專利名稱：P型GaN上鎘銦氧透明電極及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種P型GaN上的歐姆接觸方案及其制備方法，尤其涉及一種P型GaN 上鎘銦氧透明電極及其制備方法。
技術背景GaN基材料是第三代寬禁帶半導體材料的代表，具有許多優異的性能，在藍、紫光 發射、超高頻、高溫、大功率等許多光電和微波器件領域有著廣闊的應用前景。隨著高 亮度籃、紫色GaN基LED的商品化和實用化，高亮度白色LED將有可能取代目前的各種 照明燈，照明技術面臨一場新的革命。但目前對于GaN基LED的制作，還有一些技術難 題沒有完全解決，其中最主要的難題之一是在材料生長過程中難以獲得足夠高濃度的 P型載流子濃度，加上可供選擇的金屬材料有限，導致難以在GaN上制作良好的P型歐 姆接觸電極。因此，人們想出許多方法來降低P型GaN上歐姆接觸的電阻。某些研究者 就提出了采用金和鎳材料，在P型GaN上依次淀積Ni/Au，然后在40CTC以上的溫度下 退火，可以在金屬與P型GaN之間得到歐姆接觸。在GaN基LED上采用Ni/Au金屬作為P型GaN接觸電極的主要問題是當Ni/Au太 薄則影響電流的均勻擴散和熱穩定性；太厚時，金屬薄膜的透光率低，大大降低了LED 發光效率。因此， 一般采用Ni/Au的厚度為50nm，透光率低于50%.因此，如何在P型GaN 上獲得低阻、高熱穩定性和高透光率的歐姆接觸，從而提高LED發光效率， 一直是眾多 研究者關注的焦點問題之一。為提高LED的發光效率，除了在封裝結構、光學設計等方 面的工作外，方法之一是采用透明導電膜(TCO)代替金屬作為P型GaN上的接觸電極， 以實現電流的均勻擴散及高透光率，從而獲得更高的光輸出。目前，應用最廣泛的透明導電薄膜材料是In203:Sn (ITO)和Sn02:F薄膜。但ITO 價格高，存在In易擴散導致器件性能衰減的問題；Sn02存在難以刻蝕、生成需要較高 的溫度(40(TC以上)的問題，同時，這些薄膜均需要通過摻雜才能滿足產品的需要， 雖然摻雜可以降低薄膜的電阻率，但同時也提高了載流子對光的吸收，影響了薄膜的透 光率。因而人們開發出在無需刻意摻雜的情況下具有更高的透光率和更低的電阻率的三 元氧合物，例如Cdlri204(CI0)、 Cd2Sn04、 Mgln204、 MgAl20jtl SnZri204及其相應的混合物， 這是一類具有尖晶石結構的寬帶隙氧化物薄膜材料，由于可以通過調節組元之間的比例
來漸變地調節其光電性能,因而在透明導電薄膜領域得到了廣泛關注。 與Sn02、 ITO等透明導電薄膜材料相比，CIO具有以下優點(1) 非常低的電阻率(10—4 Q. cm數量級)和高透光率(可見光區域透光率大于90%、 紅外光區域的反射率高達93%)。(2) 不需要任何摻雜就可以達到很低的電阻率。對于現在商業應用最多的ITO需要 摻錫、Sn02需要摻F等才能達到良好的效果，而CIO薄膜不需要任何刻意的摻雜就可以達 到良好的光電性能，而且其光電性能可以較易通過調整Cd和In的比例來實現調節。(3) 相比ITO薄膜價格更便宜。由于CIO是三元化合物，Cd的價格比In便宜，所以 總體價格要比ITO薄膜便宜。(4) 短波相應良好。比Sn02的化學性能更穩定，更高的耐磨性和強抗化學腐蝕性。 但直接將CdlnA薄膜沉積在P型GaN上，合金化處理后難以得到歐姆接觸，原因在于(l)P型GaN禁帶寬度為3.4eV，電子親和能為4. leV，功函數很大(7. 5eV)，與 CdlnA接觸形成的勢壘高度大；(2)P型GaN難以實現重摻雜，通常Mg在P型GaN中摻 雜濃度為102°cnT3，但由于Mg在P型GaN中會形成深受主能級，并且其離化能很高( 170meV)，依據費米-狄拉克統計，Mg摻雜劑的離化率大約是1%，導致載流子濃度很難 超過l(Tcm—3;此外，Mg還可與材料中的氫形成絡合物Mg-H(即氫鈍化作用)，并補償部 分殘余受主雜質，使P型GaN的空穴濃度進一步降低，限制了形成低阻歐姆接觸所需的 隧道電流；(3)工藝過程中很容易在P型GaN表面產生作為施主的N空位，降低P型GaN 表面的空穴濃度。此外，金屬化工藝的條件也會影響P型GaN接觸電阻率。