CN1976076A

CN1976076A - 半导体发光器件及其制造方法

Info

Publication number: CN1976076A
Application number: CNA2006101609436A
Authority: CN
Inventors: 渡部义昭; 日野智公; 小林俊雅; 成井启修
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-06-06
Also published as: KR20070057672A; EP1793429A1; JP2007157853A; US20070145396A1; TW200731577A

Abstract

本发明提供了一种半导体发光器件，该半导体发光器件具有高反射率，并且在反光层和半导体层之间具有高电接触属性。该半导体发光器件是通过在透明衬底上顺序层叠半导体层、反光层和保护层形成的。半导体层是通过顺序层叠缓冲层、GaN层、n型接触层、n型覆层、有源层、p型覆层和p型接触层形成的。反光层是通过在以例如从100℃到小于400℃的温度加热衬底的同时在p型接触层的表面上沉积Ag合金形成的。在形成了半导体层、反光层和保护层后，半导体层、反光层和保护层在预定时间中被以比在加热衬底时的温度范围高的温度范围内的环境温度加热。

Description

半导体发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件，该半导体发光器件具有其中反光层将在与发射窗口相反的方向上发射的光反射向该发射窗口的结构，以及制造该半导体发光器件的方法。

背景技术

诸如发光二极管(LED)之类的半导体发光器件的外部量子效率包括两个因素，即，内部量子效率和光提取效率，通过提高这两种效率可以实现长寿命、低功耗、高功率的半导体发光器件。前一个效率，即，内部量子效率可以通过例如以下工艺得到提高：正确地控制生长条件来获得具有较少的晶体缺陷或者较少的错位的良好晶体，或者设置能够防止发生载流子溢出的层结构。另一方面，后一个效率，即，光提取效率可以通过例如下述工艺得到提高：使几何形状或层结构能够增大从有源层发射的光在被衬底或有源层吸收之前以逃逸锥内的角度进入发射窗口的比例。此外，通过设置用具有高反射率的材料制造的反光层来将在与发射窗口相反的方向上发射的光反射向该发射窗口也可以提高提取效率。

在诸如发光二极管之类的半导体发光器件中，上述反光层一般具有电极的角色，用于将电流注入半导体发光器件；因此，该反光层必须具有与各种半导体层的高电接触属性。一般来说，Al(铝)、Au(金)、Pt(铂)、Ni(镍)、Pd(钯)等被用作具有与各种半导体层的高电接触属性并且具有通用性的材料。然而，即使它们被用作反光层，反射率增大也不够高，所以在许多情形中，它们不适用于需要高反射率的应用。

在这种应用中可以考虑将Ag(银)应用到反光层，Ag具有极高的反射率。Ag具有与长波长范围半导体层(例如，基于AlGaAs的半导体或者基于AlGaInP的半导体)的高电接触属性，所以容易形成欧姆接触。但是，Ag具有与短波长范围半导体层(例如，基于GaN的半导体)的低电接触属性，所以与任何其他材料相比，容易形成接近肖特基接触的欧姆接触，从而导致线性下降。因此，Ag具有与短波长范围半导体层(例如，基于GaN的半导体)的低电接触属性。所以，在日本未实审专利申请公开No.2004-260178中公开了一种用于在由Ag制成的反光层和半导体层之间设置0.1nm到0.5nm厚的极薄的包括Pt、Pd或者Ni的层的技术，并且还公开了一种考虑到Ag的抗热能力而用低温(300℃)加热由Ag制成的反光层的技术。

本发明包含与2005年12月1日提交给日本专利局的日本专利申请JP2005-348294有关的主题，该申请的全部内容通过引用结合于此。

发明内容

在日本未实审专利申请公开No.2004-260178中公开的前一技术中，可以提高电接触属性。但是，由于由具有低反射率的材料制成的层被设置在反光层和半导体层之间，所以反射率不可避免地下降了，因此未获得期望的高反射率。在后一技术中，由于由Ag制成的反光层与半导体层直接接触，所以反射率较高。然而，即使仅以低温加热反射层，也难以将肖特基接触变为欧姆接触，所以电接触属性仍较低。如上所述，在日本未实审专利申请公开No.2004-260178中，仅可以提高反射率或者电接触属性之一。

