CN101350392A

CN101350392A - 纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极及其制备方法

Info

Publication number: CN101350392A
Application number: CNA2008101968194A
Authority: CN
Inventors: 汪连山; 戴科辉; 黄德修
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: CN101350392B

Abstract

本发明公开了一种纳米图案p型III族氮化物欧姆接触电极及制备方法。纳米图案导电层为蜂窝形膜层，形成于p型III族氮化物之上，导电覆盖层沉积在纳米图案导电层上，覆盖层沉积在纳米图案导电层的纳米微孔内的部分与p型III族氮化物接触。这种新型纳米图案电极可以使接触界面处Schottky势垒高度在横向呈非均匀分布，致使整体有效势垒高度下降，有利于形成良好的欧姆接触。将其用于III族氮化物基系列的光发射器件，可以改善其电流横向扩展而提高其发光效率，同时这种新型图案电极与传统的平板电极相比具有很高的光提取效率，有利于提高发光亮度。

Description

纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体发光器件，光电器件和电子器件，具体涉及一种纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极及其制备方法。本发明适用于半导体发光器件，光电器件和电子器件，特别是适用于III族氮化物基等宽禁带半导体发光二极管的制备。

背景技术

作为宽禁带材料，氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAlN)、氮化镓铟(InGaN)、及氮化镓铝铟(InAlGaN)等III族氮化物材料具有如高热导率，高介电常数，高电子饱和迁移速率和高化学稳定性等优良的特性，这些使得此系列材料在短波长发光器件、紫外探测器、大功率微波器件和耐高温度电子器件等方面拥有巨大的应用前景。

由于p型GaN的高掺杂一直无法有效地突破，同时自然界中又找不到一种功函数大于p型GaN功函数(～6.12eV)的金属，使得制作低阻p型GaN欧姆接触比较困难。目前对p型GaN广泛采用的Ni/Au欧姆接触在空气或氧气中退火处理后可获得小于～10^-4Ωcm²的低比接触电阻率(J.K Kim，et al.Appl.Phys.Lett，vol.73，pp.2953，1998；L.C Chen，et al.Appl.Phys.Lett.，vol.76，pp.3703，2000)。但这种传统的p型Ni/Au欧姆接触电极因其低的透光率而使得大部分光子不能逃逸出电极表面，从而影响了发光器件的光输出功率和亮度。

为减小III族氮化物基发光器件中p型欧姆接触对外量子效率的影响，具有良好的透光率的透明导电氧化物p型欧姆接触被提出，这些透明导电氧化物方案如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.Letts，vol.80，pp.2937，2002)，IZO(indium-oxide-doped ZnO)(J.H Lim，et al.Appl.Phys.Letts，vol.85，pp.6191，2004)，ZnNi/ITO(S.W.Chae，et al.Appl.Phys.Letts，vol.90，pp.181101，2007)，ITO(J.S.Jang，et al.J.Appl.Phys，vol.101，pp.013711，2007)等。同时，为增大III族氮化物基发光二极管的出光效率，人们也提出电极表面纹路化(texturing)方法(P.Shyi-Ming et al.Photo.Tech.Letts，vol.15，pp.649，2003；S.J Chang，et al.Appl.Phys.Letts，vol.91，pp.013504，2007)。

近年来，在p型III族氮化物欧姆研究中人们还发现在进行退火处理的过程中位于金属与p型GaN接触界面处常有纳米颗粒产生(J.O.Song，et al.Appl.Phys.Letts，vol.84，pp.4663，2004；D.Qiao，et al.J.Appl.Phys，vol.88，pp.4196，2000)，而因这种纳米颗粒的形成而引起的肖特基势垒高度在接触面内不均等则有助于降低欧姆接触的接触电阻(R.T.Tung，Phys.Rev.B，vol.45，pp.13509，1992)。目前，金属与p型III族氮化物接触界面的纳米颗粒都是在退火处理中产生，这些纳米颗粒的形成大多并非人们有意而为之，且其分布不均，大小不一，这种随机性并不能使所产生的界面肖特基势垒高度在接触面内不均等以最好地减小接触电阻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极，该电极不仅可以有效地降低电极与p型III族氮化物半导体的接触电阻，改善III族氮化物基器件电学性能，还可以提高III族氮化物基发光器件的取光效率，优化器件光学特性；本发明还提供了该欧姆接触电极的制备方法。

