CN100411199C - 上发射氮化物基发光装置及其制造方法 - Google Patents

上发射氮化物基发光装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种上发射N基发光装置及其制造方法。该装置包括基底、n型覆盖层、活性层、p型覆盖层和多层欧姆接触层，它们被依次地层叠。多层欧姆接触层包括一层或多层层叠结构，每个层叠结构包括改性金属层和透明导电薄膜层，它们被反复层叠在p型覆盖层上。改性金属层由Ag基材料形成。

Description

上发射氮化物基发光装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种上发射N-基(top-emitting N-based)发光装置及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种具有改善的电阻特性和发光效率的上发射N-基发光装置及其制备方法。
背景技术
当前，透明导电薄膜层正广泛用于显示领域和能源工业中。
在发光装置领域，对于能够平稳注入空穴和高效发光的透明导电薄膜电极已进行了大量的研究。
透明的导电氧化物和透明的导电氮化物是用于形成透明导电薄膜层的材料，近年来已得到积极研究。
透明的导电性氧化物是例如氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)和氧化铟锡(ITO)，透明的导电性氮化物是例如氮化钛(TiN)。
然而这些透明的导电性氧化物或透明的导电性氮化物具有高薄层电阻、高反射率和低功函(work function)。因此难以在上发射GaN基发光装置的p型透明电极上只应用透明的导电性氧化物和透明的导电性氮化物中的一种。
更具体地，首先，当用上述透明的导电性氧化物或透明的导电性氮化物中的一种通过物理汽相沉积(PVD)、电子束或热蒸发器、或者溅射形成薄膜时，薄膜具有高薄层电阻，约为100Ω/□。薄膜这样的高薄层电阻妨碍了发光装置横向(平行于薄膜间的界面)上的电流传播和垂直方向上有效的空穴注入。因此，难以把上述透明导电材料中的一种应用在具有大面积和高容量的高发光度发光装置上。
第二，上述透明导电材料对于GaN基发光二极管发出的光具有高的反射率，因此降低了发光效率。
第三，由于含有ITO和TiN的透明导电材料具有较小的功函，所以难以在透明导电材料和p型GaN之间形成欧姆接触。
最后，如果与GaN基化合物半导体直接欧姆接触的电极是用透明的导电性氧化物形成的，那么在形成电极的薄膜过程中，由于Ga的高氧化活性，在GaN表面会产生一种绝缘物质Ga2O3。这阻碍了好的欧姆接触电极的形成。
同时，当一种发光装置，例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，是使用GaN基化合物半导体形成时，则必须要求形成一种结构，该结构中，在半导体和电极之间形成欧姆接触。
GaN基发光装置可被归类为上发射的发光二极管(TLED)和倒装芯片(flip-chip)的发光二极管(FCLED)。
在一般的TLED中，通过接触p型覆盖层(clad layer)的欧姆接触层而发光。此外，为了实现高发光度的TLED，本质上需要电流传播层作为优良的欧姆接触层，以补偿具有低空穴浓度的p型覆盖层的高薄层电阻。由于电流传播层具有低的薄层电阻和高的透射率，使得平稳的空穴注入和电流扩布以及有效的发光成为可能。
常规的TLED包括Ni层和Au层，它们依次地层叠在p型覆盖层上。
如已知的那样，如果在O2气氛中使Ni/Au层退火，则形成半透明的欧姆接触层，其具有优良的比接触电阻，为10-3-10-4Ωcm2。当在O2气氛中，在500-600℃温度下使半透明的欧姆接触层退火时，半透明的欧姆接触层的低比接触电阻会降低肖特基(Schottky)势垒高度(SBH)，因此有利于向p型覆盖层的表面附近提供载体，即空穴。
此外，如果使p型覆盖层上形成的Ni/Au层退火，则发生再活化。换句话说，通过除去Mg-H金属间(intermetal)化合物，增加了GaN表面Mg的掺杂剂浓度，使得p型覆盖层表面中有效载体浓度超过1018。结果，在p型覆盖层和含有氧化镍的欧姆接触层之间发生隧道(tunneling)现象，因此，欧姆接触层具有低的比接触电阻。
然而，具有由Ni/Au形成的半透明薄膜电极的TLED含有Au，这降低了透射率。结果，TLED具有低的发光效率，因此不能成为一种具有大容量和高发光度的下一代发光装置。
