CN101467268A - 包括多孔层的半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件，包括具有发光层的半导体结构，发光层设置在n－型区和p－型区之间。在发光层和一个接触之间设置多孔区，接触电连接到n－型区和p－型区之一上。多孔区散射光，使之离开吸收接触，从而可以改善光从器件的提取。在某些实施例中，多孔区是一种n－型半导体材料，如GaN或GaP。

Description

包括多孔层的半导体发光器件
技术领域
本发明涉及包括多孔半导体层的半导体发光器件，如发光二极管。
背景技术
半导体发光器件如发光二极管(LED)是当前可利用的最有效的光源之一。在能够在整个可见光谱上操作的高亮度发光二极管的制造过程中，当前感兴趣的材料系统包括：III-V族的半导体，特别是镓、铝、铟、氮的二、三、四元合金，也称之为III族氮化物材料；和镓、铝、铟、砷、和磷的二、三、四元合金。通常，III族氮化物器件是外延生长在蓝宝石、碳化硅、或III族氮化物基片上的，III族磷化物器件是外延生长在砷化镓上的，所用的方法是金属有机化学蒸汽淀积(MOCVD)分子束外延(MBE)或其它的外延技术。通常在基片上淀积一个n-型区，然后在n-型区上淀积一个有源区，之后再在有源区上淀积一个p-型区。各层的顺序可以倒过来，使p-型区靠近基片。
市场上的发光二极管不是理想的器件，它们在半导体层内(如有源层的重复吸收和自由载流子吸收)以及在半导体-金属的界面(在该界面上强反射性的高效欧姆接触是难以实现的)上包含许多光学损耗机制。这些机制特别要影响通过全内反射或波导捕获的光线。
图1说明的是美国专利6229160中更详细描述的一个发光器件，该专利在这里引作参考。图1的发光二极管包括一个异质结构，该异质结构包括多个在基片(如GaAs，GaP，或蓝宝石)上生长的p-型和n-型掺杂的外延层10。对于p-型层和n-型层进行安排，以便在有源区11内或有源区11附近提供一个p-n结区。透明基片或透明层12是用于光提取(和电流散布)的窗口，是这个器件的顶部窗口层。类似地，可以通过晶片粘结、外延生长、或重复生长将用于光提取(和电流散布)的窗口层13与相对着顶部窗口层的侧上的外延层连结，使窗口层13变为底部窗口层。连结到窗口层的顶部和底部电欧姆接触14、15允许电子和空穴注入到p-n结区，以便复合并允许随后从有源区产生光。
为了增加光从器件的提取，主窗口的侧壁16的取向相对于垂直方向成一个角度(或多个角度)β，以使顶部表面17的面积大小大于有效器件面积的面积大小。侧壁相对于这个异质结构产生一个倾斜的角度。角度β作为器件高度的函数不必是不变的(如图1所示)，而是可以按照器件高度连续变化的，从而产生部分地或整个地凹进或凸出的侧壁形状。侧壁的取向使击中侧壁的光全内反射地反射到位于器件的顶部表面的逃逸圆锥内，如图1中的光线18所示。在顶部表面上全内反射的大部分光被重定向到侧壁的逃逸圆锥内，如光线19所示。
虽然图1所示的器件的形状可以增加光的提取，但器件还有几个缺点。首先，由于接触14、15的固有的吸收，所以器件的效率还有问题。用通用的全片状合金AuZn作为后接触15，由于反射率很差，所以减小了光输出。替换与反射性的基于银的小片连接环氧树脂结合的图案化的AuZn的后接触(具有约为20％面积覆盖率)，可以略微增加光输出。第二，在器件中存在一个或多个厚的窗口层实际上只能通过高温生长和加工步骤来实现，而所述的加工步骤能通过重新分配缺陷和掺杂的原子来对半导体层的质量进行折衷。第三，所述的结构的厚度和横向大小必须一起缩放以维持合适的形状。因此，成形的芯片是不容易缩放的，并且对于非正方形的覆盖区域(footprint)是不适用的。有源区的面积近似等于总的横向芯片大小的一半，在有源区产生两倍的电流密度，这可以在高操作温度和电流的情况下减小内部效率。
