CN110364593B - 一种半导体发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光器件及其制备方法。半导体发光器件包括：衬底，具有衬底正面和衬底背面；形成在衬底正面上的堆叠外延层，堆叠外延层包括依次形成在衬底正面上的第一半导体层、有源层以及与第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；形成在与第一端相对的第二端外侧的反射层；形成在底背面的第一电极结构；第一电极结构包括同时形成在堆叠外延层的第一端及第二端的反射层的外侧，并且位置低于有源层的连接金属层，连接金属层不会影响发光器件的发光效果，同时能够及时地将外延层、抗反射层和反射层产生的热量传导出去，提高抗反射层和反射层抗光学灾变损伤的能力以及抗热翻转的能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体地涉及一种半导体发光器件及其制备方法。
背景技术
半导体发光器件，例如发光二极管、激光二极管等因其优良的发光特性，越来越多的人关注其研究及市场应用。例如，其中的GaN基的发光二极管和镭射二极管，已经取得了广泛研究和市场应用，特别是在激光显示和激光投影方面。目前，GaN基的发光二极管和镭射二极管的主要瓶颈是大功率GaN蓝色和绿色镭射二极管，激光二极管的结构主要是边发射脊波导结构。
对于采用边发射脊波导结构的激光二极管，为了增强发光效果，通常在所述激光二极管的发光端和与发光端相对的一端分别形成抗反射层和反射层形成F-P腔(Fabry-perot Cavity，法布里-珀罗谐振腔)，例如通常在于发光端相对的一端形成DBR(英文为Distributed Bragg Reflector，中文为分布式布拉格反射层)结构，该DBR结构通常由绝缘材料形成。激光的光斑很小，光密度很高，激光光斑在所述F-P腔的腔面，例如DBR结构中累积较高的能量。形成的DBR结构的绝缘材料的导热系数通常较低，如果DBR结构存在缺陷点，热量容易在该缺陷点累积，逐渐累积的热量会进一步将DBR结构灼烧掉，形成光学灾变损伤，从而降低激光二极管的寿命。
发明内容
鉴于现有技术中的上述不足，本发明提供一种半导体发光器件及其制备方法，半导体器件的衬底背面形成第一电极结构，该第一电极结构包括连接金属层，连接金属层覆盖衬底的背面同时覆盖衬底上方的有源层以下的外延层，该连接金属层能够将及时传导外延层和反射层产生的热量，提高反射层的抗光学灾变损伤的能力以及热翻转能力。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种半导体发光器件，包括：
衬底；
形成在所述衬底正面上的堆叠外延层，所述堆叠外延层包括依次形成在所述衬底正面上的第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；
形成在与所述第一端相对的第二端外侧的反射层；
形成在所述衬底背面的第一电极结构；
其中，所述第一电极结构同时形成在所述堆叠外延层的所述第一端及所述第二端的所述反射层的外侧。
可选地，所述衬底包括GaN基衬底，所述半导体发光器件包括GaN激光二极管或发光二极管。
可选地，所述反射层包括形成在所述第二端的多层结构。
可选地，所述反射层由Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2和HfO2中的至少一种形成。
可选地，所述堆叠外延层的所述第一端还形成有抗反射层，所述第一电极结构形成在所述抗反射层的外侧。
可选地，所述第一电极结构包括形成在所述衬底背面的第一欧姆接触层以及形成在所述第一欧姆接触层外侧的连接金属层，其中，所述连接金属层还形成在所述堆叠外延层的所述第一端的所述抗反射层及所述第二端的反射层的外侧。
可选地，所述连接金属层包括自所述第一欧姆接触层依次形成的金属反射层和金属键合层。
可选地，所述连接金属层由Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。
可选地，还包括形成在所述第二半导体层上的第二电极结构。
可选地，所述第一电极结构的位置低于所述有源层。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种半导体发光器件制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底正面上依次形成第一半导体层、有源层以及第二半导体层以形成堆叠外延层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；
在与所述第一端相对的第二端形成反射层；
形成第一电极结构，所述第一电极结构形成在所述衬底背面、所述堆叠外延层的所述第一端以及所述反射层的外侧。
可选地，在所述第一端形成所述第一电极结构之前还包括：在所述第一端形成抗反射层。
可选地，在与所述第一端相对的第二端形成反射层包括在所述第二端依次形成多层反射层。
