TW201037871A - Metod of manufacturing gallium nitride-based compound semicondctor light-emitting devic - Google Patents
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201037871 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於氮化物系化合物半導體發光元件，尤其 是關於具備具有優良的透光性與歐姆性之正極之朝上型氮 化物系化合物半導體發光元件。 【先前技術】 0 近年來’ GaN系化合物半導體係作爲短波長光發光元 件用的半導體材料而受到矚目。GaN系化合物半導體係藉 由下列方式所形成，亦即’以藍寶石單結晶爲首，使用種 種的氧化物基板或III-V族化合物作爲基板，於基板上藉 由有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD : Metal Organic
Chemical Vapor Deposition)或分子束磊晶成長法（mBE :Molecular Beam Epitaxy)等所形成。
GaN系化合物半導體材料的特性爲往橫向的電流擴散 Q 較小。其原因可考量爲，於磊晶結晶中存在有多數個從基 板往表面貫通之換位’但詳細情形尙未明瞭。此外，於P 型GaN系化合物半導體中’由於電阻率較η型GaN系化 合物半導體的電阻率還高，因此，若不採用與p型GaN系 化合物半導體形成歐姆接觸之材料作爲正極，則驅動電壓 會大幅上升。 與p型GaN系化合物半導體形成歐姆接觸之材料，主 要爲金屬’尤其是功函數較高者容易形成歐姆接觸。此外 ’從光取出的觀點來看，正極較理想爲具有透光性。因此 -5 - 201037871 ，到目前爲止，已有人藉由將容易與P型GaN系化合物半 導體形成歐姆接觸之金屬材料薄化，以兼顧低電阻及透光 性。 一旦使金屬薄化，則會產生擴散方向的電阻上升之問 題。因此，係有人提出一種，使用薄膜金屬爲歐姆接觸層 ，並使用光透射率更高之透明導電膜做爲電流擴散層之雙 層的正極構造（例如參照日本特許第294 1 73號公報）。 此外，爲了構成爲更明亮的發光元件（LED )，必需 去除會將光線加以反射或吸收之金屬層的存在。因此，係 有人探索一種，使透明導電膜本身與p型GaN系化合物半 導體形成歐姆接觸之方法（例如參照日本特開2001 -2 1 0 8 67號公報）。於日本特開200 1 -2 1 0867號公報中，係 提出一種以濺鍍法以外的方法，而製作出與P型GaN系 <七 合物半導體直接接觸之透明導電膜。於濺鍍法中，由於p 型GaN系化合物半導體層容易受到損傷，或是接觸電阻較 高，因此無法獲得低動作電壓。然而，於以濺鍍以外的方 法形成透明導電膜後，再以濺鍍法形成更厚的透明導電膜 之方法中，由於在層積構造的途中改變成膜方法，因此於 改變方法之界面中電阻會上升’此外亦會導致生產性的降 低。 【發明內容】 本發明之目的在於提供一種’具有由直接與p型半導 體層接觸之透明導電膜層所形成之正極’並且其驅動電壓 -6 - 201037871 較低且發光輸出較高之氮化鎵系化合物半導體發光元件。 此外，係提供一種，於透明導電膜層的成膜時不會對P型 半導體層產生破壞’並以一貫的成膜手法形成具有不同目 的之多數層透明導電膜層，且具有低接觸電阻與優良的電 流擴散性之正極之氮化鎵系化合物半導體發光元件。 本發明者們係發現到，（1 )可藉由適度將半導體金 屬混在層形成於構成正極之透明導電膜層的半導體側表面 ，以及適度將正極金屬混在層形成於p型半導體的正極側 表面，而獲得低接觸電阻，（2)使透明導電膜層構成爲 包含直接接觸於p型GaN系化合物半導體之透明導電膜接 觸層及透明導電膜電流擴散層之至少雙層的層積構造，以 及以 RF 灑鑛法（Radio Frequency Sputtering:射頻磁控 濺鍍）使透明導電膜接觸層成膜，藉此可在不會對p型氮 化鎵系化合物半導體產生損傷下使透明導電膜層成膜，（ 3 )以 D C 濺鍍（D i r e c t C u r r e n t S p u 11 e r i n g :直流真空濺鍍 )法使透明導電膜電流擴散層連續層積於透明導電膜接觸 層上，藉此以抑制兩層的界面之電阻上升，（4 )藉由使 透明導電膜電流擴散層的膜厚形成較厚，可於維持高透光 性之狀態下促進電流擴散，此外，（5 )於透明導電膜層 的成膜後進行加熱處理，藉此可提高半導體金屬混在層內 之半導體金屬的濃度梯度等，而完成本發明。 亦即，本發明係提供以下的發明。 (1 ) 一種氮化鎵系化合物半導體發光元件，係於基 板上依下列順序包含有由氮化鎵系化合物半導體所形成之 201037871 η型半導體層；發光層；及p型半導體層，其負極及正極 各自接觸於η型半導體層及p型半導體層而設置之氮化鎵 系化合物半導體發光元件，其特徵爲：該正極之至少一部 分係以透明導電膜所形成，該透明導電膜之至少一部分與 Ρ型半導體層接觸，於該透明導電膜之半導體側表面上， 存在有包含ΠΙ族金屬成分之半導體金屬混在層，該半導 體金屬混在層的厚度爲0.1〜10nm。 (2 )如上述第1項所記載之氮化鎵系化合物半導體 發光元件，其中，於半導體金屬混在層中，存在有半導體 金屬的濃度對全部金屬爲20原子％以上之區域。 .(3 )如上述第1或2項所記載之氮化鎵系化合物半 導體發光元件，其中，於距離半導體金屬混在層之半導體 /透明導電膜的界面未滿3nm之範圍內，存在有半導體金 屬的濃度對全部金屬爲40原子％以上之區域。 (4 )如上述第1、2或3項中之任一項所記載之氮化 鎵系化合物半導體發光元件，其中，距離半導體金屬混在 層之半導體/透明導電膜的界面爲3nm以上的範圍之半導 體金屬的濃度，對全部金屬爲1 5原子％以下。 (5 )如上述第1、2、3或4項中之任一項所記載之 氮化鎵系化合物半導體發光元件，其中，透明導電膜係於 室溫下進行成膜，成膜後於3 00〜70(TC中進行加熱處理。 (6 )如上述第1、2、3、4或5項中之任一項所記載 之氮化鎵系化合物半導體發光元件，其中，透明導電膜係 由透明導電膜接觸層及透明導電膜電流擴散層所形成，透 -8- 201037871 明導電膜接觸層與P型半導體層接觸° (7 )如上述第6項所記載之氮化鎵系化合物半導體 發光元件，其中，透明導電膜接觸層係以RF濺鍍法所成 膜。 (8 )如上述第6或7項所記載之氮化鎵系化合物半 導體發光元件，其中，透明導電膜電流擴散層係以DC濺 鍍法所成膜。 (9 )如上述第6 ' 7或8項中之任一項所記載之氮化 鎵系化合物半導體發光元件，其中，透明導電膜接觸層的 厚度爲1〜5nm 。 (1 〇 )如上述第6、7、8或9項中之任一項所記載之 氮化鎵系化合物半導體發光元件，其中，透明導電膜電流 擴散層的厚度爲150〜5 00nm。 (Η )如上述第6、7、8、9或1 0項中之任一項所記 載之氮化鎵系化合物半導體發光元件，其中，透明導電膜 ^ 電流擴散層，係於接近ρ型半導體之一側與遠離Ρ型半導 體之一側中採取不同構造，遠離半導體之一側的層的構造 爲柱狀構造。 (1 2 )如上述第1 1項所記載之氮化鎵系化合物半導 體發光元件，其中，接近半導體之一側的構造體層的膜厚 爲 30~100nm。 (13)如上述第 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 1 1或1 2項中之任—項所記載之氮化鎵系化合物半導體發 光元件，其中，於p型半導體層中，存在有包含透明導電 -9- 201037871 膜的金屬成分之正極金屬混在層° (1 4 )如上述第1 3項所記載之氮化鎵系化合物半導 體發光元件，其中，正極金屬混在層的厚度爲0.1〜5 nm。 (1 5 )如上述第1 3或1 4項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件，其中，正極金屬混在層中之透明導電膜 金屬成分的濃度，對正極金屬混在層中的全部金屬爲 0.1〜2 0原子％ 〇 (16)如上述第 1' 2、3、4、5、6、7、8、9、10、 1 1、1 2、1 3、1 4或1 5項中之任一項所記載之氮化鎵系化 合物半導體發光元件，其中，透明導電膜係由，從以In、 S η ' Ζη、A1、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、 Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb、Hf、
Ta、W、Re ' Os、Ir及Pt所組成的群當中所選出之至少1 種金屬的氧化物所形成。 (1 7 )如上述第1 6項所記載之氮化鎵系化合物半導 體發光元件，其中，透明導電膜係由，從以In、Sn、Ζη、 Al、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo及Cr所組成的群當中所 選出之至少1種金屬的氧化物所形成。 (18) —種燈’其特徵爲：係由如上述第1、2、3、4 、5、 6、 7、 8、 9 ' 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16 或 17 項 中之任一項所記載之氮化鎵系化合物半導體發光元件所組 成。 (19) 一種電子機器，其特徵爲：係組裝有如上述第 1 8項所記載之燈。 •10- 201037871 (20) —種機械裝置，其特徵爲：係組裝有如上述第 1 9項所記載之電子機器。 本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元件，係適度於 構成正極之透明導電膜層的半導體側表面上，具有包含用 以構成半導體之ΠΙ族金屬之半導體金屬混在層，藉此可 降低正極與P型半導體層之間的接觸電阻。此外，於半導 體金屬混在層中，係以於半導體/透明導電膜層的界面附 _ 近提高半導體金屬的比例，並且於距離界面較遠的位置上 〇 降低半導體金屬的比例之方式地擴大半導體金屬的濃度梯 度，藉此可於界面附近降低半導體與透明導電膜層之間的 接觸電阻，並且於距離界面較遠的位置上維持半導體之良 好的結晶性，並降低發光元件的電阻。 此外，係適度於P型半導體層的正極側表面上，使包 含用以構成正極的透明導電膜層之金屬之正極金屬混在層 存在，藉此可更進一步降低半導體與透明導電膜層之間的 接觸電阻。 【實施方式】 如第1圖所示般，本發明之氮化鎵系化合物半導體發 光元件，爲於基板上可因應必要而隔著緩衝層2將氮化鎵 系化合物半導體加以層積，於形成η型半導體層3、發光 層4、及ρ型半導體層5後’於藉由去除發光層及ρ型半 導體層的一部分所暴露出之η型半導體層上形成負極20, 並於殘餘的Ρ型半導體層上形成正極10而成之半導體發 -11 - 201037871 光元件。 基板可使用藍寶石單結晶（A1203: A面、C面、Μ面 、R面）、尖晶石單結晶（MgAl204 ) 、ZnO單結晶、
