与赝配电子和光电器件的平面接触的制作方法
【专利说明】与腰配电子和光电器件的平面接触
[0001 ]相夫申请
[0002] 本申请要求在2013年3月15日提交的申请号为61/788141的美国临时专利申请 的权益和优先权，由此通过引用将该美国临时专利申请的全部公开内容包含于本文中。
[0003]政府专持
[0004] 本发明是根据与美国军队的合同W911NF-09-2-0068在美国政府的支持下做出 的。美国政府对该发明拥有一定的权利。
技术领域 阳0化]在多个实施例中，本发明设及提高载流子注入高侣含量电子和光电器件的效率 (例如，空穴注入效率）。本发明的实施例还设及改进在氮化物基衬底上制备的紫外光电器 件，特别是增加从其提取的光。
【背景技术】
[0006] 由于有源区域中的高缺陷能级，基于氮化物半导体系统的短波长紫外发光二极管 OJVLED)(即，发射波长小于350皿的光的LED)的输出功率、效率和使用寿命仍然有限。在 被设计为发射波长小于280皿的光的器件中，运些限制特别成问题（和值得注意）。特别是 器件是形成在异质衬底（如蓝宝石）上的情况下，纵使做出极大努力来降低缺陷密度，但缺 陷密度仍然很高。运些高缺陷密度限制了在运种衬底上生长的器件的效率和可靠性。
[0007] 近期推出的低缺陷晶体氮化侣（AlN)衬底具有显著改进氮化物基光电半导体器 件（特别是具有高侣浓度的那些器件）的潜力，运得益于运些器件的有源区域中具有较低 缺陷。例如，在AlN衬底上歴配（pseudomcxrphically)生长的UVLED已被证实具有比在其 他衬底上形成的类似器件更高的效率、更高的功率和更长的寿命。通常，运些歴配UVLED 被安装来用于倒装忍片"配置进行封装，在该配置下，在器件的有源区域中产生的光通 过AlN衬底被发射，而L邸裸片具有其结合至图案化基板的前表面（即，在结合之前的外延 生长和初始器件制备期间的器件的上表面），该图案化基板用于建立与L邸忍片的电和热 接触。一种好的基板材料是多晶（陶瓷）A1N，原因在于与AlN忍片相匹配的相对良好的热 膨胀和运种材料的高导热性。由于可在该器件的有源器件区域中实现的高结晶完整性，内 部效率已被证实高于60%。
[0008] 可惜的是，在运些器件中光子提取效率通常仍是很差（通过使用表面图案化技术 达到从约4%到约15%的范围），远低于由许多可见光（或"可见"）L邸所呈现的光提取效 率。因此，当前运代短波长UVL邸最多具有仅几个百分点的低的电光转换效率（wallplug efficiencies) (WPE)，其中，WPE被定义为从二极管获得的可用光功率（在运种情况下是发 射的UV光）与供应至器件内的电功率的比率。可通过取电效率（nj、光子提取效率（nJ 和内部效率地）的乘积来计算LED的WPE，即WPE=IUiXIUxXIE。IE本身是电流注入 效率Umi)和内部量子效率QQ巧的乘积，即IE=IimiXI犯。因此，低IIm会有害地影 响WPE，即使是在通过（例如使用上文引用的AlN衬底作为器件平台来实现）降低内部晶体 缺陷提局了IE之后。
[0009] 存在数种可能导致低光子提取效率的促成因素。例如，当前可用的AlN衬底通常 对在UV波长范围内，甚至对比AlN中的带边（约210nm)更长的波长，有一些吸收。运种吸 收趋于导致在器件的有源区域中产生的一些UV光在衬底中被吸收，因此减少了从衬底表 面发射的光的量。然而，可W如在美国专利No. 8080833 ("'833专利"，该专利的全部公开内 容通过引用被包含于此）中描述的那样通过减薄AlN和/或如在美国专利No. 8012257 (该 专利的全部公开内容通过引用被包含于此）中描述的那样通过减少AlN衬底中的吸收，来 缓解运种损耗机制。此外，UVL邸通常受损耗，由于产生的光子中约50%朝向P型接触件， P型接触件通常包括光子吸收P型GaN。即使在光子朝向AlN表面时，通常也仅有约9. 4% 从未处理的表面逸出，运归因于AlN的大的折射率，该大的折射率导致小的逃逸锥（escape cone)。运些损耗是倍增的，并且平均光子提取效率可能相当低。
[0010] 如由Gran化sky等人在近期的出版物（JamesR.Gran化sky等，2013应用物理快 报，卷6,编号3032101，后文称作"Gran化sky2013"，其全部公开内容通过引用被包含于 此）中证实的，通过将无机（且通常为刚性的）透镜经由薄的密封剂层（例如，有机的抗UV 密封剂化合物）直接附接至L邸裸片，有可能在生长于AlN衬底上的歴配UVL邸中将光子 提取效率提高至约15%。在2012年7月19日提交的序列号为13/553093的美国专利申请 ("'093申请"，该申请的全部公开内容通过引用被包含于此）中也详细描述了运种封装方 法，运种封装方法增大了通过半导体裸片的上表面的全内反射的临界角，其显著提高了UV L邸的光子提取效率。此外，并且如上文提到的，可如'833专利中论述的那样，通过减薄AlN 衬底W及通过粗化AlN衬底表面的表面来提高光子提取效率。
