CN100454587C - 发光装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光装置包括一个衬底(205)，该衬底具有一个延伸穿过第一和第二相对表面之间的接触插塞(240)。一个有源区域位于该第一表面上，第一电接触件位于该有源区域上，并且第二电接触件邻近该衬底的第二表面。该接触插塞将该第二电接触件耦合到该有源区域。这样的结构可以允许电接触件位于芯片的相对两侧上，这样可以增加在晶片上所能形成的装置的数量。
Description
相关申请
本申请要求对2003年4月30日提交的美国临时专利申请No.60/466,617的优先权权益，其整体内容在此引用以作为参考。
技术领域
本发明总体涉及微电子装置及其制作方法，尤其涉及发光装置及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED)被广泛用于用消费应用和商业应用中。如本领域技术人员所公知的那样，发光二极管通常包括位于微电子衬底上的二极管区域。所述微电子衬底可以包括例如砷化镓、磷化镓、它们的合金、碳化硅和/或蓝宝石。LED领域的持续发展已经导致可以覆盖可见光谱及其以外的高效的且机械坚固的光源。这些属性结合固态装置的潜在的长使用寿命，可以允许多种新显示器应用，并且可以将LED摆在与通常使用的白炽灯和荧光灯相竞争的位置。
现在参考图1，常规的GaN基LED 100包括蓝宝石(Al203)衬底105，该衬底分别具有第一和第二相对表面110a和110b，并且对于光辐射来说可以是至少部分地透明的。包括n型层115和p型层120的二极管区域布置在第二表面110b上，并且被配置成当在该二极管区域两端施加电压时(例如在欧姆接触件130和135上施加电压时)发射出光辐射。
包括n型层115和/或p型层125的该二极管区域可以包括基于氮化镓的半导体层，也包括其合金，诸如氮化铟镓和/或氮化铝铟镓。对于本领域技术人员来说，氮化镓层的制作是公知的，并且在例如美国专利No.6,177,688中描述了这种制作方法，其公开内容包含在此以作为参考。应当理解的是，例如包含氮化铝的缓冲层可以被提供在n型氮化镓层115和蓝宝石衬底105之间，如在美国专利No.5,393,993、5,523,589、6,177,688以及标题为“Vertical Geometry InGaN LightEmitting Diode(垂直几何形状的InGaN发光二极管)”的申请序列号No.09/154,363中所描述的那样，其公开内容包含在此以作为参考。n型氮化镓层115可以包括掺杂硅的氮化镓，而p型氮化镓层120可以包括掺杂镁的氮化镓。
在一些LED中，用于p型氮化镓层120的欧姆接触件135包括铂、镍和/或钛/金。在其它的LED中，可以使用包括例如铝和/或银的反射欧姆接触件。与n型氮化镓层115接触的欧姆接触件130可以包括铝和/或钛。形成与p型氮化镓和n型氮化镓接触的欧姆接触件的其它适当材料可被分别用于欧姆接触件135和130。例如在美国专利5,767,581中描述了与n型氮化镓层和p型氮化镓层接触的欧姆接触件的实例，其公开内容包含在此以作为参考。
遗憾的是，基于蓝宝石平台(即制作在蓝宝石晶片上)的LED装置典型地在芯片的同一侧上使用两个接触件(阳极和阴极)，诸如在图1中示出的二极管区域侧。这可能限制晶片上的芯片的总数量。另外，使用两个顶侧接触件可能对LED组装(即封装)造成影响，因为可能要制作两个焊线(wire bonds)。
发明内容
根据本发明的一些实施例，发光装置包括衬底，该衬底具有延伸穿过第一和第二相对表面的接触插塞。在第一表面上有一个有源区域，第一电接触件在该有源区域上，并且第二电接触件邻近衬底的第二表面。该接触插塞将第二电接触件耦合到该有源区域。有利的是，这种实施例可以允许电接触件位于芯片的相对两侧上，这样可以增加形成在晶片上的装置数量。
