用于半导体发光设备的反射电极的制作方法

专利名称：用于半导体发光设备的反射电极的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及半导体发光设备，更具体地涉及用于半导体发光 设备的反射电极。
背景技术：
半导体发光设备，例如发光二极管(LED)，提供有效的光源，并 且比白炽灯泡和焚光管更加稳定可靠。发光二极管技术和加工的优点 方便了使用这样一些器件来替代例如商业和居民的照明应用中的传统 照明源。
用于照明应用的发光二极管通常包括反射电极，用于反射由器件 产生的光的一部分并且用作提供驱动电流给这个器件的接触。电极材 料一般包括一种金属。对于某些半导体材料，寻找能够提供良好的电 接触、良好的反射率、以及与半导体材料有良好粘合力的用于反射电 极的金属是困难的。对于这些半导体材料，可以使用多层来构成反射 电极。例如，反射电极可以包括提供良好粘合力和良好电接触的第一 层以及提供高反射率的第二层。但遗憾的是，在光到达第二反射层之 前，第一层还可能明显地使该光衰减，于是减小了发光二极管的效率。
仍旧需要改进的用于半导体发光器件的反射电极，以及改进的用 于形成这样的电极的方法。

发明内容
按照本发明的一个方面，提供了用于在半导体发光器件上形成反 射电极的方法，所述的发光器件具有产生光的一个有源层和与有源层 电接触的一个包层。所述的方法包括在包层上沉积导电材料的中间 层，并且使至少一部分导电材料扩散进入包层。该方法还包括在所述 中间层上沉积反射层，该反射层是导电的，并与中间层电接触。 所述的方法还包括先除去一部分中间层，然后再沉积反射层。 在使导电材料扩散进入包层以后，中间层可以包括扩散进入包层 的第一部分和仍旧留在包层上的第二部分，除去可以包括除去中间层的第二部分的绝大部分。
使至少部分导电材料扩散进入包层可以包括退火所述的发光器件。
退火可以包括以足够的持续时间和温度退火发光器件，以使导电
材料扩散进入包层大约50纳米的扩散深度。
包层可以包括p-型半导体材料，沉积中间层可以包括沉积材料， 该材料的功函数尽可能接近P-型半导体材料的带隙能量与电子亲和能 量之和。
沉积材料可以包括沉积从由铑、钯、镍、铂、金、铱、铼组成的 组中选择出来的一种金属。
沉积所述的材料可以包括沉积导电的氧化物。
包层可以包括n-型半导体材料，沉积中间层可以包括沉积材料， 该材料的功函数接近或小于n-型半导体材料的电子亲和能量。
沉积材料可以包括沉积从由铝、钬、4各、钒、钽组成的组中选择 出来的一种金属。
按可操作方式将有源层配置成发射第一波长的光，沉积反射层可 以包括沉积在第一波长具有增大的反射率的材料。
沉积反射层可以包括沉积从由铝、铑、4巴、4艮、金、锰、镍组成 的组中选择出来的至少一种金属。
按照本发明的另一方面，提供一种用在半导体发光设备中的结构。 所迷的结构包括第一包层和与第一包层电接触的有源层，有源层可以 操作以产生光。所述的设备还包括与有源层电接触的第二包层，第二 包层具有一个外表面。所述的设备进一步还包括在第二包层的外表面
上的一个反射电极，该反射电极包括导电材料的中间层，该导电材料 至少部分地扩散进入第二包层。反射电极还包括在中间层上的一个反 射层，反射层是导电的，并且与中间层电接触，该反射层可以操作来 反射在有源层中产生的光，使其返回穿过第二包层、有源层、和第一 包层。
所迷的结构进一步还可包括与第一包层接触的一个基板，按可操 作方式将基板配置成可使光通过基板离开所述的结构。
中间层可以包括在第二包层中的导电材料的扩散部分和在第二包 层上的导电材料的非扩散部分，非扩散部分足够地薄以便允许在有源层中所产生的光能够透射过所述的非扩散部分而没有明显的衰减。
