CN1176497A - 半导体发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有高抗浪涌能力和高可靠性的半导体发光二极管,其结构包括形成在发光元件的阳极和阴极之间的附加电容。具体地,在蓝宝石衬底上有n型GaN半导体层、GaN基半导体有源层、和p型GaN基半导体层的LED中,阴极形成在n型GaN半导体层上,并且电极布线从p型GaN基半导体层的顶部延伸以形成电容。

Description

半导体发光二极管及其制造方法
本发明涉及如发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD)等半导体发光元件，特别涉及有电容的半导体发光元件及其制造方法。
根据元件所选的半导体材料和结构，半导体发光元件如LED和LD有不同的波长、亮度和光强。
图12(a)和12(b)表示常规氮化镓基化合物半导体(InxGayAl(1-x-y)N：0≤x≤1，0≤y≤1)LED的结构(日本特许公开号H6-338632)。该LED具有在兰宝石衬底101上依次淀积n型化合物半导体层112和p型化合物半导体层114的结构。部分刻蚀p型化合物半导体层114，暴露n型化合物半导体层112。阴极105形成在n型半导体层112上，而由薄膜金属构成的半透明阳极107形成在p型半导体层114上。引线键合后，在形成于阳极107和阴极105上的底电极118上形成球161和162。电流在键合引线79与78之间流动。通过pn结上电子和空穴的复合而发光。
我们对LED的可靠性实验发现，当加高的电压时，发生发光效率降低等特性退化。例如，当LED被人触摸、焊接、插入或拔出、打开或关闭、或瞬时加驱动电路产生的高压(浪涌)时出现退化。因此，LED的处理必须十分小心。这种缺点在阳极和阴极处于同一平面上的LED中更为明显。在有由薄膜金属形成的透明电极的LED中也很明显。
为解决上述问题，本发明的目的是提供容易处理且当发生电压浪涌时没有退化的LED和LD，及其制造方法。
本发明的说明性实施例提供了一种半导体发光器件，该器件包含具有第一电极和第二电极的化合物半导体发光元件，和形成在第一电极和第二电极之间的电容元件。化合物半导体发光元件可以包含InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
本发明的另一说明性实施例提供一种化合物半导体发光器件，该器件包括第一导电类型的第一化合物半导体层；形成在第一化合物半导体层上的第二导电类型的第二化合物半导体层；连接第一化合物半导体层的第一电极；连接第二化合物半导体层的第二电极；和形成在第一电极和第二电极之间的电容。有源层可形成于第一化合物半导体层和第二化合物半导体层之间。反射层可以形成于第一化合物半导体层下。绝缘层可以形成于第一电极和第二电极之间，其中电容是形成在第二电极、绝缘层和第一电极中的平行板电容。第一电极和第二电极可以作为键合焊盘。电容值可以大于化合物半导体发光元件的本征电容。可以在第一化合物半导体层、有源层和第二化合物半导体层中形成沟槽，电容便形成在沟槽中。
根据本发明的另一说明性实施例，化合物半导体发光元件包括具有绝缘重叠区的第一和第二布线层，电容形成在第一和第二布线层之间，第一布线层与第一电极连接，而第二布线层与第二电极连接。化合物半导体发光元件及第一和第二布线层可以形成在陶瓷衬底上。
本发明的另一说明性实施例提供一种化合物半导体发光器件，该器件包括其上表面有布线的布线板，和用来连接第一电极、第二电极与布线的导电膏。
根据本发明的另一说明性实施例，一种化合物半导体发光器件包括：由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；形成在第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；形成在第一包层上的有源层；形成在有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；形成在第二包层上的电流阻挡层；由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第三包层，第三包层与电流阻挡层邻近，并形成在第二包层上；形成在第三包层上的第二接触层；与第一接触层连接的第一电极；与第二接触层连接的第二电极；形成在第一电极与第二电极之间的绝缘层；及由第一电极、绝缘层、和第二电极等元件形成的电容。化合物半导体发光器件还可以包括其上表面有布线的布线板，和用来连接第一电极、第二电极与布线的导电膏。
本发明的另一说明性实施例提供一种化合物半导体发光器件，该器件包括：由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；形成在第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；形成在第一包层上的有源层；在有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；在第二包层上的电流阻挡层；由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第三包层，该层与电流阻挡层邻近，并形成在第二包层上；形成在第三包层上的第二接触层；与第一接触层连接的第一电极；与第二接触层连接的第二电极；及形成在第一电极与第二电极之间的电容。可以在第一电极与第二电极之间设置绝缘层，其中电容是形成在第一电极、绝缘层、和第二电极中的平行板电容。
本发明的另一说明性实施例提供一种化合物半导体发光器件，该器件包括：由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；形成在第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；形成在第一包层上有源层；形成在有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；形成在第二包层上的电流阻挡层；形成在第二包层上，且由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第二接触层；与第一接触层连接的第一电极；与第二接触层连接的第二电极；形成在第一电极与第二电极之间的电容。
