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CN100463237C - 反射电极以及包括该反射电极的化合物半导体发光器件 - Google Patents

反射电极以及包括该反射电极的化合物半导体发光器件 Download PDF

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CN100463237C
CN100463237C CNB200510054281XA CN200510054281A CN100463237C CN 100463237 C CN100463237 C CN 100463237C CN B200510054281X A CNB200510054281X A CN B200510054281XA CN 200510054281 A CN200510054281 A CN 200510054281A CN 100463237 C CN100463237 C CN 100463237C
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Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Gwangju Institute of Science and Technology
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Abstract

提供一种反射电极和一种包含这种反射电极的化合物半导体发光器件，例如LED或LD。形成于一p型化合物半导体层上的所述反射电极包括：与所述p型化合物半导体层形成欧姆接触的第一电极层；设置在所述第一电极层上的，由透明导电氧化物构成的第二电极层；以及设置在所述第二电极层上的，由光反射材料构成的第三电极层。

Description

反射电极以及包括该反射电极的化合物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及一种反射电极和一种化合物半导体发光器件，特别是涉及一种具有低接触电阻、高反射率和增大电导率的反射电极以及一种包括这种反射电极的化合物半导体发光器件。
背景技术
化合物半导体发光器件，例如诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的半导体激光二极管利用化合物半导体的特性将电信号转换成光信号。化合物半导体发光器件的激光束在实践中被应用在光通信、多路通信和空间通信领域当中。半导体激光器被广泛地用作光通信领域以及诸如光盘播放器(CDP)或数字通用播放器(DVDP)的装置中，进行数据传输或数据记录和读取的光源。
可以根据光的发射方向，将化合物半导体发光器件划分为顶发射发光二极管(TLED)和倒装片发光二极管(FCLED)。
TLED通过一个p型电极发光，该p型电极与p型化合物半导体层形成欧姆接触。所述p型电极包括依次叠置在一p型化合物半导体层上的Ni层和Au层。但是，由于由所述Ni层和Au层构成的p型电极是半透明的，所以包含p型电极的TLED具有低光效率和低亮度。
就FCLED而言，形成于p型化合物半导体层上的反射电极反射了从有源层发出的光，被反射的光会穿过衬底发射出来。所述反射电极是由具有高光反射率的材料，诸如Ag、Al和Rh构成的。包括这种反射电极的FCLED可具有高光效率和高亮度。但是，由于所述反射电极与所述p型化合物半导体层之间具有相对较高的接触电阻，所以包含所述反射电极的发光器件的预期使用期限会缩短，特性也不稳定。
为了解决这些问题，针对材料和结构展开的，用于实现具有低接触电阻和高反射率的电极的研究已经取得了进展。
国际专利公告(International Patent Publication)第WO 01/47038A1号展示了一种包含反射电极的半导体发光器件，这一半导体发光器件具有一个设置在反射电极和p型化合物半导体层之间的欧姆接触层。但是，所述欧姆接触层是由具有低光透射率的材料，诸如Ti或Ni/Au构成的，因此降低了光效率和亮度。
发明内容
本发明提供了一种可以减小接触电阻的，并且具有高反射率和增大的电导率的反射电极，和一种包含这种反射电极的化合物半导体发光器件。
