CN102906888B - 带有沟槽和顶部接触的发光装置 - Google Patents

带有沟槽和顶部接触的发光装置 Download PDF

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Abstract

装置（30）包括半导体结构，该半导体结构包括布置在n型区域（50）与p型区域（54）之间的发光层（52）。布置在该半导体结构的底部表面上的底部接触（72）电连接到该n型区域（50）和该p型区域（54）之一。布置在该半导体结构的顶部表面上的顶部接触（34）电连接到该n型区域（50）和该p型区域（54）的另一者。镜（45,47）与该顶部接触（34）对齐。该镜（45,47）包括：沟槽（44,46），其形成在该半导体结构中；以及布置在该沟槽（44,46）中的反射材料（58,62），其中该沟槽（44,46）延伸通过该发光层（52）。

Description

带有沟槽和顶部接触的发光装置
背景技术
发光二极管（LED）被广泛公认为需要低功率消耗、小尺寸以及高可靠性的许多应用中的光源。发射可见光谱的黄绿色至红色区域中的光的节能二极管通常含有由AlGaInP合金形成的有源层。发射UV至可见光谱的蓝色至绿色区域中的光的节能二极管通常含有由III族氮化物合金形成的有源层。
图1示出具有移除GaAs衬底10的AlInGaP LED结构，该GaAs衬底10具有大量嵌入式锥形微反射器。蚀刻截锥体穿过有源层12。在介电层16中的开口14处由金属18制成电接触。该结构连接至载体20并且由顶部电极22和底部电极24正向偏压。沿这些锥体在金属镜处全反射的光线26经向上导引而朝向提取这些光线26的LED表面。自该有源层至该LED结构的顶部的路径长度仅为数微米并且不包括诸如有源层的任何吸收材料，使得装置内部的自吸收作用大大减小。
发明内容
根据本发明的实施例，一种装置，包括半导体结构，该半导体结构包括布置于n型区域与p型区域之间的发光层。布置于该半导体结构的底部表面上的底部接触电连接至该n型区域以及该p型区域的一者。布置于该半导体结构的顶部表面上的顶部接触电连接至该n型区域以及该p型区域的另一者。镜与该顶部接触对齐。该镜包括形成于该半导体结构中的沟槽以及布置于该沟槽中的反射材料，其中该沟槽延伸通过该发光层。
附图说明
图1图示出具有埋入式反射器的现有技术AlGaInP LED装置。
图2是根据本发明的实施例的薄膜AlInGaP装置的俯视图。
图3图示出图2中图示出的装置的两个区域的横截面视图。
图4图示出具有形成于p型区域上的沟槽以及p接触的半导体结构的一部分。
图5图示出图4的在形成反射p接触、保护金属以及接合层之后的结构。
图6图示出图5的在接合至基座并且移除生长衬底之后的结构。
图7图示出包括与顶部接触对齐的镜的III族氮化物装置的一部分。
图8图示出具有将电流注入镜中的顶部接触的装置。
具体实施方式
取决于上下文，如本文使用，“AlGaInP”或“AlInGaP”特定而言可指铝、铟、镓以及磷的四元合金，或一般而言指铝、铟、镓以及磷的任何二元、三元或四元合金。“III族氮化物”可指任何III族原子（诸如铝、铟以及镓）与氮的二元、三元或四元合金。取决于上下文，如本文使用，“接触”特定而言可指金属电极，或一般而言指半导体接触层、金属电极以及布置于该半导体接触层与该金属电极间的任何结构的组合。
图2是根据本发明的实施例的AlInGaP装置30的顶视图。图2图示出在n型区域的顶部表面32上形成的n接触34。n接触34可以是例如金、AuGe、或任何其它适当的金属。n接触34可具有形成正方形的臂35以及自该正方形的拐角延伸的延伸部分36，尽管其不需要。n接触可以具有任何适当的形状。n接触臂35和延伸部分36在一些实施例中可以是1至100微米宽，在一些实施例中是1至30微米宽，并且在一些实施例中是20至50微米宽。这些n接触的臂35以及延伸部分36一般保持尽可能窄以最小化光阻挡或吸收，但足够宽以不会引起过量电接触电阻。对于小于转移长度Lt的宽度，接触电阻增加，该转移长度Lt取决于金属至半导体的电阻以及下面的半导体n型层的薄层电阻。n接触区段宽度可以是Lt的两倍，这是因为接触臂自两侧注入电流，或取决于特定材料参数对于上文描述的装置是1至30微米。
