CN101378101A - 在p型III-V氮化物材料上制造低电阻率欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个实施例提供了一种用于制造具有欧姆接触层的III－V族氮化物结构的方法。该方法包括制造具有p型层的III－V族氮化物结构。该方法还包括在该p型层上沉积欧姆接触层，而不首先对该p型层进行退火。该方法还包括随后在预定的温度下在退火腔室中将该p型层和该欧姆接触层退火预定的时间段，由此在单一的退火工艺中减小该p型层和该欧姆接触层的电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的设计。更特别地，本发明涉及用于在p型III-V氮化物半导体材料上制造低电阻率欧姆接触的技术和用于制造半导体发光器件的方法。
背景技术
已经证实，III-V族氮化物化合物(例如，GaN、InN和AlN)以及合金化合物(例如，AlGaN、InGaN和AlGaInN)在蓝绿可见光频谱处产生有效的发光。该事实已经成为近来发光二极管(LED)和激光二极管的技术发展的驱动力。例如，使用III-V族氮化物材料的高亮度LED已经将市场转向彩色显示并且打开了通向许多现场应用(例如，交通信号灯和平板白光源)的大门。另外，使用III-V族氮化物材料的UV激光二极管也已经广泛地应用于科学仪器、实验室和商业产品中。
影响发光器件的制造的一个重要的因素是PN结的特性。当p型材料和n型材料被彼此接触放置时，单独从任一类型的材料来看，该结的行为不同。更具体地，当前向偏置电压施加到PN结上时，载流子即来自p型层的空穴和来自n型层的电子，在PN结区域中重新结合并且以光子的形式释放能量。此外，可以在p型层和n型层之间通过多量子阱(MQW)结构形成有源区域。该MQW结构通过将载流子限制在量子势垒之间而产生较高的载流子密度并且因此增加了载流子的重新结合速率。载流子重新结合得越快，发光器件就变得越有效。
用于利用III-V族氮化物材料来外延生长LED结构的技术包括，但不限于，有机金属化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、和氢化物汽相外延(HVPE)。用于外延生长的衬底材料包括蓝宝石(AL2O3)、硅和碳化硅(SiC)。当Si和镁(Mg)被分别用作施主掺杂剂和受主掺杂剂来制造III-V族氮化物材料时，在n型氮化物材料中相对容易获得高载流子密度。然而，针对p型氮化物材料而言更难以获得高载流子密度。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种制造具有欧姆接触层的III-V族氮化物结构的方法。该方法包括制造具有p型层的III-V族氮化物结构。该方法还包括在该p型层上沉积欧姆接触层，而不首先对该p型层进行退火。该方法还包括随后在预定的温度下将该p型层和该欧姆接触层退火预定的时间段，由此在单一的退火工艺中减小该p型层和该欧姆接触层的电阻率。
在该实施例的变形中，制造该III-V族氮化物结构包括:制造缓冲层；制造n型层；以及制造多量子阱有源层。
在该实施例的变形中，制造该III-V族氮化物结构包括下列的一种或多种方式:有机金属化学汽相沉积(MOCVD)；分子束外延(MBE)；以及氢化物汽相外延(HVPE)。
在该实施例的变形中，沉积该欧姆接触层包括基于下列的一种或多种方式的物理汽相沉积工艺:电子束蒸发、灯丝蒸发和溅射沉积。
在另外的变形中，该欧姆接触层包括允许吸收氢的一种或多种贵金属。
在另外的变形中，该一种或多种贵金属包括Pt、Ru、Rh和Pd中的一种或多种。
在该实施例的变形中，对该p型层和该欧姆接触层的退火包括使用N2和/或O2作为周围气体。
在该实施例的变形中，该预定的温度低于700℃。
在另外的变形中，该预定的温度约为550℃。
在该实施例的变形中，该预定的时间段约为10分钟。
本发明的一个实施例提供一种发光器件，其包括具有p型层的III-V族氮化物结构。该发光器件还包括在该p型层上沉积的欧姆接触层，而不首先对该p型层进行退火。另外，在预定的温度下将该p型层和该欧姆接触层退火预定的时间段，由此在单一的退火工艺中显著地降低该p型层和该欧姆接触层的电阻率。
在该实施例的变形中，该III-V族氮化物结构还包括:缓冲层；n型层；以及多量子阱有源层。
在该实施例的变形中，使用下列的一种或多种方式来制造该III-V族氮化物结构:有机金属化学汽相沉积(MOCVD)；分子束外延(MBE)；以及氢化物汽相外延(HVPE)。
