專利名稱：薄膜電極、采用它的氮化鎵基光學(xué)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成高質(zhì)量歐姆接觸的技術(shù)，該歐姆接觸除了具有低歐姆接觸電阻和高透射率之外，其電流注入和擴(kuò)散能力也得到提高。用于形成高質(zhì)量歐姆接觸的技術(shù)是制備采用氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的發(fā)射藍(lán)綠可見光和紫外線的短波發(fā)光二極管(LED)及激光二極管(LD)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體和電極之間形成高質(zhì)量的歐姆接觸對使用氮化鎵半導(dǎo)體的光學(xué)器件例如發(fā)光二極管和激光二極管的制備是非常重要的。
迄今為止，對于在P-型氮化鎵，廣泛使用鎳(Ni)基的薄膜電極如鎳/金(Ni/Au)的薄金屬膜，作為歐姆接觸的薄膜電極結(jié)構(gòu)。近來，正在開發(fā)用于歐姆接觸的各種金屬系統(tǒng)例如Ni/Pt/Au，Pt/Ni/Au，Pd/Au等。
但是，在利用P-型氮化鎵形成高質(zhì)量歐姆接觸的過程中存在許多問題。在這些問題中，作為生長P-型氮化鎵的氣體環(huán)境，氨(NH3)的氫原子(H)與作為P-型摻雜劑的鎂(Mg)結(jié)合，形成具有電絕緣性的Mg-H絡(luò)合物，從而表現(xiàn)出低的有效載流子濃度和高的表面電阻。因此，難于形成高質(zhì)量歐姆接觸。而且，低載流子(空穴)注入使得難于制造高級的光學(xué)器件。
在日本專利待審公開2001-35796中公開了一個(gè)用于提高P-型氮化鎵的摻雜濃度的例子。根據(jù)該出版物，通過使具有高的氫親和力的金屬如鋯(Zr)與氮化鎵接觸，接著利用退火使氮化鎵晶體中存在的P-型摻雜劑活化，可以得到具有高載流子濃度的氮化鎵。作為另一個(gè)例子，可以在氮化鎵層上依次沉積鎳、金-鋅合金和金(Ni/Au-Zn/Au)，進(jìn)而形成歐姆接觸。
另一個(gè)問題上為開發(fā)出在短波區(qū)具有高透射率的高質(zhì)量歐姆接觸系統(tǒng)。目前，在LED工藝中使用的鎳/金(Ni/Au)系統(tǒng)具有非常薄的厚度(＜～100)和80％或更高的透射率。使用這種薄金屬層的歐姆接觸可以實(shí)現(xiàn)高透射率，但是難于獲得充分的電流注入和擴(kuò)散容量，使得光學(xué)器件效率低。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究，以便實(shí)現(xiàn)高級的歐姆接觸系統(tǒng)。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將鎳(Ni)基固溶體沉積在P-型氮化鎵半導(dǎo)體表面上，然后在溶液化金屬元素如鎂(Mg)或鋅(Zn)的熔點(diǎn)附近退火時(shí)，在氮化鎵層表面可以獲得優(yōu)異的鎂(Mg)和鋅(Zn)摻雜效果，由于與鎵反應(yīng)形成很多鎵空穴，因此氮化鎵層表面附件的有效載流子濃度可以得到提高，或者可以控制氮化鎵和所沉積的氧化材料之間的能帶。這些改進(jìn)使得高級歐姆接觸系統(tǒng)具有優(yōu)異的伏安特性和低的接觸電阻率，以及在短波區(qū)的高透射率。
另外，本發(fā)明人試圖實(shí)現(xiàn)下面五個(gè)技術(shù)目的。結(jié)果，本發(fā)明人根據(jù)新的構(gòu)思利用Ni-X固溶體實(shí)現(xiàn)了高級歐姆接觸的形成，其不同于以前開發(fā)的技術(shù)。本發(fā)明人實(shí)施的技術(shù)目的如下①氮化鎵表面的高有效載流子濃度使用氫親和力優(yōu)異的Ni-X固溶體使Mg-H鍵斷裂；②短波區(qū)的高光透射率和大功函將少量的X元素加入到氧化鎳(NiO)中，形成Ni-X氧化物(NixAyO)[A.Azens et al，Thin Solid Films 422，2002，1]；③優(yōu)異的摻雜效果將溶液化于Ni-X固溶體中的X元素退火[M.H.GJacobs，P.J.Spencer，J.Chem.Phys.90，1993，167]；④很多鎵空穴的產(chǎn)生將作為基體金屬的Ni或X元素與鎵(Ga)反應(yīng)形成化合物。
⑤基于能帶間隙原理形成高級歐姆接觸將所沉積的Ni基固溶體退火形成氧化物，其優(yōu)點(diǎn)在于容易形成P-型氮化鎵的歐姆接觸。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，與迄今所報(bào)導(dǎo)的那些相比，當(dāng)作為Ni-X固溶體的Ni-Mg固溶體與P-型氮化鎵歐姆接觸時(shí)，可以獲得更好的效果，并且完成了本發(fā)明。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)越的電、光、熱和結(jié)構(gòu)性能的歐姆接觸金屬系統(tǒng)，其具有提高了的有效載流子濃度(①，③和④)，通過控制材料(⑤)間的能帶間隙而降低的肖特基(Schottky)勢壘，及高的透射率(②)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管中形成歐姆接觸的薄膜電極，其包括第一電極層和第二電極層，其中所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上并包含Ni-X固溶體，所述第二電極層層壓在第一電極層上并包含至少一種選自Au，Pt，Pd，Ni，Ru，Rh，Re，C，Cu和Ir的元素。
本發(fā)明的薄膜電極可進(jìn)一步包括第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
