TW202414849A - 半導體發光元件的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題為提升半導體發光元件的性能。半導體發光元件10的製造方法係具備下述工序：於由n型氮化鋁鎵系半導體材料所構成之n型半導體層24上形成氮化鋁鎵系半導體材料之活性層26；於活性層26上形成p型半導體層28；藉由乾蝕刻將p型半導體層28的一部分以及活性層26的一部分去除，以使n型半導體層24的上表面34露出；於含有氮氣體以及氨氣體之氛圍中，對n型半導體層24的上表面34進行電漿處理；以及於經電漿處理之n型半導體層24的上表面34形成n側接觸電極30。

Description

半導體發光元件的製造方法
本發明係關於一種半導體發光元件的製造方法。
半導體發光元件係具有層疊於基板上之n型半導體層、活性層以及p型半導體層。透過藉由乾蝕刻將活性層的一部分以及p型半導體層的一部分去除，以使n型半導體層的上表面露出，進而於所露出的上表面形成n側電極。於n型半導體層的上表面因乾蝕刻而產生損傷。為了修復n型半導體層的上表面中的損傷，將藉著對NH 3(氨)進行加熱並促使熱分解而產生的氮原子供給至所露出的上表面(例如參照專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2018-85456號公報。
[發明所欲解決之課題]
為了進一步提升半導體發光元件的性能，較佳為進一步改善n型半導體層的上表面與n側電極之間的接觸電阻。
本發明係有鑑於上述課題而完成，目的在於提供提升半導體發光元件的性能之技術。 [用以解決課題之手段]
本發明的一態樣的半導體發光元件的製造方法係具備下述工序：於由n型氮化鋁鎵(AlGaN)系半導體材料所構成之n型半導體層上形成氮化鋁鎵系半導體材料之活性層；於活性層上形成p型半導體層；藉由乾蝕刻將p型半導體層的一部分以及活性層的一部分去除，以使n型半導體層的上表面露出；於含有氮氣體以及氨氣體之氛圍(atmosphere)中，對n型半導體層的上表面進行電漿處理；以及於經電漿處理之n型半導體層的上表面形成n側接觸電極。 [發明功效]
根據本發明，能提升半導體發光元件的性能。
以下，參照圖式對用以實施本發明之形態進行詳細說明。另外，說明中對相同的要素附上相同的符號，並適當省略重複的說明。而且，為了有助於理解說明，各圖式中各構成要素的尺寸比不必與實際的發光元件的尺寸比一致。
本實施形態的半導體發光元件係構成為發出中心波長λ約為360nm以下之紫外光。為了輸出此種波長的紫外光，使用帶隙(bandgap)約3.4eV以上的AlGaN(氮化鋁鎵)系半導體材料。本實施形態中尤其呈現發出中心波長λ約240nm至320nm的深紫外光之DUV-LED(Deep UltraViolet-Light Emitting Diode；深紫外光發光二極體)晶片。
於本說明書中，「AlGaN系半導體材料」係指至少包含氮化鋁(AlN)以及氮化鎵(GaN)之半導體材料，且包括：含有氮化銦(InN)等其他材料之半導體材料。因此，本說明書中提及的「AlGaN系半導體材料」例如能夠由In 1-x-yAl xGa yN(0＜x＋y≦1，0＜x＜1，0＜y＜1)之組成來顯示，且包含AlGaN或者InAlGaN。本說明書的「AlGaN系半導體材料」例如AlN以及GaN的各自的莫耳分率為1%以上，較佳為5%以上、10%以上或者20%以上。
而且，為了與不含AlN之材料加以區分，有時稱作「GaN系半導體材料」。「GaN系半導體材料」係包括GaN或者InGaN(氮化銦鎵)。同樣地，為了與不含GaN之材料加以區分，有時稱作「AlN系半導體材料」。「AlN系半導體材料」係包括AlN或者InAlN(氮化鋁銦)。
圖1係概略表示實施形態的半導體發光元件10的構成之剖面圖。半導體發光元件10係具備：基板20、基底層22、n型半導體層24、活性層26、p型半導體層28、n側接觸電極30以及p側接觸電極32。
圖1中，有時將箭頭A所示的方向稱為「上下方向」或者「厚度方向」。而且，有時將從基板20觀察下離開基板20之方向稱作上側，將朝向基板20之方向稱作下側。
