透明的整流的金属-金属氧化物-半导体接触结构及其制造方法和用途

摘要

本发明涉及透明的整流接触结构，以用在电子构件中，尤其用在光电子技术、太阳能技术和传感技术中，以及涉及这种透明的整流接触结构的制造方法。依据本发明的透明的整流接触结构具有下列组成部分：a)透明半导体；b)由金属氧化物、金属硫化物、和/或金属氮化物所制成的、透明的、非绝缘而且非导通的层，这些层的电阻率优选处在10

说明书

技术领域

提出了如下的接触结构，该接触结构优选被实施为透明的层系统， 并且具有整流特性。此外，示出了用于完成这种接触结构的方法，以 及给出了针对这种接触结构用途的可行性方案。在此，该接触结构至 少由优选为透明的半导体、透明的金属氧化物以及透明的电导体构成。

背景技术

由现有技术公知的是具有绝缘特性或者导通特性的多层接触结 构。在此，对于绝缘的接触结构的情况，实现了由硅工业中所公知的 金属-绝缘体-半导体结(MIS)或者特别是为：金属-氧化物-半导体结 (MOS)。将这些半导体结应用于制造MIS二极管(例如用于检测电 磁辐射)和MOS场效应晶体管(MOSFET)。

在能导通的接触的领域中，一方面存在由透明的能欧姆导通的氧 化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)制成的欧姆接触，并且另一 方面存在非透明的金属接触(欧姆式或者整流式)。

DE 199 51 207 A1描述了用于检测电磁辐射的半导体构件。特别 是应当对UV辐射加以测量，而所述测量不应由于可见光而发生失真。 出于该原因，使用了在可见波长范围内透明的层构造。在玻璃衬底上 布置有由透明金属导通的氧化物(TCO)或金属所制成的接触层，所 述氧化物这里是指经氟掺杂的氧化锌。在其上跟随的是金属氧化物-化 合物半导体的层，在该金属氧化物-化合物半导体的层中，应该吸收了 射入的UV辐射。作为最上面的层跟随的是金属层，该金属层与处在其 下的半导体层一起构成肖特基接触。在此，该金属层应该是最大为20nm 厚，以便保证其透明度。20％-30％的UV辐射穿过该金属层射入。

US 7,341,932 B2公开了具有肖特基势垒的二极管的构造，该二极 管应该适用于在遮蔽了可见光的情况下，检测UV辐射(波长＜200nm)。 该肖特基势垒构造在在从Pt层至经n^-掺杂的GaN的结处的边界层上。 二极管的有源区实现了从0.25cm²至1cm²的规格。

US 7,285,857 B2公开了用于太阳能电池的、透明的、能欧姆导通 的电极的构造。在此，该太阳能电池由GaN制成。给该电极构造设置 有由基于Zn的材料所制成的透明结构，其具有由很薄地施加的金属或 者透明的能导通的氧化物所制成的遮盖层。

WO 2008/143526 A1描述了整流和欧姆接触，该接触具有在氧化 锌衬底上的金属氧化物或者金属。产生了整流接触，方式为：将能导 通的层施加在氧化锌上并且在这些层之间构造有整流边界层。该机构 相应于由金属半导体涂层所已知的肖特基接触。但是所公开的接触结 构是不透明的。

在WO 01/15241 A1中介绍了对于UV射束的传感器。在此，在衬 底上布置有光学吸收层，在该光学吸收层上，借助另外的层来构造肖 特基接触。该肖特基接触被以能导通的氧化物(ITO)的层来遮盖。此 外，该传感器具有与肖特基接触分开布置的两个欧姆接触。作为透明 的半导体使用了金属氮化物(GaN)。

US 2007/0206651 A1的主题是如下的发光二极管，所述发光二级 管在衬底上具有在两个边界层之间的有源层，其中，在上边界层上布 置有由氮化铟镓制成的接触结构，该接触结构的能带隙按层地减小， 并且在该接触结构的上侧是最小的，在上侧处，该接触结构由透明的 电极所遮盖。因为US 2007/0206651 A1描述了如下的(发光二极管) LED，其必需地为由p型导通的半导体和n型导通的半导体层所构成的 层结构。因此，在该双极的构件中，整流通过p-n结发生，而不是通过 在金属氧化物与半导体的边界层处的整流而发生。

发明内容

由此，提出如下任务，即：找到所述结构以及用于制造透明的整 流接触结构的方法。此外，应该指出用于该透明的整流层结构的应用。

此外，“透明”被理解为：穿过层系统的光通过率为在所观测的 光谱范围内的所入射的光通量的至少50％、优选75％或者更多。该所 观测的光谱范围优选包括处在380-780nm波长范围内的可见光。

