CN101681959A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种半导体发光器件及其制造方法。所述半导体发光器件包括：发光结构，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层下方的有源层和在所述有源层下方的第二导电型半导体层；在所述发光结构下方的反射电极层；和在所述反射电极层的外周处的外保护层。

Description

半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
III-V族氮化物半导体已经广泛用于光学器件，例如蓝/绿LED(发光二极管)、高速开关装置例如MOSFET(金属半导体场效应晶体管)和HEMT(异质结场效应晶体管)、照明光源或显示设备等。特别地，采用III族氮化物半导体的发光器件具有对应于可见光至紫外线范围的直接过渡型带隙，并可以实现高效发光。
氮化物半导体已主要用作LED或LD(激光二极管)，并且已对改善制造工艺或光效率进行了研究。
发明内容
技术问题
一些实施方案提供了一种能够在空间上隔离各层的具有发光结构的半导体发光器件及其制造方法。
一些实施方案提供了一种在发光结构和导电支撑衬底之间的外周处具有外保护层并且还移除所述发光结构外周的半导体发光器件及其制造方法。
技术方案
一个实施方案提供一种半导体发光器件，包括：发光结构，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层下方的有源层和在所述有源层下方的第二导电型半导体层；在所述发光结构下方的反射电极层；和在所述反射电极层的外周处的外保护层。
一个实施方案提供一种半导体发光器件，包括：发光结构，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层下方的有源层、在所述有源层下方的第二导电型半导体层和在每个所述层的外周处的外沟槽；和在所述发光结构下方的反射电极层。
一个实施方案提供一种制造半导体发光器件的方法，包括：在晶片衬底上形成发光结构，所述发光结构至少包括堆叠的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；在所述第二导电型半导体层的外周处形成外保护层；和在所述第二导电型半导体层和所述外保护层上形成反射电极层。
有益效果
根据一些实施方案，在发光结构外侧处不形成诸如电介质的材料的情况下，可以降低因电介质在发光结构外侧处的接触所引起的应力。
根据一些实施方案，在在发光结构外侧处不形成电介质的情况下，可以改善发光器件的制造工艺。
根据一些实施方案，可以改善发光器件的可靠性。
附图说明
图1是根据一个实施方案的半导体发光器件的截面图。
图2～11是根据一个实施方案的半导体发光器件制造方法的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据实施方案的半导体发光器件及其制造方法。在下面的说明中，当一个层(或膜)被称为在另一层上/下方时，其描述是参照附图进行的。每层的厚度可以作为一个实施例描述，而不限于附图的厚度。
图1是根据一个实施方案的半导体发光器件的截面图。
参照图1，半导体发光器件100包括第一导电型半导体层102、有源层103、第二导电型半导体层104、外保护层107、反射电极层108、导电支撑衬底110和第一电极112。
第一导电型半导体层102可利用n型半导体层实现，而n型半导体层可利用III-V族化合物半导体由至少一个层形成。n型半导体层可由GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种形成，并用n型掺杂剂掺杂。n型掺杂剂包括IV族元素，例如Si、Ge、Sn、Se和Te。
有源层103形成在第一导电型半导体层102下方。有源层103形成为具有单量子阱结构或多量子阱结构。有源层103包括例如交替的由InGaN形成的量子阱层和由GaN形成的量子势垒层。在此，InxGa1-xN量子阱层在0≤x≤1的范围内调节。可以在有源层103的上/下方形成p型/n型包覆层。
第二导电型半导体层104形成在有源层103下方。第二导电型半导体层104可利用至少一个p型半导体层实现，并用p型掺杂剂掺杂。p型半导体层可由化合物半导体如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、和AlInN中的一种形成。p型掺杂剂包括II族元素，例如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba。
第一型导电半导体层102、有源层103和第二导电型半导体层104的结构可以定义为发光结构105。
可在第二导电型半导体层104下方形成透明层(未显示)。透明电极层可由诸如ITO、ZnO、IrOx、RuOx和NiO的材料中的一种形成。在半导体发光器件100中，第一导电型半导体102利用n型半导体层实现，第二导电型半导体103利用p型半导体层实现，反之亦然。此外，在第二导电型半导体层103下方形成n型半导体层或p型半导体层。因此，可利用n-p结结构、p-n结结构、n-p-n结结构和p-n-p结结构中的一种来实现半导体发光器件100。
此外，半导体发光器件100的每个层都是利用III-V族元素的化合物半导体，并可应用于GaN系列半导体、GaAs系列半导体、InGaAlP系列半导体和AlGaAs系列半导体。
