光学装置和制造该光学装置的方法

专利名称：光学装置和制造该光学装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种光学装置。更具体地讲，本发明涉及一种具有高效率的 光学装置和制造该光学装置的方法。
背景技术：
近来，透明导电薄膜被用在各种领域中，诸如使用有机和无机材料的光 电领域、显示器领域和能源工业领域。在包括发光二极管和激光二极管的半 导体发光装置的领域中，必须使用具有优良电学和光学特性的材料，以<足进载流子注入和电流扩展，并有利于从半导体发光装置的有源层(active layer)产 生的光子的发射。致力于作为用于照明的下一代光源而受到关注的第III族氮化物发光二 极管(第III族氮化物LED)的许多国内外的研究所已经积极地进行研究以开发 透明导电薄膜。结果，近来，诸如公知的氧化铟锡(ITO)和包含各种杂质的掺 杂的氧化锌(ZnO)的透明导电材料被直接用作氮化物类LED的电极。在透明导电氧化物(TCO)中，已经积极地研究并开发了氧化铟(111203)、氧 化锡(Sn02)、氧化镉(CdO)、氧化锌(ZnO)和氧化铟锡(ITO)。上面的氧化物具 有相对低的逸出功值，并在可见光线和紫外线的波段表现出透光率突然降低 的特性，因此当将上面的氧化物用于氮化物LED的透明电极时出现问题。将 上面的氧化物部分地用于氮化物LED的问题如下。首先，由于传统TCO或透明导电氮化物(TCN)的逸出功值明显低于p型 氮化物类包层(cladding layer)的逸出功值，所以如果TCO或TCN被用作p型 欧姆接触层，则相对于载流子流在界面处形成高能垒，因此空穴注入非常困 难。因此，实现具有高的外量子效率(EQE, external quantum efficiency)的LED 非常困难。另外，由于传统的TCO或TCN没有灵活地匹配在n型氮化物类包层的 表面处形成的电特性，所以如果TCO或TCN用作n型氮化物类肖特基或欧 姆接触电极结构，则相对于载流子流控制空穴以及注入空穴会是困难的。因此，实现具有高的光接收效率或高的外量子效率(EQE)的光接收二极管或LED 是非常困难的。其次，传统的TCO或TCN相对于产生在氮化物类LED中并从氮化物类 LED输出的特定光表现出低的透光率。详细地讲，TCO或TCN相对于波段 等于或低于蓝光的波段的光表现出低的透光率，因此TCO或TCN不适于发 射短波长的光的LED。第三，由于传统的TCO或TCN具有大致为2的大的光折射率，所以通 过TCO或TCN将光发射到空气非常困难。近来，通过使用氮化物类半导体，诸如晶体管和光电检测器的电子装置 以及诸如LED和激光二极管(LD)的光学装置已经被广泛地商品化。为了实现 具有优良性能的光电装置，能够改善第III族氮化物类半导体和电极之间的界 面特性的接触控制技术是非常重要的。使用包含氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)的氮化物类半导体的根据目前现有的TELED，通过与p型氮化物类包层接触的p型欧姆接触 层输出从TELED产生的光。相反，在FCLED(因为与TELED的热耗散的实 现相比，在操作期间，容易实现FCLED的热耗散，所以FCLED被制造为大 尺寸大容量LED)的情况下，通过使用高反射的p型欧姆接触层，通过透明的 蓝宝石基底发射从有源层产生的光。由于p型氮化物类包层具有低的空穴密度，所以在p型氮化物类包层处， 采用第III族氮化物类半导体的LED会不易于以各种方向传输作为p型载流 子的空穴。因此，为了使用p型氮化物类包层来获得具有优良性能的光电装 置，必然需要具有优良的电流扩展特性的高质量的p型欧姆接触层。换句话说，为了通过使用第III族氮化物类半导体来实现高质量的下一代 LED,必须开发这样的p型欧姆接触电极结构，即，能够改善横向方向的电 流扩展和垂直方向的空穴注入，并且对于可见光线和具有短波段的光的具有 优良的光学特性(透光率或光反射率)。当前广泛使用的TELED的p型欧姆接触层包含形成在p型氮化物类包 层的上部的被氧化的镍-金(Ni-Au)。通过使用电子束蒸镀器将薄的镍-金 (Ni-Au)层沉积在p型氮化物类包层的上部，然后在氧气(02)气氛中将该薄的 镍-金(Ni-Au)层退火，从而形成具有大约1(T^cn^至104Qcm2的低的比欧姆接触电阻值的半透明的欧姆接触层。在蓝光的波段"氐于460nm)中，被氧化的 Ni-Au欧姆接触层具有75%或更低的低的透光率，因此Ni-Au欧姆接触层不 适于下一代氮化物类LED的p型欧姆接触层。由于一皮氧化的半透明Ni-Au欧 姆接触层的低的透光率，所以当在大约500。C至大约600。C的温度下在氧气 (02)气氛中将被氧化的半透明Ni-Au欧姆接触层退火时，在形成p型氮化物 类包层的氮化镓(GaN)和形成欧姆接触层的镍(Ni)之间的接触界面处以岛 (island)的形式产生作为p型半导体氧化物的氧化镍(NiO)。另外，金(Au)置于 以岛的形式分布的氧化镍(NiO)之间，同时覆盖氧化镍(NiO)的上部。具体地 讲，当在氧气(02)气氛中将沉积在p型氮化物类包层上的薄的Ni-Au层退火 时，形成氧化镍(NiO)。这样的氧化镍(NiO)可以降低形成在氮化镓(GaN)和电 极之间的肖特基势垒高度和肖特基势垒宽度(SBH和SBW)，从而当施加外部 电压时容易地将载流子通过电极引入装置中。因为氧化镍(NiO)可以降低SBH 和SBW并且Au组分可以改善横向方向的电流扩展，所以薄的被氧化的Ni-Au 层显示出优良的欧姆行为(behavior)，即，优良的电特性。除了薄的Ni-Au层的优良的欧姆行为机制外，如果在已经在p型氮化物 类包层上沉积了薄的M-Au层之后将p型氮化物类包层退火，则可以去除在 p型氮化物类包层中限制净有效空穴浓度的Mg-H金属间化合物。因此，可以 在p型氮化物类包层的表面处通过增加镁掺杂物的浓度的再生(reactivation) 工艺将净有效空穴浓度增加到高于1018/(^13的水平，从而在p型氮化物类包 层和包含氧化镍的欧姆接触层之间发生隧穿运输。因此，p型氮化物类包层 显示出具有低的比接触电阻值的优良的欧姆行为。然而，由于采用包括被氧化的Ni-Au层的半透明的p型欧姆接触电极结 构的TELED包含通过吸收大量的从LED有源层产生的光以降低透光率的Au 组分，所以所述TELED表现出低的EQE，因此所述TELED不适于提供用于 照明的大尺寸和大容量的LED。