專利名稱：在p型III-V氮化物材料上制造低電阻率歐姆接觸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件的設(shè)計(jì)。更特別地，本發(fā)明涉及用于 在p型m-v氮化物半導(dǎo)體材料上制造低電阻率歐姆接觸的技術(shù)和用 于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)證實(shí)，III-V族氮化物化合物(例如，GaN、 InN和AlN)以 及合金化合物(例如，AlGaN、 InGaN和AlGalnN)在藍(lán)綠可見光頻 語(yǔ)處產(chǎn)生有效的發(fā)光。該事實(shí)已經(jīng)成為近來發(fā)光二極管(LED)和激 光二極管的技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。例如，使用III-V族氮化物材料的高 亮度LED已經(jīng)將市場(chǎng)轉(zhuǎn)向彩色顯示并且打開了通向許多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用(例
如，交通信號(hào)燈和平板白光源)的大門。另外，使用m-v族氮化物
材料的uv激光二極管也已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于科學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)室和商業(yè) 產(chǎn)品中。
影響發(fā)光器件的制造的一個(gè)重要的因素是PN結(jié)的特性。當(dāng)p型 材料和n型材料被彼此接觸放置時(shí)，單獨(dú)從任一類型的材料來看， 該結(jié)的行為不同。更具體地，當(dāng)前向偏置電壓施加到PN結(jié)上時(shí)，載 流子即來自p型層的空穴和來自n型層的電子，在PN結(jié)區(qū)域中重新 結(jié)合并且以光子的形式釋放能量。此外，可以在p型層和n型層之 間通過多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)形成有源區(qū)域。該MQW結(jié)構(gòu)通過將載流 子限制在量子勢(shì)壘之間而產(chǎn)生較高的載流子密度并且因此增加了載 流子的重新結(jié)合速率。載流子重新結(jié)合得越快，發(fā)光器件就變得越 有效。
用于利用III - V族氮化物材料來外延生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)的技術(shù)包括， 但不限于，有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、
和氫化物汽相外延(HVPE)。用于外延生長(zhǎng)的襯底材料包括藍(lán)寶石 (AL203 )、硅和碳化硅(SiC)。當(dāng)Si和鎂(Mg)被分別用作施主 摻雜劑和受主摻雜劑來制造m-V族氮化物材料時(shí)，在n型氮化物材 料中相對(duì)容易獲得高載流子密度。然而，針對(duì)p型氮化物材料而言 更難以獲得高載流子密度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例提供一種制造具有歐姆接觸層的III- V族
氮化物結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括制造具有p型層的in-v族氮化物結(jié) 構(gòu)。該方法還包括在該p型層上沉積歐姆接觸層，而不首先對(duì)該p 型層進(jìn)行退火。該方法還包括隨后在預(yù)定的溫度下將該p型層和該 歐姆接觸層退火預(yù)定的時(shí)間段，由此在單一的退火工藝中減小該p 型層和該歐姆接觸層的電阻率。
在該實(shí)施例的變形中，制造該III-v族氮化物結(jié)構(gòu)包括制造緩 沖層；制造n型層；以及制造多量子阱有源層。
在該實(shí)施例的變形中，制造該III - V族氮化物結(jié)構(gòu)包括下列的一 種或多種方式有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD );分子束外延(MBE ); 以及氫化物汽相外延(HVPE)。
在該實(shí)施例的變形中，沉積該歐姆接觸層包括基于下列的 一種 或多種方式的物理汽相沉積工藝電子束蒸發(fā)、燈絲蒸發(fā)和濺射沉 積。
在另外的變形中，該歐姆接觸層包括允許吸收氫的 一 種或多種
貴金屬。
在另外的變形中，該一種或多種貴金屬包括Pt、 Ru、 Rh和Pd 中的一種或多種。
在該實(shí)施例的變形中，對(duì)該p型層和該歐姆接觸層的退火包括 使用&和/或02作為周圍氣體。
在該實(shí)施例的變形中，該預(yù)定的溫度低于700°C。
在另外的變形中，該預(yù)定的溫度約為55(TC。