此外，FCLED包括反射膜，并通过由蓝宝石形成的透明基底而发光，目的是为了在驱动FCLED过程中增加热辐射和发光效率。然而，由于氧化和反射膜的较差粘附，FCLED具有高的电阻。
为了克服TLED和FCLED的缺点，在很多文章[例如，IEEE PTL，Y.C.Lin等，Vol.14，1668和IEEE PTL，Shyi-Ming Pan等，Vol.15，646]中公开了一种结构，其中，使用不包括Au的透明的导电性氧化物，例如ITO，代替常规的Ni/Au层作为p型欧姆接触层，以得到高的透射率。近年来，一篇文章[Semicond.Sci.Technol.，C S Chang等，18(2003)，L21]提出一种TLED，其使用ITO欧姆接触层，而且比具有常规Ni/Au膜的TLED具有更好的输出功率。然而，尽管这些欧姆接触层可增加发光装置的输出功率，但它们需要较高的运行电压。因此，由于很多问题仍未得到解决，所以上述的欧姆接触层不能轻易地被涂布到具有大面积、高容量和高发光度的发光装置上。
同时，LumiLeds Lighting(US)报道，通过组合氧化的薄膜Ni/Au(或Ni/Ag)和ITO可制备一种具有高透射率和优良电学特性的LED[Michael J.Ludowise等的美国专利US 6,287,947]。不过，形成欧姆接触电极的工艺是很复杂的，并且因为由包括Ni的过渡金属或门捷列夫元素周期表II族元素的氧化物形成的欧姆电极具有高的薄层电阻，所以难以实现高效率的发光装置。此外，包括Ni的金属氧化物很难具有高的透射率是已知的。
总之，由于以下问题很难获得含有好的欧姆接触层的透明电极。
第一，p型GaN具有低的空穴浓度(hole concentration)，因此具有高的薄层电阻，为104Ω/□或更高。
第二，由于没有具有其功函大于p型GaN的用于透明电极的材料，所以在p型GaN和透明电极之间形成高的肖特基势垒，因而妨碍了有效的垂直的空穴注入。
第三，大多数材料的电学特性与其光学特性成反比。因此，具有高透射率的透明电极通常具有高的薄层电阻，使得水平方向上的电流传播明显降低。
第四，当透明的导电性氧化物被直接沉积在p型GaN上时，在GaN表面上产生一种绝缘物质Ga2O3，因此损害了发光装置的电学特性。
最后，由于上述问题，在p型GaN和透明电极之间产生更多的热，因此缩短了发光装置的寿命，并降低了装置的运行可靠性。
发明概述
本发明提供一种上发射GaN基发光装置及其制造方法，该装置包括具有高透射率和低薄层电阻的电极。
根据本发明的一个方面，提供一种在n型覆盖层和p型覆盖层之间有活性层的上发射N基发光装置。该发光装置包括含有一个或多个层叠结构(stacked structure)的多层欧姆接触层(multi ohmic contact layer)，每个层叠结构包括改性的(modifled)金属层和透明导电薄膜层，并且该层叠结构反复地层叠在p型覆盖层上。改性的金属层是由Ag基(Ag-based)材料形成的。
透明导电薄膜层可以由氧和选自In、Sn、Zn、Ga、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和Ln(镧系(lanthanized series)中的至少一种的组合形成。
另一情况下，透明导电薄膜层可以由TiN形成。
改性的金属层可具有1-20nm的厚度。
透明导电薄膜层可具有10-1000nm的厚度。
此外，可在改性的金属层和透明导电薄膜层之间另外插入金属插入层(metal interposed layer)。金属插入层可以由选自Pt、Ni、Au、Ru、Pd、Rh、Ir、Zn、Mg、Cr、Cu、Co、In、Sn、Ln中的至少一种、其合金或固溶体(solidsolution)、或过渡金属的氮化物形成。
根据本发明的另一方面，提供一种上发射N基发光装置的制造方法，该装置在n型覆盖层和p型覆盖层之间有活性层。在该方法中，通过在发光结构的p型覆盖层上反复层叠一个或多个层叠结构形成多层欧姆接触层，每个层叠结构包括改性金属层和透明导电薄膜层，该发光结构包括在基底(substrate)上依次层叠的n型覆盖层、活性层和p型覆盖层；然后使多层欧姆接触层退火，其中改性金属层是由Ag形成的。
透明导电薄膜层可以由透明的导电性氧化物或透明的导电性氮化物形成，为了提高其电学特性，其中加入至少一种门捷列夫元素周期表的金属。
使多层欧姆接触层退火可在室温和800℃之间的温度下进行10秒到3小时。
在退火过程中，可将N、Ar、He、O2、H2和空气中的至少一种注入装有多层欧姆接触层的反应器中。
