CN100524860C - 半导体元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种包含n型氮化镓基化合物半导体和与所述半导体进行欧姆接触的新型电极的半导体元件。本发明的半导体元件具有n型氮化镓基化合物半导体和形成与所述半导体的欧姆接触的电极，其中所述电极具有将要与所述半导体接触的TiW合金层。根据优选实施例，上述电极也可以用作接触电极。根据优选实施例，上述电极具有优异的热阻。此外，还提出了所述半导体元件的生产方法。

Description

半导体元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，所述半导体元件包括n型氮化镓基化合物半导体和与所述半导体进行欧姆接触的电极。

背景技术

氮化镓基化合物半导体(在下文中也称作“GaN基半导体”)是一种通过以下化学式表示的III族氮化物构成的化合物半导体：

Al_aIn_bGa_1-a-bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)，

所述GaN基半导体由具有诸如GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InN等之类的这些化合物作为示例。在上述化学式的化合物半导体中，将一部分III族元素用B(硼)、Tl(铊)等来代替、将一部分N(氮)用P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Bi(铋)等来代替的化合物也包含在GaN基半导体中。

近年来，发射具有从绿光到紫外光波长的光的诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等之类的GaN基半导体发光元件已经实践并且引起了注意。该发光元件具有通过将n型GaN基半导体和p型GaN基半导体连接形成的pn结二极管结构作为基本机构。简单地说，根据发光元件的发光机制，当注入到n型GaN基半导体中的电子和注入到p型GaN基半导体中的正空穴在pn结及其附近再次接合失去能量时，发射出与所述能量相对应的光。在这种元件中，将与n型GaN基半导体进行欧姆接触的电极(在下文中也称作“n型欧姆电极”)用于将电极有效地注入到n型GaN基半导体中。在LED中，一般采用其中n型欧姆电极也用作接触电极的结构。接触电极是一种将用于元件和元件的外部电极电连接的接合引线、焊料等所接合的电极。要求接触电极表现出与接合引线(例如Au线)或焊料(例如Au-Sn共溶体)良好的接合性。当接合性较弱时，可能会在芯片安装工艺中出现缺陷。

传统地，已经使用Al(铝)单层膜或其中将铝层层压到Ti(钛)层上的多层膜作为n型欧姆电极(JP-A-7-45867，USP 5,563,422)。然而，因为这些电极主要由铝层构成，他们表现出较低的热阻，例如当施加热处理时可能易于变形。这是由以下事实引起的：铝具有较低熔点，因为与GaN基半导体等相比铝的热膨胀系数相当大，热应力易于发展到电极内部。此外，当使用这些电极作为接触电极时，在铝的表面上形成氧化膜，这使通过Au-Sn共熔体焊料退化了Au线的接合性和润湿性。因此，在芯片安装过程中产量倾向于较低。为了解决该问题，已经建议了一种电极(JP-A-7-221103，USP 5,563,422)，其中在由具有相当高熔点的金属构成的层处的Al层上层压了Au层。然而，该电极也要求在约400℃的温度下的热处理以减小接触电阻，因为该电极在Al层处与n型GaN基半导体接触。热处理使电极表面粗糙，并且可能退化与接合线或焊料的接合性。该电极与难以生产具有良好可再现性的相同性质的问题相关联，因为由于热应力导致的Al和Au的扩散状态影响热处理之后与n型GaN基半导体的接触电阻。

作为不含Al的n型欧姆电极，JP-A-11-8410公开了提供通过层压TiW合金层、Ge(锗)层和Rh(铑)层并且通过对层压进行热处理而获得的n型欧姆电极。通过与n型GaN基半导体的电极形成良好欧姆接触的原理是不清楚的。然而，因为与这三个金属层的层压顺序无关地形成良好的欧姆接触，假定由包括全部三种金属层的化学反应产生的产品起某种作用。由此期望除非在将这三层层压的调节下并且严格地控制控制在电极形成时随后的热处理的条件，否则不能稳定所获得电极的性质。因此，认为使用该电极的半导体元件不适用于大规模生产。