考虑到前述问题，期望提供一种半导体发光器件和用于制造半导体发光器件的方法，该半导体发光器件具有高反射率，并且在反光层和半导体层之间具有高电接触属性。

根据本发明的实施例，提供了一种用于制造半导体发光器件的方法，包括以下步骤：在透明衬底上顺序层叠第一传导层、有源层和第二传导层；通过在以第一温度范围加热该透明衬底的同时在第二传导层的表面上沉积Ag和预定材料从而形成反光层；以及在形成了反光层后，在预定时间范围中以第二温度范围加热第一传导层、有源层、第二传导层和反光层，其中第二温度范围比第一温度范围高。

根据本发明的实施例，提供了一种半导体发光器件，包括：通过在透明衬底上顺序层叠第一传导层、有源层和第二传导层形成的半导体层；以及通过在以第一温度范围加热透明衬底的同时在第二传导层的表面上沉积Ag和预定材料而形成的反光层，其中，在形成了半导体层和反光层后，该半导体层和反光层在预定时间范围中被以第二温度范围内的环境温度加热，其中第二温度范围比第一温度范围高。

在根据本发明实施例的半导体发光器件和用于制造半导体发光器件的方法中，当在第二传导层的表面上沉积反光层时，透明衬底(且扩展到半导体层)被以第一温度范围加热。从而，防止了第二传导层与反光层的界面中的晶体规则度的杂乱，并且在防止了水汽和有机分量沉积到该界面上的状态中，反光层可以被沉积在第二传导层的表面上。此后，半导体层和反光层在预定时间范围中被以比第一温度范围高的第二温度范围内的环境温度加热。从而，反光层中包括的Ag扩散到第二传导层中以形成化合物。结果，反光层与半导体层形成欧姆接触，所以反光层和半导体层的线性度被提高了。另外，反光层包括具有极高反射率的Ag。

在根据本发明实施例的半导体发光器件和用于制造半导体发光器件的方法中，在以第一温度范围加热透明衬底的同时将包括Ag和预定材料的反光层沉积在第二传导层的表面上后，半导体层和反光层在预定时间范围中被以比第一温度范围高的第二温度范围内的环境温度加热，所以反光层和半导体层形成欧姆接触，并且反光层可以以高反射率反射从半导体层发射的光。从而，可以实现具有高反射率并且在反光层和半导体层之间具有高电接触属性的半导体发光器件。

从下面的描述中，将更全面的理解本发明的其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明实施例的发光二极管的截面图；

图2A和2B是图1中的通过溅射形成的反光层的截面图；

图3A和3B是图1中的通过蒸发形成的反光层的截面图；

图4是示出了制造发光二极管的步骤的简化流程图；

图5A和5B是描述用于制造发光二极管的步骤的截面图；

图6是描述发光二极管的反射率的关系图；以及

图7是描述电流-电压特性的关系图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述优选实施例。

图1示出了根据本发明实施例的发光二极管(LED)的截面图。图1是示意性的图示，所以图1中的尺寸和形状与真实的尺寸和形状不同。

发光二极管是通过在衬底10上生长由III-V族氮化合物半导体制成的半导体层20而形成的。半导体层20是通过顺序层叠以下层形成的：缓冲层21、GaN层22、n型接触层23、n型覆层24、有源层25、p型覆层26(第一p型半导体层)和p型接触层27(第二p型半导体层)。