LiA102單結晶、LiGa02單結晶、MgO單結晶等之氧化物 單結晶、Si單結晶、SiC單結晶、GaAs單結晶、A1N單結 晶' GaN單結晶及ZrB2等之硼化物單結晶等之一般所知 的基板材料，並無任何限制。此外，基板的面方位並無任 何限制。此外，可爲無傾角基板，亦可爲具有傾角（Off Angle )之基板。 η型半導體層、發光層及p型半導體層的各種構造乃 爲人所知，可使用這些爲人所知的構造而無任何限制。尤 其是，Ρ型半導體層的載子濃度可使用一般的濃度者，但 是載子濃度相對較低者，例如約爲1 xlO1 7cnT3之ρ型半導 體層，亦可適用於本發明。 關於構成這些層之氮化鎵系化合物半導體，爲人所知 者有以一般式 AlxInyGa( ny) N ( 〇Sx< 1、0彡 y< 1、 0 S x + y < 1 )所表示之各種組成的半導體，本發明之構成η 型半導體層、發光層及Ρ型半導體層之氮化鎵系化合物半 導體，亦可使用以一般式 AlxInyGa( 丨+y) N ( 〇$χ< 1 ' 〇Sy<l、0Sx + y<l)所表示之各種組成的半導體，並無 任何限制。 這些氮化鎵系化合物半導體的成長方法，並無特別限 定，可適用 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition :有機金屬化學氣相沉積法）、HVPE ( Halide -12 - 201037871
Vapor Phase Epitaxy:鹵化氣相晶晶成長法）、MBE( Molecular Beam Epitaxy:分子束晶晶成長法）等之可使 氮化鎵系化合物半導體成長之爲人所知的所有方法。就膜 厚控制性及量產性的觀點來看，較理想的成長方法爲 MOCVD法。於MOCVD法中，載體氣體可使用氫氣（H2 )或氮氣（N2 ) ，III族原料的Ga來源可使用三甲基鎵（ TMG : Trimethyl Gallium )或三乙基鎵（TEG : Triethyl ^ Gallium ) ，A1來源可使用三甲基銘（TMA : Trimethyl
Aluminium)或三乙基銘（TEA: Triethyl Aluminium)， In來源可使用三甲基銦（TMI : Trimethyl Indium )或三乙 基銦（TEI: Triethyl Indium) ，V族原料的N來源可使 用氨（NH3: Ammonia)或聯氨（N2H4: Hydrazine)等。 此外，關於摻雜劑，η型可使用作爲Si原料之矽烷（SiH4 :Monosilane)或乙砂院（Si2H6: Disilane)，及作爲 Ge 原料之鍺烷（GeH4 : Germane )或有機鍺化合物，n型可 Q 使用作爲 Mg原料之例如二環戊二烯鎂（Cp2Mg : Bis(Cyclopentadienyl)Magnesium)或二乙基環戊二烯錶（ (EtCp ) 2Mg ： Bis(Ethylcyclopentadienyl) Magnesium ) ο 爲了使負極接觸於在基板上依序層積有n型半導體層 、發光層及Ρ型半導體層之氮化鎵系化合物半導體的η型 半導體層’係去除發光層及ρ型半導體層的一部分，使η 型半導體層暴露出。之後於殘餘的Ρ型半導體層上形成本 發明的透光性正極，並於暴露出之η型半導體層上形成負 -13- 201037871 極。負極爲人所知者有各種組成及構造的負極’可使用這 些爲人所知的負極而無任何限制。 在此說明一例，如第2圖所示般，藍寶石基板1上層 積由A1N層所組成之緩衝層2，並於其上方依序層積下列 各層，亦即層積，以由η型GaN層所構成之η接觸層3a 及由η型GaN層所構成之η包層3b而形成之η型半導體 層3;由InGaN層所構成之發光層4;及以由Ρ型A1GaN 層所構成之P包層5b及由p型GaN層所構成之p接觸層 5a而形成之ρ型半導體層5而成者。 係藉由蝕刻而去除如此之氮化鎵系化合物半導體的P 接觸層5a、ρ包層5b、發光層4及π包層3b的一部分’ 並於暴露出之η接觸層3a上，設置例如由Ti/Au所組成 之以往所知的負極2 0，且於殘餘的ρ接觸層5上設置正極 〇 於本發明中，正極係具有至少與P型半導體層接觸之 透明導電膜11。於透明導電膜11的一部分上，設置有用 以進行與電路基板或引線架等之間的電性連接之焊墊層1 5 0 透明導電膜係由，對發光波長區域的光具有透光性並 且具有導電性之材料所構成。透明導電膜係由，例如從以 In、Sn、Zn、A1、Ti、V、Cr、Μη、Fe、Co、Ni、Cu、G a 、Ge ' Y、Zr ' Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb、Hf 、T a、W、R e、O s ' I r及P t所組成的群當中所選出之至 少1種金屬的氧化物所構成。