在该实施例的变形中，使用下列的一种或多种方式在该p型层上沉积该欧姆接触层:电子束蒸发、灯丝蒸发和溅射沉积。
在该实施例的变形中，该欧姆接触层包括允许吸收氢的一种或多种贵金属。
在另外的变形中，该一种或多种贵金属包括Pt、Ru、Rh和Pd中的一种或多种。
在该实施例的变形中，该p型层和该欧姆接触层的退火是在其中使用N2和/或O2作为周围气体的环境中进行的。
在该实施例的变形中，该预定的温度低于700℃。
在另外的变形中，该预定的温度约为550℃。
在该实施例的变形中，该预定的时间段约为10分钟。
附图说明
包括了形成本说明书的一部分的附图以描述本发明的某些方面。可以通过结合在此的描述参考一个或多个附图更好地理解本发明。应当注意，在附图中所图示的特征不一定按照比例绘制。
图1说明使用传统有机金属化学汽相沉积(MOCVD)方法制造的基于氮化物半导体材料的LED。
图2说明用于激活p型层中的掺杂剂并且减小欧姆接触层的电阻率的传统两步骤退火工艺。
图3说明根据本发明的一个实施例制造的使用氮化物半导体材料的LED。
图4是说明根据本发明的一个实施例制造的基于氮化物半导体材料的LED的制造工艺的流程图。
具体实施方式
在p型氮化物材料的制造期间，氢气(H2)通常用作周围气体来增加经常为镁(Mg)的受主的密度。然而，H2和Mg可以形成非电激活的Mg-H复合体，这将会降低掺杂剂的效率。作为结果，掺杂有Mg的p型氮化物层可能比一个掺杂有其他材料的层具有更少的活跃受主。为克服上述问题和获得低电阻率的p型氮化物层，在生长p型氮化物层之后，可以采用低能电子束照射(LEEBI)和/或在无H2环境中的热退火处理。该附加的工艺破坏Mg-H复合体并且使得受主被电激活。
在热退火工艺中，可以在足够高的退火温度下，将p型氮化物材料放置在用氮气(N2)作为周围气体的腔室中。在传统的制造工艺中，退火温度优选地保持在700℃以上，以便有效地激活受主。这样的高温处理可以显著增加载流子密度并且因此将p型层的电阻率减小达五个数量级。
在LED的制造期间，欧姆接触层通常形成在p型氮化物材料的顶部上。欧姆接触层的形成通常包括将p型氮化物材料和接触金属材料在接触表面处进行合金。该合金通常发生在低于700℃的温度。作为结果，p型半导体材料经过两阶段退火/合金工艺，其包括在700℃或更高温度下的高温退火以便激活受主，接下来是在较低温度例如550℃下的合金工艺以便形成欧姆接触。在下列公开中，为简化起见，将该两阶段退火/合金工艺称为两阶段退火工艺。
该两阶段退火工艺具有若干缺点。例如，700℃的最小退火温度非常接近于附近MQW结构的生长温度。这一高退火温度可能潜在地破坏MQW区域。另外，两个不同的退火温度的设置增加了制造工艺的复杂性。本发明的实施例提供了一种用于在低温下在单一的退火工艺中制造低电阻率p型氮化物半导体材料和形成欧姆接触的方法。
提供以下的描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并且在特定应用及其需求的上下文中提供以下的描述。对公开的实施例的各种修改对本领域技术人员将是显而易见的，并且在此限定的基本原理可以应用到其他实施例和应用中，而不背离本发明的范围。因此，本发明不限于所述的实施例，而应被给予与权利要求一致的最宽泛的范围。
概述
本发明的实施例提供了在比传统方法中使用的退火温度低的退火温度下制造高质量低电阻率的p型氮化物材料的方法。公开的方法通过在单一退火期间针对热退火和欧姆接触合金二者保持低于700℃的退火温度，简化了用于制造p型氮化物材料的工艺。得到的p型材料的电阻率可以小于10Ω·cm。更重要地，使用所公开的方法可以制造该低电阻率p型材料和相关的欧姆接触，而不影响相邻MQW有源区域的质量。
图1说明了使用传统有机金属化学汽相沉积(MOCVD)方法制造的基于氮化物半导体材料的LED。III-V族化合物半导体包括例如A1、Ga和In的III族材料以及例如N、P和As的V族材料。在一个实施例中，用于制造p型材料的掺杂剂材料包括Mg。这些掺杂剂材料增加了p型半导体材料中的载流子密度。
在氮化物LED制造工艺中，首先在生长衬底110上制造III-V族氮化物分层结构(步骤A)。接下来，在衬底110上制造缓冲层120(步骤B)。然后，在缓冲层120上制造III-V族氮化物n型层130(步骤C)。在步骤D和E中，分别地在n型层130上形成MQW有源层140和III-V族氮化物p型氮化物层150。可以使用MOVCD来制造这些层。