发明内容

考虑到这种情况已经实现了本发明，并且旨在提供包括新型欧姆电极的半导体元件，所述欧姆电极与n型GaN基半导体形成良好的欧姆接触。本发明还旨在提供一种包括n型欧姆电极的半导体元件，优选地，可以所述n型欧姆电极作为接触电极。此外，本发明旨在提供一种包括热阻优异的n型欧姆电极的半导体元件。此外，本发明旨在提供一种上述半导体元件的生产方法。

本发明的特征如下。

(1)包括n型氮化镓基化合物半导体的半导体元件，以及与所述半导体欧姆接触的电极，其中所述电极具有与所述半导体接触的TiW合金层。

(2)以上(1)的半导体元件，其中所述TiW合金层具有小于等于70wt％的Ti浓度。

(3)以上(2)的半导体元件，其中所述TiW合金层具有小于等于40wt％的Ti浓度。

(4)以上(3)的半导体元件，其中所述TiW合金层具有小于等于8wt％的Ti浓度。

(5)以上(1)—(4)任一个的半导体元件，其中所述TiW合金层具有大于等于4wt％的Ti浓度。

(6)以上(1)的半导体元件，其中沿TiW合金层的厚度方向，所述TiW合金层的W-Ti成分比实质上恒定。

(7)以上(1)的半导体元件，其中通过使用Ti含量小于等于90wt％的Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

(8)以上(1)的半导体元件，其中通过使用Ti含量为10wt％的Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

(9)以上(4)或(8)的半导体元件，其中所述电极是热处理过的。

(10)以上(1)至(9)的任一个的半导体元件，其中所述电极具有在TiW合金层上层压的金属层。

(11)以上(10)的半导体元件，其中所述金属层包括Au层。

(12)以上(11)的半导体元件，其中所述层包括在上述TiW合金层上直接层压的金层。

(13)以上(11)的半导体元件，其中所述金属层由Au的单层构成，或者由具有Au层作为顶层的层压叠片构成。

(14)以上(11)的半导体元件，其中所述金属层只包括具有与Au相同熔点或比Au更高熔点的金属。

(15)以上(10)的半导体元件，其中所述金属层不含Rh。

(16)以上(1)至(15)任一个的半导体元件，其中电极表面具有小于等于0.02微米的算术平均粗糙度Ra。

(17)用于生产半导体元件的方法，所述方法包括：形成TiW合金层作为n型氮化镓基化合物半导体的表面上的电极的一部分的步骤。

(18)以上(17)的生产方法，其中通过使用Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

(19)以上(18)的生产方法，其中所述TiW合金层具有小于等于70wt％的Ti浓度。

(20)以上(18)的生产方法，所述方法还包括：对TiW合金层进行热处理的步骤。

在本发明中，所述TiW合金实质上只由Ti和W(钨)组成。根据本发明，可以获得包括n型欧姆电极的半导体元件，所述n型欧姆电极形成与n型GaN基半导体的良好欧姆接触。根据本发明的优选实施例，可以获得包括n型欧姆电极的半导体元件，优选地使用所述n型欧姆电极作为接触电极。根据本发明的优选实施例，可以获得包括热阻较好的n型欧姆电极的半导体元件。

附图说明

图1是本发明实施例氮化镓基化合物半导体元件的结构的示意图，图1(a)是顶视图，以及图1(b)是沿图1(a)的X-Y线得到的剖面图。

图2示出了差分干涉显微镜的电极表面的观察图像。

图3示出了通过俄歇电子谱沿电极方向的成分分析结果。

图4示出了通过差分干涉显微镜的电极表面的观察图像。

图5示出了通过差分干涉显微镜的电极表面的观察图像。

图6示出了通过俄歇电极谱沿电极深度方向的成分分析结果。

图1中符号的意思如下：

1衬底、2第一缓冲层、3第二缓冲层、4n型接触层、5有源层、6p型包层、7p型接触层、P1n侧电极、P2p侧电极、P21p侧欧姆电极、P22p侧接合电极、100半导体元件。

具体实施方式

本发明可以应用于包括n型GaN基半导体和电极的任意元件，所述电极形成与半导体的欧姆接触，即n型欧姆电极。本发明的半导体元件包括除了GaN基半导体之外的半导体构成的部分。典型地，本发明的半导体元件是发光元件。可选地，例如所述半导体元件可以是光接收元件或注入晶体管之类的电子元件。

