专利名称：半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种半导体发光器件及其制造方法。
背景技术：
半导体发光器件具有广泛的用途。例如半导体发光二极管，可以应用于仪器工作状态指示，交通信号灯，大屏幕显示，照明等等。半导体发光器件，根据其所用衬底的电导率以及外延层设计的不同，具有同侧电极和上下电极两种结构。上下电极结构的发光器件，具有封装简单，可靠性较高等优点。图1为一种典型的上下电极结构半导体发光器件的剖面结构示意图。图中1为半导体叠层，其中依次包括一个P型层、一个发光层、一个N型层；2为N型电极；3为P型电极。图中虚线示出了该器件工作时的电流分布，向上的箭头表示器件的出光。这种器件，封装时只需要打一根线，合格率高。同时由于电极分布在两侧，抗静电能力强，可靠性高。然而如该图所示，由于器件中的半导体层一般都很薄，因此电流在横向上扩展电阻较大，容易出现电流在N型欧姆电极下面“拥挤”的现象。同时由于N型电极2不透光，该电极底下的发光被挡住，因此会有很大一部分电流对整个器件的出光没有贡献，导致器件的整体发光效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以避免电流“拥挤”、改善电流扩展、提高发光效率的半导体发光器件及其制造方法。
本发明的目的是这样实现的本发明的第一种半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的导电衬底，层叠于所述导电衬底主面之上的粘接金属层，层叠于所述粘接金属层之上的反射/欧姆金属层，层叠于所述反射/欧姆金属层之上的半导体叠层，该半导体叠层中至少包含一个N型半导体层和一个P型半导体层，层叠于所述半导体叠层之上的第一欧姆电极，层叠于所述导电衬底背面的第二欧姆电极，特征是其中所述的反射/欧姆金属层具有一空缺，且该具有空缺的反射/欧姆金属层和所述的第一欧姆电极在衬底主面上的投影形状互补。
本发明的第二种半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的导电衬底，层叠于所述导电衬底主面之上的粘接金属层，层叠于所述粘接金属层之上的反射/欧姆金属层，层叠于所述反射/欧姆金属层之上的P型半导体层，层叠于所述P型半导体层之上的半导体发光层，层叠于所述半导体发光层之上的N型半导体层，层叠于所述N型半导体层之上的第一欧姆电极，层叠于所述导电衬底背面的第二欧姆电极，特征是其中所述P型半导体层或半导体发光层具有一空缺，该空缺可以只穿透p型半导体层也可以同时穿透P型半导体层和半导体发光层，且所述具有空缺的P型半导体层和半导体发光层与所述的第一欧姆电极在衬底主面上的投影形状互补。
以上所述的“形状互补”具有如下含义第一欧姆电极在衬底表面的投影正好填充拥有空缺的反射/欧姆金属层或拥有空缺的半导体层在衬底表面的投影。投影可以互相交叠，叠加面积的大小以不影响光出射的效率为原则，可以设定其投影叠加后交叠部分的面积不大于第一欧姆电极面积的100％，优选不大于50％；投影也可以互相不叠加而留出相应的空隙，空隙面积可以根据具体情况任意设定，但是不能影响到使欧姆电极与导线的连接或发光电流效率下降，其投影叠加后留下的空隙的面积优选不大于第一欧姆电极面积的5倍。第一欧姆电极和空缺的形状可以是任意的，比如圆形、方形、三角形、“米”字型、圆环形等，以及其它不规则的形状，也可以是如图7-图10的形状。在优选情况下，空缺和第一欧姆电极的形状为相似形。在最优情况下，空缺和第一欧姆电极的形状相同且大小相等。
形状互补电极的目的在于尽量减少电流从第一欧姆电极下面的p-n通过而发光，因为这个区域的发光将被第一欧姆电极挡住而不能射出发光芯片表面。为了有效阻止电流通过，在本发明第一种器件的空缺中可以填充一种绝缘材料，如二氧化硅、氮化硅等，也可以填充导电但不与半导体层形成欧姆接触的材料。但是在本发明第二种发光器件空缺中则必须填充绝缘材料以防止p-n结被短路。
为了增加发光器件的出光，所述的填充材料对所述发光器件发出的光应具有高于30％的反射率。
在本发明所述的发光器件中的半导体发光材料，可以是任何的可以用在发光材料上的半导体材料，优选铟镓铝氮材料(InxGayAl1x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)、铟镓铝磷(InxGayAl1-x-yP，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料、铟镓铝砷(InxGayAl1-x-yAs，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料，特别优选是铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料。
