CN101273467A - 氮化物半导体发光器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个目的是通过具有高吞吐量的激光加工方法作为器件形状的加工方法，并且通过蚀刻作为在激光加工之后的处理，防止器件特性的劣化且提高器件的生产成品率。本发明涉及一种氮化物半导体发光器件的制造方法，所述氮化物半导体发光器件包括衬底、在所述衬底上的氮化物半导体层和在所述氮化物半导体上的电极，所述氮化物半导体发光器件的制造方法的特征在于通过激光进行的器件加工，随后是蚀刻处理，然后是电极的形成。
Description
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119(e)(1)，本申请要求根据35U.S.C.§111(b)于2005年10月3日提交的临时申请No.60/722,443的优先权，在此引入其内容作为参考。
技术领域
本发明涉及对元件形状的加工以改善氮化物半导体发光器件特别是发光二极管的输出，还涉及可容易地使加工条件最优化并提高器件成品率的制造方法。
背景技术
III族氮化物半导体具有对应于可见光范围至紫外光范围的能量的直接带隙，并且能够高效率发光，因此将它们用于产品例如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)中。特别地，通过与荧光材料结合对白色发光二极管的实现被预期是发光二极管的应用的新领域。
发光二极管的输出由内部量子效率与光提取效率的乘积确定，其中内部量子效率取决于外延层结构和结晶性，光提取效率取决于器件内的再吸收和器件形状。已知将加工器件形状的多种方法用于提高光提取效率(日本实用新型申请公开No.51-142870，以及日本未审查的专利公开No.56-50586)。
可以通过与氮化物半导体中相同的原理提高输出，并且可以通过以相同的方式对器件进行形状加工，实现器件的提高的发光输出(日本未审查的专利公开No.2004-6662和No.2004-87930)。
通常，使用MOCVD作为生长方法，在作为衬底的蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)上生长高质量的氮化物半导体。选择蓝宝石和碳化硅是因为它们是在高温下稳定的物质，并且即使在用于通过MOCVD生长氮化物的1000℃-2000℃的温度下也稳定。
然而，还已知器件中的氮化物半导体和用作衬底的蓝宝石或SiC是难于加工的硬物质，并且通过激光加工、利用等离子体的干法蚀刻或者高温湿法蚀刻，实现对器件的加工。
激光加工包括局域地将加工位置加热至超高的温度，并且通过烧蚀和蒸发实现加工。由于高加工速度和高吞吐量，该加工方式是有利的。然而，要考虑的缺点在于，样品在加工位置附近遭受高温。
并且，通过烧蚀和蒸发散射的加工材料易于向后附着到晶片上，因此在激光加工后经常需要某种蚀刻处理。
用于蚀刻氮化物半导体的其他方法采用苛刻的加工条件，例如，在干法蚀刻中具有几十eV能量的粒子参与反应，但是就温度而言，这对应于几十万度的热能，因此根据条件，加工部分暴露于几百℃。并且，由于在干法蚀刻中，在具有处于受激态的卤素例如氯的气氛中进行加工，在希望的部分处加工元件期间，其它部分也受到影响。
当在元件上形成电极时，激光加工和蚀刻处理特别地成问题。当加工部分在电极附近时，在加工部分处产生的热引起电极表面的劣化，从而恶化器件特性。另外，用于蚀刻的卤素使得主要由金属构成的电极被大面积地侵蚀，并且如果没有用掩膜充分保护电极，电极本身会被蚀刻。在电极形成之后器件的加工过程中，有必要检查所意欲的加工条件，并且考虑它们的影响来选择条件，产生工艺窗口狭窄的问题。
发明内容
本发明的一个目的是通过具有高吞吐量的激光加工工艺作为用于加工器件形状的方法并且通过蚀刻作为在激光加工之后的处理，防止器件特性劣化并提高器件生产的成品率。
本发明基于这样的发现而实现，即通过在形成电极之前进行激光加工和激光加工后的蚀刻处理，可以避免在加工步骤中对电极特性的影响，并在改善光提取效率的同时提高元件生产成品率。
具体地，本发明包括以下发明内容。
(1)一种氮化物半导体发光器件的制造方法，所述氮化物半导体发光器件包括衬底、在所述衬底上的氮化物半导体层和在所述氮化物半导体上的电极，所述氮化物半导体发光器件的制造方法的特征在于通过激光进行的器件加工，随后是蚀刻处理，然后是电极的形成。
