CN100474639C - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明了公开一种发光器件及其制造方法。发光器件具有一种结构，其中衬底、n-型覆盖层、发光层、p-型覆盖层、欧姆接触层和反射层被依次堆积。欧姆接触层通过在氧化铟中加入附加元素而形成。根据所述的发光器件及其制造方法，改善了与P-型覆盖层的欧姆接触特性，因此提高了在封装FCLEDS过程中的效率和丝焊合格率。而且，由于具有低无接触电阻和优良的电流及电压特性，可以增加发光器件的发光效率和使用寿命。

Description

发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及发光器件及其制造方法，特别涉及具有欧姆特性得到改进的反射电极结构的发光器件及其制造方法。

背景技术

在使用如氮化镓(GaN)半导体的氮化物半导体的发光二极管和激光二极管的发光器件的制造中，重要的是在半导体与电极之间构造欧姆接触结构。当前，市售的GaN发光器件大部分构造在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上。

这种GaN发光器件分为顶部发光的发光二极管(TLEDS)和倒装芯片发光二极管(FCLEDS)。

TLEDS通过直接与P-型覆盖层(clad layer)接触的欧姆接触层发光，此时P-型覆盖层的低电导率使电流注入可以无阻碍地通过具有低欧姆值的透明欧姆接触层。

TLEDS通常具有在p-型覆盖层上依次堆积的一个镍(Ni)层和一个金(Au)层的结构。

众所周知，通过在O₂气氛中退火，Ni层形成具有特征接触电阻(specificcontact resistance)为10^-3到10^-4Ωcm的半透明欧姆接触层。

当在O₂气氛中以500-600℃进行退火时，低特征接触电阻的半透明欧姆接触层形成于Ni层和GaN形成的p-型覆盖层之间及Ni层和Au层之间，从而导致肖特基载流子高度(SBH)降低，并且易于在p-型覆盖层的表面周围获得空穴以作为多载流子。因此，增加了p-型覆盖层附近的有效载流子浓度。

在p-型覆盖层上形成的Ni层和Au层通过退火显示出欧姆导电特性，其中，在反应过程中移除了Mg-H金属中的化合物且增加了掺杂在GaN表面上的Mg的掺杂浓度，使p-型覆盖层表面上的有效载流子浓度高于10¹⁹，并引起p-型覆盖层与含NiO的欧姆接触层之间的隧道导电。

使用由Ni和Au构成的半透明电极薄膜的TLEDS的发光效率低，因此，很难得到具有大容量和高亮度的发光器件。

近年来，为了构成具有大容量和高亮度的发光器件，需要使用被公众关注的银(Ag)、铝(Al)、铑(Rh)等作为形成高反射层的材料来开发FCLEDS。

这些材料具有高反射效率，并从而提供高发光效率。然而，这些金属具有小的功函数，由于难以形成具有低欧姆值的欧姆接触，导致发光器件的寿命短，而且，由于与GaN的粘接性差而不能构成稳定的发光器件。

为了解决这些问题，当前正在进行对具有低欧姆值和高反射效率的欧姆接触结构的研究。

例如，在美国专利公开号2003-0143772A1和2002-0179914A1中公开了在p-型覆盖层上堆积氧化铟(In₂O₃)的结构。但是，该结构具有高欧姆值。

发明内容

本发明提供一种具有低欧姆值和高反射效率的电极结构的发光器件及其制造方法。

根据本发明的一个方面，在n-型覆盖层与p-型覆盖层之间具有发光层的发光器件包括：反射发光层发射的光的反射层和在反射层与p-型覆盖层之间通过向氧化铟中添加附加元素而形成的欧姆接触层。

附加元素的实例可包括选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和镧系元素(Ln)中的至少一种元素。

氧化铟中附加元素的添加比例是0.1-49原子百分比。

反射层可由选自铑(Rh)、银(Ag)、和锌(Zn)中的至少一种构成。

欧姆接触层的厚度可以为0.1-100nm。

衬底可形成于n-型覆盖层的下部并由透光材料构成。

根据本发明的另一个方面，提供一种有在n-型覆盖层与p-型覆盖层之间具有发光层的发光器件的制造方法，该方法包括：通过向氧化铟中加入附加元素，在发光结构的p-型覆盖层上形成欧姆接触层，其中n-型覆盖层，发光层，和p-型覆盖层依次堆积于衬底上构成发光结构；在欧姆接触层上形成反射层；对其中形成有反射层的生成结构(resultant structure)进行退火。