在本发明的半导体元件中，其上形成n型欧姆电极的n型GaN基半导体可以具有任意成分。n型GaN基半导体可以是非掺杂或掺杂有杂质的，只要其表现出n型导电性。优选地，与TiW合金层接触的n型GaN基半导体是Al_xGa_1-xN(0≤x≤0.2)。此外，优选地，与TiW合金层接触的n型GaN基半导体具有1×10¹⁸/cm³～1×10²⁰/cm³的载流子浓度，优选地5×10¹⁸/cm³～5×10¹⁹/cm³的载流子浓度。具体地，具有通过掺杂n型杂质控制处于上述优选浓度范围的载流子浓度的n型GaN基半导体是优选的。这种类型的n型杂质没有限制，并且诸如Si、Ge等之类的任意已知n型杂质可应用于GaN基半导体。在本发明的半导体元件中，可以通过诸如MOVPE(金属有机气相沉积)、HVPE(氢化物气相沉积)、MBE(分子束外延)等形成、或者通过高压方法、液相方法等形成其上形成了n型欧姆电极的n型GaN基半导体。n型GaN基半导体可以产生为衬底上的薄膜，或者可以是衬底。

在本发明的半导体元件中，n型欧姆电极也用作接触电极。可选地，除了n型欧姆电极之外，半导体元件可以具有与n型欧姆电极电连接的一个或多个接触电极。当n型欧姆电极也用作接触电极时，具有比表面更高平坦度的电极表现出电极与接合线或焊料的更好接合状态，这使用自动机器提高了接合工艺中的产量。具体地，也用作接触电极的n型欧姆电极表面的算术平均粗糙度Ra优选地小于等于0.02微米。

对于本发明的半导体元件，形成n型欧姆电极中包含的TiW合金层的方法没有限制，并且可以适当地使用形成TiW合金薄膜的传统公知方法。优选地，可以通过使用溅射形成TiW合金层。可以根据JP-A-5-295531(USP5,470,527)、JP-A-4-193947、JP-A-4-293770(USP 5,160,534)和气体公知技术可知Ti-W靶的细节。除了Ti和W之外，使用Ti-W靶形成的TiW合金层可能会包括不可避免地包含在靶中的杂质。TiW合金层包含这种难以从开始材料去除的杂质是可以接受的。在本发明的半导体元件中，在n型欧姆电极中包含的TiW合金的膜厚例如是0.01微米至1微米，优选地，是0.05微米至0.5微米。TiW合金层的Ti浓度没有具体的限制。然而，当Ti-W靶中的Ti含量小于通过溅射形成的情况时的5wt％时，形成的TiW合金薄膜与衬底之间的粘附性变得较弱，并且据说所述膜易于从衬底上分离(USP5,470,527)。当Ti-W靶的Ti含量小于5wt％时，形成的TiW合金层具有小于4wt％的Ti浓度，并且因此优选地，TiW合金层具有不小于4wt％的Ti浓度。如在以下实验性示例中所示，当电极中的TiW合金层具有较低的Ti浓度时，n型欧姆电极的热阻变得较好。因此，优先地，TiW合金层的Ti浓度小于等于40wt％，更优选地，小于等于20wt％，更优选地，小于等于8wt％。

在TiW合金层中，优选地，W和Ti的成分比沿所述层的厚度方向实质恒定。当W和Ti的成分比恒定时，因为缺乏密度梯度，不会发生W原子和Ti原子的扩散。因此，当将半导体元件放置在高温环境中时，已知了n型欧姆电极的性质变化。

