低欧姆接触氮化物发光二极管芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片及其制备方法。


背景技术：

2.宽禁带gan基半导体材料具有击穿场强高、热导率大、电子饱和迁移速率快等优异的物理和化学性质，在蓝绿光led、光探测器以及高温高频大功率器件方面有广泛的应用前景而备受关注。
3.自从nakamura制备出第一支gan基蓝光led以来，gan基的宽禁带iii-v族半导体器件得到广泛的研究并取得了相当显著的成果，其在光电子和高温高频大功率器件等方面有广泛的应用前景。发光二极管的商业化以及长寿命激光器的实现都需要良好的p型欧姆接触。可靠性良好的低电阻的欧姆接触是制备高功率led、ld等的基础，因为高阻值的接触会产生额外的压降和热量，影响半导体器件的性能并直接决定其能否正常工作，所以高质量的欧姆接触是提高器件性能的关键，低阻p型欧姆接触也因此引起了广泛的研究。gan基器件的研究取得了巨大进展，但仍面临许多难题，其中良好的欧姆接触是制备高性能gan基器件的关键之一，特别是大工作电流密度的半导体激光器及高温大功率器件更需要良好的欧姆接触。
4.透明导电材料氧化铟锡(ito)光电性能优越，在可见光范围内透射率高，成为目前应用最广泛的透明导电层，但是ito难以和p型gan基半导体材料实现欧姆接触，相对而言，n型gan基半导体材料欧姆接触容易制作，而制作低电阻的p型gan基半导体材料比较困难，p型gan基半导体材料一般采用mg掺杂，但mg-h钝化效应成为严重制约gan基材料器件发展的因素之一，mg的激活效率通常不到1％，尤其当p型alingan材料随着al组分增加，受主电离能增大，难以达到高载流子浓度p型掺杂，增加了实现p型gan基半导体材料欧姆接触的难度。
5.因此，迫切需要提出一种能够克服现有p型gan基半导体材料欧姆接触实现困难的低欧姆接触氮化物发光二极管芯片及其制备方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片及其制备方法，其能够克服现有p型gan基半导体材料欧姆接触实现困难的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法，包括：
8.s1：提供一衬底，在所述衬底上生长缓冲层；
9.s2：在所述缓冲层上生长n型氮化物层；
10.s3：在所述n型氮化物层上生长氮化物发光层；
11.s4：在所述氮化物发光层上生长p型氮化物层；
12.s5：在所述p型氮化物层上生长表面处理功能层，其中所述表面处理功能层包括第一接触功能层和第二接触功能层，所述第二接触功能层生长于所述第一接触功能层上，所述第一接触功能层生长于所述p型氮化物层上；
13.s6:对s1～s5形成的外延结构进行退火和刻蚀，刻蚀掉所述第二接触功能层至n型氮化物层上表面之间的部分外延层形成mesa结构；
14.s7：对s6形成的mesa结构进行刻蚀，刻蚀掉第二接触功能层的部分区域，暴露出第一接触功能层的部分区域；
15.s8：在经过s7刻蚀处理后的未被刻蚀的第二接触功能层及暴露出的第一接触功能层上设置透明导电层；
16.s9：分别在透明导电层和n型氮化物层上设置p型电极和n型电极。
17.在本发明的一个实施例中，s1-s5采用mocvd外延工艺生长形成外延结构。
18.在本发明的一个实施例中，所述第一接触功能层为金属氧化物层，其中所述金属氧化物层所选金属为储氢单质和/或储氢合金。
19.在本发明的一个实施例中，所述金属氧化物层的金属为mg、ni、v、cr、mn、fe、co、al、ga、la、ce、sm、cu、in、sn、b、pt、pd、cr、ag、ir、ti、zr、ta中的一种或两种以上的组合。
20.在本发明的一个实施例中，所述第二接触功能层采用绝缘材料交替生长。
21.在本发明的一个实施例中，所述第二接触功能层为sio2、tio2、al2o3、mgo、ta2o5、fe3o4、nb2o5、hfo2、zro2中的两种或两种以上的组合。
22.在本发明的一个实施例中，所述第二接触功能层为sio2、tio2、al2o3中的两种或两种以上的组合。
23.在本发明的一个实施例中，所述第一接触功能层的厚度为5～15nm，所述第二接触功能层的厚度为50～100nm。
24.此外，本发明还提供一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片，其是通过如上述所述的低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法制得，其包括：
25.衬底；
26.缓冲层，其形成于所述衬底上；
27.n型氮化物层，其形成于所述缓冲层上，所述n型氮化物层上设置有n型电极；
28.氮化物发光层，其形成于所述n型氮化物层上；
29.p型氮化物层，其形成于所述氮化物发光层上；
30.表面处理功能层，其包括第一接触功能层和第二接触功能层，所述第二接触功能层形成于所述第一接触功能层上，所述第一接触功能层形成于所述p型氮化物层上；