(2)根据上述(1)的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述通过激光进行的器件加工实现对所述氮化物半导体层的至少一部分的去除。
(3)根据上述(1)或(2)的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述通过激光进行的器件加工实现在所述发光器件的所述半导体层中的沟槽和/或用于分离成各个发光器件的围绕所述器件的周边的所述半导体层中的分离槽的形成。
(4)根据上述(1)至(3)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述激光的能量高于所述氮化物半导体层的至少一部分的带隙能量。
(5)根据上述(1)至(4)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述蚀刻处理是湿法蚀刻。
(6)根据上述(5)的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述湿法蚀刻是采用正磷酸的湿法蚀刻。
(7)根据上述(1)至(4)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述蚀刻处理是干法蚀刻。
(8)根据上述(7)的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述干法蚀刻是采用氯基气体的干法蚀刻。
(9)根据上述(1)至(8)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，在所述激光器件加工之前通过干法蚀刻进行所述激光器件加工的对准。
(10)根据上述(1)至(9)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，对蚀刻之后的所述氮化物半导体层的表面的至少一部分进行非镜面处理。
(11)根据上述(1)至(10)中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，通过蚀刻在激光加工部分处形成倾斜的表面。
(12)根据上述(11)的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，在所述蚀刻处理之后形成于所述氮化物半导体上的电极的至少一部分与所述倾斜的表面接触。
根据本发明，可以实现激光器件加工和蚀刻而不影响电极，从而提高器件成品率。倾斜的蚀刻表面还提高了光提取效率。
附图说明
图1是在实例1中制造的氮化物半导体发光器件的平面图。
图2是沿图1的发光器件的A-A截取的截面图。
图3是在实例2中制造的氮化物半导体发光器件的平面图。
图4是沿图3的发光器件的A-A截取的截面图，其中衬底侧朝上。
101：p侧衬垫
102：可透光的p电极
103：n侧衬垫
104：各个元件的边界(分离槽形成部分)
105：沟槽
201：衬底
202：氮化物半导体层
具体实施方式
对用于本发明的III族氮化物(也简称为“氮化物”)半导体叠层的衬底没有任何限制，其可以是公知的衬底材料，例如，氧化物单晶如蓝宝石单晶(Al2O3；A面、C面、M面、R面)或尖晶石单晶(MgAl2O4)、或者SiC单晶。其中，优选蓝宝石单晶。因为其折射率为1.7，小于氮化物半导体的折射率，因此可以通过加工氮化物半导体层而提高光提取效率。对衬底的平面方向没有特别限制。其可以为正取向的(just)衬底或者倾斜的(off-angled)衬底。蓝宝石表面还可以用于形成凹凸。
在对于每层最优的条件下，在衬底上层叠包括第一导电层、发光层和第二导电层的氮化物半导体层。
通过将层叠的半导体晶片分离成各个器件，制造各发光器件。
本发明是这样的方法，其从表面朝向衬底实现用于器件分离的对半导体层的分离槽加工或对各个分离的发光器件的沟槽加工，或者分离槽和沟槽加工的组合。
在层叠氮化物半导体层之后，实施公知的光刻技术，以形成器件分离区和n电极形成区。优选在激光加工之前进行该步骤，以实现对于通过激光加工的对准(定位)，但是如果在激光加工之后进行该步骤也是没有问题的。也可以省略该步骤。
