CN1200466C - Ⅲ族氮化合物半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一个钛层和一个氮化钛层相继地形成在一个基底上，而且一个III族氮化合物半导体层形成在其上。当使氮化钛层具有一个足够薄的薄膜厚度的情况下，去除钛层时，获得一个拥有氮化钛层的器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种III族氮化合物半导体器件。
背景技术
未审查的序号为Hei.9-237938的日本专利出版物，已公开这样的内容：把作为一个底衬层的拥有一个岩盐结构的金属氮化物的(111)表面用作一个基底，以便获得具有良好结晶度的III族氮化合物半导体层。即在这一出版物9-237938中，把拥有一个岩盐结构的金属氮化物用作一个基底，以至于III族氮化合物半导体层能够在基底的(111)表面得以生长。
半导体器件的基底需要拥有用于保持器件的功能的特性(刚度、冲击阻力等)。当基底由金属氮化物加以制造时，可以认为为保持这一特性基底需要拥有不小于50μm的厚度。
具有这样一个大的厚度的金属氮化物从来未作为一种原材料针对半导体制造工业产品加以提供。
因此，本发明的一个目的是，通过使用工业上容易得到的原材料形成具有一个良好晶体结构的III族氮化合物半导体层。因此，由本发明所制造的半导体器件拥有具有一个良好晶体结构的半导体层，并能够便宜地加以生产。
根据一个不同的方面，本发明的另一个目的是提供拥有一个新结构的III族氮化合物半导体器件，以及制造该器件的一种方法。
发明内容
本发明为了实现所述目的而经过深入的研究获得了如下的内容。
根据本发明，提供了一种III族氮化合物半导体器件，包括：一个形成在一个基底上的钛层；一个形成在钛层上的金属氮化物层，并由从由钛、鋯、铪、以及钽组成的一组金属中所选择的一种或两种或两种以上的金属的氮化物制造；以及一个形成在金属氮化物层上的III族氮化合物半导体层。
在如以上所描述的根据本发明所配置的半导体器件中，通过一个钛层，把一个由从由钛、铪、鋯、以及钽组成的一组金属中所选择的一种或两种或两种以上的金属的氮化物形成在一个基底上。在金属氮化物层和一个形成在金属氮化物层上的III族氮化合物半导体层之间的金属氮化物层的晶格失配是非常低的。而且可以在钛层上形成具有良好结晶度的金属氮化物层。而且可以在蓝宝石等的基底上形成具有良好结晶度的钛层。另一方面，为了保持器件的功能所需的厚度，可由基底给定，以至于能够把金属氮化物层制造得很薄。因此，可以很容易和很便宜地形成金属氮化物层。当把一种一般的材料(例如蓝宝石等)用作基底时，能够作为一个整体，很便宜地生产器件。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的一个发光二极管的结构示意图；
图2为根据本发明的第二实施例的一个发光二极管的结构示意图；
图3为根据本发明的第三实施例的一个发光二极管的结构示意图；
图4A和4B说明了根据本发明的第四实施例的一个发光二极管的配置。
在这些图中，标号10、22、32以及40中的每一个都指示一个发光二极管；11和25中的每一个都指示一个基底；13指示一个Ti层；14指示一个TiN层；15指示一个缓冲层；16和26中的每一个都指示一个覆盖层；17指示一个含有一个发光层的层；18和28中的每一个都指示一个覆盖层；以及19指示一个可传输光的电极。
具体实施方式
在本发明中，一种六角晶系材料，例如蓝宝石、SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)等，或一种立方晶系材料，例如Si(硅)、GaP(磷化镓)、GaAs(砷化镓)等，可用作一个基底。在六角晶系材料的情况中，在基底生长一个底衬层。在立方晶系材料的情况中，使用基底的一个(111)表面。
