專利名稱：含氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種包括氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電薄膜用在利用光電效應(yīng)的太陽能電池、發(fā)光二極管(LED)、諸如薄膜晶體管-液晶顯示器(TFT-1XD)、等離子體顯示面板(PDP)、場發(fā)射顯示器(FED)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)等的平板顯示器等中，在這種情況下，要求透明導(dǎo)電薄膜在電磁波譜的可見光區(qū)域以及電磁波譜的近紅外區(qū)域中具有優(yōu)異的透光率和導(dǎo)電率。當(dāng)前，錫摻雜的In2O3(In2O3 = Sn)、氧化銦錫(ITO)是形成高質(zhì)量透明導(dǎo)電薄膜最為常用的材料之一。然而，作為其主要組成元素的銦(In)，它的全球儲備與錫(Sn)和鋅(Zn)的全球儲備相比而言極其有限，銦(In)的價格與銀(Ag) —樣高。因此，已經(jīng)對通過用諸如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)或硼⑶等的第III族陽離子金屬元素?fù)诫s氧化鋅(ZnO)獲得的材料作為ITO的替代材料進(jìn)行了深入的研究，在這些材料之中，通過在ZnO中摻雜Al獲得的材料(ZnO = Al)和通過在ZnO中摻雜Ga獲得的材料(ZnOiGa)變得突出。作為ZnO的主要組成元素的鋅(Zn)，它的儲備是銦(In)的儲備的大約1000倍以上，鋅的價格低并且具有在氫等離子體氣氛(SiH4)中穩(wěn)定的優(yōu)勢，因此，重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到對Zn的使用。近來，為了形成這種第III族元素?fù)诫s的ZnO薄膜，已經(jīng)在嘗試?yán)脼R射形成薄膜的方法，然而，這種方法由于濺射而導(dǎo)致卷入對元素表面損壞的危險，并且在調(diào)節(jié)第III族元素的濃度方面會是個難題。另外，已經(jīng)在嘗試?yán)媒饘?有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來形成第III族元素?fù)诫s的ZnO薄膜的方法，但是這種方法的問題在于第III族元素聚集在薄膜的表面附近，從而降低了薄膜的整體電特性。然而，例如，在對氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的電學(xué)特性的改善和批量生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)方面，仍有改進(jìn)的余地。

發(fā)明內(nèi)容
在此描述了一種具有增強(qiáng)的電特性的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜及其制造方法。另外，描述了一種制造在批量生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的方法，該氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜具有優(yōu)異的電特性并且能夠利用間歇式金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置而被批量生產(chǎn)。根據(jù)本申請的一方面，提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光裝置，所述半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有第III族元素被摻雜為沿厚度方向具有多個周期的波形的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，所述方法包括:形成在基底上順序地堆疊有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、活性層和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；對基底執(zhí)行熱處理；將鋅前驅(qū)體和氧化劑注入到反應(yīng)室中，以生長氧化鋅基薄膜；在氧化鋅基薄膜生長的同時，將第III族元素前驅(qū)體周期性地注入到反應(yīng)室中以將第III族元素?fù)诫s在氧化鋅基薄膜中；對所得的材料執(zhí)行熱處理?？梢栽?00°C至600°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行在生長氧化鋅基薄膜之前的熱處理達(dá)10分鐘至60分鐘。鋅前驅(qū)體可以包括DEZn和DMZn中的任何一種。用作第III族元素的前驅(qū)體可以包括TEGa和TMGa中的至少一種。可以在2托至30托的范圍內(nèi)的大氣壓力下，在400°C至530°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行生長氧化鋅基薄膜的步驟?？梢栽?00°C至600°C的范圍內(nèi)的溫度下對所得的材料執(zhí)行熱處理達(dá)40分鐘至120分鐘。可以在間歇式金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置中形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，所述方法包括:形成在基底上順序地堆疊有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、活性層和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；將鋅前驅(qū)體、氧化劑和第III族元素的前驅(qū)體注入到反應(yīng)室中以從發(fā)光結(jié)構(gòu)的至少一個表面生長氧化鋅基薄膜，然后不包括第III族元素的前驅(qū)體將鋅前驅(qū)體和氧化劑注入到反應(yīng)室中以生長氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜達(dá)2分鐘至20分鐘，重復(fù)地執(zhí)行上述工藝。
鋅前驅(qū)體可以包括DEZn和DMZn中的任何一種。用作第III族元素的前驅(qū)體可以包括TEGa和TMGa中的至少一種?？梢栽?托至30托的范圍內(nèi)的大氣壓力下，在400°C至530°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行生長氧化鋅基薄膜的步驟。可以在間歇式金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置中形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。附加的優(yōu)點和新穎的特征將在下面的描述中部分地進(jìn)行闡述，部分地在對下文和附圖進(jìn)行檢查后對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得清楚，或者可通過對示例的生產(chǎn)或操作而了解?？梢酝ㄟ^實踐或使用在下面討論的詳細(xì)示例中闡述的方法、設(shè)備和組合的各個方面來實現(xiàn)以及獲得本教導(dǎo)的優(yōu)點。


