TW200820470A - Organic electro-conductive film application on wide energy gap semiconductor ohm contact structure and manufacturing method thereof - Google Patents

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200820470 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種光電與微電子元件製程之領域，尤 指一種有機導電膜應用於寬能隙半導體而產生良好歐姆接 觸之結構與其製造方法。 【先前技術】

近年來寬能隙材料被廣泛的運用在各類光電與微電子 元件中，例如：短波長（例如：紫外光波段）發光二極體 (Light-emitting diodes，LED)與雷射二極體元件以及光 檢測器、電晶體等，不過，這些元件都需要具備良好歐姆 接觸之電極，在金屬/N型或P型半導體（例如：氮化鋁鎵） 界面接觸特性研究十分活躍，國際間各實驗團隊在熱合金 化製程上提出多項實驗成果，希望能應用於各式光電與微 電子元件並製作具低操作電壓元件以及希冀有效減少焦耳 熱提升元件壽命。 目前在N型氮化鋁鎵歐姆接觸製轾上欲獲得較低特徵 接觸電阻（Specific constant resistance，pe)是比較不 容易達成，一般皆用具低功函數金屬作為電極，並經由高 溫熱處理後可獲得較低之p。，而p型氮化鱗歐姆接觸製 転上，因經受體摻雜之p型氮化鋁鎵活化率不高，並且I 法找到與其匹配高功函數之金屬材料，所以必 :、 溫熱處理_錢紐麵_接觸。 t 氮=鎵歐姆接觸製作過程均需歷經高溫熱處理，因 溫熱處理過程中可能導致元件材料内部缺陷之發生，因: 5 200820470 影響此元件之性能與壽命’所以必須發展不需經過高溫熱 處理（非熱合金化）便可形成具低電阻之電極/半導體界面 歐姆接觸。

2002年Gessmann等人提出在P型氮化鋁鎵成長一層p 型氣化鎵’猎由材料的極化現象，在p型氮化鎵與p型氮 化銘鎵之間形成一維電洞氣（Two dimensional hole gases，2-DHG)，P型氮化鎵彼覆層在某厚度時應力誘發的 壓電極化電場，降低穿隧位障寬度，使電洞容易傳輸達到 低特徵接觸電阻，不過此製程仍需歷、經50(TC冑溫熱處理 才，獲得金屬/寬能隙半導體歐姆接觸形成。再者，由於p ，氮鎵/、P型氮化鋁鎵之間晶格常數差異較大，因此成 長p型氮化鎵坡覆層過程中必須注意差排（Dislocation) 發生。 【發明内容】 右撒道二明之主要目的，在於解決上述的問題而提供一種 。膜應用於寬能隙半導體歐姆接觸結構與製造方法 二二二*係在=型或N型寬能隙半導體上沉積或 自旋塗佈 可以直接經由電靜及有導 吏得載子 6 200820470 為達前述之目的，本發明之結構係包括： 一基板； 一緩衝層，係位於該基板上； 一寬能隙半導體層，係位於該缓衝層上； 一有機高分子導電層，係位於該寬能隙半導體層上； 一電極層，係位於該有機高分子導電層上；

其中該有機高分子導電層分別與該寬能隙半導體層及 該電極層間形成低載子傳輸位障。 本發明之製造方法係包括下列步驟： a·提供一基板； b ·以金屬有機化學氣相沉積法（metai〇rganic chemical vapor deposition，簡稱 M0CVD)方式，

於該基板上成長一無摻雜之緩衝層； c·於該緩衝層上形成一寬能隙半導體層； d ·於邊見能隙半導體層上形成一有機高分子導電芦· e ·於該有機高分子導電層上沉積一電極層，並形9成 相互間隔之複數電極層區塊； ===移除介於各該電極層區 機间分子導制，㈣成複數有機高分 ^ 區塊，且防止通電後電極間短路的發生。兒層 本發明之上述及其他目的與優點，不難 實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入了解。砧所選用 200820470 當然，本發明在某些另件上，或另件之 所不同⑷如所選用之有機導電層），但所選用之實=有 則於本糾書中，予以詳細說明，並於附圖中展示其構造 【實施方式】 請參閱第1圖， ，此僅供說明之用， 圖中所示者為本發明所選用之實施例 在專利申請上並不受此種流程之限制

