CN100442549C - 氮化镓基ⅲ-v族化合物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种GaN基III-V族化合物半导体发光器件和制作GaN基III-V族化合物半导体发光器件的方法。GaN基III-V族化合物半导体发光器件包括：至少n型化合物半导体层、有源层、和p型化合物半导体层，它们位于n型电极和p型电极之间。P型电极包括：位于p型GaN基化合物半导体层上、由Ag或者Ag合金制成的第一电极层；和位于第一电极层上、由从包括Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料所制成的第二电极层。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基III-V族化合物半导体发光器件及其制造方法，尤其是，涉及一种包括具有低电阻和高透光率的p型电极层的GaN基III-V族化合物半导体发光器件。
背景技术
在使用基于氮化镓(GaN)的化合物半导体的发光二极管(LED)中，必须在半导体层和电极之间形成高质量的欧姆接触。用于p型GaN半导体层的欧姆接触层可以采用薄的镍(Ni)基金属结构，即，薄的Ni-金(Au)透明金属层(参考美国专利No.5,877,558和6,008,539)。
众所周知，通过在氧气(O2)气氛中对薄的Ni基金属层进行退火处理，可以形成具有大约为10-3到10-4Ωcm2的低非接触电阻的欧姆接触。根据此种低的非接触电阻(non-contact resistance)，在500℃到600℃的氧气气氛中进行退火处理时，在GaN和Ni之间的界面处，在岛状薄Au层之间和之上形成p型半导体氧化物的氧化镍(NiO)。从而，降低了肖特基势垒高度(Schottky barrier height，SBT)。SBT的降低使得容易在GaN表面附近提供多数载流子，即空穴。因此，在GaN表面附近，增加了有效载流子浓度。同时，在将Ni/Au接触到p型GaN基半导体层且然后进行退火处理以便去除Mg-H络合物之后，出现再激活以提高p型GaN基半导体层的表面上的Mg掺杂剂的密度。结果，在p型GaN基半导体层的表面上有效载流子浓度增加到超过1019/cm3，并且于是在p型GaN基半导体层和电极层(NiO)之间出现隧穿传导，以便获得欧姆导电性能。
对于薄Ni/Au层的情况，Au提高了导电性，从而引起低的接触电阻，但是具有相对低的吸光率，导致降低了透光率。因此，需要具有高透光率的新的欧姆接触材料，以实现具有高功率和高亮度的GaN半导体发光器件。
发明内容
本发明提供了一种包括相对于GaN基半导体层具有增强透光率的欧姆接触金属系统的半导体发光器件。
本发明还提供了一种制作半导体发光器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体发光器件，包括：至少n型化合物半导体层、有源层、和p型化合物半导体层，它们位于n型电极和p型电极之间。其中，P型电极包括：位于p型GaN基化合物半导体层上、由Ag或者Ag合金制成的第一电极层；和位于第一电极层上、由从包括Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料所制成的第二电极层。
优选地，第一电极层的厚度形成为0.1nm到200nm。
可以在氧气气氛下对第一和第二电极层进行退火，从而第一和第二电极层的每一个的至少一部分会受到氧化。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种半导体发光器件，包括：至少n型化合物半导体层、有源层、和p型化合物半导体层，它们位于n型电极和p型电极之间。其中，P型电极包括：位于p型GaN基化合物半导体层上、由Ag或者Ag合金制成的第一电极层；位于第一电极层上、由Ni或者Ni合金制成的第二电极层；以及位于第二电极层上、由从包括Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料所制成的第三电极层。
根据本发明的又一个方面，提供了一种制作半导体发光器件的方法，包括：在衬底上顺序堆叠n型GaN基化合物半导体层、有源层和p型GaN基化合物半导体层；顺序构图p型GaN基化合物半导体层和有源层，以将n型GaN基化合物半导体层的一部分露出；在n型GaN基化合物半导体层的露出部分上形成n型电极；在图案化的p型GaN基化合物半导体层上形成Ag或者Ag合金的第一电极层；在第一电极层上，使用从包括Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料，形成第二电极层；以及对已经形成第二电极层的所得结构进行退火处理。
优选地，使用电子束蒸发或者热蒸发形成n型电极和第一电极层。
