CN1905225A

CN1905225A - 氮化物基化合物半导体发光装置及其制造方法

Info

Publication number: CN1905225A
Application number: CNA2006100943612A
Authority: CN
Inventors: 张泰勋
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-07-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: KR101041843B1; US20070023775A1; KR20070015312A; CN1905225B; JP2007043164A; US8390018B2

Abstract

本发明公开了一种具有对于n电极的欧姆接触特性改善的氮化物基半导体发光装置及其制造方法。所述氮化物基半导体发光装置包括n电极、p电极、和在n和p电极之间形成的n型化合物半导体层、有源层、和p型半导体层。所述n电极包括由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成的第一电极层；和使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在所述第一电极层上形成的第二电极层。

Description

氮化物基化合物半导体发光装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及氮化物基化合物半导体装置及其制造方法，更具体地，涉及具有改善了对于n电极欧姆接触特性的氮化物基化合物半导体装置及其制造方法。

背景技术

一般认为激光二极管(LD)或发光二极管(LED)是氮基半导体发光装置。LED是当加电时随着电子从高能向低能迁移而发出特定波长光线的半导体装置。LED广泛地用于各种应用，以产生诸如当硬盘转动时母板上的小绿光、安装在市中心建筑物上的电子显示板的光、或手机上的闪烁光。LED作为新型发光体出现，与传统灯泡相比，提供1/12的能耗、超过100倍的寿命和超过1000倍的反应速度。由于高亮度和低能耗，所以LED作为诸如电子显示板的有前途的显示器而受到相当的关注。LED根据所使用的化合物半导体材料的类型(即磷化镓(GaP)或砷化镓(GaAs))而发出不同颜色的光。具体地，几十年来，发红色或绿色光线的LED广泛地用于各种工业应用和家电应用中。

根据光射出的方向，LED被分类为顶部发光型发光二极管(TLED)和倒装片LED(FCLED)。在通常使用的TLED中，光通过与p型化合物半导体层形成欧姆接触的p电极而射出。p电极典型地由在p型化合物半导体层上的镍(Ni)/金(Au)形成。然而，使用半透明Ni/Au的p电极的TLED具有低的光利用效率和低亮度。在FCLED中，在有源层中产生的光被反射电极反射并且反射光穿过基底发出。反射电极由高反射率的材料例如银(Ag)、铝(Al)、或铑(Rh)制成。使用反射电极的FCLED可以提供高的光利用效率和高亮度。

在LED或LD中的传统n电极由应该在超过600℃的高温下退火的Al-Ti基材料制成。具体地，Al-Ti基材料在独立的GaN基底的N极表面上形成欧姆接触有困难。更具体地，传统上Ti/Al或Al/Ti沉积在GaN基底上，然后在超过600℃的高温下退火，以形成对n电极的欧姆接触。但是，在超过600℃的高温下的退火可以引起在退火之前形成为叠层的层的热损伤。为了避免这个问题，传统上，在n电极上形成n型化合物半导体层、有源区、p型化合物半导体层、和p电极之前，n电极形成于GaN基底上。如上所述，Al-Ti基材料的另一缺点是其仅可以在Ga极表面上形成欧姆接触。已知Al-Ti基材料难于在N极表面上形成欧姆接触。因而，为了克服这些问题，迫切需要研发可以改善对n电极的欧姆接触特性并且改善n电极结构的n电极材料。

发明内容

本发明提供了一种具有对于n电极的欧姆接触特性改善的氮化物基化合物半导体装置及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种氮化物基化合物半导体发光装置，包括n电极、p电极、和在n电极和p电极之间形成的n型化合物半导体层、有源层和p型化合物半导体层。n电极包括由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成的第一电极层；和使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在第一电极层上形成的第二电极层。

n电极在200℃至900℃的温度范围内进行退火。第一电极层形成为1至1000的厚度。p型化合物半导体层包括p-GaN层。

有源层、p型化合物半导体、和p电极可以按顺序形成于n型化合物半导体层的第一表面上，并且n电极形成于n型化合物半导体层的第二表面上。n型化合物半导体层是n-GaN层，并且n-GaN层的第二表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

