CN1645633A - 氮化物发光器件及其制造方法 - Google Patents

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CN1645633A CNA2004100458891A CN200410045889A CN1645633A CN 1645633 A CN1645633 A CN 1645633A CN A2004100458891 A CNA2004100458891 A CN A2004100458891A CN 200410045889 A CN200410045889 A CN 200410045889A CN 1645633 A CN1645633 A CN 1645633A
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Abstract

这里公开了一种氮化物半导体发光器件及其制造方法。氮化物半导体发光器件包括用于生长氮化镓基半导体材料的衬底；形成在衬底上的n型氮化物半导体层；有源层，形成在n型氮化物半导体层上，以使n型氮化物半导体层的预定部分露出；形成在有源层上的p型氮化物半导体层；形成在p型氮化物半导体层上的透明电极层，由此提供了与p型氮化物半导体层的欧姆接触；透明电极层上为Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘；以及n型氮化物半导体层的露出部分上为Ta/Au的双层形式的n侧电极。

Description

氮化物发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物发光器件，更具体地涉及氮化物发光器件及其制造方法，包括作为氮化物半导体发光器件中电极的B金属双层和N金属双层，由此提供了不需要额外热处理的室温下的欧姆接触、改进了外观并具有优异的线键合特性。
背景技术
近来，使用氮化物的氮化物半导体，例如氮化镓，已由于其优良的物理和化学性质成为用于光电材料或光电器件的必要材料的亮点。特别是，氮化物半导体发光器件可以产生具有绿、蓝和UV光波长的光，随着技术发展亮度快速增强，在几个领域中它已有许多应用，例如全色图像显示板、照明装置等。这种氮化物半导体使用具有分子式AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的氮化物半导体材料，对使用GaN的半导体发光器件的研究特别活跃。
一般来说，氮化物半导体发光器件包括依次叠置在衬底上的n型氮化物半导体层、具有多阱结构的有源层以及p型氮化物半导体层，其中除去有源层和p型氮化物半导体层以及有源层的预定部分，由此露出n型半导体层的预定部分。在露出的n型氮化物半导体上，形成n侧电极(下文中也称做“N金属”)，同时在p型氮化物半导体层上，p侧键合焊盘(下文也称做“B金属”)形成在已预先形成的透明层(下文也称做“T金属层”)，用于提供欧姆接触并增加了电流注入效率。
在氮化物半导体发光器件的制造中其中一个重要工序是为二极管提供电流的电极的形成工艺。如上所述，在通常的氮化物半导体发光器件中的电极可以包括N金属、T金属层和B金属。N金属应提供了与n型氮化物半导体层接触的欧姆特性，而T金属层应显示出高透光度和与p型氮化物半导体层接触的欧姆特性。而且，由于B金属用做引线键合的键合焊盘，B金属应显示出优良的键合特性以便提供稳固的引线键合。N金属也应显示出优良的键合特性以及与n型氮化物半导体层的欧姆特性。
通常，为了提供用于氮化物半导体发光器件的低驱动电压和低接触电阻(也就是，低欧姆接触)特性，形成了Ni/Au的双层或ITO层之后热处理与p型氮化物半导体层接触的T金属层，以T金属层上的Cr/Au的双层的形式制备用于引线键合的B金属。而且，以n型氮化物半导体层的露出表面上Ti/Al的双层形式制备作为n侧电极的N金属。