僅通過示例的方式，而不是通過限制性的方式，附圖描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的一個或多個實施方式。在附圖中，同樣的標(biāo)號表示相同或相似的元件。圖1是示出了根據(jù)本申請示例的用來制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置的剖視圖；圖2是示出了根據(jù)本申請示例的制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的方法的工藝的流程圖；圖3是第III族元素的濃度相對于通過使用根據(jù)本申請示例的制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的方法形成的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的厚度的SIMS曲線圖；圖4是示意性示出了根據(jù)本申請示例的包括氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的示意性透視圖。
具體實施例方式在下面詳細(xì)的描述中，通過示例的方式闡述了多處具體的細(xì)節(jié)，以提供對相關(guān)教導(dǎo)的充分理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，可以實踐本教導(dǎo)而無需這樣的細(xì)節(jié)。在其它情況下，以相對高的層次而沒有細(xì)節(jié)地描述了公知的方法、步驟、組件和/或電路，以避免使本教導(dǎo)的多個方面不必要地變得模糊。在下文中將參照附圖描述根據(jù)本申請示例的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜、該氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制造方法、包括氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置和該半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造方法。然而，本申請可以以許多不同的形式來實施，而不應(yīng)被理解為局限于在此闡述的示例。相反，提供這些示例使得本公開將是充分的和完整的，并且這些示例將把本申請的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清晰起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，相同的標(biāo)號將始終用來指示相同或同樣的組件?；谶m當(dāng)?shù)淖杂呻姾傻拿芏群妥杂呻姾奢d流子遷移率的大小來測量透明導(dǎo)電薄膜的優(yōu)異性能。增大氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜中的自由電荷密度的方法包括在氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜中摻雜第III族陽離子金屬元素以產(chǎn)生自由電荷并且通過調(diào)節(jié)摻雜濃度來控制自由電荷的密度的方法。詳細(xì)地講，當(dāng)在氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜中摻雜諸如Al或Ga等的第III族陽離子金屬元素時，第III族陽離子金屬元素取代二價元素Zn，由于電荷量的差異而產(chǎn)生自由電荷，并且通過摻雜濃度來調(diào)節(jié)自由電荷的密度。當(dāng)摻雜的第III族陽離子金屬元素均勻地分布在整個氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜中時，薄膜可以具有優(yōu)異的電特性。通過利用金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置來形成根據(jù)本申請示例的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。圖1是示出了根據(jù)本申請示例的用來制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的MOCVD裝置的剖視圖，圖2是示出了根據(jù)本申請示例的制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的方法的工藝的流程圖。如圖1所示，MOCVD裝置可以是間歇式MOCVD裝置100，并且可以包括反應(yīng)室10、舟皿(boat) 30和氣體供應(yīng)單元40。反應(yīng)室10具有包括內(nèi)室12和覆蓋內(nèi)室12的外室14的雙管結(jié)構(gòu)，以保持氣密性，通過設(shè)置在反應(yīng)室10的周邊周圍的加熱單元20來加熱反應(yīng)室10的內(nèi)部。多個晶片(W)裝載在舟皿30中并且在這些晶片之間具有預(yù)定間隔，被裝載有晶片(W)的舟皿30可以設(shè)置在反應(yīng)室10內(nèi)或者可以放到外部。因此，通過將其間具有預(yù)定間隔的數(shù)十片晶片(W)裝載到舟皿30中可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。至少一個氣體供應(yīng)單元40設(shè)置在內(nèi)室12和舟皿30之間，并且沿著在高度方向上裝載的多個晶片(W)在該高度方向上豎直地延伸，從而通過注入噴嘴41將反應(yīng)氣體(G)供應(yīng)到反應(yīng)室10的內(nèi)部?？梢詫⒍鄠€氣體供應(yīng)單元40設(shè)置成在舟皿30的周邊周圍彼此分隔開，使得可以在所有沿著高度方向裝載的多個晶片(W)上均勻地生長薄膜。具體地講，每個氣體供應(yīng)單元40單獨連接到控制并獨立地調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體(G)的供應(yīng)量的流量計(未示出)。反應(yīng)室10內(nèi)的反應(yīng)氣體(G)在反應(yīng)后通過排氣部50排出。在本申請的示例中，利用MOCVD裝置來形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。參照圖2，首先，在間歇式MOCVD裝置的反應(yīng)室10內(nèi)設(shè)置用來形成薄膜的晶片，并且通過加熱單元20來加熱反應(yīng)室10的內(nèi)部，以使晶片(W)預(yù)退火(SI)。