在本领域内需要的是改善光提取的技术。
发明内容
按照本发明的实施例，发光器件包括一个半导体结构，它具有设置在n-型区和p-型区之间的发光层。多孔区设置在发光层和接触之间，所述接触电连接到n-型区和p-型区之一上。多孔区将光从吸收接触散射开去，这可以改善光从器件的提取。在某些实施例中，多孔区是一种n-型半导体材料，如GsN或GaP。
附图说明
图1是在美国专利6229160中描述的半导体发光二极管的剖面图；
图2是在一个基片上生长的器件层的剖面图；
图3是粘结到第二结构的图2的器件的剖面图；
图4是包括设置在接触和半导体器件层之间的多孔半导体区的成型器件的剖面图，该成型器件具有设置在半导体结构的顶部表面和底部表面之间的接触；
图5是在基片上生长的器件层的剖面图；
图6是粘结到第二结构的图5的器件的剖面图；
图7是包括设置在接触和半导体器件层之间的多孔半导体区的成型器件的剖面图，该成型器件具有两个设置在半导体结构的底部表面的接触；
图8说明用于形成多孔半导体区的电化学阳极蚀刻过程；
图9是在基片上生长的器件层的剖面图；
图10是在包括多孔半导体区的基片上生长的器件层的剖面图；
图11是在形成接触并将器件安装在一个基底上以后图10所示的器件的剖面图；
图12是在移除生长基片并使由于移除基片而露出的表面粗糙化以后图11所示的器件的剖面图；
图13是包括多孔半导体区的点发射体器件的剖面图；
图14是用于半导体发光器件的组件的分解视图。
具体实施方式
按照本发明的实施例，半导体发光器件包括一个散射层，如多孔半导体层。所述散射层使从器件发射的光子的方向随机化，确定该散射层的位置使之通过作为漫反射器而引导光离开吸收结构(例如吸收接触)，所述的漫反射器朝向器件的期望发射表面(如器件的顶部表面)散射光，在这里可以发射从器件提取的大多数光。虽然在下面的例中所述的器件在一般情况下包括在一个GaAs基片上生长的III族磷化物半导体层，但在某些实施例中，也可以使用III族氮化物半导体层。
在某些实施例中，散射层是一个多孔的GaP层，或其它的III族-P层。多孔层在一般情况下是导电和导热的。多孔层通常是由一个n-型层形成的，当然要在产生多孔之后，可将n-型多孔层转换成p-型导电性(conductivity)，在下面的某些实施例中对此再进行描述。散射的量由多孔层的厚度和孔隙率确定。多孔层的厚度通常在4和40微米之间，当然在某些实施例中，器件中的整个n-掺杂的基片或二元外延层都可以做成多孔的。多孔层的孔隙率可以在5％和80％之间，通常具有的孔隙率在20％和40％之间。多孔层散射光的能力将孔隙率限制在下端，多孔层的电阻率和机械稳定性将孔隙率限制在上端。合适的孔隙率可能与多孔区的厚度有关。为了提供相同量的散射，与较薄的多孔区相比，较厚的多孔区可以是较少的多孔。
可以通过两步法形成多孔层。在第一步，通过电化学阳极浸蚀产生孔。在这一步，确定多孔区的深度。在第二步，通过光化学阳极蚀刻将孔增大，一直到达到期望的孔隙率。在图8中说明了电化学阳极蚀刻的第一步的一个例子。蚀刻层例如可以是一个n-型GaP单晶层，施主密度是2×1017cm-3。晶片80例如通过银浆84连接到铜板82。诸如特氟纶86之类的材料隔开晶片80的要构成多孔的部分88。晶片作为在标准电化电池中的工作电极暴露于0.5M的硫酸(H2SO4)电解液81，饱和甘汞电极(SCE)83作为基准，还有一个铂的反电极85。通过稳压器87来控制电池。加上强的正电位(15伏饱和甘汞电极)，在表面缺陷上引起亚微米的凹坑的蚀刻，凹坑以微米量级分开。这些凹坑作为用于蚀刻沟道状结构的亚表面网络的起始点。蚀刻主要发生在沟道的端部，以使网络的生长较深但沟道不会扩大并融合在一起。除去的材料量主要是时间积分的电流密度的函数，当然腐蚀溶液、偏置电压和基片掺杂都影响孔的密度和大小。多孔结构的最终深度是所有这些变量的函数。在蚀刻之前，通过利用例如SiN或光刻胶掩盖非多孔的区域，可以控制多孔区的横向大小。