本发明的另一说明性实施例提供一种制造化合物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：形成具有第一导电类型的第一化合物半导体层和第二导电类型的第二化合物半导体层的结的化合物半导体发光元件，其中第一化合物半导体层形成在衬底上，第二化合物半导体层形成在第一化合物半导体层上；刻蚀第二化合物半导体层，部分暴露第一化合物半导体层；在第二化合物半导体层上形成透明电极；在第一化合物半导体层上形成第一电极；在部分第一电极上形成绝缘层；及在透明电极上形成电极布线，并延伸到绝缘层上。
根据本发明的另一说明性实施例，一种制造化合物半导体发光器件的方法包括以下步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；去除部分第一包层、有源层和第二包层以形成台阶形部分；在第二包层上形成透明电极；在台阶形部分底部的第一包层上形成第一电极；在部分第一电极上形成绝缘层；在第二包层上形成电极布线，并延伸到绝缘层上。
根据本发明另一说明性实施例的制造化合物半导体发光器件的方法包括下面步骤：在衬底上形成反射层；在反射层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；去除部分第一包层、有源层和第二包层，形成台阶形部分；在第二包层上形成第二电极；在台阶形部分底部的第一包层上形成第一电极；在部分第一电极上形成绝缘层；在第二电极上形成电极布线，并延伸到绝缘层上。
本发明的另一说明性实施例提供一种制造化合物半导体发光器件的方法，该方法包括下面步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；通过刻蚀第二包层、有源层、和部分第一包层形成沟槽，沟槽的底部在第一包层中；在第二包层上形成透明电极；在沟槽表面形成绝缘层；在沟槽底部形成穿过绝缘层的接触孔；形成接触孔后，在绝缘层上形成电极。
本发明的另一说明性实施例提供一种制造化合物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；去除部分第一包层、有源层和第二包层，形成台阶形部分；在第二包层上形成第一电极；在第一电极上形成绝缘层；在绝缘层上形成与台阶形部分底部的第一包层连接的第二电极。
本发明的另一说明性实施例提供一种制造化合物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一接触层；在第一接触层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；在第二包层上形成电流阻挡层；在电流阻挡层和第二包层上形成第二接触层；去除部分第一接触层、第一包层、有源层和第二包层、电流阻挡层、和第二接触层，形成台阶形部分；在台阶形部分底部的第一接触层上形成第一电极；在部分第一电极上形成绝缘层；在第二接触层上形成电极布线，并延伸到绝缘层上。
本发明的另一说明性实施例提供一种制造化合物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一接触层；在第一接触层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；在第二包层上形成第二接触层；通过刻蚀第二包层和第二接触层形成脊形部分；在脊形部分上形成电流阻挡层；在电流阻挡层上形成连接到第二接触层的第一电极；在第一电极上形成绝缘层；在绝缘层上形成与第一接触层连接的第二电极。
根据本发明的另一说明性实施例，制造化合物半导体发光器件的方法包括以下步骤：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一接触层；在第一接触层上形成第一包层；在第一包层上形成有源层；在有源层上形成第二包层；在第二包层上形成电流阻挡层；在电流阻挡层和第二包层上形成第二接触层；去除部分第一接触层、第一包层、有源层和第二包层、电流阻挡层、和第二接触层，形成台阶形部分；在接触层上形成第一电极；在第一电极上形成绝缘层；在绝缘层和台阶形部分底部的第一接触层上形成第二电极。
下面结合只是说明性且示于附图中的本发明优选实施例更详细地说明本发明。
图1(a)和1(b)是根据本发明说明性实施例的LED的等效电路。
图2(a)是根据本发明第一说明性实施例的LED的透视图。
图2(b)是本发明第一说明性实施例的LED的平面图。
图2(c)是本发明第一说明性实施例的LED的剖面图。
图3是表示电容Cex与抗浪涌能力的关系的曲线图。
图4表示本发明第二说明性实施例的具有多层反射层的LED结构。
图5表示本发明第三说明性实施例的LD结构。
图6(a)和6(b)是根据本发明第四说明性实施例的电容Cex结构的实例。
图7是本发明第五说明性实施例的封装上设置的电容Cex。
图8是本发明的第六说明性实施例的具有沟槽电容的LED的剖面图。
图9是本发明第七说明性实施例的倒装LED的剖面图。
图10是本发明第八说明性实施例的LD的剖面图。
图11本发明第九说明性实施例的倒装LD的剖面图。
图12(a)和12(b)表示常规兰光LED的结构。
如图1(a)所示，根据本发明的第一特征，电容2形成在如LD或LED的半导体发光元件1的阳极和阴极之间。电容2的电容值Cex等于或大于半导体发光元件1的本征电容Ci。半导体发光元件1中的本征电容Ci用等效电导G和等效电容Ci来表示，通常为pn结电容和其他浮置电容。换句话说，测量半导体发光元件1的阻抗时，电容Ci与等效电导G无关。如图3所示，当电容2的电容Cex几乎等于或为Ci的几倍时，抗浪涌能力得到增强。这是因为在半导体发光元件的阴极和阳极之间并联了附加电容Cex从而增加了LED的总电容的缘故。关于瞬时电压的电流响应得到控制，由于大电流导致的金属迁移或缺陷增加引起的LED的特性退化受到抑制。
如图2、图4和图5所示，可以由包括第一电极105、绝缘层106和从台阶形部分底部的透明电极顶部延伸的电极布线108的平行板电容形成附加电容Cex。另外，如图7所示，可以通过在封装中于引线框的引线或布线层之间连接外部电容Cex来构成本发明。有时，当附加电容形成在第一电极和电极布线之间时也可以实现本发明的目的。
