專利名稱：使用多導電層作為p型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型隸屬一種氮化鎵(GaN)歐姆接觸的技術(shù)領(lǐng)域，尤指使用金屬氧化物透明導電膜及半透明金屬膜的多導電層結(jié)構(gòu)的透明電極，通過該結(jié)構(gòu)與其特殊制造過程，使導電層具有高透明度、且能促進電流均勻注入P型氮化鎵(GaN)層，以增加氮化鎵(GaN)藍光元件的發(fā)光效率。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)系列的材料系統(tǒng)可摻入鋁或銦調(diào)制出不同能隙寬度的三元或四元(InxGayAlzN，0≤x、y、z≤1，且x+y+z＝1)化合物，因而氮化鎵(GaN)材料已被廣泛的運用在短波長的發(fā)光二極體(LED)、雷射二極體(LD)、光檢測器及微電子元件上，而由于在目前N型氮化鎵(GaN)已可將接觸電阻率降至10-4～10-8Ω，其中的發(fā)光二極體更是已經(jīng)成功的產(chǎn)業(yè)化。
但目前在發(fā)光元件的制程中，由于氮化鎵(GaN)是一寬能隙半導體材料(能隙為3.4eV)，所以在P型的雜質(zhì)摻雜方面一直無法有效突破，以達到高摻雜的特性，而使得在制做P型氮化鎵(GaN)歐姆接觸非常不容易。此外，自然界中找不到一個金屬的功函數(shù)(work function)大于P型氮化鎵(GaN)的功函數(shù)(～6.12eV)，所以也導致制作P型氮化鎵(GaN)的歐姆接觸非常不容易。致使以目前技術(shù)所制作的P型氮化鎵(GaN)的歐姆接觸都是直接使用金屬，如美國專利第5,652,434號中使用Ni或Ni/Au做為歐姆接觸；又如美國專利第5,739,554號中則使用Ti/Au、Ti/Ni或Ni/Au做為歐姆接觸，然而其歐姆接觸的電阻值仍然偏高(約為10-2～10-3Ω)，如此高的界面阻抗將導致發(fā)光元件的性能與可靠度受到嚴重影響。
為了解決上述的問題，中國專利公告第386286號的(半導體的歐姆接觸及其制作方法)發(fā)明專利提出了其解決之道，該專利案是在半導體材料上鍍制過渡金屬與貴金屬，然后在氧化環(huán)境中進行熱處理，使過渡金屬氧化，并使其中至少一種金屬元素氧化形成P型氧化物半導體，其余金屬則保持金屬狀態(tài)；根據(jù)該專利案所提供的實驗數(shù)據(jù)，其自承可使膜層氧化以得到低阻抗的歐姆接觸，且其接觸電阻率可符合一般光電元件的要求；另一方面，利用透明導電膜來促進電流分布，已被證實有助于較長波長(如紅光、綠光，或更長波長)元件的外部量子效率的提升，然而由前述國內(nèi)、外專利案中，其關(guān)于這方面的開發(fā)是缺乏的，造成發(fā)光元件的透光性不佳，使其電流分布的不均勻，進而影響到發(fā)光元件的發(fā)光功率與可靠度。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，它可提供良好的歐姆接觸，并可提升電流的均勻性和整體的發(fā)光效率，從而有效提高發(fā)光元件的操作效率及工作壽命。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，包括有一P型氮化鎵磊晶層；一第一導電層，該第一導電層是由半透明金屬薄膜所構(gòu)成，其制設在磊晶層上，第一導電層的光穿透率大于70％，且直接與磊晶層形成歐姆接觸；至少一第二導電層，該第二導電層是由金屬氧化物透明導電膜所構(gòu)成，其是疊置地制設在第一導電層上，且第二導電層原始或熱處理后具有透光性。第一導電層是選自鉑、鈀、鎳、鈷、銅、鎂、鋅、銦的物質(zhì)。第二導電層可以為抗氧化的金屬薄層。第二導電層也可以為金屬的薄層。第二導電層可以是選自釕、銥、鎳、銅氧化物。第二導電層可以是超導材料的氧化物。第二導電層可以是指氧化銦摻雜錫。第二導電層可以是氧化錫摻雜銻。第二導電層可以是氧化錫摻雜氟。第二導電層可以是三氧化二鋅摻雜鋁。第二導電層可以是氧化鋅摻雜鋁。第二導電層可以是氧化鋅摻雜鎵。第二導電層可以是選自氧化釕、氧化銥、氧化鎳、氧化銅的物質(zhì)。
