化合物半导体发光二极管及其制造方法

专利名称：化合物半导体发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种化合物半导体发光二极管，其包括发光层，由磷化 铝镓铟((AlxGaix)Ylm-YP，其中0￡X$liO<YSl)形成；并具有组成层， 其各自具有由III-V族化合物半导体形成的发光部分；以及透明支撑层， 接合到发光部分的最外表面层中的一者且对于从发光层发射的光透明，本 发明还涉及该化合物半导体发光二极管的制造方法。
背景技术：
作为发射红色、橙色、黄色或黄绿色的可见光的发光二极管(LED)， 迄今已知具有由磷化铝镓铟((AlxGaix)Ylin-YP，其中O^X^l且0<Y￡1) 形成的发光层的化合物半导体LED。在该结构的LED中，具有由 ((AlxGau)Ylm.YP， 0^X￡1， 0<Y￡1)形成的发光层的发光部分通常是对 于从发光层发射的光光学不透明的，且形成在不具有很高强度的材料例如 砷化镓(GaAs)的衬底上。因此，近来，为了获得呈现提高了的亮度的可见LED以及为了进一步 提高器件的机械强度的目的，已开发了一种这样的技术，其通过去除不透 明衬底材料例如GaAs，然后接合由对于所发射的光透明且具有比以往的更强的优良机械强度的材料形成的新支撑层，构成结型LED。该透明支撑 层例如III-V族化合物半导体晶体村底通常设置为接合到緩冲(阻挡)层 的表面，而不是接合到通过去除不透明衬底例如形成发光部分的层而暴露 的表面。作为用于实现透明支撑层的附着的方法,迄今已知以下方法(1)至(5)。 (1 )在几百度的高温下在对其施加压力的同时直接将支撑层接合到半 导体层的方法(参见日本专利No. 3230638)。(2) 通过被称为晶片接合的手段实现接合的方法(参见JP-A HEI 6-302857)。(3) 利用透明粘合剂物质例如环氧树脂的方法(参见JP-A 2002-246640)。(4) 通过透明导电薄膜例如铟-锡复合氧化物(ITO)薄膜接合半导 体层和透明支撑层的方法(参见日本专利No.2588849 )。(5 )包括镜面抛光半导体层和支撑层、在去除污染物之后接合这两层、 以及热处理接合的层的步骤的方法(参见JP-A 2001-57441)。然而，试图将透明支撑层直M合到半导体表面的(1)的技术方法必 需将温度升高至大于等于600。C的高水平，并且必需施加压力(由G. B. Stringfellow 和 M. George Craford 编写的"Semiconductors and semimetals，" Vol. 48 (由Academic Press (U.S.A.)于1997年出版)，参 见第196-206页)。由于在具有脆性的例如III-V族化合物半导体层上施加 了应力，因此在高温和高压的条件下接合透明支撑层的尝试导致容易在支 撑层上产生造成晶体缺陷的缺点。当将要被接合的例如III-V族化合物半 导体层的表面不平坦时，压力不均匀地施加到层上，结果，接合的层频繁 地形成质量低劣且强度不足的接合体(union )。此外，在高温高压的条件 下接合的常规方法的缺点在于这样的事实，即为了M呈现热膨胀系数差 异的支撑层而作出的努力导致产生由机械应力引起的翘曲并最终引起在接 合体的界面中大量的晶体缺陷的发生。由(2)的用例如透明支撑层和III-V族化合物半导体层形成的晶片接合方法所产生的接合具有这样的缺点，即遭受着在被接合的层的表面上氧 化物层的存在，或者由用于接合的胶粘剂引起的污染，从而降低痴^体强度且加大在接合体的界面中的电阻。因此，在LED中，所期望的例如正向 电压(Vf)的降低遇到了阻碍。同时，在将要被接合的支撑层与半导体层之间施加或插入(3 )的粘性 的粘合剂材料例如环氧树脂或者(4 )的透明导电薄膜的接合方法虽然能够 降低接合所需的温度，但具有这样的缺点，即遭受着在接合体的界面中外 来材料例如环氧树脂层的介入，从而在III-V族化合物半导体层上造成由 热膨胀系数的差异引起的应力，并因此导致使器件工作的电流(器件工作 电流)经由应力产生的晶粒边界泄漏，阻止以完全令人满意的稳定性获得 反向电压高的结型化合物半导体LED。特别地，在化合物半导体LED中，当4吏得在器件工作电流流动的方向 上厚度增加且另外执行使器件工作电流贯穿发光层的整体扩散的动作的透 明支撑层被设置为接合到LED时，在透明支撑层与粘合剂材料之间的热膨 胀系数差异导致透明支撑层与粘合剂材料显著分离。与将它们直接接合在 一起而不使用粘合剂材料的方法相比，该掩^方法引起这样的问题，即不 能以完全令人满意的强度将透明支撑层接合到发光部分，并且不能以完全 令人满意的稳定性制造结型LED。接下来，借助于镜面抛光、污染物去除等的(5)的表面清洗需要非常 先进的清洗技术，并且随后必需足以避免再污染的非常高的清洁度的环境， 使得很难获得稳定的制造。此外，环境的调整引起增加成本负担的问题。鉴于上述情况，提出了本发明，其旨在提供一种化合物半导体发光二 极管，该化合物半导体发光二极管能够抑制晶体缺陷的发生而不对发光部 分施加应力、能够提高发光部分与支撑层之间的接合强度、此外还能够降 低在接合体的界面中的电阻并提高正向电压(Vf)，并且提高反向电压， 从而实现对亮度的提高，本发明还旨在提供制造该化合物半导体发光二极 管的方法。