III族氮化物半导体隧道结及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种III族氮化物半导体隧道结及其制备方法与应用。所述氮化物半导体隧道结的制备方法包括：形成包含p型氮化物层和n型氮化物层的隧道结；至少使所述p型氮化物层的局部区域暴露在外；对所述隧道结进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出。藉由本发明专利技术的方法，可以有效提高隧道结中p型材料中掺杂元素的激活效率，降低隧道结的串联电阻，提升隧道结的隧穿几率，当将此类隧道结应用于发光二极管、超辐射发光二极管、激光器等半导体器件时，可以大幅减小器件的串联电阻，有效提升器件的输出功率和可靠性。

Semiconductor Tunnel Junction of Group III Nitride and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
III族氮化物半导体隧道结及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种发光二极管，特别涉及一种III族氮化物半导体隧道结及其制备方法与应用，属于半导体光电

技术介绍
III-V族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点；其禁带宽度涵盖从深紫外、整个可见光、到近红外范围，可用于制作半导体器件，如发光二极管、激光器、超辐射发光二极管和高电子迁移率晶体管等等，具有广阔的市场应用前景。通常，III-V族氮化物半导体器件中需要p型氮化物材料，p型氮化物材料通常采用二茂镁(CP2Mg)作为掺杂剂，由于Mg受主在氮化物中的电离能较高，通常不到10％的Mg受主发生电离，因此p型氮化物材料中的空穴浓度较低，电阻较大。另一方面，p型氮化物的功函数较高(p型GaN：7.5eV)，p型欧姆接触的比接触电阻率很高，导致器件的工作电压很高，热功率很大，严重影响了器件性能和可靠性。一些研究人员提出采用隧道结的方式将电子转换成空穴，从而避免p型欧姆接触电阻高的问题，如CN101427431B、CN105977349A所示。然而它们均忽视了隧道结中p型材料Mg受主激活难的问题，导致现有隧道结的电阻较高，很难真正实用在氮化物半导体器件中。常规的氮化物半导体隧道结，通常采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长，隧道结通常包含p型重掺层和n型重掺层，其中p型层在n型层的下方，生长时需要先生长p型层，然后再生长n型层。在生长p型氮化物时，p型层中的Mg受主容易被生长气氛中的H钝化，形成Mg-H络合物，导致p型层呈现高阻状态，需要后续的热退火或电子束照射等方式进行Mg激活，将Mg-H键断开，让H扩散出来。然而研究表明，H在p型层中的扩散势垒较小(0.7eV)，在n型材料中的扩散势垒很大(3.4eV)，通常隧道结中的p型层在器件中间，上下两面均有n型层，因此p型层中H无法扩散出来，导致隧道结中的p型层无法有效激活。即使在制作隧道结时，先进行Mg激活，再生长n型层，原先激活的Mg受主也会被后续生长n型层时生长气氛中的H重新钝化，造成p型层中Mg受主无法有效激活，导致隧道结的电阻很大。现有部分隧道结制备的器件，然后对器件进行高温热退火，让H在p型层内部进行层内扩散，通过器件的侧壁扩散出器件，这种退火方法中H需要扩散的距离较远，且H扩散出器件的面积很小，造成所需的退火温度较高，退火时间较长。长期的高温退火容易使器件有源区退化，影响器件性能。因此，现有的III-V族氮化物隧道结，无法实际应用在氮化物半导体器件中。另外，目前紫外发光二极管的外量子效率很低，尤其是深紫外发光二极管，一般不到10％，其主要瓶颈在于目前的紫外发光二极管的取光效率很低，仅为10％左右，远小于蓝色发光二极管的外量子效率(>80％)。导致紫外发光二极管取光效率低的一个主要原因是p型GaN层的吸收。对于紫外发光二极管，尤其是深紫外发光二极管，量子阱有源区发出的紫外光能量大于GaN材料的禁带宽度，p型GaN会对紫外光产生很强的吸收，严重影响紫外发光二极管的取光效率。为避免GaN层的光吸收，通常采用高Al组分的p型AlGaN材料。