CN100401539C - 氮化物基发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化物基发光装置和制造该装置的方法，该装置包括比氧化铟锡具有更高的功函数的透明导电氧化物制成的透明电极。氮化物基发光装置具有由衬底、n-型复合层、有源层、P-型复合层以及电阻性接触层依次层叠的结构。电阻性接触层作为透明导电氧化物制成的薄膜，具有比氧化铟锡或掺有金属掺杂剂的透明导电氧化物制成的薄膜更高的功函数。因此，带有P-型复合层的电阻性接触特性得到提高，从而确保了优秀的电流-电压特性。此外，透明电极高的光透射率能够增加装置的发射效率。
Description
背景技术
1、本发明的领域
本发明涉及一种氮化物基发光装置及其制造方法。特别是，本发明涉及一种包括比氧化铟锡(ITO)有更高功函数的透明的导电氧化物制成的透明电极的氮化物基发光装置及其制造方法。
2、相关技术的描述
当前，透明导电氧化物薄膜广泛地应用在光电子学、显示器和能源工业等领域。特别是，在发光装置领域中，许多国内外的学术、工业和政府研究机构已经积极地投入研究用来促进空穴注入和光发射的透明导体薄膜电极。
在透明导电氧化物之中，氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)和氧化铟锡(ITO)都已经被最活跃地研究和开发了。然而，这些材料具有较低的功函数，因此，它们作为GaN基发光二极管的透明电极应用时会产生如下问题。
第一，由于上述的透明导电氧化物具有低功函数，相对于P-型GaN，形成了高电流流动势垒，而这将导致平稳的孔穴注入困难。因此，高发射效率装置的实现可能变得困难。
第二，由于上述的透明导电氧化物对于来自GaN基发光二极管所发光束中的蓝光束的透射率低，因此，很难将其应用到诸如发射蓝光这样的短波长的装置中。
同时，要实现诸如使用氮化物(例如，GaN)基半导体的发光二极管或激光二极管这样的发光装置，在半导体与电极之间的电阻性接触是非常重要的。
这样的GaN基发光装置可分为顶发射发光二极管(TLEDs)和倒装片发光二极管(FCLEDs)。
在当前被广泛应用的TLEDs中，与P-型复合层连接的电阻性接触层发光。由于P-型复合层的低空穴密度，这样的TLEDs需要高品质的电阻性接触层。在这一方面，需要形成低电阻的电阻性接触层和用于补偿低电导率的高透射率层，从而促使空穴注入和光发射。
一般来说，这样的TLEDs在P-型复合层上具有镍(Ni)层和金(Au)层的依次层叠结构。
Ni/Au层具有10-3到10-4Ωcm2的良好的比接触电阻并且被用作半透明电阻性接触层。
当Ni/Au层在500到600℃的温度和在氧气中退火时，p-型半导体氧化物的氧化镍(NiO)在由GaN制成的P-型复合层与用作电阻性接触层的Ni/Au层之间的界面产生。因此，肖特基势垒高度(SBH)减少，供给p-型复合层表面的多数载流子的空穴变得容易。
根据一般的理解，当Ni/Au层在P-型复合层上形成和退火时，在P-型复合层的表面上的有效载流子浓度通过再激活达到1018或更多，通过Mg-H金属间化合物的消除，增加了P-型复合层上Mg掺杂的浓度。因此，P-型复合层与电阻性接触层之间产生隧道效应导电，隧道效应导电显示了低比接触电阻的电阻导电特性。
然而，使用由Ni/Au制成的半透明薄膜电极的TLEDs发射效率低，这是由于带有不良光透射率的Au的存在所造成的，而这就限制了下一代大容量和高亮度发光装置的实现。
至于FCLEDs，利用反射层发射来自透明蓝宝石衬底的光，其中反射层用来增加在驱动期间产生的热的发射效率和光的发射效率，而这也会出现诸如由于反射层的氧化和不良的粘附造成的高阻抗等许多问题。
从上述的这样的TLEDs和FCLEDs的局限性来看，建议将相对于半透明的Ni/Au有更好的光透射率的透明导电氧化物例如氧化铟锡(ITO)制成的P-型电阻性接触层用作传统的P-型电阻性接触层。ITO电阻性接触层能够增加发光装置的输出但是呈现相对高的驱动电压。因此，ITO电阻性接触层当应用到大面积和大容量、高亮度发光装置时受到许多限制。
发明概述
本发明提供一种氮化物基发光装置及其制造方法，该装置包括：具有相对高的功函数并能提供低比接触电阻和高光透射率的透明电极。
根据本发明的一方面，提供一种在n-型复合层与P-型复合层之间有有源层的氮化物基发光装置，其中在P-型复合层之上形成由透明导电氧化物制成的电阻性接触层，并且透明导电氧化物是选自包括镓、铟和氧作为主要成分的第一透明导电氧化物，包括锌、铟和氧作为主要成分的第二透明导电氧化物，包含镓、铟、锡和氧作为主要成分的第三透明导电氧化物，以及包括锌、铟、锡和氧作为主要成分的第四透明导电氧化物的一组。
