CN101226981B - 一种半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件，其包括替代衬底及通过金属层依次连接于替代衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由上往下至少包含一个缓冲层、N型层、发光层和P型层，N型层内设有导电体，其一端向上延伸露出缓冲层，并设有N型电极，其另一端与金属层之间设有绝缘介质层，替代衬底的下端设有P型电极，使导电体与发光层、P型层及金属层隔离。本发明的器件是从N型层侧出光，在出光侧无需使用透明电极，能有效地提高半导体器件的输出功率，还能有效降低LED器件的热阻。另外，本发明还公开了一种半导体发光二极管的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
III-V族氮化物半导体材料广泛用于紫、蓝、绿和白光发光二极管，高密度光学存储用的紫光激光器，紫外光探测器，以及高功率高频电子器件。然而由于缺乏合适的衬底，目前高质量的GaN基材料膜通常都生长在蓝宝石或SiC衬底上，但是SiC衬底都比较昂贵，尺寸也比较小。GaN基材料膜以生长在蓝宝石衬底上最为普遍和应用最为成熟，但是蓝宝石衬底具有硬度高，不导电、导热性差等缺点。
由于蓝宝石衬底的绝缘性，发光二极管的芯片的P、N电极是采用共面电极的形式，P电极形成于P型层表面，N电极通过刻蚀到N型层面形成。电流需要经过通过两电极横向扩展到整个芯片，这种电流横向扩展容易引起电流的不均匀性，造成出光不均匀、电压上升以及器件性能降低。为了解决蓝宝石衬底电流扩展的问题，人们采用了透明电极，并设计了各种电极结构来尽量减小电流的不均匀性，但这些方法都会影响光的输出。
另外，蓝宝石衬底的低导热率增加了芯片的热阻，芯片温度的上升会使得芯片出光减少，影响器件的可靠性。为了克服上述缺点，人们将低导热绝缘的蓝宝石衬底剥离下来，然后将剥离衬底后的外延叠层转移到其它高导热衬底上，这样改善了LED的散热性能。但是为了降低电压，在制作N电极前，需要将高阻的缓冲层去除，这样既容易损伤芯片，又增加了工艺成本，并且N型层上覆盖的N电极，会挡住一部份出光，降低了出光效率。解决蓝宝石衬底GaN基LED芯片电流扩展不良以及散热性能不佳的问题，对于蓝宝石衬底GaN基LED的广泛应用有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效降低工作电压，提高出光效率和改善散热性能的半导体发光器件及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种半导体发光器件，其包括导电的替代衬底及通过金属层连接于替代衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由上往下依次包含缓冲层、N型层、发光层和P型层，N型层内设有一导电体，其一端向上延伸露出缓冲层，并设有N型电极，其另一端与金属层之间设有绝缘介质层，替代衬底的下端设有P型电极，该导电体由小通孔及填充于小通孔内的导电物质构成，该导电体仅与缓冲层及N型层接触，绝缘介质层由尺寸略大于小通孔的大通孔及填充于大通孔内的绝缘介质构成，使导电体与发光层、P型层及金属层隔离。
该导电的替代衬底是Cu、Au、Pt、Ag、Ni、W、Cr、Al、Ti、Fe中的任一种金属材料，或是导电的半导体材料Si。
导电物质为Au、Ag、Al、Ti、Ni、Cu、ITO、Pt、AuSb、Cr、W中的一种金属或合金，或为导电树脂。
绝缘介质为SiO2或SixNy材料。
该金属层包括欧姆接触层及反射层，也包括焊料类的金属及合金。
该小通孔及大通孔的横截面呈圆形或方形。
另外，本发明还提供了一种半导体发光器件的制造方法，其步骤包括：
a.在外延生长用的衬底上沉积半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下往上依次包括缓冲层、N型层、发光层和P型层；
b.通过干法刻蚀，部分半导体外延叠层区域被刻蚀直到外延生长的衬底，在上述部分半导体外延叠层区域的外围区域被刻蚀到N型层，并露出部分N型层，在被刻蚀的N型层中设有一导电体，该导电体一端与外延生长的衬底接触，另一端露出N型层；将剩余的通孔用绝缘材料填充，形成一个使导电体与发光层及P型层隔离的绝缘介质层，该导电体由小通孔及填充于小通孔内的导电物质构成，绝缘介质层由尺寸略大于小通孔的大通孔及填充于大通孔内的绝缘介质构成；
