CN101127383A - 半导体发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光装置，包括：半导体层，包括发光区域且在其表面上具有发射表面；绝缘层，布置在该半导体层的与该发射表面相反的表面上；第一金属层，沉积在该绝缘层的与布置该半导体层的表面相反的表面上；接触部分，埋设在部分该绝缘层中，该接触部分电连接该半导体层和该第一金属层；以及第二金属层，关于发射波长具有比该第一金属层高的反射率，该第二金属层布置在该第一金属层的与布置该绝缘层的表面相反的表面上，其中制成该第一金属层的金属比制成该第二金属层的金属具有更高的到所述绝缘层的粘合性。
Description
技术领域
本发明涉及具有ODR(全方位反射器)结构的半导体发光装置及其制造方法。
背景技术
近年来，存在对作为液晶显示器和投影仪的光源的半导体发光装置例如高功率发光二极管的需求。它们中的一种是具有ODR结构的发光二极管，ORD结构用于沿一个方向提取所发射的光(参考日本未审查专利申请公开No.S52-37783)。在ODR结构中，由SiO2(二氧化硅)等制成的绝缘层布置在具有发光区域的半导体层和由Au(金)、Ag(银)等制成的反射金属层之间，欧姆电极形成在部分绝缘层中，从而半导体层和反射金属层可以彼此电连接。在这种结构中，可以提高反射金属层的反射率，且可以有效地将内部产生的光提取到外部，因此可以形成高功率二极管。
然而，在具有这种ODR结构的半导体发光装置中，反射金属层会在通电等过程期间剥落，因此难以操控(handle)具有这种ODR结构的半导体发光装置。这是因为由Au，Ag等制成的具有高反射率的反射金属层具有低的与绝缘层的粘合性。
发明内容
为了降低具有ODR结构的半导体发光装置中的剥离倾向，需要提高反射金属层到绝缘层的粘合性；然而，对于其中反射金属层直接层压在绝缘层上的现有技术结构，难以仅提高其粘合性。因此，为了将绝缘层和反射金属层结合在一起，需要提供接合层(junction layer)。
作为使用接合金属层的技术，公开了一种技术，在制造具有与ODR结构不同的结构的半导体发光装置的步骤中，用在中间的金等制成的金属层将包括发光层部分的化合物半导体层、反射金属层和支承衬底结合到一起(参考日本未审查专利申请公开NO.2005-56956)。通常，化合物半导体层形成得具有非常薄的厚度，因此当移除用于生长的衬底时，随后的操控非常困难；然而，在该制造方法中，装置本身通过结合的金属层或支承衬底而被加固，移除用于生长的衬底之后的操控能力得到改善。
然而，上述半导体发光装置不具有ODR结构，且该半导体发光装置具有不包括绝缘层的层叠结构，因此在半导体发光装置中提供接合层的目的与具有ODR结构的装置中不同，后者中需要提高反射金属层到绝缘层的粘合性。因此，难以将使用接合金属层的上述层叠结构应用于具有ODR结构的半导体发光装置。
考虑到前述情况，期望提供一种半导体发光装置以及制造该半导体发光装置的方法，该半导体发光装置能提高具有高反射率的金属层到绝缘层的粘合性而不降低该金属层的反射率。
根据本发明的实施例，提供一种半导体发光装置，包括：半导体层，包括发光区域且在其表面上具有发射表面；绝缘层，布置在该半导体层的与该发射表面相反的表面上；第一金属层，沉积在该绝缘层的与布置该半导体层的表面相反的表面上；接触部分，埋设在该绝缘层的一部分中，该接触部分电连接该半导体层和该第一金属层；以及第二金属层，相关于发光波长具有比第一金属层高的反射率，该第二金属层布置在该第一金属层的与布置该绝缘层的表面相反的表面上，其中制成该第一金属层的金属比制成该第二金属层的金属具有更高的到该绝缘层的粘合性。
在半导体发光装置中，从半导体层中的发光区域发射的光从半导体层的表面发射，且发射到背面的光从第一金属层、合金区域和第二金属层被反射，且然后从半导体层的表面发射。通过第二金属层和绝缘层之间的第一金属层，第二金属层和绝缘层之间的粘合强度得到改善；然而，合金区域包括在第一金属层和第二金属层之间的界面中，因此即使在第一金属层布置于绝缘层和第二金属层之间的情况，第二金属层作为反射层的作用也未被显著妨碍。
