CN1577908A - 电极层、含有电极层的发光器件及形成电极层的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于发光器件的电极层、以及形成该电极层的方法和含有该电极层的发光器件。电极层包括含有镧系元素和金属元素的氧化物的固溶体。电极层还可以包括从金(Au)、金镧(AuLa)化合物和镧镓(LaGa)化合物构成的组中选择的至少一种。本发明的电极层具有低电阻和高透光率。因此，在发光器件中电极层的使用能降低工作电压并提高LED的透射率。因而，相比于传统LED能显著改善发光器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料层及一种形成该材料层的方法，更具体地，涉及一种电极层及其形成方法以及含有该电极层的发光器件。
背景技术
优选例如发光二极管(light emitting diode，LED)或激光二极管(laserdiode，LD)的发光器件具有低工作电压。还优选在较低的工作电压下实现光的高发射效率。
通常，为了降低工作电压，广泛使用发光器件。发光器件具有在电极层和有源层之间的改进的材料层。改进的材料层限制从电极层流入到发光器件的有源层的电流的宽度。结果，仅从有源层被限制的区域发光。
然而，为了降低发光器件的工作电压，优选降低电极层和位于电极层与有源层之间的改进材料层的电阻。由于产生光的电流流经电极层并且电极层欧姆接触例如p型GaN族的化合物半导体层，因此降低电极层的电阻以便降低发光器件的工作电压是非常重要的。
图1示出了传统电极层的截面图。参考图1，在p型化合物半导体层10上顺序形成第一和第二电极层12和14。第一和第二电极层12和14分别为镍(Ni)和金(Au)。
在该例中，由于电极层的高电阻和低透光率(permeability rate)，电极层的使用范围限于LED。
发明内容
本发明提供一种具有低电阻和高透光率的电极层。
本发明还提供一种包括电极层的发光器件。
本发明还提供一种制造电极层的方法。
根据本发明的一个方案，提供一种含有其中结合镧系元素和金属元素的氧化物的固溶体的电极层。
根据本发明的实施例，在电极层内还含有金。
根据本发明的另一个实施例，在电极层内还可以含有至少金镧化合物或镧镓化合物。
根据本发明的一个方案，电极层包括在化合物半导体上顺序形成的第一电极层和第二电极层，其中第一电极层可以是含有镧系元素和第一金属元素的化合物层。
第一金属元素是镍(Ni)。第二电极层是金属层或具有导电性的透明氧化物层。金属层是从由Au层、Pd层、Pt层和Ru层构成的组中选择的一种，以及氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一种。
根据本发明的另一个方案，关于一种发光器件，其具有插入在n型与p型电极层之间的至少n型化合物半导体层、有源层和p型化合物半导体层，p型电极层包括其中镧系元素和金属元素化合的氧化物的固溶体层。
p型电极层还可以包括Au或AuLa和LaGa的化合物。
根据本发明的又一个方案，关于一种发光器件，其具有插入n型电极层与p型电极层之间的至少n型化合物半导体层、有源层和p型化合物半导体层。p型电极层包括顺序形成的第一电极层和第二电极层，其中第一电极层可以包括由镧系元素和第一金属元素形成的化合物层。
此处，金属层是从由Au层、Pd层、Pt层和Ru层构成的组中选择的一层，以及氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一层。
根据本发明的又一个方案，一种形成电极层的方法，包括如下步骤：在化合物半导体层上形成第一电极层，其中第一电极层是镧系元素和第一金属元素的化合物层；在第一电极层上形成第二电极层；以及退火其上已形成第二电极层的产品。
