CN102106007B - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体发光器件。根据实施例的半导体发光器件包括：第二电极层；第二电极层的一侧下面的包括多个化合物半导体层的发光单元；第二电极层的另一侧下面的第一绝缘层；第一绝缘层下面的包括多个化合物半导体层的静电保护单元；第一电极层，该第一电极层将发光单元电气地连接到静电保护单元；以及布线层，该布线层将静电保护单元电气地连接到第二电极层。

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和用于制造半导体发光器件的方法。
背景技术
III-V族氮化物半导体已经被不同地应用为包括蓝色/绿色发光二极管(LED)的光学器件、诸如金属半导体场效应晶体管(MOSFET)、异质结场效晶体管(HEMT)等等的高速切换器件、以及照明和显示设备的光源等等。特别地，使用III族氮化物半导体的发光器件能够执行高效率的发光，具有对应于从可见光到紫外线的区域的直接跃迁型带隙。
氮化物半导体已经被主要地用作发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)，并且已经继续用于改进制造工艺或者光学效率的研究。
发明内容
技术问题
实施例提供一种半导体发光器件，该半导体发光器件包括发光单元，该发光单元包括多个化合物半导体层；和静电保护单元。
实施例提供一种半导体发光器件，其中，发光单元和静电保护单元包括相同的半导体层结构。
实施例提供一种半导体发光器件，该半导体发光器件能够加强发光单元的ESD(静电放电)抗扰度(immunity)。
技术方案
实施例提供一种半导体发光器件，包括：第二电极层；第二电极层的一侧下的发光单元，该发光单元包括多个化合物半导体层；第二电极层的另一侧下的第一绝缘层；第一绝缘层下的静电保护单元，该静电保护单元包括多个化合物半导体层；第一电极层，该第一电极层将发光单元电气地连接到静电保护单元；以及布线层，该布线层将静电保护单元电气地连接到第二电极层。
实施例提供一种半导体发光器件，包括：第二电极层，该第二电极层包括反射金属；第二电极层的下表面的外围上的第一绝缘层；第二电极层的内侧下的发光单元，该发光单元包括多个化合物半导体层，第一绝缘层下的静电保护单元，该静电保护单元包括多个化合物半导体层；第一电极层，该第一电极层将发光单元电气地连接到静电保护单元；以及布线层，该布线层将静电保护单元电气地连接到第二电极层。
实施例提供一种用于制造半导体发光器件的方法，包括：在衬底上形成第一导电类型半导体层、有源层、以及第二导电类型半导体层；在第二导电类型半导体层的内侧和外侧上形成第一接触层和第二接触层；在第二导电类型半导体层上的外围上形成第一绝缘层；在第一接触层和第一绝缘层上形成第二电极层；分离衬底；通过蚀刻第一导电类型半导体层、有源层、以及第二导电类型半导体层将发光单元与静电保护单元分离；以及将发光单元和静电保护单元并行地连接到第二电极层。
有益效果
实施例能够提供具有强ESD抗扰度的半导体发光器件。
实施例能够提供具有静电保护单元的垂直半导体发光器件。
实施例能够实现垂直半导体发光器件的电气可靠性。
附图说明
结合附图，在下述详细描述中将会更加完全地描述本发明的优选实施例的这些和其它的目的、特征、以及优点。在附图中：
图1是示出根据实施例的半导体发光器件的侧面横截面图；
图2是示出图1的保护装置和发光器件的操作特性的图；以及
图3至图12是示出根据实施例的半导体发光器件的制造工艺的图。
具体实施方式
现在详细地参考本公开的实施例，在附图中示出其示例。
在下面的描述中，将会理解的是，当层或者膜被称为是在另一层或者衬底“上”时，它可以直接地在另一层或者衬底上，或者也可以存在中间层。此外，将会理解的是，当层被称为在另一层“下“时，它可以直接地在另一层下，并且也可以存在一个或者多个中间层。另外，还将会理解的是，当层被称为是在两个层“之间”时，它可以是两个层之间唯一的层，或者也可以存在一个或者多个中间层。
图1是示出根据实施例的半导体发光器件的侧面横截面图，并且图2是示出图1的操作特性的图。
参考图1，半导体发光器件100包括发光单元101、静电保护单元103、第二电极层160、导电支撑构件170、第一电极层180、以及布线层182。
半导体发光器件100包括使用III-V族化合物半导体的LED(发光二极管)，其中LED可以是发射具有蓝色、绿色或者红色等等的光的彩色LED，或者UV LED。在实施例的技术范围内可以不同地实现从LED发射的光。
发光单元101和静电保护单元103包括使用III-V族化合物半导体的多个半导体层。而且，发光单元101和静电保护单元103形成为具有相同的半导体层结构。
发光单元101包括第一导电类型半导体层110、第一有源层120、以及第二导电类型半导体层130。静电保护单元103包括第三导电类型半导体层112、第二有源层122、以及第四导电类型半导体层132。