处I之有機^電膜應用於寬能隙半導體歐姆接觸 、、、口構之‘造方法，其製造方法之步驟如下： 石曰步驟一：其係使用藍寶石（sapphire)做為氮化鎵（〇心） 磊晶薄膜之基板丄，並利用金屬有機化學氣相沉積法 (metalorganic chemical vapor deposition，簡稱 m〇CVD) 在藍寶石基板1上成長氮化鎵（GaN)當作一層緩衝層2。接 著，在此緩衝層2上成長一層因掺雜鎂[即受體（accept〇r) 型雜質]的P型氮化銘錄層（p-A1 〇· 2Ga。· 8N，能隙約為4 e V )， 其中鎂之摻雜濃度約為l〇19cm_3，該p型氮化鋁鎵層係作為 一P型寬能隙半導體層3，使得該P型寬能隙半導體層形 成於該緩衝層2上，並將其切成25x25 mm2的試片。 步驟二··再將有機高分子導電材料一亞乙基二氧硫代 盼（[P〇ly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(4-styrenesulfonate)]，簡稱為 PEDOT)以自旋塗佈 方式（或以沉積方式）將它均勻塗佈於P型寬能隙半導體 層3 (即P型氮化鋁鎵層）整個表面，且經過150 °C 25 8 200820470 分鐘的洪乾處理，& pED〇T層係作為-有機高分子導電層 4 ’使得該有機高分子導電層4形成於該P型寬能隙载子 供應層3上，其中’有機高分子導電層*具備高導電特性 ，且其厚度不可過厚（此厚度範圍約為1〇〜2〇 nm)，以 影響載子傳遞。 —步驟三：其利用RF (13· 56MHz)濺鍍系統（或電子束 二鐘糸、先）沈積一層氣化銦錫（indium tin oxide，簡稱

ΙΤ0)於該有機高分子導電層4上，該氧化銦錫層係作為一 電極層5 ’並形成相互間隔之複數電極層區塊5，每電極 層區塊5之厚度約300 nm，其面積為3x3 mm2，各電極層 區塊5間距為2 mm。再利用乾蝕刻系統中之反應離子蝕刻 (reactive ion etching，簡稱RIE)系統並以氬氣（或氧氣 )作電漿蝕刻，以移除各電極層區塊5間之有機高分子導電 層4，而形成複數有機高分子導電層區塊4，其結構如第 2圖所示。 ^步驟四··各電極層區塊5分別接上正/負極電壓，當 觀測時，若發現線性之電流一電壓曲線，即表示載子可2 接由電極層5經有機高分子導電層4，而有效注入於 寬能隙半導體層3。 ' 第2圖係為本實施例之有機導電膜應用於寬 體歐姆接觸結構，其歐姆接觸結構係包括： ’ 一基板1，該基板i係為氧化紹⑷2〇3，即藍寶 其中該基板亦可選自碳化石夕（Sic)或石夕（Si)之其中孤一貝種 一緩衝層2，餘於該基板1上，料緩衝層2係為 9 200820470 無摻雜之氮化鎵（GaN)氮化物半導體材料，其中該緩衝層 2亦可為無摻雜之氮化鋁（A〗N)氮化物半導體材料。 見月b隙半導體層3，係位於該緩衝層2上，且該寬 能隙半導體層3係為摻雜鎂之p型氮化鋁鎵層 (P^AluGauN，能隙约為4 eV)，該p型氮化鋁鎵層係作 為當作測試電洞注入之一p型寬能隙半導體層3。另外， 該寬能隙半導體層在蟲晶過程中亦可經選用施體（donor)

