專利名稱：一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
技術(shù)背景ni-v族氮化物半導(dǎo)體材料廣泛用于紫、藍(lán)、綠和白光發(fā)光二極 管，高密度光學(xué)存儲用的紫光激光器，紫外光探測器，以及高功率高頻電子器件。然而由于缺乏合適的襯底，目前高質(zhì)量的GaN基材料 膜通常都生長在藍(lán)寶石或SiC襯底上，但是SiC襯底都比較昂貴，尺 寸也比較小。GaN基材料膜以生長在藍(lán)寶石襯底上最為普遍和應(yīng)用最 為成熟，但是藍(lán)寶石襯底具有硬度高，不導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)。由于藍(lán)寶石襯底的絕緣性，發(fā)光二極管的芯片的P、 N電極是采 用共面電極的形式，P電極形成于P型層表面，N電極通過刻蝕到N 型層面形成。電流需要經(jīng)過通過兩電極橫向擴(kuò)展到整個芯片，這種電 流橫向擴(kuò)展容易引起電流的不均勻性，造成出光不均勻、電壓上升以 及器件性能降低。為了解決藍(lán)寶石襯底電流擴(kuò)展的問題，人們采用了 透明電極，并設(shè)計(jì)了各種電極結(jié)構(gòu)來盡量減小電流的不均勻性，但這 些方法都會影響光的輸出。另外，藍(lán)寶石襯底的低導(dǎo)熱率增加了芯片的熱阻，芯片溫度的上 升會使得芯片出光減少，影響器件的可靠性。為了克服上述缺點(diǎn)，人 們將低導(dǎo)熱絕緣的藍(lán)寶石襯底剝離下來，然后將剝離襯底后的外延疊層轉(zhuǎn)移到其它高導(dǎo)熱襯底上，這樣改善了 LED的散熱性能。但是為 了降低電壓，在制作N電極前，需要將高阻的緩沖層去除，這樣既 容易損傷芯片，又增加了工藝成本，并且N型層上覆蓋的N電極， 會擋住一部份出光，降低了出光效率。解決藍(lán)寶石襯底GaN基LED 芯片電流擴(kuò)展不良以及散熱性能不佳的問題，對于藍(lán)寶石襯底GaN 基LED的廣泛應(yīng)用有著重要意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能有效降低工作電壓，提高出光效率和 改善散熱性能的半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括導(dǎo)電的替代襯底及通過金屬層連接 于替代襯底上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊層由上往下依次包含緩沖層、N型層、發(fā)光層和P型層，N型層內(nèi)設(shè)有一導(dǎo)電體，其一 端向上延伸露出緩沖層，并設(shè)有N型電極，其另一端與金屬層之間 設(shè)有絕緣介質(zhì)層，替代襯底的下端設(shè)有P型電極，該導(dǎo)電體由小通孔 及填充于小通孔內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)構(gòu)成，該導(dǎo)電體僅與緩沖層及N型層 接觸，絕緣介質(zhì)層由尺寸略大于小通孔的大通孔及填充于大通孔內(nèi)的 絕緣介質(zhì)構(gòu)成，使導(dǎo)電體與發(fā)光層、P型層及金屬層隔離。該導(dǎo)電的替代襯底是Cu、 Au、 Pt、 Ag、 Ni、 W、 Cr、 Al、 Ti、 Fe中的任一種金屬材料，或是導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料Si。導(dǎo)電物質(zhì)為Au、 Ag、 Al、 Ti、 Ni、 Cu、 ITO、 Pt、 AuSb、 Cr、 W中的一種金屬或合金，或?yàn)閷?dǎo)電樹脂。絕緣介質(zhì)為Si02或SixNy材料。該金屬層包括歐姆接觸層及反射層，也包括焊料類的金屬及合金。該小通孔及大通孔的橫截面呈圓形或方形。另外，本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法，其步驟包括a. 在外延生長用的襯底上沉積半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延 疊層由下往上依次包括緩沖層、N型層、發(fā)光層和P型層；b. 