第一导电类型半导体层110由与第三导电类型半导体层112相同的半导体材料形成。第一有源层120由与第二有源层122相同的半导体材料形成。第二导电类型半导体层130由与第四导电类型半导体层132相同的半导体材料形成。
可以从被掺杂有第一导电掺杂物的III-V族化合物半导体，例如，GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、以及AlGaInP等等选择第一导电类型半导体层110和第三导电类型半导体层112。当第一导电类型是N型半导体层时，第一导电类型掺杂物包括诸如Si、Ge、Sn、Se、以及Te等等的N型掺杂物。第一导电类型半导体层110和第三导电类型半导体层112可以形成为单层或者多层，并且它们不限于此。
粗糙图案可以形成在第一导电类型半导体层110的下表面上。
第一有源层120形成在第一导电类型半导体层110上，并且第二有源层122形成在第三导电类型半导体层112上。
第一有源层120和第二有源层122可以形成为具有单量子阱结构或者多量子阱结构。第一和第二有源层120和122可以形成为具有使用III-V族化合物半导体材料的阱层/阻挡层的周期，例如，具有InGaN阱层/GaN阻挡层的周期。
导电包覆层可以形成在第一有源层120和第二有源层122上和/或下面，其中导电包覆层可以形成为AlGaN基半导体。
第二导电类型半导体层130形成在第一有源层120上，并且第四导电类型半导体层132形成在第二有源层122上。
可以从被掺杂有第二导电掺杂物的III-V族化合物半导体，例如，GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、以及AlGaInP等等选择第二导电类型半导体层130和第四导电类型半导体层132。当第二导电类型是P型半导体层时，第二导电类型掺杂物包括诸如Mg和Ze等等的P型掺杂物。第二导电类型半导体层130和第四导电类型半导体层132可以形成为单层或者多层，并且它们不限于此。
第三导电类型半导体层，例如，N型半导体层或者P型半导体层，可以形成在第二导电类型半导体层130上。第三导电类型半导体层，例如，N型半导体层或者P型半导体层可以形成在第四导电类型半导体层132上。
在这里，第一和第三导电类型半导体层110和112可以形成为P型半导体，并且第二和第四导电类型半导体层130和132可以形成为N型半导体。因此，发光单元101和静电保护单元103可以包括N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构、以及P-N-P结结构中的至少一个。
同时，第一电极层180形成在第一导电类型半导体层110下面。第一电极层180可以形成为预定的图案，并且它不限于此。第一电极层180的一端180A被连接到第一导电类型半导体层110的下部，并且第一电极层180的另一端180B被连接到静电保护单元103的第二接触层152。
布线层182形成在第三导电类型半导体层112中，其中布线层182可以形成为预定的布线图案。
布线层182的一端182A被连接到第三导电类型半导体层112的下部，并且其另一端182B直接地或者间接地接触到导电支撑构件170。
第二电极层160形成在发光单元101和静电保护单元102上，并且导电支撑构件170形成在第二电极层160上。
第二电极层160可以由Al、Ag、Pd、Rh以及Pt中的至少一个、50％或者更大的反射率的金属材料等等，或者其合金形成，并且导电支撑构件170可以被实施为铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜钨(Cu-W)、载具晶圆(例如：Si、Ge、GaAs、ZnO、以及SiC等等)。可以使用电沉积方法形成导电支撑构件170，但是它不限于此。
第二电极层160和导电支撑构件170可以被定义为提供第二极性的电力的第二电极单元，并且第二电极单元可以由单层或者多层的电极材料形成，或者可以使用粘合剂附着。
第一绝缘层140形成在第二电极层160的下表面的外围上。第一绝缘层140可以形成为带形、环形、以及框架形中的任何一种形状。第一绝缘层140可以允许在第二电极层160和发光单元101之间隔开一定间隔。第一绝缘层140可以由诸如SiO2、Si3N4、Al2O3、以及TiO2等等的绝缘材料形成。静电保护单元103可以被布置在第一绝缘层140的另一侧下面。
第一接触层150可以形成在发光单元101的第二导电类型半导体层130和第二电极层160之间，并且第二接触层152可以形成在静电保护单元103的第四导电类型半导体层132和第一绝缘层140之间。
第一接触层150和第二接触层152可以由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-GaZnO)、IrOx、RuOx、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf、金属氧化物和由其选择性组合组成的材料选择性地形成。第一接触层150和第第二接触层152形成为欧姆接触特性，使得能够提高电气特性。