在本发明的半导体元件中，n型欧姆电极可以是由与n型GaN基半导体接触的TiW合金层和在TiW合金层上层压的金属层构成的层压叠片。金属层可以由任意金属材料(可以是单独的金属或合金)形成。此外，金属层可以是单独的层或者具有层压结构。为了减少电极的阻抗，优选地，金属层由具有高导电性的金属形成，例如Ag、Cu、Au、Al等。当将n型欧姆电极按照这种层压形成时为了减小施加到TiW合金层上的热应力，优选地，将金属层形成为Au层或Au层与其他金属层的层压叠片。这是因为Au是较软的并且是易于变形的金属。通过减小施加到TiW合金层上的热应力，可以防止诸如变形和n型欧姆电极分离、以及n型欧姆电极和n型GaN基半导体之间的接触不稳定性之类的问题发生。认为该效应当将Au层直接层压到TiW合金层上时是特别显著的。当n型欧姆电极是上述层压叠片时，在层压叠片的表面上暴露的层，即在TiW合金层上层压的金属层的顶层由诸如Au、铂族元素等之类的化学稳定金属组成，从而改善了对于n型欧姆电极侵蚀的抵抗力。当n型欧姆电极也用作接触电极时，优选地，顶层是Au层。当n型欧姆电极是上述层压叠片并且将要层压到TiW合金层上的金属层包含Al层时，所述电极表现出退化的热阻。因此，从热阻的方面来看，优选的是金属层不包含Al。当将包含Au层的金属层层压到TiW合金层上时，考虑热阻，优选的是形成只包括具有与Au相同熔点或比Au更高熔点的金属层。

在本发明的半导体元件中的n型欧姆电机和n型GaN基半导体之间的欧姆接触不是通过包含Rh的化学反应的产物的反应产生的，与在JP-A-11-8410公开的电极不同。因此，当在本发明的半导体元件中的n型欧姆电极是上述层压叠片时，将要层压到TiW合金层的金属层可以是不含Rh的。

在本发明的半导体元件中，可以省略n型欧姆电极的热处理。这是因为在TiW合金层处与n型GaN基半导体接触的n型欧姆电极表现出不会引起实际问题的较低水平的接触阻抗，甚至无需热处理。当可以省略n型欧姆电极的热处理时，提供的优势是：可以缩短生产所需的时间，并且可以增加半导体元件的生产工艺设计的自由度。此外，当省略热处理时，由其自身解决了由于热处理导致的电极表面***糙的问题。因此，n型欧姆电极适用于同样用作接触电极的电极。

另一方面，在本发明的半导体元件中，可以任意地执行n型欧姆电极的热处理。只要没有削弱所需性质，可以依赖于电极的热阻适当地设定热处理的温度和时间。作为用于热处理的气氛气体，优选地，使用诸如氮气、稀有气体等之类的惰性气体。当n型欧姆电极是上述层压叠片时，可以在完成层压叠片的形成之后施加所述热处理。可选地，例如可以当形成TiW合金层时施加所述热处理，并且随后可以将金属层层压到TiW合金层上。当将热处理施加到n型欧姆电极时，可能发生n型GaN基半导体的成分扩散到TiW合金层中或TiW合金的成分扩散到n型GaN基半导体中。然而，只要没有削弱本发明的效果，这种扩散是可接受的。

示例

通过参考示例下面将详细解释本发明，所述示例并非是限制性的。

<实验性示例1，(示例1、比较示例1)>

准备具有如图1所示结构的GaN基半导体元件并且对其进行评估。图1中所示的GaN基半导体元件100是具有以下结构的发光二极管：将第一缓冲层2、第二缓冲层3、n型接触层4、有源层5、p型盖层6和p型接触层7按这种顺序层压到衬底1上。在n型接触层4上，形成了与n型接触层4进行欧姆接触的n侧电极P1。在p型接触层7上，形成了与p型接触层7进行欧姆接触的p侧电极P2。P侧电极由在p型接触层7的整个表面上形成的p侧欧姆电极P21组成，并且p侧接合电极P22与p侧欧姆电极P21电连接。GaN基半导体元件100准备如下。

(晶体生长)

