CN1343015A - 基于氮化镓的ⅲ－ⅴ族化合物半导体装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于氮化镓的III－V族化合物半导体装置的制造方法,包括:在基板上方形成半导体叠层构造,半导体叠层构造包括n型半导体层、主动层以及p型半导体层;蚀刻半导体叠层构造,以露出n型半导体层的一部分;在n型半导体层上形成第一电极,其中第一层电极包括欧姆接触层、阻障层与焊垫层;进行退火制作工艺,用以降低第一电极与n型半导体层之间的接触电阻,同时活化p型半导体层;与在p型半导体层上形成一第二电极。
Description
本发明涉及一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置及其制造方法。
自从III-V族氮化物，即包括例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAIN)、氮化镓铟(InGaN)、及氮化镓铝铟(InAlGaN)等的磊晶层被首次成功地成长出来之后，由于其具有直接能带、能带宽度高、饱合漂移速率高、击穿电场高、以及化学惰性等特性，故成为最有希望用于制造高温/高功率的电子装置与光电装置的材料。近来由于较高掺杂浓度的磊晶层的结晶品质的增进，故发展出以III-V族氮化物磊晶构造制造的高品质激光二极管、发光二极管、光侦测器以及微波场效应晶体管等。
一般而言，III-V族氮化物装置的性能会受到其接触电阻的限制。因此，制造高性能III-V族氮化物装置的关键技术在于是否能制造出可靠性高的金属接触。以GaN为例，虽然已有文献指出有许多种金属可以作为其接触，但是钛/铝(Ti/Al)双层为现有上最广泛使用作为n型GaN的欧姆接触层。然而，这种Ti/Al双层易被氧化，而在后续制作工艺中与操作期间造成欧姆接触电阻的上升。
为了避免Ti/Al双层在高温下易被氧化的倾向，可以在其上方覆盖一层低电阻的金(Au)作为钝化层(passivation)以使其表面钝化。但是，金会向内扩散至钛层、铝层中与渗透到GaN层中，而造成半导体装置的热稳定性、可靠度与欧姆接触特性变差。
图1的剖视图显示基于GaN的III-V族化合物半导体发光二极管(light-emitting device；LED)100的典型构造。
发光二极管100具有一透明且绝缘的基板1，其以例如蓝宝石(sapphire)所制。此基板1具有一第一主表面1a与一第二主表面1b。GaN所制的缓冲层2形成在基板1的第一主表面1a上。n型的基于GaN的III-V族化合物半导体层3形成在缓冲层2上。此n型半导体层3是以例如锗(Ge)、硒(Se)、硫(S)、或碲(Te)等n型掺质所掺杂。除此之外，此n型半导体层3可以掺杂硅(Si)。
n型AlGaN层4形成在n型半导体层3上。主动层5形成在n型AlGaN层4上，此主动层5是由例如InGaN/GaN所构成的多重量子井(MQW)、单量子井(SQW)、或双异质(DH)结构。p型AlGaN层6形成在主动层5上。
一P型的基于GaN的III-V族化合物半导体层7形成于p型AlGaN层6上。此p型半导体层7是以例如铍(Be)、锶(Sr)、钡(Ba)、锌(Zn)、或镁等p型掺质所掺杂。
如图1所示，发光二极管100具有一电极8A形成在n型半导体层3上；与一电极8B形成在p型半导体层7上。现有的电极8A如上文所述包括钛、铝、金等金属材料。电极8B为一种欧姆电极，其可以包括例如镍(Ni)、铬(Cr)、金、铂(Pt)、或钛等金属材料。
接着，参考图2的流程图说明现有的发光二极管100的制作工艺步骤。
首先，如步骤201所示，将缓冲层2、n型半导体层3、n型AlGaN层4、主动层5、p型AlGaN层6、与p型半导体层7依序形成在基板1上方。
接着，如步骤202所示，进行热处理以活化p型AlGaN层6与p型半导体层7。由于p型AlGaN层6与p型半导体层7中所掺杂的镁会形成Mg-H键结，而导致无法提供空穴。在此进行热处理的目的即为打断此Mg-H键结而活化p型AlGaN层6与p型半导体层7。此热处理的条件一般为在650至780℃下加热15至60分钟。
接着，如步骤203所示，将p型半导体层7、p型AlGaN层6、主动层5、及n型AlGaN层4部分蚀刻移除，以将n型半导体层3的表面露出。在此，n型半导体层3的表面一部分也被蚀刻移除。
之后，如步骤204所示，形成电极8A与8B，其中电极8A形成在n型半导体层3上，电极8B形成在p型半导体层7上。电极8A与8B的形成可以利用现有沉积技术，例如蒸镀法或溅射法等。
接着，如步骤205所示，进行退火(annealing)制作工艺。此步骤的目的为降低电极8A与8B的欧姆接触电阻。此退火制作工艺的条件一般为在300至400℃进行。
电极8A与8B也可以不必如步骤204所述般的同时形成，例如，也可以先形成电极8A、进行退火后，才形成电极8B。
本发明的目的在于提供一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置及其制造方法，以解决上述问题。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置的制造方法，包括以下各步骤：提供一基板，其具有第一与第二主表面；在该基板的第一主表面上方形成一半导体叠层构造，其中该半导体叠层构造包括一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层、一主动层、以及一p型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；蚀刻该半导体叠层构造，以露出n型半导体层的一部分；在n型半导体层上形成一第一电极，其中该第一电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方；进行退火制作工艺，用以降低该第一电极与该n型半导体层之间的接触电阻，同时达到活化该p型半导体层的效果；与在p型半导体层上形成一第二电极。