附图简述
参考附图，通过详细描述其示例性实施方案，本发明的以上及其他特征和优点将是更明显的，其中：
图1是本发明一实施方案中含有多层欧姆接触层作为p型电极的上发射发光装置的横截面图；
图2是发光装置中透射率对波长的图，发光装置分别使用图1所示的多层欧姆接触层和单层透明电极薄膜；
图3是发光装置中电流对电压的图，发光装置分别使用图1所示的多层欧姆接触层和由Au代替Ag形成的薄膜；
图4是本发明另一实施方案中含有多层欧姆接触层的上发射发光装置的横截面图；
图5是本发明又一实施方案中含有多层欧姆接触层的上发射发光装置的横截面图；
图6A是发光装置中电流对电压的图，发光装置使用图5所示的多层欧姆接触层；和
图6B是发光装置中透射率对波长的图，发光装置分别使用图5所示的多层欧姆接触层和常规电极。
发明详述
现在参考表示本发明示例性实施方案的附图更全面地描述本发明。
图1是根据本发明一实施方案的上发射发光装置的横截面图。
如图1所示，上发射发光装置包括基底(substrate)110、缓冲层120、n型覆盖层130、活性层140、p型覆盖层150和多层欧姆接触层160，它们被依次地层叠。附图标记180表示p型电极极板(electrode pad)，190表示n型电极极板。
多层欧姆接触层160包括改性的金属层160a和透明导电薄膜层160b，它们被依次地层叠。
包括基底110、缓冲层120、n型覆盖层130、活性层140和p型覆盖层的层叠结构对应于发光结构，多层欧姆接触层160对应于p型电极结构。
基底110可以由选自蓝宝石(sapphire)(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)和砷化镓(GaAs)中的一种形成。
可以任选形成缓冲层120。
缓冲层120、n型覆盖层130、活性层140和p型覆盖层150中的每层主要是由III族N基化合物(AlxInyGazN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，并且0≤x+y+z≤1))形成的，并且n型和p型覆盖层130和150的每层掺杂有某种掺杂剂。
此外，活性层140可以是具有多种已知结构之一的薄膜，其中已知结构例如单层薄膜或多层量子阱(quantum well)(MQW)薄膜。
如果以GaN基化合物为例，缓冲层120可以由GaN形成，n型覆盖层130可以由掺杂有诸如Si、Ge、Se和Te的n型掺杂剂的GaN形成，活性层140可以由InGaN/GaN MQW或AlGaN/GaN MQW形成，p型覆盖层150可以由掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba的p型掺杂剂的GaN形成。
n型覆盖层130和n型电极极板190之间可以插入n型欧姆接触层(未图示)。这种n型欧姆接触层可以有多种已知结构，例如，Ti和Al的层叠结构。
p型电极极板180可以具有Ni/Au或Ag/Au的层叠结构。
可以使用已知的沉积方法，例如电子束蒸发器、PVD、化学汽相沉积(CVD)、等离子体激光沉积(PLD)、双重类型(dual-type)热蒸发器或者溅射来形成上述的每种薄膜。
作为p型电极结构的多层欧姆接触层160包括，在p型覆盖层150上形成的改性金属层160a，和在改性金属层160a上形成的透明导电薄膜层160b。
改性金属层160a是由这样的材料形成的，该材料具有高电导率，在O2气氛中、以600℃或更低的温度退火而易于分解为纳米相颗粒(nano-phasegrain)，并且不容易被氧化。考虑到上述条件，该改性金属层160a可以由Ag形成。
改性的金属层160a优选只由Ag形成。在其它情况下，改性的金属层160a可以由Ag基合金或固溶体形成。
形成多层欧姆接触层160的改性金属层160a可以形成1-20nm的厚度，这样由于退火可以很容易地被分解为纳米相的颗粒。
透明导电薄膜层160b可以由透明的导电性氧化物和透明的导电性氮化物中的一种形成。
这种透明的导电性氧化物是氧和选自In、Sn、Zn、Ga、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和Ln(镧系)中的至少一种的组合。
如果透明导电薄膜层160b是由透明的导电性氧化物形成的，则首先考虑透明的导电性氧化物的功函和薄层电阻。
如果透明导电薄膜层160b是由透明的导电性氮化物形成的，则具有低薄层电阻和高透射率的TiN是优选的。
