CN103441065A

CN103441065A - 一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法及应用

Info

Publication number: CN103441065A
Application number: CN2013103546376A
Authority: CN
Inventors: 云峰; 田振寰; 王宏; 王越; 黄亚平
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法及应用，属于半导体光器件制造技术领域，包括：1）在生长衬底上制备基础芯片结构；2）在金属基片上制备单层石墨烯；3）将步骤2）制得的石墨烯转移到转移介质上，并进行图案画处理；4）将转移介质连同在其上的石墨烯压制在步骤1）得到的基础芯片结构表面，得到刻蚀用的掩膜，刻蚀掉无掩膜区域的p型AlGaN，刻蚀到n型GaN，然后去除转移介质，在基础芯片结构表面制得完整的石墨烯层；5）将表面具有完整的石墨烯层的芯片，退火后，蒸镀单层或多层金属层，得到高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层。本发明方法操作简单，改善了大电流大功率器件的热效应，成本低。

Description

一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法及应用

技术领域

本发明属于半导体光器件制造技术领域，具体涉及一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法及应用，该方法利用石墨烯-金属结构实现高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触。

背景技术

石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构，具有独特的光学、电学、热特性及机械性能。单层石墨烯对于可见光的透过率可达到97%，在300nm到1000nm波长范围内，石墨烯的吸收光谱是相当平坦的。它是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体，是目前世上电阻率最小的材料。高的电导率及光透过率使石墨烯成为最有前景的透明导电层备选材料之一，特别是对于紫外器件。

目前限制紫外器件发展的一个主要问题是缺少对紫外光具有高透过率且高电导率的透明导电层。铟锡氧化物（ITO）是最常用的透明导电层，但其对非可见光，如紫外光波的透过率极低。除此之外，铟的价格也较高。相比较而言，石墨烯在紫外波段的透过率远高于ITO，有更高的电导率及热导率，可降低透明导电层的电阻，实现良好的热扩散。

石墨烯作为透明导电层，代替ITO应用于触摸屏、透明柔性显示器件、太阳能电池、晶体管等器件中，对于这一方向的研究也有很多。如韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。近期，国内首条石墨烯透明导电膜生产线已经正式投产。但石墨烯作为半导体氮化物器件的透明导电层，特别是对于UV-LED、UV-LD等高Al组分GaN材料的p型欧姆接触的研究尚处于起步阶段，而这一方向的研究有很重要的现实意义。

高Al组分GaN材料的p型欧姆接触很难实现，主要是因为p-AlGaN的掺杂效率很低。导致p型掺杂效率低的主要原因有：掺杂剂的溶解度低；掺杂剂的激活能高；施主和杂质补偿严重。而且这三个问题随着Al组分的升高而越发严重，从而导致Al组分越高p型掺杂效率越低。由于p-AlGaN的掺杂问题，目前发光器件的p型层大都使用p-GaN代替p-AlGaN，以暂时解决电导率低的问题。但是由于p-GaN对深紫外光波段的吸收率相当高，导致深紫外发光器件的光提取效率很低，这也是深紫外发光器件发光效率低的原因。

发明内容

为了克服上述技术问题的缺陷，本发明的目的在于提供一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法及应用，该方法工艺简单、成本低，能够提高光提取效率，减少大电流大功率器件的热效应，从而解决高Al组分的紫外光电器件的p型欧姆接触问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，包括以下步骤：

1）在生长衬底上制备基础芯片结构；

2）在金属基片上制备单层石墨烯；

3）将步骤2）制得的石墨烯转移到转移介质上，并进行图案画处理；

4）将转移介质连同在其上的石墨烯压制在步骤1）得到的基础芯片结构表面，得到刻蚀用的掩膜，刻蚀掉无掩膜区域的p型AlGaN，刻蚀到n型GaN，然后去除转移介质，在基础芯片结构表面制得完整的石墨烯层；

5）将表面具有完整的石墨烯层的芯片，在200～400℃下，在N₂气氛围下退火3～5min后，蒸镀单层或多层金属层，得到高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层。