此处，第一金属元素是Ni，以及第二电极层是由金属层或具有导电性的透明氧化物层形成的。在该例中，金属层是从由Au层、Pd层、Pt层和Ru层构成的组中选择的一层，以及氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一层。
在大气压下在300℃～700℃，优选400℃～600℃，更优选550℃的温度范围内在空气中进行退火10秒至5分钟，优选用1分钟。
根据本发明制造的电极层具有低电阻和高透光率。因此，在发光器件中电极层的使用能降低工作电压并提高LED的透射率。因而，相比于传统LED能显著改善发光器件的发光效率。
附图说明
图1是传统电极层的截面图；
图2至图5是根据本发明实施例1至4的电极层的截面图；
图6是根据本发明实施例的电极层的电流-电压特性的示图；
图7是根据本发明实施例的电极层和根据现有技术的电极层的电流-电压特性的示图；
图8是根据本发明实施例的电极层和根据现有技术的电极层的波长与透光率的变化关系的示图；
图9至图11是装配有根据本发明实施例1至3的电极层的发光器件的截面图；以及
图12示出了根据本发明制造电极层的步骤的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图介绍根据本发明的电极层、含有电极层的发光器件、以及根据本发明制造电极层的方法。
实施例1
参考图2，在p型化合物半导体层10上形成第一电极层40。p型化合物半导体层10是p型III-V族氮化物半导体层，但优选地，p型化合物半导体层10可以是p型GaN层。第一电极层40是至少含有例如La的镧系元素和例如Ni的预定金属的氧化物的固溶体层(下文中，镧镍氧化物(LaXNiYOZ)固溶体层)。例如，镧镍氧化物固溶体层为La2NiO4或LaNiO3。
实施例2
参考图3，在p型化合物半导体层10上形成第二电极层42。第二电极层42可以是含有预定金属的第一电极层40。例如，第二电极层可以是还含有Au的镧镍氧化物固溶体层。
然而，替换金(Au)，镧镍氧化物固溶体层还可以包括由Pt、Pd、Ru、Ir和Ag构成的组中选择的一种。
实施例3
参考图4，在p型化合物半导体层10上形成第三电极层44。通过把预定化合物添加到第一电极层40来形成第三电极层44。例如，可以通过把含有金的第一镧化合物和含有镓的第二镧化合物添加到镧镍氧化物固溶体层来形成第三电极层44。在该例中，第一镧化合物是含有例如镧的镧系元素的化合物，例如LaAu。第二镧化合物是含有例如镧的镧系元素的化合物，例如LaGa。
实施例4
与实施例1至3相比，图5中所描绘的按照本发明实施例4形成的电极层可以是多层。更具体地，参考图5，在p型化合物半导体层10上形成第四电极层46，并且在第四电极层46上形成第五电极层48。
第四电极层46是含有例如镧的镧系元素和例如镍的预定金属的化合物。第五电极层48可以是预定金属层或具有导电性的透明氧化物。在该例中，金属层优选为金层，然而，金属层可以是例如从Pt、Pd、Ru、Ir和Ag层构成的组中选择的一种的其它金属层。具有导电性的透明氧化物层是从由钌(RuO2)膜、铱(IrO2)膜和氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)膜构成的组中选择的一种。
在下文中，将介绍按照本发明实施例形成的电极层的电阻和透光率特性的实验。
{第一实验：电阻特性测试}
在第一实验中，为了形成电极层，在p型GaN层上形成8nm厚的镧镍化合物层，并且在镧镍化合物上形成8nm厚的金层。
在四种情形中，使用通过测量电极层的电流与电压关系特性的间接方法来测试这样形成的电极层的电阻特性。
在第一种情形中，在刚好形成电极层后测量电极层的电流-电压特性。
在第二种情形中，在350℃温度下退火电极层预定时间之后测量电极层的电流-电压特性。
在第三和第四种情形中，分别在450℃温度下和在550℃温度下退火电极层预定时间之后测量电极层的电流-电压特性。
图6示出了关于情形1(符号■)、情形2(符号●)、情形3(符号▲)和情形4(符号)的测试结果。
