CN101681877B - 准垂直结构发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种准垂直结构的发光装置。依照本发明的一个实施例，准垂直结构发光二极管包括一个蓝宝石基板；生长在蓝宝石基板上的多个半导体层，多个半导体层包括一个n-GaN层、一个活性层和一个p-GaN层；多个被蚀刻在多个半导体层里的孔，每个孔被蚀刻到蓝宝石基板，以及在蓝宝石基板里的多个蓝宝石孔，每个孔与一个蓝宝石孔对齐以形成孔壁，孔壁和底部被沉积一种n-半导体金属，并且每个孔被填满另一种金属以形成一个n-电极触点；一个在活性层和p-GaN层处的n-台面，n-台面被沉积一种n-半导体金属，并且一个钝化层生长在n-半导体金属上方；以及一个被沉积在p-GaN层上的p-半导体金属层，和一个被键合到p-半导体金属的p-电极金属。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置，特别涉及一种发光二极管及其制作方法。
发明背景
目前，发光二极管(LED)是半导体领域最新且发展最快速的技术之一。过去十多年，尽管LED已经用于指示和信号目的，但技术发展和改进使得LED得以广泛用于照明应用。
包含V族元素氮(N)的半导体，已经证明能够用于短波长发光装置。在这之间，对氮化镓基半导体用作发光二极管已经有广泛研究，如InxGa1-xN和AlxGayInzN，使得这种发光二极管(LED)已经被投入实际使用。
通常，垂直结构的GaN基LED生长在一个蓝宝石基板上。蓝宝石基板是刚性的，且不导电，并具有较低的导热性。在一个制作GaN基LED的传统过程里，多个GaN层生长在蓝宝石基板上。然后，一个或多个p-电极可在p-型GaN层上形成，使用激光剥离(LLO)过程去除蓝宝石基板，露出n-型层以便随后进一步处理。
LLO是一种用来去除蓝宝石的技术。但是，LLO会导致由激光诱发的冲击波带来的损坏，并影响产量，导致装置性能和可靠性方面的问题。蓝宝石也可以通过机械方法去除，包括研磨、抛光和机械化学抛光(CMP)，但在几个微米范围内进行均匀粘附到磨盘和均匀抛光方面的难度使得很难简单使用此机械方法以达到可靠的装置性能和较高产量。
倒装芯片(Flip-chip LED)是垂直结构LED的一种普通的替代选择，而且有一个更成熟的过程，但由于元件和散热层之间的空隙(airgap)，结构具有较低的散热能力。与垂直结构LED比较，倒装芯片的安装和封装也比较昂贵。
所以，需要一种准垂直结构的发光二极管，其能够克服已知发光装置的诸多缺陷，并能够获得期望的性能要求，同时降低技术方面的挑战并获得较高的产量。
发明概述
依照本发明的一个实施例，披露了一种制作准垂直结构发光装置的方法。此方法包括提供一个生长基板；在生长基板上生长多个半导体层；蚀刻多个半导体层以产生装置隔离槽，其形成多个可分离的半导体装置和多个孔；在多个半导体层里每个孔的位置上钻孔，钻多个盲孔到蓝宝石基板里，多个盲孔被钻到一个预定深度，其中钻孔定义了盲孔壁和在每个盲孔上的一个盲孔端；在每个盲孔里沉积n-半导体金属；通过电镀一种n-电极金属在每个盲孔里形成一个n-电极触点在每个盲孔里，n-电极金属被连接到n-半导体金属；薄化蓝宝石基板以露出n-电极金属作为一个n-电极；并沉积键合金属到n-电极以便进行封装。
依照本发明的一个实施例，披露了一种制作准垂直结构发光装置的方法。此方法包括提供一个蓝宝石基板；在蓝宝石基板上生长多个半导体层，多个半导体层包括一个n-GaN层、一个活性层以及一个p-GaN层；蚀刻多个半导体层以产生装置隔离槽，该隔离槽形成多个可分离的半导体装置；蚀刻多个半导体层以在多个半导体层上提供至少一个孔，至少一个孔被蚀刻到蓝宝石基板；蚀刻一个n-台面在活性层和p-GaN层；在多个半导体层至少一个孔的位置上钻至少一个盲孔到蓝宝石基板里，至少一个蓝宝石孔被钻到一个预定深度，其中钻孔定义了至少一个盲孔的盲孔壁；沉积一个p-半导体金属在p-GaN层上；沉积一个n-半导体金属在n-GaN上；沿着盲孔壁沉积一个n-半导体金属；电镀一个n-电极金属在至少一个盲孔里；填满每个盲孔以形成一个n-电极触点；生长一个钝化层(passivationlayer)在所有的n金属上方；施加一个p-电极金属到p-半导体金属；薄化蓝宝石基板以露出n-电极触点；并沿着装置隔离槽切割以形成多个半导体装置。
依照本发明的另一个实施例，披露了一个准垂直结构发光装置。准垂直结构发光装置包括一个蓝宝石基板；在蓝宝石基板上生长的多个半导体层，多个半导体层包括一个n-GaN层、一个活性层和一个p-GaN层；被蚀刻在多个半导体层上的多个孔，每个孔被蚀刻到蓝宝石基板，以及在蓝宝石基板上的多个蓝宝石孔，每个孔与一个蓝宝石孔对齐以形成孔壁，孔壁和孔底被沉积一个n-半导体金属，并且n-半导体金属和n-GaN相连以形成一个n-电极触点；一个n-GaN被电镀一个n-电极金属，n-电极金属和n-半导体金属相连，以及一个钝化层生长在n-半导体金属上方；一个p-半导体金属层被沉积在p-GaN层上；以及一个p-电极被键合到p-半导体金属。