为了形成器件分离区和n电极形成区，通过干法蚀刻对在光刻构图的衬底上的氮化物半导体层进行蚀刻。用于该工艺的气体的类型通常是氯基气体。已知的气体包括Cl2、SiCl4和BCl3，其中H2或Ar的混合物作为添加的气体，并且可以选择使用它们的组合。
接下来，去除氮化物半导体层的一部分，以形成用于器件分离的分离槽和/或各个器件沟槽。分离槽和沟槽的形成最初是由激光实现的，并且优选地，激光波长是短于氮化物半导体的吸收边的波长。由于氮化物半导体的高吸收系数，将加工位置限定为激光辐照位置。通过适当地选择激光的光学系统，可以实现加工至窄于10μm的宽度且实现提高的器件成品率。
如果在通过激光去除氮化物层的一部分的步骤中也通过激光进行器件分离加工，则激光加工深度优选到达衬底。如果器件分离激光器加工达到衬底，则在通过断裂分离器件的步骤中将改善形状成品率。
在分离区中对衬底的加工深度(分离槽深度)可以任意地选择在大于等于1μm的范围内，但如果加工深度太小，在随后的分离处理中将易于发生形状缺陷。大于等于10μm的深度将防止缺陷，但更优选大于等于20μm的深度。然而，深度不必必须达到衬底。
可以在与在去除周边部分的步骤中同样的条件下，或者在不同的条件下，进行通过激光去除氮化物半导体的除了器件分离部分以外的部分而形成沟槽的步骤。然而，由于如果加工深度太大则在随后的分离处理中易于发生形状缺陷，因此优选地，其在周边部分处以减小的通过加工产生的加工量进行。如果衬底中的加工量为这样的，优选地深度不大于10μm且更优选地约5μm，则将抑制形状缺陷的产生。深度不必必须达到衬底。
根据本发明，在激光加工之后进行蚀刻。在激光加工中被局域地加热到超高温度的氮化物半导体层遭受损伤，该损伤可影响器件特性。蚀刻可以为以气相进行的干法蚀刻或者以液相进行的湿法蚀刻。可选地，可以组合二者。
通常使用氯基气体通过RIE进行干法蚀刻，蚀刻条件可以与用于制造上述器件分离区和n电极形成区的条件相同或不同。还可以在激光加工之后通过蚀刻形成器件分离区和n电极形成区。
根据本发明，对蚀刻之后的氮化物半导体层表面进行非镜面处理。
利用干法蚀刻，已知根据加工条件，加工表面可以形成为非镜面。为了在加工表面上形成非镜面，已知在加工表面上形成疏松掩膜的方法和使用在蚀刻期间的沉积的物质作为掩膜的方法，并且可以利用这些方法中的任何一种。可以通过将加工表面形成为非镜面来提高光提取量。
用于湿法蚀刻的蚀刻溶液可以具有任何已知的组分和条件。已知正磷酸或焦磷酸、磷酸和硫酸的混合组分以及氨和磷酸的混合组分。
优选地，蚀刻之后的激光加工部分的侧面相对于氮化物半导体层的表面不垂直地倾斜。在激光加工中，在晶体表面的入射部分处光密度高，因此加工量也高，但是光在晶体内部衰减，因此加工量进少。虽然通过激光加工自然地形成倾斜的表面，但蚀刻在具有显著损伤的区域中产生更大量的去除，因此形成更倾斜的表面。
在与光提取的主要方向上的晶体表面相反的方向上倾斜的表面通过在该表面上的反射，用于加强在提取的主要方向上的光辐照，因此优选地，根据倾斜表面的取向来改变光提取的主要方向。
蚀刻之后是电极形成的步骤。通过公知的光刻产生电极形成图形，并且通过例如气相沉积、溅射或镀敷的技术，形成电极。可以同时或分别形成n电极和p电极。
对于n电极，已知各种类型的组分和结构，并且可以没有任何限制地使用任何这些已知的n电极。与n接触电极接触的用于n电极的接触材料可以为Al、Ti、Ni、Au等，或者可选地为Cr、W或V。不必说，可以赋予整个n电极以接合特性，以形成多层结构。最优选地，用Au覆盖最外层，以便于接合。
对于p电极，也已知各种类型的组分和结构，并且可以没有任何限制地使用任何这些已知的p电极。
可透光的p电极材料包括Pt、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、Co等。还已知，部分氧化的结构可以提高半透明度。
替代上述金属，可透光的p电极材料可以为导电氧化物。可以使用公知的导电氧化物例如In2O3、ITO、ZnO、SnO2等。半透明的电极还可以包括上述金属与上述氧化物的组合。
并且，替代半透明的p电极，可以使用反射性的p电极。除了上述材料以外，还可以使用Rh、Ag、Al等作为反射性p电极材料。
如果在倾斜表面上形成高反射膜，则在与光提取的主要方向相反的方向上倾斜的表面处的反射就更加有效。因此，优选地，在电极形成步骤中在倾斜表面上形成电极。例如，电极可以形成在倾斜表面的一部分上，并且电极与衬垫电极连接。