基板20係由對於半導體發光元件10所發出之紫外光具有透光性之材料所構成。基板20係例如由藍寶石(Al 2O 3(氧化鋁))所構成。基板20可由AlN所構成，亦可由AlGaN所構成。
基底層22係設於基板20上。基底層22為底層(模板(template)層)，用以形成n型半導體層24。基底層22係例如為未摻雜的AlN層，具體而言為經高溫生長之AlN(HT-AlN(High Temperature-AlN；高溫氮化鋁))層。基底層22亦可進一步地包含形成於AlN層上之未摻雜的AlGaN層。當基板20為AlN基板或者AlGaN基板時，基底層22亦可僅由未摻雜的AlGaN層所構成。亦即，基底層22係包含未摻雜的AlN層以及AlGaN層中的至少一者。
n型半導體層24係設置於基底層22上。n型半導體層24係由n型的AlGaN系半導體材料所構成，例如作為n型的雜質而摻雜Si(矽)。n型半導體層24的AlN的莫耳分率為25%以上，較佳為40%以上或者50%以上。n型半導體層24的AlN的莫耳分率為80%以下，較佳為70%以下。n型半導體層24係具有1μm以上至3μm以下的厚度，例如具有2μm左右的厚度。
活性層26係設於n型半導體層24上。活性層26係由AlGaN系半導體材料所構成，且夾在n型半導體層24與p型半導體層28之間而形成雙異質(double  hetero)構造。活性層26係為了輸出波長355nm以下的紫外光而構成為帶隙為3.4eV以上，例如以能輸出波長320nm以下的深紫外光的方式選擇AlN組成比。
活性層26為例如具有單層或者多層的量子井(quantum well)構造，且包含：障壁層，係由未摻雜的AlGaN系半導體材料所構成；以及井層，係由未摻雜的AlGaN系半導體材料所構成。活性層26係例如包含：第一障壁層，係與n型半導體層24接觸；以及第一井層，係設於第一障壁層上。第一井層與p型半導體層28之間亦可追加地設置有一對以上的障壁層以及井層。障壁層以及井層係分別具有1nm以上至20nm以下的厚度，例如具有2nm以上至10nm以下的厚度。
活性層26與p型半導體層28之間亦可進一步地設置電子阻擋層(electron blocking layer)。電子阻擋層係由未摻雜的AlGaN系半導體材料所構成。電子阻擋層的AlN的莫耳分率為40%以上，較佳為50%以上，亦可為80%以上。電子阻擋層亦可由不含有GaN之AlN所構成。
p型半導體層28係形成於活性層26上。p型半導體層28為p型的AlGaN系半導體材料層或者p型的GaN系半導體材料層，例如為摻雜鎂(Mg)作為p型的雜質之AlGaN層或者GaN層。p型半導體層28係例如具有20nm以上至2000nm以下的厚度。
n側接觸電極30係設於n型半導體層24的上表面34。n側接觸電極30係例如具有Ti(鈦)／Al(鋁)／Ti／Au(銅)之層疊結構。n側接觸電極30亦可具有Ti／Al／Ti／TiN(氮化鈦)之層疊結構。
p側接觸電極32係設於p型半導體層28上。p側接觸電極32係例如具有Ni(鎳)／Au之層疊結構。p側接觸電極32亦可由ITO(indium tin oxide；氧化銦錫)等導電性氧化物材料所構成。p側接觸電極32亦可包含對深紫外光具高反射率之Rh(銠)層。p側接觸電極32亦可例如僅由Rh層所構成，亦可具有Rh／Ti／Rh／TiN之層疊結構。
接著對半導體發光元件10的製造方法進行說明。圖2至圖3係概略表示半導體發光元件10的製造工序。
首先，於圖2中，依序於基板20上形成基底層22、n型半導體層24、活性層26以及p型半導體層28。基底層22、n型半導體層24、活性層26以及p型半導體層28係能使用有機金屬化學氣相生長(MOVPE(Metal  Organic  Vapor  Phase Epitaxy；金屬有機物氣相磊晶))法、分子束磊晶(MBE；Molecular Beam Epitaxy)法等周知的磊晶生長法來形成。
