TW386286B - An ohmic contact of semiconductor and the manufacturing method - Google Patents

Description

修正 案號 87117694 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種半導體之歐姆接觸與其製作方 法’特別係有關於應用在p型氮化鎵上的歐姆接觸及其製 作方法。 ' 近年來，氮化鎵（之後以化學符號GaN表示，同理，其 他材料亦以其化學符號表示）材料已廣泛地應用於短波長 的發光二極體、雷射二極體、光檢測器及微電子元件等。 尤其在發光二極體方面，已經成功地發展出高亮度之商業 化產品’在此等元件中良好之歐姆接觸f〇hmic c〇ntact) 十分重要。目前，對於n型GaN，已可將接觸電阻率 (specific contact resistance)降至約 1〇_4〜1〇-8q .cm 2，但是對p型GaN而言，目前接觸電阻率僅只能達到約i 〇 _2~10_3Ω .cm2，遠較n型GaN之歐姆接觸的接觸電阻率高， 如此高的界面阻抗對元件的性能與可靠度均產生嚴重的影 響’因此降低p型GaN的接觸電阻率成為目前科學家和工程 師主要研究的課題。 至目前為止，習知技術中製作P型GaN的歐姆接觸都直 接使用金屬’舉例而言，在美國專利US patent

5,652,434 中 ’Nichia Chemical Industries公司在其LED 中使用Ni或Ni/Au做為歐姆接觸。另外，在美國專利us patent 5, 739, 554 中 ’ Cree Research 公司在其LED 中則使 用Ti/Au、Ti/Ni或Ni/Au做為歐姆接觸，但均未說明接觸 電阻率。其它文獻中揭露者尚包括：Au、Ni、Ti、Pd、

Pt、W、WSi0 a 、Ni/Au、Pt/Au、Cr/Au、Pd/Au、

Au/Mg/Au 'Pd/Pt/Au 'Ni/Cr/Au 'Ni/Pt/Au 'Pt/Ni/Au 、Ni/Au-Zn、Ni/Mg/Ni/Si等各種金屬，不過其接觸電阻

月 曰 修正 案號 87Π7694 五 '發明說明（2) 率最低只能達到1〇-2-1〇-3〇 .cm2左右’較一 ==二…’尚有-段距•，且部份上二: = =之歐姆接觸’當偏愿高時其電流，無 有鑑於此，本發明之目的主要就在於 之歐姆接觸與盆激柞古土 ^ m 裡牛導體 抗，藉以改善；：1 降低歐姆接觸之界面阻 錯^改善光電兀件的性能與可靠度。 本發明之半導體之歐姆接 導體製程，可用以得到低阻抗之0_=\方/*一種新的半 以應用於GaN材料之元件製作。 a的歐姆接觸，藉 上述本發明之製作方法主要是在半導體材料μ抽制丄 ^金屬與貴金屬所形成之膜層’然後再對此膜層^行熱 使膜層氧化以得到低阻抗的歐姆接觸而如此形^ ::姆接觸其接觸電阻率可符合一般光電 訧是說可達到10-4 Ω .cV以下。 的要求也 合附揭Ϊ本發明之方法、架構與特徵，兹配 附圖說明本發明之實施例如下，其中： 之架Γ圖圖緣示根據本發明製作之歐姆接觸的一實施例 =2圖係繪示根據本發明製作之歐姆接觸的另一 例之架構圖式。 第3a圖係繪示在本發明採用的CTLM試驗方式巾#於 試片材料上的圖案。 乃式中形成於 環格第Μ ^係纷示在？型⑽上形成N1 /AU膜層並在不同的 ―一免下進仃熱處理後所得到的電流-電壓（I-V)曲綠蘭〇 五、發明說明（3) 第4圖係繪示利用不同厚度的Ni/Au組合經氧化後所得 到的接觸電阻率。 參考標號之說明 10半導體材料；12過渡金屬的氧化物；14貴金屬； 22歐姆接觸；24金屬層。 實施例之說明 本發明之半導體的歐姆接觸之製作方法，係先在一半 導體材料上鍍製過渡金屬與貴金屬或者鍍製過渡金屬與貴 金屬之合金，然後在氧化環境中進行熱處理，使過渡金屬 部分氧化或是剛好完全氧化形成氧化物。 上述半導體材料為p型GaN。上述的過渡金屬主要是 Ni、Mn、Fe、Co或Pd等。至於上述貴金屬則主要為Au、