在這當中，從以I η、S η、Ζ η -14- 201037871 、A1、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo及Cr所組成的群當中 所選出之至少1種金屬的氧化物’由於透光性良好且導電 性較高，因此較爲理想。 透明導電膜的厚度，較理想爲 50〜1000nm。若未滿 5 0nm，則薄片電阻値較低，若超過 1 〇〇〇nm，則生產性較 差，因此較不理想。此外，更理想爲1〇〇〜500nm，尤其理 想爲150〜300nm。 透明導電膜較理想係構成爲，透明導電膜接觸層及透 〇 明導電膜電流擴散層之雙層構造。與P型半導體層接觸而 設置之透明導電膜接觸層，係於成膜時不會對P型半導體 層產生破壞而形成。因此需儘可能降低入射至P型半導體 層之能量。由於透明導電膜接觸層係使入射能量降低而成 膜，因此膜的密度較低。透明導電膜接觸層的厚度較理想 爲1〜5nm。若爲lnm以下，則於透明導電膜擴散層的成膜 時，會對P型半導體層產生破壞。若爲5 nm以上，則於透 明導電膜接觸層中的電流擴散效果變弱，因而導致透明導 電膜全體之電流擴散效果的降低。此外，更理想爲 1 . 5 〜3 · 5 nm 〇 接著所成膜之透明導電膜電流擴散層，係用以兼顧較 高的光透射率及較低的薄片電阻。爲了提高電流擴散效果 ，透明導電膜電流擴散層的厚度較理想爲1 5 〇~ 5 0 0 nm。若 較5 Onm更薄’則無法獲得較低的薄片電阻。若較i 00 0nm 還厚，則無法獲得高光透射率。更理想爲丨50〜70Onm。此 雙層較理想爲未形成閒隙而連續成膜。若是形成時間隔著 -15- 201037871 間隔或是移至其他裝置的話，則此雙層之 染物或是使金屬氧化物膜更進一步氧化， 電阻之層。 若於透明導電膜之半導體側表面上， 半導體的金屬之半導體金屬混在層，則可 與半導體之間的接觸電阻。亦即，於本發 半導體金屬混在層」，係定義爲透明導電 屬含有層，於透明導電膜中，係將包含半 對全部金屬成分爲3原子％以上之層，稱 混在層」。 半導體金屬混在層的厚度較理想爲 滿O.lnm及超過10nm，則難以獲得低接 得更佳的接觸電阻，更理想爲1〜8nm。 此外，關於半導體金屬混在層中所包 的比例，較理想爲存在有半導體金屬對全 原子％以上之區域。該比例係具有分布， 導電膜的界面較近者，半導體形成金屬的 是，較理想爲於距離半導體/透明導電膜 之範圍內，存在有半導體金屬的比例對該 層中的全部金屬爲40原子％以上之區域 透明導電膜的界面未滿3 nm之界面附近’ 屬的擴散於透明導電膜中進行之狀態’因 降低。 此詳細機制雖然尙未明確化’但於考 間可能會附著污 而製作出具有高 存在有包含構成 降低透明導電膜 明中，所謂的「 膜中之半導體金 導體的金屬成分 爲「半導體金屬 0.1〜10nm。若未 觸電阻。爲了獲 含之半導體金屬 部金屬成分爲20 距離半導體/透明 比例較高。尤其 的界面未滿3nm 半導體金屬混在 。於距離半導體/ 係成爲半導體金 此可使接觸電阻 量到 p型G a N / -16- 201037871 透明導電膜的接觸界面中之能階圖時，於擴散進行的狀態 下’正孔及電子係位於較擴散未進行的狀態更爲接近之處 ’從該情形中可考量爲，係產生有更多的重新結合中心。 若具有重新結合中心，則正孔及電子會流入至該區域，因 此成爲電性中性而可降低障壁。 另一方面，於距離半導體/透明導電膜的界面爲3nm 以上的範圍中，半導體金屬的比例較理想爲1 5原子％以下 。於此範圍中若半導體金屬的比例超過1 5原子％，則可能 〇 會有發光元件的驅動電壓上升之情形。亦即，於距離半導 體/透明導電膜的界面爲3nm以上的透明導電膜中，較理 想爲半導體金屬的擴散不會進行之狀態。此可考量爲，若 構成半導體之金屬的擴散過度進行，則半導體層的結晶會 破壞而導致半導體層的高電阻化。 半導體金屬混在層的厚度及所含有之半導體形成金屬 的比例，可藉由該業者所知之剖面TEM的ED S分析而測 ^ 定出。亦即，對於透明導電膜，係從P型半導體層界面開 始往厚度方向進行數個點，例如爲5點之剖面TEM的 EDS分析，並從各個點的圖中求取所包含之金屬及其量。 _ 於決定厚度時所測定的5點較不充分時’可追加數個點而 進行測定。 此外，若於P型半導體層之正極側表面上，存在有包 含構成正極的透明導電膜之金屬之正極金屬混在層，則可 更進一步降低接觸電阻，因此較爲理想。亦即，於本發明 中，所謂的「正極金屬混在層」’係定義爲P型半導體層 -17- 201037871 中之透明導電膜的金屬成分含有層。 正極金屬混在層的電阻雖較其他P型半導體層的電阻 還高，但由於半導體/正極間的接觸電阻降低’因此可藉 由形成正極金屬混在層爲適當的膜厚’而將驅動電壓降至 最低。 正極金屬混在層的厚度較理想爲0·1〜5nm。若未滿 0.1 rim，則接觸電阻的降低效果不顯著。若超過5nm，則 半導體層表面的結晶性被破壞，因而較不理想。 此外，正極金屬混在層中所包含之透明導電膜構成金 屬的比例，較理想爲對全部金屬量爲〇.1~30原子％。若未 滿0.1 %，則接觸電阻的降低效果不顯著。