此外，反射电极层108形成在第二导电型半导体层104下方，导电支撑衬底110形成在反射电极层108下方。在此，反射电极层108用作p型电极，并且该p型电极成为欧姆接触以向第二导电型半导体层104稳定地供应电流。在此，反射电极层108可由具有Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf及其组合中的一种的单层或多层形成。导电支撑衬底110可由铜或金形成。反射电极层108和导电支撑衬底110的材料可以不同，并且不限于上述材料。
第一电极112形成在第一导电型半导体层102上。由于导电支撑衬底110和反射电极层108用作第二电极，所以可实现直立型半导体发光器件。
此外，外保护层107形成在反射电极层108的外侧上。外保护层107可形成为具有在反射电极层108外侧和第二导电型半导体层104之间的框架形式。在此，反射电极层108可形成为具有相同的接触导电支撑衬底110的面积以获得电效率。
外保护层107可由化合物半导体如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种形成，并且还可由掺杂n型掺杂剂、p型掺杂剂或没有掺杂掺杂剂(即未掺杂的半导体层，例如，未掺杂的GaN层)的层形成。此外，外保护层107可由与第二导电型半导体层104相同的材料形成，并且可被包含作为第二导电型半导体层104的结构。
外保护层107可与金属材料如导电支撑衬底110或反射电极层108绝缘，从而可以改善发光结构105的电可靠性。而且，由于外保护层107由III-V族化合物半导体形成，所以可降低因接触第二导电型半导体层104引起的应力。
第一导电型半导体层102、有源层103、第二导电型半导体层104的外侧蚀刻成框架形式。也就是说，发光结构105包括在层102、103和104的每一层的外周区域被蚀刻处的外沟槽106。外沟槽106通过使发光结构105的外壁向内侧移动而用作缓冲器。
此外，由于可以不在外沟槽106上形成额外的电介质，所以可以消除因绝缘材料引起的限制，并且即使使用多个小时，在发光结构105的各层102、103和104处也不会发生电短路。也就是说，可以不必通过在发光结构105外侧形成额外的电介质(例如SiO2、环氧树脂等)来防止层间短路。
如果在发光结构105外侧形成电介质(例如SiO2、环氧树脂等)，则电介质可能受热数小时，使得在老化期间出现热膨胀或应力。因此，在电介质处会出现收缩或裂纹。因此，不可能正常地起到保护发光结构105外侧的作用。
根据该实施方案，因为外沟槽106形成为开放式结构，而没有在发光结构105外侧形成电介质，所以可以实现进一步改善的效果。也就是说，设置在发光结构105外侧下方的外保护层107防止因老化或热膨胀造成的在反射电极层108或导电支撑衬底110处的金属杂质膨胀。此外，因为发光结构105外壁设置得比外沟槽106更靠内侧，所以可以防止因金属杂质引起的发光结构105的层间短路。
外保护层107可形成为具有预定厚度T1(例如5000至500μm)和宽度W1(例如，20μm至600μm)。外保护层107的厚度T1或宽度W1可根据芯片尺寸而变化，因此不仅限于此。
发光结构105的外沟槽106深度为暴露出第二导电型半导体层104的深度D1或暴露出外保护层107的深度D2。
此外，发光结构105的外沟槽106的宽度W2形成为具有相对于发光结构105的电特性而言的最小值(例如，10μm至500μm)。在此，宽度W2满足W2＜W1。
图2～11是根据一个实施方案的半导体发光器件制造方法的视图。
参照图2和3，在晶片衬底101上形成第一导电型半导体层102，在第一导电型半导体层102上形成有源层103，在有源层103上形成第二导电型半导体层104。
在此，在晶片衬底101上通过利用电子束蒸发器、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体激光沉积(PLD)、双型热蒸发器、溅射或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长氮化物薄层，但不限于此。在下文中，为了便于描述，描述了其中使用MOCVD来生长氮化物薄层的一个实施例。
晶片衬底101可以使用蓝宝石(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP和Ge中的至少一种，并且可由具有导电特性的衬底形成。可以在晶片衬底101和第一导电型半导体层102之间形成缓冲层和未掺杂半导体层(未显示)中的至少一种。
参照图3，第一导电型半导体层102可利用n型半导体层实现，n型半导体层可利用III-V族化合物半导体由至少一个层形成。n型半导体层可包含GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种，并掺杂n型掺杂剂。n型掺杂剂包括IV元素，例如Si、Ge、Sn、Se和Te。
在第一导电型半导体层102上形成有源层103。有源层103形成为具有单量子阱结构或多量子阱结构。有源层103包括交替的InGaN量子阱层和GaN量子势垒层。在此，InxGa1-xN量子阱层可在0≤x≤1的范围内调节。可以在有源层103的上/下方形成p型/n型包覆层。