优选地，在200℃到700℃温度，进行退火处理10秒到2个小时。
优选地，在氧气气氛中进行退火处理。
根据本发明的又一个方面，提供了一种制作半导体发光器件的方法，包括：在衬底上顺序堆叠n型GaN基化合物半导体层、有源层和p型GaN基化合物半导体层；顺序构图p型GaN基化合物半导体层和有源层，以将n型GaN基化合物半导体层的一部分露出；在n型GaN基化合物半导体层的露出部分上形成n型电极；在图案化的p型GaN基化合物半导体层上形成Ag或者Ag合金的第一电极层；在第一电极层上形成Ni或者Ni合金的第二电极层；在第二电极层上，使用从包括Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料，形成第三电极层；对已经形成第三电极层的所得结构进行退火。
附图说明
通过结合附图而对优选实施例进行的详尽描述，可以对本发明的上述和其它特征和优点更为明确，其中：
图1显示的是根据本发明实施例的、GaN基III-V族化合物半导体发光器件的横截面图；
图2到图5显示的是制作图1中GaN基III-V族化合物半导体发光器件方法步骤的横截面图；
图6显示的是图1所示的GaN基III-V族化合物半导体发光器件的p型Ag/Ni电极的吸光率和传统p型Ni/Au电极的吸光率之间的比较图；
图7显示的是图1所示的GaN基III-V族化合物半导体发光器件的p型Ag/Ni电极的透光率和传统p型Ni-Au电极的透光率之间的比较图；
图8显示的是图1所示的GaN基III-V族化合物半导体发光器件的p型Ag/Ni电极的电测结果，该电极被沉积在p型GaN上，厚度为5nm，并且是在非退火状态和在空气气氛中进行退火处理状态下测量的；
图9显示的是根据本发明另外一个实施例的、GaN基III-V族化合物半导体发光器件的横截面图；
图10显示的是Ag/Ni/Ru的电测结果，其被沉积至3到4nm的厚度，并且是在非退火状态和在空气气氛中进行退火处理状态下测量的；和
图11和12显示的是用于显示位于p型GaN和沉积在p型GaN上的Ag/Ni/Ru之间界面上的电极成分的扩散和反应的俄歇电子能谱(AES)深度轮廓结果的示图，是在非退火状态和在氧气气氛中退火处理状态下测量的。
具体实施方式
下文中，参考附图对根据本发明优选实施例的GaN基III-V族化合物半导体发光器件以及GaN基III-V族化合物半导体发光器件的制作方法进行详细描述。在图中，对层和区域的厚度进行放大以进行清楚说明。
图1显示的是根据本发明实施例的、GaN基III-V族化合物半导体发光器件的横截面示意图。参考图1，第一化合物半导体层12形成于透明衬底10上。第一化合物半导体层12优选地为n型II-V族化合物半导体层，例如，n-GaN层，但是，也可以是其它类型的化合物半导体层。可以将第一化合物半导体层12分为第一和第二区域R1和R2。将有源层14堆叠在第一区域R1，有源层14通过p型和n型载流子的复合而发光，例如蓝光或者绿光。将第二化合物半导体层16堆叠在有源层14上。第二化合物半导体层16优选地为p型III-V族化合物半导体层，例如，p-GaN层，但是，也可以是其它类型的化合物半导体层。
作为本发明特征部分之一的p型电极20形成于第二化合物半导体层16上。P型电极20包括由Ag或者Ag合金制成的第一电极层22和形成于第一电极层22上的第二电极层24。使用从Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh中选择的至少一种材料制成第二电极层24。
第一和第二电极层22和24的每一个的厚度可以形成至0.1nm到200nm，优选地，为约5nm的厚度。
优选地，透明衬底10采用蓝宝石。
同时，n型电极30形成于第一化合物半导体层12的第二区域R2上。
可以在氧气气氛中对第一和第二电极层22和24进行退火处理，从而使它们中每一个的至少一部分可以转变为氧化物。
当施加到p型和n型电极20和30上的电压大于发光所需阈值电压时，有源层14发光。有源层14所发射的一部分光L1通过p型电极20，一部分光L2通过透明衬底10、被位于透明衬底10下面的板(未显示)反射、并且朝向p型电极20行进。
现在参考图2到5，对制作图1中GaN基III-V族化合物半导体发光器件的方法进行详细描述。
参考图2，第一化合物半导体层12形成于由蓝宝石制成的透明衬底10上。第一化合物半导体层12优选的为n型GaN层，但是也可以为其它类型的化合物半导体层。在第一化合物半导体层12上顺序形成有源层14和第二化合物半导体层16。第二化合物半导体层16优选的为p型GaN层，但是也可以为其它类型的化合物半导体层。第一光致抗蚀剂层图案PR1形成于第二化合物半导体层16上。第一光致抗蚀剂层图案PR1限定了其中将要形成p型和n型电极20和30的区域。