在光化学阳极蚀刻的第二步的一个实例中，将电化学蚀刻晶片暴露到H2O:H2SO4:H2O2电解液中，使用来自氙灯的50mW/cm2的次带隙光(sub-bandgaplight)，所加的正电位为2伏SCE。所加的电位太低，以致不能发生上述的阳极蚀刻过程，并且在电解液-半导体的界面上只吸收次带隙光，因此主要的效果是增加了在第一步中确定的层的孔隙率。孔隙率的程度由时间积分的电流密度确定，这个电流密度是光强度、蚀刻剂的浓度和基片的参数的函数。通过以上所述的方法可以使任何合适的半导体材料成为多孔的，如Si，GaN，SiC，GaP。二元材料如GaP，GaN是多孔区的吸引人的候选材料，当然三元和四元的III族磷化物和III族氮化物材料也可以形成多孔。半导体材料中的导电型和掺杂浓度可以例如通过影响所形成的孔的大小和间距影响多孔层的特性。在某些实施例中，多孔区是由不是p-型层的一个层形成的，即，这一层不是故意掺杂的，或者是掺杂的n-型层，掺杂的浓度在0(没有故意掺杂)和1019cm-3之间。
图2、3、4说明本发明的一个实施例的制造。在图2中，在一个n-型GaAs基片或任何其它合适的基片30上生长一个n-型区32，n-型区例如包括一个n-AlInGaP层。在n-型区32上生长一个发光区或有源区34，该发光区或有源区34例如包括单个的AlInGaP发光层或多个由阻挡层分开的AlInGaP量子势阱层，接下去是一个p-型区36，p-型区36例如包括一个p-AlGaAs区。n-型区32、有源区34、和p-型区36中的每一个都可以包括不同组分和掺杂浓度的多个层，例如包括相反的导电型的层，或没有故意掺杂的层，如缓冲层或核化层之类的制备层，设计成便于后来释放生长基片或去除基片后使半导体结构变薄的释放层，针对发光区有效发光所期望的特定光学或电学性质而设计的器件层。在p-型区36上生长一个厚区38，厚区38例如可以是通过汽相外延形成的厚的p-型GaP区。厚区38对于外延层32、34、36提供机械支撑，因此可以将基片30去掉。
在图3中，基片30可以是一个吸收性的GaAs基片，将基片30去掉并用透明区40代替，透明区40粘结39到除去基片30后露出的n-型区32的表面。在美国专利5376580中比较详细地描述了所述的粘结，该专利在此引作参考。粘结区40例如可以是一个n-型的GaP区。粘结之后，如图4所示，区40的整体或某个部分如以上所述可以做成多孔的。可以如图所示对于器件进行整形，并且在器件的顶部表面和底部表面形成第一和第二接触46、44。多孔区40散射离开接触44向器件底部引导的任何光，否则光在接触44将被吸收。器件的主光提取表面是接触46形成在其上的顶部表面(在图4中厚区30的顶部表面)和器件的四个侧表面。其它形状也是可能的，其中包括具有垂直侧壁的长方体，具有向内成角度的侧壁的截头棱锥。可以加上在区38的顶部和芯片的侧边编造的随机的表面或周期性的表面，以增加光提取。在某些实施例中，可以使器件的一个或多个侧壁做成多孔的。
图5、6、7说明本发明的另一个实施例的制造。如图5所示，首先在基片30上形成p-型区36，接下来是有源区34和n-型区36。在n-型区32上形成数量级为15微米厚的一个厚的n-型区38。如以上所述使部分或全部的区38成为多孔的。将接触金属44连结到区38上，如图6所示。然后经过接触44将半导体结构粘结到主基片42。如图7所示除去基片30，并且在p-型区36的暴露表面上形成第二接触46。如图7所示的器件避免了高温晶片粘结步骤，如将n-型区32粘结到图3中粘结的区40所需的步骤。
