专利名称：在发光区域中具有横向电流注入的半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光器件的发光区域。
技术背景半导体发光器件包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管 (RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器，是目前可用的最高效的光源之一。在能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器 件的制造中当前关注的材料系统包括III-V族半导体，特別是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也^皮称为III族氮化物材料。典型 地，III族氮化物发光器件的制造方法是，在蓝宝石、碳化硅、III族 氮化物或者其他适当基板上，通过金属有机化学气相淀积(M0CVD)、 分子束外延(MBE)或者其他外延技术，外延生长具有不同组分和掺杂 剂浓度的半导体层的叠层。该叠层常常包括，在基板上形成的掺杂有 例如Si的一个或多个n型层、在一个或多个n型层上形成的发光区域 或有源区、和在有源区上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。 在传导基板上形成的in族氮化物器件可以具有在器件的相反两侧形 成的p和n接触。in族氮化物器件常常在绝缘基板上制造，诸如蓝宝石，其中n和p接触位于器件的相同侧。这种器件被安装，使得通过 接触提取光(被称为外延上器件(epitaxy-叩device))或者通过与 接触相反的器件表面提取光(被称为倒装芯片器件(flip chip device ))。在本领域中需要在高的电流密度下高效地操作的III族氮化物发 光器件。发明内容根据本发明的实施例，半导体发光器件包括有源区、n型区和p型 区，该p型区包括延伸到有源区中的部分。在某些实施例中，有源区 包括由阻挡层隔开的多个量子阱，并且p型延伸部分穿透至少一个量 子阱层。在某些实施例中，p型区包括延伸到有源区中的多个部分，并且该延伸部分具有250 nm的最小宽度且分开的间隔在0. 3 - IO微米之 间。在某些实施例中，p型区延伸到有源区中的延伸部分通过提供到各 个量子阱中的直接空穴注入路径，来提供到有源区的多个量子阱中的 载流子的均匀填充。这种多个量子阱的均匀填充可以通过减少与体p 型区最接近的量子阱中的载流子密度来改善高电流密度下的操作效 率，由此减少无辐射复合损失的载流子数目。
图l说明了 III族氮化物发光器件。图2说明了关于图1的器件的价带的一部分。图3 - 5说明了根据本发明的实施例的器件。图6说明了产生图5中说明的器件的替换方法。图7和8是大结倒装芯片发光器件的平面视图和截面视图。图9说明了薄膜发光器件。图IO是封装发光器件的分解视图。
具体实施方式
图i说明了常见的in族氮化物发光器件。在蓝宝石基板10上生长n型区ll。在n型区ll上生长有源区12,其可以包括由阻挡层隔 开的多个量子阱，随后有GaN分隔层13、 p型AlGaN层和p型接触层 15。随着施加到图1的器件的电流密度的增加，器件的内部量子效率 (其被定义为所生成的光子通量与所提供的载流子通量的比)在最初 时增加，然后下降。图1的器件设计可能导致无辐射复合，其可能引 起高电流密度下的内部量子效率的下降或者对其下降有贡献。图2说明了图1的器件的价带的一部分。图2说明了由阻挡层隔 开的三个量子阱层12a、 12b和12c。空穴不容易在p型III族氮化物 层中扩散，因此在图2中说明的器件中，可以预见，量子阱12a(最接 近p型层14和15的量子阱)具有量子阱中的最高的空穴密度。可以 预见，量子阱12c(距离p型层14和15最远的量子阱)具有量子阱中 的最低的空穴密度。量子阱12a可以过填充有载流子，特别是随着电流密度增加，导致无辐射过程损失的大量载流子。相反地，量子阱12c 可被欠填充到如下程度，即其不具有可用于复合以对器件的发光量作 出很大贡献的足够的载流子。根据本发明的实施例，发光器件的有源区包括使载流子在量子阱 中更均匀分布的结构。