CN109478584A - 用于改进led器件性能和可靠性的接触刻蚀和金属化 - Google Patents
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Abstract
发光器件包括穿过P型半导体层和有源层的竖直孔。使用竖直孔减少量子阱损伤，允许缩短P‑N间距，并允许增加反射面积。介电结构形成在孔中，以提供延伸到器件上表面的斜坡壁。另一介电层覆盖上表面和斜坡壁，并提供半导体层的选择接触。随后施加金属层。因为介电层提供从器件表面的连续斜坡，所以金属层不包括竖直下降。因为有源层没有延伸到孔中，所以与N型半导体层的接触可以位于更靠近孔壁的位置，增加了反射层的可用面积。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月20日提交的美国临时专利申请第62/258,318号和2016年3月10日提交的欧洲专利申请第1615978.8号的优先权。美国临时专利申请第62/258,318号和欧洲专利申请第1615978.8号并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，并且尤其涉及一种改进器件性能和可靠性的制造方法。
背景技术
半导体发光器件(LED)的使用越来越多，已经产生了一个高度竞争的市场，其中性能和可靠性会显著影响产品的成功。
图1A-1D示出了用于制造半导体发光器件的示例工艺。这些图示出了正在形成的器件的剖面图。本领域技术人员将认识到，发光器件的俯视图可以示出圆形孔180，特别是如果使用刻蚀工艺来形成孔、或者沟槽/细长孔或边缘接触。为了本公开的目的，并且如下文进一步详述，孔是使电导体能够穿过一个或多个中间层将上层连接到下层的任何开口。
在图1A中，在衬底110上生长N型半导体层120，接着生长“有源”层130和P型半导体层140。当在N型半导体层120与P型半导体层140之间施加电势时，有源层130发光。
在该示例中，从有源层发射的光旨在穿过N型半导体层120离开发光器件；衬底110可以至少对有源层发射的光的波长是透明的，和/或可以在形成发光器件之后将其移除。
为了增加离开器件的光量，可以在P型半导体层140上方形成反射层150。该反射层150将光重定向到N型半导体层120，减少了由于发光器件内的吸收而导致光损失的可能性。在此示例中，反射层150被图案化为具有开口155，开口155便于制造工艺中的后续步骤，如下文进一步详述。同样在这个示例中，反射层形成与P型半导体的接触。反射层150可以包括封装在阻挡层中的银(Ag)层，该阻挡层最小化银的表面迁移。阻挡层可以是例如钛钨(TiW)、钛钨氮化物组合(TiWN)或氮化钛(TiN)。该反射层150是导电的，这便于电流在P型半导体层140上的分布。
在图1B中，P型半导体层140和有源层130被刻蚀以产生便于与N型半导体层120接触的孔180。等离子体离子各向同性刻蚀190通常用于在孔180内产生斜坡孔壁185；这些斜坡壁185便于施加金属层以接触N型半导体层120。在反射层150处的开口155 (图1A)处的孔180的尺寸基于N型半导体层120的暴露宽度125来确定，这是实现与N型层120的充分接触和与有源层130的充分间隔所需要的，如下文进一步详述。
尽管孔180可以具有围绕其周边的单个连续壁，但是这里使用的复数术语“（多个）孔壁”指的是出现在横截面视图中的壁段。如图1B所示，反射层150延伸至孔180的边缘，以最大化反射表面积。
在图1C中，形成介电层160以使暴露的N型半导体层120和P型半导体层140上的反射层150绝缘。随后刻蚀该介电层160，以分别实现与层120、150的选择接触165N、165P，如图1D所示。灰色阴影用于指示与导电层的绝缘，以便理解。
在刻蚀介电层160以使接触165N、165P能够接触N型半导体层120和接触P型半导体层140的导电反射层150之后，施加金属层170。金属层170流入刻蚀区165N和165P，以提供与层120、150的接触。该金属层170被图案化以产生隔离的金属段170N和170P，用于分别连接到N型半导体层120和P型半导体层140。