在該實(shí)施例的變形中，該預(yù)定的時(shí)間段約為io分鐘。 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種發(fā)光器件，其包括具有p型層的
in-v族氮化物結(jié)構(gòu)。該發(fā)光器件還包括在該p型層上沉積的歐姆接 觸層，而不首先對(duì)該p型層進(jìn)行退火。另外，在預(yù)定的溫度下將該p 型層和該歐姆接觸層退火預(yù)定的時(shí)間段，由此在單一的退火工藝中 顯著地降低該p型層和該歐姆接觸層的電阻率。
在該實(shí)施例的變形中，該III-V族氮化物結(jié)構(gòu)還包括緩沖層； n型層；以及多量子阱有源層。
在該實(shí)施例的變形中，使用下列的 一種或多種方式來制造該III-V族氮化物結(jié)構(gòu)有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD);分子束外延 (MBE);以及氫化物汽相外延(HVPE)。
在該實(shí)施例的變形中，使用下列的一種或多種方式在該p型層 上沉積該歐姆接觸層電子束蒸發(fā)、燈絲蒸發(fā)和濺射沉積。
在該實(shí)施例的變形中，該歐姆接觸層包括允許吸收氫的一種或 多種貴金屬。
在另外的變形中，該一種或多種貴金屬包括Pt、 Ru、 Rh和Pd 中的一種或多種。
在該實(shí)施例的變形中，該p型層和該歐姆接觸層的退火是在其 中使用&和/或02作為周圍氣體的環(huán)境中進(jìn)行的。
在該實(shí)施例的變形中，該預(yù)定的溫度低于700°C。
在另外的變形中，該預(yù)定的溫度約為550°C。
在該實(shí)施例的變形中，該預(yù)定的時(shí)間段約為IO分鐘。
包括了形成本說明書的 一 部分的附圖以描述本發(fā)明的某些方面。 可以通過結(jié)合在此的描述參考一個(gè)或多個(gè)附圖更好地理解本發(fā)明。 應(yīng)當(dāng)注意，在附圖中所圖示的特征不一定按照比例繪制。
圖1說明使用傳統(tǒng)有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD)方法制造的 基于氮化物半導(dǎo)體材料的LED。
圖2說明用于激活p型層中的摻雜劑并且減小歐姆接觸層的電阻 率的傳統(tǒng)兩步驟退火工藝。
圖3說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的使用氮化物半導(dǎo)體材 料的LED。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的基于氮化物半導(dǎo)體 材料的LED的制造工藝的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在P型氮化物材料的制造期間，氫氣(H2)通常用作周圍氣體來 增加經(jīng)常為鎂(Mg)的受主的密度。然而，H2和Mg可以形成非電激 活的Mg-H復(fù)合體，這將會(huì)降低摻雜劑的效率。作為結(jié)果，摻雜有Mg 的p型氮化物層可能比一個(gè)摻雜有其他材料的層具有更少的活躍受 主。為克服上述問題和獲得低電阻率的P型氮化物層，在生長(zhǎng)p型 氮化物層之后，可以采用低能電子束照射(LEEBI)和/或在無&環(huán) 境中的熱退火處理。該附加的工藝破壞Mg-H復(fù)合體并且使得受主被 電激活。
在熱退火工藝中，可以在足夠高的退火溫度下，將p型氮化物材 料放置在用氮?dú)?N2 )作為周圍氣體的腔室中。在傳統(tǒng)的制造工藝中， 退火溫度優(yōu)選地保持在70(TC以上，以便有效地激活受主。這樣的高 溫處理可以顯著增加載流子密度并且因此將P型層的電阻率減小達(dá) 五個(gè)數(shù)量級(jí)。
在LED的制造期間，歐姆接觸層通常形成在p型氮化物材料的頂 部上。歐姆接觸層的形成通常包括將p型氮化物材料和接觸金屬材 料在接觸表面處進(jìn)行合金。該合金通常發(fā)生在低于70(TC的溫度。作 為結(jié)果，p型半導(dǎo)體材料經(jīng)過兩階段退火/合金工藝，其包括在700 。C或更高溫度下的高溫退火以便激活受主，接下來是在較低溫度例 如550。C下的合金工藝以便形成歐姆接觸。在下列公開中，為簡(jiǎn)化起 見，將該兩階段退火/合金工藝稱為兩階段退火工藝。
該兩階段退火工藝具有若干缺點(diǎn)。例如，70(TC的最小退火溫度非常接近于附近MQW結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)溫度。這一高退火溫度可能潛在地 破壞MQW區(qū)域。另外，兩個(gè)不同的退火溫度的設(shè)置增加了制造工藝 的復(fù)雜性。本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于在低溫下在單一的退火 工藝中制造低電阻率p型氮化物半導(dǎo)體材料和形成歐姆接觸的方法。 提供以下的描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明