电阻性接触层可以包括至少一种作为透明导电氧化物掺杂剂以调整电阻性接触层电特性的金属。作为掺杂剂使用的金属是元素周期表中的金属元素。
掺杂剂基于透明导电氧化物的使用量可以在0.001到20wt％。
氮化物基发光装置，在电阻性接触层上可以进一步包括反射层，该反射层由至少选自下面一组中的Ag，Al，Zn，Mg，Ru，Ti，Rh，Cr和Pt一种制成。
氮化物基发光装置可以进一步包括一保护层，该保护层包括选自下列一组中的一种组成：由Ni，Pt，Pd，Cu和Zn组成的一组的至少一种元素；选自Ni，Pt，Pd，Cu和Zn组成一组的至少一种元素的化合物；以及TiN。
氮化物基发光装置在电阻性接触层之上可以进一步包括金属覆盖层(metal capping layer)，该金属覆盖层选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组中的至少一种制成。
反射层可以在金属覆盖层之上形成。
氮化物基发光装置可以进一步包括在P-型复合层与电阻性接触层之间形成的金属夹层，该金属夹层选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组的至少一种制成。
根据本发明的另一个方面，提供一种氮化物基发光装置的制造方法，该氮化物基发光装置具有发光结构，其是n-型复合层、有源层和P-型复合层依次层叠在衬底上的结构，所述方法包括：(a)使用透明导电氧化物，在发光结构的P-型复合层上形成电阻性接触层；(b)把操作(a)所得到的结构加以退火，在操作(a)中，透明导电氧化物选自镓、铟和氧作为主要成分的第一透明导电氧化物，包含锌、铟和氧作为主要成分的第二透明导电氧化物，包含镓、铟、锡和氧作为主要成分的第三透明导电氧化物，以及包含锌、铟、锡和氧作为主要成分的第四透明导电氧化物组成一组的一种。
电阻性接触层可以包括至少一种作为透明导电氧化物掺杂剂以调整电阻性接触层电特性的金属。
该方法可以进一步包括在电阻性接触层上形成的金属覆盖层，该金属覆盖层使用选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组中的至少一种制成
该方法可以进一步包括在电阻性接触层上形成的反射层，该反射层使用选自Ag，Al，Zn，Mg，Ru，Ti，Rh，Cr和Pt组成的一组中的至少一种制成。
该方法可以进一步包括在反射层上形成保护层，该保护层使用选自下列一组中的一种组成：选自Ni，Pt，Pd，Cu，和Zn组成的一组中的至少一种元素；选自Ni，Pt，Pd，Cu和Zn组成的一组的至少一种元素的化合物；以及TiN。
该方法可以进一步包括在P-型复合层和电阻性接触层之间形成金属夹层，金属夹层使用选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组中的至少一种制成。
操作(b)的退火可以在100到800℃下进行10秒到3小时。
操作(b)的退火可以在选自氮、氩、氦、氧、氢和空气的至少一种气氛下，在含有操作(a)所得结构的反应器中进行。
附图的简要说明
通过参考附图对其典型实施例做具体的描述，本发明的上述和其它特征以及优点会变得更为明显，其中：
图1是根据本发明第一实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图2是根据本发明第二实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图3是根据本发明第三实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图4是根据本发明第四实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图5是根据本发明第五实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图6是根据本发明第六实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图；
图7是根据本发明第七实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图。
本发明的详细说明
在下文中，将参考附图详细说明根据本发明典型实施例的氮化物基发光装置及其制造方法。
在整个说明书中相同的参考数字表示相同的构成元件。
图1是根据本发明第一实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图1，本发明第一实施例的发光装置具有衬底110、缓冲层120、n-型复合层130、有源层140、P-型复合层150以及电阻性接触层230的依次层叠的结构。参考数字180是P-型电极极板，参考数字190是n-型电极极板。