作為選擇，層壓在第二電極上的第三電極可以包含至少一種選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物的化合物。
本發(fā)明的薄膜電極還可進(jìn)一步包括第四電極層，所述第四電極層壓在第三電極上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
一方面，本發(fā)明提供一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管中形成歐姆接觸的薄膜電極，其包含第一電極層和第二電極層，其中所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上并包含選自Au，Pt，Pd，Ni，Ru，Rh，Re，C，Cu和Ir中至少一種元素，所述第二電極層層壓在該第一電極之上并包括Ni-X固溶體。
本發(fā)明的薄膜電極可進(jìn)一步包含第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上并包括選自Al，Ag和Rh中至少一種元素。
作為選擇，本發(fā)明的薄膜電極可進(jìn)一步包含第三電極層和第四電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層之上并包括選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物中的至少一種化合物，所述第四電極層層壓在所述第三電極層上并包括選自Al，Ag和Rh中至少一種元素。
另一方面，本發(fā)明提供了用于在發(fā)光二極管或激光二極管中形成歐姆接觸的薄膜電極，其包含第一電極層和第二電極層，其中所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上并包含Ni-X固溶體，所述第二電極層層壓在該第一電極層之上并包括選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物中的至少一種化合物。
本發(fā)明的薄膜電極可進(jìn)一步包含第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上并包括選自Al，Ag和Rh中至少一種元素。
又一方面，本發(fā)明提供了用于在發(fā)光二極管或激光二極管中形成歐姆接觸的薄膜電極，其包含第一電極層和第二電極層，其中所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上并包含Ni-X固溶體，所述第二電極層層壓在該第一電極層之上并包括選自選自Al，Ag和Rh中至少一種元素本發(fā)明使用的鎳基(Ni-X)固溶體包括作為基體金屬的鎳(Ni)和X，其中X為至少一種選自II族元素和VI族元素，Sc，Y，Ge，Sn和Sb的元素。
II族元素包括選自Mg，Be，Ca和Zn中的一種元素。
VI族元素包括選自S，Se和Te中的一種元素。
構(gòu)成Ni基(Ni-X)固溶體的X元素的添加量是1～49原子百分?jǐn)?shù)(％)。
由Ni基固溶體形成的電極層的厚度是1～1000。第一、第二、第三和第四電極的總厚度是1～50000。
在本發(fā)明中使用的P-型氮化鎵優(yōu)選具有AlxInyGazN組成(其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，且x+y+z＝1)。
再一方面，本發(fā)明提供了用于在P-型氮化鎵上制造薄膜電極的方法，其包括以下步驟洗滌在氮化鎵半導(dǎo)體上形成的碳和氧層，以從中除去雜質(zhì)；在2×10-6～5×10-8torr的高真空下，利用電子束蒸發(fā)、電子射線蒸發(fā)、濺射法、等離子激光沉積或電化學(xué)方法，沉積鎳基固溶體；及在250～800℃的空氣、氧氣或氮?dú)夥障?，使所沉積的鎳基固溶體退火30秒～1小時(shí)。


結(jié)合附圖，從在下面的詳細(xì)描述中，將更容易地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第一方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第二方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第三方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是制備根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的薄膜電極所使用的鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體的XRD圖，其中圖4(a)代表在退火前的結(jié)果，圖4(b)代表在550℃退火1分鐘后的結(jié)果；圖5是退火前后的伏安特性曲線圖，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/金(Au)之后進(jìn)行的；圖6是退火后測得的透射率結(jié)果的曲線圖，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述退火是在Coming玻璃上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/金(Au)之后進(jìn)行的；圖7是制備根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的薄膜電極所用的鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