發光半導體器件及其制造方法

專利名稱：發光半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明大致上涉及由第III族金屬的氮化物構成的發光半導體結構。更確切地說，本發明涉及例如在豎直幾何結構的發光二極管(LED)中使用的反射接觸面及其制造方法。
背景技術：
在日常生活的不同領域，像LED的發光半導體器件具有不斷增加的作用。它們具有種類繁多的應用，例如在電信、照明和顯示技術中。從材料的角度來說，現今的LED技術的一個飛速擴展的分支是基于像氮化鎵GaN、 氮化鋁鎵AlGaN、氮化銦鎵及其合金的第III族金屬的氮化物。這些材料被發現是用于例如發光應用的高亮度LED的特別合適的候選材料。在越來越高效的LED結構的集約型發展中，近年來，一個占主導地位的技術趨勢是代替之前橫向分布的結構，走向豎直的LED幾何結構。在過去，形成與元件的η型層和ρ 型層的電氣連接的兩個電極彼此橫向分離地形成在LED芯片的同一側。這種配置對器件的操作設置了若干限制。在芯片的相對側具有接觸電極的豎直LED幾何結構可以在電流一致性和光提取效率及器件的熱管理方面提供重要的優勢。例如，制造豎直LED的簡化的一般原理可以描述如下。首先，包括η型半導體層、 活性區和P型半導體層的層結構在如藍寶石的生長襯底上形成。接著，反射接觸結構在該結構的頂部形成，來提供到P型半導體層的電氣連接和充當鏡子向后反射在活性區產生的入射光。然后，相對較厚的金屬層沉積在反射接觸結構上，來形成芯片的P側接觸電極。厚金屬層還可以充當所完成的led芯片的支撐結構。接著，去除生長支撐，露出最初生長在生長襯底上的η型層的表面。最后，另一厚金屬層在這一露出的表面上形成，來形成η側接觸電極。反射接觸結構被認為是豎直LED結構中的一個重要點。除了所需的高反射率和低電阻外，反射接觸結構本身還應該在元件的整個生命周期中保持穩定，另一方面，在形成P 側電極的金屬層和實際的操作器件層之間提供良好的粘附力。傳統的解決方案包括，例如， 像一層或多層鋁或金的不同金屬的組合直接沉積在P型半導體層或沉積在首先形成在半導體表面上的中間粘附層上。在第一種情況下，結構的粘附強度和長期穩定性通常都是不足的。例如包括鎳的中間粘附層可以增強粘附力。另一方面，它通過在粘附層的光吸收增加了光損失。發明目的本發明的目的是提供新穎的發光半導體結構，其包括具有優良的機械、光學和電學特性的穩定的反射接觸結構。發明概述本發明的發光半導體器件和制造發光半導體器件的方法相應地具有在權利要求1 和權利要求8中給出的特性。根據本發明的發光半導體器件是由第III族金屬的氮化物制成的。一種合適的材料是氮化鎵GaN和它的不同變體，如氮化銦鎵InGaN和氮化鋁鎵AlGaN。由所述材料制成意味著至少器件運行的基本部分包括至少一些所述材料。當然，在其不同的部分，所述器件還可以包括不屬于上面限定內的材料。關于核心部分，所述器件包括層結構，所述層結構包括 η型半導體層、ρ型半導體層、在η型半導體層和ρ型半導體層之間的產生光的活性區。這一層結構的細節可以在已知的技術范圍內改變并且對本發明來說不是關鍵的。層結構具有通過η型半導體層和P型半導體層之一限定的接觸表面，和附接于這一接觸表面的反射接觸結構。反射接觸結構提供到限定接觸表面的半導體層的電氣接觸，并且還充當鏡子反射來自活性區的入射光。根據本發明，反射接觸結構包括具有多晶結構的附接于層結構的接觸表面的第一透明導電氧化物(TCO)接觸層、具有非結晶結構的第二透明導電氧化物接觸層和附接于第二 TCO層的金屬反射層。反射金屬接觸的所述結構使用在金屬反射層和接觸表面之間的兩層中間TCO結構，提供了優于現有技術方案的巨大優勢。兩個TCO層中的每個都有自己的目的。第一 TCO 層的多晶材料結構提供較高的光學透明度和低電阻。具有非結晶結構的第二TCO層依次提供到金屬反射層的強粘附力。