当把SiC、GaN、硅、GaP或GaAs用作基底时，可以使基底具有导电特性。如以下将要加以描述的，金属氮化物，例如氮化钛(TiN)、氮化铪、氮化鋯、以及氮化钽，拥有导电特性。因此，可以把电极形成在一个半导体器件的相反的表面上。从而，减少了器件的生产步骤，以至于其生产成本能够得以降低。
当把用蓝宝石用作一个基底生产一个LED时，可望提高发光度，因为金属氮化物拥有金属光泽，氮化钛、氮化铪、氮化鋯、氮化钽等把从LED所发射的光加以反射。
还存在着一种减轻由蓝宝石基底和每一III族氮化合物半导体层之间晶格常数或热膨胀系数方面的差异所造成的变形(内部应力)的操作，因为与蓝宝石相比，金属氮化物拥有较低的刚度。
基底需要拥有保持器件功能的特性(刚度和冲击阻力)。因此较佳的做法是，把基底的厚度选择为不小于50μm。更佳的做法是令厚度为100μm。如果能够充分保持刚度，有时厚度也可以小一些。
作为金属氮化物，使用从由钛、铪、鋯、以及钽组成的一组金属中选择一种金属的氮化物或使用这些金属的合金的氮化物。
除了可用方法的例子外，用于生长金属氮化物的方法不受特别的限制，可用方法的例子包括：CVD(化学汽相淀积)例如等离子CVD、热CVD、光CVD等；PVD(物理汽相淀积)例如溅射、活性溅射、激光蒸发、离子注入、蒸发、ECR等。
特别可取的是：当把这些金属氮化物层之一形成在钛层上时，应使用溅射方法，这是因为这种金属氮化物单晶的结晶度得以改进。
当提供了基底和钛层时，较佳的做法是把金属氮化物层的厚度选择在5nm～10μm这一范围内。
当通过去除钛层把金属氮化物层与基底分离开来时，较佳的做法是令金属氮化物层拥有一个不小于50μm的薄膜厚度，因为金属氮化物层需要拥有一个基底的特性。较佳的做法是把金属氮化物层的薄膜厚度选择为不小于100μm。
把钛层插入在金属氮化物层和基底之间。通过一种汽相淀积方法或通过一种溅射方法，把钛层形成在基底上。钛层的薄膜厚度不受到特别的限制，但应加以选择，以较佳的做法是令其在0.1～10μm的范围内，更佳的做法是令其在0.1～5μm的范围内，最好令其在0.2～3μm的范围内。
根据本发明者的考察，当在用作一个基底的硅的(111)表面上生长钛层时，较佳的做法是把一个Al层插入在硅一个(111)表面和钛层之间。Al层的厚度不特别受到限制，但应选择为大约100埃。形成Al层的方法不受到特别的限制，例如，可通过汽相淀积或溅射形成Al层。
可以使用酸(例如王水)化学地刻蚀钛层。因此，可以把基底与金属氮化物层分离开来。根据拥有导电特性的金属氮化物层，可以把金属氮化物层用作一个电极。因此，它将在III族氮化合物半导体层侧上形成唯一的一个电极。
每一III族氮化合物半导体可由一般的公式加以表示：AlxGayIn1-x-yN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)，其中包括所谓的二元化合物，例如AlN、GaN和InN，以及所谓的三元化合物，例如AlxGa1-xN、AlxIn1-xN和GaxIn1-xN(其中，0＜X＜1)。III族元素可特别由硼(B)、铊(Tl)等加以替代。
特别是，氮化物(N)可由磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等部分地加以替代。III族氮化合物半导体层可以包含一个可选的掺杂物。Si、Ge、Se、Te、C等可用作n-型杂质。Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等可用作p-型杂质。有时，掺杂有p-型杂质的III族氮化合物半导体可以用电子束或用等离子加以辐射，或放在炉中进行加热。形成每一III族氮化合物半导体层的方式不特别地受到限制。例如可以通过一种金属有机化学汽相淀积方法(MOCVD方法)形成III族氮化合物半导体层，也可以通过人们所熟悉的方法，例如分子束外延方法(MBE方法)、卤化物汽相外延方法(HVPE方法)、溅射方法、离子注入方法、以及电子簇射方法等加以形成。
有时，一个同质结构、一个单向异性的结构或一个双向异性的结构，可有作发光器件的结构。一个量子阱结构(单量子阱结构或多量子阱结构)也可用作包括发光层的层的结构。