实施例1
图2(a)是根据本发明实施例的短波长半导体发光元件的透视图，图2(b)是图2(a)所示LED的平面图。图2(c)是沿图2(b)中的X-Y线的剖面图。
参照图2(a)到2(c)，短波长半导体发光元件具有：约2-6μm厚的n型氮化镓基(GaN基)半导体第一包层102；GaN基半导体有源层103；约0.4μm厚的p型GaN基半导体第二包层104。第一包层102在10-200nm厚的缓冲层120上，而缓冲层120在兰宝石衬底101上。第二包层104可以有约0.1-1μm的厚度。有源层103例如由交替的薄GaN层和薄InGaN层形成。有源层103可以包括一对或多对薄GaN层和薄InGaN层，及附加的薄GaN层。这样，有源层103两边都是薄GaN层。薄GaN层厚度约为1-10nm，典型为4nm。InGaN层厚度为1-5nm，典型为2nm。因此，当有源层103有五对典型厚度的薄GaN层时，有源层103的厚度为34nm。
通过部分刻蚀第二包层104、有源层103、和小部分第一包层102，形成有基本垂直侧壁的台阶。第一电极105形成在台阶底部的第一包层102上。本实施例中作阳极的透明电极107形成在第二包层104的顶部。框形电极布线108形成在透明电极107上。透明电极107包含如氧化铟锡(ITO)或SnO2，或者是Ni或Au或Ni与Au的合金的半透明薄层。电极布线108为如Ti、Au、Ni、或Au与Ti的合金、或Al合金、或Cu合金等金属层，形成该电极布线的目的是尽量暴露透明电极107以增加发光面积。光通过透明电极107部分发射，不被电极布线108遮挡。
如SiO2的绝缘层106形成在第一电极105上。电极布线108从透明电极107的顶部向形成第一电极105的台阶底部延伸。电极布线108和台阶底部的第一电极105还作为键合焊盘，可以键合Au或其他材料的引线。
根据绝缘层106的材料或厚度或第一电极105与电极布线108的重叠面积的不同，抗浪涌能力也不同。由于电容Cex附加于本征电容Ci之上，所以LED的总电容增加。增加了的电容可以防止瞬时高压冲击发光元件的pn结。这样，可以很好地抑制金属迁移和特性退化。
当重叠电极面积为约100μm2时，SiO2绝缘层106最好有0.01-1μm的厚度，且其相对介电常数εr约为3.9。绝缘层106最好有小于等于0.1μm的厚度。当绝缘层106具有如BaTiO3(BTO)或SrTiO3(STO)的高介电常数时，即使利用厚绝缘层也可以增强浪涌能力。由于考虑击穿电压，绝缘层106的厚度不能减小到低于预定厚度，所以，有利的是采用如BTO或STO等高介电常数材料。
如图3所示，随电容Cex的增加，抗浪涌能力增强。Cex＝0时LED抗浪涌能力约为50V，Cex＝50pF时抗浪涌能力增加到500V，Cex＝100pF时抗浪涌能力约为1000V。但是很明显，即使电容Cex增加，抗浪涌能力不可能超过绝缘层的击穿电压。从具体安装技术和LED的成本来看，电极布线108在台阶底部的重叠面积，即电容Cex的面积可以约为100μm2。因此，因为当电容Cex为Ci的两倍或三倍时，可以增强抗浪涌能力，所以电容Cex最好大于Ci几倍，。
在本发明的第一实施例中，InxAlyGa(1-x-y)化合物半导体用于GaN基半导体。根据x和y值，发光波长可以有很大不同，如绿、兰绿、兰和紫外(UV)。x和y值满足0≤x≤1，0≤y≤1。
第一包层102可以是在本实施例中作发光面的pn结的n型InxAlyGa(1-x-y)N层，它可以用如硅(Si)或硒(Se)等杂质掺杂，杂质浓度约为3×1018cm-3。杂质浓度可以是5×1017cm-3-2×1020m-3，最好是5×1018cm-3-5×1019cm-3。参数x和y满足0≤x≤1和0≤y≤1，对所需波长最好为0≤x≤0.3和0≤y≤1。
有源层103可以是由InxAlyGa(1-x-y)N形成的基本本征的半导体层，即不掺杂层，该层为发光面的中心。有源层103的参数x和y满足0≤x≤1和0≤y≤1，对所需波长最好为0≤x≤0.5和0≤y≤0.6。
第二包层104可以是作发光面的pn结的p型InxAlyGa(1-x-y)N层，它可以用如镁(Mg)、铍(Be)或锌(Zn)等杂质掺杂，杂质浓度约为3×1018cm-3。参数x和y满足0≤x≤1和0≤y≤1，对应第一包层102和有源层103，对所需波长最好为0≤x≤0.3和0≤y≤1。
兰宝石衬底101和第一包层104之间的InxAlyGa(1-x-y)N缓冲层120不是必须的。但是当形成缓冲层120时，发光面的晶体质量得到改善，因此可以提供高效发光亮度。
具有高杂质浓度的n型InxAlyGa(1-x-y)N的n型接触层可以形成在缓冲层120和第一包层102之间。第一电极105可以形成在第一接触层上。当具有高杂质浓度的p型InxAlyGa(1-x-y)N的p型接触层形成在透明电极107和第二包层104之间时，欧姆接触电阻降低，所以发光效率得到提高。
当用如BTO或STO等高介电常数的材料作绝缘层106时，可以用已知的Ar离子蚀刻等方法来构图绝缘层106。
在上述实施例中，化合物半导体发光器件为SH型，但DH型也可以。当LED有DH结构时，如图2(a)所示，在第一包层102与第二包层104之间形成有源层103，与第一包层102与第二包层104相比，有源层103有较小的能带隙Eg。
根据本发明第一实施例的制造LED的方法示于图2(a)到2(c)中。
在有预定厚度的兰宝石衬底101的(0001)面上形成InxAlyGa(1-x-y)N薄缓冲层120，其厚度为约10-200nm厚，最好为50nm。例如用金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)方法，在薄缓冲层120上依次淀积n型InxAlyGa(1-x-y)N第一包层102、不掺杂InxAlyGa(1-x-y)N有源层103、和p型InxAlyGa(1-x-y)N第二包层104。当用低压MOCVD时，例如用Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al(CH3)3和NH3作反应气体，用氢气或氮气作载气一起引入。反应压力例如为1-10KPa。也可以用常压MOCVD。这样，可以连续生长从薄缓冲层120到第二包层104的所有GaN基半导体层。薄缓冲层120与第一包层102熔为一体。可以通过改变各反应气体的分量比来调节各层的组分比。SiH4或二环戊二烯基镁(CP2Mg)适于用作掺杂剂。
