一種GaN基LED高反電極的製作方法

2023-06-17 04:56:41

專利名稱：一種GaN基LED高反電極的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電子器件製造技術領域，特別是涉及一種帶高反鏡的發光二極體(LED)電極。
背景技術：
目前GaN基LED得以廣泛的應用。在大功率高亮度LED應用上，人們普遍採用倒裝結構即P型電極用作光高反射面，器件襯底面為光出射面的結構。P型電極技術目前還存在一些困難，其比接觸電阻比較大。降低比接觸電阻最有效的辦法是對P型GaN進行摻雜。但P-GaN摻Mg的濃度不是很高，一般小於1×1018cm-3，且存在Mg容易形成H-Mg鍵，造成摻雜劑鈍化現象，不利於降低比接觸電阻(需加熱退火打開H-Mg鍵)。而且找不到與P-GaN功函數(大於6.5eV)相匹配的金屬(金屬功函數都比P-GaN功函數低)。這就造成P型電極的比接觸電阻比較高(一般大於10-6Ω·cm2)。電極比接觸電阻越大，對延長器件壽命越不利。接觸電阻越低產生的熱量越少，P型高反電極熱可靠性越高，所以接觸電阻越低越好。另外接觸電阻低的金屬電極光吸收嚴重，這主要是因為金屬的消光係數比較大(消光係數K大於1)。接觸層越厚吸光越嚴重。金屬電極的歐姆接觸層為了得到低的接觸電阻、高的透過率，一般厚度都小於10nm，即便如此，對光的吸收仍遠遠高於氧化物導電膜。由於吸收的光轉變為熱能，熱能使器件溫度上升，溫度上升導致器件進一步增大對光的吸收，形成正反饋，導致器件壽命下降甚至使燒毀器件。當LED工作在大電流時，金屬電極吸收光生成的熱是造成器件壽命下降主要因素。導電氧化物膜消光係數比較小(10-4-10-6量級)，幾乎不吸光。但氧化物導電膜散熱性卻很差，容易形成熱量積累。器件的溫度隨著熱量的積累而上升，達到一定程度時，會降低器件的壽命，熱可靠性較差。目前存在的傳統P型高反電極有Ni/Au/Ag、基於透明導電膜(TCO)外鍍銀高反鏡電極以及Ni/Ag等平板式電極。Ni/Au/Ag電極如圖1，半導體基底1，Ni/Au接觸層2，Ag高反鏡3，保護層4。其歐姆接觸層2為Ni/Au，比接觸電阻可以小至10-6Ω·cm2。然而該電極的接觸層對光吸收很大(主要是金)，達20％-30％(460nm波長)，光功率損失嚴重。如果減小Ni/Au的厚度，又出現與基底接觸不牢的問題。基於TCO外鍍銀高反鏡的高反電極，其歐姆接觸層對光吸收幾乎不吸收，但TCO是氧化物散熱不好，在大電流下熱可靠性差。Ni/Ag電極歐姆接觸層只有一薄層Ni，光吸收比Ni/Au接觸層少，所以這種光吸收比Ni/Au/Ag電極小，其比接觸電阻為可做到10-4Ω·cm2-10-5Ω·cm2，有待進一步降低。傳統電極在光吸收、接觸電阻以及散熱等性能上各有利弊，都不能同時滿足低接觸電阻、低光吸收的要求，尤其是LED在大功率工作時熱可靠性差。如何在這幾個參數方面找到一個最佳結合點使接觸電阻能滿足在我們需要的同時又降低光吸收，以提高LED工作的可靠性，是當前P型高反電極面臨的主要問題。最近出現在Ni中摻Zn作接觸層，然後再加高反鏡的電極，接觸層薄，不含吸光嚴重的Au層。該樣品為300μm×300μm的LED，其P-GaN基底厚為1.5μm，Mg摻雜為5×1017cm-3。這種電極的Ni-Zn層為2.5nm或10nm厚，Ag為200nm，比接觸電阻為10-4Ω·cm2-10-5Ω·cm2，正向偏壓3.25V(電流20mA)，接觸層透過率83％左右。Zn的電離能比較大為9.394eV，對於形成P型半導體摻雜(摻雜可以降低半導體與金屬接觸勢壘，有利於降低接觸電阻)效果不是很好，其接觸電阻需要進一步降低。對於現存的高反電極，都具有無法同時滿足接觸層厚度小，接觸電阻低，光吸收小的缺點，都有待進一步改進。

發明內容