载流子在量子阱中的均匀分布可以通过减少与 器件的p型区最接近的量子阱的载流子密度，而减少无辐射复合损失 的载流子数目。本发明的实施例包括延伸到p型区中的p型层，用于 提供载流子到各个量子阱中的直接横向注入。图3说明了根据本发明的第一实施例的器件的一部分。图3的器 件包括夹在n型区30和p型区36之间的有源区31。有源区31包括由 阻挡层34隔开的多个量子阱32。量子阱32的厚度可以在10 - 100埃 之间或更大，并且常常具有在20 - 40埃之间的厚度。阻挡层34的厚 度可以在20- 500埃之间，并且常常具有在60 - 1 30埃之间的厚度。 尽管图3中说明了三个量子阱，但是应当理解，该器件可以包括更多或更少的量子阱。P型区36包括p型延伸部分38，其延伸到有源区31中。空穴可以通过p型区36与顶部量子阱的界面垂直向下扩散到有源区31中。 此外，空穴可以垂直向下扩散到延伸部分38中，然后从延伸部分38 水平扩散到量子阱32中。因此延伸部分38经由直接的垂直电气路径 将空穴从p型区36递送到量子阱32。空穴从延伸部分38到量子阱32的水平扩散可以使用空穴均匀填充量子阱。III族氮化物器件通常是在诸如蓝宝石和SiC的基板上生长的，该 基板与构成器件的III族氮化物层晶格失配。该晶格失配通常在结晶 的III族氮化物层中造成缺陷。在图3的器件中，延伸部分38可以在 晶体中的缺陷或位错中形成，诸如凹坑缺陷或螺紋位错，其从p型区 36延伸到有源区31中。这种凹坑可以开始于n型区30。 n型区30和 有源区31可能是在促使凹坑形成的条件下生长。例如，在降低的温度 (诸如在小于90(TC的温度)下生长，在降低的氨浓度下生长，并且/ 或者在快的生长速率(诸如在大于O. 7 A/秒的生长速率)下生长，可 以促进凹纟亢形成。形成p型延伸部分38的凹坑缺陷以约106 cn^和109 cn^之间、 更优选地以约107 cm—2和108 cm^之间的密度隔开，其对应于约O. 3和10樣i米直接、更优选地1和3孩史米之间的平均凹坑间距。通过控制有 源区31中的位错密度可以控制凹坑缺陷的数目。实现上文描述的凹坑 密度可能需要减少位错密度的生长技术，诸如外延横向过生长、混合 气相外延、以及在独立式GaN基板上生长。外延横向过生长涉及在掩 膜层中的开口上选择性生长GaN,该掩膜层是在诸如蓝宝石的传统生长 基板上生长的GaN层上形成的。选择性生长的GaN的聚结可以实现完 整的生长基板上的平坦的GaN表面的生长。在选择性生长的GaN层之 后生长的层可以呈现低的位错密度。在Mukai等人的"Ultraviolet InGaN and GaN Single—Quantum Weil-Structure Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxial Laterally Overgrown GaN Substrates"， Jpn.T. Appl. Phys. Vol. 38 (1999)第5735页中更详细地描述了外延横 向过生长，其在此处并入作为参考。在Motoki等人的"Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate" ， Jpn.J.Appl. Phys. Vol. 40 (2001)第L140页中更详细地描述了独立式GaN基板的混合气相外延生长，其在此处并入作为参考。形成p型延伸部分38的凹坑缺陷的深度和顶部直径取决于有源区 31的深度，这是因为凹坑缺陷通常以倒置锥形生长。形成P型延伸部 分38的凹坑缺陷必须足够深以穿透至少两个量子阱，并且常常具有在 200 - 600 nm之间的深度。例如，在400 nm的有源区深度处，凹坑缺 陷具有约400 nm的深度和约250 nm的顶部直径。在某些实施例中，在生长有源区31之后，可以刻蚀现有的凹坑以 使凹坑扩大到足够用于允许在后继的P型材料生长步骤中在该凹坑中 生长p型材料。例如，通过利用HC1进行刻蚀可以扩大凹坑。然后， 在使p型区36填充在凹坑缺陷中以形成延伸部分38的条件下，在有 源区31上生长P型区36。例如，在增加的温度下、在增加的氨浓度下、 并且/或者在慢的生长速率下，可以生长P型区36，这些条件有利于将 p型材料填充在凹坑缺陷中。图4说明了根据本发明的第二实施例的器件的一部分。