这里所述的III-V族氮化合物半导体是包括镓(Ga)和氮(N)的基于氮化镓的化合物，基于氮化镓的化合物的示例包括GaN、AlGaN(氮化铝镓)、AlGaInN(氮化铝镓铟)等。如果必要的话，它们可以包括IV和VI族元素的n型杂质或者II和IV族元素的p型杂质，所述IV和VI族元素例如是Si(硅)、Ge(锗)、O(氧)和Se(硒)，所述II和IV族元素例如是Mg(镁)、Zn(锌)和C(炭)。

衬底10用透明衬底制成，例如，c-平面蓝宝石。缓冲层21例如由厚度为30nm的无掺杂GaN制成，并且通过低温生长形成在c-平面蓝宝石上。GaN层22例如由厚度为0.5μm的无掺杂GaN制成，并且通过使用诸如ELO(外延横向过生长)之类的横向晶体生长技术形成在c-平面蓝宝石上，其间具有缓冲层21。n型接触层23例如由厚度为4.0μm的n型GaN制成，而n型覆层24例如由厚度为1.0μm的n型AlGaN制成。

有源层25具有例如多量子阱结构，其中层叠有三对厚度为3.5nm的无掺杂In_xGa_1-xN阱层(0＜x＜1)和厚度为7.0nm的无掺杂In_yGa_1-yN壁垒层(0＜y＜1)。有源层25具有发光区域25A，其中电子和空穴的重新组合在有源层25的中央区域中产生光子。p型覆层26例如由厚度为0.5μm的p型AlGaN制成。

p型接触层27例如由厚度为0.1μm的p型GaN制成，并且p型杂质的浓度比p型覆层26的高。p型接触层27中与反光层30(稍后将描述)的界面由于衬底加热(稍后将描述)而具有极好的晶体规则性，并且诸如水汽或有机分量之类的杂质很难沉积在该界面上。此外，p型接触层27在与反光层30的界面中及其周围包括与由于热处理(烧结)(稍后将描述)而从反光层30扩散的Ag反应形成的化合物。

后面将描述，从p型接触层27到n型接触层23的顶部的一部分被选择性地蚀刻来在n型接触层23、n型覆层24、有源层25、p型覆层26和p型接触层27的顶部中形成凸台28。

反光层30和保护层31被顺序层叠在凸台28的顶面的一部分上，即，p型接触层27的顶面上。

反光层30由具有金属属性的材料制成，例如，厚度为从70nm到200nm的Ag合金。Ag合金是通过添加从由以下元素组成的群组中选出的至少一种元素到Ag形成的：Pt(铂)、Pd(钯)、Au(金)、Cu(铜)、In(铟)和Ga(镓)，而反光层30可由所谓的APC制成，APC包括例如98％的Ag、1％的Pd和1％的Cu。取决于Ag合金的组分，在Ag合金包括例如Pd、Cu、In等的情形中，即使Ag合金在超过200℃的高温中被加热，光学特性(反射率)也不可能由于迁移、聚合等而下降。因此，与纯Ag在约200℃时导致上述现象相比，Ag合金具有极大的抗热能力。

Ag合金在克服了纯Ag的上述缺点的同时，又与纯Ag一样具有极大的反射率。因此，反光层31具有这样的功能：即将在与衬底10(衬底10作为从有源层25的发光区域25A发射的光的发射窗口)相反的方向上传播的光向衬底10反射。此外，反光层31被电连接到稍后将描述的稍后将描述的p侧焊点(pump)33，所以反光层30也具有作为p侧电极的功能。因此，反光层30必需具有与p型接触层27的高电接触属性。反光层30与p型接触层27形成欧姆接触，所以反光层31具有高电接触属性。

现在将描述由于层叠Ag合金的不同方法所致的结构差异。图2A和图2B示出了通过溅射形成的反光层30的截面结构的示例，而图3A和图3B示出了通过蒸发形成的反光层30的截面结构的示例。图2A和图3A是用TEM(透射电子显微镜)沿与层叠方向平行的方向获得的截面图，而图2B和图3B是用TEM沿垂直于层叠方向获得的截面图。