近来，文献[T. Margalith et al,， Appl. Phys. Lett. Vol 74. p3930 (1999)]公开 了与作为传统p型多层欧姆接触层的镍-金结构的透光率相比具有更优良的透 光率的透明导电氧化物(诸如ITO)的使用，以解决TELED和FCLED的问题。 文献(Solid-State Electronics vol.47, p849)示出了采用ITO欧姆接触层的 TELED与采用传统的镍-金结构的TELED的输出功率相比表现出提高的输出 功率。欧姆接触层的欧姆接触层可以增加LED的输出功率，但是所述欧姆接触层表现出相对较高的操作电压。这是因为所述 欧姆接触层与p型氮化物类半导体的逸出功值相比具有相对低的逸出功值。因此，在p型氮化物包层和ITO欧姆接触层之间的界面处形成高的肖特基势 垒，从而会不易于实现载流子注入，因此产生大量的热并缩短半导体装置的寿命。如上所述，如果将诸如ITO或ZnO的TCO直接沉积在p型氮化物类包 层上，则形成较高的SBH和较宽的SBW，从而会使欧姆接触层的质量劣化。 为了解决这样的问题，隶属于GIST(Gwangju Institute of Science & Technology, Korea)的研究组最近公开了包含具有lOOnm或更小的尺寸的颗粒的高质量欧 姆接触层的测试结果，即，所述高质量欧姆接触层通过将第二TCO层插入p 型氮化物类包层和第一TCO层之间，然后将所得结构进行退火而得到。从界 面产生的纳米颗粒在界面处引起电场，从而通过该电场将TCO电极的肖特基 行为转换为欧姆行为并降低SBH和SBW。然而，通过使用上面的技术制造的高透明和高质量的p型欧姆接触层和 采用所述p型欧姆接触层的垂直LED具有有限的发光区域，而且在操作期间 引起大量的热耗散，因此上面的p型欧姆接触层不适于用于照明的下一代光 源。发明内容技术问题本发明的一个目的在于提供一种高效率的光学装置。 本发明的另一目的在于提供一种制造这样的光学装置的方法。 技术方案在本发明的一方面中， 一种光学装置包括光学构件和接触层。接触层包 括堆叠在光学构件的顶部表面和底部表面的至少一个上的至少一个透明导电 氧氮化物(TCON)层。所述TCON包含从由与氧(O)和氮(N)化合的铟(In)、锡 (Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、 4家(Ga)、铝(A1)、 4美(Mg)、钬(Ti)、钼(Mo)、镍(Ni)、 铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、粕(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)和钯(Pd)组成的组 中选4奪的至少一种。光学构件包括n型氮化物包层、p型氮化物包层和置于n型氮化物包层和p型氮化物包层之间的有源层。接触层包括形成在n型氮化物包层上的n 型接触层和形成在p型氮化物包层上的p型接触层中的至少一个。在本发明的另一方面中， 一种制造光学装置的方法包括形成光学构件， 通过在光学构件的顶部表面和底部表面的至少一个上堆叠至少一个透明导电 氧氮化物(TCON)层来形成接触层。所述TCON包含从由与氧(O)和氮(N)化合 的铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镓(Ga)、铝(A1)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、 镍(Ni)、铜(Cu)、 4艮(Ag)、金(Au)、柏(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)和钇(Pd) 组成的组中选4奪的至少 一种。所述方法还包括在形成接触层之后执行的热工艺。在从大约100。C至大 约800°C的温度下，在包含从由氮气(N2)、氧气(02)、氢气(H。、氩气(Ar)、 氦气(He)和空气组成的组中选择的至少一种的气体气氛下，所述热工艺被执 行大约10秒至大约3小时。 有益效果根据本发明，通过采用透明导电氧氮化物(TCON),可以改善欧姆接触特 性，从而能够得到高效率的光学装置。


图1是示出了根据本发明第一实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的 顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图；图2是示出了根据本发明第二实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的 顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图；图3是示出了根据本发明第三实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的 顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图；图4是示出了根据本发明第四实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的 顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图；图5至图8是示出了图1至图4中示出的形成在p型氮化物类包层上的 p型多欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图；图9至图12是示出了在将纳米级颗粒引入p型氮化物类包层上之后图1 至图4中示出的形成在p型氮化物类包层上的p型多欧姆接触层的各种堆叠 结构的剖^L图；图13是示出根据本发明第五实施例的形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多肖特基接触层的结构的剖视图；图14是示出根据本发明第六实施例的形成在n型氮化物类包层上的高透 明n型多肖特基接触层的结构的剖视图；图15是示出根据本发明第七实施例的形成在n型氮化物类包层上的高透 明n型多欧姆接触层的结构的剖视图；图16是示出根据本发明第八实施例的形成在n型氮化物类包层上的高透 