中间层可以包括伸入第二包层中大约50纳米扩散深度的导电材料 的扩散层。
第二包层可以包括p-型半导体材料，中间层可以包括功函数尽可 能接近p-型半导体材料的带隙能量与电子亲和能量之和的材料。
所述的金属可以包括从由铑、钯、镍、铂、金、铱、铼组成的组 中选择出来的一种金属。
该材料可以包括导电氧化物。
第二包层可以包括n-型半导体材料，中间层可以包括功函数接近 或小于n-型半导体材料的电子亲和能量的金属
金属可以包括从由铝、钛、铬、钒、钽组成的组中选择出来的一 种金属。
笫一和第二包层以及有源层可以包括m族氮化物半导体材料。
可以将有源层按可操作方式配置成在第一波长发光，反射层所包 括在第一波长处具有增大的反射率的材料。
反射层可以包括从由铝、铑、钯、银、金、锰、镍组成的组中选 择出来的至少一种金属。
按照本发明的另一方面，提供包括上述的半导体发光结构的一种 半导体发光设备。该半导体发光设备进一步还包括与第一包层电接触 的电极。当在电极和反射电极之间加上电压以使正向偏置电流流过有 源层时，在有源层中产生光。
在结合附图阅读了本发明特定实施例的下述描述后，本发明的其


在说明本发明实施例的附图中，
图l是按照本发明的第一实施例的半导体发光结构的示意剖面图； 图2是图1所示的半导体发光结构的一部分的示意剖面图； 图3A- 3E是说明按照本发明的一个实施例的发光结构的加工过程 的一系列剖面图剖面图。
具体实施例方式
7参照图1，在一般情况下，用标号IO表示用在按照本发明的笫一
实施例的半导体发光设备中的半导体发光结构。
结构10包括基板12和在基板上的第一包层14。结构10还包括与 第一包层14电接触的有源层16。有源层16可以操作来产生光。结构 IO进一步还包括与有源层16电接触的第二包层18。结构IO还包括在 第二包层18的外表面22上的反射电极20。
反射电极20包括导电材料的中间层24。中间层24至少部分地扩 散进入第二包层18。反射电极20进一步还包括在中间层24上的反射 层26，该反射层是导电的并且与中间层电接触。反射层26可以操作来 反射在有源层16中产生的光，使其返回穿过第二包层18、有源层16、 和第一包层14，通过基板12离开结构10。
中间层"可以包括导电材料，该导电材料可以操作来在反射层26 和第二包层18之间提供良好的欧姆接触和良好的粘结。
在图2中，更详细地表示了反射电极20。参照图2，在一个实施 例中，中间层24包括在第二包层18中的扩散部分30和在第二包层上 的非扩散部分32。
在基板上的n-型材料生长
现在回到图1，在一个实施例中，第一包层l4包括n-型半导体材 料，第二包层18包括p-型半导体材料。在这个实施例中，为了在反射 电极20和p-型的第二包层18之间提供良好的欧姆接触，导电材料的 功函数应该接近或者大于p-型半导体材料的带隙能量与电子亲和能量 之和。在半导体发光器件中使用的半导体材料在一般情况下具有大的 带隙能量(例如对于m族氮化物材料，带隙能量的范围从0.7电子伏 到6电子伏，取决于材料的铟和铝的组分)。对于P-型材料，典型的
电子亲和处于4电子伏的区域，因此，对于许多m族氮化物材料，电
子亲和能量和带隙能量之和的范围可以从大约4.7电子伏到10电子 伏。绝大多数合适的金属的功函数的范围是4. 9电子伏到5,6电子伏， 因此找到在p-型材料和导电电极之间提供真正的欧姆接触的合适材料 就可能存在问题。因此，在一般情况下，应该针对中间层24来选择材 料，使材料的功函数尽可能地接近P-型半导体材料的带隙能量与电子 亲和能量之和。在这个实施例中，反射电极^是在p-型半导体材料上形成的，对