很明显，在通过溅射形成的反光层30中，在晶界(grain boundary)处形成的图样(粒度)极其精细并且它们以层状被层叠。另一方面，在通过蒸发形成的反光层30中，粒度极大，并且反光层30不具有在通过溅射形成的反光层30中观测到的层叠图样。因此，可以发现，当反光层30是通过溅射形成的时，反光层30的粒度可以变得非常精细，如图2A和图2B所示。从而，当粒度非常精细时，对氧化或硫化的反应性可以变低，所以反光层30不容易受到外界环境的影响。此外，附着力可能极大，因此可以防止反光层30的剥落。因此，相比于蒸发，更优选采用溅射形成反光层30。

保护层31由能够保护反光层30免受稍后将描述的热处理(烧结)的高温损害的材料制成，例如从由Ni(镍)、Ti(钛)和Pt组成的群组中选择出的至少一种元素，并且保护层31的厚度例如为100nm。与未设置保护层31的情形相比，可以提高用于热处理的温度的上限，即，反光层31快速退化时的温度。从而，即使提高用于热处理的温度来缩短处理时间，保护层31也可以使反光层30中的退化最小化。

p侧焊盘部分32被形成在保护层31的顶面的一部分上，并且p侧焊点33被形成在p侧焊盘部分32的顶面的一部分上。p侧焊盘部分32例如具有这样的结构：50nm厚的Ti、100nm厚的Ni和300nm厚的Au按此顺序被层叠。p侧焊点33例如由5000nm厚的Au制成。

n侧电极34被形成在n型接触层23的表面上沿凸台28的外缘的部分上，并且n侧焊点35被形成在n侧电极34的顶面的一部分上。n侧电极34例如具有这样的结构：50nm厚的Ti、100nm厚的Ni和300nm厚的Au按此顺序被层叠。n侧焊点35例如由5000nm厚的Au制成。绝缘层36被形成在凸台28、保护层31的侧面上以及n型接触层23的暴露部分上。绝缘层36例如由300nm厚的SiN制成。

接下来，将参考图4、图5A和5B详细描述用于制造具有这种结构的发光二极管的方法的示例。图4示出了制造发光二极管的步骤的简化流程图，图5A和图5B示出了处于制造步骤中的发光二极管的截面结构。

为了制造发光二极管，由III-V族氮化合物半导体制成的半导体层20通过例如MOCVD(金属有机物化学气相沉积)被形成在用c-平面蓝宝石制成的衬底10上。此时，例如三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)或者氨气(NH₃)被用作基于GaN的化合物半导体的材料，例如硅烷(SiH₄)被用作施主杂质的材料，并且二(甲基环戊二烯基)镁((CH₃C₅H₄)₂Mg)或者二(环戊二烯基)镁((C₅H₅)₂Mg)被用作受主杂质的材料。

首先，通过例如热清洁来清洁衬底10的表面。接下来，在例如约500℃中通过例如MOCVD在清洁的衬底10上生长缓冲层21A，然后在例如1000℃的生长温度中通过例如诸如ELO之类的横向晶体生长技术生长GaN层22。

接下来，通过例如MOCVD在GaN层22上顺序生长n型接触层23、n型覆层24、有源层25、p型覆层26和p型接触层27。在该情形中，都不包括In的n型接触层23、n型覆层24、p型覆层26和p型接触层27的生长温度为例如约1000℃，而包括有In的有源层25的生长温度例如是700℃到800℃。在通过晶体生长以此方式生长了半导体层20(步骤S1)后，在例如600℃到700℃中执行热处理持续数十分钟来激活p型覆层26和p型接触层27中的受主杂质(步骤S2)。

接下来，在p型接触层27上形成具有预定形状的抗蚀图样(未示出)，该预定形状对应于凸台28的形状，然后通过利用基于氯的气体的RIE(反应离子蚀刻)，使用该抗蚀图样作为掩膜来执行蚀刻，直到达到n型接触层23为止，以形成凸台28。

