專利名稱：：半導(dǎo)體的歐姆接觸層及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層及其制造方法，特別是一種應(yīng)用在p型氮化鎵上的歐姆接觸層及其制造方法。近年來，半導(dǎo)體材料氮化鎵(以下以化學(xué)符號GaN表示，其他材料亦以其化學(xué)符號表示)已廣泛地應(yīng)用于短波長范圍的發(fā)光二極管、激光二極管、光檢測器及微電子元件等。發(fā)光二極管已經(jīng)成功地發(fā)展成為高亮度的商業(yè)化產(chǎn)品，在這些元件中良好的歐姆接觸(ohmiccontact)十分重要。目前，對于n型GaN，已可將接觸電阻率(specificcontactresistance)降至約10-4～10-8Ω·cm2～10-3Ω·cm2，遠較n型GaN的歐姆接觸的接觸電阻率高，如此高的介面阻抗對元件的性能與可靠性均產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此，降低p型GaN的接觸電阻率成為目前的主要研究課題。至目前為止，現(xiàn)有技術(shù)中制作p型GaN的歐姆接觸層都直接使用金屬，例如，在美國專利5，652，434中，NichiaChemicalIndustries公司在其LED中使用Ni或Ni／Au做為歐姆接觸。另外，在美國專利5，739，554中，CreeResearch公司在其LED中則使用Ti／Au、Ti／Ni或Ni／Au做為歐姆接觸層，但均未說明接觸電阻率。其它文獻中公開的歐姆接觸層包括Au、Ni、Ti、Pd、Pt、W、WSi0．45、Ni／Au、Pt／Au、Cr／Au、Pd／Au、Au／Mg／Au、Pd／Pt／Au、Ni／Cr／Au、Ni／Pt／Au、Pt／Ni／Au、Ni／Au-Zn、Ni／Mg／Ni／Si等各種金屬，不過其接觸電阻率最低只能達到10-2-10-3Ω·cm2左右，較一般光電元件所要求的10-4Ω·cm2以下，尚有一段距離，且部分上述金屬接觸并非完善的歐姆接觸層，當(dāng)偏壓高時其電流-電壓無法保持線性關(guān)系。本發(fā)明的目的在于提供一種接觸電阻率低的半導(dǎo)體歐姆接觸層與其制造方法，其可以降低歐接觸層的界面阻抗，以改善光電元件的性能與可靠性。為達到上述目的本發(fā)明采取如下措施本發(fā)明的一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層的制造方法，其特征在于包括以下步驟先在一半導(dǎo)體材料上鍍制至少二種金屬元素，然后在氧化環(huán)境中進行熱處理，使其中至少一種金屬元素氧化形成p型氧化物半導(dǎo)體，其余金屬則保持金屬狀態(tài)。其中，所述金屬元素包括過渡金屬，其可形成p型半導(dǎo)體氧化物。本發(fā)明的一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層，其特征在于其形成于一半導(dǎo)體材料上，包括有p型半導(dǎo)體氧化物與金屬的混合體膜層。其中，所述p型半導(dǎo)體氧化物為單一種氧化物。其中，所述p型半導(dǎo)體氧化物包括至少二種氧化物的混合體。其中，所述p型半導(dǎo)體氧化物包括至少二種氧化物形成的固溶體。其中，所述半導(dǎo)體材料為p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1及x+y+z=1。其中，所述p型半導(dǎo)體氧化物為NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、PdO。其中，所述金屬為Au、Pt、Rh、Ru、Ir。其中，所述半導(dǎo)體材料為p型GaN。本發(fā)明的另一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層，其特征在于其形成于一半導(dǎo)體材料上，包括p型半導(dǎo)體氧化物的膜層及金屬膜層。其中，所述半導(dǎo)體材料為p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。其中，所述p型半導(dǎo)體氧化物為NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、Yba2Cu4O8、PdO。