在本发明所述的发光器件中的导电衬底是任意可以作为衬底的材料，可以是半导体材料或金属材料，如硅，砷化镓、磷化镓、铜、铬等等，从制造成本考虑优选是硅衬底。
填充材料是绝缘材料或者是导电但不与所述的半导体叠层形成欧姆接触的材料，绝缘材料可以是二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝等等。导电材料可以是金、铬等。
本发明还提供上述半导体发光器件的制造方法。
本发明的第一种半导体发光器件的制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上形成至少包含一个N型层和一个P型层的半导体叠层；
(2)、在所述的半导体叠层上形成反射/欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之具有一空缺；(3)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(4)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(5)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(6)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述反射/欧姆金属层形状互补的第一欧姆电极；(7)、导电衬底背面形成第二欧姆电极。
本发明的第一种半导体发光器件的另外一种制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上形成至少包含一个N型层和一个P型层的半导体叠层；(2)、在所述的半导体叠层上形成反射/欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之具有一空缺；(3)、在所述的空缺中填充一种绝缘材料或导电但不与所述半导体叠层形成欧姆接触的材料；(4)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(5)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(6)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(7)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述反射/欧姆金属层形状互补的第一欧姆电极；(8)、在导电衬底背面形成第二欧姆电极。
本发明的第二种半导体发光器件的制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上依次形成一个半导体过渡层、一个N型半导体层、一个半导体发光层和一个P型半导体层；(2)、把半导体层的局部去除以形成一至少穿透P-型层的空缺；(3)、在所述的空缺中填充一种绝缘材料；(4)、在所述的P型半导体层上形成反射/欧姆金属层；(5)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(6)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(7)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(8)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述具有空缺的P型半导体层形状互补的第一欧姆电极；(9)、在导电衬底背面形成第二欧姆电极。
本发明的半导体发光器件具有可以避免电流“拥挤”、改善电流扩展、提高发光效率的优点。
图1是一种典型的具有上下电极的半导体发光器件剖面结构示意图。其中1为半导体叠层，2为N型电极，3为P型电极。虚线表示工作时的电流分布，向上的箭头表示器件的出光。
图2是本发明实施例1和实施例2中的半导体发光器件的剖面叠层结构示意图。其中4为N型半导体层，5为半导体发光层，6为P型半导体层，7为反射/欧姆金属层，8为第一欧姆电极，9为导电衬底，10为空缺或绝缘填充层，11为粘结金属层，12为第二欧姆电极。
图3是本发明实施例1中的半导体发光器件的互补电极形状平面示意图。其中4为N型半导体层，8为第一欧姆电极，7为反射/欧姆金属层，10为绝缘填充层。其中第一欧姆电极8和绝缘填充层10形状相同且面积相等图4是本发明实施例2中的半导体发光器件的第一欧姆电极和绝缘填充层形状平面示意图。其中4为N型半导体层，8为第一欧姆电极，7为反射/欧姆金属层，10为空缺。其中空缺10的面积是第一欧姆电极8面积的1.5倍。
