专利名称：形成第Ⅲ族氮化物化合物半导体发光器件用的电极的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成用于第III族氮化物化合物半导体发光器件的电 极的方法。本文所用的术语"第III族氮化物化合物半导体"涵盖用任意元素掺杂的n-型和p-型化合物半导体；包含第III族或第V族元素和选自 B、Ti、P、As、Sb、及Bi的至少一种的化合物半导体；和由通式AlxGayln^yN 表示的化合物半导体，其中x、 y和x+y是零到一。
背景技术：
常规的第III族氮化物化合物半导体发光器件具有低的光提取 (extraction)效率。下面的文献公开了用于由具有高的可见光反射率 的金属形成电极的各种技术日本未审的专利申请公开No. 2003-086843， 2004-179347， 2005-011857和2004-140052。现在将描述面向上型(faceup-type)常规第III族氮化物化合物半 导体发光器件(发光二极管)。图8是第III族氮化物化合物半导体发光 器件的截面图，其由附图标记900表示。第III族氮化物化合物半导体 发光器件卯0包括蓝宝石衬底IO、由氮化铝(A1N)制成的緩冲层(未 显示)、用Si掺杂的n-型GaN层11、用Si掺杂的n-型AlGaN覆层12、 具有GaN/InGaN多量子阱结构的发光层13、用Mg掺杂的p-型AlGaN 覆层14、用Mg掺杂的p-型GaN层15和p、型GaN层16,这些层通 过金属有机化学气相沉积(MOCVD )或金属有机物理气相沉积 (MOPVD )按上述顺序沉积在蓝宝石衬底10上。p+-型GaN层16基本上由氧化铟锡(ITO)制成的半透明电极21 覆盖。半透明电极21由金制成的垫电极22部分覆盖。在n-型GaN层 11上设置包括钒(V)层91和铝(Al)层92的n-电极90。透过半透 明电极21提取光；因此，第III族氮化物化合物半导体发光器件900 是面向上型发光二极管(LED)。一般用廉价的铝制成N-电极。铝对近紫外至可见光具有高的反射率并且适合用作发光器件的电极。然而，铝和氮化镓等之间的结合强度可不一定高；因此，铝电极不应直接形成于GaN层上，而是需要形成在 设置于GaN层上的由其它金属制成的接触电极层上。参照图8，钒层91具有约20 nm (200 A)的厚度。本发明人实施 的研究表明厚度为约20nm(200A)的钒层91的存在，使得n-电极卯 和n-型GaN层ll之间的界面反射率为约40。/。，即，钒层91的存在导 致严重的光吸收。通常，n-电极占据发光器件水平表面面积的约10%。 该n-电极占据如此大的面积，并具有约60%的吸收率；因此，该n-电 极对发光器件的光提取效率的影响是不可忽略的。发明内容本发明为了解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种用于形成 具有高反射率并可牢固地结合于氮化镓层的电极的方法。根据本发明的一个优选实施方案， 一种形成第III族氮化物化合物半 导体发光器件的电极的方法包括在第III族氮化物化合物半导体层上形 成平均厚度小于1 nm的第一电极层的步骤，所述第一电极层由对所述第 III族氮化物化合物半导体层具有高粘合性或与第III族氮化物化合物半导 体层具有低接触电阻的材料制成；该方法还包括在所述第 一 电极层上形成 由高反射性金属材料制成的第二电极的步骤。在该方法中，优选以0.2 nm/s或更小的速率形成所述第一电极层。在该方法中，用于形成第一电^bl:的材料优选是选自以下的至少一种 金属，例如钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、镍(Ni)、铟(In)、钴(Co)、 铜(Cu)、鵠(W)、钽(Ta)、铌(Nb)、锡(Sn)、铪(Hf)、锆(Zr)、 锰(Mn)、和镁(Mg);至少两种所述金属的^ir;主要含有至少一种所 述金属的合金；所述金属的氮化物；和所述金属的碳化物。在所述方法中，所述高反射性金属材料优选是选自以下的至少一种 金属，例如银(Ag)、铝(Al)、铑(Rh)、和铂(Pt);至少两种所述金属 的M;和主要含有至少一种所述金属的合金，所述第二电极层优选具有 0.03 ~ 5拜的厚度。在所述方法中，所述电极优选是n-电极，所述第III族氮化物化合物 半导体层优选是负型的。通常，第III族氮化物化合物半导体层和由铝制成的高反射性电极之 间的结合强度不足。