控制区域165N和165P的刻蚀，以至少确保用于与层120、150充分接触的最小宽度168N和168P。另外，在区域165N处的N型半导体层120的接触与有源区130之间必须保持最小间隔178。用于形成孔180的反射层150中的开口的尺寸155还必须考虑刻蚀后由于斜坡壁185而剩余的有源区130的范围188。特别值得注意的是，宽度168N、间隔178和刻蚀后剩余的有源区130的范围188优选尽可能小，使得开口155的尺寸可以尽可能小，从而使反射层150的潜在表面积最大化。
可以看出，在反射层150的开口155处的孔180的最小宽度/直径等于接触的宽度168N加上间隔178的两倍加上刻蚀后由于斜坡壁185而剩余的有源区130的范围188的两倍。
然而，最大化反射层150的覆盖的期望可能引入不期望的副效应。反射层150延伸到孔180的边缘，例如，在介电层 160中引入竖直延伸的边缘161，这在金属层170N的廓形中引入竖直下降171。重力和其他因素将导致制造过程中竖直下降171处的金属层170N变薄，这可能在金属层170N中引入间隙或裂纹，间隙或裂纹可能导致器件过早失效。可以施加较厚的金属涂层170，但是这增加了器件的成本。反射涂层150可以偏离孔180的边缘，提供更平缓的下降，但是这减小了反射表面积，导致由于吸收而造成的更多光损失。
发明内容
提供一种具有改进的可靠性的发光器件将是有利的。提供一种具有改进的性能的发光器件也将是有利的。
为了更好地解决这些特征中的一个或多个，在本发明的实施例中，发光器件包括穿过P型半导体层和有源层的竖直孔。介电结构可以形成在孔中，以提供延伸到器件上表面的斜坡壁。另一介电层覆盖上表面和斜坡壁，并提供与半导体层的选择接触。随后施加金属层。因为介电层提供从器件表面的连续斜坡，所以金属层不包括竖直下降。因为有源层没有延伸到孔中，所以与N型半导体层的接触可以位于更靠近孔壁的位置，增加了反射层的可用面积。另外，由于孔的壁是竖直的，所以在等离子体离子刻蚀过程中对有源层造成的损伤较小。
在一个实施例中，发光器件包括：有源层，其夹在第一类型半导体层与第二类型半导体层之间；孔，其延伸至第一类型半导体层，穿过第二类型半导体层和有源层，孔具有与有源层的发光表面基本正交的壁。该器件可以包括:反射层，其在第二类型半导体层上延伸到孔；介电结构，其在孔内提供从反射层基本连续的斜坡；以及，金属层，其位于介电结构上并接触第一类型半导体层。
介电结构可以包括在孔内提供斜坡的第一介电结构和在反射层上延伸并到孔内的斜坡上的第二介电结构。介电结构可包括SiNx、SiOx、硅-氧氮化物或其组合。
反射层可以包括银，并且可以提供阻挡层以控制银的迁移。阻挡层可以包括TiW、TiWN、TiN或其组合。金属层可以包括Al、Ti、Au、Ni或其组合。
附图说明
将参照附图通过示例的方式进一步详细解释本发明，其中:
图1A-1D示出了用于制造发光器件的示例工艺。
图2A-2F示出了用于制造具有竖直孔的发光器件的示例工艺。
图3示出了用于制造具有竖直孔的发光器件的工艺的示例流程图。
图4A-4C示出了具有替代孔设计的示例发光器件。
在所有附图中，相同的附图标记指示相似或对应的特征或功能。附图是为了说明的目的而包括的，并不旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在下面的描述中，为了解释而不是限制的目的，阐述了具体的细节，例如特定的架构、接口、技术等以便提供对本发明概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，本发明可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实践，这将是显然的。以类似的方式，本说明书的文本针对如图所示的示例实施例，并且不旨在在权利要求中明确包括的限制之外限制所要求保护的发明。为了简单和清楚起见，省略了对众所周知的器件、电路和方法的详细描述，以免用不必要的细节混淆本发明的描述。
关于图1A-1D的现有技术发光器件，发明人已经确定孔180 的斜坡壁185上的有源层130（图1B）的表面被用于产生孔的反应离子刻蚀(RIE)损伤。这种损伤增加了通过倾斜表面上的表面耗尽的电流泄漏。发明人还确定了污染颗粒可能“聚集”在倾斜表面上，这可能增加有缺陷器件的可能性。然而，如上所述，需要倾斜表面来实现孔180中的可靠金属化。