参考图2和图3，将第一光致抗蚀剂层图案PR1用作蚀刻掩模，顺序蚀刻第二化合物半导体层16和有源层14。此处，蚀刻优选地进行直到第一化合物半导体层12露出，但是也可以进行直到第一化合物半导体层12的一部分被去除。之后，去除第一光致抗蚀剂层图案PR1。在通过蚀刻露出的第一化合物半导体层12的预定区域上形成n型电极30。可以在随后的工艺中形成n型电极30，这将在下面进行描述。
参考图4，在已经形成n型电极30的所得结构上形成第二光致抗蚀剂层图案PR2，以便覆盖n型电极30并且将第二化合物半导体层16的上表面露出。第二光致抗蚀剂层图案PR2限定了其中将要形成p型电极30的区域。使用电子束蒸发或者热蒸发在第二光致抗蚀剂层图案PR2上形成第一金属层22，以便接触第二化合物半导体层16的露出上表面。使用Ag或者Ag合金制成第一金属层22。而且，第一金属层22的厚度可以为0.1nm到200nm，但是优选地采用厚度约为5nm。
使用电子束蒸发或者热蒸发在第一金属层22上形成第二金属层24。使用从Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh中选择的至少一种材料制成第二金属层24。第二金属层24的厚度可以为0.1nm到200nm，但是优选地，采用厚度约为5nm。
然后将第二光致抗蚀剂层图案PR2浮脱。此处，同时去除第二光致抗蚀剂层图案PR2上的第一和第二金属层22和24。因此，如图5所示，在第二化合物半导体层16上形成第一和第二金属层22和24，以用作p型电极20。
此后，构图已经完成的所得结构在空气或者氧气气氛下200℃-700℃的温度退火10秒至2小时。结果，在p型化合物半导体层16的表面上形成p型电极20，以便形成与p型化合物半导体层16的欧姆接触。
同时，在去除第二光致抗蚀剂层图案PR2之后，可以形成n型电极30。
图6显示的是本发明的p型Ag/Ni电极的吸光率和传统p型Ni/Au电极的吸光率之间的比较图。本发明的p型Ag/Ni电极和传统p型Ni/Au电极均包括两层，每一层的厚度沉积为5nm。在550℃温度、空气气氛中对本发明的p型Ag/Ni电极和传统p型Ni/Au电极进行退火处理1分钟，以比较它们的特性。如图6所示，在波长为400nm到800nm时，本发明的p型Ag/Ni电极的吸光率比传统p型Ni/Au电极的吸光率明显要小很多。
图7显示的是本发明的p型Ag/Ni电极的透光率和传统p型Ni/Au电极的透光率之间的比较图。本发明的p型Ag/Ni电极和传统p型Ni/Au电极均包括两层，每一层的厚度均沉积为5nm。在550℃温度、空气气氛中对本发明的p型Ag/Ni电极和传统p型Ni/Au电极进行退火处理1分钟，以比较它们的特性。如图7所示，在波长为300nm到800nm时，p型Ag/Ni电极具有很高的透光率，超过90％。在波长为460nm时，p型Ag/Ni电极的透光率比传统p型Ni/Au电极的透光率要大很多。换言之，p型Ag/Ni电极的透光率和传统p型Ni/Au电极的透光率分别为94％和76％。
图8显示的是沉积在具有4～5×1022/cm3载流子的p型GaN上、厚度为5nm并且在空气气氛中进行退火处理的Ag和Ni的电测结果。如图8所示，分别在450℃和550℃温度进行1分钟退火处理的Ag/Ni的电流(I)-电压(V)特性的欧姆性能，要优于没有经过退火处理(沉积时)的Ag/Ni的I-V特性的欧姆性能。这是因为Ag和Ni中每一个的一部分在退火处理中转变为氧化物，从而降低了电阻。
图9显示的是根据本发明另外一个实施例的、GaN基III-V族化合物半导体发光器件的横截面示意图。参考图9，n-GaN层112形成于透明衬底110上。N-GaN层112分为第一和第二区域R1和R2。将有源层114和p-GaN层116顺序堆叠在n-GaN层120的第一区域R1上。
作为本发明特征部分的p型电极120形成于p-GaN层116上。P型电极120包括由Ag或者Ag合金制成的第一电极层122、形成于第一电极层122上的第二电极层124、和形成于第二电极层124上的第三电极层126。第二电极层124由Ni或者Ni合金制成。第三电极层126由Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh中的至少一种制成。
第一、第二和第三电极层122、124和126的厚度均可以为从0.1nm到200nm，优选地，为5nm的厚度。
优选地，透明衬底110由蓝宝石制成。
在n-GaN层112的第二区域R2上形成n型电极130。
现在，参考根据本发明第一个实施例制作GaN基III-V族化合物半导体发光器件的方法和图9，对图9的GaN基III-V族化合物半导体发光器件的制作方法进行描述。