除了不同的晶體結構外，這兩層的精確的化學成分還可以根據不同的目的分別優化。為了充分利用這個機會，在本發明的優選實施方式中，選擇第一 TCO接觸層的化學成分來提升到層結構的接觸表面的強粘附力、第一 TCO接觸層的良好的透明度和高電導率，以及選擇第二 TCO接觸層的化學成分來提升金屬反射層到第二 TCO接觸層的強粘附力。換句話說，在這一實施方式中，這兩個TCO層的特性可以根據它們的不同目的分別優化。第二 TCO接觸層可以位于與第一 TCO接觸層直接接觸的位置。然而，在這兩個TCO 接觸層之間具有一些中間層也是可以的。限定接觸表面的層優選包括P型氮化銦鎵InGaN。第一 TCO接觸層，就其本身而言，優選包括銦錫氧化物，其由于錫的存在能提供到第III族金屬的金屬的優良的粘附力。為了確保有效的電流遍布反射接觸結構的整個區域和良好的特定接觸電阻不嚴重影響整個LED芯片的整體串聯電阻，第一 TCO接觸層優選具有30-500nm的厚度，更優選具有 100-150nm的厚度。太薄的厚度將導致層的電氣特性不足。另一方面，過于增厚本層將不利地增加對在活性區產生的光的不需要的吸收。在本發明的一種優選實施方式中，通過第二 TCO接觸層包括鋁鋅氧化物(AZO)以及金屬反射層包括沉積在第二 TCO接觸層上的鋁來確保在第二 TCO接觸層和金屬反射層之間的強粘附力。當然，這些只是可行的材料的例子。例如，另一種用于金屬反射層的良好材料是銀。由于跟多晶TCO相比，非結晶TCO具有較低的光學透明度和電導率，第二 TCO接觸層的厚度不得不被限制。另一方面，太薄的厚度還會降低電導率以及也可能降低到上述金屬反射層的粘附力。優選的厚度范圍是0. 2-20nm，更優選l-3nm。金屬反射層可以具有例如20-1000nm的厚度，然而優選具有至少200nm的厚度來確保沒有光透過該層，因此使反射接觸結構的反射率最大化。為了防止在器件進一步的加工期間金屬反射層被氧化，可以有例如由金形成的抗氧化層，其具有1-20的厚度，優選具有5-lOnm的厚度，沉積在金屬反射鏡面上。
本發明的制造由第III族金屬的氮化物制成的發光半導體結構的方法，包括制作層結構，所述層結構包括η型半導體層、P型半導體層與在η型半導體層和P型半導體層之間的活性區，該層結構具有被η型半導體層和P型半導體層之一限定的接觸表面。該層結構可以通過例如在LED工業中常用的并且眾所周知的標準氣相外延工藝制作。因此，這里不需要詳細描述該制作工藝。所述方法還包括在接觸表面上形成反射接觸結構。根據本發明，形成反射接觸結構包括以下步驟在層結構的接觸表面上形成具有多晶結構的第一透明導電氧化物(TCO)接觸層，形成具有非結晶結構的第二透明導電氧化物(TCO)接觸層，以及在第二 TCO層上形成金屬反射層。例如可以通過噴鍍來沉積TCO接觸層。因為沉積的TCO是非結晶的。因此，必須對第一 TCO接觸層進行退火來改變相，也就是，使最初的非結晶層結晶。例如，取決于精確的材料成分的合適的退火溫度范圍，可以是例如150-300°c。第二 TCO接觸層可以直接沉積在第一 TCO接觸層上或沉積在首先沉積在第一 TCO接觸層上的一些中間層上。優選地，在本發明的方法中，選擇第一 TCO接觸層的化學成分來提升到層結構的接觸表面的強粘附力、第一 TCO接觸層的良好的透明度和高電導率，以及選擇第二 TCO接觸層的化學成分來提升金屬反射層到第二 TCO接觸層的強粘附力。換句話說，在這一實施方式中，這兩個TCO層的特性根據它們的不同功能分別優化。實際上，為了獲得所述特性，如何選擇材料的成分取決于例如半導體層結構的材料。然而，對于本領域的技術人員來說，這是常規工程。限定接觸表面的層優選包括ρ型氮化銦鎵InGaN。第一 TCO接觸層的一種優選材料包括銦錫氧化物。制作第一 TCO接觸層優選具有30-500nm的厚度，更優選具有100-150nm的厚度。在優選實施方式中，第二 TCO接觸層包括鋁鋅氧化物，以及形成金屬反射層的步驟包括在第二 TCO接觸層上沉積鋁。