通過干法刻蝕，部分半導(dǎo)體外延疊層區(qū)域被刻蝕直到外延生 長的襯底，在上述部分半導(dǎo)體外延疊層區(qū)域的外圍區(qū)域被刻蝕到N 型層，并露出部分N型層，在被刻蝕的N型層中設(shè)有一導(dǎo)電體，該 導(dǎo)電體一端與外延生長的襯底接觸，另一端露出N型層；將剩余的 通孔用絕緣材料填充，形成一個使導(dǎo)電體與發(fā)光層及P型層隔離的絕 緣介質(zhì)層，該導(dǎo)電體由小通孔及填充于小通孔內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)構(gòu)成，絕 緣介質(zhì)層由尺寸略大于小通孔的大通孔及填充于大通孔內(nèi)的絕緣介 質(zhì)構(gòu)成；c. 利用蒸鍍工藝，在半導(dǎo)體外延疊層及絕緣介質(zhì)上沿蒸鍍金屬層；d. 利用電鍍或鍵合工藝，在金屬層上沿形成導(dǎo)電的替代襯底；e. 利用激光剝離或者濕法刻蝕工藝，將外延生長用的襯底(l)去 除，露出導(dǎo)電體，形成N電極。完成金屬化工藝后，劃片封裝，形成發(fā)光器件。該半導(dǎo)體外延疊層由鋁鎵銦氮(InxGayAlk-yN， 05x3, O^^l) 材料形成。外延生長用的襯底可以是藍(lán)寶石襯底、Si襯底、碳化硅襯底、 氧化鋅襯底。本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法所提供的柱狀通孔貫穿 于整個半導(dǎo)體外延疊層，該通孔內(nèi)填充導(dǎo)電物質(zhì)后，導(dǎo)電物質(zhì)不但與刻蝕露出的N型層表面接觸，還與N型層的側(cè)壁相接觸，這樣增加 了導(dǎo)電物質(zhì)與低阻的N型層的接觸面積，無需在N型上端引入額外 的電流擴(kuò)展層，部分消除了芯片中的電流阻塞效應(yīng)；另外，該外延疊 層轉(zhuǎn)移到另一高導(dǎo)熱的替代襯底上，改善了 LED器件的傳熱性能； 另外，由于N型層的導(dǎo)電率高，N型電極由填充通孔的導(dǎo)電物質(zhì)擔(dān) 當(dāng)，避免了由于引入透明電極而引起的吸光現(xiàn)象，提高了出光效率。 因此，本發(fā)明可以顯著降低半導(dǎo)體發(fā)光器件的工作電壓，又能改 善電流擴(kuò)展效果，提高出光效率，而金屬襯底良好的導(dǎo)熱性又能提高 器件的熱性能。同時，該工藝簡單易行，不會增加過多的芯片制作成 本。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法示意圖。 上述圖中，l為藍(lán)寶石或Si襯底，2為緩沖層，3為N型層，4 為發(fā)光層，5為P型層，6為小通孔，7為大通孔，8為導(dǎo)電物質(zhì)，9 為絕緣層，IO為反射金屬層，ll為導(dǎo)電的替代襯底，12為金屬襯底下端的P型電極，13為小通孔頂部的N型電極。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參照圖1， 一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括導(dǎo)電的替代襯底11及 通過金屬層10連接于襯底11上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊 層由上往下依次包含緩沖層2、 N型層3、發(fā)光層4和P型層5。其 中，N型層3內(nèi)設(shè)有一導(dǎo)電體，其一端向上延伸露出緩沖層2，并設(shè) 有一N型電極13，其另一端與金屬層10之間有絕緣介質(zhì)層，替代襯 底的下端為-一P電極12。該導(dǎo)電體由一柱狀小通孔6及填充于小通孔6內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)8構(gòu) 成，該導(dǎo)電體只與緩沖層2、 N型層3的側(cè)壁及N型層3的下沿接 觸，而不與發(fā)光層4、 P型層5及金屬層10接觸，之間有絕緣層隔離。 該絕緣層也由一柱狀大通孔7及填充于大通孔7內(nèi)的絕緣物質(zhì)9構(gòu) 成。該小通孔6和大通孔7均為橫截面呈圓形或方形的柱狀通孔，且 大通孔7的尺寸稍大于小通孔6。