专利名称：一种半导体发光器件及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光器件及其制备方法。
背景技术：
随着LED单位亮度的不断提高，其应用领域也越来越广。然而，亮度的大幅增加使得散热问题成为其商品化的最大障碍。如果热量不能及时有效地散出，将导致器件温度过高，加速灌封材料老化，加速芯片光衰，缩短其使用寿命，同时热应力会使LED芯片损坏。常用的散热措施是将LED芯片直接封装与高导热系数的基板上，通过对流、辐射以及热传导强化散热效果。常见的散热方式一般有两种被动散热和主动散热。被动散热主要用于1-3W的设备上，因此LED芯片一般采用主动散热的方式，其又分为液体循环致冷方式和固体(半导体)致冷方式。其中，液体循环致冷方式不能适用于高温、震动等恶劣环境，对密封 要求极高，否则会毁坏设备，且其面积大不能运用于小型器件上。CN201331035Y公开了一种基于半导体制冷散热的高功率发光LED照片装置，从上往下依次将大功率LED、主动式半导体制冷片、散热片粘接，且主动式半导体制冷片的冷端接大功率LED，热端接散热片，从而通过主动式半导体制冷片将大功率LED的热量快速主动地传递给散热片，从而达到对LED散热的作用。但是该装置中，主动式半导体制冷片外置于LED芯片上，因此仍不利于减小芯片的尺寸，提高集成度。因此，LED芯片的集成度与散热性能之间存在矛盾。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的LED芯片的集成度、散热性能存在矛盾的技术问题。本发明提供了一种半导体发光器件，所述半导体发光器件包括基板和固定倒装于基板上方的半导体发光芯片；
所述基板的上表面上设有互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域；所述第一导电型掺杂区域的一端设有第一电极，用于与电源正极连接，第二导电型掺杂区域的一端设有第二电极，用于与电源负极连接；
所述半导体发光芯片上设有第三电极和第四电极，其中，第三电极与基底上的第二导电型掺杂区域接触，第四电极与基底上的第一导电型掺杂区域接触。本发明还提供了所述半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤
A、在基板的一个表面上形成互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域，然后在第一导电型掺杂区域的一端形成第一电极，在第二导电型掺杂区域的一端形成第二电极；
B、将半导体发光芯片固定倒装在基板上，使半导体发光芯片的第三电极与基板的第二导电型掺杂区域接触，半导体发光芯片的第四电极与基板的第一导电型掺杂区域接触。本发明提供的半导体发光器件，通过在半导体发光芯片内集成半导体致冷机构，因此不会增加芯片的尺寸，保证其高集成度；同时，本发明的半导体发光器件中，半导体发光芯片结构作为半导体制冷结构的冷端，而基板为半导体致冷结构的热端，因此采用LED工作电流既能驱动芯片发光，又能使半导体发光芯片自身主动致冷，避免增加额外的电流源，同时解决了 LED芯片的集成度和散热性的问题。
图I是本发明提供的第一基片的结构示意图。图2是本发明提供的半导体发光芯片的结构示意图。图3是本发明实施例一的基板的结构示意图。图4是本发明实施例一的半导体发光器件的结构示意图。··图5是本发明实施例二的基板的结构示意图。图6是本发明实施例二的半导体发光器件的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种半导体发光器件，其结构如图4或6所示，所述半导体发光器件包括基板10和固定倒装于基板10上方的半导体发光芯片；
所述基板10的上表面上设有互不接触的第一导电型掺杂区域11和第二导电型掺杂区域12 ;所述第一导电型掺杂区域11的一端设有第一电极13,用于与电源正极连接,第二导电型掺杂区域12的一端设有第二电极14，用于与电源负极连接；
