专利名称：：半导体的欧姆接触层及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种半导体的欧姆接触层及其制造方法，特别是一种应用在p型氮化镓上的欧姆接触层及其制造方法。近年来，半导体材料氮化镓(以下以化学符号GaN表示，其他材料亦以其化学符号表示)已广泛地应用于短波长范围的发光二极管、激光二极管、光检测器及微电子元件等。发光二极管已经成功地发展成为高亮度的商业化产品，在这些元件中良好的欧姆接触(ohmiccontact)十分重要。目前，对于n型GaN，已可将接触电阻率(specificcontactresistance)降至约10-4～10-8Ω·cm2～10-3Ω·cm2，远较n型GaN的欧姆接触的接触电阻率高，如此高的介面阻抗对元件的性能与可靠性均产生严重的影响，因此，降低p型GaN的接触电阻率成为目前的主要研究课题。至目前为止，现有技术中制作p型GaN的欧姆接触层都直接使用金属，例如，在美国专利5，652，434中，NichiaChemicalIndustries公司在其LED中使用Ni或Ni／Au做为欧姆接触。另外，在美国专利5，739，554中，CreeResearch公司在其LED中则使用Ti／Au、Ti／Ni或Ni／Au做为欧姆接触层，但均未说明接触电阻率。其它文献中公开的欧姆接触层包括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等各种金属，不过其接触电阻率最低只能达到10-2-10-3Ω·cm2左右，较一般光电元件所要求的10-4Ω·cm2以下，尚有一段距离，且部分上述金属接触并非完善的欧姆接触层，当偏压高时其电流-电压无法保持线性关系。本发明的目的在于提供一种接触电阻率低的半导体欧姆接触层与其制造方法，其可以降低欧接触层的界面阻抗，以改善光电元件的性能与可靠性。为达到上述目的本发明采取如下措施本发明的一种半导体的欧姆接触层的制造方法，其特征在于包括以下步骤先在一半导体材料上镀制至少二种金属元素，然后在氧化环境中进行热处理，使其中至少一种金属元素氧化形成p型氧化物半导体，其余金属则保持金属状态。其中，所述金属元素包括过渡金属，其可形成p型半导体氧化物。本发明的一种半导体的欧姆接触层，其特征在于其形成于一半导体材料上，包括有p型半导体氧化物与金属的混合体膜层。其中，所述p型半导体氧化物为单一种氧化物。其中，所述p型半导体氧化物包括至少二种氧化物的混合体。其中，所述p型半导体氧化物包括至少二种氧化物形成的固溶体。其中，所述半导体材料为p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1及x+y+z=1。其中，所述p型半导体氧化物为NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、PdO。其中，所述金属为Au、Pt、Rh、Ru、Ir。其中，所述半导体材料为p型GaN。本发明的另一种半导体的欧姆接触层，其特征在于其形成于一半导体材料上，包括p型半导体氧化物的膜层及金属膜层。其中，所述半导体材料为p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。其中，所述p型半导体氧化物为NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、Yba2Cu4O8、PdO。其中，所述膜层为单一氧化物层。其中，所述膜层包括至少二层同型的氧化物层。其中，所述膜层包括至少二种氧化物的混合膜层。其中，所述膜层包括至少二种氧化物形成的固溶体膜层。其中，所述膜层为单一金属层。其中，所述膜层包括至少二层金属层。其中，所述半导体材料为p型GaN。其中，所述膜层为透明导电膜。其中，所述膜层为透明导电膜为铟锡氧化物、ZnO或掺杂有Ga、In、Al、或Ce的ZnO。配合附图及实施例对本发明的技术特征详细说明如下，其中图1本发明的半导体欧姆接触层实施例的示意图。图2本发明的另一实施例的示意图。图3a本发明采用的CTLM试验方式中在试片材料上形成图案的示意图。图3b在p型GaN上形成NI／Au膜层并在不同环境下进行热处理后所得到的电流-电压(I-V)曲线的示意图。图4不同厚度的Ni／Au组合经氧化后所得到的接触电阻率随温度变化的示意图。本发明的半导体的欧姆接触层的制造方法，包括以下步骤先在半导体材料上镀制一层过渡金属与贵金属或者镀制过渡金属与贵金属的合金薄膜，然后，在氧化环境中进行热处理，使过渡金属部分氧化或是刚好完全氧化形成氧化物。