在图4中 说明的设备中，延伸到有源区31中的p型延伸部分41是在有源区生 长之后形成的。p型掺杂剂(诸如Mg或者任何其他适当的掺杂剂)垂 直扩散或注入40到有源区31的部分41中以使这些部分是p型的。部分41的直径可以小于1微米，与相邻注入或扩散的部分41之间的间 距至少为0. l微米，并且通常与相邻的部分41之间的间距为l-3微 米之间。可以在升高的温度下(例如至少250°C)注入Mg,以便于促 进由注入引起的晶体损伤的恢复。注入可以在p型区36的生长之前或 之后#丸行。在注入之后，器件可以在例如700 - 900。C之间的温度下退 火，以促进p型掺杂剂垂直向下扩散到有源区31中。通过使注入区域 进一步隔开大于注入区域的深度，并且通过限制退火时间，可以使退 火过程中的横向扩散的影响最小。在某些实施例中，可以向各部分41 之间的区域注入诸如例如氧的材料，以阻碍p型掺杂剂注入或扩散到 部分41中。对于图3中的器件，空穴可以通过p型区36与顶部量子 阱的界面扩散到有源区31中，或者空穴可以扩散到延伸部分41中， 然后从延伸部分41水平扩散到量子阱32中。图5说明了根据本发明的第三实施例的器件的一部分。在图5的 器件中，p型延伸部分43填充被刻蚀掉或者选择性生长的有源区31的 部分。通过在生长基板上生长n型区30，可以形成图5的器件，由此 首先生长n型区30的表面42。然后在n型区30上生长有源区31,其 包括交替的量子阱层32和阻挡层34。然后对晶片进行构图和刻蚀，以 移除有源区的部分43。部分43的直径可以小于1樣￡米，与相邻刻蚀的 部分43之间的间距至少为0. 1微米，并且通常与相邻的部分43之间 的间距在1-3微米之间。然后生长p型区36，由此使用p型材料填充 部分43,如上文参考图3描述的。图6说明了用于产生图5中示出的器件的替换方法。在图6中， 在n型区之前，首先在传统生长基板50上生长p型区36。然后对p型 区进行构图和刻蚀，以移除部分46，留下柱状物43。然后在p型区36 上生长有源区31，其填充在部分46中。在有源区31上生长n型区30， 导致图5中示出的器件。影响延伸到有源区中的p型延伸部分的尺寸和间距的数个因素包 括，空穴在量子阱中的平均横向扩散长度以及延伸部分的当前承载容 量。在优选实施例中，该延伸部分是小的，宽度约为"O- 500 nm,并 且间距约为1-2微米。在上面的示例中，说明了三个量子阱。在某些实施例中，优选的 是包括更多的量子阱。在某些实施例中，不同的量子阱层可以具有不8同的组分，由此当器件被正向偏置时，它们发射不同波长的光。在某些实施例中，理想的是，通过P型区的延伸部分，将电流水 平注入到量子阱中，通过p型区和有源区之间的水平界面，将电流垂 直注入到量子阱中。相比于跨越p型区和有源区之间的水平界面的正 向电压和串联电阻，通过提供跨越p型延伸部分和量子阱之间的垂直界面的较低的正向电压和较小的串联电阻，可以实现这一点。例如，在p型延伸部分之间的p型区的各部分中，可以提供厚的未掺杂的GaN 层或者诸如AlGaN的较高带隙的层(其限制电流)，或者可以消除延 伸部分之间的p型区的各部分，从而使得在器件中，只有p型材料存 在于延伸部分中。在某些实施例中，在其中不存在p型区的延伸部分 的区域中，可以在p型区和有源区之间安置阻挡层。该阻挡层将阻碍 空穴扩散到延伸部分外部的有源区中或者减少扩散到延伸部分外部的 有源区中的空穴数目。图3、 4和5中示出的半导体结构可以包括在发光器件的任何配置 中。图7和8示出了包括图3、 4和5的任何结构的倒装芯片器件。图 9示出了包括图3、 4和5的结构的薄膜器件。图7是大结器件(large junction device )(即，面积大于或等 于一平方毫米)的平面视图。图8是沿轴线DD截取的图7中示出的器 件的截面。图7和8还示出了可以与图3、 4和5中示出的半导体结构 一同使用的接触的设置。半导体结构57可以在任何适当的生长基板58 上生长，其可以保留一部分完成的器件。半导体结构57的有源区被分 为四个区域，其由三个沟槽隔开，n接触52形成在该沟槽中。每个区 域通过在p接触54上形成的四个p次黏着基台(submount )连接50 连接到次黏着基台。n接触52围绕四个有源区。n接触"通过六个n 次黏着基台连接51连接到次黏着基台。