這里，在范圍為200°C至600°C的溫度下執(zhí)行預(yù)退火達(dá)10分鐘至60分鐘。接著，通過氣體供應(yīng)單元40的注入噴嘴41將Zn前驅(qū)體、氧化劑和第III族元素的前驅(qū)體與諸如氮(N2)或氬(Ar)的載氣一起注入到反應(yīng)室10中，以在晶片(W)上生長氧化鋅基薄膜。該工藝步驟作為摻雜操作(S2)是已知的。這里，可以使用二乙基鋅(DEZn)或二甲基鋅(DMZn)等作為鋅前驅(qū)體，可以使用三乙基鎵(TEGa)或三甲基鎵(TMGa)等作為第III族元素前驅(qū)體。工藝壓力為2托至300托，并且可以在范圍為400°C至530°C的溫度下執(zhí)行該工藝達(dá)10分鐘至20分鐘。然后，通過氣體供應(yīng)單元40的注入噴嘴41將鋅(Zn)前驅(qū)體和氧化劑與諸如氮(N2)或IS (Ar)的載氣一起持續(xù)地注入到反應(yīng)室10內(nèi)，將第III族元素前驅(qū)體供應(yīng)到反應(yīng)室10限定在2分鐘至20分鐘。也就是說，不包括第III族元素前驅(qū)體僅將鋅(Zn)前驅(qū)體和氧化劑注入到反應(yīng)室中來生長氧化鋅基薄膜。該工藝步驟作為不摻雜操作(S3)是已知的。重復(fù)地執(zhí)行摻雜操作(S2)和不摻雜操作(S3)三次至七次，直到氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜形成為具有期望的厚度時為止。然后，為了在特定的時間內(nèi)使反應(yīng)室10內(nèi)的溫度升高，在穩(wěn)定溫度步驟(S4)中，利用加熱單元20將反應(yīng)室10的內(nèi)部加熱10分鐘至120分鐘(S4)。然后，為了改善薄膜的自由電荷遷移率和自由電荷的密度特性，在范圍為200°C至600°C的溫度下執(zhí)行后退火達(dá)40分鐘至120分鐘(S5)。當(dāng)通過對薄膜周期性地?fù)诫s第III族元素來形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜時，薄膜的電特性得以增強(qiáng)。圖3是第III族元素的濃度相對于通過使用根據(jù)本申請示例的制造氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的方法形成的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的厚度的SIMS曲線圖。如圖3所示，根據(jù)透明導(dǎo)電薄膜的深度，Ga的濃度均勻地分布。也就是說，第III族元素均勻地分布在整個透明導(dǎo)電薄膜內(nèi)，而不是僅分布到透明導(dǎo)電薄膜的表面。當(dāng)?shù)贗II族元素均勻地分布在整個薄膜上時，薄膜的電阻降低并且薄膜的導(dǎo)電率增大，獲得了具有優(yōu)異的電特性的薄膜。也就是說，當(dāng)使用前述方法形成半導(dǎo)體發(fā)光裝置的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜時，可以將半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造成具有優(yōu)異的電特性。圖4是示意性示出了根據(jù)本申請示例的包括氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的示意性透視圖。參照圖4，根據(jù)本申請示例的包括氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的半導(dǎo)體發(fā)光裝置200為包括順序地堆疊在基底101的上部上的P型半導(dǎo)體層103、活性層104和η型半導(dǎo)體層105的垂直型發(fā)光裝置?？梢允褂糜摄~(Cu)或硅(Si)等制成的基底作為基底101。P型半導(dǎo)體層103是由GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物制成的ρ型材料層。優(yōu)選地，P型半導(dǎo)體層103是摻雜有P型導(dǎo)電雜質(zhì)的直接躍遷式半導(dǎo)體層，更優(yōu)選地，P型半導(dǎo)體層103是p-GaN層。除此之外，P型半導(dǎo)體層103可以是材料層，例如，在GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物中包含特定比例的鋁(Al)或銦(In)的AlGaN層或InGaN層。η型半導(dǎo)體層105是由GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物制成的η型材料層，優(yōu)選地，η型半導(dǎo)體層105是n-GaN層。除此之外，η型半導(dǎo)體層105可以是材料層，例如，在GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物中包含特定比例的鋁(Al)或銦(In)的AlGaN層或InGaN層?；钚詫?04是根據(jù)諸如電子-空穴復(fù)合等的載流子復(fù)合而發(fā)生光發(fā)射的材料層。優(yōu)選地，活性層104是由GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物制成的具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的材料層。在這些化合物中，活性層104優(yōu)選地為InxAlyGa^N(O彡χ彡1，0彡y彡1，x+y ^ D層。除此之處，活性層104可以是材料層，例如，在GaN系列的第II1-V族氮化物基化合物中包含特定比例的銦(In)的InGaN層。同時，P型半導(dǎo)體層103、活性層104和η型半導(dǎo)體層105不限于此，而是可以以不同的方式進(jìn)行構(gòu)造。ρ型電極102與ρ型半導(dǎo)體層103電接觸，η型電極106與η型半導(dǎo)體層105電接觸。也就是說，P型電極102設(shè)置在ρ型半導(dǎo)體層103和基底101之間并且與ρ型半導(dǎo)體層103接觸，而η型電極106設(shè)置在η型半導(dǎo)體層105上并且與η型半導(dǎo)體層105接觸。在活性層104中產(chǎn)生的光可以穿過η型半導(dǎo)體層105和η型電極106被順序地釋放(或發(fā)射)到外部。在這種情況下，η型電極106形成為使得光能夠穿過其透射到外部的透明電極，具體地講，η型電極106可以被構(gòu)造為氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。當(dāng)將透明電極形成為氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜時，可以制造出具有增強(qiáng)的電特性的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。