可选地，所述反射层由Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2和HfO2中的至少一种形成。
可选地，形成第一电极结构还包括以下步骤：
在所述衬底背面形成第一欧姆接触层；
在所述第一欧姆接触层外侧、所述抗反射层的外侧以及所述反射层的外侧形成连接金属层。
可选地，形成所述连接金属层还包括以下步骤：
在所述第一欧姆接触层外侧、所述抗反射层的外侧以及所述反射层的外侧形成所述金属反射层；
在所述金属反射层外侧形成金属键合层。
可选地，形成所述第一电极结构之前还包括以下步骤：
提供一载片；
在所述载片上涂覆光刻胶；
使所述衬底背面朝上将所述半导体发光器件埋入所述光刻胶中，所述有源层全部埋入所述光刻胶中，裸露出衬底背面第一欧姆接触层、部分抗反射层和部分反射层；
其中，在衬底背面所述抗反射层和所述反射层之间的区域上形成所述第一欧姆接触层，在形成的所述第一欧姆接触层的外侧以及所述光刻胶的上方沉积形成所述连接金属层。
可选地，所述连接金属层包括Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。
可选地，还包括在所述第二半导体层上形成第二电极结构。
可选地，还包括去除所述载片以及所述半导体器件上残留的光刻胶的步骤。
可选地，所述第一电极结构的位置低于所述有源层。
如上所述，本发明的半导体发光器件及其制备方法具有如下技术效果：
在所述半导体发光器件包括衬底；形成在衬底正面上的堆叠外延层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；形成在所述衬底背面的第一电极结构；第一电极结构包括形成在所述衬底背面的第一欧姆接触层以及形成在所述第一欧姆接触层外侧的连接金属层，其中，所述连接金属层同时形成在所述堆叠外延层的第一端的抗反射层及第二端的反射层的外侧，并且所述第一电极结构在所述第一端的位置低于所述有源层。上述连接金属层的设置使其不会影响发光器件的发光效果，同时能够及时地将外延层、抗反射层和反射层产生的热量传导出去，提高抗反射层和反射层抗光学灾变损伤的能力以及抗热翻转的能力。
所述连接金属层包括金属反射层和金属键合层，金属反射层能够增强对自半导体发光器件下方泄漏的激光束的反射，由此增强半导体发光器件的发光效率。
本发明中，形成在堆叠外延层的第二端的反射层包括多层结构，该多层结构优选采用导热系数较高的绝缘材料的组合，例如Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2及HfO2等中的至少一种，更优选地，采用Al2O3和Ta2O5。连接金属层采用导热系数较高的金属材料，例如，Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。导热系数较高的反射层以及连接金属层协同作用，增加导热效果，进一步增强半导体器件抗光学灾变损伤的能力。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明实施例一提供的半导体发光器件的结构示意图。
图2显示为本发明实施例二提供的半导体发光器件制备方法的流程图。
图3显示为图2所示的方法中提供的衬底的示意图。
图4显示为图2所述方法中在衬底上形成堆叠外延层的结构示意图。
图5显示为在图4所示结构上形成第二电极结构的结构示意图。
图6显示为在图5所示结构上形成反射层的结构示意图。
图7显示为将图6所示的结构放置在载片上的结构示意图。
图8显示为在衬底背面形成第一电极结构的第一欧姆接触层的结构示意图。
图9显示为在图8所示的结构上形成连接金属层的结构示意图。
图10显示为采用图2所示方法形成的半导体发光器件的示意图。
附图标记
100 半导体发光器件
101 衬底
101-1 衬底正面
101-2 衬底背面
102 堆叠外延层
1021 第一半导体层
1022 有源层
1023 第二半导体层
103 半导体发光器件的第一端
104 半导体发光器件的第二端
105 抗反射层
106 反射层结构
1061 第一反射层
1062 第二反射层
1063 第三反射层
1064 第四反射层
107 第一电极结构
1071 第一电极结构的第一欧姆接触层
1072 连接金属层
1072-1 金属反射层
1072-2 金属键合层
108 第二电极结构
109 载片
110 光刻胶
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件可以是发光二极管或者雷射二极管。在本实施例中，以GaN基发光二极管为例，说明半导体发光器件的具体结构。
如图1所示同时结合附图4，本实施例的半导体发光器件100包括衬底101以及形成在衬底101上的堆叠外延层102。衬底101具有衬底正面101-1以及衬底背面101-2。堆叠外延层102形成在衬底正面101-1上。例如可以通过本领域常用的沉积法在衬底正面101-1上依次形成第一半导体层1021、有源层1022以及第二半导体层1023。