根据本发明的实施例，提供一种制造半导体发光装置的方法，包括步骤：在生长衬底上形成包括发光区域的半导体层，且然后在该半导体层上形成绝缘层；在该绝缘层中形成接触孔，且然后通过用用于欧姆接触的金属填充该接触孔而形成接触部分；在该绝缘层上形成第一金属层；在该第一金属层上形成第二金属层，关于发光波长，该第二金属层比该第一金属层具有更高的反射率；以及在该第一金属层和该第二金属层之间的界面中形成合金区域，其中制成该第一金属层的金属比制成该第二金属层的金属具有更高的到该绝缘层的粘合性。
该第一金属层由比第二金属层的金属具有更高的到绝缘层的粘合性，且容易与第二金属层形成合金的金属制成，且更特别地，在第二金属层由Au(金)或Ag(银)制成的情况下，第一金属层由Al(铝)制成，且在400℃或更低的温度执行退火工艺，优选300℃-400℃，从而可以形成合金区域。
在根据本发明实施例的制造半导体发光装置的方法中，通过退火工艺在第一金属层和第二金属层之间的界面附近金属相互扩散，由此合金区域形成在第一金属层和第二金属层之间。因此，在基本保持反射层(第二金属层)中的反射效率的同时，改善了第二金属层到绝缘层的粘合性。
在根据本发明实施例的半导体发光装置中，在ODR结构中，由比制成第二金属层的金属具有更高的到绝缘层的粘合性且容易与第二金属层形成合金的金属制成的第一金属层布置在该绝缘层和作为反射层的该第二金属层之间，因此该反射层(该第二金属层)到该绝缘层的粘合性可以得到改善而不显著减小反射层的反射率。
此外，在根据本发明实施例的制造半导体发光装置的方法中，在绝缘层上形成第一金属层和第二金属层之后，合金区域通过退火工艺形成在第一金属层和第二金属层之间的界面中，因此可以有效地制造根据本发明实施例的半导体发光装置，其中在基本保持了反射层(第二金属层)的反射效率的同时，改善了第二金属层到绝缘层的粘合性。
将从下面的描述中更完整地显示本发明的其他和进一步的方面、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的红发光二极管的截面图；
图2是图1的局部放大图；
图3A、3B和3C是用于描述制造图1所示的发光二极管的步骤的示图；
图4A和4B是描述图3A、3B和3C之后的步骤的示图；
图5是表示根据本发明实施例的装置中发光波长和反射率之间的关系的曲线图；
图6是表示根据本发明实施例的装置中发光波长和反射率之间的关系的曲线图；
图7是表示根据比较例的装置中发光波长与反射率之间关系的曲线图；
图8是描述绝缘层的厚度范围的示图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述优选实施例。
图1示出根据本发明实施例的表面发射型红发光二极管1的截面图。发光二极管1包括半导体层25，且具有ODR结构，半导体层25中欧姆接触层12、第二金属层13、第一金属层14、绝缘层15、p型接触层16、p型包层(cladding layer)17、MQW(多量子阱)有源层18、n型包层19、以及n型接触层20以此顺序层叠在支承衬底11的表面上。换句话说，接触部分24埋设在p型接触层16和第一金属层14之间的绝缘层15的区域中，从而第一金属层14和p型接触层16彼此电连接(欧姆接触)。p侧电极22布置在支承衬底11的背面，n侧电极21布置在n型接触层20上。
支承衬底11由例如导电衬底制成，诸如板形GaAs(砷化镓)衬底或板形GaP(磷化镓)衬底。支承衬底11上的欧姆接触层12具有例如其中AuGe(金-锗)层、Ni(镍)层和Au层以此顺序层叠的结构，且AuGe层、Ni层和Au层的厚度分别为例如160nm、45nm和400nm。
在红发光区中第二金属层13由具有高反射率的金属制成，例如，Au、Ag等。例如，在使用Au的情况，第二金属层13的厚度优选为200nm-400nm(包括该值)，且更优选地约为300nm。
第一金属层14由比制成第二金属层13的金属具有更高的到绝缘层15的粘合性且容易在低温与第二金属层13形成合金的金属制成。作为满足这些条件的金属，在第二金属层13由Au或Ag制成的情况，例如Al(铝)被引用。在Al用作第一金属层14的情况，厚度优选为5nm-30nm(包括该值)，更优选地为10nm-20nm(包括该值)，且更优选地约为10nm。