图2A-2F示出了用于制造具有竖直孔的发光器件的示例性工艺，每个图都示出了剖面图。这些图使用图1A-1D中用于N型层120、有源层130、P型层140和反射层150的附图标记。为了便于说明和理解，在图2A-2F中省略了图1A-1D的衬底110。
如图1A-1D所示，本领域技术人员将认识到，图2A-2F的发光器件的俯视图可能示出圆形孔280，特别是如果使用刻蚀工艺来形成孔。因此，这里使用单数术语“孔壁”，尽管剖面图可能看起来示出了多个壁。然而，本领域技术人员将认识到，无论孔280的周边形状如何，本发明的原理均可适用。
图2A类似于图1A，除了反射层150中的开口255比图1A的开口155更窄。开口255的这种尺寸减小使反射层150的表面积增加。这种减小是通过形成穿过P型层140和有源层130到N型层120的竖直孔280来实现的，这将在下面进一步详述。
图2B示出了竖直孔280的形成。各向异性等离子体离子刻蚀可用于产生竖直孔280，并且可使用氯作为主刻蚀剂。因为孔280的壁285是竖直的，所以有源层130不延伸到孔280中，并且这显著减少了由图1B的现有技术的直接RIE供电的离子轰击引起的对有源区域130的等离子体诱导的损伤。此外，由于对有源层130的损伤较小，因此将产生较少的电流泄漏电流，从而允许减小有源区和与N层120的接触之间的间隔距离(图1D中的178)。竖直壁285也不提供有源区域130的水平表面以供污染物收集。在一个替代方案中，可以刻蚀N层120的一部分。
在图2C中，施加第一介电层250，在图2D中，介电层250成形为形成介电结构250’，其提供从反射层150的上表面延伸到N型半导体层120的斜坡255。
本领域技术人员将认识到，反射层150中的开口255可以用作形成竖直孔280的掩模，或者可以在产生竖直孔280的相同工艺中产生。
在图2E中，施加第二介电层260，起到与图1C中的介电层160相同的功能。该层260随后被刻蚀以提供开口265N和265P，开口265N和265P使得能够分别接触N型层120和P型层，如图2F所示。
介电层250、260可以是任何绝缘材料，包括SiNx、SiOx、硅-氧氮化物及其组合。本领域技术人员将认识到，介电层250、260可以被产生为单个介电结构，但是在单个工艺中产生图2F所示的形状可能需要更复杂的工艺。
在图2F中，施加并图案化金属层270以产生隔离段270N和270P。金属层270可以包括Al、Ti、Au、Ni或金属的组合，以形成与N型层120和P型层140的欧姆接触和电接触，并且可以使用蒸发工艺或本领域中常见的其他金属化工艺来施加。可以在施加金属层270之前使用光致抗蚀剂，以在金属段270N和270P之间产生隔离，然后在形成金属段270N和270P之后将其剥离。
除了在有源层130处产生RIE诱导的损伤和污染物收集的减少之外，与图1D中的器件100的孔180相比，使用具有基本竖直壁285的孔280还允许使用更小的孔280。孔尺寸的这种减小使得能够实现更大的反射表面积。
如上所述，器件100的反射层150的开口155处的孔180的最小宽度等于接触的宽度168N加上间隔178的两倍，加上刻蚀后由于斜坡壁185而剩余的有源区130的范围188的两倍。通过使用竖直孔，刻蚀后剩余的有源区130的范围为零，并且有源层130和与器件200的N型层120的接触之间的间隔278可以小于器件100的间隔178，这是由于从有源层130泄漏的电流较少。
图3示出了用于制造具有一个或多个竖直孔的发光器件的工艺的示例流程图。为了易于理解，本文就具有到N型层的单个竖直孔的单个发光器件描述了该工艺，尽管本领域技术人员将认识到，该工艺通常将应用于晶片级，其中同时处理数百个发光器件。
在310处，提供具有反射层的半导体结构。这种结构可以包括N型半导体层和P型半导体层，N型半导体层和P型半导体层夹着有源层，有源层包括用于发光的一个或多个量子阱。P型、N型和有源层可以包括GaN、InP或GaP或掺杂的3-5外延衬底的组合，包括Al、In、Ga、As、P及其他。掺杂剂可以包括Si、Mg和/或C，或其组合。反射层可包括TiW、TiWN、TiN或这些金属的组合或其他。