第一接触层150和/或第二接触层152可以形成为层或者多个图案，并且在实施例的技术范围内可以进行不同的修改。而且，可以不形成第一接触层150。
第一绝缘层140形成在第二接触层152上以允许其与第二电极层160电气地隔开。
第一电极层180将第一导电类型半导体层110电气地连接到第二接触层152。在这样的情况下，第二绝缘层125防止发光单元101的层间短路。第二绝缘层125形成在发光单元101的各层110、120、以及130和第一电极层180之间，从而防止通过第一电极层180的发光单元101的层间短路。
布线层182允许电气地连接在静电保护单元103的第三导电类型半导体层112和第二电极层160之间。在这样的情况下，第三绝缘层127防止静电保护单元103的层间短路。第三绝缘层127形成在静电保护单元103的各层112、122以及132之间，从而防止通过布线层182的静电保护单元103的层间短路。
第一绝缘层140、第二绝缘层125、以及第三绝缘层可以分别形成为具有大约0.1至2μm的厚度，并且它们不限于此。
静电保护单元103基于第二电极层160并行地连接到发光单元101，使得能够保护发光单元101。在这里，在半导体发光器件100中，静电保护单元103可以形成为具有小于50％的尺寸。
发光单元101和静电保护单元103被隔开并且被集成在半导体发光器件100中，使得能够针对ESD保护发光单元101。
如果通过第一电极层180和导电支撑构件170提供正向偏置，那么半导体发光器件100在如图2中所示的LED区域中操作。而且，如果施加诸如ESD(静电放电)的异常电压，那么静电保护单元103在如图2中所示的齐纳区域中操作，从而保护发光单元101。在这里，如果静电保护单元103的尺寸增加，那么齐纳区域的保护特性移向M1方向，从而使得能够针对5KV或者更大的ESD保护发光单元100。
实施例能够提供具有静电保护单元并且具有强ESD抗扰度的垂直半导体发光器件，使得能够改进垂直半导体发光器件的电气可靠性。
图3至图12是示出根据实施例的半导体发光器件的制造工艺的图。
参考图3和图4，衬底105被加载为生长设备。通过电子束蒸镀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体激光沉积(PLD)、复合型热蒸镀、溅射、以及金属有机化学气相沉积(MOCVD)等等可以形成生长设备，但是其不限于此。
可以使用II至VI族化合物半导体在衬底105上形成多个半导体层。
第一导电类型半导体层110形成在衬底105上，第一有源层120形成在第一导电类型半导体层110上，并且第二导电类型半导体层130形成在第一有源层120上。
可以从由蓝宝石衬底(Al2O3)、GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、InP、Ga2O3、绝缘衬底、导电衬底、以及GaAs等等组成的组选择衬底105。不均匀图案可以形成在衬底105的上表面上。而且，使用II-VI族化合物半导体的层，例如，缓冲层和/或未掺杂的半导体层也可以形成在衬底105上。
从被掺杂有第一导电掺杂物的III-V族化合物半导体，例如，GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、以及AlGaInP等等可以选择第一导电类型半导体层110。当第一导电类型是N型半导体层时，第一导电类型掺杂物包括诸如Si、Ge、Sn、Se、以及Te等等的N型掺杂物。第一导电类型半导体层110可以形成为单层或者多层，并且它不限于此。
第一有源层120形成在第一导电类型半导体层110上，其中第一有源层120可以形成为具有单量子阱结构或者多量子阱结构。
第一有源层120可以形成为具有使用III-V族化合物半导体材料的阱层/阻挡层的周期，例如，具有InGaN阱层/GaN阻挡层的周期。
导电包覆层可以形成在第一有源层120上和/或下面，其中导电包覆层可以形成为AlGaN基半导体。
第二导电类型半导体层130形成在第一有源层120上，其中可以从被掺杂有第二导电掺杂物的III-V族化合物半导体，例如，GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、以及AlGaInP等等选择第二导电类型半导体层130。当第二导电类型是P型半导体层时，第二导电类型掺杂物包括诸如Mg和Ze等等的P型掺杂物。第二导电类型半导体层130可以形成为单层或者多层，但是它不限于此。
第三导电类型半导体层，例如，N型半导体层或者P型半导体层，可以形成在第二导电类型半导体层130上。
在这里，第一导电类型半导体层110可以形成为P型半导体，并且第二导电类型半导体层130可以形成为N型半导体。因此，N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构、以及P-N-P结结构中的至少任何一个可以形成在衬底105上。