根据本发明的一个方面，提供一种化合物半导体发光器件的反射电极，其形成于一p型化合物半导体层上，所述电极包括：
一与所述p型化合物半导体层形成欧姆接触的第一电极层；
一设置在所述第一电极层上，并且由透明导电氧化物构成的第二电极层；以及
一设置在所述第二电极层上，并且由光反射材料构成的第三电极层。
根据本发明的另一方面，提供一种化合物半导体发光器件，包括一n型电极、一p型电极、和置于所述n型电极和所述p型电极之间的一n型化合物半导体层、一有源层和一p型化合物半导体层，
其中，所述p型电极包括：
一与所述p型化合物半导体层形成欧姆接触的第一电极层；
一设置在所述第一电极层上的，由透明导电氧化物构成的第二电极层；以及
一设置在所述第二电极层上的，由光反射材料构成的第三电极层。
附图说明
通过参照附图对本发明的示范性实施例予以详细描述，本发明的上述特征和优势会变得更加清晰，其中：
图1是根据本发明的一实施例的反射电极的横截面图；
图2是根据本发明的又一实施例的反射电极的横截面图；
图3是包含如图1所示的反射电极的化合物半导体发光器件的横截面图；
图4A是如图1所示的反射电极(Ag/ITO/Ag)的电流-电压(I-V)特征图；以及
图4B是包含如图1所示的反射电极(Ag/ITO/Ag)的InGaN蓝光发光二极管(LED)的I-V特征图。
具体实施方式
现在，将参照对本发明的示范性实施例予以说明的附图对本发明进行更为详尽的描述。
图1是根据本发明的一个实施例的反射电极22的横截面图。
参照图1，反射电极22形成于p型化合物半导体层20之上。反射电极22包括依次叠置在所述p型化合物半导体层20上的第一电极层22a、第二电极层22b和第三电极层22c。
第一电极层22a是由一种能够与p型化合物半导体层20形成欧姆接触的材料构成，其厚度大约在0.1到500nm之间。
在本实施例当中，第一电极层22a是由氧化铟(例如In2O3)构成的，其中至少添加一种从Mg、Cu、Zr和Sb构成的组中选出的添加成分。
所述添加成分控制着氧化铟的带隙、电子亲和势和功函数，从而改善了所述第一电极层22a的欧姆接触特性。特别地，所述添加成分提高了所述p型化合物半导体层20的有效载流子浓度，并且容易与构成所述p型化合物半导体层20的除氮以外的元素反应。
例如，当p型化合物半导体层20是由GaN基化合物构成的，添加成分可能会在与N发生反应之前与Ga反应。在这种情况下，p型化合物半导体层20的Ga与添加成分反应，从而在p型化合物半导体层20的表面生成Ga空位。由于Ga空位的作用相当于p型掺杂剂，所以p型化合物半导体层20表面的p型载流子的有效浓度增加了。
向其中添加添加成分的氧化铟与存留在p型化合物半导体层20上、作为本地氧化物层的Ga2O3层反应，从而在p型化合物半导体层20和第一电极层22a之间生成透明导电氧化物(TCO)。对于位于p型化合物半导体层20和第一电极层22a之间的界面处的载流子流而言，Ga2O3层起着势垒的作用。因此，在第一电极层22a和p型化合物半导体层20之间的界面处可能会发生隧穿导电现象，从而改善第一电极层22a的欧姆接触特性。
氧化铟的添加成分添加比率在0.001到49原子百分数的范围内。
在另一个实施例当中，所述第一电极层22a可以由Ag或Ag基合金构成。Ag基合金是一种由Ag，以及至少一种从由Mg、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、和La构成的组中选出的元素构成的合金。如上所述，Ag或Ag基合金可以与p型化合物半导体层20形成欧姆接触。也就是说，可以构成第一电极层22a的Ag和合金元素增加了p型化合物半导体层20的有效载流子浓度，并且可以和构成p型化合物半导体层20的除氮以外的元素轻易地反应。这里省略了有关的详细描述。
第二电极层22b是由TCO构成的，其厚度在0.1到500nm之间。TCO可以是从由氧化铟锡(ITO)、掺锌氧化铟锡(ZITO)、氧化锌铟(ZIO)、氧化镓铟(GIO)、氧化锌锡(ZTO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)、In4Sn3O12、以及氧化锌镁(Zn1-xMgxO，0≤x≤1)构成的组中选出的一种。例如，TCO可以是Zn2In2O5、GaInO3、ZnSnO3、掺氟SnO2、掺铝ZnO、掺镓ZnO、MgO或ZnO。