在320处，刻蚀半导体结构以提供穿过P型层和有源层的竖直孔。反射层可以具有图案化的开口，以便于产生到N型层的该孔，或者反射层也可以在该工艺中被刻蚀。一种使用氯作为主要刻蚀剂的干法刻蚀工艺，其各向异性地刻蚀穿过P型层与有源层，并在N型层处停止，或稍微进入N型层。所得到的廓形是竖直孔，并且由于减少了对剩余有源层的直接RIE供电的离子轰击，对有源层的等离子体损伤大大减少。这种损伤的减小还允许P型层和与N型层的接触之间的更短距离，因为通过P-N结处的表面耗尽的电流泄漏减少了。因此，假设N接触的尺寸与现有技术(图1的178)的N接触的尺寸相同，P型层上的反射层可以更大，以反射更多的光并获得更多的光输出。
在330处，第一隔离层形成在反射层上并进入竖直孔。隔离层可以是SiNx、SiOx、硅-氧氮化物或其组合，或任何其他常用的介电材料。可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来施加该层。反射层上的第一隔离层的厚度可以很薄。在340处，孔内的第一隔离层的厚度应当足以使得能够通过刻蚀工艺形成倾斜表面。
在340处，刻蚀第一隔离层以形成从N型层延伸到反射层的上表面的倾斜表面。可以使用将氟碳气体用作主要刻蚀剂的干法刻蚀工艺来形成该倾斜表面。在该步骤中，N型层的足够面积应该被暴露，以确保与N型层的充分接触，并且N型层上的第一隔离区域的范围应该足以确保P型层和与N型层的接触之间的最小规定距离。
在350处，在反射层上形成第二隔离层并进入竖直孔。第二隔离层也可以是SiNx、SiOx、硅-氧氮化物或其组合，或任何其他常用的介电材料。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺也可用于施加该层。该工艺提供了连续、平滑和锥形的侧壁廓形。在反射层上和孔内的第二隔离层的厚度应当足以将电隔离保持在规定电压。
如上所述，步骤330-350可以通过施加单个隔离层来组合，该隔离层从反射器水平面的上表面朝向N型层形成倾斜表面。然而，这样的工艺可能非常复杂且难以控制。
在360处，刻蚀第二隔离层以提供对N型层和反射层的接入，反射层与P型层电接触。N型层和反射层中的接入开口的尺寸应该足以确保与这些层充分接触。第二隔离材料在N型层上的范围应足以确保P型层和与N型层的接触之间的最小规定距离。
在370处，在第二隔离层上方并在N型层和反射层的开口中施加金属层。可以使用蒸发工艺来施加金属层，使用诸如Al、Ti、Au、Ni或其组合的金属以及其他金属，并且可以使用光致抗蚀剂工艺来图案化金属层，以隔离N型层的接触和反射层的接触，反射层与P型层电接触。
在380处，执行剩余的处理步骤以产生封装的发光器件。
如上所述，这里使用的术语“孔”包括使导体能够穿过一个或多个中间层将上层耦合到下层的任何开口，并且不限于任何特定形状。
图4A和4C示出了具有类似截面图4B的两个示例性替代实施例，其中孔280本身不是圆形。在这些图中，金属层270P和270N延伸穿过整个器件，金属层270P、270N的斜坡部分被标识为270P’和270N’，接触区域被标识为265P和265N。
在图4A中，孔280A是半圆形的。该孔280A可以通过在晶片中产生圆形或细长孔而形成，然后沿着二等分这些孔的“间隔道”切片而形成。在示例性实施例中，晶片上的各个管芯可以是“背对背”(一个管芯是另一个管芯在一维上的镜像)，并且圆形或细长孔可以延伸穿过这些背对背的管芯。以此方式，当切片/切割/单一化管芯时，可形成具有半圆形孔280A的两个管芯。如本领域中常见的，可以使用刻蚀或其它工艺来最小化在单一化工艺期间引起的污染和/或损伤。
在图4C中，孔280C沿着管芯的整个范围延伸。该孔280C可以通过刻蚀延伸穿过晶片上的整列管芯的“沟槽”来制造。如在图4A的示例中，如果以背对背方式制造各个管芯，则沟槽可跨越每对背对背管芯延伸，使得当对晶片切片以单一化每一管芯时，此沟槽被二等分。
在图4C的示例中，沟槽可以通过刻蚀工艺以外的方法形成。向下延伸到N型层120的激光或机械切割可用于在施加第一电介质以在孔120内产生斜坡壁之前产生孔的竖直壁。在这种激光或机械沟槽加工中，可以在产生沟槽之后使用修复工艺，以确保在施加第一电介质之前表面没有损伤和/或污染。
