专利名称：具有高反射欧姆电极的半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件的设计。更具体而言，本发明涉及具有高反射欧 姆电极的半导体发光器件。
背景技术：
期望固态照明引领下一代照明技术。高亮度发光二极管(HB-LED)从用于显示器 件的光源到替代灯泡用于常规照明，其应用的范围逐渐扩大。通常情况下，成本，能效及亮 度是决定LED的商业可行性的三个最主要的衡量标准。LED产生的光线来源于“夹于”受主掺杂层(ρ-型掺杂层)和施主掺杂层(η-型掺 杂层)间的有源区域。当LED被施以正向电压时，载流子，包括来自ρ-型掺杂层的空穴和 来自η-型掺杂层的电子，在有源区域内复合。在直接禁带材料中，这种在有源区域内的复 合过程会释放出光子形式的能量或者是对应材料的禁带能量的光线。依据衬底的选择和半导体层堆叠的设计，LED可形成两种结构，即横向电极(电极 位于衬底的同侧)结构和垂直电极结构(电极位于衬底的背面)。图IA和图IB图分别图 示了这两种结构，其中图IA图示了典型的横向电极LED的横截面视图，图IB图示了典型的 垂直电极LED的横截面视图。图IA和图IB中所示的两种LED包括衬底层102，η-型掺杂 层104，可选的多量子阱(MQW)有源层106，ρ-型掺杂层108，与ρ-型掺杂层连接的ρ-侧电 极110，以及与η-型掺杂层连接的η-侧电极112。垂直电极结构使器件的封装变得更容易。另外，由于电极位于器件的两侧，所以器 件的抗静电释放的能力更强。因此，与横向电极LED相比，垂直电极LED具有更高的稳定性。 对大功率、短波长LED来说这一点尤其重要。为了从大功率、高亮度LED中有效地提取光线，人们通常采用倒装芯片封装技术 来提高光提取效率。这种倒装芯片封装技术采用P-侧电极作为高反射面将光线反射至器 件的另一面。因此光反射体的存在提高了 LED的光提取效率。图2图示了 P-侧电极作为 反射体的倒装芯片封装垂直LED的示范性结构。在图2中，从上至下依次图示了 η-侧电极 202，η型掺杂层204，有源层206，ρ型掺杂层208以及同样作为反射体的ρ-侧电极210。虚 线箭头表示电流方向，向上的短箭头表示光传播方向。应注意的是，与激光器件内的光被导 向传播不同，在LED内发出的光会全方位传播。因此，在器件底部的反射体对提高光提取效 率显得尤为必要。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种在导电衬底上含有多层半导体结构的半导体器件。 多层半导体结构包括位于导电衬底上的第一掺杂半导体层、位于第一掺杂半导体层上的第 二掺杂半导体层、和/或位于第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层。该 器件还包括位于第一掺杂半导体层和导电衬底之间的反射欧姆接触金属层。反射欧姆接触 金属层包括Ag和下列材料中的至少一种Ni、Ru、Rh, Pd、Au、Os和Pt ；加上下列材料中的至少一种Zn、Mg、Cd和Be ；下列材料中的若干种W、Cu、Fe、Ti、Ta和Cr。进一步地，该器 件包括位于反射欧姆接触金属层和导电衬底之间的邦定层，与导电衬底连接的第一电极， 以及在第二掺杂半导体层上的第二电极。在该实施例中的一个变型中，第一掺杂半导体层是ρ-型掺杂半导体层。在该实施例中的另一个变型中，ρ型掺杂半导体层包括杂Mg的GaN。在该实施例的一个变型中，反射欧姆金属层包括下列金属组成中的一种Ag/Pt/ Mg合金和Ag/Pt/ai合金。在该实施例的一个变型中，反射欧姆接触层按重量比含有1-10%的Pt、Ni、Ru、 Rh、Pd、Au、0s和Ir中的一种或多种；0. 001-5%的Zn、Mg、Be和Cd中的一种或多种；0-5% 的W、Cu、Ti、Ta和Cr中的一种或多种。在该实施例的一个变型中，反射欧姆接触层按重量比含有97%的Ag，1. 5%的Pt， 以及1. 5%的Zn。在该实施例的一个变型中，有源层包括下列材料中的至少一种InGaAlN，InGaAlP 禾口 InGaAlAs0在该实施例的一个变型中，导电衬底包括下列材料中的至少一种Si、GaAs, GaP, Cu 禾口 Cr。