参考图6，曲线的斜率从情形1到情形4增加。这表示随着温度的增加，流过各电极层的电流也增加，即，各电极层的电阻降低。
图7示出了按照本发明G2的电极层的电阻特性和传统技术G1的电极层的电阻特性的比较关系。
对于第一实验，按照本发明的电极层是由5nm厚的镧镍化合物层和5nm厚的金层顺序形成的多层，而传统电极层是由5nm厚的镍层和5nm厚的金层顺序形成的多层。
在第一实验的两个情形中，在大气压下在500℃的温度进行测试(实验情形1)1分钟。
参考图7中的曲线G1和曲线G2，在本发明的电极层的任意电压水平下测量的电流总是大于传统技术的电流。这表示本发明的电极层的电阻总是小于传统技术的电极层的电阻。
{第二实验：透光率特性测试}
此后，为了比较本发明和传统技术的两电极层的透光率，进行第二实验。测试结果显示在图8中。在图8中，用符号G3表示的曲线3指示传统技术的电极层的实验情形2的测试结果，用符号G4表示的曲线4指示本发明的电极层的实验情形2的测试结果。
在第二实验中，通过在p型GaN层上顺序设置5nm厚镧镍化合物层和4nm厚金层来形成根据本发明的电极层。而且，通过在p型GaN层上顺序设置5nm的镍层和4nm的金层来形成根据传统技术的电极层。
在大气压下在550℃的温度退火按照本发明和传统技术的电极层1分钟，然后，进行测试电极层的透光率。对于第二实验，使用可视范围内的光用于透光率特性测试。
参考图8中的曲线G3和曲线G4，对于所有的光源，本发明的电极层的透光率总是高于传统技术的电极层的透光率。
实验结果显示本发明的电极层的电阻和透光率特性优于传统技术的电极层的电阻和透光率特性。因此，如果本发明的电极层用在发光器件例如LED或LD中，能降低发光器件的工作电压，同时能增加光量，从而，增加了发光器件的光发射效率。
下面介绍作为发光器件的一个例子并具有根据本发明的电极层的激光二极管(LD)，图9示出了具有在同一方向上形成的p型和n型电极层的LD。
参考图9，在蓝宝石衬底100上形成例如n型GaN层的第一n型化合物半导体层102。在第一n型化合物半导体层102的预定区域上形成n型电极120。第一n型化合物半导体层102的其余区域向上凸出。第二n型化合物半导体层104位于第一n型化合物半导体层102的凸出区域上。在n型化合物半导体层104上顺序堆叠具有比第二n型化合物半导体层104的折射率高的n型波导层106，例如n型GaN层；具有比n型波导层106的折射率高的有源层(InGaN)108；以及具有比有源层108的折射率低的p型波导层110，例如p-GaN层。在p型波导层110上形成具有比p型波导层110的折射率低的第一p型化合物半导体层112，例如p-AlGaN/GaN层。脊元件112a位于第一p型化合物半导体层112的中间区域。在第一p型化合物半导体层112的脊元件112a上形成第二p型化合物半导体层114，例如p型GaN层。用保护层116完全覆盖脊元件112a。保护层116部分接触第二p型化合物半导体层114。在保护层116上形成接触第二p型化合物半导体层114的暴露表面的p型电极层118。p型电极层是图2至图5中所描绘的一种电极。
图10示出了具有彼此面对的n型和p型电极层的LD。
参考图10，衬底300设置在n型电极290上。衬底300是n型化合物半导体层，优选为n型GaN层。在衬底300上，顺序堆叠n型覆层302、具有多量子阱(multi-quantum well，MQW)结构并产生激光束的有源层304、以及p型第一覆层306。n型覆层302是具有比有源层304低的折射率的n型化合物半导体层，例如n-AlGaN层。p型第一覆层306是具有比有源层304低的折射率的p型化合物半导体层，例如，p-InAlGaN层。有源层304、n型覆层302和p型第一覆层306形成用于激光发射的调谐(resonance)层。在p型覆层306上形成第一电流阻挡层308a和第二电流阻挡层308b。第一和第二电流阻挡层308a和308b彼此隔开C数量级的预定距离。在第一和第二电流阻挡层308a和308b之间能通过用于发起激光的电流，而在其它区域阻挡电流。第一和第二电流阻挡层308a和308b之间的距离C限定用于电流流过的通道区域的宽度。