图9、10、11、12说明本发明的另一个实施例的制造。在图9中，在基片30上生长器件层，该器件层包括：n-型InGaP-AlInP超晶格(superlattice)或n-型AlGaAs层92、发光区94、p-型AlInGaP层96、和厚的n-型GaP层98。在图10中通过以上所述方法使厚的n-型GaP层98成为多孔的。在n-型多孔的GaP层98上形成包含Zn(例如可以是AuZn)的层124(图11)，然后通过加热器件以使Zn从层124扩散到层98来使层98成为P-型。按照另一种方式，通过气相工艺也可以使层98成为p-型的，在这里将器件放在包含Zn的一个安瓿中，然后加热安瓿，驱动Zn从气相进入层98。按照另一种方式，通过将器件放在生长反应器中并且引入Zn源(例如二乙基锌)，使得Zn从Zn源离解并结合进层98来使层98成为P-型。
如图11所示，将一部分多孔区98、p-型区96、和有源区94除掉以形成一个台地121，台地121露出n-型区92的一部分。在某些实施例中，在基片30和n-型区92之间的界面91在蚀刻台地121时起到蚀刻停止层的作用。例如通过蒸发或电镀在台地121内形成接触120。接触120在台地121的侧面和/或底面电连接到n-型区92，并且通过电介质层122与p-型区96和98电绝缘。可以先将器件的晶片切成一个个的器件，然后再相对于生长方向倒装每个器件，并将其安装在一个基底130上，在这种情况下基底130的横向大小大于器件的横向大小。按照另一种方式，可以将器件的晶片连接到基底的晶片上，然后切成一个个器件。基底130例如可以是半导体如Si、金属、或陶瓷如AlN，并且可以具有至少一个与p-接触126电连接的金属垫(metal pad)132和至少一个与n接触120电连接的金属垫134。互连128例如可以是焊料或金凸点(stud bump)，用于连接半导体器件与基底130。
在图12中，通过适合于基片材料的方法如蚀刻将基片30去掉。在器件和基底130之间可以提供一个刚性的未充满(underfill)，用于支撑半导体层，并防止去除基片期间的碎裂。例如通过蚀刻方法如光电化学的蚀刻，或通过机械的方法如研磨，可以使由于除去基片30而露出的n-型区92的顶部表面粗糙化136。粗糙化提取光的表面可以改善光从器件上的提取。或者，可以在由于除去基片30而露出的n-型区92的顶部表面中形成光子的晶体结构。在某些实施例中，在GaAs生长基片上生长有分级的含铝层。因为通过蚀刻除去了GaAs基片，所以当蚀刻剂遇到所述分级的含铝层时，蚀刻速率随铝含量而变化，导致粗糙的表面。于是，在一个单个的蚀刻步骤中就可以除掉生长基片并粗糙化露出的表面。在除掉生长基片的实施例中，可以按照一个晶片的尺度(scale)去除生长基片，这样一来，在一个步骤当中，从器件的整个晶片上除掉生长基片，在生长基片除掉后再切片一个个器件。按照另一种方式，将器件的晶片切成一个个器件，将一个个器件连结到任意横向大小的另一个结构上，然后再按照管芯的尺度从一个个器件上除去生长基片。
在上述的实施例中，多孔区散射光使其离开吸收接触。因为减小了抵达接触的光的量，所以不需限制吸收接触的横向大小，从而改善了器件的电学性质，并借此改善了性能。另外，与同样特性的非多孔层相比，增加接触的横向大小可以补偿由多孔层的较高的电阻率引起的电阻的任何增加。在某些实施例中，多孔区定位在有源区和吸收接触之间，从而使靠近有源区的多孔区的表面距有源区的间隔是0.1-0.4微米，多孔层的作用是散射陷入波导内的光。可以有益地提取某些散射光，贡献给器件的效率。在某些实施例中，在器件的顶部表面136上(图12)形成一个任选的线栅偏振片138，以便把不需要的光的偏振反射回到芯片，同时允许具有期望偏振的光离开芯片。多孔层可以使增加具有期望偏振的光输出的反向反射光的偏振随机分布化。在某些实施例中，在顶部表面136上可以形成一个透明的导体，如氧化铟锡(ITO)，以增加整个芯片的电流散布。基片30的去除可以露出部分接触金属120，提供用于改善导电性的直接的金属-氧化铟锡接触。