因此，在第III族氮化物化合物半导体层上提供由钛 (Ti)或其它材料制成的第一电极层，在所述第一电^L^上提供由材料例 如铝(Al)制成的第二电极层。第一电^l^具有小于l nm的厚度。为了 控制第一电极层为极薄的，优选以在其厚度方向上0.2 nm/s (2A/s)或更 小的速率形成第一电极层。由于第一电极层非常薄，所以第一电极层不具有平滑的表面，而是具 有不规则的表面。第一电极层优选具有高度等于其平均厚度的一半至其平 均厚度的表面不规则性。这导致第一电极层和第III族氮化物化合物半导 体层之间的结合强度的提高，和第一电^"与第二电^ir之间的接触面积 的增大，和使得第一电极层具有极薄的厚度。当第一电极层具有极薄的厚 度时，可充分抑制第一电极层的光吸收，并且可维持第III族氮化物化合 物半导体层与包括第 一电极层和第二电极层的电极之间的高的结合强度。 因此，可得到之下的器件具有高光提取效率并包括具有高结合强度电极 的第III族氮化物化合物半导体发光器件。厚度小于1 nm的第一电极层的结合强度等于厚度约20 nm (200 A) 的电极层的结合强度的约四分之三并且不小于其二分之一。这在实际应用 中不导致问题。根据本发明的方法可用于在n-型或p-型第III族氮化物化合物半导体 层上形成电极。该电极可以是正型的。
图1A是用于测量接触电阻的包含第一电极和第二电极的结构的平 面图。图1B是图1A中所示结构的截面图；图1C是图1A中所示结构和对比结构的电流-电压曲线图；图2A是显示实施例1的第一样品、对比例1的第二样品和用于比较的第三样品的反射率的图；图2B是显示实施例2的第四样品和对比例2的第五样品的反射率 的图；图3是根据本发明的一个实施方案的第III族氮化物化合物半导体 发光器件的截面图；图4是显示16A厚钛层和8 A厚钛层的AFM分布的说明；图5是根据本发明的另一个实施方案的第III族氮化物化合物半导 体发光器件的截面图；图6是根据本发明的另一个实施方案的第III族氮化物化合物半导 体发光器件的截面图；图7是根据本发明的另一个实施方案的第III族氮化物化合物半导 体发光器件的截面图；和图8是常规第III族氮化物化合物半导体发光器件的截面图。
具体实施方式
通过賊射、气相沉积或其它已知工艺可以形成第一电极层和第二电 极层。第一电极层具有极小的厚度。因此，必须控制第一电极层的平均 厚度。第一电极层具有表面不规则性。表面不规则性优选从第一电极层的 虚拟平面凸出5 A或更多。第一电极层优选具有不小于0.3 nm (3 A) 的平均厚度。第二电极层优选具有0.03 ~ 5 jim的厚度。当第二电极层具有小于 0.03nm的厚度时，第二电极层的反射率是不足的。如果第二电极层具 有大于5nm的厚度，则是不利的。如果需要由廉价的铝形成第二电极 层，以使得第二电极层是厚的，则第二电极层可具有所需的厚度。当第 二电极层的厚度是0.1 ~ 2.5 jim时，第二电极层具有足够的反射率。考虑到器件组装等，可在第二电极层上沉积另一电极层。优选以如下方式形成第一电极层和第二电极层，例如，形成光刻胶 掩模以覆盖不用于形成第一电极层和第二电极层的区域，在形成第一电极层和第二电极层之后，通过剥去(lifting off)光刻胶掩模从第一电极 层和第二电极层除去不必要的部分。优选热处理第一电极层和第二电极 层或对其进行退火。第一电极层和第二电极层的热处理温度可以为 100~650t:。根据本发明，可容易地制造第III族氮化物化合物半导体发光器件。第III族氮化物化合物半导体发光器件的例子包括发光二极管(LED)、 激光二极管(LD)、光耦合器、和其它发光器件。可使用任意方法制造 第III族氮化物化合物半导体发光器件。用于晶体生长的衬底可以由蓝宝石、尖晶石、Si、 SiC、 ZnO、 MgO 或基于第III族氮化物的化合物的单晶。下面的技术在形成第III族氮 化物化合物半导体层中是有效的分子束外延(MBE)、金属有机气相 外延(MOVPE)、卣化物气相外延(HVPE)等。为形成负性的n-型第III族氮化物化合物半导体层，可使用n-型杂 质，例如Si、 Ge、 Se、 Te或C。为形成正性的p-型第III族氮化物化 合物半导体层，可4吏用p-型杂质，例如Zn、 Mg、 Be、 Ca、 Sr或Ba。发光层可具有单层结构、单量子阱(SQM)结构、多量子阱(MQM) 结构或其它结构。第二电极层具有高反射率并因此由对绿光、蓝光和近紫外光具有高 反射率的材料制成。第二电极层优选由单一金属例如铝、铑、铂或银制 成。或者，第二电极层可由主要含有此类金属的合金制成、或第二电极 层可具有含有此类金属的多层结构。