氮化物基化合物半导体发光装置还包括GaN基底。n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极可以按顺序形成于GaN基底的第一表面上，并且n电极可以形成于GaN基底的第二表面上。GaN基底的第二表面可以是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

氮化物基化合物半导体发光装置还可以包括蓝宝石基底。在这种情形，n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极可以按顺序形成于蓝宝石基底上，并且n型化合物半导体层可以具有阶梯表面，n电极形成于阶梯表面上。

根据本发明的另一方面，提供了一种氮化物基化合物半导体发光装置的制造方法，包括的步骤是：制备GaN基底；在GaN基底的第一表面上按顺序形成n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极；并且在GaN基底的第二表面上形成n-电极。

形成n电极的步骤包括由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成第一电极层；和使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在第一电极层上形成第二电极层；并且退火第一和第二电极层。

GaN基底的第二表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。第一电极层形成为1至1,000的厚度。退火在200℃至900℃的温度范围进行。

n型化合物半导体层和p型化合物半导体层可以分别包括n-GaN层和p-GaN层。

本发明可以提供一种具有对于n电极的欧姆接触特性改善的氮化物基化合物半导体发光装置。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的典型实施例，本发明的上述和其它的特征和优点将变得更加明显。其中：

图1是根据本发明一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的示意截面图；

图2是根据本发明另一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的示意截面图；

图3A-3E是图示根据本发明一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的一种制造方法的步骤的流程图；以及

图4是图示使用传统Ti/Al的n电极的发光二极管(LED)和根据本发明的使用Pd/Ti/Al的n电极的LED的欧姆接触特性的曲线图。

具体实施方式

现将参照附图详细描述根据本发明的实施例的一种氮化物基化合物半导体发光装置及其制造方法。在图中，为了清楚起见，夸大了层和区的厚度。

图1是根据本发明一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的示意截面图。参照图1，根据本发明当前实施例的氮化物基化合物半导体发光装置包括n电极31、p电极20、和在n电极31和p电极20之间形成的n型化合物半导体层12、有源层14和p型化合物半导体层16。更具体地，n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16、和p电极20按顺序形成于GaN基底10的第一表面10a上。n电极31形成于GaN基底10的第二表面10b上并且包括第一电极层31a，第一电极层31a由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、Au构成的组的至少一种元素形成，并且使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在第一电极层31a上形成第二电极层31b。第二电极层31b可以具有多层结构，例如Ti/Al或Al/Ti层。n电极31在200℃至900℃的温度下退火。第一电极层31a可以形成为1至1000的厚度。GaN基底10的第二表面10b可以是Ga极表面、N极表面或非极化表面。

第一电极层的材料，例如Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、或Au与GaN基底10的第二表面10b具有高的反应性。例如，当第一和第二电极层31a和31b分别由Pd和Ti/Al形成时，Pd与GaN基底10上的Ga反应以形成Pd-镓化物，而Ti或Al与GaN基底10上的N反应以形成AlN或TiN。因而，可以改善对于n电极31的欧姆接触特性。具体地，n电极31具有在Ga极表面上以及在通常认为难于形成欧姆接触的N极表面上的出色的欧姆接触特性。n电极31a的材料也是高反应性的，以便当接触尺寸的宽度小时形成均匀的欧姆接触。

因为在具有上述配置的氮化物基化合物半导体发光装置的制造期间，n电极31的退火温度可以减小到低于600℃，所以可以减小对于在退火前形成的叠层的其它层的热损伤，即对于n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16和p电极20的热损伤。

n型化合物半导体层12由n-GaN基III-V氮化物半导体材料制成，具体地，由n-GaN、或其它能够引起激光振荡(产生激光)的III-V化合物半导体材料制成。n型化合物半导体层12可以包括下覆层(未图示)。下覆层可以由具有预定折射率的n-GaN/AlGaN或其它能够产生激光的化合物半导体材料制成。

