TWI517440B - Semiconductor structure with low contact resistance and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本發明係有關一種降低阻抗之結構，尤指一種低接觸阻值之半導體結構及其製作方法。
在半導體的製程中，運用不同材料做成PN介面可適用於不同的應用上，其中氮化鎵(GaN)材料已大量應用於發光二極體上，但P型氮化鎵的載子濃度不易提升，因而無法得到較高的導電能力，容易發生P型氮化鎵與導電層之間的接觸電阻過高，而有元件特性不佳(如低發光效率、高前向壓降(forward Voltage))的問題。一般的解決方法係利用一製作於該P型氮化鎵上之匹配層以加強與其他材料之間的導電能力。習知技術係藉由設置於P型氮化鎵與電極之間的鎳金(Ni/Au)材料，以降低P型氮化鎵之阻抗，以及使用氧化銦錫(ITO)材料，同樣設置於P型氮化鎵與導電層之間，以達到降低阻抗的問題，因為其透明度高，而於發光二極體發光時仍可有效穿透，而達到高亮度的需求。而對於目前市面上的需求來說，不論是鎳金材料或者是氧化銦錫材料，其接觸電阻仍然過高，且其與P型氮化鎵之匹配程度仍有待改進。
此外，為了解決發光二極體於發光後射出半導體之反射問題，半導體製程係利用粗化P型氮化鎵表面的方式來減少光反射的可能，在這樣的製程條件下，不論是使用上述所之鎳金材料或氧化銦錫，其電阻值更是明顯的飆高，其原因在於P型氮化鎵之粗化表面與鎳金材料或氧化銦錫之接觸較差，且緻密度
不夠，因而容易有阻抗升高的問題。請參閱「圖1A」及「圖1B」所示，由於粗化表面1非為平坦表面，因而在成長匹配層時。其無法完全順著粗化表面1成長，因而會具有複數孔洞2，而由「圖1B」中之放大圖中更為明顯的可以觀察到孔洞2的間隙，由於導電接觸面積不大，而當電性的橫向傳導不佳時，接觸電阻也會隨之升高。
本發明之主要目的，在於提供一種有效降低接觸阻值的材料及結構，解決P型氮化鎵與導電結構之匹配問題。
本發明之另一目的，在於解決習知技術應用於粗化表面而有接觸阻抗升高的問題。
為達上述目的，本發明提供一種低接觸阻值之半導體結構，其包含有一基板、一半導體堆疊層、一低接觸阻值層以及一透明導電層。該半導體堆疊層設置於該基板之一側，並具有一N型半導體層及一P型氮化鎵層。而該低接觸阻值層設置於該半導體堆疊層具有該P型氮化鎵層之一側並與該P型氮化鎵層連接，該低接觸阻值層之厚度介於25埃至50埃(Angstrom)之間，且其材質係選自於由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組，而較佳地，該低接觸阻值層是以銦(Indium)製成。該透明導電層設置於低接觸阻值層遠離該P型氮化鎵層之一側。
除此之外，本發明更揭露一種低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其包含有以下步驟：
S1：準備一基板。
S2：設置一半導體堆疊層於該基板上，該半導體堆疊層具有一N型半導體層及一P型氮化鎵層。
S3：設置一低接觸阻值層，其設置於該半導體堆疊層具有該P型氮化鎵層之一側並與該P型氮化鎵層連接，該低接觸阻值層之厚度介於25埃至50埃之間，且其材質係選自於由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組。
S4：設置一透明導電層於該低接觸阻值層上。
由上述說明可知，該透明導電層與該P型氮化鎵層之間設置有該低接觸阻值層，且該低接觸阻值層之厚度必須介於25埃至50埃之間，因而形成一薄化的金屬結構而具有透明的特性。且由於銦之接觸阻值遠低於氧化銦錫以及鎳金材料，因而有效降低P型氮化鎵層之接觸阻值，若使用於發光二極體的狀況下，可有效增加發光效率，並且降低前向壓降。
有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱「圖2A」至「圖2E」所示，其係為本發明一較佳實施例之製作流程示意圖，特別請參閱「圖2E」之完成製程的結構示意圖，如圖所示：本發明係為一種低接觸阻值之半導體結構，且本發明係以發光二極體作為較佳實施例之說明。本發明之低接觸阻值之半導體結構包含有一基板10、一半導體堆疊層20、一低接觸阻值層30以及一透明導電層40。該半導體堆疊層20設置於該基板10之一側，並具有一N型半導體層21、一P型氮化鎵層23以及一發光層22，其中該P型氮化