图5是本发明实施例3中的半导体发光器件的剖面叠层结构示意图。其中4为N型半导体层，5为半导体发光层，6为P型半导体层，7为反射/欧姆金属层，8为第一欧姆电极，9为导电衬底，10为绝缘填充层，11为粘结金属层，12为第二欧姆电极。
图6是本发明实施例3中的半导体发光器件的第一欧姆电极和绝缘填充层形状平面示意图。其中4为N型半导体层，8为第一欧姆电极，7为反射/欧姆金属层，10为绝缘填充层。绝缘填充层10的面积是第一欧姆电极8面积的60％。
图7-图10是本发明实施例1--3中的半导体发光器件的第一欧姆电极和绝缘填充层的三个异形形状平面示意图。其中4为N型半导体层，8为第一欧姆电极，7为反射/欧姆金属层，10为绝缘填充层。
图2、图4中的空缺10可被粘结金属层11填满，但是粘结金属与P型半导体层6不能形成欧姆接触，因此仍能减少电流流过。
具体实施例方式下面用3个实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1本发明的半导体发光器件，如图2、图3所示，包含一个具有主面和背面的硅衬底9，层叠于所述硅衬底9主面之上的粘接金属层11，层叠于所述粘接金属层11之上的反射/欧姆金属层7，层叠于所述反射/欧姆金属层7之上的半导体叠层，该半导体叠层中由下至上依次包含一个P型氮化镓层6、一个铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层5和一个N型氮化镓层4，层叠于N型氮化镓层4之上的第一欧姆电极8，该欧姆电极为圆形，直径为100微米；层叠于所述硅衬底9背面的第二欧姆电极12，其中所述的反射/欧姆金属层7具有一圆形空缺10，空缺的直径为100微米，空缺10中填充有二氧化硅绝缘层。
制造方法参照图2，图3。把一个硅生长衬底清洗干净，放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长典型的氮化镓基发光器件的叠层结构。该结构从下到上依次包含过渡层、N型氮化镓层、铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层、P型氮化镓层。半导体叠层生长完成后，在760℃氮气氛围中对该外延片进行热退火20分钟。然后在外延片表面沉积一层反射/欧姆金属层，经光刻在反射/欧姆金属层中心形成直径为100微米的圆孔。接着通过磁控溅射和光刻工艺在反射/欧姆金属层中的圆孔内填充二氧化硅层。再在反射/欧姆金属层上沉积一层粘接金属，该粘接金属层完全覆盖所述的反射/欧姆金属层和二氧化硅层。同时在一块低阻硅粘接衬底正面沉积一粘接金属层，背面沉积一腐蚀保护层。然后把外延片和粘接衬底通过加压加温粘接起来。把粘接好的基片放入硅腐蚀液，把硅生长衬底腐蚀去除。然后通过刻蚀的办法，刻蚀铟镓铝氮叠层至暴露掺硅的氮化镓层。在掺硅的氮化镓层表面沉积N型欧姆接触层。通过光刻使该N型欧姆接触层形成位于芯片表面中心直径为100微米的圆盘。该圆盘与前面所述的反射/欧姆金属层中的圆孔形状相同且大小相等。在粘接衬底背面形成第二欧姆电极。再经过切割、焊线和封装，就得到本发明的半导体发光器件。
实施例2本发明的半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的硅衬底9，层叠于硅衬底9主面之上的粘接金属层11，层叠于所述粘接金属层11之上的反射/欧姆金属层7，层叠于所述反射/欧姆金属层7之上的P型氮化镓层6，层叠于所述P型氮化镓6之上的铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层5，层叠于所述铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层5之上的N型氮化镓层4，层叠于所述N型氮化镓层4之上的“米”字型第一欧姆电极8，层叠于所述导电衬底9背面的第二欧姆电极12，其中所述的P型氮化镓层6具有一“米”字型空缺10。其中“米”字型空缺10的面积是“米”字型第一欧姆电极8面积的1.5倍制造方法参照图3，图5。把一个硅生长衬底清洗干净，放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长典型的氮化镓发光器件的叠层结构。该结构从下到上依次包含过渡层、N型氮化镓层、铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层、P型氮化镓层。半导体叠层生长完成后，在760℃氮气氛围中对该外延片进行热退火20分钟。然后在外延片表面沉积一层反射/欧姆金属层，经光刻使反射/欧姆金属层形成一个“米”字型的空缺。再在反射/欧姆金属层上沉积一粘接金属层，该粘接金属层完全覆盖所述的反射/欧姆金属层以及“米”字型空缺。在一块低阻硅粘接衬底正面沉积一粘接金属层，背面沉积一腐蚀保护层。然后把外延片和粘接衬底通过加压加温粘接起来。把粘接好的基片放入硅腐蚀液中把硅生长衬底腐蚀去除。然后通过刻蚀的办法，刻蚀铟镓铝氮叠层至暴露掺硅的氮化镓层。在掺硅的氮化镓层表面沉积N型欧姆接触层。通过光刻使N型欧姆接触层形成位于芯片表面的“米”字型欧姆电极。所述“米”字形欧姆电极面积是反射/欧姆金属层中“米字形”空缺面积的2/3。在粘接衬底背面形成第二欧姆电极。再经过切割、焊线和封装，就得到本发明的半导体发光器件。
