氮化物半导体发光器件的透明电极及其制法制造技术

ＧａＮ基化合物半导体发光器件Ｐ型电极，由ＧａＮ基半导体层之上的导电金属半透明电极部分和表面粗糙光学透明晶体部分构成。其制法为：在ＧａＮ基半导体层之上用电子束蒸发法蒸镀用于与Ｐ型ＧａＮ基半导体层间形成欧姆接触的金属层；而后在４００℃～６００℃的温度下在含氧的气氛中退火，使金属变成与Ｐ型氮化物半导体材料层具有良好欧姆接触的半透明电极；继而在电极上用直接方式或者间接方式在２０℃～６００℃的温度下制备表面粗糙的透明晶体层。与现有技术相比，本发明专利技术除了具有良好透光率、低电阻率和与Ｐ型ＧａＮ间有良好的欧姆接触的特点外，还具有可以提高器件的发光效率、大幅降低成本和工艺过程简单的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关GaN基化合物半导体发光器件。
技术介绍
GaN是直接跃迁宽带隙半导体材料，其光跃迁几率比间接带隙半导体材料高一个数量级以上。宽带隙GaN基半导体材料在发光领域有着广泛的应用，如交通信号灯，全彩色大屏幕显示，液晶显示的背光光源，激光器，紫外探测器等。因为缺乏与GaN晶格常数和热膨胀系数均相匹配的基板材料，目前GaN主要生长在蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)和硅(Si)等衬底材料上，其中目前使用最为广泛是蓝宝石衬底。通过采用多量子阱结构和优化生长条件，氮化物LED外延片的内量子效率已经达到70％以上。但是，GaN材料的光折射系数很高，约为2.5，根据斯涅耳定律(Snell Law)计算可知，平面GaN LED器件的光取出效率大约只有5％左右，造成发光器件的内量子效率与外量子效率之间存在很大差别。用于提升GaN LED器件光取出效率的一种方法是使用表面粗化技术或与光晶体结构相结合的技术，对器件的内接面或外表面进行处理，使其具有特定的凹凸形状，破坏光线在器件内部的全反射[1]～[3]。但是，无论是GaN材料本身，还是目前广泛使用的蓝宝石(sapphire)或者碳化硅(SiC)衬底，都是硬度高、化学稳定性好的材料，加工处理相当困难。对它们的加工通常只能用干法刻蚀，而不能用一般半导体技术中常用的湿法刻蚀方法。而且，当粗化处理在P型层表面实行时，因为GaN的P型覆盖层很薄，刻蚀的深度很难精确控制，容易损伤到LED器件的发光区，减少材料的有效发光面积；另外，因为粗化技术造成的凹凸不平表面，会引起器件内电流注入不均匀，电极与材料间的接触电阻率上升，特别对于P型GaN这样导电率比较差的材料。另外一种提高GaN LED器件光取出效率的方法是采用倒装(Flip chip)技术，减少P型电极侧的光损耗[5]。因为其工艺过程复杂，不完全适应大规模生产的要求。另外一种提高GaN LED器件光取出效率的方法是用透光性好的金属氧化物，如氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)[6]或氧化锌(ZnO)[7]，作为透明导电层(Transparent Conductive Layer，TCL)替代光透过率较低的Ni/Au双金属层，这种透明金属氧化物膜具有平滑的表面。一般Ni/Au电极的透光率在60％～75％之间。而氧化物薄膜，如ITO膜，对460nm波长的光的透过率可以达到90％以上，而且电阻率低，不需要对GaN半导体外延材料进行特殊处理，制备工艺相对简单，附和大规模生产的条件。但是，这些金属氧化物膜一般条件下都是N型材料，其与P型GaN接触，会形成具有整流特性的P-N结界面，导致GaN系蓝光LED的操作电压和两者之间的界面电阻上升，工作温度升高，元件劣化加速。另外一种提高GaN LED器件发光效率的方法是在采用高透光性ITO膜的基础上，通过在ITO膜表面喷涂一层聚苯乙烯球(polystyrene spheres，PSs)，形成一种自然掩膜，然后利用ICP法进行刻蚀，使ITO膜具有一定的表面结构[7]。使用这种具有一定表面结构的ITO膜的LED器件，在同等电流大小情况下，发光强度较使用未经处理ITO膜的LED器件的发光强度有进一步的提高。但是，与使用ITO膜相同，这样的器件同样存在工作电压高，元件使用寿命短的缺点。另外，通过喷涂方式形成的PS掩膜，均匀性比较差，对ICP刻蚀条件敏感。用ICP法进行刻蚀时，容易对ITO膜下的电极或GaN外延层产生损坏。参考文献[1]T.Fujii，Y.Gao，R.Sharma，E.L.Hu，S.P.DenBaars，and S.Nakamura，Appl.Phys.Lett.，84，855(2004)。J.Shakya，K.H.Kim，J.Y.Lin and H.X.Jiang，Appl.Phy.Lett.，85，142(2004)。Kenji Orita，Satoshi Tamura，Toshiyuki Takizawa，Tetsuzo Ueda，Masaaki Yuri，Shinichi Takigawa and Daisuke Ueda，Jpn.J.Appl.Phys.，43，5809(2004)。J.J.Wierer，D.A.Steigerwald，M.R.Krames，J.J.O’Shea，M.J.Ludowise，G.Christenson，Y.-C.Shen，C.Lowery，P.S.Martin，S.Subramanya，W.Gtz，N.F.Gardner，R.S.Kern，and S.A.Stockman，Appl.Phy.Lett.，78，3379(2001)。R.Homg，D.Wuu，Y.Lien，W.Lan，Appl.Phys.Lett.，79，2925(2001)。J.O.Song，K.K.Kim，S.J.Park，and T.Y.Seong，Appl.Phys.Lett.，83，479(2003)。R.H.Homg，C.C.Yang，J.Y.Wu，S.H.Huang，C.E.Lee，and D.S.Wuu，Appl.Phys.Lett.，86，221101(2005)。