鎵層23之材質為P型氮化鎵(P-type GaN)，該發光層22係設置於該N型半導體層21及該P型氮化鎵層23之間，該P型氮化鎵層23係設置於該N型半導體層21遠離該基板10之一側，且該P型氮化鎵層23具有一上表面231。而該低接觸阻值層30設置於P型氮化鎵層23之上表面231，且於本實施例中，該上表面231經過研磨粗化處理而具有一凹凸結構，該低接觸阻值層30之厚度小於100埃且其材質係選自於由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組，而較佳地，該低接觸阻值層30之材質是以銦製成。該透明導電層40係為透光導電材質，其可以為氧化銦錫(ITO)、氟摻雜之氧化錫(FTO)、氧化鋁鋅、氧化鋅、鎳金材料或上述材料之組合，且該透明導電層40設置於低接觸阻值層30遠離該P型氮化鎵層23之一側。因本發明係以發光二極體作為實施例之說明，該透明導電層40與該N型半導體層21分別連接一第一導電塊50以及一第二導電塊51以作為發光二極體之輸入電源。
需特別說明的是，該低接觸阻值層30較佳的成長方式係以金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)成長於該P型氮化鎵層23表面，且製作該低接觸阻值層30之溫度介於150℃~1200℃之間，藉由MOCVD之成長，可有效控制該低接觸阻值層30之厚度，且較佳為介於25~50埃之間，藉此形成銦薄膜(Thin film)或銦叢集(cluster)於該P型氮化鎵層23表面，藉由MOCVD的製程，更可將該低接觸阻值層30之厚度控制到5埃，因為該低接觸阻值層30之薄化效果，可以有效增加透明度，並且若該低接觸阻值層30薄化後形成銦叢集，更可以使透明的效
果更加顯著，且由於銦之阻值較低，因而即使以叢集的狀態顯現，亦不會影響太多的導電特性。
本發明更揭露一種低接觸阻值之半導體結構的製作方法，請配合參閱「圖3」之步驟流程示意圖所示，該製作方法包含有以下步驟：
S1：準備一基板10。
S2：將一半導體堆疊層20形成於該基板10上，該半導體堆疊層20具有一N型半導體層21、一P型氮化鎵層23以及一發光層22，該發光層22設置於該N型半導體層21及該P型氮化鎵層23之間，並該P型氮化鎵層23設置於該N型半導體層21遠離該基板10之一側，且該P型氮化鎵層23具有一上表面231。
S2A：粗化該上表面231，對該上表面231進行粗化處理，令該上表面231形成一凹凸結構，藉此降低光產生後於射出該P型氮化鎵層23時有可能產生的反射問題，而粗化的方式有很多種，在此便不進行詳細說明。
S3：設置一低接觸阻值層30，設置該低接觸阻值層30於該上表面231，該低接觸阻值層30之厚度小於100埃且其材質係選自於由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組，需特別說明的是，本發明之較佳實施方式是以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)透過一承載銦之氣相載體(tri-methyl)將銦成長於該上表面231，形成該低接觸阻值層30。由於MOCVD之製程特性，可以緩慢且緻密的成長該低接觸阻值層30於經過粗化後的該上表面231。
S4：設置一透明導電層40於該低接觸阻值層30上，該透明導電層40係為透明導電材質所製成，其可為氧化銦錫、氟摻雜之氧化錫、氧化鋁鋅、氧化鋅、鎳金材料或上述材料之組合。
S5：設置導電塊，分別於該透明導電層40與該N型半導體層21上設置一第一導電塊50以及一第二導電塊51，以分別作為發光二極體之輸入電源。
另外，除了上述以MOCVD直接將承載銦之氣相載體直接沉積於該上表面231外，更可以在步驟S3中，先以一承載銦和鎵之氣相載體透過MOCVD成長於該半導體堆疊層20上，形成一混合結構，接著直接於MOCVD製程中藉由高溫的方式而使銦以相分離(Phase Separation)的方式自該混合結構中析出，而可得到該低接觸阻值層30，其中該氣相載體為含過飽和銦之氮化鎵，其銦和鎵之莫耳數含量比值大於0.2，藉由這樣的方式，可以使該低接觸阻值層30與該上表面231做一較佳的結合。
再者，另外一較佳實施例係以含高摻雜銦的氮化鎵成長於該半導體堆疊層20上，並以高溫回火的方式析出銦，其利用一爐管使用高溫回火而使含過飽和銦的氮化鎵中的銦相分離析出，形成該低接觸阻值層30。
請配合參閱「圖4」，其係為本發明一較佳實施例之前向壓降與電流示意圖，利用上述之實施方式，而於透明導電層40與P型氮化鎵層23之間形成含銦之該低接觸阻值層30的發光二極體，與不含有銦之發光二極體進行比較後，含銦發光
二極體的前向壓降曲線60低於不含銦發光二極體的前向壓降曲線61，因而可得知含銦發光二極體的前向壓降曲線60的發光效率較好。
綜上所述，由於本發明中之透明導電層40與該P型氮化鎵層23之間設置有該低接觸阻值層30，且該低接觸阻值層30之厚度必須小於100埃，因而形成一薄化的金屬結構而具有透明的特性。此外，由於銦之接觸阻值遠低於氧化銦錫以及鎳金材料，因而有效降低P型氮化鎵層23之接觸阻值，若使用於發光二極體的狀況下，可有效增加發光效率，並且降低前向壓降。再者，利用MOCVD進行低接觸阻值層30之製作，可接續半導體堆疊層20之製程，而較能與P型半導體氮化鎵層23之結構匹配，且透過MOCVD製程，所形成之低接觸阻值層30的緻密度較高，可有效強化後續非MOCVD製程的匹配程度，並且所形成之薄膜或叢集能形成透光度較好之層面。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