在常规的氮化物半导体发光器件中，由于B金属和N金属显示出室温下欧姆特性变差(由于大的接触电阻)，应该采用在400掺杂剂或更高温度下的热处理以便得到优良的欧姆特性。而且，氮化物半导体发光器件的制造工艺变得复杂，由此升高了成本。
当在常规的氮化物半导体发光器件中使用Ti/Au作为B金属时，Ti/Au不能作为B金属。由此，Cr/Au和Ti/Al应分别用做B金属和N金属，它们不能同时形成在T金属和n型氮化物半导体层上。对此，通常，应分别制备用于形成B金属和N金属的材料并在不同的步骤提供，由此使工艺复杂并增加了成本。
此外，作为根据常规的方法形成N金属的其中一种材料，Al有可能被碱性溶液溶解并在随后的加工工艺期间变成缺陷，由此使氮化物半导体发光器件的外观变差。具体地，由于Al较差的键合特性，因此固有地造成引线键合中的缺陷。
由此，在本领域中需要提供可以同时用做B金属和N金属的新电极，并且引线键合特性和室温下的欧姆特性优良。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的一个目的是提供一种氮化物半导体发光器件及其制造方法，包括在氮化物半导体发光器件中作为电极的Ti/Au的B金属双层和Ti/Au的N金属双层，由此同时形成了B金属和N金属，提供了不需要附加的热处理室温下的欧姆接触，改善了低劣的外形并提供了优良的线键合特性。
根据本发明的一个方案，通过提供以下氮化物半导体发光器件可以实现以上和其它目的：
用于生长氮化镓基半导体材料的衬底；
形成在衬底上的n型氮化物半导体层；
有源层，形成在n型氮化物半导体层上，以使n型氮化物半导体层的预定部分露出；
形成在有源层上的p型氮化物半导体层；
形成在p型氮化物半导体层上的透明电极层，由此提供了与p型氮化物半导体层的欧姆接触；
透明电极层上为Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘；以及
n型氮化物半导体层的露出部分上为Ta/Au的双层形式的n侧电极。
P侧键合焊盘可以包括厚度为50～1,000的Ta层以及形成在Ta层上厚度为2,000～7,000的Au层。N侧键合焊盘可以包括厚度为50～1,000的Ta层以及形成在Ta层上厚度为2,000～7,000的Au层。
根据本发明的另一方案，提供一种氮化物半导体发光器件的制造方法，方法包括以下步骤：
a)准备用于生长氮化物半导体材料的衬底；
b)依次在衬底上生长n型氮化物半导体层、有源层以及p型氮化物半导体层；
c)除去p型氮化物半导体层和有源层的预定部分，以露出n型氮化物半导体层的预定部分；
d)在p型氮化物半导体层上形成透明的电极层；
e)在透明的电极层上形成Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘；以及
f)在n型氮化物半导体层的露出部分上形成Ta/Au的双层形式的n侧电极。
在本发明的方法中，同时进行步骤e)和f)。
步骤e)可以包括用电子束蒸镀工艺在p型氮化物半导体上依次淀积Ta和Au。类似地，步骤f)可以包括用电子束蒸镀工艺在n型氮化物半导体上依次淀积Ta和Au。
本发明的方法还包括在400℃～600℃的温度热处理p侧键合焊盘和n侧键合焊盘的步骤。
附图说明
从下面结合附图的详细说明中可以清楚地理解本发明的以上和其它目的和特点。
图1示出了根据本发明氮化物半导体发光器件的剖面图；
图2a到2d为常规的n侧电极的外观与根据本发明的n侧电极的外观相比较的照片。
图3a和3b示出了包括Ti/Al的常规n侧电极的欧姆特性与根据本发明包括Ti/Au的n侧电极的欧姆特性的曲线图；以及
图4示出了检查常规的氮化物半导体发光器件的可靠性的试验结果与根据本发明的氮化物半导体发光器件的可靠性的试验结果的曲线图。
具体实施方式
现在参考附图详细地介绍根据本发明一个实施例的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
