TWI397196B - 氮化物半導體發光元件之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種在p型氮化物半導體磊晶層上形成p型電極的氮化物半導體發光元件之製造方法，特別係有關於可減小p型電極的接觸電阻率之氮化物半導體發光元件之製造方法。
在氮化物半導體發光元件中進行超過200mW的高輸出操作時，在長時間的通電試驗中操作電壓的上升成為問題。為了解決此問題，需要在低電阻具有一致的接觸特性之p型電極。工作函數大的Pd被認為高度可能做為滿足此要求的電極材料。
做為在GaN等的氮化物半導體表面上形成以Pd為主體的電極之方法，例如專利文獻1~5，已知係在GaN上蒸鍍Pd，並進一步形成多層構造的電極之後，實行熱處理的方法。在下面，將電極的層構造標記為A/B/C，這是表示從基板側起依照A、B、C的順序積層。
在專利文獻1、2中係記載使用氫吸收金屬的Pd做為p型電極。從而，可將氫從氮化物半導體吸出，增大p型載子濃度，以減低接觸電阻率。又，記載在Pd電極上形成Mo層以做為阻障層。可防止在以高融點金屬的Mo覆蓋時由熱處理造成的不均勻。又，雖然Mo似乎扮演促進界面反應的角色，但無法完全理解此角色。
在專利文獻3中係記載使用Pd/z/Au做為P型電極，z係Pt、Ru、Rh、Os、Ir、Ag的任一種。從而，經由p型電極及GaN的反應，氮被吸出，且載子濃度的下降被抑制。
在專利文獻4中係記載在含有氧的空氣中對Pd/Au或Au/Pd的p型電極熱處理。經由在此種含有氧的空氣中熱處理，可減低接觸電阻率。
在專利文獻5中係記載使用Pd/z/Au做為p型電極，z係Mo、Pt、W、Ir、Rh、Ru的任一個，且在形成Au層之前於真空、N2
或Ar的空氣中實行熱處理。利用在此種2層構造的狀態中實行熱處理，可有效地除去在成長時進入GaN內的氫。
[專利文獻1]特許3519950號公報
[專利文獻2]特許3579294號公報
[專利文獻3]特許3233258號公報
[專利文獻4]特許3309745號公報
[專利文獻5]特開2004-95798號公報
目前為止，難以在P型電極中穩定地在整個晶圓上得到比1E-3Ωcm2
低的接觸電阻率。因此，氮化物半導體發光元件，特別是以200mW以上的光輸出操作雷射二極體時，因為導致由p型電極引起的劣化，難以在整個晶圓上穩定地得到良品。
為了解決上述問題，本發明之目的在於得到一種氮化物半導體發光元件之製造方法，其可減小p型電極的接觸電阻率。
本發明的氮化物半導體發光元件之製造方法係包括：形成在基板上積層n型氮化物半導體磊晶層、活性層、p型氮化物半導體磊晶層之半導體積層構造的步驟；在前述p型氮化物半導體磊晶層上形成具有包含Pd的第1電極層與包含Ta的第2電極層之p型電極的步驟；在形成前述p型電極之後，在包含氧的空氣中以400℃~600℃實行熱處理的步驟；及在實行熱處理之後，在前述p型電極上形成包含Au的焊墊電極的步驟。本發明之其他特徵被闡明如下。
經由本發明，可減小p型電極的接觸電阻率。結果，可得到可能高輸出操作之經時劣化少的長壽命的雷射二極體。又，利用在形成絕緣膜的製程之前蒸鍍電極金屬，可抑制電極剝落，且可高產率地得到可能高輸出操作之經時劣化少的長壽命的雷射二極體。
以下，以氮化物半導體雷射二極體為例，使用圖式說明關於本發明之實施例的氮化物半導體發光元件之製造方法。另外，在各圖式中，相同或相當的部分標示相同的符號，並簡化或省略其說明。
圖1係繪示實施例1的氮化物半導體雷射二極體的剖面圖。在GaN基板1(基板)的一主面之Ga面上形成n型GaN緩衝層2。此n型GaN緩衝層2係被形成以減低GaN基板1表面的凹凸，且儘可能平坦地積層其上層。然後，在此n型GaN緩衝層2上形成n型AlGaN被覆層3。
在n型AlGaN被覆層3上依序積層n型GaN光導層4、未摻雜的InGaN光導層5以做為n側光導層。在InGaN光導層5上形成未摻雜的Inx
Ga1-x
N/Iny
Ga1-y
N(0<x、y<1)多重量子井構造的活性層6。
在活性層6上依序積層做為p側光導層的未摻雜Inx
Ga1-x
N(0<x<1)光波導層7、p型AlGaN電子障壁層8、做為p側光導層的p型GaN光導層9、p型AlGaN被覆層10、p型GaN接觸層11(p型氮化物半導體磊晶層)。