从衬底110到P-型复合层150排列的结构对应于发光结构，在P-型复合层150上形成的结构对应于P-型电极结构。
优选地，衬底110可由选自蓝宝石(Al2O3)、金刚砂(SiC)、硅(Si)和砷化镓制成。
缓冲层120可以被省略。
经由P-型复合层150的缓冲层120，实质上由公式AlxInyGazN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤x+y+z≤1)表示的III族氮化物基化合物制成。N-型复合层130和P-型复合层150可以包含适当的掺杂剂。
有源层140可以以诸如单层或多量子阱(MQW)层等公知的各种结构之一形成。
例如，在使用GaN化合物的情况下，缓冲层120由GaN制成，n-型复合层130由GaN掺杂诸如Si，Ge，Se和Te等n-型掺杂剂制成，有源层140由InGaN/GaN MQW或AlGaN/GaN MQW构成，以及P-型复合层150由GaN掺杂诸如Mg，Zn，Ca，Sr和Ba等P-型掺杂剂制成。
n-型电阻性接触层(没有示出)可以***到n-型复合层130与n-型电极极板190之间。n-型电阻性接触层可以形成诸如钛(Ti)和铝(Al)的依次层叠结构的公知各种的结构之一。
P-型电极极板180可以具有镍(Ni)/金(Au)或银(Ag)/Au的依次层叠的结构。
上述的层可以通过电子束蒸发，PVD(物理气相淀积)，CVD(化学气相淀积)，PLD(等离子体激光沉积)，双型热蒸发，溅射或类似的方法来形成。
被用作P-型电极结构的电阻性接触层230，由具有比ITO的功函数4.7eV更高功函数的透明导电氧化物制成。
优选地，满足这个要求的透明导电氧化物，是下述的第一至第四透明导电氧化物中的一种。
第一透明导电氧化物具有5.1eV的功函数和包括镓(Ga)-铟(In)-氧(O)作为主要成分。
第二透明导电氧化物具有5.1eV的功函数和包括锌(Zn)-铟(In)-氧(O)作为主要成分。
第三透明导电氧化物具有5.4eV的功函数和包括镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)-氧(O)作为主要成分。
第四透明导电氧化物具有6.1eV的功函数和包括锌(Zn)-铟(In)-锡(Sn)-氧(O)作为主要成分。
组成第一到第四透明导电氧化物的主要成分的比例没有特别的限制。
优选地，电阻性接触层230可以包括元素周期表的至少一种金属作为透明导电氧化物的掺杂剂，使得和P-型氮化镓容易形成良好的电阻性接触。
以透明导电氧化物为基础，掺杂剂的用量为0.01到20wt％，以允许电阻性接触层230具有合适的电特性。这里，术语“wt％”表示添加成分的重量比。
优选地，电阻性接触层230具有1到1000nm的厚度。
优选地，电阻性接触层230通过使用电子束蒸发、热蒸发、溅射沉积或等离子体激光沉积来沉积作为原材料的上述材料形成。
电阻性接触层230在20到1500℃的沉积温度以及在大气压到10-12托的沉积压力下形成。
形成电阻性接触层230之后，进行退火。
在真空或大气压下，在100到800℃的反应器中进行退火10秒到3小时。
在退火期间供给反应器气体，该气体可以选自氮、氩、氦、氧、氢和空气中的至少一种。
图2是根据本发明第二实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图2，和本发明第一实施例的发光装置相比，本发明第二实施例的发光装置在电阻性接触层230上进一步包括金属覆盖层240。
这里，P-型电极结构包括电阻性接触层230的和金属覆盖层240。
金属覆盖层240由一种材料制成，该材料能够调整构成电阻性接触层230的透明导电氧化物的电特性(例如薄膜电阻)。
换句话说，金属覆盖层240是由一种材料制成，该材料能够形成另外一种透明导电氧化物并且促使镓化物(gallide)形成，该镓化物(gallide)是一种镓基化合物，通过沉积后的退火，从而增加氮化镓层顶部的有效载流子(空穴)的浓度。
满足上述要求的金属覆盖层240的材料选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组中的至少一种制成。
金属覆盖层240具有1到1000nm的厚度。
图3是根据本发明第三实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图3，和本发明第一实施例的发光装置相比，本发明第三实施例的发光装置在电阻性接触层230与P-型复合层150之间进一步包括金属夹层220。
这里，P-型电极结构包含金属夹层220和电阻性接触层230。
