[发明专利]氮化物半导体器件及其制造方法

说明书

发明领域

本发明涉及III族氮化物半导体器件(在下文中也称做器件)及其制造方法。

相关技术说明

在半导体光发射器件，特别是基于氮化镓(GaN)的短波长半导体激光器件以及作为该器件的材料系统的相关化合物方面的广泛研究正在进行。通过在晶体衬底上连续淀积半导体单晶层(例如(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN(0≤x≤1，0≤y≤1))来制造基于GaN的半导体激光器件。

金属有机化学气相淀积方法(在下文中缩写为MOCVD)通常用于制造该单晶层。在该方法中，含有作为III族前体材料(precursor material)的三甲基镓(在下文中缩写为TMG)和作为V族前体材料的氨(NH₃)的源气被引入到反应器中，在900-1000℃的温度范围内进行反应，从而在衬底上淀积化合物晶体。通过改变流入反应器的前体的比例可以在衬底上形成各种化合物层，以得到多层结构。

如果淀积的单晶层有许多贯通缺陷，器件的光发射性能发生实质性退化。这种沿晶体的生长方向贯通晶体层的直线扩展缺陷被称为穿通位错(threadingdislocation)。由于穿通位错担当了载流子的非辐射复合中心，造成包括具有很多位错的单晶层的半导体光发射器件的发光效率低下。上述缺陷是由于在衬底和形成于其上的覆层之间的界面上的晶体错配(misfit)应变产生的。通过选择具有与基于GaN的晶体的晶体结构、晶格常数和热膨胀系数相似的衬底材料，尝试减小接触面处错配的影响。

对于氮化物半导体，没有低价格并且晶格匹配的衬底。因此，主要利用蓝宝石板作为用于氮化物半导体外延生长的衬底。在这种情况下，因为蓝宝石的晶格常数与GaN的相差大约14％，由于晶格失配产生了穿通位错。即使在最好的条件下，穿通位错的密度也不可避免地达到1E8/cm²或更多。外延横向过生长(ELO)等可急剧地减少位错密度。但是，ELO使器件的制造成本急剧上升。把ELO用于例如光发射二极管等的氮化物半导体器件的制造没有实际用处。

待审查的日本专利KOKAI公开No.2000-232238(USPN 6,329,667)公开了改进氮化物半导体激光器件的某些特性的常规技术。在公开的现有技术中，在有源层(active layer)的生长结束以后，在晶片上的外延生长期间，在穿通位错的周围形成凹坑或凹槽。然后，有源层的凹坑被具有比有源层更宽的带隙(band-gap)的材料掩埋，并且，之后，形成器件的其它结构层。因为避免了载流子注入到穿通位错中，该技术改进了器件的发光特性。

对于通过在例如蓝宝石衬底等的不相似衬底上生长氮化物半导体所形成的pn结二极管，在反向偏置下的漏电流比GaAs等的半导体器件的要高。在上述生长的层中的高密度穿通位错造成了二极管的这种特性。

发明人发现，虽然上述的现有技术避免了在正向注入情况下由穿通位错引起的发光效率的降低，以改善器件的发光特性，但仍然不能解决反向漏电流的问题。反向漏电流导致的次品妨碍了成品率的增加。例如，发光二极管的技术规格通常包括施加反向电压下的漏电流，例如，施加5V时小于10μA。

发明内容

鉴于电流-电压特性的退化(即，以上介绍的氮化物半导体器件的大的反向漏电流)研制了本发明，本发明的一个目的是提供一种提供一种氮化物半导体器件，具有良好的电流-电压特性，同时允许产生穿过在衬底上生长的单晶层的缺陷。

根据本发明的一个方案，提供一种包括III族氮化物半导体的氮化物半导体器件，包括：

有源层；

势垒层(barrier layer)，由预定的材料制成，与所述有源层相邻设置，所述势垒层具有比所述有源层大的带隙；

由所述预定材料形成的势垒部分，用于围绕所述有源层中的一个穿通位错，所述势垒部分具有一顶点；以及

半导体层，具有1E16/cc到1E17/cc的杂质浓度，其中设置有所述顶点。

在以上提到的氮化物半导体器件中，所述有源层具有单量子阱和多量子阱结构中的一种。

在以上提到的氮化物半导体器件中，所述势垒层的预定材料填充所述有源层上的界面包围的凹槽，使所述凹槽的表面平坦作为势垒部分。

在以上提到的氮化物半导体器件中，所述势垒部分为锥形、截锥形和它们组合中的一种。