发明内容为了实现上述目标，本发明的第一方面旨在一种化合物半导体发光二极管，其包括发光层，由磷化铝镓铟((AlxGa^x)Ylm-YP，其中O^X^l 且0〈Y^1)形成；组成层，各自具有由III-V族化合物半导体形成的发光 部分；透明支撑层，接合到所述发光部分的最外表面层的一者且对于从所 述发光层发射的光透明；以及接合层，形成在所述支撑层与所述发光部分 的所述最外表面层的所述一者之间，并包含浓度小于等于1 x 10"cm-s的氧 原子。在本发明的第二方面中，除了满足本发明第一方面的配置外，在所述 支撑层与所述发光部分的所述最外表面层的所述一者之间形成的所述接合 层包含浓度小于等于1 x 102QCm—3的碳原子。在本发明的第三方面中，除了满足本发明第一或第二方面的配置外， 所述发光部分的所述最外表面层的所述一者具有与所述发光部分的其它组 成层不同的晶格常数，并具有大于等于0.5nm且小于等于20nm的厚度。在本发明的第四方面中，除了满足本发明第一至第三方面中任何一方 面的配置外，所述支撑层和所述发光部分的所述一个最外表面层都是由磷 化镓(GaP)形成。在本发明的第五方面中，除了满足本发明第四方面的配置外，所述接 合层具有由化学式GaxPhx表示的非化学计量组分，其中0.5<X<0.7。在本发明的第六方面中，除了满足本发明第一至第五方面中任何一方 面的配置外，所述接合层具有大于等于0.5nm且小于等于5nm的厚度。在本发明的第七方面中，除了满足本发明第一至第六方面中任何一方 面的配置外，第一电极形成在所i^光部分的另一个最外表面层上，第二 电极形成在所述支撑层的表面上，所述第一电极包括形成在欧姆电极上的 透明导电膜，以及掩^电极形成在所述透明导电膜上。本发明的第八方面旨在一种制造化合物半导体发光二极管的方法，所 述化合物半导体发光二极管包括发光层，由磷化铝镓铟 ((AlxGapx)Ylih-YP，其中05X￡l且自具有由III-V族化合物半导体形成的发光部分；以及透明支撑层，M 到所述发光部分的最外表面层中的一者，且对于从所^JL光层发射的光透 明，所述方法包括以下步骤在衬底上生长所述组成层，以形成所述发光 部分；通过镜面抛光所述发光部分的所述最外表面层的表面，抛光所iiiC 光部分，直到达到小于等于0.311111的平均粗糙度；与所述发光部分分离地 制备所述支撑层；用具有大于等于50eV能量的原子或离子在真空中辐照 所述发光部分的所述最外表面和所述支撑层的表面中的至少任何一者；以 及接合所述发光部分的所述最外层的表面和所述支撑层的表面。在本发明的第九方面中，除了满足本发明第八方面的配置外，所述支 撑层的表面被镜面抛光至均方根值小于等于0.3nm。在本发明的笫十方面中，除了满足本发明第八或第九方面的配置外， 在所述辐照步骤中辐照的所述原子或离子是选自氢原子(H)、氢分子(H2) 和氢离子(H+)的一种成分。在本发明的笫十一方面中，除了满足本发明第八或第九方面的配置外， 在所述辐照步骤中的所述原子或离子是选自氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)和氪(Kr)的一种或多种成分。在本发明的第十二方面中，除了满足本发明第八至第十一方面中任何 一方面的配置外，所述接合步骤在大于等于室温且小于等于100。C的温度下进行。在本发明的第十三方面中，除了满足本发明第八方面的配置外，对所 述发光部分的所述最外层的表面和所述支撑层的表面中的至少任何一者进 行湿法或干法蚀刻处理。在本发明的第十四方面中，除了满足本发明第八至第十三方面中任何 一方面的配置外，所述方法还包括从所^光部分去除所述衬底的步骤。根据本发明，由于在支撑层与发光部分的一个最外表面层之间形成的 接合层中的氧原子的浓度被设定为小于等于1 x 102Gcm-3,因此可以快速接 合支撑层和发光部分的一个最外表面层。此外，可抑制在发光部分中晶体 缺陷的引入，因此可避免在器件工作电流的流动方向上不想要的电阻的增加。结果，可以构成这样的化合物半导体发光二极管，例如其呈现低正向电压(Vf)和小的经由晶体缺陷的泄漏电流，并且反向电压高。根据本发明，由于发光部分的一个最外表面层具有与发光部分的其它组成层不同的晶格常数且具有大于等于0.5nm且小于等于20nm的厚度， 通过朝向减轻应力来释放最外表面层的作用，可以防止在发光部分的其它 组成层上受到扭曲。根据本发明，由于支撑层和发光部分的一个最外表面层都是由磷化镓(GaP)形成，因此可以通过材料均一性提高接合强度，并实现从发光部 分发射的光的透射，结果可以提供在所发射的光向外部的提取效率方面优 良的化合物半导体发光二极管。根据本发明，由于使得在发光部分的一个最外表面层中的磷化镓(GaP)呈现由化学式GaxPfX (0.5<X<0.7)表示的非化学计量組分，可 以避免在发光部分中引入扭曲，并可以快速接合支撑层和发光部分的一个 最外表面层。根据本发明，由于接合层具有与磷化镓(GaP)不同的組分和大于等 于0.5nm且小于等于5nm的厚度，可以快速掩^支撑层和发光部分的一个 最外表面层。根据本发明，由于第一电极形成在发光部分的另 一个最外表面层上， 第二电极形成支撑层的表面上，第一电极由形成在欧姆电极上的透明导电 膜构成，掩^电极形成在该透明导电膜上，因此可以容易地提供高亮度的 化合物半导体发光二极管。根据本发明，由于发光部分的最外表面层的表面被镜面抛光至小于等 于0.3nm的平均M度，并且通过用具有大于等于50eV能量的原子或离 子在真空中辐照发光部分的最外表面层的表面和支撑层的表面中的至少任 何一者来M发光部分的最外表面层的表面和支撑层的表面，因此可以通 过相互接合被抛光的平坦表面形成坚固的接合，通过用原子或离子辐照所 述平坦表面，被接合表面可以被活化，并且可以去除存在于被接合表面上 的杂质层和污染层，因此可以坚固地将透明支撑层直接接合到发光部分。