31.透明导电层，其形成于所述第二接触功能层上，所述透明导电层上设置有p型电极。
32.在本发明的一个实施例中，所述第一接触功能层为金属氧化物层，其中所述金属氧化物层所选金属为储氢单质和/或储氢合金；所述第二接触功能层为采用绝缘材料交替生长形成的结构。
33.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
34.1、本发明原位生长表面处理功能层，表面处理功能层包括第一接触功能层和第二接触功能层，一方面利用第一接触功能层储氢金属材料去除p型氮化物表面层内的h，降低h
对受主的钝化，提高掺杂效率，可以实现p型氮化物层与透明导电层良好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻，再者，通过第二接触功能层的绝缘特性可以限制载流子注入区域，降低现有芯片制备工艺中刻蚀造成的侧壁损伤，降低载流子在侧壁的捕获几率，提高氮化物发光层的载流子注入，提高芯片发光效率，尤其适用于micro-led制备工艺(尺寸小于100μm)；
35.2、本发明原位生长表面处理功能层，其能够对p型氮化物外延层形成表面保护，可避免表面形成有机物污染，器件制备工艺中可省去芯片制备工艺中有机溶剂表面清洗工艺，降低有机杂质污染，提高器件制备效率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
37.图1为本发明所提供的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的结构示意图。
38.图2为本发明所提供的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片氮化物发光层出光光线示意图。
39.图3为本发明所提供的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片p型氮化物空穴注入示意图。
40.图4为本发明所提供的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法的流程示意图。
41.附图标记说明如下：10、衬底；20、缓冲层；30、n型氮化物层；31、n型电极；41、氮化物垒层；42、氮化物阱层；50、p型氮化物层；61、第一接触功能层；62、第二接触功能层；70、透明导电层；71、p型电极。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员应当理解：其依然可以对各实施例的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参阅图4所示，本发明实施例提供一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法，具体包括：
44.s1：提供一衬底，在所述衬底上生长缓冲层；
45.s2：在所述缓冲层上生长n型氮化物层；
46.s3：在所述n型氮化物层上生长氮化物发光层；
47.s4：在所述氮化物发光层上生长p型氮化物层；
48.s5：在所述p型氮化物层上生长表面处理功能层，其中所述表面处理功能层包括第一接触功能层和第二接触功能层，所述第二接触功能层生长于所述第一接触功能层上，所述第一接触功能层生长于所述p型氮化物层上；
49.s6：对s1-s5形成的外延结构进行退火和刻蚀，刻蚀掉所述第二接触功能层至n型氮化物层上表面之间的部分外延层形成mesa结构；
50.s7：对s6形成的mesa结构进行刻蚀，刻蚀掉第二接触功能层的部分区域，暴露出第一接触功能层的部分区域；
51.s8：在经过s7刻蚀处理后的未被刻蚀的第二接触功能层及暴露出的第一接触功能层上设置透明导电层；
52.s9：分别在透明导电层和n型氮化物层上设置p型电极和n型电极。
53.对于本实施例所提供的方法，所述s1-s5采用mocvd外延工艺生长形成外延结构，本发明整体通过mocvd设备完成生长，即整个工艺过程无需转移，显著提高了工艺效率。
54.对于本实施例所提供的方法，所述氮化物发光层为量子阱结构，其包括氮化物阱层和氮化物垒层，其中氮化物阱层的厚度为1-6nm，氮化物垒层的厚度为3-8nm。
55.对于本实施例所提供的方法，所述透明导电层为铟锡氧化物材料(ito)。
56.对于本实施例所提供的方法，本发明原位生长表面处理功能层，表面处理功能层包括第一接触功能层，所述第一接触功能层为金属氧化物层，其中所述金属氧化物层所选金属为储氢单质和/或储氢合金，储氢合金可以包括mg系储氢合金、稀土系储氢合金、ti系储氢合金、锆系储氢合金中的一种或一种以上的组合。具体地，所述金属氧化物层所选金属为mg、ni、v、cr、mn、fe、co、al、ga、la、ce、sm、cu、in、sn、b、pt、pd、cr、ag、ir、ti、zr、ta中的一种或两种以上的组合。本发明利用第一接触功能层储氢金属材料去除p型氮化物表面层内的h，降低h对受主的钝化，提高掺杂效率，可以实现p型氮化物层与透明导电层(ito)良好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻，能够克服现有p型gan基半导体材料欧姆接触实现困难的技术问题。