优选地，和上面所描述的金属覆盖层240一样，金属夹层220由一种材料制成，这种材料通过沉积后的退火，从而增加了氮化镓层顶部的有效载流子(空穴)的浓度，能够形成另外一种透明导电氧化物并且促使镓化物(gallide)形成，该镓化物(gallide)是一种镓基化合物。
用于金属夹层220的材料，满足上述要求，其由选自Ni，NixOy，Au，Pt，Pd，Mg，Cu，CuxOy，Zn，Ag，Sc，Co，CoxOy，Rh，Li，Be，Ca，Ru，Re，Ti，Ta，Na和La组成的一组中的一种；两个或更多个前述元素的合金或固溶体；一个或更多个前述元素的氧化物构成。
金属夹层220能够调整电阻性接触层230和P-型复合层150的载流子浓度，同时，通过退火能够形成另外的透明导电氧化物和一种镓化物(gallide)。因此，能够实现与P-型复合层150的更好的电阻性接触。
优选地，金属夹层220具有1到1000nm的厚度。
图4是根据本发明第四实施例的含有P-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图4，本发明的第四实施例的发光装置在电阻性接触层230上包含反射层250。
这里，P-型电极结构包含电阻性接触层230和反射层250。
反射层250习惯上配有倒装晶片发光装置并且可以由选自Ag，Al，Zn，Mg，Ru，Ti，Rh，Cr和Pt组成一组的至少一种制成。
反射层250具有10到2000nm的厚度。
反射层250还可以加到如图2和3所示的发光装置中。换句话说，在图2所示的发光装置中，反射层250可以使用上面所描述的材料在金属覆盖层240之上形成。在图3所示的发光装置中，反射层250可以使用上面描述的材料在电阻性接触层230的上面形成。
图5是根据本发明第五实施例的包含P-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图5，本发明第五实施例的发光装置在电阻性接触层230上具有依次层叠反射层250和保护层260的结构。
保护层260用来增加P-型电极极板180的粘接，以及在倒装晶片发光装置结构中通过防止反射层250氧化增加其耐久性。
保护层260由选自下列一组中的一种成分组成：选自Au，Ni，Pt，Pd，Cu，和Zn组成的一组的至少一种元素；选自Au，Ni，Pt，Pd，Cu和Zn组成的一组的至少一种元素的化合物；以及TiN。
图6是根据本发明第六实施例的包含p-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图6，本发明第六实施例的发光装置在电阻性接触层230上具有依次层叠金属覆盖层240、反射层250以及保护层260的结构。
这里，P-型电极结构包括电阻性接触层230、金属覆盖层240、反射层250以及保护层260。
图6中所示的各层由上述材料制成。
图7是根据本发明第七实施例的包含p-型电极结构的发光装置的截面图。
参考图7，与图3的发光装置相比，本发明第七实施例的发光装置进一步包括反射层250和保护层260。
图7所示的各层由上述材料制成。
同时，退火后，参照图1，利用上述沉积方法，在发光结构上通过依次沉积p-型结构的相应层来制造图1～7所述的发光装置，其中，发光结构为衬底110到p-型复合层150。
通过退火，发光装置的电流-电压特性能够得到提高。
正如上面的清楚的描述，根据氮化物基发光装置及其根据本发明的同样的制造方法，使用具有相对高的功函数的透明导电薄膜电极，提高了带有P-型复合层的电阻性接触特性，因此确保了优秀的电流-电压特性。此外，透明导电薄膜电极层的高的光透射率能够增加装置的发射效率。
Claims (20)
1.一种氮化物基发光装置，其含有在n-型复合层与p-型复合层之间的有源层，
其中，在p-型复合层上形成由透明导电氧化物制成的电阻性接触层，
所述透明导电氧化物为选自下组的一种：由镓、铟和氧组成的第一透明导电氧化物，由锌、铟和氧组成的第二透明导电氧化物，和由镓、铟、锡和氧组成的第三透明导电氧化物。
2.如权利要求1所述的氮化物基发光装置，其中所述电阻性接触层包含至少一种金属作为透明导电氧化物的掺杂剂以调节电阻性接触层的电特性。
3.如权利要求2所述的氮化物基发光装置，其中掺杂剂使用的量为基于透明导电氧化物的0.001至20wt％。
4.如权利要求1所述的氮化物基发光装置，在电阻性接触层上进一步包括反射层，该反射层由选自下组的至少一种制成：Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr和Pt。
5.如权利要求4所述的氮化物基发光装置，在发射层上进一步包括保护层，该保护层由选自下组中的一种制成：选自Ni、Pt、Pd、Cu和Zn的至少一种元素；包含选自Ni、Pt、Pd、Cu和Zn的至少一种元素的化合物；以及TiN。
