CN100546059C - 一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所公开的一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法，在n型氮化镓基半导体层上采用蒸发或者溅射的方法依次形成Ni/Au/Ti/Au金属层，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极；对n电极在含有氧气的氛围中进行400～600℃热退火处理，使得n电极与n型氮化镓基半导体层形成合金，n电极中，Ni/Au/Ti金属层是欧姆接触层，而最顶层的Au金属层作为焊垫层。由于该n电极不含低熔点的Al，并且热退火处理的温度适中，可以较好地保持电极原有的金相结构，避免给后续的封装带来困扰；再者，热退火处理的温度较为适中，可以将欧姆接触层与焊垫层一同进行热处理，在保证不会造成焊垫层金属变质硬化的同时，避免接触层与焊垫层分开制作，大大简化了工艺，提高成品率和降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制作方法，特别是器件的制作工艺大大简化、成品率提高及成本降低的一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法。
背景技术
以GaN为代表的III-V族化合物氮化物因具有一系列优越的性质，而成为近年来化合物半导体研究开发的热点之一；基于其禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、导热性能良好等特点适合于制作高频、大功率电子器件；而利用其宽的直接带隙可以制作短波长可见光和紫外光的光电子器件。
在氮化镓基半导体器件的制造工艺中，n电极中的欧姆接触层一般采用Ti/Al(钛/铝)双层金属结构，但是Ti/Al双层结构容易被氧化，且热稳定性较差，在常规的器件封装条件下(例如：温度150℃，空气氛围中，持续时间30分钟)，接触电阻就会升高，器件的可靠性变差；为此，通常要求在制作完n电极后对其进行热退火处理，以形成热稳定的欧姆接触，同时为了防止用作焊垫的金属层(例如Au)与欧姆接触层之间发生相互扩散而导致接触性质改变，通常会在两者之间插入一层高熔点的金属材料作为阻挡层。中国专利(名称：基于氮化镓的III-V族化合物半导体装置及其制造方法、专利号：ZL00126376.5)所公开的产品及其制作方法就是该制作工艺的典型代表，然而，这样的制作工艺，存在以下几个比较明显的问题：首先，包含Ti/Al的电极经过热处理后，表面变得十分粗糙，这会给封装过程中自动焊线机的PR识别带来很大困难；其次，为了获得Ti/Al与n型氮化镓基材料之间的低阻欧姆接触，通常都会在较高的温度下进行退火(例如中国专利ZL00126376.5中提到的750～950℃)，这会导致焊垫金属层(例如：金或者铝)变质硬化，造成难焊线甚至无法焊线，所以若采用该工艺，在实际生产制造过程中需要将Ti/Al接触层与焊垫金属层分开制作，避免焊垫金属层经过高温变质硬化，但如此一来至少需要增加两次光刻和镀膜工艺处理，工艺复杂度增加不仅会造成良品率下降，更使得生产成本增加。
发明内容
本发明旨在提出用于克服上述现有技术缺陷、满足批量生产和实际应用需要的一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法，其特征在于：制作步骤如下：
第一步：在衬底生长面上形成半导体多层结构，该半导体多层结构向上依次由n型氮化镓基半导体层、有源层和p型氮化镓基半导体层组成；
第二步：采用干法或者湿法蚀刻该半导体多层结构，暴露出部分n型半导体层；
第三步：在p型氮化镓基半导体层上制作p型欧姆接触电极；
第四步：分别在n型氮化镓基半导体层上和p型欧姆接触电极上采用蒸发或者溅射的方法依次形成Ni/Au/Ti/Au金属层，即依次为金层形成于镍层之上、钛层形成于金层之上、又一金层形成于钛层之上，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极和p电极；
第五步：对n电极在含有氧气的氛围中进行400～600℃下的热退火处理，使得n电极与n型氮化镓基半导体层形成合金，n电极中，Ni/Au/Ti金属层是欧姆接触层，而最顶层的Au金属层作为焊垫层。
对n电极在含有氧气氛围中热退火处理，即在400～600℃条件下可采用氧气与氮气、氢气形成混合气体对n电极热退火处理，本发明优先采用氧气和氮气形成的混合气体对n电极热退火处理。
p型欧姆接触电极是在台面状的p型氮化镓基半导体层上制作一透明电极，使之与p型氮化镓基半导体层形成良好的欧姆接触。