c.利用蒸镀工艺，在半导体外延叠层及绝缘介质上沿蒸镀金属层；
d.利用电镀或键合工艺，在金属层上沿形成导电的替代衬底；
e.利用激光剥离或者湿法刻蚀工艺，将外延生长用的衬底(1)去除，露出导电体，形成N电极。
完成金属化工艺后，划片封装，形成发光器件。
该半导体外延叠层由铝镓铟氮(InxGayAl1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1)材料形成。
外延生长用的衬底可以是蓝宝石衬底、Si衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底。
本发明的半导体发光器件及其制造方法所提供的柱状通孔贯穿于整个半导体外延叠层，该通孔内填充导电物质后，导电物质不但与刻蚀露出的N型层表面接触，还与N型层的侧壁相接触，这样增加了导电物质与低阻的N型层的接触面积，无需在N型上端引入额外的电流扩展层，部分消除了芯片中的电流阻塞效应；另外，该外延叠层转移到另一高导热的替代衬底上，改善了LED器件的传热性能；另外，由于N型层的导电率高，N型电极由填充通孔的导电物质担当，避免了由于引入透明电极而引起的吸光现象，提高了出光效率。
因此，本发明可以显著降低半导体发光器件的工作电压，又能改善电流扩展效果，提高出光效率，而金属衬底良好的导热性又能提高器件的热性能。同时，该工艺简单易行，不会增加过多的芯片制作成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的半导体发光器件的结构示意图。
图2是本发明实施例1的半导体发光器件的制造方法示意图。
上述图中，1为蓝宝石或Si衬底，2为缓冲层，3为N型层，4为发光层，5为P型层，6为小通孔，7为大通孔，8为导电物质，9为绝缘层，10为反射金属层，11为导电的替代衬底，12为金属衬底下端的P型电极，13为小通孔顶部的N型电极。
具体实施方式
实施例1
参照图1，一种半导体发光器件，其包括导电的替代衬底11及通过金属层10连接于衬底11上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由上往下依次包含缓冲层2、N型层3、发光层4和P型层5。其中，N型层3内设有一导电体，其一端向上延伸露出缓冲层2，并设有一N型电极13，其另一端与金属层10之间有绝缘介质层，替代衬底的下端为一P电极12。
该导电体由一柱状小通孔6及填充于小通孔6内的导电物质8构成，该导电体只与缓冲层2、N型层3的侧壁及N型层3的下沿接触，而不与发光层4、P型层5及金属层10接触，之间有绝缘层隔离。该绝缘层也由一柱状大通孔7及填充于大通孔7内的绝缘物质9构成。该小通孔6和大通孔7均为横截面呈圆形或方形的柱状通孔，且大通孔7的尺寸稍大于小通孔6。
为了使得填充的导电物质8与N型层3侧壁以及N型层3下沿接触，柱状小通孔6填充的导电物质8可为各种金属或合金，如Au、Ag、Al、Ti、Ni、Cu、ITO、Pt、AuSb等，也可以为导电树脂等任何导电材料，同时也可以为上述材料的任意组合。为了防止器件发生短路，导电物质8与P型层5之间须留有一定间隔空间。
为了使得导电体与发光层4、P型层5及金属层10绝缘，柱状大通孔7填充的绝缘物质9可为各种电绝缘物质，如SiO2等。
上述替代衬底11可以是Cu、Au、Pt、Ag、Ni、W、Cr、Al、Ti、Fe等金属材料，也可以是导电的半导体材料，如Si等；半导体外延叠层由铝镓铟氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料形成。
金属层材料可为各种金属或合金(如Au、Ag、Al、Ti、Ni、Cu、ITO、Pt、AuSb、Cr、W)或导电树脂等任何导电材料，同时也可以是上述材料的任意组合。
如图2所示，该半导体发光器件制造方法包括以下步骤：
第一步，先把外延生长用的衬底1清洗干净，放入金属有机化学气相沉积设备中，在衬底1上依次至少沉积缓冲层2、N型层3，多量子阱发光层4和P型层5等半导体外延叠层。
第二步，半导体外延叠层沉积完成后，通过干法刻蚀，把图2第二步中所示的区域刻除以形成小通孔6。
第三步，通过干法刻蚀，把图2第三步中所示的区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，使用磁控溅射或电镀工艺在小通孔6中沉积导电物质8，以填充小通孔6，从而形成导电体。