因此，要在 P型GaN上形成歐姆接觸，需要降低勢壘高度，所以考慮在用透明氧化物薄膜與半導體 襯底之間插入中間金屬層來降低勢壘高度，從而降低比接觸電阻率。 發明內容本發明的目的在于提供一種在P型GaN上實現低阻、高透光率的歐姆接觸方案及其 制備方法。一種P型GaN上鎘銦氧透明電極，它包括一P型GaN，在P型GaN上有第一導電 層，在第一導電層之上有CIO(鎘銦氧)透明導電薄膜；可以在所述的第一導電層和CIO 透明導電薄膜之間再沉積第二導電層。所述的第一導電層采用的金屬材料可以是Ni、 Pt、 Pd、 Ru、 Re、 Cu中的一種；所 述的第二導電層，所采用的金屬材料可以是Au、 O、 Ir中的一種。所述的第一導電層的厚度范圍可以是2到100埃，所述的第二導電層的厚度范圍可
以是2到100埃；所述的CIO透明導電薄膜(3)的厚度范圍可以是100到1000nm。 P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其工藝步驟為1) 在P型GaN上以物理氣相沉積方式，沉積第一導電層；2) 在第一導電層上以物理氣相沉積方式,沉積CIO透明導電薄膜；3) 進行合金化熱處理。在步驟l)之后，還可以再沉積一熱穩定金屬薄膜所構成的第二導電層。 第一導電層和第二導電層的沉積方法可以是電子束蒸鍍、熱蒸鍍或濺射。 步驟2)中所述的CIO透明導電薄膜的沉積方法可以是濺射或電子束蒸鍍。 前述的制備方法的具體步驟為步驟1)將P型GaN浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超 聲振蕩5min，把樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統中，抽真空，在P型GaN 蒸發沉積厚度為5nm的金屬Ni，其工藝條件為高壓6KV，束流155mA，工作氣壓2.2 X10—3Pa;步驟2)采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的CdlnA薄膜，靶材原 料選用純度為99.99y。直徑為6cm的Cd-In合金靶材，Cd、 In的原子比為1:2，其工藝參 數為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4. 29%，濺射功率50W，基片溫度250°C，革巴基距7. 5cm;步驟3)中所述的合金化熱處理，是在氧氣或空氣中，40(TC-70(TC范圍內退火處理 l-5min。本發明的有益技術效果是CIO透明電極的透光率比傳統的金屬(Ni或Ni/Au)電極 提高15%以上，可望應用于GaN基藍光發光二極管或激光二極管提高其出光效率，或應用 于GaN基光電探測器上提高其響應度，具有極高的產業利用價值；本發明還公開了上述 透明電極的制備方法，該方法解決了 CI0透明導電薄膜在P型GaN上難于獲得歐姆接觸 的問題。
附圖l， P型GaN上鎘銦氧透明電極結構示意圖；附圖2,在第一導電層上再沉積第二導電層時的結構示意圖；附圖3， CIO透明導電薄膜的X射線衍射圖；附圖4， Ni/CI0膜與Ni膜的透光率曲線；附圖5， P型GaN上沉積Ni/CI0薄膜后空氣中不同退火溫度下的I-V曲線。 附圖中p型GaN 1，第一導電層2， CI0透明導電薄膜3，第二導電層4。
具體實施方式
實施例l:參見附圖l， 一P型GaN 1，在P型GaN l上有第一導電層2，其特征在于 在第一導電層2之上有CI0透明導電薄膜3，此例為導電層只包括第一導電層2時的情況， 其步驟如下1) 將P型GaN 1(載流子濃度3.37X10"cm—3，遷移率4. 34cm2/V. s)浸入王水溶液中 3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振蕩5min(目的是為了去除表面雜質和 氧化層，以降低勢壘高度)；2) 把前一步驟中得到的樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統中，抽真空，在 P型GaN l蒸發沉積厚度為5nm的金屬Ni(即第一導電層2)，其工藝條件為高壓6KV，束 流155mA，工作氣壓2. 