其中，所述膜層為單一氧化物層。其中，所述膜層包括至少二層同型的氧化物層。其中，所述膜層包括至少二種氧化物的混合膜層。其中，所述膜層包括至少二種氧化物形成的固溶體膜層。其中，所述膜層為單一金屬層。其中，所述膜層包括至少二層金屬層。其中，所述半導(dǎo)體材料為p型GaN。其中，所述膜層為透明導(dǎo)電膜。其中，所述膜層為透明導(dǎo)電膜為銦錫氧化物、ZnO或摻雜有Ga、In、Al、或Ce的ZnO。配合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)特征詳細說明如下，其中圖1本發(fā)明的半導(dǎo)體歐姆接觸層實施例的示意圖。圖2本發(fā)明的另一實施例的示意圖。圖3a本發(fā)明采用的CTLM試驗方式中在試片材料上形成圖案的示意圖。圖3b在p型GaN上形成NI／Au膜層并在不同環(huán)境下進行熱處理后所得到的電流-電壓(I-V)曲線的示意圖。圖4不同厚度的Ni／Au組合經(jīng)氧化后所得到的接觸電阻率隨溫度變化的示意圖。本發(fā)明的半導(dǎo)體的歐姆接觸層的制造方法，包括以下步驟先在半導(dǎo)體材料上鍍制一層過渡金屬與貴金屬或者鍍制過渡金屬與貴金屬的合金薄膜，然后，在氧化環(huán)境中進行熱處理，使過渡金屬部分氧化或是剛好完全氧化形成氧化物。上述半導(dǎo)體材料為p型GaN。上述的過渡金屬主要是Ni、Mn、Fe、Co或Pd等。至于上述貴金屬主要為Au、Pt、Rh、Ru、Ir等。上述薄膜層中的氧化物可為單一氧化物或數(shù)種氧化物的混合體，例如NiO／CoO雙層膜或數(shù)種氧化物形成的固溶體(Solidsolution)，例如NiXCo1-XO(0＜X＜1)等。且上述薄膜層中的金屬可為單一金屬或數(shù)種金屬或其合金。薄膜層上可再制作金屬層，包括有單一金屬層或數(shù)層金屬層或合金層，例如Au、Ni、Cr／Au、Ti／Pt／Au等，以用為與其他線路的連接。經(jīng)由上述的制造方法所得到的歐姆接觸層隨著鍍制過渡金屬與貴金屬膜層的方式的不同，而會有不同的結(jié)構(gòu)。在實施例一中，經(jīng)熱處理后，在半導(dǎo)體材料10上的過渡金屬與貴金屬膜層會變成半導(dǎo)體氧化物12與金屬14的混合體，如圖1所示。在本實施例中，半導(dǎo)體材料10是在2英寸厚的藍寶石(sapphire)基板上，以MOCVD的方法依次成長各2μm厚的無摻雜GaN層與摻雜Mg的GaN層，之后，再將試片于氮氣中熱處理，使摻雜Mg的GaN層轉(zhuǎn)變?yōu)閜型。利用此半導(dǎo)體材料做為測試用的試片材料。此試片藉由霍爾(Hall)量測的結(jié)果，得知其無摻雜的GaN層為n型，其載子濃度為1×1017cm-3，而p型GaN層的載子濃度為2×1O17cm-3。本發(fā)明中采用CTLM(circulartransmissionlinemodel)的實驗方式，進行接觸電阻率(specificcontactresistance，rc)的計算。以下說明在本發(fā)明中歐姆接觸層的整個制作與量測步驟，其包括步驟1，將GaN試件用有機溶劑清洗，各步驟間以氮氣吹干；步驟2，在GaN20表面上光阻，制作CTLM圖案；步驟3，將GaN試件浸于HCl∶H2O=1∶1的溶液中經(jīng)3分鐘去除表面氧化物，用氮氣吹干后，立刻置于電子槍蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空；步驟4，將電子槍蒸鍍系統(tǒng)抽至高真空狀態(tài)，進行各種金屬的蒸鍍；步驟5，剝離(lift-off)部分金屬膜，以形成金屬膜圖案22，如圖3a所示；步驟6，將上述試件于空氣、氧氣、10％H2-90％N2或氮氣中施以熱處理，溫度由200℃至900℃，時間為10分鐘；步驟7，進行電流-電壓(I-V)量測步驟8，進行ρc值分析。上述步驟中的CTLM的測定與分析其利用I-V特性的量測，可以分別計算出不同間距的同心圓內(nèi)外側(cè)金屬的電阻值，實驗分別是以±0．5V與±20mV的I-V曲線范圍進行ρc值分析，一般而言，本發(fā)明中所探討的金屬結(jié)構(gòu)在上述范圍內(nèi)，均具有歐姆接觸的行為，亦即具有線性的I-V曲線，因此，由曲線斜率便可計算出電阻值。