在特定的实施例中，可以将一个欧姆接触件层布置在第一表面和该有源区域之间，所述有源区域包括下述材料中的至少一种：TiN、铂、镍/金、氧化镍/金、氧化镍/铂、Ti以及钛/金。所述欧姆接触件层还可以具有大约10埃至大约100埃之间的厚度，并且可以是至少部分透明的。
在其它实施例中，所述衬底包括非导电的材料(诸如蓝宝石)，并且该接触插塞包括导电材料，诸如金、银、金合金和/或银合金。所述第一电接触件可以包括铂、镍和/或钛/金。所述第二电接触件可以包括铝和/或钛。
在其它实施例中，可以通过在第一衬底上形成有源区域而形成一个发光装置。还可以提供第二衬底，在所述第二衬底中，可以在第一和第二相对表面之间形成一个通孔。然后可以在所述通孔中形成一个接触插塞。来自第一衬底的有源区域可以被转移到第二衬底。有利的是，可以选择所述第二衬底(其可以被看成是“代用品”衬底)，以具有可以增强从发光装置结构中的光提取的特定材料属性。
附图说明
结合附图并参考下面对特定实施例的详细描述，本发明的其它特点将更加容易理解，其中：
图1示出了一个常规GaN基发光二极管(LED)的横截面视图；
图2A-2H示出根据本发明各个实施例的发光装置及其形成方法的横截面视图；以及
图3-5示出根据本发明一些实施例的用于制作发光装置的示例性操作的流程图。
具体实施方式
虽然本发明适用于各种实施例和替换形式，但在附图中通过实例示出了特定的实施例，并且下面将进行详细说明。然而，应当理解的是，这样做并不是要将本发明局限在所公开的特定形式，相反，本发明意图在于覆盖由权利要求书限定的落入本发明精神和范围之内的所有变型、等效表述以及替换方案。在对附图的描述中，相同的附图标记指的是相同的元件。在附图中，为了清楚起见，各层和区域的尺寸被放大。在这里所描述的每个实施例还包括它的互补导电类型的实施例。
应当理解的是，当诸如层、区域或者衬底的元件被称作是在另一元件“上”时，所述元件可以直接位于其它元件上或者可以存在插入元件。应当理解的是，如果一个元件(诸如表面)的一部分被称作是“内部”时，则该元件部分比元件的其它部分更加远离装置的外部。另外，在这里可以使用相对术语(诸如“在…下面”或者“在…上面”)来描述图中所示的一层或者区域与另一层或者区域相对于衬底或者基层的关系。应当理解的是，这些术语意图在于包括在图中所示定向之外的装置的不同定向。最后，术语“直接”意味着不存在插入元件。如在这里所使用的那样，术语“和/或”包括一个或者多个相关的所列项目的任意以及所有组合。
应当理解的是，尽管术语第一、第二等在这里可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分并不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或者部分与另一区域、层或者部分区分开。这样，在不背离本发明教导的情况下，下面所讨论的第一区域、层或者部分可以被称为是第二区域、层或者部分，反之亦然。
下面将通常参考位于非导电衬底(诸如蓝宝石(Al203)基衬底)上的GaN基发光二极管(LED)来描述本发明的实施例。然而，本发明并不局限于这样的结构。本发明的实施例可以使用其它的衬底，包括导电衬底。因此，可以包括以下的组合：GaP衬底上的AlGaInP二极管，SiC衬底上的GaN二极管，SiC衬底上的SiC二极管，蓝宝石衬底上的SiC二极管，和/或氮化镓、碳化硅、氮化铝、氧化锌和/或其它衬底上的氮化物基二极管。此外，本发明并不限于将二极管区域用作有源区域。根据本发明的某些实施例，也可以使用其它类型的有源区域。
