TWI248687B - Element for the optoelectronics and method for its production - Google Patents

Description

1248687 五、發明說明（1 ) 本發明涉及一種以I^AlyGanyN，〇 s x g 1 . 〇 s y $ 1且 x + y SI爲主之光電元件，其半導體表面上具有可透光之接 觸面。 本發明涉及半導體表面上可透光之接觸層之製法。 在磊晶生長之發光二極體（其與材料系統InAlGaN有關） 中，P -摻雜層中之橫向電流擴散區位於數個0.1/zm至數個 //m之範圍中。因此，通常在半導體表面上施加整面之接觸 區，以確保電流可均勻地注入發光二極體之活性層中。但 此種以平面式施加而成之接觸層吸收了此種由半導體表面 所發出之光之大部份。 目前使用很薄之半透明之接觸層作爲連接接觸區。此種 在半導體晶片上以InAlGaN爲主之半透明之接觸層在 US576758 1 A已爲人所知。爲了確保該連接接觸區有高之半 透明之接觸層，則半透明之層須儘可能薄。因此，其需求是 足夠之均勻性，足夠之橫向導電性及小的接觸電阻。傳統 之發光二極體所用之半透明之接觸層因此會吸收此種由表 面所發出之光之大部份。 此外，在高的熱負載時，以InAlGaN爲主之具有透明接觸 層之習知之光電元件由於接觸之劣化而失效。 由DE1 9927945A1中已知：在以InAlGaN爲主之發光二極 體之P-摻雜之層上施加一種厚度是1 000至30000A之接 觸層。在此種接觸中引入一些寬度是0.5至2#m之開口 ，使光經由接觸層之傳輸可較佳。 1248687 五、發明說明（2) 由上述之先前技藝開始，本發明之目的是提供一種以 InAlGaN爲主之適用於光電技術中之元件，其具有較佳之 光射出性及較佳之抗老化方法。 依據本發明，此目的以下述方式達成：接觸層具有許多 相關配置之凹口且接觸層之厚度大於5 nm但小於lOOnm。 藉由接觸層中設置許多凹口，則可大大地提高光之射出 性。在接觸層變薄或中斷之這些位置上光所穿過之量較接 觸層具有整個厚度之處者還多。由於接觸層只局部性地變 薄及中斷，則儘管此接觸層之光射出性較佳仍可確保電流 可均勻地注入光學元件之活層中。 此外，各凹口對此光電元件抗老化特性是有利的。由 InAlGaN構成之 p-摻雜含有較少之氫，氫在光電元件作時 擴散至接觸層和InAlGaN層之間之界面。若接觸層不可透 過氫，則氫聚集該界面且使摻雜物質鈍化。在熱負載時接 觸層和其下形成之InAlGaN層之接觸電阻上升。熱負載在 已製成之發光二極體操作時以及晶圓加工時發生。但在接 觸層中較薄之位置上氫會漏出而使用接觸電阻保持定値。 在此種關係中此接觸層之層厚度是重要的。爲了確保氫 可運行，則各凹口之間條片之寬度儘可能小是有利的。在 接觸電阻較小時，爲了使接觸層和 p -摻雜層之間之界面保 持儘可能大，則須存在數目很多之凹口，其橫切面大小是在 此元件所發出之光之波長之數量級之範圍中。藉由數目較 多之具有較小橫切面之凹口，則氫可越過此面而由其下方 -4 - 1248687 五、發明說明（3) 之InAlGaN層漏出。但接觸層之厚度較各凹口可結構準確 地形成在接觸層中，而不會使接觸層之條片受到鈾刻上之 損害，否則會影響其電流之流動性。 在較佳之實施形式中，各凹口都是一種貫穿此接觸層之 開口。 在較佳之施形式中，氫是圍繞接觸層而運行且可無阻礙 地由接觸層下方之InAlGaN層漏出。 本發明之其它目的是提供一種方法以製造光電元件，其 具有較佳之光射出性及較佳之抗老化特性。 