型雜質摻雜後，其可作為電子注人之—N型寬能 層。 有機向分子導電層4，係位於該p型寬能隙半導體 層3上，且該有機高分子導電層4係為亞乙基二氧硫代酚 ([P〇ly(3,4〜ethylenedioxythiophene) doped with P〇ly(>4-styrenesuifonate)]，簡稱為 pED〇T> 有機=分子導電層4亦可為PANI (P〇lyaniiine)。其中該 有機回77子導電層4之厚度係介於單分子厚〜2Qnm，且具 ，高導電特性。於本實_巾，其有機高分子導電層位 厚度係介於10〜20nm。 •炻：=?，係位於該有機高分子導電層4上，且該 免'έ糸為氧化銦錫（indium tin oxi 4 r 或者選自鎳（Ni)、金（Au)、鉑（pt)、 釘=編)、⑽)和銘⑼等金屬之其中一：:） 3及該===層4分別與該寬能隙丰導體層 V成低載子傳輸位障，以利於載子傳輸 200820470 (於本實補中载子係為電洞）。域是該有機高分子 層4係與該寬能隙半導體層3及該電極層5形成低界 觸電阻。 Μ下兹湘本實施例之結構測試其具有良好的歐姆接 觸’並且令ΙΤ0電極層區塊與有機高分子導電層區塊所形 成之堆疊結構簡稱為電極，如第2圖所示。 本實施例之歐姆接觸結構之各電極係分別導通通於正 /負極電壓，再以Keithley Model-4200-SCS/F系統觀測 其電性’此電流-電壓（curren卜voltage，卜v)曲線係顯示 於第3圖。第3圖之（a)曲線係顯示卜v曲線呈線性關係， 其表示電極與P型寬能隙半導體層（即？型氮化域）界 面形成良好歐姆接觸，此暗指電極與P型寬能隙半導體層 界面位障不足以影響電洞傳冑。另一方面，A 了證明有機高 分子導電層（即PED0T層）之重要性，第3圖之（b)曲線係 顯不無PED0T層之ΙΤ0電極層/p型寬能隙半導體層的u 曲線關係，其中，I—V曲線呈現非線性狀態，暗指電極層 與P型氮化鋁鎵層界面形成具高界面接觸電阻之蕭特基接 觸。 為了證明電極與P型氮化鋁鎵層界面形成極低載子傳 輸位P早，因此利用X光光電子能譜（x_ray ph〇t〇elec计抓 spectroscopy，簡稱xps)儀觀測PED〇T層/p型氮化鋁鎵層 界面位障高度。 第4圖顯示P型氮化鋁鎵層表面之xps能譜圖，此束 缚能範圍從0-23 其中G eV處為表面費米能階位 11 200820470 置’第4圖左邊代表價帶譜，價帶譜出現轉折處（其束缚能 為 1· 28 土 0· 03 eV)為價帶邊緣（vaience_band maximum， 簡稱VBM)的位置，而第4圖右邊表示Ga 3d能譜峰（峰值 為 19· 03 土 0· 02 eV)。一般，VBM 和 Ga 3d XPS 能譜峰值 之束缚能間距（Eve)是固定的（Evc =17· 75 土 〇· 〇5 eV)。 第5圖顯示均勻塗佈PED0T層於p型氮化鋁鎵層表面 之XPS能譜圖，此束縛能範圍從〇一23 ev，其中〇 eV處為 Esf位置，第5圖左邊代表價帶譜，價帶譜出現轉折處（其束 缚能為1.47 ± 0.03 eV)為PEDOT層之最高佔據分子執域 能階[highest occupied molecular orbital (簡稱 HOMO) level]的位置，而第5圖右邊表示Ga 3d能譜峰（峰值為 18· 96 ± 0· 02 eV)。根據第5圖顯示之結果得知，塗佈於 P型氮化鋁鎵層表面之PED0T層的HOMO能階位於Esf下方 1.47 ± 0.03 eV 處。 此外’比較第4圖和第5圖發現P型氮化銘鎵層經 PED0T層塗佈之後，P型氮化鋁鎵層之VBM移到ESF下方1. 21 土 0· 07 eV處，此說明在PED0T層/P型氮化鋁鎵層界面， 其P型氮化鋁鎵層之VBM位於PED0T層的HOMO能階上方， 因此，當電洞從PED0T層的HOMO能階進入P型氮化铭鎵層 的VBM能階時，傳導之電洞並未受界面位障所阻礙，因而 形成歐姆接觸。另一方面，依據習知研究已指出IT〇層和 PED0T層之界面電洞傳輸位障約〇· 2 eV，顯然此ο』eV的 位障並不足以阻礙電洞傳導。 由上述實施例的說明可知，本發明之結構係在P型或 12 200820470 導Ϊ二隙：導體上沉積或自旋塗佈-特定之有機高分子 於蝴高二=(:屬或洲^ 觸層及有機高分子導=载子可以直接經由電極接 ，以供降低電極W半導體界 損耗，進而提升其元件性能。之，、、、耳熱所造成几件之 ，光因月之應用範圍係可應用於短波長（例如: 无檢測斋、微波元件、蕭特某—} 隙材料相關元件的歐姆接觸電:製程:太陽能電池等寬能 m Γ t所述實施例之揭示係用以說明本發明，並非用以 属=:範:舉凡數值之變更或等效—仍㈣ 由以上詳細說明’可使熟知本項技藝者明瞭本發明的 =可達成前述目的，實已符合專利法之規定，技出專 肀請。 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明之製程方法流程圖 弟2圖係本發明之侧視不意圖 第3圖係本發明加上電塵之電流一電璧曲線圖。 第4圖係本發明之P魏化銘鎵層表面之xps能譜圖 13 200820470 第5圖係本發明之均勻塗佈PED0T層於P型氮化鋁鎵 層表面之XPS能譜圖 【主要元件符號說明】 (習用部分） 無 (本發明部分） ^ 藍寶石基板1 氮化鎵（GaN)緩衝層2 ⑩ P型氮化鋁鎵（AluGauN)寬能隙半導體層3 PED0T有機高分子導電層4 氧化銦錫（ΙΤ0)電極層5 14