體的AES(原子發(fā)射光譜)深度剖面圖，其中圖7(a)代表退火之前的結(jié)果，圖7(b)代表在550℃下退火1分鐘后的結(jié)果；圖8是退火前后的伏安特性曲線圖，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/鉑(Pt)之后進(jìn)行的；圖9是退火前后的伏安特性曲線圖，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/鈀(Pd)之后進(jìn)行的；圖10是在空氣中退火前后的伏安特性曲線圖，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/釕(Ru)之后進(jìn)行的；圖11是在空氣中退火前后的伏安特性曲線圖，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積釕(Ru)/鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體之后進(jìn)行的；圖12是在空氣中退火前后的伏安特性曲線圖，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)之后進(jìn)行的；圖13是在空氣中退火前后的伏安特性曲線圖，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積純鎳(Ni)/鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)之后進(jìn)行的；及圖14是在空氣中退火前后的伏安特性曲線圖，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/鎳(Ni)/金(Au)之后進(jìn)行的。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第一方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
參照圖1，薄膜電極包含第一電極層3和第二電極層4，其中電極層按這樣的順序?qū)訅涸谛纬捎诨?上的氮化鎵層2上面。
參照圖1，層壓在P-型氮化鎵層頂部的第一電極層3是用于形成P-型氮化鎵半導(dǎo)體之歐姆接觸的電極。本發(fā)明可以使用的固溶體包括能輕易斷裂氮化鎵半導(dǎo)體內(nèi)的Mg-H鍵，具有優(yōu)異摻雜效果和在退火時(shí)形成與鎵相關(guān)的氮化物的元素。首先，固溶體是能形成透明導(dǎo)電氧化物的材料，其根據(jù)能帶間隙原理在退火時(shí)能夠降低材料間的肖特基勢壘，并且即使在100?；蚋蟮暮穸认乱簿哂懈叩耐干渎省?br> 與氮化鎵半導(dǎo)體接觸的固溶體可以輕易地?cái)嗔训壈雽?dǎo)體內(nèi)的Mg-H鍵，具有優(yōu)越的摻雜效果，或者在低溫(800℃或更低)退火時(shí)，在氮化鎵層表面附近形成很多鎵空穴，進(jìn)而提高在氮化鎵層表面附近的有效載流子濃度。
氮化鎵表面提高了的有效載流子濃度(＞1018cm-3)降低與氮化鎵半導(dǎo)體接觸的金屬電極界面中存在的肖特基勢壘，所以，根據(jù)量子概念，許多載流子(空穴)可以通過隧道效應(yīng)產(chǎn)生高的載流子電導(dǎo)率。
滿足上述要求的代表性的固溶體實(shí)例是具有強(qiáng)烈的氫親和力的Ni基固溶體(Ni-X)。在鎳(基體金屬)中所包含的X元素的實(shí)例包括II族元素如鎂(Mg)，鈹(Be)，鈣(Ca)，鋅(Zn)等，其充當(dāng)P-型氮化鎵的摻雜劑。當(dāng)將這些元素加入到鎳(Ni)基體中時(shí)，它們在低溫范圍下以溶液化形式而不是以化合物形式存在。當(dāng)沉積之后在其熔點(diǎn)附近進(jìn)行退火時(shí)，元素充當(dāng)摻雜劑或者與鎳基體金屬一樣通過與鎵反應(yīng)形成化合物，進(jìn)而形成大量的鎵空穴。因此，據(jù)信，可以輕易地形成具有優(yōu)越電性能的高質(zhì)量的歐姆接觸。
作為加入到鎳(Ni)基體金屬中的X元素，可以使用VI族元素，例如硫(S)，硒(Se)和鐵(Te)。既然VI族元素也能代替氮化鎵中的氮(N)，他們擔(dān)當(dāng)摻雜劑并通過與鎵反應(yīng)形成鎵化合物而形成許多鎵空穴。因而，據(jù)信能夠輕易形成具有優(yōu)越電性能的高質(zhì)量的歐姆接觸。除了II族和VI元素，銻(Sb)和鈧(Sc)能夠在低溫下通過與鎵的反應(yīng)形成化合物，也可將其用作X元素。
第二電極層4是薄膜電極的最外層，并且具有以下作用①在用于制造裝置例如發(fā)光二極管和激光二極管的退火工藝過程中抑制產(chǎn)生表面降解，②促進(jìn)形成與鎵相關(guān)的化合物，③防止氮外流，④獲得優(yōu)異的抗氧化穩(wěn)定性和電線粘附，⑤保持高透明性。
能用作滿足上述要求的第二電極層4的代表例包括①純金屬，例如金(Au)，鈀(Pd)，鉑(Pt)，銠(Rh)，錸(Re)和釕(Ru)，②透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，例如銦錫氧化物(ITO)，摻雜氧化鋅(ZnO)和氧化錫(SnO2)，和③透明導(dǎo)電氮化物，例如TiN。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第二方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
參照圖2，該薄膜電極包含第一電極層3，第二電極層4和第三電極層5，其中電極按這樣的順序沉積在形成于基底1上的氮化鎵層上面。
圖1所示的第一和第二電極層在此實(shí)施方案中可以使用。因而，在下面的描述中故意省去了第一和第二電極層的描述。
