CN102017192B - 在发光器件内制造高反射欧姆接触的方法 - Google Patents

Abstract

一种在发光器件内制造高反射电极的制造方法。在制造过程期间，在生长衬底上制备多层半导体结构，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，第二掺杂半导体层，和/或多量子阱(MQW)有源层。该方法进一步包括下列步骤：在所述第一掺杂半导体层上形成接触辅助金属层；对所述多层结构进行退火，以激活所述第一掺杂半导体层；去除所述接触辅助金属层；在所述第一掺杂半导体上形成反射欧姆接触金属层；形成与所述反射欧姆接触金属层连接的邦定层；将所述多层结构邦定至导电衬底；去除所述生长衬底；形成与所述导电衬底连接的第一电极；以及在所述第二掺杂半导体层上形成第二电极。

Description

在发光器件内制造高反射欧姆接触的方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件的设计。更具体而言，本发明涉及一种新颖的具有高反射欧姆接触的半导体发光器件。

背景技术

期待固态照明引领下一代照明技术。高亮度发光二极管(HB-LED)从显示器件的光源到替代灯泡用于常规照明，应用的范围逐渐扩大。通常情况下，成本、能效和亮度是决定LED商业可行性的三个最主要的衡量标准。

LED产生的发光来自“夹于”受主掺杂层(p-型掺杂层)和施主掺杂层(n-型掺杂层)间的有源区。当LED被施以正向电压时，载流子，包括来自p-型掺杂层的空穴和来自n-型掺杂层的电子在有源区域内复合。在直接禁带材料中，这种在有源区域内的复合过程会释放出光子形式的能量或者是波长对应材料带隙能量的光。

依据衬底的选择和半导体层堆叠的设计，LED可形成两种结构，即横向电极结构(电极在衬底的相同侧)和垂直电极结构(电极在衬底的背面)。图1A和1B图示了这两种结构，其中图1A图示了典型的横向电极LED的剖面图，图1B则图示了典型的垂直电极LED的剖面图。图1A和1B中图示的两种LED包括衬底层102，n-型掺杂层104，多量子阱(MQW)有源层106，p-型掺杂层108，连接p-型掺杂层的p-侧电极以及连接n-型掺杂层的n-侧电极112。

垂直电极结构使器件的封装变得更容易。另外，由于电极位于器件的两侧，所以器件抗静电释放的能力更强。因此，垂直电极LED比横向电极LED具有更高的稳定性。这一点在大功率、短波长LED表现得尤为突出。

为了从大功率、高亮度的LED中有效地提取发光，人们通常采用一种p-侧电极作为高反射表面将光线反射至器件背面的倒装芯片封装技术。光反射体的存在提高了LED的光提取效率。图2图示了利用p-电极作为反射体的倒装芯片封装的垂直LED的示范性结构。图2从上至下依次图示的是n-侧电极202，n-型掺杂层204，有源层206，p-型掺杂层208，同样作为反射体的p-侧电极，以及支撑衬底212。虚线箭头表示电流方向，向上指示的短箭头表示被提取的光的方向。应注意的是，不同于激光器件内发射出的光按明确的方向被导向传播，LED内发射出的光全方向传播。因此，为提高光提取效率，有必要在器件底部设置反射体。

发明内容

本发明的一个实施例提供了在发光器件内制造高反射电极的方法。在制造过程期间，在生长衬底上制造多层半导体结构，其中，多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，第二掺杂半导体层，和/或多量子阱(MQW)有源层。该方法进一步包括下列操作：在第一掺杂半导体层上形成接触辅助金属层；对多层结构进行退火，以激活第一掺杂半导体层；去除接触辅助金属层；在第一掺杂半导体层上形成反射欧姆接触金属层；形成与反射欧姆接触层接触的键合层；将多层结构键合至导电衬底上；去除生长衬底；形成与导电衬底连接的第一电极；以及在第二掺杂半导体层上形成第二电极。

在该实施例的一个变型中，生长衬底包括由沟槽和台面组成的预定图案。

在该实施例的一个变型中，第一掺杂半导体层是p-型掺杂半导体层。

在该实施例的另一个变型中，p-型掺杂半导体层包括掺杂Mg的GaN。

在该实施例的一个变型中，接触辅助金属层包括Pt或Pt合金，其中合金包括下列材料的至少一种：Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Zn，和以及Mg。在一个实施例中，接触辅助金属层的厚度至少是60埃。