将蓝宝石衬底1(直径2英寸)设置在MOVPE生长炉中，在流动氢气的同时将衬底温度升高到1100℃，从而清洁衬底1的表面。然后，将衬底温度降到500℃，并且使用氢气作为载气以及氨气和TMG(三甲基镓)作为启动开始材料气体在衬底1上生长膜厚约30nm的由GaN组成的第一缓冲层2。然后，停止TMG的供应，并且将衬底温度升高到1000℃。使用TMG和氨气作为开始材料气体，生长膜厚约2微米的非掺杂GaN组成的第二缓冲层3。然后，另外地提供硅烷气体以生长膜厚3微米的n型接触层4，由掺杂Si(硅)的GaN构成以实现约5×10¹⁸/cm³的浓度。然后，停止供应TMG和硅烷气体，将衬底温度降低到800℃，并且使用TMG、TMI(三甲基铟)、硅烷气体和氨气，交替地生长由In_xGa_1-xN组成的垒层和In_yGa_1-yN(y>x)组成的阱层，以形成两端具有垒层的多量子阱结构的有源层5。将垒层的膜厚设定为10nm，并且将阱层的膜厚设定为2nm。此外，对阱层中In组分y进行调节以实现400nm的激射波长。然后，停止供应TMG、TMI、和硅烷气体，再次将衬底温度升高到1000℃，使用TMG、TMA(三甲基铝)氨气和(EtCp)₂Mg(双茂基镁)将由掺杂有约5×10¹⁹/cm³浓度的Mg(镁)的Al_0.1Ga_0.9N构成的p型盖层6生长为膜厚30nm。然后，停止TMA的供应，并且将掺杂有约8×10¹⁹/cm³浓度的Mg的GaN构成的p型接触层7生长为膜厚120nm。在完成p型接触层7的生长之后，停止衬底加热，停止除了氨气之外的开始材料气体的供应，并且将衬底温度降低到室温。其后，为了激活掺Mg的p型盖层6和掺镁的p型接触层7中的镁，在RTA设备(快速热退火设备)中的氮气氛围下执行900℃的热处理1分钟。

(p侧欧姆电极的形成)

接下来，形成p侧欧姆电极P21，其中通过电子束蒸发将Pd层(膜厚30nm)、Au层(膜厚100nm)和Ni层(膜厚10nm)按照该顺序层压到p型接触层7(晶片顶层)的表面上。如图1(a)所示，当从顶部观看时p侧欧姆电极P21具有正交的晶格图案。换句话说，p侧欧姆电极P21是开口电极，其中沿膜的长度和宽度规则地设置了大量穿透电极膜的正方形开口，并且将p侧接触层7的表面从开口中暴露出来。针对正方形的一边开口的尺寸是8微米，并且针对长度和宽度相邻开口之间的距离(电极部分的宽度)是2微米。通过传统剥离方法对p侧欧姆电极P21进行构图。即，在p型接触层7的表面上形成通过光刻构图为预定形状的抗蚀剂膜，在所述抗蚀剂膜上形成具有上述层压结构的电极膜并且对抗蚀剂掩模进行剥离，从而去除了在抗蚀剂掩模上沉积的电极膜。使用RTA设备，对p侧欧姆电极P21进行热处理。其后，热处理的条件是氮气氛围、500℃和1分钟。

(n侧电极的形成)

接下来，在其上形成了p侧欧姆电极P21的p型接触层7上形成具有给定形状的抗蚀剂掩模。通过使用氯气的RIE(反应离子刻蚀)，从p型接触层7一侧对所述层进行刻蚀，以如图1所示暴露n型接触层4的表面。在暴露之后，通过RF溅射将TiW合金层(膜厚100nm)、Au层(膜厚100nm)、Pt层(膜厚80nm)、Au层(膜厚80nm)、Pt层(膜厚80nm)、Au层(膜厚80nm)、Pt层(膜厚80nm)和Au层(膜厚80nm)按照这种顺序层压到n型接触层4的表面上，从而形成n侧电极P1。对于通过RF溅射形成TiW合金层，使用Ti-W靶(三菱材料公司制造的，产品名称：4N W-10wt％Ti靶)作为靶，使用Ar(氩气)作为溅射气体，并且采用200W的RF功率、1.0×10^-1Pa的溅射气压。Ti-W靶的Ti含量为10.16wt％(通过吸光测定法获得的分析值)和15ppm的Fe(铁)作为杂质(通过ICP获得的分析值)。如在p侧欧姆电极P21的构图中的剥离方法对n侧电极P1进行构图。

(形成p侧接合电极)

