CN102738342A - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发光器件及其制造方法。该发光器件包括：具有第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层的化合物半导体结构；位于所述P型化合物半导体层上并与所述P型化合物半导体层电连接的P型电极层；位于所述化合物半导体结构和所述P型电极层的两侧的多个绝缘壁；穿透所述多个绝缘壁的多个N型电极层；以及导电衬底，在所述导电衬底中分别对应于所述多个N型电极层的多个N型电极连接层与对应于所述P型电极层的P型电极连接层分开。

Description

发光器件及其制造方法
技术领域
本公开涉及发光器件及其制造方法。
背景技术
诸如发光二极管(LED)的发光器件用作具有化合物半导体pn结的半导体光源并发射不同颜色的光。
例如，由诸如氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)的III-V族化合物制成的氮化物基LED可以广泛地用作发射短波长光(紫外光和绿光)尤其是蓝光的发光器件。由于所发射的光的高度方向性，发光器件提供长寿命、紧凑且重量轻的设计以及低电压驱动。此外，发光器件高度抗震动和振动并且不需要预热或复杂的驱动。它们也可以封装成不同的形状和尺寸，并且可以广泛地用于各种应用。
作为制作诸如LED的发光器件的方法，已经提出了垂直结构。该方法包括将化合物半导体层堆叠在诸如蓝宝石衬底的绝缘衬底上以及除去所述绝缘衬底，众所周知蓝宝石衬底最佳地满足晶体生长的晶格匹配条件。这种垂直发光器件分为：p电极和n电极置于化合物半导体结构的同一表面上的发光器件，以及n电极和p电极置于化合物半导体结构的相对的表面上的发光器件。n电极和p电极置于化合物半导体结构的同一表面上的发光器件可以提供更好的电流扩展性能，同时减少由于电极的存在而导致的阻挡光传播的缺点。
通常，当电极形成在化合物半导体层上和衬底上时，使用绝缘材料覆盖电极材料，以便在具有相反极性的电极之间形成电绝缘。此外，晶片级芯片尺寸封装的制造工艺包括形成绝缘材料和在绝缘材料上沉积导电材料，以便在衬底和化合物半导体层之间提供电传导。这可能引起未对准，从而导致高的故障率。这种方法还可能需要与化合物半导体层相邻的用于形成绝缘层和在绝缘层上沉积导电材料的空间，由此与化合物半导体层的面积相比发光面积减小了。
发明内容
本发明提供了一种发光器件及其制造方法，通过使电极材料穿过沉积的绝缘材料，本发明的发光器件及其制造方法简化了制作工艺并且减少了极性相反的电极材料之间的电传导。
在随后的说明书中在某种程度上将阐述其他方面，并且通过说明书在某种程度上这些其他方面将是清楚的，或者可以通过实践所呈现的实施例而获知这些其他方面。
根据本发明的一个方面，一种发光器件包括：具有第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层的化合物半导体结构；位于所述P型化合物半导体层上并与所述P型化合物半导体层电连接的P型电极层；位于所述化合物半导体结构和所述P型电极层的两侧的多个绝缘壁；穿透所述多个绝缘壁的多个N型电极层；以及导电衬底，在所述导电衬底中分别对应于所述N型电极层的多个N型电极连接层与对应于所述P型电极层的P型电极连接层分开。
根据本发明的另一方面，一种发光器件包括：具有第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层的化合物半导体结构；位于所述P型化合物半导体层上并与所述P型化合物半导体层电连接的P型电极层；在所述化合物半导体结构和所述P型电极层的中间部分中形成的绝缘壁；穿过所述绝缘壁的N型电极层；以及导电衬底，在所述导电衬底中对应于所述N型电极层的N型电极连接层与对应于所述P型电极层的多个P型电极连接层分开。