明n型多欧姆接触层的结构的剖视图；图17至图20是示出了图13至图16中示出的形成在n型氮化物类包层 上的高透明n型多肖特基接触层和欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图；图21至24是示出了在将纳米级颗粒引入n型氮化物类包层上之后图13 至图16中示出的形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多肖特基接触层和 欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图；图25是示出了根据本发明第九实施例的包括形成在n型氮化物类包层上 的高透明n型多欧姆接触层的LED的剖视图；图26是示出了根据本发明第十实施例的包括形成在n型氮化物类包层上 的高透明n型多欧姆接触层的第III族氮化物类LED的剖视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来描述本发明的示例性实施例。在下面的描述中， 具有相同结构和功能的元件可以具有相同的标号。图1是示出了根据本发明第一实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的 顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图，图2是示出了根据本发明第二实施 例的具有p型多欧姆接触电极结构的顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图。详细地讲，图1示出了在作为绝缘生长基底的蓝宝石基底10上堆叠/生 长的第III族氮化物类TELED，图2示出了形成在导电基底上的第III族氮化 物类TELED,所述导电基底包含碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)、金属(诸如铜(Cu)、镍(Ni)或铝(Al))或通过电镀或键合转移方案 (bonding transfer scheme)形成的合金。参照图1和图2，第III族氮化物类TELED包括基底10,其中，低温成 核层(nucleationlayer)20、氮化物类緩冲层30、 n型氮化物类包层40、氮化物 类有源层50、 p型氮化物类包层60和p型多欧姆接触层70顺序形成在基底10上。标号80和90分别表示p型电极焊盘和n型电极焊盘。这里，从基底 10至p型氮化物类包层60的层可以与发光结构对应，堆叠在p型氮化物类 包层60上的結构可以与p型电极结构对应。基底10包含从由蓝宝石(八1203)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、 砷化镓(GaAs)、金属(诸如铜(Cu)、镍(Ni)、铝(A1))以及通过电镀或键合转移 方案形成的合金组成的组中选择的一种。低温成核层20包含在大约700。C或更低的低温下形成的非晶氮化镓 (GaN)或氮化铝(AlN)。可以省略低温成核层20。从氮化物类緩冲层30至p型氮化物类包层60的每个层主要包含从表示为第m族氮化物类化合物的通式的AlxInyGazN(x、 y和z为整数)的化合物中选择的一种。将与n型和p型 对应的不同的掺杂物分别加入n型氮化物类包层40和p型氮化物类包层60。另外，可以以单层、多量子阱(MQW)结构、多量子点、多量子线或多量 子点、多量子线和多量子阱的混合结构的形式来制备氮化物类有源层50。例 如，如果采用GaN类化合物，则氮化物类緩冲层30包含GaN, n型氮化物 类包层40包含GaN和加入到GaN的n型掺杂物，诸如Si、 Ge、 Se、 Te等， 并且氮化物类有源层50包括InGaN/GaN MQW结构或AlGaN/GaN MQW结 构。另外，p型氮化物类包层60包含GaN和加入到GaN的p型掺杂物，诸 如Mg、 Zn、 Ca、 Sr、 Ba等。还可以将n型欧姆接触层(未示出)置于n型氮化物类包层40和n型电极 焊盘90之间。n型欧姆接触层可以具有各种结构。例如，n型欧姆接触层具 有钛(Ti)和铝(Al)的堆叠结构。可以通过在p型氮化物类包层60上沉积至少一个TCON层来形成p型 多欧姆接触层70。所述TCON包含从与氧(O)和氮(N)化合的铟(In)、锡(Sn)、 锌(Zn)、镉(Cd)、镓(Ga)、铝(A1)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、 银(Ag)、金(Au)、钼(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)和钯(Pd)的组中选择的至少 一种。优选地，所述TCON还可以包含其它金属组分作为掺杂物，以调节电特 性。根据本实施例，元素周期表中分类为金属的化学元素可以被用作所述 TCON的掺杂物。氟(F)或硫(S)可以被用作掺杂物。优选地，以0.001重量百 分比至20重量百分比的比率将掺杂物加入TCON。除了所述TCON外，p型多欧姆接触层70还可以包含有利于在p型氮化物类包层60上形成欧姆接触电极的金属、基于所述金属的合金/固溶体(solid solution)、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和透明导电氮化物(TCN),且 与它们的沉积顺序无关。所述金属包括铂(Pt)、钇(Pd)、镍(Ni)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)、 银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、铜(Cu)、钴(Co)、锡(Sn)或稀土金属。另 外，合金/固溶体可以包括基于上面的金属的合金/固溶体。所述导电氧化物包括镍的氧化物(Ni-O)、铑的氧化物(Rh-O)、钌的氧化 物(Ru-O)、铱的氧化物(Ir-O)、铜的氧化物(Cu-O)、钴的氧化物(Co-O)、鴒的 氧化物(W-O)或钛的氧化物(Ti-O)。