将其上连续生长有从第一包层102到第二包层104的化合物半导体层的兰宝石衬底101从CVD室中取出，用如溅射方法或CVD方法在第二包层104上形成绝缘层(如SiO2层)。例如用常规光刻方法在绝缘层上形成光刻胶图形层后，选择刻蚀绝缘层。用由选择刻蚀了的绝缘层和光刻胶图形层构成的两层掩模作为刻蚀掩模，用常规刻蚀方法，部分去除第二包层104、有源层103和小部分第一包层102，形成台阶，所以第一包层102暴露在台阶的底部。当在第一包层102下形成n型接触层时，继续刻蚀去除第一包层102，暴露n型接触层。
例如用常规刻蚀方法，去除两层掩模后，清洗衬底。用溅射或CVD方法在第二包层104上淀积第二电极层(如ITO层)。如用剥离方法，去除不需要部分来成形透明电极107。
接着再清洗衬底，然后，用溅射或蒸发方法，在整个面积上淀积如Ti、Al或Ni金属作为第一电极层。用光刻方法或剥离方法，去除第一电极层不需要的部分，在台阶底部构成第一电极105。当用剥离方法时，在淀积第一电极层之前形成光刻胶图形。
用CVD方法，在380-400℃或以下的温度，淀积SiO2层。因为等离子CVD方法或光CVD方法可以在150℃或以下的温度进行淀积，所以最好采用这些方法。可以用光刻方法或RIE方法选择去除透明电极107和部分第一电极105上的SiO2层。当用RIE方法时，由于很强的方向性，台阶侧壁残留SiO2层。图2(a)中去除了残留于侧壁上的SiO2层，但是会保留在侧壁的表面上。
用溅射方法或电子束(EB)淀积方法淀积Ti或Au金属层、或Ti与Au的合金金属层等后，用光刻方法和RIE方法将电极布线108构图为图2(a)所示的框形。如果SiO2层残留在台阶侧壁的表面上，则金属层可以形成在台阶侧壁的表面上。
在晶片上形成短波长LED的基本结构后，用金刚刀等切割成合适大小，得到大量发光元件。在安装到引线上，并进行了引线键合和封装后，便可得根据本发明该实施例的短波长LED。
当用如Ta2O5、SrTiO3(STO)、BaTiO3(BTO)、BaSrTiO3(BSTO)、或PbZrxTi(1-x)O3(PZT)等高介电材料或强介电材料作绝缘层106时，因为在保持绝缘层的厚度的同时能得到更大的电容Cex，所以抗浪涌能力得到更大增强。
实施例2
图4表示根据本发明的具有多反射层(布拉格多反射层)的双异质结型(DH)LED的结构。在图4中，半导体多反射层202形成在n型GaAs衬底201上。多反射层202具有n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P高折射率层和n型Al0.5In0.5P低折射率层的周期性结构，各层的厚度为λ/4n，其中λ为发射光波长，n为折射率。DH结构形成在多反射层202上。DH结构具有n型Al0.5In0.5P第一包层102，不掺杂(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5P有源层103，和p型Al0.5In0.5P第二包层104。在第二包层104上，形成透明电极107，它可以是ITO层、或Ni或Au或Ni-Au合金的薄层。部分刻蚀第二包层104、有源层103和小部分第一包层102，形成有基本垂直侧壁的台阶。在台阶底部的第一包层102上形成AuGe合金第一电极105，与第一包层102电连接。还在透明电极107上形成框型电极布线108，该布线是如Ti、Au、Ni、Au-Ti合金、Au-A1合金、或Au-Cu合金等金属。光通过除被电极布线108覆盖的那部分透明电极外的透明电极107部分发射出来。
在第一电极105上形成SiO2绝缘层106。电极布线108从透明电极107的顶部通过台阶的侧壁表面向绝缘层106的顶部延伸。这样，由电极布线108、绝缘层106、和第一电极105构成电容Cex。台阶底部的电极布线108的表面和暴露的第一电极105作为键合焊盘，用Au线等键合。
由于在发光元件上形成电容Cex增加了二极管的总电容，从而增强了抗浪涌能力。当电容Cex大于本征电容Ci约十倍时，LED的抗浪涌能力是其固有抗浪涌能力的十倍。SiO2绝缘层106最好有0.01-1μm的厚度，但是当用如BSTO、BTO或STO等高介电材料时厚度可以为1μm或以上。当用BSTO时，W可以作为电极布线108。当用CF4的RIE或离子蚀刻方法直接构图W层后，用构图的W层作掩模，在过氧化氢、氨和乙二胺四乙酸(EDTA)混合液中腐蚀BSTO层。
本发明的第二实施例并不限于InGaAlP基LED，也可用于GaAlAs基或其他同质结、单异质结(SH结)或双异质结型LED。
实施例3
图5是展示根据本发明第三实施例的兰光半导体激光器轮廓的透视图。如图5所示，兰光LD具有：10-200nm厚的n型GaN第一接触层122；形成在兰宝石衬底101的(0001)面上的n型GaN第一包层102；形成在第一包层102上的不掺杂InxGa(1-x)N有源层103。p型GaN第二包层104形成在有源层103上，n型GaN电流阻挡层125形成在第二包层104上。p型GaN第三包层126形成在第二包层104上的电流阻挡层125之间。p+型GaN接触层124形成在第三包层126和电流阻挡层125上。
部分刻蚀接触层124、电流阻挡层125、第二包层104、有源层103、第一包层102、和小部分第一接触层122，形成具有基本垂直侧壁的台阶。在台阶底部的第一接触层122上形成Ti、Au或其合金的第一电极105，与第一接触层122电连接。SiO2等的绝缘层106形成在第一电极105和台阶壁上。在接触层124上形成如Ni、Au、Ti、Au-Ti合金、Au-Al合金、或Au-Cu合金等金属的第二电极109，该电极通过台阶侧壁延伸到台阶底部。
电容Cex包括在台阶底部的第二电极109、绝缘层106、和第一电极105。当电容Cex的值大于LD本征电容Ci十倍值时，抗浪涌能力约为常规LD的十倍。当用如BTO或PZT等高介电材料或强介电材料作绝缘层106时，可以得到几kV的抗浪涌能力。
实施例4