本實用新型有以下積極有益的效果通過上述的結(jié)構(gòu)，本實用新型可達到提供良好的歐姆接觸及促進電流均勻分散到電極表面的作用，不僅可解決現(xiàn)有氮化鎵發(fā)光元件歐姆接觸不良以及電流不均的困擾，還可提升整體發(fā)光效率，從而有效提高發(fā)光元件的操作效率與壽命。
本實用新型所設計的多層透明導電電極(薄膜)的整體透明度在近紫外光范圍達60％以上，具有良好的透光率，應用于短波長的發(fā)光元件，如藍光發(fā)光二極體(LED)或雷射二極體(LD)，或是應用在短波長的光感測器上，一方面可以與P型氮化鎵形成良好的歐姆接觸，另一方面，又能促進電流分布及改善發(fā)光功率與可靠度，具有極高的產(chǎn)業(yè)利用價值。
本實用新型的第二導電層為金屬氧化物透明導電膜，可藉此明顯提高發(fā)光元件的透光度，使發(fā)光元件的操作效率提高。本實用新型還具有良好的歐姆接觸，可改善高溫不穩(wěn)定的狀況，使用上得以提高工作壽命。符合產(chǎn)業(yè)界利用價值。


圖1是本實用新型制備氮化鎵磊晶層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型在氮化鎵上沉積出第一導電層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本實用新型在第一導電層上形成第二導電層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型第一導電層上形成復數(shù)第二導電層的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖編號11.磊晶層12.第一導電層13.第二導電層14.第二導電層具體實施方式
LED.發(fā)光二極體(發(fā)光二極管) LD.雷射二極體(雷射二極管)接下來舉一較佳實施例，同時配合圖式及圖號做進一步的說明，以使對本實用新型有更詳細的了解，惟以下所述者僅為用來解釋本實用新型的較佳實施例，并非企圖據(jù)以對本實用新型做任何形式上的限制，故凡是以本實用新型創(chuàng)作精神為基礎(chǔ)，而為本實用新型作何形式的修飾或變更，皆仍應屬于本實用新型意圖保護的范疇。
本實用新型是一種可使電流均勻分布、且增加發(fā)光效率的P型氮化鎵(GaN)歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其是如圖1所顯示，在發(fā)光元件的P型氮化鎵(GaN)磊晶層11上方形成一半透明金屬薄膜，且于半透明金屬膜上另外形成至少一層的金屬氧化物透明導電膜；至于本實用新型的較佳實施例的詳細制造過程及構(gòu)成，則是如圖1、2、3所示，本實用新型使用多導電層作為P型氮化鎵(GaN)歐姆接觸的透明電極制程步驟包括A.制備一氮化鎵系列的發(fā)光元件，其最上層為P型氮化鎵(GaN)的磊晶層11。
B.在P型氮化鎵的磊晶層11上方以物理氣相沉積(PVD)方式，沉積出由半透明金屬薄膜所構(gòu)成的第一導電層12。
C.在第一導電層12的上方以物理氣相沉積方式又沉積出至少一層由金屬氧化物透明導電膜所構(gòu)成的第二導電層13。
D.最后對上述沉積在P型氮化鎵的磊晶層11上的第一導電層12與第二導電層13進行熱處理，藉以改善介面特性與光的穿透率。
上述的對沉積出第一導電層12與第二導電層13所用的物理氣相沉積(PVD)方法可以是電子蒸鍍、熱蒸鍍或濺鍍等方式。
又作為第一導電層12的金屬薄膜是直接與P型氮化鎵所制備的磊晶層11接觸，所以在經(jīng)過熱處理后，至少需要具備易形成歐姆接觸，或易于介面形成較低能隙的化合物等兩項條件之一。
因此第一導電層12的功函數(shù)須大于或接近P型氮化鎵的功函數(shù)，如此在經(jīng)過熱處理后，即能易于形成歐姆接觸。而為達此目的，可選用鉑(Pt)、鎳(Ni)、銅(Cu)等為構(gòu)成第一導電層12的材料。
而為使金屬薄膜所構(gòu)成的第一導電層12在經(jīng)過熱處理后易于介面形成較低能隙的化合物，例如可選用銦(In)、鋅(Zn)、鎂(Mg)等金屬為材料。
此外，第二導電層13的金屬氧化物透明導電膜在經(jīng)過熱處理后需具備高透光性，所以第二導電層13需是氧化后仍保持導電性的透明金屬氧化物，或直接透明的金屬氧化物，或抗氧化的金屬薄膜。