n和p接触可以通过绝缘层" 电气隔离。图9是薄膜器件，即移除了生长基板的器件的截面视图。图9中 示出的器件的形成方法为，在传统生长基板58上生长图3、 4和5的 半导体结构，将器件层接合到主基板7 0,然后移除生长基板58。例如， 在基板58上生长n型区30。 n型区30可以包括可选的预备层，诸如 緩沖层或成核层，以及可选的释放层，其被设计用于协助释放生长基 板或者在移除基板之后使外延层变薄。在n型区30上生长发光区域31,9随后生长p型区36。在p型区36上淀积一个或多个金属层72，其包 括例如，欧姆接触层、反射层、阻挡层和接合层。然后经由金属层72的暴露表面将器件层接合到主基板70。 一个或 多个接合层(未示出)，其典型地是金属，可以用作用于外延结构和 主基板之间的热压或共熔接合的相容材料。适当的接合层金属的示例 包括金和银。在移除生长基板之后，主基板70向外延层提供机械支撑， 并且向p型区36提供电气接触。主基板70通常被选择为是电传导的 (即小于约0.1 Dcm)，是热传导的，具有与外延层匹配的热膨胀系 数(CTE),并且是足够平坦的(即均方根粗糙度小于约10 nm)以用 于形成牢固的晶片接合。适当的材料包括例如，诸如Cu、 Mo、 Cu/Mo 和Cu/W的金属；具有金属接触的半导体，诸如具有欧姆接触的Si和 具有欧姆接触的GaAs，其包括例如Pd、 Ge、 Ti、 Au、 Ni、 Ag中的一个 或多个；以及陶资，诸如AIN、压制金刚石、或者通过化学气相淀积生 长的金刚石层。器件层可在晶片尺度上被接合到主基板70,由此器件的整个晶片 被接合到主基板晶片，然后在接合之后对各个器件进行划片。可替换 地，器件晶片可被划片分为单独的器件，然后在管芯尺度上将每个器 件接合到主基板70。主基板70和半导体结构57在升高的温度和压力下被按压到一起， 以便在主基板70和金属层72之间的界面处形成耐用的接合，例如在 该界面处的金属接合层(未示出)之间形成的耐用金属接合。用于接 合的温度和压力范围的下限由得到的接合的强度确定，而其上限由主 基板的结构、金属化和外延结构的稳定性确定。例如，高温和/或高压 可能引起外延层的分解、金属接触的分层、扩散阻挡层的失效、或者 外延层中的成分材料的除气。适当的温度范围是例如约200°C -约500 °C。适当的压力范围是例如约100 psi -约300 psi。然后移除生长基 板58。为了移除蓝宝石生长基板，通过基板58使基板58和半导体结构 57之间的界面的各部分暴露于具有步进和重复模式的高注量脉沖紫外 激光。暴露的部分可由穿过器件晶体层刻蚀的沟槽隔离，以便于隔离 由暴露于激光引起的冲击波。激光的光子能量高于与蓝宝石(在某些 实施例中是GaN)相邻的晶体层的带隙，因此在与蓝宝石相邻的最初的100 nm的外延材料中，脉沖能量被有效地转换为热能。在足够高的注 量(即大于约500 mJ/cm2)和高于GaN的带隙并且低于蓝宝石的吸收 边沿的光子能量(即在约3. 44和约6 eV之间)下，在最初的100 nm 外延材料中的温度在纳秒尺度上上升到大于100(TC的温度，其足够高 以使GaN分离为镓和氮气，从而将外延层从基板58释放。得到的结构 包括接合到主基板70的半导体结构57。在某些实施例中，生长基板可 以通过其他手段移除，诸如刻蚀、研磨、或者其组合。在移除生长基板之后，可以使半导体结构57变薄，例如以移除与 基板58最接近的并且具有低的材料质量的n型区31的各部分。通过 例如，化学机械抛光、传统的干法刻蚀或者光电化学刻蚀(PEC),可 以使外延层变薄。外延层的顶部表面可以紋理化或粗糙化，以增加提 取的光量。然后在n型区30的暴露表面上形成接触(未示出)。该n 接触可以是例如4册格。n接触下面的层可^皮注入例如氢，以防止光从n 接触下面的发光区域31的部分发射。本领域中公知的二次光学器件(诸 如分色镜或偏光镜)可被应用到发射表面上，以提供亮度或转换效率 的进一步的提高。图IO是封装的发光器件的分解视图，如美国专利6,274,924中更 详细描述的。散热插件(slug) 100被放置到插入铸模的引线框架 (insert-molded leadframe)中。插入铸模的引线框架是例如，在提 供电气路径的金属框架106周围铸模的填充塑料材料105。插件100 可以包括可选的反射杯102。发光器件管芯104,其可以是上文的实施 例中描述的任何器件，经由导热次黏着基台103直接或间接地安装到 插件IOO。可以添加封盖108，其可以是光学透镜。在详细描述本发明之后，本领域的技术人员应认识到，对于本公 开内容，可以在不偏离此处描述的本发明的概念的前提下对本发明进 行修改。因此，本发明的范围不应限于所示出和描述的具体实施例。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包括n型区；有源区，其被配置为发射光；和p型区，其中所述p型区包括至少一个延伸部分，其延伸到有源区中。