所述半导体发光芯片上设有第三电极9和第四电极8，其中，第三电极9与基底上的第二导电型掺杂区域12接触，第四电极8与基底上的第一导电型掺杂区域8接触。所述半导体发光芯片，包括衬底I和衬底I下表面的外延层6，外延层6从上至下包括缓冲层2、第一导电型半导体层3、活性层4、第二导电型半导体层5和电流扩散层7，第一导电型半导体层3上引出第三电极9，电流扩散层7上引出第四电极8。图4、图6中半导体发光芯片倒装于基板10上，因此外延层6位于衬底I的下表面。图2为半导体发光芯片的结构示意图。第一导电型可以为η型，则第二导电型为P型，或者，第一导电型为P型，第二导电型为η型，本发明中没有特殊限定。以下以第一导电型为η型，第二导电型为P型为例，对本发明的半导体发光器件的工作原理作进一步说明。工作过程中，将第一电极与电源正极连接，第二电极与电源负极连接，驱动电流从电源正极通过第一电极13进入基板I上的第一导电型掺杂区域11 (即η型区域)，由于基板I的电阻率很高，电流会经过η型区域(即第一导电型掺杂区域11)通过第四电极8 (BPP型电极)进入半导体外延层，具体包括依次经过电流反射层7、第二导电型半导体层5 (即P形半导体层)、活性层4、第一导电型半导体层3 (即η型半导体层)，从而驱动半导体发光芯片发光。发出的光线一部分直接从透明衬底I的上表面射出，另一部分经电流扩散层7反射后从透明衬底I的上表面出射，衬底I的高透光性和电流扩散层7的高反射性使得本发明中半导体芯片的光提取性能大大提闻。电流到达第一导电型半导体层3 (即η型半导体层)后，通过第三电极9 (即η型电极)进入基板10上的第二导电型掺杂区域12 (即P型区域)，并通过第二电极14返回电源负极。在此过程中，电流相当于从负温差电势区域(即第一导电型掺杂区域11)流向正温差电势区域(即第二导电型掺杂区域12)，体系能量上升，吸收热量。根据珀尔帖效应当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，此时η型区域、P型区域交点处的热量被电流带走形成冷端，对应的为半导体发光芯片结构；带走的热量在η型区域、P型区域的另一端形成热端，对应的为基板10，从而将半导体发光芯片的热量带至基板10上，实现了半导体发光芯片的发光区域的主动冷却。本发明中，缓冲层2、第一导电型半导体层3、第二导电型半导体层5的材料为以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铟铝镓(AlGaInN)为主的III- V 族氮化物材料，优选氮化镓(GaN)。衬底为本领域技术人员常用的蓝宝石衬底。优选情况下，第一导电型半导体层3为η型GaN，活性层4为InGaN/GaN，第二导电型半导体层5为pMGaN0电流扩散层7 —方面用作电流从第四电极扩散至第二导电型半导体层5，另一方面用于对芯片发出的光进行反射。本发明中，电流扩散层7为现有技术中常用的各种单层金属层或多层金属层，例如可以为Ni和Ag。第三电极为Ti/Al合金,第四电极为Ni/Au合金。本发明中，所述基板10为半导体致冷机构的热端，用于将半导体发光芯片的热量传递至芯片外。本发明中，基板10为现有技术中常用的各种本征Si或绝缘导热陶瓷。其中，本征Si的电阻率达到214000欧姆*厘米，具有良好的电绝缘性。基板10上的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域为两个不同导电类型的半导体，例如第一导电型掺杂区域可为η型掺杂Si，第二导电型掺杂区域可为P型掺杂Si。第一电极13、第二电极14用于与外接电源进行电连接，直接采用现有技术中常用的各种金属电极即可，例如均可为Au。第一电极12、第二电极14还可分别通过电极引线与电源连接，本发明中没有特殊限定。为进一步增强本发明的半导体发光器件的散热效果，优选情况下，基板10的下表面还设有散热件(附图中未示出)。所述散热件可采用现有技术中常见的各种散热件，例如可以为导热金属、导热陶瓷。导热金属可采用Cu、Al。散热件的结构没有特殊限定，例如可以为散热片，也可以为散热块。本发明还提供了所述半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤
A、在基板的一个表面上形成互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域，然后在第一导电型掺杂区域的一端形成第一电极，在第二导电型掺杂区域的一端形成第二电极；