上述氧化后仍保持導電性的透明金屬氧化物是指釕(Ru)、銥(Ir)、鎳(Ni)、銅(Cu)或超導材料的氧化物；而直接透明的金屬氧化物是指氧化銦摻雜錫[InO(Sn)]、氧化錫摻雜銻[SnO(Sb)]、氧化錫摻雜氟[SnO(F)]、三氧化二鋅摻雜鋁[ZnO(Al)]、氧化鋅摻雜鋁[ZnO(Al)]、氧化鋅摻雜鎵[ZnO(Ga)]、氧化釕[RuO]、氧化銥[IrO]、氧化鎳[NiO]、氧化銅[CuO]或超導氧化物；此外抗氧化的金屬薄膜是指金(Au)。
請參照圖4所示，本實用新型在P型氮化鎵磊晶層11上制備多層導電的結(jié)構(gòu)。其在P型氮化鎵磊晶層11上以物理氣相沉積方式制成金屬薄膜的第一導電層12，而第一導電層12上是依續(xù)沉積出不同材質(zhì)且透明的若干金屬氧化物透明導電膜的第二導電層13、14。
經(jīng)熱處理后，第一導電層12的金屬薄膜與磊晶層11必須具備易于形成歐姆接觸，或易于介面形成較低能隙的化合物，使得電子容易穿過能障，而所選用的金屬材料如前所述。至于各第二導電層13、14的金屬氧化物透明導電膜則必須具有高透明性及能促使電流均勻分散于電極表面，而所選用的材料亦如前所述。
進一步探討本實用新型所制成的多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，請參照圖3所示，其包括一由P型氮化鎵所制備的磊晶層11，在磊晶層11上制設有一層金屬薄膜的第一導電層12，而第一導電層12上又制設有一由金屬氧化物透明導電膜所構(gòu)成的第二導電層13。
其中該第一層電層12的金屬薄膜為良好的紅外線反射層，同時會反射可見光，其自由載子的濃度范圍使得金屬的電漿頻率落在紫外光區(qū)，而在可見光區(qū)是不透明的。而要增加可見光的透明度，必須將金屬制成薄膜；再者由于第一導電層12的金屬薄膜是直接與磊晶層11接觸，所以需要容易與磊晶層11形成歐姆接觸，而且為了要達到一定的光穿透率(＞70％)，第一導電層12的厚度須小于20nm。因此第一導電層12所用材料可以為鉑(Pt)、鈀(Pd)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銦(In)、鎂(Mg)、銅(Cu)。
而由于該第二導電層13的金屬氧化物透明導電膜為了得到可見光的高穿透率，其能量帶必須大于3eV以上。然而純金屬氧化物一般在室溫下是絕緣的，因此為了增加導電性，金屬氧化物內(nèi)必須摻入一些雜質(zhì)或制造為氧化狀態(tài)不完全的金屬氧化物。
摻雜雜質(zhì)的方式一，是在金屬氧化物中摻入比原化合物的陽離子多一價的金屬離子，如氧化銦(InO)內(nèi)摻入錫(Sn)所構(gòu)成的氧化銦錫(ITO)，或氧化錫(SnO)內(nèi)摻入銻(Sb)所構(gòu)成的氧化銻錫(ATO)，或氧化鋅(ZnO)摻入銦(In)所構(gòu)成的氧化銦鋅(IZO)，或氧化鋅(ZnO)摻入鋁(Al)所構(gòu)成的氧化鋅鋁(AZO)。
摻雜雜質(zhì)的方式之二，是在金屬氧化物中摻入比原化合物陰離子少一價的非金屬離子，如氧化錫(SnO)內(nèi)摻入氟(F)所構(gòu)成的氧化錫氟(FTO)。
另一種方式為制造氧化狀態(tài)不完全的金屬氧化物，以使氧化物內(nèi)含有陰離子空缺。
以上方式都能提高電子濃度，因此一般透明導電膜通常是n型，但要得到良好的透明導電膜，仍必須控制好透明導電膜的氧化狀態(tài)及雜質(zhì)離子的摻入量。
第二導電層13的金屬薄層或金屬氧化物透明導電膜在熱處理后，需具備高透光度且能促進電流均勻分散到電極表面，且第二導電層13若為金屬薄層在熱處理后須為氧化后仍保持導電性的透明金屬氧化物，例如釕、銥、鎳、銅、超導材料等；或直接透明的金屬氧化物，如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅鋁(AZO)；或抗氧化的金屬薄膜，如金(Au)。
所述磊晶層11的結(jié)構(gòu)為最上層111為P型氮化鎵，P型氮化鎵的下層112為活性層，活性層的下層113為n型氮化鎵，n型氮化鎵的下層114為基板，圖中標號115為n型氮化鎵接觸電極。