一个缓冲层可形成在金属氮化物层和一组构成器件功能部分的III族氮化合物半导体层(第二III族氮化合物半导体)之间。缓冲层由一个第一III族氮化合物半导体制造。这里，由第一III族氮化合物半导体的例子包括：由AlxGayIn1-x-yN(0＜X＜1，0＜Y＜1，0＜X+Y＜1)所代表的四元化合物半导体、由AlxIn1-xN(0＜X＜1)、以及AlN、GaN和InN所代表的三元化合物半导体。
在MOCVD方法中，AlN、GaN等的第一III族氮化合物半导体层以大约400℃的低温直接形成在蓝宝石等的基底上。然而，对于金属氮化物层，以大约1000℃的高温生长第一III族氮化合物半导体，因而可获得较佳的晶体。因此，形成在具有良好结晶度的缓冲层上的III族氮化合物半导体层的结晶度也得以改进。
大约1000℃的温度大体上等于形成在第一III族氮化合物半导体层(缓冲层)上的第二III族氮化合物半导体层(器件功能形成层)的生长温度。因此，较佳的做法是把由MOCVD方法形成第一III族氮化合物半导体的温度选择在600～1200℃的范围内，更佳的做法是令其在800～1200℃的范围内。
当第一III族氮化合物半导体层(缓冲层)的生长温度等于第二III族氮化合物半导体(器件功能形成层)的生长温度时，如以上所描述的，很容易调整执行MOCVD方法的温度。
另外，当使用溅射方法在金属氮化物层上形成由第一III族氮化合物半导体层构成的缓冲层时，可把缓冲层作为一个拥有等于或高于包含在通过MOCVD方法形成缓冲层的情况下所获得的结晶度的较佳结晶度的缓冲层加以获得(生长温度：1000℃)。因此，形成在第一III族氮化合物半导体层上的第二III族氮化合物半导体层上的结晶度也得以改进。而且，与MOVCD方法相比，当使用溅射方法形成第一III族氮化合物半导体层(缓冲层)时，并不要求贵重的有机金属，例如TMA、TMI等为原材料。因此，可以便宜地形成器件。以下将描述本发明的实施例。
(第一实施例)
这一实施例是一个发光二极管10，图1中描述了这一实施例的配置。
相应各层的说明如下。
层 ：成份 ：掺杂物
p-型层18 ：P-GaN ：Mg
包括一个发光层的层17 ：包括InGaN层
n-型层16 ：n-GaN： ：Si
缓冲层15 ：AlN
TiN层14 ：TiN
Ti层13 ：Ti
基底11 ：蓝宝石
n-型层16可以为一个双层结构，具有在包括发光层的层17的侧上的一个低电子浓度的n-层，以及在缓冲层15侧上的一个高电子浓度的n+层。后者被称为n-型接触层。
包括发光层的层17不局限于超晶格结构。一个单或双向异性型结构、一个同质结型结构等，均可用作发光器件的配置。一个单量子阱结构也可加以使用。
AlxInyGa1-x-yN(包括X＝0，Y＝0以及X＝Y＝0)的一个层，拥有一个宽带间隙，并掺杂了一个受体，例如镁等，可以插入在包括发光层的层17和p-型层18之间。这一技术用于防止传递于包括发光层的层17中的电子扩散到p-型层18中。
p-型层18可以为一个双层结构，具有包括发光层的层17的侧上的一个低空穴浓度的P-层和一个电极侧上的一个高空穴浓度的P+层，后者叫做p-型接触层。
使用一种活性DC磁控管溅射方法把Ti层13形成在蓝宝石基底的一个面上。更换靶子，使用一种DC磁控管溅射方法把TiN层14形成在Ti层13上。针对Al再次更换靶子，使用一种DC磁控管溅射方法形成AlN缓冲层15。
然后，把AlN/TiN/Ti/蓝宝石的样本从溅射装置移入一个MOCVD装置的腔室中，在把氢气循环进这一腔室的同时，把样本加热到1100℃，并使1100℃持续5分钟。
然后，根据一种普通的方法(MOCVD方法)，形成n-型层16和n-型层16之后的III族氮化合物半导体层，同时保持1100℃的温度。在这一生长方法中，氨气和III族元素烷基化合物，例如，三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、以及三甲基铟(TMI)的气体提供于一个加热到适当的温度的基底上，并须经热分解反应，从而在基底上生长一个所希望的晶体。