所述TCO包括氧化铟(111203)、氧化锡(Sn02)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌 (ZnO)、氧化镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、 氧化铟锡(InSnO)、氧化铜铝(CuA102)、氧化银(Ag20)、氧化镓(0&203)、氧化 锌锡(ZnSnO)、氧化锌铟锡(ZITO)或与上述TCO结合的其它氧化物。所述TCN包括氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化鹌(WN)、氮化钽(TaN) 或氮化铌(NbN)。可以将第三材料作为掺杂物加入上述氧化物和氮化物，以改善所述氧化 物和氮化物的电特性。优选地，p型多欧姆接触层70具有大约lnm至大约1000nm的厚度。另 外，在大约20。C至大约1500。C的温度下沉积p型多欧姆接触层70。此时， 沉积p型多欧姆"l妻触层70的沉积器的内压在大约10torr至大约12torr的范围 内。在已经形成了 p型多层欧姆接触层70之后，优选地执行退火工艺。在真 空或气体气氛中执行退火工艺10秒至3小时，同时将反应器的内部温度设置 为大约100。C至大约800。C。在p型多欧姆接触层70的退火工艺的过程中， 将氮气、氩气、氦气、氧气、氢气和空气中的至少一种送入反应器中。p型电极焊盘80具有镍(Ni)/金(Au)、银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、镍 (Ni)/金(Au)、钯(Pd)/金(Au)或铬(Cr)/金(Au)的堆叠结构。可以通过诸如电子束或热蒸发、使用激光源的PLD(脉冲激光沉积)、双 型热蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD),或者通过诸如利用化学反应的电镀或 金属有机化学气相沉积的化学气相沉积(CVD)来形成第III族氮化物类发光二 极管的每个层。图3是示出了根据本发明第三实施例的具有p型多欧姆接触电极结构的顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图，图4是根据本发明第四实施例的具 有p型多欧姆接触电极结构的顶部发射发光二极管(TELED)的剖视图。详细地讲，图3示出了在作为绝缘生长基底的蓝宝石基底10上堆叠/生 长的第III族氮化物类TELED,图4示出了在导电基底上形成的第III族氮化 物类TELED,所述导电基底包含碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)、金属(诸如铜(Cu)、镍(Ni)或铝(Al))或通过电镀或键合转移方案形成 的合金。与本发明的第一实施例和第二实施例不同，本发明的第三实施例和第四 实施例提供这样的堆叠结构，即，在形成p型多欧姆接触层70之前，在p型 氮化物类包层60上形成隧道结层100。除了隧道结层100外，第三实施例与 第一实施例对应，第四实施例与第二实施例对应，因此下面将省略相同元件 的详细描述以避免冗余。隧道结层100主要包含从由第III-第V族元素组成的表示为 AlaInbGacNxPyAsz(a、 b、 c、 x、 y和z为整数)的化合物中选择的一种。可以以 具有大约50nm或更小的厚度的单层的形式来制备隧道结层100。优选地，以 双层、三层或多层的形式来制备隧道结层100。隧道结层IOO可以具有超晶格结构。例如，30对或更少的第III-第V族 元素可以以薄的堆叠结构(诸如InGaN/GaN、 AlGaN/GaN、 AlInN/GaN、 AlGaN/InGaN、 AlInN/InGaN、 AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs)的形式重复地堆 叠。隧道结层100可以包括具有加入其中的第II族元素(Mg、 Be和Zn)或第 IV族元素(Si和Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。参照图3和图4,第III族氮化物类TELED包括基底10,其中，低温成 核层20、氮化物类緩冲层30、 n型氮化物类包层40、氮化物类有源层50、 p 型氮化物类包层60、 p型多欧姆接触层70和隧道结层100顺序形成在基底 10上。标号80和90分别表示p型电极焊盘和n型电极焊盘。这里，从基底10至p型氮化物类包层60的层可以与发光结构对应，堆 叠在p型氮化物类包层60上的结构可以与p型电极结构对应。低温成核层 20、氮化物类緩沖层30、 n型氮化物类包层40、氮化物类有源层50、 p型氮 化物类包层60和p型多欧姆接触层70的材料和制造方法与第一实施例和第二实施例的材料和制造方法相同。图5至图8是示出了图1至图4中示出的形成在p型氮化物类包层上的p型多欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图。本发明的p型多欧姆接触层70包括与氧气(O2)和氮气(N2)结合的至少一 个TCON层。优选地，以单层、双层或多层的形式来制备p型多欧姆接触层 70。例如，如图5中所示，p型多欧姆接触层70可以被制备为包含TCON的 单层70a。另外，如图6至图8中所示，p型多欧姆接触层70可以被制备为 包含金属、合金、固溶体、导电氧化物、TCO和TCON的多层70a、 70b、 70c 和70d，且与它们的沉积顺序无关。图9至图12是示出了在将纳米级颗粒引入p型氮化物类包层上之后图1 至图4中示出的形成在p型氮化物类包层上的p型多欧姆接触层的各种堆叠 结构的剖^L图。在本发明的p型多欧姆接触层70形成在p型氮化物类包层60上之前， 在p型氮化物类包层60上形成纳米级颗粒。这里，纳米级颗粒包含能够控制 肖特基势垒高度和肖特基势垒宽度的金属、合金、固溶体、导电氧化物、TCO、 TCN或TCON,其中，肖特基势垒高度和肖特基势垒宽度调节在p型氮化物 类包层60和p型多欧姆接触层70之间的界面处的载流子的电荷传输。如上 所述，p型多欧姆接触层70包括与氧气(02)和氮气(N。化合的至少一个TCON 层。优选地，以单层、双层或多层的形式来制备p型多欧姆接触层70。例如，如图9中所示，p型多欧姆接触层70可以-故制备为包含TCON的 单层70a。另外，如图10至图12中所示，p型多欧姆接触层70可以被制备 为包含金属、合金、固溶体、导电氧化物、TCO和TCON的多层70a、 70b、 70c和70d，且与它们的沉积顺序无关。