实施例现在将参照由本发明人实施的实验描述本发明的优点。 实施例1如下所述，测量根据本发明电极相对于n-型GaN的接触电阻。图1A是用于接触电阻测量的包括第一电极C和第二电极R的结构 的平面图。图1B是该结构的截面图。如在图IB中所示的，在蓝宝石 衬底10上形成由氮化铝(A1N)制成的緩冲层(未显示)。通过MOVPE 在緩冲层上形成GaN层，以使其具有约4 jim的厚度，然后以4xl018 11-3的剂量用Si掺杂，由此形成n-型GaN层1。通过真空气相沉积在 n-型GaN层1上形成第一电极C和第二电极R。通过濺射工艺可形成 第一电极C和第二电极R。如在图1A中所示的，第一电极C是盘状的并具有400 nm的直径。 第二电极R和第一电极C相距24 fim,并且第二电极R为环状的。第一电极C和第二电极R分别包括厚度为0.5nm(5A)的钬(Ti) 层和厚度为2 nm的铝(Al)层(实施例1 )。制备了对比结构(对比例1)。除了对比结构包含第三电极和第四电 极外，对比结构具有和实施例l基本相同的构造，其中所述第三电极和 第四电极各自包含厚度为17.5 nm (175 A)的钒(V)层和厚度为2 的铝(Al)层。图1C是在570n下热处理的所述结构和在570t:下热处理的对比结 构的电流-电压曲线图。电流-电压曲线是线性的。这表明可获得适合用 于n-型GaN的欧姆电极。虽然对所述结构和对比结构施加了相同的电 压，但是流过所述结构(用A表示)的电流大于流过对比结构(用O 表示)的电流。这表明第一电极C和笫二电极R相对于n-型GaN层l 的接触电阻小于包括在对比结构中的第三电极和第四电极相对于n-型 GaN层的接触电阻。通过TLM方法(例如传输线矩阵方法)，以第一电极C和第二电极 R之间的距离变化的方式，测得第一电极C和第二电极R相对于n-型 GaN层1的接触电阻是1.9X10-5 n/cm2。以上述相同的方式测得第三电 极和第四电极相对于对比结构的n-型GaN层的接触电阻是6.5 x l(T5 il/cm2。这表明根据本发明，可提供接触电阻小于常规n-电极接触电阻 的三分之一的n-电极。实施例2通过下面的方法评价根据本发明的电极的反射率。以如下方式制造包括厚度为400 fim的第一蓝宝石衬底和设置在其 上的第一电极的第一样品在第一蓝宝石衬底上依次沉积厚度为0.5 nm (5 A)的钛(Ti)层和厚度为2nm的第一铝(Al)层(实施例2 )。以如下方式制造用于比较的包括厚度为400 nm的第二蓝宝石衬底 和设置在其上的第二电极的第二样品在第二蓝宝石衬底上依次沉积厚 度为17.5 nm (175 A)的钒(V)层和厚度为2 jim的第二铝(Al)层 (对比例2)。以如下方式制造用于比较的包括第三蓝宝石衬底和设置在其上的 第三电极的第三样品通过气相沉积在第三蓝宝石衬底上形成厚度为2 jim的第三铝(Al)层。以将波长为350 600 nm的光分别应用于第一蓝宝石衬底、第二蓝 宝石衬底和第三蓝宝石衬底的方式，测量第一电极、第二电极和第三电 极的反射率。严格意义上说，所得测量值不等于第一电极、第二电极和 第三电极的反射率，但是因为在空气和每一个第一蓝宝石衬底、第二蓝 宝石衬底和第三蓝宝石衬底之间的界面的反射率足够小，所以所得测量 值可用于评价第一电极、第二电极和第三电极的反射率。在5701C下退火第一样品和第二样品之前和之后分别测量第一样品 和第二样品的反射率。评价结果总结于图2A中。由图2A清楚可见以下内容。在350 ~ 600 nm的波长下，第三样品具有87 ~ 89 %的反射率。未热处理的第一样品在350 ~ 600 nm的波长下具有82~84%的反 射率。热处理的笫一样品在350~600 nm的波长下具有85~86%的反 射率。即，热处理几乎没有减小第一样品的反射率，而是稍微增加了第 一样品的反射率。这可能是由于钛层和第一铝层通过热处理彼此形成了 合金。未热处理的第二样品在350~600 nm的波长下具有38~48%的低 反射率。热处理的第二样品在350~600 nm的波长下具有55~60%的 反射率。这可能是由于第一钒层和第二铝层通过热处理彼此形成了合 金，并因此增加了第二样品的反射率。热处理第二样品的反射率远远小 于热处理第一样品的反射率。如由图2A清楚可知的，根据本发明，有效地将n-型GaN层和高反 射金属层例如铝层结合在一起的钛层，具有小于1 nm (1 A)的极小的 厚度，并且因此具有低的吸收率；因此，作为n-电极的第一电极具有高 的反射率。即使钬层和第一铝层没有热处理形成合金或在低温下热处理 并因此没有彼此形成合金，第一电极也具有高的反射率。