氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200410000889.X

申请日:

2004.01.18

公开号:

CN1641895A

公开日:

2005.07.20

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):H01L 33/00申请日:20040118授权公告日:20071024终止日期:20130118|||授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

H01L33/00; H01S5/00; H01L21/28

主分类号:

H01L33/00; H01S5/00; H01L21/28

申请人:

泰谷光电科技股份有限公司;

发明人:

彭隆瀚; 巫汉敏; 王菘豊; 张家玮; 林晋逸

地址:

台湾省南投县

优先权:

专利代理机构:

北京康信知识产权代理有限责任公司

代理人:

余刚

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内容摘要

本发明涉及一种氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,是在氮化镓膜层上形成导电透明膜,再在该导电透明膜上利用离子扩散方式,以在氮化镓膜层表层上形成电气特性相反的透明导电异质接口,以及在该透明导电异质接口的表面铺设一金属厚膜,以用于后续制程打线,因此使用上述的离子扩散方式利用电子、电子空穴的穿隧效应,改善该异质接口的费米能阶位置以形成一欧姆接触电极。

权利要求书

1.  一种氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,是在氮化镓膜层(10)上形成导电透明膜(20),其特征在于以下步骤:
(a)在所述氮化镓膜层(10)表面形成一具有高功函数的所述导电透明膜(20);
(b)在所述导电透明膜(20)上利用离子扩散方式,以在所述氮化镓膜层(10)表层上形成电气特性相反的透明导电异质接口(21);以及
(c)在所述透明导电异质接口(21)的表面铺设一金属厚膜(30),以用于后序制程打线;
因此使用所述离子扩散方式利用电子、电子空穴的穿隧效应,使所述异质接口(21)形成一欧姆接触电极。

2.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述高功函数的所述透明导电膜(20)是选自氧化镓(Ga2O3)、氧化铟(In2O3)、氧化铝(Al2O3)之一氧化膜所形成。

3.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述高功函数的所述透明导电膜(20)是由氧化镓(Ga2O3)、氧化铟(In2O3)、氧化铝(Al2O3)组合所形成。

4.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述离子扩散方式是可选用离子植入与高温杂质扩散其中一方式。

5.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述离子扩散方式的离子是可为p型掺杂的锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、银(Ag)。

6.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述金属厚膜(30)是选自钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)之一氧化膜所形成。

7.
  根据权利要求1所述的氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,其特征在于,所述金属厚膜(30)是为钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)的组合。

