TWI364850B - Gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device - Google Patents

Gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device Download PDF

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TWI364850B
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Description

1364850 ⑴ 九、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】
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囑目。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 (3,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 -4- (2) 1364850 此，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
此外，爲了構成爲更明亮的發光元件（L E D )，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2001-2108 6 7號公報）。於日本特開2001-210867號公報中，係 提出一種以灑鑛法以外的方法，而製作出與P型GaN系化
I 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—種，具有由直接與P型半導 -5- (3) 1364850 體層接觸之透明導電膜層所形成之正極’並且其驅動電壓 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 00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 擺鑛法（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， GCT. (3)以 DC 濺鑛（’Direct Current Sputtering:直流真空擺 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 )—種氮化鎵系化合物半導體發光元件，係於基 -6 - (4) 1364850 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 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Ρ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III族金屬成分之半導體金屬混在層，該半導 GG 體金屬混在層的厚度爲Ο.1 — 1011"1。 (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。 G G ( 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3 nm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300〜700°C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 (5) 1364850 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。 (7 )如上述第ό項所記載之氮化鎵系化合物半導體 發光兀件’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滕 ^ 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 ~ 5 nm。 (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150〜500nm。 (11) 如上述第6、7、8、9或10項中之任一項所記 GG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p型半導體之一側與遠離p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。 (12) 如上述第11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〜l〇〇nm。 (13) 如上述第 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10' 1 1或1 2項中之任一項所記載之氮化鎵系化合物半導體發 -8 - (6)1364850 光元件，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。 (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0.1〜5nm。
C C ( 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. 1〜20 原子％。 ( 1 6 )如上述第1 、2 - • 3、4、5、6、 7、8 、9、 10、 11 12 、13、1 4 或 15 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 ' Sn 、 Ζ η 、Al 、 Ti 、V、 Cr、 Mn、Fe、Co、 Ni、 Cu、 Ga、 Ge 、 Υ 、Z r、N b、 Mo、 Tc、 Ru ' Rh ' Pd ' Ag、 Sb、 Hf、 Ta W 、R e、O s、 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。
