CN102067346B

CN102067346B - 具有钝化层的半导体发光器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102067346B
Application number: CN2008801307823A
Authority: CN
Inventors: 江风益; 刘军林; 王立
Original assignee: Lattice Power Jiangxi Corp
Current assignee: Jingneng Optoelectronics Co ltd
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: WO2010020067A1; CN102067346A; US20110147704A1

Abstract

一种发光器件及其制造方法。该器件包括衬底，位于所述衬底上的第一掺杂半导体层，位于所述第一掺杂半导体层上的第二掺杂半导体层，以及位于所述第一和第二掺杂半导体层上的多量子阱(MQW)有源层。该器件还包括与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极和与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极。该器件进一步包括第一钝化层，其大体上覆盖了第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁，以及未被第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面。通过采用氧化技术来形成所述第一钝化层。该器件进一步包括覆盖所述第一钝化层的第二钝化层。

Description

具有钝化层的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的设计。更具体而言，本发明涉及能有效减少漏电流并且增强器件可靠性的具有两层钝化层的新颖半导体发光器件。

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)从作为显示器件的光源至替代传统照明灯泡，应用数量呈现上升趋势。一般来说，成本，效率及亮度是决定LED商业生存能力的三个最主要的参数。

LED产生的光线来自有源区，该区“夹于”受主掺杂层(p-型掺杂层)和施主掺杂层(n-型掺杂层)之间。当LED正向偏置时，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复合。在直接带隙材料中，这种复合过程释放出光子或发光形式的能量，其中发光波长对应于有源区内材料的带隙能量。

为确保LED的高效率，理想的是载流子只在有源区复合，而在其他区域如LED的横向表面不会出现复合。然而，由于LED表面上晶体结构的突然终结，所以在这些表面上可能有大量的复合中心。此外，能带隙往往在表面上收缩，导致器件边缘上的漏电流增加。

LED表面对外界环境也很敏感，这会导致额外的杂质和缺陷。环境诱使的损坏会严重降低LED的可靠性和稳定性。为使LED与诸如湿度、离子杂质、外部电场、热等等各种环境因素隔绝并保持LED的功能性和稳定性，重要的是要保持表面洁净并确保可靠的LED封装。此外，利用表面钝化来保护LED的表面也很关键。表面钝化通常包括在LED表面上沉积非反应性材料组成的薄层。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种发光器件，该器件包括衬底，位于所述衬底上的第一掺杂半导体层，位于所述第一掺杂半导体层上的第二掺杂半导体层，以及位于所述第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层。该器件还包括与第一掺杂半导体层连接的第一电极和与所述第二掺杂层连接的第二电极。该器件进一步包括第一钝化层，其大体上覆盖了所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁，以及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面。利用氧化技术所述第一钝化层形成。该器件进一步包括覆盖所述第一钝化层的第二钝化层。

在该实施例的一个变型中，所述衬底包括下列材料的至少一种：Cu，Cr，Si和SiC。

在该实施例的一个变型中，所述第一钝化层包括Ga₂O₃。

在该实施例的一个变型中，所述第二钝化层包括下列材料的至少一种：SiO_x，SiN_x或SiO_xN_y。

在该实施例的一个变型中，所述第一掺杂层是p-型掺杂半导体层。

在该实施例的一个变型中，所述第二掺杂层是n-型掺杂半导体层。

在该实施例的一个变型中，所述MQW有源层包括GaN和InGaN。

在该实施例的一个变型中，所述第一和第二掺杂层在包括沟槽和台面的预制图形的衬底上生长。

在该实施例的一个变型中，应用氧等离子体形成所述第一钝化层。

在该实施例的一个变型中，所述第二钝化层通过下列方法中的一种形成：等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)，磁控溅射沉积及电子束(e-束)蒸发。

在该实施例的一个变型中，所述第一钝化层的厚度范围为1nm至100nm，且所述第二钝化层的厚度范围为30nm至1000nm。

附图说明

图1图示了垂直电极结构LED的常规钝化方法。

图2A图示了根据本发明实施例的具有预图形化成沟槽和台面的部分衬底。

图2B图示了根据本发明一个实施例的预图形化衬底的横截面视图。

图3给出图表说明根据本发明一个实施例制备具有两个钝化层的发光器件的步骤。

具体实施方式

给出以下描述，以使得本领域技术人员可以制造并使用本发明，且这些描述是在具体应用及其需求的背景下提供的。对于本领域技术人员来说，公开实施例的许多修改是显而易见的，且在不偏离本发明精神实质和范围的前提下，这里所限定的一般原理可应用于其他实施例和应用。因此，本发明并不限于所给出的实施例，且与权利要求的最宽范围一致。

LED制造技术的最近发展使得应用GaN基Ⅲ-Ⅴ化合物半导体作为短波长LED的材料成为可能。这些GaN基LED已将LED的发射光谱拓宽至绿光，蓝光及紫外区域。应注意的是在以下讨论中，“GaN材料”可通常包括In_xGa_yAl_1-x-yN((0≤x≤1，0≤y≤1)基化合物。这种化合物可是二元，三元或四元化合物，比如GaN，InGaN和InGaAlN。