第三电极层22c是由厚度大约在10到5000nm之间的光反射材料构成的。所述光反射材料是从由Ag、Ag基合金、Al、Al基合金以及Rh构成的组中选出的一种。这里，Ag基合金是指由Ag和任何合金材料构成的合金，Al基合金是指由Al和任何合金材料构成的合金。
可以采用电子束(e-beam)及热蒸镀机或双型热蒸镀机形成第一、第二和第三电极层22a、22b和22c。另外，第一、第二和第三电极层22a、22b和22c可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或等离子体激光沉积形成。可以在大气压力维持在10-12托的反应器内、在大约20到1500℃的温度下沉积第一、第二和第三电极层22a、22b和22c中的每一个。
在形成所述第三电极层22c之后，对合成结构进行退火。需特别指出的是，形成第三电极层22c处的合成结构要在含有N、Ar、He、O2、H2和空气中的至少一种气体的氛围下退火。退火过程是在大约200到700℃的温度下进行的，持续时间为10秒到2小时。
在形成了第二电极22b之后，可以在相同的条件下额外执行另一个退火过程。也就是说，在形成第二和第三电极层22b和22c中的每一个之后，都可以执行退火过程。因此，反射电极的形成可以包含执行退火过程两次。
图2是根据本发明的又一实施例的反射电极23的横截面图。
在本实施例中，只对与第一实施例不同的特性进行了描述，而且采用了与第一实施例中相同的参考数字表示相同的元件。
参照图2，与图1中所示的反射电极22相比，反射电极23还包含了一设置在第三电极层22c上的第四电极层22d。
第四电极层22d是由从Cu、Cu/Ru、Cu/Ir、Cu基合金、Cu基合金/Ru以及Cu基合金/Ir构成的组中选出的一种构成的。所形成的第四电极层22d的厚度约为1到500nm。这里Cu基合金是指Cu和任何合金材料构成的合金。
第四电极层22d可以防止由退火过程引起的结块现象在第三电极层22c的表面发生。
特别地，在p型化合物半导体层20和构成第三电极层22c的金属，例如Ag、Ag基合金、Al、Al基合金或Rh之间存在巨大的表面能差异。众所周知，在退火过程中，表面能的差异会使第三电极层22c的表面上发生结块现象。当在第三电极层22c的表面上发生结块现象，第三电极层22c的反射率就会下降，从而减少包含反射电极22的化合物半导体发光器件的光输出量。
在本实施例中，形成第四电极层22d的材料具有与p型氮化物半导体层20相对近似的表面能，并且具有良好的导电性。因此，形成于第三电极层22c上的第四电极层22d既起着结块预防层(APL)的作用又起着电极层的作用。
可以采用电子束及热蒸镀机或双型热蒸镀机，通过PVD、CVD或PLD形成第四电极层22d。第四电极层22d是在大气压力维持在10-12托的反应器内、在大约20到1500℃的温度下得到沉积的。
在形成第四电极层22d后，可以对合成结构退火。需特别指出的是，形成第四电极层22c处的合成结构要在含有N、Ar、He、O2、H2和空气中的至少一种气体的氛围下退火。退火过程是在大约200到700℃的温度下进行的，持续时间为10秒到2小时。
图3是包含如图1所示的反射电极的化合物半导体发光器件的横截面图。
参照图3，所述化合物半导体发光器件至少包含n型化合物半导体层102、有源层104和设置在n型电极120和p型电极108之间的p型化合物半导体层106。p型电极108与图1所示的反射电极22相同。也就是说，p型电极108包括图1中示出的第一电极层22a、第二电极层22b和第三电极层22c，其运行和效果与上述内容相同。
n型化合物半导体层102包括作为下部接触层的第一化合物半导体层，其叠置在衬底100上且具有阶梯差，以及叠置在第一化合物半导体层上的下部覆盖层。n型下部电极120设置在第一化合物半导体层的梯状部分中。
衬底100通常为蓝宝石衬底或独立式(freestanding)GaN衬底。第一化合物半导体层可以是n-GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选n-GaN层。但是，本发明不仅局限于此，而是第一化合物半导体层可以由任何其它能够实现激光振荡(光激射，lasing)的III-V族化合物半导体构成。下部覆盖层可以是具有预定折射率的n-GaN/AlGaN层，但是，有可能采用任何其他能够实现光激射的化合物半导体层。