施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且在此限定 的基本原理可以應(yīng)用到其他實(shí)施例和應(yīng)用中，而不背離本發(fā)明的范 圍。因此，本發(fā)明不限于所述的實(shí)施例，而應(yīng)被給予與權(quán)利要求一 致的最寬泛的范圍。
概述
火溫度下制造高質(zhì)量低電阻率的p型氮化物材料的方法。公開的方 法通過在單 一退火期間針對(duì)熱退火和歐姆接觸合金二者保持低于 70(TC的退火溫度，筒化了用于制造p型氮化物材料的工藝。得到的 p型材料的電阻率可以小于10 Q.cm。更重要地， -使用所7>開的方法 可以制造該低電阻率p型材料和相關(guān)的歐姆接觸，而不影響相鄰MQW 有源區(qū)域的質(zhì)量。
圖1說明了使用傳統(tǒng)有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法制造 的基于氮化物半導(dǎo)體材料的LED。in-V族化合物半導(dǎo)體包括例如Al、 Ga和In的m族材料以及例如N、 P和As的V族材料。在一個(gè)實(shí)施例 中，用于制造P型材料的摻雜劑材料包括Mg。這些摻雜劑材料增加 了 p型半導(dǎo)體材料中的載流子密度。
在氮化物L(fēng)ED制造工藝中，首先在生長(zhǎng)襯底IIO上制造III-V族 氮化物分層結(jié)構(gòu)(步驟A)。接下來，在襯底110上制造緩沖層120 (步驟B)。然后，在緩沖層120上制造m-V族氮化物n型層130 (步驟C)。在步驟D和E中，分別地在n型層130上形成MQW有源 層140和III-V族氮化物p型氮化物層150。可以使用MOVCD來制造這些層。
在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟E之后并且在p型層150上方生長(zhǎng)任何 附加層之前，將分層結(jié)構(gòu)置于退火腔室中，其中使用N2作為周圍氣 體并且周圍溫度設(shè)置在70(TC或更高。該退火工藝通常持續(xù)約20分 鐘并且將H從p型層150中形成的Mg-H復(fù)合體中分離。作為結(jié)果， p型層150的電阻率可以減小達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)(例如約從105Q.cm到 10°n.cm)。應(yīng)當(dāng)注意， 一般而言，較高的退火溫度帶來p型層中較 低的電阻率。然而，高的退火溫度可能損壞相鄰的MQW結(jié)構(gòu)。因此， 傳統(tǒng)的退火工藝的功效受到限制。
在步驟F,在p型層150上形成歐姆接觸層160。在一個(gè)實(shí)施例 中，步驟F使用物理汽相沉積方法(例如，電子束蒸發(fā)、燈絲蒸發(fā) 和/或賊射沉積)。傳統(tǒng)的歐姆接觸材料包括金(Au)和鎳(Ni)。 通常，當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷在50(TC或更高溫度下的合金工藝時(shí)，在歐姆接觸 層160和p型層150之間形成低電阻率歐姆接觸。應(yīng)當(dāng)注意，在傳 統(tǒng)的制造工藝中，歐姆接觸的熱退火和合金是兩個(gè)分開的工藝。這 是因?yàn)閜型層的熱退火的功效會(huì)由于歐姆接觸層的存在而被減小， 這阻止了氫從H-Mg復(fù)合體被提取。
圖2說明用于激活p型層中的摻雜劑并且減小歐姆接觸層的電阻 率的傳統(tǒng)的兩步驟退火工藝。如日本7>開專利申請(qǐng)JP 2003-347592A 中公開的那樣，該標(biāo)繪圖說明了在N2環(huán)境中退火10分鐘后的摻雜有 Mg的4pm厚的p型GaN層中響應(yīng)于不同退火溫度的電阻率變化。從 該標(biāo)繪圖中可以看出，在制造歐姆接觸層之前，只可以利用遠(yuǎn)高于 600。C的退火溫度來顯著地降低p型層的電阻率。通常，要求高于700 。C的退火溫度以在p型層中實(shí)現(xiàn)期望的電阻率。
圖3說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的使用氮化物半導(dǎo)體材 料的LED。在一個(gè)實(shí)施例中，在所公開的方法中的III-V氮化物半導(dǎo) 體的外延生長(zhǎng)是基于傳統(tǒng)的MOCVD方法，并且圖3中的前四個(gè)步驟 (步驟A到步驟D)基本上類似于圖1中所示的步驟。簡(jiǎn)而言之，在 其上預(yù)先制造了緩沖層320的生長(zhǎng)Si襯底310上制造m-v族氮化
物分層結(jié)構(gòu)。在緩沖層320之上是m-V族n型氮化物層330,在該 III-V族n型氮化物層330上分別地形成MQW有源層340和p型層 350 (步驟D和步驟E)。