Pt、Rh、Ru、Ir 等。 上述膜層中的氧化物可為單一氧化物、或複數種氧化 物之混合體，例如NiO/CoO雙層膜等、或是複數種氧化物 形成之固溶體（Solid solution) ’ 例如NixCouCKiKxO) 等。且上述膜層中的金屬可為單一金屬、或複數種金屬或 其合金。 上述膜層之上可再製作金屬，包括有單一金屬層、或 是複數金屬層、或疋合金層’例如Au、Ni、Cr/Au、 Ti/Pt/Au等，以用為與其他線路之連接。 經由上述的製作方法所得到的歐姆接觸隨著鍍製過渡 金屬與貴金屬膜層的方式之不同，而會有不同的架構。在 第一個實施例中，經熱處理後，在半導體材料丨〇上的過渡 金屬與貴金屬膜層會變成半導體氧化物12與金屬14的混合

體，如第1圖所示。 在本實施例中，上述半導體材料10是在2英吋藍寶石 (sapphire)基板上，以M〇CVD的方法依次成長各厚之 無攙雜GaN層與攙雜Mg之GaN層，之後再將試片於氮氣中熱 處理，使攙雜Mg之GaN層轉變為p型。利用此半導體材料^ 為測試用的試片材料，此試片藉由霍爾（Hal i )量測的社 果，得知其無摻雜之GaN層為，其載子濃度為】χ1〇；； cnr3，而ρ型GaN層的載子濃度為2 x 1〇ncm—3。本發明中採用 CTLM(circular transmission line model)的實驗方式， 進行接觸電阻率（specific contact resistance 計算。 ’ 接下來’說明在本發明中歐姆接觸的整個製作與量測 步驟’其包括：（i)將GaN試件以有機溶劑清洗，各步驟間 以氮氣吹乾；（i i)於GaN 20表面上光阻，製作CTLM圖案； (i i i)將GaN試件浸於HC1 : 1〇= 1 : 1的溶液中3分鐘去除表'面 氧化物，用氮氣吹乾後立刻置於電子鎗蒸鍍系統中，抽真 空；（IV)將電子鎗蒸鍍系統之壓力抽至高真空壓力範圍， 進行各種金屬的蒸鍍；（V)剝離（i i ft_〇f f )部分金屬膜， 以形成金屬膜圖案22 ’如第3a圖所示；（vi)將上述之試件 於空乳、氧氣、1〇%Η2-90%Ν2或氮氣氣氛中施以熱處理，溫 度由200 C至900 C，時間為10分鐘；（vii)I-V量測；及 (vi i i )〜值分析。 接著說明在上述步驟中的CTLM之測定與分析，其係利 用I -V特性之量測，可以分別計算出不同間距同心圓内外 側金屬之電阻值，實驗分別是以±0· 5 V與±20 mV的I-v