绝缘层15由例如SiO2、SiN(氮化硅)等制成。绝缘层15的厚度优选为mλ1/(4n1)至mλ2/(4n2)(包括该值)，更优选地为mλ0/(4n0)(m是整数)。如图8所示，λ0是发光峰波长，λ1和λ2是显示发光强度与λ0中发光强度P0的1/10相等的波长。此外，n0、n1和n2是分别对应波长λ0、λ1和λ2的折射率。因为绝缘层15形成得具有这样的厚度，因此防止了绝缘层15中的光吸收，且进一步改善了光使用效率。此外，接触部分24由金属制成，例如能够产生p型接触层16(由AlGaInP基半导体制成)和第一金属层14(由Al制成)之间的欧姆接触的AuZn(金锌)。接触部分24的数量为任意数；然而，在改善反射率方面，接触部分24的总面积为绝缘层15的总面积的约10％或更少，且优选约4％。
如图2的放大视图所示，通过在稍后描述的退火步骤中使制成第二金属层13的金属(在该情况为Al)和制成第一金属层14的金属(在该情况为Au或Ag)相互扩散，在第二金属层13和第一金属层14之间的界面中形成合金区域27。
p型接触层16、p型包层17、MQW有源层18、n型包层19、以及n型接触层20由AlGaInP基半导体制成。AlGaInP基半导体是包括元素周期表的长形式(long form)中的3B族元素Al、Ga(镓)或In(铟)和5B族元素P(磷)的化合物半导体。n侧电极21和p侧电极22形成得具有例如包括AuGe层、Ni层和Au层的层叠结构。
接着，下面将描述制造具有这种结构的发光二极管1的方法的示例。
首先，如图3A所示，形成具有ODR结构的半导体层25。换句话说，通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法在GaAs制成的生长衬底26上生长AlGaInP基半导体层。此时，用于生长的材料的示例为三甲基铝(TMA)用于Al、三甲基镓(TMG)用于Ga、三甲基铟(TMIN)用于In、以及磷化氢(PH3)用于P，且作为受主杂质材料，例如使用二甲基锌(DMZn)。更具体地，n型接触层20、n型包层19、MQW有源层18、p型包层17、以及p型接触层16以此顺序生长在生长衬底26的表面上以形成半导体层25。
之后，通过例如p-CVD(等离子体增强化学气相沉积)或溅射，例如由SiO2制成的绝缘层15形成在所生长的p型接触层16上。然后，通过例如光刻和采用氢氟酸蚀刻剂的湿蚀刻在部分绝缘层15中形成具有约Ф10μm的接触孔之后，通过例如蒸镀或溅射用AuZn填充该孔而形成接触部分24。
接着，在具有例如10nm厚度的第一金属层14和具有例如300nm厚度的第二金属层13通过例如蒸镀或溅射沉积在绝缘层15的整个表面上之后，在例如400℃执行退火工艺。通过退火工艺，包含在第二金属层13和第一金属层14中的金属(Au和Al)相互扩散以形成合金区域27。该时的温度优选300℃到400℃。当温度低于300℃时，花费较长时间使Au和Al相互扩散，当温度高于400℃时，Au和Al之间的欧姆接触变差。
另一方面，如图3B所示，例如，AuGe层、Ni层和Au层以此顺序蒸镀在支承衬底11上以形成欧姆接触层12。
接着，如图3C所示，欧姆接触层12的金属表面和第二金属层13的表面被放在一起，且在例如约400℃的温度下加热它们时将其压合，且支承衬底11结合到生长衬底26上的半导体层25。之后，如图4A所示，通过抛光和化学蚀刻从半导体层25去除生长衬底26。最后，如图4B所示，AuGe层、Ni层和Au层通过例如蒸镀以此顺序形成在n型接触层20上以形成n侧电极21。同时，p侧电极22形成在支承衬底11上。最后，执行退火工艺以完成该装置。
在以此方式形成的根据该实施例的发光二极管1中，从MQW有源层18向上发射的光经由n侧电极21的缝(aperture)(发光开口)23发射；然而，向下发射的部分光穿过绝缘层15，且从第一金属层14和第二金属层13被反射，然后这部分光从缝23发射。
因此，在该实施例中，包括发光区域(MQW有源层18)的半导体层25、绝缘层15，由具有高的到绝缘层15的粘合性且容易在低温与第二金属层13形成合金的金属制成的第一金属层14、以及第二金属层13以此顺序层叠，且第二金属层13和第一金属层14通过在400℃或更低的低温退火工艺而相互扩散，从而在第二金属层13和第一金属层14之间形成合金区域27。此外，发光二极管1具有这样的结构，其中具有这样的ODR结构的第二金属层13和支承衬底11通过之间的欧姆接触层12结合在一起。
