CN1295350A - 发光半导体装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种发光半导体装置及其制作方法,在本装置中,一反射层制作在发光半导体堆叠结构上,再将一第二衬底结合在反射层之上,最后,将堆叠结构的原衬底去除,以第二衬底作为整体装置的衬底。由于反射层可将发光半导体射向衬底方向的光有效地反射出,故能有效地提高发光半导体装置的发光效率;本发明亦可将使用绝缘衬底制作的发光半导体装置中的电极改制成垂直式电极,以有效地降低晶粒制作的单位面积。

Description

发光半导体装置及其制作方法

本发明涉及一种发光半导体装置及其制作方法，特别是关于具有反射层结构的发光半导体装置及其制作方法。

现有技术中使用可吸收光线的衬底制作的面接触型发光二极管，如图1所示，首先在可吸收光线的衬底20上生长一层下包覆层(cladding layer)21，在其上生长一活性层(active layer)22，然后，在活性层上再生长一上包覆层(cladding layer)23，这样，便形成双异质结(double heterostructure)。这种发光二极管的光波波长由活性层中的成分比例决定，包覆层能隙较活性层高，故一方面可以提高载子的注入效率，另一方面由活性层所发出的光亦不会被包覆层吸收，最后，在发光二极管的发光面上镀上正面金属电极24，同时在衬底20无生长磊晶层的一面上镀上背面金属电极25。此种垂直式发光二极管因为使用了吸光衬底砷化镓(GaAs)，此衬底可吸收波长介于570nm到650nm的可见光，进而降低了发光效率。故降低吸光衬底的吸收效应，是决定其发光效率的重要因素之一。

为了改善使用吸光衬底所造成吸收可见光的缺点及增进发光效率，现有技术发展出另一种如图2所示的发光二极管，主要是增加了电流阻隔区34及反射层33。在上包覆层23上生长一同于包覆层但不同于掺杂型的半导体电流阻隔区34，这样可使电流散开的面积增加，而改进发光效率；再者，在吸光衬底20与下包覆层21之间加入反射层33，以使向吸光衬底入射的光线能在反射层33内被反射回来，以提高发光效率。然而，此种结构，一则需界定出电流阻隔区的区域，且使用两次MOCVD磊晶，其存在工艺复杂及时间长的缺点；再则其反射层是由两种不同折射系数的材料为一对(pair)重复交叠制作而成，这种反射层的反射角频宽由此对的折射系数差所决定，然而，受限于组成材料为化合物半导体，两组成材料之间的折射系数差是有限的，其只能对几乎垂直入射的光线才有反射作用，其余的光线仍需通过此反射层而被衬底吸收，所以降低衬底吸收光的作用极为有限。

现有技术中发展出另一种如图3所示的发光二极管，其是先将发光二极管异质结构36磊晶生长在暂时性的吸光衬底20上，并维持晶格相匹配(lattice match)，而后，再将吸光衬底20去除，接下来使用晶片接合(Wafer bonding)技术，将另一透光导电衬底35与发光二极管异质结构36相结合，透光导电衬底35不仅可增加电流散开的面积，同时亦不吸收自活性层所发出的光，故能提高其发光效率。在此技术中，使用晶片接合(Wafer bonding)技术是将另一个透光导电衬底35与发光二极管异质结构36相结合，此技术的原理是利用不同材料之间的热膨胀系数之差，经由热处理而产生单轴压力的推挤而使透光导电衬底35与发光二极管异质结构36结合面之间产生原子与原子的凡德瓦力而键结；故为了达到大面积的均匀性，需产生均匀的大面积单轴压力，这样不需要特别设计的热结合机具，且又需保持透光导电衬底35与发光二极管异质结构36之间的表面晶格方向一致，才能得到足够强度的键结力及低阻抗的接合界面，故此法在制作技术上较为复杂且难度高，因此制作的合格率不易提高。