详细地讲，可以通过堆叠镍(Ni)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、 钌(Ru)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、铱(Ir)/氧氮化铟锡(ITON)或氧 氮化锌(ZnON)、镍的氧化物(Ni-0)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、钌 的氧化物(Ru-0)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、铱的氧化物(Ir-0)/氧 氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、镍(Ni)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡 (ITON)或氧氮化锌(ZnON)、钌(Ru)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮 化锌(ZnON)、铱(Ir)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、镍的氧化物(Ni-0)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、钌 的氧化物(Ru-0)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、铱的 氧化物(Ir-0)/银(Ag)或金(Au)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)、氧化铟 锡(ITO)或氧化锌(ZnO)/氧氮化铟锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON),或者氧氮化铟 锡(ITON)或氧氮化锌(ZnON)/氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)来制备p型多欧姆 接触层70。图13是示出了根据本发明第五实施例的形成在n型氮化物类包层上的高 透明n型多肖特基接触层的结构的剖视图，图14是示出了根据本发明第六实 施例的形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多肖特基接触层的结构的剖视图。详细地讲，图13示出了直接形成在n型氮化物类包层210上的高透明n 型多肖特基接触层220，图14示出了形成在n型氮化物类包层210上的高透 明n型多肖特基^l妻触层220,同时将隧道结层230插入它们中间。参照图13和图14, n型氮化物类包层210主要包含从表示为第III族氮 化物类化合物的通式的AlxInyGazN(x、 y和z为整数)的化合物中选择的一种。 将诸如第IV族元素的Si、 Ge、 Se和Te的掺杂物单独地或同时地加入n型氮 化物类包层210。可以通过将至少一个TCON层沉积在n型氮化物类包层210上来形成高 透明n型多肖特基接触层220。所述TCON主要包含从与氧(O)和氮(N)化合的铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、 镉(Cd)、镓(Ga)、铝(A1)、镁(Mg)、钬(Ti)、钼(Mo)、钽(Ta)、钒(V)、铬(Cr)、 铌(Nb)、锆(Zr)、 4艮(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、金(Au)、柏(Pt)、 4来(Re)、 铱(Ir)、钨(W)、钌(Ru)和钯(Pd)的组中选择的至少一种。优选地，所述TCON还可以包含其它金属组分作为掺杂物以调节电特性。 根据本实施例，在元素周期表中被分类为金属的化学元素可以被用作所述 TCON的掺杂物。氟(F)或硫(S)可以被用作掺杂物。优选地，将掺杂物以0.001 重量百分比至20重量百分比的比率加入所述TCON。除了所述TCON外，高透明n型多肖特基接触层220还可以包含有利于 在n型氮化物类包层210上形成肖特基接触界面的金属、基于所述金属的合 金/固溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和透明导电氮化物(TCN),且 与它们的沉积顺序无关。所述金属包括铂(Pt)、钇(Pd)、镍(Ni)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、 4衣(Ir)、 银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、铜(Cu)、钴(Co)、锡(Sn)或稀土金属。另 外，合金/固溶体可以包括基于上面的金属的合金/固溶体。所述导电氧化物包括镍的氧化物(Ni-O)、铑的氧化物(Rh-O)、钌的氧化 物(Ru-O)、铱的氧化物(Ir-O)、铜的氧化物(Cu-O)、钴的氧化物(Co-O)、钨的 氧化物(W-O)或钛的氧化物(Ti-O)。所述TCO包括氧化铟(111203)、氧化锡(Sn02)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌 (ZnO)、氧化镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、 氧化铟锡(InSnO)、氧化铜铝(CuA102)、氧化银(Ag20)、氧化镓(0&203)、氧化 锌锡(ZnSnO)、氧化锌铟锡(ZITO)或与上述TCO化合的其它氧化物。所述TCN包括氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化鵠(WN)、氮化钽(TaN) 或氮化铌(NbN)。可以将第三材料作为掺杂物加入上述的氧化物和氮化物，以改善所述氧 化物和氮化物的电特性。优选地，高透明n型多肖特基接触层220具有大约lnm至大约1000nm 的厚度。另外，在大约20。C至大约1500。C的温度下沉积高透明n型多肖特 基接触层220。此时，沉积高透明n型多肖特基接触层220的沉积器的内压 在大约10torr至大约12torr的范围内。