CN107731980B - 一种紫外发光二极管结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管结构及其制作方法，具有N型AlGaN层，在N型AlGaN层表面与N型金属电极之间，插入一层金属扩散阻挡薄膜，防止电极金属扩散到N型AlGaN层中，进而破坏电极金属膜层的平整度和金属/半导体有效接触，其制作方法包括通过在N型AlGaN层表面沉积一层金属扩散阻挡薄膜，改善金属与N型AlGaN层的接触特性。
Description
技术领域
本发明涉及紫外发光二极管的芯片技术，更具体地，涉及一种紫外发光二极管结构及其制作方法。
背景技术
AlGaN基紫外LED芯片具有使用便捷、能效高、波长范围广等优势而被广泛关注。目前，UVB（280-315nm）和UVC（＜280nm）LED器件还存在外电光转换效率低的问题。除了提升LED器件的外量子效率，通过降低器件的工作电压、提升电流注入效率也是提高LED器件的发光效率的关键因素。而解决金属电极与高AlN含量的AlGaN半导体材料的欧姆接触一直以来都是科研工作者的关注点和技术难点。
目前，深紫外LED的高Al组分n-AlxGa1-xN(x＞5)的欧姆接触实现较为困难。这主要是由于随着AlN含量的增加材料的深能级缺陷增多导电性变差；同时，AlGaN材料较小的电子亲和能导致金属与半导体材料（简称金-半）界面处的肖特基势垒较高，使得金-半接触的欧姆特性较差，所需的金属电极结构及退火条件更加苛刻。此外，这种高Al组分的n-AlGaN在与传统Ti、Al以及其他金属电极层形成欧姆接触时，经过高温退火，Ti与AlGaN中的N容易反应聚集成TiN岛，颗粒金属与AlGaN接触，同时Au会沿着TiN岛的界面扩散到AlGaN表面与Ga反应形成AuGa化合物并在金-半界面处形成空隙，从而破坏金属电极膜层的平整度和有效接触，降低芯片工艺的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提出一种紫外发光二极管结构及其制作方法，通过在金属电极与n-AlGaN之间插入一层超薄TiN薄膜阻挡Au迁移到半导体表面与Ga反应，改善金属电极与半导体之间的接触特性和老化稳定性。
本发明的技术方案为：一种紫外发光二极管结构，包括：衬底、N型AlGaN层、有源层、P型层、N型金属电极、P型金属电极，其特征在于：所述N型AlGaN层与N型金属电极之间具有金属扩散阻挡薄膜，金属扩散阻挡薄膜的主要作用在于，有效阻挡电极原子迁移到N型AlGaN层表面与其中的Ga原子反应而在外延表面形成的空洞现象。
根据本发明，优选地，所述金属扩散阻挡薄膜选用包括SiNx，也可以选择TiN材料，TiN薄膜较SiNx薄膜对金属的阻挡作用更强，可以有效防止Au原子扩散到外延表面，从而改善金属/半导体的接触界面。同时，通过有效的控制TiN膜层的厚度，使得TiN厚度小于5nm,从而实现电子在金属/半导体界面有效的隧穿，获得良好的金/半欧姆接触。
根据本发明，优选地，所述金属扩散阻挡薄膜的厚度不大于5nm。
根据本发明，优选地，所述N型金属电极与金属扩散阻挡薄膜接触部分的N型金属电极材料包含金属Ti，金属Ti跟SiNx或者TiN有更好的接触性，不易出现掉电极。
根据本发明，优选地，所述金属扩散阻挡薄膜的上表面面积不小于N型金属电极的下表面面积，所述金属扩散阻挡薄膜的上表面指的是朝向N型金属电极的一面，以保障对金属电极扩散阻挡的效果。
本发明还提供了一种紫外发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供AlGaN基紫外发光二极管外延片，外延片包括：N型AlGaN层、有源层和P型层；
（2）在N型AlGaN层表面，制作出N型AlGaN窗口；
（3）在N型AlGaN窗口制作金属扩散阻挡薄膜；
（4）在金属扩散阻挡薄膜上制作N型金属电极。
根据本发明，优选地，所述金属扩散阻挡薄膜材料包括TiN、SiNx。
根据本发明，优选地，所述金属扩散阻挡薄膜的厚度不大于5nm。
根据本发明，优选地，步骤（3）通过PECVD或ALD原子沉积的方法制作金属扩散阻挡薄膜。
根据本发明，优选地，步骤（4）制作至少一层的N型金属电极，N型金属电极第一层制作材料为Ti。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的实施例或权利要求的技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1：本发明的紫外发光二极管结构示意图；
图2：本发明的N型金属电极区域局部示意图；
图中标示：100、衬底；200、N型AlGaN层；210、金属扩散阻挡薄膜；220、N型金属电极；300、有源层；400、P型层；410、P型金属电极。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的紫外发光二极管结构及其制作方法进行详细的描述，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
本发明的技术方案涉及一种紫外发光二极管结构的制备，特别是深紫外发光二极管，可有效改善金属与N型AlGaN的欧姆接触，降低器件的工作电压、提升电流注入效率，提高LED器件的发光效率。同时，通过解决金属原子迁移产生的空洞和膜层表面粗糙的问题，改善器件的稳定性。