在一些实施例中，该n接触34被制成高反射性的（R>0.8）。在一些实施例中，电流散布层布置在n型区域50与n接触34之间以便改良电流散布，并且潜在地以最小化该n接触的表面，因此减小光学损耗。电流散布层材料针对低光学损耗和良好电接触而选择。用于电流散布层的适当的材料包括氧化铟锡、氧化锌或其它透明导电氧化物。
n接触34连接到接合衬垫38。接合衬垫38足够大以容纳至外部电流源的丝焊、导线桥接或其它适当的电接触。虽然在图2的装置中，接合衬垫38位于该装置的拐角，但接合衬垫38可位于任何适当的位置中，包括例如在该装置的中心。
图3是图2中所示的区域中的两个的横截面图。区域40图示出接合衬垫38下方的装置。嵌入该半导体结构中的镜47光学地隔离接合衬垫38下方的区域。因为介电层58阻止电流自p金属68注入至接合衬垫38正下方的区域中的p型接触层56中，所以在接合衬垫38下方的有源区52中没有光产生。在接合衬垫38的方向上的该有源区的其它部分中发射的光由镜47反射远离接合衬垫38，阻止光被接合衬垫38或接合衬垫38下方的该暗有源区52吸收。在一些实施例中，镜47的侧面倾斜以将光导引离开该装置的顶部表面。因为自接合衬垫38注入的电子不能与接合衬垫38下方的有源区52中的空穴复合，所以这些电子被迫横向行进至区域40外部以在该装置的更为光学有利的区域中复合。此技术避免大接合衬垫区域下方的典型电流拥挤效应并且重新散布电流至指定的用于光学提取的区域。
区域42图示出n接触臂35下方的装置。嵌入该半导体结构中的镜45阻止光由区域42中的n接触臂35下方产生或被该n接触臂35吸收。在一些实施例中，嵌入的镜定位在所有或实质上所有该n接触结构34的下方，以减小被n接触34吸收的光量。嵌入的镜形成在该半导体装置中的沟槽中，可蚀刻这些沟槽穿过有源区52。这些沟槽可与n接触臂35以及延伸部分36对齐并且具有与n接触臂35以及延伸部分36相同的宽度。在n接触臂35的方向上发射的光被镜45反射远离n接触臂35。在一些实施例中，镜45的侧面倾斜以将光导引出该装置的顶部表面。
镜45以及47包括反射导电层62（通常为反射金属层，诸如银或铝）以及介电层58。该介电层定位在该半导体结构与该反射导电层62之间并且在一些实施例中也提供电隔离。以大角度入射到镜上的光被介电层58全内反射。以小角度入射到镜上的光通过该介电层并且被反射层62反射。
图2以及图3中图示出的装置可如图4至图6中图示而形成。在图4中，半导体装置结构生长在生长衬底48上。生长衬底48通常是GaAs，尽管可使用任何适当的生长衬底。蚀刻终止层（图中未示出）生长在衬底48上。该蚀刻终止层可以是可用于终止蚀刻的任何材料，该蚀刻稍后用于移除衬底48。该蚀刻终止层可以例如是InGaP、AlGaAs或AlGaInP。该蚀刻终止层的材料可与该生长衬底（通常为GaAs）晶格匹配，但非必需。不与该生长衬底晶格匹配的蚀刻终止层可足够薄以避免弛豫以及/或可应变补偿。该蚀刻终止层的厚度取决于用于移除GaAs衬底的蚀刻溶液的选择性；蚀刻选择性越少，则该蚀刻终止层越厚。AlGaAs蚀刻终止层可以例如是在2000Å与5000Å之间，但若该蚀刻终止层用于纹理化该装置的发光表面，则可使用较厚蚀刻终止层，如下文描述。AlxGa1-xAs蚀刻终止层的组分x可以是在0.50与0.95之间。