本發明的目的是解決目前GaN基LED的P型電極不能滿足同時具有較低的接觸電阻和光吸收少的問題，提高GaN基LED可靠性和光輸出功率和熱可靠性。針對所要解決的技術問題，本發明設計了一種用於GaN基倒裝結構LED上的新型結構高反電極。其核心是對高反電極歐姆接觸層加以改進，用鎳鎂固熔體層與GaN基底接觸後再加一層金屬薄層Pa，然後再加高反鏡。由於本發明與GaN基底接觸的鎳鎂固熔體，而Mg是p型GaN的摻雜劑，Mg的電離能(7.646eV)比Zn小，所以比接觸電阻率比單純的Ni接觸層和摻Zn的Ni-Zn接觸層都低，且金屬Pa有吸收氫的作用(1體積單位的鈀可以溶解700體積-800體積單位的氫氣)，比接觸電阻率達到10-5Ω·cm2-10-6Ω·cm2，光吸收由於接觸層可以減薄20％而減少13％。為了提高金屬金與銀的粘附性，在金和銀之間又鍍了一層金屬Ti。
為達到上述目的，本發明電極採用如下技術方案(參見圖3)本發明的電極從下到上包括摻雜Mg的、器件發出的光從該層到達高反電極層，然後經電極反射再從該層返回器件內部的半導體GaN基底層1，歐姆接觸層6，高反鏡3，保護層和加厚層4；其中所述的基底層1，器件發出的光從該層到達高反電極層，然後經電極反射再從該層返回器件內部，其特徵在於所述的歐姆接觸層6是位於基底層與高反鏡之間的與基底直接接觸的Ni和Mg金屬固熔體層，在金屬固熔體層與高反鏡之間是金屬Pa層7。
所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於Ni和Mg金屬固熔體層中Mg佔的重量比為7～10％，Ni和Mg金屬固熔體層的厚度為0.7-2nm。金屬Pa層的厚度為0.6nm～1nm。
所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於在電極保護層與高反鏡之間有連接層Ti層8。
由於本發明採用了更為優化的電極結構和材料，與以往相同結構和尺寸的LED樣品具有更低的比接觸電阻和更少的光吸收，提高了光的輸出功率和熱可靠性，且製作簡單。


附圖1為傳統Ni/Au/Ag高反電極剖面圖1.摻Mg半導體P-GaN，2.Ni/Au歐姆接觸層，3.高反鏡，4.保護膜；附圖2為傳統Ni-Zn/Ag高反電極剖面圖1.摻Mg半導體P-GaN，5.Ni-Zn歐姆接觸層，3.高反鏡，4.保護膜；附圖3為本發明高反電極剖面圖1.摻Mg半導體P-GaN，6.含有鎳鎂固熔體的歐姆接觸層，7.金屬Pa層，3.高反鏡，8.金屬Ti層，4.保護層；具體實施方式
實施例11)用普通金屬有機化學汽相澱積(MOCVD)方法製備300μm×300μm的LED樣品，其P-GaN基底厚為1.5μm，Mg摻雜為5×1017cm-3；2)該樣品為用普遍化學清洗方法進行清洗HCl∶H2O為1∶1的溶液對P區GaN表面進行清洗5分鐘後，用去離子水衝洗再洗5遍。清洗後用幹N2氣吹乾；3)把樣品迅速放入到Denton Discovery550濺射臺反應室中，把反應室抽到10-5Pa以下的真空；4)在半導體表面上1/s的速率在70℃下鍍一層Ni與Mg的金屬固熔體作為接觸層，厚度為0.7nm，Mg佔的重量比為10％；Ni的純度為4N(99.99％)；5)在Ni-Mg固溶體上1/s的速率在60℃下鍍一層0.6nm的金屬Pa；6)日立分光光度計4100測得接觸層透過率達96.4％；7)緊接著不退火，再以10/s的速率在70℃下鍍一層200nm的銀Ag，作為高反鏡；
8)在Ag鏡上鍍一層30nm的Ti金屬膜；9)在Ti金屬膜上以4/s的速率在60℃下鍍一層500nm的Au，作為保護層和加厚電極；10)最後樣品在普遍高溫爐中450℃合金5分鐘，得到本發明的電極；11)用傳統環形傳輸線法(CTLM)測得其比接觸電阻率達到5×10-6Ω·cm2，正向偏壓3.14V(電流20mA)；實施例21)用普通金屬有機化學汽相澱積(MOCVD)方法製備300μm×300μm的LED樣品，其P-GaN基底厚為1.5μm，Mg摻雜為5×1017cm-3；2)該樣品為用普遍化學清洗方法進行清洗HCl∶H2O為1∶1的溶液對P區GaN表面進行清洗5分鐘後，用去離子水衝洗再洗5遍。清洗後用幹N2氣吹乾；3)把樣品迅速放入到Denton Discovery550濺射臺反應室中，把反應室抽到10-5Pa以下的真空；4)在半導體表面上以1/s的速率在70℃下鍍一層Ni與Mg的金屬固熔體作為接觸層，厚度為1nm，Mg佔的重量比為8％；Ni的純度為4N(99.99％)；5)在Ni-Mg固溶體上1/s的速率在60℃下鍍一層0.6nm的金屬Pa；6)日立分光光度計4100測得接觸層透過率達95.3％。
