专利名称：发光半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明大致上涉及由第III族金属的氮化物构成的发光半导体结构。更确切地说，本发明涉及例如在竖直几何结构的发光二极管(LED)中使用的反射接触面及其制造方法。
背景技术：
在日常生活的不同领域，像LED的发光半导体器件具有不断增加的作用。它们具有种类繁多的应用，例如在电信、照明和显示技术中。从材料的角度来说，现今的LED技术的一个飞速扩展的分支是基于像氮化镓GaN、 氮化铝镓AlGaN、氮化铟镓及其合金的第III族金属的氮化物。这些材料被发现是用于例如发光应用的高亮度LED的特别合适的候选材料。在越来越高效的LED结构的集约型发展中，近年来，一个占主导地位的技术趋势是代替之前横向分布的结构，走向竖直的LED几何结构。在过去，形成与元件的η型层和ρ 型层的电气连接的两个电极彼此横向分离地形成在LED芯片的同一侧。这种配置对器件的操作设置了若干限制。在芯片的相对侧具有接触电极的竖直LED几何结构可以在电流一致性和光提取效率及器件的热管理方面提供重要的优势。例如，制造竖直LED的简化的一般原理可以描述如下。首先，包括η型半导体层、 活性区和P型半导体层的层结构在如蓝宝石的生长衬底上形成。接着，反射接触结构在该结构的顶部形成，来提供到P型半导体层的电气连接和充当镜子向后反射在活性区产生的入射光。然后，相对较厚的金属层沉积在反射接触结构上，来形成芯片的P侧接触电极。厚金属层还可以充当所完成的led芯片的支撑结构。接着，去除生长支撑，露出最初生长在生长衬底上的η型层的表面。最后，另一厚金属层在这一露出的表面上形成，来形成η侧接触电极。反射接触结构被认为是竖直LED结构中的一个重要点。除了所需的高反射率和低电阻外，反射接触结构本身还应该在元件的整个生命周期中保持稳定，另一方面，在形成P 侧电极的金属层和实际的操作器件层之间提供良好的粘附力。传统的解决方案包括，例如， 像一层或多层铝或金的不同金属的组合直接沉积在P型半导体层或沉积在首先形成在半导体表面上的中间粘附层上。在第一种情况下，结构的粘附强度和长期稳定性通常都是不足的。例如包括镍的中间粘附层可以增强粘附力。另一方面，它通过在粘附层的光吸收增加了光损失。发明目的本发明的目的是提供新颖的发光半导体结构，其包括具有优良的机械、光学和电学特性的稳定的反射接触结构。发明概述本发明的发光半导体器件和制造发光半导体器件的方法相应地具有在权利要求1 和权利要求8中给出的特性。根据本发明的发光半导体器件是由第III族金属的氮化物制成的。一种合适的材料是氮化镓GaN和它的不同变体，如氮化铟镓InGaN和氮化铝镓AlGaN。由所述材料制成意味着至少器件运行的基本部分包括至少一些所述材料。当然，在其不同的部分，所述器件还可以包括不属于上面限定内的材料。关于核心部分，所述器件包括层结构，所述层结构包括 η型半导体层、ρ型半导体层、在η型半导体层和ρ型半导体层之间的产生光的活性区。这一层结构的细节可以在已知的技术范围内改变并且对本发明来说不是关键的。层结构具有通过η型半导体层和P型半导体层之一限定的接触表面，和附接于这一接触表面的反射接触结构。反射接触结构提供到限定接触表面的半导体层的电气接触，并且还充当镜子反射来自活性区的入射光。根据本发明，反射接触结构包括具有多晶结构的附接于层结构的接触表面的第一透明导电氧化物(TCO)接触层、具有非结晶结构的第二透明导电氧化物接触层和附接于第二 TCO层的金属反射层。反射金属接触的所述结构使用在金属反射层和接触表面之间的两层中间TCO结构，提供了优于现有技术方案的巨大优势。两个TCO层中的每个都有自己的目的。第一 TCO 层的多晶材料结构提供较高的光学透明度和低电阻。具有非结晶结构的第二TCO层依次提供到金属反射层的强粘附力。除了不同的晶体结构外，这两层的精确的化学成分还可以根据不同的目的分别优化。