以如此方式制造结构，^f吏得通过MOCVD (MOPVD)以如下顺序 在每个外延衬底上沉积如下的层由氮化铝(A1N)制成的緩冲层、用 Si掺杂的n-型GaN层11、用Si掺杂的n-型AlGaN覆层12、具有 GaN/InGaN多量子阱结构的发光层13、用Mg掺杂的p-型AlGaN覆层 14、用Mg掺杂的p-型GaN层15、和p^型GaN层16。所述外延衬底 基本上与在图8中所示的第III族氮化物化合物半导体发光器件900的 蓝宝石衬底10相同。以如下方式制造第四样品(实施例2):在一个所 述结构的p、型GaN层16上依次沉积厚度为0.5 nm( 5 A )的第二钬(Ti) 层和厚度为2jim的第四铝(Al)层，使得在p、型GaN层16上形成第 三电极。以如下方式制造第五样品(对比例2):在一个所述结构的p+-型GaN层16上依次沉积厚度为17.5 nm (175 A)的第二钒(V)层和 厚度为2 jim的第五铝(Al)层，使得在p、型GaN层16上形成第四电 极。以与上述相同的方式测量第三电极和第四电极的反射率。测量结果 示于图2B中。图2B说明了每一个第三电极和第四电极的反射率都随 光的波长而变化，这是因为外延层吸收400 nm或更短波长的光且基于 外延层的厚度和光的波长出现干涉。由图2B清楚可见之下内容。实施例2的热处理的第四样品的第三电极在380 nm或更长的波长 下具有50%或更高的反射率，并且在430 nm或更长的波长下具有70 %或更高的反射率。第三电极的反射率随光的波长轻微变化，并且为约 75 % ( 71 % ~ 82 % )。对比例2的热处理的第五样品的第四电极在380 ~ 600 nm波长下具 有不高于46%的反射率。在热处理的第五样品中由于外延层的厚度导致 了明显的干涉。即，热处理的第四样品的第三电极的反射率是热处理的 第五样品的第四电极的反射率的1.8~2.4倍。因此，根椐本发明，可获 得高反射性的电极。实施例3如下所述，制造发光器件并随后评价。图3是根据本发明的一个实施方案的第一第III族氮化物化合物半 导体发光器件100的截面图。第一第III族氮化物化合物半导体发光器 件100包括蓝宝石衬底10、由氮化铝(A1N)制成的緩冲层(未显示)、 用Si掺杂的n-型GaN层11、用Si掺杂的n-型AlGaN覆层12、具有 GaN/InGaN多量子阱结构的发光层13、用Mg掺杂的p-型AlGaN覆层 14、用Mg掺杂的p-型GaN层15、和p+-型GaN层16，通过MOCVD 或MOPVD依次将这些层沉积在蓝宝石衬底10上。第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100还包含由ITO制成 的在p、型GaN层16上延伸的半透明电极21、置于半透明电极21的一 部分上的由金制成的垫电极22、和包括Ti层31及Al层32的n-电极 30。该n-电极30反射光，并且光穿过半透明电极21提取；因此，第一 第III族氮化物化合物半导体发光器件100是面向上型发光二极管。通过下面的方法制造第一第III族氮化物化合物半导体发光器件 100。使用的气体物质如下氨(NH。、作为载气的氢(HJ、作为栽 气的氮(N2)、三曱基镓(TMG)、三曱基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、 硅烷(SiH4)、和双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)。蓝宝石衬底10是单晶并具有有机清洗和热清洗的主表面(principal surface )。蓝宝石衬底10附着于置于MOCVD系统的反应室中的基座。在常压下以2 L/分钟的流量将H2供应到该反应室的同时，在iioor;下焙烧蓝宝石衬底10约30分钟。蓝宝石衬底10的温度降低到400X:之后，以20 L/分钟的H2流量、 10 L/分钟的NH3流量、1.8xl05 mol/分钟的TMA流量，将H2、 NH3和TMA供应到该反应室约1分钟，由此在蓝宝石衬底10的主表面上 形成緩冲层以具有约25 nm的厚度。在蓝宝石衬底10的温度升高到1150X:后，分别以20 L/分钟的H2 流量、10 L/分钟的NH3流量、1.78 x 10" mol/分钟的TMG流量、和20 x l(T8 mol/分钟的SiH4流量，将H2、 NH3、 TMG和具有0.86 ppm SiH4 含量的SiH4-H2气体混合物供应到该反应室约40分钟，从而在緩冲层上 形成n-型GaN层11以具有约4.0 jim的厚度、2 x 1018 cnT3的电子浓度、 和4xl018 cm-3的硅浓度。