图6(a)和6(b)是本发明第四实施例的电容Cex的另一结构。如图6(a)所示，除第一到第三实施例说明过的由电极布线108、绝缘层106、和第一电极105形成的夹层结构(平行板电容)电容Cex外，另一种电容Cex可以包括与第一导电类型的第一半导体层102连接的第一电极105，及第一半导体层102上的绝缘层106上的电极布线108。如图6(b)所示，电容Cex可以包括与第一导电类型的第一半导体层102连接的第一电极105，及第一半导体层102上的电极布线108。此时，金属-半导体结型结构形成在电极布线108和第一半导体层102之间。即图6(a)到6(b)表示的结构中，电极布线108和第一电极105形成在第一半导体层102表面上的不同部分。根据所选电极布线108的材料不同，图6(a)表示MOS型电容，图6(b)表示肖特基结型电容。
当希望电容Cex有大的电容时，可以采取用于DRAM的沟槽型电容。即在n型半导体层102中形成沟槽后，在沟槽中形成电容。换句话说，本发明的电容并不限于平行板电容，可以是柱型或其他形式。第一电极105和/或电极布线108可以作为到其他元件的布线。
实施例5
图7是根据本发明例示实施例形成在铝土陶瓷封装66上的电容Cex。约0.1-0.2mm厚的第一Cu布线68烧结(直接连接)到铝土衬底66上，且其表面镀5-20μm厚的Au。如LED或LD等半导体发光元件1安装在第一Cu布线68上，发光元件1的阴极与第一Cu布线68连接。镀Au的第二Cu布线69也直接连接到铝土衬底66上，但它与第一Cu布线68直角交叉的部分除外，该部分由SiO2层266绝缘。在SiO2层266上，形成约10μm厚的Al桥接层267。另一金属薄膜如Au也可以用来作为桥接层。桥接层267和第二Cu布线69与第一Cu布线68电绝缘。发光元件1的阳极通过键合线72连接到第二Cu布线69上。第一和第二Cu布线68、69作为引线(外部电极)。由桥接层267、SiO2层266、和第一Cu布线68形成电容Cex。电容Cex的面积和SiO2层266的厚度在设计上有很大的灵活性。可以不管发光元件1的结构选择电容Cex的值，所以可以容易地实现1000V以上的抗浪涌能力。
还有，当LED或LD等半导体发光元件1安装在常规引线框上，并且引线框引线的一端与阳极连接，而其另一端与发光元件的阴极连接时，由于在引线框引线之间形成电容，所以电容Cex可以增大。例如，引线框引线有彼此面对的平面部分或其间有电容器。
图7所示的结构也可以用在发光元件的阳极和阴极形成在同一侧时的结构中。因此，本发明的第四实施例的应用可以不考虑阳极和阴极的设置。换句话说，第四实施例可以广泛地用于任何发光元件。
如上所述，本发明可以防止LED或LD由于抗浪涌能力导致的退化，并可以提供高可靠性的发光器件。
实施例6
图8是根据本发明的具有沟槽电容的例示LED结构。在兰宝石衬底101上形成10-200nm厚的InAlGaN缓冲层120。DH结构具有：缓冲层120上的约4μm厚的n型GaN(如掺硅)第一接触层122；包括约2.5nm厚的掺硅In0.3Ga0.7N阱层和约40nm厚的p型Al0.2Ga0.8N盖层的有源层103；0.5μm厚的掺Mg p型GaN的第二接触层104。用如RIE形成到达第一接触层122的沟槽。
在第二接触层104上，形成如ITO层、Ni层、Au层、或Ni-Au合金的透明电极107。在透明电极107上还形成如Ti、Au、Ni、Au-Ti合金、Au-Al合金或Au-Cu合金等金属的电极布线108。
在沟槽表面上形成SiO2绝缘层106。在沟槽底部形成通过绝缘层106的接触孔后，在绝缘层106上形成AuGe合金第一电极105。在电极布线108中形成一孔，使从有源层103中发出的光穿过该孔。键合线71、72键合到第一电极105和电极布线108上。这样，由电极布线108、绝缘层106、和第一电极105在沟槽中形成了电容Cex。
由于通过在发光元件上形成电容Cex增加了二极管的总电容，所以增强了抗浪涌能力。当电容Cex为本征电容Ci的十倍时，LED的抗浪涌能力为本征的十倍。由于制造工艺简单，所以，沟槽型电容可以形成大电容，且制造成品率得到提高。SiO2绝缘层106最好有0.01-1μm的厚度，如用BSTO、BTO、或STO等高介电材料时厚度可以为1μm或以上。当用BSTO时，W适于作电极布线108。
本发明的该实施例并不限于GaN基LED，而是适用其他任何LED，不管是同质结、单异质结(SH结)，还是DH结型。
实施例7
图9是本发明的倒装型例示LED的结构。在兰宝石衬底101上形成约10-200nm厚的InAlGaN缓冲层120。DH结构具有：约4μm厚的n型GaN第一接触层122；包括约2.5nm厚的掺硅In0.3Ga0.7N阱层和约40nm厚的p型Al0.2Ga0.8N盖层的有源层103；约0.5μm厚的p型GaN第二接触层104。部分刻蚀第二接触层104、有源层103、和小部分第一接触层122，形成台阶。在第二接触层104上形成如Ti、Au、Ni、Au-Ti合金、Au-Al合金或Au-Cu合金等金属的第二电极109。
在第二电极109和台阶表面上形成SiO2绝缘层106后，通过常规刻蚀，暴露用于第一电极105的区域和用于与布线板11连接的区域。在第一接触层122和绝缘层106上形成AuGe合金第一电极105，以在第一电极105和第二电极109之间形成电容Cex。用焊料14将第一电极105和第二电极109连接到布线板11上的布线12、13上。
从有源层103中发出的光穿过衬底101。发射到第二电极109的光被反射，也穿过衬底101。
由于通过在发光元件上形成电容Cex增加了二极管的总电容，所以增强了抗浪涌能力。由于光从衬底101发出，所以可以在元件上形成具有大电容的大面积电容而没有光损耗。由于焊料14的间隔留得很充分，并且第一电极105和第二电极109之间的高度差很小，所以很容易键合。SiO2绝缘层106最好有约0.01-1μm的厚度，如用BSTO、BTO、或STO等高介电材料时，其厚度可以为1μm或以上。
本发明的该实施例并不限于GaN基LED，还适用于GaAlAs和其他LED，而不管是同质结、单异质结(SH结)，还是DH结型。
实施例8
