倒装芯片发光二极管及其制造方法.pdf

提供了一种倒装芯片型发光器件及其制造方法。所述倒装芯片型发光器件包括衬底、n型覆层、有源层、p型覆层、由掺杂了锑、氟、磷、砷中至少一种的氧化锡形成的欧姆接触层、以及由反射材料形成的反射层。根据所述倒装芯片型发光器件及其制造方法，通过应用具有低表面电阻率和高载流子浓度的导电氧化物电极结构，提高了电流－电压特性和耐久性。

1.  一种倒装芯片型发光器件，其具有插入在一n型覆层和一p型覆层之间的一有源层，所述倒装芯片型发光器件包括：
一在所述p型覆层上由掺杂了附加元素的氧化锡形成的欧姆接触层；以及
一在所述欧姆接触层上由反射材料形成的反射层。

2.  权利要求1的倒装芯片型发光器件，其中所述附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。

3.  权利要求2的倒装芯片型发光器件，其中所述附加元素的添加比例为0.1至40原子百分数。

4.  权利要求1的倒装芯片型发光器件，其中所述反射材料是选自银和铑中的至少一种。

5.  权利要求1的倒装芯片型发光器件，还包括在一所述反射层上的扩散势垒层，其由从镍、金、锌、铜、锌-镍合金、铜-镍合金、镍-镁合金以及掺杂了附加元素的氧化锡构成的组中选取的任何一种形成。

6.  权利要求5的倒装芯片型发光器件，其中所述附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。

7.  一种具有插入在一n型覆层和一p型覆层之间的一有源层的倒装芯片型发光器件的制造方法，该方法包括：
通过使用掺杂了附加元素的氧化锡在发光结构的所述p型覆层上形成一欧姆接触层，所述发光结构通过在一衬底上依次淀积所述n型覆层、所述有源层和所述p型覆层形成；
在所述欧姆接触层上形成由反射材料形成的一反射层；以及
对所得结构退火。

8.  权利要求7的方法，其中所述附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。

9.  权利要求7的方法，其中所述反射材料是选自银和铑中的至少一种。

10.  权利要求7的方法，还包括通过使用从镍、金、锌、铜、锌-镍合金、铜-镍合金、镍-镁合金以及掺杂了附加元素的氧化锡构成的组中选取的任何一种，在所述反射层上形成一扩散势垒层。