本发明提供的纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极，氮化物为III族氮化物，其特征在于：它包括纳米图案导电层和导电覆盖层，纳米图案导电层为蜂窝形膜层，形成于p型III族氮化物之上，纳米图案导电层的纳米凹坑的深宽比r的取值范围为：在0＜r≤1.5；导电覆盖层沉积在纳米图案导电层上，导电覆盖层沉积在纳米图案导电层纳米微孔内的部分与p型III族氮化物接触；

纳米图案导电层和导电覆盖层的材料至少有一种为能够容易与p型III族氮化物形成欧姆接触的材料。

上述纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极的制备方法，包括：

步骤一在p型III族氮化物上沉积一层导电材料，厚度为1～100nm；

步骤二将微孔孔径范围为10nm-500nm的阳极氧化铝纳米模板覆盖于上述导电层之上，并进行刻蚀，刻蚀厚度到刚好露出p型III族氮化物，使原导电层形成纳米图案导电层；

步骤三在上述纳米图案导电层上沉积一层与步骤一材料不同的导电材料，作为导电覆盖层。

本发明利用具有不同功函数的欧姆接触材料(包括金属、金属氧化物或合金等)在p型III族氮化物半导体表面形成交替分布纳米结构，造成界面附近肖特基势垒横向分布不均匀，可减小整体有效势垒高度，从而得到具有较低的比接触电阻率的p型III族氮化物半导体欧姆接触；这种结构的欧姆接触电极表面具有纳米结构图案，表面有纳米凹坑，有利于提高发光二极管(LED)光提取效率。

本发明可大幅改善发光器件的性能，具有以下有益效果：(1)利用本发明提供的新型电极结构，可以有效降低p型III族氮化物半导体欧姆接触电阻，同时可以使注入芯片表面的电流横向分布更加均匀，解决传统的III族氮化物发光器件p型欧姆接触不好和电流横向不均的问题；(2)采用透明或半透明导电材料形成欧姆接触时，由于电流横向分布均匀和电极粗化的表面，光子取出效率得到提高，从而发光器件的外量子效率得到相应提高。

本发明提供的新型纳米图案电极结构，具有良好的取光特性，可广泛应于短波长发光器件如GaN基发光二极管(LED)，不仅可以与p型氮化镓的形成良好的欧姆接触，又能较大程度地改善电流横向分布和提高出光效率。也可将其应用于其他基于宽带半导体材料的电子器件或光电器件中，藉以提高这些器件的电学性能和可靠性。因而本发明具有很好的产业应用价值。

附图说明

图1是含有根据本发明实施例制作的电极的氮化物半导体发光器件外延片截面示意图；

图2是在p型氮化镓上制作纳米图案电极过程示意图。

具体实施方式

本发明提供的新型纳米图案p型III族氮化物半导体欧姆接触电极可以用于III族氮化物基发光器件以降低接触电阻，提高发光亮度和改善发光均匀性。下面将结合附图对欧姆接触电极的结构和制作方法进行详细地说明，以使对本发明有更细致的了解。下面的介绍仅用来阐述说明本发明，非据此以对本发明的实现方法做任何形式的限制，故凡是以本发明基本思想为基础，而对本发明作任何形式的修饰或修改，都应归属本发明意图保护的知识产权范畴。

本发明提供的纳米图案p型III族氮化物半导体欧姆接触电极结构的结构特征在于呈周期阵列式分布的两种及以上不同导电材料直接与p型III族氮化物接触并形成欧姆接触。如图1所示，本发明欧姆接触电极的结构为：纳米图案导电层60为蜂窝形膜层，形成于p型III族氮化物50之上；导电覆盖层70沉积在纳米图案导电层60上，导电覆盖层70沉积在纳米图案导电层60纳米微孔内的部分与p型III族氮化物50接触，纳米图案导电层60和导电覆盖层70在p型III族氮化物50上呈纳米尺寸的周期交替分布。

