CN1691358A - 具有氧化锌接触电极的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有氧化锌接触电极的发光二极管，将一种透明导电薄膜溅镀于电极和发光二极管之间，使得电流传导的更均匀、减低面电阻及增加某特定波长的透光率。在本发明中提出一种特别适用于GaN发光二极管的氧化锌透明导电层。Ni/Au/ZnO接触电极经实验得知较已知的Ni/Au接触电极具有较佳的透光率。Ni/Au/ZnO接触电极最佳的透光率可达90％。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光二极管，且特别是有关于一种具有氧化锌接触电极的p型砷化镓发光二极管。
背景技术
近年来砷化镓半导体材料越来越受到高功率光电组件的青睐，尤其在蓝色及靛色的可见光区域。这些砷化镓光电组件需要很低的接触电阻(SCR)来输入电流，针对这种挑战已经投入许多资源去研究适合的接触电极(contact)。对于面发光二极管(surface emitting devices)而言，接触电极另一需求是高透光率。
许多已有的研究已经指出，n型砷化镓发光二极管使用金属或硅等材料来做为接触电极。然而，对n型砷化镓而言，n型砷化镓的接触电极所面临的问题较p型砷化镓的接触电极少了许多。
因为p型砷化镓低载子浓度(carrier concentration)和高功函数(workfunction)的因素，要达到低阻抗的欧姆接触(ohmic contact)较不容易。已知最常用的接触电极是Ni/Au薄金属层，经通入氧气在500℃环境下回火，可达到目前最好的效果。然而，已知的Ni/Au薄金属层和p型砷化镓的结合所能提供的透光率最高约在80％。
图1是一已知的发光二极管的结构图。Ni/Au层110的功用是分配第二GaN层12的电流。然而，回火的制造过程造成Ni/Au层110的表面粗糙及面电阻分配不规则。在Ni/Au层110和第二GaN层12之间形成良好的欧姆接触(ohmiccontact)变得非常不容易。其它的金属，例如Pt、Ta/Ti及Pd/Au等金属，也具有程度相当的接触电阻(SCR)。因此，发展出低接触电阻及高透光率的接触电极，对于应用p型砷化镓是非常重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改良的透明接触电极的发光二极管，它提供很低的接触电阻(SCR)，使得砷化镓发光二极管的效能提升。
为达到本发明的上述目的，根据本发明的一个方案，提供一种具有ZnO接触电极的发光二极管，包括：一个透光绝缘基材170；一个第一GaN层16，形成于该透光绝缘基材170上作为一缓冲层；一个第一A1GaN层15，形成于该第一GaN层16上作为一下保护层；一个InGaN发光层14，形成于该第一AlGaN层15上；一个第二AlGaN层13，形成于该InGaN发光层14上作为一上保护层；一个第二GaN层12，形成于该第二AlGaN层13上作为一接触层；一个金属层120，形成于该第二GaN层12上作为一接触层；一个透明ZnO导电层111，形成于该金属层120上作为一电流分配及抗反射层；一个第一电极18，形成于该第一GaN层16部分暴露的区域；以及一个第二电极10，形成于该透明ZnO导电层111上。其中，
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的透光绝缘基材(170)可以是Al2O3、LiAlO2、LiGaO2或MgAl2O4。
所述的发光二极管，其特征在于：它还包含一个第二抗反射层(9)，形成于所述透明ZnO导电层(111)上。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的第二抗反射层(9)可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的透光绝缘基材(170)可以是Al2O3、LiAlO2、LiGaO2或MgAl2O4。
根据本发明的另一个方案，提供一种具有ZnO接触电极的发光二极管，包括：一个第一导电类型的半导体基材171；一个第一GaN层16，形成于该第一导电类型的半导体基材171上作为一缓冲层；一个第一AlGaN层15，形成于该第一GaN层16上作为一下保护层；一个InGaN发光层14，形成于该第一AlGaN15层上；一个第二AlGaN层13，形成于该InGaN发光层14上作为一上保护层；一个第二GaN层12，形成于该第二AlGaN层13上作为一接触层；一个金属层120，形成于该第二GaN层12上作为一接触层；一个透明ZnO导电层111，形成于该金属层120上作为一电流分配及抗反射层；一个第一电极18，形成于该第一导电类型的半导体基材171下方；以及一个第二电极10，形成于该透明ZnO导电层111上。其中，
