納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極及其制備方法

專利名稱：納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極及其制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體發光器件，光電器件和電子器件，具體涉及一種納 米圖案P型氮化物半導體歐姆接觸電極及其制備方法。本發明適用于半導
體發光器件，光電器件和電子器件，特別是適用于ni族氮化物基等寬禁帶 半導體發光二極管的制備。
背景技術：
作為寬禁帶材料，氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(GaAlN)、氮化鎵銦 (InGaN)、及氮化鎵鋁銦(InAlGaN)等III族氮化物材料具有如高熱導率， 高介電常數，高電子飽和遷移速率和高化學穩定性等優良的特性，這些使 得此系列材料在短波長發光器件、紫外探測器、大功率微波器件和耐高溫 度電子器件等方面擁有巨大的應用前景。
由于p型GaN的高摻雜--直無法有效地突破，同時自然界中又找不到 一種功函數大于p型GaN功函數( 6.12eV)的金屬，使得制作低阻p型 GaN歐姆接觸比較困難。目前對p型GaN廣泛采用的Ni/Au歐姆接觸在空 氣或氧氣中退火處理后可獲得小于 10'"Qci^的低比接觸電阻率(J.KKim, et al. Appl. Phys. Lett, vol.73, pp.2953， 1998; L.C Chen， et al. Appl. Phys, Lett" vol.76， pp.3703, 2000)。但這種傳統的p型Ni/Au歐姆接觸電極因其低的透 光率而使得大部分光子不能逃逸出電極表面，從而影響了發光器件的光輸 出功率和亮度。
為減小III族氮化物基發光器件中p型歐姆接觸對外量子效率的影響， 具有良好的透光率的透明導電氧化物p型歐姆接觸被提出，這些透明導電 氧化物方案如Ni/ITO (R.H Horng, et al. Appl. Phys. Letts, vol.79， pp.2925, 2001)， Ru(Ir)/Ni (H.W. Jang, et al. Appl.Phys丄etts，vo1.80, pp.2937,2002), IZO(indium-oxide-doped ZnO)( J.H Lim, et al. Appl.Phys丄etts， vol.85, pp.6191, 2004)， Zn應TO (S. W. Chae, et al. Appl.Phys丄etts， vol,90, pp.181101, 2007)， ITO (J.S. Jang, etal. J. Appl. Phys, vol. 101， pp.013711,2007)等。同
時，為增大in族氮化物基發光二極管的出光效率，人們也提出電極表面紋
路化(texturing)方法(P. Shyi-Ming et al. Photo.Tech丄etts, vol.15, pp.649, 2003; S.J Chang, et al. Appl.Phys丄etts， vol.91, pp.013504，2007)。
近年來，在p型III族氮化物歐姆研究中人們還發現在進行退火處理的 過程中位于金屬與p型GaN接觸界面處常有納米顆粒產生(J.O. Song, et al. Appl.Phys丄etts, vol.84, pp.4663， 2004; D.Qiao, et al. J. Appl. Phys, vol.88, pp.4196, 2000)，而因這種納米顆粒的形成而引起的肖特基勢壘高度在接觸 面內不均等則有助于降低歐姆接觸的接觸電阻(R.T. Tung, Phys.Rev.B， vol.45， pp.13509, 1992)。目前，金屬與p型III族氮化物接觸界面的納米顆 粒都是在退火處理中產生，這些納米顆粒的形成大多并非人們有意而為之， 且其分布不均，大小不一，這種隨機性并不能使所產生的界面肖特基勢壘 高度在接觸面內不均等以最好地減小接觸電阻。

發明內容