根据本发明的另一方面，一种制造发光器件的方法包括步骤：在衬底上形成多个绝缘壁；在由所述多个绝缘壁限定的内部空间中形成化合物半导体结构和P型电极层；在所述多个绝缘壁中形成对应的多个N型电极层；以及附接导电衬底，在所述导电衬底中多个N型电极连接层与P型电极连接层分开。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，上述和/或其它方面将变得清楚并且更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的发光器件的剖面图；
图2至图11示出了根据本发明一个实施例的制造发光器件的方法；以及
图12是根据本发明的另一个实施例的发光器件的剖面图。
具体实施方式
现在将具体参考实施例，其中的实例在附图中示出，贯穿附图相同的附图标记表示相同的元件。在这一点上，所呈现的实施例可以具有不同的形式，不应当理解为限于文中的描述。因此，以下通过参考附图对各实施例进行描述仅仅是为了解释本说明书的各个方面。
图1是根据本发明一个实施例的发光器件100的剖面图。
参考图1，根据本实施例的发光器件100包括化合物半导体结构120、在化合物半导体结构120的两侧形成的绝缘壁131和132、以及电极结构。
化合物半导体结构120包括生长在预定衬底(图4中的101)上的P型化合物半导体层121、有源层122、以及第一N型化合物半导体层123。如下所述，可以除去充当用于晶体生长的基底的衬底101。
例如，化合物半导体结构120可以是通过生长III-V族化合物半导体晶体(诸如GaN、InN和AlN)而形成的氮化物半导体二极管。可以使用诸如蓝宝石衬底的绝缘衬底来制造这种氮化物半导体二极管，蓝宝石衬底满足晶体生长的晶格匹配条件。P型化合物半导体层121具有P型导电性，并且第一N型化合物半导体层123具有N型导电性。取决于应用，P型化合物半导体层121和N型化合物半导体层123可以具有与上述导电性不同的导电性。
有源层122位于P型化合物半导体层121和第一N型化合物半导体层123之间。有源层122可以具有多量子阱(MQW)结构。MQW结构由多个量子阱层和介于所述多个量子阱层之间的多个量子势垒层构成。例如，当化合物半导体结构120是GaN LED时，可以由掺杂了P型杂质的GaN形成P型化合物半导体层121。可以由掺杂了N型杂质的GaN形成第一N型化合物半导体层123。可以通过交替堆叠氮化铟镓(InGaN)量子阱层和量子势垒层形成有源层122。
绝缘壁131和132形成在化合物半导体结构120的两侧边缘。可由诸如聚酰亚胺的常用绝缘材料制成绝缘壁131和132。
电极结构包括N型电极结构和P型电极结构。
N型电极结构包括：N型电极层141和142；覆盖在化合物半导体结构120和绝缘壁131和132上的第二N型化合物半导体层110；以及置于导电衬底170的两侧边缘的N型电极连接层171和172，导电衬底170通过导电粘合剂层160附接于化合物半导体结构120和绝缘壁131和132的底面。
P型电极结构包括与P型化合物半导体层121的底面接触的P型电极层150和置于导电衬底170的N型电极连接层171和172之间的P型电极连接层173。
N型电极连接层171和172通过隔墙181和182与P型电极层173电隔离。也就是说，隔墙181和182穿透导电衬底170和导电粘合剂层160，以便分别与绝缘壁131和132接触。因此，N型电极结构可以与所述P型电极结构电隔离。
P型电极层150形成在绝缘壁131和132之间以接触化合物半导体结构120的底面，但P型电极层150不限于此。例如，如果P型电极层150可以通过隔墙181和182与N型电极层141和142以及N型电连接层171和172电分离，则就可以在绝缘壁131和132之间的空间之外形成P型电极层150。
N型电极结构的导电路径包括N型电极连接层171和172、导电粘合剂层160、N型电极层141和142、第二N型化合物半导体层110以及第一N型化合物半导体层123。
P型电极结构的导电路径包括P型电极连接层173、导电粘合剂层160、P型电极层150以及P型化合物半导体层121。
由与第一N型化合物半导体层123相同的材料制成第二N型化合物半导体层110，并且在其顶面上形成有凹凸结构111。荧光粉层190涂敷在凹凸结构111上。