于中间层24来说合适的材料包括(但不限于)铑(功函数约5电子伏)、 钯(5. 1电子伏)、镍(5. 2电子伏)、铂(5. 6电子伏)、金(5. 1 电子伏)、铱(5. 3电子伏)、铼(4. 95电子伏)、或它们的组合。 可替换地，中间层24可以包括一种导电的氧化物，如铟锡氧化物或掺 杂的氧化亚铜(Cu20)。
在这个实施例中，结构10进一步还包括与笫一包层14的一部分 电接触的电极28。当向半导体发光结构IO加上正向偏置电压时(即， 使得反射电极20比电极28更正)，正向偏置电流流过p-型的第二包 层18、有源层16、和n-型的第一包层14，并在有源层内产生光子。 在有源层16中产生的光子是在所有的方向入射的，在反射电极20上 入射的光子通过第二包层18、有源层16、和第一包层14反射回来， 并如同来自基板12的光那样被发射。来自有源层16的直接入射在第 一包层14上的其它光子穿过第一包层并且如同来自基板12的光那样 被发射。
在一般情况下，将结构IO配置成在期望的波长带内发射光，并且 使用在所配置的波长带内具有增大的反射率的材料形成反射层26。例
如，在包层14和18以及有源层16都是m族氮化物半导体材料的情况
下，结构IO发光的波长范围可以从红外波长到深紫外(UV)波长，这 取决于半导体材料的合金成分。例如，在将半导体材料配置成发出紫 外波长的光的情况下，反射层可以包括铝，铝在紫外和可见光波长带
中具有增大的反射率。
然而，由于铝的功函数约为4. 3电子伏，铝材料不能与p-型的包
层18形成良好的欧姆接触，在该接触的两端产生较大的电压降，因此 减小了结构10的效率。在一个实施例中，中间层24包括铑，铑的功 函数约为5电子伏，并且当铑与包括铝的反射层26组合使用时，最终 的反射电极将具有与第二包层18的良好欧姆接触，并且在紫外波长带 中还具有增大的反射率。反射层26还可以包括诸如铑、钯、锰、金、 或镍之类的材料。可替换地，反射层26还可以包括这些金属和/或其 它金属的组合。
可替换地，反射层26可以包括银，银在近紫外和可见波长带中具 有良好的反射率。银具有的功函数约为4. 3电子伏，不能与p-型的包层18形成良好的欧姆接触。而且，银材料还可能遭受对于氮化物半导 体材料的差的粘结性。通过包括按照本发明沉积的中间层24，可以形 成银的反射电极，该电极在近紫外和可见波长带中具有良好的欧姆接 触以及高的反射率。
倒装片安装
在图1所示的实施例中，配置结构10，以便倒装芯片安装至底座 (sub-mount) 40上，从而形成半导体发光设备。底座40包括分别与 电极28、 20对应的电接触区42、 44。倒装片安装指的是一种安装技术， 其中在一个基板(如基板12)上制成半导体发光结构10，然后将所述 的结构倒过来，并且使用导电材料珠46 (如金和锡的合金)将电极20、 28粘结到所述的底座40的电接触区42、 44。粘结可以包括将结构IO 加热到高于导电材料珠46的熔点的温度，使珠熔化或回流，于是将电 极28、 20粘结到电接触区42、 44。可替换地，在某些实施例中，粘结 可以包括热压、摩擦粘结、或扩散粘结。对于倒装片安装，反射层26 的厚度在约IOO纳米和约l微米之间。
在某些实施例中，可以在倒装片安装所述的结构之前或之后除去 基板12。可以通过激光引发的分离或化学蚀刻除去基板l2，在这种情 况下在有源层16中产生的光通过第一包层l4离开结构10。
基板上的p型材料生长
再一次地回到图l，在另一个实施例中，第一包层14包括p-型半 导体材料，第二包层18包括n-型半导体材料。在这种情况下，为了在 反射电极20和n-型的第二包层18之间提供良好的欧姆接触，中间层 24所用的导电材料具有的功函数应该接近或小于n-型半导体材料的电 子亲和能量。对于n-型材料，典型的电子亲和能量处于4电子伏的区 域，因此对于良好的欧姆接触，中间层24的合适金属应该具有低的功 函数，如铝(4, 3电子伏)、钛(4. 3电子伏)、铬(4. 5电子伏)、 钒(4. 3电子伏)、钽(4.2电子伏)。