图1图示了垂直电极结构LED的常规钝化方法。该垂直电极LED包括钝化层100，n-侧(或p-侧)电极102，n-型(或p-型)掺杂半导体层104，基于多量子阱(MQW)结构的有源层106，p-型(或n-型)掺杂层108，p-侧(或n-侧)电极110，以及衬底112。

钝化层阻止不想发生的载流子在LED表面上复合。对于图1所示的垂直电极LED结构来说，表面复合趋向于发生在MQW有源层106的侧壁。然而，常规钝化方法得到的侧壁覆盖如图1所示的层100往往不理想。通常由标准薄膜沉积技术如等离子体化学汽相沉积(PECVD)和磁控溅射沉积得到的侧壁覆盖的质量差。由钝化层得到的侧壁覆盖的质量在具有更陡台阶如高于2μm的器件中更差，而对于大多数垂直电极LED来说大多如此。在这种情况下，钝化层往往含有大量的孔，这些孔能明显降低钝化层阻止表面复合的能力。增大的表面复合率反过来增加了反向漏电流的数量，导致LED效率和稳定性降低。

本发明的一个实施例提供了一种制备具有两层钝化层的GaN基LED的方法。两层钝化层能有效减少漏电流，提高LED器件的可靠性。在一个实施例中，取代只沉积单个钝化层的做法，在LED外部表面上沉积两个钝化层(第一钝化层，它包括Ga₂O₃组成的薄层，以及第二钙化层，它可是常规钝化层)。第一Ga₂O₃钝化层的存在加宽了GaN表面上的能带隙，并因此有效地阻止漏电流。

衬底制备

为了在常规大面积衬底(如Si晶片)上生长无裂纹多层InGaAlN结构，推动高质量，低成本，短波长LED的大量生产，介绍一种预图形化衬底并使其具有沟槽和台面的生长方法。预图形化衬底成沟槽和台面能有效释放多层结构内由衬底表面和多层结构之间晶格系数和热膨胀系数不匹配造成的应力。

图2A图示了根据本发明一个实施例的利用光刻和等离子刻蚀技术具有预刻蚀图形的一部分衬底的顶视图。正方形台面200和沟槽202是刻蚀的结果。图2B通过图示根据本发明一个实施例的沿着图2A中水平线AA’的预制图形衬底的横截面视图，更加清楚地图示了台面和沟槽的结构。正如图2B所示，沟槽204的侧壁有效地形成了隔离台面结构的侧壁，如台面206，及部分台面208和210。每个台面限定一个独立表面区域用于生长单个的半导体器件。

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如图2A所示的正方形台面200外，通过改变沟槽202的图形可形成其他任选几何形状。这些任选几何形状中的一些可包括但不限于：三角形，矩形，平行四边形，六边形，圆形或其他不规则形状。

制备具有两个钝化层的发光器件

图3给出图表说明根据本发明一个实施例制备具有两个钝化层的发光器件的步骤。在步骤A中，制备预制图形化成沟槽和台面的衬底后，利用多种生长技术可形成InGaAlN多层结构。多种生长技术可包括但不是限于金属有机化学汽相沉积(MOCVD)。制成的LED结构可包括衬底302，可以是Si晶片；n-型掺杂半导体层304，可是Si掺杂GaN层；有源层306，可以是GaN/InGaAlN MQW结构；以及p-型掺杂半导体层308，可是Mg掺杂GaN层。应注意的是p-型层和n-型层之间的生长顺序可颠倒。

在步骤B中，金属层310在多层结构312上沉积，以形成欧姆接触。如果金属层310与p-型掺杂材料连接，那么金属层310就是p-侧欧姆接触金属层。p-侧欧姆接触层310可包括几种类型的金属，如镍(Ni)，金(Au)，铂(Pt)以及它们的合金。p-侧欧姆接触金属310可利用蒸发技术如电子束(e-束)蒸发沉积。

在步骤C中，多层结构312被倒置并与支撑导电结构314邦定。应注意的是在一个实施例中，支撑导电结构314包括支撑衬底316和邦定层318。此外，邦定金属层可在p-侧欧姆接触金属层310上沉积以方便邦定步骤。支撑衬底层316是导电的，且可包括硅(Si)、铜(Cu)、碳化硅(SiC)、铬(Cr)以及其他材料。邦定层318可包括金(Au)。图3D图示了邦定后多层结构的横截面视图。

邦定后，在步骤E中，衬底302被剥离。能用于衬底层302剥离的技术可包括但不限于：机械打磨，干法刻蚀，化学刻蚀以及上述技术的结合。在一个实施中，应用化学刻蚀技术可实现衬底302的剥离，其包括将多层结构浸入一种基于氢氟酸、硝酸及乙酸的溶液中。应注意的是，可选的是支撑衬底层在这种化学刻蚀中受到保护。