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的第一导电类型基材(171)可以是SiC、GaAs、Si或ZnO。
所述的发光二极管，其特征在于：它还包括一第二抗反射层(9)，形成于所述的透明ZnO导电层(111)上。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的第二抗反射层(9)可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
所述的发光二极管，其特征在于：所述的第一导电类型基材(171)可以是SiC、GaAs、Si或ZnO。
应用上述较佳实施例所提出的Ni/Au/ZnO透明导电层，可形成良好的欧姆接触(ohmic contact)，并可将p型砷化镓在波长450nm-500nm的透光率提升到87％-90％。与已知的Ni/Au导电层相较，透光率提高了15％。
附图说明
图1是一已知的发光二极管的结构图；
图2A是本发明一较佳实施例的一种具有ZnO层的发光二极管的结构图；
图2B是本发明一较佳实施例的一种具有ZnO层及抗反射层的发光二极管的结构图；
图3A是本发明另一较佳实施例的一种具有ZnO层的发光二极管的结构图；
图3B是本发明另一较佳实施例的一种具有ZnO层及抗反射层的发光二极管的结构图；以及
图4是本发明另一较佳实施例的具有Ni/Au和Ni/Au/ZnO层结构的发光二极管的仿真及实验结果。
具体实施方式
为了要使电流传导的更均匀、减低面电阻(series resistance)及增加某特定波长的透光率，需要在半导体二极管和其电极之间镀上一透明的导电层。本发明提出一种特别适用于GaN发光二极管的氧化锌(ZnO)透明导电层。
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图2A是本发明一较佳实施例的一种具有ZnO层的发光二极管的结构图。本实施例的基材170是一种透光绝缘的材料。例如，Al2O3，LiAlO2，LiGaO2及MgAl2O4等透光绝缘材料都适用于本实施例。接着依序于基材170上镀上一缓冲层第一GaN层16、一下保护层第一AlGaN层15、一发光层InGaN14、一上保护层第二AlGaN13及一接触层第二GaN12。一薄金属层120镀在接触层第二GaN12上，做为一接触层。此薄金属层120可以是Ni/Au，Ni/Cr，Pt，或Ta等金属层。一透明ZnO导电层111形成于薄金属层120上，做为一电流分配及抗反射层。第一电极18形成于缓冲层第一GaN16部份暴露的区域；第二电极10形成于透明ZnO导电层111上。
图2B是本发明一较佳实施例的一种具有ZnO层及抗反射层的发光二极管的结构图。本实施例的基材170是一种透光绝缘的材料。例如，Al2O3，LiAlO2，LiGaO2及MgAl2O4等透光绝缘材料都适用于本实施例。接着依序于基材170上镀上一缓冲层第一GaN层16、一下保护层第一AlGaN层15、一发光层InGaN14、一上保护层第二AlGaN13及一接触层第二GaN12。一薄金属层120镀在接触层第二GaN12上，做为一接触层。此薄金属层120可以是Ni/Au，Ni/Cr，Pt，或Ta等金属层。一透明ZnO导电层111形成于薄金属层120上，做为一电流分配及抗反射层。第一电极18形成于缓冲层第一GaN16部份暴露的区域；第二电极10形成于透明ZnO导电层111上。除了第二电极10外，另一第二抗反射层9被镀在透明ZnO导电层111上，用来释放出更多二极管所发出的光。第二抗反射层9的材料可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2等材料。
图3A是本发明另一较佳实施例的一种具有ZnO层的发光二极管的结构图。一种n型碳化硅(SiC)半导体层171材料作为基材，此n型半导体层基材171的材料也可为砷化镓(GaAs)、硅(Si)或n型氧化锌。接着依序于基材171上镀上一缓冲层第一GaN层16、一下保护层第一AlGaN层15、一发光层InGaN14、一上保护层第二AlGaN13及一接触层第二GaN12。一薄金属层120镀在接触层第二GaN12上，做为一接触层。此薄金属层120可以是Ni/Au，Ni/Cr，Pt，或Ta等金属层。一透明ZnO导电层111形成于薄金属层120上，做为一电流分配及抗反射层。第一电极18形成于基材171的下方；第二电极10形成于透明ZnO导电层111上。