[0011] 可惜的是，运些努力都不能解决由于P型GaN中的吸收导致的大量光子损耗，该P 型GaN用于与运些器件的P型接触。在由Gran化sky2013描述的歴配UV类型的器件中，P 型GaN用于建立与LED的P型接触，因为P型GaN允许建立与器件的P侧的相对低的阻抗 接触。然而，GaN的带隙能量仅为3. 4eV，且因此其高度吸引波长小于365nm的光子。因为 所产生的光子中通常有50 %朝向P型接触件，从而由于P型GaN中的吸收，运些光子通常立 刻消失。此外，即使直接朝向二极管的发射表面的光子通常也仅有一次机会逸出，因为如果 它们被反射回二极管中，它们将很可能被P型GaN吸收。P型GaN是常被使用的，因为建立 与P型AlxGaixW其中，X大于0.3)的低电阻率接触非常困难。此外，允许与P型氮化物 半导体材料的低电阻率接触的金属通常是差的反射体。当L邸的期望波长小于340nm时运 种反射性问题尤为严重，因为大部分常见金属在该状况下会开始强烈吸收。 阳〇1引此外，W前的工作已建议使用厚P型GaN层（或者x<0. 2的P型AlxGaixN层），W使得空穴电流从P型金属接触件并且在P型金属接触件的下方充分扩散。该方法通常不会 作用于发射波长短于300皿的光的器件，运归因于P型GaN或P型AlxGaixN材料对于运些 较短波长的高吸收。
[0013] 可选地，可W通过在L邸的P侧使用不吸收的P型半导体W及使用反射UV光子的 P接触冶金，来弥补上面提到的缺点。然而，传统方法不适用于歴配UVLED,因为运些方法 使用多个薄P型AlxGaixN层，其中该P型AlxGaixN层足够薄W致对波长短于300皿的UV福 射来说是光学透明的。运种类型的多层结构难W在歴配器件结构（其中底层衬底为AlN或 x〉0. 6的AlxGaixN)上生长，因为（由于晶格失配导致的）大量的应变通常使薄GaN(或低侣 含量的AlxGaixN)孤立并且变得非常粗糖。在论文Gran化sky 2013中，通过将P型GaN层 制造得相当厚来解决接触粗化；然而，如上文详细描述的，该层吸收UV光子并且降低了UV LED器件的效率。
[0014] 因此，鉴于上文，需要改进UV LED(特别是在AlN衬底上生产的那些UV LED)的接 触冶金和性能，W改进该器件的特性，如WPE。
【发明内容】
[0015] 在本发明的多个实施例中，在生长于单晶AlN衬底或单晶AlxGaixN衬底（其中 x〉0.6)上的电子或光电器件的有源区域（例如，歴配有源区域）上制造光滑的P型GaN层 (或者P型AlxGaixN层，其中x<〇. 3)。该光滑的P型GaN或P型AlxGaixN层（其中x<〇. 3) 将在下文中被缩写为SPG层。该SPG层对于改进使用P型接触件的任何歴配电子或光电 器件的制备来说是非常理想的，因为其最小化或者大体消除了难W均匀刻蚀和金属化的粗 糖表面。在本发明的多个实施例中，SPG层还可W被制造得足够薄，从而对波长短于340nm 的UV福射透明。该薄的UV透明的SPG层可W与接触该SPG层的反射金属接触件组合，并 且随后运种双层结构可用于将空穴有效地注入UV光电器件，W及从P型接触件反射UV光 子。在本发明的多个实施例中，该薄的UV透明的SPG层在与适当设计的UV反射接触件组 合时，将允许在光子提取效率大于25%的AlN衬底（或AlxGaixN衬底，x〉0. 6)上制备歴配 UVLED。歴配UVL邸上的薄SPG层可与反射体金属接触件组合，W在波长短于275皿、电流 密度超过30A/cm2时实现大于10%的WPEo
[0016] 在本发明另一实施例中，能够建立与SPG层的低电阻率接触的第一金属层布置于 SPG层上并且被图案化。接着，在第一金属层中产生的间隙可通过第二金属层的沉积被填 充，该第二金属层是高效的UV光子反射体。通过运种方式，双金属结构提供了低接触电阻 和高反射率的双重优势，运两种优势提高了UVLED的性能。
[0017] 在一个示例性的实施例中，Al可W被用作反射体金属，因为其对于波长为约 265nm的光具有>90%的反射率。然而，对于建立与P型GaN或P型AlxGaixN的低电阻率接 触来说，Al很不理想，运归因于它的低功函数（4. 26eV)。低电阻率接触金属的区域解决了 Al/氮化物接触面的高电阻率；然而，为了防止UV光子被接触金属吸收，本发明的优选实施 例仅使用在接触金属和底层半导体之间的有限接触面积，而不是大体覆盖了半导体整个表 面的接触金属-半导体接触面积。例如，在一些实施例中，（i)多于约10%的半导