CC (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、Zn、 A1、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo及Cr所組成的群當中所 選出之至少1種金屬的氧化物所形成。 (1 8 )—種燈，其特徵爲：係由如上述第1、2、3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 1Q、 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 -9 - (7) 1364850 1 8項所記載之燈。 (20 ) —種機械裝置’其特徵爲：係組裝有如上述第 19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III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 f 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 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 CC 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2〇, -10 - (8) 1364850 並於殘餘的p型半導體層上形成正極10而成之半導體發 光元件。 基板可使用藍寶石單結晶（Al2〇3: A面、C面、Μ 面、R面）、尖晶石單結晶（MgAl204 ) ' ΖηΟ單結晶、
LiA102單結晶、LiGaO2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、AIN單結 晶、GaN單結晶及ΖγΒ2等之硼化物單結晶等之一般所知 f (2 .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 X 1 0 17cm_3之ρ型半導 體層，亦可適用於本發明。 Q C 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( N ( 0$χ< 1、〇$y< 1、 0Sx + y<l)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(1.x-y)N(〇Sx<+l、 0Sy<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 (9) 1364850
Deposition :有機金屬化學氣相沉積法）、HVPE ( Halide Vapor Phase Epitaxy :鹵化氣相磊晶成長法）、MBE (Molecular Eieam Epitaxy :分子束磊晶成長法）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 〔G 鎵（TMG ·· Trimethyl Gallium )或三乙基鎵（TEG : Triethyl Gallium ) ，A1來源可使用三甲基鋁（TMA:
Trimethyl Aluminium )或三乙基鋁（TEA :- Triethyl Aluminium ) ，In來源可使用三甲基銦（ΤΜΙ : Trimethyl
Indium)或二乙基銅（TEI: Triethyl Indium) ，V 族原料 的 N來源可使用氨（NH3 : Ammonia )或聯氨（N2H4 : H y d r a z i n e )等。此外，關於摻雜劑，n型可使用作爲S i 原料之矽烷（SiH4 : Monosilane )或乙矽烷（Si2H6 : G, G Disilane) ’及作爲Ge原料之錯院（GeH〆· Germane)或 有機鍺化合物’ η型可使用作爲Mg原料之例如二環戊二 稀鎂（Cp2Mg: Bis(Cyclopentadienyl)Magnesium)或二乙 基環戊一稀錶（（EtCp). 2Mg: Bis(Ethylcyclopentadienyl) Magnesium ) 〇 ' 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P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 -12- (10) 1364850 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Α1Ν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 G〔'層3;由InGaN層所構成之發光層4;及以由ρ型AlGaN 層所構成之P包層5b及由p型GaN層所構成之ρ接觸層 5a而形成之p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η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20，且於殘餘的ρ接觸層5上設置正 極。 Q Q. 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U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 15° 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 、Z n 、A1 、Ti ' V、Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 G a • G e 、Y， _ Zr、 Nb、 Μ ο、T c 、R u、 Rh、 Pd、 Ag ' Sb、 Hf、 Ta 、W、 Re、 Os、 Ir 及 Pt 所組 成的群當中所選出之 -13- (11)1364850 至少1種金屬的氧化物所構成。在這當中，從以In、Sn、
Zn、A1、Cu、Ag、Ga、Ge、W、M〇 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 0 n m，則薄片電阻値較低，若超過} 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