習知技術
1‧‧‧粗化表面
2‧‧‧孔洞
本發明
10‧‧‧基板
20‧‧‧半導體堆疊層
21‧‧‧N型半導體層
22‧‧‧發光層
23‧‧‧P型氮化鎵層
231‧‧‧上表面
30‧‧‧低接觸阻值層
40‧‧‧透明導電層
50‧‧‧第一導電塊
51‧‧‧第二導電塊
60‧‧‧含銦發光二極體的前向壓降曲線
61‧‧‧不含銦發光二極體的前向壓降曲線
S1~S5‧‧‧步驟
圖1A，係習知技術之粗化表面結構示意圖。
圖1B，係習知技術之粗化表面結構放大示意圖。
圖2A至圖2E，係本發明一較佳實施例之製作流程示意圖。
圖3，係本發明一較佳實施例之步驟流程圖。
圖4，係本發明一較佳實施例之前向壓降與電流示意圖。
10‧‧‧基板
20‧‧‧半導體堆疊層
21‧‧‧N型半導體層
22‧‧‧發光層
23‧‧‧P型氮化鎵層
231‧‧‧上表面
30‧‧‧低接觸阻值層
40‧‧‧透明導電層
50‧‧‧第一導電塊
51‧‧‧第二導電塊
Claims (13)
- 一種低接觸阻值之半導體結構，包含有：一基板；一半導體堆疊層，包括一形成於該基板上的N型半導體層及一設於該N型半導體層上方的P型氮化鎵層，該P型氮化鎵層具有一上表面；一低接觸阻值層，設置於該上表面，該低接觸阻值層之厚度介於25埃至50埃之間，且其材質係選自由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組；及一透明導電層，設置於低接觸阻值層遠離該P型氮化鎵層之一側。
- 如申請專利範圍第1項所述之低接觸阻值之半導體結構，其中該上表面具有一凹凸結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之低接觸阻值之半導體結構，其中該半導體堆疊層更包括一設置於該N型半導體層及該P型氮化鎵層之間的發光層。
- 如申請專利範圍第1項所述之低接觸阻值之半導體結構，其中該低接觸阻值層係以金屬有機化學氣相沉積成長於該P型氮化鎵層的上表面。
- 如申請專利範圍第4項所述之低接觸阻值之半導體結構，其中該低接觸阻值層之材質為銦，且形成銦薄膜或銦叢集於該P型氮化鎵層表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之低接觸阻值之半導體結構，其中該透明導電層之材料為選自由氧化銦錫、氟摻雜之氧化錫、氧化鋁鋅、氧化鋅及鎳金材料所組成之群組。
- 一種低接觸阻值之半導體結構的製作方法，包 含有下列步驟：準備一基板；將一半導體堆疊層形成於該基板上，該半導體堆疊層依序包括一形成於該基板上的N型半導體層及一設於該N型半導體層上方的P型氮化鎵層，該P型氮化鎵層具有一上表面；於該上表面形成一低接觸阻值層，該低接觸阻值層之厚度介於25埃至50埃之間，且其材質係選自由鋁、鎵、銦及其組合所組成之群組；及設置一透明導電層於該低接觸阻值層上。
- 如申請專利範圍第7項所述之低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其中於形成該低接觸阻值層前，先對該上表面進行一粗化處理，令該上表面形成一凹凸結構。
- 如申請專利範圍第7項所述之低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其中該低接觸阻值層是以一金屬有機化學氣相沉積法成長於該P型氮化鎵層的上表面。
- 如申請專利範圍第9項所述之低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其中該金屬有機化學氣相沉積法係使用一承載銦之氣相載體將銦成長於該P型氮化鎵層表面，形成該低接觸阻值層。
- 如申請專利範圍第9項所述之低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其中該金屬有機化學氣相沉積法使用一承載過飽和銦之氮化鎵的氣相載體成長該低接觸阻值層，接著通以高溫，使銦以相分離的方式析出。
- 如申請專利範圍第11項所述之低接觸阻值之半 導體結構的製作方法，其中該氣相載體為含過飽和銦之氮化鎵，其銦和鎵之莫耳數含量比值大於0.2。
- 如申請專利範圍第7項所述之低接觸阻值之半導體結構的製作方法，其中以含高摻雜銦的氮化鎵成長該半導體堆疊層上，並以高溫回火析出銦，其利用一爐管使用高溫回火而使含過飽和銦的氮化鎵中的銦相分離析出，形成該低接觸阻值層。
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