專利名稱：P型GaN上鎘銦氧透明電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種P型GaN上的歐姆接觸方案及其制備方法，尤其涉及一種P型GaN 上鎘銦氧透明電極及其制備方法。
技術(shù)背景GaN基材料是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，具有許多優(yōu)異的性能，在藍(lán)、紫光 發(fā)射、超高頻、高溫、大功率等許多光電和微波器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著高 亮度籃、紫色GaN基LED的商品化和實用化，高亮度白色LED將有可能取代目前的各種 照明燈，照明技術(shù)面臨一場新的革命。但目前對于GaN基LED的制作，還有一些技術(shù)難 題沒有完全解決，其中最主要的難題之一是在材料生長過程中難以獲得足夠高濃度的 P型載流子濃度，加上可供選擇的金屬材料有限，導(dǎo)致難以在GaN上制作良好的P型歐 姆接觸電極。因此，人們想出許多方法來降低P型GaN上歐姆接觸的電阻。某些研究者 就提出了采用金和鎳材料，在P型GaN上依次淀積Ni/Au，然后在40CTC以上的溫度下 退火，可以在金屬與P型GaN之間得到歐姆接觸。在GaN基LED上采用Ni/Au金屬作為P型GaN接觸電極的主要問題是當(dāng)Ni/Au太 薄則影響電流的均勻擴散和熱穩(wěn)定性；太厚時，金屬薄膜的透光率低，大大降低了LED 發(fā)光效率。因此， 一般采用Ni/Au的厚度為50nm，透光率低于50%.因此，如何在P型GaN 上獲得低阻、高熱穩(wěn)定性和高透光率的歐姆接觸，從而提高LED發(fā)光效率， 一直是眾多 研究者關(guān)注的焦點問題之一。為提高LED的發(fā)光效率，除了在封裝結(jié)構(gòu)、光學(xué)設(shè)計等方 面的工作外，方法之一是采用透明導(dǎo)電膜(TCO)代替金屬作為P型GaN上的接觸電極， 以實現(xiàn)電流的均勻擴散及高透光率，從而獲得更高的光輸出。目前，應(yīng)用最廣泛的透明導(dǎo)電薄膜材料是In203:Sn (ITO)和Sn02:F薄膜。但I(xiàn)TO 價格高，存在In易擴散導(dǎo)致器件性能衰減的問題；Sn02存在難以刻蝕、生成需要較高 的溫度(40(TC以上)的問題，同時，這些薄膜均需要通過摻雜才能滿足產(chǎn)品的需要， 雖然摻雜可以降低薄膜的電阻率，但同時也提高了載流子對光的吸收，影響了薄膜的透 光率。因而人們開發(fā)出在無需刻意摻雜的情況下具有更高的透光率和更低的電阻率的三 元氧合物，例如Cdlri204(CI0)、 Cd2Sn04、 Mgln204、 MgAl20jtl SnZri204及其相應(yīng)的混合物， 這是一類具有尖晶石結(jié)構(gòu)的寬帶隙氧化物薄膜材料，由于可以通過調(diào)節(jié)組元之間的比例
來漸變地調(diào)節(jié)其光電性能,因而在透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。 與Sn02、 ITO等透明導(dǎo)電薄膜材料相比，CIO具有以下優(yōu)點(1) 非常低的電阻率(10—4 Q. cm數(shù)量級)和高透光率(可見光區(qū)域透光率大于90%、 紅外光區(qū)域的反射率高達(dá)93%)。(2) 不需要任何摻雜就可以達(dá)到很低的電阻率。對于現(xiàn)在商業(yè)應(yīng)用最多的ITO需要 摻錫、Sn02需要摻F等才能達(dá)到良好的效果，而CIO薄膜不需要任何刻意的摻雜就可以達(dá) 到良好的光電性能，而且其光電性能可以較易通過調(diào)整Cd和In的比例來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。(3) 相比ITO薄膜價格更便宜。由于CIO是三元化合物，Cd的價格比In便宜，所以 總體價格要比ITO薄膜便宜。(4) 短波相應(yīng)良好。比Sn02的化學(xué)性能更穩(wěn)定，更高的耐磨性和強抗化學(xué)腐蝕性。 但直接將CdlnA薄膜沉積在P型GaN上，合金化處理后難以得到歐姆接觸，原因在于(l)P型GaN禁帶寬度為3.4eV，電子親和能為4. leV，功函數(shù)很大(7. 5eV)，與 CdlnA接觸形成的勢壘高度大；(2)P型GaN難以實現(xiàn)重?fù)诫s，通常Mg在P型GaN中摻 雜濃度為102°cnT3，但由于Mg在P型GaN中會形成深受主能級，并且其離化能很高( 170meV)，依據(jù)費米-狄拉克統(tǒng)計，Mg摻雜劑的離化率大約是1%，導(dǎo)致載流子濃度很難 超過l(Tcm—3;此外，Mg還可與材料中的氫形成絡(luò)合物Mg-H(即氫鈍化作用)，并補償部 分殘余受主雜質(zhì)，使P型GaN的空穴濃度進(jìn)一步降低，限制了形成低阻歐姆接觸所需的 隧道電流；(3)工藝過程中很容易在P型GaN表面產(chǎn)生作為施主的N空位，降低P型GaN 表面的空穴濃度。