CN102714255A - 具有薄n型区域的III-V族发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种器件包含半导体结构，该半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III族氮化物发光层。透明导电非III族氮化物材料布置成直接接触n型区域。发光层和透明导电非III族氮化物材料之间的半导体材料的总厚度小于1微米。
Description
技术领域
本发明涉及具有连接到n型区域的透明导电氧化物的III-V族发光器件。
背景技术
包含发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边发射激光器的半导体发光器件属于当前可获得的最高效光源。在制造能够跨过可见光谱工作的高亮度发光器件中当前感兴趣的材料系统包含III-V族半导体，特别是也称为III族氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。典型地，通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适衬底上外延生长不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制作III族氮化物发光器件。该叠层经常包含形成于衬底上的掺杂有例如Si的一个或多个n型层，形成于一个或多个n型层上的有源区域中的一个或多个发光层，以及形成于有源区域上的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电学接触形成于n和p型区域上。
由于原生III族氮化物生长衬底一般是昂贵的，不是广泛可获得的，并且对于商业器件的生长是不切实际的，III族氮化物器件经常生长在蓝宝石(Al2O3)、SiC或Si衬底上。这种非原生衬底具有与生长在衬底上的III族氮化物器件层的体晶格常数不同的晶格常数，与器件层不同的热膨胀系数以及不同的化学和结构性能，从而导致器件层中的应变以及器件层和衬底之间的化学和结构失配。厚层的生长会减小器件的产出，并且需要额外的源材料，这会增加器件的成本。如果器件层生长得过厚，应变会通过产生裂缝来释放，这会负面地影响器件性能。
当III族氮化物器件按照传统生长在Al2O3上时，生长在衬底上的第一个结构一般是面内a晶格常数为约3.189?或更小的GaN模板层。GaN模板用作发光区域的晶格常数模板，这是因为它设置生长在模板层上的所有应变层(包含InGaN发光层)的晶格常数。由于InGaN的体晶格常数大于传统GaN模板的面内晶格常数，发光层在生长在传统GaN模板上时受到压应变。例如，配置成发射约450nm的光的发光层可以具有组成In0.16Ga0.84N，该组成的体晶格常数为3.242?，相比之下GaN的晶格常数为3.189?。当发光层中的InN组成增大时，如设计成在更长的波长发射光的器件中那样，发光层中的压应变也增大。
已经提出若干种用于减小发光层中的应变的方法。
题为“III-nitride light emitting devices grown on templates to reduce strain”且通过引用结合于此的US2008/0153192教导了在设计成减小器件中(特别是发光层中)的应变的模板上生长包含III族氮化物器件的发光层的器件层。模板生长在诸如蓝宝石的传统衬底上。