这些装置层，包括夹在n型区域与p型区域间的发光区域中的至少一个发光层，生长在该蚀刻终止层上，以n型区域50开始。选择n型区域50的厚度以及掺杂浓度用于低电阻以及良好电流散布。例如，n型区域50可包括4μm至10μm厚度的AlGaInP层并且掺杂有大约1×1018cm-3的浓度的Te或Si。AlGaInP n型区域50通常与GaAs晶格匹配。掺杂浓度越高，可用越薄的层来实现相同电流散布；然而，掺杂浓度越高可增加不期望的自由载流子吸收。n型区域50因此可包括不均匀掺杂浓度，诸如以1×1018cm-3掺杂的一个或多个厚区域以及更重掺杂至高达例如1×1019cm-3的一个或多个薄区域。这些高度掺杂区域可掺杂有Te、Si、S或其它适当的掺杂剂，并且可由外延生长、由掺杂剂扩散的任一者或两者来实现高掺杂浓度。在一个实例中，具有经配置以发射红光的发光区域的装置中的n型区域50的组分是（Al0.40Ga 0.60）0.5In0.5P。
发光或有源区52生长在n型区域50上。适当的发光区域的实例包括单个发光层以及多井发光区域，在该多井发光区域中，多个厚或薄的发光井被阻挡层分开。在一个实例中，经配置以发射红光的装置的发光区域52包括被（Al0.65Ga0.35）0.5In0.5P阻挡层分开的（Al0.06Ga0.94）0.5In0.5P发光层。这些发光层以及这些阻挡层每个可具有例如20Å与200Å之间的厚度。该发光区域的总厚度可例如在500Å与3μm之间。
p型区域54生长在发光区域52上。p型区域54经配置以限制发光区域52中的载流子。在一个实例中，p型区域54是（Al0.65Ga0.35）0.5In0.5P并且包括高Al组分的薄层以限制电子。p型区域54的厚度可为微米级；例如，在0.5μm与3μm之间。该发光区域的这些发光层透过薄的p型区域54靠近p接触也可减小该装置的热阻抗。
p型接触层56生长在p型区域54上。p型接触层56可以是高度掺杂的并且对由该发光区域52发射的光是透明的。例如，p型接触层56在一些实施例中可经掺杂达至少5×1018cm-3的空穴浓度，并且在一些实施例中达至少1×1019cm-3。在此情况中，p型接触层56可具有100Å与1000Å之间的厚度。若该p型接触层56不是高度掺杂的，则该厚度可增加至差不多2μm。
在一些实施例中，p型接触层56是经高度掺杂的GaP。例如，由金属有机化学气相沉积生长的GaP接触层56可掺杂有Mg或Zn，活化（activate）至至少8×1018cm-3的空穴浓度。该GaP层可在低生长温度以及低生长率下生长；例如，在低于~850℃的典型GaP生长温度的大约50℃至200℃的生长温度下，以及在~5μm/hr的典型GaP生长率的大约1%至10%的生长率下。由分子束外延生长的GaP接触可掺杂有C达至少1×1019cm-3的浓度。
作为在生长期间合并掺杂剂的替代物，可生长p型接触层56，然后在生长之后例如通过在扩散炉中或生长反应器中提供高压掺杂剂源，这些掺杂剂可自汽源扩散至该p型接触层中，如本领域中已知的。在掺杂剂扩散之前，例如通过用例如介电层掩模p型接触层56的一部分，掺杂剂可自汽源扩散至p型接触层56的表面的整个区域中或p型接触层56的分立区域中。
在一些实施例中，p型接触层56是经高度掺杂的GaP或晶格匹配的AlGaInP层。通过生长半导体材料，然后在生长层上沉积层（包括掺杂剂源）而掺杂该层。例如，该掺杂剂源层可以是基本的Zn、AuZn合金或经掺杂的介电层。可选地可用扩散阻挡层覆盖包括该掺杂剂源的该层。该结构经退火使得这些掺杂剂自该掺杂剂源层扩散至该半导体中。然后可剥离该扩散阻挡层以及剩余的掺杂剂源层。在一个实例中，在GaP层上沉积含有4% Zn的AuZn合金3000Å至5000Å，随后是TiW扩散阻挡层。加热该结构，然后剥离剩余的TiW以及AuZn。在另一个实例中，经图案化的AuZn层留在例如如图4中所示的接触金属60的位置。
在一些实施例中，p型接触层56是不与GaAs晶格匹配的经高度掺杂的InGaP或AlGaInP层。该层的厚度可在100Å与300Å之间并且掺杂有Mg或Zn达至少1×1019cm-3的空穴浓度。