在此，n型GaN緩衝層2的厚度係例如1μm，且摻雜例如Si以做為n型不純物。n型AlGaN被覆層3的厚度係例如2.0μm，並摻雜例如Si以做為n型不純物，且Al組成比係例如0.05。n型GaN光導層4的厚度係例如100nm。未摻雜的InGaN光導層5的厚度係例如7nm，且In組成比係例如0.02。
活性層6包括將做為障壁層的Inx
Ga1-x
N層及做為井層的Iny
Ga1-y
N層交互積層的構造，井的數目係例如3。Inx
Ga1-x
N層的厚度係例如7nm，且組成比x係0.02。Iny
Ga1-y
N層的厚度係例如3.5nm，且組成比y係0.14。
未摻雜Inx
Ga1-x
N光波導層7的厚度係例如2.0nm，且In組成比x係例如0.02。p型AlGaN電子障壁層8的厚度係例如10nm，且Al組成比係例如0.18。p型GaN光導層9的厚度係例如100nm。p型AlGaN被覆層10的厚度係例如400nm，並摻雜例如Mg以做為p型不純物，且Al組成比係例如0.07。p型GaN接觸層11的厚度係例如100nm，並摻雜例如Mg以做為p型不純物，且為了得到相當低的接觸電阻，載子濃度係2E17cm-3
以上，最好可為5E17cm-3
以上。
在p型AlGaN被覆層10及p型GaN接觸層11上，朝向例如<1-100>方向，經由蝕刻形成脊部12。脊部12的寬度係例如2.0μm。在此，脊部12係被形成在對應於條紋狀地在GaN基板1上被形成的數μm~數十μm寬的高位錯區域之間的低缺陷區域的位置。
為了保護脊部12的側面部及脊部水平底面部的表面及電氣絕緣，形成例如厚200nm的SiO2
膜13(絕緣膜)以覆蓋脊部12。在此SiO2
膜13上，在對應於脊部12的上表面之部分形成開口14。經由此開口14，p型電極15被電氣地連接至p型GaN接觸層11。
p型電極15係依序積層膜厚50nm的Pd層16(第1電極層)及膜厚20nm的Ta層17(第2電極層)的構造。在此p型電極15上形成Ti/Ta/Au構造之打線接合用的焊墊電極18。另外，也可使用PdTa合金以取代Pd層16做為第1電極層。
又，在GaN基板1的背面形成n型電極19。此n型電極19成為例如依序積層Ti/Pt/Au膜的構造。
其次，說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法。
首先，如圖2所示，在預先經由熱清洗使表面清潔的GaN基板1的Ga面上，經由有機金屬化學氣相沈積(MOCVD)法，在例如1000℃的成長溫度下成長n型GaN緩衝層2。其次，經由MOCVD法，依序積層n型AlGaN被覆層3、n型GaN光導層4及未摻雜的InGaN光導層5、未摻雜的Inx
Ga1-x
N/Iny
Ga1-y
N多重量子井活性層6、未摻雜InGaN光波導層7、p型AlGaN電子障壁層8、p型GaN光導層9、p型AlGaN被覆層10、及p型GaN接觸層11。在此，舉例而言，n型AlGaN被覆層3及n型GaN光導層4的成長溫度為1000℃，從未摻雜InGaN光波導層7起至未摻雜InGaN光波導層7的成長溫度為740℃，從p型AlGaN電子障壁層8起至p型GaN接觸層11的成長溫度為1000℃。
其次，如圖3所示，在實行上述結晶成長的整個晶圓上塗佈光阻，經由微影法(照相製板技術)，形成預定形狀的光阻圖案21。
接著，如圖4所示，以光阻圖案21做為罩幕，經由RIE(Reactive Ion Etching)法等，將p型氮化物半導體磊晶層非等向性蝕刻至p型AlGaN被覆層10內，以形成成為光波導構造的脊部12。使用例如氯氣做為蝕刻氣體。另外，做為蝕刻罩幕，經由使用SiO2
膜等的絕緣膜罩幕取代光阻圖案21，可使蝕刻形狀更加垂直。
其次，如圖5所示，殘留光阻圖案21，經由CVD法、真空蒸鍍法、濺鍍法等，在整面上形成厚0.2μm的SiO2
膜13以覆蓋脊部12。
接著，在整面上形成光阻(未圖示)。然後，如圖6所示，經由回蝕刻在脊部12的上表面中同時除去SiO2
膜13及光阻圖案21以形成開口14。
其次，經由微影技術等，在包含脊部12的區域形成具有開口的光阻圖案(未圖示)。其後，如圖7所示，在整面上經由例如電子束(EB)蒸鍍法依序形成Pd層16及Ta層17以做為p型電極15。Pd層16的膜厚可為约20~100nm，Ta層17的膜厚係為了得到防止Pd層16不平整的阻障效果而可為约10~20nm。不過，最好使Pd層16的膜厚成為Ta層17的膜厚之至少2倍以上，且更好是使Pd層16的膜厚為30nm以上。然後，經由剝離除去光阻圖案上的Pd層16及Ta層17。