方法
下面参照图3描述在第二包层18上形成反射电极20的方法。参照图3A，用标号60表示半导体发光设备的一个部分。设备60 包括在一个基板(在图3中未示出)上外延生长的第一包层62。设备 60还包括在第一包层62上外延生长的有源层64，以及在有源层64上 外延生长的第二包层66。
参照图3B,所述的方法从在第二包层66上沉积中间层68开始。 在一个实施例中，中间层68包括一种金属，如铑，如以上所述它提供 与第二包层66的良好欧姆接触。使用热蒸发器(未示出)可以在第二 包层66上沉积所述的金属。可替换地，通过电子束蒸发、或通过溅射， 可以在第二包层66上沉积所述的金属。
参照图3C，在沉积中间层之后，让设备60在高温下退火，使中间 层68中的材料至少部分地扩散进入第二包层66中，形成中间层68的 一个扩散部分70和一个非扩散部分72。在一个实施例中，执行所述的 退火的温度约为500°C，扩散时间约为30分钟，所产生的扩散部分70 的扩散层深度d约为50纳米。可替换地，退火温度可以在400 。C至 600 。C的范围，并且扩散时间是可以变化的，从而可以得到小于或大 于50纳米的扩散层深度d。
相信，中间层68扩散进入第二包层66使得导电材料的原子在第 二包层的晶格中变为整体的形式，因此甚至可以使用具有相当高的反 射率的导电材料，而在通过中间层68的扩散部分70时也不会遭受实 质性的光衰减。
参照图3D，在这个实施例中，然后对于设备60进行蚀刻以除去大 部分的非扩散部分72，只留下一个很薄的非扩散层74。扩散部分70 和薄的非扩散层74作为一个经过改进的中间层76。在这个实施例中， 非扩散部分74足够薄，以便同样引起光的可忽略的衰减。在一般情况 下，强调在中间层76中的光的任何衰减效应，这是因为引向反射电极 80的光在受到反射层78的反射之前和之后都要穿过中间层76。薄的 非扩散层74与扩散部分70的联合对于中间层68来说有利于使用更宽 范围的导电材料，因为对于中间层76所选的材料的反射率，与这种材 料的欧姆接触特性和这种材料对于第二包层66的粘结性相比，重要性 没有那么大。
参照图3E，所述的方法继续沉积反射性的材料，以便在中间层76 上形成反射层78。在一个实施例中，反射层78包括使用热蒸发器沉积的一种金属。可替换地，通过电子束蒸发或者通过溅射可以沉积金属。
中间层76和反射层78 —起形成了一个反射电极80。
在所示的实施例中，薄的非扩散层74还可以用作扩散势垒，用于 减小和/或阻止反射层78扩散进入第二包层66。可以用于反射层78 的某些材料可以具有在设备60的高温和/或大电流操作下扩散进入第 二包层66的趋势。随着时间的流逝，这样的扩散可能导致设备60的 效率降低和/或过早失效。
有益地，良好的欧姆接触降低可归因于反射电极80的正向电压降， 良好的反射率使反射电极处的光衰减最小，这两者都可改进设备60的 效率。
参照下面的非限制性实例进一步描述了所述的方法，其中的样品 是按照本发明的各个方面制备的，并且与按照现有技术制造的样品进 行了比较。
例1
在第一个例子中，在样品之间比较反射率特性，样品是按照如下 所述制备的
样品1:所制备的第一个现有技术样品包括在笫二包层上的50纳 米厚的铑反射电极(即，没有中间层)
样品2:所制备的第二个现有技术样品包括在第二包层上沉积的 2. 5纳米铑层和在铑层上方沉积的200纳米铝反射层(即没有退火)； 和
样品3:按照图3所示的本发明的各个方面制备的样品。该样品在 第二包层上有2. 5纳米铑层，并且在约500。温度下退火约30分钟，然 后进行蚀刻，留下不超过0.5纳米的非扩散的铑。然后在铑层上沉积 200纳米的铝反射层。