在形成欧姆接触层的工艺中附加元素的实例可包括选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和镧系元素(Ln)中的至少一种元素。

退火可在200℃到700℃之间的温度进行。

在装有栈结构(stacked structure)的反应器中，退火可在含有选自氮(N₂)、氩(Ar)、氦(He)、氧(O₂)、氢(H₂)和空气中的至少一种元素的气氛中进行。

退火可以在装有生成结构的反应器内部的真空条件下进行。

退火可以在10秒到2小时的范围内完成。

可以用选自电子束蒸发器、热蒸发器和双型(dual-type)热蒸发器中的一种设备来形成欧姆接触层。

附图说明

本发明的上述的和其它的特性及优势将通过参照附图对详细的示例性的实施方案进行描述而变得更为明晰，其中：

图1是根据本发明的p-型电极结构的剖视图。

图2到图4是曲线图，显示了当如图1所示的欧姆接触层和反射层具有不同厚度时，p-型电极结构在进行退火前后所测定的电流和电压特性。

图5是曲线图，显示了在氧化铟层上形成铝反射层之后进行的退火前后所测定的电流和电压特性。

图6是曲线图，显示了在添加了附加元素的氧化铟层上依次堆积钛(Ti)层和铝层的栈结构进行退火前后所测定的电流和电压特性。

图7是根据本发明采用p-型电极结构的发光器件的剖视图。

图8和图9是曲线图，显示了具有InGaN结构的蓝光发光二极管(bluelight emitting diode)的工作电压测试结果，其是通过蒸发欧姆接触层和反射层同时使这些层的厚度彼此不同，并将这些层在空气气氛中退火而制得的。

图10是曲线图，显示了以InGaN为基础的具有MQW结构的蓝光发光二极管的工作电压与输出功率之间的关系，其是通过蒸发欧姆接触层和反射层同时使这些层的厚度彼此不同，并将这些层在空气气氛中退火而制得的。

具体实施方式

以下参见附图更充分地说明本发明，其中，显示出按本发明优选实施例的发光器件及其制造方法。

参见图1，p-型电极结构包括欧姆接触层30和反射层40。

图1描述了一种结构，其中欧姆接触层30和反射层40依次堆积在衬底10上形成的以III族氮化物为基础的p-型覆盖层20上，以便对p-型电极结构与需要提高欧姆特性的p-型覆盖层之间的特性进行实验。在以III族氮化物为基础的发光器件的发光层中心附近，p-型覆盖层与n-型覆盖层彼此相对地形成。

加有p-型掺杂剂的III族氮化物可以用作p-型覆盖层20。III族氮化物，例如，可以表示成Al_xIn_yGa_zN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且0≤x+y+z≤1。P-型掺杂剂的实例包括Mg、Zn、Ca、Sr、Ba等。

通过向氧化铟中加入用以改善性能的预定附加元素，例如In₂O₃，形成欧姆接触层30。所述附加元素最好是一种可以通过控制氧化铟的带隙、电子亲和力和功函数形成具有改善的欧姆特性的欧姆接触层30的材料。

能增加有效载流子浓度并与构成p-型覆盖层20的化合物中除氮以外的组分具有良好的优先反应性的金属被采用为适于用作欧姆接触层30附加元素的材料。例如，在采用以GaN为基础的化合物的情况下，在氮之前优先与镓(Ga)反应的附加元素被加入到欧姆接触层30中的氧化铟中。

例如，在以GaN为主要成分的p-型覆盖层20的情况下，由于欧姆接触层30具有上述特性，通过p-型覆盖层20中的Ga与欧姆接触层30之间的反应，在p-型覆盖层30的表面上形成Ga空穴。形成于p-型覆盖层20表面上的Ga空穴起p-型掺杂剂的作用，因此，通过p-型覆盖层20与欧姆接触层30之间的反应增加了p-型覆盖层20表面上的有效p-型载流子浓度。

同时，在成型工艺中保留在p-型覆盖层表面上，并能与氧化镓(Ga₂O₃)反应形成透明导电氧化物的材料被用在欧姆接触层30中，其是阻止p-型覆盖层20与欧姆接触层30之间的界面中的载流子流动的天然氧化层。