依据本发明，所述任务相应于权利要求1地得到解决。透明的整 流接触结构在传感技术的应用中的用途是独立权利要求3的主题。用 于制造透明的整流接触结构的方法在独立权利要求12中公开。用于应 用透明的整流接触结构的可行性方案在独立权利要求17中公开。有利 的实施方式在所引的从属权利要求中有所说明。

对于半导体或者金属氧化物的透明度而言，决定因素是：将导带 和价带分隔的能带隙，或与吸收系数相联系的层厚度。因此，为了制 造同样在可见光范围内时透明的半导体，使用了氮化镓、氧化锌和另 外的氮化物和/或氧化物。这里提及的尤其是铟锡氧化物(Indium Tin  Oxide，ITO)、氟锌氧化物(Fluor Tin Oxide，FTO)、铝锡氧化物 (Aluminium Zinc Oxide，AZO)和锑锡氧化物(Antimony Tin Oxide， ATO)。

本发明公开了一种整流接触结构，该接触结构优选是透明的，并 且按以下述顺序具有：

a)半导体，其优选为透明的，并且优选构造为半导体层；

b)透明金属氧化物、透明金属氮化物或者透明金属硫化物的层；

c)透明电导体的层。

组成部分a)至c)共同形成层系统，将该层系统优选以如下方式 构造，即，层c)不与半导体a)发生接触。

为了保证层系统的透明度，有利地使用了具有大能带隙的半导体 a)-例如ZnO、GaN或其他透明的半导体，如金刚石、AlN、ZnMgO、 CuAlO₂、AlInN、ZnS、ZnSe、AlGaN、ZnCdO、Ga₂O₃、In₂O₃或InGaN。 也可以使用有机半导体。当可以不要求在整个可见光光谱范围 (380-780nm)内的透明度时-例如对于在红外的光谱范围内的应用， 则另外的半导体-如例如Si、Ge、GaAs、InP、GaP等也是可行的。

可以将半导体构造为块体材料(Volumenmaterial)、薄层或者纳 米结构。

将金属氧化物层b)施加到半导体a)上。为了保证金属氧化物层 的透明度，该金属氧化物层必须是足够薄的。但是这样薄的金属氧化 物层具有很小的横向导通能力。为了实现对载流子的均匀注入和/或在 接触结构的平面之上相同的电压，因而将透明的能导电的层施加在金 属氧化物层上。该透明的电导体优选形成层系统的最上面的层。作为 材料在此使用的是很薄的而且进而同样透明的金属，或者应用了具备 高导通能力的透明氧化物(例如AZO、ITO、FTO、ATO等)。

在所提及的组合中，层系统对于特定应用的光谱范围而言是透明 的，并且同时具有高整流性。所述高整流性通过非绝缘和非导通的金 属氧化物的应用得以实现(该金属氧化物的电阻率处在导通材料与非 导通材料之间)，该金属氧化物相对于通常所应用的纯金属具有较高 的逸出功。

优选将所提及的组成部分-

a)透明半导体；

b)透明金属氧化物、透明金属氮化物或者透明金属硫化物；以及

c)透明电导体

中的至少一个在其那方面又由层构造而成。

半导体a)优选是经任意掺杂的，与另外的元素或者化合物相混合 的，或者合金化的。

优选将半导体(组成部分a))施加在衬底上，并且将接触结构由 此出发继续构造。备选地，半导体是块体材料并且本身形成用于其他 层构造的衬底。该衬底可以有利地本身为透明的和/或柔性的。柔性衬 底的曲率半径达到优选大于2cm、进一步优选0.5cm和特别优选1mm 或者更少。作为用于衬底的适当的材料使用例如有塑料、玻璃、蓝宝 石、硅、SiO₂、ZnO、GaN。

将半导体a)有利地同样构造为异质结构。于是，可行的是，半导 体由不同材料的薄层的序列来构成，这些层必要时周期性地重复。在 此，有利地也将不同的半导体用在所述层序列中。半导体中的载流子 密度优选处在10¹²至10¹⁹cm^-3的范围内并且优选在10¹⁴至10¹⁸cm^-3的范 围内。