依據本發明，此目的以下述方式達成：接觸層藉由未完全 覆蓋半導體表面之具有凹口之微粒層而被結構化。 施加在半導體表面上之微粒作爲接觸面隨後結構化時所 用之遮罩。特別有利的是：就此目的而言，不必使用昂貴之 光（或電子束）微影術。 本發明之其它適當之形式描述在申請專利範圍各附屬項 中。 本發明以下將依據圖式來詳述。圖式簡單說明： 第1圖光電元件之實施例之橫切面。 第2圖第1圖之光電元件之俯視圖。 第3圖光電元件之第二實施例之橫切面。 第4圖第3圖之光電元件之俯視圖。 第5a至5c圖光電元件之接觸層中所引入之各凹口之 不同之橫切面外型（profile)。 1248687 五、發明說明（4) 第6a至6c圖在晶圓上施加小球以便在光電元件之接 觸層中製成各凹口所用之不同之步驟。 第7圖光電元件之不同之實施例之俯視圖。 第8a至8d圖光電元件之接觸層中各種不同之由狹縫 所組成之開口。 第1圖是發光二極體1之橫切面，其具有導電基板2。 在基板2上施加η-摻雜層3,其上是p-摻雜層4。η-摻雜 層3及ρ-摻雜層4是以InAlGaN爲主而製成。即，此二層 3，4除了與製造有關之污染及摻雜物質之添加之外另具有 以下成份： I nxAl yGabX.yN 其中 OSxSl.OSySl 且 x + ySl。 在η-摻雜層3和p-摻雜層4之間形成一種pn-接面5, 其中在電流流動時產生光子。爲了可使電流流經 pn -接面 5,須在p-摻雜層4上設置一種接觸層6,其上施加一種連 接接觸區7。接觸層是一種層，其對相鄰之由半導體材料所 形成之層形成一種歐姆接觸。歐姆接觸之槪念在半導體物 理中具有一般之重要性。 由於發光二極體1以材料系統InAlGaN爲主而製成，則 P -摻雜層4中之橫向電流寬度是在數個0.1/zni至數個//m 之範圍中。接觸層6儘可能完全整面地在p -摻雜層4上 方延伸，以使電流均勻地分佈在pn-接面5上。pn-接面5 中所產生之光子儘可能未被吸收地而由發光二極體1發出， 1248687 五、發明說明（5) 接觸層6中因此形成多個開口 s。須選取開口 8之橫切面 大小使其小於P -慘雜層2中之彳頁向電流寬度之一倍。依據 P-摻雜層4之厚度，則以InAlGaN爲主之p-摻雜層4中之 橫向電流寬度是在1和4 // m之間。 另一方面，在發光二極體1操作時應防止氫由P -摻雜層 4沿著至接觸層6之界面而聚集且在該處摻雜質（通常是錳） 鈍化，因爲這樣會在熱負載時使接觸層6和p -摻雜層4之 間之界面上之接觸電阻上升。因此，若在接觸層6中形成 數目儘可能多之開口，使氫由P-摻雜層4儘可能均勻地跨 過其表面而洩出。因此，應設置數目很多之開口 8 ,其橫切 面較小，開口 8之橫切面大小較佳是小於3 // m，特別是小 於1 μ m。若開口 8選擇圖形，則開口 8之直徑應小於3 // m， 較佳是小於1 # m。另一方面，爲了獲得一種經由接觸層6 之足夠大之光射出性，則開口 8之横切面大小應較發光二 極體1在開口 8中所產生之光子之波長之1/4還大。開口 8之橫面大小至少是50nm。 若對接觸層6之透光性不是太高之需求，則開口 8可由 接觸層6中之凹口所取代。但在此種情況下所保留之材料 厚度須很小，使pn -接面5中所產生之光子可由接觸層6中 發出。此外，須確保氫可穿過此種仍保留之材料。特別是 所保留之材料對氫而言是可通過時更須如此。此種材料例 如鈀或鉑。 此外，亦可使接觸層.6較薄地形成，使接觸層6對光子而 1248687 五、發明說明（6) 言是半透明的且對氫而言是可透過的。 第2圖是第1圖之發光二極體1之俯視圖。