说明书

氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法
技术领域
本发明涉及一种导电氧化膜欧姆电极的制作方法,特别是涉及一种以离子扩散方式在氮化镓膜层上形成一导电氧化膜欧姆电极。
背景技术
氮化镓(GaN)系列材料,在紫外光波段与蓝绿光波段具有直接带隙(direct band gap,Eg),因此可以作为高效率的白光与可见光源。目前已商品化的产品有蓝、绿、紫外光与白光发光二极管(WhiteLight-Emitting Diode),以及蓝紫光波段的激光二极管(Laser Diode,LD)。由于氮化镓系列材料的能阶与电子亲合性(electron affinityχ)值相当高,以氮化镓为例,Eg=3.4eV、χ=2.9eV。因此在形成金属接触电极时,尤其是在p型氮化镓(p-GaN)要形成欧姆接触电极时,必须利用具备高功函数(work functionφm)的金属,如镍Ni(φm=5.15eV)、金Au(φm=5.1eV)、钯Pd(φm=5.12eV)、铂Pt(φm=5.65eV)、钌Ru、铱Ir等,以利于电子空穴由金属电极经由电子空穴注入(hole injection)至p型氮化镓。在现有技术中,如日亚化学公司Nichia chemical Industries,Ltd.的美国专利5563422(10/8/1996)所揭露,是利用Ni/Au/p-GaN作为p-GaN的接触电极,并经过一高于400℃的退火处理制程,以形成透明导电膜。另一公开技术,如日本丰田合成Toyoda Gosei Co.,Ltd的美国专利6620643(9/6/2003)所揭露,是利用Au/Co/p-GaN作为p-GaN的接触电极。
至于经过退火处理制程后的高功函数金属之所以能形成p-GaN欧姆接触的机制,依据H.W.Jang et al.“Mechanism for ohmic contactformation of oxidized Ni/Au on p-type GaN,”Journal of AppliedPhysics vol.94,No.3,pp.1748-1752(August 1,2003)所述,目前的了解是在高温氧化过程中,以Au/Ni/GaN接口为例,高温导致Ni外扩散而在GaN表面形成p型透明导电膜NiO/Au/GaN。而在接口处,不仅有镓(Ga)熔融于Au的现象发生(举例来说,409℃时,低熔点的Ga原子在Au当中的熔解度为13%),而且接口处剩余的Ga原子还会与O反应,形成氧化镓(Ga2O3)。而进一步的了解,是接口处的Ga原子的熔解与氧化,所造成界面态(interface state)的改变。根据J.L.Lee et al.,Applied Physics Letters vol.74,2289(1999)等人的研究,不仅(1)在接口处形成Ga缺位(vacancy),在p-GaN接口处等效形成受主(acceptor),因此可在p-GaN表面提供额外的电子空穴浓度。同时依据A.Motayed et al.“High-transparency Ni/Au bilayer contacts to n-type GaN,”Journal ofapplied physics vol.92,no.9,pp.5218-5227(November 1,2002)所述,也可实现(2)降低表面功函数(work functionφm)的目的。而且,上述(1)、(2)由于GaN界面态改变所获得的功效,可以改善GaN表面的费米能阶的位置,有利于与NiO形成欧姆接触电极。
然而,经由H.W.Jang et al.“Transparent ohmic contacts ofoxidized Ru and Ir on p-type GaN,”Applied physics Letters vol.93,no.9,pp.5416-5418(May 1,2003)研究指出:Ni/Au/GaN形成的电极地热稳定性欠佳。举例来说,经过500℃退火24小时后,Ni/Au的电阻会增加高达840倍。此外,由于Au在可见光波段有强烈吸收,对于发蓝绿光的发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)的制作,必须采用超薄的金(Au)膜(厚度5~10nm)作为透明导电层。因此目前p-GaN欧姆接触电极技术的发展,将朝向使用非金电极(non-Au electrode)为主。