图1是包含根据本发明实施例制作的电极的顶发射型氮化镓基发光器件截面示意图。其中包括衬底10，生长在衬底10上的缓冲层20，生长在缓冲层20上的n型III族氮化物30，生长在n型III族氮化物30上的有源层40，生长在有源层40上的p型III族氮化物50，沉积在p型III族氮化物50上的欧姆接触层90；欧姆接触层90由纳米图案层60和导电覆盖层70构成。n型欧姆接触电极焊盘80沉积于干法刻蚀后露出的n型III族氮化物30上，p型欧姆接触电极焊盘100连接在p型欧姆接触层90上。

以下是对在p型III族氮化物50上制作纳米图案欧姆接触电极的过程的描述：

实例一

1.在p型III族氮化物501上，利用电子束蒸发沉积厚度为10nm的金(Au)601a，如图2a所示。

2.将纳米微孔直径为100nm的阳极氧化铝(AAO)模板覆盖于Au层601a之上，采用感应耦合等离子体(ICP)对p型III氮化物501上的Au层601a进行刻蚀，如图2b所示。刻蚀深度直到刚好露出p型III族氮化物501，d在p型III氮化物501上形成Au纳米图案导电层601，得到的结构截面和表面分别如图2c-1和图2c-2所示。

3.通过电子束蒸发在Au纳米图案导电层601上沉积20nm金属镍(Ni)701，形成结构如图2d所示。

4.最后对沉积在p型III氮化镓501上由Au纳米图案层601和Ni覆盖层701所构成的电极在400℃的空气氛围中快速退火1分钟，藉以改善接触界面特性、电学特性与光学特性。

实例二

1.在p型III族氮化物上，利用电子束蒸发沉积厚度为10nm的Ni，然后在400℃的氧气氛围中进行快速退火3分钟，以对金属Ni进行预氧化形成NiO层。

2.将纳米微孔直径为100nm的阳极氧化铝(AAO)模板覆盖于NiO层之上，采用感应耦合等离子体(ICP)对p型III氮化物上的NiO层进行刻蚀。刻蚀深度直到刚好露出p型III族氮化物，在p型III氮化物上形成NiO纳米图案导电层。

3.通过电子束蒸发在NiO纳米图案导电层上沉积40nm铟锡氧化物(ITO)。

4.最后对沉积在p型III氮化镓上由NiO纳米图案层和ITO覆盖层所构成的电极在600℃的氧气氛围中快速退火1分钟，藉以改善接触界面特性、电学特性与光学特性。

其中，考虑到纳米图案层60和导电覆盖层70都直接与p型III族氮化物50直接接触，它们至少有一种是易于与p型III族氮化物50形成欧姆接触的材料，如金属薄膜或导电金属氧化物或导电氮化物。金属薄膜可以是包含Ni、Co、Cu、Pd、Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Cr、Rh、In、Sn、Mg、Zn、Be、Sr、Ba、Ta、Ti及合金和固溶体中的材料形成。导电金属氧化物可由In、Sn、Zn、Ga、Ce、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ru、Ir、Rh、W、Co、Ni、Mn、Al和镧系金属等经热处理氧化后形成，也可以直接是掺杂的导电金属氧化物，导电氮化物可以是氮化钛或氮化钽。

若需更好地提高III族氮化物基发光器件中的取光效率，纳米图案层60和导电覆盖层70可选择透明的导电金属氧化物。这种透明导电金属氧化物可以是退火氧化后仍保持导电特性的透明金属氧化物，如钌(Ru)、铱(Ir)、镍(Ni)、铜(Cu)的氧化物等，也可以是直接透明的金属氧化物，如氧化钌(RuO)、氧化铱(IrO)、氧化镍(NiO)、氧化铜(CuO)、氧化铟掺杂锡[InO(Sn)]、氧化锡掺杂锑[SnO(Sb)]、氧化锡掺杂氟[SnO(F)]、三氧化二锌掺杂铝[ZnO(Al)]、氧化锡掺杂铝[ZnO(Al)]、氧化锌掺杂镓[ZnO(Ga)]等。