参看图1和图2，在金属电极与N型AlGaN膜层之间采用PECVD方法生长一层超薄的TiN薄膜（0~5 nm），可以实现阻挡Au原子扩散聚集的作用，同时，TiN薄膜的厚度要限制其＜5nm，避免TiN膜层对欧姆接触的形成。
本发明主要包括以下制作工艺步骤：
1）提供一AlGaN 基深紫外LED 外延片，外延片包括：衬底100、N型AlGaN层200、有源层300和P型层400，P型层400的材料包括氮化镓；
2）在这一AlGaN 基紫外LED 外延片上通过干蚀刻的方法在N型AlGaN层200表面制作出N型AlGaN窗口；
3）在N型AlGaN窗口采用PECVD的方法制作一层不大于5 nm的TiN膜层，作为金属扩散阻挡薄膜210；
4）在TiN膜层上制作至少一层的N型金属电极220，本实施例为Ti/Al/Ni/Au金属膜层，N型金属电极220的第一层选用金属Ti，Ti基的金属电极有利于提升与金属扩散阻挡薄膜210的接触性；
5）制作以Ni/Au为P型金属电极410作为欧姆接触层；
6）加厚P、N金属电极；
7）将制备好的晶圆片分割成LED芯粒。
通过在N型金属电极220与N型AlGaN层200之间引入一层超薄TiN扩散阻挡层可以有效阻挡Au迁移到半导体表面与Ga反应，从而改善金属电极与半导体之间的接触特性和金属膜层表面的粗糙度，并提升器件的稳定性。
同时，TiN薄膜可有效阻挡Au原子迁移到N型AlGaN层200与其中的Ga原子反应而在外延表面形成的空洞现象，改善金属与N型AlGaN层200的接触特性。
根据本实施例工艺制作得到的紫外发光二极管结构，包括：衬底100、N型AlGaN层200、有源层300、P型层400、N型金属电极220、P型金属电极410，所述N型AlGaN层200与N型金属电极220之间具有金属扩散阻挡薄膜210。所述金属扩散阻挡薄膜210材料包括TiN。金属扩散阻挡薄膜210的厚度不大于5nm，该厚度范围内的金属扩散阻挡薄膜210，具有良好电极金属扩散阻挡，同时，由于薄膜厚度较薄，电子可以实现有效的隧穿，不会增加工作电压。N型金属电极220与金属扩散阻挡薄膜210接触部分的N型金属电极220材料包含金属Ti。金属扩散阻挡薄膜210的上表面面积不小于N型金属电极220的下表面面积，金属扩散阻挡薄膜210的上表面指的是朝向N型金属电极220的一面，以保障对金属电极扩散阻挡的效果。
实施例2
根据实施例1的进一步延伸，PECVD制作替换为ALD原子沉积，目前采用ALD原子沉积制作的金属扩散阻挡薄膜210，成膜性更佳，对金属扩散的阻挡效果更好，本实施例也可以采用SiNx替代TiN作为金属扩散阻挡薄膜210材料。
尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。
Claims (10)
1.一种紫外发光二极管结构，包括：衬底、N型AlGaN层、有源层、P型层、N型金属电极、P型金属电极，其特征在于：所述N型AlGaN层与N型金属电极之间具有金属扩散阻挡薄膜，金属扩散阻挡薄膜直接与N型AlGaN层接触，金属扩散阻挡薄膜阻挡N型金属电极原子迁移到N型AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管结构，其特征在于：所述金属扩散阻挡薄膜材料包括TiN、SiNx。
3.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管结构，其特征在于：所述金属扩散阻挡薄膜的厚度不大于5nm。
4.根据权利要求2所述的一种紫外发光二极管结构，其特征在于：所述N型金属电极与金属扩散阻挡薄膜接触部分的N型金属电极材料包含金属Ti。
5.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管结构，其特征在于：所述金属扩散阻挡薄膜的上表面面积不小于N型金属电极的下表面面积。
6.一种紫外发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供AlGaN基紫外发光二极管外延片，外延片包括：N型AlGaN层、有源层和P型层；
（2）在N型AlGaN层表面，制作出N型AlGaN窗口；
（3）在N型AlGaN窗口制作金属扩散阻挡薄膜, 金属扩散阻挡薄膜直接与N型AlGaN层接触；
（4）在金属扩散阻挡薄膜上制作N型金属电极；
其特征在于：金属扩散阻挡薄膜阻挡N型金属电极原子迁移到N型AlGaN层。
7.根据权利要求6所述的一种紫外发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属扩散阻挡薄膜材料包括TiN或SiNx。
8.根据权利要求6所述的一种紫外发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属扩散阻挡薄膜的厚度不大于5nm。
9.根据权利要求6所述的一种紫外发光二极管的制作方法，其特征在于：步骤（3）通过PECVD或ALD原子沉积的方法制作金属扩散阻挡薄膜。
10.根据权利要求6所述的一种紫外发光二极管的制作方法，其特征在于：步骤（4）制作至少一层的N型金属电极，N型金属电极第一层制作材料为Ti。
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