接下来，通过电子束蒸发在p侧欧姆电极P21上形成p侧接合电极P22，其中将具有膜厚20nm的Ti和具有膜厚600nm的Au按照这种顺序层压。然后，使用等离子体CVD，形成由SiO₂构成的钝化膜(未示出，膜厚300nm)以覆盖除了n侧电极P1和p侧接合电极P22之外的晶片表面。随后，使用RTA设备，对n侧电极P1和p侧接合电极P22进行热处理。热处理的条件是氮气氛围、500℃和1分钟。按照这种方式，在晶片上形成了350微米的正方形发光二极管(示例1)。

(评估)

将通过上述步骤准备的发光二极管元件无需元件分离(切割为芯片)如在晶片上形成的那样进行评估。图2示出了利用差分干涉显微镜对n侧电极P1的表面的观察图像。如图2所示，n侧电极P1的表面是平坦的并且没有***糙。尽管在电极的中心观察到了多条对角线，他们是在与自动探测器的探针接触时的电学性质评估过程中的产生的划痕，并且不会表现出表面粗糙度。利用自动探测器测量使20mA的正向电流在元件中流过时的Vf(正向电压)，并且发现是3.4V。该值是作为具有400nm激射波长的发光二极管的Vf的标准值。由此应该理解的是n侧电极P1和n型接触层4的接触电阻足够低以避免实际问题。这也意味着在n侧电极P1和n型接触层4之间形成了良好的欧姆接触。图3所示的是沿n侧电极P1的深度方向成分分析的结果，所述结果是使用俄歇电子谱(AES)获得。根据图3，应该理解的是n侧电极P1和n型接触层4在TiW合金层处接触。此外，还应该理解的是TiW合金层中Ti和W的成分比沿厚度方向实质恒定。

为了比较，通过与用于上述元件相同的方法准备了具有与上述元件(示例1)相同结构的发光二极管元件(比较示例1)，不同之处在于n侧电极是通过电子束蒸发形成的Al层(膜厚600nm)。作为比较示例1元件评估的结果，尽管利用自动探测器测量的Vf与示例1的元件是相同的水平，n侧电极的表面显著地***糙了。

<实验性示例2(示例2、比较示例2)>

通过MOVPE准备了试验晶片GaN缓冲层，其中在蓝宝石衬底(直径2英寸)上低温生长了掺杂Si的GaN层。电极A和电极B的以下两种类型的电极在所述缓冲层上形成，并且对所述电极进行评估。

电极A：通过将TiW合金层(膜厚100nm)和Au层(膜厚100nm)按照这种顺序层压，并且在500℃施加热处理1分钟来形成(示例2)。

电极B：通过将Al层(膜厚100nm)和Au层(膜厚100nm)按照这种顺序层压，并且在400℃施加热处理1分钟来形成(比较示例2)。

在电极A和电极B中包含的相应金属层通过RF溅射来形成。对于在电极A和电极B中包含的TiW合金层的膜形成条件与用于在实验性示例1中使用的TiW合金层的条件相同。通过光刻和剥离对电极进行构图。对于光刻，使用在实验性示例1中的n侧电极P1的构图所使用的光刻掩模。

图4示出了通过差分干涉显微镜对电极A表面的观察图像。此外，图5示出了通过差分干涉显微镜对电极B的表面的观察图像。如图4所示，尽管热处理是500℃，通过首先在掺杂Si的GaN层上形成TiW合金层、然后将Au层层压到TiW合金层上形成的电极A的表面是平坦的并且没有***糙.测量电极A表面的算术平均粗糙度Ra并且发现是0.014微米.因为作为用于电极形成的底座表面的掺杂Si的GaN层的Ra是约0.004微米，电极A表面的Ra小于等于底座表面的4倍。相反，如图5所示，尽管热处理温度是400℃，通过形成Al层并且随后在Al层上层压TiW层和Au层得到的电极B的表面明显是粗糙的。测量电极B表面的算术平均粗糙度Ra，并且发现是0.07微米。这是作为底座表面的掺杂Si的GaN层表面粗糙度的18倍。

图6示出了沿电极B的深度方向的成分分析的结果，使用俄歇电子谱获得。如图6所示，在电极B中，在TiW合金层上形成的Au层中的Au越过TiW合金层扩散至Al层一侧，并且在与掺杂Si的GaN层靠近的部分中存在Al和Au两者。Al也越过TiW合金层扩散至扩散至Au层一侧。根据实验性示例2，应该理解的是具有与掺杂Si的GaN层接触的TiW合金层的电极A表现出良好的热阻，但是具有没有与掺杂Si的GaN层接触的TiW合金层的电极B表现出较低的热阻。认为电极B的较低热阻的原因之一是电极B中Al层的存在，所述铝层具有低熔点以及与GaN明显不同的热膨胀系数。