接著，如圖3所示，使用例如公知的微影(lithography)技術於p型半導體層28上形成遮罩40。接著，藉由乾蝕刻等將位於未與遮罩40重疊的位置之p型半導體層28以及活性層26去除，進而使n型半導體層24的上表面34露出。
接著，對因乾蝕刻而露出的n型半導體層24的上表面34進行電漿處理。電漿處理係於含有N 2氣體(亦即氮氣體)以及NH 3氣體(亦即氨氣體)之氛圍中執行。藉由電漿處理使得氮電漿(nitrogen plasma)作用於n型半導體層24的上表面34，並修復乾蝕刻對上表面34所造成的損傷。
電漿處理的處理時間為小於2分鐘，較佳為10秒以上至90秒以下。若電漿的處理時間為2分鐘以上，則氮電漿會過量地供給至n型半導體層24的上表面34，進而導致n型半導體層24的上表面34中的n側接觸電極30的接觸電阻惡化。較佳地，電漿輸出係設為100W以下。
電漿處理的氛圍中的NH 3氣體的體積比率較佳為4.6%以上至18.8%以下。藉由將氛圍中的NH 3氣體的體積比率設為4.6%以上至18.8%以下，與氛圍中不含NH 3氣體的情況相較之下，能進一步地改善n側接觸電極30的接觸電阻。當氛圍中過度含有NH 3氣體時，氮電漿會過量地供給至n型半導體層24的上表面34，導致接觸電阻惡化。
於電漿處理的氛圍中，較佳為實質上僅含有N 2氣體以及NH 3氣體。於電漿處理的氛圍中，較佳為實質上不含有氧、碳、鹵素(F(氟)、Cl(氯)等)、惰性氣體(He(氦)、Ar(氬)等)。
接著，使用例如公知的微影技術，於n型半導體層24的上表面34形成n側接觸電極30。n側接觸電極30係能藉由蒸鍍法或濺鍍法形成。於形成n側接觸電極30之後，對n側接觸電極30進行退火。使用例如RTA(Rapid  Thermal  Annealing；快速退火)法，以500℃以上至650℃以下的溫度對n側接觸電極30進行退火。藉由對n側接觸電極30的退火處理，使得n側接觸電極30的接觸電阻降低。
接著，於p型半導體層28上形成p側接觸電極32。p側接觸電極32係能藉由蒸鍍法或濺鍍法形成。於形成p側接觸電極32之後，對p側接觸電極32進行退火。使用例如RTA法，以400℃以上至600℃以下的溫度對p側接觸電極32進行退火。藉由對p側接觸電極32的退火處理，使得p側接觸電極32的接觸電阻降低。
藉由上述工序完成圖1所示的半導體發光元件10。
接著，進一步對施向n型半導體層24的上表面34之電漿處理進行說明。圖4係表示電漿處理的處理時間與接觸電阻之間的關係之圖表。圖4係表示下述情況：將用以進行電漿處理之腔室(chamber)內的氛圍壓力設為75Pa，將N 2氣體流量設為165sccm(standard cubic centimeter per minute；每分鐘標準立方公分)，將NH 3氣體流量設為8sccm，將電漿輸出設為90W。腔室內的氛圍中的NH 3氣體的體積比率為4.6%。
於圖4中，將未進行電漿處理時的n側接觸電極30的接觸電阻設為1，研究接觸電阻相對於電漿處理時間的變化。如圖所示，當處理時間為60秒時接觸電阻為最小。另一方面，若處理時間為2分鐘以上，則接觸電阻相較於未進行電漿處理時係惡化。
根據圖4，於處理時間為10秒以上至90秒以下之範圍W1內，接觸電阻能改善至0.9以下。此外，於處理時間為25秒以上至80秒以下之範圍W2內，接觸電阻能改善至0.7以下。再者，於處理時間為40秒以上至70秒以下之範圍W3內，接觸電阻能改善至0.55以下。
圖5係表示電漿處理的氛圍中的NH 3氣體的體積比率與接觸電阻之間的關係之圖表。圖5係表示下述情況：將電漿處理的處理時間設為60秒，將腔室內的氛圍壓力設為75Pa，將N 2氣體流量設為165sccm，將電漿輸出設為90W。將NH 3氣體流量設定為0sccm、8sccm、16sccm、40sccm，藉此改變腔室內的氛圍中的NH 3氣體的體積比率。
於圖5中亦然，將未進行電漿處理時的n側接觸電極30的接觸電阻設為1。如圖所示，當NH 3氣體的體積比率為8.8%時接觸電阻為最小。藉由調整NH 3氣體的體積比率，相較於不含NH 3氣體時亦即僅使用N 2氣體時能改善接觸電阻。