为了充分利用这个机会，在本发明的优选实施方式中，选择第一 TCO接触层的化学成分来提升到层结构的接触表面的强粘附力、第一 TCO接触层的良好的透明度和高电导率，以及选择第二 TCO接触层的化学成分来提升金属反射层到第二 TCO接触层的强粘附力。换句话说，在这一实施方式中，这两个TCO层的特性可以根据它们的不同目的分别优化。第二 TCO接触层可以位于与第一 TCO接触层直接接触的位置。然而，在这两个TCO 接触层之间具有一些中间层也是可以的。限定接触表面的层优选包括P型氮化铟镓InGaN。第一 TCO接触层，就其本身而言，优选包括铟锡氧化物，其由于锡的存在能提供到第III族金属的金属的优良的粘附力。为了确保有效的电流遍布反射接触结构的整个区域和良好的特定接触电阻不严重影响整个LED芯片的整体串联电阻，第一 TCO接触层优选具有30-500nm的厚度，更优选具有 100-150nm的厚度。太薄的厚度将导致层的电气特性不足。另一方面，过于增厚本层将不利地增加对在活性区产生的光的不需要的吸收。在本发明的一种优选实施方式中，通过第二 TCO接触层包括铝锌氧化物(AZO)以及金属反射层包括沉积在第二 TCO接触层上的铝来确保在第二 TCO接触层和金属反射层之间的强粘附力。当然，这些只是可行的材料的例子。例如，另一种用于金属反射层的良好材料是银。由于跟多晶TCO相比，非结晶TCO具有较低的光学透明度和电导率，第二 TCO接触层的厚度不得不被限制。另一方面，太薄的厚度还会降低电导率以及也可能降低到上述金属反射层的粘附力。优选的厚度范围是0. 2-20nm，更优选l-3nm。金属反射层可以具有例如20-1000nm的厚度，然而优选具有至少200nm的厚度来确保没有光透过该层，因此使反射接触结构的反射率最大化。为了防止在器件进一步的加工期间金属反射层被氧化，可以有例如由金形成的抗氧化层，其具有1-20的厚度，优选具有5-lOnm的厚度，沉积在金属反射镜面上。
本发明的制造由第III族金属的氮化物制成的发光半导体结构的方法，包括制作层结构，所述层结构包括η型半导体层、P型半导体层与在η型半导体层和P型半导体层之间的活性区，该层结构具有被η型半导体层和P型半导体层之一限定的接触表面。该层结构可以通过例如在LED工业中常用的并且众所周知的标准气相外延工艺制作。因此，这里不需要详细描述该制作工艺。所述方法还包括在接触表面上形成反射接触结构。根据本发明，形成反射接触结构包括以下步骤在层结构的接触表面上形成具有多晶结构的第一透明导电氧化物(TCO)接触层，形成具有非结晶结构的第二透明导电氧化物(TCO)接触层，以及在第二 TCO层上形成金属反射层。例如可以通过喷镀来沉积TCO接触层。因为沉积的TCO是非结晶的。因此，必须对第一 TCO接触层进行退火来改变相，也就是，使最初的非结晶层结晶。例如，取决于精确的材料成分的合适的退火温度范围，可以是例如150-300°c。第二 TCO接触层可以直接沉积在第一 TCO接触层上或沉积在首先沉积在第一 TCO接触层上的一些中间层上。优选地，在本发明的方法中，选择第一 TCO接触层的化学成分来提升到层结构的接触表面的强粘附力、第一 TCO接触层的良好的透明度和高电导率，以及选择第二 TCO接触层的化学成分来提升金属反射层到第二 TCO接触层的强粘附力。换句话说，在这一实施方式中，这两个TCO层的特性根据它们的不同功能分别优化。实际上，为了获得所述特性，如何选择材料的成分取决于例如半导体层结构的材料。然而，对于本领域的技术人员来说，这是常规工程。限定接触表面的层优选包括ρ型氮化铟镓InGaN。第一 TCO接触层的一种优选材料包括铟锡氧化物。制作第一 TCO接触层优选具有30-500nm的厚度，更优选具有100-150nm的厚度。在优选实施方式中，第二 TCO接触层包括铝锌氧化物，以及形成金属反射层的步骤包括在第二 TCO接触层上沉积铝。