在该实施例中，第一金属层14设置在第二金属层13和绝缘层15之间，因此第二金属层13到绝缘层15的粘合强度提高。此外，元件本身通过粘合的支承衬底11加固，因此操控能力得到改善。因为通过使第二金属层13和第一金属层14中包含的金属相互扩散而形成合金区域27，第一金属层14设置在绝缘层15和第二金属层13之间，由此从半导体层25的MQW有源层18发射的光的反射效率不会大幅下降，第二金属层13作为反射层的功能不会被显著妨碍。
<例子>
这里，与仅使用反射层的情况相比，研究了在绝缘层15和反射层(第二金属层13)之间设置第一金属层14引起的反射率改变。更具体地，作为绝缘层，玻璃衬底被使用，且Al制成的金属层和Au制成的金属层顺序沉积在玻璃衬底上，光从玻璃衬底侧进入以测量反射率。图5和6示出该时发光波长与反射率之间的关系。
开始，图5的曲线图示出不层叠Al层(曲线图中用D表示)的情况和Al层厚度为10nm，Au层厚度为200nm(曲线图中用A表示)、300nm(曲线图中用B表示)和400nm(曲线图中用C表示)的情况的测量结果。层叠Al之后的退火工艺在400℃执行。在该情况下，630nm波长的区域中的反射率在不层叠Al时(即仅包括Au层时)为88％，当层叠10nm厚度的Al层时，反射率在Au层厚度为200nm的情况为84.99％，在Au层厚度为300nm的情况为86.91％，在Au层厚度为400nm的情况为87.43％。从该结果显见，即使Al薄膜设置在绝缘层(玻璃衬底)和Au薄膜之间以形成合金区域，该区域周围的反射率也几乎不下降。此外，Au层的厚度越大，反射率增加越多；然而，即使Au层的厚度设置为400nm或更大，也不期望反射率的大的增加，因此考虑到材料成本，适宜的厚度为200nm-400nm(包括该值)，且优选约300nm。
接着，图6的曲线图示出了Au层厚度为200nm，层叠的Al层厚度为5nm(曲线图中用A表示)、10nm(曲线图中用B表示)、20nm(曲线图中用C表示)和30nm(曲线图中用D表示)的情况下的测量结果。与上述情况一样，退火工艺在400℃进行。在该情况，630nm波长的区域中的反射率在Al层厚度为5nm的情况为86.72％，在厚度为10nm的情况为82.37％，在厚度为20nm的情况为77.59％，在厚度为30nm的情况为74.56％。从该结果显见，Al层厚度越薄，反射率降低越少。然而，当Al层厚度为5nm时，部分装置剥落，因此不能获得到绝缘体的充分粘合。因此Al层需要具有至少5nm或更大的厚度，且优选约10nm。
此外，图6还示出了层叠Al层之后不执行退火工艺的情况下发光波长与反射率之间的关系(曲线图中用E表示)。当采用10nm厚度的Al层和300nm厚度的Au层进行测量时，650nm波长的区域中的反射率是61.93％。因此，发现当层叠Al层之后不执行退火工艺时，Au和Al不相互扩散，因此没有形成合金区域，所以Al层干扰反射从而导致反射率大幅降低。
从上述结果显见，在其中Au制成的金属层和Al制成的金属层顺序沉积在玻璃衬底制成的绝缘层上的层叠结构的情况，当Al和Au的厚度分别设置为10nm和300nm，且在约400℃执行退火工艺时，Au层到玻璃衬底的粘合性得到改善，且减小了反射率下降。
<比较例>
作为具有高的到绝缘体例如SiO2的粘合性的金属，一般采用Ti(钛)。在Ti制成的金属薄膜和Au制成的金属薄膜顺序沉积在绝缘玻璃衬底上，且光从玻璃衬底侧进入的情况，测量反射率。在图6中示出了发光波长与反射率之间的关系。测量沉积10nm厚度的Ti和300nm厚度的Au之后在450℃进行退火工艺之前和之后的反射率。结果，到绝缘体的粘合性得到改善，所以装置不剥落。然而，630nm波长区域中的反射率在退火工艺之前是38.70％，在退火工艺之后是37.21％，因此反射率在该工艺之前和之后几乎不改变，保持较低。考虑到由于Ti具有高熔点，Ti和Au不通过低温退火工艺互相扩散，因此它们不形成合金。因此，选择Ti作为第一金属层14的金属不是优选的。
尽管参考实施例描述了本发明，但是本发明并不特别局限于该实施例，而是可以进行各种修改。例如，在实施例中，描述了发光二极管；然而，本发明可以应用到作为激光器的半导体光反射装置。此外，在实施例中，通过采用AlGaInP基化合物半导体发光装置作为例子描述了本发明；然而，本发明可以应用于任何其他化合物半导体发光装置，例如，采用AlInP基或GaInAs基材料的发光装置。