在将蓝宝石衬底10的温度维持在1150"C的同时，分别以10L/分钟 的NH3流量、1.12 x 10 4 mol/分钟的TMG流量、0.47 x 10" mol/分钟的 TMA流量、5 x l(T9 mol/分钟的SiH4流量、和10 L/分钟的]\2或H2流 量，将NH3、 TMG、 TMA、具有0.86 ppm的SiH4含量的SiH4-H2的气 体混合物、和&或H2供应到该反应室约60分钟，从而在n-型GaN层 11上形成n-型AlGaN覆层12以具有约0.5 jim的厚度、1 x 1018cm-3的 电子浓度、和2xl018 cm-3的珪浓度。该n-型AlGaN覆层12具有通式 Al0.o8Gao.92N。在形成n-型AlGaN覆层12之后，分别以10 L/分钟的NH3流量、 2.0 x 10" mol/分钟的TMG流量、20 L/分钟的N2或H2流量，将NH3、 TMG、和1\2或112供应到该反应室约1分钟，从而在n-型AlGaN覆层 12上形成厚度为约35A的GaN势垒亚层。分别以10 L/分钟的NH3流 量、7.2 x l(T5 mol/分钟的TMG流量、0.19 x 104 mol/分钟的TMI流量、 20 L/分钟的]\2或H2流量，将NH3、 TMG、 TMI、和N2或112供应到 该反应室约l分钟，从而在GaN势垒亚层上形成厚度为约35A的具有 通式Ino.2oGao.8oN的阱亚层。重复该步骤5次。在和上^目同的条件下， 在最上的阱亚层上形成另一个GaN势垒亚层，从而形成发光层13。所述 发光层13具有五个周期的多量子阱结构。在将蓝宝石衬底10的温度维持在1100X:的同时，分别以10L/分钟 的NH3流量、1.0 x 10 4 mol/分钟的TMG流量、1.0 x l(T4 mol/分钟的 TMA流量、2 x 105 mol/分钟的Cp2Mg流量、10 L/分钟的]\2或H2流 量，将NH3、 TMG、 TMA、 Cp2Mg、和]\2或112供应到该反应室约3 分钟，从而在发光层13上形成用Mg掺杂的p-型AlGaN覆层14。该p-型AlGaN覆层14具有约50 nm的厚度、5 x 1019 cm-3的镁浓度和通式 Al0.15Ga0.85N。在将蓝宝石衬底10的温度维持在1100"C的同时，分别以10L/分钟 的NH3流量、1.12x10" mol/分钟的TMG流量、2 x 105 mol/分钟的 Cp2Mg流量、和20L/分钟的N2或H2流量，将NH3、 TMG、 Cp2Mg、 和]\2或H2供应到该反应室约30秒，从而在该p-型AlGaN覆层14上 形成用Mg掺杂的p-型GaN层15。该p-型GaN层15具有约100 nm 的厚度和5 x 1019 cm—3的镁浓度。在p-型GaN层15上形成用Mg掺杂 的p、型GaN层16以具有约10 nm的厚度和1 x 102Gcm-3的镁浓度。在p、型GaN层16上提供光刻胶蚀刻掩模，然后从所述光刻胶蚀 刻掩模除去预定区域。通过使用含有氯的反应气体的反应性离子蚀刻部 分除去以下的部分和层所述光刻胶蚀刻掩模未覆盖的p、型GaN层16 的一部分、p-型GaN层15、p-型AlGaN覆层14、发光层13、n-型AlGaN 覆层12、和n-型GaN层11。这使得n-型GaN层11暴露。通过真空气 相沉积在pt型GaN层16上形成ITO层以具有300 nm的厚度，然后 在氮气气氛中在700"C下热处理。通过采用光刻胶掩模的湿蚀刻从ITO 层除去不必要的部分，从而形成半透明电极21。在n-型GaN层11和半透明电极21上形成具有对应于必要部分的 窗的光刻胶掩模。在该光刻胶掩模上提供电极材料，随后剥去该光刻胶 掩模。从该电极材料除去不必要的部分，由此形成之下的电极。尤其是，使用金在半透明电极21上形成垫电极22。通过真空气相 沉积，以6.0 nm/分钟(60 A/分钟)的速率在n-型GaN层11上形成钛 层31或第一电极层以具有0.5nm (5A)的厚度。然后在Ti层31上形 成A1层32、或第二电极层，由此形成n-电极30。在570C下热处理5 分钟n-电极30，从而Ti层31和Al层32彼此形成合金。如图8所示制造用于比较的第二第III族氮化物化合物半导体发光 器件卯0 (对比例2 )。