通过P型化合物半导体层121和第一N型化合物半导体层123注入的空穴和电子在有源层122中相遇以产生光。从有源层122产生的光穿过第二N型化合物半导体层110和覆盖在化合物半导体结构120上的荧光粉层190出射。
在根据本实施例的图1的发光器件100中，通过切割晶片的一部分S1(见图3)在化合物半导体结构120的两侧形成绝缘壁131和132。图12是根据本发明另一实施例的发光器件200的剖面图。
参考图12，根据本实施例的发光器件200包括化合物半导体结构220、在化合物半导体结构220的中间部分处形成的绝缘壁231、以及电极结构。
化合物半导体结构220包括P型化合物半导体层221、有源层222、以及第一N型化合物半导体层223。
通过切割图3所示的晶片的一部分S2将绝缘壁231形成在化合物半导体结构220的中间部分处。
电极结构包括N型电极结构和P型电极结构。
N型电极结构包括：穿过绝缘壁231内部的N型电极层241；覆盖在化合物半导体结构220和绝缘壁231上的第二N型化合物半导体层210；以及置于导电衬底270的中间部分处的N型电极连接层271，导电衬底270通过导电粘合剂层260附接到化合物半导体结构220和绝缘壁231的底面。
P型电极结构包括与P型化合物半导体层221的底面接触的P型电极层250和置于导电衬底270的N型电极连接层271两侧的P型电极连接层272和273。
N型电极连接层271通过隔墙281和282与P型电极连接层272和273电分离。也就是说，隔墙281和282位于N型电极连接层271的两侧以穿透导电衬底270和导电粘合剂层260，并与绝缘壁231接触。因此，N型电极结构可以与P型电极结构电隔离。
N型电极结构的导电路径包括N型电极连接层271、导电粘合剂层260、N型电极层241、第二N型化合物半导体层210、以及第一N型化合物半导体层223。
P型电极结构的导电路径包括P型电极连接层272和273、导电粘合剂层260、P型电极层250、以及P型化合物半导体层221。
由与第一N型化合物半导体层223相同的材料制成第二N型化合物半导体层210，并且在其顶面上形成有凹凸结构211。荧光粉层290形成在凹凸结构211上。
绝缘壁131和132(231)的位置不限于图1和图12中所示的那些。根据晶片上的切割位置，绝缘壁131和132(231)可以位于除侧边缘和中间部分以外的不同位置处。
图2至图11示出了根据本发明一个实施例的制造图1的发光器件100的方法。由于除了绝缘壁131和132(231)的位置之外，制造图12的发光器件200的方法包括与参考图2至图11所描述的方法相同的制造工艺，因此将省略对制造图12的发光器件200的方法的详细描述。
参考图2，在衬底101上形成第二N型化合物半导体层110。衬底101可以选择成适合于化合物半导体晶体生长。例如，如果生长氮化物半导体的单晶，则衬底101可以是蓝宝石衬底、氧化锌(ZnO)衬底、氮化镓(GaN)衬底、碳化硅(SiC)衬底、以及氮化铝(AlN)衬底中的一种。
参考图3，在第二N型化合物半导体层110上形成预定厚度的绝缘层130。然后，用光掩膜P覆盖绝缘层130，光掩膜P具有在与用于形成绝缘壁131、132、133的绝缘层130的部分相对应的位置处形成的图案，并且用紫外(UV)线照射光掩膜P。随后，使用光刻工艺蚀刻绝缘壁131和132之间的空间以及绝缘壁131和133之间的空间。光刻工艺是本领域公知的，因此省略其详细描述。
现在将描述通过选择图3所示的晶片的部分S1来制造发光器件的方法。
参考图4，在所述空间(图3中的134)中，第一N型化合物半导体层123、有源层122和P型化合物半导体层121顺序生长在第二N型化合物半导体层110上，以形成化合物半导体结构120。然后在化合物半导体结构120上形成P型半导体层150。