B、将半导体发光芯片固定倒装在基板上，使半导体发光芯片的第三电极与基板的第二导电型掺杂区域接触，半导体发光芯片的第四电极与基板的第一导电型掺杂区域接触。其中，制备半导体发光芯片的方法为在衬底上依次外延缓冲层、第一导电型半导体层、活性层和第二导电型半导体层，然后在第二导电型半导体层上形成电流扩散层，得到预制片；然后对预制片的电流扩散层的一面的部分区域进行刻蚀，至裸露出第一导电型半导体层；在刻蚀后裸露出的第一导电型半导体层表面形成第三电极，在未刻蚀区域的电流扩散层表面形成第四电极，得到所述半导体发光芯片。在衬底上制备外延层的方法可采用本领域技术人员公知的金属有机化合物化学气相淀积法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,简称 M0CVD)或分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy,简称 MBE)。对预制片的表面部分区域进行刻蚀的方法可采用本领域技术人员公知的电感耦合等离子体刻蚀法(Inductively Coupled Plasma,简称ICP)或反应离子刻蚀法(ReactiveIon Etching,简称 RIE)。本发明中，还包括在基板的另一个表面固定散热件的步骤，所述散热件为导热金属、导热陶瓷。
本发明中,在基板的一个表面上形成第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域的方法为离子注入法或沉积法。采用离子注入法或沉积法在基板上形成的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域的结构也略有不同，以下结合具体实施例对本发明提供的半导体发光器件及其制备方法作进一步说明。实施例一
(1)采用MOCVD或MBE在蓝宝石衬底I上依次外延GaN缓冲层2、n型GaN层3、InGaN/GaN层4、P型GaN层5，然后在P型GaN层5上蒸镀厚度为O. I-IOnm的Ni层和厚度为
I.5-150nm的Ag层作为电流扩散层7，即得到图I所示结构的预制片。
(2)然后采用ICP或RIE法在BCl3+Cl2+Ar气氛下将预制片的η型注入区域刻蚀出台阶，至裸露出η型GaN层3停止。在电流扩散层7的ρ型注入区域上制备Au电极，得到ρ型电极8，在η型GaN层3上的η型注入区域上制备Ti/Al双层电极，得到η型电极9，即得到图2所示结构的半导体发光芯片。
(3)在本征Si基板10上对应半导体发光芯片的ρ型注入区域、η型注入区域的位置，采用离子注入法分别进行η型掺杂、ρ型掺杂，控制参数使得载流子浓度在IO2ciCnT3水平，电阻率可在0.5 Ω · cm以下,得到η型区域11、ρ型区域12。η型区域11、ρ型区域12之间互不接触，间距尽可能大，掺杂区域的尺寸大于注入电极的尺寸。在η型区域11的一端制备Au电极13，且保持Au电极13不与ρ型电极8接触；在ρ型区域12的一端制备Au电极14,且保持Au电极14不与η型电极9接触,如图3所示。
(4)将步骤(2)制得的半导体发光芯片倒置键合在基板上，保证ρ型电极8与基板10上的η型区域11对准接触，η型电极9与基板10上的ρ型区域12对准接触，然后从两端的电极13、14上引出电极引线，用于连接外电源，得到图4所示结构的半导体发光器件。实施例二
(1)采用与实施例一相同的步骤(I)、(2)制备半导体发光芯片。
(2)在绝缘导热陶瓷10上对应半导体发光芯片的ρ型注入区域、η型注入区域的位置，采用沉积法分别外延η型硅11和ρ型硅12，厚度100-200nm，载流子浓度在102°cm_3水平，电阻率小于0. 5Ω · cm。η型娃11和ρ型娃12之间互不接触，间距尽可能大，η型娃11和P型硅12的外延尺寸大于注入电极的尺寸。在η型硅11的一端制备Au电极13，且保持Au电极13不与ρ型电极8接触；在ρ型硅12的一端制备Au电极14，且保持Au电极14不与η型电极9接触,如图5所示。