这种情况下，可以通过在欧姆接触层30与p-型覆盖层20之间的界面中产生隧道导电改善欧姆特性。

添加到欧姆接触层30的In₂O₃中的附加元素选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和镧系元素(Ln)中的至少一种。

In₂O₃中附加元素的添加比例优选为原子百分比0.1-49的范围内。原子百分比是附加元素的数量之间的比。

欧姆接触层30的厚度优选为0.1-100nm的范围内。

反射层40是p-型电极结构的最上层。反射层40由一种材料形成，其在300℃-600℃的温度范围内抑制表面降解，该温度范围通常用于FCLEDS的制造工艺中，该材料对于氧化是稳定的，且无需改变特性即具有高反射能力。例如，可以用选自Rh、Ag和Zn中的一种材料形成反射层40。反射层40的厚度范围是10-1000nm。通过电子束蒸发方法形成欧姆接触层30和反射层40。欧姆接触层30和反射层40可以通过除溅射方法之外的各种已知的蒸发方法形成，例如，物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体激光沉积(PLD)、热蒸发器、双型热蒸发器等。在温度范围为20-1500℃且反应器内部压力为大气压至约10^-12托的条件下进行蒸发。

由于在形成p-型电极结构的工艺中等离子体所造成的破坏，以GaN为基础的p-型覆盖层30转变为绝缘体，难以使用溅射方法。

欧姆接触层30和反射层40在蒸发工艺后进行退火工艺。

在真空或在气体气氛中，以200-700℃的温度，进行约10秒到2小时退火。

退火工艺中，选自氮、氩、氦、氧、氢，和空气的至少一种元素被注入反应器内。

以下将更详细地描述p-型电极结构的制造方法。以下的方法不限制本发明的范围。

首先，在衬底上形成主要由GaN构成的p-型覆盖层20的结构在超声清洗槽中，以60℃的温度，分别用三氯乙烯、丙酮、甲醇和蒸馏水清洗5分钟，并在100℃的温度下进行硬烤10分钟，以从样品上除去残留的水。

然后，以4.500rpm的转速在p-型覆盖层20上旋涂光刻胶层。在85℃下对光刻胶进行15分钟软烤。掩模和样品对准，以显出(develop)掩膜图样并在22.8mW的紫外线(UV)下曝光15秒。样品在显影溶液和蒸馏水按1:4的比例混合而成的溶液中浸泡25秒并进行显影。

为了消除显影后的样品中的不纯层，将样品浸泡在BOE溶液中5分钟。然后，用电子束蒸发器蒸发欧姆接触层30。

通过将In₂O₃粉和氧化镁(MgO)按9:1的比例混合的混合物烧结形成的反应物安装在电子束蒸发器的反应室内的反应物安装架上，蒸发欧姆接触层30。

在欧姆接触层30蒸发后，反射层40用Ag蒸发并用丙酮进行剥离(lift-off)处理。然后，在330℃-530℃的温度下在快速热退火处理(RTA)炉内对样品退火1分钟，制得电极结构。

以下参见图2到图4更充分说明在以GaN作为主要成分的p-型覆盖层20上形成p-型电极结构后进行的实验结果。

图2到图4是曲线图，显示了在以载流子浓度为4～5×10¹⁷cm^-3的GaN为主要成分的p-型覆盖层20上顺序形成的具有不同厚度的欧姆接触层30和反射层40的电学特性测试结果，其中形成欧姆接触层30，使氧化铟中含Mg，并以Ag形成反射层40。而且，在测定前，欧姆接触层30和反射层40在空气气氛中以330-530℃的温度进行退火。

图2是曲线图，显示了当欧姆接触层30和反射层40的厚度分别是5nm和100nm时的电学特性测定结果。图3是曲线图，显示了当欧姆接触层30的厚度是2.5nm和反射层40的厚度是200nm时的电学特性测定结果。图4是当欧姆接触层30的厚度是5nm和反射层40的厚度是200nm时的电学特性测定结果。

如图2到图4所显示的，非线性电流-电压特性表示在退火前出现整流状态(rectification behavior)，但是，线性电流-电压特性表示在退火后出现欧姆接触状态(ohmic contact behavior)。而且，特征接触电阻低，范围是10^-4到10^-5Ωcm²。

