CN1452256A

CN1452256A - 第ⅲ族元素氮化物半导体元件的生产方法

Info

Publication number: CN1452256A
Application number: CN03122630.2A
Authority: CN
Inventors: 千代敏明
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2003-10-29
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: TWI225311B; US20030194826A1; TW200400651A; JP2003309285A; US6861275B2; CN1198341C

Abstract

一种生产第1II族元素氮化物半导体元件的方法，包括如下步骤：在基体(11)上形成n型层(13)；在所述n型层(13)上形成含发光层的层(14)；在所述层(14)上形成p型层(15)，p型层(15)上涂有p型杂质；蚀刻所述n型层(13)的至少一部分和所述层(14)的至少一部分使所述n型层(13)的至少一部分和所述层(14)的端面(31)露出来；在所述p型层的表面侧形成p电极(18)；在所述n型层(13)的所述露出来的部分上形成n电极(19)；用电子束照射所述p型层(15)以降低所述p型层的电阻；和在所述电子束照射步骤后至少酸化所述层(14)的所述露出来的端面(31)。

Description

第III族元素氮化物半导体元件的生产方法

本申请基于日本专利申请2002-113058，其引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及一种第III族元素氮化物半导体元件的生产方法，尤其涉及一种能抑制电流泄漏的半导体元件的生产方法。

背景技术

第III族元素氮化物半导体元件由多层层合在基体(如蓝宝石)上的半导体层构成。因为蓝宝石具有电绝缘性，在该基体上不可能存在任何电极。因此半导体层的各个电极应出现在元件的同一侧面。当从基体侧面看时，作为半导体层的n型层、活性层和p型层依次连续地层合。于是n型层被埋在层合物里面。因此要蚀刻半导体层露出一部分n型层以便使露出的部分n型层能和n电极连接在一起。

另一方面，第III族元素氮化物半导体中的p型层上涂上p型掺杂物。采用电子束照射p型层使p型层电阻降低的方法是已知的。

发明人已经反复地考察了在同一侧面形成n电极和p电极的第三族元素氮化物半导体元件，表明采用电子束照射可以减小p型层的电阻。结果，发明人发现，在n电极和p电极之间容易出现泄漏电流，而这是令人担忧的问题。

因此本发明的目的是抑制泄漏电流。

发明内容

为了实现发明目的，本发明人进行了大量的努力，结果得到如下的发明：

一种生产第III族元素氮化物半导体元件的方法，包括如下步骤：

在基体(11)上形成n型层(13)；

在所述n型层(13)上形成含发光层的层(14)；

在所述层(14)上形成p型层(15)，p型层(15)上涂有p型杂质；

蚀刻所述n型层(13)的至少一部分和所述层(14)的至少一部分使所述n型层(13)的至少一部分和所述层(14)的端面(31)露出来；

在所述p型层的表面侧形成p电极(18)；

在所述n型层(13)的所述露出来的部分上形成n电极(19)；

用电子束照射所述p型层(15)以降低所述p型层的电阻；和

在所述电子束照射步骤后至少酸化所述层(14)的所述露出来的端面(31)。

根据本发明方法的一种优选实施方案，所述酸化步骤包括如下分步骤：

露出通过所述蚀刻形成的所述端面，同时在其他表面上形成抗蚀剂膜以保护所述其他表面；

用酸处理上述暴露出的端面；

去除上述抗蚀剂膜。

根据本发明方法的另一种优选实施方案，其中所述酸是选自氢氟酸、盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种。

根据本发明方法的再一种优选实施方案，其中所述含发光层的层包括含In的第III族元素氮化物半导体层，其在通过所述蚀刻形成的所述端面上被露出来。

附图简述

图1是典型地表示根据本发明的一种实施方案的发光元件结构的截面图。

图2是表示酸化步骤的部分放大截面图。

图3是表示了根据本发明该实施方案的发光元件和作为比较例的发光元件的Vf-If特性曲线图。

图4是Vf-If特性随着活性层中组分铟的百分含量变化而变化的曲线图。

具体实施方式

按照本发明，能够通过一种很简单且廉价的酸化处理蚀刻成的端面的方法成功地抑制泄漏电流发生。因此这样得到的第III族元素氮化物半导体元件的性能被改进(抑制了电能消耗)，同时其可靠性也得到改进。

可以认为，通过酸化处理蚀刻形成的端面能够抑制泄漏电流发生的原因如下：

首先，为了减小p型层电阻在大气压力下使用电子束致使在元件周围产生活性氧。活性氧在蚀刻形成的端面上和第III族元素氮化物原子反应生成，从而在端面上形成氧化物。氧化物被认为是泄漏电流发生的原因。根据发明人的试验发现，尤其是在端面上活性氧和铟(In)反应生成氧化铟时，该泄漏电流会变大。

因此在发明中用酸处理蚀刻形成的端面以除去上面的第III族元素氮化物成分的氧化物。顺便提及，尽管干蚀刻能除去氧化物，但是因为干蚀刻会给半导体元件带来不可避免的伤害，使得干蚀刻并不合乎要求。