层b)的材料有利地具有高逸出功。因此可以使用例如Ag、Pt、 Ir、Cu、Pd、Cr、Ni及其他金属的氧化物、氮化物和硫化物。优选将 金属氧化物通过金属氮化物或者金属硫化物来代替。为了保证透明度， 层b)优选薄于30nm、特别优选薄于20nm并且此外优选薄于10nm。 层b)的材料是非绝缘的。如果将金属氧化物、金属氮化物或金属硫化 物与适当的材料混合或者以适当的材料掺杂，则层b)的导通能力得到 改善。层b)的电阻率优选处在10²Ωcm至10⁷Ωcm的范围内。层b) 的材料由此也是非导通的，而是层b)的材料的电阻率处在导通材料与 绝缘材料之间的范围内。

由不同的金属氧化物、金属氮化物或金属硫化物所制成的涂层也 是可行的。金属氧化物、金属氮化物或者金属硫化物优选包含比通过 化学计量比例所预先给定的情况更多的金属原子。

透明的电导体的层(层c)有利地具有薄的透明的金属的层(例如 Au、Ag、Pt)或者适当的透明的能导通的氧化物(TCO：例如ITO、 FTO、AZO和ATO)。透明的电导体的层优选形成接触结构的最上面 的层。层c)优选是化学稳定的。如果透明的电导体的层是金属的话， 那么该层是足够薄的，以便透明。最大厚度20nm被证明是有利的，其 中，该厚度取决于所使用的金属。层c)的电阻率处在10^-4Ωcm至 10^-5Ωcm的范围内并且进一步优选在1Ωcm至10^-6Ωcm的范围内。

透明金属层可以是经掺杂的和/或包含材料混合物和/或由多个层 构成。当透明的电导体具有能导通的金属氧化物(TCO)时，那么该 金属氧化物可以包含比通过化学计量比例所预先给定的情况更多的金 属原子。有利的是，透明的电导体的层也可以具有能导通的有机材料， 例如PEDOT:pss-(聚(3，4-乙撑二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐))。层c) 有利地不完全地遮盖层b)，以便避免在层c)与半导体a)之间的边 缘电流。层c)优选90％至小于100％地、进一步优选95％至98％地遮 盖层b)。

优选的是，在透明的层c)上施加有遮盖层来作为附加层。有利的 是，对光进入到透明的整流接触结构中的过程加以改善，方式为：遮 盖层具有抗反射特性，该抗反射特性使光进入到层系统中的过程变得 容易。该遮盖层具有至少3nm的厚度。遮盖层有利地不仅遮盖透明的 接触结构而且可以遮盖于整个构件之上，在该整个构件中构造透明的 接触结构，或者该遮盖层可以在透明接触结构所归属的半导体结构的 区域之上延伸，其中，可以排除可能的连接部和键合接触。遮盖层可 以在其那方面又为经掺杂的和/或包含材料混合物，经合金化的和/或是 多层的。遮盖层有利地不仅在透明的接触结构的上侧上延伸，而且在 该透明的接触结构的侧面上延伸，从而该遮盖层同样对处在其下面的 多个层的边缘和/或透明的整流接触结构所归属的构件的区域加以遮 盖。遮盖层呈钝态地起作用并且进而是不导电的(绝缘体)。遮盖层 的电阻率优选处在至少10¹⁰Ωcm和特别优选处在大约10¹²Ωcm及更高。 有利的是应用如HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiO_x、Si₃N₄的电介质和其他电 介质。但是也适合的是：例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或者环氧 树脂的有机遮盖层；或者该有机遮盖层与电介质的掺和物。遮盖层优 选同样在化学上呈钝态地起作用，从而该遮盖层防止处在下面的层发 生化学变化。为了制造这样的遮盖层，使用了已有的沉积方法，如： 阴极雾化(溅射)、旋涂、浸涂、原子层沉积(ALD)、脉冲式激光 沉积(PLD)和另外的沉积方法。当遮盖层用在例如晶体管结构构造于 其中的构件中时，该遮盖层一方面减少了尤其沿源极与漏极之间的构 件表面的泄露电流。另一方面，当用在透明的接触结构中的情况下， 对沿透明的金属层与处在下面的半导体之间的金属氧化物层的边缘的 电流加以抑制。这减少了off-电流(在构件的已关断状态中还流动的电 流)进而减少了在off-状态(关断状态)下构件的功率输入。此外，off- 电流的减少提高了构件的动力(Dynamik)(在on-电流与off-电流之 间的关系，on-状态是已接通的状态，on-电流是在已接通的状态中的电 流)。