根據(jù)文獻報告，CTLM實驗的ρc值計算公式如下RT=(Rsh/2π)[In(R/r)+Lt(r-1+R-1)]ρc=Rsh·Lt2其中，Rt為利用I-V量測所得的總電阻值，Rsh為面阻值(sheetresistance)，而r、R分別代表同心圓的內(nèi)、外圓的半徑、Lt為傳遞長度(transferlength)。根據(jù)上述公式，可先將經(jīng)I-V量測所得的Rt值對ln(R／r)值作圖，再利用一次線性回歸的方法，求取線性關(guān)系曲線，所得的斜率即為Rsh／2π，而當(dāng)R=r時，可代入公式得出線性截距，其等于RshLt／rπ，藉此可以分別計算出Rsh與Lt值，并進一步計算出ρc值。本發(fā)明的方法，實際制作歐姆接觸層，并進行量測所得到的實驗結(jié)果，請參閱圖3b。其顯示在p型GaN上制作的Ni／Au膜層于不同的氣氛下熱處理后的I-V特性，其中，曲線A表示在空氣或氧氣中進行熱處理，曲線B表示在氮氣中進行熱處理，曲線C表示在10％H2-90％N2氣中進行熱處理，而熱處理的過程是在500℃溫度下進行10分鐘。很明顯，Ni／Au膜層經(jīng)氧化后，試件的I-V關(guān)系的線性最好，斜率最大，也就是ρc值最小，且正負電流對稱于原點，另一方面，試件于氮氣或10％H2-90％N2中熱處理后，Ni／Au膜層依然保持金屬狀態(tài)，所形成的ρc值較前者大，而且該金屬接觸層在較高偏壓時，電流-電壓(I-V)已不再保持線性關(guān)系，且正負電流不互相對稱。同時，請參閱下面的表1，此種薄膜依舊具有良好的導(dǎo)電性。表1<tablesid="table1"num="001"><table>條件面電阻(Ω／□)電阻率(μΩ·cm)As-deposited11．8717．8N2，500□，10min16．8225．2空氣，500□，10min38．9497．4</table></tables>請參閱圖4，其顯示形成于p型GaN上的不同厚度的Ni／Au組合經(jīng)氧化后所得的接觸電阻率，其中，曲線A’表示Ni為50nm，且Au為125nm，曲線B’表示Ni為10nm，且Au為25nm，曲線C’表示Ni為10nm，且Au為5nm。上述氧化過程是將試片置于空氣中加熱10分鐘，根據(jù)目前的實驗數(shù)據(jù)，接觸電阻率最低可達1．0×10-4Ω·cm2。利用X射線對經(jīng)500℃熱處理10分鐘后的Ni(10nm)／Au(5nm)進行繞射分析，結(jié)果顯示試件于空氣中熱處理后，鎳金屬層轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?，而金尚保持金屬狀態(tài)，另一方面，試件于氮氣或10％H2-90％N2中熱處理后，Ni／Au依然保持金屬狀態(tài)，然而其ρc值較高，約10-1至10-2Ω·cm2。因此，另外于p型GaN上鍍制50nm厚的鎳膜，取代前述的Ni(10nm)／Au(5nm)，施以相同的氧化熱處理，測量NiO與p型GaN的接觸電阻率，以分析氧化鎳的功用，但是，所得的ρc值也只有0．1Ω·cm2左右，然而其I-V曲線呈現(xiàn)出線性狀態(tài)，顯示NiO與p-GaN形成歐姆接觸，ρc值較高說明這樣形成的氧化鎳，其導(dǎo)電性不高。因此，氧化鎳的產(chǎn)生可促成氧化的Ni／Au膜形成歐姆接觸層，而較低的ρc值形成的主要原因，金屬金主要的對薄膜的導(dǎo)電性有貢獻，因為Au與p型GaN無法形成良好的歐姆接觸層，有文獻報導(dǎo)rc值只有53Ω·cm2(L．L．Smith，etal，J．Mater．Res．12，2249(1997)與2．6×10-2Ω·cm2(T．Mori，Appl．Phys．Lett．，69，3537(1996))。另由文獻(Z．M．Jarzebski，OxideSemiconductors(Pergamonpress，Oxford，1973)，Chap．10)得知計量的(stoichiometric)氧化鎳為絕緣體，但當(dāng)產(chǎn)生Ni2+空位或摻入一價的陽離子(Li+)則會變?yōu)閜型p型，添加LiO可使NiO的電阻系數(shù)下降到0．1Ω．cm左右，另一方面，鎳氧化時會形成Ni2+離子空位(vacancy)，促成電洞的產(chǎn)生(N．BirksandG．