根据本发明，由于支撑层的表面被镜面抛光至均方根值小于等于0.3nrn，可以使支撑层表面的平坦度进一步增大，从而使其与发光部分的 最外表面层的接合的强度增大。根据本发明，由于在大于等于室温且小于等于100。C的温度下进行接 合步骤中的接合，因此可以将透明支撑层直接接合到发光部分，而不引起 不想要的扭曲的产生，从而可以稳定地制造高亮度的化合物半导体发光二 极管。此外，根据本发明，由于对发光部分的最外表面层的表面和支撑层的 表面中的至少任何一者进行湿法或干法蚀刻处理，因此可以进一步改善表 面的平坦度，并且可以通过去除附着至其的外来物或污染物来清洗该表面。此外，根据本发明，由于透明支撑层被直接接合到发光部分且随后去 除先前用于形成发光部分的衬底，因此可以避免由村底对从发光部分发射 的光的吸收，结果，可以制造高亮度的化合物半导体发光二极管。对于本领域的技术人员而言，通过以下参考附图在此给出的描述，本 发明的上述和其它目的、特有特征和优点将变得显而易见。


图l是平面图，示例了在实例中制造的半导体发光二极管的示意性平 面图；图2是沿图1的II-II线截取的截面图；图3是用于半导体发光二极管中的外延层叠结构的组成层的示意图；图4是在使支撑层接合至其的状态下外延层叠结构的组成层的示意图；图5是示意性平面图，示例了LED灯的结构； 图6是示意性截面图，示例了 LED灯的结构； 图7是示意性平面图，示例了欧姆电极的形状； 图8是示意性平面图，示例了另 一个欧姆电极的形状； 图9是示意性平面图，示例了再一个欧姆电极的形状；图10是示意性平面图，示例了又一个欧姆电极的形状；以及 图ll是示意性平面图，示例了另一个欧姆电极的形状。
具体实施方式
根据本发明的发光部分是这样的区域，其包含由(AlxGaLx)ylm.YP (0^X51， 0<Y51)形成的发光层且履行发射光功能。发光层可以由n型 或p型导电形式的(AlxGan-x)Yln^P (0￡X^1， 0<Y￡1)形成。虽然发光层 可以是单量子阱(SQW)和多量子阱(MQW)中任何一种的结构，但为 了获得具有优良单色性的所发射光，优选为MQW结构。如此确定构成量 子阱(QW )结构的势垒层和构成阱层的(AlxGa^x)YliH-YP( 0^X51， 0<Y^1) 的组分，以l更在阱层中形成肯定会固定所发射光的预期波长的量子能级。为了获得高强度的光发射，最优选发光部分形成为所谓的双异质(DH ) 结构，该DH结构由发光层以及设置为在发光层相反的两侧以在发光层中 限制载流子和引起辐射复合的光发射的覆层(clad layer)构成。覆层优选 由这样的半导体材料形成，该半导体材料具有比形成发光层的化合物 (AlxGa^x)Ylm-YP (05X^1， 0<Y5l)更大的禁带宽度和更高的折射率。关 于由能够发射例如波长为约570nm的黄绿色光的(Al^Gao.^.sIno.sP形成的 发光层，覆层由(Alo.7Ga。.3)o.5lno.5P形成(Y. Hosakawa et al" J. Crystal Growth, 221 (2000), pp. 652-656)。允许在发光层与覆层之间设置这样的 中间层，其旨在适度地改变这些层之间的带的不连续性。在这种情况下， 优选使中间层由其禁带宽度介于发光层与覆层之间的半导体材料形成。在包括由磷化铝镓锢((AlxGaLx)YlnuP，其中O^XSl, 0<Y^1)形成 的发光层、各自具有由III-V化合物半导体形成的发光部分的组成层、以 及接合到发光部分的 一个最外表面层且对于从发光层发射的光透明的透明 支撑层的化合物半导体发光二极管中，本发明预期将在支撑层与发光部分 的一个最外表面层之间形成的接合层中的氧原子的浓度设定为小于等于1 x 102DCm-3，且在该接合层中的碳原子浓度为小于等于1 x 102Gcm:3。在将透明支撑层接合到III-V族化合物半导体层即构成发光部分的结构的层的最外表面层的情况下，首先必需的是对在将JH吏支撑层掩^至其 的发光部分侧的最外表面层的表面处理。特别地，旨在去除氧化物膜的表面处理的方法是必需的。作为适于磷化镓(GaP)的表面处理的方法，可 以采用例如将给定表面浸没在氢氟酸(HF)中的湿法处理方法。也可以采 用将表面浸没在包含硫酸(H2S04)或磷酸(H3P04)的混合液体中^ 用包含HC1的溶液对表面进行最后的表面处理的方法。使用惰性气体例如 氩(Ar )的干法蚀刻方法可用作去除存在于GaP表面上的氧化物膜的方法。 例如，可以通过分析方法例如红外(IR)吸收镨或用于化学分析的电子i普(ESCA)，确定由镓(Ga)与氧(O)或者磷(P)与氧的化学接合引起 的信号的存在，调查GaP。发光部分的最外表面层与指定被接合至其表面的透明支撑层之间的接 合强度非常显著地依赖于接合层中氧的浓度。随着接合层中氧原子浓度的 增加，附着强度相应地降低。为了使通过切割分离的单个器件承受切削(chipping)的冲击而不从接合层分离，接合层中氧原子的浓度优选设定 为小于等于1 x 10加原子/cm3。通过上述方法进行的对发光部分的最外表面 层的表面的处理显现出稳定地将接合层中的氧的浓度降低至低于原子的浓 度的作用。如果在M层中存在超过1 x 102Q原子/cm3的浓度的大量氧原 子，接合强度将显著降低。