在有源层103上形成第二导电型半导体层104。第二导电型半导体层104可利用至少一层的p型半导体层实现，并掺杂p型掺杂剂。p型半导体层可包括化合物半导体如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种，p型掺杂剂包括II族元素，例如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba。
第一导电型半导体层102、有源层103和第二导电型半导体层104的结构可以定义为发光结构105。此外，透明电极层(未显示)可由诸如ITO、ZnO、IrOx、RuOx和NiO的材料中的一种形成。
在半导体发光器件105中，第一型导电半导体102利用n型半导体层实现，第二导电型半导体103利用p型半导体层实现，反之亦然。此外，可以在第二导电型半导体层104上形成透明电极、n型半导体层或p型半导体层。因此，半导体发光器件105可利用n-p结结构、p-n结结构、n-p-n结结构和p-n-p结结构中的一种来实现。
参照图3和4，在第二导电型半导体层104的中心区域A1的表面上形成氧化物层图案109。氧化层图案可由SiO2、SiOx、SiNx和SiOxNy中的一种形成。
在第二导电型半导体层104的外侧区域A2的表面上形成外保护层107。外保护层107可由包含化合物半导体如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种的单层或多层形成。外保护层107还可由掺杂n型掺杂剂、p型掺杂剂或没有掺杂剂(即，未掺杂的半导体层，例如未掺杂的GaN层)的层形成。此外，如果外保护层107掺杂p型掺杂剂，则其由与第二导电型半导体层104相同的材料形成。
如果外保护层107是未掺杂的GaN层，则可以通过在800℃至1000℃的生长温度下供应NH3和TMGa或TEGa来获得预定厚度T1。
在一个芯片中，外保护层107的宽度W1为20μm至600μm，并且其厚度T1为5000至500μm。外保护层107的宽度W1和厚度T1可根据芯片尺寸而变化。
一旦形成外保护层107，则移除第二导电型半导体层104的中心区域A1上形成的氧化物层图案109。也就是说，可以通过湿蚀刻和干蚀刻移除氧化物层图案109。
图5是图4的晶片衬底的平面图。
参照图5，在晶片衬底101上形成第二导电型半导体层104和外保护层107。外保护层107形成在每个芯片100A的除第二导电型半导体层104的中心区域A1之外的整个区域上，并且第二导电型半导体层104的外侧区域在每个芯片100A的边界L1和L2处具有框架形式。
参照图6，在第二导电型半导体层104和外保护层107上形成反射电极层108。在此，反射电极层108用作p型电极，并且p型电极成为欧姆接触以向第二导电型半导体层104稳定地供给电流。在此，反射电极108层可由具有Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf及其组合中的一种的单层或多层形成。导电支撑衬底110可由铜或金形成。反射电极层108和导电支撑衬底110的材料可以变化，并且不限于上述材料。
参照图7和8，利用物理和/或化学移除方法除去置于第一导电型半导体层102下方的晶片衬底101。例如，可以通过激光剥离(LLO)进行晶片衬底101的移除。也就是说，当在晶片衬底101上投射预定波长的激光时，热能集中在晶片衬底101和第一导电型半导体层102之间的边界上，使得晶片衬底101分离。
在此，当在晶片衬底101和第一导电型半导体层102之间形成缓冲层或/和未掺杂半导体层(未显示)时，将湿蚀刻剂注入待移除的特定层处。因此，可以分离晶片衬底101。
可在移除晶片衬底101处的第一导电型半导体层102的底部上通过感应耦合等离子体/反应离子蚀刻(ICP/RCE)实施抛光工艺。
参照图9，当导电支撑衬底110设置在发光结构105下方时，第一导电型半导体层102设置在最上层上。
在发光结构105的外侧区域处形成外沟槽106。外沟槽106利用台面蚀刻法形成为从第一导电型半导体层102的外侧区域至第二导电型半导体层104的预定深度处。在此，台面蚀刻法可通过干蚀刻法或湿蚀刻法来执行。
外沟槽106被蚀刻为具有暴露出第二导电型半导体层104的深度D1或暴露出外保护层107的深度D2。因此，外沟槽106形成为从第一导电型半导体层102的外侧区域至第二导电型半导体层104的预定深度。因此，防止了发光结构105的各中间层发生电短路。外沟槽106的宽度W2为10μm至500μm，其小于外保护层107的宽度W1。外沟槽106的宽度W2可根据芯片尺寸而变化。
图10是图9的平面图。
参照图10，外沟槽106在每个芯片100A的外侧区域处形成为框架形式。由于外沟槽106在芯片的外侧区域和边界区域处形成为具有预定深度D2，所以其可在分离各个芯片100A时使用。
参照图11，在第一导电型半导体层102上形成第一电极112。此外，可以在第一导电型半导体层102上形成第一电极112和透明电极(未显示)中的至少其一。
在说明书中，应该理解的是，当一个层(或膜)被称为在另一层上或下方时，它可以直接或间接位于所述另一层的上方或下方。
在本说明书中任意提及的一个实施方案、实施方案、示例性实施方案等是指在本发明的至少一个实施方案中包含关于实施方案所描述的特定特征、结构或特性。说明书中各位置处出现的这类短语不一定都是指相同的实施方案。此外，当结合任意实施方案描述特定特征、结构或特性时，实现与一些实施方案的其它特征、结构或特性相关的这些特征、结构或特性也在本领域技术人员所预见的范围内。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施方案描述了一些实施方案，但是应当理解，可由本领域的技术人员想到的多个其它改进方案和实施方案也落在本公开原理的精神和范围内。更具体地，可以对本公开、附图和所附权利要求范围内的主题组合布置的组成部件和/或布置进行各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置的变化和修改之外，对于本领域的技术人员而言，替代使用也是显而易见的。