若超過3 0原子 %，則半導體側的結晶性被破壞，可能導致半導體層之電 阻率的上升。更理想爲1 ~20原子％。 正極金屬混在層的厚度及正極金屬含有量的測定，與 半導體金屬混在層相同，可藉由剖面TEM的EDS分析而 進行。 接下來說明透明導電膜、半導體金屬混在層及正極金 屬混在層的形成方法。 於將透明導電膜形成於p型半導體層時，亦即於形成 透明導電膜接觸層時，較理想爲以依據RF放電之濺鍍成 膜法所形成。此係因發現到，藉由採用依據RF放電之濺 鍍成膜法，可形成接觸電阻較使用蒸鍍法或DC放電之濺 鍍成膜法者還低之透明導電膜。 此可考量爲，於依據RF放電之濺鍍成膜中，藉由離 -18- 201037871 子輔助效果’可將能量賦予至附著於p型半導體層之濺鍍 原子，而具有與P型半導體層、亦即與p_GaN之間可促進 表面擴散之作用。此外亦可考量爲，於上述成膜中’亦將 能童賦予至P型半導體層的最表面原子，而促進半導體材 料、例如Ga往透明導電膜接觸層擴散之作用。於剖面 TEM的EDS分析中，係於p_GaN上之rf濺鍍成膜部的透 明導電膜接觸層上’偵測出具有來自於半導體的Ga之區 域’亦即確認到半導體金屬混在層的存在（可參照第5圖 〇 * 之本發明的實施例1之透明導電膜接觸層的分析結果之一 例）。 另一方面’於半導體側係偵測出具有來自於透明導電 膜的In及S η之區域，亦即確認到正極金屬混在層的存在 (可參照第6圖之本發明的實施例丨之ρ型半導體層的分 析結果之一例）。 此外，可考量爲於金屬氧化物的濺鍍中，若GaN層表 q 面暴露於濺鍍時的電漿，則電漿粒子會導致GaN表面之結 晶性的破壞。雖然結晶性被破壞的證據尙未被觀測到，但 就結果而言’係使得半導體金屬混在層之半導體金屬的比 例上升’且混合層的膜厚增加。此可考量爲，由於透明導 電膜的成膜，係於GaN表面因電漿粒子導致結晶性被破壞 後進行’因此，結晶構造被破壞後的半導體金屬乃更進一 步於透明導電膜中擴散之故。 此外，從上述情況來看，使G aN層積基板不會暴露於 濺鍍時的電漿之做法，係成爲不會導致接觸電阻上升之方 -19- 201037871 法。例如有增加τ - S (靶材-基板）之間的距 鐵的磁力，以及藉由對磁鐵形狀進行硏究而 基板方向擴散者等。
再者，較理想爲於室溫以下進行透明導 成膜。一旦加熱P型半導體，則透明導電膜 粒子會接受來自於P型半導體之擴散能量而 ，使得半導體的結晶性被破壞而製作出高電I 於透明導電膜形成後進行300〜700°C的 於距離半導體/透明導電膜的界面未滿3nm 成爲透明導電膜形成金屬與半導體形成金屬 態。於此加熱處理中，並非以擴散至半導體 之方式地進行長時間處理。較理想爲進行1 圍。 於透明導電膜接觸層之後形成透明導電 時，係以依據D C放電之濺鍍法所形成。於 鍍中，由於透明導電膜的密度較依據RF放 高，因此較適合於電流擴散層的形成。 此外’於室溫下以依據D C放電之濺鍍 電膜的成膜時電流擴散層係於接近p型半導 離P型半導體之一側中採取不同構造，電流 半導體之一側的層，係形成爲密度較高且更 構造。接近半導體側之層，雖然可觀察出其 爲柱狀構造。第7圖係顯示本發明的實施例 膜電流擴散層之剖面Τ E Μ照片。從圖式中1 離，及提升磁 使電漿不會往 電膜接觸層的 接觸層的入射 過度進行擴散 且之層。 加熱，藉此， 之界面附近， 進行擴散之狀 層的深部爲止 〜30分鐘的範 膜電流擴散層 DC放電之濺 電之濺鍍時更 法進行透明導 體之一側與遠 擴散層之遠離 爲明顯的柱狀 區域，但並非 1之透明導電 丁得知A的部 -20- 201037871 分係成爲明顯的柱狀構造。B的部分雖然可觀察出其區域 ’但並非爲明顯的柱狀構造。此部分的膜厚一般爲 3 0〜1 OOnm ’可藉由將電流擴散層形成爲此範圍以上的膜厚 ，而形成結晶性較高的柱狀構造之A的部分。c爲半導體 層。此外，透明導電膜電流擴散層之於此放大倍率下無法 確認出。 關於濺鍍，可使用以往所知的濺鍍裝置，並適當選擇 以往所知的條件而實施。首先將層積有氮化鎵系化合物半 導體層之基板，收納於處理室內。對處理室內進行排氣至 真空度成爲l〇_4~l(T7Pa爲止。關於濺鍍用氣體，可使用 He、Ne、Ar、Kr' Xe等。就容易取得的觀點來看，較理 想爲A r。將此當中的1種氣體導入至處理室內，增壓至 0 _ 1〜1 Ο P a後進行放電。較理想爲設定於〇 _ 2 ~ 5 P a。供應的 電力較理想爲0.2〜2 · Ok W的範圍。此時，可藉由調節放電 時間及供應電力，而調節所形成的層之層厚。 焊墊層爲人所知者有使用Au、Al、Ni及Cu之各種構 造，可使用這些爲人所知的材料及構造而無任何限制。此 外，厚度較理想爲1 〇 〇〜1 〇 〇 〇 n m。就焊墊層的特性而言， 若厚度愈厚則焊接性愈高。因此較理想爲3 00nm以上。此 外，就製造成本的觀點來看，較理想爲500nm以下。 本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元件，例如可藉 由該業界中爲人所知的手段，設置透明蓋體而構成爲燈。 此外，可將本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元件與具 有螢光體之蓋體加以組合，而製作出白色燈。 -21 - 201037871 此外，由本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元件所 製作出之燈，由於驅動電壓較低且發光輸出較高，因此， 組裝有以此技術所製作出的燈之行動電話、顯示器、面板 類等的電子機器、以及組裝有該電子機器之汽車、電腦、 遊戲機等之機械裝置類，均可於低電力下進行驅動而實現 優良特性。尤其於行動電話、遊戲機、玩具、汽車零組件 等之電池驅動的機器類當中，可發揮省電的效果。 實施例 接下來藉由實施例而更詳細說明本發明。但是本發明 並不限定於這些實施例。 (實施例1 ) 第3圖係顯示於本實施例中所製作之氮化鎵系化合物 半導體發光元件的剖面之模式圖，第4圖係顯示其俯視之 模式圖。於以藍寶石所組成之基板1上，隔著由A1N所組 成之緩衝層2，進行下列的5次層積，亦即層積，以由厚 度3μιη的非摻雜GaN所構成之底層3c、由厚度2μιη之摻 雜Si的η型GaN所構成之η接觸層3a及由厚度0.03 μιη 的η型In〇.iGa〇.9N所構成之η包層3b而形成之η型半導 體層3 ;由厚度0.03 μηα之摻雜Si的η型GaN所構成之障 壁層以及由厚度2.5nm的In().2Ga().8N所構成之井層，最後 ，於依序層積有下列各層，亦即設置有障壁層之多重量子 井構造之發光層4;以由厚度0.05 μιη之摻雜Mg的p型 -22-
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Al0.〇7Ga〇.93N所構成之p包層5b及由厚度 Mg的p型GaN所構成之p接觸層5a而形成 層5之氮化鎵系化合物半導體層積物的p接 有透明導電膜11，該透明導電膜11係由 Tin Oxide:氧化銦錫）所組成之厚度2nm 接觸層12以及由ITO所組成之厚度400nm 電流擴散層1 3而形成，之後於透明導電膜 Cr/Ti/Au三層構造（厚度各爲4/1 0/200nmi )之焊墊層15，而成爲正極10。接下來於 成Ti/Au雙層構造的負極20，而製作出以光 體側之本發明的發光元件。正極及負極的形 所示般。 於此構造中，由η型GaN所構成之n接 度爲lxl019cm_3，由GaN所構成之障壁層白 lxl018cnT3，由p型GaN所構成之p接觸層 5xl018cnT3，由p型AlGaN所構成之p包層 爲 5 X 1 0 19cm-3。 氮化鎵系化合物半導體層的層積，可藉 ，於該技術領域中爲人所知之一般條件下進 極及負極係以下列步驟所形成。 首先藉由反應性離子蝕刻法，以下列步 的部分之η接觸層暴露出。 首先於Ρ接觸層上形成蝕刻遮罩。形成 。於全面上均勻塗佈光阻後，使用一般所知 0.1 5 μιη之摻雜 ，之Ρ型半導體 7觸層上，形成 ITO ( Indium 的透明導電膜 的透明導電膜 11上方形成 L Cr於IT0側 η接觸層上形 :取出面爲半導 狀係如第4圖 觸層的載子濃 勺S i摻雜量爲 的載子濃度爲 &的M g摻雜量 由 MOCVD法 行。此外，正 驟使形成負極 步驟如下所述 的微影技術， -23- 201037871 從正極區域中去除光阻。之後設置於真空蒸鍍裝置內’於 壓力4xl〇_4Pa以下，以電子束法使膜厚各自成爲50nm及 3 0 0nm之方式地層積Ni及Ti。之後藉由剝離技術，將正 極區域以外的金屬膜與光阻一同去除。 接著將半導體層積基板載置於反應性離子蝕刻裝置之 蝕刻室內的電極上，將蝕刻室減壓至l〇^Pa後’供應C12 氣體作爲蝕刻氣體，進行蝕刻至η接觸層暴露出爲止。蝕 刻後從反應性離子蝕刻裝置中取出基板，以硝酸及氫氟酸 去除上述蝕刻遮罩。 接下來使用一般所知的微影技術及剝離技術，僅於形 成Ρ接觸層上的正極之區域上，形成有由ΙΤΟ所組成之透 明導電膜接觸層及由ΙΤΟ所組成之透明導電膜電流擴散層 。於透明導電膜接觸層及透明導電膜電流擴散層的形成中 ，首先將層積有氮化鎵系化合物半導體層之基板，放置於 濺鍍裝置內，於基板溫度爲室溫下，於Ρ接觸層上首先以 RF濺鍍法形成ΙΤΟ大約爲2nm，接下來以DC濺鍍法層積 ITO大約爲4〇〇nm。RF成膜時的壓力約爲1 .〇pa，供應電 力約爲0.5kW。DC成膜時的壓力約爲〇.8Pa，供應電力約 爲0.5kW。從濺鍍裝置中取出基板後，依循一般稱爲剝離 法之爲人所知的步驟進行處理，接著更以濺鍍法，於透明 導電膜電流擴散層上的一部分上，依序層積由Cr所組成 之第1層、由Ti所組成之第2層及由au所組成之第3層 ’而形成焊墊層。如此，係於ρ接觸層上形成正極。 以此方法所形成之正極係具有透光性，於4 6 〇 n m的波 -24 - 201037871 長區域中具有90%以上的光透射率。關於光透射 ，係使用於玻璃板上層積有與上述相同厚度的透 接觸層及透明導電膜電流擴散層之光透射率測定 以分光光度計進行測定。光透射率之値’係考量 璃板進行測定後之空白値而算出。 接著將成膜至正極爲止之晶圓放置於烘烤 5 5 0 °C中進行1 0分中的加熱處理。 接下來藉由下列步驟，於暴露出的η接觸層 〇 極。於全面上均句塗佈光阻後，使用一般所知的 ，從暴露出的η接觸層上之負極形成部分中去除 以一般所使用之真空蒸鍍法，從半導體側形j 100nm的Ti及200nm的Au所組成之負極。