形成n-GaN层112、有源层114和p-GaN层116的工艺，对p-GaN层116、有源层114和n-GaN层112进行顺序蚀刻的工艺，在n-GaN112的第二区域R2上形成n型电极130的工艺，以及形成图4所示的第二光致抗蚀剂层图案PR2和第一金属层122的工艺，与第一个实施例中的工艺相同。
在第一金属层122上顺序堆叠第二和第三金属层124和126。此处，第二金属层124由Ni或者Ni合金制成，而第三金属层126由Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh中的至少一种制成。
然后，去除第二光致抗蚀剂层图案PR2。此处，同时去除第二光致抗蚀剂层图案PR2上的第一、第二和第三金属层122、124和126。因此，如图9所示，在p-GaN层116上形成第一、第二和第三金属层122、124和126，以用作p型电极120。
下一步，在200℃到700℃的温度、空气气氛中对构图已经完成的所得结构进行10秒钟到2小时的退火，以利用欧姆接触的形成在p-GaN层116的表面上形成p型电极120。
图10显示的是沉积在具有4～5×1022/cm3载流子的p型GaN上的、厚度为3～4nm并且在非退火状态(沉积时)和在空气气氛中进行退火处理状态下测量的Ag/Ni/Ru的电测结果。如图10所示，分别在330℃、450℃和550℃温度进行1分钟退火处理的Ag/Ni/Ru的I-V特性的欧姆性能，要远远优于没有经过退火处理(沉积时)的Ag/Ni/Ru的I-V特性的欧姆性能。
图11和12显示的是用于显示位于p型GaN和沉积在p型GaN上的Ag/Ni/Ru之间界面上的电极成分的扩散和反应的AES深度轮廓线的结果，是在非退火状态(沉积时)和在氧气气氛中进行退火处理状态下测量的。
参考图11，随着p型电极深度的增加，Ru降低而Ni和Ag增加随后降低。当溅射时间变得更长时，出现p型GaN组分。
参考图12，在退火处理中Ru和Ni受到氧化，从而它们的位置颠倒。从而，从p型电极的表面形成氧化镍和氧化钌。部分Ag也受到氧化。这些氧化物用于提高透光率。
如上所述，在根据本发明的GaN基III-V族化合物半导体发光装置中，p型电极显示了增强的透光率，尽管具有和传统Ni/Au电极类似的低电阻。同时，能够获得高质量的欧姆接触性能。
尽管参考示范实施例对本发明进行了特定的显示和描述，但是可以理解的是，对于本领域的技术人员而言，在不偏离所附权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。
Claims (8)
1、一种发光器件，包括：
位于n型电极和p型电极之间的至少n型GaN基化合物半导体层、有源层、和p型GaN基化合物半导体层，
其中，所述p型电极是透明的，并且包括位于所述p型GaN基化合物半导体层上的由Ag或者Ag合金制成的第一电极层；直接位于所述第一电极层上的由Ni或者Ni合金制成的第二电极层；和直接位于所述第二电极层上的由从包括Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料所制成的第三电极层。
2、根据权利要求1的半导体发光器件，其中，所述第一电极层的厚度形成为0.1nm到200nm。
3、根据权利要求2的半导体发光器件，其中，在氧气气氛对所述第一、第二和第三电极层进行退火，从而所述第一、第二和第三电极层的每一个的至少一部分会形成为氧化物。
4、一种制作半导体发光器件的方法，包括：
在衬底上顺序堆叠n型GaN基化合物半导体层、有源层和p型GaN基化合物半导体层；
顺序构图所述p型GaN基化合物半导体层和所述有源层，以将所述n型GaN基化合物半导体层的一部分露出；
在所述n型GaN基化合物半导体层的露出部分上形成n型电极；
在图案化的p型GaN基化合物半导体层上形成Ag或者Ag合金的第一电极层；
直接在所述第一电极层上形成Ni或者Ni合金的第二电极层；
从包括Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir和Rh的组中选择至少一种材料，直接在所述第二电极层上形成第三电极层；以及
对已经形成所述第三电极层的所得结构进行退火，
其中包括所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层的p型电极是透明的。
5、根据权利要求4的方法，其中，所述第一电极层的厚度形成为0.1nm到200nm。
6、根据权利要求4的方法，其中，使用电子束蒸发或者热蒸发形成所述n型电极和所述第一和第二电极层。
7、根据权利要求4的方法，其中，在200℃到700℃的温度进行退火处理10秒到2个小时。
8、根据权利要求7的方法，其中，在氧气气氛中进行所述退火处理。
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