步骤1）所述的生长衬底采用蓝宝石，步骤2）所述的金属基片采用铜箔，且铜箔的纯度大于95%。

步骤2）所述的在金属基片上制备单层石墨烯，是以乙烯作为石墨烯生长的碳源，以H₂和Ar的混合气体作为载气，，在900℃～1100℃下，在50Pa～5kPa的条件下生长；其中H₂和Ar的体积比为1:2～4。

在步骤4）之前还包括清洁步骤，具体是：将经步骤3）处理的带有转移介质和石墨烯的金属基片，置于FeCl₃溶液中腐蚀掉铜箔层后，用去离子水冲洗3～5次；再置于质量浓度为10～15%的HCl溶液中浸泡30～60min后，用去离子水冲洗3～5次。

所述的转移介质为PMMA、PDMS或光刻胶。

步骤3）所述的图案化处理采用压印、电子束光刻或光学光刻。

步骤4）所述的去除转移介质是采用丙酮洗去转移介质。

步骤5）所述的单层或多层金属层的金属元素采用Pt、Au、Ni或Cr，所述的单层或多层金属层的蒸镀是采用热蒸发、电子束蒸发、或磁控溅射的方法进行。

制得的高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层在制备半导体光电器件中的应用，所述的半导体光电器件为UV-LED、UV-LD、异质结双极晶体管或高电子迁移率晶体管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用金属-石墨烯结构作为AlGaN的p型欧姆接触层，石墨烯薄膜作为一种良好的透明导电层，对紫外光的透过率远高于ITO，从而能够避免引入GaN层而导致的光提取率的降低；同时，石墨烯的高热导性对于大功率器件有很重要的意义，由本发明方法制得的结构不需要高温退火即可形成良好的欧姆接触，减小局域热效应，改善芯片的工作温度，从而避免了高温退火对器件的进一步损伤，同时该结构可以在能带结构上可以降低石墨烯与AlGaN材料费米能级的差值，因此可以实现较小p型掺杂浓度的欧姆接触，提高了材料的质量和器件的性能。除此之外，本发明方法采用转移介质作为下一步光刻的掩膜，有效地简化了工艺流程。

本发明方法操作简单，改善了大电流大功率器件的热效应，成本低，适用于UV-LED、UV-LD（Laser Diode）、异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等多种半导体光电器件的制备。

附图说明

图1为在生长衬底上用MOCVD生长的基础芯片结构示意图；

图2为CVD法在Cu箔上生长石墨烯，涂覆并图形化转移介质的示意图；

图3为将转移介质连同在其上的石墨烯压于基础芯片之上，以转移介质作为掩膜，用ICP刻蚀到n型GaN；

图4为通过本发明的实施例制得的器件最终的结构示意图；

其中，1为生长衬底；2为AlN成核层；3为非故意掺杂u-AlN；4为n-GaN；5为10组InGaN/AlGaN多量子阱结构；6为p-AlGaN；7为Cu箔；8为石墨烯层；9为转移介质层；10为p型欧姆接触金属材料；11为n型欧姆接触金属层。

具体实施方式

下面结合具体的附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

1）选用蓝宝石衬底作为生长衬底1，用MOCVD在蓝宝石衬底1上依次生长20nm的AlN或GaN成核层2，2um的AlN或GaN缓冲层3，（可根据需要选择是否生长DBR反射镜），2.5um的n-GaN4，10组InGaN/AlGaN多量子阱结构5，30nm的Mg掺杂p-AlGaN电子阻挡层6，具体结构参见图1；

2）采用CVD外延法在Cu箔衬底7上制备单层石墨烯8，以C₂H₂(乙烯)作为石墨烯生长的碳源，以25um厚的高纯度（＞95%）Cu箔作为生长衬底，H₂和Ar的混合气体作为载气（其中H₂和Ar的体积比为1:2～4），在900℃到1100℃的高温及50Pa到5kPa的低压条件下生长。采用该方法制备石墨烯可控性好，且铜箔价格低廉，易于转移和规模化制备，参见图2；

3）采用腐蚀基体法转移CVD生长的石墨烯到转移介质层9上（转移介质选用PMMA、PDMS或光刻胶），将生长好石墨烯的Cu箔铺平，用匀胶法在石墨烯表面覆盖一层10-20um厚的PMMA、PDMS或光刻胶作为衬底转移层9，并对其进行图案化处理，如图2所示，可采用压印、电子束光刻、光学光刻等多种方式实现转移介质的图形化；

