专利名称：具有硅胶保护层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，本发明涉及一种具有硅胶 保护层的新型半导体发光器件。
背景技术：
期待固态照明引领下一代照明技术。高亮度发光二极管(HB-LED)从作为显示器 件的光源至替代传统照明的灯泡，正呈现应用数量不断上升的趋势。一般来说成本，能效和 亮度是决定LED商业生存能力的三个最主要的参数。LED产生的光线来自有源区，该区“夹于”受主掺杂层(ρ-型层)和施主掺杂层 (η-型掺杂层)之间。当LED被施以正向电压时，载流子，包括来自ρ-型层的空穴和η-型 层的电子，在有源区复合。在直接宽禁带材料中，这种复合过程释放出光子或光线形式的能 量，其中光线的波长对应于有源区域内宽禁带材料的能量。取决于衬底的选择和半导体层堆叠的设计，LED可形成两种结构，即横向电极结构 (两个电极位于衬底的同侧)和垂直电极结构(电极位于衬底的两侧)。图IA和IB图示 了这两种结构，其中图IA图示了典型横向电极LED的横截面视图，而图IB图示了典型垂直 电极LED的横截面视图。图IA和IB中图示的两种LED包括衬底层102，η-型掺杂层104， 多量子阱(MQW)有源层106，ρ-型掺杂层以及与η-型掺杂层连接的η-侧电极112。LED制造技术的最近发展使得应用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将LED的发射光谱延展至绿光，蓝光及紫外区域。应注意 的是在以下的讨论中，“GaN材料”可大致包括LxGayAl1TyN((0彡χ彡1，0彡y彡1)基化 合物。这种化合物可是二元，三元或四元化合物，如GaN，InGaN和InGaAIN。晶片邦定技术作为用于制备GaN基材料的垂直电极LED的方法之一，通常来说，首 先在生长衬底上生长的半导体多层结构与另一基础衬底邦定，之后利用多种化学和机械的 方法剥离生长衬底。然而，多种缺陷如在邦定界面常有裂纹和气泡，减弱了 GaN外延膜和基 础衬底之间的粘接。此外，GaN外延膜极薄且脆，使得后续制造过程，如切割、测试及封装困 难。例如，在测试过程期间，真空吸钳常常被用于提升LED芯片，而由真空吸钳作用在LED 表面上的接触力常常使LED芯片龟裂或者甚至是破裂。另外，由于GaN的材料特性，即使用于没有晶片邦定的LED制造中，在测试和封装 期间，龟裂和破裂仍然是一个问题，产率并因此而降低。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种半导体发光器件，该器件包括衬底，位于所述衬 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，位于所述 第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层，与所述第一掺杂层连接的第一电 极，与所述第二掺杂层连接的第二电极，以及硅胶保护层，其中所述硅胶保护层实质上覆盖 所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁以及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的水平表面部分。在该实施例的一个变型中，所述硅胶保护层包括DOW CORNING 5351可光刻图形 化的旋涂硅胶。在该实施例的另一变型中，所述硅胶保护层的厚度范围为1 100微米。在该实施例的另一变型中，所述衬底包括下列材料的至少一种Cu，Cr, Si和SiC。在该实施例的一个变型中，所述第一掺杂半导体层是ρ-型掺杂半导体层。在该实施例的一个变形中，所述第二掺杂半导体层是η-型掺杂半导体层。在该实施例的一个变型中，所述第一和第二掺杂半导体层都是在由沟槽和台面组 成的预制图形的衬底上生长。
图IA图示了示例性横向电极LED的横截面视图。图IB图示了示例性垂直电极LED的横截面视图。图2A图示了根据本发明一个实施例的具有沟槽和台面的预制图形化的部分衬底。图2B图示了根据本发明一个实施例的被预图形化的衬底的横截面视图。图3为说明根据本发明一个实施例的制备具有硅胶保护层的垂直电极发光器件 的步骤的流程图。图4图示了根据本发明一个实施例的具有硅胶保护层的横向电极发光器件的横 截面视图。
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中。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。本发明的一个实施例提供一种制备具有硅胶保护层的发光器件的方法。在发光器 件的制备完成后，在器件表面上沉积硅胶材料组成的层。应注意的是硅胶材料对可见光具 有极好的透光率，因此产生的额外光损耗很少。在发光器件上增加硅胶保护层具有以下优 点首先，由于硅胶材料的牢固性，硅胶保护层可有效防止器件在后续测试和封装过程期间 被损坏；其次，硅胶材料的弹性可有效释放GaN膜和常规用于封装的聚酰亚胺材料之间的 应力。此外硅胶材料的导热及反向击穿特性优于聚酰亚胺，因此与常规制备的发光器件相 比，具有硅胶保护层的发光器件具有更高的产率和更好的可靠性。衬底制备为了在大面积生长衬底(如Si晶片)上生长无裂纹GaN基III-V化合物半导体 多层结构，以促进高质量、低成本、短波长的LED的大规模生产，在此介绍这种具有沟槽和 台面组成的预制图形的衬底的生长方法。具有沟槽和台面的预制图形化的衬底可有效释放 由于衬底表面与多层结构之间晶格常数与热膨胀系数不匹配所引起的多层结构内的应力。