又，考虑到后面第二导电层的沉积到导电层纳米图案60的凹坑中，凹坑应具有合适的深宽比，以确保在沉积导电覆盖层70时原子可以落到p型III族氮化物表面。因此沉积导电层时必须结合ICP刻蚀所用阳极氧化铝(AAO)纳米模板微孔孔径大小，选择合适的厚度，使进行ICP刻蚀后形成的导电层纳米凹坑深宽比r的取值范围为：0＜r＜1.5。

又，本发明刻蚀形成纳米图案所采用的阳极氧化铝(AAO)纳米掩模板的孔径为10nm-500nm，纳米微孔呈周期性均匀分布。

最后对制备好的新型纳米图案p型III族氮化物电极在合适的温度和氛围下进行热处理，以进行一步改善接触界面特性，提高其欧姆接触特性和使用寿命；同时也可以改善其光学特性，增大其取光效率。在此之前，为得到更好欧姆接触，也可在刻蚀纳米图案前对已沉积的导电层，在合适的温度和氛围下进行热处理，使导电层与p型III族氮化物形成良好的欧姆接触。本发明实施过程中的热处理可以是在从室温到1000℃温度范围内，置于氮、氧、氩、氦、氢和空气中选择的至少一种气体氛围中或在真空下进行1秒到4小时的热处理。

上述纳米图案多导电层电极结构亦适用于其他n型半导体材料的欧姆接触。

基于上述说明，本发明巧妙地在p型III族氮化物上实现新型纳米图案电极，在金属与半导体界面处形成Schottky势垒高度非均匀分布，藉此降低接触界面处整体有效势垒高度，改善欧姆接触性能。这种电极应用于短波长的发光元件，如蓝光发光二极管(LED)，不仅可以形成良好的欧姆接触，还能改善电流横向均匀分布而提高发光均匀性与可靠性，同时还具有很高的取光效率。另外，由于这种新型纳米图案电极首先是为了改善III族氮化物等宽禁带半导体材料的欧姆接触性能而提出，所以亦可应用于其他基于宽禁带半导体材料(如ZnO，SiC及其合金等)的电子器件或光电器件，藉以提高这些器件的电学性能和可靠性。因此发明具有极高的产业利用价值。

Claims

1、一种纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极，氮化物为III族氮化物，其特征在于：它包括纳米图案导电层(60)和导电覆盖层(70)，纳米图案导电层(60)为蜂窝形膜层，形成于p型III族氮化物(50)之上，纳米图案导电层(60)的纳米凹坑的深宽比r的取值范围为：在0＜r≤1.5；导电覆盖层(70)沉积在纳米图案导电层(60)上，导电覆盖层(70)沉积在纳米图案导电层(60)纳米微孔内的部分与p型III族氮化物(50)接触；

纳米图案导电层(60)和导电覆盖层(70)的材料至少有一种为能够与p型III族氮化物形成欧姆接触的材料。

2、根据权利要求1所述的纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极，其特征在于，纳米图案导电层(60)和导电覆盖层(70)的材料至少有一种为透明的导电金属氧化物。

3、根据权利要求1或2所述的纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极，其特征在于，导电覆盖层(70)上还可沉积有一层或多层导电材料。

4、权利要求1所述的纳米图案p型氮化物半导体欧姆接触电极的制备方法，包括：

5、根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，该方法还包括：

步骤四对沉积在p型III族氮化物上由纳米图案导电层和导电覆盖层所构成的电极进行热处理。

6、根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，阳极氧化铝纳米模板按照下述过程制备：在步骤一的导电材料上沉积一层铝，然后利用常规的两步阳极氧化法制备。

7、根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，将沉积的导电材料置于氮、氧、氩、氦、氢或空气中，或者在真空下进行热处理。

8、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，将沉积的导电材料置于氮、氧、氩、氦、氢或空气中，或者在真空下进行热处理。