从以下的详细描述，其中通过附图描述本发明的实施例，本领域技术人员将容易理解本发明的其它实施例。将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围情况下，能够在各个方面对其一些细节作出改变，而形成本发明其它和不同的实施例。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分俯视图。
图2是本发明一个实施例的图1所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图3是本发明一个实施例的图1所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图4是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图5是本发明一个实施例的图4所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图6是本发明一个实施例的图4所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图7是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图8是本发明一个实施例的图7所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图9是本发明一个实施例的图7所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图10是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图11是本发明一个实施例的图10所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图12是本发明一个实施例的图10所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图13是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图14是本发明一个实施例的图13所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图15是本发明一个实施例的图13所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图16是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图17是本发明一个实施例的图16所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图18是本发明一个实施例的图16所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图19是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图20是本发明一个实施例的图19所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图21是本发明一个实施例的图19所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图22是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图23是本发明一个实施例的图22所示半导体结构在线A的截面侧视图。
图24是本发明一个实施例的图22所示半导体结构在线B的截面侧视图。
图25是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图。
图26是本发明一个实施例的图25所示半导体结构在线A的截面侧视图。
发明详述
在以下的描述里，通过描述参照附图，来显示本发明的具体实施例。将会理解，在不脱离本发明范围的情况下，对其结构和其它方面作出改变，可以有其它实施例。而且，各个实施例和每个不同实施例的各个方面可以以任何合适的方式进行组合。所以，附图和详述被看作是描述性的而非限制性的。在附图里，相同的参照码是指相同或类似的元件。
在说明书里，使用前缀“u-”是指无掺杂的或稍微掺杂的，“p-”是指p-型或正极，而“n-”是指n-型或负极。
通常，本发明实施例涉及一个准垂直结构的发光二极管(准-VLED)。依照准-VLED的一个实施例，钻一些盲孔在生长基板内，以便形成n-电极触点。所以，不需要完全去除生长基板而露出n-电极触点。图1到26描述一个制作半导体结构以用于准垂直结构发光二极管的示例过程。