图5和图6显示了附加元素添加到氧化铟中的情况下的特性与没有加入附加元素的常规情况下的特性的比较结果。

图5显示了当在p-型覆盖层上仅用In₂O₃而不加入任何其他元素来蒸发形成厚度为2.5nm的In₂O₃层并在In₂O₃层上用铝蒸发形成厚度为200nm的反射层时，在空气气氛中以530℃的温度进行退火前后样品的电流和电压特性测定结果。

如图5所显示的，无论是否进行退火，不含任何附加元素的In₂O₃层的电流和电压特性是非线性的。

图6显示了当在p-型覆盖层上淀积厚度为2.5nm的含有添加了Mg的In₂O₃的欧姆接触层并淀积厚度为10nm的钛层，和在欧姆接触层上淀积铝形成厚度为200nm的反射层时，在空气气氛中以330℃到530℃的温度进行退火前后样品的电流和电压特性测定结果。

如图6所显示的，当在含有加入了附加元素的In₂O₃的欧姆接触层上依次蒸发的层不是用适当的材料制成时，无论是否进行退火，电流和电压特性都不是线性的。

考虑到以上的比较结果，说明了根据本发明的欧姆接触层30和反射层40的功能。

形成欧姆接触层30的材料是具有高透明度和高导电率的氧化物。该情况下，为了控制决定与p-型覆盖层20接触的欧姆接触层30的电学特性的带隙、电子亲和力和功函数，通过掺杂或混合方法将附加元素加入到In₂O₃中，形成欧姆接触层30。由氧化物形成的欧姆接触层30在退火工艺中与p-型覆盖层20上部上存在的氧化层Ga₂O₃反应形成透明导电氧化物GaInO₃。随后，在表面上欧姆接触层30形成Ga空穴，因此，增加了p-型覆盖层20表面附近的有效空穴浓度。形成的氧化物具有相当高的功函数值，当它与p-型覆盖层20接触时，导致了SBH的高度和宽度的降低，从而，改善了欧姆接触特性并使透光率接近100％。

图7显示了使用图1的p-型电极结构的发光器件的一个实施例。

如图7所显示的，发光器件具有一种结构，其中衬底110、缓冲层120、n-型覆盖层130、发光层140、p-型覆盖层150、欧姆接触层230，和反射层240被依次堆积。

参考数字180表示p-型电极极板，参考数字190表示n-型电极极板。

衬底110由如蓝宝石或碳化硅(SiC)的透明材料制得。

缓冲层120可以省略。

从缓冲层120到p-型覆盖层150的每一层都可以由选自表示为以III族氮化物为基础的化合物中的任何一种化合物形成，例如，Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且0≤x+y+z≤1)。在N-型覆盖层130和P-型覆盖层150中可加入适当的掺杂剂。发光层可以用各种方法形成，例如单层或MQW层。

例如，当应用GaN化合物时，由GaN形成缓冲层120。通过将Si、Ge、Se、Te等作为n-型掺杂剂加入到GaN中，形成n-型覆盖层150。通过将Mg、Zn、Ca、Sr、Ba等作为p-型掺杂剂加入到GaN中，形成p-型覆盖层150。

用上述的蒸发方法，例如PVD、CVD、PLD、热蒸发器、双型热蒸发器等形成各个层。

如图1所显示的，通过向In₂O₃中加入附加元素，形成欧姆接触层230且用选自Ag、Rh、和Zn的一种形成反射层240。然后对这些层进行退火。

以下将说明发光器件的制造工艺的一个实施例。

在蒸发p-型电极结构之前进行的对从发光结构中暴露出来的p-型覆盖层150表面的处理和电子束光刻工艺与参照图1所述的实施例中的内容相同，其中，发光结构是由主要以InGaN形成的衬底、缓冲层、n-型覆盖层、发光层、和p-型覆盖层堆积而成的。

在表面处理和电子束光刻工艺后，用含有Mg作为附加元素的In₂O₃依次蒸发欧姆接触层230，并以电子束蒸发器用Ag形成反射层240，之后通过在空气气氛中以530℃的温度退火1分钟，用丙酮进行剥离处理，并将样品放在RTA中，从而制得发光二极管。

