專利名稱：磷化鎵發(fā)光二極管電極制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管電極制備工藝。
磷化鎵(Gap)是當(dāng)前可見(jiàn)光中最重要的一種固體發(fā)光顯示材料，Gap發(fā)光管是在n-Gap襯底上利用液相外延技術(shù)制備PN結(jié)的。PN結(jié)形成后還必須在P、N面上分別制備電極以保證器件在外電場(chǎng)作用下發(fā)生少子注入而發(fā)光。
眾所周知，在器件的研制中，歐姆電極的制備工藝直接影響到器件的正向壓降、功耗和光電性能。Gap屬于寬禁帶化合物半導(dǎo)體，電阻率高，且因偏離組分比的分解溫度低而易分解，所以磷化鎵發(fā)光二極管的電極制備是發(fā)光管管芯工藝中的關(guān)鍵和難題之一。
已有的電極制備工藝是用真空鍍膜方法分別在P面、N面上蒸發(fā)上含有受主摻雜劑、施主摻雜劑的金基電極，以便在半導(dǎo)體表面上形成一層有較高摻雜濃度層，使金屬-半導(dǎo)體接觸表現(xiàn)出歐姆性質(zhì)。在真空鍍膜中使用什么電極配方，如何控制真空鍍膜條件以獲得最佳厚度的沉積金及其合金層，這是電極制備中的首要問(wèn)題。其次是如何控制合金熱處理溫度，這是關(guān)系到能否在M-S界面層產(chǎn)生一高摻雜層的關(guān)鍵。上述三者互相制約、影響。
J.Pfeifer(見(jiàn)Solid-State Electronics，19(1976)927-928)公開(kāi)了一種電極制備工藝，P面電極配方為Au-Be(1Wt%)或Au-Be(1Wt%)-Ni(5Wt%)，鍍膜厚度為1000
，合金溫度控制在510～540℃或600～630℃，通入氫氣流，時(shí)間為2分鐘。
M.Itoh，S.Suzuki，et al.(見(jiàn)Solid-State Electronics，23(1980)447-448)公開(kāi)了一種電極制備工藝，P面電極配方為Au-Zn(1Wt%)或Au-Zn(1Wt%)-Sb(0.5～10Wt%)，鍍膜厚度為1700
，在氮?dú)饬髦泻辖饻囟瓤刂圃?00～700℃，時(shí)間也為2分鐘;N面電極配方為Au-Ge(15Wt%)-Ni(5wt%)或Au-Ge(15wt%)-Ni(5wt%)-Sb(0.42wt%)，合金溫度小于500℃，時(shí)間也為2分鐘。
W.A.Brantley，V.G.Keramidas[見(jiàn)Solid-StateScienceandTechnology，123(1976)1582-1583]提出另一種電極制備工藝，P面電極配方為Au-Be(1wt%)，鍍膜厚度為Be5000 ，Au10000 ，合金溫度為600℃，時(shí)間為5分鐘，通入氫氣和氮?dú)?N面電極配方為Au-Si(3wt%)，鍍膜厚度為Si5000 ，Au10000 ，合金溫度為600℃，時(shí)間也為5分鐘。
Shih，Blum[見(jiàn)Solid-StateElectron，15(1972)1117]提出的N面電極配方為Au-Ge-Ni，合金溫度為550℃，時(shí)間為2分鐘。
上述工藝中，Au-Zn蒸發(fā)電極的穩(wěn)定性和重復(fù)性差。單用Au-Be蒸發(fā)電極的重復(fù)性也較差，比接觸電阻較大。P面與N面電極分別兩次熱處理，需通入高純氫氣或氫氣加氮?dú)?，其工序多顯得麻煩，安全性差。
本發(fā)明的目的是提供在磷化鎵(Gap)發(fā)光二極管的外延片上制備電極的工藝，其工序簡(jiǎn)便、安全，易于操作，能充分發(fā)揮現(xiàn)有中小規(guī)模光電器件管芯制備中常規(guī)設(shè)備的作用，蒸發(fā)電極的附著性、重復(fù)性和穩(wěn)定性較好，比接觸電阻較低，磷化鎵不易分解，有利于降低成本。