本发明是Ni/Au/Ti/Au作为n型氮化镓基半导体层的电极，在经过适当的热处理后，不但能够获得热稳定性良好的欧姆接触，而且由于该n电极不含低熔点的Al，并且热退火处理的温度适中，可以较好地保持电极原有的金相结构，避免给后续的封装带来困扰；再者，热退火处理的温度较为适中，可以将欧姆接触层与焊垫层一同进行热处理，在保证不会造成焊垫层金属变质硬化的同时，避免接触层与焊垫层分开制作，大大简化了工艺，从而提高成品率和降低成本。
附图说明
图1为采用本发明制作的氮化镓基半导体光电器件的截面示意图；
图2为本发明n电极的详细构造截面图；
图3为Ni/Au/Ti/Au电极的I-V伏安特性曲线图；
图4为分别采用Ti/Al，Ti/Al/Pt/Au和Ni/Au/Ti/Au作为n电极的氮化镓基LED器件在不同环境温度中烘烤，正向电压(VF-LED)和相邻n电极之间的电压(VF-NN)相对于温度的变化趋势图；
图5为Ni/Au/Ti/Au电极在500℃热退火处理后显微镜拍摄的金相结构图；
图6为Ti/Al/Pt/Au电极在600℃热退火处理后显微镜拍摄的金相结构图；
图7为Ti/Al/Pt/Au电极在750℃热退火处理后显微镜拍摄的金相结构图。
图中：1.衬底；2.n型氮化镓基半导体层；3.有源层；4.p型氮化镓基半导体层；5.n电极；51.镍层；52.金层；53.钛层；6.p型欧姆接触电极；7.p电极。
具体实施例
下面结合附图和实施例及比较例对本发明进一步说明。
说明中涉及的金属元素：Ni(镍)、Au(金)、Ti(钛)、Al(铝)、Pt(铂)。
实施例
如图1和图2所示的一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法，以蓝宝石作为衬底1为例，其制作步骤为：
步骤一：在蓝宝石衬底1生长面上形成半导体多层结构，该半导体多层结构向上依次由n型氮化镓基半导体层2、有源层3和p型氮化镓基半导体层4组成；
步骤二：在一以蓝宝石作为衬底1的氮化镓基发光二极管(LED)外延片上，采用干法感应耦合等离子体(ICP)部分地蚀刻p型氮化镓基半导体层4和有源层3，形成一台面状并暴露出n型氮化镓基半导体层2；
步骤三：在p型氮化镓基半导体层4上制作p型欧姆接触电极6，即在台面状的p型氮化镓基半导体层4上制作一透明电极，使之与p型氮化镓基半导体层4形成良好的欧姆接触；
步骤四：分别在n型氮化镓基半导体层2上和p型欧姆接触电极6上采用蒸发或者溅射的方法依次形成Ni/Au/Ti/Au金属层，厚度分别为50/50/150/10000埃，即依次为金层52形成于镍层51之上、钛层53形成于金层52之上、又一金层52形成于钛层53之上，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极5和p电极7；
步骤五：n电极5中，Ni/Au/Ti金属层是欧姆接触层，而最顶层的Au金属层作为焊垫层，对n电极5在氮气和氧气混合气体(流量比N2∶O2＝2∶1)氛围中进行500℃下的热退火处理30分钟，使得n电极5与n型氮化镓基半导体层2形成合金，这样可以大幅度地降低n电极5与n型半导体之间的接触电阻并形成良好的欧姆接触。
由于本发明的n电极5不含低熔点的Al金属，而且热退火处理的温度适中，可以较好地保持电极原有的表面形貌，如图5所示n电极5的表面金相结构，避免给后续的封装带来困扰；同时热退火处理的温度较为适中，可以将欧姆接触层与焊垫层一同进行热处理，在保证不会造成焊垫金属变质硬化的同时，避免接触层与焊垫层分开制作，大大简化了工艺，从而提高成品率和降低成本。
为了对比说明本发明n电极5的性能特点，以下提供三个比较例加以说明。
比较例一：
在一以蓝宝石作为衬底1的氮化镓基发光二极管(LED)外延片上，首先采用干法感应耦合等离子体(ICP)部分地蚀刻p型氮化镓基半导体层4和有源层3，形成一台面状并暴露出n型氮化镓基半导体层2；接着在台面状的p型氮化镓基半导体层4上制作一透明电极，使之与p型氮化镓基半导体层4形成良好的欧姆接触；然后在暴露出的n型氮化镓基半导体层2和p型透明电极上采用蒸发或者溅射的方法同时依次形成Ti/Al金属层，厚度分别为250/1000埃，最后用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极5和p电极7；
比较例二：
在一以蓝宝石作为衬底1的氮化镓基发光二极管(LED)外延片上，首先采用干法感应耦合等离子体(ICP)部分地蚀刻p型氮化镓基半导体层4和有源层3，形成一台面状并暴露出n型氮化镓基半导体层2；接着在台面状的p型氮化镓基半导体层4上制作一透明电极，使之与p型氮化镓基半导体层4形成良好的欧姆接触；然后在暴露出的n型氮化镓基半导体层2和p型透明电极上采用蒸发或者溅射的方法同时依次形成Ti/Al/Pt/Au金属层，厚度分别为250/1000/500/2000埃，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极5和p电极7，最后在氮气氛围中，对器件进行600℃的热退火处理，如图6所示，n电极5在600℃热退火后的表面金相结构。