此外，在实施例中，使用了这样一种结构，其中支承衬底11结合到ODR结构的第二金属层13，ODR结构包括半导体层25、绝缘层15、第二金属层13、以及第一金属层14；然而，在本发明中，不是必须采用这种结构。例如，可以使用其中第二金属层13作为P侧电极的结构，或者其中p侧电极直接形成在第二金属层13上面的结构。另外，在实施例中，采用了其中环形n侧电极21形成在n型接触层20的表面上的结构；然而，n侧电极21可以具有其他任何形状，只要从内侧发射的光能被提取。
本领域技术人员应理解，根据设计需要和其他因素可以产生各种修改、组合、子组合和替代，只要他们在所附权利要求及其等价物的范围内。
本申请包括与2006年2月20日向日本专利局提交的日本专利申请JP2006-042071相关的主题，在此引入其全部内容作为参考。
Claims (13)
1.一种半导体发光装置，包括：
半导体层，包括发光区域且在其表面上具有发射表面；
绝缘层，布置在该半导体层的与该发射表面相反的表面上；
第一金属层，沉积在该绝缘层的与布置该半导体层的表面相反的表面上；
接触部分，埋设在部分该绝缘层中，该接触部分电连接该半导体层和该第一金属层；以及
第二金属层，关于发射波长具有比该第一金属层高的反射率，该第二金属层布置在该第一金属层的与布置该绝缘层的表面相反的表面上，
其中制成该第一金属层的金属比制成该第二金属层的金属具有更高的到所述绝缘层的粘合性。
2.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
该第二金属层包括在与该第一金属层的界面中的合金区域。
3.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
该绝缘层的厚度是mλ1/(4n1)到mλ2/(4n2)，包括端值，其中m是整数，λ1和λ2是表示发光区域中与发光峰波长λ0中的发光强度P0的1/10相等的发光强度的发光波长，λ1＜λ2，n1和n2分别是对应于波长λ1和λ2的折射率。
4.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
制成该第二金属层的金属是金Au或银Ag。
5.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
制成该第一金属层的金属是铝Al。
6.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
该第二金属层具有200nm或更大的厚度。
7.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
该第一金属层具有30nm或更小的厚度。
8.根据权利要求1的半导体发光装置，其中
导电支承衬底结合到该第二金属层，电极布置在该支承衬底和该半导体层的每个的表面上。
9.一种制造半导体发光装置的方法，包括步骤：
在生长衬底上形成包括发光区域的半导体层，且然后在该半导体层上形成绝缘层；
在该绝缘层中形成接触孔，且然后通过用用于欧姆接触的金属填充该接触孔来形成接触部分；
在该绝缘层上形成第一金属层；
在该第一金属层上形成第二金属层，该第二金属层关于发光波长具有比该第一金属层更高的反射率；以及
在该第一金属层和该第二金属层之间的界面中形成合金区域，
其中制成该第一金属层的金属比制成该第二金属层的金属具有更高的到所述绝缘层的粘合性。
10.根据权利要求9的制造半导体发光装置的方法，其中
该绝缘层的厚度是mλ1/(4n1)到mλ2/(4n2)，包括端值，其中m是整数，λ1和λ2是表示发光区域中与发光峰波长λ0中的发光强度P0的1/10相等的发光强度的发光波长，λ1＜λ2，n1和n2分别是对应于波长λ1和λ2的折射率。
11.根据权利要求9的制造半导体发光装置的方法，其中
该第一金属层由容易与该第二金属层形成合金的金属制成。
12.根据权利要求9的制造半导体发光装置的方法，其中
该第二金属层由金Au或银Ag制成，且该第一金属层由铝Al制成，且在400℃或更低的温度进行退火工艺来形成该合金区域。
13.根据权利要求9的制造半导体发光装置的方法，包括步骤：
在导电支承衬底上形成欧姆接触层；
结合该欧姆接触层和该第二金属层；
移除所述生长衬底；以及
在该支承衬底和该半导体层的背面上形成电极。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090826 Termination date: 20100225 |