公知的通过使用Ti-W靶进行溅射形成的TiW合金薄膜中包含的Ti浓度倾向于小于靶的Ti含量，小于等于靶中Ti含量的80％(JP-A-5-295531，USP5,470,527)。在上述实验性示例1和实验性示例2中，因为使用包含10wt％的Ti的Ti-W靶，认为在这些实验性示例中准备的样品的n型欧姆电极中包含的TiW合金层中的Ti浓度小于等于8wt％。

<实验性示例3(示例3和4、比较示例3和4)>

用于评估的样品准备如下。按照与实验性示例1相同的方式，将从第一缓冲层到p型接触层的GaN基半导体层生长到蓝宝石衬底上以给出具有发光二极管结构的GaN基半导体层压叠片的晶片。接下来，省略p侧欧姆电极的形成，形成n侧电极。按照与实验性示例1相同的方式，在通过RIE暴露的n型接触层(具有约5×10¹⁸/cm³Si浓度的掺杂Sin型GaN)的表面上形成n侧电极。n侧电极是以下四种类型(样品A-样品D)。

样品A：由TiW合金层(膜厚100nm)和在TiW合金层上层压的Au层(膜厚100nm)组成的n侧电极(示例3)。

样品B：由W层(膜厚100nm)和在W层上层压的Au层(膜厚100nm)组成的n侧电极(比较示例3)。

样品C：由Ti层(膜厚100nm)和在Ti层上层压的Au层(膜厚100nm)组成的n侧电极(比较示例4)。

样品D：由TiW合金层(膜厚100nm)和在TiW合金层上按照下述顺序层压的Au层(膜厚100nm)、Pt(膜厚80nm)、Au层(膜厚80nm)、Pt层(膜厚80nm)、Au层(膜厚80nm)、Pt层(膜厚80nm)和Au层(膜厚80nm)组成的n侧电极(示例4)。

通过RF溅射形成在各个样品的n侧电极中包含的相应金属层。用于在样品A和样品D中包含的TiW合金层的膜形成条件与在实验性示例1中使用的TiW合金层的形成条件相同。然而，如在实验性示例1中，使用包含10wt％Ti的Ti-W靶形成样品A的TiW合金层，而使用包含90wt％Ti的Ti-W靶形成样品D的TiW合金层。认为在样品D中的TiW合金层的Ti浓度约小于等于70wt％。针对任一个样品按照与实验性示例1相同的方式对n侧电极进行构图。使用按照这种方式形成n侧电极的晶片作为用于评估的样品。

(热处理前的评估)

基于使晶片上的两个相邻元件的n侧电极之间流过20mA电流所需的电压(在下文中也称为“n-n电压”)对每一个样品的n侧电极的接触阻抗进行评估。因为与n型接触层内部的电流共生的电压降可以忽略地小，n-n电压反映n侧电极和n型接触层之间的接触阻抗。换句话说，具有较高n-n电压的样品在n侧电极和n型接触层之间具有较高的接触阻抗。利用自动探测器测量具有通过溅射形成的n侧电极的每一个样品的n-n电压。结果如下。

样品A：0.3V。

样品B：0.7V。

样品C：0.2V。

样品D：0.3V。

样品A和样品D的n-n电压实质上与示例1的样品分离地测量的n-n电压0.2V等效。由此，应该理解的是可以使用在TiW合金层处与n型GaN基半导体接触的电极作为所形成的具有较低接触阻抗的欧姆电极。利用差分干涉显微镜观察样品A和样品D的电极表面，并且发现相当平整。