7)緊接著不退火，再以10/s的速率在70℃下鍍一層200nm的銀Ag，作為高反鏡；8)在Ag鏡上以4/s的速率在60℃下鍍一層30nm的Ti金屬膜；9)在Ti金屬膜上以8/s的速率在75℃下鍍一層500nm的Au，作為保護層和加厚電極；10)最後樣品在普遍高溫爐中450℃合金5分鐘，得到本發明的電極；
11)用傳統環形傳輸線法(CTLM)測得其比接觸電阻率達到3.8×10-6Ω·cm2，正向偏壓為3.11V(電流20mA)。
實施例31)用普通金屬有機化學汽相澱積(MOCVD)方法製備300μm×300μm的LED樣品，其P-GaN基底厚為1.5μm，Mg摻雜為5×1017cm-3；2)該樣品為用普遍化學清洗方法進行清洗HCl∶H2O為1∶1的溶液對P區GaN表面進行清洗5分鐘後，用去離子水衝洗再洗5遍。清洗後用幹N2氣吹乾；3)把樣品迅速放入到Denton Discovery550濺射臺反應室中，把反應室抽到10-5Pa以下的真空；4)在半導體表面上以2/s的速率在70℃下鍍一層Ni與Mg的金屬固熔體作為接觸層，厚度為2nm，Mg佔的重量比為7％；Ni與Mg的金屬固熔體由市場上購得，Ni的純度為4N(99.99％)；5)在以1/s的速率在60℃下鍍Ni-Mg固溶體上鍍一層0.6nm的金屬Pa；6)日立分光光度計4100測得接觸層透過率達93.4％；7)緊接著不退火，再以10/s的速率在70℃下鍍鍍一層200nm的銀Ag，作為高反鏡；8)在Ag鏡上以4/s的速率在60℃下鍍鍍一層30nm的Ti金屬膜；9)在Ti金屬膜上以8/s的速率在75℃下鍍鍍一層500nm的Au，作為保護層和加厚電極；10)最後樣品在普遍高溫爐中450℃合金5分鐘，得到本發明的電極；11)用傳統環形傳輸線法(CTLM)測得其比接觸電阻率達到2.9×10-6Ω·cm2，正向偏壓為2.97V。
權利要求
1.一種GaN基LED高反電極，從下到上包括摻雜Mg的、器件發出的光從該層到達高反電極層，然後經電極反射再從該層返回器件內部的半導體GaN基底層(1)，歐姆接觸層(6)，高反鏡(3)，保護層(4)，其特徵在於所述的歐姆接觸層(6)是位於基底層(1)與高反鏡(3)之間的與基底直接接觸的Ni和Mg的金屬固熔體層，在金屬固熔體層與高反鏡之間是金屬Pa層(7)。
2.根據權利要求1所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於Ni和Mg金屬固熔體層中Mg佔的重量比為7％～10％。
3.根據權利要求1或2所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於Ni和Mg金屬固熔體層的厚度為0.7-2nm。
4.根據權利要求1所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於金屬Pa層(7)的厚度為0.6nm～1nm。
5.根據權利要求1所述的一種GaN基LED高反電極，其特徵在於在電極保護層(4)與高反鏡之間有連接層Ti層(8)。
全文摘要
本發明涉及一種GaN基LED高反電極，屬於光電子器件製造技術領域。該電極的結構從下到上包括摻雜Mg的、器件發出的光從該層到達高反電極層，然後經電極反射再從該層返回器件內部的半導體GaN基底層(1)，歐姆接觸層(6)，高反鏡(3)，保護層(4)；其特徵在於所述的歐姆接觸層(6)是位於基底層(1)與高反鏡(3)之間的與基底直接接觸的Ni和Mg金屬固熔體層，在Ni和Mg金屬固熔體層與高反鏡之間是金屬Pa層(7)。在電極保護層與高反鏡之間有連接層Ti層(8)。該電極實現了接觸電阻低，光吸收小，光的輸出功率和熱可靠性提高的效果，且製作簡單。
文檔編號H01L33/00GK1622352SQ20041010124
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月17日 優先權日2004年12月17日
發明者沈光地, 朱彥旭, 李秉臣, 郭霞, 董立閩 申請人:北京工業大學