实例
(实例1)
现在将说明本发明的实例。
使用蓝宝石(Al2O3)C面衬底作为衬底，并且根据在日本未审查的专利公开No.2003-243302中公开的方法，通过AlN缓冲层，在蓝宝石C面衬底上依次层叠以下层：6μm的未掺杂的GaN层；4μm的n型接触层，其中周期性掺杂有Ge以使平均载流子浓度为1×1019cm-3；以交替的方式五次层叠的由In0.1Ga0.9N制成的12.5nm的n覆层、由GaN制成的16nm厚的势垒层和由In0.2Ga0.8N制成的2.5nm厚的阱层，然后，最后形成设置有势垒层的具有多量子阱结构的发光层；由Mg掺杂的(浓度为8×1019cm-3)Al0.2Ga0.8N构成的0.05μm厚的p覆层；以及由Mg掺杂的(浓度为8×1019cm-3)Al0.03Ga0.97N构成的0.15μm厚的p接触层，从而获得在衬底上的氮化物半导体层。
进行公知的光刻和Cl2气体RIE，以暴露各个元件的边界部分和在氮化物半导体层的表面上的n型接触层部分的一部分。
然后使用激光，以在各个元件的边界部分处形成分离槽。
利用具有266nm的波长、50kHz的频率和1.6W的输出来加工层。加工速度为70mm/秒，并且将沟槽形成至在衬底中20μm的深度。将载物台旋转90°，以相同的方式在Y轴方向上形成分离槽。
然后将激光输出降低到用于脉冲串方式(burst mode)的0.6W，以去除在芯片的相反电极之间的GaN层，从而形成沟槽。调整振荡定时，以去除芯片的2/3的长度。在被去除的GaN层的正下方的衬底也被去除了约5μm，但是量要小于在边界部分处的分离槽。
将形成分离槽之后的衬底浸入包含正磷酸的石英烧杯中持续20分钟，其中使用加热设备将该正磷酸加热至240℃，以执行湿法蚀刻。氮化物半导体层的蚀刻量为5.2μm。在存在超声波的条件下用水清洗湿法蚀刻后的衬底和氮化物半导体层，然后对其进行有机清洗，以去除抗蚀剂蚀刻掩膜。
用抗蚀剂涂覆晶片表面，并且通过光刻使n电极周边以及器件边界部分暴露。所使用的蚀刻气体为CH2Cl2，并且将蚀刻压力增加到2Pa以高于接触层形成条件，导致在表面处同时发生聚合物沉积和蚀刻，从而在蚀刻表面上形成非镜面。在形成非镜面之后，去除抗蚀剂。
使用光刻和剥离方法，从p接触层侧，在化合物半导体叠层的p接触层上的预定位置处依次形成由Pt和Au制成的可透光p电极。接下来，实施公知的光刻和剥离技术，以同时形成p电极和n电极接合衬垫。
在半导体侧进一步抛光蚀刻后的衬底和氮化物半导体层，以将厚度减薄至80μm，然后使用断裂装置，用于分离成各个元件。
当用积分球评价时，每个分离器件的输出为7.1mW。通过SEM观察器件侧面，氮化物半导体层的侧面相对于已被垂直解理的蓝宝石衬底的侧面倾斜约40°，并且形成了相对于衬底表面侧的倒锥(衬底侧增宽的沟槽)。
(实例2)
使用不同条件实施该实例。
在与实例1相同的条件下进行在衬底上的氮化物半导体层的生长。在该实例中，首先进行用于器件分离的激光加工。
激光加工条件与实例1中的相同，以在X轴和Y轴方向上形成分离槽。
然后以脉冲串方式使用激光，以圆形方式去除氮化物半导体层的除了分离区以外的部分，如图2所示。以1.6W的输出和30mm/秒的速度扫描样品载物台，并且在与加工位置匹配的点处使激光振荡。在辐照部分处以大致圆形的激光束去除氮化物层，并且在相同的条件下在衬底上留下5μm的加工痕迹。
用抗蚀剂涂覆激光加工过的晶片。使用使激光加工过的分离槽和圆形部分暴露的掩膜，进行光刻。还使n型接触形成区暴露。
通过与实例1中相同的n型接触形成步骤，且在与实例1中相同的条件下，进行RIE。由于在该步骤期间遭受显著的由激光引起的损伤的入射侧处的蚀刻量较大，并且在圆形部分的开口侧处分离槽具有较大的开口，因此形成相对于氮化物半导体层的正锥(衬底侧变窄的沟槽)。倾斜角度为约30°。
形成Pt反射性电极作为p型电极。通过光刻形成抗蚀剂掩膜，以便覆盖圆形部分和n型接触形成区，并且通过电子束气相沉积在暴露的部分上形成Pt电极和Au衬垫。然后通过剥离去除电极的不想要的部分。
为了防止与n型电极短路，通过EB气相沉积形成SiO2膜作为绝缘层，以便覆盖除了暴露的作为p型衬垫的部分以外的p型电极的整个上表面和暴露的接合面。并且，在使用抗蚀剂掩膜覆盖将要暴露的p型衬垫的部分之后，在整个表面上气相沉积Al作为反射性电极，以形成n型电极。以与实例1相同的方式进行衬底抛光和分离。