有源层14可以由任何能够引起产生激光的材料制成，优选可以具有低阈值电流和稳定的横向模式特性的引起激光振荡的材料。有源层14可以由In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，并且x+y≤1)形成，In_xAl_yGa_1-x-yN是包含预定百分比的Al的GaN基III-V氮化物化合物半导体材料。有源层14可以具有单量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)结构或其它已知结构。

p型化合物半导体层16可以由p-GaN基III-V氮化物半导体材料制成，具体地由p-GaN或可以引起激光振荡(产生激光)的其它III-V氮化物半导体材料形成。p型化合物半导体层16可以包括上覆层(未图示)。上覆层可以由具有预定折射率的p-GaN/AlGaN或其它可以引起产生激光的化合物半导体材料制成。

p电极20主要由在p型化合物半导体层16上形成的Ni/Au双层构成并且与p型化合物半导体层16形成欧姆接触。

根据本发明的具有上述配置的氮化物基化合物半导体发光装置可以提供改善了的对于n电极31的欧姆接触特性以及输出功率特性。虽然在上述描述中，GaN基底10和n型化合物半导体层12是分开的独立的元件，但是GaN基底10可以被结合进n型化合物半导体层12之中。在这种情形，有源层、p型半导体层、和p电极可以按顺序形成在n型化合物半导体层的第一表面上，同时n电极可以形成在n型化合物半导体层的第二表面上。

图2是根据本发明另一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的示意截面图。在图1和2中相似的参考标号指示相似的元件，并且因此将省略其描述。

参照图2，氮化物基化合物半导体发光装置还包括蓝宝石基底11、和按顺序在蓝宝石基底11上形成的n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16和p电极20。n型化合物半导体层12被蚀刻到预定深度以在其一侧上形成阶梯表面12a，并且n电极31设置在阶梯表面12a上。n型化合物半导体层12的阶梯表面12a可以是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

图3A-3E是图示根据本发明一实施例的氮化物基化合物半导体发光装置的一种制造方法的步骤的流程图。

参照图3A和3B，制备GaN基底10并且在GaN基底10的第一表面10a上按顺序形成n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16、和p电极20。因为n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16、和p电极20具有相同的结构或使用上述使用普遍公知的技术由相同的材料形成，因此将不给出其详细描述。例如，各层可以使用薄膜沉积技术，例如化学气相沉积(CVD)、金属有机CVD(MOCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)或物理气相沉积(PVD)形成。

参照图3A-3E，在GaN基底10的第二表面10b上按顺序形成第一和第二电极层30a和30b，并且使用例如退火的技术进行热处理以形成n-电极31。GaN基底10的第二表面10b可以是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

首先，参照图3C，第一电极层30a由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成，其厚度为1至1000。第二电极层30b可以使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在第一电极层上形成到任意厚度。第二电极层30b可以具有多层结构。例如，第一和第二电极层31a和31b可以分别由Pd和Ti/Al形成。

然后，参照图3D和3E，第一和第二电极层30a和30b使用退火进行热处理，以形成具有改善了的欧姆接触特性的n电极31。虽然退火可以在200℃至900℃的温度范围内进行，但是也可以在较低的温度范围，例如200℃至600℃进行。

因为在氮化物基化合物半导体发光装置的制造期间，n电极31的退火温度可以减小到600℃以下，所以可以减小对于退火前形成的叠层的其它层的热损伤，即对于n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16和p电极20的热损伤。这使得在形成n电极31之前可以在GaN基底10上按顺序形成n型化合物半导体层12、有源层14、p型化合物半导体层16和p电极20。因而可以比传统装置更容易地制造氮化物基化合物半导体发光装置。

根据本发明的实施例的氮化物基化合物半导体发光装置及其制造方法可以容易地应用于例如激光二极管(LD)和发光二极管(LED)的光学装置的制造。

图4是图示使用传统Ti/Al的n电极的发光二极管(LED)和根据本发明的使用Pd/Ti/Al的n电极的LED的欧姆接触特性的曲线图。当n电极在400℃至600℃的低温范围下退火时，本发明的LED比传统的LED具有改善了的欧姆接触特性。