具體地，為了使發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率最大化，提供了通用LED結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)(倒裝晶片)用于第三電極層。為此目的，可以選擇具有優(yōu)異透射率的導(dǎo)電氧化物或氮化物作為第三電極層的材料。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案(第三方面)的薄膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖3，該薄膜電極包含第一電極層3，第二電極層4，第三電極層5，和第四電極層6，其中電極按這樣的順序沉積在形成于基底1上的氮化鎵層上面。
圖2所示的第一，第二和第三電極層在此實(shí)施方案中是可用的。因而，在下面的描述中故意省去了第一，第二和第三電極層的描述。
具體地，為了使發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率最大化，提供了通用LED結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)(倒裝晶片)用于第四電極層。為此目的，可以選擇在短波區(qū)域內(nèi)高反射材料作為第四電極層的材料。此時(shí)，高反射材料包括選自Al，Ag和Rh等中至少一種元素。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案用于制造薄膜電極的鎳-鎂固溶體的XRD圖。圖4(a)代表退火之前的結(jié)果，圖4(b)代表在550℃退火1分鐘后的結(jié)果。
從圖4(a)可以觀察到與P-型氮化鎵(GaN)和藍(lán)寶石(Al2O3)基底相應(yīng)的峰。另外，還可以觀察到與通過將鎳(Ni)加入到鎂(Mg)中制備的鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體相應(yīng)的峰。
也就是說，因?yàn)殒?鎂固溶體具有強(qiáng)的氫親和力，當(dāng)其與P-型氮化鎵層的頂部接觸時(shí)使Mg-H鍵斷裂，因此增加了氮化鎵層表面的載流子濃度。
從圖4(b)中，除了與P-型氮化鎵(GaN)對應(yīng)的峰之外，還可以觀察到與氧化的Ni-Mg-O固溶體(Ni1-XMgXO)和作為鎳-鎵化合物的NiGa對應(yīng)的峰，其中氧化的Ni-Mg-O固溶體是Ni-Mg固溶體在退火前的氧化狀態(tài)。
具體地，氧化的固溶體是導(dǎo)電氧化物，并且預(yù)期與常規(guī)的鎳/金(Ni/Au)結(jié)構(gòu)的氧化鎳(NiO)相比具有大功函。另外，氧化的固溶體向氮化鎵表面提供了許多空穴而且同時(shí)降低了肖特基勢壘，所以表現(xiàn)了優(yōu)異的電性能。另外，可以推斷氧化的鎳-鎂固溶體在增強(qiáng)薄金屬膜的透明度方面發(fā)揮了重要作用。
圖5是退火之前或之后的伏安特性曲線圖，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述退火是在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/金(Au)之后進(jìn)行的。
分別在450℃和550℃的空氣中退火1分鐘之后測量伏安特性。該伏安測量表明，每個(gè)溫度下的接觸電阻率分別是8.45×10-6cm2和6.08×10-6cm2。在空氣中獲得的曲線圖是線性曲線，其清楚地顯示出良好的歐姆接觸，而在氮?dú)庀芦@得的曲線圖為非線性曲線，這表明所述接觸為整流接觸。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在Coming玻璃上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/金(Au)之后，緊接著在550℃下退火1分鐘，接下來測得的透射率結(jié)果。
所沉積的Ni-Mg固溶體/Au在370～450nm波長下具有80％或更高的透射率。用于測量透射率的沉積的典型的金屬電極層和覆蓋層具有100?；蚋俚暮穸?，而在本發(fā)明中使用的金屬電極層和覆蓋層(capping layer)具有約200的厚度。盡管厚度如此大，電極層和覆蓋層表現(xiàn)了至少80％的透明性。這里使用的名詞“覆蓋層”指最外電極層。
圖7是用于制造本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的薄膜電極的鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體的AES(原子發(fā)射光譜)深度剖面圖。圖7(a)代表退火之前的結(jié)果，圖7(b)代表在550℃下退火1分鐘后的結(jié)果。
從圖7(a)可以觀察到，鎳(Ni)和少量鎂(Mg)仍然保留在氮化鎵層的表面上。盡管圖7(a)中沒有顯示，但是與鎂(Mg)相關(guān)的AES數(shù)據(jù)表明，鎂(Mg)溶液化在鎳(Ni)中，而不是與鎳(Ni)反應(yīng)形成化合物。圖7(b)清楚地表明，鎳-鎂固溶體形成了，同時(shí)極少量的鎂擴(kuò)散到氮化鎵的表面中并分散。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/鉑(Pt)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