比较例三：
在一以蓝宝石作为衬底1的氮化镓基发光二极管(LED)外延片上，首先采用干法感应耦合等离子体(ICP)部分地蚀刻p型氮化镓基半导体层4和有源层3，形成一台面状并暴露出n型氮化镓基半导体层2；接着在台面状的p型氮化镓基半导体层4上制作一透明电极，使之与p型氮化镓基半导体层4形成良好的欧姆接触；然后在暴露出的n型氮化镓基半导体层2和p型透明电极上采用蒸发或者溅射的方法同时依次形成Ti/Al/Pt/Au金属层，厚度分别为250/1000/500/2000埃，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极5和p电极7，最后在氮气氛围中，对器件进行750℃的热退火处理；如图7所示，n电极5在750℃热退火后的表面金相结构。
在电极化的发光二极管外延片上，n电极5的接触性质可以用测量两个相邻n电极5的电流-电压(I-V)特性来表征。本发明实例的n电极5的I-V特性见图3，从图3中可以看出，本发明实施例的n电极5与n型氮化镓基半导体层2形成了良好的欧姆接触；另外，光电参数测试结果也表明了依照本发明制作的发光二极管在光电性能方面与传统的Ti/Al(比较例一)或者现有的Ti/Al/Pt/Au(比较例二、三)工艺制作的发光二极管基本一致(见附表1)。
附表1
| 工艺 | 光强(mcd) | 主波长(nm) | 正向电压(V) | 反向漏电(uA) | N-N电压(V) |
| 本发明实施例 | 59.6 | 459.8 | 3.28 | 0.02 | 0.28 |
| 比较例一 | 59.7 | 459.6 | 3.30 | 0.02 | 0.31 |
| 比较例二 | 58.9 | 459.2 | 3.27 | 0.02 | 0.29 |
| 比较例三 | 58.6 | 458.9 | 3.27 | 0.02 | 0.28 |
图4是几种电极的热稳定性比较试验结果，包括本发明实施例、比较例一和比较例二，试验方法是将发光二极管芯片放置在不同温度中进行烘烤，温度分别为150、175、200、225和250℃，烘烤时间为30分钟。测试烘烤前后的VF-LED和VF-NN，其中VF-LED和VF-NN分别表示20mA下测试的发光二极管的工作电压和相邻两个n电极5之间的电压降；从图4可以看出：Ti/Al的热稳定性最差，随温度的升高，VF-LED和VF-NN一同升高，而且两者升高的趋势和幅度基本上一致，这说明是n电极5接触性质的变差导致发光二极管工作电压的升高；相比之下，Ti/Al/Pt/Au电极和Ni/Au/Ti/Au电极由于都经过热退火处理，热稳定性较好，而且Ni/Au/Ti/Au电极还要稍微优于Ti/Al/Pt/Au电极。
图5～7是金相显微镜拍摄的热处理后n电极5表面形貌，图5是使用本发明方法制作的n电极5热退火后的金相结构图，可以看出Ni/Au/Ti/Au电极在经过热处理后，表面依然光滑。图6和图7分别是比较例二和三所采用的工艺，可以看出Ti/Al/Pt/Au电极经过不同高温热处理后，表面变得粗糙，而且温度越高表面越粗糙，甚至出现异常颜色。
因此通过本发明方法制作的n电极5不含低熔点的Al金属，而且热退火处理的温度适中，可以较好地保持电极原有的表面形貌，方便后续的自动焊线机的PR识别封装，且热退火处理的温度较为适中，可以将欧姆接触层与焊垫层一同进行热处理，在保证不会造成焊垫金属变质硬化的同时，避免接触层与焊垫层分开制作，大大简化了工艺、提高成品率和降低成本。
Claims (2)
1.一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法，其特征在于：制作步骤如下：
第一步：在衬底生长面上形成半导体多层结构，该半导体多层结构向上依次由n型氮化镓基半导体层、有源层和p型氮化镓基半导体层组成；
第二步：采用干法或者湿法蚀刻该半导体多层结构，暴露出部分n型半导体层；
第三步：在p型氮化镓基半导体层上制作p型欧姆接触电极；
第四步：分别在n型氮化镓基半导体层上和p型欧姆接触电极上采用蒸发或者溅射的方法依次形成Ni/Au/Ti/Au金属层，即依次为金层形成于镍层之上、钛层形成于金层之上、又一金层形成于钛层之上，用剥离或者化学蚀刻的方法形成n电极和p电极；
第五步：对n电极在含有氧气的氛围中进行400～600℃下的热退火处理，使得n电极与n型氮化镓基半导体层形成合金，n电极中，Ni/Au/Ti金属层是欧姆接触层，而最顶层的Au金属层作为焊垫层。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基半导体光电器件的制作方法，其特征在于：对n电极在含有氧气氛围中热退火处理，即在400～600℃条件下可采用氧气与氮气、氢气形成的混合气体对n电极热退火处理。
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