本發明的目的在于提供一種納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極， 該電極不僅可以有效地降低電極與p型III族氮化物半導體的接觸電阻，改 善III族氮化物基器件電學性能，還可以提高III族氮化物基發光器件的取 光效率，優化器件光學特性；本發明還提供了該歐姆接觸電極的制備方法。
本發明提供的納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極，氮化物為III 族氮化物，其特征在于它包括納米圖案導電層和導電覆蓋層，納米圖案
導電層為蜂窩形膜層，形成于p型III族氮化物之上，納米圖案導電層的納
米凹坑的深寬比r的取值范圍為在0<《1.5;導電覆蓋層沉積在納米圖案 導電層上，導電覆蓋層沉積在納米圖案導電層納米微孔內的部分與p型III 族氮化物接觸；
納米圖案導電層和導電覆蓋層的材料至少有一種為能夠容易與p型III 族氮化物形成歐姆接觸的材料。
上述納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極的制備方法，包括
步驟一 在p型III族氮化物上沉積一層導電材料，厚度為l 100nm;
步驟二將微孔孔徑范圍為10nm—500nm的陽極氧化鋁納米模板覆蓋 于上述導電層之上，并進行刻蝕，刻蝕厚度到剛好露出p型m族氮化物， 使原導電層形成納米圖案導電層；
步驟三在上述納米圖案導電層上沉積一層與步驟一材料不同的導電 材料，作為導電覆蓋層。
本發明利用具有不同功函數的歐姆接觸材料(包括金屬、金屬氧化物 或合金等)在p型III族氮化物半導體表面形成交替分布納米結構，造成界 面附近肖特基勢壘橫向分布不均勻，可減小整體有效勢壘高度，從而得到 具有較低的比接觸電阻率的p型III族氮化物半導體歐姆接觸；這種結構的 歐姆接觸電極表面具有納米結構圖案，表面有納米凹坑，有利于提高發光 二極管(LED)光提取效率。
本發明可大幅改善發光器件的性能，具有以下有益效果(1)利用本 發明提供的新型電極結構，可以有效降低p型III族氮化物半導體歐姆接觸
電阻，同時可以使注入芯片表面的電流橫向分布更加均勻，解決傳統的m
族氮化物發光器件p型歐姆接觸不好和電流橫向不均的問題；(2)采用透 明或半透明導電材料形成歐姆接觸時，由于電流橫向分布均勻和電極粗化
的表面，光子取出效率得到提高，從而發光器件的外量子效率得到相應提 高。
本發明提供的新型納米圖案電極結構，具有良好的取光特性，可廣泛
應于短波長發光器件如GaN基發光二極管(LED)，不僅可以與p型氮化 鎵的形成良好的歐姆接觸，又能較大程度地改善電流橫向分布和提高出光 效率。也可將其應用于其他基于寬帶半導體材料的電子器件或光電器件中， 藉以提高這些器件的電學性能和可靠性。因而本發明具有很好的產業應用 價值。


圖1是含有根據本發明實施例制作的電極的氮化物半導體發光器件外 延片截面示意圖2是在p型氮化鎵上制作納米圖案電極過程示意圖。
具體實施例方式
本發朋提供的新型納米圖案P型ni族氮化物半導體歐姆接觸電極可以 用于in族氮化物基發光器件以降低接觸電阻，提高發光亮度和改善發光均 勻性。下面將結合附圖對歐姆接觸電極的結構和制作方法進行詳細地說明， 以使對本發明有更細致的了解。下面的介紹僅用來闡述說明本發明，非據 此以對本發明的實現方法做任何形式的限制，故凡是以本發明基本思想為 基礎，而對本發明作任何形式的修飾或修改，都應歸屬本發明意圖保護的 知識產權范疇。
本發明提供的納米圖案P型m族氮化物半導體歐姆接觸電極結構的結 構特征在于呈周期陣列式分布的兩種及以上不同導電材料直接與p型ni族 氮化物接觸并形成歐姆接觸。如圖i所示，本發明歐姆接觸電極的結構為
納米圖案導電層60為蜂窩形膜層，形成于p型III族氮化物50之上；導電
覆蓋層70沉積在納米圖案導電層60上，導電覆蓋層70沉積在納米圖案導 電層60納米微孔內的部分與p型III族氮化物50接觸，納米圖案導電層60 和導電覆蓋層70在p型III族氮化物50上呈納米尺寸的周期交替分布。
圖1是包含根據本發明實施例制作的電極的頂發射型氮化鎵基發光器 件截面示意圖。其中包括襯底IO，生長在襯底10上的緩沖層20，生長在 緩沖層20上的n型III族氮化物30，生長在n型III族氮化物30上的有源 層40，生長在有源層40上的p型III族氮化物50，沉積在p型III族氮化 物50上的歐姆接觸層90;歐姆接觸層90由納米圖案層60和導電覆蓋層 70構成。n型歐姆接觸電極焊盤80沉積于干法刻蝕后露出的n型III族氮 化物30上，p型歐姆接觸電極焊盤100連接在p型歐姆接觸層90上。