57.对于本实施例所提供的方法，所述第二接触功能层采用绝缘材料交替生长，具体地，所述第二接触功能层为sio2、tio2、al2o3、mgo、ta2o5、fe3o4、nb2o5、hfo2、zro2中的两种或两种以上的组合，作为优选地，所述第二接触功能层为sio2、tio2、al2o3中的两种或两种以上的组合。本发明第二接触功能层采用折射率不同的绝缘材料交替生长，形成分布布拉格反射(dbr)结构，可以改变氮化物发光层射向第二接触功能层的光线，并降低第二接触功能层上的电极的光吸收，进一步提高了芯片的出光效率，见图2所示；同时利用第二接触功能层的绝缘特性能够限制载流子注入区域，降低现有芯片制备工艺中刻蚀造成的侧壁损伤，降低载流子在侧壁的捕获几率，提高氮化物发光层的载流子注入，尤其适用于micro-led制备工艺(尺寸小于100μm)，见图3所示。
58.对于本实施例所提供的方法，考虑到第一接触功能层太薄的话起不到在退火过程中对p型氮化物表面层内的h的去除，太厚的话又会延长外延生长时间。因此本发明所述第一接触功能层的厚度为5～15nm，该范围的厚度既不会对p型氮化物表面层内的h的去除造成影响，又不会增加生产成本。
59.对于本实施例所提供的方法，考虑到第二接触功能层太薄不能起到对p型氮化物外延层形成表面保护，随着时间延长会使得芯片的老化性能变差，并且影响芯片在高温高
湿等特殊环境中的应用，太厚的话又会延长外延生长时间，增加生产成本。因此本发明所述第二接触功能层的厚度为50～100nm，该范围的厚度既不会降低第二接触功能对p型氮化物外延层的保护，又不会延长外延生长时间。
60.对于本实施例所提供的方法，本发明原位生长表面处理功能层，其能够对p型氮化物外延层形成表面保护，可避免表面形成有机物污染，器件制备工艺中可省去有机溶剂表面清洗工艺，降低有机杂质污染，提高器件制备效率。
61.相应于上述方法的实施例，本发明提供一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的实施例，请参阅图1所示，本实施例中一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片通过上述所述的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法制得，其结构具体包括：
62.衬底；
63.缓冲层，其形成于所述衬底上；
64.n型氮化物层，其形成于所述缓冲层上，所述n型氮化物层上设置有n型电极；
65.氮化物发光层，其形成于所述n型氮化物层上；
66.p型氮化物层，其形成于所述氮化物发光层上；
67.表面处理功能层，其包括第一接触功能层和第二接触功能层，所述第二接触功能层形成于所述第一接触功能层上，所述第一接触功能层形成于所述p型氮化物层上；
68.透明导电层，其形成于所述第二接触功能层上，所述透明导电层上设置有p型电极。
69.对于本实施例所提供的结构，本发明原位生长表面处理功能层，表面处理功能层包括第一接触功能层，所述第一接触功能层为金属氧化物层，其中所述金属氧化物层所选金属为储氢单质和/或储氢合金。本发明利用第一接触功能层储氢金属材料去除p型氮化物表面层内的h，降低h对受主的钝化，提高掺杂效率，可以实现p型氮化物层与透明导电层(ito)良好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻，能够克服现有p型gan基半导体材料欧姆接触实现困难的技术问题。
70.对于本实施例所提供的结构，所述第二接触功能层采用绝缘材料交替生长，形成分布布拉格反射(dbr)结构，可以改变氮化物发光层射向第二接触功能层的光线，并降低第二接触功能层上的电极的光吸收，进一步提高了芯片的出光效率，见图2所示；同时利用第二接触功能层的绝缘特性能够限制载流子注入区域，降低现有芯片制备工艺中刻蚀造成的侧壁损伤，降低载流子在侧壁的捕获几率，提高氮化物发光层的载流子注入，尤其适用于micro-led制备工艺(尺寸小于100μm)，见图3所示。
71.对于本实施例所提供的结构，p型电极设置于第二接触功能层上的透明导电层之上，即p型电极不是设置在中间区域，避免了p型电极对氮化物发光层的出光的吸收，提高发光效率。
72.由于本实施例的低欧姆接触氮化物发光二极管芯片通过上述所述的低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法制得，因此该结构的具体实施方式可见上述的低欧姆接触氮化物发光二极管芯片的制备方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