除了第二第III族氮化物化合物半导体发光器件 900包括厚度为17.5 nm (175 A)的钒(V)层91代替Ti层31之外， 第二第III族氮化物化合物半导体发光器件900具有与第一第III族氮 化物化合物半导体发光器件IOO基本相同的构造。第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100和第二第III族氮化物化合物半导体发光器 件卯0在平面图中具有240nmx480 jim的尺寸。在平面图中，n-电极 30的面积等于第一第III族氮化物化合物半导体发光器件IOO和第二第 III族氮化物化合物半导体发光器件900的面积的约10。/。。第一第III族氮化物化合物半导体发光器件IOO和第二第III族氮化 物化合物半导体发光器件900的性能之间的比较如下所述。第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100的辐射通量是第二 第III族氮化物化合物半导体发光器件900的辐射通量的1.07倍，即， 第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100的光提取效率比第二第 III族氮化物化合物半导体发光器件卯0的光提取效率高百分之七。当为第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100和第二第III 族氮化物化合物半导体发光器件900供应20 mA的电流时，第一第III 族氮化物化合物半导体发光器件100的驱动电压小于或等于第二第III 族氮化物化合物半导体发光器件900的驱动电压。以将导线连接于n-电极30和卯以及200 nm/s的剪切速率的方式， 对第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100和第二第III族氮化 物化合物半导体发光器件900进行剥离试验(剪切强度试验).第一第 III族氮化物化合物半导体发光器件100的剪切强度是第二第III族氮化 物化合物半导体发光器件900的剪切强度的0.76倍，即，第一第III族 氮化物化合物半导体发光器件100的剪切强度略微小于第二第III族氮 化物化合物半导体发光器件卯O的剪切强度。然而，第一第III族氮化 物化合物半导体发光器件100的剪切强度大于第二第III族氮化物化合 物半导体发光器件900的剪切强度的0.4倍；因此，第一第III族氮化 物化合物半导体发光器件IOO对于实际应用是足够的。实施例4为了研究在实施例3中描述的在剥离试验中强度未降低的原因，如 下所述，通过原子力显微镜(AFM)分析薄的钛层的厚度分布。以2.4 nm/ 分钟(24A/分钟)的速率在第一蓝宝石衬底上沉积钛40秒的方式，在 第一蓝宝石衬底上形成16A厚的钛层。以2.4 nm/分钟(24 A/分钟)的速率在第二蓝宝石衬底上沉积钛20秒的方式，在第二蓝宝石衬底上形 成8 A厚的钛层。通过AFM分析16 A和8 A厚的钛层的厚度分布。分 析结果总结于图4中。16 A厚钛层的AFM分布和8 A厚钛层的AFM 分布明显不同。参照图4， 16A厚的钛层具有平滑的表面，即，16A厚的钛层具有 小的表面不规则性。在16A厚钛层的AFM分布中，最高峰的顶部和最 深谷的底部(在图4中位于0 A位置)之间的垂直距离是6A。假设从 最深谷的底部到用于定义16 A厚钛层的平均厚度的虚拟平面的高度是 约2.5A，那么最高峰的顶部比虚拟平面仅高约3.5A。 16A厚的钛层的 AFM分布仅具有三个高于虚拟平面的峰。其它的峰低于虚拟平面。相反，8A厚的钛层具有粗糙的表面，即，8A厚的钛层具有大的表 面不规则性。在8 A厚钛层的AFM分布中，最高峰的顶部和最深谷的 底部(在图4中位于0A位置)之间的垂直距离是10A。假设从最深谷 的底部到用于定义8 A厚钛层的平均厚度的虚拟平面的高度是约4 A， 那么三个峰的顶部比虚拟平面高约6 A。8A厚钛层的AFM分布具有五 个高于虚拟平面的峰。其它的峰也是高的。如图4中所示的，厚于1 nm (10 A)的16 A厚钬层的AFM分布 与薄于lnm (IOA)的8A厚钛层的AFM分布显著不同。8A厚钬层 的表面不规则性与如上所述的一样大。因此，8A厚钛层和设置于其上 的上部层具有大的接触面积，并且由于表面不规则性的锚定效应增强了 8 A厚钛层和上部层之间的粘合。极薄的8 A厚钛层的表面积与体积的 比例是大的；因此，由于在8A厚的钛层的表面存在原子扩散，所以可 容易地降低在8 A厚钛层上的应变。 一种材料例如鴒的层具有大的本征 应变(或应力)，因此当该材料层具有大的厚度时，难于将该材料层结 合于另外的层。