在一个实施例中，在步骤E之后并且在p型层150上方生长任何附加层之前，将分层结构置于退火腔室中，其中使用N2作为周围气体并且周围温度设置在700℃或更高。该退火工艺通常持续约20分钟并且将H从p型层150中形成的Mg-H复合体中分离。作为结果，p型层150的电阻率可以减小达五个数量级(例如约从105Ω·cm到100Ω·cm)。应当注意，一般而言，较高的退火温度带来p型层中较低的电阻率。然而，高的退火温度可能损坏相邻的MQW结构。因此，传统的退火工艺的功效受到限制。
在步骤F，在p型层150上形成欧姆接触层160。在一个实施例中，步骤F使用物理汽相沉积方法(例如，电子束蒸发、灯丝蒸发和/或溅射沉积)。传统的欧姆接触材料包括金(Au)和镍(Ni)。通常，当结构经历在500℃或更高温度下的合金工艺时，在欧姆接触层160和p型层150之间形成低电阻率欧姆接触。应当注意，在传统的制造工艺中，欧姆接触的热退火和合金是两个分开的工艺。这是因为p型层的热退火的功效会由于欧姆接触层的存在而被减小，这阻止了氢从H-Mg复合体被提取。
图2说明用于激活p型层中的掺杂剂并且减小欧姆接触层的电阻率的传统的两步骤退火工艺。如日本公开专利申请JP 2003-347592A中公开的那样，该标绘图说明了在N2环境中退火10分钟后的掺杂有Mg的4μm厚的p型GaN层中响应于不同退火温度的电阻率变化。从该标绘图中可以看出，在制造欧姆接触层之前，只可以利用远高于600℃的退火温度来显著地降低p型层的电阻率。通常，要求高于700℃的退火温度以在p型层中实现期望的电阻率。
图3说明根据本发明的一个实施例制造的使用氮化物半导体材料的LED。在一个实施例中，在所公开的方法中的III-V氮化物半导体的外延生长是基于传统的MOCVD方法，并且图3中的前四个步骤(步骤A到步骤D)基本上类似于图1中所示的步骤。简而言之，在其上预先制造了缓冲层320的生长Si衬底310上制造III-V族氮化物分层结构。在缓冲层320之上是III-V族n型氮化物层330，在该III-V族n型氮化物层330上分别地形成MQW有源层340和p型层350(步骤D和步骤E)。
不同于传统的方法，所公开的方法继续在p型层350上制造欧姆接触层360，而不首先使p型层350经受退火工艺(步骤F)。即，在p型层350上形成欧姆接触层360，而不是p型层350首先经历热退火工艺。这是和直觉相反的，因为如果在p型层之上有另一层材料，则通常会减弱退火的功效。
欧姆接触层包括一种或多种可以吸收氢的金属。在一个实施例中，欧姆接触层包括Pt。在另一个实施例中，欧姆接触层可以包括至少下列之一:Pt、钌(Ru)、铑(Rh)和钯(Pd)。可以使用物理汽相沉积方法(例如，电子束蒸发、灯丝蒸发和/或溅射沉积)来制造欧姆接触层。
在形成欧姆接触层360之后，将分层结构放置在具有比传统方法中的周围温度例如700℃低的周围温度的退火腔室中。在一个实施例中，系统可以使用N2或O2作为周围气体以便于退火工艺。例如，该退火温度可以约为550℃，这显著地低于传统退火工艺中使用的700℃。退火工艺可以持续大约10分钟。该退火工艺将H从在p型层350中的H-Mg复合体分离，并且还在单一工艺中完成了有利于形成低电阻率欧姆接触的合金工艺。作为结果，在低于传统方法的温度下，p型层的电阻率可以减小达五个数量级。
用于欧姆接触层的贵金属可以通过化学吸附工艺吸收氢，在化学吸附工艺中氢分子通过化学键的形成粘附到贵金属的表面。可以用作欧姆接触材料并且还便于p型层退火的贵金属包括Pt、Ru、Rh和Pd。在一个实施例中，使用Pt作为欧姆接触材料，因为其可以抵抗后续的蚀刻工艺。
应当注意，本发明的实施例可以应用于各种器件结构并且不应当限于图3中所示的特定的结构。例如，生长衬底可以是基于Si、蓝宝石和/或SiC。有源区域可以包括MQW或PN结。
图4是说明根据本发明的一个实施例制造的基于氮化物半导体材料的LED的制造工艺的流程图。工艺开始于制备Si衬底(步骤410)。接下来，在生长Si衬底上制造缓冲层(步骤420)，并且然后，在缓冲层上制造n型层(步骤430)。在步骤440和450中，分别地在n型层上形成MQW层和p型层。MOVCD可以用于制造这些层。
在上述层形成之后，在步骤460中，在p型层的顶部上制造欧姆接触层。将分层结构放置在具有低于传统方法的周围温度的退火腔室中(步骤470)。例如，该退火温度可以约为550℃，这显著地低于传统退火工艺中使用的700℃。退火工艺可以持续大约10分钟。