图10是展示本发明的例示兰光半导体激光二极管的轮廓的透视图。如图10所示，兰光LD具有：形成在缓冲层120上的约4μm厚的n型GaN第一接触层122，缓冲层为形成在具有(0001)面的兰宝石衬底101上的约10-200nm厚的InAlGaN层；在第一接触层122上的约300nm厚的n型Al0.15Ga0.85N第一包层102；及第一包层102上的有源层103。有源层103包括约100nm厚的不掺杂GaN层、10对约2nm厚的不掺杂In0.2Ga0.8N层和约4nm厚的不掺杂In0.05Ga0.95N层、约40nm厚的掺Mg p型Al0.2Ga0.8N层、和约100nm厚的掺Mg p型GaN层。在有源层103上形成约300nm厚的掺Mg p型Ga0.85Al0.15N第二包层104。在第二包层104上形成约0.5μm厚的掺Mg p型GaN第二接触层124。
用如RIE等常规刻蚀方法形成约3μm宽的第二接触层124和包层104的脊形、和暴露第一接触层122的台阶。在脊形和台阶上形成绝缘层130。在第二接触层124上暴露接触面积后，在脊形上形成如Ni、Au、Ti、Au-Ti合金、Au-Al合金或Au-Cu合金等的第二电极109。在第二电极109上形成约0.01-1μm厚的SiO2等绝缘层106，在第一包层102和绝缘层106上形成Ti、Au、或其合金的第一电极105。用第二电极109、绝缘层106、和第一电极105在脊上形成电容Cex。当选用如BTO、BSTO、STO或PZT等高介电材料或强介电材料作绝缘层时，可以得到几kV的抗浪涌能力。
本发明的该实施例并不限于GaN基LD，还适用于GaAlAs和其他LD，而不管是同质结、单异质结(SH结)，还是DH结型。
实施例9
图11是展示本发明的例示实施例的兰光半导体激光二极管的轮廓的透视图。如图11所示，兰光LD具有：形成在具有(0001)面的兰宝石衬底101上的InAlGaN层缓冲层120，其厚10-200nm；在缓冲层120上约4μm厚的掺Sin型GaN第一接触层122；在第一接触层122上约300nm厚的n型Ga0.85Al0.15N第一包层102；和在第一包层102上的有源层103。有源层103包括约100nm厚的不掺杂GaN层、10对约2nm厚的不掺杂In0.2Ga0.8N层和约4nm厚的不掺杂In0.05Ga0.95N层、约40nm厚的掺Mg p型Al0.2Ga0.8N层、和100nm厚的掺Mg p型GaN层。在有源层103上形成约300nm厚的掺Mg p型Ga0.85Al0.15N第二包层104。在第二包层104上形成约1.5μm厚的掺Sin型GaN电流阻挡层125。电流阻挡层125具有由RIE形成的约3μm宽的开口。在第二包层104和电流阻挡层125上形成约1μm厚的掺Mg p型GaN第二接触层124。部分刻蚀第二接触层124、电流阻挡层125、第二包层104、有源层103、第一包层102、和小部分第一接触层122，形成台阶。
在第二接触层124上形成Ni、Au、Ti、或Au与Ti、Al、Cu的合金等的第二电极109。在台阶的侧壁和除第二电极109要与布线板11上的布线12接触的那部分外的第二电极109上，形成厚约0.01-1μm的SiO2等绝缘层106后，在绝缘层106上形成Ti、Au、或其合金的第一电极105，并与第一接触层122连接。电容Cex形成在第二电极109、绝缘层106、和第一电极105中。当选用如BTO、BSTO、STO或PZT等高介电材料或强介电材料作绝缘层时，可以得到几kV的抗浪涌能力。当用高介电材料时绝缘层106的厚度可以为1μm或以上。
用焊料14将第一电极105和第二电极109连接到布线板11上的布线12、13上。布线板11可以作为热沉。由于焊料14的间隔留得很充分，并且第一电极105和第二电极109之间的高度差很小，所以很容易键合，并且发光元件的热量很容易流到布线板11。
本发明的该实施例并不限于GaN基LD，还适用于GaAlAs和其他LD，而不管是同质结、单异质结(SH结)，还是DH结型。
尽管已说明了本发明的各种实施例，但对本领域的技术人员来说很明显，在不违背附属权利要求书所限定的本发明的精神范围下，本发明可以有各种变形。

Claims (51)

1.一种化合物半导体发光器件，包括：
具有第一电极和第二电极的化合物半导体发光元件；
形成在所述第一电极和所述第二电极之间的电容元件。
2.如权利要求1的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述化合物半导体发光元件包括InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
3.如权利要求2的化合物半导体发光器件，还包括：
在其上形成所述半导体发光元件的衬底，其中，所发出的光通过所述衬底。
4.如权利要求1的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电容元件形成在所述化合物半导体发光元件上。
5.如权利要求1的化合物半导体发光器件，还包括有绝缘重叠区的第一和第二布线层，所述电容形成在所述第一和第二布线层之间，所述第一布线层与所述第一电极连接，而所述第二布线层与所述第二电极连接。
6.如权利要求5的化合物半导体发光器件，还包括在其上安装所述化合物半导体发光元件、并形成有所述第一和第二布线层的陶瓷衬底。
7.如权利要求1的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电容的电容值大于所述化合物半导体发光元件的本征电容。
8.一种化合物半导体发光器件，包括：
第一导电类型的第一化合物半导体层；
形成在所述第一化合物半导体层上的第二导电类型的第二化合物半导体层；
与所述第一化合物半导体层相连的第一电极；
与所述第二化合物半导体层相连的第二电极；
形成在所述第一电极和所述第二电极之间的电容。
9.如权利要求8的化合物半导体发光器件，还包括形成在所述第一化合物半导体层和所述第二化合物半导体层之间的有源层。
10.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一化合物半导体层和所述第二化合物半导体层包括InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
11.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：至少所述第一化合物半导体层、所述有源层、所述第二化合物半导体层中的一个包括InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