图1示出了根据本发明氮化物半导体发光器件的剖面图。参考图1，氮化物半导体发光器件包括用于生长氮化镓基半导体材料的衬底11，优选蓝宝石衬底；形成在衬底11上的缓冲层11a，用于减轻蓝宝石衬底与将生长在衬底上的n型氮化物半导体层之间的晶格失配；形成在缓冲层上的n型氮化物半导体12；形成在n型半导体层上的有源层13，以使n型氮化物半导体层12的预定部分露出；形成在有源层上的p型氮化物半导体层14；形成在p型氮化物半导体层上的透明电极层15；透明电极层15上为Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘17，以及n型氮化物半导体层的露出部分上Ta/Au的双层形式的n侧电极16。
虽然蓝宝石衬底或SiC衬底可以用做衬底11，但是蓝宝石衬底更具有代表性。由于此，不可能商业上买到与生长在衬底11上的氮化物半导体材料具有相同晶体结构并且与氮化物半导体材料晶格匹配的衬底。同时，蓝宝石衬底具有在C轴的方向中13.001的晶格参数和a轴的方向中4.765的晶格间距的六arhombic(R3)对称的晶体结构。蓝宝石的晶面指数含有C(0001)面、A(1120)面、R(1120)面等。对于发出具有蓝和绿波长光的发光器件，由于在蓝宝石衬底内的C面上较容易生长GaN薄膜、较低的价格以及高温下的稳定性，蓝宝石衬底比SiC衬底更优选。
形成缓冲层11a以减轻衬底11和生长在衬底11上的n型氮化物半导体层之间的晶格失配。对于缓冲层，通常使用具有几十nm厚度的GaN层或AlN层。
N型氮化物半导体层12包括用n型杂质掺杂的半导体材料，具有AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的分子式。具体地，通常使用GaN。用公知的淀积技术，例如MOCVD(金属有机化学汽相淀积)工艺或MBE(分子束外延)工艺，n型氮化物半导体层12生长在衬底上。
有源层13具有量子阱结构并且可以包括GaN或InGaN。
与n型氮化物半导体层12类似，p型氮化物半导体层14包括用p型杂质掺杂并且具有AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)分子式的n型半导体材料。用公知的淀积技术，例如MOCVD或MBE工艺，p型氮化物半导体层14也生长在有源层13上。
由于掺入了低浓度的杂质，因此p型氮化物半导体层14具有高接触电阻，因此欧姆特性变差。为了提高欧姆特性，透明电极层15(也称做T金属)形成在p型氮化物半导体层14上。透明电极层15可以包括具有较高透射率的金属，并且广泛使用包括Ni/Au的双层的透明电极层。现已公知通过提供欧姆接触同时增加电流注入区域，包括Ni/Au的双层的透明电极层降低了正向电压(Vf)。
在n型氮化物半导体层12的露出部分上以Ta/Au的双层形式形成n侧电极16(也称做N金属)。n侧电极16应具有良好的引线键合特性以形成用于提供电流的引线键合，并且与n型氮化物半导体层具有欧姆接触。通过对满足这种n侧电极16的特性的最合适材料进行重复的调查和研究，本发明人发现为Ta/Au的双层形式的n侧电极最优选。采用公知的电子束蒸镀工艺，通过在p型半导体层上形成厚度为50～1,000的Ta层16a以及在Ta层16a上形成厚度为2,000～7,000的Au层16b制备包括Ta/Au的n侧电极16。
包括Ta/Au的n侧电极16具有甚至在室温下提供了欧姆接触的特性。由于使用Ti/Al的常规的n侧电极16在室温下不能提供欧姆接触，因此需要通过高温下的热处理提高它的欧姆特性。另一方面，根据本发明，由于包括Ta/Au的n侧电极可以提供室温下的欧姆接触，因此不需要附加的热处理。由此，可以简化氮化物半导体发光器件的制造工艺，由此降低了成本。而且，由于不能使用有可能在碱溶液中被腐蚀并且在随后工艺中有缺损的Al，因此本发明的一个优点是氮化物半导体发光器件的外观没有缺损。