因而所形成的III族氮化合物半导体层16～18拥有较好的结晶度。
可传输光的电极19由含有金的薄膜构成。把可传输光的电极19进行叠加，以便覆盖p-型层18的基本整个上表面。p-型电极20也由一种含有金的材料形成。通过汽相淀积把p-型电极20形成在可传输光的电极19上。
通过汽相淀积把n-型电极21形成在通过刻蚀而暴露的n-GaN层16的一个表面上。有时，可通过MOCVD方法或通过其它任何方法形成AlN缓冲层15。
(第二实施例)
图2描述了一个根据一个第二实施例的发光二极管22。有时，相应地参照与第一实施例中的部分相同的部分，因此将省略对这些部分的描述。
层 ：成份 ：掺杂物
p-型层18 ：P-GaN ：Mg
包括一个发光层的层17 ：包括InGaN层
n-型层16 ：n-GaN ：Si
缓冲层15 ：AlN
TiN层14 ：TiN
Ti层13 ：Ti
基底25 ：硅单晶(111)
在Si的(111)表面上生长TiN层14和在TiN层14之后的各层的方法与第一实施例中的方法相同。
另外，可以把Si基底层25用作一个n-型电极，因为它拥有导电特性。另外，可以通过MOCVD方法或其它任何方法形成AlN缓冲层15。另外，也可把一个具有110nm(100埃)的薄膜厚度的Al层形成在Si基底和Ti之间。
(第三实施列)
图3描述了一个根据本发明的一个第三实施列的半导体器件。在本实施例中，半导体器件是一个发光二极管32。另外，相应地参照与图2中的部分相同的部分，因此将省略对这些部分的描述。
相应各层的说明如下。
层 ：成份 ：掺杂物
p-型层28 ：P-GaN ：Si
包括一个发光层的层17 ：包括InGaN层
p-型层26 ：p-GaN ：Mg
缓冲层15 ：AlN
TiN层14 ：TiN
Ti层13 ：Ti
基底25 ：硅单晶(111)
如图3中所示，把p-型层26、包括发光层的层17以及n-型层28相继地生长在缓冲层15上。因而，发光二极管32得以形成。在这一器件32的情况下，可传输光的电极(参见图2中的标号19)可以省略，因为作为最高层，提供了低阻值的n-型层28。
在图3中，标号30表示一个n-型电极。Si基底25可以直接用作p-型电极。
有时，可以通过MOCVD方法或其它任何方法形成AlN缓冲层15。另外，也可把一个具有10nm(100埃)的薄膜厚度的Al层形成在Si基底和Ti之间。
(第四实施例)
图4A和4B描述了本发明的又一个实施例。在图4A和4B中，相应地参照与第一实施例中的部分相同的部分，因此将省略对这些部分的描述。在本实施例中，把TiN层44的薄膜厚度设置为50μm，并通过一种MOCVD方法把半导体层15～18形成在TiN层44上(参见图4)。然后，可以使用王水化学地刻蚀Ti层13，以至于可以把基底与TiN层44分离开来(参见图4B)。以与第一实施例中相同的方式，通过汽相淀积形成电极19～21。因而，在这一实施例中得到发光二极管40。
尽管这一实施例已描述了在形成半导体层15～18之后通过刻蚀去除Ti层13的情况，但本发明也可施用于在部分地形成半导体层之后去除Ti层13的情况。
可以在TiN层44形成之后就去除Ti层13，即，获得了一个TiN的基底。
按以上所描述的方式所获得的发光二极管40把TiN整体地作为基底。可以把TiN基底44用作一个电极，因为TiN具有导电特性。而且从发光层所发射的光被有效地向发射观察表面侧反射(图的上方)，因为TiN拥有金属光泽。
尽管以上所提到的实施例已描述了通过一种DC磁控管溅射方法形成缓冲层的情况，但也可以把本发明施用于由MOCVD方法等形成缓冲层的情况(然而，其中，生长温度是1000℃的高温)。
工业上的可应用性
本发明所适用的器件不局限于以上所提到的发光二极管。例如，本发明也可施用于下列光器件，例如光接收器、激光二极管、太阳能电池等；双极器件，例如整流器、硅可控整流器、晶体管等；单级器件，例如FET等；以及电子器件，例如微波器件等。