12.如权利要求9的化合物半导体发光器件，还包括形成在所述第一化合物半导体层下面的反射层。
13.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第二电极包含透明电极和电极布线。
14.如权利要求11的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电极布线选自Au、Ti、Ni、Au和Ti的合金、Au和Al的合金、Au和Cu的合金所组成的组中。
15.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一化合物半导体层暴露于台阶底部，所述第一电极和所述第二电极形成在台阶底部。
16.如权利要求15的化合物半导体发光器件，还包括覆盖台阶侧壁的绝缘层。
17.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一电极或所述第二电极包含布线层。
18.如权利要求9的化合物半导体发光器件，还包括位于所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层，其中所述电容为形成于所述第二电极、所述绝缘层、和所述第一电极中的平行板电容。
19.如权利要求18的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第二电极包含透明电极和延伸到所述绝缘层顶部的电极布线。
20.如权利要求19的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述绝缘层包含选自SiO2、Ta2O5、BTO、STO、BSTO和PZT组中的材料。
21.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极用作键合焊盘。
22.如权利要求9的化合物半导体发光器件，还包括置于所述第一化合物半导体层和所述第二电极之间的绝缘层，其中所述电容形成于所述第一化合物半导体层和所述第二电极之间。
23.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电容形成于所述第一化合物半导体层和所述第二电极之间，肖特基势垒形成在所述第一化合物半导体层和所述第二电极之间。
24.如权利要求9的化合物半导体发光器件，还包括形成于所述第一化合物半导体层、所述有源层、和所述第二化合物半导体层中的沟槽，所述电容形成在所述沟槽中。
25.如权利要求9的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一化合物半导体层暴露在台阶底部，所述第二电极形成在所述台阶的顶部，所述电容形成在所述第二电极上。
26如权利要求9的化合物半导体发光器件，还包括：
在其表面上有布线的布线板；
用来连接所述第一电极和所述第二电极与所述布线的导电膏。
27.一种化合物半导体发光器件，包括：
由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；
形成在所述第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；
形成在所述第一包层上的有源层；
形成在所述有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；
形成在所述第二包层上的电流阻挡层；
由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第三包层，所述第三包层与所述电流阻挡层邻近，并形成在所述第二限制层上；
形成在所述第三包层上的第二接触层；
与所述第一接触层连接的第一电极；
与所述第二接触层连接的第二电极；
形成在所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层；和
由所述第一电极、所述绝缘层、和所述第二电极等元件所形成的电容。
28.如权利要求27的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一器件包含InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
29.如权利要求27的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电极布线选自Au、Ti、Ni、Au和Ti的合金、Au和Al的合金、Au和Cu的合金所组成的组中。
30.如权利要求27的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一接触层暴露在台阶底部，所述绝缘层形成在台阶底部上。
31.如权利要求27的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极用作键合焊盘。
32.如权利要求31的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电容形成在所述第二接触层上的所述第二电极上。
33.如权利要求27的化合物半导体发光器件，还包括：
在其表面上有布线的布线板；
用来连接所述第一电极和所述第二电极与所述布线的导电膏。
34.一种化合物半导体发光器件，包括：
由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；
形成在所述第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；
形成在所述第一包层上的有源层；
形成在所述有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；
形成在所述第二包层上的电流阻挡层；
邻近所述电流阻挡层，并形成在所述第二限制层上，且由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第三包层；
形成在所述第三包层上的第二接触层；