第8頁 五'發明說明

2範圍進行〜值分析，一般而言，本發明中所探討之 屬結構在上述的範圍内，.均具有歐姆接觸的行為，亦即 具有線性之I-V曲線，因此，由曲線斜率便可計算出電阻 值。根據文獻報告，CTLM實驗之Pe值計算公式 Rt = (Rsh/2^)[in(R/r) + Lt(r-1 + R-.)] 下 = Rsh - Lt2 其中’ Rt為利用I-V量測所得之總電阻值，L為面阻 值（sheet resistance)，而r、R分別代表同心圓之内外 圓之半役、Lt值對則為傳遞長度（transfer length)。根 據上述公式，可先將經！_ν量測所得之&值對in(R/㈠值作 圖，再利用一次線性回歸的方法，求取線性關係曲線，所 得之斜率即為RSh/2 7Γ，而當R = r時，可代入公式得出線性 截距，其等於RshLt/r π，藉此可以分別計算出k與 ， 並進一步計算出值。 至於根據本發明之方法’實際製作歐姆接觸，並進行 量測所得到的實驗結果，請參閱第31)圖。其顯示於psGaN 上製作的Ni/Au於不同氣氛下熱處理後之特性，其中， 曲線A表示在空氣或氧氣氣氛中進行熱處理，曲線b表示在 氮氣氣氛中進行熱處理，曲線c表示在10%H2_90%n2氣氛中 進行熱處理’而熱處理的過程是在5〇〇 〇c的溫度下進行1〇 分鐘。很明顯地’ N i /Au膜層經氧化後，試件之I -V行為最 線性，斜率最大，也就是值最小，且正負電流對稱於 原點，另一方面，試件於氮氣或1〇%H2_9〇%N2中熱處理後， Ni/Au依然保持金屬狀態，所形成之心值較前者為大而 且該金屬接觸j較高偏壓時，I-V行為已不再保持線性，

第9頁 _案號 87117694 五、發明說明（6)

且正負電流不互相對稱。同時請參閱下面的表1，此種薄 膜依舊具良好之導電性。 表1 條 件 面電阻（Ω/口） 電阻牟（μΩ^^χ) As-deposited 11.87 17.8 500 i〇 min 16.82 25.2 空氣，500 口，i〇 min 38.94 97.4 請參閱第4圖，其係顯示形成於p型GaN上的不同厚度 Ni/Au組合經氧化後所得之接觸電阻率，其中，曲線A，^ 示Νι為50 nm且Au為125 nm，曲線B’表示Ni為10 nm且Au為 25 ΠΠ1 ’曲線c表示Ni為10 ηιη且Au為5 nm。上述氧化的過 程是將試片置於空氣中加熱1〇分鐘，根據目前的實驗數 據’接觸電阻率最低可達1.0X1 〇-4Q . cm2。 利用X射線對經5 0 0 。(：熱處理1 〇分鐘後的N i ( 1 〇 nn〇/Au (5 nm)進行繞射分析’結果顯示試件於空氣中熱 處理後原本鎳金屬層轉變為氧化鎳，而金尚為金屬狀態， 另一方面’試件於氮氣或1〇%H2_9〇%n2中熱處理後，Ni/Au 依然保持金屬狀態’然而其心值較高，約丨至丨〇_2 Ω · cm2 °因此’另外於ρ型GaN上鍍製5〇 ηιη厚之鎳膜，取代前 述之Ni(l〇 nm)/Au(5 nm) ’施以相同之氧化熱處理，測量 ΝιΟ與p型GaN之接觸電阻率，以分析氧化鎳之功用，但 疋’所得之值也只有〇1Ω .cm2左右’然而其曲線 呈現出線性行為，顯示形成歐姆接觸，心值

第10頁 _案號87117694_年月日 倏正_1 五、發明說明（7) 較高主要是如此形成之氧化鎳其導電性不高。因此，推論 氧化錄之產生是促成氧化之N i/Au膜形成歐姆接觸，進而 降低之P c值之主要原因，金則主要貢獻薄膜之導電性， 因為Au與p型GaN無法形成良好之歐姆接觸，文獻報導^值 只有53 Ω .cm2 (L. L. Smith, et al， J. Mater. Res. 12，2249( 1 997))與 2.6 Χ10.2Ω .cm2( T. Mori, Appl. Phys. Lett.，69，3537 ( 1 996))。另由文獻（Z. M.