為此，本發(fā)明提出一種具有多組分電極結(jié)構(gòu)的材料配方，借助多層真空鍍膜，優(yōu)選合金熱處理的工藝條件，降低合金熱處理的溫度，更換高純氫氣或氫氣加氮?dú)鉃楦呒兊獨(dú)獾闹苽涔に嚒?br> 在Gap發(fā)光二極管的外延片上制備電極的工藝主要包括外延片的預(yù)處理，例如清洗、腐蝕、吹干等，采用真空鍍膜方法分別在P面和N面蒸發(fā)上含有受主摻雜劑、施主摻雜劑的金基電極，光刻電極圓點(diǎn)，并通入氣流進(jìn)行合金熱處理。本發(fā)明采用三層電極結(jié)構(gòu)。P面鍍膜的第一層用Au-Sb，第二層用Au-Be，第三層用Au，具體配方是第一層為(99～94)%-(1～6)%，第二層為(99～97)%-(1～3)%，三層鍍膜的厚度分別控制在(200～500) ，(800～2000) 和大于6000 。N面的第一層用Au-Sb，第二層用Sn-Sb，第三層用Au，第一、二層的具體配方均為(99～97)%-(1～3)%，第一層鍍膜的厚度為(200～500) ，第二、三層鍍膜的厚度約大于8000 ，厚度影響不大。
合金熱處理的條件選擇其合金溫度控制范圍為520～580℃，時(shí)間為2～5分鐘，并通入高純氮?dú)狻?br> 在電極配方中，P面的第一、二層鍍膜的配方最佳值均選為98%-2%，真空鍍膜的厚度最佳值分別為300
和1500
，第三層的厚度最佳值為8000
。N面的第一、二層鍍膜的配方最佳值也均為98%-2%，第一層的厚度最佳值選為300
。
光刻圓點(diǎn)圖形的腐蝕液為KI∶I＝10克∶3克，水50毫升。最佳值為KI∶I＝8克∶3克，水50毫升。
合金熱處理的優(yōu)選條件是合金溫度控制在550℃，時(shí)間為3分鐘。
P面和N面電極的熱處理一次進(jìn)行。
當(dāng)Au-Sb的比例從(99%-1%)到(94%-6%)范圍，Au-Be的比例從(99%-1%)到(97%-3%)范圍時(shí)所得到的比接觸電阻為8×10-3-1×10-2Ω·cm2，配方最佳值時(shí)，比接觸電阻最小。而N面電極配方在一般范圍內(nèi)的比接觸電阻比最佳值時(shí)的比接觸電阻約大5～8倍。比Au-Zn蒸發(fā)電極的復(fù)蓋性和重復(fù)性有所提高。在Au-Be中加Au-Sb有利于降低比接觸電阻，比單用Au-Be的好，具有重復(fù)性。比接觸電阻是衡量歐姆接觸優(yōu)劣的最重要參數(shù)，為了得到一個(gè)接觸電阻低且牢固、穩(wěn)定的電極，選擇好適當(dāng)?shù)臍W姆接觸金屬后，本發(fā)明中所優(yōu)選的最佳合金熱處理?xiàng)l件，其中包括溫升、恒溫及其時(shí)間控制等是電極制備工藝中重要的一環(huán)。


圖1、2、3分別給出本發(fā)明、盧子宏(1986年10月第四屆全國(guó)發(fā)光學(xué)術(shù)會(huì)議交流資料)和M.Itoh，S.Suzuki，et al.(S.S.E，Vol23，P448，(1980)]三個(gè)不同接觸系統(tǒng)所得到的比接觸電阻與合金溫度的關(guān)系，本發(fā)明可低達(dá)1.8×10-3Ω·cm2(接觸圓點(diǎn)直徑為100微米)。
本發(fā)明所得的I-V特性呈直線性并對(duì)稱性好，斜率大，如圖4所示，其合金溫度為563℃，在同一P面上，相距兩點(diǎn)間距660微米的近鄰兩電極上測(cè)得。四探針測(cè)得比接觸電阻ρc＝(1.8～2)×10-3Ω·cm2。
本發(fā)明所得到的低接觸電阻和伏安特性線性好、斜率大保證了歐姆接觸的基本要求。