上述半导体材料为p型GaN。上述的过渡金属主要是Ni、Mn、Fe、Co或Pd等。至于上述贵金属主要为Au、Pt、Rh、Ru、Ir等。上述薄膜层中的氧化物可为单一氧化物或数种氧化物的混合体，例如NiO／CoO双层膜或数种氧化物形成的固溶体(Solidsolution)，例如NiXCo1-XO(0＜X＜1)等。且上述薄膜层中的金属可为单一金属或数种金属或其合金。薄膜层上可再制作金属层，包括有单一金属层或数层金属层或合金层，例如Au、Ni、Cr／Au、Ti／Pt／Au等，以用为与其他线路的连接。经由上述的制造方法所得到的欧姆接触层随着镀制过渡金属与贵金属膜层的方式的不同，而会有不同的结构。在实施例一中，经热处理后，在半导体材料10上的过渡金属与贵金属膜层会变成半导体氧化物12与金属14的混合体，如图1所示。在本实施例中，半导体材料10是在2英寸厚的蓝宝石(sapphire)基板上，以MOCVD的方法依次成长各2μm厚的无掺杂GaN层与掺杂Mg的GaN层，之后，再将试片于氮气中热处理，使掺杂Mg的GaN层转变为p型。利用此半导体材料做为测试用的试片材料。此试片藉由霍尔(Hall)量测的结果，得知其无掺杂的GaN层为n型，其载子浓度为1×1017cm-3，而p型GaN层的载子浓度为2×1O17cm-3。本发明中采用CTLM(circulartransmissionlinemodel)的实验方式，进行接触电阻率(specificcontactresistance，rc)的计算。以下说明在本发明中欧姆接触层的整个制作与量测步骤，其包括步骤1，将GaN试件用有机溶剂清洗，各步骤间以氮气吹干；步骤2，在GaN20表面上光阻，制作CTLM图案；步骤3，将GaN试件浸于HCl∶H2O=1∶1的溶液中经3分钟去除表面氧化物，用氮气吹干后，立刻置于电子枪蒸镀系统中，抽真空；步骤4，将电子枪蒸镀系统抽至高真空状态，进行各种金属的蒸镀；步骤5，剥离(lift-off)部分金属膜，以形成金属膜图案22，如图3a所示；步骤6，将上述试件于空气、氧气、10％H2-90％N2或氮气中施以热处理，温度由200℃至900℃，时间为10分钟；步骤7，进行电流-电压(I-V)量测步骤8，进行ρc值分析。上述步骤中的CTLM的测定与分析其利用I-V特性的量测，可以分别计算出不同间距的同心圆内外侧金属的电阻值，实验分别是以±0．5V与±20mV的I-V曲线范围进行ρc值分析，一般而言，本发明中所探讨的金属结构在上述范围内，均具有欧姆接触的行为，亦即具有线性的I-V曲线，因此，由曲线斜率便可计算出电阻值。根据文献报告，CTLM实验的ρc值计算公式如下RT=(Rsh/2π)[In(R/r)+Lt(r-1+R-1)]ρc=Rsh·Lt2其中，Rt为利用I-V量测所得的总电阻值，Rsh为面阻值(sheetresistance)，而r、R分别代表同心圆的内、外圆的半径、Lt为传递长度(transferlength)。根据上述公式，可先将经I-V量测所得的Rt值对ln(R／r)值作图，再利用一次线性回归的方法，求取线性关系曲线，所得的斜率即为Rsh／2π，而当R=r时，可代入公式得出线性截距，其等于RshLt／rπ，藉此可以分别计算出Rsh与Lt值，并进一步计算出ρc值。本发明的方法，实际制作欧姆接触层，并进行量测所得到的实验结果，请参阅图3b。其显示在p型GaN上制作的Ni／Au膜层于不同的气氛下热处理后的I-V特性，其中，曲线A表示在空气或氧气中进行热处理，曲线B表示在氮气中进行热处理，曲线C表示在10％H2-90％N2气中进行热处理，而热处理的过程是在500℃温度下进行10分钟。很明显，Ni／Au膜层经氧化后，试件的I-V关系的线性最好，斜率最大，也就是ρc值最小，且正负电流对称于原点，另一方面，试件于氮气或10％H2-90％N2中热处理后，Ni／Au膜层依然保持金属状态，所形成的ρc值较前者大，而且该金属接触层在较高偏压时，电流-电压(I-V)已不再保持线性关系，且正负电流不互相对称。同时，请参阅下面的表1，此种薄膜依旧具有良好的导电性。表1<tablesid="table1"num="001"><table>条件面电阻(Ω／□)电阻率(μΩ·cm)As-deposited11．8717．8N2，500□，10min16．8225．2空气，500□，10min38．9497．4</table></tables>请参阅图4，其显示形成于p型GaN上的不同厚度的Ni／Au组合经氧化后所得的接触电阻率，其中，曲线A’表示Ni为50nm，且Au为125nm，曲线B’表示Ni为10nm，且Au为25nm，曲线C’表示Ni为10nm，且Au为5nm。