第2圖圖中 顯示，各開口 8以均勻之間距分佈在接觸層6之面上。在 電流由連接接觸區7流動至接觸層6之邊緣區域時爲了使 歐姆損耗保持很小，則開口 8之密度須向外側加，使連接接 觸區7之附近中存在較寬之接觸條9。此外，亦可使開口 8 之橫切面向接觸層6之邊緣增大。此種方式可使電流儘可 能有效地由連接接觸區7流動至接觸層6之邊緣。 第3圖是發光二極體1之另一實施例，其中基板2各別 形成。另設有η-摻雜3用之連接接觸區10。p-摻雜4及 接觸層6只覆蓋η -摻雜層3之一部份，這在第4圖中特別 可淸楚地辨認出。 第5a至5c圖是開口 8之不同之實施形式。特別是第 5 a圖之此種開口 8之六角形之橫切面是有利的，因爲此種 形式之敞開面積對覆蓋面積之比（r a t i 〇 )特別。但此種開 口 8亦可具有正方形或圓形之橫切面；若開口 8以正方形 構成，則接觸層6跨過該橫切面而具有網形之形式。 開口 8之製造以一般之微影術來達成。爲了防止η -慘 雜層3，ρ -摻雜層4及基板上之損傷，則須適當地組合此接 觸層6及連接接觸區1 〇所用之接觸金屬及蝕刻方法。特 別是可以含有氰化物之蝕刻方法來進行濕式化學蝕刻所用 之鈀適合用作接觸層6。此外，亦可使用鉑在開口 8貫穿時， 則接觸層6亦可由一種不可透過氫之材料所製成。此種材 1248687 五、發明說明（7) 料可以是Ag或Au及其合金。亦可設置一種由Pt或Pa所 形成之層作爲接觸層6，其上施加另一層由Au構成之層。 原則上濕式化學蝕刻方法及反應性離子蝕刻（RIE)或回 (back)濺鍍法都可用作蝕刻過程接觸層6之厚度儘可能小 於1 OOnm而與蝕刻方法無關，接觸層6之條件因此不會受 到蝕刻過程所損害，電流均勻流動之能力會受損。此種問 題特別發生於下述情況：接觸層6中形成數目特別多之開 口 8，其直徑小於3 # m，特別是小於1 // m。在此種情況下特 別是接觸層6之存在於各開口 8之開口 8之條片仍保特儘 可能未受損之情況，以確保電流能可靠地傳送。但接觸層6 中數目較多之開口 8 (其直徑小於3 # m，特別是小於1 // m) 是特別有利的，以便使氫由P -摻雜層4均勻地越過接觸層 6而浅露。 此外，厚度小於1 OOnm時，此種調整須涉及蝕刻深度。爲 了可完全蝕刻各開口 8，則通常須選取此種蝕刻時間，使接 觸層6之材料中之蝕刻深度例如接觸6之厚度之1 〇%還大 。但若P -摻雜層之蝕刻速率較接觸層6之蝕刻速率還大， 則接觸層6之層厚度須大於1 0 0 n m，使開口 8下方接觸6中 此P -摻雜層4完全被蝕刻去除。 因此，使接觸層6之厚度不大於1 〇〇nm時是有利的。 在對此蝕刻過程之準性有特別嚴格之要求時，則接觸層 6之厚度應小於50nm，較佳是小於30nm。 特別是在濕式化學蝕刻時，此種作爲遮罩用之光漆層另 1248687 五、發明說明（8) 外會產生欠（H i n t e r)蝕刻之問題，其結果是：只有結構大小 在1 // m範圍中之此種結構能可靠地蝕刻，若此種待鈾刻之 接觸層之厚度變較此結構大小之値小很多時。 特別是以氬離子來進行之回濺鍍法適用於接觸層6中特 別小之開口 8。但蝕刻速率只有大約每分鐘5nm。在接觸 層6之厚度大於lOOnm時，蝕刻時間須較長，使作爲遮罩用 之光漆只能不易地由接觸層6之表面去除。 須注意：在接觸層6中之開口 8進行蝕刻時亦可在p -摻 雜層4中適當地蝕刻出一些凹口。這些凹口可以透鏡形式 構成。藉由所形成之傾斜之邊緣或粗糙之表面，則另外可 改良此光束之射出性。 爲了形成各開口 8，如第6a至6c圖所示，則例如可使用 由聚苯乙烯所構成之小球11 (直徑小於lum)。