与n侧键合焊盘16类似，制备p侧键合焊盘17以形成用于电流的引线键合，并且以包括Ta层和Au层的双层形式制备在透明电极层15上。使用公知的电子束蒸镀工艺，通过在p侧氮化物半导体上形成厚度为50～1,000的Ta层17a并且在Ta层17a上形成厚度为2,000～7,000的Au层17b制备包括Ta/Au的p侧键合焊盘17(也称做B金属)。由于包括Ta/Au的p侧键合焊盘17由与n侧键合焊盘16相同的材料组成，因此可以与n侧电极同时。由此与分别形成n侧电极和p侧键合电极的常规工艺相比，本发明具有提供了更简化的工艺的优点。
n侧电极16和p侧键合电极17具有良好的欧姆特性并且不需要热处理。此外，在400℃～600℃的热处理下，它们同样具有良好的欧姆特性。由此，在本发明的氮化物半导体发光器件中的n侧电极16和p侧键合电极17允许在400℃～600℃温度下的热处理。而且，现已公知Au的键合特性优越于Al的键合特性。由此，与常规的电极相比，根据本发明的n侧电极和p侧键合电极具有优良的Al的键合特性。
本发明同样提供了具有以上介绍结构的氮化物半导体的制造方法。现在参考图1介绍根据本发明一个实施例的氮化物半导体的制造方法。
首先，制备了用于生长氮化物半导体材料的蓝宝石衬底11之后，n型氮化物半导体层12、有源层13以及p型氮化物半导体层14依次形成在蓝宝石衬底11上。可以用公知的工艺，例如MOCVD工艺或MBE工艺生长这些层。
随后，除去p型氮化物半导体层14和有源层13的预定部分以露出p型氮化物半导体层14的预定部分。可以根据要形成电极的位置不同地制备通过除去步骤形成的结构的形状。可以提供各种形状和尺寸的电极。例如，可以除去接触其中一个边缘的一部分并且电极的形状可以形成得具有沿散开电流密度的一面延伸的结构的方式执行该步骤。
然后，透明电极层15依次形成在p型氮化物半导体层14上。如上所述，通常以Ni/Au的双层形式制备透明电极层15，并且可以使用公知的电子束蒸镀工艺淀积。
最后，为Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘17和为Ta/Au的双层形式的n侧电极16分别同时形成在透明电极层15和n型氮化物半导体层12的露出部分上。由于p侧键合焊盘17和n侧电极16由相同的材料组成，因此提供了可以用一个工艺同时形成的特性。由此，与分别形成n侧电极和p侧键合焊盘的常规工艺相比，本发明的工艺可以更简化。用公知的电子束蒸镀工艺依次淀积Ta和Au，可以形成p侧键合焊盘17和n侧电极16。优选，由n侧电极16和p侧键合焊盘17组成的Ta层具有50～1,000的厚度，在Ta层上Au层具有2,000～7,000的厚度。
根据本发明的n侧电极16和p侧键合焊盘17提供了良好的欧姆特性，同时不需要热处理。此外，甚至在400℃～600℃的热处理之后，它们同样提供了良好的欧姆特性。由此，根据本发明的方法，是否在400℃～600℃的温度下热处理n侧电极16和p侧键合焊盘17并不重要。
图2a到2d为常规的n侧电极的外观与根据本发明的n侧电极的外观相比较的照片。如图2a所示，由于对Al的损伤，常规的n侧电极具有外观缺陷。而且，如图2b所示，由于常规的n侧电极上的点，因此存在点缺陷(inferiority)。相反，如图2c和2d所示，本发明的氮化物半导体发光器件的n侧电极不具有损坏的外观。根据本发明，如图2所示，可以克服由于n侧电极上的损伤造成的外观缺陷的问题。
图3a和3b示出了包括Ti/Al的常规n侧电极的欧姆特性与根据本发明包括Ti/Au的n侧电极的欧姆特性的曲线图。如图3a所示，包括Ti/Al的常规n侧电极没有提供室温下的欧姆接触。相反，当在500℃～600℃下热处理包括Ti/Al的常规n侧电极时，它在室温下产生了欧姆接触。由此，当在500℃或更高的温度下进行热处理时，常规的Ti/Al电极提供了欧姆接触。
相反，如图3b所示，本发明的包括Ti/Au的n侧电极甚至在室温下显示了良好的欧姆特性。此外，由于本发明的n侧电极在400℃～600℃，而不是700℃下显示了良好的欧姆接触，因此在400℃～600℃下热处理本发明的Ti/Au电极并不重要。