多孔区还可以用于在芯片内横向地限制光。图13是包括散射层在内的点发射体器件的剖面图。在一个生长基片上生长包括区140、142的一个n-型区，接下去是有源区146和p-型区148。将部分有源区146和p-型区148除去，所以在器件的底部表面上形成p-接触和n-接触147和144这两者。在基底145上安装这个器件。可以除去生长基片(未示出)。如以上所述使n-型区的一些部分140成为多孔的。电流从n接触144通过多孔区140和n-型区142向有源区146散布。多孔区140将任何光都散射到n-型区142的非多孔区域，从而使从器件发出的任何光都从相应于n-型区142的表面发射。因而，多孔区140将光限制到一个小的发射区，按照期望产生了一个小的源尺寸。n-型区142、有源区146、和p-型区148可以是III族磷化物或者III族氮化物层。
在某些实施例中，在器件的表面上，可以加上波长转换层如磷光体，和/或二次光学器件如二向色材料或偏振片，这在本领域中是公知的。
图14是组件式发光器件的分解视图，在美国专利6274924中有较详细描述。散热块(slug)100放在内插模制的引导架中。内插模制的引导架例如是围绕金属框架106模制的填充塑料材料105，金属框架106提供电气通路。块100可以包括一个任选的反射体杯102。发光器件管芯104可以是以上实施例所述的任何器件，将发光器件管芯104直接地或经过导热的衬底103间接地安装到块100上。可以加上一个上盖108，上盖108可以是一个光学透镜。
虽然已经详细描述了本发明，但本领域的普通技术人员会认识到，在给出本公开的条件下，可以对本发明进行改进而不偏离这里公开的本发明主题的构思的范围。例如，如以上所述，虽然这些例子描述的是具有III族磷化物半导体层，但可以利用III族氮化物半导体层，II-IV族半导体层，或任何其它合适材料系统的半导体层来实施本发明的实施例。此外，虽然在以上给出的实例中外延结构是用特定的接触装置表示的，但外延结构和接触装置是可以互换的，不限于以上所述特定实施方案。因此不要企图将本发明的范围限制于已经表示和描述的特定实施例。

Claims (36)

1、一种器件，包括：
-半导体结构，包括设置在n-型区和p-型区之间的发光层；
-接触，电连接到n-型区和p-型区之一上；
其中：半导体结构包括一个多孔区，多孔区设置在接触和发光层之间；并且
其中：半导体结构进一步还包括顶部表面，从顶部表面发出从半导体结构提取的光，其中：发光层设置在顶部表面和多孔区之间。
2、权利要求1的器件，其中：多孔区的厚度在4和40微米之间。
3、权利要求1的器件，其中：多孔区的孔隙率在5％和80％之间，其中的孔隙率是在多孔区中空气体积的百分数。
4、权利要求1的器件，其中：多孔区的孔隙率在20％和40％之间，其中的孔隙率是在多孔区中空气体积的百分数。
5、权利要求1的器件，其中：多孔区包括一个n-型区。
6、权利要求1的器件，其中：多孔区包括一个p-型区。
7、权利要求1的器件，其中：多孔区包括GaP。
8、权利要求1的器件，其中：最靠近发光层的多孔区的表面距发光层0.1-0.4微米。
9、权利要求1的器件，其中：多孔区设置在n-型区和接触之间。
10、权利要求9的器件，其中：所述的接触是第一接触，第一接触电连接到位于半导体结构的底部表面上的n-型区，所述的器件进一步还包括第二接触，第二接触电连接到半导体结构的顶部表面上的p-型区。
11、权利要求1的器件，其中：多孔区设置在p-型区和接触之间。