第一接触层150形成在第二导电类型半导体层130上的一个区域上，并且第二接触层152形成在其上的另一区域上。可以不形成第一接触层150。
第一和第二接触层150和152可以由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-GaZnO)、IrOx、RuOx、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf、金属氧化物、以及由其选择性组合组成的材料选择性地形成。第一接触层150和第二接触层152形成为欧姆接触特性，使得能够提高电气特性。
第一接触层150和/或第二接触层152可以形成为层或者图案，并且在实施例的技术范围内可以不同地修改。而且，可以不形成第一接触层150。
参考图5，第一绝缘层140形成在第二导电类型半导体层130的上表面的外围上。第一绝缘层140可以由诸如SiO2、Si3N4、Al2O3、以及TiO2等等的绝缘材料形成，并且具有0.1至2μm的厚度。
第一绝缘层140形成在除了第一接触层140之外的区域上，从而密封第二接触层140。
参考图6和图7，第二电极层160形成在第一绝缘层140和第一接触层150上。第二电极层160可以由Al、Ag、Pd、Rh、以及Pt中的至少一个、50％或者更大的反射率的金属材料、或者其合金等等形成。
导电支撑构件170形成在第二电极层160上，其中导电支撑构件170可以实施为铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜钨(Cu-W)、载具晶圆(例如，Si、Ge、GaAs、ZnO、以及SiC等等)。
参考图7和图8，在导电支撑构件170被放置为基底之后，衬底105被移除。使用物理和/或化学方法可以移除衬底105。通过物理方法，通过激光剥离(LLO)工艺来移除衬底105。换言之，使用将具有预定的区域中的波长的激光发射到衬底105的方法(LLO：激光剥离)来分离衬底105。通过化学方法，当任何半导体层(例如：缓冲层)形成在衬底105和第一导电类型半导体层110之间时，可以通过使用湿法蚀刻方法移除缓冲层来分离衬底。可以在其衬底105被移除的第一导电类型半导体层110上执行感应耦合等离子体/反应离子蚀刻(ICP/RIE)中的抛光工艺。
粗糙图案可以形成在第一导电类型半导体层110的下表面上，但是它不限于此。
第一接触层150加强第二导电类型半导体层130和导电支撑构件170之间的粘附力，从而保护半导体发光器件免受外部冲击。因此，能够提高半导体发光器件的电气可靠性。
参考图9，在导电支撑构件170放置为基底之后，形成通过从第一导电类型半导体层110到第二导电类型半导体层130进行蚀刻来电气地分离的静电保护单元103和发光单元101。换言之，通过在发光单元101和静电保护单元103之间的边界区域和芯片的外围上执行湿法和/或干法蚀刻工艺将第一导电类型半导体层110、第一有源层120、以及第二导电类型半导体层130的结构分成两个区域。
因此，第三导电类型半导体层112与第一导电类型半导体层110分离，第二有源层122与第一有源层120分离，并且第四导电类型半导体层132与第二导电类型半导体层130分离。第二接触层152被布置在静电保护层103的第四导电类型半导体层132上。
参考图10，形成从第一绝缘层140的下表面暴露到反射电极层160或者导电支撑构件170的部分的布线凹槽145。布线凹槽145形成在静电保护单元103的另一侧上以与第二接触层152隔开。
参考图11和图12，第二绝缘层125形成在发光单元101的各层110、120、以及130的另一侧上。第二绝缘层125形成在发光单元101的外侧上以防止发光单元101的各层110、120、以及130之间的短路。
第三绝缘层127形成在静电保护单元103的各层112、122、以及132的另一侧上。第三绝缘层127形成在静电保护单元103的外侧上，并且使得能够防止静电保护单元103的各层112、122、以及132之间的短路。
第二绝缘层125和第三绝缘层127可以选择性地使用第一绝缘层140的材料，并且具有大约0.1至2μm的厚度。
第一电极层180将发光单元101电气地连接到静电保护单元103，并且布线层182将静电保护单元103电气地连接到导电支撑构件170。
第一电极层180的一端180A被连接到第一导电类型半导体层110，并且其另一端180B被连接到静电保护单元103的第二接触层152。布线层182的一端182A被连接到第三导电类型半导体层112，并且其另一端182B被连接到第二电极层160和/或导电支撑构件170。第二电极层125被布置在第一电极层180下面，并且第三绝缘层127被布置在布线层182下面。
如图12中所示，发光单元101形成在半导体发光器件100的一侧上，并且静电保护单元103形成在其另一侧上。静电保护单元103基于第二电极层160并行地连接到发光单元101。