本发明还提供种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置，包括：一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；以及一电极，位于该n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层上，且该电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方。
本发明还提供一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置，包括：一基板，其具有第一与第二主表面；一半导体叠层构造，其形成在该基板的第一主表面上方，且其包括一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层、一主动层、以及一p型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；一第一电极，位于n型半导体层上，且该第一电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方；与一第二电极，位于p型半导体层上。
本发明的n型GaN的欧姆接触，其热稳定耐受力(thermal stabilityendurance)远优于现有Ti/Al/Au多层的热稳定耐受力。因此，本发明的化合物半导体装置的制造方法比现有方法简化，且因而能降低成本并增高产能。
下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：
图1为依照本发明基于GaN的III-V族化合物半导体发光二极管的剖视图；
图2为发光二极管100的制作工艺步骤的流程图；
图3为本发明电极的详细构造剖视图；
图4为显示于不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图5为在不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与未恢复的植入硅的n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图6为在不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与植入硅并恢复的n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图7为在不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图8为在不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与未恢复的植入硅的n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图9为在不同退火温度下电极Ti/Al/Pt/Au与植入硅并恢复的n型GaN接触的特征接触电阻对于退火时间的函数图；
图10为显示本发明的发光二极管的制作工艺步骤流程图。
本发明中，“基于氮化镓的III-V族化合物半导体”一词意指包括镓的III族元素的氮化物半导体例如GaN、GaAlN、InGaN、或InAlGaN等。
以下将参考附图详细说明本发明。
本发明提出一种电极8A的构造，其包括：一欧姆接触层，包括例如氮化钛、钛、铝、铬、铟、钯、或上述金属的合金；一阻障层位于该欧姆接触层上方，此阻障层包括例如铂、钨(W)、或镍；与一焊垫(pad)层位于该阻障层上方，此焊垫层包括例如金。本发明的电极8A由于具有阻障层，故可以防止现有上焊垫层的金向内扩散与渗透到半导体装置内部的现象。
参考图3，其显示本发明电极8A的构造的一实例。在图3中，与图1相同的构造以相同的参考号数标示。如图3所示，GaN所制的缓冲层2形成在基板1上。n型半导体层3形成在缓冲层2上。此n型半导体层3可以掺杂硅。电极8A形成在此n型半导体层3上。电极8A包括钛层81、铝层82形成在钛层81上、铂层83形成在铝层82上、以及金层84形成在铂层83上。以下将以此电极8A(Ti/Al/Pt/Au)为例说明作为n型GaN的欧姆接触的优良性质。例一
在蓝宝石基板上，在520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，通过金属有机化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2μm厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。
接着，在n型GaN层上形成本发明的电极Ti/Al/Pt/Au(25/100/50/200nm)。在氮气(氮气)环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(specificcontact resistance；ρC)。结果显示于图4。例二
在蓝宝石基板上，在520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，由于MOCVD在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2μm厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。接着，以50KeV的能量与5×1015cm-2的剂量将硅植入n型GaN层中。
接着，在已植入硅的n型GaN层上形成本发明的电极Ti/Al/Pt/Au(25/100/50/200nm)。在氮气环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(ρC)。结果显示于图5。例三