C C 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 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1 nm以下，則於透明導電膜擴散層的成膜 G〔.時’會對P型半導體層產生破壞。若爲5nm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 n m 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15〇〜5〇〇ηηι。 若較50nm更薄’則無法獲得較低的薄片電阻。若較 lOOOnm還厚’則無备獲得高光透射率。更理想爲 -14- (12) 1364850 15 0~7 00nm。此雙層較理想爲未形成閒隙而連續成膜。若 是形成時間隔著間隔或是移至其他裝置的話，則此雙層之 間可能會附著污染物或是使金屬氧化物膜更進一步氧化’ 而製作出具有高電阻之層。 ’ 若於透明導電膜之半導體側表面上，存在有包含構成 半導體的金屬之半導體金屬混在層，則可降低透明導電膜 與半導體之間的接觸電阻。亦即，於本發明中，所謂的 Q Q 「半導體金屬混在層」，係定義爲透明導電膜中之半導體 金屬含有層’於透明導電膜中，係將包含半導體的金屬成 分對全部金屬成分爲3原子％以上之層，稱爲「半導—金 屬混在層」。 半導體金屬混在層的厚度較理想爲〇.l~l〇nm。若未 滿0.1 hm及超過1 〇ntn，則難以獲得低接觸電阻。爲了獲 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含之半導體金屬 G (2.的比例’較理想爲存在有半導體金屬對全部金屬成分爲2〇 原子％以上之區域。該比例係具有分布，距離半導體/透明 導電膜的界面較近者，半導體形成金屬的比例較高。尤其 是，較理想爲於距離半導體/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比例對該半導體金屬混在 層中的全部金屬爲40原子％以上之區域。於距離半導體/ 透明導電膜的界面未滿3 nm之界面附近，係成爲半導體金 屬的擴散於透明導電膜中進行之狀態，因此可使接觸電阻 降低。 -15- (13) 1364850 此詳細機制雖然尙未明確化，但於考量到p型GaN/ 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 G G 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3 nm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 G G的比例，可藉由該業者所知之剖面TEM的EDS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 -16- (14) 1364850 中，所謂的「正極金屬混在層j ，係定義爲p型半導體層 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 G. 1 nm，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0.1 ~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 〇原子 ί - %，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1〜2 0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ΤΕΜ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。 -17- (15) 1364850 此可考量爲’於依據RF放電之濺鍍成膜中 子輔助效果，可將能量賦予至附著於p型半導儷 原子，而具有與P型半導體層、亦即與p-GaN5 表面擴散之作用。此外亦可考量爲，於上述成膜 能量賦予至P型半導體層的最表面原子，而促進 料、例如Ga往透明導電膜接觸層擴散之作用 TEM的EDS分析中’係於p-GaN上之RF濺鍍成 f G 明導電膜接觸層上，偵測出具有來自於半導體的 域.，亦即確認到半導體金屬混在層的存在（可參 之本發明的實施例1之透明導電膜接觸層的分析 例）。 另一方面，於半導體側係偵測出具有來自於 膜的In及Sn之區域，亦即確認到正極金屬混在 (可參照第6圖之本發明的實施例1之p型半導 析結果之一例）。 CC 此外，可考 量爲於金屬氧化物的濺鍍中，若 •面暴露於濺鍍時的電漿，則電漿粒子會導致GaN 晶性的破壞。雖然結晶性被破壞的證據尙未被觀 ‘就結果而言，係使得半導體金屬混在層之半導體 例上升，且混合層的膜厚增加。此可考量爲，由 電膜的成膜，係於GaN表面因電漿粒子導致結晶 後進行，因此，結晶構造被破壞後的半導體金屬 步於透明導電膜中擴散之故。 此外，從上述情況來看，使GaN層積基板不 1，藉由離 ί層之濺鍍 :間可促進 :中，亦將 :半導體材 〇於剖面 ，膜部的透 G a之區 照第5圖 結巣之一 透明導電 層的存在 體層的分 GaN層表 表面之結 測到，但 金屬的比 於透明導 性被破壞 乃更進_ 會暴露於 -18- (16) 1364850 濺鍍時的電漿之做法，係成爲不會導致接觸電阻上升之方 法。例如有增加τ-s (靶材-基板）之間的距離，及提升磁 鐵的磁力，以及藉由對磁鐵形狀進行硏究而使電漿不會往 基板方向擴散者等。 再者，較理想爲於室溫以下進行透明導電膜接觸層的 成膜。一旦加熱p型半導體，則透明導電膜接觸層的入射 粒子會接受來自於p型半導體之擴散能量而過度進行擴 散，使得半導體的結晶性被破壞而製作出高電阻之層。 .於透明導電膜形成後進行300〜700°C的加熱，藉此， 於距離半導體/透明導電膜的界面未滿3 nm之界面附近， 成爲透明導電膜形成金屬與半導體形成金屬進行擴散之狀 態。於此加熱處理中，並非以擴散至半導體層的深部爲止 之方式地進行長時間處理。較理想爲進行1~30分鐘的範 圍。 於透明導電膜接觸層之後形成透明導電膜電流擴散層 G G.時’係以依據DC放電之濺鍍法所形成。於DC放電之濺 鍍中，由於透明導電膜的密度較依據RF放電之濺鏟時更 高，因此較適合於電流擴散層的形成。 此外，於室溫下以依據DC放電之濺鑛法進行透明導 電膜的成膜時電流擴散層係於接近p型半導體之一側與遠 離P型半導體之一側中採取不同構造，電流擴散層之遠離 半導體之一側的層，係形成爲密度較高且更爲明顯的柱狀 構造。接近半導體側之層，雖然可觀察出其區域.，但並非 爲柱狀構造。第7圖係顯示本發明的實施例1之透明導電 -19- (17) 1364850 膜電流擴散層之剖面TEM照片。從圖式中可得知A的部 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 30~100nm，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_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(T4~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Ar。將此當中的1種氣體導入至處理室內，增壓至 0.1~10Pa後進行放電。較理想爲設定於〇.2~5Pa。供應的 電力較理想爲0.2〜2. OkW的範圍。此時，可藉由調節放電 (2.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100〜lOOOnm。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300nm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#與具 -20- (18) . 