p型第二覆层310形成在第一和第二阻挡层以及p型第一覆层306上。第二覆层310通过由第一和第二阻挡层308a和308b形成的通道区域接触p型第一覆层306。p型第一和第二覆层306和310是p型化合物半导体层。在p型第二覆层310上形成具有平坦表面并用作接触层的p型化合物半导体层312。p型化合物半导体层312优选为p-GaN层。在p型化合物半导体层312上形成欧姆接触的p型电极层。p型电极层314是图2至图5中所描绘的一种电极层。
图11是具有彼此面对的n型电极层和p型电极层的激光器二极管(LD)的截面图，其具有与图10中的电极层不同的构造。
参考图11，n型化合物半导体层402形成在高电阻衬底400例如蓝宝石衬底上。n型化合物半导体层402是以GaN族为基的III-V族氮化物半导体层，优选是转换的形式，更优选为n-GaN层。朝下开口的通孔404形成在高电阻衬底400上。通过通孔404暴露n型化合物半导体层402的一部分下表面。在高电阻衬底400的下表面上形成导电层406，导电层406通过通孔404的暴露部分接触n型化合物半导体层402。导电层406用作n型电极层。n型覆层408形成在n型化合物半导体层402上。第一波导层500、有源层502和第二波导层504顺序堆叠在n型覆层408上以形成谐振层。第一和第二波导层500和504是III-V族氮化物化合物半导体层，分别优选为n-GaN层和p-GaN层。有源层502是III-V族氮化物化合物半导体层，例如，含有一定比例铟的InGaN层。有源层502的折射率高于第一和第二波导层500和504的折射率。p型覆层506形成在第二波导层504上。p型覆层506的上部分的中心形成一凸出部。p型化合物半导体层508设置在p型覆层506的中心凸出部上。p型化合物半导体层508优选为p-GaN层。保护层510覆盖p型覆层506的全部表面，并且保护层接触p型化合物半导体层508的两侧。p型电极层512形成在保护层510上以在暴露区域接触p型化合物半导体层508。此处，p型电极层512是图2至图5中所描绘的一种电极层，但优选是图2至图4中所描绘的一种电极层。
在下文中，将介绍一种制造根据本发明的电极层的方法。
参考图12，首先，第一电极层610形成在p型化合物半导体层600例如p型GaN层上。第一电极层610是至少含有例如镧的镧系元素和例如Ni的预定金属的化合物层LaNi。此处，形成第一电极层610具有1～10,000的厚度。
在形成第一电极层610之后，在第一电极层610上形成具有1～50,000厚度的第二电极层620。优选第二电极层由金属层形成，但还可以是具有导电性的透明氧化物层。此处，当第二电极层620由金属层形成时，优选第二电极层620由金层形成，但还可以由例如从钯层、铂层和钌层构成的组中选择的一种的其它金属层。而且，当第二电极层620由具有导电性的透明氧化物层形成时，第二电极层620可以由氧化钌膜或氧化铱膜形成。
在形成第二电极层620之后，在空气中在大气压下加热最终结构。热处理的温度在300℃～700℃的范围内，优选为400℃～600℃，更优选为550℃，持续10秒至5分钟，优选为大约1分钟。
在热处理期间，通过相互混合，使包括第一和第二电极层610和620的某些成分氧化，例如，第一电极层610的成分。这导致单电极层630形成在p型化合物半导体层600上。该单电极层630是氧化物固溶体层，例如镧镍氧化物(LaXNiYOZ)固溶体层或含有金的镧镍氧化物(LaXNiYOZ)固溶体层、或含有金镧化合物(AuLa)和镧镓化合物(LaGa)的镧镍氧化物固溶体层。镧镍氧化物固溶体层可以是La2NiO4或LaNiO3。