与所述第一接触层连接的第一电极；
与所述第二接触层连接的第二电极；
形成在所述第一电极和所述第二电极之间的电容。
35.如权利要求34的化合物半导体发光器件，还包括置于所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层，其中所述电容为形成于所述第一电极、所述绝缘层、和所述第二电极中的平行板电容。
36.一种化合物半导体发光器件，包括：
由第一导电类型的第一化合物半导体层构成的第一接触层；
形成在所述第一接触层上，且由第一导电类型的第二化合物半导体层构成的第一包层；
在所述第一包层上的有源层；
形成在所述有源层上，且由第二导电类型的第三化合物半导体层构成的第二包层；
在所述第二包层上的电流阻挡层；
在所述第二限制层上，且由第二导电类型的第四化合物半导体层构成的第二接触层；
与所述第一接触层连接的第一电极；
与所述第二接触层连接的第二电极；
形成在所述第一电极和所述第二电极之间的电容。
37.如权利要求36的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电流阻挡层为电介质层。
38.如权利要求37的化合物半导体发光器件，其特征在于所述电介质层包括SiO2。
39.如权利要求36的化合物半导体发光器件，其特征在于：所述电容形成在所述第二接触层上的第二电极上。
40.如权利要求36的化合物半导体发光器件，其特征在于：至少所述第一接触层、所述第一包层、所述有源层、所述第二包层、所述电流阻挡层、和所述第二接触层中的一个包含InxAlyGa(1-x-y)N层(0≤x≤1，0≤y≤1)。
41.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括下面步骤：
形成具有由第一导电类型的第一化合物半导体层和第二导电类型的第二化合物半导体层构成的结的化合物半导体发光元件，该步骤包括：
在衬底上形成所述第一化合物半导体层，和
在第一化合物半导体层上形成第二化合物半导体层；
刻蚀第二化合物半导体层，部分暴露第一化合物半导体层；
在第二化合物半导体层上形成透明电极；
在第一化合物半导体层上形成第一电极；
在部分第一电极上形成绝缘层；及
在透明电极上形成电极布线，并延伸到绝缘层顶部。
42.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
去除部分第一包层、有源层、和第二包层，形成台阶形部分；
在第二包层上形成透明电极；
在台阶形部分底部的第一包层上形成第一电极；
在部分第一电极上形成绝缘层；
在第二包层上形成电极布线，并延伸到绝缘层的顶部。
43.如权利要求42的化合物半导体发光器件的制造方法，其特征在于：构成绝缘层的材料选自SiO2、Ta2O5、BTO、STO、BSTO和PZT的组中。
44.如权利要求42的化合物半导体发光器件的制造方法，还包括在形成第一包层之前于缓冲层上形成接触层的步骤。
45.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成反射层；
在反射层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
去除部分第一包层、有源层、和第二包层，形成台阶形部分；
在第二包层上形成第二电极；
在台阶形部分底部的第一包层上形成第一电极；
在部分第一电极上形成绝缘层；及
在第二电极上形成电极布线，并延伸到绝缘层的顶部。
46.如权利要求45的化合物半导体发光器件的制造方法，其特征在于：构成绝缘层的材料选自SiO2、Ta2O5、BTO、STO、BSTO和PZT的组中。
47.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
通过刻蚀第二包层、有源层、和部分第一包层形成沟槽，沟槽的底部在第一包层中；
在第二包层上形成透明电极；
在沟槽表面上形成绝缘层，
在沟槽的底部形成穿过绝缘层的接触孔；
形成接触孔后，在绝缘层上形成电极。
48.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
去除部分第一包层、有源层、和第二包层，形成台阶形部分；
在第二包层上形成第一电极；
在第一电极上形成绝缘层；
在绝缘层上形成连接台阶形部分底部的第一包层的第二电极。
49.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一接触层；
在第一接触层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
在第二包层上形成电流阻挡层；
在电流阻挡层和第二包层上形成第二接触层；
去除部分第一接触层、第一包层、有源层、和第二包层、电流阻挡层、和第二接触层，形成台阶形部分；
在台阶部分底部的第一接触层上形成第一电极；
在部分第一电极上形成绝缘层；
在第二接触层上形成电极布线，并延伸到绝缘层的顶部。
50.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一接触层；
在第一接触层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
在电流阻挡层上形成第二接触层；
通过刻蚀第二包层和第二接触层形成脊形部分；
在脊形部分上形成电流阻挡层；
在电流阻挡层上形成与第二接触层连接的第一电极；
在第一电极上形成绝缘层；及
在绝缘层上形成与第一接触层连接的第二电极。
51.一种制造化合物半导体发光器件的方法，包括步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成第一接触层；
在第一接触层上形成第一包层；
在第一包层上形成有源层；
在有源层上形成第二包层；
在第二包层上形成电流阻挡层；
在电流阻挡层和第二包层上形成第二接触层；
去除部分第一接触层、第一包层、有源层、和第二包层、电流阻挡层、和第二接触层，形成台阶形部分；
在接触层上形成第一电极；
在第一电极上形成绝缘层；及
在绝缘层和台阶形部分底部的第一接触层上形成第二电极。
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