1364850 有螢光體之蓋體加以組合，而製作出白色燈。 此外，由本發明之氮化鎵系化合物半導體發光另 製作出之燈，由於驅動電壓較低且發光輸出較高，g 組裝有以此技術所製作出的燈之行動電話、顯示器、 類等的電子機器、以及組裝有該電子機器之汽車、霉 遊戲機等之機械裝置類，均可於低電力下進行驅動而 優良特性。尤其於行動電話、遊戲機、玩具、汽車零 2 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 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 (2 f 半導體發光元件的剖面之模式圖，第4圖係顯示其俯 模式圖。於以藍寶石所組成之基板1上，隔著由A1N 成之緩衝層2，進行下列的5次層積，亦即層積’以 度3μηι的非摻雜GaN所構成之底層3c、由厚度2μιη 雜Si的η型GaN所構成之η接觸層3a及由厚度〇. 的η型Ino.iGao.9N所構成之η包層3b而形成之η型 體層3;由厚度〇·〇3μιη之摻雜Si的η型GaN所構成 壁層以及由厚度2.5nm的InQ 2GaQ.sN所構成之井層 後，於依序層積有下列各層’亦即設置有障壁層之多 件所 此， 面板 腦、 實現 組件 發明 合物 視之 所組 由厚 之摻 〇 3 μιη 半導 之障 ，最 重量 -21 - (19) 1364850 子井構造之發光層4;以由厚度0.05 μπι之摻雜Mg的p型 Al0.〇7Ga〇.93N所構成之p包層5b及由厚度0·15μπι之摻雜 Mg的ρ型GaN所構成之ρ接觸層5a而形成之ρ型半導體 層5之氮化鎵系化合物半導體層積物的p接觸層上，形成 有透明導電膜1 1，該透明導電膜1 1係由ITO ( Indium Tin Oxide :氧化銦錫）所組成之厚度2nm的透明導電膜 接觸層12以及由ITO所組成之厚度40 Onm的透明導電膜 電流擴散層13而形成，之後於透明導電膜11上方形成 Cr/Ti/Au三層構造（厚度各爲 4/1 0/200nm且 Cr於ITO 側）之焊墊層15，而成爲正極10。接下來於η接觸層上 形成Ti/Au雙層構造的負極20，而製作出以光取出面爲半 導體側之本發明的發光元件。正極及負極的形狀係如第4 圖所示般。 於此構造中，由η型GaN所構成之η接觸層的載子濃 度爲lxl019cm_3，由GaN所構成之障壁層的Si摻雜量爲 lxl018CnT3，由ρ型GaN所構成之ρ接觸層的載子濃度爲 5x 1018cnT3，由ρ型AlGaN所構成之ρ包層的Mg摻雜量 爲 5χ 1019cm-3。 氮化鎵系化合物半導體層的層積，可藉由 MOCVD 法，於該技術領域中爲人所知之一般條件下進行。此外， 正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，以下列步驟使形成負極 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。形成步驟如下所 -22- (20) 1364850 述。於全面上均勻塗佈光阻後，使用一般所知的微影技 術，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(T4Pa以下，以電子束法使膜厚各自成爲 50nm及3 00nm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_4Pa後，供應Cl2 ft,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 GG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400nm。RF成膜時的壓力約爲l.OPa，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。從濺鏟裝置中取出基板後，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。 -23- (21) 1364850 以此方法所形成之正極係具有透光性’於460nm的波 長區域中具有90 %以上的光透射率。關於光透射率的測 定，係使用於玻璃板上層積有與上述相同厚度的透明導電 膜接觸層及透明導電膜電流擴散層之光透射率測定用樣 本，以分光光度計進行測定。光透射率之値，係考量到僅 對玻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爐中，於 G G 5 5 0 °C中進行1 〇分中的加熱處理。 接下來藉由下列步驟，於暴露出的η接觸層上形成負 極。於'全面上均勻塗佈光阻後，使用一般所知的微影技 術，從暴露出的η接觸層上之負極形成部分中去除光阻， 並以一般所使用之真空蒸鍍法，從半導體側形成依序由 1 OOnm的Ti及20 0nm的Au所組成之負極。之後以一般所 知的方法去除光阻。 將如此之形成正極及負極後的晶圓，對基板內面進行 切削.硏磨，藉此薄化基板的板厚至80μιη爲止，並使用 雷射切割機，從半導體層積側形成裁切線之後進行切割， 而裁切爲3 5 0μπι見方之晶片。接著依據探針對這些晶片通 電，以測定出電流施加値爲20mA時之順向電壓，結果爲 3 · 3 V。 之後，將晶片安裝於TO- 1 8罐殼封裝並以測試器量測 發光輸出，可得知施加電流20mA之發光輸出爲1 OmW。 此外，可確認出其發光面的發光分布係於正極全面上發 光。 -24- (22) 1364850
c C 此外，關於剖面 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）分析結 果，半導體金屬混在層的厚度爲 3 nm，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1〇原子％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TEM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 Q (2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5 nm’正極 金屬的比例位於〇.5~18 %的範圍內。關於半導體金屬混在 層，係於第1表中所記載。 1364850 撇一濉G c c c 發光輸出、 [mW] Os σ\ 〇\ a\ 0\ Ο IK 順向電壓 [V] • m cn ro ΓΟ l〇 CO 00 CN 寸 半導體金屬混在層 W H-1 Μ m 晅 S Μ m in | £ ^ 〇 00 o 画 幽 UjBC 1 回 m In £載 cn m yr\ m s 厚度 [_ 1_ CO rn m 寸 CN Hi S ¢2 H禁^ □I? 1幽 f-H cn iTi 實施例1 實施例2 實施例3 ! 實施例4 實施例5 比較例1 -26- (24) 1364850 (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_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 性係一同表示於第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 元件特性係一同表示於第1表中。