H．Meier，IntroductiontoHighTemperatureOxidationofMetals(EdwardArnold，London，1983)，Chap．4)，因此，推論Ni／Au氧化后形成的NiO是p型的半導(dǎo)體，此p型NiO半導(dǎo)體中混合金屬狀態(tài)的金，p型NiO與p型GaN的界面電阻很低，同時，金與p型NiO形成歐姆接觸，因此，Ni／Au膜層經(jīng)氧化熱處理后可與p型GaN形成歐姆接觸層，并且具低的接觸電阻率?；谝陨贤普摚彩潜∧ぞ哂衟型半導(dǎo)體氧化物與金兩種成份的結(jié)構(gòu)均可能與p型GaN形成良好的歐姆接觸層，由文獻得知除了NiO外，尚有許多氧化物可制作成p型半導(dǎo)體，例如MnO、FeO、CoO(Z．M．Jarzebski，OxideSemiconducotrs(Pergamonpress，Oxford，1973)，Chap．11)、PdO(R．Uriuetal．，J．Phys．Soc．Jpn60，2479(1991))、CuAlO2(H．Kawazoeetal．，Nature389，939(1997))、SrCu2O2(A．Kudoetal．，Appl．Phys．Lett．73，220(1998))、Rh2O3(A．RoyandJ．ghose，Mater．Res．Bull33，547(1998))等，因此，此類氧化物與金混合亦可能與p型GaN形成歐姆接觸層。另外，金亦可用其它的金屬替代，只要是經(jīng)氧化熱處理后，此金屬并不氧化即可，一般貴金屬均適用，例如，Au、Pt、Rh、Ru、Ir等?；谝陨蠈嶒灲Y(jié)果與推論，p型半導(dǎo)體氧化物與p型GaN的界面電阻很低，同時，金屬可以與p型半導(dǎo)體氧化物形成低接觸電阻率的歐姆接觸層，因此，請參閱圖2，本發(fā)明的另一個實施例即是于p型GaN10上依次制作薄的p型半導(dǎo)體氧化物層12與另一金屬層24，以形成p型GaN的歐姆接觸層，例如，p-GaN／p-NiO／Cr／Au等。另外，在上述實施例中主要是以p-GaN材料為例做說明，但是實際上本發(fā)明制作歐姆接觸層的方法可適用于p型AlxGayInzN材料上，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z=1。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實發(fā)明具有如下效果由于本發(fā)明是在半導(dǎo)體材料上鍍制由過渡金屬與貴金屬所形成的膜層，再對此膜層進行熱處理，使膜層氧化以得到低阻抗的歐姆接觸，這樣形成的歐姆接觸層其接觸電阻率可滿足一般光電元件的要求。過去在p型GaN上制作的歐姆接觸層的接觸電阻率最低僅能達到10-2-10-3Ω·cm2左右，但本發(fā)明的歐姆接觸層能達到更低的界面阻抗1．0×10-4Ω·cm2，此結(jié)果較先前技術(shù)進步了許多，同時經(jīng)由將此種歐姆接觸應(yīng)用于發(fā)光二極管的制作上，也顯示出良好的特性。權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層的制造方法，其特征在于包括以下步驟先在一半導(dǎo)體材料上鍍制至少二種金屬元素，然后在氧化環(huán)境中進行熱處理，使其中至少一種金屬元素氧化形成p型氧化物半導(dǎo)體，其余金屬則保持金屬狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金屬元素包括過渡金屬，其可形成p型半導(dǎo)體氧化物。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金屬元素包括貴金屬，其為Au、Pt、Rh、Ru、Ir等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，鍍制在所述半導(dǎo)體材料上的膜層為過渡金屬與貴金屬的合金。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型GaN。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述過渡金屬為Ni、Mn、Fe、Co、Cr、Cu、Pd。8.