11.  权利要求10的方法，其中所述附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。

12.  权利要求7的方法，其中所述退火在200至800℃的温度下进行。

13.  权利要求7的方法，其中通过在包括氧的蒸气环境下进行淀积，形成所述欧姆接触层。

倒装芯片发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种倒装芯片型发光器件及其制造方法，更确切地，涉及一种提高发光效率的倒装芯片型发光器件及其制造方法。
背景技术
传统的氮化镓基发光器件分为顶部发射型发光器件和倒装芯片型发光器件。顶部发射型发光器件通过与p型覆层(cladding layer)接触的欧姆接触层发光。在这样的顶部发射型发光器件中，通过在p型覆层上依次淀积镍和金来形成电极结构。
然而，在镍/金的电极结构中，由于薄层不透明，电极结构中产生的光被电极结构吸收，发光器件的发光效率降低。换句话说，顶部发射型发光器件不能用作具有大容量和高亮度的发光器件。
因此，为了实现具有大容量和高亮度的发光器件，需要发展其中使用被关注为高反射材料的银(Ag)和铝(Al)的倒装芯片型发光器件。美国专利No.6194743公开了一种通过在p型覆层上淀积具有高反射率的厚银层而具有高效率的倒装芯片型发光器件。
然而，在这样的倒装芯片型发光器件中，p型覆层与银层之间的附着性较弱，因而在退火之后，一大部分银层被氧化或者在银层中形成大量空洞(void)，导致接触电阻率增加及反射率下降。
另一方面，提供其中作为导电氧化物的氧化铟锡(ITO)用作中间层的倒装芯片型发光器件，以用于解决反射层与p型覆层之间的这类问题。更确切地，这样的倒装芯片型发光器件与镍/金电极结构的传统顶部发射型发光器件相比，产生极佳的输出特性。然而，由于ITO的电阻率比镍/金的电阻率高三倍以上，ITO/Ag电极结构的倒装芯片型发光器件的操作电压迅速增加。
发明内容
本发明提供了一种具有低接触电阻率和高反射率的电极结构的倒装芯片型发光器件及其制造方法。
本发明还提供了一种具有低工作电压和高输出特性的倒装芯片型发光器件及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种倒装芯片型发光器件，其具有插入在n型覆层和p型覆层之间的有源层，所述倒装芯片型发光器件包括处于p型覆层上由掺杂了附加元素的氧化锡形成的欧姆接触层以及处于欧姆接触层上的由反射材料形成的反射层。
附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。
此外，附加元素的添加比例为0.1至40原子百分数。
反射材料选自银和铑中的至少一种。
倒装芯片型发光器件还可包括在反射层上的扩散势垒层，其由从镍、金、锌、铜、锌-镍合金、铜-镍合金、镍-镁合金以及掺杂了附加元素的氧化锡构成的组中选取的任何一种形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种倒装芯片型发光器件的制造方法，该倒装芯片型发光器件具有插入在n型覆层和p型覆层之间的有源层，所述方法包括：通过使用掺杂了附加元素的氧化锡在发光结构的p型覆层上形成欧姆接触层，所述发光结构通过在衬底上依次淀积n型覆层、有源层和p型覆层形成；在欧姆接触层上形成由反射材料形成的反射层；并且对所得结构退火。
附加元素是从锑、氟、磷和砷构成的组中选取的至少一种。
另外，所述方法还可包括通过使用从镍、金、锌、铜、锌-镍合金、铜-镍合金、镍-镁合金以及掺杂了附加元素的氧化锡构成的组中选取的任何一种，在反射层上形成扩散势垒层。
可通过在包括氧的蒸气环境中的淀积，来进行欧姆接触层的形成。
在欧姆接触层的形成中，在1～300mTorr的压力下向反应器供应氧。
可在200至800℃的温度下进行退火。
退火可在包括氮、氩、氦、氧、氢和空气中至少一种的蒸气环境下进行10秒至2小时。
附图说明
通过参照附图对其示例性实施例的详细描述，本发明的以上及其他特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是根据本发明第一实施例的p型电极结构的剖面图；
图2是根据本发明第二实施例的p型电极结构的剖面图；
图3是在退火后，用于根据本发明的p型电极结构的掺锑氧化锡(antimony doped tin oxide)的电阻率与载流子浓度变化的曲线图；
图4是在用于根据本发明的p型电极结构的掺锑氧化锡上进行的X射线衍射实验的结果曲线图；
图5是用于根据本发明的p型电极结构的掺锑氧化锡的透射率曲线图；
图6是在退火前后，根据本发明第一实施例的p型电极结构地电流-电压特性曲线图；