此外，金屬化工藝的條件也會影響P型GaN接觸電阻率。因此，要在 P型GaN上形成歐姆接觸，需要降低勢壘高度，所以考慮在用透明氧化物薄膜與半導(dǎo)體 襯底之間插入中間金屬層來降低勢壘高度，從而降低比接觸電阻率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在P型GaN上實現(xiàn)低阻、高透光率的歐姆接觸方案及其 制備方法。一種P型GaN上鎘銦氧透明電極，它包括一P型GaN，在P型GaN上有第一導(dǎo)電 層，在第一導(dǎo)電層之上有CIO(鎘銦氧)透明導(dǎo)電薄膜；可以在所述的第一導(dǎo)電層和CIO 透明導(dǎo)電薄膜之間再沉積第二導(dǎo)電層。所述的第一導(dǎo)電層采用的金屬材料可以是Ni、 Pt、 Pd、 Ru、 Re、 Cu中的一種；所 述的第二導(dǎo)電層，所采用的金屬材料可以是Au、 O、 Ir中的一種。所述的第一導(dǎo)電層的厚度范圍可以是2到100埃，所述的第二導(dǎo)電層的厚度范圍可
以是2到100埃；所述的CIO透明導(dǎo)電薄膜(3)的厚度范圍可以是100到1000nm。 P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其工藝步驟為1) 在P型GaN上以物理氣相沉積方式，沉積第一導(dǎo)電層；2) 在第一導(dǎo)電層上以物理氣相沉積方式,沉積CIO透明導(dǎo)電薄膜；3) 進(jìn)行合金化熱處理。在步驟l)之后，還可以再沉積一熱穩(wěn)定金屬薄膜所構(gòu)成的第二導(dǎo)電層。 第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的沉積方法可以是電子束蒸鍍、熱蒸鍍或濺射。 步驟2)中所述的CIO透明導(dǎo)電薄膜的沉積方法可以是濺射或電子束蒸鍍。 前述的制備方法的具體步驟為步驟1)將P型GaN浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超 聲振蕩5min，把樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空，在P型GaN 蒸發(fā)沉積厚度為5nm的金屬Ni，其工藝條件為高壓6KV，束流155mA，工作氣壓2.2 X10—3Pa;步驟2)采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的CdlnA薄膜，靶材原 料選用純度為99.99y。直徑為6cm的Cd-In合金靶材，Cd、 In的原子比為1:2，其工藝參 數(shù)為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4. 29%，濺射功率50W，基片溫度250°C，革巴基距7. 5cm;步驟3)中所述的合金化熱處理，是在氧氣或空氣中，40(TC-70(TC范圍內(nèi)退火處理 l-5min。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是CIO透明電極的透光率比傳統(tǒng)的金屬(Ni或Ni/Au)電極 提高15%以上，可望應(yīng)用于GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管或激光二極管提高其出光效率，或應(yīng)用 于GaN基光電探測器上提高其響應(yīng)度，具有極高的產(chǎn)業(yè)利用價值；本發(fā)明還公開了上述 透明電極的制備方法，該方法解決了 CI0透明導(dǎo)電薄膜在P型GaN上難于獲得歐姆接觸 的問題。


附圖l， P型GaN上鎘銦氧透明電極結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2,在第一導(dǎo)電層上再沉積第二導(dǎo)電層時的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3， CIO透明導(dǎo)電薄膜的X射線衍射圖；附圖4， Ni/CI0膜與Ni膜的透光率曲線；附圖5， P型GaN上沉積Ni/CI0薄膜后空氣中不同退火溫度下的I-V曲線。 附圖中p型GaN 1，第一導(dǎo)電層2， CI0透明導(dǎo)電薄膜3，第二導(dǎo)電層4。
具體實施方式
