一种降低高Al组分n-AlGaN材料接触电阻的方法及应用

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及一种降低器件制造工艺中高Al组分n-AlGaN材料接触电阻的方法及应用。

背景技术

近年来，AlGaN基深紫外(DUV)发光器件，如发光二极管(LED)因其在水/空气净化、杀菌、生化分析、环境监测、安全通信等方面具有重要的应用前景而备受关注。同时，由于其在高效、环保、节能、便携等方面的巨大优势，AlGaN基DUV-LED被认为是一种很有前景的替代传统气体汞灯的深紫外光源。

虽然AlGaN基DUV-LED的研究已取得了很大的进展，但其电光转换效率(WPE)仍然处于非常低的水平(通常低于5％)，这极大地限制了AlGaN基DUV-LED的商业应用。研究表明，通过降低工作电压可以降低焦耳热，从而可提高电光转换效率。而从器件结构来看，n-AlGaN的欧姆接触电阻占了LED器件总串联电阻的很大比例，因此有必要进一步降低n-AlGaN的欧姆接触电阻。

更为重要的是，在器件制造过程中需要刻蚀n-AlGaN以形成台面结构。对于n-GaN，等离子刻蚀大大改善了n-GaN的欧姆接触特性，刻蚀过程中产生的N空位作为浅施主可以形成一个重掺杂表面区域，导致电子浓度增加，较高的电子浓度可以增强接触界面的隧穿效应，有利于降低接触电阻。而对于高Al组分的n-AlGaN材料而言，刻蚀过程中会产生类受主金属空位和深能级中心N空位，这两者都会产生电子补偿效应，降低表面的载流子浓度，这就进一步增加了欧姆接触形成的困难。

通常用来降低材料接触电阻的方法主要是对材料进行表面处理，例如湿法腐蚀、等离子体轰击等手段；或者通过高温退火消除材料表面损伤。湿法腐蚀等手段存在不稳定、可控度低、效果差等缺点；等离子体轰击在一定程度上会对材料表面造成二次损伤；高温退火工艺复杂且对设备的要求比较高，会增加工艺成本。

目前，缺乏有效降低高Al组分n-AlGaN材料接触电阻的方法，尤其对于表面有刻蚀损伤的高Al组分n-AlGaN来说更是难上加难。因此，寻找一种有效的方法来恢复n-AlGaN的刻蚀损伤，对于开发高性能的AlGaN基光电器件至关重要。

发明内容

本发明的第一方面是提供一种降低高Al组分n-AlGaN材料接触电阻的方法。

所述降低高Al组分n-AlGaN材料接触电阻的方法为：在保护气体作用下，对n-AlGaN层进行表面原子吸附及退火处理；所述原子为Si原子和N原子。

本发明提供原子形态的Si和N原子吸附于n-AlGaN层表面，然后通过退火处理使Si原子和N原子分别向n-AlGaN层中扩散，从而提高材料表面的载流子浓度，有助于形成优良的欧姆接触性能，降低材料的接触电阻率，解决了高Al组分n-AlGaN材料欧姆接触制备难，尤其是刻蚀后的欧姆接触难形成的问题。

所述方法过程简单易重复，有效避免了现有工艺中酸碱溶液腐蚀或者高温退火等技术带来的工艺复杂、不稳定的问题，可以保障规模化的批量生产，并且对后续的器件制作不会产生任何不良影响，具有较好的工艺兼容性。

本发明中所述表面原子吸附是基于等离子体增强化学的气相沉积法实现的。具体过程包括：在保护气体氛围下，向反应设备内通入NH

在所述表面原子吸附的过程中，射频功率越大，NH

对于NH

本发明中，所述NH

当两者同时通入时，所述NH

若先后通入或交替通入，则不受流量比限制。

本发明还发现，所述表面原子吸附的过程中，所述n-AlGaN材料的温度不宜过高，以避免形成致密的SiNx。为此，根据本发明的实施例，控制所述n-AlGaN材料的温度不高于200℃。

通过对上述条件的控制，既能够提高分解及吸附效率，同时又保证了原子吸附面积，提高吸附效果。

本发明所述反应设备可选择本领域常用设备，如PECVD设备。所述保护气体可为N

本发明中所述对表面处理后n-AlGaN退火处理的条件为：温度500～900℃，优选750-850℃；处理时间为20～60s，优选25-40s。通过控制退火处理的条件，提高吸附原子向n-AlGaN层中扩散程度，从而进一步提高材料表面的载流子浓度，更有助于形成优良的欧姆接触性能，进一步降低材料的接触电阻率。