其次，使用RTA裝置等，最好在溫度约400℃~600℃的範圍內，更好係在溫度约450℃~550℃的範圍內實行熱處理。在此為500℃。做為空氣係使用以氧或包含氧做為構成元素的氣體與惰性氣體的混合氣體。氧含量最好係5%以上且小於50%，更好係10%以上且小於30%。在此係使用80%的氮及20%的氧之空氣。又，最好使溫度上升速度為10℃/sec以上。在此為20℃/sec。熱處理的時間可為1分鐘以上，在此為2分鐘。
其次，經由轉寫形成圖案後，利用剝離形成隔離用的SiO2
絕緣膜(未圖示)。然後，如圖8所示，在p型電極15上以例如50nm/100nm/50nm的厚度形成成為焊墊電極18的Ti/Ta/Au。
接著，在晶圓的厚度變成约100μm之前，研磨GaN基板1的背面，實行鏡面加工。然後，在GaN基板1的背面上，由包含5%的SiCl4
之Ar的混合氣體實行電漿處理。其後，在實行水洗、氧電漿灰化處理，並在GaN基板1的背面形成高載子濃度層之後，經由真空蒸鍍法依序形成Ti/Pt/Au膜。在整個晶圓上塗佈光阻，並經由微影法形成預定形狀的光阻圖案(未圖示)。利用以光阻圖案做為罩幕並經由離子研磨蝕刻Ti/Pt/Au膜，形成n型電極19。其後，在400℃以下實行熱處理。不過，即使不實行熱處理，n型電極19仍顯示歐姆特性。
其次，經由劈開基板加工成條狀以形成兩共振器端面。進一步，在這些共振器端面實施端面鍍膜之後，經由劈開此條等而形成晶片。經由上面的步驟，可製造實施例1的氮化物半導體雷射二極體。
如上所述，在實施例中係在P型GaN接觸層11上形成Pd層16以做為p型電極15。在此，Pd係氫化物的產生能量為負的材料，在GaN中殘留的氫位準高時將氫吸出。從而，因為可有效地提高載子濃度，故可減低接觸電阻率。不過，在GaN中殘留的氫位準相當低時效果很弱。又，僅說Pd的工作函數高係無法得到相當低的接觸電阻率。另一方面，因為Pd比Au或Pt更富有反應性，Pd與GaN反應以形成低電阻的反應層，而可減低肖特基位障。
又，因為在熱處理時發生的反應係具有正的效果及負的效果，熱處理溫度存在最適的範圍。首先，為了促進界面反應，最低必須加熱至400℃以上。溫度較高，則氧的擴散、Ga的吸出、氫的吸出、Pd-Ga的反應被加速。不過，加熱至550℃以上會導致Ta層的氧化、對Ta的界面之擴散、電極的凝結等，使接觸電阻率變大。
如圖9所示，當在氮：氧=4：1的空氣中實行熱處理時，已知以500℃為中心在±25℃附近存在最適值，而在500±50℃的範圍中得到雷射二極體之高輸出操作需要的1E-3Ωcm2
以下的值。因此，在形成p型電極15之後，在包含氧氣的空氣中利用在溫度400℃~600℃，更好係在溫度450℃~550℃實行熱處理，可使p型電極的接觸電阻率變小。
又，在實施例中，使用以氧或包含氧做為構成元素的氣體與惰性氣體的混合氣體做為對p型電極15熱處理時的空氣。空氣中的氧係在熱處理時擴散至電極內且到達GaN/電極的界面，以吸出GaN中的Ga，促進Ga空孔的產生。Ga空孔已知係做為受體，且可經由由熱處理產生的受體減低接觸電阻率。因此，利用在沒有氧的氮空氣中的熱處理係無法充分地減低接觸電阻率。不過，氧濃度因為過高反而增大電阻，故存在最適的範圍。
如圖10所示，像氮+氧的空氣之非常敏感的熱處理溫度依存性在氮氣的空氣中並未見到。另外，在氧60%的空氣中之熱處理未得到低電阻。因此，利用氧含量5%以上且小於50%的氣體做為對p型電極熱處理時的空氣，可減小p型電極的接觸電阻率。
又，習知係在Pd層16上形成Mo層以做為阻障層。相對於此，發明人發現相較於Mo層使用Ta層做為阻障層的方式可減低接觸電阻率。又，發現Mo對酸的抵抗性並不充分，而在電極形成後的化學溶液處理及熱處理步驟中劣化。因此，在實施例中係在Pd層16上形成Ta層17做為阻障層。
又，如圖11所示，Pd單層電極時，接觸電阻率係僅下降至2層電極時的约2倍。因此，在含有氧的空氣中實行熱處理時，使p型電極15成為Pd層16及Ta層17的2層電極，可減小p型電極15的接觸電阻率。