制作第二 TCO接觸層優選具有0. 2-20nm的厚度，更優選具有l-3nm的厚度。制作金屬反射層優選具有20-1000nm的厚度，然而優選至少有200nm的厚度。除了上述涉及本發明的核心原理的制作步驟外，提供到限定接觸表面的半導體層的電氣接觸的結構的整個制造工藝還可以包括沉積許多另外的層。首先，為了防止金屬反射層在接下來的工藝步驟中被氧化，可以在金屬反射層的表面沉積例如金的、具有例如 1-20的厚度、優選5-lOnm的厚度的抗氧化層。接著，例如鈦的粘附層可以形成在抗氧化層上來增強接下來的層到反射接觸結構的粘附力。然后，可以沉積擴散阻擋層來保護金屬反射層免受最終限定元件的表面電極的焊盤的可能的活躍金屬的擴散的影響。最后，形成該焊盤的一層較厚的可焊性金屬可以通過例如電鍍沉積來沉積。合適的可焊性金屬的例子包括Au、Au/In合金和Cu。當然，除了提到的沉積步驟外，該工藝還包括不同的圖案化步驟， 例如通過光刻技術來獲得所需要的器件幾何結構。另一方面，作為一個整體的發光器件的制造工藝，例如，以豎直幾何結構的發光二極管LED為例來說，還需要許多其他的步驟。這些例子例如通過化學蝕刻去除生長襯底，還有形成到以這種方式暴露的半導體器件的對側的電氣接觸結構。根據本發明的制造工藝適合發光器件的具有成本效益的批量生產，其中，總計幾十個晶片可以同時加工。
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圖的簡要描述接下來，通過附圖來詳細描述本發明，其中，

圖1表示根據本發明的豎直LED的示意圖，以及示了根據本發明的制造方法。在附圖中，用相同的參考數字標記相應的層。附圖是不按比例繪制的。發明的詳細描述圖1中的豎直LED芯片1基于包括由η型摻雜的GaN組成的電子發射層2、由ρ 型摻雜的hGaN組成的空穴發射層3和在這兩層之間產生光的活性區4的異質結構。在空穴發射體下面是反射接觸結構6。往下，下一層是抗氧化層7，其用于在沉積反射接觸結構之后，防止反射接觸結構在余下的制造過程中被氧化。抗氧化層是由Au形成的并且有大約 5nm的厚度。由Ti形成的粘附層8位于抗氧化層下面，來形成在它上面的層和在它下面的層之間的強粘附力。在圖1中的芯片的最下層是底部金屬層9，它被由例如Ni形成的擴散阻擋層10與器件的其他部分分開，它保護上部的器件層免受底部金屬層的金屬原子的擴散的影響。底部金屬層作為P側電極，提供將LED芯片電氣連接到外接電源所需要的兩個電氣連接之一。它還提供將多余熱量從芯片中傳遞出去的有效路徑。此外，它還充當芯片的保護和機械支撐結構。經由底部金屬層，例如通過焊接，芯片可以附接于在電路板或類似物上的導電和導熱墊。底部金屬層可以由例如Au、Au/In合金、Cu或一些其他可焊性金屬形成，并且具有范圍為2-200um的厚度。圖1中的芯片上側的η摻雜的GaN層2的表面被構造成具有凹凸不平的表面拓撲結構。粗糙的表面降低了來自活性區4的光11在器件表面的全內反射，因此增強了從芯片的光提取。在這一凹凸不平的表面頂部是網狀的頂部金屬層12，其形成芯片的另一接觸電極。如圖1所示，本例的反射接觸結構6包括三個子層。鄰近空穴發射層的是第一透明導電氧化物(TCO)層13，其由多晶銦錫氧化物形成并具有范圍為100-150nm的厚度。在這下面是第二透明導電氧化物層14，其由非結晶鋁鋅氧化物形成并具有范圍為l-3nm的厚度。作為最下面的子層，附接于第二透明導電氧化物層的是鏡面層15，其由鋁形成并具有至少200nm的厚度。反射接觸結構6總的說來有兩個主要目的。第一，它提供從底部金屬層9到空穴發射層3的電氣連接。第二，它充當鏡子向后反射來自活性區4的朝下傳播的光16，因此重新將光引導到能增加光逃離芯片的概率的方向。更詳細地考慮的話，每個子層作為反射接觸結構的一部分都有自己的特定目的。