在生长这些装置层之后，沟槽44以及46被蚀刻至该半导体结构中。在一些实施例中，沟槽44以及46延伸通过这些p型层54以及56并且通过有源区52。在一些实施例中，沟槽44以及46延伸至n型区域50中。较深沟槽形成更有效的镜；然而，沟槽44以及46的深度受限于散布电流通过n型区域50以及在处理以及工作期间维持该半导体结构的结构完整性的需要。形成n接触臂35下方的镜的沟槽46的底部处的宽度可与n接触臂35的宽度相同，以保证移除该n接触臂正下方的有源区。形成将光反射远离接合衬垫38的该镜的沟槽44在底部可比沟槽46较窄。在各种实施例中，沟槽44以及46可具有成角度的或直的侧壁。侧壁在一些实施例中相对于该半导体结构的顶部表面的法线成30°至60°角并且在一些实施例中相对于该半导体结构的顶部表面的法线成45°角。例如，可通过加热光致抗蚀剂掩模使得其回流以形成倾斜侧壁而形成成角度的侧壁。该倾斜侧壁的形状通过干法蚀刻转移至该半导体。
沟槽44以及46以及p型接触层56的顶部表面沿着通过例如等离子体增强化学气相沉积形成的诸如SiO2的介电材料58排列。介电材料58可以是单层材料或多层相同或不同的材料。在一些实施例中，介电层58的厚度足以确保全内反射并且避免归因于下面的反射层62的光学损耗。对于此效应的最小必要厚度是光学波长的部分（fraction），并且取决于电介质的折射率。例如，对于SiO2介电层58，至少50nm的厚度是适当的，并且可使用与一微米或若干微米一样大的厚度。
在介电层58中期望与p型接触层56电接触处蚀刻小孔。在接合衬垫38下方的该介电层58中没有开口形成。然后用接触金属60填充这些孔。可通过例如溅射AuZn以及剥离工序形成该接触金属60。可用导致自对齐工序的单个光致抗蚀剂掩模执行介电层58上小孔的蚀刻以及金属接触60的剥离。在一些实施例中，用接触金属60填充的介电层58上的这些小孔的直径是在1μm与10μm之间，具有该p型接触层的顶部表面的1%至10%之间的总覆盖百分比。
在图5中，在介电层58以及接触60上形成反射层62。反射层62使这些沟槽排成行。例如，反射层62可以是例如银并且可通过例如蒸镀或溅射而沉积。反射层62可以是单层材料或多层相同或不同的材料。在一些实施例中，反射层62的厚度是在1000Å与5000Å之间。该反射层62导电并且因此在形成接触金属60的区域中与接触金属60电接触。
在反射层62上沉积一层光致抗蚀剂并且图案化该光致抗蚀剂，然后自该装置的边缘移除该反射层。例如，通过溅射在该光致抗蚀剂以及该装置的边缘上形成一层保护材料（例如TiW），然后移除该光致抗蚀剂，留下该装置的边缘处紧接该反射层62的该保护材料65。（保护材料65形成在该装置的边缘处，不必形成在图3至图7中图示出的区域中。）在通过移除该光致抗蚀剂而暴露的该反射层62的表面上形成另一层保护材料64。反射层62的边缘处的保护材料65以及反射层62的顶部上的保护材料64将该反射层密封在合适位置，这可减小或阻止诸如银反射层62的电迁移或氧化的问题。保护层65以及64可以是单层材料或多层相同或不同的材料。保护层65以及64在一些实施例中导电。
在保护层64上形成接合层66。接合层66可以是例如Au或TiAu并且可通过例如蒸镀而形成。接合层66可以是单层材料或多层相同或不同的材料。如图5中图示出，介电层58、反射层62、保护层64以及接合层66各自覆盖沟槽44以及46的侧壁以及底部。这些层填满或几乎完全填满沟槽44以及46，这在处理期间（诸如在生长衬底移除期间）以及工作期间支撑该装置。形成这些层之后，沟槽44以及46中剩余的任何开口在一些实施例中可小于5微米宽并且在一些实施例中小于2微米宽。该介电层58以及反射层62形成镜45以及47。