一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層，其特征在于其形成于一半導(dǎo)體材料上，包括有p型半導(dǎo)體氧化物與金屬的混合體膜層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸，其特征在于，所述p型半導(dǎo)體氧化物為單一種氧化物。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述p型半導(dǎo)體氧化物包括至少二種氧化物的混合體。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述p型半導(dǎo)體氧化物包括至少二種氧化物形成的固溶體。12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述p型半導(dǎo)體氧化物為NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、PdO。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述金屬為Au、Pt、Rh、Ru、Ir。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型GaN。16.一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層，其特征在于其形成于一半導(dǎo)體材料上，包括p型半導(dǎo)體氧化物的膜層及金屬膜層。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述p型半導(dǎo)體氧化物為NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、Yba2Cu4O8、PdO。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層為單一氧化物層。20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層包括至少二層同型的氧化物層。21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層包括至少二種氧化物的混合膜層。22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層包括至少二種氧化物形成的固溶體膜層。23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層為單一金屬層。24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層包括至少二層金屬層。25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為p型GaN。26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述膜層為透明導(dǎo)電膜。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的歐姆接觸層，其特征在于，所述透明導(dǎo)電膜為銦錫氧化物。全文摘要一種半導(dǎo)體的歐姆接觸層及其制造方法,此方法包括以下步驟:先在半導(dǎo)體體材料上鍍制過渡金屬與貴金屬,再進行熱處理,使過渡金屬氧化。此種歐姆接觸層包括過渡金屬氧化物及貴金屬的膜層,其中氧化物可為單一氧化物、或數(shù)種氧化物的混合體或固溶體,膜層中的金屬可為單一金屬、數(shù)種金屬或其合金;膜層呈氧化物與金屬互相混合狀;其中至少有一氧化物層與半導(dǎo)體接合;本半導(dǎo)體的歐姆接觸層的阻抗率低,可滿足一般光電元件的要求。文檔編號H01L21/44GK1281248SQ9910963公開日2001年1月24日申請日期1999年7月1日優(yōu)先權(quán)日1999年7月1日發(fā)明者何晉國,陳金源,鐘長祥,鄭振雄,邱建嘉,史光國,黃兆年申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院