实施例3本发明的半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的硅衬底9；层叠于所述硅衬底9主面之上的粘接金属层11；层叠于所述粘接金属层11之上的反射/欧姆金属层7；层叠于所述反射/欧姆金属层7之上的P型氮化镓层6；层叠于所述P型氮化镓层6之上的铟镓氮/氮化镓发光层5；层叠于所述发光层5之上的N型氮化镓层4；层叠于所述N型氮化镓层4之上的第一欧姆电极8，该电极的形状如图6中8所示；层叠于所述硅衬底9背面的第二欧姆电极12，其中所述的P型氮化镓层4和发光层5均具有一空缺10，该空缺的形状如图6中10所示。空缺10的面积是电极8的面积的60％。空缺10中填有氮化硅。
制造方法参照图6，图7。把一个硅生长衬底清洗干净，放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长典型的氮化镓发光器件的叠层结构。该结构从下到上依次包含过渡层、N型氮化镓层、铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层、P型氮化镓层。半导体叠层生长完成后，在730℃氮气氛围中对该外延片进行热退火30分钟。然后通过ICP刻蚀的方法在半导体层上刻出如图7中10所示的凹坑，该凹坑内P型氮化镓层、铟镓氮/氮化镓多量子阱发光层和部分掺硅氮化镓层被刻除。接着通过磁控溅射和光刻工艺在凹坑中10内填充氮化硅绝缘层。然后在外延片表面依次沉积一反射/欧姆金属层和一粘接金属层。同时在一块低阻硅粘接衬底正面沉积一层粘接金属层，背面沉积一层腐蚀保护层。然后把外延片和粘接衬底通过加压加温粘接起来。把粘接好的基片放入硅腐蚀液中，把硅生长衬底腐蚀去除。然后通过刻蚀的办法，刻蚀铟镓铝氮叠层至暴露掺硅的氮化镓层。在掺硅的氮化镓层表面沉积N型欧姆接触金属层。通过光刻使N型欧姆接触金属层形成如图7中8所示形状的欧姆电极。所述绝缘填充层10的面积是所述第一欧姆电极8面积的60％。在粘接衬底背面形成第二欧姆电极。再经过切割、焊线和封装，就得到本发明的半导体发光器件。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的导电衬底，层叠于所述导电衬底主面之上的粘接金属层，层叠于所述粘接金属层之上的反射/欧姆金属层，层叠于所述反射/欧姆金属层之上的半导体叠层，该半导体叠层中至少包含一个N型半导体层和一个P型半导体层，层叠于所述半导体叠层之上的第一欧姆电极，层叠于所述导电衬底背面的第二欧姆电极，其特征在于其中所述的反射/欧姆金属层具有一空缺，且该具有空缺的反射/欧姆金属层和所述的第一欧姆电极在衬底主面上的投影形状互补。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述的反射/欧姆金属层和所述的第一欧姆电极在投影面上叠加后交叠部分的面积不大于第一欧姆电极面积的50％；所述的反射/欧姆金属层和所述的第一欧姆电极在投影面上叠加后空隙的面积不大于第一欧姆电极面积的5倍。
3.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述的半导体叠层由铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料形成，且所述的P型半导体层和N型半导体层之间中包含有一个发光层；所述的导电衬底为硅衬底。
4.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述的反射/欧姆金属层的空缺中填有一种填充材料，该填充材料是一种绝缘材料或导电但不与所述半导体叠层形成欧姆接触的材料。
5.如权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于所述的填充材料对所述发光器件发出的光具有高于30％的反射率。