在蓝宝石基板上，于520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，由于MOCVD在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2μm厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。接着，以50KeV的能量与5×1015cm-2的剂量将硅植入n型GaN层中。之后，在氮气环境中，在1050℃下进行退火30分钟，以帮助n型GaN层的晶格恢复(recovery)，与同时将所植入的硅活化。
接着，在已植入硅并恢复的n型GaN层上形成本发明的电极Ti/Al/Pt/Au(25/100/50/200nm)。在氮气环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(ρC)。结果显示于图6。比较例一
在蓝宝石基板上，在520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，由于MOCVD在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2μm厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。
接着，在n型GaN层上形成对照组的电极Ti/Al/Au(25/100/200nm)。在氮气环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(ρC)。结果显示于图7。比较例二
在蓝宝石基板上，在520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，由于MOCVD在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2μm厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。接着，以50KeV的能量与5×1015cm-2的剂量将硅植入n型GaN层中。
接着，在已植入硅的n型GaN层上形成对照组的电极Ti/Al/Au(25/100/200nm)。在氮气环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(ρC)。结果显示于图8。比较例三
在蓝宝石基板上，在520℃下生长一层300nm厚的GaN缓冲层。接着，由于MOCVD在1100℃下，在GaN缓冲层上生长一层2um厚的n型GaN层，其中载流子浓度与迁移率分别为6.7×1017cm-3以及367cm2/V-S。接着，以50KeV的能量与5×1015cm-2的剂量将硅植入n型GaN层中。之后，在氮气环境中，在1050℃下进行退火30分钟，以帮助n型GaN层晶格的恢复，与同时将所植入的硅活化。
接着，在已植入硅并恢复的n型GaN层上形成对照组的电极Ti/Al/Au(25/100/200nm)。在氮气环境中，分别对各样品进行不同温度(750℃、850℃与950℃)与不同时间下的退火，并测量其特征接触电阻(ρC)。结果显示于图9。
以下表1所示的资料，可更加明白本发明的各例制造条件。
| 例一 | 例二 | 例三 | 比较例一 | 比较例二 | 比较例三 | |
| 植入硅 | √ | √ | √ | √ | ||
| 恢复(recover) | √ | √ | ||||
| Ti/Al/Au | √ | √ | √ | |||
| Ti/Al/Pt/Au | √ | √ | √ | |||
| 结果显示于 | 图4 | 图5 | 图6 | 图7 | 图8 | 图9 |
例一为本发明的电极Ti/Al/Pt/Au与n型GaN接触，图4为显示于不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。在图4中，最小的特征接触电阻ρC分别出现在750℃的8×10-6Ω-cm2：850℃的7×10-6Ω-cm2；以及950℃的7×10-6Ω-cm2。比较例一为电极Ti/Al/Au与n型GaN接触，图7为显示不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。比较图4与图7可以发现，Ti/Al/Pt/Au多层及Ti/Al/Au多层与n型GaN接触时所能产生的最小特征接触电阻大约相等。但是，Ti/Al/Pt/Au多层的热稳定耐受力却远优于Ti/Al/Au多层的热稳定耐受力。
例二为电极Ti/Al/Pt/Au与未恢复的植入硅的n型GaN接触，图5为显示于不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。比较例二为电极Ti/Al/Au与未恢复的植入硅的n型GaN接触，图8为显示于不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。如图5与图8所示，在750℃的退火温度下，在60分钟之前两种电极的特征接触电阻对于退火时间的关系相似。值得注意的是，在比较例二中，在750℃下能在60分钟时得到最小的特征接触电阻，而在60分钟之后特征接触电阻便随着时间大幅度增加。但是，在例二中，如图5所示，在750℃下退火时，随着退火时间的增加，特征接触电阻仍逐渐地减小。
在图5中，最小的特征接触电阻ρC分别出现在750℃(600分钟以上)的7×10-4Ω-cm2；850℃(540分钟)的7×10-5Ω-cm2；以及950℃(60分钟)的2×10-5Ω-cm2。依照图5与图8所示的实验结果，本发明的电极Ti/Al/Pt/Au的热稳定性远优于对照组的电极Ti/Al/Pt/Au。Ti/Al/Pt/Au多层的欧姆性能的热稳定耐受力分别为850℃的540分钟与950℃的60分钟，在750℃下退火可超过600分钟。