本发明的组成部分描述如下。第III族元素氮化物半导体元件

第III族元素氮化物半导体元件的例子包括：光学设备如发光二极管、受光二极管、激光二极管和太阳能电池，双极元件如整流器、半导体闸流管和晶体管，单极元件如场效应晶体管，和电子元件如微波元件。

这些元件中每一个都基本上如此配置以使第III族元素氮化物半导体的各层层积在基体上形成一个元件，然后p电极和n电极在该元件的一个表面侧形成。

任何基体都可以用，只要第III族元素氮化物半导体各层都能在该基体上生长。用来制造基体的材料包括蓝宝石、尖晶石、硅、金刚砂、氧化锌、磷化镓、砷化镓、氧化镁和氧化锰。特别是蓝宝石基体更适宜使用。特别指出的是，蓝宝石基体的 a面或 c面更适合具有良好结晶度的第III族元素氮化物各半导体层的成长。

第III族元素氮化物半导体各层层积在基体上。在该说明书中，每一个第III族元素氮化物半导体都可以用一个通式来表达：Al_XGa_YIn_1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)，该通式包括所谓的二元化合物如AlN、GaN和InN以及所谓的三元化合物如Al_XGa_1-XN、Al_XIn_1-XN和Ga_XIn_1-XN(其中0＜X＜1)。第III族元素至少可以被硼(B)、铊(Tl)及其类似元素部分地取代。氮(N)至少可以被磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)及其类似元素部分地取代。第III族元素氮化物半导体的每一层都可以包含可选择的搀杂物。Si、Ge、Se、Te、C及其类似元素可以用作n型掺杂物。Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等可以用作P型掺杂物。形成第III族元素氮化物半导体每一层的方法都没有特别限定。第III族元素氮化物半导体各层可以用已知方法形成，如金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)、分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子电镀法、或电子沉降法(electron showering method)。

在基体和第III族元素氮化物半导体的结晶层之间可以存在一个缓冲层。这个缓冲层用来改进在该缓冲层上成长的第III族元素氮化物半导体的结晶度。该缓冲层可以用第III族元素氮化物半导体来制造，例如AlN、InN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN。

一种金属例如Al、V、Sn、Rh、Cr、Cr、Nb、Ta、Mo、W、Hf或者这些金属中两种或更多种组成的合金都可以用作n电极材料。N电极可以是组成不同的两层或多层的层合物构成的两层或多层结构。例如n电极可以是V和Al的双层结构。

一种金属例如Rh、Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、Co、Mg、Pd、Ru、Mn、Bi、Sn或Re，或者它们中两种或更多种组成的合金都可以用作p电极材料。P电极可以是组成不同的两层或多层的层合物构成的两层或多层结构。

N极和p极都是用已知成膜方法制成，例如气相沉积法或溅射法。

例如，第III族元素氮化物半导体发光元件的生产过程如下。

首先制备第III族元素氮化物半导体各层赖以生长的基体。半导体各层层积在基体上。其中N型第III族元素氮化物半导体层、包含第III族元素氮化物半导体发光层的层、用p型掺杂物涂过的第III族元素氮化物半导体层至少以此顺序排列。

然后，经过蚀刻过程把n型半导体层的一部分露出来。接着分别在涂过p型掺杂物的第III族元素氮化物半导体层和n型第III族元素氮化物半导体层上形成p电极和n电极。P电极和n电极能够用已知方法如蒸发作用或溅射来形成。然后，基体用合适粒径的研磨剂进行摩擦得到一个需要的基体厚度。最后将基体切成碎片。电子束照射

涂过p型掺杂物的第III族元素氮化物半导体电阻较高，如果除形成外不采取措施，则不能令人满意地用作元件的半导体层。因此已经提出用电子束照射该形成的层以降低该层电阻的技术(见日本专利公开No.Hei.2-257679)。

从生产步骤的相互关系出发，在n电极和p电极形成之后再进行电子束照射是优选的。但是在p型层形成之后立即进行电子束溅射是可能的。如果这样，包含p型掺杂物的层的表面可能被破坏，这样就可能出现p型层和在p型层上形成的电极之间的接触电阻变大的危险。

因此，优选在电极形成和蚀刻步骤完成之后把晶片转移到电子束照射装置上进行电子束照射。酸化处理

如上描述，酸化处理是用来处理蚀刻形成的端面的。所用的酸的例子可以包括氢氟酸、盐酸、硫酸和硝酸。酸的浓度和酸化处理时间按照半导体材料或电子束照射时间来合适地选择。所有这些因素都可以根据是否除去可能在所述端面上形成的氧化物加以选择或组合。

优选地，在电极形成后进行酸化处理时事先形成抗蚀剂层或类似物来保护电极。但该步骤并不是实现本发明所必须的。

从下面对本发明附图的详细描述中可以明显地看出本发明的特点和优点。

下面以发光元件为例，描述本发明的一个具体实施方案。

图1是这个实施方案中发光元件10的典型截面图。发光元件10中各层的说明如下。

层	组成
层	组成	P型层15	p-GaN：Mg
包含发光层的层14	含InGaN(In：在In和Ga的总原子数中占约20％)	P型层15	p-GaN：Mg
包含发光层的层14	含InGaN(In：在In和Ga的总原子数中占约20％)	N型层13	n-GaN：Si
缓冲层12	AlN	N型层13	n-GaN：Si
缓冲层12	AlN	基体11	蓝宝石