在TO18系统中安装分离的元件，其中电极侧朝下，并且用积分球评价的输出为12.2mW。通过SEM观察元件侧表面，氮化物半导体层的侧面相对于已被垂直解理的蓝宝石衬底的侧面倾斜约30°，并且形成了相对于衬底表面侧的倒锥。
(比较实例)
该比较实例是其中首先形成电极的实例，用于比较。
以与实例1的相同的方式进行在衬底上的氮化物半导体层的生长。
使用公知的光刻和Cl2气体RIE，以暴露各个元件的边界部分和在氮化物半导体层的表面上的n型接触层的一部分。
在化合物半导体叠层的p接触层的预定位置处，使用光刻和剥离方法，以从p接触层侧依次形成由Pt和Au制成的半透明的p电极。接下来，实施公知的光刻和剥离技术，以同时形成p电极和n电极接合衬垫。
在与实例1的相同的条件下进行用于形成分离槽的激光加工。
在与实例1的相同的条件下，对分离槽形成之后的衬底进行湿法蚀刻。在存在超声波的条件下用水清洗湿法蚀刻后的衬底和氮化物半导体层，然后对其进行有机清洗，以去除抗蚀剂蚀刻掩膜。
在去除蚀刻掩膜之后，确认由侵蚀引起的电极样品的一部分的缺损。还确认在去除之前抗蚀剂掩膜的变形。不合格电极的发生频度为约10％。蚀刻条件为在实例1中的240℃，并且设想该温度引起抗蚀剂掩膜的变形和蚀刻溶液的渗透。
工业适用性
使用激光和低损伤产生的蚀刻，对本发明的氮化物半导体发光器件进行形状加工，以提高发光二极管的输出，由此防止由随后的电极形成引起的成品率降低，并且从而提高生产率。
Claims (12)
1.一种氮化物半导体发光器件的制造方法，所述氮化物半导体发光器件包括衬底、在所述衬底上的氮化物半导体层和在所述氮化物半导体上的电极，所述氮化物半导体发光器件的制造方法的特征在于通过激光进行的器件加工，随后是蚀刻处理，然后是电极的形成。
2.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述通过激光进行的器件加工实现对所述氮化物半导体层的至少一部分的去除。
3.根据权利要求1或2的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述通过激光进行的器件加工实现在所述发光器件的所述半导体层中的沟槽和/或用于分离成各个发光器件的围绕所述器件的周边的所述半导体层中的分离槽的形成。
4.根据权利要求1至3中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述激光的能量高于所述氮化物半导体层的至少一部分的带隙能量。
5.根据权利要求1至4中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述蚀刻处理是湿法蚀刻。
6.根据权利要求5的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述湿法蚀刻是采用正磷酸的湿法蚀刻。
7.根据权利要求1至4中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述蚀刻处理是干法蚀刻。
8.根据权利要求7的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，所述干法蚀刻是采用氯基气体的干法蚀刻。
9.根据权利要求1至8中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，在所述激光器件加工之前通过干法蚀刻进行所述激光器件加工的对准。
10.根据权利要求1至9中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，对蚀刻之后的所述氮化物半导体层的表面的至少一部分进行非镜面处理。
11.根据权利要求1至10中任何一项的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，通过蚀刻在激光加工部分处形成倾斜的表面。
12.根据权利要求11的氮化物半导体发光器件的制造方法，其特征在于，在所述蚀刻处理之后形成于所述氮化物半导体上的电极的至少一部分与所述倾斜的表面接触。
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