图IA图示了典型横向电极LED的横截面视图。图IB图示了典型垂直电极LED的横截面视图。图2图示了利用P-侧电极作为反射体的典型垂直电极LED的横截面视图。图3A图示了根据本发明一个实施例具有由沟槽和台面组成的预制图形的部分衬底。图;3B图示了根据一个实施例的预图案化衬底的横截面。图4列出多个图形说明根据一个实施例的具有高反射欧姆电极的发光器件的制 备步骤。
具体实施例方式给出以下的描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且这些描述是 在具体应用及其需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显 而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用 到其它实施例和应用。因而，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最宽范围一致。LED制造技术的近期发展使得应用包括AlGaN，InGaN, InGaAlN和GaN的GaN基 III-V化合物半导体作为短波长LED的材料成为可能。这些GaN基LED不仅将LED的发射 光谱拓宽至绿，蓝及紫外区域，而且这些LED可以获得高的发光效率。为了避免电流拥挤问 题和提高光提取效率，必需选择一种高反射材料作为P-侧欧姆电极的接触层。一方面，目前只有几种金属材料，如银(Ag)和铝(Al)，可以对光谱范围在绿光和 紫外范围内光线提供高的反射。然而，对于Ag或Al来说，难以与ρ-型掺杂GaN基化合物半导体如p-GaN，p-AlGaN，p-InGaN，及p-hGaAIN形成良好的欧姆接触。另一方面，可形成具 有上述P-掺杂GaN半导体的低阻抗欧姆接触的金属材料如钼(Pt)，钯(Pd)及镍/金(Ni/ Au)合金，会大大地吸收期望光谱范围内的光线。应注意的是，金属接触越厚，光吸收越强。 因此，期望通过降低欧姆电极的厚度来减少光吸收。尽管如此，金属薄层导致的光吸收会明 显降低光提取效率。此外，吸收的光能常常转化为致使LED温度升高的热能。反过来，温度 的升高可引起光吸收变强和漏电流增加，进而缩短LED的使用寿命，甚至是烧坏LED。研究 已经表明，当LED在大的偏置电压下工作时，电极产生的热能是缩短LED寿命的主要原因之一。最近，研究者们采用了一种利用透明导电氧化物(TCO)材料形成P-侧欧姆电极的 方法。然而，TCO材料不太适合大功率LED，原因是TCO材料相对高的接触阻抗和低的热导 率会导致LED内部的热积聚，而且还会增大LED的漏电流。目前，高反射ρ-电极往往基于Ni/Au/Ag合金，镀Ag TCO及镍/银/钌(Ni/Ag/ Ru)合金。所有这些材料都具有相关的特定缺点。虽然Ni/Au/Ag电极的阻抗相对较低，但是 Au层会强烈地吸收发射出的光。例如，Ni/Au/Ag电极可吸收大约20-30%的波长在460nm 区域的光。如此高的光吸收率大大地降低了 LED的光提取效率。若是期望通过减少Ni/Au 层的厚度来减少光吸收的话，那么就将面临随之而来的由于粘接强度弱引起的不理想的欧 姆接触问题。另一方面，虽然镀Ag TCO电极显示出更高的光提取效率，但是它的热导率低， 容易导致热积聚，因此使LED在被施以高偏置电流时工作更不稳定。此外，虽然半导体和 Ag反射体之间仅有Ni薄层可使Ni/Ag/Ru电极的光吸收更低，但是Ni不适合用于形成具 有P-掺杂GaN材料的良好的欧姆接触。另外，退火过程往往会降低Ag层的反射率。研究 已经表明，仅用Ag作为电极对蓝光具有高的反射率，但是Ag难以与具有ρ-掺杂GaN材料 形成良好的欧姆接触。除此之外，Ag-欧姆接触的接触特性，稳定性，以及粘接性都低于用 Pt，Pd，或Ni/Au形成的欧姆接触。如上所述，若要同时满足所有必要的条件，包括低光吸收，低接触阻抗，高稳定性 及强粘接，来形成作为高亮度大功率LED的可靠、高反射率、低阻抗欧姆电极是非常困难 的。本发明的实施例提供一种具有高反射欧姆电极的LED器件。该器件包括导电衬 底，多层半导体结构，反射欧姆电极金属层，应用于多层结构与导电衬底邦定的邦定层，第 一电极，以及第二电极。反射欧姆接触金属层包括^Vg和一种或二种其他包括Mg和Si的金 属材料。衬底准备为了在大面积生长衬底(如硅晶片)上生长无裂纹GaN基III-V化合物多层结构， 本发明介绍这种具有由沟槽和台面组成的预制图形的衬底的生长方法。