當然，金屬鏡面層15承擔反射接觸結構的實際反射性能。選擇鏡面層的厚度足夠高以確保實質上沒有光能夠通過該層到達具有更高吸收率的下一層。TCO層的主要目的是在鏡面層15和空穴發射層3之間提供強粘附力。由銦錫氧化物形成的第一透明導電氧化物層13提供反射接觸結構到含銦空穴發射層3的強粘附力。 因此，其多晶結構提供良好的光學透明度，最小化該層對器件的光學性能的影響。層的多晶結構還提供高電導率，其和相對較高的層厚度一起確保高效的電流遍及反射接觸結構的整個區域，以及確保對空穴發射層3的良好的特定接觸電阻。相反，非結晶鋁鋅氧化物的第二透明導電氧化物層14，在第一 TCO層13和由鋁制成的鏡面層15之間提供強粘附力。由于非結晶材料結構的較低的光學透明度和電導率，層厚度被限制到實質上低于第一 TCO層的厚度的值。
如圖2a所示，示例性的制造方法通過在絕緣襯底晶片17上生長半導體異質結構開始，所述半導體異質結構包括被夾在電子發射層2和空穴發射層3之間的活性區4。接著，掩膜金屬18被沉積在異質結構上，并根據所需要的芯片尺寸和幾何結構通過光刻技術進行圖案化。然后經由掩膜金屬層中的開口通過反應離子蝕刻來蝕刻異質結構從而形成獨立的類臺面層堆棧19，如圖2b所示。蝕刻之后，掩膜金屬被去除。第一透明導電氧化物層 13被沉積在晶片上(例如通過噴鍍)并且通過光刻技術進行圖案化，來去除臺面外面的層， 之后，晶片被退火來制作TCO多晶結構。接著，非結晶結構的另一 TCO層14、反射金屬層15 和金屬抗氧化層7被順次沉積在第一透明氧化物層13的頂部并通過光刻技術圖案化，來去除臺面外面沉積的材料。電介質鈍化層20被沉積并通過光刻技術被圖案化，來保護臺面側壁在接下來的工藝步驟中免受沉積材料的影響。除此之外，鈍化層還通過側壁減小了漏電流。通過沉積和硬烘焙其中的抗蝕膜21來保護臺面之間的溝道。在本工藝的這一階段的情形在圖2c中示出。都由金屬制成的粘附層8和擴散阻擋層10，接著被沉積在臺面的頂部并被圖案化。 在這之后，厚金屬層9通過電鍍技術被沉積在晶片的頂部。如圖2d所示，金屬作為連續的薄膜沉積在整個晶片的上方。這一金屬層形成使下一步(即去除原來的生長襯底17)能進行的支撐結構，之后，類臺面層結構置于厚金屬層9上，如圖2e所示。去除生長襯底后，電子發射層2的暴露表面被粗糙化。芯片的η側電極作為金屬網形成在粗糙的電子發射體表面上。最后，臺面被分離為單獨的LED芯片1，如圖2f所示。作為上面工藝的替代方法，蝕刻異質結構來形成獨立的類臺面層堆棧也可以作為最后一步在η側電極形成之后執行。此外一般來講，重要的是，要認識到以上參考附圖描述的實施方式只是一些優選的例子而絕不是實現本發明的所有可能方式的全部例子。尤其是，在不同的制造步驟中使用的所有材料、層厚度和工藝可以在權利要求所確定的本發明的范圍內自由改變。
權利要求
1.一種發光半導體器件(1)，其由第III族金屬的氮化物制成，所述器件包括層結構， 所述層結構包括η型半導體層( 、P型半導體層( 、在所述η型半導體層和所述P型半導體層之間的活性區G)，所述層結構具有由所述η型半導體層和所述P型半導體層之一限定的接觸表面(5)，所述結構還包括附接于所述接觸表面的反射接觸結構(6)，其特征在于，所述反射接觸結構(6)包括-第一透明導電氧化物(TCO)接觸層(13)，其具有多晶結構，附接于所述層結構的所述接觸表面(5)，-第二透明導電氧化物(TCO)接觸層(14)，其具有非結晶結構，以及-附接于所述第二 TCO層的金屬反射層(15)。
2.如權利要求1所述的半導體器件(1)，其特征在于，所述第一TCO接觸層(1 的化學成分被選擇成提升所述第一 TCO接觸層到所述層結構的所述接觸表面(5)的強粘附力、 所述第一 TCO接觸層的良好的透明度和高電導率，以及所述第二 TCO接觸層(14)的化學成分被選擇成提升所述金屬反射層(1 與所述第二 TCO接觸層的強粘附力。