依照本发明的一个实施例，本方法包括：提供一个生长基板；在生长基板上生长多个半导体层；蚀刻这多个半导体层以制作形成多个可分离的半导体装置的装置隔离槽和多个孔；通过激光或干蚀刻进行钻孔，从半导体层这一侧在蓝宝石基板上钻多个盲孔，这多个孔被钻到一个预定深度，其中钻孔确定了每个盲孔的盲孔壁；并通过诸如电子束(E-beam)或溅射沉积金属而形成到n-半导体的欧姆接触。n-半导体金属和n型半导体形成欧姆接触，并同时也覆盖这多个盲孔的区域。多个盲孔的电镀可以使用任何合适的金属，如铜或镍。设置金属电镀以电连接到n-半导体金属。接着，没有半导体层的蓝宝石基板这一侧被薄化以露出被电镀的金属。可以沉积其它金属到被电镀的金属上以用于LED封装。
现参见附图，图1是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分俯视图。该半导体结构是任何合适的半导体晶圆或基板。图2是本发明一个实施例的图1所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图3是图1所示半导体结构在线B的截面侧视图。参见图1到3，所示半导体结构包括一个蓝宝石基板110，一个无掺杂的或稍微掺杂的n-GaN层112生长在蓝宝石基板110上，一个有多个量子阱的活性层114生长在n-GaN层112上，一个p-GaN层116生长在活性层114上。使用元件隔离(mesa isolation)将半导体分割成单独的晶片118。尽管在此显示了四个单独晶片118，但图1仅仅是半导体结构的部分示意图，本发明实施例可以形成任何合适数目的晶片。也可以使用蚀刻来确定n-GaN层112、活性层114和p-GaN层116上的多个孔120。在每个晶片118内形成两个孔120，作为一个n-电极键合区域。所示孔是方形的，但根据具体元件要求的需要，也可以是任何合适的外形和位置。
现参照图4到6，图4是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图5是图4所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图6是图4所示半导体结构在线B的截面侧视图。一个n-GaN400被蚀刻到活性层114和p-GaN层118内。通过ICP(电感耦合等离子)蚀刻或任何其它合适的蚀刻方法可以蚀刻出n-GaN 400。
为了便于清晰描述，图7到26描述图1到6所述半导体结构里所示四个晶片中的一个单晶片。但是，在所述过程期间可以制作任何数目的元件。
现参照图7到9，图7是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图8是图7所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图9是图7所示半导体结构在线B的截面侧视图。形成多个蓝宝石孔700在蓝宝石层110内。在一个实施例里，蓝宝石钻孔是通过激光、干蚀刻、湿蚀刻或任何其它合适的方法进行的，在蚀刻孔120的每个位置上钻到一个预定深度。依照一个实施例，合适深度大于3um。依照另一个实施例，合适深度大于10um，依照另一个实施例，合适深度是30um。但是，这些仅是示例深度，也可以使用其它深度，主要取决于装置的具体要求。
现参照图10到12，图10是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图11是图10所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图12是图10所示半导体结构在线B的截面侧视图。沉积p-半导体金属1000在p-GaN层上。一个示例p-半导体金属是镍/金。但是，也可以使用其它合适的金属。
现参照图13到15，图13是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图14是图13所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图15是图13所示半导体结构在线B的截面侧视图。沉积n-半导体金属1300在图4到6所示的n-GaN 400处。n-半导体金属1300也沉积在多个蓝宝石孔700的孔壁上和孔端上。一个示例n-半导体金属是钛/铝/钛/金。
现参照图16到18，图16是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图17是图16所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图18是图16所示半导体结构在线B的截面侧视图。进行通孔/孔电镀以形成一个电极触点1600。通孔/孔电镀是通过化学镀或电镀或任何其它合适的方法进行而在孔内填满金属。例如，一个合适的金属是镍或铜。
现参照图19到21，图19是本发明一个实施例的半导体结构的部分平面图，图20是图19所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图21是图19所示半导体结构在线B的截面侧视图。生长一个钝化层1900以覆盖所有的n-半导体金属，从而现在仅露出p-半导体金属。依照一个实施例，钝化层是一层氧化硅(SiO2)钝化层。