實施例l:參見附圖l， 一P型GaN 1，在P型GaN l上有第一導(dǎo)電層2，其特征在于 在第一導(dǎo)電層2之上有CI0透明導(dǎo)電薄膜3，此例為導(dǎo)電層只包括第一導(dǎo)電層2時的情況， 其步驟如下1) 將P型GaN 1(載流子濃度3.37X10"cm—3，遷移率4. 34cm2/V. s)浸入王水溶液中 3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振蕩5min(目的是為了去除表面雜質(zhì)和 氧化層，以降低勢壘高度)；2) 把前一步驟中得到的樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空，在 P型GaN l蒸發(fā)沉積厚度為5nm的金屬Ni(即第一導(dǎo)電層2)，其工藝條件為高壓6KV，束 流155mA，工作氣壓2. 2X10—3Pa;3) 采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的Cdlri204薄膜(g卩CIO透明導(dǎo)電薄 膜3)，靶材原料選用純度為99.99y。直徑為6cm的Cd-In合金靶材，Cd、 In的原子比為l:2， 其工藝參數(shù)為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4.29%，濺射功率50W，基片溫度25(TC，靶基 距7. 5cm;4) 在空氣中，400 °C -55CTC范圍內(nèi)對樣品進(jìn)行合金化退火處理lmin 。 參見附圖3，本實施例中得到的CI0透明導(dǎo)電薄膜3的X射線衍射圖，可見CIO透明導(dǎo)電膜3是多晶結(jié)構(gòu)，它包含大量的CIO相和少量的In203相及微量的CdO相。在本實施例步驟3)工藝條件下制備的CIO透明導(dǎo)電薄膜3的主要性能為電阻率 為2. 95X10—4 Q cm;載流子濃度為3. 508X 102°cm—3;載流子霍爾遷移率為60. 32cm2/V. S， 在可見光區(qū)域內(nèi)，波長為628nm時薄膜的透光率高達(dá)91. 7%。參見附圖4，得到的Ni/CIO薄膜與Ni膜透光率的對比圖，可見，在400-600nm波 長范圍內(nèi)，Ni厚度為5nm時，透光率約為50%， Ni膜厚度為10nm時，透光率僅為20%左 右，而退火后Ni(5nm)/CI0(200nm)和Ni (10nm)/CI0(200nm)薄膜透光率分別為約65%和 約55%，即與相應(yīng)厚度的Ni金屬膜相比，Ni(5nm)/CIO(200nm)和NiaOnm)/CI0 (200nm)， Ni/CIO透光率分別提高15%和30%左右，說明采用CIO作為透明電極材料，可明顯提 高電極的透光率。參見附圖5，在P型GaN 1與CI0透明導(dǎo)電薄膜3之間插入一層金屬Ni(5ran)后， 對未退火的樣品以及分別在400。C、50(rC、55(rC空氣中退火lmin后的樣品的I-V曲線， 可見未退火的樣品I-V為曲線，呈現(xiàn)整流特性，開啟電壓較大；40(TC下和500'C下退 火的樣品I-V曲線是直線，表明樣品在400'C和50(TC下退火后，呈歐姆接觸特性，比
接觸電阻率分布為3.2X10—4Q.cm2和4. 9X10—4Q. cm2;當(dāng)退火溫度升高到550。C時，曲 線比較彎，表明接觸又開始呈現(xiàn)整流特性。實施例2:參見附圖l、附圖2，本例為在第一導(dǎo)電層2和CI0透明導(dǎo)電薄膜3之間 再沉積一第二導(dǎo)電層4的情況，其步驟如下-1) 將P型GaNl浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振 蕩5min(目的是為了去除表面雜質(zhì)和氧化層，以降低勢壘高度)；2) 把前一步驟得到的樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空，在P 型GaN 1蒸發(fā)沉積厚度為5nm的金屬Ni (即第一導(dǎo)電層2)，接著采用同樣方法在沉積 一層5nm厚的金Au (即第二導(dǎo)電層4)，其工藝條件為高壓6KV，束流155raA，工作氣 壓2.2Xi(T3Pa);3) 用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni/Au上沉積200nm的Cdln2(V簿膜(即CIO透明 導(dǎo)電薄膜3)，靶材原料選用純度為99. 99%直徑為6cm的Cd-In合金耙材，Cd、 In的原 子比為1:2，其工藝參數(shù)為工作壓強3. 1Pa，氧濃度4. 29%,濺射功率50W，基片溫 度250。C，耙基距7.5cm;4) 把所得到的樣品在空氣中，500。C下合金化退火處理lmin。實施例1為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，通過在P型GaN 1與CIO透明導(dǎo)電薄膜3之 間插入中間金屬Ni層(第一導(dǎo)電層2)來降低勢壘高度，從而獲得了歐姆接觸.