12、权利要求11的器件，其中：所述的接触是第一接触，第一接触电连接到p-型区，所述的器件进一步还包括第二接触，第二接触电连接到n-型区，其中第一接触设置在半导体结构的底部表面，至少一部分第二接触设置在半导体结构中形成的一个沟道中。
13、权利要求1的器件，其中：所述的接触是第一接触，该器件进一步还包括第二接触，其中：第一和第二接触之一设置在半导体结构的底部表面，第一和第二接触中的另一个设置在半导体结构中形成的一个沟道中。
14、权利要求13的器件，进一步还包括：设置在半导体结构的顶部表面上的一种导电材料。
15、权利要求14的器件，其中：导电材料包括氧化铟锡。
16、权利要求13的器件，进一步还包括：超晶格，该超晶格包括AlInP和InGaP的交替层，其中：超晶格设置在半导体结构的发光层和顶部表面之间。
17、权利要求1的器件，其中：半导体结构的侧表面基本上垂直于半导体结构的顶部表面。
18、权利要求1的器件，其中：半导体结构的侧表面对于半导体结构的顶部表面是倾斜的。
19、权利要求1的器件，其中：半导体结构的侧表面是多孔的。
20、权利要求1的器件，进一步还包括：设置在半导体结构的顶部表面的一个偏振片。
21、一种器件，包括：
-具有顶部表面的半导体结构，该半导体结构包括设置在一个n-型区和一个p-型区之间的一个发光层；其中：
-顶部表面的第一部分是多孔区的顶部表面；以及
-顶部表面的第二部分是一个非多孔区的顶部表面。
22、权利要求21的器件，其中：顶部表面的第二部分是发射从半导体结构提取的大多数光的表面。
23、权利要求21的器件，其中：发光层的横向大小对应于顶部表面的第二部分。
24、权利要求21的器件，其中：多孔区是GaN。
25、一种方法，包括：
-提供一个半导体结构，该半导体结构包括设置在n-型区和p-型区之间的一个发光层；
-使半导体结构的一个区域成为多孔的；以及
-在半导体结构上形成一个接触，其中：将接触电连接到n-型区和p-型区之一上；
其中：将半导体结构的多孔区设置在接触和发光层之间；以及
其中：半导体结构进一步还包括一个顶部表面，从该顶部表面发射从半导体结构提取的光，其中的发光层设置在顶部表面和多孔区之间。
26、权利要求25的方法，其中：提供半导体结构包括在一个生长基片上生长半导体结构，所述的方法进一步还包括：
-除去生长基片；和
-将半导体结构粘结到一个主基片上。
27、权利要求25的方法，其中：提供半导体结构包括在一个生长基片上生长半导体结构，所述的方法进一步还包括：
-将半导体结构切成一个个发光器件；连接单个发光器件到一个基底上；以及
在所述的连接之后，除去生长基片。
28、权利要求27的方法，进一步还包括：使由于除去生长基片而露出的表面粗糙化。
29、权利要求27的方法，进一步还包括：在由于除去生长基片而露出的表面上形成导电材料。
30、权利要求27的方法，进一步还包括：在由于除去生长基片而露出的表面上淀积一个偏振片。
31、权利要求25的方法，其中：在使所述的半导体结构的一个区域成为多孔的步骤之后，多孔区的孔隙率在5％和80％之间，其中的孔隙率是多孔区中空气体积的百分数。
32、权利要求25的方法，其中：在使所述的半导体结构的一个区域成为多孔的步骤之后，多孔区的孔隙率在20％和40％之间，其中的孔隙率是多孔区中空气体积的百分数。
33、权利要求25的方法，其中：多孔区包括一个n-型区。
34、权利要求25的方法，其中：多孔区包括一个p-型区。
35、权利要求25的方法，其中：多孔区包括GaP
36、权利要求25的方法，其中：使所述的半导体结构的一个区域成为多孔包括：
-在半导体结构中提供一个n-型层；
-使n-型层变为多孔的；以及
-将n-型多孔层转换成p-型导电性。
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