CN100403568C - 一种氮化镓基ⅲ-ⅴ族化合物半导体器件的电极 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓基III-V族化合物半导体器件的电极，包括n电极6和p电极7，n电极6位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的n型氮化镓(n-GaN)层2上，p电极7分别位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的p型氮化镓(p-GaN)4和透明电极5上，n电极6由欧姆接触层6A、阻挡层6B和金属压焊层6C三层构成，p电极7由粘附导电层7A、阻挡层7B和金属压焊层7C三层构成，其特征在于：所述欧姆接触层6A和粘附导电层7A均为铬Cr，金属压焊层6C和7C均为金属铝Al。可以降低生产成本、简化生产工艺。

Description

一种氮化镓基Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体器件的电极

技术领域

本发明涉及一种氮化镓基III-V族化合物半导体器件芯片电极。

背景技术

III-V族氮化物，即包括例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAlN)、氮化镓铟(InGaN)、及氮化镓铝铟(InAlGaN )等，具有直接能带、能带宽度大、饱和漂移速率高、击穿电场高、以及化学稳定性好等特点，在通讯及显示器等方面有广泛的用途。

一般而言，目前生产的氮化镓基III-V族化合物半导体器件芯片的金属电极都是多层复合结构，而且以Cr/Au、Cr/Pt/Au、Cr/Ni/Au使用最为广泛，它们都使用一层低电阻的Au作为压焊层，

GaN LED的侧面剖视图(图1)显示了基于GaN的III-V族化合物半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)金属电极的典型构造。在蓝宝石衬底1上依序生长n型氮化镓(n-GaN)2、多层量子阱(MQWs)3和p型氮化镓(p-GaN)4，然后做一层透明电极5。

之后制作n电极6和p电极7。首先是一层欧姆接触层6A和粘附导电层7A，一般要求该层与其下的n-GaN区域和p-GaN区域的透明电极具有好的欧姆接触，通常采用铬(Cr)；然后在其上制作一层阻挡层6B和7B，其目的是降低欧姆接触层6A、粘附导电层7A和压焊层6C、7C的金属互溶，影响器件性能。阻挡层材料可以选用铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、铝(Mo)、钛钨合金(TiW)等难熔、热稳定性好的金属。最后制作压焊层6C、7C。该层的作用是让金属引线可以焊接于其上，因此要求压焊层有一定的厚度和柔韧性。一般采用金(Au)作为压焊层材料，使用Au作为压焊层主要考虑了Au具有很好的抗氧化性和延展性，有利于金属引线的压焊。

以上所述n电极6和p电极7可以同时制作，也可以选用不同材料组合和工艺流程分开制作。

然而，在制作GaN器件芯片的金属电极时，选择金作为压焊层材料使得芯片工艺制作成本很高，同时也与工艺相对成熟的硅器件制作相脱离(硅器件制作中常采用Al作为金属电极)。

GaN器件制作中，以铝(Al)作为压焊层，目前业界通常采用Ti/Al结构。这种方式直接用在氮化镓基III-V族化合物半导体器件上存在问题：对于Ti/Al结构，不能同时制作两个电极。若同时制作两个电极，在不退火的条件下，芯片的热稳定性比较差，不能经受很高的温度，比如，在器件应用时会使用到的无铅焊料，在焊接引线时需要高的温度，这会导致器件正向压降Vf升高；在退火的条件下，器件的漏电流Ir会急剧增加，光电特性显著衰退。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经济、实用的氮化镓基III-V族化合物半导体器件的电极，解决以上的问题。

本发明的技术方案是：一种氮化镓基III-V族化合物半导体器件的电极，包括n电极6和p电极7，n电极6位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的n型氮化镓(n-GaN)层2上，p电极7分别位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的p型氮化镓(p-GaN)4和透明电极5上，n电极6由欧姆接触层6A、阻挡层6B和金属压焊层6C三层构成，p电极7由粘附导电层7A、阻挡层7B和金属压焊层7C三层构成，其特征在于：所述欧姆接触层6A和粘附导电层7A均为铬Cr，金属压焊层6C和7C均为金属铝Al。

本发明电极的制作方法如下：

在氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片上刻蚀出n-GaN区域，在n-GaN区域上制作n电极。n电极包括三层金属，第一层为与n-GaN接触的欧姆接触层，材料为铬(Cr)。在欧姆接触层之上制作第二层阻挡层，材料要求为热稳定性良好的难熔金属，如铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、铝(Mo)等等，或者是这些材料的多层复合、合金。在阻挡层之上制作第三层金属压焊层，材料为铝(Al)。然后在p-GaN区域上制作p电极，p电极包括三层金属，第一层为与p-GaN和透明电极接触的粘附导电层，材料为铬(Cr)。在粘附导电层之上制作第二层阻挡层，材料要求为热稳定性良好的难熔金属，如铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、钼(Mo)等等，或者是这些材料的多层复合、合金。在阻挡层之上制作第三层金属压焊层，材料为铝(Al)。

按上述方法制作GaN基III-V族化合物半导体器件芯片时，在制作n电极之后，进行退火制作工艺，之后再制作p电极。在形成P电极前，进行退火制作工艺，可以降低N电极与n型半导体层之间的接触电阻。