(3)将半导体发光芯片倒置键合在基板上，ρ型电极8与基板10上的η型硅11对准接触，η型电极9与基板10上的ρ型硅12对准接触，然后从两端的电极13、14上引出电极引线，用于连接外电源，得到图6所示结构的半导体发光器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种半导体发光器件，其特征在于，所述半导体发光器件包括基板和固定倒装于基板上方的半导体发光芯片； 所述基板的上表面上设有互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域；所述第一导电型掺杂区域的一端设有第一电极，用于与电源正极连接，第二导电型掺杂区域的一端设有第二电极，用于与电源负极连接； 所述半导体发光芯片上设有第三电极和第四电极，其中，第三电极与基底上的第二导电型掺杂区域接触，第四电极与基底上的第一导电型掺杂区域接触。
2.根据权利要求I所述的半导体发光器件，其特征在于，所述半导体发光芯片包括衬底和衬底下表面的外延层，外延层从上至下包括缓冲层、第一导电型半导体层、活性层、第二导电型半导体层和电流扩散层，第一导电型半导体层上引出第三电极，电流扩散层上引出第四电极。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其特征在于，第一导电型为η型，第二导电型为P型。
4.根据权利要求3所述的半导体发光器件，其特征在于，衬底为蓝宝石衬底，缓冲层为GaN,第一导电型半导体层为η型GaN,活性层为InGaN/GaN,第二导电型半导体层为p型GaN,电流扩散层为Ni和Ag，第三电极为Ti/Al合金，第四电极为Ni/Au合金。
5.根据权利要求3所述的半导体发光器件，其特征在于，基板为本征Si或绝缘导热陶瓷，第一导电型掺杂区域为η型掺杂Si，第二导电型掺杂区域为P型掺杂Si，第一电极、第二电极均为Au。
6.根据权利要求I所述的半导体发光器件，其特征在于，基板的下表面还设有散热件，所述散热件为导热金属、导热陶瓷。
7.权利要求I所述的半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤 Α、在基板的一个表面上形成互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域，然后在第一导电型掺杂区域的一端形成第一电极，在第二导电型掺杂区域的一端形成第二电极； B、将半导体发光芯片固定倒装在基板上，使半导体发光芯片的第三电极与基板的第二导电型掺杂区域接触，半导体发光芯片的第四电极与基板的第一导电型掺杂区域接触。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,在基板的一个表面上形成第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域的方法为离子注入法或沉积法。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制备半导体发光芯片的方法为在衬底上依次外延缓冲层、第一导电型半导体层、活性层和第二导电型半导体层，然后在第二导电型半导体层上形成电流扩散层，得到预制片；然后对预制片的电流扩散层的一面的部分区域进行刻蚀，至裸露出第一导电型半导体层；在刻蚀后裸露出的第一导电型半导体层表面形成第三电极，在未刻蚀区域的电流扩散层表面形成第四电极，得到所述半导体发光芯片。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括在基板的另一个表面固定散热件的步骤，所述散热件为导热金属、导热陶瓷。
全文摘要
本发明提供了一种半导体发光器件，所述半导体发光器件包括基板和固定倒装于基板上方的半导体发光芯片；所述基板的上表面上设有互不接触的第一导电型掺杂区域和第二导电型掺杂区域；所述第一导电型掺杂区域的一端设有第一电极，用于与电源正极连接，第二导电型掺杂区域的一端设有第二电极，用于与电源负极连接；所述半导体发光芯片上设有第三电极和第四电极，其中，第三电极与基底上的第二导电型掺杂区域接触，第四电极与基底上的第一导电型掺杂区域接触。本发明还提供了所述半导体发光器件的制备方法。本发明提供的半导体发光器件，通过在半导体发光芯片内集成半导体致冷机构，同时解决了LED芯片的集成度和散热性的问题。
文档编号H01L33/00GK102842663SQ201110169369
公开日2012年12月26日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者钟泽, 薛进营, 赵圣哲, 周维 申请人:比亚迪股份有限公司