制作第二 TCO接触层优选具有0. 2-20nm的厚度，更优选具有l-3nm的厚度。制作金属反射层优选具有20-1000nm的厚度，然而优选至少有200nm的厚度。除了上述涉及本发明的核心原理的制作步骤外，提供到限定接触表面的半导体层的电气接触的结构的整个制造工艺还可以包括沉积许多另外的层。首先，为了防止金属反射层在接下来的工艺步骤中被氧化，可以在金属反射层的表面沉积例如金的、具有例如 1-20的厚度、优选5-lOnm的厚度的抗氧化层。接着，例如钛的粘附层可以形成在抗氧化层上来增强接下来的层到反射接触结构的粘附力。然后，可以沉积扩散阻挡层来保护金属反射层免受最终限定元件的表面电极的焊盘的可能的活跃金属的扩散的影响。最后，形成该焊盘的一层较厚的可焊性金属可以通过例如电镀沉积来沉积。合适的可焊性金属的例子包括Au、Au/In合金和Cu。当然，除了提到的沉积步骤外，该工艺还包括不同的图案化步骤， 例如通过光刻技术来获得所需要的器件几何结构。另一方面，作为一个整体的发光器件的制造工艺，例如，以竖直几何结构的发光二极管LED为例来说，还需要许多其他的步骤。这些例子例如通过化学蚀刻去除生长衬底，还有形成到以这种方式暴露的半导体器件的对侧的电气接触结构。根据本发明的制造工艺适合发光器件的具有成本效益的批量生产，其中，总计几十个晶片可以同时加工。
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图的简要描述接下来，通过附图来详细描述本发明，其中，
图1表示根据本发明的竖直LED的示意图，以及示了根据本发明的制造方法。在附图中，用相同的参考数字标记相应的层。附图是不按比例绘制的。发明的详细描述图1中的竖直LED芯片1基于包括由η型掺杂的GaN组成的电子发射层2、由ρ 型掺杂的hGaN组成的空穴发射层3和在这两层之间产生光的活性区4的异质结构。在空穴发射体下面是反射接触结构6。往下，下一层是抗氧化层7，其用于在沉积反射接触结构之后，防止反射接触结构在余下的制造过程中被氧化。抗氧化层是由Au形成的并且有大约 5nm的厚度。由Ti形成的粘附层8位于抗氧化层下面，来形成在它上面的层和在它下面的层之间的强粘附力。在图1中的芯片的最下层是底部金属层9，它被由例如Ni形成的扩散阻挡层10与器件的其他部分分开，它保护上部的器件层免受底部金属层的金属原子的扩散的影响。底部金属层作为P侧电极，提供将LED芯片电气连接到外接电源所需要的两个电气连接之一。它还提供将多余热量从芯片中传递出去的有效路径。此外，它还充当芯片的保护和机械支撑结构。经由底部金属层，例如通过焊接，芯片可以附接于在电路板或类似物上的导电和导热垫。底部金属层可以由例如Au、Au/In合金、Cu或一些其他可焊性金属形成，并且具有范围为2-200um的厚度。图1中的芯片上侧的η掺杂的GaN层2的表面被构造成具有凹凸不平的表面拓扑结构。粗糙的表面降低了来自活性区4的光11在器件表面的全内反射，因此增强了从芯片的光提取。在这一凹凸不平的表面顶部是网状的顶部金属层12，其形成芯片的另一接触电极。如图1所示，本例的反射接触结构6包括三个子层。邻近空穴发射层的是第一透明导电氧化物(TCO)层13，其由多晶铟锡氧化物形成并具有范围为100-150nm的厚度。在这下面是第二透明导电氧化物层14，其由非结晶铝锌氧化物形成并具有范围为l-3nm的厚度。作为最下面的子层，附接于第二透明导电氧化物层的是镜面层15，其由铝形成并具有至少200nm的厚度。反射接触结构6总的说来有两个主要目的。第一，它提供从底部金属层9到空穴发射层3的电气连接。第二，它充当镜子向后反射来自活性区4的朝下传播的光16，因此重新将光引导到能增加光逃离芯片的概率的方向。更详细地考虑的话，每个子层作为反射接触结构的一部分都有自己的特定目的。当然，金属镜面层15承担反射接触结构的实际反射性能。