然而，如果通过根据本发明的方法形成该材料层以具有 极薄的厚度，那么该材料层可能具有小的本征应变，因此对另外的层具 有足够的粘合。如果通过根据本发明的方法形成第一电极层以具有极小 的厚度，那么即使下面的材料也可用于形成第一电极层与第III族氮 化物化合物半导体层具有低的接触电阻的材料，并且如果通过常规方法 形成层则该层对另外的层具有低的粘合性。这些益处可能使得具有极小 厚度的第一电极层具有足够的结合强度。实施例5图5是根据本发明的一个实施方案的第III族氮化物化合物半导体 发光器件200的截面图。该第III族氮化物化合物半导体发光器件200 与在实施例3中制造并在图3中示出的第一第III族氮化物化合物半导 体发光器件100的不同之处在于在p、型GaN层16上依次布置由铑 (Rh )制成的高反射性电极25和垫电极26，并且调节高反射性电极25 和垫电极26的厚度，使得垫电极26的顶部与第二电极层32的顶部(在 图5中的较低位置)基本上齐平，所述第二电极32由铝(Al)制成并 且其是n-电极。可采用类似于制造第一第III族氮化物化合物半导体发 光器件100的方法的已知技术，容易地形成所述第III族氮化物化合物 半导体发光器件200的其它元件。所述第III族氮化物化合物半导体发 光器件200是倒装型(flip chip-type)发光二极管，其中n-电极和p-电极具有高的反射率，并且光穿过蓝宝石衬底IO的后表面提取(在图5 中的向上方向)。根据本发明的n-电极的使用导致光提取效率的增加。实施例6图6是根据本发明的一个实施方案的第III族氮化物化合物半导体 发光器件300的截面图。该第III族氮化物化合物半导体发光器件300 与在实施例3中制造的在图3中示出的第一第III族氮化物化合物半导 体发光器件100的不同之处在于使用导电性n-型GaN衬底110，和 n-电极设置在导电性n-型GaN衬底110的后表面上。可采用类似于制 造第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100的方法的已知技术， 容易地形成第III族氮化物化合物半导体发光器件300的其它元件。所 述第III族氮化物化合物半导体发光器件300是面向上型垂直发光二极 管，该二极管包括位于上部位置的p-型电极和位于下部位置的n-型电 极。该n-型电极具有高的电阻率。n-型电极的使用导致光提取效率的增 加。在包括导电性n-型GaN衬底110、由铑(Rh )制成并具有高反射 率的p-型电极、和设置在导电性n-型GaN衬底110的主表面上的用于 丝焊(wire bonding)的n-型垫电极的倒装型发光二极管中，使用通过 根据本发明的方法形成的n-型电极以具有高的反射率，这可导致光提取 效率的提高。实施例7图7是根据本发明的一个实施方案的第in族氮化物化合物半导体发光器件400的截面图。该第III族氮化物化合物半导体发光器件400 与在实施例3中制造在图3中示出的第一第III族氮化物化合物半导体 发光器件100的不同之处在于在p、型GaN层16上提供具有高的供 体浓度的n、型GaN层19，和通过据本发明的方法，依次在n、型GaN 层19上形成第一电极层31，和第二电极层32，。第一电极层31，和第二电 极层32，协同作为第III族氮化物化合物半导体发光器件400的正电极。 电子可通过隧穿传输注入到11+-型GaN层19和p+-型GaN层16之间的 界面中。可采用类似于制造第一第III族氮化物化合物半导体发光器件 100的方法的已知技术，容易地形成第III族氮化物化合物半导体发光 器件400的其它元件。所述第III族氮化物化合物半导体发光器件400 是倒装型发光二极管，其中通过根据本发明的方法形成正电极和负电极 以具有高的反射率，光穿过蓝宝石衬底10的后表面提取(在图5中的 向上方向)。使用根据本发明的n-电极作为正电极和负电极导致光提取 效率的增加。由于可同时形成正电极和负电极，可通过简单的工艺以低 成本制造第III族氮化物化合物半导体发光器件400。在实施例3中，第一第III族氮化物化合物半导体发光器件100的 发光层13具有这样的多量子阱结构，并可具有单量子阱结构或 1110.20&。.8]\单层结构或可包含三元或四元共晶例如AlInGaN.使用Mg 作为p-型杂质，并且可使用第II族(第IIa或lib族)元素例如铍(Be) 或锌(Zn )替代Mg'在实施例3中，在n-型GaN层11上设置作为第一电极层并具有小 于1 nm厚度的Ti层31。