有源层104可以由任何能够实现光激射的材料构成，优选一种能够振荡出具有小临界电流和稳定横模特性的激光束的材料。有源层104可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，即InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，并且x+y≤1)。有源层104可以具有多量子阱(MQW)结构和单量子阱(SQW)结构中的一种结构，本发明的技术范围不会受到有源层104的结构的限制。
在有源层104的上面和下面可以分别还形成上部波导层和下部波导层。上部波导层和下部波导层是由具有低折射率的材料构成的，优选GaN基III-V族化合物半导体。下部波导层可以是一个n-GaN层，而上部波导层可以是一个p-GaN层。
p型化合物半导体层106叠置在有源层104上，并且包含一个比有源层104折射率更低的上部覆盖层和叠置在上部覆盖层上作为欧姆接触层的第二化合物半导体层。第二化合物半导体层可以是p-GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选为p-GaN层。但是，本发明不仅局限于此，第二化合物半导体层可以是能够实现激光振荡(光激射)的任何其他III-V族化合物半导体层。上部覆盖层可以是具有预定折射率的p-GaN/AlGaN层，但是，有可能采用任何其他能够实现光激射的化合物半导体层。
n型电极120设置在作为下部欧姆接触层的第一化合物半导体层的梯状部分上。可选择地，n型电极120可以形成于与p型电极108相对的衬底100的底面上。在这种情况下，衬底100可以由碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)构成。
图4A是图1中示出的反射电极(Ag/ITO/Ag)的电流-电压(I-V)特性的曲线图。
该反射电极包括依次叠置在衬底上的由Ag构成的第一电极层、由ITO构成的第二电极层和由Ag构成的第三电极层。所形成的第一、第二和第三电极层的厚度大约分别为3、100和250nm。
所述反射电极(Ag/ITO/Ag)的电特性分别是在沉积之后和在530℃下退火后测量的。退火过程是在形成第二电极层后，在O2或N氛围中进行的，持续时间为1分钟。在形成第三电极层后，在相同的条件下再执行一次退火过程。
图4B是包含如图1所示的反射电极(Ag/ITO/Ag)的InGaN蓝光发光二极管(LED)的I-V特性的曲线图。
从图4A和图4B中可以看出，退火后的反射电极和含有该反射电极的发光器件展示出了卓越的I-V特性。
在下文中，将对发明者完成的与根据本发明的反射电极相关的实验性范例加以描述。本发明的范围不受下述示例性工艺的限制。
开始时，分别采用三氯乙烯(TCE)、丙酮、甲醇和去离子水，在60℃的超声浴中清洗结构的表面，每次历时5分钟，在该结构中p型GaN基化合物半导体层形成于衬底上。之后，在100℃的温度下，对合成结构硬烘焙10分钟，以便从这一样品中去除残留的湿气。
其后，在4500RPM(每分钟转数)下，在p型化合物半导体层上旋涂光致抗蚀剂层。在85℃的温度下，对合成结构软烘焙15分钟。为了对掩模图案进行显影，要将样品与一掩模对齐，暴露在22.8mW的紫外线下15秒钟，并浸入到包含显影液和去离子水的混合液体的溶液中25秒钟，其中显影液和去离子水的比例为1:4。
其后，将显影后的样品浸到缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液中5分钟，以便从样品中去除污染层。之后，利用电子束蒸镀机在合成结构上形成第一电极层。第一电极层是通过在安装台上安装Ag作为反应目标而得到沉积的。
在第一电极层得到沉积后，采用ITO沉积第二电极层，利用丙酮进行剥离处理，并且将样品载入快速加温退火(RTA)炉，在大约430到530℃的温度下，退火1分钟。此后，利用电子束蒸镀机内的Ag在第二电极层上沉积第三电极层。在O2或N氛围中，采取与第二电极层退火时相同的条件，对沉积了第三电极层的合成结构退火。结果，完成了所述反射电极的制作。
可以采用形成反射电极的上述方法制作如图3所示的发光器件。
本发明的反射电极获得了低接触电阻、高反射率、改善的电导率和良好的I-V特性。