在本实施例的优选实施例中，衬底101为N型GaN基衬底，第一半导体层1021为与所述衬底101具有相同的导电类的N型半导体层，第二半导体层1023为与第一半导体层1021导电类型相反的P型半导体层。反之，如果衬底是P型衬底，则第一半导体层1021为P型半导体层，第二半导体层1023为N型半导体层。在本实施例中以衬底101为N型GaN基衬底、第一半导体层1021为N型半导体层，第二半导体层1023为P型半导体层为例。
半导体发光器件100自所述堆叠外延层102的第一端103发光，在与第一端103相对的第二端104形成有反射层106。在本实施例的优选实施例中，该反射层106为分布式布拉格反射层(DBR)，并且该DBR包括多层结构，例如图1所示的自所述第二端104向外依次形成的第一反射层1061、第二反射层1062、第三反射层1063及第四反射层1064。如图1所示，DBR形成在半导体发光器件的第二端104的端面上同时包覆衬底背面101-2的边缘部分及第二半导体层1023的表面的边缘部分。本实施例的优选实施例中，DBR采用导热系数相对较高的材料组合，例如Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2及HfO2等中的至少一种，优选地采用Al2O3和Ta2O5。采用上述导热系数相对较高的材料组合，能够提高DBR的热传导能力，能够实现DBR产生的热量的快速传递。
同样如图1所示，本实施例的半导体发光器件100还包括形成在第一端103的抗反射层105，该抗反射层105形成在第一端103的端面上，同时包覆衬底背面101-2的边缘部分及第二半导体层1023的表面的边缘部分。该抗反射层105能够减少对激光的反射，增强半导体发光器件100的发光效率。
本实施例的半导体发光器件还包括形成在衬底背面101-2上的第一电极结构107以及形成在第二半导体层1023上的第二电极结构108。如本领域所熟知的，所述第一电极结构107包括第一欧姆接触层1071以及第一电极层，第二电极结构108同样包括第二欧姆接触层及第二电极层。
如图1所示，本实施例中第一电极结构107包括形成在衬底背面101-2上的第一欧姆接触层1071，具体地，该第一欧姆接触层1071形成在反射层106和抗反射层105之间的衬底背面101-2上。在本实施例中第一电极层形成为连接金属层1072，如图1所示，该连接金属层1072形成在第一欧姆接触层1071的外侧，同时形成在位于第一欧姆接触层1071两侧、形成在衬底背面101-2的反射层106和抗反射层105的外层，更进一步地，连接金属层1072形成在第一端103的外侧的抗反射层105和第二端104外侧的反射层106的外侧，并且连接金属层1072在第一端103和第二端104的位置低于堆叠外延层102中的有源层1022的位置。
在本实施例的优选实施例中，连接金属层1072包括自所述第一欧姆接触层1071依次形成的金属反射层1072-1以及金属键合层1072-2。更优选地，连接金属层1071采用导热系数相对较高的材料形成，例如可以由Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt和C中的至少一种形成。
上述连接金属层在所述半导体器件上形成包覆衬底背面以及器件两端低于有源层位置的部分，由此形成整体上呈“凹”字型的第一电极结构。该第一电极结构与反射层接触，并且采用导热系数相对较高的材料形成，因此，有利于及时传导外延层、抗反射层和反射层累积的热量，提高反射层的抗光学灾变损伤的能力以及热翻转能力。
另外，连接金属层形成在整个衬底背面，其中的金属反射层能够提高对第一半导体层下方的漏光的反射，增强半导体发光器件的发光效率。
实施例二
本实施例提供一种半导体发光器件制备方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底正面上依次形成第一半导体层、有源层以及第二半导体层以形成堆叠外延层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；
在与所述第一端相对的第二端形成反射层；
形成第一电极结构，所述第一电极结构形成在所述衬底背面、所述堆叠外延层的所述第一端以及所述反射层的外侧，并且所述第一电极的位置低于所述有源层。
结合图3-10对上述方法进行详细说明。如图3所示，首先提供一衬底100，该衬底100具有衬底正面101-1和衬底背面101-2。所述衬底可以是本领域常用的衬底材料，例如蓝宝石、GaN基衬底等。本实施例中以N型GaN基衬底为例进行说明。
然后如图4所示，在衬底101的衬底正面101-1上形成堆叠外延层102。例如在GaN基衬底100上依次沉积形成第一半导体层1021、有源层1022以及第二半导体层1023。在本实施例中，第一半导体层1021为N型半导体层，第二半导体层1023为P型半导体层。由此形成的半导体发光器件自第一端103发光。