图8和图9显示了当根据本发明的欧姆接触层230和反射层240为主要含有InGaN的蓝光发光二极管时的工作电压特性的测定结果。退火在该情况下是在空气气氛中以530℃的温度进行的。

图8显示了欧姆接触层30的厚度为5nm和反射层40的厚度为100nm的情况。

图9显示了欧姆接触层30的厚度分别为2.5nm和5nm且反射层40的厚度为200nm的每种情况下的电流和电压特性的测定结果。

如图8和图9所显示的，考虑到在20mA的工作电压是3.14-3.15V这一事实，采用本发明的p-型电极结构的发光器件的工作特性得到改善。

图10显示了在p-型覆盖层150上具有不同厚度的欧姆接触层230在空气气氛中退火后的工作电压与输出功率之间关系的测定结果。该情况下，InGaN蓝光发光二极管具有封装的MQW结构。

如图10所显示的，输出功率随欧姆接触层230的厚度和含银反射层240的厚度变化而变化。

因此，根据所要求的发光器件的特性可以适当调节欧姆接触层230的厚度和反射层240的厚度。

如上所述，根据本发明的发光器件及其制造方法，改善了与P-型覆盖层的欧姆接触特性，因此提高了在封装FCLEDS过程中的效率和丝焊合格率。而且，由于具有低无接触电阻和优良的电流及电压特性，可以增加发光器件的发光效率和使用寿命。

Claims (17)

1.一种在n-型覆盖层与p-型覆盖层之间具有发光层的发光器件，所述发光器件包括：

反射发光层发射的光的反射层；和

通过向反射层与p-型覆盖层之间的氧化铟中加入附加元素形成的欧姆接触层，

其中附加元素包括选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Te、Se、Ta、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Cr、Mn、Hg、Pr和镧系元素中的至少一种元素，其中附加元素优先与构成p-型覆盖层的化合物中的除氮外的组分反应，由此增加p-型覆盖层的有效载流子浓度。

2.根据权利要求1的发光器件，其中附加元素以氧化铟的0.1-49原子百分比的数量加入。

3.根据权利要求1的发光器件，其中反射层由选自Rh、Ag、和Zn中的一种形成。

4.根据权利要求1的发光器件，其中欧姆接触层的厚度是0.1-100nm。

5.根据权利要求1的发光器件，其中衬底形成在n-型覆盖层的下部并由可以透光的材料形成。

6.根据权利要求5的发光器件，其中衬底由蓝宝石制得。

7.一种在n-型覆盖层与p-型覆盖层之间具有发光层的发光器件的制造方法，所述方法包括：

通过向由n-型覆盖层、发光层、和p-型覆盖层依次堆积的发光结构的p-型覆盖层上的氧化铟中加入附加元素以形成欧姆接触层；

在欧姆接触层上形成反射层；和

对其中形成有反射层的生成结构进行退火，

其中加入到氧化铟中的附加元素包括选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Te、Se、Ta、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Cr、Mn、Hg、Pr和镧系元素中的至少一种元素，其中附加元素优先与构成p-型覆盖层的化合物中的除氮外的组分反应，由此增加p-型覆盖层的有效载流子浓度。

8.根据权利要求7的方法，其中附加元素以氧化铟的0.1-49原子百分比的数量加入。

9.根据权利要求7的方法，其中反射层由选自Rh、Ag、和Zn中的一种形成。

10.根据权利要求7的方法，其中欧姆接触层的厚度是0.1-100nm。

11.根据权利要求7的方法，其中衬底由可以透光的材料形成。

12.根据权利要求11的方法，其中衬底由蓝宝石制得。

13.根据权利要求7的方法，其中退火工艺在200-700℃的温度下进行。

14.根据权利要求13的方法，其中退火工艺在其中含生成结构的反应器中，在含有选自氮、氩、氦、氧、氢和空气中的至少一种元素的气体气氛中进行。

15.根据权利要求13的方法，其中退火工艺在装有生成结构的反应器内部为真空的条件下进行。

16.根据权利要求13的方法，其中退火工艺进行10秒到2小时。

17.根据权利要求7的方法，其中使用选自电子束蒸发器、热蒸发器和双型热蒸发器中的一种设备形成欧姆接触层。

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