具有由沟槽和台面 组成的预制图形的衬底能有效释放衬底表面和多层结构之间由于晶格常数和热膨胀系数 失配引起的多层结构内的应力。图3A图示了根据一个实施例应用光刻和等离子刻蚀技术得到的具有预刻蚀图形 的衬底的部分顶视图。刻蚀的结果是形成了方形台面300和沟槽302。图:3B通过沿着根据 一个实施例的图3A的水平线A-A’的预制图形化衬底的横截面，更加清楚地显示了台面和 沟槽的结构。如图3B所示，沟槽304相交的边界有效地形成了独立台面的边界结构，如台面306和部分台面308和310。每个台面限定一个独立表面区域用于生长各自的半导体器 件。应注意的是，可应用不同的光刻和刻蚀技术在半导体衬底上形成沟槽和台面。同 样应注意的是，除了形成图3A所示的方形台面300外，可以通过改变沟槽302的图案可形 成其他可选的台面形状。这些可选的几何图案可包括但不限于三角形，矩形，平行四边形， 六边形，圆形或其他不规则图形。制备具有高反射欧姆电极的发光器件图4列出多个图形用于说明根据一个实施例的具有高反射欧姆电极的发光器件 的制备步骤。在步骤A中，准备好具有由沟槽和台面组成的预制图形化化生长衬底后，利 用多种生长技术形成InGaAlN多层结构，这些技术包括但不限于金属有机化学汽相沉积 (MOCVD)。LED结构可包括衬底层402，可是硅晶片；η-型掺杂半导体层404，可是Si掺杂 GaN层；有源层406，可是五个周期的GaN/InGaAIN MQff ；以及ρ-型掺杂半导体层408，可是 Mg掺杂GaN。应注意的是，ρ-型层和η-型层的生长顺序可颠倒。在步骤B中，在ρ-掺杂半导体层的上部形成接触辅助金属层410。可用于形成接 触帮助金属层410的金属材料包括Pt和/或Ni。接触辅助金属层410还可包括下列材料 中的至少一种Ru、Rh, Pd、Os、Ir、Zn和Mg。接触辅助金属层410可利用例如蒸发沉积，如 电子束(e-束)或是其他沉积技术来沉积。接触辅助金属层410的厚度在100 800埃之 间。在一个实施例中，接触辅助金属层410的厚度大约为500埃。在步骤C中，先对接触辅助金属层410进行热退火处理，之后利用如机械打磨技术 或化学刻蚀技术去除该层。热退火处理激活了在P-型层内的P-型离子。用于热退火处理 的气氛可以是N2,02，大气，以及真空中的一种。热退火的温度可在300°C 600°C之间。在 一个实施例中，热退火的温度大约为550°C。热退火的总时间可在30s 24h之间。在一个 实施例中，热退火大约进行5min。接触辅助金属层410的沉积，退火和去除步骤提高了欧姆 接触的特性和粘接性，同时也提高了在选择的金属和P-型层408之间形成的欧姆接触的稳 定性。在步骤D中，在ρ-型掺杂层408上形成反射欧姆接触金属层412。用于形成反射 欧姆接触金属层412的金属材料包括Ag和下列材料中的至少一种Ni、Ru、Rh, Pd、Au、Os 和Pt ；加上下列材料中的至少一种Zn、Mg、Cd和Be ；下列材料中的若干种W、Cu、Fe、Ti、 Ta和Cr。为了具有更佳的性能，反射欧姆接触层可以是Ag合金，按重量比含有1-10%的 Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Au、Os 禾口 Ir 中的一种或多种；0. 001-5% 的 Zn、Mg、Be 和 Cd 中的一种或 多种；0-5%的W、Cu、Ti、Ta和Cr中的一种或多种。和接触辅助金属层410类似，反射接触 欧姆金属层412可利用蒸发技术，如电子束(e_束)蒸发和溅射技术，或者是其他沉积技术 来沉积。在所有用于反射欧姆接触金属层412的金属材料/金属组成物的选择中，其中一 个实施例选择了 Ag/Pt/Mg金属组成物，其他实施例选择Ag/Pt/Si金属组成物。如前所述， Ag对于绿光和蓝光来说是良好的反射体。此外，Pt具有相对高的功函。对于ρ-型掺杂半 导体材料来说，为了形成高导电区域，电极的功函等于或大于半导体材料的功函是比较理 想的。因此，Pt是形成具有ρ-掺杂半导体层的低阻抗欧姆接触的理想材料。此外，在银合 金中存在的Pt能有效地减少Ag离子扩散至ρ-型层408。另外，因为Mg和Si对于III-V半导体化合物如GaN来说都是ρ-型掺杂剂，当形成欧姆接触时，这两种金属可充当受体源， 以增大在半导体表面上或半导体表面附近内的P-型掺杂浓度。