然后如图5所示，在第二半导体层1023的上方形成第二电极结构108，如本领域技术人员所知，该第二电极结构108包括第二欧姆接触层及第二电极层，对此未详细图示。之后如图6所示，在图5所示结构的第一端形成抗反射层105，以减少对第一端103发射的激光的反射。在第二端104形成反射层106。在本实施例的优选实施例中，反射层106为包括多层反射层的DBR，例如包括第一反射层1061、第二反射层1062、第三反射层1063及第四反射层1064。所述抗反射层105及反射层106在形成在第一端103和第二端104的端面上的同时，如图6所示还形成在衬底背面101-2的边缘部分以及第二半导体层1023的表面的边缘部分。优选地，所述反射层106由导热系数较高的绝缘材料形成，例如，由Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2及HfO2等中的至少一种形成，更优选地，由Al2O3和Ta2O5形成。上述反射层形成F-P腔，增强对激光的反射，与第一端103外侧的抗反射层105协同作用，增强半导体发光器件的发光效率。另外，反射层106由上述导热系数较高的绝缘材料形成，可以增加反射层106累积的热量的传导，减少反射层的光学灾变损伤。
之后在衬底背面101-2形成第一电极结构107。如图7-10所示，首先提供一载片109，在所述载片109上形成一定厚度的光刻胶110；然后将图6所示的结构倒置放置并埋入所述光刻胶110中。所述光刻胶110的厚度至少完全没过有源层1023，裸露出衬底背面第一欧姆接触层、部分抗反射层和部分反射层，如图7所示。然后如图8所示，在衬底背面101-2抗反射层105和反射层106之间的区域上形成第一欧姆接触层1071。然后，如图9所示，在形成第一欧姆接触层1071的外侧以及所述光刻胶110的上方沉积形成连接金属层1072，例如首先沉积形成金属反射层1072-1，然后在金属反射层1072-1外侧形成金属键合层1072-2。所述连接金属层可以由导热系数较高的金属材料形成，例如可以由Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt和Cr中的至少一种形成。
在上述光刻胶110的作用下，连接金属层1072位置低于在有源层1022，不会超过有源层1022，由此不会影响半导体发光器件发光。另外，连接金属层部分覆盖反射层和抗反射层，并且由导热系数较高的材料形成，因此能够快速传导外延层、抗反射层和反射层累积的热量，提高反射层的抗光学灾变损伤的能力以及热翻转能力。
另外，连接金属层形成在整个衬底背面，其中的金属反射层能够提高对第一半导体层下方的漏光的反射，与反射层协同作用，提高器件对激光的垂直反射和下边角度的反射，增强半导体发光器件的发光效率。
最后去除所述光刻胶110以及载片109，将形成的结构翻转，形成图10所示的半导体发光器件。所述载片109可以回收进行下一批次的半导体发光器件的制备，实现重复利用，降低制备成本。
如上所述，本发明的半导体发光器件及其制备方法具有如下技术效果：
在所述半导体发光器件包括衬底；形成在衬底正面上的堆叠外延层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；形成在所述衬底背面的第一电极结构；第一电极结构包括形成在所述衬底背面的第一欧姆接触层以及形成在所述第一欧姆接触层外侧的连接金属层，其中，所述连接金属层同时形成在所述堆叠外延层的所述第一端的抗反射层及第二端的反射层的外侧，并且所述连接金属层的位置低于所述有源层。上述连接金属层的设置使其不会影响发光器件的发光效果，同时能够及时地将外延层、抗反射层和反射层产生的热量传导出去，提高抗反射层和反射层抗光学灾变损伤的能力以及抗热翻转的能力。
所述连接金属层包括金属反射层和金属键合层，金属反射层能够增强对自半导体发光器件下方泄漏的激光束的反射，由此增强半导体发光器件的发光效率。
本发明中，形成在堆叠外延层的第二端的反射层包括多层结构，该多层结构优选采用导热系数较高的绝缘材料的组合，例如Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2及HfO2等中的至少一种，优选地，采用Al2O3和Ta2O5。连接金属层采用导热系数较高的金属材料，例如，Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。导热系数较高的反射层以及连接金属层协同作用，增加导热效果，进一步增强半导体器件抗光学灾变损伤的能力。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (20)
1.一种半导体发光器件，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底正面上的堆叠外延层，所述堆叠外延层包括依次形成在所述衬底正面上的第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；