选择镜面层的厚度足够高以确保实质上没有光能够通过该层到达具有更高吸收率的下一层。TCO层的主要目的是在镜面层15和空穴发射层3之间提供强粘附力。由铟锡氧化物形成的第一透明导电氧化物层13提供反射接触结构到含铟空穴发射层3的强粘附力。 因此，其多晶结构提供良好的光学透明度，最小化该层对器件的光学性能的影响。层的多晶结构还提供高电导率，其和相对较高的层厚度一起确保高效的电流遍及反射接触结构的整个区域，以及确保对空穴发射层3的良好的特定接触电阻。相反，非结晶铝锌氧化物的第二透明导电氧化物层14，在第一 TCO层13和由铝制成的镜面层15之间提供强粘附力。由于非结晶材料结构的较低的光学透明度和电导率，层厚度被限制到实质上低于第一 TCO层的厚度的值。
如图2a所示，示例性的制造方法通过在绝缘衬底晶片17上生长半导体异质结构开始，所述半导体异质结构包括被夹在电子发射层2和空穴发射层3之间的活性区4。接着，掩膜金属18被沉积在异质结构上，并根据所需要的芯片尺寸和几何结构通过光刻技术进行图案化。然后经由掩膜金属层中的开口通过反应离子蚀刻来蚀刻异质结构从而形成独立的类台面层堆栈19，如图2b所示。蚀刻之后，掩膜金属被去除。第一透明导电氧化物层 13被沉积在晶片上(例如通过喷镀)并且通过光刻技术进行图案化，来去除台面外面的层， 之后，晶片被退火来制作TCO多晶结构。接着，非结晶结构的另一 TCO层14、反射金属层15 和金属抗氧化层7被顺次沉积在第一透明氧化物层13的顶部并通过光刻技术图案化，来去除台面外面沉积的材料。电介质钝化层20被沉积并通过光刻技术被图案化，来保护台面侧壁在接下来的工艺步骤中免受沉积材料的影响。除此之外，钝化层还通过侧壁减小了漏电流。通过沉积和硬烘焙其中的抗蚀膜21来保护台面之间的沟道。在本工艺的这一阶段的情形在图2c中示出。都由金属制成的粘附层8和扩散阻挡层10，接着被沉积在台面的顶部并被图案化。 在这之后，厚金属层9通过电镀技术被沉积在晶片的顶部。如图2d所示，金属作为连续的薄膜沉积在整个晶片的上方。这一金属层形成使下一步(即去除原来的生长衬底17)能进行的支撑结构，之后，类台面层结构置于厚金属层9上，如图2e所示。去除生长衬底后，电子发射层2的暴露表面被粗糙化。芯片的η侧电极作为金属网形成在粗糙的电子发射体表面上。最后，台面被分离为单独的LED芯片1，如图2f所示。作为上面工艺的替代方法，蚀刻异质结构来形成独立的类台面层堆栈也可以作为最后一步在η侧电极形成之后执行。此外一般来讲，重要的是，要认识到以上参考附图描述的实施方式只是一些优选的例子而绝不是实现本发明的所有可能方式的全部例子。尤其是，在不同的制造步骤中使用的所有材料、层厚度和工艺可以在权利要求所确定的本发明的范围内自由改变。
权利要求
1.一种发光半导体器件(1)，其由第III族金属的氮化物制成，所述器件包括层结构， 所述层结构包括η型半导体层( 、P型半导体层( 、在所述η型半导体层和所述P型半导体层之间的活性区G)，所述层结构具有由所述η型半导体层和所述P型半导体层之一限定的接触表面(5)，所述结构还包括附接于所述接触表面的反射接触结构(6)，其特征在于，所述反射接触结构(6)包括-第一透明导电氧化物(TCO)接触层(13)，其具有多晶结构，附接于所述层结构的所述接触表面(5)，-第二透明导电氧化物(TCO)接触层(14)，其具有非结晶结构，以及-附接于所述第二 TCO层的金属反射层(15)。
2.如权利要求1所述的半导体器件(1)，其特征在于，所述第一TCO接触层(1 的化学成分被选择成提升所述第一 TCO接触层到所述层结构的所述接触表面(5)的强粘附力、 所述第一 TCO接触层的良好的透明度和高电导率，以及所述第二 TCO接触层(14)的化学成分被选择成提升所述金属反射层(1 与所述第二 TCO接触层的强粘附力。
3.如权利要求1或权利要求2所述的半导体器件(1)，其特征在于，限定所述接触表面的所述层⑶包括pShGaN。