例三为电极Ti/Al/Pt/Au与植入硅并恢复的n型GaN接触，图6为显示于不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。在图6中，最小的特征接触电阻ρC出现在退火温度750℃、850℃以及950℃下的大约3×10-6Ω-cm2。比较例三为电极Ti/Al/Au与植入硅并恢复的n型GaN接触，图9为显示于不同退火温度下其特征接触电阻对于退火时间的函数图。比较图6与图9所显示的实验结果，对照组的电极Ti/Al/Au与本发明的电极Ti/Al/Pt/Au在同一退火温度下能得到的最小特征接触电阻大约相等。但是，本发明的电极Ti/Al/Pt/Au的热稳定耐受力却远优于Ti/Al/Au多层的热稳定耐受力。
在上文中曾提及由于p型AlGaN层6与p型半导体层7中所掺杂的镁会形成Mg-H键结而无法提供空穴，故现有的会在形成p型半导体层7后进行热处理以打断此Mg-H键结而活化p型AlGaN层6与p型半导体层7。此热处理使用的条件一般为在700至750℃下加热15至60分钟。然而，由于本发明的Ti/Al/Pt/Au多层的热稳定耐受力高，故在其退火制作工艺中，在形成欧姆接触的同时达到活化p型AlGaN层6与p型半导体层7的效果显然毫无问题。因此，本发明的发光二极管的制作工艺可以省略现有的活化步骤，而在后续制作工艺中达到同样的效果。以下参考图10说明本发明的发光二极管的制作工艺。
首先，如步骤101所示，将缓冲层2、n型半导体层3、n型AlGaN层4、主动层5、p型AlGaN层6、与p型半导体层7依序形成在基板1上方。
接着，如步骤102所示，将p型半导体层7、p型AlGaN层6、主动层5、及n型AlGaN层4部分蚀刻移除，以将n型半导体层3的表面露出。在此，n型半导体层3的表面一部分也被蚀刻移除。
接着，如步骤103所示，将电极8A形成在n型半导体层3上。电极8A形成可以利用现有的沉积技术，例如蒸镀法或溅射法等。此外，由上述各例的说明可知，在将电极8A的形成在n型半导体层3上之前，可以植入硅原子至该n型半导体层并进行该n型半导体层的恢复。
之后，如步骤104所示，进行退火制作工艺。此步骤的目的为降低电极8A的欧姆接触电阻。此退火制作工艺是在400至950℃的温度下进行。同时，在此加热条件下，可以达到活化p型半导体层7的目的。
接着，如步骤105所示，将电极8B形成在p型半导体层7上，可以由例如蒸镀法或溅射法等进行。在形成电极8B后，可以进行700℃以下的低温退火，以降低电极8B的欧姆接触电阻。
如上所述，由于在步骤104中可以同时达成退火与活化的效果，故本发明所提供的化合物半导体装置的制造方法可以比现有制作工艺简化，因而能降低成本并增高产能。
以上所述，仅为了用于方便说明本发明的较佳实施例，并非将本发明狭义地限制于该较佳实施例。凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明权利要求范围。
Claims (12)
1.一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置的制造方法，包括以下各步骤：
提供一基板，其具有第一与第二主表面；
在该基板的第一主表面上方形成一半导体叠层构造，其中该半导体叠层构造包括一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层、一主动层、以及一p型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；
蚀刻该半导体叠层构造，以露出n型半导体层的一部分；
在n型半导体层上形成一第一电极，其中该第一电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方；
进行退火制作工艺，用以降低该第一电极与该n型半导体层之间的接触电阻，同时达到活化该p型半导体层的效果；与
在p型半导体层上形成一第二电极。
2.如权利要求1所述的制造方法，还包括以下步骤：
在该形成一第一电极于n型半导体层上的步骤前，植入硅原子至该n型半导体层。
3.如权利要求2所述的制造方法，还包括以下步骤：
在植入硅原子至该n型半导体层之后，进行该n型半导体层的恢复。
4.如权利要求1所述的制造方法，其中该阻障层包括铂、钨、或镍。
5.如权利要求1所述的制造方法，其中该第一电极是由钛/铝/铂/金所构成。
6.如权利要求1所述的制造方法，其中该退火制作工艺是在400至950℃的温度下进行。
7.一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置，包括：
一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；以及
一电极，位于该n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层上，且该电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方。
8.如权利要求7所述的装置，其中该阻障层包括铂、钨、或镍。
9.如权利要求7所述的装置，其中该电极是由钛/铝/铂/金所构成。
10.一种基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置，包括：
一基板，其具有第一与第二主表面；
一半导体叠层构造，其形成在该基板的第一主表面上方，且其包括一n型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层、一主动层、以及一p型的基于氮化镓的III-V族化合物半导体层；
一第一电极，位于n型半导体层上，且该第一电极包括一欧姆接触层、一阻障层位于该欧姆接触层上方、与一焊垫层位于该阻障层上方；与
一第二电极，位于p型半导体层上。
11.如权利要求10所述的装置，其中该阻障层包括铂、钨、或镍。
12.如权利要求10所述的装置，其中该电极是由钛/铝/铂/金所构成。
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