73.基于上述实施例，本发明采用具体的实施例和对比例对上述实施例的方法及其结构做了更加详细的说明和对比。
74.实施例1
75.1)提供衬底，在温度为1080℃、生长压力为200torr的条件下，于所诉衬底上生长3μm的非故意掺杂gan缓冲层，所需的ga源为tmg源，生长气氛为h2气氛；
76.2)在温度为1090℃、生长压力为200torr的条件下，于非故意掺杂gan层上生长3μm的n型gan层，生长所需的ga源为tmg源，生长气氛为h2气氛；
77.3)在生长压力为200torr的条件下，于n型gan层上生长氮化物发光层，氮化物发光层为周期性重复交替生长的ingan量子阱层和gan量子垒层，发光层重复周期1-3，ingan量子阱层的厚度为2nm，生长温度为750℃，gan垒的厚度为6nm，生长温度为860℃；
78.4)在生长温度为980℃、生长压力为100torr的条件下，于氮化物发光层上生长15nm的p型algan电子阻挡层，所需的ga源为tmg源，al源为tmal，生长气氛为n2气氛；
79.5)在生长温度为950℃、生长压力为400torr的条件下，于p型algan电子阻挡层上生长100nm的p型gan层，掺杂浓度为5
×
10
19
cm-3
，所需的ga源为tmg源，生长气氛为h2气氛；
80.6)在生长温度为650℃、生长压力为200torr的条件下通入乙醇钽(ta(c2h5o)5)和氧气，于p型gan层上生长厚度为10nm的金属ta氧化物第一接触功能层；
81.7)持续通入氧源，在生长温度为700℃、生长压力为50tor的生长条件下，交替通入硅烷(sih4)和四(二甲胺)钛(tdmat)于第一接触功能层上生长sio2和tio2交替层，形成第二接触功能层，其中交替时间比为2：1，第二接触功能层采用折射率不同的材料交替生长，形成分布布拉格反射(dbr)结构，可以改变氮化物发光层射向第二接触功能层的光线，并降低第二接触功能层上的电极的光吸收，进一步提高了芯片的出光效率；
82.8)刻蚀上述步骤1)～7)的外延结构层，刻蚀掉第二接触功能层至n型gan层上表面之间的部分外延层形成mesa结构；
83.9)对步骤8)形成的masa结构进行刻蚀，刻蚀掉第二接触功能层的部分区域，暴露出第一接触功能层的部分区域；
84.10)在步骤9)未被刻蚀的第二接触功能层及暴露出的第一接触功能层区域设置透明导电层；
85.11)分别在透明导电层和n型gan层上设置p型电极和n型电极。
86.实施例2
87.该实施例与实施例1不同之处在于步骤6：在生长温度为650℃、生长压力为200torr的条件下通入乙醇钽(ta(c2h5o)5)、二茂镍(cp2ni)和氧气，于p型gan层上生长厚度为10nm的ta、ni氧化物第一接触功能层。
88.实施例3
89.该实施例与实施例1不同之处在于步骤6：在生长温度为600～800℃、生长压力为200torr的条件下通入乙醇钽(ta(c2h5o)5)、二茂镍(cp2ni)、二茂镁(cp2mg)和氧气，于p型gan层上生长厚度为10nm的ta、ni、mg氧化物第一接触功能层。
90.对比例1
91.该对比例1与实施例1不同之处在于省去步骤6和步骤7。
92.将上述实施例1、实施例2、实施例3和对比例1制作成相同尺寸的芯片，对其进行测试数据如下表1所示：
93.表1
[0094][0095]
从表1的数据可以看出相同芯片尺寸条件下，实施例1、实施例2和实施例3具有更优良的亮度和电压性能，一方面本发明金属氧化物表面处理功能层使得p型gan层与透明导电层(ito)具有良好的欧姆接触，一方面可以利用储氢金属材料去除p型氮化物表面层内的h，降低h对受主钝化，提高掺杂效率，另一方面结合热退火工艺利用氧化物中的氧去除p型氮化物表面层ga原子形成镓空位，进一步提高p型氮化物表面层内的空穴浓度，可以实现p型氮化物层与透明导电层(ito)良好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻，提高了芯片的亮度，降低了芯片的电压。
[0096]
另外，原位生长的第二接触功能层的绝缘特性能够很好地将载流子注入限制在第二接触功能层被刻蚀掉的区域，可以使得载流子注入被有效地限制在发光层中间区域，极大地降低侧壁缺陷对载流子的捕获，提高载流子注入效率和量子效率，改善了由切割造成器件侧壁表面损伤所导致的电流泄露和外量子效率衰减，适用于micro-led芯片制备工艺。
[0097]
再者，原位生长金属氧化物表面处理功能层能够对p型氮化物外延层形成表面保护，可避免表面形成有机物污染，器件制备工艺中可省去有机溶剂表面清洗工艺，降低有机杂质污染，提高器件制备效率。
[0098]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0099]
以上对本发明所提供的一种低欧姆接触氮化物发光二极管芯片及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。