本领域技术人员将认识到，可以使用其他方式来产生孔，并且可以使用不同的工艺来产生发光器件的各个特征。
尽管在附图和前面的描述中已经详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，本发明可以在以下实施例中操作：其中反射层150可以包括Ag、SiOx、NbOx、ZnO、TiOx和氧化铟锡(ITO)的各种组合，其中所得到的组合呈现光反射性质，并且还提供与P型半导体的适当接触。金属层270可以包括其它金属组合，其它金属组合包括TiW、TiWN和Cu。图案化工艺可能需要光刻、等离子体刻蚀、化学刻蚀和/或抗蚀剂剥离的各种组合。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
Claims (15)
1.一种发光器件，包括:
半导体结构，包括在第一类型半导体层与第二类型半导体层之间的有源层；
孔，所述孔延伸进入半导体结构，穿过所述第二类型半导体层和所述有源层到达所述第一类型半导体层，所述孔在所述半导体结构内具有与所述有源层的发光表面正交的壁；
反射层，其在所述第二类型半导体层上延伸至所述孔；
介电结构，其在所述孔内提供与所述有源区的所述发光表面形成锐角的表面；和
金属层，其位于所述介电结构上并接触所述第一类型半导体层。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述介电结构包括在所述孔内提供斜坡的第一介电结构和在所述反射层上延伸并延伸到所述孔内的斜坡上的第二介电结构。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述金属层包括Al、Ti、Au和Ni中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述反射层包括银。
5.根据权利要求4所述的发光器件，包括控制银迁移的阻挡层。
6.根据权利要求5所述的发光器件，其中所述阻挡层包括TiW、TiWN和TiN中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述介电结构包括SiNx、SiOx和硅-氧氮化物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述反射层包括Ag、SiOx、NbOx、ZnO、TiOx和氧化铟锡(ITO)中的两种或更多种的组合。
9.一种制造发光器件的方法，包括:
提供半导体结构，所述半导体结构包括在第一半导体层与第二半导体层之间的有源层；
刻蚀穿过所述第二半导体层和所述有源层，以在所述半导体结构内产生具有壁的孔，所述壁正交于所述有源层的发光表面并向下延伸至所述第一半导体层；
使用介电结构在所述孔中产生壁，所述壁与所述有源层的发光表面形成锐角，所述介电结构具有用于接触至少所述第一半导体层的选择间隙；以及
在所述介电结构上施加金属层以使得能够经由所述金属层接触到所述第一半导体层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中施加所述金属层还使得能够经由所述金属层接触到所述第二半导体层。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，产生所述斜坡壁包括施加第一介电层和刻蚀所述第一介电层以形成所述斜坡壁。
12.根据权利要求11所述的方法，包括施加第二介电层并刻蚀所述第二介电层以形成用于接触所述第一半导体层和第二半导体层的选择间隙。
13.根据权利要求9所述的方法，包括在所述第二半导体层的与所述有源层相对的表面上提供反射层；其中所述介电结构覆盖所述反射层的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述反射层包括银和控制所述银迁移的阻挡层。
15.根据权利要求14所述的发光器件，其中所述阻挡层包括TiW、TiWN和TiN中的一种或多种。
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