根據圖5可知，於NH 3氣體的體積比率為4.6%以上至18.8%以下之範圍W4內，能將接觸電阻改善至0.4以下。此外，可知於NH 3氣體的體積比率為6.1%以上至15.3%以下之範圍W5內，能將接觸電阻改善至0.3以下。再者，可知於NH 3氣體的體積比率為7.6%以上至11.8%以下之範圍W6內，能將接觸電阻改善至0.2以下。
根據本實施形態，藉由於含有N 2氣體以及NH 3氣體之氛圍中對n型半導體層24的上表面34進行電漿處理，能以相對較短的處理時間改善n側接觸電極30的接觸電阻。藉此，能抑制對半導體發光元件10的生產性的影響，並且也能改善n側接觸電極30的接觸電阻。
根據本實施形態，藉由將電漿處理的處理時間設為10秒以上至90秒以下，能進一步改善n側接觸電極30的接觸電阻。此外，藉由將電漿處理的氛圍中所含的NH 3氣體的體積比率設為4.6%以上至18.8%以下，能進一步改善n側接觸電極30的接觸電阻。
以上已根據實施形態對本發明進行了說明。本發明所屬技術領域中具通常知識者應該理解，本發明並不限為上述實施形態，能夠進行各種設計變更，且如此的變形例仍在本發明範圍內。
以下對本發明的幾種態樣進行說明。
本發明的第一態樣為：一種半導體發光元件的製造方法，係具備下述工序：於由n型氮化鋁鎵系半導體材料所構成之n型半導體層上形成氮化鋁鎵系半導體材料之活性層；於前述活性層上形成p型半導體層；藉由乾蝕刻將前述p型半導體層的一部分以及前述活性層的一部分去除，以使前述n型半導體層的上表面露出；於含有氮氣體以及氨氣體之氛圍中，對前述n型半導體層的前述上表面進行電漿處理；以及於經前述電漿處理之前述n型半導體層的前述上表面形成n側接觸電極。根據第一態樣，藉由於含有氮氣體與氨氣體之氛圍中進行電漿處理，能以相對較短的處理時間改善n側接觸電極的接觸電阻。
本發明的第二態樣係如第一態樣所記載之半導體發光元件的製造方法，其中進行前述電漿處理之工序的處理時間為10秒以上至90秒以下。根據第二態樣，藉由將電漿處理的處理時間設為10秒以上至90秒以下，能進一步改善n側接觸電極的接觸電阻。
本發明的第三態樣係如第一態樣或第二態樣所記載之半導體發光元件的製造方法，其中進行前述電漿處理之工序中，前述氛圍中的氨氣體的體積比率為4.6%以上至18.8%以下。根據第三態樣，藉由將電漿處理的氛圍中的氨氣體的體積比率設為4.6%以上至18.8%以下，能進一步改善n側接觸電極的接觸電阻。
10:半導體發光元件 20:基板 22:基底層 24:n型半導體層 26:活性層 28:p型半導體層 30:n側接觸電極 32:p側接觸電極 34:上表面 40:遮罩 A:箭頭(上下方向) W1至W6:範圍
[圖1]係概略表示實施形態的半導體發光元件的構成之剖面圖。 [圖2]係概略表示半導體發光元件的製造工序之圖。 [圖3]係概略表示半導體發光元件的製造工序之圖。 [圖4]係表示電漿處理的處理時間與接觸電阻之間的關係之圖表。 [圖5]係表示電漿處理的氛圍中的氨氣體的體積比率與接觸電阻之間的關係之圖表。
10:半導體發光元件
20:基板
22:基底層
24:n型半導體層
26:活性層
28:p型半導體層
30:n側接觸電極
32:p側接觸電極
34:上表面
A:箭頭(上下方向)

Claims (3)

  1. 一種半導體發光元件的製造方法，係具備下述工序： 於由n型氮化鋁鎵系半導體材料所構成之n型半導體層上形成氮化鋁鎵系半導體材料之活性層； 於前述活性層上形成p型半導體層； 藉由乾蝕刻將前述p型半導體層的一部分以及前述活性層的一部分去除，以使前述n型半導體層的上表面露出； 於含有氮氣體以及氨氣體之氛圍中，對前述n型半導體層的前述上表面進行電漿處理；以及 於經前述電漿處理之前述n型半導體層的前述上表面形成n側接觸電極。
  2. 如請求項1所記載之半導體發光元件的製造方法，其中進行前述電漿處理之工序的處理時間為10秒以上至90秒以下。
  3. 如請求項1或2所記載之半導體發光元件的製造方法，其中進行前述電漿處理之工序中，前述氛圍中的氨氣體的體積比率為4.6%以上至18.8%以下。
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