因此，选择这两种金属组成 物(Ag/Pt/Mg和Ag/Pt/Zn)可使低阻抗欧姆接触具有好的热稳定性和强的粘接性。此外， 这种欧姆接触对于蓝光来说同样具有短波长LED所需的高反射性。在一个实施例中，反射 欧姆接触层412按重量比含有97%的Ag，1. 5%的Pt和1. 5%的Si。可选的是在形成反射欧姆接触金属层412后进行热退火处理。若进行热退火，退 火温度可在100 500°C之间。在一个实施例中，退火温度大约为550°C。退火期间的总时 间可在1 5min之间。在一个实施例中，热退火大约进行anin。退火气氛可是N2, O2，大 气，和真空中的一种。在步骤E中，在反射欧姆接触金属层412上形成邦定层414。用于形成邦定层414 的材料可包括金。在步骤F中，翻转多层结构，使其与支撑结构418邦定。在一实施例中，支撑结构 418包括导电衬底层420和邦定层422。邦定层422可包括Au。导电衬底层420包括下列 材料中的至少一种Si、GaAs、GaP、Cu、和Cr。在步骤G中，通过例如机械研磨技术或化学刻蚀技术来去除生长衬底402。生长衬 底402的去除使η-型层404暴露。在步骤H中，在η-型层404上形成电极424 (η-侧电极)。在一实施例中，η_侧电 极4Μ包括Ni，Au，和/或Pt。可利用例如蒸发技术，如e_束蒸发或溅射技术来形成η-侧 电极424。同样也可以利用其他的沉积技术来形成。在步骤I中，在导电衬底420的背面形成另一欧姆接触426。欧姆接触4 的材料 组成和形成步骤与η-侧电极424的类似。应注意的是，欧姆接触426，导电衬底420，邦定 层414和反射欧姆接触金属层412 —起构成了高反射P-侧电极。本发明实施例的前述描述仅为说明和描述的目的而给出。它们并非穷尽性的，或 并不旨在将本发明限制成这里所公开的形式。因而，对本领域技术人员而言，许多修改和变 化是显而易见的。另外，上述公开内容并非旨在限制本发明。本发明的范围由所附权利要 求来限定。
权利要求
1.一种半导体发光器件，该器件包括在导电衬底上的多层半导体结构，所述多层半导 体结构包括位于所述导电衬底上的第一掺杂半导体层，位于所述第一掺杂半导体层上的第 二掺杂半导体层，和/或位于所述第一和第二掺杂半导体层的多量子阱(MQW)有源层，位于 所述第一掺杂半导体层和导电衬底之间的反射欧姆接触金属层，其中所述反射接触金属层 包括:Ag和下列料材中的至少一种Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Au、Os和Ir ；Zn、Mg、Cd、和Be中的 至少一种；下列材料中的若干种W、Cu、Fe、Ti、Ta、和Cr ；在所述反射欧姆接触金属层和所 述导电衬底之间的邦定层；与所述导电衬底连接的第一电极；以及在所述第二掺杂半导体 层上的第二电极。
2.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于所述第一掺杂半导体层是P-型掺杂 半导体层。
3.根据权利要求2的半导体发光器件，其特征在于所述ρ-型掺杂半导体层包括掺杂 Mg 的 GaN0
4.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于所述反射欧姆接触金属层包括下列 金属组成的一种Ag/Pt/Mg和Ag/Pt/Si。
5.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于所述反射欧姆接触层按重量比包 括:1-10%的 Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Au、Os 和 Ir 中的一种或多禾中；0. 001-5%的 Zn、Mg、Be 和 Cd中的一种或多种；0-5%的W、Cu、Ti、Ta和Cr中的一种或多种。
6.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于反射欧姆接触层按重量比包括 97%的 Ag，1.5%的 Pt，和 1.5%的 Zn。
7.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于所述MQW有源层包括下列材料中的 至少一种InGaAlN，hGaAlP，和 IaGaAlAs。