图4示出了检查具有包括Ti/Al的常规n侧电极的常规的氮化物半导体发光器件的可靠性的试验结果与本发明的包括Ti/Au的n侧电极的氮化物半导体发光器件的可靠性的试验结果的曲线图。如图4所示，具有包括Ti/Al的常规n侧电极的常规的氮化物半导体发光器件显示出使用300小时之后，亮度下降约25％，而本发明的包括Ti/Au的n侧电极的氮化物半导体发光器件显示出使用300小时之后，亮度下降约20％。由此，根据本发明的发光器件的可靠性显著提高。
如上所述，通过分别提供包括Ti/Au的双层的p侧电极和n侧电极，本发明可以简化制造工艺并减少了外观中的缺陷，并且通过不使用构成常规电极的Al改善了引线键合特性。此外，与常规的发光器件相比，本发明提供了优良的氮化物半导体发光器件。
从以上说明中很显然，根据本发明，由于作为发光器件中的B金属和N金属可以同时形成并且通过以Ta/Au的双层形式提供了欧姆接触同时不需要附加的热处理，因此可以简化的制造工艺获得降低成本的有利效果。而且提供了外观改善并且通过不使用Al作为它的材料引线键合特性优异地形成氮化物半导体发光器件的有利效果。
虽然为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域中的技术人员应该理解可以有多种修改、添加和替换同时不脱离附带的权利要求书中公开的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
用于生长氮化镓基半导体材料的衬底；
形成在衬底上的n型氮化物半导体层；
形成在n型氮化物半导体层上的有源层，以使n型氮化物半导体层的预定部分露出；
形成在有源层上的p型氮化物半导体层；
形成在p型氮化物半导体层上的透明电极层，由此提供了与p型氮化物半导体层的欧姆接触；
透明电极层上为Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘；以及
n型氮化物半导体层的露出部分上为Ta/Au的双层形式的n侧电极。
2.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中p侧键合焊盘包括厚度为50～1,000的Ta层以及形成在Ta层上厚度为2,000～7,000的Au层。
3.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中n侧键合焊盘包括厚度为50～1,000的Ta层以及形成在Ta层上厚度为2,000～7,000的Au层。
4.一种氮化物半导体发光器件的制造方法，方法包括以下步骤：
a)准备用于生长氮化物半导体材料的衬底；
b)依次在衬底上生长n型氮化物半导体层、有源层以及p型氮化物半导体层；
c)除去p型氮化物半导体层和有源层的预定部分，以露出n型氮化物半导体层的预定部分；
d)在p型氮化物半导体层上形成透明的电极层；
e)在透明的电极层上形成Ta/Au的双层形式的p侧键合焊盘；以及
f)在n型氮化物半导体层的露出部分上形成Ta/Au的双层形式的n侧电极。
5.根据权利要求4中的方法，其中同时进行步骤e)和f)。
6.根据权利要求4中的方法，其中步骤e)包括用电子束蒸镀工艺在p型氮化物半导体上依次淀积Ta和Au。
7.根据权利要求4中的方法，其中步骤f)包括用电子束蒸镀工艺在n型氮化物半导体上依次淀积Ta和Au。
8.根据权利要求4中的方法，其中步骤e)包括以下步骤：
在p侧氮化物半导体层上形成厚度为50～1,000的Ta层；以及
在Ta层上形成厚度为2,000～7,000的Au层。
9.根据权利要求4中的方法，其中步骤f)包括以下步骤：
在n侧氮化物半导体层上形成厚度为50～1,000的Ta层；以及
在Ta层上形成厚度为2,000～7,000的Au层。
10.根据权利要求4中的方法，方法还包括以下步骤：
g)在400℃～600℃的温度下热处理p侧键合焊盘和n侧键合焊盘。
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