图7是根据本发明第一实施例的p型电极结构的俄歇电子能谱(AES)的结果曲线图；
图8A到图8C是传统银电极结构和根据本发明第一实施例的p型电极结构的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图9是应用了根据本发明第一实施例的p型电极结构的发光器件的剖面图；
图10是应用了根据本发明第二实施例的p型电极结构的发光器件的剖面图；
图11是退火后，应用了根据本发明的p型电极结构的InGaN/GaN MQW结构蓝色发光器件的工作电压曲线图；
图12是退火后，应用了根据本发明的p型电极结构的InGaN/GaN MQW结构蓝色发光器件的输出特性曲线图。
具体实施方式
现将参照附图更充分地描述本发明，附图中表示了本发明的示例性实施例。
图1是根据本发明第一实施例的p型电极结构的剖面图。
参照图1，p型电极结构包括欧姆接触层60和反射层70。
在图1的p型电极结构中，氮化物基III族覆层50形成于衬底10之上，欧姆接触层60和反射层70依次淀积在p型覆层50上。
p型覆层50由掺杂了p型掺杂剂的III族氮化物化合物形成。
III族氮化物化合物指由Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤x+y+z≤1)表示的化合物。
另外，p型掺杂剂的实例包括Mg、Zn、Ca、Xr和Ba。
欧姆接触层60由掺有附加元素的氧化锡形成。
掺入欧姆接触层60的附加元素的实例为锑(Sb)、氟(F)、磷(P)和砷(As)中的至少一种。
掺入氧化锡的附加元素的添加比例为0.01到40原子百分数。原子百分数指的是附加元素数目的比例。
一般而言，未掺杂的氧化锡(SnO₂)具有数十到数百欧姆(Ω-cm)的高电阻率和较低的载流子浓度。
另一方面，可以通过在常温下淀积后在高温下退火氧化物，或者通过在高于常温的温度下淀积，来降低氧化物的电阻率。然而，在这样的条件下形成的导电氧化物仍然具有相对较高的数个到数十欧姆(Ω-cm)的电阻率。
因而，难以只使用未掺杂的氧化锡用于欧姆接触层。
在本发明的实施例中，例如锑、氟、磷和砷的附加元素被掺入氧化锡以降低氧化锡的电阻率。
另外，当掺杂后的氧化物在淀积后被退火或者在高于常温的温度下被淀积时，可以得到低于10^-2Ω-cm的低电阻率。
欧姆接触层60可形成为0.1至500纳米的厚度。
反射层70可以由在可见光和紫外线范围内具有超过85％的高反射率的材料形成，例如银和铑之一。
另外，反射层70可形成为10至2000纳米的厚度。
图2是根据本发明第二实施例的p型电极结构的剖面图。
在对图2的根据本发明第二实施例的p型电极的描述中，与图1具有相同功能的元件在图2中用相同的附图标记表示。
参照图2，根据本发明第二实施例的p型电极结构包括欧姆接触层60、反射层70和扩散势垒层80。
在图2的p型电极结构中，氮化物基III族覆层50形成于衬底10之上，欧姆接触层60、反射层70和扩散势垒层80依次淀积在p型覆层50之上。
欧姆接触层60通过向氧化锡掺杂锑、氟、磷、砷中的至少一种而形成。
反射层70如本发明第一实施例那样由银或铑形成。
扩散势垒层80由从镍，金，锌，铜，锌-镍合金，铜-镍合金，镍-镁合金和掺杂了包括锑、氟、磷、砷中至少一种的附加元素的氧化锡构成的组中选取的任何一种形成。
扩散势垒层80可形成为1至1000纳米的厚度。
图1和图2中的p型电极结构，也就是，由欧姆接触层60和反射层70形成的p型电极结构以及由欧姆接触层60、反射层70和扩散势垒层80形成的p型电极结构在淀积之后退火。
首先，可通过电子束或热蒸发器、溅射淀积和脉冲激光淀积中的任何一种来进行淀积处理。
通过向蒸发器的反应器供应在1至300mTorr下的氧来淀积欧姆接触层60。
另外，退火在真空或气体环境中200至800℃的温度下进行10秒至2小时。
图3是根据本发明实施例，在掺入5个原子百分数锑的氧化锡(5at％Sb-SnO2)形成的欧姆接触层60退火后，电阻率与载流子浓度的变化曲线图。图3中，附图标记a表示的曲线为电阻率，附图标记b表示的曲线为载流子浓度。
通过利用激光蒸发器在30mTorr的氧压力下将锑掺杂到300纳米厚的氧化锡，并在400至600℃的温度下退火，来形成图3中的欧姆接触层60。其后，根据退火工艺的电阻率与载流子浓度的变化通过霍尔测量仪(hallmeasure)测量。
参照图3，随着退火温度的上升，电阻率下降而载流子浓度上升。换句话说，当掺锑氧化锡通过激光蒸发器在氧环境中于常温下被淀积并在400至600℃温度下退火时，电阻率可低至7.06×10^-3至2.62×10^-3Ω-cm。
表1给出在未掺杂的氧化锡(SnO₂)与各种条件下通过应用激光蒸发器获得的掺锑氧化锡(Sb-SnO₂)上进行实验的结果。
【表1】