將所沉積Ni-Mg固溶體/Pt在450～650℃下退火1分鐘之后，測量伏安特性。結(jié)果獲得清晰的線性曲線。該線性曲線表明，所得10-5～10-6cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆電阻。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/鈀(Pd)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
將所沉積Ni-Mg固溶體/Pd在450℃下退火1分鐘后，測量伏安特性。結(jié)果獲得清晰的線性曲線。該線性曲線意味著所得10-5cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆電阻。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/釕(Ru)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積釕(Ru)/鎳-鎂(Ni-Mg)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
有必要將圖11和12所示結(jié)果與常規(guī)的鎳/釕(Ni/Ru)和釕/鎳(Ru/Ni)的歐姆結(jié)構(gòu)相比較。特別的，當(dāng)在550℃下退火1分鐘時(shí)，鎳/釕(Ni/Ru)歐姆結(jié)構(gòu)的伏安特性被認(rèn)為是難于形成歐姆接觸的結(jié)構(gòu)。從圖11和12中，該線性曲線表明所得10-5cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆接觸，其是通過加入鎂而獲得的。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
將所沉積的鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)在500℃下退火1分鐘后，測量伏安特性。結(jié)果獲得清晰的線性曲線。該線性曲線意味著所得10-5cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆接觸。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積純鎳(Ni)/鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
將所沉積的純鎳(Ni)/鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/金(Au)在500℃下退火1分鐘后，測量伏安特性。結(jié)果獲得清晰的線性曲線。該線性曲線意味著所得10-6cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆接觸。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在載流子濃度為5×1017的P-型氮化鎵層上沉積鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/鎳(Ni)/金(Au)之后，在空氣中退火之前和之后的伏安特性曲線圖。
將所沉積的鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體/鎳(Ni)/金(Au)在500℃下退火1分鐘后，測量伏安特性。結(jié)果獲得清晰的線性曲線。該線性曲線意味著所得10-6cm2水平的歐姆接觸電阻代表了良好的歐姆接觸。
下文中，將參照下述實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。但是，給出的這些實(shí)施例的目的是說明本發(fā)明，而不能將其理解為是對本發(fā)明的范圍的限制。
<實(shí)施例1>
將P-型氮化鎵(GaN)放進(jìn)超聲浴中，然后在60℃下分別使用三氯乙烯，丙酮，甲醇和蒸餾水洗滌5分鐘。將洗滌過的P-型氮化鎵層在100℃下硬烘焙10分鐘，以完全除去殘留在P-型氮化鎵層中的水分。將光致抗蝕劑以4000rpm旋涂在P-型氮化鎵層上，然后在88℃下軟烘焙10分鐘。為了在P-型氮化鎵層上顯影掩膜圖案，將掩膜與GaM層排成一列，并以22.8mW的強(qiáng)度在紫外光下曝光10秒鐘，將所得結(jié)構(gòu)浸入顯影劑和蒸餾水(1∶4)的混合物中，并顯影15秒鐘。
其后，將顯影的樣品在BOE溶液浸泡5分鐘以除去樣品上殘存的污染物。使用電子束蒸發(fā)器，在顯影的樣品上沉積厚度為100的鎳-鎂(Ni-Mg)固溶體/金(Au)，然后使用丙酮進(jìn)行搬走(lift-off)工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣或氮?dú)庀?50～550℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的高級薄膜電極。
<實(shí)施例2>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到沉積Ni-Mg固溶體的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器沉積鉑(Pt)以形成100厚度的覆蓋層，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下450～650℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例3>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到沉積Ni-Mg固溶體的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器沉積鈀(Pd