上述氧化过程是将试片置于空气中加热10分钟，根据目前的实验数据，接触电阻率最低可达1．0×10-4Ω·cm2。利用X射线对经500℃热处理10分钟后的Ni(10nm)／Au(5nm)进行绕射分析，结果显示试件于空气中热处理后，镍金属层转变为氧化镍，而金尚保持金属状态，另一方面，试件于氮气或10％H2-90％N2中热处理后，Ni／Au依然保持金属状态，然而其ρc值较高，约10-1至10-2Ω·cm2。因此，另外于p型GaN上镀制50nm厚的镍膜，取代前述的Ni(10nm)／Au(5nm)，施以相同的氧化热处理，测量NiO与p型GaN的接触电阻率，以分析氧化镍的功用，但是，所得的ρc值也只有0．1Ω·cm2左右，然而其I-V曲线呈现出线性状态，显示NiO与p-GaN形成欧姆接触，ρc值较高说明这样形成的氧化镍，其导电性不高。因此，氧化镍的产生可促成氧化的Ni／Au膜形成欧姆接触层，而较低的ρc值形成的主要原因，金属金主要的对薄膜的导电性有贡献，因为Au与p型GaN无法形成良好的欧姆接触层，有文献报导rc值只有53Ω·cm2(L．L．Smith，etal，J．Mater．Res．12，2249(1997)与2．6×10-2Ω·cm2(T．Mori，Appl．Phys．Lett．，69，3537(1996))。另由文献(Z．M．Jarzebski，OxideSemiconductors(Pergamonpress，Oxford，1973)，Chap．10)得知计量的(stoichiometric)氧化镍为绝缘体，但当产生Ni2+空位或掺入一价的阳离子(Li+)则会变为p型p型，添加LiO可使NiO的电阻系数下降到0．1Ω．cm左右，另一方面，镍氧化时会形成Ni2+离子空位(vacancy)，促成电洞的产生(N．BirksandG．H．Meier，IntroductiontoHighTemperatureOxidationofMetals(EdwardArnold，London，1983)，Chap．4)，因此，推论Ni／Au氧化后形成的NiO是p型的半导体，此p型NiO半导体中混合金属状态的金，p型NiO与p型GaN的界面电阻很低，同时，金与p型NiO形成欧姆接触，因此，Ni／Au膜层经氧化热处理后可与p型GaN形成欧姆接触层，并且具低的接触电阻率。基于以上推论，凡是薄膜具有p型半导体氧化物与金两种成份的结构均可能与p型GaN形成良好的欧姆接触层，由文献得知除了NiO外，尚有许多氧化物可制作成p型半导体，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，此类氧化物与金混合亦可能与p型GaN形成欧姆接触层。另外，金亦可用其它的金属替代，只要是经氧化热处理后，此金属并不氧化即可，一般贵金属均适用，例如，Au、Pt、Rh、Ru、Ir等。基于以上实验结果与推论，p型半导体氧化物与p型GaN的界面电阻很低，同时，金属可以与p型半导体氧化物形成低接触电阻率的欧姆接触层，因此，请参阅图2，本发明的另一个实施例即是于p型GaN10上依次制作薄的p型半导体氧化物层12与另一金属层24，以形成p型GaN的欧姆接触层，例如，p-GaN／p-NiO／Cr／Au等。另外，在上述实施例中主要是以p-GaN材料为例做说明，但是实际上本发明制作欧姆接触层的方法可适用于p型AlxGayInzN材料上，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z=1。与现有技术相比，本实发明具有如下效果由于本发明是在半导体材料上镀制由过渡金属与贵金属所形成的膜层，再对此膜层进行热处理，使膜层氧化以得到低阻抗的欧姆接触，这样形成的欧姆接触层其接触电阻率可满足一般光电元件的要求。过去在p型GaN上制作的欧姆接触层的接触电阻率最低仅能达到10-2-10-3Ω·cm2左右，但本发明的欧姆接触层能达到更低的界面阻抗1．0×10-4Ω·cm2，此结果较先前技术进步了许多，同时经由将此种欧姆接触应用于发光二极管的制作上，也显示出良好的特性。权利要求1.一种半导体的欧姆接触层的制造方法，其特征在于包括以下步骤先在一半导体材料上镀制至少二种金属元素，然后在氧化环境中进行热处理，使其中至少一种金属元素氧化形成p型氧化物半导体，其余金属则保持金属状态。2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述半导体材料为p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属元素包括过渡金属，其可形成p型半导体氧化物。