在已经形成了高透明n型多肖特基接触层220之后，优选地执行退火工 艺。在真空或气体气氛中执行退火工艺10秒钟至3小时，同时将反应器的内 部温度设置为大约100°C至大约800。C。在退火工艺的过程中，将氮气、氩 气、氦气、氧气、氢气和空气中的至少一种送入反应器中。在图14中示出的实施例中，隧道结层230主要包含乂人由第III-第V族元 素组成的表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、 b、 c、 x、 y和z为整数)的化合物中选择 的一种。可以以具有大约50nm或更小的厚度的单层的形式来制备隧道结层 230。优选地，以双层、三层或多层的形式来制备隧道结层230。隧道结层230可以具有超晶格结构。例如，30对或更少的第III-第V族 元素可以以薄的堆叠结构(诸如InGaN/GaN、 AlGaN/GaN、 AlInN/GaN、 AlGaN/InGaN、 AlInN/InGaN、 AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs)的形式重复地堆 叠。此时，可以以具有加入其中的第II族元素(Mg、 Be和Zn)或第IV族元素 (Si和Ge)的单晶层、多晶 层或非晶层的形式来制备隧道结层230的每个层。另外，可以通过诸如电子束或热蒸发、使用激光源的PLD(脉冲激光沉积)、双型热蒸发或賊射的物理气相沉积(PVD),或者通过诸如利用化学反应 的电镀或金属有机化学气相沉积的化学气相沉积(CVD)来形成隧道结层230 的每个层。图15是示出了根据本发明第七实施例的形成在n型氮化物类包层上的高 透明n型多欧姆接触层的结构的剖视图，图16是示出了根据本发明第八实施 例的形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多欧姆接触层的结构的剖视图。详细地讲，图15示出了直接形成在n型氮化物类包层360上的高透明n 型多欧姆接触层240,图16示出了形成在n型氮化物类包层360上的高透明 n型多欧姆接触层240,同时将隧道结层380插入它们中间。第七实施例与第五实施例对应，第/\实施例与第六实施例对应，因此下 面将省略对相同元件的详细描述以避免冗余。参照图15和图16， n型氮化物类包层360主要包含/人表示为第III族氮 化物类化合物的通式的AlxInyGazN(x、 y和z为整数)的化合物中选择的一种。 可将诸如第IV族元素的Si、 Ge、 Se和Te的掺杂物单独地或同时地加入n型 氮化物类包层360。可以通过将至少 一个TCON层沉积在n型氮化物类包层360上来形成高 透明n型多欧姆"l妻触层240。TCON和加入TCON以调节电特性的掺杂物的组分与第五实施例和第六 实施例的组分相同。同时，高透明n型多欧姆接触层240不仅可以包含TCON，而且可以包 含有利于在n型氮化物类包层360上形成欧姆接触电极的金属、基于所述金 属的合金/固溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)、透明导电氮化物 (TCN)，且与它们的沉积顺序无关。所述金属、基于所述金属的合金/固溶体、 导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和透明导电氮化物(TCN)的组分与第五实 施例和第六实施例的组分相同。另外，可以将第三材料作为掺杂物加入上述 的氧化物和氮化物以改善所述氧化物和氮化物的电特性。优选地，高透明n型多欧姆接触层240具有大约1 nm至大约1 OOOnm的 厚度。另外，在大约20。C至大约1500。C的温度下沉积高透明n型多欧姆接 触层240。此时，沉积高透明n型多欧姆接触层240的沉积器的内压在大约 10torr至大约12torr的范围内。在已经形成了高透明n型多欧姆接触层240之后，优选地执行退火工艺。 在真空或气体气氛中执行退火工艺10秒钟至3小时，同时将反应器的内部温 度设置为大约100。C至大约800。C。在退火工艺的过程中，将氮气、氩气、 氦气、氧气、氢气和空气中的至少一种送入反应器中。在图16中示出的实施例中，隧道结层380主要包含从由第III-第V族元 素组成的表示为AlaInbGaeNxPyAsz(a、 b、 c、 x、 y和z为整数)的化合物中选择 的一种。可以以单层或多层的形式来制备隧道结层380。另外，隧道结层380 可以具有超晶格结构。另外，可以通过诸如电子束或热蒸发、使用激光源的PLD(脉冲激光沉电镀或金属有机化学气相沉积的化学气相沉积(CVD)来形成隧道结层380的 每个层。图17至图20是示出了图13至图16中示出的形成在n型氮化物类包层 上的高透明n型多肖特基接触层和欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图。参照图17至图20，可以以包括至少一个TCON层的单层220a、双层220a 和220b或多层220a、 220b、 220c和220d的形式来制备形成在n型氮化物类 包层210上的高透明n型多肖特基接触层220。将图17至图20中示出的高 透明n型多肖特基接触层220的功能和结构同样地应用到高透明n型多欧姆 接触层240。图21至图24是示出了在将纳米级颗粒引入n型氮化物类包层上之后图 13至图16中示出的形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多肖特基接触 层和欧姆接触层的各种堆叠结构的剖视图。参照图21至图24,在高透明n型多肖特基接触层220形成在n型氮化 物类包层210之前，在n型氮化物类包层210上形成纳米级颗粒250，纳米 级颗粒250能够控制作为界面特性的肖特基势垒高度和肖特基势垒宽度，所 述界面特性对载流子的电荷传输施加大的影响。纳米级颗粒250包含能够控制肖特基势垒宽度和肖特基势垒高度的金属、合金、固溶体、导电氧化物、 TCO、 TCN或TCON，其中，肖特基势垒宽度和肖特基势垒高度在n型氮化 物类包层210和高透明n型多肖特基接触层220之间的界面处调节载流子的 电荷传输。然后，氧气(O2)和氮气(N2)与纳米级颗粒250结合，从而形成包括 至少一个TCON层的单层220a,双层220a和220b或多层220a、 220b、 220c和220d。