另一方面，制造电极层的方法能容易地运用于制造如图9至11所描绘的发光器件。
如从本发明的实施例和实验所看到的，按照本发明形成的电极层具有比传统电极层更高的透光率和更低的电阻。因此，如果本发明的电极层包含在发光器件内，那么会降低发光器件的工作电压同时增加透光率，因此，与传统技术中的发光器件相比，显著增加了发光器件的发光效率。
当参考本发明的实施例具体示出并介绍本发明时，不应认为本发明局限于这里所展现的实施例。例如，本领域的技术人员能将本发明的电极层应用到图9至图11中所描绘的发光器件或其它发光器件中，而甚至应用到要求低电阻电极层的其它器件中。因此，通过这里所展示的附加权利要求的技术精神限定本发明的范围。
Claims (27)
1、一种电极层，包括其中结合镧系元素和金属元素的氧化物的固溶体。
2、根据权利要求1的电极层，还包括金。
3、根据权利要求1的电极层，还包括金镧化合物(AuLa)和镧镓化合物(LaGa)中的至少一种。
4、根据权利要求1的电极层，其中所述金属元素是镍。
5、一种电极层，包括顺序淀积在化合物半导体上的第一电极层和第二电极层，其中所述第一电极层是含有镧系元素和第一金属元素的化合物层。
6、根据权利要求5的电极层，其中所述第一金属元素是镍。
7、根据权利要求5的电极层，其中所述第二电极层是金属层。
8、根据权利要求5的电极层，其中所述第二电极层是具有导电性的透明氧化物层。
9、根据权利要求7的电极层，其中所述金属层是从由金层、钯层、铂层和钌层构成的组中选择的一层。
10、根据权利要求8的电极层，其中所述氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一层。
11、一种发光器件，包括形成在n型与p型电极层之间的至少n型化合物半导体层、有源层和p型化合物半导体层，其中所述p型电极层是含有镧系元素和金属元素的化合物的氧化物固溶体层。
12、根据权利要求11的发光器件，其中所述p型电极层还包括金。
13、根据权利要求11的发光器件，其中所述p型电极层还包括金镧化合物(AuLa)和镧镓化合物(LaGa)中的至少一种。
14、根据权利要求11的发光器件，其中所述金属元素是镍。
15、一种发光器件，包括形成在n型与p型电极层之间的至少n型化合物半导体层、有源层和p型化合物半导体层，
其中所述p型电极层包括顺序淀积的第一电极层和第二电极层，并且
所述第一电极层是含有镧系元素和第一金属元素的化合物层。
16、根据权利要求15的发光器件，其中所述第一金属是镍。
17、根据权利要求15的发光器件，其中所述第二电极层是金属层。
18、根据权利要求15的发光器件，其中所述第二电极层是具有导电性的透明氧化物层。
19、根据权利要求17的发光器件，其中所述金属层是从由金层、钯层、铂层和钌层构成的组中选择的一层。
20、根据权利要求18的发光器件，其中所述氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一层。
21、一种形成电极层的方法，包括如下步骤：
在化合物半导体层上形成第一电极层；
在所述第一电极层上形成第二电极层；以及
退火其上已形成所述第二电极层的产品，
其中所述第一电极层是由镧系元素和第一金属元素形成的化合物层。
22、根据权利要求21的方法，其中所述第一金属是镍。
23、根据权利要求21的方法，其中所述第二电极层是金属层。
24、根据权利要求21的方法，其中所述第二电极层是具有导电性的透明氧化物层。
25、根据权利要求23的方法，其中所述金属层是从由金层、钯层、铂层和钌层构成的组中选择的一层。
26、根据权利要求24的方法，其中所述氧化物层是从由RuO2层、IrO2层和ITO层构成的组中选择的一层。
27、根据权利要求21的方法，其中在大气压下在空气中在300℃～700℃的温度范围内退火所述电极层10秒至5分钟。
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