然后，如图5A所示，在其上形成有半导体层20的衬底10被置于电连接到衬底偏置部分40的基座S上后，例如通过使用衬底加热部分50，在从100℃到小于400℃的温度范围(第一温度范围)中经由基座S加热衬底10(步骤S3)。在该实施例中，对上述衬底偏置部分40和衬底加热部分50进行驱动被称作衬底加热。

此后，衬底10的热量传递到半导体层20，以提高半导体层20的温度，所以在p型接触层27的形成反光层30的界面中晶体规则度杂乱的区域中，晶体规则度的杂乱性减小，沉积在界面上的大部分杂质(例如水汽或有机分量)被移除。因此，在使得界面接近清洁和理想晶体状态后，在继续加热衬底的同时，从而反光层30和保护层31被沉积在p型接触层27上(步骤S4)。

在例如使用溅射来沉积反光层30的情形中，用于溅射靶(target)的等离子体功率优选被最小化，更具体地，能够稳定地维持等离子体放电的最小功率(取决于等离子体设备的结构，例如是1W/cm₂或者小于10Pa的压强)是优选的，这是因为溅射损坏可以被最小化。在使用溅射的情形中，产生了靶和衬底10之间的电势差(在上述状况中，例如约100V到300V)，从而衬底10被偏置，所以衬底10可以在没有衬底偏置部分40的情况下被偏置。

因此，当在溅射期间加热衬底时，在恢复界面中被溅射损坏的结晶度(crystallinity)的同时可以沉积反光层30。从而，可以防止反光层30和p型接触层27之间的接触属性的下降，并且在随后的热处理(烧结)中，反光层30可以容易地与p型接触层27形成欧姆接触。

接下来，在停止衬底加热后，如图5B所示，在预定时间范围中，对半导体层20、反光层30和保护层31以比衬底加热时的温度范围高的温度范围(第二温度范围)内的环境温度进行热处理(烧结)(步骤S5)。

环境温度范围优选是这样的温度，该温度等于或者高于反光层30中包括的Ag可以扩散到p型接触层27中的温度，低于反光层30快速退化的温度。温度范围具有时间依赖性，就是说，热处理时间越短，温度范围就变得越高，并且热处理时间越长，温度范围就变得越低。另一方面，热处理的时间范围优选是这样的时间，该时间等于或者长于基于所设置的温度以及反光层30的厚度和热传导性，反光层30中包括的Ag可以扩散到p型接触层27中的时间。在这种情形中，在所设置的温度较高的情形中，热处理时间被缩短，从而可以在不使反光层30退化的情况下使Ag扩散到预定区域中，而在所设置的温度较低的情形中，热处理时间被延长，从而使Ag可以扩散到p型接触层27中。

在执行上述烧结时，Ag从反光层30扩散到p型接触层27中，以与p型接触层27中的预定组分反应，从而在p型接触层27与反光层30的界面中及其周围形成化合物。此时，p型接触层27中的化合物从p型接触层27扩散到反光层30，以与反光层30中的预定组分反应，从而可以在反光层30与p型接触层27的界面中及其周围形成化合物。

从而，当在反光层30与p型接触层27的界面和它们周围都形成化合物或者在其中之一中形成化合物后，反光层30和p型接触层27的每个界面中的粘合力都增大了，从而附着力也增大了。此外，反光层30与p型接触层27形成欧姆接触，所以电接触属性变得极高。从而，在除了衬底加热之外还执行了烧结的情况下，可以提高反光层30和p型接触层27之间的电接触属性。

最后，p侧焊盘部分32、p侧焊点33、n侧电极34和n侧焊点35被顺序形成。从而制造出了根据本实施例的发光二极管。

在以此方式制造的发光二极管中，在电流被提供给p侧焊点33和n侧焊点35时，电流被注入到有源层25的发光区域25A中，从而通过电子和空穴的重新组合发出光。在从发光区域25A发射出的光中，直接朝向作为发射窗口的衬底10的光L1穿过衬底10被发射到外部，在与作为发射窗口的衬底10相反的方向上的光L2和L3被反光层30反射到衬底10，然后穿过衬底10被发射到外部。