又，在依序形成Pd層、Ta層及Au層的3層構造之p型電極的情況中，在熱處理時氧的擴散被阻止，故界面反應未充分發生。因此，如圖12所示，與2層電極的情況相比，3層電極的情況無法充分地減低接觸電阻率。又，若存在具有抑制氧的擴散之作用的Au等層，因為界面反應變得難以發生，在3層電極的情況中已知使接觸電阻變低的溫度變動至高溫側。這在將焊墊電極形成於Pd層及Ta層的2層構造的p型電極上且然後熱處理的情況中也相同。因此，在實施例中係在將p型電極熱處理之後形成焊墊電極。從而，可減小p型電極的接觸電阻率。
又，利用在基板的背面實行熱處理之後形成n型電極，經由400℃以下之相對低溫的熱處理，可在基板的背面產生高濃度的載子。因此，因為防止由n型電極之形成製程造成的p型電極的劣化，可減小p型電極的接觸電阻率。
如以上說明，在實施例中可減小p型電極的接觸電阻率。從而，即使增加雷射的驅動電流，也可減低在p型電極消耗的電力。因此，可得到可能高輸出操作之經時劣化少的長壽命的雷射二極體。
又，由上述步驟製造的氮化物半導體雷射二極體之臨界電壓為300mA，100mW的操作電壓约為5V。並且，如圖13所示，定電流模式的連續通電試驗的結果，經過500小時以上，操作電壓的變動係10%以下。因此，在高輸出用的通電中，確定可長時間維持p型電極的接觸電阻率小的狀態。
說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法。
首先，跟實施例1相同，如圖2所示，在GaN基板1上形成氮化物半導體磊晶層。
其次，如圖14所示，經由電子束(EB)蒸鍍法及剝離，依序形成Pd層16及Ta層17以做為p型電極15。
接著，如圖15所示，在實行上述結晶成長的整個晶圓上塗佈光阻，並經由微影法(照相製版技術)形成預定形狀的光阻圖案21。
其次，如圖16所示，以光阻圖案21做為罩幕，經由RIE法等，將p型電極15及p型氮化物半導體磊晶層非等向性蝕刻至p型AlGaN被覆層10內，以形成成為光波導構造的脊部12。使用例如氯氣做為蝕刻氣體。另外，使用相同的光阻圖案21一次實行p型電極19的蝕刻及用以形成脊部12的乾蝕刻。
其次，如圖17所示，經由例如CVD法、真空蒸鍍法、濺鍍法等，在整面上形成厚0.2μm的SiO2
膜13以覆蓋脊部12。
接著，在整面上形成光阻(未圖示)。然後，如圖18所示，經由回蝕刻在脊部12的上表面中除去SiO2
膜13以形成開口14。其後，實行與實施例1相同的熱處理。
其次，如圖19所示，在p型電極19上以例如50nm/100nm/500nm的厚度形成成為焊墊電極18的Ti/Ta/Au。其後，與實施例1相同，利用形成n型電極19，並實行晶片化等，可製造實施例2的氮化物半導體雷射二極體。
在實施例1中係於形成脊部12及SiO2
膜13之後，形成p型電極19。使用Pd的P型電極19因為跟SiO2
膜13的黏著性弱，而有在製程中途剝落的問題。然後，在實施例2中係在形成脊部12及SiO2
膜13之前形成P型電極19。從而，因為未在SiO2
膜13上形成p型電極19，而抑制p型電極19的剝落。因此，可在整個晶圓上得到形狀一致的p型電極19，且可提升產率。
在上述實施例中，雖然係以氮化物半導體雷射二極體為例加以說明，本發明並未限定於此，也可適用於發光二極體(LED)等之雷射二極體以外的氮化物半導體發光元件。
1．．．GaN單結晶基板(基板)
11．．．p型GaN接觸層(p型氮化物半導體磊晶層)
12．．．脊部
13．．．SiO2
膜(絕緣膜)
14．．．開口
15．．．p型電極
16．．．Pd層(第1電極層)
17．．．Ta層(第2電極層)
18．．．焊墊電極
19．．．n型電極
圖1係繪示實施例1的氮化物半導體雷射二極體的剖面圖。
圖2係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖3係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖4係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖5係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖6係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖7係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖8係用以說明實施例1的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖9係繪示接觸電阻率的熱處理溫度依存性之實驗結果的圖式。