透明导电薄膜层160b可以由透明的导电性氧化物或透明的导电性氮化物形成，为了提高其电学特性，加入门捷列夫元素周期表中的至少一种金属。
为了获得足够的电学特性，向透明的导电性氧化物或透明的导电性氮化物中加入金属的比例可以在0.001-20重量％的范围。
此外，为了获得足够的透射率和电导率，透明导电薄膜层160b可以形成10-1000nm的厚度。
可以通过电子束蒸发器、热蒸发器、溅射和PLD中的一种来形成多层欧姆接触层160。
此外，可以在大气压约为10-12托(torr)的压力下，在温度为20-1500℃的条件下沉积多层欧姆接触层160。
此外，可以在退火后形成多层欧姆接触层160。
在真空或气体气氛中，在温度为100-800℃时退火10秒到3小时。
在退火过程中，可以将N、Ar、He、O2、H2和空气中的至少一种注入反应器中。
图2是发光装置中透射率对波长的图，发光装置分别使用图1所示的多层欧姆接触层160作为p型电极和单层透明电极薄膜。为了形成多层欧姆接触层160，使用Ag在p型覆盖层150上形成3nm厚的改性金属层160a，使用ITO在其上层叠约200nm厚的透明导电薄膜层160b，所得的结构在530℃温度下退火。通过在p型覆盖层150上层叠约200nm厚的ITO，并在530℃的温度下退火ITO膜而形成单层透明的电极薄膜。
从图2可以看到，多层欧姆接触层160比ITO形成的单层电极薄膜具有更高的透射率。
图3是发光装置中电流对电压的图，发光装置分别使用图1表示的多层欧姆接触层160和由Au代替Ag形成的薄膜。为了形成多层欧姆接触层160，使用Ag在p型覆盖层150上形成3nm厚的改性金属层160a，使用SnO2在其上层叠约200nm厚的透明导电薄膜层160b，所得的结构在530℃温度下退火。此外，为了与多层欧姆接触层160作比较，在p型覆盖层150上层叠3nm厚的Au薄膜，使用SnO2在其上层叠约200nm厚的透明导电薄膜层，所得的结构在相同温度，即530℃下退火。
从图3可以观察到，当改性金属薄膜160a是由Ag形成时，其电学特性甚至比使用Au薄膜时更好。
从图2和3可看到，当通过依次地层叠Ag改性金属层160a和透明导电薄膜层160b并使层叠的薄膜退火而形成多层欧姆接触层160时，可以获得很多优点。特别是，在p型覆盖层150和改性金属层160a之间形成镓化物(gallide)，使得有效的表面空穴浓度增加，并抑制了Ga2O3的产生，结果降低了肖特基势垒的宽度。此外，出现隧道现象有利于形成欧姆接触。而且，即使在600℃低温或更低的温度下使多层欧姆接触层160退火时，也能够保持高的透射率。此外，多层欧姆接触层160具有约10Ω/□或更低的薄层电阻。
同时，显然可以通过反复层叠一个或多个层叠结构而形成多层欧姆接触层160，每层包括改性金属层160a和透明导电薄膜层160b。
图4表示根据本发明另一实施方案的多层欧姆接触层，其中两个或多个层叠结构被反复层叠，每个层叠包括改性金属层和透明导电薄膜层。在图4中，同样的附图符号用来表示与图1相同的元件。
参考图4，多层欧姆接触层160包括第一改性金属层160a、第一透明导电薄膜层160b、第二改性金属层160c和第二透明导电薄膜层160d，它们被依次地层叠。
第一和第二改性金属层160a和160c的每层是由Ag或Ag基合金或固溶体形成的，厚度为1-20nm。第一和第二透明导电薄膜层160b和160d的每层是由上述材料形成的，厚度为10-1000nm。
作为p型电极结构的多层欧姆接触层160被沉积在发光结构上，该结构包括基底110、缓冲层120、n型覆盖层130、活性层140、p型覆盖层150，它们被依次地层叠。在此情况下，使用参照图1描述的方法将多层欧姆接触层160沉积在发光结构上。之后，使所得结构退火，从而制得图4所示的发光装置。
作为退火工艺的结果，发光装置可具有提高的透射率和电流-电压(I-V)特性。
同时，图5是根据本发明又一实施方案含有多层欧姆接触层的上发射发光装置的横截面图。
参照图5，作为p型电极的多层欧姆接触层在改性金属层160a和透明导电薄膜层160b之间还包括金属插入层160e。金属插入层160e作为第二改性金属层形成，起到与改性金属层160a基本相同的作用。
金属插入层160e可以由选自Pt、Ni、Au、Ru、Pd、Rh、Ir、Zn、Mg、Cr、Cu、Co、In、Sn、Ln中的至少一种元素、其合金或固溶体、或过渡金属的氮化物形成。