在图6中，该装置通过接合层66以及形成于基座68上的接合层70接合至基座68。基座68可经选择以具有热膨胀系数（CTE），该热膨胀系数与这些半导体层的CTE相当紧密地匹配。例如，基座68可以是GaAs、Si、诸如钼的金属或任何其它适当的材料。例如，接合层70可以是Au或任何其它适当的材料。例如，可通过热压（thermocompression）接合或任何其它适当的技术在接合层66与70间形成接合。例如，通过基座68的底部上的接触72完成与该p型区域的电接触。基座68可以是导电的或可包括导电区域或迹线，该导电区域或迹线通过反射导电层62、保护层64以及接合层66和70将接触72电连接至p接触60。可替代地，例如，可通过电镀技术在装置晶圆上生长厚基座。
可通过适于生长衬底材料的技术移除生长衬底48。例如，可通过结束这些装置层之前的生长于该生长衬底上的蚀刻终止层的湿法蚀刻来移除GaAs生长衬底。可选地可使该半导体结构变薄。n接触金属，诸如例如Au/Ge/Au或任何其它适当的接触金属或金属，可经沉积然后经图案化以形成n接触34以及接合衬垫38。例如，可加热该结构以退火n接触34和/或p接触60。例如，可通过光电化学蚀刻来粗糙化通过移除该生长衬底而暴露的n型区域50的表面32以改善光提取，或例如，可通过纳米压印印刷技术图案化该表面32以形成光子晶体或其它光散射结构。在其它实施例中，光提取特征被埋入该结构中。例如，光提取特征可以是平行于该装置的顶部表面的方向（即，垂直于这些半导体层的生长方向）上的折射率的变化。在一些实施例中，可在形成介电层58之前粗糙化或图案化该p型接触层的表面。在一些实施例中，在该半导体结构的生长之前或期间，一层低折射率材料被沉积于该生长衬底上或半导体层上并且经图案化以在该低折射率材料中或低折射率材料的柱中形成开口。然后在经图案化的低折射率层上生长半导体材料以形成布置于该半导体结构中的折射率的变化。
装置的晶圆然后可经测试并且激光分割成单独的装置。单独的装置可放置在封包中，并且可在该装置的接合衬垫38上形成电接触（诸如丝焊），以将n接触连接至该封包的的一部分，诸如引线。
可用类似工序将类似结构应用于III族氮化物装置。图7图示出一个III族氮化物装置的一部分，该III族氮化物装置包括布置于顶部n接触35下方的镜45。在III族氮化物装置中，不同于通常是吸收性的AlInGaP装置的p接触金属（图3的接触金属60），p接触金属80通常是反射性的银。因此，由图3中的接触金属60占据的区域是有限的。相反地，在图7中，由p接触金属80占据的区域尽可能大。图7中介电层58中的开口制成为远大于图3中的开口。通过上文描述的相同方法将接触金属80沉积于这些开口中。反射金属层82形成在接触金属80与电介质58上。在一些实施例中，接触金属80与反射金属82两者皆是银。由边缘处的保护材料65以及反射金属82的顶部上的保护材料64密封反射材料，如上文描述。形成接合层66。图7中未示出基座68、接合层70以及接触72。
在一些实施例中，这些镜电连接至n型区域，如图8中图示出。在图8的装置中，导电材料88（诸如AlInGaP装置中的AuGe或III族氮化物装置中的Ag或Al）被布置在与n型区域50电接触的这些沟槽的底部中（图8中图示出的定向中的这些镜的顶部）。导电材料88通过介电层58而与p型区域54以及56电隔离。导电材料88由n型区域50以及介电层58完全封装。自导电材料88至外部接触（诸如接合衬垫38）的唯一电气路径通过该半导体结构。对于AlInGaP装置形成如图3以及图4中图示出的p接触60，并且对于III族氮化物装置形成如图7中图示出的p接触60。如上文描述形成反射层62、保护层64和65以及接合层66。该结构如上文描述可连接至基座。
在工作中，由接触60将电流经由基座注入p型区域中。在装置的顶部表面上，由接合衬垫38将电流注入n型区域中。如图8中由箭头图示出的，将电流自接合衬垫38注入至导电材料88。图8中所示的两个镜形成在连续沟槽中。两个导电区域88因此互连，使得电流通过导电区域88散布并且自导电区域88注入至n型区域50中。如上文描述的顶部n接触34可选地可与这些导电区域88组合，或仅通过接合衬垫38将电流供应至n型区域50的顶部表面。