8.根据权利要求1的半导体发光器件，其特征在于所述导电衬底包括下列材料中的至 少一种Si5、GaAs、GaP、Cu、和 Cr。
9.一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括在生长衬底上生长多层半导体结 构，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体层，第二掺杂半导体层，和/或多量子阱 (MQff)有源层；在所述第一掺杂半导体层上形成反射欧姆接触金属层，其中所述反射欧姆 接触金属层包括Ag和下列材料中的至少一种Pt、Ni、Ru、Rh, Pd、Au、Os和Ir ；下列材料 中的至少一种Zn、Mg、Cd和Be ；下列材料中的若干种W、Cu、Fe、Ti、Ta、和Cr ；形成与所 述反射欧姆接触金属层粘接的邦定层；将所述多层结构邦定至导电衬底；去除所述生长衬 底；形成与所述导电衬底连接的第一电极；在所述第二掺杂半导体层上形成第二电极。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述生长衬底包括由沟槽和台面组成的预制 图形。
11.根据权利要求9的方法，该方法进一步包括在所述第一掺杂半导体层上形成接触 辅助金属层，其中接触辅助金属层包括Pt或Pt合金，所述Pt合金含有下列材料中的一种 Ru、Rh, Pd、Os、Ir、Ni、Zn、和Mg ；对所述多层结构进行热退火，以激活所述第一掺杂半导体 层；去除所述接触辅助金属层。
12.根据权利要求9的方法，其特征在于所述第一掺杂半导体层是ρ-型掺杂半导体层。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于所述ρ-型掺杂半导体层包括掺杂Mg的GaN。
14.根据权利要求11的方法，其特征在于所述接触辅助金属层的厚度至少为10埃。
15.根据权利要求11的方法，其特征在于所述退火工序的温度在200 1000°C之间， 退火工序大约进行5min，退火气氛包括下列气氛中的一种队、O2、大气、真空和惰性气体。
16.根据权利要求11的方法，其特征在于去除所述接触辅助金属层包括应用化学刻蚀 和/或机械研磨。
17.根据权利要求9的方法，其特征在于所述反射欧姆接触层包括下列金属组成的一 种Ag/Pt/Mg和 Ag/Pt/Zn。
18.根据权利要求9的方法，其特征在于所述反射欧姆接触层按重量比包括1-10%的 Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Au、Os、和 Ir 中的一种或多禾中；0. 001-5% 的 Zn、Mg、Be、和 Cd 中的一禾中 或多种；0-5%的W、Cu、Ti、Ta、和Cr中的一种或多种。
19.根据权利要求9的方法，其特征在于所述反射欧姆接触层按重量比含有97%的Ag， 1.5% 的 Pt，和 1.5% 的 Zn。
20.根据权利要求9的方法，其特征在于所述导电衬底包括下列材料中的至少一种 Si、GaAsλ GaPλ Cu、禾口 Cr。
全文摘要
一种半导体发光器件，该器件包括在导电衬底上的多层半导体结构。所述多层半导体结构包括位于所述导电衬底上的第一掺杂半导体层，位于所述第一掺杂半导体层上的第二掺杂半导体层，和/或位于所述第一和第二掺杂半导体层之间的MQW有源层。该器件还包括在所述第一掺杂半导体层和所述导电衬底之间的反射欧姆接触层，所述反射欧姆接触层包括Ag和下列材料中的一种Ru、Rh、Pd、Au、Os、Ir、和Pt；加上Zn、Mg、Be、和Cd中的至少一种；以及下列材料中的若干种W、Cu、Fe、Ti、Ta、和Cr。该器件进一步包括在所述反射欧姆接触金属层和所述导电衬底之间的邦定层，与所述导电衬底连接的第一电极，以及与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极。
文档编号H01L33/40GK102119449SQ200880128212
公开日2011年7月6日 申请日期2008年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者江风益, 汤英文, 王立 申请人:晶能光电(江西)有限公司