2. 权利要求i的器件，其中有源区包括至少一个ni族氮化物层。
3. 权利要求l的器件，其中有源区包括至少两个量子阱层，其由 至少一个阻挡层隔开。
4. 权利要求3的器件，其中延伸部分穿透至少一个量子阱层。
5. 权利要求l的器件，其中延伸部分具有250 nm- 1000 nm之间的宽度。
6. 权利要求l的器件，其中有源区与n型区相邻，其中延伸部分 通过有源区延伸到n型区中100 nm之内。
7. 权利要求l的器件，其中延伸部分具有200 nm- 1000 nm之间的深度。
8. 权利要求1的器件，其中延伸部分具有400 nm-MO nni之间的深度。
9. 权利要求l的器件，其中至少一个延伸部分是第一延伸部分， 所述器件进一步包括延伸到有源区中的第二延伸部分，其中第一延伸 部分和第二延伸部分分开的间距在0. 3微米-10微米之间。
10. 权利要求l的器件，其中至少一个延伸部分是第一延伸部分，所述器件进一步包括延伸到有源区中的第二延伸部分，其中第一延伸 部分和第二延伸部分分开的间距在1微米-3微米之间。
11. 权利要求1的器件，其中 P型区具有顶部表面；延伸到有源区中的至少一个延伸部分自顶部表面的第一部分延 伸；并且顶部表面的第二部分没有在延伸到有源区中的延伸部分； 所述器件进一步包括在第二部分上形成的半导体层，所述半导体 层未被有意掺杂或者具有小于P型区中的掺杂剂浓度的掺杂剂浓度。
12. 权利要求ll的器件，其中半导体层是未被有意掺杂的GaN。
13. 权利要求1的器件，其中 P型区具有顶部表面；延伸到有源区中的至少一个延伸部分自顶部表面的第一部分延 伸；并且顶部表面的第二部分没有延伸到有源区中的延伸部分； 所述器件进一步包括在第二部分上形成的半导体层，所述半导体 层具有大于P型区中的带隙的带隙。
14. 权利要求13的器件，其中半导体层是AlGaN。
15. 权利要求l的器件，进一步包括 第一和第二接触，其电气连接到n型区和p型区；引线，其电气连接到第一和第二接触；和 透明封盖，其安置在有源区上。
16. —种方法，包括形成半导体结构，其包括安置在n型区和p型区之间的有源区， 所述有源区包括至少一个III族氮化物层；并且 形成p型区的延伸部分，其延伸到有源区中。
17. 权利要求16的方法，其中形成延伸部分包括在至少一部分有源区中生长凹坑缺陷；并且 提供填充凹坑缺陷的p型材料。
18. 权利要求17的方法，进一步包括在提供p型材料之前刻蚀凹 坑缺陷。
19. 权利要求16的方法，其中形成延伸部分包括，使p型掺杂剂扩散到一部分有源区中。
20. 权利要求16的方法，其中形成延伸部分包括，将p型掺杂剂 注入到 一部分有源区中。
21. 权利要求16的方法，其中形成延伸部分包括 刻蚀掉一部分有源区；并且 提供填充刻蚀部分的p型材料。
全文摘要
一种半导体发光器件，包括有源区、n型区和p型区，p型区包括延伸到有源区中的部分。有源区可以包括由阻挡层隔开的多个量子阱，并且p型延伸部分穿透至少一个量子阱层。延伸到有源区中的p型区的延伸部分可以通过提供到各个量子阱中的直接电流路径来提供有源区的各个量子阱中的载流子的均匀填充。该均匀填充可以通过减少与体p型区最接近的量子阱中的载流子密度而改善高电流密度下的操作效率，由此减少无辐射复合损失的载流子数目。
文档编号H01S5/343GK101263615SQ200680033659
公开日2008年9月10日 申请日期2006年9月5日 优先权日2005年9月13日
发明者J·C·金, S·A·斯托克曼 申请人:飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司