為了使得填充的導(dǎo)電物質(zhì)8與N型層3側(cè)壁以及N型層3下沿 接觸，柱狀小通孔6填充的導(dǎo)電物質(zhì)8可為各種金屬或合金，如Au、 Ag、 Al、 Ti、 Ni、 Cu、 ITO、 Pt、 AuSb等，也可以為導(dǎo)電樹脂等任 何導(dǎo)電材料，同時也可以為上述材料的任意組合。為了防止器件發(fā)生 短路，導(dǎo)電物質(zhì)8與P型層5之間須留有一定間隔空間。為了使得導(dǎo)電體與發(fā)光層4、P型層5及金屬層10絕緣，柱狀大 通孔7填充的絕緣物質(zhì)9可為各種電絕緣物質(zhì)，如Si02等。上述替代襯底11可以是Cu、 Au、 Pt、 Ag、 Ni、 W、 Cr、 Al、 Ti、 Fe等金屬材料，也可以是導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料，如Si等；半導(dǎo)體 外延疊層由鋁鎵銦氮(InxGayAlh-yN，0〈^《l，0^y《1)材料形成。金屬層材料可為各種金屬或合金(如Au、 Ag、 Al、 Ti、 Ni、 Cu、 ITO、 Pt、 AuSb、 Cr、 W)或?qū)щ姌渲热魏螌?dǎo)電材料，同時也可以 是上述材料的任意組合。如圖2所示，該半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法包括以下步驟第一步，先把外延生長用的襯底1清洗干凈，放入金屬有機(jī)化學(xué) 氣相沉積設(shè)備中，在襯底1上依次至少沉積緩沖層2、 N型層3，多 量子阱發(fā)光層4和P型層5等半導(dǎo)體外延疊層。第二步，半導(dǎo)體外延疊層沉積完成后，通過干法刻蝕，把圖2第 二歩中所示的區(qū)域刻除以形成小通孔6。第三步，通過干法刻蝕，把圖2第三步中所示的區(qū)域刻除以形成 大通孔7。大通孔7的尺寸大于小通孔6的尺寸。第四步，使用磁控濺射或電鍍工藝在小通孔6中沉積導(dǎo)電物質(zhì)8， 以填充小通孔6，從而形成導(dǎo)電體。第五步，采用蒸鍍工藝在大通孔7內(nèi)部蒸鍍絕緣介質(zhì)9，使得絕 緣介質(zhì)9填充滿整個大通孔7 ，從而形成絕緣介質(zhì)層。第六步，在P型層5上端蒸鍍金屬層10，退火形成歐姆接觸。第七步，用化學(xué)電鍍法在金屬層上鍍上襯底11,或者采用鍵合 (Bonding)工藝將襯底11直接鍵合到金屬層10上。第八步，采用激光剝離或者濕法刻蝕將襯底1去掉，露出導(dǎo)電體8，并形成N電極13。將半導(dǎo)體外延疊層切割，在經(jīng)過封裝，形成獨(dú)立的半導(dǎo)體發(fā)光器件。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作可采用與實(shí)施例 1相似的方法。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括導(dǎo)電的替代襯底(11)及通過金屬層(10)連接于替代襯底(11)上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊層由上往下依次包含緩沖層(2)、N型層(3)、發(fā)光層(4)和P型層(5)，其特征在于N型層內(nèi)設(shè)有一導(dǎo)電體，其一端向上延伸露出緩沖層(2)，并設(shè)有N型電極(13)，其另一端與金屬層(10)之間設(shè)有絕緣介質(zhì)層，替代襯底(11)的下端設(shè)有P型電極(12)，該導(dǎo)電體由小通孔(6)及填充于小通孔(6)內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)(8)構(gòu)成，該導(dǎo)電體僅與緩沖層(2)及N型層(3)接觸，絕緣介質(zhì)層由尺寸略大于小通孔(6)的大通孔(7)及填充于大通孔(7)內(nèi)的絕緣介質(zhì)(9)構(gòu)成，使導(dǎo)電體與發(fā)光層(4)、P型層(5)及金屬層(10)隔離。
2. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于該導(dǎo)電 的替代襯底(11)是Cu、 Au、 Pt、 Ag、 Ni、 W、 Cr、 Al、 Ti、 Fe中 的任一種金屬材料，或是導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料Si。
3. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于導(dǎo)電物 質(zhì)(8)為Au、 Ag、 Al、 Ti、 Ni、 Cu、 ITO、 Pt、 AuSb、 Cr、 W中的一 種金屬或合金，或?yàn)閷?dǎo)電樹脂。
4. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于絕緣介質(zhì)(9)為Si02或sysfy材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于該金屬層(10)包括歐姆接觸層及反射層，也包括焊料類的金屬及合金。
6. 如權(quán)利要求3或4所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于:該小通孔(6)及大通孔(7)的橫截面呈圓形或方形。
7. —種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法，其步驟包括a. 在外延生長用的襯底(l)上沉積半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外 延疊層由下往上依次包括緩沖層(2)、 N型層(3)、發(fā)光層(4)和P型層 (5);b. 通過干法刻蝕，部分半導(dǎo)體外延疊層區(qū)域被刻蝕直到外延生 長的襯底(l)，在上述部分半導(dǎo)體外延疊層區(qū)域的外圍區(qū)域被刻蝕到N 型層(3)，并露出部分N型層(3)，在被刻蝕的N型層(3)中設(shè)有一導(dǎo)電 體，該導(dǎo)電體一端與外延生長的襯底(l)接觸，另一端露出N型層(3)， 且另一端外圍套設(shè)有使導(dǎo)電體與發(fā)光層(4)及P型層(5)隔離的絕緣介 質(zhì)層，該導(dǎo)電體由小通孔(6)及填充于小通孔(6)內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)(8)構(gòu)成， 絕緣介質(zhì)層由尺寸略大于小通孔(6)的大通孔(7)及填充于大通孔(7)內(nèi) 的絕緣介質(zhì)(9)構(gòu)成；c. 利用蒸鍍工藝，在半導(dǎo)體外延疊層及絕緣介質(zhì)上沿蒸鍍金屬 層(10);d. 利用電鍍或鍵合工藝，在金屬層(10)上沿形成導(dǎo)電的替代 襯底(ll);e. 利用激光剝離或者濕法刻蝕工藝，將外延生長用的襯底(l)去 除，露出導(dǎo)電體，形成N電極(13)。
8. 如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于該半導(dǎo) 體外延疊層由鋁鎵銦氮(Ir^GayAlk-yN， 0<=x<=l, 0<=y<=l)材料形成。
9.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于外延生 長用的襯底可以是藍(lán)寶石襯底、Si襯底、碳化硅襯底、氧化鋅襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括替代襯底及通過金屬層依次連接于替代襯底上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊層由上往下至少包含一個緩沖層、N型層、發(fā)光層和P型層，N型層內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電體，其一端向上延伸露出緩沖層，并設(shè)有N型電極，其另一端與金屬層之間設(shè)有絕緣介質(zhì)層，替代襯底的下端設(shè)有P型電極，使導(dǎo)電體與發(fā)光層、P型層及金屬層隔離。本發(fā)明的器件是從N型層側(cè)出光，在出光側(cè)無需使用透明電極，能有效地提高半導(dǎo)體器件的輸出功率，還能有效降低LED器件的熱阻。另外，本發(fā)明還公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造方法。
文檔編號H01L33/00GK101226981SQ200810026118
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者張佰君, 鋼 王, 范冰豐 申請人:中山大學(xué)