可以通过生长诸如GaN、InN或AlN的III-V族化合物半导体的晶体来形成化合物半导体结构120。例如，当化合物半导体结构120是GaN LED时，可以通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备外延生长具有由AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示成分的半导体材料来形成P型化合物半导体层121、有源层122和第一N型化合物半导体层123。也就是说，可以由掺杂了诸如镁(Mg)、Zn或铍(Be)的第二导电类型的杂质的GaN或GaN/AlGaN形成P型化合物半导体层121。有源层122可以具有InGaN/GaN MQW结构、或者单量子阱结构或双异质结构。可以由掺杂了诸如硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)的第一导电类型的杂质的GaN或GaN/AlGaN形成第一N型化合物半导体层123和第二N型化合物半导体层110。
可以通过沉积厚度分别为200nm/1200nm/20nm的Al/钛(Ti)/铂(Pt)层形成P型电极层150。
参考图5，孔136和137以暴露第二N型化合物半导体层110的一部分的方式穿透绝缘壁131和132。可以通过诸如机械钻孔、超声钻孔、激光钻孔、喷砂和干法蚀刻的各种方法之一或者通过这些方法的组合形成孔136和137。
参考图6，使用溅射或化学气相沉积(CVD)用诸如Al/Ti/Pt的导电材料填充在绝缘壁131和132中形成的孔136和137，以形成与第二N型化合物半导体层110接触的N型电极层141和142。
参考图7，然后通过导电粘合剂层160将导电衬底170附接于绝缘壁131和132、N型电极层141和142以及P型电极层150上。以高于300℃的温度，将预定的压力施加于导电粘合剂层160以便将导电衬底170附接于导电粘合剂层160上。导电衬底170充当发光器件100的最终支撑物，并且可以具有与衬底101相似的热膨胀系数，这是因为该附接是以高于300℃的温度进行的。导电衬底170可以是Si衬底、砷化镓(GaAs)衬底和Ge衬底中的一种。
参考图8和图9，穿过导电衬底170和导电粘合剂层160形成孔174和175。可以通过诸如机械钻孔、超声钻孔、激光钻孔、喷砂和干法蚀刻的各种方法之一或者通过这些方法的组合形成孔174和175。
N型电极连接层171和172通过孔174和175与P型电极连接层173分开。使用溅射或CVD用诸如聚酰亚胺的绝缘材料填充孔174和175以形成绝缘隔墙181和182。在这种情况下，孔174和175可以暴露绝缘壁131和132的一部分，使得绝缘隔墙181和182防止N型电极连接层171和172与P型电极连接层173之间的电传导。
可以按照不同的顺序进行参考图7至图9描述的工艺。更具体而言，导电粘合剂层160可以形成在导电衬底170上，并且可以穿过导电衬底170和导电粘合剂层160形成多个孔174和175。然后，可以用绝缘材料填充多个孔174和175以形成将N型电极连接层171和172与P型电极连接层173电分离的隔墙181和182。随后，可以将导电衬底170附接于绝缘壁131和132、N型电极层141和142、以及P型电极层150，使得N型电极连接层171和172分别对应于N型电极层141和142，并使得P型电极连接层173对应于P型电极层150。
参考图10和图11，从第二N型化合物半导体层110除去衬底101。在除去衬底101之后，从中提取光的第二N型化合物半导体层110可以在其顶面上形成有凹凸结构111，以增加发光器件100的光提取效率。在凹凸结构111上形成荧光粉层190，以实现各种颜色。
应当理解，应当仅以描述性的意义而非限制的目的来考虑本文中所描述的示例性实施例。每个实施例中的各个特征和各个方面的描述通常应当理解为可用于其它实施例中其它类似特征或方面。

Claims (21)

1.一种发光器件，包括：
包括第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层的化合物半导体结构；
位于所述P型化合物半导体层上并与所述P型化合物半导体层电连接的P型电极层；
位于所述化合物半导体结构和所述P型电极层的两侧的多个绝缘壁；
穿透所述多个绝缘壁的多个N型电极层；以及
导电衬底，在所述导电衬底中分别对应于所述多个N型电极层的多个N型电极连接层与对应于所述P型电极层的P型电极连接层分开。