N型层13为以Si作为n型掺杂物涂过的GaN，它通过缓冲层12在基体11上形成。尽管上面是以蓝宝石作为基体11，但基体11并不局限于此。例如，蓝宝石、尖晶石、硅、金刚砂、氧化锌、磷化镓、砷化镓、氧化镁、氧化锰、硼化锆、或者第III族元素氮化物半导体单晶都可以用作基体11。缓冲层12用金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)由AlN形成，但缓冲层12并不局限于此。例如，GaN、InN、AlGaN、InGaN、或AlInGaN都可以用作缓冲层12的材料。分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子电镀法、电子沉降法及其类似方法都可以用作形成缓冲层12的方法。当第III族元素氮化物半导体用作基体11时，缓冲层12能够得到分散，因为在这种情况下形成在基体11上的各层可以以良好结晶度的方式生长。

根据情况的需要，基体和缓冲层可以在半导体元件形成之后除去。

尽管上述n型层13由GaN制成，但也可以使用AlGaN、InGaN、或AlInGaN。

尽管上述中以Si作为n型掺杂物涂在n型层13上，但其它的n型杂质例如Ge、Se、Te、或C也可以使用。

含有发光层的层14可以包含一个量子阱结构(多重量子阱结构或单量子阱结构)。发光元件结构可以是单一异型、双重异型，也可以是同质连结型。

包含发光层的层14包含一个第III族元素氮化物半导体层，该第III族元素氮化物半导体层在p型层15一侧涂过Mg或类似物且具有宽带隙。该方法能有效地阻止射入含发光层的层14的电子进入p型层15。

以Mg作为p型掺杂物涂过的氮化镓p型层15在包含发光层的层14上形成。作为p型层的材料，氮化镓可以用AlGaN、InGaN、InAlGaN代替。作为p型掺杂物的Mg可以用Zn、Be、Ca、Sr、Ba代替。

在如上制成的发光二极管中，第III族元素氮化物半导体层的每一层都能在普通条件下用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD法)形成或者用分子束取向附生法(MBE法)、卤化物气相取向附生法(HVPE法)、溅射法、离子电镀法、或电子沉降法形成。

n电极19由Al和V两层构成。在p型层15形成以后，蚀刻除去p型层15、包含发光层的层14和n型层13的一部分，用气相沉积方法在n型层13的露出部分上形成n电极19。

透明的电极17是一层含金的薄膜。透明的电极17层积在p型层15上。P电极18也是用含金材料制成。P电极18用气相沉积方法在透明电极17上形成。

接着，样品用电子束照射仪器进行处理，使得p型层15得到电子束的照射。低能电子束照射仪器在加速电压为120kv的照射条件下使用，照射时间为3.5分钟。

然后，在样品表面上涂覆抗蚀剂膜21。再用影印石板术除去一部分抗蚀剂膜21，至少使蚀刻形成的端面31露出来，如图2所示。在这种情况下，电极部分得到抗蚀剂膜21的有效保护是优选的。有机抗蚀剂膜能被用作抗蚀剂膜21。

然后将样品在2重量％的氢氟酸溶液中浸泡15秒。除去氢氟酸溶液后，用有机脱膜剂脱去抗蚀剂膜21。该方法防止了电极部分被损坏。

在前面叙述的步骤中形成各种半导体层和电极后，将样品切成碎片。

图3表示了根据本发明一个实施方案得到的发光元件10的Vf-If特性曲线和不进行酸化处理得到的作为对比例的发光元件的Vf-If特性曲线。从图3明显地看到，不酸化处理作为对比例的发光元件在较低电压时就有电流出现，而本发明的发光元件没有出现泄漏电流。

然后，把含发光层的层14中InGaN层的In的百分含量从约20％改变到约8％的情况下，进行同样的试验。图4表示了试验结果。

在这个例子中不管酸化进行与否，都几乎观测不到泄漏电流。经推测认为，这是因为InGaN层中In的百分含量较低，使得在所用电子束照射条件下In原子和活性氧相互作用生成的氧化铟(InO_X)的量很低。

因此，可以认为在含铟的层中铟的百分含量不低于10％时，本发明提出的酸化处理具有极好的效果。铟的百分含量优选不低于15％，更优选不低于20％。尽管如此，当加工步骤中在表面上形成任何不需要的物质如氧化物时，都可以采用本发明实质内容生产第III族氮化物半导体元件。上述的In的组成比例仅仅是为了举例说明，本发明并不限于该范围。

本发明并不局限于实现本发明的方法描述和其具体实施方式中。熟悉本领域的人员很容易想到的各种改变如果不脱离权利要求的范围也包含在本发明中。

Claims

1.一种生产第III族元素氮化物半导体元件的方法，包括如下步骤：