再者，现有技术中使用蓝宝石(Sapphire)衬底所制成的氮化镓系列的发光二极管，由于此衬底是绝缘的，无法导电，故须制成横向电极，如图4所示，包含一蓝宝石绝缘衬底40，其上依序磊晶生长一缓冲层41，一n型下包覆层42，一活化层43，一p型上包覆层44及一p型欧姆接触层45，然后制作正面电极46及横向背面电极47。此外，现有技术亦有使用碳化硅(Silicon Carbide)当成氮化镓系列的发光二极管的衬底，虽然碳化硅可以导电，可制作成垂直式电极，但是此衬底不易制作，且成本亦相当高；故目前主要使用绝缘衬底制成氮化物发光二极管装置。由于使用绝缘衬底，无法制作成传统式垂直电极结构，而须制成横向电极结构，如此不仅须特殊连线机构及封装技术，且晶粒的制作面积相对增加，导致加工工艺复杂，且每单位元件所需成本亦增加。

综上可知，现有技术存在下列缺点：

1、电流阻隔区需加设两次MOCVD磊晶的复杂工艺，以及其中反射层只能反射特定入射角的光线，反射作用小。

2、为了达到键结均匀性及低阻抗结合界面所须的晶片接合技术工艺复杂。

3、使用蓝宝石(Sapphire)衬底所制成的氮化镓系列的发光二极管，无法制作成垂直式电极，而使得单位元件成本增加。

本发明的目的在于提供一种发光效率高的发光半导体装置。

本发明的另一目的在于提供一种易于加工的发光半导体装置，主要是将一衬底与一发光半导体相结合，以降低工艺的复杂性，但可提高合格率。

本发明的目的之三在于简化制造电流阻隔区的工艺，并能有效提供分散电流的功能，以增进发光效率。

本发明的目的之四在于提供一种易于将具有横向电极结构的发光半导体装置改制成具有垂直式电极结构的光半导体装置，以便有效地降低晶粒制作的单位面积，并利于连线封装等后段工艺。

为达到上述目的本发明采取如下措施：

本发明的一种发光半导体装置，包括：

一半导体堆叠结构，用以回应电流的导通而发出光线；

反射层，位于半导体堆叠结构的一主要表面上，用以反射由堆叠结构产生的光线；

衬底为一厚层，位于反射层的表面上；电极用以施加电流至半导体堆叠结构。

其中，所述反射层中具有至少一个导电性较其他部分差的电流阻隔区域。

其中，所述电流阻隔区域为绝缘氧化物、绝缘氮化物、空气或肖特基性接触区中之一。

本发明的一种发光半导体装置的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

在一第一衬底上形成第一导电型的下包覆层；

邻接下包覆层，形成第二导电型上包覆层；

在上包覆层上形成一欧姆接触层；

在欧姆接触层上形成一反射层；

将一第二衬底接合在反射层上；

移去第一衬底；

制作可分别导通至上包覆层及下包覆层的电极。

其中，还包括下列步骤：

在形成下包覆层之前，在第一衬底上形成一第一导电型的缓冲层，下包覆层形成在缓冲层上。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

由于本发明的发光半导体装置中原来的吸光衬底已在加工中被去除，因此完全克服了因使用吸光衬底所造成降低发光效率的问题。此外，本发明的发光半导体装置具有一反射层，其可将发光半导体射向衬底方向的光线有效地反射，故能提高发光半导体装置的发光效率。本发明的反射层可包括单层或多层金属结构，金属层可作为第二衬底与发光半导体结构结合的介质，不仅可解决现有的晶片直接接合的困难，且可大大放宽对第二衬底材料的选择。再者，本发明的发光半导体装置可在制作反射层时同时制作电流阻隔区，因此可简化加工工艺。

此外，本发明所公开的方法，可直接用于将原本使用绝缘衬底的发光半导体装置(如氮化物发光二极管)制作成具有垂直电极的发光半导体装置，不仅可有效地降低晶粒制作的单位面积、利用传统的连线封装后段工艺，并能以断开(cleavage)方式分割，有利于制造激光二极管装置。

本发明效果具体综述如下：

(1)制造工艺简单、成本低：在发光二极管异质结构与导电衬底之间加入金属反射层的同时亦制作出电流阻隔区，不须以两次MOCVD磊晶制作电流阻隔区，由于入射光只在金属材料的表面穿透随即被双极子(dipole)所反射，所以，金属对光线的入射角并无选择性地反射，所以能增加反射角频宽，更有效地达到光的反射，而不易被衬底吸收。