此刻，光L2和L3被包含具有极高反射率的Ag的反光层30反射，所以与光L2和L3被不包括Ag的反光层反射相比，反射率和光提取系数都极大。例如，在整个宽波长范围上反射率可能为约95％，如图6所示。

此外，如图7所示，发光二极管的电流-电压特性基本上是线性的，所以很显然，电连接到p侧焊点33的反光层30与p型接触层27形成欧姆接触。从而，当驱动p侧焊点33和n侧焊点35时，可以减小反光层30和p型接触层27之间的接触电阻，结果可以减小驱动电压。

因此，在该实施例中，在执行衬底加热的同时形成了反光层30之后，反光层30被加热(烧结)，所以尽管反光层30与p型接触层27直接接触，反光层30也可以与p型接触层27形成欧姆接触。此外，反光层30与p型接触层27直接接触，所以从半导体层20发射的光可以被以高反射率反射。从而，可以实现具有反光层30的高反射率以及反光层30和p型接触层27之间的高电接触属性的发光二极管。

此外，例如，作为试验结果，该发光二极管在高温高湿(70℃，90％)环境中持续发光300小时，反光层30仍不会退化或剥落。因此，很明显反光层30和p型接触层27之间的附着力极高。此刻，反射率的变动比例约为0.5％，这在测量误差容限内，所以很明显反射率的变动极小。

尽管参考实施例和修改描述了本发明，但是本发明不限于该实施例和修改，而是可以具有不同的修改。

例如，在上述实施例中，在反光层30被用保护层31覆盖后执行了热处理(烧结)。但是，也可以在反光层30暴露在氮气气氛中的状态下执行热处理(烧结)。

此外，在上述实施例中，描述了包括III-V族氮化合物半导体的发光二极管；但是，本发明不限于此，本发明可应用于包括任何其他半导体材料(例如，基于AlGaAs或者AlGaInP的半导体)的长波长范围发光二极管。

本领域技术人员应当理解，取决于设计需要或者其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替换，只要它们在所附权利要求书及其等同物的范围内。

Claims

1.一种用于制造半导体发光器件的方法，包括以下步骤：

在透明衬底上顺序层叠第一传导层、有源层和第二传导层；

通过在以第一温度范围加热所述透明衬底的同时在所述第二传导层的表面上沉积Ag和预定材料从而形成反光层；以及

在形成了所述反光层后，在预定时间范围中以第二温度范围加热所述第一传导层、所述有源层、所述第二传导层和所述反光层，所述第二温度范围比所述第一温度范围高。

2.如权利要求1所述的用于制造半导体发光器件的方法，其中

所述第一温度范围是从100℃到小于400℃。

3.如权利要求1所述的用于制造半导体发光器件的方法，其中

所述预定材料包括从由下述元素组成的群组中选出的至少一种元素：Pt、Pd、Au、Cu、In和Ga。

4.如权利要求1所述的用于制造半导体发光器件的方法，其中

所述反光层是通过溅射形成的。

5.如权利要求1所述的用于制造半导体发光器件的方法，其中

所述第二传导层是通过顺序层叠第一p型半导体层和第二p型半导体层形成的，并且所述第一p型半导体层和第二p型半导体层由III-V族氮化物半导体制成；并且

所述第二p型半导体层具有比所述第一p型半导体层高的p型杂质浓度。

6.一种半导体发光器件，包括：

通过在透明衬底上顺序层叠第一传导层、有源层和第二传导层形成半导体层；以及

通过在以第一温度范围加热所述透明衬底的同时在所述第二传导层的表面上沉积Ag和预定材料从而形成反光层，

其中，在形成了所述半导体层和所述反光层后，所述半导体层和所述反光层在预定时间范围中被以第二温度范围内的环境温度加热，所述第二温度范围比所述第一温度范围高。