另外，當(dāng)使用根據(jù)本申請示例的間歇式MOCVD裝置形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜時，可以一次性地在數(shù)十片晶片(W)上形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，從而允許批量生產(chǎn)而降低了單位成本。如上所述，根據(jù)本申請的示例，可以形成具有增強(qiáng)的電特性的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。另外，可以 利用間歇式MOCVD裝置來形成具有優(yōu)異的電特性且可用來批量生產(chǎn)的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。因此，可以制造出具有增強(qiáng)的電特性的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。雖然已經(jīng)在上文描述了被認(rèn)為是最佳模式和/或其它示例，但應(yīng)該理解，可以在此做出各種變型，可以以各種形式和示例實施在此公開的主題，并且可以將教導(dǎo)應(yīng)用在各種應(yīng)用中，在此僅描述了各種應(yīng)用中的一些應(yīng)用。權(quán)利要求書意圖保護(hù)任何和所有落在本教導(dǎo)的實質(zhì)范圍內(nèi)的應(yīng)用、變型和改變。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光裝置，所述半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有第III族元素被摻雜為沿厚度方向具有多個周期的波形的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。
2.一種制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，所述方法包括: 形成在基底上順序地堆疊有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、活性層和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)； 對基底執(zhí)行熱處理； 將鋅前驅(qū)體和氧化劑注入到反應(yīng)室中，以生長氧化鋅基薄膜； 在氧化鋅基薄膜生長的同時，將第III族元素前驅(qū)體周期性地注入到反應(yīng)室中以將第III族元素?fù)诫s在氧化鋅基薄膜中；以及 對所得的材料執(zhí)行熱處理。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在200°C至600°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行在生長氧化鋅基薄膜之前的熱處理達(dá)10分鐘至60分鐘。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，鋅前驅(qū)體包括二乙基鋅或二甲基鋅中的任何一種。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，用作第III族元素的前驅(qū)體包括三乙基鎵和三甲基鎵中的至少一種。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在2托至30托的范圍內(nèi)的大氣壓力下，在400°C至530 0C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行生長氧化鋅基薄膜的步驟。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在200°C至600°C的范圍內(nèi)的溫度下對所得的材料執(zhí)行熱處理達(dá)40分鐘至120分鐘。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在間歇式金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置中形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。
9.一種制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，所述方法包括: 形成在基底上順序地堆疊有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、活性層和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；以及 將鋅前驅(qū)體、氧化劑和第III族元素的前驅(qū)體注入到反應(yīng)室中以從發(fā)光結(jié)構(gòu)的至少一個表面生長氧化鋅基薄膜，然后不包括第III族元素的前驅(qū)體將鋅前驅(qū)體和氧化劑注入到反應(yīng)室中以生長氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜達(dá)2分鐘至20分鐘，重復(fù)地執(zhí)行上述工藝。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，鋅前驅(qū)體包括二乙基鋅或二甲基鋅。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，用作第III族元素的前驅(qū)體包括三乙基鎵和三甲基鎵中的至少一種。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在2托至30托的范圍內(nèi)的大氣壓力下，在400°C至530°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行生長氧化鋅基薄膜的步驟。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在間歇式金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置中形成氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光裝置及其制造方法，該半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有第III族元素被摻雜為沿厚度方向具有多個周期的波形的氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜。
文檔編號C23C16/40GK103078035SQ201210412020
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者李宗炫, 李正賢, 金起成, 尹皙胡, 金榮善 申請人:三星電子株式會社