由于该原因，通过例如切割对单个器件的分离 将具有这样的缺点，即使得透明支撑层从发光部分的最外表面层剥离，使 得器件不能被正常制造等。此外，当在高度真空中将例如已经历了用于去除氧化物膜的湿法或干 法表面处理的GaP晶体材料的透明支撑层接合到已经历了用于去除氧化 物膜的相同表面处理的发光部分的最外表面层时，在它们的接合层中的氧 的原子浓度可以以更好的重复性降低为低于1 x 10加原子/cm3。换句话说， 发光部分的最外表面层与支撑层一起形成大接合强度的接合层。此外，通 过在真空中进行接合，可以消除在空气中实现M时所需的非常高的清洁 度的环境的必要性，从而可以稳定地且便宜地完成制造。除了满足氧浓度的降低外，当以这样的方式接合发光部分的最外表面层和透明支撑层以便在被接合的它们的表面(接合表面)上不继续存在碳(c)或者包含碳的杂质时，它们可以被坚固地接合。当在经历了用于去除氧化物膜的表面处理之后接合将要被接合的表面，而不经历使用有机溶剂例如甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)或丙酮(CH3COCH3)的最终 清洗时，可以降低接合层中碳原子的浓度。通过不对被接合的表面最终进 行使用含碳物质例如四氯化碳(CC14)的气相蚀刻，可以使所产生的接合 具有优良的强度。特别地，通过将接合层中的碳原子浓度设定为小于等于lxio加原子 /cm3，可以形成坚固的接合。此外，当在例如小于等于lxlO"Pa的高度真 空中接合发光部分的最外表面层和透明支撑层时，获得具有高接合强度且 在接合层中具有设定为小于等于1 x 1019原子/cm3的碳原子浓度的M。 通过降低接合层中氧和碳的原子浓度，不仅可以形成坚固的M,而且可 以抑制在接合层中晶体缺陷的产生，从而避免在用于使器件工作的电流(器 件工作电流)的流动方向上电阻的不想要的增大。结果，可以构成这样的 化合物半导体发光二极管(LED)，其呈现低的正电压(Vf)和小的经由 晶体缺陷的泄漏电流，并且反向电压高。通过分析手段例如二次离子质谱 (SIMS)或俄歇电子谱(AES)，可以确定氧和碳的原子浓度。被接合至发光部分的最外表面层的透明支撑层由这样的光学透明材料 形成，其具有足以机械地支撑发光部分的强度且形成足以允许从发光部分 发射的光透射的禁带宽度。其可以由例如III-V族化合物半导体晶体材料 例如磷化镓(GaP)、砷化铝镓(AlGaAs)或氮化镓(GaN) 、 II-VI族 化合物半导体晶体材料例如硫化锌(ZnS)或硒化锌(ZnSe)、或者IV 族化合物半导体晶体材料例如六方或立方碳化硅(SiC )形成。透明支撑层 优选具有大于等于约50nm的厚度，以便其能够以足够的机械强度支撑发 光部分。其优选具有不超过约30(^m的厚度，以便于在接合后对透明支撑 层进行机械工作。在具有由(AlxGaix)Ylih-YP (0$X$1， (KYS1)形成的发 光层的化合物半导体LED中，最优选使透明支撑层由其厚度大于等于约 50fim且小于等于约300nm的GaP单晶材料形成。当将由例如磷化镓(GaP)形成的透明支撑层设置为接合到发光部分 的最外表面层时，用具有与构成发光部分的其它III-V族化合物半导体层 不同的晶格常数的III-V族化合物半导体材料形成发光部分的最外表面层 的结果是，显现出在将透明支撑层接合至其时减轻施加在发光部分上的应 力的作用。结果，可以在接合期间防止发光层被持续损伤，并有助于允许 稳定地供给例如能够发射期望波长的光的化合物半导体LED。为了在将透 明支撑层M至其时充分地减轻施加在发光部分上的应力，发光部分的最 外表面层优选具有大于等于0.5nm的厚度。当最外表面层的厚度过度增大 时，由于与发光部分的其它组成层之间的晶格常数差异，在设置最外表面 层时不可避免地发生在发光层上应力的施加。为了避免这种困难，优选将 最外表面层的厚度设定为小于等于20nm。特别地，当选择磷化镓(GaP)作为证明是便于将从(AlxGa,-x)Ylm-YP (0^X￡1， 0<Y￡1)形成的发光部分发射的光透射到外面的透明支撑层时， 用具有作为组成元素的镓(Ga)和磷(P)并且Ga含量大于P含量的半 导体材料形成发光部分的最外表面层使得能够坚固地形成接合。特别优选 使最外表面层由具有非化学计量组分的GaxPix (0.5<X<0.7)形成。准备好要接合的透明支撑层的表面和发光部分的最外表面层的表面均 由单晶形成，并且优选在相同面方向上。优选地，这两个表面均构成(OOl) 面。为了获得使(001)面作为其表面的发光部分的最外表面层，当在衬底 上M发光部分的最外表面层时只务使用使(001)面作为其表面的衬底就 可以了。通过使用使(001)面作为其表面的砷化镓(GaAs)单晶作为衬 底，可以形成使(001)面作为其表面的发光部分的最外表面层。发光部分可以形成在III-V族化合物半导体单晶例如砷化镓(GaAs)、 磷化铟(InP)或磷化镓(GaP)的衬底或者硅(Si)衬底的表面上。如前 所述，发光部分优选形成为能够限制载流子和引起辐射复合的光发射的双 异质(DH)结构。为了获得单色性优良的光发射，发光层优选形成为单量 子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。作为用于形成发光部分的 组成层的方法的具体实例，可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)方法和液相外延(LPE)方法。