在该实施例的一个变型中，用于退火工序的温度在200℃～1000℃之间，退火工序持续大约5min且退火气氛包括下列的至少一种：N₂，O₂，大气以及真空。

在该实施例的一个变型中，去除接触辅助金属层包括化学刻蚀和/或机械研磨接触辅助层。

在该实施例的一个变型中，反射欧姆接触层的厚度至少是100埃。

在该实施例的一个变型中，有源层包括下列材料的至少一种：InGaAlN，InGaAlP和InGaAlAs。

在该实施例的一个变型中，导电衬底包括下列材料的至少一种：Si，GaAs，GaP，Cu，以及Cr。

附图说明

图1A图示了示范性横向电极LED的剖面图。

图1B图示了示范性垂直电极LED的剖面图。

图2图示了利用p-侧电极作为反射体的垂直电极LED的剖面图。

图3A图示了根据一个实施例预图案化而具有沟槽和台面的部分衬底。

图3B图示了根据一个实施例的预图案化衬底的剖面图。

图4呈示一张图表说明制造根据一个实施例的具有高反射欧姆接触的发光器件的过程。

具体实施方式

给出以下的描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且这些描述是在具体应用及其需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用到其它实施例和应用。因而，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最宽范围一致。

LED制造技术的近期发展使得GaN基III-V化合物半导体，包括AlGaN，InGaN，InGaAlN，以及GaN，应用成为短波长LED的材料。这些GaN基LED不仅将LED发射光谱延长至绿、蓝及紫外区域，而且可以达到高的光发射效率。为了提高光提取效率，要合理选择一种高反射材料作为p侧欧姆电极的接触层。

一方面，只有少数几种金属材料，如银(Ag)和铝(Al)，可以对从绿至紫外范围的光提供高反射。然而，对于Ag或Al来说，它们很难与p型掺杂GaN基化合物半导体如p-GaN，p-AlGaN，p-InGaN，以及p-InGaAlN形成良好的欧姆接触。另一方面，金属材料，如铂(Pt)，钯(Pd)，及镍/金(Ni/Au)合金，可与上述提到的p掺杂GaN半导体形成低阻抗的欧姆接触，但它们却会强烈吸收在期待光谱范围内的光线。值得注意的是，金属接触越厚，光吸收越强。一个解决的方法是在p型层上先沉积含Pt，Pd，或Ni/Au合金的金属薄层，然后再沉积银基反射金属层。为了避免过多的光吸收，Pt，Pd，或Ni/Au金属层的厚度通常小于50埃。尽管如此，当欧姆接触金属的厚度小于几十埃时，接触特性就会下降。另一个解决方法是先沉积透明氧化物层如氧化铟锡(ITO)，以形成欧姆接触，接着再沉积Ag基反射金属层。尽管如此，Ag容易被ITO氧化而形成AgO₂，反过来降低Ag层的反射性。此外，透明氧化物基欧姆接触的稳定性并不理想。

本发明的实施例提供制备高反射欧姆接触的方法。在生长衬底上制备多层半导体结构后，首先在p型层上形成接触辅助金属层，并在热退火后去除接触帮助金属层。这种退火工序有效地激活了在p型层内的p型掺杂剂。接着，去除接触辅助层后，在多层半导体结构的p型掺杂层上沉积反射欧姆接触层。在欧姆接触金属层上形成键合层，用于键合多层结构和导电衬底。随后，在导电衬底的背面形成另一个欧姆电极。这种高反射欧姆层不仅具有与p型掺杂半导体层优越的欧姆接触特性，而且对蓝光和绿光具有高的反射性。

衬底制备

为了在大面积生长衬底(如硅晶片)上生长无裂纹GaN基III-V化合物半导体多层结构，以促进高质量、低成本、短波长LED的批量生产，本发明介绍一种具有沟槽和台面的预定图案的衬底的生长方法。具有预定图案的衬底可有效地释放衬底表面和多层结构间由于晶格系数和热膨胀系数不匹配引起的在多层结构内产生的应力。

图3A图示了根据一个实施例的利用光刻和等离子刻蚀技术的具有预刻蚀图案的部分衬底的俯视图。刻蚀得到方形部分300和沟槽302.图3B通过沿着在图3A中的A-A’水平线显示根据一个实施例的预图案化衬底的剖面图，更清楚地图示了台面和沟槽的结构。如图3B所示，相交的沟槽304的边界有效地形成了独立台面结构的边界，如台面306和部分台面308和310。每个台面限定一个独立表面区域用于生长独立的半导体器件。