Claims (1)

1. 200820470 十、申請專利範圍： 1·一種有機導電膜應用於寬能隙半導體歐姆接觸結構， 其歐姆接觸結構係包括： 一基板； 一緩衝層，係位於該基板上； 一寬能隙半導體層，係位於該緩衝層上； 一有機高分子導電層，係位於該寬能隙半導體層上； 一電極層，係位於該有機高分子導電層上； 其中該有機高分子導電層分別與該寬能隙半導體層及 該電極層間形成低載子傳輸位障。 2·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該基板係為氧化鋁 (Al2〇3，即藍寶石）、碳化矽（SiC)或矽（Si)之其中一 種。 3·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該缓衝層係為無摻雜之 氮化鎵（GaN)、氮化鋁（A1N)等氮化物半導體材料之其 中*一種。 4·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該寬能隙半導體層係為 氮化鋁鎵（AluGauN)等氮化物半導體材料。 5·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該寬能隙半導體層經特 定雜質摻雜後可當作電洞注入之一P型寬能隙半導體 15 200820470 層、當作電子注入之一N型寬能隙半導體層之其中一 種。 6·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該有機高分子導電層係 為 亞 乙 基 -- 氧！ 硫 代 ([poly(3, 4~ethylenedioxythiophene) doped with poly(4-styrenesulfonate)]，簡稱為 PED0T)、PANI (polyaniline)其中一種。

   7 _依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該有機高分子導電層之 厚度介於單分子厚〜2 〇 n m，且具備高導電特性。 8 ·依申請專利範圍第7項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該有機高分子導電層之 厚度介於1 〇〜2 〇 n m。 y •依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬能 隙半導體歐姆接觸結構，其中該電極層係選自鎳 (Νι)、金（AU)、鉑（Ρΐ)、釕（Ru)、鈀（pd)、鈦和 銘（A1)等金屬之其中一種。 0·依申請專利範圍第1項所述之有機導電膜應用於寬 體歐姆接觸結構’其中該電極層係選自氧化 箄诱日Γ" Γ1 tln oxide’簡稱為1w、氧化鋅⑽） 荨透明氧化物材料之其中一種。 觸結構 有機‘電膜應用於寬能隙半導體歐姆接 16 200820470 之製造方法，其製造方法係包括下列步驟： a·提供一基板； b ·以金屬有機化學氣相沉積法（metal organic chemical vapor deposition，簡稱 M0CVD)方式， 於該基板上成長一無摻雜之缓衝層； c·於該緩衝層上形成一寬能隙半導體層； d ·於該寬能隙半導體層上形成一有機高分子導電層； e ·於該有機高分子導電層上沉積一電極層，並形成 相互間隔之複數電極層區塊； ί·利用乾蝕刻系統移除介於各該電極層區塊間的有 機高分子導電層，以形成複數有機高分子導電層區 塊。 12·依申請專利範圍第11項所述之有機導電膜應用於 寬能隙半導體歐姆接觸結構之製造方法，其中步驟 d，該有機高分子導電層係以沉積方式形成於該寬能 隙半導體層上。 13·依申請專利範圍第11項所述之有機導電膜應用於 寬能隙半導體歐姆接觸結構之製造方法，其中步驟 d，該有機高分子導電層係以自旋塗佈方式均勻塗佈 於該寬能隙載子供應層上。 14·依申請專利範圍第11項所述之有機導電膜應用於 寬能隙半導體歐姆接觸結構之製造方法，其中步驟 e，該電極層係利用RF濺鍍系統或電子槍蒸鍍系統 其中一種，而沉積於該有機高分子導電層上。 17 200820470 1 5 ·依申請專利範圍第1 1項所述之有機導電膜應用於 寬能隙半導體歐姆接觸結構之製造方法，其中步驟f 之乾餘刻系統係為反應離子餘刻（reactive ion etching，簡稱RIE)系統，並以氬氣、氧氣其中一種 氣體作為電漿蝕刻氣體。 18