專利名稱：具有硅膠保護(hù)層的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的設(shè)計(jì)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種具有硅膠 保護(hù)層的新型半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
期待固態(tài)照明引領(lǐng)下一代照明技術(shù)。高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)從作為顯示器 件的光源至替代傳統(tǒng)照明的燈泡，正呈現(xiàn)應(yīng)用數(shù)量不斷上升的趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)成本，能效和 亮度是決定LED商業(yè)生存能力的三個(gè)最主要的參數(shù)。LED產(chǎn)生的光線來(lái)自有源區(qū)，該區(qū)“夾于”受主摻雜層(ρ-型層)和施主摻雜層 (η-型摻雜層)之間。當(dāng)LED被施以正向電壓時(shí)，載流子，包括來(lái)自ρ-型層的空穴和η-型 層的電子，在有源區(qū)復(fù)合。在直接寬禁帶材料中，這種復(fù)合過(guò)程釋放出光子或光線形式的能 量，其中光線的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于有源區(qū)域內(nèi)寬禁帶材料的能量。取決于襯底的選擇和半導(dǎo)體層堆疊的設(shè)計(jì)，LED可形成兩種結(jié)構(gòu)，即橫向電極結(jié)構(gòu) (兩個(gè)電極位于襯底的同側(cè))和垂直電極結(jié)構(gòu)(電極位于襯底的兩側(cè))。圖IA和IB圖示 了這兩種結(jié)構(gòu)，其中圖IA圖示了典型橫向電極LED的橫截面視圖，而圖IB圖示了典型垂直 電極LED的橫截面視圖。圖IA和IB中圖示的兩種LED包括襯底層102，η-型摻雜層104， 多量子阱(MQW)有源層106，ρ-型摻雜層以及與η-型摻雜層連接的η-側(cè)電極112。LED制造技術(shù)的最近發(fā)展使得應(yīng)用GaN-基III - V化合物半導(dǎo)體作為短波長(zhǎng)LED的 材料成為可能。這些GaN基LED將LED的發(fā)射光譜延展至綠光，藍(lán)光及紫外區(qū)域。應(yīng)注意 的是在以下的討論中，“GaN材料”可大致包括LxGayAl1TyN((0彡χ彡1，0彡y彡1)基化 合物。這種化合物可是二元，三元或四元化合物，如GaN，InGaN和InGaAIN。晶片邦定技術(shù)作為用于制備GaN基材料的垂直電極LED的方法之一，通常來(lái)說(shuō)，首 先在生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)與另一基礎(chǔ)襯底邦定，之后利用多種化學(xué)和機(jī)械的 方法剝離生長(zhǎng)襯底。然而，多種缺陷如在邦定界面常有裂紋和氣泡，減弱了 GaN外延膜和基 礎(chǔ)襯底之間的粘接。此外，GaN外延膜極薄且脆，使得后續(xù)制造過(guò)程，如切割、測(cè)試及封裝困 難。例如，在測(cè)試過(guò)程期間，真空吸鉗常常被用于提升LED芯片，而由真空吸鉗作用在LED 表面上的接觸力常常使LED芯片龜裂或者甚至是破裂。另外，由于GaN的材料特性，即使用于沒(méi)有晶片邦定的LED制造中，在測(cè)試和封裝 期間，龜裂和破裂仍然是一個(gè)問(wèn)題，產(chǎn)率并因此而降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，該器件包括襯底，位于所述襯 底上的第一摻雜半導(dǎo)體層，位于所述第一摻雜半導(dǎo)體層上的第二摻雜半導(dǎo)體層，位于所述 第一和第二摻雜半導(dǎo)體層之間的多量子阱(MQW)有源層，與所述第一摻雜層連接的第一電 極，與所述第二摻雜層連接的第二電極，以及硅膠保護(hù)層，其中所述硅膠保護(hù)層實(shí)質(zhì)上覆蓋 所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層以及MQW有源層的側(cè)壁以及未被所述第二電極覆蓋的所述第二摻雜半導(dǎo)體層的水平表面部分。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述硅膠保護(hù)層包括DOW CORNING 5351可光刻圖形 化的旋涂硅膠。在該實(shí)施例的另一變型中，所述硅膠保護(hù)層的厚度范圍為1 100微米。在該實(shí)施例的另一變型中，所述襯底包括下列材料的至少一種Cu，Cr, Si和SiC。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第一摻雜半導(dǎo)體層是ρ-型摻雜半導(dǎo)體層。在該實(shí)施例的一個(gè)變形中，所述第二摻雜半導(dǎo)體層是η-型摻雜半導(dǎo)體層。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層都是在由溝槽和臺(tái)面組 成的預(yù)制圖形的襯底上生長(zhǎng)。


圖IA圖示了示例性橫向電極LED的橫截面視圖。圖IB圖示了示例性垂直電極LED的橫截面視圖。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有溝槽和臺(tái)面的預(yù)制圖形化的部分襯底。圖2B圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的被預(yù)圖形化的襯底的橫截面視圖。圖3為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制備具有硅膠保護(hù)層的垂直電極發(fā)光器件 的步驟的流程圖。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有硅膠保護(hù)層的橫向電極發(fā)光器件的橫 截面視圖。