此種方式之 優點是：可在接觸層6中所形成開口 8，其太小而不能以一 般之微影術或一般之蝕刻方法來製成。晶圓1 2及發光二 極體1須藉助於支件1 3而浸入液體1 4中，所施加之小球 11之各別之層漂浮在液體1 4之表面上。p -摻雜層4上之 小球1 1之密度是由液體表面上之小球1 1之密度所決定。 藉由鹼之添加，則可減少液體之表面應力而防止硬塊之形 成。晶圓1 2完全浸入且隨後慢慢地拉出。小球1 1黏在p -摻雜層4之表面上，p -摻雜層4之表面上之小球1 1之統計 式分佈只要在接觸層6透光之情況下可防止干擾效應時都 是有利的。爲了在接觸層6透光時防止此干擾效應，則不 -10- 1248687 五、發明說明（9) 同直徑之小球可以統計方式混合。 但亦可使小球11分佈在P -摻雜層4之表面上，使小球 1 1之密度向著P -摻雜層4之邊緣而增大。 爲了在P -摻雜層4之表面以較大密度之小球覆蓋時使 小球之間之接觸點增加，則可在下一步驟中例如藉由電漿 蝕刻以已離子化之氧使小球之半徑變小，以便在小球之間 形成空著之條片，藉此使P -摻雜層4之表面可氣相噴鍍。 以適當之金屬來進行氣相噴鍍，則可形成一種相連之接觸 層6。 在本方法之另一種實施形式中，首先在P-摻雜層4上蒸 鍍或噴鍍此接觸層6，然後在接觸層6上施加完整之單層小 球11。仍空著的區域中之接觸層6藉由回濺鍍或電漿蝕刻 而被去除。 最後，這些小球11以機械方式，例如，以超音波槽中之溶 劑，或以化學方式（例如，藉由小球溶解在蝕刻液中）而去除 〇 須指出：可在P -摻雜層4之表面上使用一種黏合層以施 加這些小球11，此黏合層在空著之表面被蒸鍍之前須去除。 爲了使接觸層6上之壓降保持儘可能小，則第7圖所示 之實施例中須在接觸層6上形成一種導電軌1 5，藉此可使 電流輕易地分佈在接觸層6中。 隨後所述之測量亦顯示此種現象。在此種測量中，以 InGaN爲主之發光二極體1使用在一種由SiC構成之基板 -11- 1248687 五、發明說明（1〇 ) 2上。此發光二極體1之發射波長位於4 6 0 n m處。發光二 極體1之大小是26〇X260/zm。連接觸區7由Au所製成且 厚度是l//m，直徑是100/zm。由Pt所構成之接觸層6是 6nm。發光二極體1形成於外殼中且在電流負載是20mA時 測量。具有透明之表面覆蓋用之接觸層之一種發光二極體 此處作爲參考。 相對於此發光二極體而，言具有第2圖所示接觸層6結 構之此種發光二極體1具有高出5%之發光效率。當然此 前向電壓高出3OmV。較高之前向電壓是由接觸層6之較參 考値還小之橫向導電性所造成。 此種發光二極體（其具有由導電軌1 5所強化之接觸層6 ) 相對於參考物件而言具有高出3%之發光效率。此外，前向 電壓所減小之値是50mV。第7圖所示之實施例因此是特別 有利的。 第8a至8d圖顯示此接觸層6中之另一種形式之開口 8 。此種開口 8由長形延伸之狹縫所組成且配置成使各開口 8之間所存在之條片1 6形成一種網狀之結構，其網目形成 開口 8。 第8a圖所示之開口 8具有十字形之橫切面。在此種情 況下此開口 8由二個相交之狹縫1 7所形成。狹縫1 7之寬 度是ds，其等於P-摻雜層4中橫向電流寬度之二倍。須選 取各開口 8之間之距離，使各開口 8之間所存在之條片1 6 具有足夠之導電性，以便使電流跨過此接觸層6而分佈著 -12- 1248687 五、發明說明（11) 。此外，須注意：接觸層6及其下方之p -摻雜層4之間之 界面不可太小，接觸層6及其下方之p -摻雜層4之間之接 觸電阻不可太大。