在村底与发光部分之间，插入緩冲层、布拉格(Bragg )反射层和蚀 刻停止层，所述緩冲层引起对在衬底材料与发光部分的组成层之间的晶格 失配的减轻作用，所述布拉格反射层旨在将从发光层发射的光反射到器件 外面，所述蚀刻停止层用于选择性蚀刻。此外，在发光部分的组成层上可 以具有用于降低欧姆电极的接触电阻的接触层、用于引起器件工作电流在 整个发光部分中平面扩散的电流扩散层、用于反向地限制允许器件工作电 流流动的区域的电流阻止层、电流缩窄层(current constriction layer)等。 通过首先使准备好接合的透明支撑层的表面和发光部分的最外表面层 的表面的面方向相同，然后进一步使它们形成相对于特定晶向的角度在20 度以内的平面方位角差异，可以形成坚固的备^。优选在它们使得例如用 于透明支撑层的磷化镓(GaP )单晶材料的<110>方向与例如形成发光部分 的最外表面层的非化学计量组分GaxPu (0.5<X<0.7)的<110>方向平4亍 (方位角差异-0度)之后，接合表面。如此接合表面以便避免发生相对 于特定晶向的方位角的差异的事实证明是最便于降低界面中的电阻的目 的。如果在一个平面上方位角的差异增大超过20度，则超出量会导致电阻 的增加。此外，当透明支撑层的表面或者支撑层将接合至其的发光部分的最外 表面层的表面具有均方根(rms)值小于等于0.3nm的平坦度时，可以实 现特别坚固的接合。通过例如4吏用包含碳化硅(SiC )基微粉末或铈(Ce) 的微粉末的化学机械抛光(CMP )方法，可以获得具有如此平坦度的表面。 当用酸溶液或碱溶液进一步处理通过化学机械抛光方法抛光的表面时，通 过进一步提高表面的平坦度并实现对在抛光过程期间附着到表面的外来物 或污染物的去除，该处理可非常有助于获得清洁的表面。在压力小于等于1 x 10^Pa优选小于等于1 x l(T3Pa的真空中对透明支 撑层或发光部分的最外表面层进行^^。通过相互接合已经如上所述被抛 光的两个平坦表面，可以形成特别坚固的接合。在相互接合之前，用具有 大于等于50eV的能量的原子束或离子束单独活化这两个表面是很重要的。术语"活化"是指通过从两个被接合表面去除在表面上存在的包含氧化物 膜、碳等的杂质层或污染层而处于洁净状态的表面的产生。通过对透明支 撑层的表面或发光部分的组成层的表面进行该辐照，必然坚固地接合这两 个表面。通过在两个表面上都进行辐照，可以以更大的强度接合它们。作为证明是对引起坚固的接合有效的辐照的源的具体实例，可以采用氢原子(H)、氢分子(H2)和氢离子(质子H+)的束。通过辐照包含 存在于将要被接合的表面区域中的元素的束，可以形成强度优良的接合。 当将向其添加了锌(Zn)的磷化镓(GaP)用于透明支撑层时，例如，用 包含镓(Ga)、磷(P)或锌(Zn)的原子或离子束对被接合表面的辐照 导致能够形成坚固的接合。然而，当透明支撑层的表面和发光部分的最外 表面层的表面具有大电阻时，用主要包含离子的束对这些表面的辐照可能 导致这些表面带电。当表面的这种带电引起电斥力时，则不能获得坚固的 接合的形成。因此，通过离子束的辐照对表面的活化优选用于活化电导率 优良的表面。在透明支撑层或发光部分的组成层的表面区域上，通过使用不能对例 如表面区域的组分施加显著改变的选自氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)和 氪(Kr)的惰性气体的束，可以稳定地实现对表面的活化。在以上列举的 惰性原子中，氩(Ar)原子(单原子分子)的使用证明是有利的，这是因 为其能够容易地在短时间内活化表面。氦(He)具有比氩(Ar)小的原子 量。因此，He束具有在当其被用于活化准备好接合的表面时浪费时间的缺 点。另一方面，具有比氩大的原子量的氪(Kr)束的使用证明是不利的， 这是因为其能够造成对表面的冲击损伤。当透明支撑层的表面和发光部分的最外表面层的表面层叠为相互相 反，从而准备好接合时，为使施加的机械压力能够覆盖接合的整个表面而 采用的措施证明是便于坚固地接合两个表面的。具体地说，在与被接合的 表面垂直的方向上施加大于等于5g'cm^且小于等于100g.cm^的压力。该 方法显现出这样的效果，即使当透明支撑层或发光部分的最外表面层或者 这两个层都发生翘曲，也可以以均匀的强度完成M。在支撑层或发光部分或者二者的表面的温度被设定为小于等于100 'C，优选小于等于50'C，更优选在室温下时，在上述优选程度的真空中接 合透明支撑层和发光部分。当在超过约500。C的高温环境中进行接合时， 由(AlxGau)Ylm-yP (05X^1， 0<Y￡1)形成且为发光部分而设置的发光层 被热变性。这证明是对于稳定地获得能够发射期望波长的光的化合物半导 体LED是不利的。通过将支撑层接合到发光部分的最外表面层，使其还原为能够机械支 撑发光部分的状态，且随后去除用于形成发光部分的衬底，可以提高所发 射的光向外面提取的效率，并允许构成高亮度的化合物半导体LED。特别 地，当将不可避免地吸收来自(AlxGau)YliU-YP (XY^1)发光层 的光的不透光材料用作衬底时，以这样的方式去除衬底的方法可以非常有 助于高亮度的LED的稳定制造。当将层例如由吸^li^发光部分发射的光的 材料形成的緩冲层插入衬底与发光部分之间时，该插入层以及衬底的去除 证明是对于提高LED的亮度有利的。为了去除衬底，可单独或结合使用机 械切割工作、研磨、物理干法或化学湿法蚀刻等。特别地，通过利用材料 之间蚀刻速度的差异的选择性蚀刻方法，可以实现单独对衬底的选择性去 除，并使衬底能够以高重复性均匀地被去除。