应注意的是，可以应用不同的光刻和刻蚀技术在半导体衬底上形成沟槽和台面。同样应注意的是，除了形成图3A中表示的方形台面300，通过改变沟槽302的图案可形成其他可供选择的几何图案。这些可供选择的图案可包括但不限于：三角形，矩形，平行四边形，六边形，圆形或其他非规则形状。

制备

图4用一个图表说明根据一个实施例的具有高反射欧姆接触的发光器件的制备过程。在步骤A中，准备好具有沟槽和台面的预制图案化生长衬底后，应用多种生长技术形成InGaAlN多层结构。这些技术可包括但不限于：金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)和/或液相外延(LPE)。LED结构可包括：衬底层402，可以是Si晶片；n型掺杂半导体层404，可是Si掺杂GaN层；有源层406，可包括五个周期的GaN/InGaNMQW结构；以及p型掺杂半导体408，可以是Mg掺杂GaN。应注意的是，p型层和n型层的生长顺序可以颠倒。

在步骤B中，在p掺杂半导体层的上部形成接触辅助金属层410。可用于形成接触辅助金属层410的金属材料包括铂(Pt)和/或Ni。接触辅助金属层410也可包括下列材料的至少一种：钌(Ru)，铹(Rh)，钯(Pd)，锇(Os)，铱(Ir)，铍(Be)，锌(Zn)，以及镁(Mg)。接触辅助金属层410可通过采用例如蒸发技术，如电子束(e-束)蒸发，或溅射技术沉积形成，也可应用其他的沉积方法形成。在一个实施例中，接触辅助金属层的厚度至少是10埃。在另一个实施例中，接触辅助层包括Pt且厚度为500埃。

在步骤C中，先对接触辅助金属层410和多层结构进行热退火，然后应用如机械研磨技术或化学刻蚀技术去除接触辅助金属层410。热退火工序激活了在p型层内的p型离子，并可在p型层和接触辅助层410之间的表面上形成半导体-金属合金薄层。用于热退火的气氛可是下列气氛的至少一种：N₂，O₂，大气，以及真空。热退火温度可在200～1000℃之间。在一个实施例中，热退火温度大约是550℃。热退火的总时间可在30s至24h之间。在一个实施例中，热退火持续大约5min。在一个实施例中，接触辅助金属层的去除是通过将多层结构浸入王水溶液中实现的。热退火后，尽管接触辅助金属层被去除，但是半导体-金属合金仍然被保留。半导体-金属合金可以帮助在随后形成的Ag(或Al)基反射层之间形成良好的欧姆接触，并且p型掺杂半导体层408不会产生过多的光吸收。此外，接触辅助金属层的形成和随后的去除可帮助提高欧姆接触的粘接性和稳定性。

在步骤D中，在p型掺杂层408的上部形成反射欧姆接触金属层412。用于形成反射欧姆接触金属层412的金属材料可包括Al，Ag，以及它们的合金。另外，为了增强它的机械稳定性，反射欧姆接触金属层可包括下列材料的至少一种：钨(W)，铜(Cu)，钛(Ti)，钽(Ta)和铬(Cr)。与接触辅助金属层410类似，反射欧姆接触金属层412可利用蒸发技术如电子束(e-束)蒸发，或溅射技术沉积，同样也可利用其他技术沉积。

可选的是在反射欧姆接触金属412形成后对其进行热退火。若进行热退火，退火温度可在200℃～1000℃之间。在一个实施例中，退火温度大约是550℃。退火期的总时间可在1～5min期间。在一个实施例中，热退火持续大约2min。退火气氛包括下列的至少一种：N₂，O₂，大气，以及真空。

在步骤E中，键合层414在反射欧姆接触金属层412的上部形成。用于形成键合层414的材料可包括金(Au)。

在步骤F中，上下倒置多层结构416，将其与支撑衬底418键合。在一个实施例中，支撑衬底418包括导电衬底层420和键合层422。键合层422可包括Au。导电衬底层420可包括下列材料的至少一种：Si，GaAs，GaP，Cu，以及Cr。

在步骤G中，通过例如机械研磨技术或是化学刻蚀技术去除生长衬底402。生长衬底402的去除使n型层404暴露。

在步骤H中，在n型层404的上部形成电极424(n侧电极)。在一个实施例中，n侧电极424包括Ni，Au，和/或Pt。n侧电极424可应用例如蒸发技术如e-束蒸发，或溅射技术形成，也可使用其他沉积技术形成。