合金熱處理的時(shí)間對(duì)形成歐姆接觸性能影響很大。若時(shí)間太長(zhǎng)，則表面上活性雜質(zhì)原子不斷往半導(dǎo)體深層擴(kuò)散，使表面雜質(zhì)耗盡，于是M-S接觸的界面上雜質(zhì)分布難以形成高摻雜層。若時(shí)間太短，則電極中活性雜質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散達(dá)不到一定的深度，這對(duì)歐姆接觸也不利。一定的合金熱處理時(shí)間使Be內(nèi)擴(kuò)散恰到好處，表面形成高摻雜層。圖5是在同一溫度534℃下Au/Au-Be/P-Gap系統(tǒng)接觸的界面區(qū)ESCA能譜圖，表明同一樣品，不同深度界面XPS，Be已擴(kuò)散進(jìn)入GaP中。圖6表明不同合金溫度下(不同樣品)M-S接觸界面XPS譜，由圖可見(jiàn)，在最佳溫度(563℃)下Be擴(kuò)散到GaP恰到好處，Be(1S態(tài))峰較強(qiáng)。由此可見(jiàn)，采用本發(fā)明所述的制備工藝在M-S接觸界面上Be內(nèi)擴(kuò)散而形成高摻雜半導(dǎo)體層，有利于歐姆接觸的制備。
從下表可知，本發(fā)明所制備的GaP發(fā)光二極管芯片其光電參數(shù)與日本同類產(chǎn)品芯片相似。
＊1用信越公司外延片;2用昭和公司外延片。
本發(fā)明的工序簡(jiǎn)便，易于操作，利用現(xiàn)有的中小規(guī)模光電器件管芯制備的常規(guī)設(shè)備，所得的比接觸電阻低，伏安特性線性好、斜率大，光電參數(shù)與同類產(chǎn)品接近或相似，蒸發(fā)電極的附著性、重復(fù)性較好，磷化鎵不易分解，用料省，成本低，用氮?dú)獯鏆錃猓踩院谩?br> 實(shí)施例圖7給出本發(fā)明所述的LED芯片部分的工藝流程圖。P-GaP外延片先經(jīng)過(guò)清洗，同時(shí)把電極材料清洗后進(jìn)行真空多層蒸發(fā)，再光刻P面電極后進(jìn)行N面電極蒸發(fā)。蒸發(fā)后的P面電極、N電極一次完成微合金，測(cè)量其接觸電阻并將芯片半割離(鋸深為片厚1/3)，用酸對(duì)臺(tái)面進(jìn)行輕腐蝕。在進(jìn)行自動(dòng)芯片光電參數(shù)檢測(cè)后全部鋸片、裂片(繃片)再進(jìn)行后工序。
圖8給出電極的結(jié)構(gòu)圖。1為n-GaP襯底，2為N-GaP，3為P-GaP，4為P型電極多層結(jié)構(gòu)，5為Au復(fù)蓋層，6為Au-Be層，7為Au-Sb層，8為N型電極。
外延片先用有機(jī)溶劑甲苯、丙酮、乙醇分別對(duì)P-GaP作超聲波清洗各5分鐘，然后用高純的熱、冷去離子水沖洗。接著用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1在60℃下腐蝕1分鐘以去除氧化層，再用大量去離子水漂洗后用高純氮?dú)獯蹈纱?。同時(shí)，把欲蒸發(fā)的電極材料Au-Sb、Au-Be、Au用稀王水輕腐蝕1分鐘左右后用高純?nèi)ルx子水沖洗，再用高純氮?dú)饬鳑_干后放入真空鍍膜機(jī)鎢絲。電極材料按上述最佳值配方。
當(dāng)抽真空達(dá)到2×10-5mbar時(shí)，加熱襯底至350℃后冷卻至200℃，以除去P-GaP襯底上吸附氣體。先蒸發(fā)第一層Au-Sb，控制電流70A，蒸發(fā)5秒鐘。再蒸發(fā)第二層Au-Be，控制電流80A，蒸發(fā)1分鐘。最后蒸發(fā)Au，電流同上，蒸發(fā)2分鐘。
按圓點(diǎn)電極光刻P面電極，如圖9所示，電極直徑φ100微米，每相鄰兩電極中心距為330微米。按常規(guī)光刻工藝即可。腐蝕液用KI∶I＝8克∶3克，水為50毫升。腐蝕速度快，在30℃下約20多秒即可腐蝕出清晰的圓點(diǎn)電極圖形。
按同樣的方法進(jìn)行N面電極蒸發(fā)。
上述真空鍍膜沉積所得的電極各層厚度可符合要求。
將P電極、N電極一次完成微合金熱處理，其目的是讓電極牢固地復(fù)蓋在GaP上。因?yàn)镻電極合金熱處理溫度最佳值為560℃，N面為540℃，根據(jù)正交法實(shí)驗(yàn)，P面、N面電極一次完成微合金溫度最佳選為550℃，并通入高純氮?dú)?，熱處理時(shí)間控制為3分鐘。