为了制造透明的整流接触结构，将半导体晶体或者半导体层优选 适当地进行掺杂。为了具有在可见区域中的光透过性的透明接触结构， 作为半导体尤其考虑的是带有适当的掺杂物(例如Al)的ZnO。将半 导体随后借助已知的方法(例如湿法蚀刻或者干法蚀刻)进行结构化， 或者使适当的结构在半导体表面或者衬底的表面上生长，并且接下来 对其进行掺杂。必要时，使半导体再例如借助等离子进行清洁。将由 金属氧化物、金属硫化物或者金属氮化物所制成的层b)施加到半导体 a)的相应的结构上。这例如通过反应式或者非反应式的溅射(DC(直 流)、AC(交流)、磁控管(Magnetron))、脉冲式激光沉积(PLD)、 分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD/PECVD (等离子辅助化学气相沉积))、金属有机气相外延(MOVPE)或者 相应的由现有技术的方法来进行。有利的是，附加地施加金属层，并 且将该金属层有针对性地进行氧化。优选的是，层b)由一种或者不同 的金属氧化物、金属硫化物或者金属氮化物的多层，通过将各层依次 施加/彼此跟随地施加来制造。层b)优选概括结构(strukturübergreifend) 地构造，并且接下来进行结构化或者通过在所希望的结构上的生长来 制造。必要时，对层b)的材料进行适当的后处理；例如通过继续氧化 或者加热。

将透明的电导体作为层c)施加到层b)上。层c)可以在其那方 面，还由同类的或者不同的透明电导体的多个层构成。透明的电导体 通过适当的金属(例如Pt、Au)和/或透明的金属氧化物和/或有机导体 来形成。为了获得透明度，必须将这些金属层相应薄地构造。为了构 造多个金属层，使用了由现有技术所公知的方法。当透明电导体由透 明金属氧化物制成时，优选使用AZO、ITO、ATO或者FTO。透明电 导体的层同样贯穿结构地构造并且接下来进行结构化或者通过在所希 望的结构上的生长来制造。

同样地，对透明电导体的层进行适当的后加工，其中，该透明电 导体的层例如设有遮盖层和/或附加层。该遮盖层优选遮盖透明的整流 接触结构的上侧面，从而将层c)布置在层b)与附加的遮盖层之间。 该遮盖层可以具有抗反射的特性，和/或者可以在化学上呈钝态地起作 用和/或在电学上呈钝态地起作用。将该遮盖层有利地借助已知的方法 由非电导通的材料(例如HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiO_x、Si₃N₄等，但也 可以是有机材料-例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯或者环氧树脂)) 来制造。这些方法例如是：阴极雾化(溅射)、旋涂、浸涂、原子层 沉积(ALD)、脉冲式激光沉积(PLD)。

依据本发明的整流接触结构有利地用在电子构件中，电子构件如： 集成的开关回路、发光二极管和光电二极管、光电晶体管和类似的构 件。此外，将依据本发明的整流接触结构有利地用在来自光电子技术、 太阳能技术、传感技术、信号检测、信号和数据加工的应用中，以及 用在显示元件、显示器等的制造中。尤其地，将依据本发明的整流接 触结构用作UV-光电检测器是有利的。

具体实施方式

随后，本发明通过实施例得到详细阐释，但是这些实施例不被视 为是限定性的。

实施例

实施例1：在异质外延的ZnO薄膜上整流、透明的Au/Ag_xO-接触部

通过脉冲式激光沉积(PLD)在a-蓝宝石衬底上沉积有例如1微 米厚的氧化锌层。在未经表面预处理的情况下，通过对银在氩/氧气氛 中的反应性溅射来施加透明的Ag_xO点状接触部(厚度＜10nm)，这些 透明的Ag_xO点状接触部被以透明的金层(厚度＜5nm)来遮盖。

这些接触结构作为二极管起作用，并且可以用作整流器，以及可 以应用于检测电磁辐射(光电二极管)，或者用于检测所吸附的分子 (化学传感器)。

实施例2：在基于ZnO的、透明的MESFET(金属半导体场效应晶体管)(英文为metal semiconductor field effect transistor，MESFET)中的接触部

通过脉冲式激光沉积(PLD)，在a-蓝宝石衬底上沉积例如20nm 厚度的氧化锌层。由该层通过蚀刻加工台面。基于上面所提及的接触 部，通过反应性溅射银将透明的Ag_xO栅-接触部施加到台面(Mesa) 上。接下来，借助PLD将透明的、掺杂有铝的、具备高导通能力的氧 化锌作为遮盖层进行施加。将源级接触部和漏极接触部同样地通过对 透明的、掺杂有铝的、具备高导通能力的氧化锌的脉冲式激光沉积 (PLD)来制造。

基于这样的MESFET，可以制造全透明的集成电路(例如逆变器、 逻辑元件)。所述集成电路也可以例如用作透明的开关元件，以用于 在有源矩阵液晶显示元件或者OLED显示器中的像素控制。