不同于傳統(tǒng)的方法，所公開的方法繼續(xù)在p型層350上制造歐姆 接觸層360,而不首先使p型層350經(jīng)受退火工藝(步驟F)。即， 在p型層350上形成歐姆接觸層360，而不是p型層350首先經(jīng)歷熱 退火工藝。這是和直覺相反的，因?yàn)槿绻趐型層之上有另一層材 料，則通常會(huì)減弱退火的功效。
歐姆接觸層包括一種或多種可以吸收氬的金屬。在一個(gè)實(shí)施例 中，歐姆接觸層包括Pt。在另一個(gè)實(shí)施例中，歐姆接觸層可以包括 至少下列之一Pt、釕(Ru)、銠(Rh)和鈀(Pd)?？梢允褂梦?理汽相沉積方法(例如，電子束蒸發(fā)、燈絲蒸發(fā)和/或?yàn)R射沉積)來 制造歐姆接觸層。
在形成歐姆接觸層360之后，將分層結(jié)構(gòu)放置在具有比傳統(tǒng)方法 中的周圍溫度例如700。C低的周圍溫度的退火腔室中。在一個(gè)實(shí)施例 中，系統(tǒng)可以使用&或02作為周圍氣體以便于退火工藝。例如，該 退火溫度可以約為55(TC，這顯著地低于傳統(tǒng)退火工藝中使用的700 。C。退火工藝可以持續(xù)大約10分鐘。該退火工藝將H從在p型層350 中的H-Mg復(fù)合體分離，并且還在單一工藝中完成了有利于形成低電 阻率歐姆接觸的合金工藝。作為結(jié)果，在低于傳統(tǒng)方法的溫度下，p 型層的電阻率可以減小達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)。
用于歐姆接觸層的貴金屬可以通過化學(xué)吸附工藝吸收氫，在化學(xué) 吸附工藝中氬分子通過化學(xué)鍵的形成粘附到貴金屬的表面?？梢杂?作歐姆接觸材料并且還便于p型層退火的貴金屬包括Pt、 Ru、 Rh和 Pd。在一個(gè)實(shí)施例中，使用Pt作為歐姆接觸材料，因?yàn)槠淇梢缘挚?后續(xù)的蝕刻工藝。
限于圖3中所示的特定的結(jié)構(gòu)。例如，生長(zhǎng)襯底可以是基于Si、藍(lán) 寶石和/或SiC。有源區(qū)域可以包括MQW或PN結(jié)。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的基于氮化物半導(dǎo)體 材料的LED的制造工藝的流程圖。工藝開始于制備Si襯底(步驟 410)。接下來，在生長(zhǎng)Si襯底上制造緩沖層(步驟420 ),并且然 后，在緩沖層上制造n型層(步驟430 )。在步驟440和450中，分 別地在n型層上形成MQW層和p型層。MOVCD可以用于制造這些層。
在上述層形成之后，在步驟460中，在p型層的頂部上制造歐姆 接觸層。將分層結(jié)構(gòu)放置在具有低于傳統(tǒng)方法的周圍溫度的退火腔 室中(步驟470 )。例如，該退火溫度可以約為55(TC，這顯著地低 于傳統(tǒng)退火工藝中使用的70(TC。退火工藝可以持續(xù)大約IO分鐘。
上述的制造p型氮化物半導(dǎo)體材料和形成歐姆接觸層的退火工 藝產(chǎn)生了具有高載流子密度和高激活效率的P型半導(dǎo)體材料。特別 地，該方法有利于p型層在相對(duì)低的溫度下退火，而不使附近的MQW 有源區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)惡化，并且允許利用單一的退火過程來完成p 型摻雜劑激活和歐姆接觸的形成。因此，可以更加有效地制造使用 公開的方法制造的發(fā)光器件。
利用不同的實(shí)施例說明了本發(fā)明，利用例子詳細(xì)地描述了本發(fā) 明，以便于本發(fā)明的不同特征或組件的實(shí)現(xiàn)。然而，本發(fā)明人并非 旨在將本發(fā)明的應(yīng)用限制于所示出的細(xì)節(jié)?？梢宰龀鰧?duì)本發(fā)明的特 征或組件的修改，而不偏離本發(fā)明的精神并因此仍保持在權(quán)利要求 的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種制造具有歐姆接觸層的III-V族氮化物結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括:制造具有p型層的III-V族氮化物結(jié)構(gòu)；在該p型層上沉積歐姆接觸層，而不首先對(duì)該p型層進(jìn)行退火；以及在預(yù)定的溫度下將該p型層和該歐姆接觸層退火預(yù)定的時(shí)間段，由此在單一的退火工藝中減小該p型層和該歐姆接觸層的電阻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中制造該III-V族氮化物結(jié) 構(gòu)還包4舌制造緩沖層； 