在本发明的实施例中可以使用的发光装置的实例包括(但不限于)如在下面美国专利中所描述的装置：美国专利号No.6,201,262、6,187,606、6,120,600、5,912,477、5,739,554、5,631,190、5,604,135、5,523,589、5,416,342、5,393,993、5,338,944、5,210,051、5,027,168、5,027,168、4,966,862和/或4,918,497，它们的公开内容包含在此以作为参考。其它适合的LED和/或激光器在2002年5月7日提交的标题为“GROUP III NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODESTRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE，GROUP III NITRIDE BASED QUANTUM WELL STRUCTURESAND GROUP III NITRIDE BASED SUPERLATTICESTRUCTURES”的美国专利申请序列号No.10/140,796和2002年1月25日提交的标题为“LIGHT EMITTING DIODES INCLUDINGSUBSTRATE MODIFICATIONS FOR LIGHT EXTRACTION ANDMANUFACTURING METHODS THEREFOR”的美国专利申请序列号No.10/057,821中已经进行了描述，它们的公开内容全部包含在此以作为参考。另外，诸如在2003年9月9日提交的标题为“PHOSPHOR-COATED LIGHT EMITTING DIODES INCLUDINGTAPERED SIDEWALLS，AND FABRICATION METHODSTHEREFOR”的美国专利申请序列号No.10/659,241中已经描述了涂覆磷的LED，它的内容包含在此以作为参考，所述涂覆磷的LED也可用于本发明的实施例中。
LED和/或激光器可以被配置成以“倒装芯片”结构操作，以便通过衬底产生光发射。在这种实施例中，可以摹制所述衬底以便增强所述装置的光输出，正如在2002年1月25日提交的标题为“LIGHTEMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONSFOR LIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODSTHEREFOR”的美国专利申请序列号No.10/057,821中已经描述的那样，它的内容包含在此以作为参考。
现在参考图2A-2H，其中将描述根据本发明一些实施例的发光装置及其制作方法。如在图2A中所示，提供了一个诸如蓝宝石衬底的衬底205。蓝宝石衬底通常是非导电的，然而，如上所述，根据本发明的其它实施例，还可以使用导电衬底。所述衬底205具有第一表面210a和第二表面210b，并且对于光辐射来说可以至少是部分透明的。可选地在第一表面210a上形成一个欧姆接触件层220。根据本发明的各个实施例，所述欧姆接触件层220可以包括TiN、铂、镍/金、氧化镍/金、氧化镍/铂、Ti、钛/金和/或它们的合金。根据本发明的一些实施例，该欧姆接触件层220可以具有大约10埃至大约100埃之间的厚度，并且对于光辐射来说可以至少是部分透明的。
现在参考图2B和2C，可以在欧姆接触件层220上外延地生成一个有源区域(诸如包括n型层225和p型层230的二极管区域)。包括n型层225和/或p型层230的该二极管区域可以包括氮化镓基的半导体层及其合金，诸如氮化铟镓和/或氮化铝铟镓。例如在上面所引用的美国专利6,177,688中描述了氮化镓层的制作。例如，可以在n型氮化镓层225和衬底205之间提供包括氮化铝的一个或多个缓冲层，如上面所引用的美国专利5,393,993、5,523,589、6,177,688和标题为“Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode”的申请序列号No.09/154,363中所描述的那样。所述n型氮化镓层225可以包括掺杂硅的氮化镓，而所述p型氮化镓层230可以包括掺杂镁的氮化镓。