对于全部的这三个样品进行反射率测量，测量表明，不包括中间 层的样品1的入射光反射率从波长250纳米处的约52 %变化到波长450
纳米处的约63%。
未经退火的样品2的入射光反射率从波长250纳米处的约60%变 化到波长450纳米处的约76% 。
样品3的入射光反射率从波长250纳米处的约72%变化到波长450纳米处的约89%,这表明反射率比现有技术的样品改进至少12%。 例2
在第二个例子中，在现有技术样品4和按照本发明的各个方面制 备的样品5-7之间比较正向电压特性，这些样品如下
样品4:现有技术样品，在第二包层上包括50纳米厚的镍点电极 (dot electrode)(即，无中间层)j
样品5:用铝反射层扩散的镍中间层(150纳米)； 样品6:用铝反射层扩散的钯中间层(150纳米)；和 样品7:用铝反射层扩散的铑中间层(150纳米)。 在加上过电流400 Acn^历时5分钟以后，在这个过电流条件下测 量样品4 - 7中的每一个的正向电极电压。
现有技术样品4的正向电极电压约为5. 2伏。
按照本发明的各个方面制作的样品的正向电极电压如下
样品5 约4. 8伏
样品6 约5. 7伏；以及
样品7 约4. 7伏。
因此，按照本发明制备的样品5和样品7的正向电压减小了至少
0. 4伏。
虽然参照发光结构10的倒装片安装描述了本发明的实施例，但是 还可以使用其他技术来安装这个结构。例如，在垂直注入发光结构中， 去除基板，沉积反射性的p-型和n-型电极接触，安装这个结构，它的 p-型电极向下。
虽然已经描述并说明了本发明的特定实施例，但这样一些实施例 被认为是只对本发明的说明，而不是限制按照所附的权利要求限定的 本发明。
权利要求
1、一种用于在半导体发光器件上形成反射电极的方法，所述半导体发光器件具有用于产生光的一个有源层和与有源层电接触的一个包层，所述的方法包括-在所述的包层上沉积一个导电材料的中间层；-使至少一部分所述的导电材料扩散进入所述的包层；和-在所述的中间层上沉积一个反射层，所述的反射层是导电的，并且与所述的中间层电接触。
2、 权利要求l的方法，进一步还包括在沉积所述的反射层之前 除去一部分所述的中间层。
3、 权利要求2的方法，其中在使所述的导电材料扩散进入包层 之后，所述的中间层包括扩散进入所述的包层中的第 一部分和仍旧留 在所迷的包层中的第二部分，并且其中所述的除去包括除去所述的 中间层的所迷第二部分的绝大部分。
4、 权利要求l的方法，其中所述使至少一部分所述的导电材料 扩散进入所述的包层包括退火所述的发光器件。
5、 权利要求4的方法，其中所述的退火包括退火所述的发光器 件一个持续时间，退火的温度足以使所迷的导电材料扩散进入包层大 约50纳米的扩散深度。
6、 权利要求l的方法，其中所述的包层包括P-型半导体材料， 并且其中沉积所述的中间层包括沉积一种材料，这种材料的功函数 尽可能接近所述的p-型半导体材料的带隙能量与电子亲和能量之和。
7、 权利要求6的方法，其中沉积所述的材料包括沉积从由铑、 钯、镍、铂、金、铱、铼组成的组中选择出来的金属。
8、 权利要求6的方法，其中沉积所述的材料包括沉积一种导电 氧化物。
9、 权利要求l的方法，其中所述的包层包括n-型半导体材料， 并且其中沉积所述中间层包括沉积一种金属，这种金属的功函数接 近或小于所述的n-型半导体材料的电子亲和能量。
10、 权利要求9的方法，其中沉积所述的金属包括沉积从由铝、 钛、铬、钒、钽组成的组中选择出来的一种金属。
11、 权利要求1的方法，其中将所述的有源层可操作地配置成以第一波长发光，并且其中沉积所述的反射层包括沉积一种材料， 这种材料在所述的第一波长具有增大的反射率。