本发明还适用于层压制件，它们是这些器件的中间制品。
本发明决不局限于对执行本发明及其实施例的模式的描述，而且还包括在不背离专利权利要求的范围的情况下这一领域中的熟练技术人员可以想象到的各种修改。
以下将列出本说明中所公开的条款。
首先，公开了生产一种层压制件的方法，该方法包括下列步骤：在一个基底上形成一个钛层；在钛层上形成一个金属氮化物层，这一金属氮化物层由一种或两或两种以上从由钛、鋯、铪以及钽组成的一组金属中所选择的金属的氮化物制造；并在金属氮化物层上形成一个III族氮化合物半导体层。
以上的方法还包括在基底和钛层之间形成一个底衬层的步骤。
另外，该方法还可包括通过化学地刻蚀钛层把基底与金属氮化物层相分离的步骤。此处，较佳的做法是令金属氮化物层拥有一个不小于50μm的薄膜厚度。
另外，在该方法中，可以用氮化钛制造金属氮化物层。另一方面，用蓝宝石、碳化硅、氮化镓、硅、磷化镓或砷化镓制造基底。
另外，在该方法中，III族氮化合物半导体器件可以用作一个发光器件或一个光接收器。
其次，公开了生产一种层压制件，拥有：在一个基底上形成的一个钛层；在钛层上形成的一个金属氮化物层，这一金属氮化物层由一种或两或两种以上从由钛、鋯、铪以及钽组成的一组金属中所选择的金属的氮化物制造；以及在金属氮化物层上形成的一个III族氮化合物半导体层。
在这一层压制件中，可在基底和钛层之间形成一个底衬层。
另外，可以用氮化钛制造金属氮化物层。另一方面，用蓝宝石、碳化硅、氮化镓、硅、磷化镓或砷化镓制造基底。
另外，在这一层压制件中，III族氮化合物半导体层可以拥有一个发光器件的结构或一个光接收器的结构。
第三，公开了一种层压制件，包括：拥有一个不小于50μm薄膜厚度的金属氮化物基底，该金属氮化物基底由一种或两或两种以上从由钛、鋯、铪以及钽组成的一组金属中所选择的金属的氮化物制造；以及在金属氮化物层上形成一个III族氮化合物半导体层。
可以用氮化钛制造金属氮化物。
另外，III族氮化合物半导体层可以拥有一个发光器件的结构或一个光接收器的结构。
Claims (7)
1.一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，包括下列步骤：
在基底上形成一个钛层，
在所述钛层上形成金属氮化物层，所述金属氮化物层由一种或两种或两种以上从由钛、鋯、铪以及钽组成的一组金属中所选择的金属的氮化物制成；以及
在所述金属氮化物层上形成一个III族氮化合物半导体层；
其中还包含用酸对所述钛层进行化学刻蚀把基底与金属氮化物层相分离的步骤。
2.根据权利要求1所述的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于在所述基底表面和所述钛层之间插入铝层。
3.根据权利要求1的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于还包括在所述基底和所述钛层之间形成一个底衬层的步骤。
4.根据权利要求1的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于，所述金属氮化物层拥有一个大于或等于50μm的薄膜厚度。
5.根据权利要求1的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于，所述金属氮化物层由氮化钛制造。
6.根据权利要求1的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于，所述基底由蓝宝石、碳化硅、氮化镓、硅、磷化镓或砷化镓制造。
7.根据权利要求1的一种用于制造一个III族氮化合物半导体器件的方法，其特征在于，所述III族氮化合物半导体器件是一个发光器件或一个光接收器。
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