题为“Substrate for growing a III-V light emitting device”并且通过引用结合于此的US2007/0072324教导了在复合衬底上生长III族氮化物器件，该复合衬底包含主体衬底、种子层以及将主体键合到种子层的键合层。主体衬底为复合衬底并且为生长在复合衬底上的半导体器件层提供机械支持。种子层通常为单晶材料，其与器件层合理地接近晶格匹配。利用这种衬底，有可能使晶格常数增大超过GaN，这种情况下生长在这些模板上的器件层一般含有In。In的结合从能量角度不是有利的并且InGaN的生长缓慢。厚InGaN层因此在商业上是不可行的。
现有技术中需要的是不要求厚n型区域的器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有薄n型区域的器件。
在本发明的各实施例中，一种器件包含半导体结构，该半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III族氮化物发光层。透明导电非III族氮化物材料布置成直接接触n型区域。发光层和透明导电非III族氮化物材料之间的半导体材料的总厚度小于1微米。
附图说明
图1说明生长在衬底上的器件层。
图2说明在图1的结构中形成的沟槽。
图3说明键合到底座的图2的结构。图3进一步说明移除图2的结构的生长衬底。
图4说明用电介质填充的图3的结构的沟槽。
图5说明在图4的结构上形成的透明导电材料和各n接触。
图6说明生长在复合衬底上的器件层，种子层形成于各区域中，沟槽分离所述区域。
图7说明键合到中间衬底的图6的结构。
图8说明在复合生长衬底的主体衬底被移除之后的图7的结构。
图9说明在种子层被移除之后的图8的结构。
图10说明在露出的半导体表面上形成透明导电层之后的图9的结构。
图11说明在键合到光学元件以及移除中间衬底之后的图10的结构。
图12说明在移除任何剩下的键合层以露出p接触的表面之后的图11的结构。
图13说明图12的一区域，其具有按倒装芯片构造形成的接触。
具体实施方式
在按照传统生长在蓝宝石衬底上的倒装芯片器件中，p接触形成于在器件中生长的最后的p型层的表面上，随后平台被蚀刻形成以露出n接触形成于其上的n型区域的一部分。p接触典型地覆盖比n接触大得多的区域，因为电流更容易扩展通过n型III族氮化物材料。n接触典型地形成于n型GaN层上。在传统III族氮化物倒装芯片器件中，n型GaN层必须是足够厚的且具有足够导电性，从而提供例如小于20?/平方的低薄层电阻。
如此处所使用，给定的层具有体晶格常数abulk，其对应于组成与该层相同的自支撑材料的晶格常数；以及面内晶格常数ain-plane，其对应于在实际器件结构中生长的该层的晶格常数。在器件层生长在模板(该模板增大发光区域中的面内晶格常数以减小发光区域中的应变)上的器件(此处从节约语言的角度称为“应变减小的”器件)中，由模板设置的面内晶格常数一般大于GaN的体晶格常数。结果，生长在这种模板上的GaN受张应力。结合在应变减小的器件中的任何GaN层的厚度必须被限制以避免产生裂缝，其中产生裂缝会降低器件的效率或者导致器件失效。在一些实施例中，这样的n型GaN层无法在应变减小的器件中不产生裂缝的情况下被生长：该n型GaN层是足够厚的，从而提供充分电流扩展以作为n接触形成于其上的n型层)。
体晶格常数比GaN大的InGaN可以生长在应变减小的模板上，受到压应力或者受到比GaN小的张应力，并且因而InGaN(而不是GaN)经常被用作应变减小的器件的n型接触层。在要求电流从n接触扩展的器件设计中生长足够厚的InGaN层从而作为n接触层是过分地耗时的并且因此是昂贵的。这种电流扩展InGaN层可以是例如厚至少2微米。
在本发明的一些实施例中，应变减小的III族氮化物器件上的接触形成和布置成使得不要求电流在厚n型区域中扩展。n型区域因此可以制成薄于在电流扩展通过n型区域的器件中的情形。
图1-5说明形成具有薄n型区域的垂直器件。