之後 知的方法去除光阻。 將如此之形成正極及負極後的晶圓，對基板 切削·硏磨，藉此薄化基板的板厚至80μιη爲止 Q 雷射切割機，從半導體層積側形成裁切線之後進 而裁切爲3 5 0 μηι見方之晶片。接著依據探針對這 電，以測定出電流施加値爲2 OmA時之順向電壓 3.3V。 - 之後，將晶片安裝於TO- 1 8罐殻封裝並以測 發光輸出，可得知施加電流20mA之發光輸出爲 此外，可確認出其發光面的發光分布係於正極全 〇 此外，關於剖面 TEM ( Transmitting 率的測定 明導電膜 用樣本， 到僅對玻 爐中，於 上形成負 微影技術 光阻，並 K依序由 以一般所 內面進行 ，並使用 行切割， 些晶片通 ’結果爲 試器量測 1 OmW。 面上發光 Electron -25- 201037871
Microscope :穿透式電子顯微鏡）的 EDS ( Energy Dispersive X-ray Spectrometer:能量分散光譜儀）分析結 果，半導體金屬混在層的厚度爲3nm，對全部金屬（ In+Sn + Ga )之Ga的比例，於該層中係估計爲3〜50原子％ 。從半導體/正極界面往正極側爲1 nm之處，Ga的比例對 全部金屬爲50原子％，於3nm之處爲10原子％以下。此 外，正極金屬混在層的厚度爲2nm，所存在的金屬材料爲 構成透明導電膜之In及Sn，對全部金屬（In + Sn + Ga)之 該比例，於該層中係估計爲1 ~ 1 〇原子％。此外’第5圖爲 透明導電膜接觸層之剖面TEΜ的EDS分析圖的一例，第 6圖爲P接觸層之剖面TEM的EDS分析圖的一例。 (實施例2及3 ) 除了改變正極的成膜條件（於形成透明導電膜接觸層 時之濺鍍裝置的壓力）之外，其他與實施例1相同而製作 出氮化鎵系化合物半導體發光元件，並對其元件特性進行 評估。該結果係與實施例1的結果一同表示於第1表中。 這些發光元件之正極金屬混在層’其厚度爲卜5nm’正極 金屬的比例位於0.5〜18%的範圍內。關於半導體金屬混在 層’係於第1表中所記載。 -26- 201037871 嗽一搬 id 發光輸出 [mW] 〇\ Os 〇\ 〇\ On o a： IK 順向電壓 [V] ΓΟ cn CO rn in rn 00 rn <N 半導體金屬混在層 半導體金屬的比例[原子％] 胆 馨2 瑯a £ 5 圍 〇 呂 00 O r-^ 〇 m ts I £ ^ 盟 Ο i/Ί m in m s 厚度 [run] m rn cn m 寸 <N 驩p is tj Hi1 S ¢2 » i ^ ίτπ *ιή 綦, 1—* m ο 1—H r—M r-H 實施例1 實施例2 實施例3 實施例4 實施例5 比較例1 -27 201037871 (實施例4 ) 除了不進行正極形成後的加熱處理之外’其他與實施 例1相同而製作出氮化鎵系化合物半導體發光元件。其元 件特性係一同表示於第1表中。 (實施例5 ) 除了於透明導電膜接觸層的成膜時，將基板加熱至 200°C以進行成膜之外，其他以與實施例1相同之條件而 製作出氮化鎵系化合物半導體發光元件。此外，其元件特 性係一同表不於第1表中。 (比較例1 ) 除了不進行透明導電膜接觸層的成膜之外，其他與實 施例1相同而製作出氮化鎵系化合物半導體發光元件。其 兀件特性係一同表示於第1表中。 產業上之可利用性： 本發明所提供之氮化鎵系化合物半導體發光元件，係 具有優良的特性及量產性，因此對作爲發光二極體及燈等 的材料乃極爲有用。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯不本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元 件的一般構造之槪略圖。 -28- 201037871 第2圖係顯示本發明之氮化鎵系化合物半導體發光元 件的一例之槪略圖。 第3圖係顯示於本發明的實施例1中所製作之氮化鎵 系化合物半導體發光元件的剖面之模式圖。 第4圖係顯示於本發明的實施例1中所製作之氮化鎵 系化合物半導體發光元件的俯視之模式圖。 第5圖係顯示於本發明的實施例1中所製作之氮化鎵 ^ 系化合物半導體發光元件的正極（透明導電膜）之剖面 〇 TEM ( Transmitting Electron Microscope :穿透式電子顯 微鏡）的 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer: 能量分散光譜儀）分析圖的一例。 第6圖係顯示於本發明的實施例1中所製作之氮化鎵 系化合物半導體發光元件的p接觸層之剖面TEM的EDS 分析圖的一例。 第7圖係顯示於本發明的實施例1中所製作之氮化鎵 Q 系化合物半導體發光元件的正極- p接觸層之剖面TEM照 片的一例。 【主要元件符號說明】 — 1 :基板 2 :緩衝層 3 : η型半導體層 3 a : η接觸層 3b : η包層 -29 - 201037871 3c :底層 4 :發光層 5 : p型半導體層 5 a : p接觸層 5b : p包層 1 0 :正極 1 1 :透明導電膜 1 2 :透明導電膜接觸層 1 3 :透明導電膜電流擴散層 1 5 :焊墊層 2 0 .負極 -30-