)以形成100厚度的覆蓋層，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下450℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例4>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到在氮化鎵層上沉積電極層的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器分別將釕(Ru)，鎳鎂(Ni-Mg)固溶體和金(Au)以50和50的厚度順序沉積，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下350～650℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例5>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到在以50的厚度沉積Ni-Mg固溶體的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器沉積釕(Ru)以形成50厚度的覆蓋層，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下450℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例6>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到在以50的厚度沉積Ni-Zn固溶體的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器沉積金(Au)以形成50厚度的覆蓋層，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下350～650℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例7>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到在以30的厚度沉積Ni-Zn固溶體的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器分別將鎳(Ni)和金(Au)以20和50的厚度沉積，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下350～650℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
<實(shí)施例8>
以與實(shí)施例1中同樣的方式進(jìn)行操作直到在氮化鎵層上沉積電極層的步驟。之后，使用電子束蒸發(fā)器分別將鎳(Ni)，鎳-鋅(Ni-Zn)固溶體和金(Au)以20，30和50的厚度順序沉積，然后使用丙酮進(jìn)行搬走工藝。將獲得的結(jié)構(gòu)裝入快速熱退火(RTA)爐并在空氣下350～650℃退火1分鐘從而制造用于形成歐姆接觸的薄金屬膜。
從以上描述中很明顯，當(dāng)用作金屬電極層的鎳(Ni)基固溶體沉積在氮化鎵層上然后在溶解的金屬元素例如鎂(Mg)或鋅(Zn)的熔點(diǎn)附近退火，可以在氮化鎵層的表面獲得鎂(Mg)或鋅(Zn)的優(yōu)異的摻雜效果，由于與鎵反應(yīng)通過形成許多鎵空穴而提高了在氮化鎵層表面周圍的有效載流子濃度，或可以控制氮化鎵和沉積的氧化金屬之間的能帶。這些改進(jìn)使得本發(fā)明的高級歐姆接觸系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的伏安特性和低接觸電導(dǎo)率以及在短波區(qū)域的高透射率。
另外，本發(fā)明的用于形成歐姆接觸的薄膜電極預(yù)期可表現(xiàn)出優(yōu)異的電和光學(xué)性能例如低接觸電阻率，優(yōu)異的伏安特性，優(yōu)良的表面狀態(tài)和高透明性，特別是改進(jìn)的電流注入和擴(kuò)散容量。因而，因?yàn)楸景l(fā)明的用于形成歐姆接觸的薄膜電極可以大大改進(jìn)氮化鎵發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)的電和光學(xué)效率，在不久的將來可以將其用于開發(fā)具有高質(zhì)量的發(fā)光二極管和激光二極管。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于說明的目的已經(jīng)公開，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解不同的改進(jìn)，添加和取代是有可能的，其沒有脫離本發(fā)明附屬權(quán)利要求公開的范圍和本質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管內(nèi)形成歐姆接觸的薄膜電極，其包括第一電極層，所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上，并包含Ni-X固溶體；及第二電極層，所述第二電極層層壓在該第一電極層上，并包括至少一種選自Au，Pt，Pd，Ni，Ru，Rh，Re，C，Cu和Ir的元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜電極，進(jìn)一步包括第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜電極，進(jìn)一步包括第三電極層，所述第三電極層壓在第二電極層上，并包含至少一種選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物的元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的薄膜電極，進(jìn)一步包括第四電極層，所述第四電極層層壓在所述第三電極層上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