技术实现思路
本专利技术是提供一种新型的GaN基发光器件透明电极，可以应用于电极在衬底材料同侧的横型结构和电极在衬底材料异侧的纵型GaN基发光器件，其能够在不降低发光器件电学性能的基础上，提高发光器件的发光效率，并且生产成本低，易实现，适合于大规模生产。其制法为在GaN基半导体层之上用电子束蒸发法蒸镀用于与P型GaN基半导体层间形成欧姆接触的金属层；而后在400℃～600℃的温度下在含氧的气氛中退火，使金属变成与P型氮化物半导体材料层具有良好欧姆接触的半透明电极；继而在电极上用直接方式或者间接方式在20℃～600℃的温度下制备表面粗糙的透明晶体层。与现有技术相比，本专利技术除了具有良好透光率、低电阻率和与P型GaN间有良好的欧姆接触的特点外，还具有可以提高器件的发光效率、大幅降低成本和工艺过程简单的特点。更为具体地说，该透明电极主要作为GaN基发光器件的P型电极，在此情况下，其由两部分组成，其中第一部分是覆盖在GaN基发光器件P型层表面的导电金属半透明电极；第二部分是层叠在前述金属半透明电极之上的具有粗糙表面的光学透明晶体层。这里的粗糙表面是指具有随机轮廓形状的表面或者指由具有锥状或者圆弧状或者平面状的顶端轮廓的特定形貌的微结构材料所构成的晶体层的表面。上述所述透明电极组成中的第一部分金属半透明电极具有良好的导电性能、光学性能和热性能，并能与P型GaN基半导体层形成良好的欧姆接触，其由2层或者3层金属Ni，Pd，Ti和Au或者它们的合金材料构成，优选Ni/Au双金属层结构。上述所述透明电极组成中的第二部分具有表面粗糙表面形貌的光学透明晶体，其材料选自ZnO，AZO，GZO，ZITO和ZIO材料中的一种。上述所述透明电极中的金属半透明电极部分位于GaN基外延层与表面粗糙的光学透明晶体曾材料之间，覆盖在P型GaN基外延层表面。经过退火处理后，与P型GaN层之间形成良好的欧姆接触；同时，此金属半透明电极部分采用导电率高的金属材料，具有低电阻率的特点，电流在其中容易扩散分布，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＧａＮ基化合物半导体发光器件Ｐ型电极，其特征在于所述Ｐ型电极依次由ＧａＮ基半导体层之上的导电金属半透明电极部分和表面粗糙光学透明晶体部分构成；其中所述导电金属半透明电极部分由２层或者３层金属Ｎｉ，Ｐｄ，Ｔｉ和Ａｕ或者它们的合金材料构成，其厚度为５ｎｍ～３０ｎｍ；所述表面粗糙光学透明晶体部分由ＺｎＯ，ＡＺＯ，ＧＺＯ，ＺＩＴＯ和ＺＩＯ中的一种材料构成，其厚度为５０ｎｍ～３０００ｎｍ，表面粗糙度≥１０ｎｍ，形成温度是３０℃～６００℃；ＧａＮ基化合物半导体发光器件Ｐ型电极与Ｐ型ＧａＮ层之间具有良好的欧姆接触。

【技术特征摘要】
1.GaN基化合物半导体发光器件P型电极，其特征在于所述P型电极依次由GaN基半导体层之上的导电金属半透明电极部分和表面粗糙光学透明晶体部分构成；其中所述导电金属半透明电极部分由2层或者3层金属Ni，Pd，Ti和Au或者它们的合金材料构成，其厚度为5nm～30nm；所述表面粗糙光学透明晶体部分由ZnO，AZO，GZO，ZITO和ZIO中的一种材料构成，其厚度为50nm～3000nm，表面粗糙度≥10nm，形成温度是30℃～600℃；GaN基化合物半导体发光器件P型电极与P型GaN层之间具有良好的欧姆接触。2.根据权利要求1所述GaN基化合物半导体发光器件P型电极，其特征在于所述导电金属半透明电极为5nm～15nm厚的Ni/Au金属在400℃～600℃的温度下，于含氧的气氛中退火而成。3.根据权利要求1所述表面粗糙透明晶体层，其厚度为100nm～500nm，形成温度在200℃～600℃之间。4.GaN基化合物半导体发光器件P型电极的制法，其特征在于制造工艺为(1)用MOCVD法在蓝宝石衬底(101)上依次生长N型氮化物半导体层(102)，发光区(103)和P型氮化物半导体层(104)后，生长结束后，将附有氮化物外延层的蓝宝石材料从MOCVD设备中取出；(2)经清洗后，用电子束蒸发装置在P型氮化物半导体材料层(104)上蒸镀2层或者3层Ni，Pd，Ti和Au金属或者它们的合金材料，其厚度为5nm～30nm；(3)将试样装入快速退火炉中，在400℃～600℃的温度下，于含氧的气氛中退火，使上述在P型氮化物半导体材料层(104)上蒸镀的金属变成与P型氮化物半导体材料层具有良好欧姆接触的半透明电极(105)；(4)将试样装入热蒸发装置中，在半透明电极(105)上蒸着一层厚度在50nm～1000nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈显峰，胡礼中，肖志国，
申请(专利权)人：大连路明科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]