Claims (1)
- 201037871 七、申請專利範圍： ι· 一種氮化鎵系化合物半導體發光元件之製造方法 ’係於基板上依下列順序層積有由氮化鎵系化合物半導體 所形成之η型半導體層、發光層、及ρ型半導體層，其負 , 極及正極各自接觸於η型半導體層及ρ型半導體層而設置 之氮化鎵系化合物半導體發光元件之製造方法；其特徵爲 I * 0 該正極之至少一部分係以由金屬氧化物所作成的透明 導電膜所形成，該透明導電膜之至少一部分與Ρ型半導體 層接觸而設置’經由透明導電膜係於室溫下進行成膜且成 膜後於300〜700 °C中進行加熱處理的方式，於該透明導電 膜之半導體側表面上’形成有包含ΠΙ族金屬成分之半導 體金屬混在層，該半導體金屬混在層的厚度爲〇. 1〜1 Onrn 〇 2. 如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 Q 半導體發光元件之製造方法，其中，於半導體金屬混在層 中，存在有半導體金屬的濃度對全部金屬爲20原子％以上 之區域。 3. 如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 •半導體發光元件之製造方法，其中，於距離半導體金屬混 在層之半導體/透明導電膜的界面未滿3 nm之範圍內，存 在有半導體金屬的濃度對全部金屬爲40原子％以上之區域 〇 4. 如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 -31 - 201037871 半導體發光元件之製造方法，其中，於距離半導體金屬混 在層之半導體/透明導電膜的界面爲3nm以上之範圍的半 導體金屬的濃度對全部金屬爲1 5原子％以下。 5 ·如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜係由透明 導電膜接觸層及透明導電膜電流擴散層所形成，透明導電 膜接觸層與p型半導體層接觸。 6 如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜接觸層係 以 RF 滕鍍（Radio Frequency Sputtering:射頻磁控灘鍍 )法所成膜。 7·如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜電流擴散 層係以DC灘鍍（Direct Current Sputtering:直流真空灘 鍍）法所成膜。 8 .如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜接觸層的 厚度爲1〜5nm。 9. 如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜電流擴散 層的厚度爲150〜500 nm。 10. 如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜電流擴散 層’係於接近P型半導體之一側與遠離p型半導體之一側 32- 4 4201037871 中採取不同構造’遠離半導體之一側的層的構造爲柱狀構 造。 11. 如申請專利範圍第1 〇項所記載之氮化鎵系化合 物半導體發光元件之製造方法，其中，接近半導體之一側 的構造體層的膜厚爲30〜l〇〇nm。 12. 如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，於p型半導體層中， 存在有包含透明導電膜的金屬成分之正極金屬混在層。 13. 如申請專利範圍第1 2項所記載之氮化鎵系化合 物半導體發光兀件之製造方法，其中，正極金屬混在層的 厚度爲〇.l~5nm。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項所記載之氮化鎵系化合 物半導體發光元件之製造方法，其中，正極金屬混在層中 之透明導電膜金屬成分的濃度，對正極金屬混在層中的全 部金屬爲0.1~20原子％。 1 5 ·如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜係由，從 以 In、Sn、Zn、Al、Ti、V、Cr、Μη、Fe、Co、Ni、Cu 、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、M〇、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb 、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir及Pt所組成的群當中所選出 之至少1種金屬的氧化物所形成。 1 6.如申請專利範圍第丨5項所記載之氮化鎵系化合 物半導體發光元件之製造方法，其中，透明導電膜係由， 從以 In、Sn、Zn、Al、Cu、Ag ' Ga、Ge、w、M〇 及 Cr -33 - 201037871 所組成的群當中所選出之至少1種金屬的氧化物所形成。 -34-
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