在图1中，包含n型区域12、发光区域14和p型区域16的器件层生长在衬底10上。衬底可以是例如下述其中之一：如US2008/0153192中所描述的生长在诸如蓝宝石的生长衬底上的模板；诸如US2007/0072324中所描述的复合衬底，例如键合到蓝宝石主体的InGaN种子层；或者蓝宝石、SiC或Si衬底。
n型区域12可包含不同组成和掺杂剂浓度的多个层，所述多个层例如包含：诸如缓冲层或成核层的准备层，其可以是n型或者非故意掺杂的；释放层，其设计成促进复合衬底的稍后释放或者在衬底移除之后半导体结构的减薄；以及n或者甚至p型器件层，其针对发光区域高效地发射光所期望的具体光学或电学性质而设计。在一些实施例中，n型区域厚度小于1微米。在一些实施例中，n型区域厚度小于0.5微米。在一些实施例中，n型区域包含至少一个InGaN层。在一些实施例中，n型区域仅仅包含InGaN。在一些实施例中，n型区域的面内晶格常数大于生长在蓝宝石上的GaN的面内晶格常数，或者n型区域的面内晶格常数大于3.186?。
发光或有源区域14生长在n型区域12上。合适的发光区域的示例包含单个厚或薄的发光层，或者包含由垒层分离的多个薄或厚的量子阱发光层的多量子阱发光区域。例如，多量子阱发光区域可包含由垒分离的多个发光层，每个发光层厚度为25?或更小，每个垒厚度为100?或更小。在一些实施例中，器件中每个发光层的厚度大于50?。
p型区域16生长在发光区域14上。与n型区域类似，p型区域可包含不同组成、厚度和掺杂剂浓度的多个层，所述多个层包含非故意掺杂的层或n型层。
p接触18形成于p型区域16的顶表面上。p接触18可包含诸如银的反射层。p接触18可包含其它可选的层，诸如欧姆接触层和保护层，该保护层包含例如钛和/或钨。在一些实施例中，p接触18从与稍后形成的n接触对准的区域被移除，从而防止在直接位于p和n接触之间的发光区域中生成光，因为在接触之间生成的光很可能被吸收。诸如电阻性材料的电流阻挡结构(未示于图1)可以在这些区域中形成。
在图2中，沟槽22形成于器件中。沟槽穿过III族氮化物材料的整个厚度向下延伸到衬底10的非III族氮化物层。在沟槽22形成之后，可选的键合层20布置在p接触18的表面上。键合层24也可以布置在沟槽22内。键合层20和24例如可以是诸如NiAu的金属。沟槽22的宽度可以例如介于10-30μm。在一些实施例中，沟槽22形成LED的晶片上单独LED的边界并且依据期望管芯尺寸分隔开，例如分隔开0.2至2mm，经常分隔开介于0.5至1mm。沟槽22可以限制由如以下参考图3所描述的激光熔化以移除衬底10的全部或部分而引起的损伤。
在图3中，器件被键合到底座26。可选的键合层28可以形成于底座26上。半导体结构可以经由一个或多个键合层20和28键合到底座26。底座26可以是例如Si、Ge、金属或陶瓷。键合层28例如可以是诸如NiAu的金属。
在半导体结构键合到底座26之后，生长衬底10可以被移除。例如，通过激光熔化在与蓝宝石衬底的界面处的III族氮化物或其它层，可以移除蓝宝石生长衬底或者为复合衬底的一部分的蓝宝石主体衬底。可以使用适合于正被移除的衬底的诸如蚀刻的其它技术或者诸如研磨的机械技术。诸如衬底的部分(例如复合衬底的种子层)或者生长在非III族氮化物生长衬底上的晶格常数扩展模板的一个或多个半导体层可以保留成为器件的一部分，不过它们也可以被移除。如果沟槽22中的键合层24不被移除衬底的同一工艺所移除，残余的诸如NiAu的键合层材料可以通过例如湿法蚀刻被移除。
在一些实施例中，在移除全部或部分的衬底10之后，半导体结构例如通过光电化学(PEC)蚀刻被减薄。半导体结构的露出的表面(经常为n型区域12的表面)可以例如通过粗糙化或者通过形成光子晶体而被纹理化。