形成在与所述第一端相对的第二端外侧的反射层；
形成在所述衬底背面的第一电极结构；
其中，所述第一电极结构包括形成在所述衬底背面的第一欧姆接触层以及形成在所述第一欧姆接触层外侧的连接金属层，并且所述连接金属层同时形成在所述堆叠外延层的所述第一端及所述第二端的所述反射层的外侧。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述衬底包括GaN基衬底，所述半导体发光器件包括GaN激光二极管或发光二极管。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述反射层包括形成在所述第二端的多层结构。
4.根据权利要求3所述的半导体发光器件，其特征在于，所述反射层由Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2和HfO2中的至少一种形成。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述堆叠外延层的所述第一端还形成有抗反射层，所述连接金属层形成在所述抗反射层的外侧。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述连接金属层包括自所述第一欧姆接触层依次形成的金属反射层和金属键合层。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于，所述连接金属层由Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，还包括形成在所述第二半导体层上的第二电极结构。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述连接金属层的位置低于所述有源层。
10.一种半导体发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底正面上依次形成第一半导体层、有源层以及第二半导体层以形成堆叠外延层，所述半导体发光器件自所述堆叠外延层的第一端发光；
在与所述第一端相对的第二端形成反射层；
在所述衬底背面形成第一欧姆接触层并在所述第一欧姆接触层的外侧形成连接金属层以形成第一电极结构；所述连接金属层同时形成在所述堆叠外延层的所述第一端以及所述反射层的外侧。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在所述第一端形成所述第一电极结构之前还包括：在所述第一端形成抗反射层。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在与所述第一端相对的第二端形成反射层包括在所述第二端依次形成多层反射层。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述反射层由Al2O3、Ta2O5、MgF2、SiO2、TiO2、ZrO2和HfO2中的至少一种形成。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，形成第一电极结构还包括：
在所述抗反射层的外侧形成所述连接金属层。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，形成所述连接金属层还包括以下步骤：
在所述第一欧姆接触层外侧、所述抗反射层的外侧以及所述反射层的外侧形成所述金属反射层；
在所述金属反射层外侧形成金属键合层。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，形成所述第一电极结构之前还包括以下步骤：
提供一载片；
在所述载片上涂覆光刻胶；
使所述衬底背面朝上将所述半导体发光器件部分埋入所述光刻胶中，所述有源层全部埋入所述光刻胶中，裸露出衬底背面第一欧姆接触层、部分抗反射层和部分反射层；
其中，在衬底背面所述抗反射层和所述反射层之间的区域上形成所述第一欧姆接触层，在形成的所述第一欧姆接触层的外侧以及所述光刻胶的上方沉积形成所述连接金属层。
17.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述连接金属层包括Ag、Al、Cu、Au、Ti、Pt、Cr中的至少一种形成。
18.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，还包括在所述第二半导体层上形成第二电极结构。
19.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，还包括去除所述载片以及所述半导体器件上残留的光刻胶的步骤。
20.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述连接金属层的位置低于所述有源层。
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