现在参考图2D，如图所示，在二极管区域上形成第一电接触件235。用于p型氮化镓层230的第一电接触件235可以包括铂、镍、钛/金和/或它们的合金。在其它的实施例中，可以使用包括例如铝和/或银的反射电接触件。形成与p型氮化镓接触的欧姆接触件的其它适当材料也可以用于第一电接触件235。形成与p型氮化镓层接触的欧姆接触件的实例已经在例如上面引用的美国专利5,767,581中公开了。
现在参考图2E，其中分别在第一和第二表面210a和210b之间的衬底205中形成通孔。在一些实施例中，所述通孔可以通过使用欧姆接触件层220作为蚀刻阻挡层对衬底205进行蚀刻而形成。根据本发明的不同实施例，可以使用各种蚀刻技术，其中包括(但不限于)湿法蚀刻、干法蚀刻以及微加工。在本发明的特定实施例中，可以与第一电接触件235基本对准地形成通孔，以降低由于“遮蔽(shading)”而造成的光损耗。在其它实施例中，可以将通孔制作成使得所述通孔和第一电接触件235相互偏移。所述偏移结构可以用于降低基于氮化镓的层225和230上的应力。
现在参考图2F，根据本发明的一些实施例，通过例如使用导电材料(诸如金、银、金合金和/或银合金)对通孔进行电镀而在所述通孔中形成接触插塞240。
现在参考图2G，邻近于第二表面210b形成第二电接触件245，以使得该接触插塞240将第二电接触件235耦合到欧姆接触件层220。有利的是，由于欧姆接触件层220跨过一个相对宽的表面区域接触n型氮化镓层225，所以可以提供改进的电流扩散(current spreading)。用于n型氮化镓层225的第二电接触件245可以包括铝、钛和/或它们的合金。形成与n型氮化镓接触的欧姆接触件的其它适当材料也可以用于第二电接触件245。与n型氮化镓层接触的欧姆接触件的实例已经在上面引用的美国专利5,767,581中进行了描述。图2H示出了颠倒的图2G的结构，其中在衬底205的顶部具有该二极管区域。
尽管上面就非导电衬底实施例进行了描述，但是根据本发明的其它实施例也可以使用导电衬底(诸如SiC衬底)。在这样的实施例中，可以使用高电阻率的SiC衬底来降低寄生(自由载流子)吸收。另外，通过降低n型SiC衬底和n型GaN层之间的异质势垒，可以降低正向偏置的二极管偏移电压。
根据本发明的一些实施例，将参考图3-5中的流程图来描述用于形成发光装置的示例性操作。现在参考图3，操作从块300开始，其中提供了第一衬底。参考图2B和2C，如上所述，在块305处，在第一衬底的一个表面上形成一个二极管区域。如上面参考图2D所述的那样，随后在块310处，在该二极管区域上形成一个电接触件。
现在参考图4，在块400开始进行可以与图3中的操作并行执行的附加操作，在所述块400中提供第二衬底。如上面参考图2A所述的那样，可以在第二衬底上形成一个欧姆接触件/蚀刻阻挡层。如上面参考图2E所述的那样，例如使用该欧姆接触件层作为蚀刻阻挡层，在块410处，在第二衬底中形成一个通孔。在块415处，如上面参考图2F所述的那样，使用导电材料填充所述通孔，以形成一个接触插塞。如上面参考图2G所述的那样，随后在块420处可以在该接触插塞上形成一个电接触件。
现在参考图5，将该二极管区域和布置在其上的该电接触件从第一衬底转移到第二衬底，以便在块500处将该二极管区域布置在该欧姆接触件层上。有利的是，可以选择第二衬底(其可以被看成是“代用品”衬底)以具有特定的材料属性，所述材料属性可以增强从该发光装置结构中的光提取。
上面已经描述了本发明的各实施例，其中将一个二极管示为有源区域的一个实例。然而，应当理解的是，根据本发明的一些实施例，有源区域可以包括(但不限于)量子阱、异质结、同质结、多个层以及它们的组合等等。例如，层225和230可以按照上面引用的专利和/或申请所描述的情况来实现。此外，根据本发明的其它实施例，可以在发光装置中合并例如晶格应变层的附加层。