当发光部分形成在由不能吸收从发光层发射的光的光学透明且电绝缘 的材料制成的衬底上时，该绝缘衬底的去除使得可以构成能够在(铅锤) 垂直方向上通过器件工作电流的简单结构的化合物半导体LED。通过使绝 缘衬底与位于衬底表面正上方的半导体层之间的界面用例如激光束集中辐 照，在例如通过被接合到透明支撑层而使发光部分被机械支撑之后，衬底 能够从位于其正上方的半导体层剥离。接着，在由于村底的分离而暴露的 导电半导体层的表面上形成单极的欧姆电极。另一方面，在已被*以支 撑发光部分的支撑层的表面上形成另一极性的欧姆电极。当以上述方式设 置欧姆电极时，由于两个极性的电极都设置在一个表面侧，因此消除了去 除发光部分的必要性，用于发射光的区域增大至非常有助于制造〗更于实现 高亮度的光发射的化合物半导体LED的程度。例如，当通过以下步骤获得的所谓的倒装芯片型二极管结构能够实现 用于提高光提取效率的反射层时，由此制造的结构带来最佳的优点，所述 步骤包括使透明衬底用作光提取表面，在剥去了衬底的半导体层的表面上 形成第一电极且在去除部分半导体层后形成第二极性的半导体层上电极， 此外还设置适于覆盖第一电极和半导体层的表面的金属反射层。通过使该结构的发光二极管包括在封装中，可以实现高亮度的LED灯的制造。 实例在本实例中，引用通过接合在GaAs衬底上设置的外延层叠结构和 GaP支撑层而制逸^光二极管的情况，具体说明本发明。图l和图2是示意图，示例了在本实例中制造的半导体发光二极管； 图l是其平面图，图2是沿图1的II-II线截取的截面图。图3是在半导体 发光二极管中使用的外延层叠结构的层结构的示意图，图4是在使支撑层 接合至其的状态下外延层叠结构的层结构的示意图。在本实例中制造的是AlGalnP红色发光二极管(LED )。如图4所示，通过使用具有依次层叠在由其表面从(100)面倾斜15。 的Si掺杂的n型GaAs单晶形成的半导体衬底11上的半导体层13和M 至其的p型GaP衬底(透明支撑层)14的外延层叠结构101,制成图l和 图2所示的LED (LED芯片)10。首先，制造如图3所示的外延层叠结构100。该外延层叠结构100由 衬底11和层叠的半导体层13构成。层叠的半导体层13是由Te掺杂的n型GaAs形成的緩冲层130、由 Te掺杂的n型(Alo.5Ga。.5)o.5lno.sP形成的接触层131、由Te掺杂的n型 (Ak7Ga(u)().5ln().5P形成的下覆层132、 由 20对未掺杂的 (Al().2Ga().8)o.5Iii().5P/(Al0.7Gao.3)o.5In().5P形成的发光层133、由Mg掺杂的p 型(Al。.7Gao.3)o.5ln。.5P形成的上覆层134和Mg掺杂的p型GaP层135。在 上覆层134上具有由(Alo.5Gao.5)o.5lno.sP形成的薄膜。LED 10的发光部分 12呈现p-n结型双异质^^结构，该双异质接合结构由下覆层132、发光 层133和上覆层134构成。在本实例中，通过使用三曱基铝((CH3)3A1)、三甲基镓((CH3)3Ga) 和三曱基锢((CH3)3In )作为III族组成元素的源材料的低压金属有机化学 气相沉积方法(MOCVD方法)，各半导体层130至135构成在GaAs衬 底ll上层叠而形成的外延晶片。作为用于Mg掺杂的原材料，使用双环戊 二烯基镁(双-(CsHs)2Mg)。作为用于Te掺杂的原材料，使用二甲基碲 ((CH3)2Te)。作为V族组成元素的原材料，使用磷化氢(PH3)或砷化 氬(AsH3)。在750。C下生长GaP层135，并在730'C下生长形成半导体 层13的其它半导体层130至134。GaAs緩冲层130具有约5 x 1018cnr3的载流子浓度和约0.2nm的层厚 度。接触层131由(Alo.sGao.5)。.5ln。.5P形成，并具有约2 x 1018cirr3的载流子 浓度和约1.5pm的层厚度。n覆层132具有约8 x 1017cnT3的栽流子浓度和 约lum的层厚度。发光层133未被掺杂，并具有0.8jmi的层厚度。p覆层 134具有约2 x 1017cnr3的载流子浓度和l^im的层厚度。GaP层135具有 约3 x 1018cm-3的载流子浓度和9jim的层厚度。在发光部分12的最外表面 层上的p型GaP层135使得从第一表面到达约lfim深度的区域被抛光和 镜面加工。通过镜面加工，p型GaP层135的表面获得0.18 nm的粗糙度。将p型GaP村底14 (图4 )制备为透明支撑层，该透明支撑层将要被 加接(affix)到p型GaP 135的经过镜面加工的表面。将Zn添加到准备 好,iu(f口接的GaP衬底14中，以获得约2 x 1018cm-3的载流子浓度。使用其 平面方向偏离(100) 15。的单晶。将要^i口接的GaP衬底14具有50mm 的直径和250nm的厚度。在被接合到p型GaP层135之前，该GaP衬底 14使其表面被镜面加工，直到rms值为0.12nm时结束。将GaP衬底14和外延层叠结构100载入普通的半导体材料加接设备 中，然后将半导体材料加接设备抽真空至3xlO-5Pa的真空。此后，在已 排除了由碳材料构成的成分以避免被碳污染的半导体材料加接设备中，在 真空中将安装于其中的GaP衬底14和外延层叠结构IOO保持加热至约800 。C的温度，同时用祐>速到800eV的能量的Ar离子辐照GaP衬底14的 表面。从而，在GaP衬底14和外延层叠结构100的表面上形成具有非化学计量组分的接合层141。