图3B是本发明另一较佳实施例的一种具有ZnO层及抗反射层的发光二极管的结构图。一种n型碳化硅(SiC)半导体层171材料作为基材。此n型半导体层基材171材料也可为砷化镓(GaAs)、硅(Si)或n型氧化锌，接着依序于基材171上镀上一缓冲层第一GaN层16、一下保护层第一AlGaN层15、一发光层InGaN14、一上保护层第二AlGaN13及一接触层第二GaN12。一薄金属层120镀在接触层第二GaN12上，做为一接触层。此薄金属层120可以是Ni/Au，Ni/Cr，Pt，或Ta等金属层。一透明ZnO导电层111形成于薄金属层120上，做为一电流分配及抗反射层。第一电极18形成于基材171的下方；第二电极10形成于透明ZnO导电层111上。除了第二电极10外，另一第二抗反射层9被镀在透明ZnO导电层111上，用来释放出更多二极管所发出的光。第二抗反射层9的材料可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2等材料。
上述的n型被定义为第一导电类型，而p型被定义为第二导电类型。
上述透明ZnO导电层111的透光率最高可达90％，且电阻也在可用的范围内(约为1.6×10-3Ωcm2)。为了要降低透明ZnO导电层111的接触电阻(specificcontact resistance，SCR)，薄金属层120Ni/Au需经回火的热处理。Ni/Au/ZnO层的热处理有两种。第一种方式在氮气的环境下，以500℃的高温回火Ni/Au/ZnO层5分钟。因为Ni/Au层的晶粒在回火的过程中长到20nm，上述的第一种热处理方式后，ZnO层被发现有龟裂现象。因此，Ni/Au层成长的晶粒会形成一不平整的面，而致使Ni/Au层上的ZnO层破裂。第二种热处理方式是先回火Ni/Au层，再将ZnO层镀在回火后的Ni/Au层上。以下的实施例就是针对以具有Ni/Au/ZnO层的p型砷化镓所做的模拟及实验。
实验条件：
Ni(5nm)/Au(5nm)层通过蒸镀(thermal evaporation)形成于p型砷化镓上。根据霍尔测量，p型砷化镓电子浓度和霍尔移动率分别为2.2×1017cm-3及11cm2/Vs。接触电阻(specific contact resistance，SCR)通过闭路传送线法(circular transmission line method，CTLM)测量。以500℃的高温回火Ni/Au层5分钟后，ZnO层通过在双离子束溅射系统(dual ion beam sputtering system)上加Zn靶材镀在Ni/Au层上。制造过程参数列在下表1中。当通入制造反应室的氧气流量是6sccm时，可以形成一低电阻(7.7×10-3Ωcm2)、高透光率(90％)的ZnO层。
表1：溅镀ZnO层的制造过程条件
| 参数(Parameter) | 数值(Value) |
| 射频功率(RF Power) | 140W |
| 空气流量Air Flow Rate(Ion Gun) | 50sccm |
| 反应室压力(Chamber Pressure) | 2.1×10-4Torr |
| 格板电压(Screen Grid Voltage | 500V |
| 加速电压(Accelerate Grid Voltage) | 300V |
| 氧气(O2) | 6sccm |
| 基材温度(Substrate Temperature) | 20℃ |
鉴于ZnO层龟裂的问题，进而提出采用上述第2种方式来制造Ni/Au/ZnO层，而且实验证明ZnO层并无破裂的情形发生。因此，ZnO层得以证明非常适用于p型砷化镓上。
图4是本发明另一较佳实施例的具有Ni/Au和Ni/Au/ZnO层结构的发光二极管的仿真及实验结果。图中的虚线表示模拟的数据，实线表示实验数据。为了使模拟和实验数据可以契合，透光率的刻度(Scale)已经过调整。参照曲线4(a)，使用上述第2种热处理方式，Ni/Au层(波长470nm)所模拟透光率是57％；参照曲线4(b)，其回火后透光率的实验值为75％。两者(曲线4(a)和4(b))之间的差异主要因为Ni/Au层表面晶格的变化。参照曲线4(d)，在沉积ZnO层后，透光率的模拟值提升到90％。根据模拟的数据，增加ZnO层后的透光率增加20％，而实验的结果显示实际透光率只增加15％，因为模拟时并未将Ni/Au层表面晶格变化的因素考虑在内。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明所提出的Ni/Au/ZnO透明导电层，可将p型砷化镓在波长450nm-500nm的透光率提升到87％-90％。与已知的Ni/Au导电层相较，透光率的提升了15％。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，但它并不是用来限定本发明，任何熟悉此项技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作各种的更改与润饰，因此发明的保护范围当以权利要求书所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种具有氧化锌接触电极的发光二极管，包括：
一个透光绝缘基材(170)；