5.一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管內(nèi)形成歐姆接觸的薄膜電極，其包括第一電極層，所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上，并包含至少一種選自Au，Pt，Pd，Ni，Ru，Rh，Re，C，Cu和Ir的元素；和第二電極層，所述第二電極層層壓在該第一電極層上，并包含Ni-X固溶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜電極，進(jìn)一步包括第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜電極，進(jìn)一步包括第三電極層和第四電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上并包含至少一種選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物的化合物，所述第四電極層層壓在所述第三電極層上并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
8.一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管內(nèi)形成歐姆接觸的薄膜電極，其包括第一電極層，其中所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上，并包含Ni-X固溶體；及第二電極層，所述第二電極層層壓在第一電極層上，并包含至少一種選自透明導(dǎo)電氧化物和透明導(dǎo)電氮化物的化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的薄膜電極，進(jìn)一步包括第三電極層，所述第三電極層層壓在第二電極層上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
10.一種用于在發(fā)光二極管或激光二極管內(nèi)形成歐姆接觸的薄膜電極，其包括第一電極層，所述第一電極層層壓在P-型氮化鎵層上，并包含Ni-X固溶體；及第二電極層，所述第二電極層層壓在第一電極層上，并包含至少一種選自Al，Ag和Rh的元素。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)的薄膜電極，其中所述鎳基(Ni-X)固溶體包括作為基體金屬的鎳(Ni)和X，其中所述X為選自II族元素，VI族元素，Sc，Y，Ge，Sn和Sb中的至少一種元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜電極，其中所述II族元素包括選自Mg，Be，Ca和Zn中的一種元素。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜電極，其中所述VI族元素包括選自S，Se和Te中的一種元素。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜電極，其中構(gòu)成Ni基(Ni-X)固溶體的X元素的添加量是1～49％原子百分?jǐn)?shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)的薄膜電極，其中由Ni基固溶體形成的電極層的厚度是1～1000，而且第一、第二、第三和第四電極層的總厚度是1～10000。
16.根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)的薄膜電極，其中所述P-型氮化鎵的組成為AlxInyGazN(式中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，且x+y+z＝1)。
17.一種用于在P-型氮化鎵層上制備薄膜電極的方法，包括以下步驟洗滌在氮化鎵半導(dǎo)體上形成的碳和氧層，以從中除去雜質(zhì)；在2×10-6～5×10-8torr的高真空下，使用電子束蒸發(fā)、電子射線蒸發(fā)、濺射法、等離子激光沉積或電化學(xué)方法，沉積鎳基固溶體；及在250～800℃的空氣、氧氣或氮?dú)夥障?，使所沉積的鎳基固溶體退火30秒～1小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于形成高質(zhì)量歐姆接觸的技術(shù)，其可用于制備使用氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的發(fā)射藍(lán)綠可見光和紫外光的短波發(fā)光二極管(LED)，及激光二極管(LD)。通過在P－型氮化鎵半導(dǎo)體的頂部沉積鎳(Ni)基固溶體可以形成歐姆接觸。如此形成的歐姆接觸，由于在氮化鎵層表面附件的有效載流子濃度的提高而具有優(yōu)異的伏安特性和低的接觸電阻率，以及在短波區(qū)域內(nèi)的高透射率。
文檔編號H01S5/00GK1622348SQ20041003124
公開日2005年6月1日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月7日
發(fā)明者宋俊午, 林東皙, 成泰連 申請人:三星電子株式會社, 光州科學(xué)技術(shù)院