然而Mg受主在高Al组分p型AlGaN材料中的电离能很高(GaN:170meV,AlN:470meV)，p型AlGaN材料中的空穴浓度非常低，导致器件中的p型材料的串联电阻较大。另一方面，更重要的是，高Al组分p型AlGaN材料的功函数非常大，远高于现有所有金属的功函数，导致p型欧姆接触难以实现，器件工作时p型接触处压降很大，远高于器件的结电压，导致器件工作电压非常高，严重影响了器件的性能和可靠性。另外，对于激光器、超辐射发光二极管等来说，为保证足够的光学限制，通常需要生长厚约500nm的p型AlGaN光学限制层，因此器件的串联电阻很大。同时，由于AlGaN光学限制层与波导层的折射率差较小，约为5％，导致激光器或超辐射发光二极管量子阱的光学限制因子较小，约为2.5％，远小于传统III-V族GaAs或InP基半导体激光器或超辐射发光二极管(8％)，因此，氮化物半导体激光器、超辐射发光二极管激射所需的材料增益更高，阈值电流更大。不仅如此，由于AlGaN光学限制层与波导层的折射率差较小，光场分布范围更大，约50％左右的光场分布在p型层中，而p型层中的Mg受主会形成深能级中心，导致p型AlGaN光学限制层的吸收系数很大，激光器或超辐射发光二极管的内损耗较大，阈值电流高，严重影响了器件性能和可靠性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种III族氮化物半导体隧道结及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种氮化物半导体隧道结的制备方法，其包括：形成包含p型氮化物层和n型氮化物层的隧道结；至少使所述p型氮化物层的局部区域暴露在外；对所述隧道结进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出。在一些实施方案中，所述制备方法包括：至少在覆盖所述p型氮化物层的结构层上加工出一个以上孔洞，并使所述孔洞一端暴露于外部环境中，另一端到达所述p型氮化物层表面或内部。进一步地，所述p型氮化物层含有M-H键，M为掺杂元素(例如Mg等)，并且所述热处理的温度足以使得所述M-H键内的H从p型氮化物层中逃逸出。进一步地，所述p型氮化物层包括p型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N重掺层，其中x1、y1、(x1+y1)均≥0而≤1。进一步地，所述n型氮化物层包括n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N重掺层，其中x2、y2和(x2+y2)均≥0而≤1。本专利技术实施例还提供了由前述任一种方法制备的氮化物半导体隧道结。本专利技术实施例还提供了一种氮化物半导体装置，包括依次设置的n型接触层、有源区、电子阻挡层、p型层和隧道结，所述隧道结采用前述的任一种氮化物半导体隧道结，所述隧道结包括p型氮化物层和覆盖p型氮化物层的n型氮化物层，且所述p型氮化物层的局部区域从n型氮化物层中暴露出。在一些实施方案中，所述n型氮化物层中形成有一个以上孔洞，所述孔洞用以使所述p型氮化物层的局部区域暴露出。进一步地，所述氮化物半导体装置包括发光二极管。本专利技术实施例还提供了制备所述氮化物半导体装置的方法，其包括：提供外延层，其包括依次生长形成n型接触层、有源区、电子阻挡层、p型层和隧道结，所述隧道结包括依次生长形成的p型氮化物层和n型氮化物层；至少将所述n型氮化物层的局部除去，使所述p型氮化物层的局部区域暴露出，再对所述外延层进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出；以及制作接触电极，并使所述接触电极分别与n型接触层、n型氮化物层形成欧姆接触。在一些实施方案中，所述的制备方法还包括：在所述隧道结的n型氮化物层中加工出一个以上孔洞，使所述p型氮化物层的局部区域暴露出，再对所述外延层进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出。本专利技术实施例还提供了一种氮化物半导体装置，包括依次设置的下接触层、下光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层和隧道结，所述隧道结上还设置有上光学限制层和上接触层，所述隧道结采用前述的任一种氮化物半导体隧道结。