将图21至图24中示出的高透明n型多肖特基接触层220的功能和 结构同样地应用到高透明n型多欧姆接触层240 。图25是示出了根据本发明第九实施例的包括形成在n型氮化物类包层上 的高透明n型多欧姆接触层的LED的剖视图，图26是示出了根据本发明第 十实施例的包括形成在n型氮化物类包层上的高透明n型多欧姆接触层的第 III族氮化物类LED的剖一见图。详细地讲，图25和图26示出了形成在导电基底上的垂直LED的结构， 其中，导电基底包含碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、金 属(诸如铜(Cu)、镍(Ni)或铝(Al))或通过电镀或键合转移方案形成的合金。参照图25和图26,所述LED包括导电基底310，其中，键合材料层320、 高反射p型欧姆接触层330、 p型氮化物类包层340、氮化物类有源层350、 n 型氮化物类包层360和高透明n型多欧姆接触层240顺序形成在导电基底310 上。标号380和370分别表示用于改善高透明n型多欧姆接触层240的特性 的隧道结层和n型电极焊盘。导电基底310包含从由硅(Si)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、 金属(诸如铜(Cu)、镍(Ni)、铝(A1))以及通过电镀或键合转移方案形成的合金 组成的组中选择的 一种。从n型氮化物类包层360至p型氮化物类包层340的每个层主要包含从 表示为第III族氮化物类化合物的通式的AlxInyGazN(x、 y和z为整凄t)的化合 物中选择的一种。将掺杂物加入n型氮化物类包层360和p型氮化物类包层 340。另外，可以以单层、多量子阱(MQW)结构、多量子点、多量子线或多 量子点、多量子线和MQW的混合结构的形式来制备氮化物类有源层350。例如，可以通过将诸如Si、 Ge、 Se、 Te等的n型#^杂物加入到GaN来 形成n型氮化物类包层360。另外，可以以InGaN/GaN MQW结构或 AlGaN/GaN MQW结构的形式来制备氮化物类有源层350,可以通过将诸如 Mg、 Zn、 Ca、 Sr、 Ba等的p型掺杂物加入到GaN来形成p型氮化物类包层 340。可以通过在n型氮化物类包层360上沉积至少一个TCON层来形成高透 明n型多欧姆接触层240。所述TCON主要由金属组成，氧(O)和氮(N)实质 上与所述TCON化合。优选地，所述TCON还可以包含掺杂物以调节电特性。除了所述TCON外，高透明n型多欧姆接触层240还可以包含有利于在n型氮化物类包层360上形成欧姆接触电极的金属、基于所述金属的合金/固 溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和透明导电氮化物(TCN)，且与它 们的沉积顺序无关。作为TCON的主要组分的金属、掺杂物的成分和百分比以及金属/合金/ 溶体/导电氧化物/TCO/TCN结构与第七实施例的作为TCON主要组分的金 属、掺杂物的成分和百分比以及金属/合金/溶体/导电氧化物/TCO/TCN结构相 同。优选地，高透明n型多欧姆接触层240具有大约lnm至大约1000nm的 厚度。另外，在大约20。C至大约1500。C的温度下沉积高透明n型多欧姆接 触层240。此时，沉积高透明n型多欧姆接触层240的沉积器的内压在大约 10torr至大约12torr的范围内。在已经形成了高透明n型多欧姆接触层240之后，优选地执行退火工艺。 在真空或气体气氛中执行退火工艺10秒钟至3小时，同时将反应器的内部温 度设置为大约100。C至大约800°C。在退火工艺的过程中，将氮气、氩气、 氦气、氧气、氢气和空气中的至少一种送入反应器中。n型电极焊盘370具有堆叠结构，其中，顺序沉积镍(Ni)/金(Au)、银(Ag)/ 金、钬(Ti)/金、钯(Pd)/金或铬(Cr)/金。可以通过诸如电子束或热蒸发、使用激光源的PLD(脉冲激光沉积)、双 型热蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)或者通过诸如采用化学反应的电镀或 金属有机化学气相沉积的化学气相沉积(CVD)来形成所述LED的每个层。 产业上的可利用性如上所述，根据本发明的光学装置可以被使用在诸如光接收装置、发光 装置、发光二极管、有机发光二极管(OLED)或太阳能电池(solarcell)的各种装 置中。
权利要求
1、一种光学装置，包括光学构件；接触层，包括堆叠在光学构件的顶部表面和底部表面的至少一个上的至少一个透明导电氧氮化物(TCON)层，其中，所述TCON包含从由与氧(O)和氮(N)化合的铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镓(Ga)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)和钯(Pd)组成的组中选择的至少一种。
2、 如权利要求1所述的光学装置，其中，光学构件包括n型氮化物包层、 p型氮化物包层和置于n型氮化物包层和p型氮化物包层之间的有源层。
3、 如权利要求2所述的光学装置，其中，接触层包括形成在n型氮化物 包层上的n型接触层和形成在p型氮化物包层上的p型"l妻触层中的至少一个。
4、 如权利要求1所述的光学装置，其中，所述TCON还包含掺杂物， 以调节电特性，掺杂物包括从由金属、氟(F)和硫(S)组成的组中选择的至少一 种。
5、 如权利要求4所述的光学装置，其中，以大约0.001重量百分比至大 约20重量百分比的比率将所述掺杂物加入所述TCON。
6、 如权利要求1所述的光学装置，其中，接触层还包含从由与TCON 层结合的金属、基于所述金属的合金/固溶体、导电氧化物、透明导电氧化物 (TCO)和透明导电氮化物(TCN)组成的组中选择的至少 一种。