图2A图示了根据本发明一个实施例的利用光刻和等离子刻蚀技术的具有预刻蚀 图形的部分衬底的顶视图。刻蚀得到台面200和沟槽202。图2B通过展示根据本发明一个 实施例的沿着图2A中水平线A-A’的预制图形化的衬底的横截面视图，更加清楚地图示了 台面和沟槽的结构。正如在图2B中所示，沟槽的侧壁204有效地形成了单个台面结构的侧 墙，如台面206，以及部分台面208和210。每个台面限定一个独立表面区域用于生长单个 的半导体器件。
应注意的是可以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2A所示的正方形台面200外，通过改变凹槽202的图 案可形成其他几何形状。其中一些可选的几何形状可包括但不限于三角形，矩形，平行四 边形，六边形，圆形或其他不规则形状。垂盲电极LED的制备图3给出流程图用于说明根据本发明一个实施例的制备具有硅胶保护层的垂直 电极LED的步骤。在步骤A中，制备好具有沟槽和台面的预制图形化的生长衬底后，利用多 种生长技术，可包括但不限于金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，形成InGaAlN多层结构。LED 结构可包括衬底层302，其可以是Si晶片；η-型掺杂半导体层304，其可以是Si掺杂GaN 层；有源层306，其可以包括多周期GaN/InGaN MQW结构；以及ρ-型掺杂半导体层308，其可 以是Mg掺杂基GaN。应注意的是，ρ-型层和η-型层之间的生长顺序可以颠倒，且有源层是 可选的。在步骤B中，在ρ-型掺杂层上形成ρ-侧欧姆接触层310。在一个实施例中，ρ-侧 欧姆接触层可通过沉积Pt组成的薄层来形成。其他金属材料也可用于形成与ρ-型层的欧 姆接触。在步骤C中，在ρ-侧欧姆接触层310上形成邦定层312。用于形成邦定层312的 材料可包括金(Au)。在步骤D中，多层结构314被倒置并与支撑衬底316邦定。在本发明的一个实施 例中，支撑衬底316包括导电衬底层318和邦定层320。邦定层320可包括Au。导电衬底 层可包括下列材料中的至少一种Si，GaAs, GaP, Cu和Cr。在步骤E中，通过例如化学刻蚀技术或机械研磨技术剥离生长衬底302。生长衬底 302的剥离暴露了 η-型层304。在步骤F中，去除多层结构的边缘，以降低表面复合中心并确保贯穿整个器件的 高的材料质量。尽管如此，如果生长程序可保证多层结构好的边缘质量，那么这种边缘去除 操作可是非必需的。在步骤G中，在η-型层304上形成欧姆电极322 (η-侧电极)。在本发明的一个实 施例中，η-侧电极322包括Ni，Au和/或Pt。η-侧电极322可利用例如蒸发技术如e_束 蒸发，或溅射技术如磁控溅射沉积来形成。其他沉积技术也可以用于形成η-侧电极。在步骤H中，在器件上沉积硅胶保护层324，其覆盖η_侧电极，暴露的GaN外延膜 以及暴露的基础衬底。多种材料和技术可用于形成保护的硅胶层324。在本发明的一个实 施例中，硅橡胶材料，如DOW CORNING 5331可光刻图形化的旋涂硅胶，用于形成保护的硅 胶层324。在本发明的一个实施例中，硅胶保护层3M是以500至3000rpm的旋转速度在器 件上旋转涂覆大约10至30s而成。
在步骤I中，光刻图形化硅胶保护层324，以去除硅胶保护层3M的部分上表面，从 而暴露η-侧电极322。含曝光和显影的标准光刻图形化法可用于图形化硅胶保护层324。 在本发明的一个实施例中，按照下列程序操作1.在热板上在大约110°C下预烘多层结构大约120s。B.用光掩膜覆盖多层结构并使多层结构在强度大约是lOOOMj/cm2的紫外光下曝 光。2.在热板上在大约150°C下后烘多层结构大约180s。3.将多层结构浸入负胶显影剂(NRD)中大约120s，并接着用负性光刻胶漂洗剂漂 洗多层结构大约120s。应注意的是也可喷溅NRD至多层结构的表面上显影光刻图形。4.在大约150°C时固化硅胶保护层大约120s。取决于采用的光刻图形化的方法，所得到的硅胶保护层的厚度可具有不同的值。 在本发明的一个实施例中，硅胶保护层的厚度范围为5至10微米。在步骤J中，另一欧姆电极326(p_侧电极)在导电衬底318的背面形成。ρ-侧电 极326的材料组成和形成过程可与η-侧电极322相似。除了制备具有硅胶保护层的垂直电极发光器件外，也可利用相似的方法，通过在 器件的一侧放置两个电极来制备横向电极发光器件。图4图示了具有在器件上的硅胶保护 层402的横向电极发光器件的横截面视图。保护层402覆盖了 ρ-型和η-型掺杂层以及 MQff有源层的侧壁，未被ρ-侧电极覆盖的ρ-型层的部分水平表面，以及未被η-侧电极覆盖 的η-型层的部分水平表面。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。因此，对于本领域技术人员来说，许多修改和 变化是显而易见的。此外，上述公开内容并非旨在限制本发明。本发明的范围由其所附权 利要求限定。
权利要求