按上述方法制作GaN基III-V族化合物半导体器件芯片时，n电极和p电极可以使用完全相同的金属材质同时制作。

在器件性能及稳定性均达到产晶要求的前提下，本发明的主要优点是：

1、相较于金(Au)压焊层，铝(Al)压焊层可以低成本量产，同时Al也具有良好的反光特性。

2、采用Al作为电极压焊层和目前集成电路中的工艺相结合。目前已经有人采用含Al的焊线作为LED电极与引线的连接线，若电极也采用Al材料，将增强器件的可靠性。

3、采用铬(Cr)作为欧姆接触层和粘附导电层，因为铬(Cr)具有良好的电学稳定性和热稳定性，同时具有一定的机械强度。

4、铬(Cr)由于有良好的稳定性和附着性，n电极和p电极可以同时制作，使得LED芯片制作工艺变得相对简单。

5、我们采用具有良好电学稳定性和热稳定性的铬(Cr)作为欧姆接触层，对器件压焊时的稳定性很有帮助。可是，对于Cr/Al结构，器件温度大于200℃时，Cr/Al电极出现表面形貌恶化的现象，Al压焊层表面的平整结构会被破坏。在Cr/Al之间加入一层阻挡层，有效的避免了Cr和Al相互作用导致的器件电极表面形貌恶化的问题。使得电极形貌更好，电极制作工艺更稳定。

另一方面，若采用Al作为压焊层，将改变现有的工艺流程。

现有工艺中，制作完电极后，要沉积生长一层二氧化硅(SiO2)层，然后再用湿法刻蚀技术刻蚀出电极孔。这种技术可以运用在Au作为压焊层的电极上，却不能用在Al作为压焊层的电极上，因为Al的化学稳定性比Au差，Al耐酸腐蚀的能力不强，采用湿法刻蚀会同时把Al压焊层也腐蚀掉。因此，本专利所述的电极制作完成后，对SiO2的腐蚀只能采用干法刻蚀。然而，干法刻蚀在形貌与工艺稳定性方面比湿法刻蚀更好，在生产效率上两者相差不大，也不是产能的控制因素，即不是工艺的关键因素，因此不会对整个工艺造成影响。

附图说明

图1是常用GaN基III-V族化合物半导体LED芯片的侧面剖视图。其中，1-蓝宝石衬底，2-n型氮化镓(n-GaN)层，3-多层量子阱(MQWs)层，4-p型氮化镓(p-GaN)层，5-透明电极，6-n电极，6A-欧姆接触层，6B-金属阻挡层，6C-压焊层，7-p电极，7A-粘附导电层，7B-金属阻挡层，7C-压焊层。

图2是本发明实施例的制作过程图之1，蓝宝石外延片的侧面剖视图。

图3是本发明实施例的制作过程图之2，刻蚀出n-GaN区域，并制作透明电极后的侧面剖视图。

图4是本发明实施例的制作过程图之3，制作完n电极后的侧面剖视图。

图5是本发明实施例的制作过程图之4，n电极和p电极一起制作时，制作完铬(Cr)欧姆接触层和粘附导电层后的侧面剖视图。

图6是本发明实施例的制作过程图之5，n电极和p电极一起制作时，制作完金属阻挡层后的侧面剖视图。

图7是本发明实施例的制作过程图之6，n电极6和p电极7制作完成后的侧面剖视图。

具体实施方式

本发明中，“GaN基III-V族化合物半导体”意指包括镓的III族元素的氮化物半导体，例如GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN等。

以下参考附图详细说明本发明。

实施例1：

参见图2、图3、图4和图7。首先对如图2所示的蓝宝石外延片，用反应离子刻蚀法刻蚀，去掉部分的p-GaN层4，多层量子阱层3、及n-GaN层2，使之出现一个n-GaN平台。然后在p-GaN区域上蒸渡一层透明电极5，并对其进行热处理，使之与p-GaN层4形成欧姆接触(如图3所示)。然后在刻蚀出的n-GaN平台上依次蒸发上Cr/Pt/Al，之后采用金属剥离工艺，形成n-GaN区域的欧姆接触层6A、金属阻挡层6B和压焊层6C(如图4所示)。并对n电极进行退火处理，使其与n-GaN区域形成好的欧姆接触。然后在p-GaN区域上依次蒸发上Cr/Pt/Al，并采用金属剥离工艺，形成p-GaN区域的粘附导电层7A、金属阻挡层7B和压焊层7C(如图7所示)。

实施例2：

参见图2、图3、图5、图6和图7。如同实施例1，在蓝宝石外延片上刻蚀出n-GaN平台，并蒸渡一层透明电极5，形成欧姆接触。然后在n-GaN区域和p-GaN区域上同时依次蒸渡CrPt/Al，之后采用金属剥离工艺，形成n-GaN区域和p-GaN区域的欧姆接触层6A、粘附导电层7A，金属阻挡层6B、7B和压焊层6C、7C(如图5、图6、图7所示)。

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。凡依本发明所做任何变更，皆属本发明权利要求范围。

Claims (1)

1.一种氮化镓基III-V族化合物半导体器件的电极，包括n电极(6)和p电极(7)，n电极(6)位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的n型氮化镓层(2)上，p电极(7)分别位于氮化镓基III-V族化合物半导体器件外延片的p型氮化镓(4)和透明电极(5)上，n电极(6)由欧姆接触层(6A)、阻挡层(6B)和金属压焊层(6C)三层构成，p电极(7)由粘附导电层(7A)、阻挡层(7B)和金属压焊层(7C)三层构成，其特征在于：所述欧姆接触层(6A)和粘附导电层(7A)均为铬，金属压焊层(6C)和(7C)均为金属铝Al。

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