现参照图22到24，图22是本发明一个实施例的半导体结构的部分俯视图，图23是图22所示半导体结构在线A的截面侧视图，而图24是图22所示半导体结构在线B的截面侧视图。作为一个主基板，一个p-电极金属2200被施加到p-半导体金属1000上，然后再薄化蓝宝石基板110。依照一个实施例，铜被键合到p-半导体金属1000。依照另一个实施例，硅被键合到p-半导体金属1000。但是，可以利用任何合适的方法施加其它导电材料。
现参照图25到26，图25是本发明一个实施例的半导体结构蓝宝石侧的部分平面图，而图26是图25所示半导体结构在线A的截面侧视图。然后，使用研磨、抛光、化学机械抛光(CMP)或其它合适的薄化方法，薄化蓝宝石基板110以露出电极触点1600。接着，露出电极触点1600以便与一个n-电极接触。如图22到24所示，半导体结构的另一侧有p-电极2200。
接着，半导体结构可以被切割成单个发光二极管。依照本发明实施例制作的准垂直结构发光二极管可以使用垂直结构LED封装，避免需要任何新的、复杂的封装过程。依照一个实施例，可以添加反光镜以反射光到装置的蓝宝石侧。也可以通过表面粗化而改善出光(Light extraction)。
本发明的实施例有许多优点优于现有技术。例如，依照一个实施例，由于在p-电极2200(其是一个良好的导热和导电体)和活性层114之间的接触面很大，p-GaN的散热和电流扩展将很好，尤其是与倒装芯片LED相比较(其有空隙而具有较小的散热能力)。而且，沿着蓝宝石孔700的孔壁，n-GaN层的欧姆接触金属可以与导电金属连接，如铜或镍。再者，n-GaN层112的欧姆触点金属(n-半导体金属1300)被连接到n-GaN层112相同侧上的n-GaN层112，同作为p-GaN层116的电极金属(p-半导体金属1000)一样。所以，完全去除蓝宝石基板110不是必需的。机械薄化的均匀度容差是由钻孔或蚀刻到蓝宝石内的深度决定，所以容差会大于完全去除蓝宝石所要求的容差。依照一个实施例，在到达活性层之前或在靠近活性层之前停止机械薄化，装置性能将不会因为机械损害而降低，从而能够提高产量。
尽管已经参照所述实施例特别显示和描述本发明，本领域技术人员将理解，可以在格式和细节上做出改变，而不会脱离本发明的精神和范围。例如，虽然已经参照GaN装置描述了本发明的实施例，但也本发明实施例可以用于氮化物基半导体、激光和任何其它合适光电装置。另外，尽管已经描述了某些示例材料和过程，但也可以使用其它合适的材料和过程。
所以，以上描述意在提供本发明的示例实施例，而本发明范围并不受所提供具体范例的限制。
Claims (28)
1.一种制作准垂直结构发光装置的方法，此方法包括：
提供一个生长基板；
在生长基板上生长多个半导体层；
蚀刻多个半导体层而产生装置隔离槽，其形成多个可分离的半导体元件和多个孔；
在多个半导体层里每个孔的位置上钻多个盲孔到蓝宝石基板内，其中钻孔确定了盲孔壁和每个盲孔上的一个盲孔端；
沉积n-半导体金属在每个盲孔里；
通过电镀一种n-电极金属在每个盲孔里，形成一个n-电极触点在每个盲孔里，n-电极金属被连接到n-半导体金属；
薄化蓝宝石基板以露出n-电极金属作为一个n-电极；和
沉积键合金属到n-电极以便进行封装。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个盲孔的深度大于3um，并且大于晶片外延层厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在电镀n-电极金属前，沉积n-半导体金属在盲孔壁上；和
填满金属到盲孔壁上以形成一个n-电极触点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中薄化蓝宝石基板的步骤包括使用一种机械薄化方法来薄化蓝宝石基板以露出n-电极触点。
5.根据权利要求3所述的方法，所述在生长基板上生长多个半导体层包括生长一个n-GaN层、一个活性层和一个p-GaN层，其中n-GaN层生长在蓝宝石基板上，活性层生长在n-GaN层上，p-GaN层生长在活性层上，
在生长多个半导体层后，还包括：
蚀刻一个n-台面；
沉积一种n-半导体金属在n-GaN层处；
沉积一种p-半导体金属在p-GaN层上；
生长一个钝化层在所有n-半导体金属上方；
施加一个p-电极到p-半导体金属；和
沿着装置隔离槽进行切割以形成多个半导体元件。
6.一种制作准垂直结构发光装置的方法，此方法包括：
提供一个蓝宝石基板；
在蓝宝石基板上生长多个半导体层，多个半导体层包括一个n-GaN层、一个活性层和一个p-GaN层，其中n-GaN层生长在蓝宝石基板上，活性层生长在n-GaN层上，p-GaN层生长在活性层上；
蚀刻多个半导体层而产生装置隔离槽，其形成多个可分离的半导体元件；
蚀刻多个半导体层以形成至少一个孔在多个半导体层里，至少一个孔被蚀刻到蓝宝石基板；
蚀刻一个n-台面在活性层和p-GaN层上；