进一步地，所述上光学限制层和下光学限制层中的至少一者是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物半导体隧道结的制备方法，其特征在于包括：形成包含p型氮化物层和n型氮化物层的隧道结；至少使所述p型氮化物层的局部区域暴露在外；对所述隧道结进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物半导体隧道结的制备方法，其特征在于包括：形成包含p型氮化物层和n型氮化物层的隧道结；至少使所述p型氮化物层的局部区域暴露在外；对所述隧道结进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将覆盖所述p型氮化物层的结构层的局部移除，从而至少使所述p型氮化物层的局部区域暴露在外；优选的，所述制备方法包括：至少在覆盖所述p型氮化物层的结构层上加工出一个以上孔洞，并使所述孔洞一端暴露于外部环境中，另一端到达所述p型氮化物层表面或内部；优选的，所述结构层包括所述n型氮化物层；优选的，所述的孔洞为两个以上，且相邻孔洞之间的距离为0mm-1mm；优选的，所述孔洞的形状包括规则或不规则形状，所述规则形状包括圆形、圆环形、四边形、六边形、八边形或十二边形；优选的，所述p型氮化物层含有M-H键，M为掺杂元素，并且所述热处理的温度足以使得所述M-H键内的H从p型氮化物层中逃逸出；优选的，M包括Mg；优选的，所述p型氮化物层包括p型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N重掺层，其中x1、y1、(x1+y1)均≥0而≤1；优选的，所述n型氮化物层包括n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N重掺层，其中x2、y2和(x2+y2)均≥0而≤1；优选的，所述的制备方法还包括：至少采用干法刻蚀、湿法腐蚀、电化学腐蚀和光辅助的电化学腐蚀中的任意一种方式或两种以上方式的组合在所述结构层上加工出所述孔洞，所述结构层为一个材料层或层叠设置的两个以上材料层。3.由权利要求1或2所述方法制备的氮化物半导体隧道结。4.一种氮化物半导体装置，包括依次设置的n型接触层、有源区、电子阻挡层、p型层和隧道结，其特征在于：所述隧道结采用权利要求3所述的氮化物半导体隧道结，所述隧道结包括p型氮化物层和覆盖p型氮化物层的n型氮化物层，且所述p型氮化物层的局部区域从n型氮化物层中暴露出。5.根据权利要求4所述的氮化物半导体装置，其特征在于：所述n型氮化物层中形成有一个以上孔洞，所述孔洞用以使所述p型氮化物层的局部区域暴露出；和/或，所述装置表面还覆盖有绝缘介质层，所述绝缘介质层上分布有可供接触电极通过的窗口，所述接触电极分别与n型接触层、n型氮化物层形成欧姆接触；优选的，所述绝缘介质层的材质包括SiO2、氮化硅、SiON、单晶Si、多晶Si、Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5和ZrO2中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述氮化物半导体装置包括发光二极管。6.如权利要求4或5所述氮化物半导体装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：提供外延层，其包括依次生长形成n型接触层、有源区、电子阻挡层、p型层和隧道结，所述隧道结包括依次生长形成的p型氮化物层和n型氮化物层；至少将所述n型氮化物层的局部除去，使所述p型氮化物层的局部区域暴露出，再对所述外延层进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出；以及制作接触电极，并使所述接触电极分别与n型接触层、n型氮化物层形成欧姆接触；优选的，所述的制备方法还包括：在所述隧道结的n型氮化物层中加工出一个以上孔洞，使所述p型氮化物层的局部区域暴露出，再对所述外延层进行热处理，使所述p型氮化物层内至少部分的H逃逸出；优选的，所述的制备方法还包括：在所述外延层上加工出n台面，且使加工深度到达n型接触层；于所述外延层表面覆设绝缘介...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，冯美鑫，高宏伟，周宇，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32