7、 如权利要求6所述的光学装置，其中，所述金属包括从由铂(Pt)、钯 (Pd)、 4臬(Ni)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)、银(Ag)、 4争(Zn)、镁(Mg)、 铍(Be)、铜(Cu)、钴(Co)、锡(Sn)和稀土金属组成的组中选择的至少一种，所述导电氧化物包括从由镍的氧化物(Ni-O)、铑的氧化物(Rh-O)、钌的 氧化物(Ru-O)、铱的氧化物(Ir-O)、铜的氧化物(Cu-O)、钴的氧化物(Co-O)、 鴒的氧化物(W-O)或钛的氧化物(Ti-O)组成的组中选择的至少 一种，所述TCO包括从由氧化铟(111203)、氧化锡(Sn02)、氧化锌(ZnO)、氧化 镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、氧化铟锡 (InSnO)、氧化铜铝(CuA102)、氧化银(AgzO)、氧化镓(0&203)、氧化锌锡 (ZnSnO)、氧化锌铟锡(ZITO)组成的组中选才奪的至少 一种，所述TCN包括从由氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化鴒(WN)、氮化钽(TaN) 或氮化铌(NbN)组成的组中选择的至少 一种。
8、 如权利要求7所述的光学装置，还包含被引入氮化物包层上以与^t妄触 层结合的纳米级颗粒，其中，纳米级颗粒包括从由金属、基于所述金属的合 金/固溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和导电氮化物(TCN)组成的组 中选择的至少一种。
9、 如权利要求1所述的光学装置，还包括隧道结层，置于光学构件和接 触层之间，并包含从由第III-第V族元素组成的表示为AlalnbGacNxPyAsz(a、 b、 c、 x、 y和z为整数)的化合物中选择的一种。
10、 如权利要求1所述的光学装置，其中，将光学构件应用于光接收装 置、发光装置、发光二极管、有机发光二极管(OLED)和太阳能电池中的任意 一种。
11、 一种制造光学装置的方法，所述方法包括 形成光学构件；通过在光学构件的顶部表面和底部表面的至少 一个上堆叠至少 一个透明 导电氧氮化物(TCON)层来形成接触层，其中，所述TCON包含从由与氧(O)和氮化合的铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、 镉(Cd)、镓(Ga)、铝(A1)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、 4臬(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、 金(Au)、铂(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、 4了(Ru)和钯(Pd)组成的组中选择的至少一种。
12、 如权利要求11所述的方法，其中，光学构件包括n型氮化物包层、 p型氮化物包层和置于n型氮化物包层和p型氮化物包层之间的有源层。
13、 如权利要求12所述的方法，其中，接触层包括形成在n型氮化物包 层上的n型接触层和形成在p型氮化物包层上的p型接触层中的至少一个。
14、 如权利要求11所述的方法，其中，所述TCON还包含掺杂物，以 调节电特性，掺杂物包括从由金属、氟(F)和硫(S)组成的组中选择的至少一种。
15、 如权利要求14所述的方法，其中，以大约0.001重量百分比至大约 20重量百分比的比率将所述#^杂物加入所述TCON。
16、 如权利要求11所述的方法，其中，接触层还包含与TCON层结合 的从由金属、基于所述金属的合金/固溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TC 0) 和透明导电氮化物(TCN)组成的组中选择的至少 一种。
17、 如权利要求16所述的方法，其中，所述金属包括从由铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、金(Au)、铑(Rh)、 4了(Ru)、铱(Ir)、银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、 铜(Cu)、钴(Co)、锡(Sn)和稀土金属组成的组中选择的至少一种，所述导电氧化物包括从由镍的氧化物(Ni-O)、铑的氧化物(Rh-O)、钌的 氧化物(Ru-O)、铱的氧化物(Ir-O)、铜的氧化物(Cu-O)、钴的氧化物(Co-O)、 鴒的氧化物(W-O)或钛的氧化物(Ti-O)组成的组中选l奪的至少 一种，所述TCO包括从由氧化铟(111203)、氧化锡(Sn02)、氧化锌(ZnO)、氧化 镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、氧化铟锡 (InSnO)、氧化铜铝(CuA102)、氧化银(Ag20)、氧化镓(03203)、氧化锌锡 (ZnSnO)、氧化锌铟锡(ZITO)组成的组中选择的至少 一种，所述TCN包括从由氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化鴒(WN)、氮化钽(TaN) 或氮化铌(NbN)组成的组中选择的至少 一种。
18、 如权利要求17所述的方法，其中，将纳米级颗粒引入氮化物包层上 以与接触层结合，其中，纳米级颗粒包括从由金属、基于所述金属的合金/固 溶体、导电氧化物、透明导电氧化物(TCO)和导电氮化物(TCN)组成的组中选 才奪的至少一种。
19、 如权利要求11所述的方法，还包括在形成接触层之后执行热工艺。
20、 如权利要求19所述的方法，其中，在从大约100°C至大约800。C 的温度下，在包含从由氮气(N2)、氧气(02)、氢气(H》、氩气(Ar)、氦气(He) 和空气组成的组中选择的至少一种的气体气氛下，所述热工艺被执行大约10 秒至大约3小时。
全文摘要
公开了一种光学装置，该光学装置包括光学构件和堆叠在该光学构件的顶部表面和底部表面的至少一个上的接触层。接触层具有至少一个透明导电氧氮化物(TCON)层。所述TCON由铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镓(Ga)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)和钯(Pd)中的至少一种组成。
文档编号H01L33/00GK101331620SQ200680047270
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月15日 优先权日2005年12月16日
发明者成泰连 申请人:三星电子株式会社