2X10—3Pa;3) 采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的Cdlri204薄膜(g卩CIO透明導電薄 膜3)，靶材原料選用純度為99.99y。直徑為6cm的Cd-In合金靶材，Cd、 In的原子比為l:2， 其工藝參數為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4.29%，濺射功率50W，基片溫度25(TC，靶基 距7. 5cm;4) 在空氣中，400 °C -55CTC范圍內對樣品進行合金化退火處理lmin 。 參見附圖3，本實施例中得到的CI0透明導電薄膜3的X射線衍射圖，可見CIO透明導電膜3是多晶結構，它包含大量的CIO相和少量的In203相及微量的CdO相。在本實施例步驟3)工藝條件下制備的CIO透明導電薄膜3的主要性能為電阻率 為2. 95X10—4 Q cm;載流子濃度為3. 508X 102°cm—3;載流子霍爾遷移率為60. 32cm2/V. S， 在可見光區域內，波長為628nm時薄膜的透光率高達91. 7%。參見附圖4，得到的Ni/CIO薄膜與Ni膜透光率的對比圖，可見，在400-600nm波 長范圍內，Ni厚度為5nm時，透光率約為50%， Ni膜厚度為10nm時，透光率僅為20%左 右，而退火后Ni(5nm)/CI0(200nm)和Ni (10nm)/CI0(200nm)薄膜透光率分別為約65%和 約55%，即與相應厚度的Ni金屬膜相比，Ni(5nm)/CIO(200nm)和NiaOnm)/CI0 (200nm)， Ni/CIO透光率分別提高15%和30%左右，說明采用CIO作為透明電極材料，可明顯提 高電極的透光率。參見附圖5，在P型GaN 1與CI0透明導電薄膜3之間插入一層金屬Ni(5ran)后， 對未退火的樣品以及分別在400。C、50(rC、55(rC空氣中退火lmin后的樣品的I-V曲線， 可見未退火的樣品I-V為曲線，呈現整流特性，開啟電壓較大；40(TC下和500'C下退 火的樣品I-V曲線是直線，表明樣品在400'C和50(TC下退火后，呈歐姆接觸特性，比
接觸電阻率分布為3.2X10—4Q.cm2和4. 9X10—4Q. cm2;當退火溫度升高到550。C時，曲 線比較彎，表明接觸又開始呈現整流特性。實施例2:參見附圖l、附圖2，本例為在第一導電層2和CI0透明導電薄膜3之間 再沉積一第二導電層4的情況，其步驟如下-1) 將P型GaNl浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振 蕩5min(目的是為了去除表面雜質和氧化層，以降低勢壘高度)；2) 把前一步驟得到的樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統中，抽真空，在P 型GaN 1蒸發沉積厚度為5nm的金屬Ni (即第一導電層2)，接著采用同樣方法在沉積 一層5nm厚的金Au (即第二導電層4)，其工藝條件為高壓6KV，束流155raA，工作氣 壓2.2Xi(T3Pa);3) 用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni/Au上沉積200nm的Cdln2(V簿膜(即CIO透明 導電薄膜3)，靶材原料選用純度為99. 99%直徑為6cm的Cd-In合金耙材，Cd、 In的原 子比為1:2，其工藝參數為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4. 29%,濺射功率50W，基片溫 度250。C，耙基距7.5cm;4) 把所得到的樣品在空氣中，500。C下合金化退火處理lmin。實施例1為本發明的一種優選實施例，通過在P型GaN 1與CIO透明導電薄膜3之 間插入中間金屬Ni層(第一導電層2)來降低勢壘高度，從而獲得了歐姆接觸.實施例2與實施例1不同之處在于在中間Ni層(第一導電層2)上再沉積了一層 Au (第二導電層4)，主要是為了防止氧化，提高接觸的熱穩定性。
權利要求
1、一種P型GaN上鎘銦氧透明電極，它包括一P型GaN(1)，在P型GaN(1)上有第一導電層(2)，其特征在于在第一導電層(2)之上有CIO透明導電薄膜(3)。