CO 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圖係顯示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。 -27- (25) 1364850 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 f f 系化合物半導體發光元件的正極（透明導電膜）之剖面 TEM ( Transmitting Electron Microscope:穿透式電子顯 微鏡）的 EDS ( Energy Dis persive 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 GG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 3 b : η包層 -28- (26) (26)1364850 3c :底層 4 :發光層 5 : p型半導體層 5 a : ρ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 :焊摯層 20 :負極
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1364850 第095142266號專利申請案中文申請專利範圍修正本 民國100年10月25日修正 十、申請專利範圍 1. —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；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 導電膜乃由金屬氧化物所成，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III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〜l〇nm，距離該半導體金屬 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15原子％以下。 2. 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，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，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。 4 ·如申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化合物 1364850 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1 2 3 4 5 6〇〇〜7〇crc中進行加熱處理。 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，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，其中，透明導電膜接觸層係以RF濺鍍 (Radio Frequency Sputtering:射頻磁控灘鍍）法所成膜 〇 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，其中，透明導電膜電流擴散層係以DC 濺鍍（Direct Current Sputtering :直流真空灘鍍）法所成 範其 U , 專件 請元 申光 如發 8 f 。 導 膜半 第 圍 5 化 系 鎵 化 氮 之 载 記 所 項 厚 的 層 觸 接 膜 電 導 明 透 中 物爲 合度 -2- 1 〜5nm 〇 2 9.如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 3 半導體發光元件，其中，透明導電膜電流擴散層的厚度爲 4 15 0〜5 OOnm ° 5 1 0.如申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系化合物 6 半導體發光元件，其中，透明導電膜電流擴散層，係於接 7 近p型半導體之一側與遠離P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。 1364850 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，其中，接近半導體之一側的構造體層 的膜厚爲30〜1 OOnm。 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，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。 1 3 .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，其中，正極金屬混在層的厚度爲 0.1 〜5 n m 〇 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，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 ％。 15.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，其中，透明導電膜係由，從以In、Sn、 Zn、A1、Ti、V、Cr、Μη、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 6 .如申請專利範圍第1 5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 、Zn、Al、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo 及 Cr 所組成的群 當中所選出之至少l種金屬的氧化物所形成。
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