(2)加设金属反射层于发光二极管双异质结与导电衬底之间，由于金属与化合物半导体易形成合金化键结，故可当作晶片结合的介质，较晶片对晶片直接接合容易且制作简单。

(3)加设金属反射层在使用绝缘衬底所生长的氮化镓发光二极管双异质结与另一导电衬底之间，再将绝缘衬底除去，可制作成垂直式电极结构的氮化镓发光二极管，有利于晶粒的连线及封装作业，并可减小晶粒的制作面积，故可降低成本。

结合附图及实施例对本发明的具体结构及方法特征详细说明如下：

附图简单说明：

图1：现有的一种面接触型发光二极管的剖面图；

图2：现有的另一种面接触型发光二极管的剖面图；

图3：现有的又一种面接触型发光二极管的剖面图；

图4：现有的使用绝缘衬底制作的一种面接触型发光二极管的剖面图；

图5：本发明的一种面接触型发光二极管的剖面图；

图6a-6g：本发明的一种面接触型发光二极管的制作流程示意图；

图7a-7d：本发明的另一种面接触型发光二极管的制作流程示意图；

图8a-8d：本发明的又一种面接触型发光二极管的制作流程示意图；

图9a-9e：本发明的一种使用绝缘衬底制作发光二极管的制作流程示意图；

图10a-10c：本发明的另一种使用绝缘衬底制作发光二极管的制作流程示意图；

如图5所示，其为本发明的面接触型发光二极管的示意图，由下而上，包括：一导电衬底1(conductive substrate)、一金属反射层8、一欧姆接触层7(ohmic contact layer)、一上包覆层6(cladding layer)、一活性层5(active layer)、一下包覆层4、一正面金属电极11及背面金属电极10。

本发明的实施例1如图6a所示，在第一个n型砷化镓(GaAs)衬底120上依序磊晶生长一n型铝镓铟磷(AlGaInP)下包覆层121、一铝镓铟磷活性层122(为现有的组成结构)，其可为单层量子阱(SQW)或多层量子阱(MQW)，一P型铝镓铟磷上包覆层123，一p型铟镓磷(InGaP)与P型砷化镓组合而成的欧姆接触层124。磊晶生长完成后将部分P型欧姆接触层124利用蚀刻技术移去，并暴露出P型上包覆层123，如图6b所示；接下来利用蒸镀或溅镀技术将一金属反射层125镀在P型欧姆接触层124及P型上包覆层123上，如图6c所示；接下来将第二个P型导电衬底126以热接合方法与金属反射层125结合，完成后，将第一个n型砷化镓衬底120移去，如图6d所示；再制作正面金属电极128及背面金属电极127，如图6e所示。

此金属反射层125能与P型欧姆接触层124形成良好的欧姆性接触(Ohmic contact)，其与P型上包覆层123形成肖特基接触(Schottky contact)。此金属欧姆性接触导电性相当高，除了可做为电流扩散路径外，由于金属反射层125对光线的入射角并无选择性地反射，所以能增加反射角频宽，故能更有效地将自活性层122所发出的光加以反射，而金属肖特基接触导电性相对地较差，可当作电流阻隔区，但亦可使自活性层122所发出的光反射。

如图6f所示，其表示本实施例中输入的电流在发光二极管中的分布状态。加入的金属反射层125能有效地将电流散开，以提高发光效率。

如图6g所示，从图中可看出加入的金属反射层125如何将活性层所发出的光反射而不被衬底吸收的机理。

如图7a所示，其为本发明实施例二的示意图，在第一个n型砷化镓衬底130上依序磊晶生长一n型铝镓铟磷下包覆层131，一铝镓铟磷活性层132为现有的组成结构，其可为单层量子阱(SQW)或多层量子阱(MQW)，一P型铝镓铟磷上包覆层133，一P型欧姆接触层134。磊晶生长完成后，接下来利用蒸镀或溅镀技术将一金属反射层135镀在P型欧姆接触层134上；接着如图7b所示，再将部分金属反射层135以蚀刻技术移去，并暴露出P型欧姆接触层134；如图7c所示，再将第二个P型导电衬底136以热接合方法与金属反射层135结合，完成后，将第一个n型砷化镓衬底130移去；最后，如图7d所示，再制作正面金属电极138及背面金属电极137。