图2、图3、图7以及图8中图示出的装置是薄膜装置，意味着从最终装置移除生长衬底。在上文描述的将装置连接至这些薄膜装置中的基座的接合层的顶部接触与顶部表面之间的总厚度在一些实施例中不超过20微米并且在一些实施例中不超过15微米。
已经详细地描述了本发明，本领域的技术人员应了解，考虑到本公开，在不脱离本文所描述的发明构思的精神的情况下，可以对本发明作出修改。因此，本发明的范围并不意欲限于图示出以及所描述的特定实施例。

Claims (13)

1.一种发光装置，包括：
半导体结构，所述半导体结构包括布置在n型区域与p型区域之间的发光层；
底部接触，所述底部接触布置在所述半导体结构的底部表面上，其中所述底部接触电连接到所述n型区域和所述p型区域之一；
顶部接触，所述顶部接触布置在所述半导体结构的顶部表面上，其中所述顶部接触电连接到所述n型区域和所述p型区域的另一者，并且其中所述顶部接触包括连接到多个连接的接触臂的接合衬垫；以及
镜，所述镜布置在顶部接触的正下方，所述镜包括形成在所述半导体结构中的沟槽和布置在所述沟槽中的反射材料，其中所述沟槽延伸通过所述发光层；
其中所述沟槽与所述多个连接的接触臂对齐并且布置在所述多个连接的接触臂下方，并且所述沟槽的底部与覆在所述沟槽上的接触臂基本上同样宽；
其中所述沟槽与所述接合衬垫的边缘的至少一部分对齐，其中在与和所述接合衬垫的边缘的至少一部分对齐的沟槽的一部分相邻的区域中，绝缘层布置在所述底部接触与所述发光层之间，使得没有电流被注入所述接合衬垫下方的发光层的一部分中。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述沟槽围绕所述接合衬垫。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述发光层是III族氮化物材料。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述发光层是AlInGaP。
5.根据权利要求1所述的发光装置，进一步包括布置在所述沟槽与所述反射材料之间的介电层，其中所述反射材料通过所述介电层与在所述沟槽中的半导体结构电隔离。
6.根据权利要求1所述的发光装置，进一步包括在平行于所述半导体结构的顶部表面的方向上的折射率的变化，其中所述折射率的变化布置在所述半导体结构中或所述半导体结构的表面上。
7.一种发光装置，包括：
半导体结构，所述半导体结构包括布置在n型区域与p型区域之间的发光层；
底部接触，所述底部接触布置在所述半导体结构的底部表面上，其中所述底部接触电连接到所述n型区域和所述p型区域之一；
顶部接触，所述顶部接触布置在所述半导体结构的顶部表面上，其中所述顶部接触电连接到所述n型区域和所述p型区域的另一者；
沟槽，所述沟槽形成在所述半导体结构中，其中所述沟槽延伸通过所述发光层；
导电材料，所述导电材料布置在所述沟槽的底部中；
介电层，所述介电层布置在所述导电材料上，其中所述半导体结构和所述介电层完全封装所述导电材料；和
布置在所述沟槽中的反射材料，其中所述反射材料通过所述介电层与所述导电材料电隔离。
8.根据权利要求7所述的发光装置，进一步包括沿平行于所述半导体结构的顶部表面的方向的折射率的变化，其中所述折射率的变化布置在所述半导体结构中或所述半导体结构的表面上。
9.根据权利要求7所述的发光装置，其中所述沟槽与所述顶部接触的边缘的至少一部分对齐。
10.根据权利要求9所述的发光装置，其中在与和所述顶部接触的边缘的至少一部分对齐的沟槽的一部分相邻的区域中，绝缘层布置在所述底部接触与所述发光层之间，使得没有电流被注入所述顶部接触下方的发光层的一部分中。
11.根据权利要求7所述的发光装置，其中所述沟槽围绕所述顶部接触。
12.根据权利要求7所述的发光装置，其中所述发光层是III族氮化物材料。
13.根据权利要求7所述的发光装置，其中所述发光层是AlInGaP。
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