6.一种半导体发光器件，包含一个具有主面和背面的导电衬底，层叠于所述导电衬底主面之上的粘接金属层，层叠于所述粘接金属层之上的反射/欧姆金属层，层叠于所述反射/欧姆金属层之上的P型半导体层，层叠于所述P型半导体层之上的半导体发光层，层叠于所述半导体发光层之上的N型半导体层，层叠于所述N型半导体层之上的第一欧姆电极，层叠于所述导电衬底背面的第二欧姆电极，特征是其中所述的P型半导体层或半导体发光层具有一空缺，该空缺穿透P型半导体层或同时穿透P型半导体层和半导体发光层，且具有空缺的P型半导体层或半导体发光层与所述的第一欧姆电极在衬底主面上的投影形状互补。
7.如权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于所述具有空缺的半导体层和所述的第一欧姆电极在投影面上叠加后交叠部分的面积不大于第一欧姆电极面积的50％；所述具有空缺的P型半导体层和所述的第一欧姆电极在投影面上叠加后空隙的面积不大于第一欧姆电极面积的5倍。
8.如权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于所述的半导体叠层由铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料形成；所述的导电衬底为硅衬底。
9.如权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于所述的空缺中填有一种绝缘材料。
10.如权利要求1所述的半导体发光器件的制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上形成至少包含一个N型层和一个P型层的半导体叠层；(2)、在所述的半导体叠层上形成反射/欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之具有一空缺；(3)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(4)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(5)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(6)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述反射/欧姆金属层形状互补的第一欧姆电极；(7)、导电衬底背面形成第二欧姆电极。
11.如权利要求1-4之一所述的半导体发光器件的制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上形成至少包含一个N型层和一个P型层的半导体叠层；(2)、在所述的半导体叠层上形成反射/欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之具有一空缺；(3)、在所述的空缺中填充一种绝缘材料或导电但不与所述半导体叠层形成欧姆接触的材料；(4)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(5)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(6)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(7)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述反射/欧姆金属层形状互补的第一欧姆电极；(8)、在导电衬底背面形成第二欧姆电极。
12.如权利要求6所述的半导体发光器件的制造方法，包含以下步骤(1)、在一个生长衬底上依次形成一个半导体过渡层、一个N型半导体层、一个半导体发光层和一个P型半导体层；(2)、把所述的半导体层的局部去除以形成一至少穿透整个P型层的空缺；(3)、在所述的空缺中填充一种绝缘材料；(4)、在所述的P型半导体层上形成反射/欧姆金属层；(5)、在所述的反射/欧姆金属层上形成一粘接金属层；(6)、在所述的粘接金属层上粘接一个导电衬底；(7)、把所述的生长衬底去除并暴露所述的半导体叠层；(8)、在所述的半导体叠层上形成第一欧姆金属层，并通过诸如刻蚀等方法使之形成与所述具有空缺的半导体层形状互补的第一欧姆电极；(9)、在导电衬底背面形成第二欧姆电极。
全文摘要
本发明公开了一种半导体发光器件及其制造方法。本发明的发光器件具有上下电极结构，通过使器件发光层两侧的两个欧姆电极在对应空间上形状互补或刻除挡光电极下面部分半导体层，可以减小传统上下电极发光器件中的电流拥挤现象，改善电流扩展、提高发光器件的出光效率。
文档编号H01L33/32GK1770486SQ20051003032
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者江风益, 王立, 方文卿 申请人:南昌大学