在形成接合层之后，停止Ar离子的辐照，并将 GaP衬底14的温度降低至室温。接着，用通过以电子轰击中和而成的Ar束，辐照在表面区域中具有 由非化学计量组分构成的接合层141的GaP衬底14和GaP层135 二者的 表面持续3分钟的时间。此后，如图4所示，在保持在真空的半导体材料 加接设备中，将两个层135和14的表面重叠，并各自被加有直至20g/cm2 压力的负载，在室温下相互接合。当从半导体材料加接设备的真空室中取 出由接合产生的晶片并分析晶片中的接合的界面时，在接合部分中探测到 由非化学计量组分Ga。.6P。.4形成的接合层141。接合层141具有约3nm的 厚度，由普通的SIMS分析方法确定的在接合层141中的氧原子浓度为7 xl018cm-3，而碳原子浓度为9 x 1018cnT3。通过普通的真空沉积方法用多层膜包覆(clad)加接的GaP衬底14 的位于与接合的表面相反侧的背面，该多层膜由其厚度为0.2nm的金-铍 (AuBe)合金膜和其厚度为0.8nm的金膜构成。接着，通过普通的光刻方 法处理多层膜以形成图形，并且直径为50nm且平面图呈圓形的多层膜的 图形规则排列，如同被150nm的距离分隔的格点。 ，在450'C下对多 层膜的这些圆形图形进行10分钟的热处理，以使其合金化并转变为低接触 电阻的p型欧姆电极。接着，用M蚀刻剂选择性去除GaAs衬底11和GaAs緩冲层130。 在接触层131的暴露表面上，通过真空沉积方法沉积厚度为0.2nm的 AuGe/Ni合金膜以;SJ "度为O.lpm的Au膜。通过使用普通光刻方法进行 构图，形成n型欧姆电极15。随后，用通过利用普通濺射装置形成的厚度 为0.5fim的铟-锡氧化物(ITO)复合膜(透明导电膜)17覆盖接触层131 的表面和n型欧姆电极15的表面。此外，通过'减射方法在ITO表面上依 次层叠厚度为0.03nm的铬(Cr)薄膜和厚度为lpm的金(Au )薄膜，此 后，形成直径为llOpm的接合电极18。接着，通过使用普通的划片机以250nm的间距成十字形地插入切割， 形成平面视图几乎为正方形的LED芯片10。另外，在划片工作之后，为了去除通过在构成外延层叠结构的半导体层的切割侧面上切割所制造的破碎层，用硫酸和过氧化氢的混合液体蚀刻LED芯片的侧面。将如上所述制造的LED芯片10装配在如图5和图6的示意图所示的 发光二极管灯42中。在用金丝46对LED芯片的M电极18和n电极端 子44进行线接合(wire-bonding)之后，通过用4艮(Ag)胶将该灯42固 定和安装在设置于安装基底45的表面上的p电极端子43上并在最后用普 通的环氧树脂41密封它们，制成该LED灯42。在基底45与LED芯片 10之间的接合界面上施加的切变强度为约300g或更大。由于断裂模式存 在于各LED芯片10的分离中，接合界面中的接合强度被解释为超过参与 形成外延晶片的晶体层的断裂强度。经由设置在安M底45的表面上的n电极端子44和p电极端子43 在n型和p型欧姆电极15和16之间的电流的流动产生其主波长为620nm 的红色光发射。发现在正方向上20mA的电流流动期间的正向电压(Vf) 为约2.2V,反映出在GaP层135与GaP衬底14之间的^^界面中电阻的 降低以及欧姆电极15和16的良好欧姆特性。在固定在20mA的电流沿正 #向流动期间的光发射强度呈现520mcd的高亮度，反映出这样的事实， 即由于通过形成光发射效率高的发光部分并从芯片去除在切割过程期间在 其上产生的破碎层，提高了光向外部提取的效率。另外，当由于如图1所示的简单结构的原因在本实例中形成欧姆电极 15时，电极可以形成为例如点、格子、圆形、方形或它们的组合的形状， 如图7至图11所示。选择具有适于电流扩散的图形的电极有助于制造具有 在该实例中所述的特有特性的LED。比较实例1:通过在不同于上述实例的条件下将其表面上没有形成接合层的p型 GaP村底加接到p型GaP层，制造AlGalnP LED芯片。在比较实例1中， 当使p型GaP衬底保持在处于800'C的温度下的氮气氛中，并在使接合表 面上产生200g/cm2的压力的负载的条件下连续〗果持一小时时，在大气压力 下在高温下掩^ p型GaP村底和p型GaP层的表面。在比较实例1中所述的条件下进行接合时，在p型GaP衬底和p型GaP层之间的M界面 中探测到大量的晶体缺陷的存在。在界面区域中的氧原子浓度为2.0 x 102Qcm-3,而其中的碳原子浓度为 1.1 x l02Gcm-3，两者均为高浓度。此外，切变强度低达180g。从而，在为 形成芯片而进行的切割步骤期间，M表面的表面积的相当于约10%的区 域中发生接合的分离。对耐受切割的冲击而不引起这样的分离的发光二极管芯片测试LED 的特有特性。虽然LED发射其主波长为620nm的红色光，但在正方向上 20mA的电流流动期间产生的正向电压(Vf)呈现2.6V这样的高值。相反 地，在固定在20mA的正向电流流动期间的光发射强度具有270mcd的低 值。这些结果给出这样的推断，即在接合界面上产生的晶体缺陷和在接合 过程期间在高温下进行的接合处理导致发光部分的质量劣化并降低亮度。比较实例2:通过在不同于上述实例和比较实例1的条件下将其表面上没有形成接 合层的p型GaP衬底加接到p型GaP层，制造AlGalnP LED芯片。在比 较实例2中，M到p型GaP衬底的p型GaP层具有0.3jim的层厚度。 在用氢氟酸(HF )清洗其表面后，该p型GaP层被接合到p型GaP衬底， 并且它们一起经历在500。C下的热处理，以完成接合。在接合界面中的氧 原子浓度为3xl02Vm-3,而其中的碳原子浓度为2乂102、111-3，两者均为高 浓度。切变强度低达100g。从而，在为形成芯片而进行的切割步骤期间， 接合表面的表面积的相当于约40 %的区域中发生M表面的分离。该LED发射其主波长为620nm的红色光。因为M界面中的电阻4艮 高，在正方向上20mA的电流流动期间的正向电压(Vf)高达3.7V。在固 定在20mA的正向电流下的光发射强度为3卯mcd。工业适用性该化合物半导体发光二极管可以避免对发光部分应力的施加，抑制晶 体缺陷的发生，提高发光部分与支撑层之间的接合强度，还降低接合界面中的电阻并从而提高正向电压(Vf)，并且提高反向电压并实现高亮度的产生。
