼用為集電極區(qū)，以及將圖9的緩沖區(qū)3兼用為漏極區(qū)。
(3)各實施例的緩沖區(qū)3、3a由多個緩沖層11和12或11、12以及20構(gòu)成，代之以可用一個例如由AlxInyGa1-x-yN構(gòu)成的緩沖層構(gòu)成，這里x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y＜1的數(shù)值。
(4)各實施例的緩沖區(qū)3、3a上還可附加其它半導體層。
(5)各實施例中，緩沖區(qū)3、3a的第二緩沖層12包含In，但可作成不包含In的層。
(6)各實施例中，合金層2利用緩沖區(qū)3、3a和主半導體區(qū)4、4a、4b、4c的外延生長工序的加熱而形成，但可以用獨立的工序形成合金屬2。
(7)本發(fā)明可用于具有pn結(jié)的整流二極管或具有肖特基勢壘電極的肖特基勢壘二極管。另外，可在襯底1厚度方向上流過電流的全部半導體裝置上適用本發(fā)明。
工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明可用于發(fā)光二極管、晶體管以及場效應晶體管和整流二極管等的半導體元件上。
權(quán)利要求
1.一種氮化物類半導體元件，其特征在于設(shè)有具有導電性的p型硅襯底；在所述p型硅襯底的一方主面上形成且至少包含鎵和鋁和硅的合金層；在所述合金層上配置的至少包含一個n型氮化物半導體層的緩沖區(qū)；在所述緩沖區(qū)上配置的用以形成半導體元件的主要部分的主半導體區(qū)；與所述主半導體區(qū)連接的第一電極；以及與所述p型硅襯底的另一主面連接的第二電極。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述合金層具有使與所述p型硅襯底的界面或該界面附近產(chǎn)生電子和孔穴并使電子和孔穴復合的功能。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述合金層為鎵和銦和鋁和硅的合金層。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)包括由在所述合金層上形成的至少包含鋁的氮化物半導體構(gòu)成的第一緩沖層和由在所述第一緩沖層上形成的至少包含鎵的n型氮化物半導體構(gòu)成的第二緩沖層。
5.如權(quán)利要求4所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)的所述第一緩沖層由可用化學式AlxInyGa1-x-yN表示的材料構(gòu)成，這里x和y是滿足0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1的數(shù)值。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)的所述第一緩沖層是具有2nm～60nm厚度的氮化鋁層。
7.如權(quán)利要求5所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)的所述第二緩沖層由在可用化學式AlaInbGa1-a-bN表示的材料中添加n型雜質(zhì)而構(gòu)成，這里a和b是滿足0≤a＜1、0≤b＜1、a＜x的數(shù)值。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)的所述第二緩沖層由包含銦和鎵的n型氮化物半導體構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求4所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述緩沖區(qū)在所述第二緩沖層上還設(shè)有多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)，所述多層結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)由按第一比例包含鋁的氮化物半導體構(gòu)成的多個第一層和不含鋁或按小于所述第一比例的第二比例包含鋁的氮化物半導體構(gòu)成的多個第二層構(gòu)成，所述第一層和所述第二層交互層疊。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述主半導體區(qū)是用以形成發(fā)光二極管的區(qū)域，至少包括活性層和在該活性層上配置的p型氮化物半導體層，所述第一電極是與所述p型氮化物半導體層電連接的陽極，所述第二電極為陰極。
11.如權(quán)利要求10所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述第一電極由與所述p型氮化物半導體層電連接的具有透光性的導電膜和在所述導電膜表面的一部分上形成的連接用金屬層構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述連接用金屬層由可在所述p型氮化物半導體層之間形成肖特基勢壘的材料構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的氮化物類半導體元件，其特征在于還設(shè)有在所述p型氮化物半導體層和所述導電膜之間配置的n型輔助氮化物半導體層。
14.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述主半導體區(qū)是用以構(gòu)成晶體管的區(qū)域，至少包括p型基極區(qū)和n型發(fā)射極區(qū)，所述第一電極是與所述n型發(fā)射極區(qū)電連接的發(fā)射極，所述第二電極為集電極，并且還設(shè)有與所述p型基極區(qū)電連接的基極。
15.如權(quán)利要求1所述的氮化物類半導體元件，其特征在于所述主半導體區(qū)是用以構(gòu)成絕緣柵型場效應晶體管的區(qū)域，至少包括p型主體區(qū)和在該p型主體區(qū)相鄰配置的n型源極區(qū)，所述第一電極是與所述n型源極區(qū)電連接的源電極，所述第二電極為漏電極，并且還包括柵電極。
16.一種氮化物類半導體元件的制造方法，其特征在于包括準備具有導電性的p型硅襯底的工序；在所述p型硅襯底上形成至少包含鎵和鋁和硅的合金層的工序；在所述合金層上外延生長至少包含鎵的n型氮化物半導體而得到緩沖層的工序；以及在所述緩沖層上外延生長用以形成半導體元件的主要部分的氮化物半導體而得到主半導體區(qū)的工序。
17.一種氮化物類半導體元件的制造方法，其特征在于包括準備具有導電性的p型硅襯底的工序；在所述p型硅襯底上外延生長至少包含鋁的氮化物半導體而得到第一緩沖層的工序；在所述第一緩沖層上外延生長至少包含鎵的n型氮化物半導體而得到第二緩沖層的工序；以及在所述第二緩沖層上外延生長用以形成半導體元件的主要部分的氮化物半導體而得到主半導體區(qū)的工序，得到所述主半導體區(qū)的工序中，使所述第一緩沖層的鋁和所述第二緩沖層的鎵擴散到所述p型硅襯底，在所述p型硅襯底和所述第一緩沖層之間得到至少包含鎵和鋁和硅的合金層。
全文摘要
為了形成氮化物類半導體元件而準備摻雜p型雜質(zhì)且具有充分的導電性的p型硅襯底(1)。通過在硅襯底(1)上依次外延生長由AlN構(gòu)成的第一緩沖層(11)、由n－InGaN構(gòu)成第二緩沖層(12)、由n－GaN構(gòu)成的n型氮化物半導體層(13)、活性層(14)以及由p－GaN構(gòu)成的p型氮化物半導體層(15)時的加熱處理，使第一層(11)的Al、第二層12的Ga和In擴散到p型硅襯底(1)，在p型硅襯底(1)和緩沖層(11)之間形成合金層(2)。Al、Ga、In也擴散到與合金層(2)相鄰的p型硅襯底(1)內(nèi)部，但Al、Ga、In對硅而言作為p型雜質(zhì)起作用且由于硅襯底(1)為p型，在硅襯底(1)中不形成pn結(jié)。結(jié)果，氮化物類半導體元件的驅(qū)動電壓變低。
文檔編號H01L29/66GK1799123SQ20048001551
公開日2006年7月5日 申請日期2004年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者大塚康二, 佐藤純治, 圶哲次, 多田善紀, 吉田隆 申請人:三墾電氣株式會社