一種配置（其中各開口 8之間之最小距 離大於開口 8之寬度ds)是有利的。由基本胞18觀之，接 觸層6之覆蓋層是58%。此開口 8在此種情況下佔有接觸 層6之面積之43%。 亦可如第8b圖所示，設置T形之開口 8;或如第8c圖所 示，設置矩形狹縫1 7形式之開口 8。在第8b圖之情況中， 接觸層6之覆蓋度是60%;在第8c圖之情況中，其覆蓋度是 6 1 %。但狹縫1 7逐漸變成長，此種覆蓋度可大大地變小。 若接觸層6依據第8c，8d圖而結構化成線性格柵時，則可 達成最小之覆蓋度，即，50%。當然此處存在此種危險性，即·. 若接觸條1 6之一中斷，則pn -接面5之大部份會被電流源 所中斷。第8 a圖所示之開口 8之形式因此特別有利，因爲 其除了很高之操作安全性之外，亦具有很高之開口度 (degree)。 此外，亦硏究此種接觸層6之結構對發光二極體1之老 化特性之作用就此種硏究而言，在S i C構成之基板上沈積 一種由AlGaN和GaN所構成之η-摻雜層3,其上藉助於 MOCVD方法而施加一種藉助於Mg而形成之ρ-摻雜層。在 同一晶圓上在各別晶片上在p -摻雜層4上形成不同之接觸 層6。接觸層6之橫切面介在200/zmX200//m及260/imX 2 60 //m之間。爲了模擬此發光二極體1之老化特性，發光 •13- 1248687 五、發明說明（12) 二極體1之晶片在溫度30 0°C時退火20分鐘。 發光二極體1用之第一晶片（其由Pt構成之半透明接觸 層之厚度是20nm)在測量準確度是+/-20mV之範圍中在退 火之前和之後具有相同之前向電壓。 發光二極體1用之另一晶片設有一種接觸層6,其由Pt 製成且厚度是20nm。此晶片之接觸層6以網狀形式而被結 構化，其網目開口是3 μ m，且接觸層6之仍保留之條片之寬 度同樣是3//m。此種晶片除了測量準確度是+/-20mV之外 在退火之前和之後具有相同之前向電壓。 此種相同之特性同樣顯示在一種晶片中，其接觸層6是 由半導體側之由Pt構成之6nm厚之第一層及另一個20nm 厚之由Au構成之層所組成且其接觸層同樣以網狀形式而 被結構化。 反之，發光二極體1用之另一種晶片在前向電壓中平均 提高200mV，其整面設有一種接觸層6,其是由半導體側之 由Pt所構成之6nm厚之層及另一個由Au所構成之lOOnm 厚之層所組成。 硏究已顯示：就穩定之老化特性而言，重要的是氫可經由 接觸層6而洩出。接觸層6所用之材料本身不必可透過氫， 而是只須在接觸層6中形成各開口 8。 最後須指出：此處所預期之發光效益之改良是由於雷射二 極體（特別是VCSELS)中此接觸層之變薄所造成。因此，在雷 射二極體中設置一種局部性較薄之接觸面時是有利的。 _ 14- 1248687 五、發明說明（13) 符號說明 1.. .發光二極體 2.. .基板 3.. . η-摻雜層 4…ρ -摻雜層 5…ρ η -接面 6.. .接觸層 7.. .連接接觸區 8···開口 9.. .接觸條 10.. .連接接觸區 1 1 ...小球 1 2…晶圓 13…支件 14.. .液體 1 5 ...導電軌 1 6...接觸條 17.. .狹縫 18.. .基本胞 -15-

Claims (1)