权利要求
1.一种化合物半导体发光二极管，包括发光层，由磷化铝镓铟((AlXGa1-X)YIn1-YP，其中0≤X≤1且0＜Y≤1)形成；组成层，各自具有由III-V族化合物半导体形成的发光部分；透明支撑层，接合到所述发光部分的最外表面层的一者且对于从所述发光层发射的光透明；以及接合层，形成在所述支撑层与所述发光部分的所述最外表面层的所述一者之间，并包含浓度小于等于1×1020cm-3的氧原子。
2. 根据权利要求l的化合物半导体发光二极管，其中在所述支撑层与 所述发光部分的所述最外表面层的所述一者之间形成的所述接合层包含浓 度小于等于1 x 102Gcm-3的碳原子。
3. 根据权利要求1或2的化合物半导体发光二极管，其中所述发光部 分的所述最外表面层的所述一者具有与所^光部分的所述组成层不同的 晶格常数，并具有大于等于0.5pm且小于等于20fim的厚度。
4. 根据权利要求1至3中任何一项的化合物半导体发光二极管，其中 所述支撑层和所述发光部分的所述一个最外表面层都是由磷化镓(GaP) 形成。
5. 根据权利要求4的化合物半导体发光二极管，其中所述接合层具有 由化学式GaxPhx表示的非化学计量组分，其中0.5<X<0.7。
6. 根据权利要求1至5中任何一项的化合物半导体发光二极管，其中 所述接合层具有大于等于0.5nm且小于等于5nm的厚度。
7. 根据权利要求1至6中任何一项的化合物半导体发光二极管，其中 第 一电极形成在所述发光部分的另 一个最外表面层上，第二电极形成在所 述支撑层的表面上，所述第一电极由形成在欧姆电极上的透明导电膜构成， 以及接合电极形成在所述透明导电膜上。
8. —种制造化合物半导体发光二极管的方法，所述化合物半导体发光二极管包括发光层，由磷化铝镓铟((AlxGaix)Ylm-YP，其中0^X￡l， 0<Y^1 )形成；组成层，各自具有由III-V族化合物半导体形成的发光部分； 以及透明支撑层，接合到所述发光部分的最外表面层中的一者，且对于从 所述发光层发射的光透明，所述方法包括以下步骤在村底上生长所述发光部分的所述组成层，以形成所述发光部分； 通过镜面抛光所述发光部分的所述最外表面层的表面，抛光所述发光 部分，直到达到小于等于0.311111的平均粗糙度； 与所述发光部分分离地制备所述支撑层；用具有大于等于50eV能量的原子或离子在真空中辐照所述发光部分 的所述最外表面层的表面和所述支撑层的表面中的至少任何一者；以及接合所述发光部分的所述最外表面层中的一者的表面和所述支撑层的 表面。
9. 根据权利要求8的制造化合物半导体发光二极管的方法，其中所述 支撑层的表面被镜面抛光至均方根值小于等于0.3mn。
10. 根据权利要求8或9的制造化合物半导体发光二极管的方法，其 中在所述辐照步骤中辐照的所述原子或离子是选自氢原子(H)、氢分子(H2)和氢离子(质子H+)的一种成分。
11. 根据权利要求8或9的制造化合物半导体发光二极管的方法，其 中在所述辐照步骤中辐照的所述原子或离子是选自氦(He)、氖(Ne)、 氩(Ar)和氪(Kr)的一种或多种成分。
12. 根据权利要求8至11中任何一项的制造化合物半导体发光二极管 的方法，其中所述接合步骤在大于等于室温且小于等于IOO"C的温度下进 行。
13. 根据权利要求8的制造化合物半导体发光二极管的方法，其中对 所述发光部分的所述最外表面层的表面和所述支撑层的表面中的至少任何 一者进行湿法或干法蚀刻处理。
14. 根据权利要求8至13中任何一项的制造化合物半导体发光二极管 的方法，还包括从所述发光部分去除所述衬底的步骤。
全文摘要
一种化合物半导体发光二极管，包括发光层133，由磷化铝镓铟形成；发光部分13，具有各自由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体形成的组成层；透明支撑层14，接合到所述发光部分13的最外表面层的一者135且对于从所述发光层133发射的光透明；以及接合层141，形成在所述支撑层14与所述发光部分13的所述最外表面层的一者135之间，包含浓度小于等于1×10²⁰cm^-3的氧原子。该化合物半导体发光二极管可以避免对发光部分施加应力，抑制晶体缺陷的产生，提高发光部分与支撑层之间的接合强度，还降低接合界面中的电阻并从而提高正向电压(Vf)，并且提高反向电压并实现高亮度的产生。
文档编号H01L33/30GK101218686SQ200680024549
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月5日 优先权日2005年7月6日
发明者渡边隆史, 竹内良一 申请人:昭和电工株式会社