2.权利要求1所述的器件，还包括第二N型化合物半导体层，所述第二N型化合物半导体层覆盖在所述第一N型化合物半导体层和所述多个绝缘壁上，并且将所述多个N型电极层连接到所述第一N型化合物半导体层。
3.权利要求2所述的器件，还包括在所述导电衬底上形成的导电粘合剂层，使得所述多个N型电极连接层分别电连接到所述多个N型电极层，并且使得所述P型电极连接层电连接到所述P型电极层。
4.权利要求3所述的器件，其中所述导电衬底和所述导电粘合剂层包括多个隔墙，所述多个隔墙将所述多个N型电极连接层与所述P型电极连接层分开以防止它们之间的电传导。
5.权利要求4所述的器件，其中所述多个隔墙与所述多个绝缘壁接触。
6.权利要求2所述的器件，其中所述第二N型化合物半导体层具有在其顶面上形成的凹凸结构。
7.一种发光器件，包括：
包括第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层的化合物半导体结构；
位于所述P型化合物半导体层上并与所述P型化合物半导体层电连接的P型电极层；
在所述化合物半导体结构和所述P型电极层的中间部分中形成的绝缘壁；
穿过所述绝缘壁的N型电极层；以及
导电衬底，在所述导电衬底中对应于所述N型电极层的N型电极连接层与对应于所述P型电极层的多个P型电极连接层分开。
8.权利要求7所述的器件，还包括第二N型化合物半导体层，所述第二N型化合物半导体层覆盖在所述第一N型化合物半导体层和所述绝缘壁上，并且将所述N型电极层连接到所述第一N型化合物半导体层。
9.权利要求8所述的器件，还包括在所述导电衬底上形成的导电粘合剂层，使得所述N型电极连接层电连接到所述N型电极层，并且使得所述多个P型电极连接层电连接到所述P型电极层。
10.权利要求9所述的器件，其中所述导电衬底和所述导电粘合剂层包括多个隔墙，所述多个隔墙将所述N型电极连接层与所述多个P型电极连接层分开以防止它们之间的电传导。
11.权利要求10所述的器件，其中所述多个隔墙与所述绝缘壁接触。
12.权利要求8所述的器件，其中所述第二N型化合物半导体层具有在其顶面上形成的凹凸结构。
13.一种制造发光器件的方法，该方法包括步骤：
在衬底上形成多个绝缘壁；
在由所述多个绝缘壁限定的内部空间中形成化合物半导体结构和P型电极层；
在所述多个绝缘壁中形成对应的多个N型电极层；以及
附接导电衬底，在所述导电衬底中多个N型电极连接层与P型电极连接层分开。
14.权利要求13所述的方法，其中所述在所述衬底上形成所述多个绝缘壁的步骤包括步骤：
在所述衬底上形成第二N型化合物半导体层；
在所述第二N型化合物半导体层上形成绝缘层；以及
对所述绝缘层进行图案化以在所述衬底两侧上形成多个间隔开的绝缘壁。
15.权利要求14所述的方法，其中所述形成所述化合物半导体结构和所述P型电极层的步骤包括步骤：
顺序堆叠第一N型化合物半导体层、有源层和P型化合物半导体层以形成所述化合物半导体结构；以及
在所述P型化合物半导体层上形成所述P型电极层。
16.权利要求13所述的方法，其中所述在所述多个绝缘壁中形成对应的多个N型电极层的步骤包括步骤：
穿透对应的所述多个绝缘壁以形成从所述多个绝缘壁的顶面延伸到所述第二N型化合物半导体层的顶面的多个孔；以及
用金属材料填充所述多个孔。
17.权利要求16所述的方法，其中所述附接所述导电衬底的步骤包括步骤：
在所述导电衬底上形成导电粘合剂层；
穿透所述导电衬底和所述导电粘合剂层以形成多个孔；
用绝缘材料填充所述多个孔中的每一个并且形成将所述P型电极连接层与所述多个N型电极连接层分开的多个隔墙；以及
附接所述导电衬底，使得所述多个N型电极连接层分别对应于所述多个N型电极层，并且使得所述P型电极连接层对应于所述P型电极层。
18.权利要求17所述的方法，其中所述多个隔墙与所述多个绝缘壁接触。
19.权利要求18所述的方法，还包括除去所述衬底。
20.权利要求14所述的方法，其中所述第二N型化合物半导体层具有在其顶面上形成的凹凸结构。
21.权利要求20所述的方法，还包括在所述凹凸结构上形成荧光粉层。
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