Jarzebski, Oxide Semiconductors (Pergamon press,

Oxford，1 973)，Chap. 10)得知計量的（st〇ichi〇metric) 氧化鎳為絕緣體，但當產生Ni2+空位或攙入一價的陽離子 (Li + )則會變為p型之半導體，添加Li2〇可使Ni〇電阻係數下 降至0.1 Ω .cm左右，另一方面，鎳氧化時會形成νι2+離子 空位（vacancy)，促成電洞之產生（N. Birks and G. H Meier, Introduction to High Temperature Oxidation of Metals (Edward Arnold, London, 1983)， Chap. 4)，因此，推論Ni/Au氧化後形成之Ni〇是p型之半導體， 此P型NiO半導趙中混合金屬狀態的金，p型Ni〇與p型GaN之 界面電阻很低’同時’金與p型Ni0形成歐姆接觸，因此， Ni/Au膜經氡化熱處理後可與15型(；31^形成歐姆接觸，並且 具低的接觸電阻率。 基於以上之推論凡是薄膜具有p型半導體氧化物與金 兩種成份之結構均可能與P型GaN形成良好之歐姆接觸，由 文獻得知除了Ni〇外尚有許多氧化物可製作成P型半導體， 例如：MnO、FeO、C〇0 (Z. M. Jarzebski，〇xide Semiconducotrs (Pergamon press, Oxford， 1973)

第11頁 _ 案號87117694_年月日 修正__' 五、發明說明（8)

Chap. 11) 'PdO(R. Uriu et al., J. Phys. Soc. Jpn 60，2479( 1 991 ))、CuA102(H. Kawazoe et al.，Nature 389，939(1997))、SrCu202 (A. Kudo et al.，Appl

Phys. Lett. 73，220 ( 1998))、Rh203 (A· Roy and j ghose， Mater. Res. Bull 33， 547(1998))等，因此，此 類氧化物與金混合亦可能與p型GaN形成歐姆接觸。另外， 金亦可用其它的金屬替代，只要是經氧化熱處理後，此金 屬並不氧化即可’ 一般貴金屬均適用，例如，Au、pt、

Rh、Ru、Ir 等。 基於以上之實驗結果與推論’p型半導體氧化物與p型 GaN之界面電阻很低，同時，金屬可以與p型半導體氧化物 形成低接觸電阻率之歐姆接觸，因此，請參閱第2圖，本 ，明之另一個實施例即是於p型GaN 1〇上依次製作薄的p型 半導體氧化物層12與另一金屬層24，以形成psGaN之歐姆 接觸，例如，p-GaN/p-NiO/Cr/Au 等。 θ另外，在上述實施例中主要是以P型GaN材料做說明， 但是實際上本發明之製作歐姆接觸的方法可適用於卩型“ xGayInzN 材料上，其中 〇 $x、y、z si，且x + y + z = i。 過去在P型GaN上製作的歐姆接觸之接觸電阻率最低僅 ，，到1〇-2-1〇-3Ω .cm2左右，但本發明之歐姆接觸能達到 ^低之界面阻抗1.GXUM .cm2，此一結果較先前之技 了許多’同時經由將此種歐姆接觸應用於發光二極 體之製作，也顯示出良好之特性。