圖10係繪示接觸電阻率的熱處理溫度依存性之實驗結果的圖式。
圖11係繪示接觸電阻率的熱處理溫度依存性之實驗結果的圖式。
圖12係繪示接觸電阻率的熱處理溫度依存性之實驗結果的圖式。
圖13係繪示操作電壓的通電時間依存性之實驗結果的圖式。
圖14係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖15係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖16係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖17係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖18係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
圖19係用以說明實施例2的氮化物半導體發光元件之製造方法的剖面圖。
1．．．GaN單結晶基板(基板)
11．．．p型GaN接觸層(p型氮化物半導體磊晶層)
12．．．脊部
13．．．SiO2
膜(絕緣膜)
14．．．開口
15．．．p型電極
16．．．Pd層(第1電極層)
17．．．Ta層(第2電極層)
18．．．焊墊電極
19．．．n型電極
Claims (11)
- 一種氮化物半導體發光元件之製造方法，包括：形成在基板上積層n型氮化物半導體磊晶層、活性層、p型氮化物半導體磊晶層之半導體積層構造的步驟；在前述p型氮化物半導體磊晶層上形成具有包含Pd的第1電極層與包含Ta的第2電極層之p型電極的步驟；在形成前述p型電極之後，在包含氧的空氣中以400℃~600℃實行熱處理的步驟；及在實行熱處理之後，在前述p型電極上形成包含Au的焊墊電極的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，以450℃~550℃實行熱處理。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，使用GaN單結晶基板做為前述基板，將前述半導體積層構造形成在前述GaN單結晶基板的Ga面上。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，使前述第1電極層的厚度變成前述第2電極層的厚度的至少2倍以上。
- 如申請專利範圍第4項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，前述第1電極層的厚度為30nm以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，使用PdTa合金做為前述第1電 極層。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，在前述熱處理中，溫度上升速度為10℃/sec以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，以氧或包含氧做為構成元素的氣體與惰性氣體的混合氣體做為前述空氣，且係使用氧含量5%以上且小於50%的氣體。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，前述p型氮化物半導體磊晶層係包含載子濃度為2E17cm-3 以上的接觸層，且在前述接觸層上形成前述第1電極層。
- 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體發光元件之製造方法，更包括：在形成前述焊墊電極之後於前述基板的背面實行一電漿處理，在實行電漿處理之後於前述基板的背面形成n型電極，在形成n型電極之後於400℃以下實行一熱處理的步驟。
- 如申請專利範圍第1項記載的氮化物半導體發光元件之製造方法，更包括：在形成前述p型電極之後，在包含氧的空氣中以400℃~600℃實行熱處理之前，將前述p型電極及前述p型氮化物半導體磊晶層非等向性地蝕刻以形成脊部的步驟；及形成絕緣膜以覆蓋前述脊部的步驟。
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