此外，包含了上述反射电极的化合物半导体发光器件要求低工作电压，展示出了改善的光输出量和I-V特性。这一化合物半导体发光器件降低了功率耗散，从而极大地提高了发光效率。
此外，可以将本发明地反射电极应用于诸如LED和LD的发光器件。
尽管已经参照本发明的示范性实施例对本发明进行了详细的描述和说明，但是本领域的普通技术人员要理解的是：在不背离权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出各种变化。

Claims (20)

1.一种化合物半导体发光器件的反射电极，其形成于一p型化合物半导体层上，所述电极包括：
一与所述p型化合物半导体层形成欧姆接触的第一电极层；
一设置在所述第一电极层上，并且由透明导电氧化物构成的第二电极层；以及
一设置在所述第二电极层上，并且由光反射材料构成的第三电极层，
其中，所述第一电极层是由氧化铟构成的，至少要向所述氧化铟中添加一种从Mg、Cu、Zr和Sb构成的组中选出的添加成分。
2.如权利要求1所述的电极，其中，向所述氧化铟中添加的所述添加成分的添加比率处于0.001到49原子百分数的范围内。
3.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一电极层的厚度范围为0.1到500nm。
4.如权利要求1所述的电极，其中，所述透明导电氧化物是由从ITO、ZITO、ZIO、GIO、ZTO、FTO、AZO、GZO、In4Sn3O12和Zn1-xMgxO(0≤x≤1)构成的组中选出的一种构成的。
5.如权利要求4所述的电极，其中，所述第二电极层的厚度范围为0.1到500nm。
6.如权利要求1所述的电极，其中，所述光反射材料是从Ag、Ag基合金、Al、Al基合金和Rh构成的组中选出的一种。
7.如权利要求6所述的电极，其中所述第三电极层的厚度范围为10到5000nm。
8.如权利要求1所述的电极，还包括一采用预定材料形成于所述第三电极层上的第四电极层，以防止在所述第三电极层的表面上发生由退火工艺引起的结块现象。
9.如权利要求8所述的电极，其中，所述第四电极层是由从Cu、Cu/Ru、Cu/Ir、Cu基合金、Cu基合金/Ru和Cu基合金/Ir组成的集合中选出的一种构成的。
10.如权利要求9所述的电极，其中，所述第四电极层的厚度范围为1到500nm。
11.一种化合物半导体发光器件，包括一n型电极、一p型电极、和置于所述n型电极和所述p型电极之间的一n型化合物半导体层、一有源层和一p型化合物半导体层，
其中，所述p型电极包括：
一与所述p型化合物半导体层形成欧姆接触的第一电极层；
一设置在所述第一电极层上的，由透明导电氧化物构成的第二电极层；以及
一设置在所述第二电极层上的，由光反射材料构成的第三电极层，
其中，所述第一电极层是由氧化铟构成的，至少要向所述氧化铟中添加一种从Mg、Cu、Zr和Sb构成的组中选出的添加成分。
12.如权利要求11所述的器件，其中，向氧化铟中添加的添加成分的添加比率处于0.001到49原子百分数的范围内。
13.如权利要求11所述的器件，其中所述第一电极层的厚度的范围为0.1到500nm。
14.如权利要求11所述的器件，其中，所述的透明导电氧化物是由从ITO、ZITO、ZIO、GIO、ZTO、FTO、AZO、GZO、In4Sn3O12和Zn1-xMgxO(0≤x≤1)构成的组中选出的一种构成的。
15.如权利要求14所述的器件，其中，所述第二电极层的厚度范围为0.1到500nm。
16.如权利要求11所述的器件，其中，所述的光反射材料为从Ag、Ag基合金、Al、Al基合金和Rh构成的组中选出的一种。
17.如权利要求16所述的器件，其中，所述第三电极层的厚度范围为10到5000nm。
18.如权利要求11所述的器件，还包括一采用预定材料形成于所述第三电极层上的第四电极层，以防止在所述第三电极层的表面上发生由退火工艺引起的结块现象。
19.如权利要求18所述的器件，其中，所述第四电极层是由从Cu、Cu/Ru、Cu/Ir、Cu基合金、Cu基合金/Ru和Cu基合金/Ir组成的集合中选出的一种构成的。
20.如权利要求19所述的器件，其中，所述第四电极层的厚度的范围为1到500nm。
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