以下是對在p型III族氮化物50上制作納米圖案歐姆接觸電極的過程 的描述
實例一
1. 在p型III族氮化物501上，利用電子束蒸發沉積厚度為10 nm的 金(Au) 601a，如圖2a所示。
2. 將納米微孔直徑為lOOnm的陽極氧化鋁(AAO)模板覆蓋于Au 層601a之上，采用感應耦合等離子體(ICP)對p型III氮化物501上的 Au層601a進行刻蝕，如圖2b所示。刻蝕深度直到剛好露出p型III族氮 化物501， d在p型III氮化物501上形成Au納米圖案導電層601，得到的 結構截面和表面分別如圖2c-l和圖2c-2所示。
3. 通過電子束蒸發在Au納米圖案導電層601上沉積20nm金屬鎳(Ni) 701，形成結構如圖2d所示。
4. 最后對沉積在p型III氮化鎵501上由Au納米圖案層601和Ni覆 蓋層701所構成的電極在400°C的空氣氛圍中快速退火1分鐘，藉以改善 接觸界面特性、電學特性與光學特性。
實例二
1. 在p型III族氮化物上，利用電子束蒸發沉積厚度為10nm的Ni， 然后在400°C的氧氣氛圍中進行快速退火3分鐘，以對金屬Ni進行預氧化 形成NiO層。
2. 將納米微孔直徑為100nm的陽極氧化鋁(AAO)模板覆蓋于NiO 層之上，采用感應耦合等離子體(ICP)對p型III氮化物上的NiO層進行 刻蝕。刻蝕深度直到剛好露出p型ni族氮化物，在p型III氮化物上形成 NiO納米圖案導電層。
3. 通過電子束蒸發在NiO納米圖案導電層上沉積40 nm銦錫氧化物 (ITO)。
4. 最后對沉積在p型III氮化鎵上由NiO納米圖案層和ITO覆蓋層所 構成的電極在600°C的氧氣氛圍中快速退火1分鐘，藉以改善接觸界面特 性、電學特性與光學特性。
其中，考慮到納米圖案層60和導電覆蓋層70都直接與p型III族氮化 物50直接接觸，它們至少有一種是易于與p型III族氮化物50形成歐姆接 觸的材料，如金屬薄膜或導電金屬氧化物或導電氮化物。金屬薄膜可以是 包含Ni、 Co、 Cu、 Pd、 Pt、 Ru、 Ir、 Au、 Ag、 Cr、 Rh、 In、 Sn、 Mg、 Zn、 Be、 Sr、 Ba、 Ta、 Ti及合金和固溶體中的材料形成。導電金屬氧化物可由 In、 Sn、 Zn、 Ga、 Ce、 Cd、 Mg、 Be、 Ag、 Mo、 V、 Cu、 Ru、 Ir、 Rh、 W、 Co、 Ni、 Mn、 Al和鑭系金屬等經熱處理氧化后形成，也可以直接是摻雜 的導電金屬氧化物，導電氮化物可以是氮化鈦或氮化鉭。
若需更好地提高III族氮化物基發光器件中的取光效率，納米圖案層60 和導電覆蓋層70可選擇透明的導電金屬氧化物。這種透明導電金屬氧化物 可以是退火氧化后仍保持導電特性的透明金屬氧化物，如釕(Ru)、銥(Ir)、 鎳(Ni)、銅(Cu)的氧化物等，也可以是直接透明的金屬氧化物，如氧化
釕(RuO)、氧化銥(IrO)、氧化鎳(NiO)、氧化銅(CuO)、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 氧化二鋅慘雜鋁[ZnO(Al)]、氧化錫摻雜鋁[ZnO(Al)]、氧化鋅摻雜鎵 [ZnO(Ga)]等。
又，考慮到后面第二導電層的沉積到導電層納米圖案60的凹坑中，凹 坑應具有合適的深寬比，以確保在沉積導電覆蓋層70時原子可以落到p型 III族氮化物表面。因此沉積導電層時必須結合ICP刻蝕所用陽極氧化鋁 (AAO)納米模板微孔孔徑大小，選擇合適的厚度，使進行ICP刻蝕后形 成的導電層納米凹坑深寬比r的取值范圍為0<r^l.5。
又，本發明刻蝕形成納米圖案所采用的陽極氧化鋁(AAO)納米掩模 板的孔徑為10nm—500nm，納米微孔呈周期性均勻分布。
最后對制備好的新型納米圖案p型III族氮化物電極在合適的溫度和氛 圍下進行熱處理，以進行一步改善接觸界面特性，提高其歐姆接觸特性和 使用壽命；同時也可以改善其光學特性，增大其取光效率。在此之前，為 得到更好歐姆接觸，也可在刻蝕納米圖案前對己沉積的導電層，在合適的 溫度和氛圍下進行熱處理，使導電層與p型III族氮化物形成良好的歐姆接 觸。本發明實施過程中的熱處理可以是在從室溫到1000。C溫度范圍內，置 于氮、氧、氬、氦、氫和空氣中選擇的至少一種氣體氛圍中或在真空下進 行1秒到4小時的熱處理。