本发明所述方法中，所述n-AlGaN层可为未刻蚀的高Al组分n-AlGaN材料或具有刻蚀损伤的高Al组分n-AlGaN材料。优选刻蚀深度为250-350nm。

所述刻蚀可为湿法腐蚀、干法ICP刻蚀或者RIE刻蚀；具体刻蚀的厚度可根据器件实际需求而定。

研究表明，表面原子吸附、退火处理的操作条件与n-AlGaN层的刻蚀程度有关。

作为本发明的具体实施方式之一，对于刻蚀深度为250-350nm的n-AlGaN层，所述方法中，所述表面原子吸附的操作条件为：所述NH

本发明的第二方面提供一种n-AlGaN的欧姆接触金属的制备方法，包括刻蚀n-AlGaN层及对其进行表面预处理的步骤；所述表面预处理为上述方法。通过采用上述方法可有效修复刻蚀损伤，进而降低材料的接触电阻率。

作为本发明的具体实施方式之一，所述n-AlGaN的欧姆接触金属的制备方法，包括：

(1)在衬底上外延生长n-AlGaN层；

(2)对n-AlGaN层的表面进行刻蚀；

(3)对刻蚀后的n-AlGaN层进行表面预处理；所述表面预处理包括表面原子吸附以及退火处理；

(4)对步骤(3)表面预处理得到的材料进行蒸镀n型电极金属，并进行退火合金处理，制得n-AlGaN的欧姆接触金属。

其中，上述步骤(1)中的衬底可以是蓝宝石或其它衬底；n-AlGaN层可以是任一外延结构获得的n-AlGaN材料。

上述步骤(4)中，所述n型电极金属为钛、铝、镍、金、铬、钒等中的一种或几种组合或它们的合金。

上述步骤(4)中，所述退火的条件可采用本领域常规退火条件，如温度600～1000℃，退火时间为20～60s。

本发明的第三方面提供上述制备方法得到的n-AlGaN的欧姆接触金属，其具有较低的接触电阻率，可有效帮助器件降低工作电压，减少焦耳热的产生，极大地提高器件的稳定性和使用寿命。

本发明的第四方面提供一种半导体光电器件，其包括上述n-AlGaN的欧姆接触金属。所述半导体光电器件具有更好的稳定性和使用寿命。

优选地，所述半导体光电器件为AlGaN基深紫外LED芯片。

作为本发明的具体实施方式之一，所述AlGaN基深紫外LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底的表面依次外延生长AlN层、AlN/AlGaN应力调制层、n-AlGaN层、多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN层及p-GaN层；

(2)去除掉部分区域的p-GaN层、p-AlGaN层、AlGaN电子阻挡层、多量子阱层及部分的n-AlGaN层，露出n-AlGaN层表面；

(3)制备出芯片的深刻蚀沟道，延伸至衬底表面，将芯片划分成一个个独立的单元；

(4)对材料进行上述表面预处理，得到表面预处理后的n-AlGaN层；

(5)在表面预处理后的n-AlGaN层的表面制备n型欧姆接触金属；所述金属为钛、铝、镍或金中的一种或多种；

(6)在p-GaN层的表面制作p型欧姆接触金属，并退火；所述金属为镍和/或金。

本发明取得的有益效果如下：

(1)本发明所述降低接触电阻的方法是通过提供原子形态的Si和N原子吸附于n-AlGaN表面，并在退火过程中分别向n-AlGaN层中扩散，以进一步提高材料表面附近区域的载流子浓度，从而有助于形成优良的欧姆接触性能，降低材料的接触电阻率。

(2)本发明对于未刻蚀的高Al组分n-AlGaN材料以及具有刻蚀损伤的n-AlGaN材料均有较好的降低接触电阻的效果，特别是对于器件刻蚀的n-AlGaN材料，可提供Si和N原子去主动占据等离子体刻蚀产生的类受主型金属空位和深能级中心N空位，从而有效修复刻蚀损伤，提高n-AlGaN表面层的电子浓度，降低接触电阻，进而帮助器件降低工作电压，减少焦耳热的产生，极大地提高器件的稳定性和使用寿命。

(3)本发明所述降低接触电阻的方法具有过程简单易重复的优点，可有效避免现有工艺中酸碱溶液腐蚀或者高温退火等技术带来的工艺复杂、不稳定的问题，保障规模化的批量生产，并且对后续的器件制作不会产生任何影响，具有比较好的工艺兼容性。