4.如权利要求1到权利要求3中的任何一个所述的半导体器件(1)，其特征在于，所述第一 TCO接触层(1 包括铟锡氧化物。
5.如权利要求1到权利要求4中的任何一个所述的半导体器件(1)，其特征在于，所述第一 TCO接触层(13)具有30-500nm的厚度，优选具有100-150nm的厚度。
6.如权利要求1到权利要求5中的任何一个所述的半导体器件(1)，其特征在于，所述第二 TCO接触层(14)包括铝锌氧化物，以及所述金属反射层(1 包括沉积在所述第二 TCO 接触层上的铝。
7.如权利要求1到权利要求6中的任何一个所述的半导体器件(1)，其特征在于，所述第二 TCO接触层(14)具有0. 2-20nm的厚度，优选具有l-3nm的厚度。
8.—种制造由第III族金属的氮化物制成的发光半导体器件(1)的方法，所述方法包括制作包括η型半导体层( 、ρ型半导体层( 、在所述η型半导体层和所述ρ型半导体层之间的活性区的层结构，所述层结构具有由所述η型半导体层和所述ρ型半导体层之一限定的接触表面(5)，所述方法还包括在所述接触表面上形成反射接触结构(6)，其特征在于，形成所述反射接触结构(6)包括如下步骤-在所述层结构的所述接触表面(5)上形成具有多晶结构的第一透明导电氧化物 (TCO)接触层(13)，-形成具有非结晶结构的第二透明导电氧化物(TCO)接触层(14)，以及-在所述第二 TCO层上形成金属反射层(15)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，选择所述第一TCO接触层(1 的化学成分来提升所述第一 TCO接触层到所述层结构的所述接触表面(5)的强粘附力、所述第一 TCO 接触层的良好的透明度和高电导率，以及选择所述第二 TCO接触层(14)的化学成分来提升所述金属反射层(15)到所述第二 TCO层的强粘附力。
10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其特征在于，限定所述接触表面(5)的所述层(3)包括ρ型InGaN0
11.如权利要求8到权利要求10中的任何一个所述的方法，其特征在于，所述第一TCO 接触层(1 包括铟锡氧化物。
12.如权利要求8到权利要求11中的任何一个所述的方法，其特征在于，制作所述第一 TCO接触层(13)使其具有30-500nm的厚度，优选具有100-150nm的厚度。
13.如权利要求8到权利要求12中的任何一个所述的方法，其特征在于，所述第二TCO 接触层(14)包括铝锌氧化物，以及形成所述金属反射层(1 的步骤包括在所述第二 TCO 接触层上沉积铝。
14.如权利要求8到权利要求13中的任何一个所述的方法，其特征在于，制作所述第二 TCO接触层(14)使其具有0. 2-20nm的厚度，优选具有l-3nm的厚度。
全文摘要
本发明的发光半导体器件(1)由第III族金属的氮化物制成，并且包括层结构，所述层结构包括n型半导体层(2)、p型半导体层(3)、在n型半导体层和p型半导体层之间的活性区(4)。层结构具有被n型半导体层和p型半导体层之一限定的接触表面(5)，并且还包括附接于接触表面的反射接触结构(6)。根据本发明，反射接触结构(6)包括第一透明导电氧化物(TCO)接触层(13)，其具有多晶结构，附接于层结构的接触表面(5)；第二透明导电氧化物(TCO)接触层(14)，其具有非结晶结构；以及附接于第二TCO层的金属反射层(15)。
文档编号H01L33/00GK102460743SQ201080024735
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月5日
发明者弗拉德斯拉夫·E·鲍格诺夫, 米卡尔·缪洛, 马克西姆·A·欧得诺莱多夫 申请人:奥普特冈有限公司