12、 权利要求ll的方法，其中沉积所述的反射层包括从由铝、 铑、钯、银、金、锰、镍组成的组中选择出来的一种金属。
13、 一种用在半导体发光设备中的半导体结构，所述的结构包括 -第一包层；-与所述的第一包层电接触的一个有源层，所述的有源层可以操 作来产生光；-与所述的有源层电接触的第二包层，所述的第二包层有一个外表面；-在所述的第二包层的外表面上的一个反射电极，所述的反射电极包括-导电材料的一个中间层，所述的导电材料至少部分地扩散 进入所述的第二包层；-在所述的中间层上的一个反射层，所述的反射层是导电的， 并且与所述的中间层电接触，所述的反射层可操作来反射在所述有源 层中产生的光，使其返回穿过所述的第二包层、所述的有源层、和所 述的第一包层。
14、 权利要求13的结构，进一步还包括与所述的第一包层接触的 一个基板，按可操作方式配置所述的基板，以便允许所述的光穿过所 述的基板离开这个结构。
15、 权利要求13的结构，其中所述的中间层包括在所述的第二包层中的所述的导电材料的一个扩散部分和在所述的第二包层中的所 述的导电材料的一个非扩散部分，所述的非扩散部分足够地薄以便允 许在所述的有源层中所产生的光能够透射穿过所述的非扩散部分而没 有明显的衰减。
16、 权利要求13的结构，其中所述的中间层包括伸入第二包层 中大约50纳米扩散深度的导电材料的扩散层。
17、 权利要求13的结构，其中所述的第二包层包括p-型半导体 材料，并且其中所述的中间层包括一种材料，这种材料的功函数尽 可能接近所述的p-型半导体材料的带隙能量与电子亲和能量之和。
18、 权利要求17的结构，其中所述的材料可以包括从由铑、钯、镍、铂、金、铱、铼组成的组中选择出来的一种金属。
19、 权利要求17的结构，其中所迷的材料包括导电的氧化物。
20、 权利要求13的结构，其中所述的第二包层包括n-型半导体 材料，并且其中所述的中间层所包括一种金属，这种金属的功函数 接近或小于所迷的n-型半导体材料的电子亲和能量。
21、 权利要求20的结构，其中所述的金属包括从由铝、钛、铬、 钒、钽组成的组中选择出来的一种金属。
22、 权利要求13的结构，其中所述的第一和第二包层和所述的有源层包括in族氮化物半导体材料。
23、 权利要求13的结构，其中将所述的有源层可操作地配置成 以第一波长发光，并且其中所述的反射层包括一种材料，这种材料 在所述第一波长处具有增大的反射率。
24、 权利要求23的结构，其中所述的反射层包括从由铝、铑、 钯、银、金、锰、镍组成的组中选择出来的至少一种金属。
25、 一种包括权利要求13的半导体发光结构的半导体发光设备， 所述的半导体发光设备进一步还包括与所述的第一包层电接触的一个 电极，借此当在所述的电极和所述的反射电极之间加上一个电压以使 正向偏置电流流过所述的有源层时，就在所述的有源层中产生光。
全文摘要
公开了一种用于在半导体发光器件上形成反射电极的方法，所述发光器件具有用于产生光的一个有源层(16)和与有源层电接触的一个包层(18)。所述的方法包括在所述的包层上沉积一个导电材料的中间层(24)，使至少一部分所述的导电材料扩散进入所述的包层。所述的方法进一步还包括在中间层上沉积一个反射层(26)，所述反射层是导电的，并且与中间层电接触。
文档编号H01L33/40GK101454907SQ200780019248
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年5月25日
发明者L·周 申请人:飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司