在多个半导体层至少一个孔的位置上钻至少一个盲孔到蓝宝石基板里，其中钻孔确定了每个盲孔里的盲孔壁；
沉积一种p-半导体金属在p-GaN层上；
沉积一种n-半导体金属在n-GaN处；
沿着盲孔壁沉积一种n-半导体金属；
电镀一种n-电极金属在至少一个盲孔里，将n-电极金属填满每个盲孔以形成一个n-电极触点；
生长一个钝化层在所有n-半导体金属上方；
施加一个p-电极到p-半导体金属；
薄化蓝宝石基板以露出n-电极触点；和
沿着装置隔离槽进行切割以形成多个半导体装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个盲孔是从半导体层的生长面被钻空的。
8.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个盲孔的深度大于3um，并且大于晶片外延层厚度。
9.根据权利要求6所述的方法，其中n-电极触点是铜，至少一个盲孔是通过化学镀而被填满铜以形成n-电极触点。
10.根据权利要求6所述的方法，其中n-电极触点是铜，至少一个盲孔是通过电镀而被填满铜以形成n-电极触点。
11.根据权利要求6所述的方法，其中n-电极触点是镍，至少一个盲孔是通过化学镀而被填满镍以形成n-电极触点。
12.根据权利要求6所述的方法，其中n-电极触点是镍，至少一个盲孔是通过电镀而被填满镍以形成n-电极触点。
13.根据权利要求6所述的方法，其中p-电极金属是硅或铜。
14.根据权利要求6所述的方法，其中p-电极金属是一个较大面积的p-电极，p-电极的尺寸等于一个可分离的半导体装置。
15.根据权利要求6所述的方法，其中薄化蓝宝石基板的步骤包括使用一种机械薄化方法来薄化蓝宝石基板以露出n-电极触点。
16.根据权利要求6所述的方法，其中n-半导体金属被连接到n-GaN层同一侧上的n-GaN层，而p-半导体金属被连接到p-GaN层。
17.一种准垂直结构发光装置，包括：
一个蓝宝石基板；
生长在蓝宝石基板上的多个半导体层，这多个半导体层包括一个n-GaN层、一个活性层和一个p-GaN层，其中n-GaN层生长在蓝宝石基板上，活性层生长在n-GaN层上，p-GaN层生长在活性层上；
被蚀刻在多个半导体层里的多个孔，每个孔都被蚀刻到蓝宝石基板内，以及在蓝宝石基板里的多个蓝宝石盲孔，每个孔与一个蓝宝石盲孔对齐以形成孔壁，孔壁和孔底被沉积一个n-半导体金属，并且n-半导体金属和n-GaN相连以形成一个n-电极触点；；
一个在活性层和p-GaN层里的n-台面，n-台面被电镀一种n-电极金属，n-电极金属和n-半导体金属相连，并且一个钝化层生长在n-半导体金属上方；和
一个p-半导体金属层，被沉积在p-GaN层上，以及一个p-电极被键合到p-半导体金属。
18.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-半导体金属被连接到在n-GaN层相同侧上的n-GaN层，p-半导体金属被连接到p-GaN层。
19.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-电极触点是铜，至少一个盲孔是通过化学镀而被填满铜以形成n-电极触点。
20.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-电极触点是铜，至少一个盲孔是通过电镀而被填满铜以形成n-电极触点。
21.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-电极触点是镍，至少一个盲孔是通过化学镀而被填满镍以形成n-电极触点。
22.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-电极触点是镍，至少一个盲孔是通过电镀而被填满镍以形成n-电极触点。
23.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中p-电极是硅或铜。
24.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中p-电极是一个大面积的p-电极，p-电极的尺寸等于一个可分离的半导体装置。
25.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中p-电极是一种导电金属，其覆盖准垂直结构发光装置的整个表面。
26.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中被沉积在n-台面处的n-半导体金属被连接到沿着孔壁和孔端电镀的n-电极金属。
27.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-电极金属是在准垂直结构发光装置的发光侧。
28.根据权利要求17所述的准垂直结构发光装置，其中n-半导体金属是生长在准垂直结构发光装置的发光侧的相反一侧。
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