制造n型層；以及制造多量子阱有源層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，制造該in-v族氮化物結(jié)構(gòu)包括下列的一種或多種方式有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD); 分子束外延(MBE);以及 氫化物汽相外延(HVPE)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中沉積該歐姆接觸層包括基 于下列的一種或多種方式的物理汽相沉積工藝電子束蒸發(fā)、燈絲 蒸發(fā)和濺射沉積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該歐姆接觸層包括允許吸 收氫的一種或多種貴金屬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該一種或多種貴金屬包括 Pt、 Ru、 Rh和Pd中的一種或多種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)該p型層和該歐姆接觸 層的退火包括使用&和/或02作為周圍氣體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該預(yù)定的溫度低于700°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該預(yù)定的溫度約為550°C。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該預(yù)定的時(shí)間段約為10 分鐘。
11. 一種發(fā)光器件，包括具有p型層的III-V族氮化物結(jié)構(gòu)；以及歐姆接觸層，其中在該p型層上沉積該歐姆接觸層，而不首先 對(duì)該p型層進(jìn)行退火，其中，在預(yù)定的溫度下將該p型層和該歐姆接觸層退火預(yù)定的 時(shí)間段；由此在單一的退火工藝中顯著地降低該p型層和該歐姆接觸層 的電阻率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中該m-V族氮化物 結(jié)構(gòu)還包括緩沖層； n型層；以及多量子阱有源層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中使用下列的一種或多種方式來制造該m-v族氮化物結(jié)構(gòu)有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD); 分子束外延(MBE);以及 氫化物汽相外延(HVPE)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中使用下列的一種或 多種方式在該p型層上沉積該歐姆接觸層電子束蒸發(fā)、燈絲蒸發(fā) 和賊射沉積。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中該歐姆接觸層包括 允許吸收氫的一種或多種貴金屬。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其中該一種或多種貴金 屬包括Pt、 Ru、 Rh和Pd中的一種或多種。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中該p型層和該歐姆 接觸層的退火是在其中使用&和/或02作為周圍氣體的環(huán)境中進(jìn)行 的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中該預(yù)定的溫度低于 700°C。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其中該預(yù)定的溫度約為 550°C。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光器件，其中該預(yù)定的時(shí)間段約 為10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種用于制造具有歐姆接觸層的III-V族氮化物結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括制造具有p型層的III-V族氮化物結(jié)構(gòu)。該方法還包括在該p型層上沉積歐姆接觸層，而不首先對(duì)該p型層進(jìn)行退火。該方法還包括隨后在預(yù)定的溫度下在退火腔室中將該p型層和該歐姆接觸層退火預(yù)定的時(shí)間段，由此在單一的退火工藝中減小該p型層和該歐姆接觸層的電阻率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101378101SQ20071016802
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者方文卿, 江風(fēng)益, 立 王, 莫春蘭 申請(qǐng)人:晶能光電(江西)有限公司