CN1332454C - 制作一半导体发光元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制作一半导体发光元件的方法。该方法包含于一基板表面形成至少一半导体叠层结构，此半导体叠层结构包含有一第一导电型式半导体层、一发光层以及一第二导电型式半导体层依序设于基板表面；然后于半导体叠层结构表面形成一含铟元素的电极接触层，并且进行一微波处理，以活化半导体叠层结构，最后再于电极接触层表面形成一透明导电层。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作一半导体发光元件的方法，尤指一种制作一半导体发光元件的欧姆电极(ohmic electrode)的方法。
背景技术
III-V族半导体材料，包含氮化镓系列(GaN series)、砷化镓(GaAs series)系列等化合物半导体材料的应用已成为发光组件制作的研究重点。在这些发光组件中，通常包含有一N型导电型式的III-V族化合物半导体层以及一P型导电型式的III-V族化合物半导体层堆栈于一基板上。此外，在P型半导体层上方另设有一P型接触电极，以与设于N型半导体层上或导电材料基板背面的N型接触电极配合，用来提供电流使组件发光。
一般而言，P型接触电极必须覆盖于P型半导体层的整个表面，以提供均匀电流至P型半导体层，使发光组件可以产生均匀的光线。然而，用来制作接触电极的金属材料透光率并不高，若完全覆盖住发光组件的表层，必定会对发光组件的发光效率产生不良影响。为了同时兼顾发光均匀性以及发光效率，目前的改善方法是在P型半导体层上覆盖一透明导电层，然后将P型接触电极设于透明导电层上，以形成欧姆电极。
由于P型半导体层表面具有许多缺陷，使其与透明导电层间的接触电阻增加，并不易形成良好的欧姆电极。现有技术利用有机金属气相磊晶成长(metalorganic vapor phaseepitaxy，MOVPE)、分子束磊晶成长(molecular beam epitaxy，MBE)或氢化物气相磊晶成长(hybride vapor phase epitzxy，HVPE)等方法制作这些半导体层时，必须经过一约为900-1000℃的高温磊晶成长过程，同时加入含有适当掺质的气体，以于基板上形成N型或P型导电型式的III-V族化合物半导体层。
在上述制作过程中，最常遇到的问题便是无法形成具有足够低阻抗的P型半导体层。可能的原因是在磊晶成长的过程中，偶发性的氢结合(hydrogen incorporation)导致受体钝化(acceptor passivation)，进而使得电洞载流子浓度不足，甚至产生一种阻抗高达108Ω的半绝缘性材料，又称为I型半导体层。为了去除P型半导体层中的氢钝化现象，使得具有高阻抗的I型半导体层可以转化为P型半导体层，现有技术中已有人提出可以利用热退火、电子束照射或紫外光照射等技术来活化P型半导体材料。
由于为了形成良好的欧姆电极，P型半导体导电层必须具有很高的载流子浓度或是较低的功函数，因此一般具有可制作良好欧姆电极的P型半导体材料导电层并不容易达成。以氮化镓系列发光组件为例，其P型半导体层的载流子浓度不易达5e18/cm3以上，而P型氮化铟镓(InGaN)虽然较易达到高载流子浓度以及低功函数的要求，然而在P型半导体层的活化制程(例如热退火)中，却又容易因高温破坏其组成结构，使得P型氮化铟镓层成为高阻抗层。
另外为了制作良好的欧姆电极，除了P型半导体导电层要具有高浓度载流子的条件外，透明导电层也是一重要的部分。以ITO为例，虽然理论上ITO可作为III-N半导体的透明导电层，但在文献上或其它公开的报导中，如Semiconductor Science andTechnology，vol.18(4)，2003，L21-L23(1)；Solid-State Electronics，vol.47(5)，2003，849-853；Materials Science and Engineering B Vol.106(1)，2004，69-72；Solid-State Electronics，vol.47(9)，2003，1565-1568；Photonics Technology Letters，IEEE，Vol.15(5)，2003，646-648，等等文献中说明单纯使用ITO作为P-GaN layer的欧姆电极，虽具95％以上的透光率，但无法形成良好的欧姆电极，均呈现过高的组件顺向电压。因此在ITO与P-GaN之间添加Ni或Ni/Au以形成较佳的欧姆电极，降低组件的顺向电压，但Ni或Ni/Au透光性较差，所以以Ni/ITO或Ni/Au/ITO便会使发光组件的发光效率变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作半导体发光元件的方法，能够有效提高P型半导层的载流子浓度，并且降低其与透明电极的接触阻抗，以形成良好的欧姆电极。