在图4中，沟槽22诸如用电介质材料部分或全部填充，该电介质材料例如为通过等离子体增强化学气相沉积形成的硅的氮化物。电介质层也可以形成于通过移除衬底10而露出的n型区域12的表面上，随后被图案化使得电介质仅仅保留在覆盖沟槽22的区域32中。
在图5中，透明导电材料34布置在n型区域12的露出的表面上。在一些实施例中，透明导电材料34为诸如氧化铟锡(ITO)的氧化物。透明导电材料34可以通过例如电子束蒸发、溅射、旋涂或沉淀来沉积。透明导电材料34的厚度可以是例如0.5至1.5μm，取决于n型器件层的厚度和掺杂以及透明导电材料的化学计量。例如，更厚的透明导电材料层可以形成于薄或未重掺杂的n型区域上，或者是该透明导电材料导电性不是很强时。ITO的备选方案包含铝掺杂的ZnO(AZO)、ZnO、镁掺杂的ZnO(MZO)、镓掺杂的ZnO(GZO)、铝掺杂的MZO(AMZO)、ZnO掺杂的氧化铟(ZIO)以及镓掺杂的MZO(GMZO)。透明导电材料34形成为足够厚以在n型区域12中扩展电流，但是足够薄使得它基本上不吸收由发光区域发射的光。与氧化物区域32对准的沟槽36通过传统图案化步骤形成于透明导电材料34中。金属n接触38形成于透明导电材料34上。沟槽36和22电学隔离半导体材料和透明导电材料34的相邻区域，这允许在单独区域的晶片被划片之前测试单独区域。
在生长衬底通过蚀刻被移除的实施例中，诸如在硅生长衬底的情形中，在生长衬底被移除之后而不是之前，沟槽22可以形成于外延层中，如图2和3中说明。在这些实施例中，沟槽22可以在透明导电材料34形成之后形成。
光通过透明导电材料34从图5说明的结构被提取。底座26以及底座26和p接触18之间的任何键合层可以是导电的，使得电流通过底座26被供应到p接触18。发光区域14和透明导电材料34之间的半导体材料的总厚度在一些实施例中可以不大于1微米的厚度，在一些实施例中不大于0.8微米的厚度，以及在一些实施例中不大于0.5微米的厚度。在一些实施例中，透明导电材料34和p接触18之间的整个半导体结构为InGaN。
对于给定III族氮化物材料，用?/平方表达的薄层电阻为厚度和掺杂的函数。n型区域12的薄层电阻在一些实施例中可以大于90?/平方以及在一些实施例中可以大于80?/平方。n型区域12和透明导电材料24的组合在一些实施例中可以具有小于70?/平方的薄层电阻，并且在一些实施例中可以具有小于60?/平方的薄层电阻。相比之下，在具有厚GaN n型区域的传统III族氮化物器件中，n型区域的薄层电阻约为40?/平方。
图6-12说明形成薄n型区域键合到诸如发光陶瓷的光学元件的器件。图6-12中描述的材料和处理步骤可以与如上文在图1-5中所描述的相同，并且反之亦然。
图6说明形成在组复合衬底10上的n型区域12、发光区域14和p型区域16。复合衬底10包含诸如例如蓝宝石的主体衬底40；诸如例如分别为硅的氮化物和硅的氧化物的键合层42和44；以及诸如例如InN组成不大于8%的InGaN的种子层46。如例如通过引用结合于此的美国专利申请No.12/236,853中所述，种子层可以形成在区域或岛中。种子层在一些实施例中厚度可以例如介于500?和2000?，并且在一些实施例中厚度可以约为1000?。器件层12、14和16在与水平生长相比有利于垂直生长的条件下生长，使得半导体区域之间的沟槽47被维持。在一些实施例中，n型区域12是厚度介于0.2和0.5微米的InGaN区域，发光区域14是厚度约为1000?的多量子阱有源区域，以及p型区域16是厚度约为1000?的InGaN层。
在图7中，p接触18形成于p型区域16上，随后被图案化以移除布置在半导体材料的区域的侧壁上的p接触材料。一些p接触材料可以保留在半导体材料的区域之间的沟槽47的底部。在一些实施例中，该区域的侧壁上的不良质量的半导体材料同时被移除。诸如硅的氧化物的键合材料48布置在p接触18上以及半导体材料的区域之间的沟槽47中。键合材料48可以可选地通过例如化学机械抛光被抛光。半导体结构键合到中间衬底52，该中间衬底52可以是例如蓝宝石，或者热膨胀系数合理地接近匹配主体40的任何其它合适衬底。可选的键合层50可以形成在中间衬底52上，该键合层例如可以是硅的氧化物。