图6A是发光装置中电流对电压的图，发光装置使用图5表示的多层欧姆接触层。为了形成多层欧姆接触层，改性金属层160a是由Ag形成的，厚度为1nm，金属插入层160e是由Pt形成的，厚度为1nm，透明导电薄膜层160b是由ITO形成的，厚度为200nm。然后，分别测量了as-dep(■)，和在500℃(●)、600℃(▲)和700℃
Figure C20041001159400121
的大气中进行退火工艺后，使用多层欧姆接触层的发光装置的I-V特性。从图6可以观察到，当多层欧姆接触层在600℃或更高温度退火时，它表现出非常优良的电学特性。
图6B是发光装置中透射率对波长的图，发光装置分别使用图5所示的多层欧姆接触层和常规电极。如参照图6A的描述，为了形成作为p型电极的多层欧姆接触层，改性金属层160a是由Ag形成的，厚度为1nm，金属插入层160e是由Pt形成的，厚度为1nm，透明导电薄膜层160b是由ITO形成的，厚度为200nm。然后，所得结构在约600℃的空气气氛中退火1分钟。为了与p型电极比较，通过层叠5nm的Ni薄膜和5nm的Au薄膜并530℃的空气气氛中退火层叠的薄膜1分钟而形成常规的电极。从图6B可以观察到，当使用常规电极时，在450-500nm的波长范围内，透射率为73-81％。然而，当使用根据本发明的p型电极时，相同波长范围内的透射率超过了90％。
从以上说明可以看到，在本发明的上发射N基发光装置中，欧姆接触层和p型覆盖层之间的欧姆接触特性得到提高。因此，该发光装置不仅具有优良的I-V特性，而且有高的发光效率。
尽管参考示例性的实施方案对本发明进行了特别说明和描述，但本领域普通技术人员应当理解，在不偏离权利要求所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式和细节上对本发明进行各种变化。

Claims (17)

1. 一种上发射N基发光装置，其在n型覆盖层和p型覆盖层之间包括活性层，该装置包括含有至少两个层叠结构的多层欧姆接触层，每个层叠结构包括改性金属层和透明导电薄膜层，所述层叠结构反复地层叠在p型覆盖层上。
2. 权利要求1所述的装置，其中改性金属层由Ag基材料形成。
3. 权利要求1所述的装置，其中透明导电薄膜层由透明的导电性氧化物和透明的导电性氮化物中的一种形成。
4. 权利要求3所述的装置，其中透明导电薄膜层由TiN形成。
5. 权利要求3所述的装置，其中透明的导电性氧化物是由氧和选自In、Sn、Zn、Ga、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和Ln(镧系)中的至少一种的组合形成的。
6. 权利要求1所述的装置，其中改性金属层的厚度为1-20nm。
7. 权利要求1所述的装置，其中透明导电薄膜层的厚度为10-1000nm。
8. 权利要求1所述的装置，其还含有介于改性金属层和透明导电薄膜层之间的金属插入层。
9. 权利要求8所述的装置，其中金属插入层是由选自Pt、Ni、Au、Ru、Pd、Rh、Ir、Zn、Mg、Cr、Cu、Co、In、Sn、Ln中的至少一种元素、其合金或固溶体、或过渡金属的氮化物形成的。
10. 一种上发射N基发光装置的制造方法，该装置在n型覆盖层和p型覆盖层之间包括活性层，该方法包括：
通过在发光结构的p型覆盖层上反复层叠至少两个层叠结构形成多层欧姆接触层，每个层叠结构包括改性金属层和透明导电薄膜层，该发光结构包括依次层叠在基底上的n型覆盖层、活性层和p型覆盖层；和
使多层欧姆接触层退火，
其中改性金属层是由Ag形成的。
11. 权利要求10所述的方法，其中透明导电薄膜层是由透明的导电性氧化物和透明的导电性氮化物中的一种形成的。
12. 权利要求11所述的方法，其中透明导电薄膜层是由TiN形成的。
13. 权利要求11所述的方法，其中透明的导电性氧化物是由氧和选自In、Sn、Zn、Ga、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和Ln中的至少一种的组合形成的。
14. 权利要求10所述的方法，其中改性金属层的厚度为1-20nm。
15. 权利要求10的方法，其中透明导电薄膜层的厚度为10-1000nm。
16. 权利要求10所述的方法，其还含有介于改性金属层和透明导电薄膜层之间的金属插入层。
17. 权利要求16所述的方法，其中金属插入层是由选自Pt、Ni、Au、Ru、Pd、Rh、Ir、Zn、Mg、Cr、Cu、Co、In、Sn、Ln中的至少一种元素、其合金或固溶体、或过渡金属的氮化物形成的。
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