4）将带有转移介质和石墨烯的金属基片放入FeCl₃溶液中腐蚀掉Cu箔层，并用去离子水冲洗3～5次；

5）将漂洗完的石墨烯放入质量浓度为10～15％的HCl溶液中浸泡30～60min，去除无定型碳，并用去离子水冲洗3～5次；

6）将从Cu衬底转移到PMMA或光刻胶介质上的石墨烯轻压在步骤1）得到的芯片表面，如图3所示，并以9作为刻蚀的掩膜，用ICP刻蚀掉部分p型AlGaN，露出n型GaN4，以便制作n型欧姆接触；

7）用丙酮洗掉PMMA或光刻胶介质，最终在芯片表面得到大面积完整的石墨烯层；然后在200～400℃下、N₂气氛围下退火3～5min；

8）采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等方式蒸镀一定厚度的单层或多层金属，制作p型欧姆接触10及n型欧姆接触11，p型金属层可以选择Pt、Au、Ni、Cr等，n型选Ti、Al、Au等。

综上所述，石墨烯与GaN材料之间为肖特基接触，两种材料的费米能级相差较大，接触时形成肖特基势垒，在石墨烯表面蒸镀一定厚度的单层或多层金属层，可降低肖特基势垒，形成良好的欧姆接触，这是由于金属-石墨烯结构类似半导体的导带，减小了石墨烯与GaN材料费米能级的差值，降低了势垒高度，当两者的费米能级相等时，即可形成良好的欧姆接触。现有技术中要实现AlGaN材料是p型欧姆接触需要对AlGaN材料进行p型重掺杂，然而相应的材料质量和器件的效果都不好，而本发明的这种结构，易实现p型欧姆接触，所以在一定的程度上降低了AlGaN材料的p型掺杂浓度，不仅有利于材料的质量，同时也降低了工艺的难度，提高了器件的性能。本发明选用Ni、Cr、Au、Pd、Ti等一种或多种金属材料，这种结构避免了p-GaN层对紫外光的吸收，避免了高温退火工艺对器件的损伤。石墨烯可以代替ITO，实现良好的电流扩展效应，避免了ITO对紫外光的吸收。除此之外，石墨烯有良好的热导性，对于大功率器件热扩散有重要意义，可减小局部热效应。

Claims

1.一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在生长衬底上制备基础芯片结构；

2）在金属基片上制备单层石墨烯；

2.根据权利要求1所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，步骤1）所述的生长衬底采用蓝宝石，步骤2）所述的金属基片采用铜箔，且铜箔的纯度大于95%。

3.根据权利要求1或2所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，步骤2）所述的在金属基片上制备单层石墨烯，是以乙烯作为石墨烯生长的碳源，以H₂和Ar的混合气体作为载气，，在900℃～1100℃下，在50Pa～5kPa的条件下生长；其中H₂和Ar的体积比为1:2～4。

4.根据权利要求2所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，在步骤4）之前还包括清洁步骤，具体是：将经步骤3）处理的带有转移介质和石墨烯的金属基片，置于FeCl₃溶液中腐蚀掉铜箔层后，用去离子水冲洗3～5次；再置于质量浓度为10～15%的HCl溶液中浸泡30～60min后，用去离子水冲洗3～5次。

5.根据权利要求1所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，所述的转移介质为PMMA、PDMS或光刻胶。

6.根据权利要求1所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，步骤3）所述的图案化处理采用压印、电子束光刻或光学光刻。

7.根据权利要求1所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，步骤4）所述的去除转移介质是采用丙酮洗去转移介质。

8.根据权利要求1所述的一种制备高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层的方法，其特征在于，步骤5）所述的单层或多层金属层的金属元素采用Pt、Au、Ni或Cr，所述的单层或多层金属层的蒸镀是采用热蒸发、电子束蒸发、或磁控溅射的方法进行。

9.一种采用权利要求1所述的方法制得的高Al组分的AlGaN材料的p型欧姆接触层在制备半导体光电器件中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的半导体光电器件为UV-LED、UV-LD、异质结双极晶体管或高电子迁移率晶体管。