在步骤I中，在导电衬底420的背面形成另一个电极426(p侧电极)。电极426的材料组成和形成过程可与n侧电极424相似。

本发明实施例的上述描述仅为说明和描述的目的而给出。它们并非穷尽性的，或并不旨在将本发明限制成这里所公开的形式。因而，对本领域技术人员而言，许多修改和变化是显而易见的。另外，上述公开内容并非旨在限制本发明。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (23)

1.一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括：

在生长衬底上制备多层半导体结构，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，第二掺杂半导体层，以及多量子阱(MQW)有源层；在所述第一掺杂半导体层上形成接触辅助金属层；对所述多层结构进行退火，以激活所述第一掺杂半导体层；去除所述接触辅助金属层；在所述第一掺杂半导体层上形成反射欧姆接触金属层；形成与所述反射欧姆接触层连接的键合层；将所述多层结构与导电衬底键合；形成与所述导电衬底连接的第一电极；在所述第二掺杂半导体层上形成第二电极。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述生长衬底包括由沟槽和台面组成的预定图案。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述第一掺杂半导体层是p-型掺杂半导体层。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述p-型掺杂半导体层包括掺杂Mg的GaN。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于所述接触辅助金属层包括Pt或Pd合金，其中所述合金包括下列材料中的至少一种：Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Zn，以及Mg。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于所述接触辅助金属层的厚度至少是60埃。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于用于所述接触辅助金属层退火工序的温度在200～1000℃之间，其中所述退火过程进行5min，且所述退火气氛包括下列气氛的至少一种：N₂，O₂，大气，真空以及惰性气体。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于去除所述接触辅助金属层包括化学刻蚀和/或机械研磨所述接触辅助金属层。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于所述反射欧姆接触金属层的厚度至少是100埃。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于所述有源层包括下列材料的至少一种：InGaN，InGaAlN，InGaAlP和IaGaAlAs。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于所述导电衬底包括下列材料的至少一种：Si，GaAs，GaP，Cu和Cr。

12.一种基于在发光器件内制造高反射欧姆接触的方法制造的发光器件，其包括：

在生长衬底上制造、并键合到导电衬底上的多层半导体结构，且生长衬底在键合导电衬底后被去除，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，第二掺杂半导体层，以及多量子阱(MQW)有源层；

在导电衬底上为键合层，键合层上形成有反射欧姆接触金属层，反射欧姆接触金属层上为第一掺杂半导体层，其中反射欧姆接触金属层按以下方法形成在第一掺杂半导体层上：在所述第一掺杂半导体层上形成接触辅助金属层；对所述多层结构进行退火，以激活所述第一掺杂半导体层；去除所述接触辅助金属层；在所述第一掺杂半导体层上形成反射欧姆接触金属层；

与所述导电衬底连接的第一电极；

在所述第二掺杂半导体层上形成的第二电极。

13.根据权利要求12的发光器件，其特征在于所述生长衬底包括由沟槽和台面组成的预定图案。

14.根据权利要求12的发光器件，其特征在于所述第一掺杂半导体层是p-型掺杂半导体层。

15.根据权利要求14的发光器件，其特征在于所述p-型掺杂半导体层包括掺杂Mg的GaN。

16.根据权利要求12的发光器件，其特征在于接触辅助金属层包括Pt或Pd合金，其中合金包括下列材料中的至少一种：Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Zn，以及Mg。

17.根据权利要求12的发光器件，其特征在于接触辅助金属层的厚度至少是10埃。

18.根据权利要求12的发光器件，其特征在于用于所述接触辅助金属层退火工序的温度在200～1000℃之间，其中所述退火过程进行5min，且所述退火气氛包括下列气氛的至少一种：N₂，O₂，大气，真空以及惰性气体。

19.根据权利要求12的发光器件，其特征在于去除所述接触辅助金属层包括化学刻蚀和/或机械研磨所述接触辅助金属层。

20.根据权利要求12的发光器件，其特征在于所述反射欧姆接触金属层的厚度至少是100埃。

21.根据权利要求12的发光器件，其特征在于用于所述反射欧姆金属层的退火工序的温度在200～1000℃之间，其中所述退火过程进行1min，且所述退火气氛包括下列气氛的至少一种：N₂，O₂，大气，真空以及惰性气体。

22.根据权利要求12的发光器件，其特征在于所述有源层包括下列材料的至少一种：InGaN，InGaAlN，InGaAlP和IaGaAlAs。

23.根据权利要求12的发光器件，其特征在于所述导电衬底包括下列材料的至少一种：Si，GaAs，GaP，Cu，以及Cr。

Images