由于GaP是寬禁帶化合物半導(dǎo)體，光吸收(在可見(jiàn)光范圍)系數(shù)小，臺(tái)面輕腐蝕后有利于減少鋸片后造成的晶片損傷，并能把側(cè)面發(fā)出的光加以收集，有效地提高光輸出、臺(tái)面輕腐蝕液配方為H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1。合面輕腐蝕后光輸出圖如圖10所示。
當(dāng)Au-Sb鍍膜厚度小于300 或大于500 時(shí)，比接觸電阻約為10-2Ω·cm2，而膜厚為最佳值時(shí)比接觸電阻為(1～4)×10-3Ω·cm2，Au-Be的厚度影響不大。
當(dāng)P面電極Au-Sb和Au-Be的配方為一般范圍取值時(shí)，其比接觸電阻從8×10-3～1×10-2Ω·cm2，配方取最佳值時(shí)，比接觸電阻最小。
不同的合金熱處理溫度所得的比接觸電阻和伏-安特性如圖1、4所示。若溫度低于540℃或高于560℃，則比接觸電阻大，伏-安特性變差(呈非線性)，在560℃得到(1～2)×10-3Ω·cm2的低接觸電阻。
權(quán)利要求
1.在Gap發(fā)光二極管的外延片上制備電極的一種工藝，主要包括外延片的預(yù)處理，采用真空鍍膜方法分別在P面和N面蒸發(fā)上含有受主摻雜劑、施主摻雜劑的金基電極，光刻電極圓點(diǎn)，并通過(guò)氣流進(jìn)行合金熱處理，其特征在于(1)所說(shuō)的蒸發(fā)電極采用具有三層電極的結(jié)構(gòu)，P面鍍膜的第一層用Au-Sb，第二層用Au-Be，第三層用Au，配方為第一層(99～94)%-(1～6)%第二層(99～97)%-(1～3)%，三層鍍膜的厚度分別為(200～500) (800～2000) 和大于6000 ；N面的第一層用Au-Sb，第二層用Sn-Sb，第三層用Au，第一、二層的配方均為(99～97)%-(1～3)%，第一層鍍膜的厚度為(200～500) ；(2)所說(shuō)的合金熱處理的條件是合金溫度控制范圍為520～580℃，時(shí)間為2～5分鐘，通入高純氮?dú)狻?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于p面的第一、二層鍍膜的配方最好均為98%～2%，鍍膜的厚度最好分別為300 和1500 ，第三層的厚度最好為8000 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于N面的第一、二層鍍膜的配方最好均為98%～2%，第一層鍍膜的厚度最好為300 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于合金熱處理的溫度最好為550℃，時(shí)間最好為3分鐘，p面和N面電極一次進(jìn)行合金熱處理。
全文摘要
磷化鎵發(fā)光二極管電極制備工藝，本發(fā)明涉及發(fā)光二極管電極制備工藝。它提出一種具有多組分電極結(jié)構(gòu)的材料配方，借助多層真空鍍膜，控制鍍膜厚度，優(yōu)選合金熱處理的工藝條件，降低合金熱處理的溫度，獲得較低的比接觸電阻，線性好、斜率大的伏安特性，在半導(dǎo)體表面上獲得一個(gè)高摻雜的半導(dǎo)體層。其工序簡(jiǎn)便、安全，充分利用現(xiàn)有中小規(guī)模光電器件管芯制備的常規(guī)設(shè)備，用料省，成本低。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1039681SQ8810443
公開(kāi)日1990年2月14日 申請(qǐng)日期1988年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月15日
發(fā)明者林秀華, 江炳熙 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)