在图8中，图6的主体衬底40以及键合层42和44通过适合于移除具体主体衬底材料的技术被移除。例如，蓝宝石主体可以通过激光熔化被移除。
在图9中种子层46通过适合用于移除具体种子层材料的技术被移除。例如，InGaN或其它III族氮化物种子层可以通过PEC蚀刻或化学机械抛光(CMP)被移除。半导体结构可以可选地被减薄，并且露出的表面可以可选地被纹理化。半导体材料的岛之间的沟槽47中的任何p接触材料也可以被移除。
在图10中，透明导电材料34形成于露出的n型区域12上。透明导电材料34例如可以是诸如ITO的透明导电氧化物。例如硅的氧化物的可选键合层54诸如可以形成于透明导电材料34上，随后可选地通过例如化学机械抛光被抛光。
在图11中，透明导电材料34被键合到光学元件56。可选的键合层58可以形成于光学元件56上。光学元件可以是例如透镜或者也称为陶瓷磷光体的发光陶瓷。发光陶瓷可以是形成于陶瓷中的磷光体。发光陶瓷吸收由发光区域发射的波长的光并且发射不同波长的光。发光陶瓷在通过引用结合于此的美国专利7,361,938中被更详细地描述。在键合到光学元件56之后，中间衬底52可以通过适合于衬底材料的技术被移除。例如，蓝宝石中间衬底可以通过激光剥离被移除。
图7、10和11所示的键合层48、50、54和58例如可以是诸如硅树脂的有机材料或者诸如氧化硅的无机材料。不要求所有键合层是同一材料。在一些实施例中，形成键合的两个键合层均为硅的氧化物。氧化物-氧化物键合可以被采用从而连接平面或者非平面的表面。为了形成氧化物-氧化物键合，在两个结构之间应用压力。也可以应用热量。在一些实施例中，键合层48、50、54和58可以是Si、Al、B、P、Zn、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb、Bi、Ti、W、Mg、Ca、K、Ni、Y、Zr、Hf、Nd和Ta的氧化物、氮化物、碳化物或氟化物，或者从例如Hoya、Ohara、Schott、CDGM、Hikari、Sumita和Corning可商业上获得的合适的玻璃。
在图12中，任何剩下的键合层，诸如键合层50和键合层48，可以被移除以露出p接触的顶表面。
图13说明图12的区域的其中之一。接触布置成倒装芯片取向。在图13的器件中，当p接触材料从区域的侧壁被移除时，如上文参考图7所描述，各区域之间的沟槽47在同一蚀刻步骤中被加宽以容纳n接触60。n接触形成于沟槽47中与透明导电材料34电学接触。电流通过透明导电材料34从n接触60扩展到n型区域12。
在图13说明的器件中，光通过光学元件56从器件被提取。单个LED可包含单个区域或多个区域。
图13中说明的LED被键合到底座。互连形成于p接触18和n接触60上，随后器件通过该互连被连接到底座。互连可以是任何合适的材料，诸如焊料或其它金属，并且可包含材料的多个层。在一些实施例中，互连包含至少一个金层，并且LED和底座之间的键合通过超声键合形成。
在超声键合期间，LED管芯置于底座上。键合头置于LED管芯的顶表面上，例如置于光学元件56的顶表面上。键合头连接到超声换能器。超声换能器可以是例如锆钛酸铅(PZT)层的叠层。当电压在致使系统和谐共振的频率被应用到换能器时(该频率经常为几十或几百kHz量级的频率)，换能器开始振动，这进而致使键合头和LED管芯振动，振动的振幅经常为微米量级。振动致使LED上的结构(诸如n和p接触或者形成于n和p接触上的互连)的金属晶格中的原子与底座上的结构互扩散，从而形成冶金学上连续的结。在键合期间可以添加热量和/或压力。