金属反射层135能与P型欧姆接触层134形成良好的欧姆接触，此金属欧姆接触的功能同实施例一，而暴露出的P型欧姆接触层134与第二个P型导电衬底136之间的空隙则当作电流阻隔区，而且由于铝镓铟磷上包覆层133的折射系数n(refraction index)约为3.5，而P型欧姆接触层134与第二个P型导电衬底136之间的空隙的折射系数n约等于1，所以自活性层132所发出的光进入P型欧姆接触层134与第二个P型导电衬底136之间的空隙时，光线从密介质到疏介质，所以此空隙亦能将光线反射回来。

本实施例的电流分布及自活性层所发出的光线的反射情形同实施例一。

请参阅图8a，其表示本发明的实施例三，在本实施例中，在第一个n型砷化镓衬底140上，依序磊晶生长一n型铝镓铟磷下包覆层141，一铝镓铟磷活性层142为现有的组成结构，其可为单层量子阱(SQW)或多层量子阱(MQW)，一P型铝镓铟磷上包覆层143，一P型欧姆接触层144。磊晶生长完成后，接下来利用蒸镀或溅镀的技术将一金属反射层145镀在第二个P型导电衬底146上，再将部分金属反射层145移去，暴露出第二个P型导电衬底146，如图8b所示；接下来以热接合的方法将此金属反射层145与欧姆接触层144接合，完成后，将一个n型衬底140移去，如图8c所示；最后，再制作正面金属电极148及背面金属电极147，如图8d所示。

金属反射层145能与P型欧姆接触层144形成良好的欧姆接触，金属欧姆接触及暴露出的第二个P型导电衬底146与欧姆接触层144之间的空隙的功能与实施例二中所描述的相同。

本实施例的电流分布及自活性层所发出的光线的反射情形同实施例一。

请参阅图9a，其表示本发明的实施例四，在本实施例中，在第一个蓝宝石绝缘衬底150上依序磊晶生长一n型氮化镓(GaN)缓冲层151，一n型氮化铝镓(AlGaN)下包覆层152，一氮化铟镓(InGaN)活性层153，其为现有组成结构，其可为单层量子阱(SQW)或多层量子阱(MQW)，一P型氮化铝镓(AlGaN)上包覆层154，一P型氮化镓(GaN)欧姆接触层155。然后，将部分P型欧姆接触层155利用掩模蚀刻技术制作出金属蒸镀图案(pattern)200，如图9b所示，接下来利用蒸镀或溅镀技术将一金属反射层156镀在P型欧姆接触层155金属蒸镀图案200之上，如图9c所示。接下来将第二个P型导电衬底157以热接合方法与金属反射层156结合，完成后，将第一个蓝宝石绝缘衬底150移去，如图9d所示。最后，再制作正面金属电极159及背面金属电极158，这样，即可制作出垂直式电极的氮化镓系发光二极管，如图9e所示。

金属反射层156能与P型欧姆接触层155形成良好的欧姆性接触，金属欧姆接触155及第二个P型导电衬底157与欧姆接触层155之间暴露出的空隙的功能与实施例二中所描述的相同。

本实施例的电流分布及自活性层所发出的光线的反射情形同实施例一。

请参阅图10a，其表示本发明的实施例5，在本实施例中，在第一个蓝宝石绝缘衬底160上依序磊晶生长一n型氮化镓缓冲层161，-n型氮化铝镓下包覆层162，一氮化铟镓活性层163，其为现有的组成结构，其可为单层量子阱(SQW)或多层量子阱(MQW)，一P型氮化铝镓上包覆层164，一P型氮化镓欧姆接触层165。

磊晶生长完成后，接下来利用蒸镀或溅镀技术将一金属反射层201图案镀在第二个P型导电衬底166上，接下来将以热接合方法将金属反射层201与欧姆接触层165结合，如图10b所示。完成后，将第一个蓝宝石绝缘衬底160移去，再制作正面金属电极168及背面金属电极167，即可制作出具垂直式电极的氮化镓发光二极管，如图10c所示。