2、 根據權利要求1所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于可以在所述 的第一導電層(2)和CIO透明導電薄膜(3)之間再沉積一第二導電層(4)。
3、 根據權利要求2所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的第一 導電層(2)采用的金屬材料可以是Ni、 Pt、 Pd、 Ru、 Re、 Cu中的一種；所述的第二導 電層(4)，所釆用的金屬材料可以是Au、 Cr、 Ir中的一種。
4、 根據權利要求2或3所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的 第一導電層(2)的厚度范圍可以是2到100埃，所述的第二導電層(4)的厚度范圍可以是2 到100埃。
5、 根據權利要求l所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的CIO 透明導電薄膜(3)的厚度范圍可以是100到1000nm。
6、 一種P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于其工藝步驟為1) 在P型GaN(l)上以物理氣相沉積方式,沉積第一導電層(2);2) 在第一導電層(2)上以物理氣相沉積方式,沉積CIO透明導電薄膜(3);3) 進行合金化熱處理。
7、 根據權利要求6所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 在步驟l)之后，還可以再沉積一熱穩定金屬薄膜所構成的第二導電層(4)。
8、 根據權利要求7所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 第一導電層(2)和第二導電層(4)的沉積方法可以是電子束蒸鍍、熱蒸鍍或濺射。
9、 根據權利要求8所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 步驟2)中所述的CIO透明導電薄膜(3)的沉積方法可以是濺射或電子束蒸鍍。
10、 根據權利要求6所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于: 步驟l)所述的沉積方法是將P型GaN (1)浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振蕩5min，把樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系 統中，抽真空，在P型GaN (1)蒸發沉積厚度為5nm的金屬Ni，其工藝條件為高壓 6KV，束流155mA，工作氣壓2.2xl(r3Pa;步驟2)所述的沉積方法是采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的 Cdln204薄膜，靶材原料選用純度為99.99%直徑為6cm的Cd-In合金耙材，Cd、 In的原 子比為1:2，其工藝參數為工作壓強3.1Pa，氧濃度4.29%，濺射功率50W，基片溫 度250。C，靶基距7.5cm;.步驟3)所述的合金化熱處理，是在氧氣或空氣中，40(TC-70(TC范圍內退火處理 l-5min。
全文摘要
本發明公開了一種P型GaN上的鎘銦氧(CIO)透明電極，它通過采用CIO透明導電薄膜結構，使透明電極的透光率比傳統的金屬(Ni或Ni/Au)電極提高15％以上，可望應用于GaN基藍光發光二極管或激光二極管提高其出光效率，或應用于GaN基光電探測器上提高其響應度，具有極高的產業利用價值。本發明還公開了上述透明電極的制備方法，該方法解決了CIO透明導電薄膜在P型GaN上難于獲得歐姆接觸的問題。
文檔編號H01L33/00GK101162751SQ20071009291
公開日2008年4月16日 申請日期2007年10月30日 優先權日2007年10月30日
發明者劉高斌, 張淑芳, 彭麗萍, 亮 方, 董建新 申請人:重慶大學