发光单元101和静电保护单元103共同地连接到第一电极层180，并且静电保护单元103通过布线层182共同地连接到导电支撑构件170。因此，可以通过第一电极层180和导电支撑构件170提供电力。
而且，异常电压，例如，ESD经过静电保护单元103，使得能够保护发光单元101。
实施例能够提供具有静电保护单元和强ESD抗扰度的垂直半导体发光器件，使得能够提高垂直半导体发光器件的电气可靠性。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例，但是应该理解，本领域的技术人员可以想到许多落入本公开的原理的范围和精神内的其它修改和实施例。更加具体地，在本公开、附图和所附权利要求书的范围内，主题组合布置的组成部件和/或布置的各种变化和修改都是可能的。除了组成部件和/或布置的变化和修改之外，对于本领域的技术人员来说，替代使用也将是显而易见的。
工艺实用性
实施例能够提供诸如LED的半导体发光器件。
实施例能够提高半导体发光器件的电气可靠性。
实施例能够提高半导体发光器件的光学效率。
实施例能够将封装半导体发光器件的光源应用于照明领域、指示领域、以及显示领域等等。

Claims (9)

1.一种半导体发光器件，包括：
第二电极层；
在所述第二电极层上的导电支撑构件；
所述第二电极层的一部分下的发光单元，所述发光单元包括多个化合物半导体层；
所述第二电极层的另一侧下的第一绝缘层；
所述第一绝缘层下的静电保护单元，所述静电保护单元包括多个化合物半导体层；
第一电极层，所述第一电极层将所述发光单元电气地连接到所述静电保护单元；以及
布线层，所述布线层将所述静电保护单元电气地连接到所述第二电极层，
其中所述发光单元包括所述第二电极层下的第二导电类型半导体层；所述第二导电类型半导体层下的第一有源层；以及所述第一有源层下的第一导电类型半导体层，并且
其中所述静电保护单元包括所述第一绝缘层下的第四导电类型半导体层；所述第四导电类型半导体层下的第二有源层；以及所述第二有源层下的第三导电类型半导体层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述第一电极层被电气地连接在所述发光单元的第一导电类型半导体层和所述静电保护单元的第四导电类型半导体层之间。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述布线层被电气地连接在所述静电保护单元的第三导电类型半导体层和所述第二电极层之间。
4.根据权利要求2所述的半导体发光器件，包括：
所述第一电极层和所述发光单元的半导体层之间的第二绝缘层，和所述布线层和所述静电保护单元的半导体层之间的第三绝缘层。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述第二电极层由Al、Ag、Pd、Rh以及Pt中的至少一个形成。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，包括：
第一接触层，所述第一接触层形成在所述发光单元的第二导电类型半导体层和所述第二电极层之间；和所述静电保护单元的第四导电类型半导体层下的第二接触层，所述第二接触层被电气地连接到所述第一电极层。
7.一种半导体发光器件，包括：
第二电极层，所述第二电极层包括反射金属；
所述第二电极层的下表面的外围上的第一绝缘层；
所述第二电极层的内侧下的发光单元，所述发光单元包括多个化合物半导体层，
所述第一绝缘层下的静电保护单元，所述静电保护单元包括多个化合物半导体层；
第一电极层，所述第一电极层将所述发光单元电气地连接到所述静电保护单元；以及
布线层，所述布线层将所述静电保护单元电气地连接到所述第二电极层，
其中所述发光单元和所述静电保护单元包括P型半导体层、所述P型半导体层下的有源层、以及所述有源层下的N型半导体层，并且
其中所述第一电极层将所述发光单元的N型半导体层连接到所述静电保护单元的P型半导体层，并且所述布线层将所述静电保护单元的N型半导体层连接到所述第二电极层。
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中所述静电保护单元形成为具有小于所述第二电极层下面的区域的50%的尺寸。
9.根据权利要求7所述的半导体发光器件，包括：
所述发光单元和所述第二电极层之间的第一接触层；和
所述静电保护单元和所述第一绝缘层之间的第二接触层，
其中所述第一接触层和所述第二接触层由ITO、IZO（In-ZnO）、GZO（Ga-ZnO）、AZO（Al-ZnO）、AGZO（Al-Ga ZnO）、IGZO（In-GaZnO）、IrOx、RuOx、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf、金属氧化物和由其选择性组合组成的材料选择性地形成。
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