总而言之，应当注意的是，在基本上不背离本发明原理的情况下可以对各优选实施例进行许多改变和修改。所有的这些改变和修改都包括在本发明的范围之内。
Claims (25)
1.一种发光装置，包括：
一个衬底，该衬底具有一个在第一和第二相对表面之间延伸通过的接触插塞；
位于该第一相对表面上的一个有源区域；
位于该有源区域上的第一电接触件；以及
邻近该第二相对表面的第二电接触件，该接触插塞将该第二电接触件耦合到该有源区域，
其中，所述第一和第二电接触件是互相偏移的。
2.根据权利要求1的发光装置，还包括：
在该第一相对表面和该有源区域之间的一个欧姆接触件层。
3.根据权利要求2的发光装置，其中该欧姆接触件层包括下列各项的至少其中之一：TiN、铂、镍/金、氧化镍/金、氧化镍/铂、Ti以及钛/金。
4.根据权利要求2的发光装置，其中该欧姆接触件层具有大约10埃至大约100埃之间的厚度。
5.根据权利要求1的发光装置，其中所述衬底包括蓝宝石。
6.根据权利要求1的发光装置，其中所述接触插塞包括金、银、金合金和/或银合金。
7.根据权利要求1的发光装置，其中所述有源区域包括：
位于该第一相对表面上的一个n型层；以及
位于该n型层上的一个p型层。
8.根据权利要求7的发光装置，其中所述第一电接触件包括铂、镍和钛/金中的至少其中之一。
9.根据权利要求7的发光装置，其中所述第二电接触件包括铝和钛的至少其中之一。
10.根据权利要求7的发光装置，其中所述n型层包括GaN。
11.根据权利要求7的发光装置，其中所述p型层包括GaN。
12.根据权利要求1的发光装置，其中所述欧姆接触件层是至少部分透明的。
13.一种形成发光装置的方法，包括：
在一个具有第一和第二相对表面的衬底的第一相对表面上形成一个有源区域；
在该第一和第二相对表面之间、在该衬底中形成一个通孔；
在该通孔中形成一个接触插塞；
在该有源区域上形成第一电接触件，以及
在邻近该第二相对表面处形成第二电接触件，该第二电接触件通过该接触插塞耦合到该有源区域，
其中，所述通孔和第一电接触件是互相偏移的。
14.根据权利要求13的方法，还包括：
在所述第一相对表面和有源区域之间形成一个欧姆接触件层。
15.根据权利要求13的方法，其中形成该有源区域包括：
在该第一相对表面上形成一个n型层；以及
在该n型层上形成一个p型层。
16.根据权利要求13的方法，其中形成该通孔包括：
使用该欧姆接触件层作为蚀刻阻挡来蚀刻该衬底。
17.根据权利要求16的方法，其中使用下列蚀刻技术中的至少一种技术来对该衬底进行蚀刻：湿法蚀刻、干法蚀刻。
18.根据权利要求13的方法，其中形成该接触插塞包括：
使用金、银、金合金和/或银合金来电镀该通孔。
19.一种形成发光装置的方法，包括：
在第一衬底上形成一个有源区域；
在第二衬底中的第一和第二相对表面之间形成一个通孔；
在该通孔中形成一个接触插塞；以及
将该有源区域从该第一衬底转移到该第二衬底，以便将其布置在该第一相对表面上。
20.根据权利要求19的方法，其中形成该有源区域包括：
在该第一衬底上形成一个n型层；以及
在该n型层上形成一个p型层。
21.根据权利要求19的方法，还包括：
在该第一相对表面和该有源区域之间形成一个欧姆接触件层。
22.根据权利要求21的方法，其中形成该通孔包括：
使用该欧姆接触件层作为蚀刻阻挡来蚀刻该第二衬底。
23.根据权利要求22的方法，其中使用下列蚀刻技术中的至少一种技术来对该第二衬底进行蚀刻：湿法蚀刻、干法蚀刻。
24.根据权利要求19的方法，其中形成该接触插塞包括：
使用金、银、金合金和/或银合金来电镀该通孔。
25.根据权利要求19的方法，还包括：
在该有源区域上形成第一电接触件；以及
在该第二相对表面处形成耦合到该接触插塞的第二电接触件。
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