为实现以上目的，本发明采取的主要技术方案是：该方法包含于一基板表面形成至少一半导体叠层结构，此半导体叠层结构包含有一第一导电型式半导体层、一发光层以及一第二导电型式半导体层依序设于基板表面。然后于半导体叠层结构表面形成一含铟元素的电极接触层，并且进行一微波处理，以活化半导体叠层结构，最后再于电极接触层表面形成一透明导电层。前述的微波制程为超低温制程，因此本发明亦可在形成透明导电层后再利用微波来活化半导体层，并不会影响透明导电层的品质。
由于本发明于半导体发光元件中设置含铟元素的电极接触层以提高载流子浓度，同时又利用低温的微波处理来活化半导体叠层结构，因此可以避免因高温活化使铟元素散出或半导体品质变差所导致的阻抗增加等问题，进而可以获得良好的欧姆电极。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
图1至4为本发明第一实施例的方法示意图；
图5至7为本发明第二实施例的方法示意图。
具体实施方式
图1至图4为本发明第一实施例的制作一半导体发光元件的方法示意图。本发明的半导体发光元件包含发光二极管、雷射二极管、光检测器以及太阳能电池等。如图1所示，本发明于制作半导体发光元件10时先提供一基板12，例如可直接提供磊晶成长的蓝宝石绝缘基板，然后于基板12表面形成由第一导电型式半导体层14、发光层16以及第二导电型式半导体层18所形成的半导体叠层结构，并且在半导体叠层结构表面形成一具有第一导电型式或第二导电型式的含铟元素的电极接触层20。由于含铟元素的电极接触层20相对于其下方的半导体层14、18而言可以提供较窄的材料能隙，因此载流子可以被聚集在含铟元素的电极接触层20中，达到良好欧姆电极需求的高载流子浓度。
在本发明的较佳实施例中，第一导电型式半导体层14为N型掺杂化合物半导体层，例如N型硅掺杂氮化镓层；发光层16为氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多重量子井结构；第二导电型式半导体层18为P型掺杂化合物半导体层，例如P型镁掺杂氮化镓层；至于含铟元素的电极接触层20则可为厚度不大于500埃()的N型或P型氮化铟镓层，较佳厚度约略为20埃。然而本发明并不限定于此，其它可应用于半导体发光元件的掺质以及半导体材料均可适用于本发明。此外，在半导体叠层结构与基板12之间可另形成一缓冲层，例如氮化镓层，以避免半导体层14、18表面晶格结构于磊晶成长的高温过程中受到破坏。
之后如图2所示，对半导体发光元件10进行一微波处理，以活化P型掺杂层，包含半导体层18(及电极接触层20)。微波处理为一低温处理，操作温度应小于400℃，以避免铟元素散出或半导体品质变差而导致阻抗增加。为了达到量产的目的，本发明亦可在微波处理之前进行一预热处理，将基板12预热至一预定温度范围内，使其温度高于室温但低于400℃，以防止P型掺杂层于后续微波处理中产生芯片破裂的情形。
如图3与图4所示，接着在电极接触层20表面形成一透明导电层22，并进行一蚀刻制程去除部分的透明导电层22、电极接触层20、半导体层18、发光层16直至半导体层14表面，以于半导体层14表面形成一接触电极24，在透明导电层22表面形成一接触电极25。透明导电层22可选自金属、金属氧化物以及金属氮化物所组成的群组，包含镍、金、银、铬、铂、氧化铟锌(IZO)、氧化铟、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化锡、氧化锑锡(ATO)、氧化锑、氧化锑锌(AZO)、氧化镉锡(cadmium tin oxide，CTO)、氧化镉、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、氮化钛钨(TiWN)等。在本发明的较佳实施例中，接触电极24可由钛/铝等金属形成，用来作为半导体发光元件10的N型接触电极，接触电极25可由镍/金、铬/金或铂/金等金属形成，用来作为半导体发光元件10的P型接触电极。此外，当基板12由N型半导体材料形成时，N型接触电极亦可直接形成于基板12的背面，以省略前述蚀刻部分的透明导电层22、电极接触层20、半导体层18以及发光层16等步骤。
相对于热退火等高温活化P型半导体层的方法，本发明利用超低温的微波制程来活化P型半导体层，不仅可以缩短活化时间，有效降低P型半导体层的阻抗，同时更可以避免含铟元素的电极接触层于活化过程中受高温破坏，因此可使半导体发光元件具有高载流子浓度，以形成良好的欧姆电极。
为了避免透明导电层受到高温退火制程影响其品质，现有方法是在高温活化P型半导体材料层后，再进行透明导电层的制作。然而由于微波制程为操作温度小于400℃的超低温制程，因此本发明亦可在形成透明导电层后再利用微波来活化P型半导体层，并不会影响透明导电层的品质。