6.如权利要求1所述的氮化物基发光装置，在电阻性接触层上进一步包括金属覆盖层，该金属覆盖层由选自下组的至少一种制成：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
7.如权利要求1所述的氮化物基发光装置，进一步包括在p-型复合层与电阻性接触层之间的金属夹层，该金属夹层由选自下组的至少一种制成：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
8.如权利要求4所述的氮化物基发光装置，进一步包括在p-型复合层与电阻性接触层之间的金属夹层，该金属夹层由选自下组的至少一种制成：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
9.如权利要求5所述的氮化物基发光装置，进一步包括在p-型复合层与电阻性接触层之间的金属夹层，该金属夹层由选自下组的至少一种制成：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
10.如权利要求6所述的氮化物基发光装置，进一步包括在p-型复合层与电阻性接触层之间的金属夹层，该金属夹层由选自下组的至少一种制成：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
11.一种具有发光结构的氮化物基发光装置的制造方法，该发光结构包括依次层叠在衬底上的n-型复合层、有源层和p-型复合层，该方法包括：
a使用透明导电氧化物，在发光结构的p-型复合层上形成电阻性接触层；和
b对操作a产生的结构进行退火；
其中，在操作a中，透明导电氧化物为选自下组的一种：由镓、铟和氧组成的第一透明导电氧化物，由锌、铟和氧组成的第二透明导电氧化物，和由镓、铟、锡和氧组成的第三透明导电氧化物。
12.如权利要求11所述的方法，其中，电阻性接触层包括至少一种金属作为透明导电氧化物的掺杂剂以调节电阻性接触层的电特性。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在操作a中，掺杂剂使用的量为基于透明导电氧化物的0.001～20wt％。
14.如权利要求11所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在电阻性接触层上形成金属覆盖层：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
15.如权利要求11所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在电阻性接触层上形成反射层：Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr和Pt。
16.如权利要求15所述的方法，其还包括使用选自下组的一种在反射层上形成保护层：选自Ni、Pt、Pd、Cu和Zn的至少一种元素；包含选自Ni、Pt、Pd、Cu和Zn的至少一种元素的化合物；和TiN。
17.如权利要求11所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在p-型复合层与电阻性接触层之间形成金属夹层：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
18.如权利要求14所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在p-型复合层与电阻性接触层之间形成金属夹层：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
19.如权利要求15所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在p-型复合层与电阻性接触层之间形成金属夹层：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
20.如权利要求16所述的方法，其还包括使用选自下组的至少一种在p-型复合层与电阻性接触层之间形成金属夹层：Ni、NixOy、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、CuxOy、Zn、Ag、Sc、Co、CoxOy、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na和La。
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