近期公开的技术有(1)n:ITO/Au/Ni/p-GaN(S.Y.Kim et al.,“Effect of an indium-tin-oxide overlayer on transparent Ni/Au ohmiccontact on p-type GaN,”Applied Physics Letters,vol.82,No.1,pp.61-63,(Jan.6,2003)。
(2)Al:ZnO/Ni/p-GaN(J.O.Song et al.,“Highly low resistanceand transparent Ni/ZnO ohmic contacts to p-type GaN,”AppliedPhysics Letters vol.83,No.3,pp.479-481(July 21,2003)。
上述技术主要分别使用以下透明氧化膜堆栈,与p-GaN形成欧姆接触电极:ITO(60nm)/Au(3nm)/Ni(2nm)/p-GaN(在500℃退火);与AZO(450nm)/Ni(5nm)/p-GaN(在550℃退火)。
上述这两项技术的共同点,就是采用具有高功函数(φm>4eV)的n型透明导电氧化膜,如Sn:In2O3(ITO)、Al:ZnO(AZO),并与具有相近功函数的p型透明导电氧化膜NiO(φm=5eV)前后叠合,以作为与具有高电子亲合性的半导体(如GaN)形成一欧姆接触。这种功函数技术工程(work function engineering)观念,即利用两种功函数接近的n/p型透明氧化膜,以与宽带隙材料(如GaN)形成欧姆接触的技术。
而采用上述氧化铟锡(ITO)、掺杂铝的氧化锌(AZO)与氧化镍(NiO)堆栈,形成p-GaN欧姆电极的两大限制,则是在于(1)ITO、AZO与NiO的功函数的差异达0.3~0.5eV,(2)ITO、AZO、NiO的吸收带隙值在3.6eV左右,与GaN相距不远。(1)会造成在GaN发光二极管元件的顺向操作电压上升1~5V;而(2)则会导致这两种氧化膜堆栈时,造成在紫外光波长的穿透率降低,因而降低在此短波长的外效率(external efficiency)。
举例来说,a:ITO(250nm)/Ni(10nm)/p-GaN与b:Au(5nm)/Ni(10nm)在350nm的穿透率下降至~55%。其a证明详见:R.-H.Horng et al.,“Low-resistance and high-transparency Ni/ITO ohmiccontacts to p-type GaN,”Applied Physics Letters,vol.79,no.18,pp.2925-2927(Oct 29,2001)。b证明详见:J.K.Ho et al.,“Low resistanceohmic contact to p-type GaN,”Applied Physics Letters vol.74,no.9,pp.1275-1277(March 1,1999)。
发明内容
因此,本发明的主要目的在于解决上述现有技术的缺陷,避免缺陷存在,其主要目的是为求解决现行导电氧化膜的功函数(ITO、AZO)与NiO/GaN差距过大,不利电压操作;另一目的是解决氧化膜在紫外光波段(波长<360nm)的吸收问题。
为实现上述的目的,在氮化镓膜层上形成导电透明膜,再在此导电透明膜上利用离子扩散方式,以在氮化镓膜层表层上形成电气特性相反的透明导电异质接口,以及,在该透明导电异质接口的表面铺设一金属厚膜,以用于后序制程打线。因此,使用上述的离子扩散方式利用电子、电子空穴的穿隧效应,使该异质接口形成一欧姆接触电极。
附图说明
图1是本发明的氮化镓导电电极示意图;
图2是实施例1的X光光衍射照相示意图;
图3是实施例1的GaN接口处示意图;
图4是实施例2的生长速率与pH值关系图;
图5是实施例2的二极管导通穿隧电流-电压关系图;
图6是实施例3的IGO传输线不同间隙(Gap)的导通电流-电压(I-V)关系图;以及
图7是实施例3的IGO电阻率与传输线间隙(Gap)关系图。
具体实施方式
有关本发明的详细内容及技术说明,现结合附图说明如下:
请参阅下表,是透明导电氧化膜功函数:

  Ga2O3   Sn:In2O3  Al:ZnO    NiO带隙值Eg(eV)  4.9   3.6  3.2    4功函数φm(eV)  5.0   4.7  4.5    5.0

上表中列出几种可以溅镀法喷出的具有高功函数、与高带隙值的n-型导电氧化透明膜,并与常用的p型氧化镍(NiO)导电氧化膜比较。我们注意到氧化镓(Ga2O3),除了具有与NiO相同的功函数(φm=5eV)之外,其带隙值Eg=4.9eV,也是上述导电氧化膜当中最高的,可应用到波长可短到约250nm波段的发光二极管。
由此,我们在本发明中揭露一种形成欧姆接触电极的技术。为方便说明,请参阅图1所示,是本发明的氮化镓导电电极示意图。在氮化镓膜层10上形成导电透明膜20,本发明主要步骤与技术特点为:
(a)先制备一氮化镓膜层10,再在该氮化镓膜层10表面上形成一具有高功函数的导电透明膜20。其中该高功函数的导电透明膜20是选自氧化镓(Ga2O3)、氧化铟(In2O3)、氧化铝(Al2O3)之一氧化膜所形成或由其组合所形成。
(b)在该导电透明膜20上利用离子扩散方式,以在氮化镓膜层10表层上形成电气特性相反的透明导电异质接口21;以具有相同功函数的n+/p导电透明膜20在氮化镓膜层10表面上形成一异质接口21。其中该离子扩散方式是可选用离子植入或高温杂质扩散;而该离子扩散方式的离子是可为p型掺杂的锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、银(Ag)。
(c)在该透明导电异质接口21的表面铺设一金属厚膜30,以用于后序制程打线。其中,该金属厚膜30是选自钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)之一氧化膜或其组合所形成。
因此使用上述的离子扩散方式利用电子、电子空穴的穿隧效应,使该异质接口21形成一欧姆接触电极。
尽管该穿隧n+/p或p+/n形成接头(junction)的概念,早在1960年即被用于制造如硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs的欧姆接触电极(详见:LN.Holonyak Jr.etal.”Gallium Arsenide tunnel diodes”proceedings of the IRE vol.48,pp 1405-1409(1960)(详见:L.Easaki,”New phenomenan in narrow Germanium p-n junctions.”phys.Rev.vol109,pp 603-604(1958)),并在1990年应用于砷化镓激光二极管(GaAs LD)技术(详见:J.J.Wierer etal.”Buried twine contactjunction AlGaAs-GaAs-InAs quantum well heterostructure lasers withoxide-defined lateral currents”,Appl.phys.Lett.vol71.pp2286-2288,(1997)),以及在2001年应用于氮化镓发光二极管(GaN LED)技术(详见:T.Takeuchi etal.”GaN-based light emitting diodes withtunnel junctions”Jpn J.Appl phys vol 40,pp.L861-L863(2001))。但是对于GaN LED技术,穿隧电极目前仅限于n+/p半导体同质结(homo-junction),而利用透明导电氧化膜形成穿隧异质结(hetero-junction)技术,则经过发明人长时间研究,从而在本发明专利的首先揭露。
现就本发明的效果用下述的实施例表示:
实施例1
在一具有n型GaN结构中,首先利用光致电化学阳极氧化,将n型GaN表面部分氧化,以形成具有硅Si掺杂的氧化镓(Ga2O3)。经由适当相变温度的退火处理,可以获得Ga2O3不同的相位,其X射线衍射(X-ray diffraction,XRD),可以获知在样品表面生成结晶态的Ga2O3(请参阅图2所示)。通过X射线光电子发射光谱(x-rayphotoelectron emission spectroscopy,XPS)的断层扫描分析,发现除了表面生成Ga2O3之外,另外在GaN接口处形成一厚度约20nm的缓变层(graded layer)GaON,(请参阅图3所示)。使用该缓变层将可以使用离子植入(ion implantation)或杂质扩散(diffusion)技术,可以改变该接口处的电气特性及表面功函数。该缓变层的形成才是可穿隧接口形成的重要技术,详细应用如下列实施例2与实施例3。
实施例2
在一具有n型InGaN/GaN结构中,利用光致电化学阳极氧化,将n型InGaN表面部分氧化,以形成一具有铟In、硅Si掺杂的n型Ga2O3,以及在GaN接口处形成一GaON缓变层。该Ga2O3阳极氧化的生长速率与电解液的pH关系如图4所示。当上述用于制作一具有金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor,MOS)结构的二极管时,请参阅图5所示,该表面Ga2O3厚度为40、20、10nm时,二极管导通电性随Ga2O3厚度变小时,电性将由肖特基势垒接触(Schottky barrier contact)转变成为欧姆接触。
实施例3
在一具有n型InGaN/GaN结构中,利用光致电化学阳极氧化,将n型InGaN表面部分氧化,以形成具有n型的(InGa)2O3(IGO)以及在GaN接口处的GaON缓变层。并利用镍Ni、锌Zn等p-型掺杂来改变本质为n型透明导电膜的电阻率。以具有环形电气传输线(circular transmission line)图样在IGO上时,其传输线缝隙宽度(Gap width)不同所获得的电流-电压图形(I-V)如图6所示,而电阻率测量结果如图7所示。由图7结果比较得知,当本质为n型的IGO经过Ni、Zn掺杂,其片电阻率(ρc)由原本的0.0486Ω-cm2上升至0.28Ω-cm2及3.331Ω-cm2

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本发明涉及一种氮化镓透明导电氧化膜欧姆电极的制作方法,是在氮化镓膜层上形成导电透明膜,再在该导电透明膜上利用离子扩散方式,以在氮化镓膜层表层上形成电气特性相反的透明导电异质接口,以及在该透明导电异质接口的表面铺设一金属厚膜,以用于后续制程打线,因此使用上述的离子扩散方式利用电子、电子空穴的穿隧效应,改善该异质接口的费米能阶位置以形成一欧姆接触电极。 。

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