一个第一GaN层(16)，形成于该透光绝缘基材(170)上作为一缓冲层；
一个第一AlGaN层(15)，形成于该第一GaN层(16)上作为一下保护层；
一个InGaN发光层(14)，形成于该第一AlGaN层(15)上；
一个第二AlGaN层(13)，形成于该InGaN发光层(14)上作为一上保护层；
一个第二GaN层(12)，形成于该第二AlGaN层(13)上作为一接触层；
一个金属层(120)，形成于该第二GaN层(12)上作为一接触层；
一个透明ZnO导电层(111)，形成于该金属层(120)上作为一电流分配及抗反射层；
一个第一电极(18)，形成于该第一GaN层(16)部分暴露的区域；以及
一个第二电极(10)，形成于该透明ZnO导电层(111)上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的透光绝缘基材(170)可以是Al2O3、LiAlO2、LiGaO2或MgAl2O4。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：它还包含一个第二抗反射层(9)，形成于所述透明ZnO导电层(111)上。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述的第二抗反射层(9)可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2。
7.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
8.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
9.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述的透光绝缘基材(170)可以是Al2O3、LiAlO2、LiGaO2或MgAl2O4。
10.一种具有氧化锌接触电极的发光二极管，包括：
一个第一导电类型的半导体基材(171)；
一个第一GaN层(16)，形成于该第一导电类型的半导体基材(171)上作为一缓冲层；
一个第一AlGaN层(15)，形成于该第一GaN层(16)上作为一下保护层；
一个InGaN发光层(14)，形成于该第一AlGaN(15)层上；
一个第二AlGaN层(13)，形成于该InGaN发光层(14)上作为一上保护层；
一个第二GaN层(12)，形成于该第二AlGaN层(13)上作为一接触层；
一个金属层(120)，形成于该第二GaN层(12)上作为一接触层；
一个透明ZnO导电层(111)，形成于该金属层(120)上作为一电流分配及抗反射层；
一个第一电极(18)，形成于该第一导电类型的半导体基材(171)下方；以及
一个第二电极(10)，形成于该透明ZnO导电层(111)上。
11.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
12.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
13.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：所述的第一导电类型基材(171)可以是SiC、GaAs、Si或ZnO。
14.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：它还包括一第二抗反射层(9)，形成于所述的透明ZnO导电层(111)上。
15.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于：所述的第二抗反射层(9)可以是SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、ZnS或CaF2。
16.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)可以是Ni/Au、Ni/Cr、Pt或Ta。
17.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于：所述的金属层(120)的厚度范围是10到100埃。
18.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于：所述的第一导电类型基材(171)可以是SiC、GaAs、Si或ZnO。
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- 2004-04-23 CN CNA2004100310979A patent/CN1691358A/zh active Pending
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