實施例2與實施例1不同之處在于在中間Ni層(第一導(dǎo)電層2)上再沉積了一層 Au (第二導(dǎo)電層4)，主要是為了防止氧化，提高接觸的熱穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1、一種P型GaN上鎘銦氧透明電極，它包括一P型GaN(1)，在P型GaN(1)上有第一導(dǎo)電層(2)，其特征在于在第一導(dǎo)電層(2)之上有CIO透明導(dǎo)電薄膜(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于可以在所述 的第一導(dǎo)電層(2)和CIO透明導(dǎo)電薄膜(3)之間再沉積一第二導(dǎo)電層(4)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的第一 導(dǎo)電層(2)采用的金屬材料可以是Ni、 Pt、 Pd、 Ru、 Re、 Cu中的一種；所述的第二導(dǎo) 電層(4)，所釆用的金屬材料可以是Au、 Cr、 Ir中的一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的 第一導(dǎo)電層(2)的厚度范圍可以是2到100埃，所述的第二導(dǎo)電層(4)的厚度范圍可以是2 到100埃。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極，其特征在于所述的CIO 透明導(dǎo)電薄膜(3)的厚度范圍可以是100到1000nm。
6、 一種P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于其工藝步驟為1) 在P型GaN(l)上以物理氣相沉積方式,沉積第一導(dǎo)電層(2);2) 在第一導(dǎo)電層(2)上以物理氣相沉積方式,沉積CIO透明導(dǎo)電薄膜(3);3) 進(jìn)行合金化熱處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 在步驟l)之后，還可以再沉積一熱穩(wěn)定金屬薄膜所構(gòu)成的第二導(dǎo)電層(4)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 第一導(dǎo)電層(2)和第二導(dǎo)電層(4)的沉積方法可以是電子束蒸鍍、熱蒸鍍或濺射。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于 步驟2)中所述的CIO透明導(dǎo)電薄膜(3)的沉積方法可以是濺射或電子束蒸鍍。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的P型GaN上鎘銦氧透明電極的制備方法，其特征在于: 步驟l)所述的沉積方法是將P型GaN (1)浸入王水溶液中3-5min，并采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲振蕩5min，把樣品用氮氣吹干，立即置于電子槍蒸鍍系 統(tǒng)中，抽真空，在P型GaN (1)蒸發(fā)沉積厚度為5nm的金屬Ni，其工藝條件為高壓 6KV，束流155mA，工作氣壓2.2xl(r3Pa;步驟2)所述的沉積方法是采用直流磁控濺射法在P型GaN/Ni上沉積200nm的 Cdln204薄膜，靶材原料選用純度為99.99%直徑為6cm的Cd-In合金耙材，Cd、 In的原 子比為1:2，其工藝參數(shù)為工作壓強3.1Pa，氧濃度4.29%，濺射功率50W，基片溫 度250。C，靶基距7.5cm;.步驟3)所述的合金化熱處理，是在氧氣或空氣中，40(TC-70(TC范圍內(nèi)退火處理 l-5min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種P型GaN上的鎘銦氧(CIO)透明電極，它通過采用CIO透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)，使透明電極的透光率比傳統(tǒng)的金屬(Ni或Ni/Au)電極提高15％以上，可望應(yīng)用于GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管或激光二極管提高其出光效率，或應(yīng)用于GaN基光電探測器上提高其響應(yīng)度，具有極高的產(chǎn)業(yè)利用價值。本發(fā)明還公開了上述透明電極的制備方法，該方法解決了CIO透明導(dǎo)電薄膜在P型GaN上難于獲得歐姆接觸的問題。
文檔編號H01L33/00GK101162751SQ20071009291
公開日2008年4月16日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者劉高斌, 張淑芳, 彭麗萍, 亮 方, 董建新 申請人:重慶大學(xué)