一种或多种波长转换材料可以布置在图5的透明导电层34上或者图13的光学元件56上。(多种)波长转换材料可以是例如布置在诸如硅树脂或环氧树脂的透明材料中并且通过丝网印刷或模版印刷沉积在LED上的一种或多种粉末磷光体，通过电泳沉积形成的一种或多种粉末磷光体，或者胶合或键合到LED的一种或多种陶瓷磷光体，一种或多种染料，或者上述波长转换层的任何组合。波长转换材料可以形成为使得由发光区域发射的光的一部分不被波长转换材料转换。在一些示例中，未被转换的光为蓝色并且经转换的光为黄色、绿色和/或红色，使得从器件发射的未被转换和经转换的光的组合看上去为白色。
在一些实施例中，偏振器、二向色滤波器或者本领域中已知的其它光学器件形成于图5的透明导电层34上或者图13的光学元件56上。
在上文说明的器件中，不需要例如厚度为至少2微米的厚n型区域，因为电流通过诸如透明导电氧化物的非III族氮化物透明导电材料扩展。由于透明导电氧化物一般不如III族氮化物材料那么透明，在不需要透明导电非III族氮化物材料用于电流扩展的器件中，诸如在具有厚n型区域的器件中，包含透明导电非III族氮化物材料会降低器件的光输出。
本发明已经被详细描述，本领域技术人员将理解，鉴于当前公开内容，可以对本发明进行调整而不背离此处描述的发明构思的精神。例如，尽管上述实施例描述III族氮化物器件，在本发明各实施例中可以使用由其它材料系统制成的器件，例如，诸如III族磷化物或III族砷化物器件的其它III-V族器件，或者II-VI族器件。因此，本发明的范围不打算限于所说明和描述的特定实施例。
Claims (13)
1. 一种器件包括：
半导体结构，其包括布置在n型区域和p型区域之间的III-V族发光层；以及
与该n型区域直接接触的透明导电非III族氮化物材料。
2. 如权利要求1所述的器件，其中发光层和透明导电非III族氮化物材料之间的半导体材料的总厚度小于1微米。
3. 如权利要求1所述的器件，其中透明导电非III族氮化物材料为氧化物。
4. 如权利要求1所述的器件，其中发光层和透明导电非III族氮化物材料之间的半导体材料的总厚度为InGaN。
5. 如权利要求1所述的器件，其中发光层和透明导电非III族氮化物材料之间的半导体材料的面内晶格常数大于3.186?。
6. 如权利要求1所述的器件，进一步包括布置在p型区域的表面上的反射金属p接触，所述p型区域的表面为半导体结构的与透明导电非III族氮化物材料相对的表面，其中从半导体结构提取的光的大部分是通过透明导电非III族氮化物材料被提取。
7. 如权利要求6所述的器件，其中至少一个开口形成于半导体结构中，所述至少一个开口露出透明导电非III族氮化物材料的表面，该器件进一步包括布置在透明导电非III族氮化物材料上的开口中的金属n接触。
8. 如权利要求1所述的器件，进一步包括键合到透明导电非III族氮化物材料的光学元件。
9. 如权利要求1所述的器件，进一步包括键合到透明导电非III族氮化物材料的发光陶瓷。
10. 如权利要求1所述的器件，进一步包括在半导体材料中形成的沟槽，所述沟槽与在透明导电非III族氮化物材料中形成的沟槽对准。
11. 如权利要求1所述的器件，其中发光层为III族氮化物材料。
12. 如权利要求1所述的器件，其中n型区域具有大于90?/平方的薄层电阻，并且n型区域和透明导电非III族氮化物材料的组合具有小于70?/平方的薄层电阻。
13. 如权利要求1所述的器件，其中n型区域具有大于80?/平方的薄层电阻，并且n型区域和透明导电非III族氮化物材料的组合具有小于60?/平方的薄层电阻。
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