图5至图7为本发明第二实施例的制作一半导体发光元件的方法示意图。本发明的半导体发光元件包含发光二极管、雷射二极管、光检测器以及太阳能电池等。如图5所示，本发明于制作半导体发光元件30时先提供一基板32，例如可直接提供磊晶成长的蓝宝石绝缘基板，然后于基板32表面形成由第一导电型式半导体层34、发光层36以及第二导电型式半导体层38所形成的半导体叠层结构，并且在半导体叠层结构表面形成一具有第一导电型式或第二导电型式的含铟元素的电极接触层40。由于含铟元素的电极接触层40相对于其下方的半导体层34、38而言可以提供较窄的材料能隙，因此载流子可以被聚集在含铟元素的电极接触层40中，达到良好欧姆电极需求的高载流子浓度。
在本发明的较佳实施例中，第一导电型式半导体层34为N型掺杂化合物半导体层，例如N型硅掺杂氮化镓层；发光层36为氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多重量子井结构；第二导电型式半导体层38为P型掺杂化合物半导体层，例如P型镁掺杂氮化镓层；至于含铟元素的电极接触层40则可为厚度不大于500埃()的N型或P型氮化铟镓层，较佳厚度约略为20埃。然而本发明并不限定于此，其它可应用于半导体发光元件的掺质以及半导体材料均可适用于本发明。此外，在半导体叠层结构与基板32之间可另形成一缓冲层，例如氮化镓层，以避免半导体层34-38表面晶格结构于磊晶成长的高温过程中受到破坏。
之后如图6所示，在电极接触层40表面形成一透明导电层42，并对半导体发光元件30进行一微波处理，以活化P型掺杂层，包含半导体层38(及电极接触层40)。透明导电层42可选自金属、金属氧化物以及金属氮化物所组成的群组，包含镍、金、银、铬、铂、氧化铟锌(IZO)、氧化铟、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化锡、氧化锑锡(ATO)、氧化锑、氧化锑锌(AZO)、氧化镉锡(cadmium tin oxide，CTO)、氧化镉、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、氮化钛钨(TiWN)等。微波处理为一低温处理，操作温度应小于400℃，以避免铟元素散出或半导体品质变差而导致阻抗增加。为了达到量产的目的，本发明亦可在微波处理之前进行一预热处理，将基板32预热至一预定温度范围内，使其温度高于室温但低于400℃，以防止P型掺杂层于后续微波处理中产生破裂的情形。
如图7所示，接着进行一蚀刻制程去除部分的透明导电层42、电极接触层40、半导体层38、发光层36直至半导体层34表面，以于半导体层34表面形成一接触电极44，在透明导电层42表面形成一接触电极45。在本发明的较佳实施例中，接触电极44可由钛/铝等金属形成，用来作为半导体发光元件30的N型接触电极，接触电极45可由镍/金、铬/金或铂/金等金属形成，用来作为半导体发光元件30的P型接触电极。此外，当基板32由N型半导体材料形成时，N型接触电极亦可直接形成于基板32的背面，以省略前述蚀刻部分的透明导电层42、电极接触层40、半导体层38以及发光层36等步骤。
Claims (8)
1、一种制作一半导体发光元件的方法，该方法包含有下列步骤：
(1)提供一基板；
(2)于所述的基板表面形成至少一半导体迭层结构，且该半导体迭层结构包含有一第一导电型式半导体层、一发光层以及一第二导电型式半导体层依序设于该基板表面；
(3)于所述的半导体迭层结构表面形成一含铟元素的电极接触层；
(4)于所述的电极接触层表面形成一透明导电层；
(5)在形成所述的透明导电层后，进行一微波处理，以活化所述的半导体迭层结构。
2、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的第一导电型式为N型，所述的第二导电型式为P型。
3、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的微波处理是用来活化所述的半导体迭层结构中的P型半导体层。
4、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的电极接触层由P型半导体材料形成，并利用所述的微波处理予以活化。
5、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的透明导电层选自金属、金属氧化物以及金属氮化物所组成的群组。
6、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的微波处理的操作温度小于400℃。
7、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的电极接触层的厚度不大于500埃。
8、根据权利要求1所述制作一半导体发光元件的方法，其特征在于：所述的半导体发光元件包含发光二极管、雷射二极管、光检测器或太阳能电池。
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2004
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