4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属元素包括贵金属，其为Au、Pt、Rh、Ru、Ir等。5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，镀制在所述半导体材料上的膜层为过渡金属与贵金属的合金。6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述半导体材料为p型GaN。7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述过渡金属为Ni、Mn、Fe、Co、Cr、Cu、Pd。8.一种半导体的欧姆接触层，其特征在于其形成于一半导体材料上，包括有p型半导体氧化物与金属的混合体膜层。9.根据权利要求8所述的欧姆接触，其特征在于，所述p型半导体氧化物为单一种氧化物。10.根据权利要求8所述的欧姆接触层，其特征在于，所述p型半导体氧化物包括至少二种氧化物的混合体。11.根据权利要求8所述的欧姆接触层，其特征在于，所述p型半导体氧化物包括至少二种氧化物形成的固溶体。12.根据权利要求8所述的欧姆接触层，其特征在于，所述半导体材料为p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。13.根据权利要求8所述的欧姆接触层，其特征在于，所述p型半导体氧化物为NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、PdO。14.根据权利要求8所述的欧姆接触层，其特征在于，所述金属为Au、Pt、Rh、Ru、Ir。15.根据权利要求12所述的欧姆接触层，其特征在于，所述半导体材料为p型GaN。16.一种半导体的欧姆接触层，其特征在于其形成于一半导体材料上，包括p型半导体氧化物的膜层及金属膜层。17.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述半导体材料为p型AlxGayInzN，且0≤x、y、z≤1，x+y+z=1。18.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述p型半导体氧化物为NiO、MnO、FeO、Fe2O3、CoO、CrO、Cr2O3、CrO2、CuO、SnO、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、Yba2Cu4O8、PdO。19.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层为单一氧化物层。20.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层包括至少二层同型的氧化物层。21.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层包括至少二种氧化物的混合膜层。22.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层包括至少二种氧化物形成的固溶体膜层。23.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层为单一金属层。24.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层包括至少二层金属层。25.根据权利要求17所述的欧姆接触层，其特征在于，所述半导体材料为p型GaN。26.根据权利要求16所述的欧姆接触层，其特征在于，所述膜层为透明导电膜。27.根据权利要求26所述的欧姆接触层，其特征在于，所述透明导电膜为铟锡氧化物。全文摘要一种半导体的欧姆接触层及其制造方法,此方法包括以下步骤:先在半导体体材料上镀制过渡金属与贵金属,再进行热处理,使过渡金属氧化。此种欧姆接触层包括过渡金属氧化物及贵金属的膜层,其中氧化物可为单一氧化物、或数种氧化物的混合体或固溶体,膜层中的金属可为单一金属、数种金属或其合金;膜层呈氧化物与金属互相混合状;其中至少有一氧化物层与半导体接合;本半导体的欧姆接触层的阻抗率低,可满足一般光电元件的要求。文档编号H01L21/44GK1281248SQ9910963公开日2001年1月24日申请日期1999年7月1日优先权日1999年7月1日发明者何晋国,陈金源,钟长祥,郑振雄,邱建嘉,史光国,黄兆年申请人:财团法人工业技术研究院