尽管样品A的电极在包含相对较低浓度(如上所述认为不超过8％)Ti的TiW合金层处与n型接触层接触，值得注意的是样品A的n-n电压不超过具有电极的样品B的n-n电压的一半，所述电极在W层处与n型接触层接触。这暗示着在样品A的电极中的TiW合金层的性质不是Ti和W性质的简单平均。还应该理解的是在没有热处理的情况下，在TiW合金层处与n型GaN基半导体接触的电极的接触阻抗几乎不依赖于TiW合金层的Ti浓度，因为样品A和样品D的n-n电压是相等的。这意味着该电极具有稳定的性质并且易于生产。

(热处理之后的评估)

接下来，使各个样品在氮气氛围下进行500℃的热处理1分钟。热处理之后各个样品的n-n电压如下。

样品A：0.2V。

样品B：0.7V。

样品C：2.4V。

样品D：3.2V。

观察热处理之后的电极表面。结果，样品A和样品B的电极表面处于良好的情况，即平坦而且没有***糙，而样品C和样品D的电极表面是粗糙的。

应该理解的是：因为在样品A中电极的表面没有通过热处理而***糙，并且n-n电压没有通过热处理实质上改变，将要与通过使用包含10wt％Ti的Ti-W靶的溅射形成的TiW合金层处与n型GaN基半导体接触的电极具有相当良好的热阻。还应该理解的是：可以在实验室里3中采用的条件下的热处理之后使用通过溅射形成的该电极。当施加热处理时，稳定了电极的结构。因此，可以防止当使用期间将所述元件暴露到高温时电极性质的根本变化。

相反，在使用Ti含量为90wt％的靶形成的TiW合金层处与n型接触层接触的样品D的电极明显地示出了由于热处理导致的增加的n-n电压和退化的表面。该趋势对于在Ti层与n型接触层接触的样品C的电极是普遍的。根据这些结果，应该理解的是在实验性示例3中采用的热处理条件对于在通过使用包含90wt％Ti的Ti-W靶的溅射形成的TiW合金层处与n型GaN基半导体接触的电极是严格的。

本发明不局限于上述示例，并且在不脱离本发明要旨的情况下可以按照各种方式进行修改。例如，在图1所示的GaN基半导体元件100中，p侧接合电极P22可以具有与n侧电极P1相同的结构，在这种情况下可以通过相同的步骤形成所述电极，因此简化了生产工艺。

本申请是基于在日本递交的专利申请No.2005-112610和2006-31741，将其全部内容一并在此作为参考。

Claims (14)

1.一种半导体元件，包括n型氮化镓基化合物半导体的半导体元件，以及与所述半导体欧姆接触的电极，其中所述电极具有与所述半导体接触的TiW合金层，所述TiW合金层具有大于等于4wt％且小于等于70wt％的Ti浓度。

2.根据权利要求1所述的半导体元件，其中所述TiW合金层具有小于等于40wt％的Ti浓度。

3.根据权利要求2所述的半导体元件，其中所述TiW合金层具有小于等于8wt％的Ti浓度。

4.根据权利要求1所述的半导体元件，其中通过使用Ti含量小于等于90wt％的Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

5.根据权利要求4所述的半导体元件，其中通过使用Ti含量为10wt％的Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

6.根据权利要求1所述的半导体元件，其中所述电极包括在上述TiW合金层上直接层压的Au层。

7.根据权利要求1所述的半导体元件，其中所述电极具有在TiW合金层上层压的、只包括具有与Au相同熔点或比Au更高熔点的金属的金属层。

8.一种用于生产半导体元件的方法，所述方法包括：形成TiW合金层作为n型氮化镓基化合物半导体的表面上的电极的一部分的步骤，其中所述TiW合金层具有大于等于4wt％且小于等于70wt％的Ti浓度。

9.根据权利要求8所述的生产方法，其中通过使用Ti-W靶进行溅射来形成TiW合金层。

10.根据权利要求9所述的生产方法，其中所述Ti-W靶的Ti含量小于等于90wt％。

11.根据权利要求9所述的生产方法，所述方法包括：对TiW合金层进行热处理的步骤。

12.根据权利要求11所述的生产方法，其中所述TiW合金层具有小于等于8wt％的Ti浓度。

13.根据权利要求11所述的生产方法，其中所述TiW靶的Ti含量小于等于10wt％。

14.根据权利要求11所述的生产方法，其中在所述热处理步骤之后，所述电极的表面具有小于等于0.02微米的算术平均粗糙度Ra。

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