在步骤F中，去除多层结构的边缘，以减少表面复合中心并确保贯穿整个器件的高材料质量。然而，如果生长程序能保证多层结构良好的边缘质量，那么这种边缘去除可以是非必需的。

在步骤G中，第一钝化层320形成并覆盖多层结构的上表面和侧壁。在一个实施例中，第一钝化层可包括Ga₂O₃，且是利用氧化技术形成的，例如，氧等离子体可被应用于氧化GaN材料以形成第一钝化层。因为第一钝化层320是通过化学反应形成，所以由于氧化过程中形成了强的化学键，使得界面上摇摆键的数量大大的减少。同样地，因为Ga₂O₃材料大约5ev的带隙宽大于GaN材料大约3.5ev的带隙宽，所以在GaN表面上的Ga₂O₃材料薄层将会引起GaN表面上带隙加宽。因此，第一钝化的形成能有效减少漏电流。第一钝化层的厚度在几纳米至几十纳米之间。

在步骤H中，对第一钝化层320光刻图形化及刻蚀之后，欧姆电极322在n-型掺杂半导体层的暴露区域上形成。n-侧欧姆电极322的材料组成和形成过程与p-侧欧姆接触金属层310相似。

在步骤I中，第二钝化层324沉积并覆盖多层表面的上表面及侧壁。可用于形成第二钝化层324的材料可包括但不限于：氧化硅(SiO_x)，氮化硅(SiN_x)以及氧氮化硅(SiO_xN_y)。多种薄膜沉积技术如PECVD和磁控溅射沉积可用于沉积第二钝化层324。第二钝化层的厚度范围为30nm至1000nm。在本发明的一个实施例中，第二钝化层的厚度大约是200nm。

在步骤J中，对第二钝化层324进行光刻图形化和刻蚀，以暴露n-侧欧姆电极322，p-侧电极326在支撑衬底316的背面形成。

本发明上述实施例的描述只为说明和描述的目的给出。它们并非穷尽性的，或是将本发明限于所公开的形式。因而，对于本领域技术人员来说许多修改和变化是显而易见的。因此，上述公开并非旨在限制本发明。本发明的范围由其所附权利要求限定。

Claims

1.一种半导体发光器件，它包括：

衬底；

位于所述衬底上的第一掺杂半导体层；

位于所述第一掺杂半导体层上的第二掺杂半导体层；

位于所述第一和第二掺杂半导体层之间的MQW(多量子阱)有源层；以及

与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极；

与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极；

第一钝化层，其覆盖所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁，以及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面，其中所述第一钝化层应用氧化技术形成；以及

覆盖所述第一钝化层的第二钝化层。

2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述衬底包括下列材料的至少一种：Cu，Cr，Si和SiC。

3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一钝化层包括Ga₂O₃。

4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第二钝化层包括下列材料的至少一种：氧化硅(SiO_x)，氮化硅(SiN_x)以及氧氮化硅(SiO_xN_y)。

5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一掺杂半导体层是p-型掺杂半导体层。

6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第二掺杂半导体层是n-型掺杂半导体层。

7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述MQW有源层包括GaN和InGaN。

8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一和第二掺杂半导体层在具有沟槽和台面组成的预制图形的衬底上生长。

9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一钝化层通过应用氧等离子体形成。

10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第二钝化层通过下列方法的至少一种形成：等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)，磁控溅射沉积，或电子束(e-束)蒸发。

11.根据权利要求1的所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一钝化层的厚度范围为1nm至100nm，且其中所述第二钝化层的厚度范围为30nm至1000nm。

12.一种制备半导体发光器件的方法，该方法包括：

在第一衬底上生长多层半导体结构，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，MQW有源层，以及第二掺杂半导体层；

形成与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极；

将所述多层结构邦定至第二衬底；

剥离所述第一衬底；

形成第一钝化层，其覆盖所述多层结构的上表面和侧壁，其中所述第一钝化层是应用氧化技术形成的；

形成与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极；以及

形成覆盖所述第一钝化层的第二钝化层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中第二衬底包括下列材料的至少一种：Cu，Cr，Si以及SiC。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一钝化层包括Ga₂O₃。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第二钝化层包括下列材料的至少一种：氧化硅(SiO_x)，氮化硅(SiN_x)以及氧氮化硅(SiO_xN_y)。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一掺杂半导体层是p-型掺杂半导体层。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第二掺杂半导体层是n-型掺杂半导体层。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述MQW有源层包括GaN和InGaN。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述多层半导体结构在具有沟槽和台面组成的预制图形的衬底上生长。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一钝化层通过应用氧等离子体形成。

21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第二钝化层通过下列方法的至少一种形成：等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)，磁控溅射沉积，或电子束(e-束)蒸发。

22.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一钝化层的厚度范围为1nm至100nm，且其中所述第二钝化层的厚度范围为30nm至1000nm。