基于上述的推論，本實用新型通過如此巧妙的技術(shù)構(gòu)思，使本實用新型所設計的多層透明導電電極(薄膜)的整體透明度在近紫外光范圍達60％以上，具有良好的透光率，應用于短波長的發(fā)光元件，如藍光發(fā)光二極體(LED)或雷射二極體(LD)，或是應用在短波長的光感測器上，一方面可以與P型氮化鎵形成良好的歐姆接觸，另一方面，又能促進電流分布及改善發(fā)光功率與可靠度，具有極高的產(chǎn)業(yè)利用價值。
本實用新型的第二導電層為金屬氧化物透明導電膜，可藉此明顯提高發(fā)光元件的透光度，使發(fā)光元件的操作效率提升。本實用新型還具有良好的歐姆接觸，可改善高溫不穩(wěn)定的狀況，使用上得以提高工作壽命。符合產(chǎn)界業(yè)利用價值。
權(quán)利要求1.一種使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于包括有一P型氮化鎵磊晶層；一第一導電層，該第一導電層是由半透明金屬薄膜所構(gòu)成，其是制設在磊晶層上，第一導電層的光穿透率大于70％，且直接與磊晶層形成歐姆接觸；至少一第二導電層，該第二導電層是由金屬氧化物透明導電膜所構(gòu)成，其是疊置地制設在第一導電層上，并具有透光性。
2.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第一導電層是選自鉑、鈀、鎳、鈷、銅、鎂、鋅、銦的物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層為抗氧化的金屬薄層。
4.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層為金屬的薄層。
5.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是選自釕、銥、鎳、銅的氧化物。
6.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指超導材料的氧化物。
7.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指氧化銦摻雜錫。
8.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指氧化錫摻雜銻。
9.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指氧化錫摻雜氟。
10.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指三氧化二鋅摻雜鋁。
11.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指氧化鋅摻雜鋁。
12.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是指氧化鋅摻雜鎵。
13.如權(quán)利要求1所述的使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，其特征在于第二導電層是選自氧化釕、氧化銥、氧化鎳、氧化銅的物質(zhì)。
專利摘要本實用新型是關(guān)于一種使用多導電層作為P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極結(jié)構(gòu)，尤指一種可提供高透明度、且能促進電流均勻分散的P型氮化鎵歐姆接觸的透明電極，其主要是在P型氮化鎵(GaN)的磊晶層上憑借物理氣相沉積(PVD)方式形成半透明金屬膜的第一導電層及至少一層金屬氧化物透明導電膜的第二導電層，并利用熱處理方式，改善氮化鎵與導電層的介面特性，以及導電層的光穿透率，而達到提供良好的歐姆接觸及促進電流均勻分散到電極表面的作用，據(jù)此應用于藍光發(fā)光二極體(LED)及雷射二極體(LD)等短波長的發(fā)光元件上，而能有效提高發(fā)光元件的操作效率與壽命。
文檔編號H01L21/28GK2694475SQ03257248
公開日2005年4月20日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者洪瑞華, 武東星, 連亦中, 藍厚道, 胡榮章, 程亞桐 申請人:洪瑞華