第五步，采用蒸镀工艺在大通孔7内部蒸镀绝缘介质9，使得绝缘介质9填充满整个大通孔7，从而形成绝缘介质层。
第六步，在P型层5上端蒸镀金属层10，退火形成欧姆接触。
第七步，用化学电镀法在金属层上镀上衬底11，或者采用键合(Bonding)工艺将衬底11直接键合到金属层10上。
第八步，采用激光剥离或者湿法刻蚀将衬底1去掉，露出导电体8，并形成N电极13。
将半导体外延叠层切割，在经过封装，形成独立的半导体发光器件。
当然，根据实际应用中对半导体发光器件的制作可采用与实施例1相似的方法。
Claims (9)
1.一种半导体发光器件，其包括导电的替代衬底(11)及通过金属层(10)连接于替代衬底(11)上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由上往下依次包含缓冲层(2)、N型层(3)、发光层(4)和P型层(5)，其特征在于：N型层内设有一导电体，其一端向上延伸露出缓冲层(2)，并设有N型电极(13)，其另一端与金属层(10)之间设有绝缘介质层，替代衬底(11)的下端设有P型电极(12)，该导电体由小通孔(6)及填充于小通孔(6)内的导电物质(8)构成，该导电体仅与缓冲层(2)及N型层(3)接触，绝缘介质层由尺寸略大于小通孔(6)的大通孔(7)及填充于大通孔(7)内的绝缘介质(9)构成，使导电体与发光层(4)、P型层(5)及金属层(10)隔离，其中该半导体外延叠层由铝镓铟氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料形成。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：该导电的替代衬底(11)是Cu、Au、Pt、Ag、Ni、W、Cr、Al、Ti、Fe中的任一种金属材料，或是导电的半导体材料Si。
3.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：导电物质(8)为Au、Ag、Al、Ti、Ni、Cu、ITO、Pt、AuSb、Cr、W中的一种金属或合金，或为导电树脂。
4.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：绝缘介质(9)为SiO2或SixNy材料。
5.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：该金属层(10)包括欧姆接触层及反射层，也包括焊料类的金属及合金。
6.如权利要求3或4所述的半导体发光器件，其特征在于：该小通孔(6)及大通孔(7)的横截面呈圆形或方形。
7.一种半导体发光器件的制造方法，其步骤包括：
a.在外延生长用的衬底(1)上沉积半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下往上依次包括缓冲层(2)、N型层(3)、发光层(4)和P型层(5)；
b.通过干法刻蚀，部分半导体外延叠层区域被刻蚀直到外延生长的衬底(1)，在上述部分半导体外延叠层区域的外围区域被刻蚀到N型层(3)，并露出部分N型层(3)，在被刻蚀的N型层(3)中设有一导电体，该导电体一端与外延生长的衬底(1)接触，另一端露出N型层(3)，且另一端外围套设有使导电体与发光层(4)及P型层(5)隔离的绝缘介质层，该导电体由小通孔(6)及填充于小通孔(6)内的导电物质(8)构成，绝缘介质层由尺寸略大于小通孔(6)的大通孔(7)及填充于大通孔(7)内的绝缘介质(9)构成；
c.利用蒸镀工艺，在半导体外延叠层及绝缘介质上沿蒸镀金属层(10)；
d.利用电镀或键合工艺，在金属层(10)上沿形成导电的替代衬底(11)；
e.利用激光剥离或者湿法刻蚀工艺，将外延生长用的衬底(1)去除，露出导电体，形成N电极(13)。
8.如权利要求7所述的半导体发光器件的制造方法，其特征在于：该半导体外延叠层由铝镓铟氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料形成。
9.如权利要求7所述的半导体发光器件的制造方法，其特征在于：外延生长用的衬底可以是蓝宝石衬底、Si衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110504 Termination date: 20200129 |