上述納米圖案多導電層電極結構亦適用于其他n型半導體材料的歐姆 接觸。
基于上述說明，本發明巧妙地在p型III族氮化物上實現新型納米圖案 電極，在金屬與半導體界面處形成Schottky勢壘高度非均勻分布，藉此降 低接觸界面處整體有效勢壘高度，改善歐姆接觸性能。這種電極應用于短 波長的發光元件，如藍光發光二極管(LED),不僅可以形成良好的歐姆接
觸，還能改善電流橫向均勻分布而提高發光均勻性與可靠性，同時還具有 很高的取光效率。另外，由于這種新型納米圖案電極首先是為了改善III族 氮化物等寬禁帶半導體材料的歐姆接觸性能而提出，所以亦可應用于其他
基于寬禁帶半導體材料(如ZnO， SiC及其合金等)的電子器件或光電器件， 藉以提高這些器件的電學性能和可靠性。因此發明具有極高的產業利用價 值。 -
權利要求
1、一種納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極，氮化物為III族氮化物，其特征在于它包括納米圖案導電層(60)和導電覆蓋層(70)，納米圖案導電層(60)為蜂窩形膜層，形成于p型III族氮化物(50)之上，納米圖案導電層(60)的納米凹坑的深寬比r的取值范圍為在0＜r≤1.5；導電覆蓋層(70)沉積在納米圖案導電層(60)上，導電覆蓋層(70)沉積在納米圖案導電層(60)納米微孔內的部分與p型III族氮化物(50)接觸；納米圖案導電層(60)和導電覆蓋層(70)的材料至少有一種為能夠與p型III族氮化物形成歐姆接觸的材料。
2、 根據權利要求1所述的納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極， 其特征在于，納米圖案導電層(60)和導電覆蓋層(70)的材料至少有一 種為透明的導電金屬氧化物。
3、 根據權利要求1或2所述的納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電 極，其特征在于，導電覆蓋層(70)上還可沉積有一層或多層導電材料。
4、 權利要求1所述的納米圖案p型氮化物半導體歐姆接觸電極的制備 方法，包括步驟一 在p型III族氮化物上沉積一層導電材料，厚度為l 100nm; 步驟二將微孔孔徑范圍為10nm—500nm的陽極氧化鋁納米模板覆蓋于上述導電層之上，并進行刻蝕，刻蝕厚度到剛好露出p型in族氮化物， 使原導電層形成納米圖案導電層； 步驟三在上述納米圖案導電層上沉積一層與步驟一材料不同的導電 材料，作為導電覆蓋層。
5、 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，該方法還包括 步驟四對沉積在p型III族氮化物上由納米圖案導電層和導電覆蓋層所構成的電極進行熱處理。
6、 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，步驟二中，陽極氧化鋁納米模板按照下述過程制備在步驟一的導電材料上沉積一層鋁，然后利用常規的兩步陽極氧化法制備。
7、 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于步驟一中，將沉積的導電材料置于氮、氧、氬、氦、氫或空氣中，或者在真空下進行熱 處理。
8、 根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟一中，將沉積的導電材料置于氮、氧、氬、氦、氫或空氣中，或者在真空下進行熱處理。
全文摘要
本發明公開了一種納米圖案p型III族氮化物歐姆接觸電極及制備方法。納米圖案導電層為蜂窩形膜層，形成于p型III族氮化物之上，導電覆蓋層沉積在納米圖案導電層上，覆蓋層沉積在納米圖案導電層的納米微孔內的部分與p型III族氮化物接觸。這種新型納米圖案電極可以使接觸界面處Schottky勢壘高度在橫向呈非均勻分布，致使整體有效勢壘高度下降，有利于形成良好的歐姆接觸。將其用于III族氮化物基系列的光發射器件，可以改善其電流橫向擴展而提高其發光效率，同時這種新型圖案電極與傳統的平板電極相比具有很高的光提取效率，有利于提高發光亮度。
文檔編號H01L21/28GK101350392SQ200810196819
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者戴科輝, 汪連山, 黃德修 申請人:華中科技大學