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 導於t二種半導體的歐姆接觸之製作方法，其係 2材料上鍍製複數種㈣元素 導體ml "種金屬凡素氧化形成p型氧 守履其餘金屬則保持金屬狀態。 導趙2二！請專利範圍第1項之製作方法，其中， 导體材科為j^AlxGayIM，且〇 X+y+Z=l 〇 y z = 1 3^申請專利範圍第丨項之製作方法，其中， ' :ί過渡金屬其為可形成？型半導體氧化 4去=申請專利範圍以項之製作方法其中， 屬'素包括貴金屬，其為Au、pt、Rh、Ru十等 上·Λϊ申請專利範圍第1項之襲作方法，其中， 膜返.導趙材料上的膜層可為過渡金屬與貴金屬自 導ΛΐΙ請專利範圍第2項之製作方法，其中， 導體材料為ρ型GaN。 7 ·如申清專利範圍第 -^ S , 寸j祀固第d項之製作方法，其中， 〇屬為Ni、Mn、Fe、c〇、cr、Cu 或Pd 等。 8. ^種半導體的歐姆接觸，其係形成於一半驾 :型半導艘氣化物與金屬的混合體之 丰邋和-^專利範圍第8項之歐姆接觸，其中， 丰導體乳化物係包括有單-種氧化物。 切本1申請專利範圍第8項之歐姆接觸，其中1 3 物係包括有複數種氧化物之混合體( 一_二如明專利範圍第8項之歐姆接觸，其中， 先在一半 境中進行 ,化物半 上述半 ，且 上述金 物者。 上述金 3 鍍製在 勺合金 上述半 上述過 !·體材料 膜層。 上述ρ型 '上述ρ ) '上述ρ _案號 87117694 六、申請專利範圍 生月日_ 型半導體氧化物係包括有複數種氧化物形成之固溶體。 12.如申請專利範圍第8項之歐姆接觸，其中，上述半 導體材料為p型AlxGayInzN，且〇 $ x、y、z $ j， x+y+z=l ° 13.如申請專利範圍第8項之歐姆接觸，其中，上述p 型半導體氧化物為Ni〇、MnO、Fe〇、Fe2〇3、cQ〇、CrO、Cr 〇3、Cr02、CuO、SnO、Ag2〇、CuA1〇2、SrCu2〇2 或pd〇 等。 14，如申凊專利範圍第8項之歐姆接， ， 屬為Au、Pt、Rh、Ru、卜等。 & 、♦ 15.如申請專利範圍第12項之歐姆接觸，其中，上述 半導體材料為P型GaN。 6· —種半導體的歐姆接觸，其係形成於一半導體材 之上，包括有p型半導體氧化物的膜層及金屬的膜層。 17.如申請專利範圍第16項之歐姆接觸，其中，上述 半導體材料為P型AlxGayIM，且〇 $ x、y、z $ !， x+y+z=i 〇 — ¥如申請專利範圍第16項之歐姆接觸，其中，上述p 〇 體氧化物為Ni〇、MnO、FeO、Fe203、C〇0、CrO、Cr Yh r Γ〇2 ' CU〇 ' Sn〇 ' Agz〇 ' CuA1°2 ' SrCu202 > LaMn03 ^ Yba2Cu4〇8 或Pd〇 等。 2 2 3 19. 如申請專利範圍第16項之歐姆接觸，其中，上 膜層2係包括有單-氧化物層。 20. 如申請專利範圍第16項之歐姆接觸，其中，上述 包括有複數層同型之氧化物層。

   第14頁 -_二如申請專^範圍第16項之歐姆接觸，其中，上述 ΜΚ 87]J7fifl4 六、申請專利範圍 膜層有複數種氧化物之混合膜層。 膜房择·Λ請專利範圍第16項之歐姆接觸，其中 2t匕如复數種氧化物形成之固溶體膜層、。 . 明專利範圍第16項之歐姆接觸， 膜層係包括有單—金屬層。 坶接觸’其中 24. 如申請專利範圍第16項之歐姆接 膜層係包括有複數金屬層。 25. 如申請專利範圍第17項之歐姆接 半導體材料為p型GaN。 26. 如申請專利範圍第16項之歐姆接觸 膜層可用透明導電膜替代。 27. 如申請專利範圍第26項之歐姆接觸， 導電膜為銦錫氧化物，Zn〇或是摻雜有Ga 、、 透明 ZnO。 Ai 或ce 之 θ 修正 上述 上述 其中 其中 上述 上述 其中，金屬 其中，透明 第15頁