1248687 六、申請專利範圍 第090 1 1 2080號「光電元件及其接觸層之製造方法」 專利案 (92年1月修正） 六申請專利範圍： 1· 一種光電元件，其在以InxAlyGai.y^OSxSlJSy 且 x + y^l爲主之半導體表面上具有光束可透 過之接觸層（6)，其特徵爲： 此接觸層（6 )具有許多相鄰而配置之凹口（ 8 )，此 接觸層（6)之厚度大於5nm且小於100nm。 2.如申請專利範圍第丨項之光電元件，其中各凹口（ 8 ) 之橫切面之面積和（s um )大於所保存之接觸層（6 )之 面積。 3·如申請專利範圍第丨或第2項之光電元件，其中各 凹口（ 8 )之橫切面是圓形的。 4·如申請專利範圍第丨或第2項之光電元件，其中各 凹口（8)具有六角形之橫切面。 5·如申請專利範圍第1或第2項之光電元件，其中各 凹口（ 8 )以長形延伸之狹縫（1 7 )構成。 S·如申請專利範圍第5項之光電元件，其中此條片（1 6 ) 以網狀形成在各凹口（ 8 )之間。 7·如申請專利範圍第丨或第2項之光電元件，其中各 凹口（ 8 )均勻地相隔開而分佈在接觸層（6 )上。 δ·如申請專利範圍第3項之光電元件，其中各凹口（ 8 ) — 1248687 六、申請專利範圍 均 勻 地相隔開而分佈在接觸層（6 )上。 9· 如 甲 請專利範圍第1或第2項之光電元件，其 中 各 凹 □ (8 )不均勻地相隔開而分佈在接觸層（6 )上 〇 10. 如 甲 請專利範圍第1或第2項之光電元件，其 中 各 凹 □ (8 )之橫切面向著接觸層（6 )之邊緣而增大 〇 11. 如 串 請專利範圍第1或第2項之光電元件，其 中 各 凹 □ 是貫穿此接觸層（6)之開口（8)。 12. 一 種 在光電元件半導體之以InxAlyGanyN，〇 :^ 1， O^ygl且x + ySl爲主之表面上可透過光束 之 接 觸 層 (6)之製造方法，其特徵爲：此接觸層（6)藉 由 一 種 作 爲遮罩用之層而由完全覆蓋此半導體表面 所 用 之 具 有各凹口（ 8 )之微粒（1 1 )所結構化。 13. 如 甲 請專利範圍第1 2項之製造方法，其中各 微 (1 1)以球構成。 14.如 串 請專利範圍第1 2項或1 3項之製造方法， 其 中 各 微 粒（11)由聚苯乙烯製成。 15. 如 串 請專利範圍第1 2或1 3項之製造方法，其 中 使 用 外 部尺寸小於1 // m之微粒（1 1 )。 16. 如 串 請專利範圍第1 2項之製造方法，其中微粒 (1 1 ) 藉 助 於液體而漂浮在半導體表面上。 17. 如 甲 請專利範圍第1 2或1 6項之製造方法，其 中 此 半 導 體表面首先以微粒（11)覆蓋，作爲金屬層 用 之 材 料（6 )施加在半導體表面上。 -2- 1248687 六、申請專利範圍 18. 如申請專利範圍第1 7項之製造方法，其中在作爲金 屬層用之材料（6 )施加之前對各微粒（1 1 )進行回倉虫 刻。 19. 如申請專利範圍第丨2或1 6項之製造方法，其中在 半導體表面上首先沈積此種作爲金屬層用之材料 (6 )，此半導體表面然後以微粒（1 1 )覆蓋，作爲金屬 層用之材料（6 )在各微粒之間隨後被去除。 20. 如申請專利範圍第1 9項之製造方法，其中未由微粒 (1 1 )所覆溘之作爲金屬層用之材料（6 )藉由回濺鍍 或電漿蝕刻而去除。 21_如申請專利範圍第1 2或1 6項之製造方法，其中這 些微粒（1 1 )在接觸層（6)結構化之後在超音波槽中 藉助於溶劑而去除。 22. 如申請專利範圍第1 9項之製造方法，其中這些微粒 (1 1 )在接觸層（6 )結構化之後在超音波槽中藉助於 溶劑而去除。 23. 如申請專利範圍第1 2項之製造方法，其中這些微粒 (1 1 )在接觸層（6 )結構之後藉由溶解而在蝕刻液中 去除。 24. 如申請專利範圍第1 9項之製造方法，其中這些微粒 (1 1 )在接觸層（6 )結構之後藉由溶解而在蝕刻液中 去除。