本发明可以提供一种具有对于n电极的欧姆接触特性改善的氮化物基化合物半导体发光装置。具体地，因为在具有上述配置的氮化物基化合物半导体发光装置的制造期间，n电极31的退火温度可以减小到600℃以下，所以可以减小在退火前形成的叠层的其它层的热损伤。因而，因为在形成n电极31之前可以在GaN基底10上按顺序形成n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层和p电极，所以可以比传统装置更容易地制造氮化物基化合物半导体发光装置。

在本发明中，n电极31在Ga极表面上以及在通常认为时难于形成欧姆接触的N极表面上具有出色的欧姆接触特性。具体地，n电极的材料也是高反应性的，使得当接触尺寸的宽度小时形成均匀的欧姆接触。根据本发明实施例的氮化物基化合物半导体发光装置及其制造方法可以容易地应用于例如LD或LED的光学装置的制造。

虽然参照帮助理解本发明的典型实施例具体示出和描述了本发明，但是所述实施例是作为示例而非限制呈现的。本发明不限于上述描述和示出的结构和布置。即本领域的普通技术人员应当理解在不脱离由在权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种氮化物基化合物半导体发光装置，包括n电极、p电极、和在所述n电极和p电极之间形成的n型化合物半导体层、有源层、和p型化合物半导体层，其中所述n电极包括：

由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成的第一电极层；和

使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在所述第一电极层上形成的第二电极层。

2.根据权利要求1的装置，其中所述n电极在200℃至900℃的温度范围内退火。

3.根据权利要求1的装置，其中所述有源层、p型化合物半导体、和p电极按顺序形成于所述n型化合物半导体层的第一表面上，并且

其中所述n电极形成于所述n型化合物半导体层的第二表面上。

4.根据权利要求3的装置，其中所述n型化合物半导体层是n-GaN层。

5.根据权利要求4的装置，其中所述n-GaN层的第二表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

6.根据权利要求1的装置，还包括GaN基底，

其中所述n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极按顺序形成于所述GaN基底的第一表面上，并且

其中所述n电极形成于所述GaN基底的第二表面上。

7.根据权利要求6的装置，其中所述GaN基底的第二表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

8.根据权利要求1的装置，还包括蓝宝石基底，

其中所述n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极按顺序形成于所述蓝宝石基底上，并且

其中所述n型化合物半导体层具有阶梯表面，并且所述n电极形成于所述阶梯表面上。

9.根据权利要求8的装置，其中所述n型化合物半导体层是n-GaN层。

10.根据权利要求9的装置，其中所述n-GaN层的阶梯表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

11.根据权利要求1的装置，其中所述第一电极层形成为1至1,000的厚度。

12.根据权利要求1的装置，其中所述p型化合物半导体层包括p-GaN层。

13.一种氮化物基化合物半导体发光装置的制造方法，所述方法包括：

制备GaN基底；

在所述GaN基底的第一表面上按顺序形成n型化合物半导体层、有源层、p型化合物半导体层、和p电极；并且

在所述GaN基底的第二表面上形成n-电极，

其中n电极的形成包括：

由选自Pd、Pt、Ni、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Cu、Ag、和Au构成的组的至少一种元素形成第一电极层；和

使用包含选自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W、Re、Ir、Al、In、Pb、Ni、Rh、Ru、Os、和Au构成的组的至少一种元素的导电材料而在所述第一电极层上形成第二电极层；并且

退火所述第一和第二电极层。

14.根据权利要求13的方法，其中所述GaN基底的第二表面是Ga极表面、N极表面、或非极化表面。

15.根据权利要求14的方法，其中所述第一电极层形成为1至1,000的厚度。

16.根据权利要求13的方法，其中所述退火在200℃至900℃的温度范围内进行。

17.根据权利要求16的方法，其中所述n型化合物半导体层和p型化合物半导体层分别包括n-GaN层和p-GaN层。