在具有任意组成的第III族氮化物化合物半导 体层上可以设置厚度小于1 nm的由下列材料制成的第一电极层金属 例如钛(Ti )、钒(V )、铬(Cr )、镍(Ni )、铟(In )、钴(Co )、铜(Cu )、 鴒(W)、钽(Ta)、铌(Nb)、锡(Sn)、铪(Hf)、锆(Zr)、锰(Mn) 或镁(Mg);含有所述金属的^r;所述金属的氮化物；或所述金属的碳 化物。设置在n-型第III族氮化物化合物半导体层上的第一电极层优选 由钛(Ti)或氮化钛(TiN)制成。设置在p-型第III族氮化物化合物半 导体层上的第一电极层优选由镍(M)制成。第二电极层优选由铑(Rh)在实施例3中，在Ti层31上设置作为第二电极层的Al层32。可 使用高反射性材料层替代Al层32。所述高反射性材料层优选由单一金属 例如银(Ag)、或铂(Pt)、或铑(Rh)或含有这种金属的合金制成，并可 具有多层结构。所述高>^射性材料层可具有30 nm或更小的小厚度或5 jrni 或更大的大厚度。所述情况在本发明的范围内。
权利要求
1.一种形成用于第III族氮化物化合物半导体发光器件的电极的方法，包括在第III族氮化物化合物半导体层上形成平均厚度小于1nm的第一电极层的步骤，所述第一电极层由对所述第III族氮化物化合物半导体层具有高粘合性的材料或与所述第III族氮化物化合物半导体层具有低接触电阻的材料制成；和在所述第一电极层上形成由高反射性金属材料制成的第二电极层的步骤。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中以0.2 nm/s或更小的速率形成所述 第一电^U^。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中用于形成所述第一电极层的材料是 选自以下的至少一种金属，例如钛、钒、铬、镍、铟、钴、铜、鵠、钽、 铌、锡、铪、锆、锰和镁；至少两种所述金属的合金；主M有至少一种 所述，金属的合金；所述金属的氮化物；和所述金属的碳化物。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中用于形成所述第一电极层的材料是 选自以下的至少一种金属，例如钛、钒、铬、镍、铟、钴、铜、鴒、钽、 铌、锡、铪、锆、锰和镁；至少两种所述金属的合金；主M有至少一种 所述金属的M;所述金属的氮化物；和所述金属的碳化物。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述高反射性金属材料是选自以下 的至少一种金属，例如银、铝、铑和铂；至少两种所述金属的合金；和 主J^^有至少一种所述金属的合金，所述第二电极层具有0.03 ~ 5 jim的厚 度。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中所述高反射性金属材料是选自以下 的至少一种金属，例如银、铝、铑和铂；至少两种所述金属的合金；和 主J^有至少一种所述金属的合金，所述第二电^bi:具有0.03 ~ 5 nm的厚 度。
7. 根据权利要求3所述的方法，其中所述高反射性金属材料是选自以下 的至少一种金属，例如银、铝、铑和铂；至少两种所述金属的合金；和 主M有至少一种所述金属的合金，所述第二电极层具有0.03 ~ 5 jim的厚度。
8. 根据权利要求4所述的方法，其中所述高反射性金属材料是选自以下 的至少一种金属，例如银、铝、铑和铂；至少两种所述^^属的合金；和 主J^有至少一种所述金属的^r，所述第二电极层具有0.03 ~ 5 fim的厚 度。
9. 根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中所述电极是n-电极， 所述第III族氮化物化合物半导体层是负型的。
全文摘要
一种形成用于第III族氮化物化合物半导体发光器件的电极的方法，该方法包括在第III族氮化物化合物半导体层上形成平均厚度小于1nm的第一电极层的步骤，所述第一电极层由对第III族氮化物化合物半导体层具有高粘合性或与第III族氮化物化合物半导体层具有低接触电阻的材料制成，并且该方法还包括在所述第一电极层上形成由高反射性金属材料制成的第二电极层。
文档编号H01L33/22GK101276872SQ200810084079
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月26日 优先权日2007年3月27日
发明者五所野尾浩一, 守山实希 申请人:丰田合成株式会社