上述的制造p型氮化物半导体材料和形成欧姆接触层的退火工艺产生了具有高载流子密度和高激活效率的p型半导体材料。特别地，该方法有利于p型层在相对低的温度下退火，而不使附近的MQW有源区域的晶体结构恶化，并且允许利用单一的退火过程来完成p型掺杂剂激活和欧姆接触的形成。因此，可以更加有效地制造使用公开的方法制造的发光器件。
利用不同的实施例说明了本发明，利用例子详细地描述了本发明，以便于本发明的不同特征或组件的实现。然而，本发明人并非旨在将本发明的应用限制于所示出的细节。可以做出对本发明的特征或组件的修改，而不偏离本发明的精神并因此仍保持在权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种制造具有欧姆接触层的III-V族氮化物结构的方法，该方法包括:
制造具有p型层的III-V族氮化物结构；
在该p型层上沉积欧姆接触层，而不首先对该p型层进行退火；以及
在预定的温度下将该p型层和该欧姆接触层退火预定的时间段，由此在单一的退火工艺中减小该p型层和该欧姆接触层的电阻率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制造该III-V族氮化物结构还包括:
制造缓冲层；
制造n型层；以及
制造多量子阱有源层。
3.根据权利要求1所述的方法，制造该III-V族氮化物结构包括下列的一种或多种方式:
有机金属化学汽相沉积(MOCVD)；
分子束外延(MBE)；以及
氢化物汽相外延(HVPE)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中沉积该欧姆接触层包括基于下列的一种或多种方式的物理汽相沉积工艺:电子束蒸发、灯丝蒸发和溅射沉积。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该欧姆接触层包括允许吸收氢的一种或多种贵金属。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该一种或多种贵金属包括Pt、Ru、Rh和Pd中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中对该p型层和该欧姆接触层的退火包括使用N2和/或O2作为周围气体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该预定的温度低于700℃。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该预定的温度约为550℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该预定的时间段约为10分钟。
11.一种发光器件，包括:
具有p型层的III-V族氮化物结构；以及
欧姆接触层，其中在该p型层上沉积该欧姆接触层，而不首先对该p型层进行退火，
其中，在预定的温度下将该p型层和该欧姆接触层退火预定的时间段；
由此在单一的退火工艺中显著地降低该p型层和该欧姆接触层的电阻率。
12.根据权利要求11所述的发光器件，其中该III-V族氮化物结构还包括:
缓冲层；
n型层；以及
多量子阱有源层。
13.根据权利要求11所述的发光器件，其中使用下列的一种或多种方式来制造该III-V族氮化物结构:
有机金属化学汽相沉积(MOCVD)；
分子束外延(MBE)；以及
氢化物汽相外延(HVPE)。
14.根据权利要求11所述的发光器件，其中使用下列的一种或多种方式在该p型层上沉积该欧姆接触层:电子束蒸发、灯丝蒸发和溅射沉积。
15.根据权利要求11所述的发光器件，其中该欧姆接触层包括允许吸收氢的一种或多种贵金属。
16.根据权利要求15所述的发光器件，其中该一种或多种贵金属包括Pt、Ru、Rh和Pd中的一种或多种。
17.根据权利要求11所述的发光器件，其中该p型层和该欧姆接触层的退火是在其中使用N2和/或O2作为周围气体的环境中进行的。
18.根据权利要求11所述的发光器件，其中该预定的温度低于700℃。
19.根据权利要求18所述的发光器件，其中该预定的温度约为550℃。
20.根据权利要求11所述的发光器件，其中该预定的时间段约为10分钟。
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