金属反射层201能与P型欧姆接触层165形成良好的欧姆接触，金属欧坶接触及暴露出的第二个P型导电衬底166与欧姆接触层165之间的空隙的功能与实施例四中所描述的相同。

本实施例的电流分布及自活性层及发出光线的反射情形同实施例一。

本发明实施例中的第二衬底的材料可为锗(Ge)、硅(Si)或磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)等任何组成的化合物半导体，亦可为导电型氧化物，如氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等。

本发明发光半导体装置的其他实施例可以不包含活化层，而由上包覆层及下包覆层间的P-N介面发光。

本发明其他实施例中的电流阻隔区的组成可以是绝缘氧化物或绝缘氮化物。

本发明不同实施例中的电极结构亦可视需要而制作成横向式电极结构。

以上叙述是借实施例来说明本发明的结构特征，并非用于限制本发明的保护范围。

Claims (22)

1、一种发光半导体装置，包括：一半导体堆叠结构，用以回应电流的导通而发出光线，一衬底及电极，电极用以施加电流至半导体堆叠结构；其特征在于，还包括：

一反射层，位于半导体堆叠结构的一主要表面上，用以反射由堆叠结构产生的光线；

衬底为一厚层，位于反射层的表面上。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射层中具有至少一个导电性较其他部分差的电流阻隔区域。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电流阻隔区域为绝缘氧化物、绝缘氮化物、空气或肖特基性接触区中之一。

4、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反射层是单层结构钛、铝、金、多层结构金/锗、钛/铝、镍/金中之一。

5、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述半导体堆叠结构包括：

一下包覆层，下包覆层中掺入第一导电型杂质；

一上包覆层，上包覆层中掺入第二导电型杂质且邻接于下包覆层；

一欧姆接触层，形成在上包覆层上。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半导体堆叠结构还包括：

一活性层，界于下包覆层与上包覆层之间。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述下包覆盖为一n型铝镓铟磷半导体层，所述上包覆层为一p型铝镓铟磷半导体层。

8、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述下包覆层为一n型氮化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体层，所述上包覆层为一p型氮化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体层。

9、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述衬底的材料为锗、硅、磷化镓、磷化铟等任何组成的化合物半导体。

10、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述衬底的材料为氧化铟锡、氧化锌等导电型氧化物中之一。

11、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电极包括两个电极，分别位于所述衬底的表面及所述堆叠结构相对于所述主要表面的另一表面上。

12、一种发光半导体装置的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

在一第一衬底上形成第一导电型的下包覆层；

邻接下包覆层，形成第二导电型上包覆层；

在上包覆层上形成一欧姆接触层；

在欧姆接触层上形成一反射层；

将一第二衬底接合在反射层上；

移去第一衬底；

制作可分别导通至上包覆层及下包覆层的电极。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

在形成下包覆层之前，在第一衬底上形成一第一导电型的缓冲层，下包覆层形成在缓冲层上。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述下包覆层为一n型氮化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体层，上包覆层为一P型氮化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体层。

15、根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

在形成所述上包覆层之前，在下包覆盖层上形成一活性层，活性层界于所述下包覆盖层与上包覆层之间。

16、根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述反射层中至少具有一个导电性较其他部分差的区域，作电流阻隔区域。

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电流阻隔区为绝缘氧化物、绝缘氮化物、空气及肖特基性接触区中之一。

18、根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述反射层是钛、铝或金等单层结构、金/锗、钛/铝或镍/金等多层结构中之一。

19、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述下包覆层为一n型铝镓铟磷半导体层，所述上包覆层为一P型铝镓铟磷半导体层。

20、根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述第二衬底的材料为锗、硅、磷化镓、磷化铟等任何组成的化合物半导体、氧化铟锡、氧化锌等导电型氧化物中之一。

21、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电极包括两个电极分别位于所述第二衬底及所述下包覆盖层的表面上。

22、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述电极包括两个电极，分别位于所述第二衬底及缓冲层的表面上。

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