3.如權利要求1或權利要求2所述的半導體器件(1)，其特征在于，限定所述接觸表面的所述層⑶包括pShGaN。
4.如權利要求1到權利要求3中的任何一個所述的半導體器件(1)，其特征在于，所述第一 TCO接觸層(1 包括銦錫氧化物。
5.如權利要求1到權利要求4中的任何一個所述的半導體器件(1)，其特征在于，所述第一 TCO接觸層(13)具有30-500nm的厚度，優選具有100-150nm的厚度。
6.如權利要求1到權利要求5中的任何一個所述的半導體器件(1)，其特征在于，所述第二 TCO接觸層(14)包括鋁鋅氧化物，以及所述金屬反射層(1 包括沉積在所述第二 TCO 接觸層上的鋁。
7.如權利要求1到權利要求6中的任何一個所述的半導體器件(1)，其特征在于，所述第二 TCO接觸層(14)具有0. 2-20nm的厚度，優選具有l-3nm的厚度。
8.—種制造由第III族金屬的氮化物制成的發光半導體器件(1)的方法，所述方法包括制作包括η型半導體層( 、ρ型半導體層( 、在所述η型半導體層和所述ρ型半導體層之間的活性區的層結構，所述層結構具有由所述η型半導體層和所述ρ型半導體層之一限定的接觸表面(5)，所述方法還包括在所述接觸表面上形成反射接觸結構(6)，其特征在于，形成所述反射接觸結構(6)包括如下步驟-在所述層結構的所述接觸表面(5)上形成具有多晶結構的第一透明導電氧化物 (TCO)接觸層(13)，-形成具有非結晶結構的第二透明導電氧化物(TCO)接觸層(14)，以及-在所述第二 TCO層上形成金屬反射層(15)。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，選擇所述第一TCO接觸層(1 的化學成分來提升所述第一 TCO接觸層到所述層結構的所述接觸表面(5)的強粘附力、所述第一 TCO 接觸層的良好的透明度和高電導率，以及選擇所述第二 TCO接觸層(14)的化學成分來提升所述金屬反射層(15)到所述第二 TCO層的強粘附力。
10.如權利要求8或權利要求9所述的方法，其特征在于，限定所述接觸表面(5)的所述層(3)包括ρ型InGaN0
11.如權利要求8到權利要求10中的任何一個所述的方法，其特征在于，所述第一TCO 接觸層(1 包括銦錫氧化物。
12.如權利要求8到權利要求11中的任何一個所述的方法，其特征在于，制作所述第一 TCO接觸層(13)使其具有30-500nm的厚度，優選具有100-150nm的厚度。
13.如權利要求8到權利要求12中的任何一個所述的方法，其特征在于，所述第二TCO 接觸層(14)包括鋁鋅氧化物，以及形成所述金屬反射層(1 的步驟包括在所述第二 TCO 接觸層上沉積鋁。
14.如權利要求8到權利要求13中的任何一個所述的方法，其特征在于，制作所述第二 TCO接觸層(14)使其具有0. 2-20nm的厚度，優選具有l-3nm的厚度。
全文摘要
本發明的發光半導體器件(1)由第III族金屬的氮化物制成，并且包括層結構，所述層結構包括n型半導體層(2)、p型半導體層(3)、在n型半導體層和p型半導體層之間的活性區(4)。層結構具有被n型半導體層和p型半導體層之一限定的接觸表面(5)，并且還包括附接于接觸表面的反射接觸結構(6)。根據本發明，反射接觸結構(6)包括第一透明導電氧化物(TCO)接觸層(13)，其具有多晶結構，附接于層結構的接觸表面(5)；第二透明導電氧化物(TCO)接觸層(14)，其具有非結晶結構；以及附接于第二TCO層的金屬反射層(15)。
文檔編號H01L33/00GK102460743SQ201080024735
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月3日 優先權日2009年6月5日
發明者弗拉德斯拉夫·E·鮑格諾夫, 米卡爾·繆洛, 馬克西姆·A·歐得諾萊多夫 申請人:奧普特岡有限公司