附图说明

图1为实施例1中样品制备过程的结构剖面流程图及所采用的光刻版的图形；其中，(a)-(d)为制备工艺中各步骤的剖面流程图；

图中：1为蓝宝石衬底，2为AlN层，3为AlN/AlGaN应力调制层，4为n-AlGaN层，5为刻蚀后的n-AlGaN层，6为进行表面预处理后的n-AlGaN层，7为n型欧姆接触金属。

图2为实施例1的效果测试图，其中(a)为样品1和样品2的I-V曲线，(b)为样品2各电极之间的I-V曲线。

图3为实施例2所述高性能深紫外LED芯片的结构剖面图；

图中：1为蓝宝石衬底，2为AlN层，3为AlN/AlGaN应力调制层，4为n-AlGaN层，5为多量子阱层，6为AlGaN电子阻挡层，7为p-AlGaN层，8为p-GaN层，9为表面预处理后的n-AlGaN层，10为n型欧姆接触金属，11为p型欧姆接触金属。

图4为实施例2所述深紫外LED芯片的I-V曲线。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种降低刻蚀后的高Al组分n-AlGaN材料欧姆接触电阻的方法，如图1所示，包括：

1)在蓝宝石衬底1上依次外延生长AlN层2、AlN/AlGaN应力调制层3以及n-AlGaN层4；

所得n-AlGaN层4的Al组分为55％，载流子浓度为2.5×10

2)对n-AlGaN层4材料进行刻蚀，刻蚀深度为300nm，获得刻蚀后的n-AlGaN层5；

刻蚀可以采用湿法腐蚀、干法ICP刻蚀或者RIE刻蚀；

3)对样品进行表面预处理，得表面预处理后的n-AlGaN层6；

表面预处理包括表面原子吸附以及退火处理；

其中：表面原子吸附的操作条件：处理时间为10s；

a、同时通入NH

b、通入时间为10s；

c、流量比为9；

d、射频功率为100W；

e、n-AlGaN层的温度为150℃。

退火处理的条件：温度为800℃、N

4)电极制作并进行高温合金，使之形成n型欧姆接触金属7；

电极制作工艺包括：光刻、显影、金属蒸镀、剥离等；其中光刻采用的光刻版的图形如图1(e)所示，用于实现输线(TLM)电极，电极边长w为200μm，不同间距d

效果测试1：

将对比例1(样品1)及实施例1(样品2)进行测试。

对比例1：与实施例1的区别在于省略步骤(3)，即将步骤(2)所得刻蚀得到的n-AlGaN层5直接进行电极制作形成欧姆接触。

测结果如下：

测量样品中每相邻两个电极的I-V曲线，取同一电压范围-2V～2V，测其电流值，所得数据绘制如图2所示：

其中，图2(a)为样品1和样品2的T1-T2两电极间的I-V曲线对比；由图2可知，样品1刻蚀后未使用表面预处理技术，其接触不是欧姆接触，接触电阻比较大。而样品2使用了表面预处理技术，其接触表现为欧姆接触，欧姆接触的接触电阻随电流的变化保持不变；可见，表面预处理技术可以实现刻蚀后的n-AlGaN材料的欧姆接触，极大地降低其接触电阻率。

图2(b)为样品2每相邻两电极之间的I-V曲线，对数据进行拟合可得样品2的比接触电阻率为ρ

此外，本发明在试验过程中，也尝试对原子表面吸附过程中NH

实施例2

本实施例提供一种AlGaN基深紫外LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用MOCVD设备在清洁的蓝宝石衬底1的表面依次外延生长AlN层2、AlN/AlGaN应力调制层3、n-AlGaN层4、多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层6、p-AlGaN层7及p-GaN层8，其结构如图3所示；

(2)通过光刻和ICP刻蚀技术，去除掉部分区域的p-GaN层、p-AlGaN层、AlGaN电子阻挡层、多量子阱层及部分的n-AlGaN层，露出n-AlGaN层表面；

(3)通过光刻和ICP刻蚀技术，制备出芯片的深刻蚀沟道，延伸至蓝宝石表面，将芯片划分成一个个独立的单元；

(4)对样品进行表面预处理，得到表面预处理后的n-AlGaN层9；具体地，PECVD中原子吸附处理时间为10s，退火处理为800℃、N

(5)通过剥离的方法在表面预处理后的n-AlGaN层9的表面制备n型欧姆接触金属10，并在800℃的N

(6)通过剥离的方法在p-GaN层8的表面制作p型欧姆接触金属11，并在550℃的O

效果测试2：

实施例2所制得芯片的I-V特性曲线如图4所示。

由图可知，在20mA下，该LED芯片的工作电压仅为6.3V，而未使用表面预处理技术的芯片的工作电压则为8.5V。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。