1.一种半导体发光器件，该器件包括 衬底；位于所述衬底上第一掺杂半导体层；位于第一掺杂半导体层上的第二掺杂半导体层；位于所述第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层；与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极；与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极；以及硅胶保护层，其实质上覆盖了所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁， 以及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于所述硅胶保护层包括可光刻图形化的 硅胶。
3.根据权利要求2所述的发光器件，其特征在于所述硅胶保护层的厚度范围为1 100微米。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述衬底包括下列材料中的至 少一种Cu，Cr, Si 和 SiC。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一掺杂半导体层是ρ-型 掺杂半导体层。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第二掺杂层是η-型掺杂半 导体层。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述第一和第二掺杂半导体层 都是在具有沟槽和台面组成的预制图形的衬底上生长。
8.一种制备半导体发光器件的方法，该方法包括在第一衬底上制备多层半导体结构，其中所述多层半导体结构包括第一掺杂半导体 层，MQW有源层，以及第二掺杂半导体层；形成与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极； 将所述多层结构与第二衬底邦定在一起； 剥离所述第一衬底；形成与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极；以及形成硅胶保护层，其实质上覆盖了所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW的侧壁，以 及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述硅胶保护层包括可光刻图形化的硅胶。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述硅胶保护层的厚度范围为1 100微米。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述第二衬底包括下列材料中至少一种 Cu, C, Si 禾口 SiC。
12.根据权利要求8所述的方法，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8所述的方法，其特征在于所述第二掺杂半导体层是η-型掺杂半导体层。
14.根据权利要求8所述方法，其特征在于所述第一衬底包括由沟槽和台面组成的预 制图形。
15.一种半导体发光器件，该器件包括 衬底；位于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； 位于第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层； 其中部分所述第一掺杂半导体层未被所述第二掺杂半导体层和MQW有源层覆盖； 与未被所述第二掺杂半导体层和MQW有源层覆盖的部分所述第一掺杂半导体层连接 的第一电极；与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极； 其中所述第一电极和第二电极均在发光器件的同侧；以及硅胶保护层，其实质上覆盖了所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁， 未被所述第一电极覆盖的所述第一掺杂半导体层的部分水平表面，以及未被所述第二电极 覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面。
16.根据权利要求15所述的发光器件，其特征在于所述硅胶保护层包括可光刻图形化 的硅胶。
17.根据权利要求16所述的发光器件，其特征在于所述硅胶保护层的厚度范围为1 100微米。
18.根据权利要求15所述的发光器件，其特征在于所述第一掺杂半导体层是ρ-型掺杂 半导体层。
19.根据权利要求15所述的发光器件，其特征在于所述第二掺杂半导体层是η-型掺杂 半导体层。
20.根据权利要求15所述的发光器件，其特征在于所述第一和第二掺杂半导体层都是 在具有沟槽和台面组成的预制图形的所述衬底上生长。
全文摘要
本发明的一个实施例提供一种半导体发光器件，该器件包括衬底，位于所述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，位于所述第一和第二掺杂半导体层之间的多量子阱(MQW)有源层。该器件进一步包括与所述第一掺杂半导体层连接的第一电极，与所述第二掺杂半导体层连接的第二电极以及硅胶保护层。所述硅胶保护层实质上覆盖了所述第一和第二掺杂半导体层以及MQW有源层的侧壁，以及未被所述第二电极覆盖的所述第二掺杂半导体层的部分水平表面。
文档编号H01L33/00GK102067337SQ200880130740
公开日2011年5月18日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者刘军林, 江风益, 王立 申请人:晶能光电(江西)有限公司