工业实用性
根据一些实施方案，在发光结构外侧处不形成诸如电介质的材料的情况下，可以降低因发光结构外侧处的电介质接触所引起的应力。
根据一些实施方案，在在发光结构外侧处不形成诸如电介质的材料的情况下，可以改善发光器件的制造工艺。
根据一些实施方案，可以改善发光器件的可靠性。

Claims (20)

1.一种半导体发光器件，包括：
发光结构，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层下方的有源层和在所述有源层下方的第二导电型半导体层；
在所述发光结构下方的反射电极层；和
在所述反射电极层的外周处的外保护层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述外保护层包含与所述第二导电型半导体层相同的半导体材料。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述外保护层形成为在所述反射电极层的外侧顶部和所述第二导电型半导体层之间具有框架形式。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述外保护层包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的至少一种，并且掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述外保护层包括未掺杂的GaN层。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述发光结构包括从所述第一导电型半导体层至所述第二导电型半导体层的外周处的外沟槽。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述外沟槽形成为具有从所述第一导电型半导体层至暴露出所述外保护层或所述第二导电型半导体层的一部分的深度处的深度。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述第一导电型半导体层包括n型半导体层，所述第二导电型半导体层包括p型半导体层。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，包括：在所述反射电极层下方的导电支撑衬底；和在所述第一导电型半导体层上的第一电极和透明电极中的至少其一。
10.一种半导体发光器件，包括：
发光结构，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层下方的有源层、在所述有源层下方的第二导电型半导体层和在每个所述层的外周处的外沟槽；和
在所述发光结构下方的反射电极层。
11.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述第二导电型半导体层的外侧底部形成为在所述反射电极层的外周处具有框架形式。
12.根据权利要求10所述的半导体发光器件，包括在所述反射电极层的外周处具有框架形式的外保护层。
13.根据权利要求12所述的半导体发光器件，其中所述具有框架形式的外沟槽的宽度小于所述外保护层的宽度。
14.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述第二导电型半导体层的中心区域和外周区域分别具有不同的厚度。
15.根据权利要求12所述的半导体发光器件，其中所述外保护层的宽度为20μm至600μm，所述外保护层的厚度为
Figure A2008800151920003C1
至500μm。
16.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述外沟槽的宽度为10μm至500μm。
17.根据权利要求10所述的半导体发光器件，包括在所述第二导电型半导体层下方的n型半导体层或p型半导体层。
18.一种制造半导体发光器件的方法，所述方法包括：
在晶片衬底上形成发光结构，所述发光结构至少包括顺序堆叠的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；
在所述第二导电型半导体层上的外周处形成外保护层；和
在所述第二导电型半导体层和所述外保护层上形成反射电极层。
19.根据权利要求18所述的方法，包括：
移除所述晶片衬底；
在将所述反射电极层定位在基体上之后，通过蚀刻所述发光结构的外周来形成外沟槽；和
在所述第一导电型半导体层上形成第一电极。
20.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述外保护层包括：
在所述第二导电型半导体层的中心区域上形成氧化物层图案；和
在所述氧化物层图案的外周处形成所述外保护层之后移除所述氧化物层图案，在所述反射电极层上形成导电支撑衬底。
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