具體實(shí)施例方式給出以下的描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，且這些描述是 在具體應(yīng)用及其需求的背景下提供的。公開(kāi)實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯 而易見(jiàn)的，且在不離開(kāi)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，這里限定的一般原理可以應(yīng)用 到其它實(shí)施例和應(yīng)用中。因而，本發(fā)明不限于所示出的實(shí)施例，而是與權(quán)利要求的最寬范圍一致。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種制備具有硅膠保護(hù)層的發(fā)光器件的方法。在發(fā)光器 件的制備完成后，在器件表面上沉積硅膠材料組成的層。應(yīng)注意的是硅膠材料對(duì)可見(jiàn)光具 有極好的透光率，因此產(chǎn)生的額外光損耗很少。在發(fā)光器件上增加硅膠保護(hù)層具有以下優(yōu) 點(diǎn)首先，由于硅膠材料的牢固性，硅膠保護(hù)層可有效防止器件在后續(xù)測(cè)試和封裝過(guò)程期間 被損壞；其次，硅膠材料的彈性可有效釋放GaN膜和常規(guī)用于封裝的聚酰亞胺材料之間的 應(yīng)力。此外硅膠材料的導(dǎo)熱及反向擊穿特性優(yōu)于聚酰亞胺，因此與常規(guī)制備的發(fā)光器件相 比，具有硅膠保護(hù)層的發(fā)光器件具有更高的產(chǎn)率和更好的可靠性。襯底制備為了在大面積生長(zhǎng)襯底(如Si晶片)上生長(zhǎng)無(wú)裂紋GaN基III-V化合物半導(dǎo)體 多層結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)高質(zhì)量、低成本、短波長(zhǎng)的LED的大規(guī)模生產(chǎn)，在此介紹這種具有溝槽和 臺(tái)面組成的預(yù)制圖形的襯底的生長(zhǎng)方法。具有溝槽和臺(tái)面的預(yù)制圖形化的襯底可有效釋放 由于襯底表面與多層結(jié)構(gòu)之間晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)不匹配所引起的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力。
圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用光刻和等離子刻蝕技術(shù)的具有預(yù)刻蝕 圖形的部分襯底的頂視圖?？涛g得到臺(tái)面200和溝槽202。圖2B通過(guò)展示根據(jù)本發(fā)明一個(gè) 實(shí)施例的沿著圖2A中水平線A-A’的預(yù)制圖形化的襯底的橫截面視圖，更加清楚地圖示了 臺(tái)面和溝槽的結(jié)構(gòu)。正如在圖2B中所示，溝槽的側(cè)壁204有效地形成了單個(gè)臺(tái)面結(jié)構(gòu)的側(cè) 墻，如臺(tái)面206，以及部分臺(tái)面208和210。每個(gè)臺(tái)面限定一個(gè)獨(dú)立表面區(qū)域用于生長(zhǎng)單個(gè) 的半導(dǎo)體器件。
應(yīng)注意的是可以應(yīng)用不同的光刻和刻蝕技術(shù)在半導(dǎo)體襯底上形成溝槽和 臺(tái)面。同樣應(yīng)注意的是，除了形成圖2A所示的正方形臺(tái)面200外，通過(guò)改變凹槽202的圖 案可形成其他幾何形狀。其中一些可選的幾何形狀可包括但不限于三角形，矩形，平行四 邊形，六邊形，圓形或其他不規(guī)則形狀。垂盲電極LED的制備圖3給出流程圖用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制備具有硅膠保護(hù)層的垂直 電極LED的步驟。在步驟A中，制備好具有溝槽和臺(tái)面的預(yù)制圖形化的生長(zhǎng)襯底后，利用多 種生長(zhǎng)技術(shù)，可包括但不限于金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)，形成InGaAlN多層結(jié)構(gòu)。LED 結(jié)構(gòu)可包括襯底層302，其可以是Si晶片；η-型摻雜半導(dǎo)體層304，其可以是Si摻雜GaN 層；有源層306，其可以包括多周期GaN/InGaN MQW結(jié)構(gòu)；以及ρ-型摻雜半導(dǎo)體層308，其可 以是Mg摻雜基GaN。應(yīng)注意的是，ρ-型層和η-型層之間的生長(zhǎng)順序可以顛倒，且有源層是 可選的。在步驟B中，在ρ-型摻雜層上形成ρ-側(cè)歐姆接觸層310。在一個(gè)實(shí)施例中，ρ-側(cè) 歐姆接觸層可通過(guò)沉積Pt組成的薄層來(lái)形成。其他金屬材料也可用于形成與ρ-型層的歐 姆接觸。在步驟C中，在ρ-側(cè)歐姆接觸層310上形成邦定層312。用于形成邦定層312的 材料可包括金(Au)。在步驟D中，多層結(jié)構(gòu)314被倒置并與支撐襯底316邦定。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例中，支撐襯底316包括導(dǎo)電襯底層318和邦定層320。邦定層320可包括Au。導(dǎo)電襯底 層可包括下列材料中的至少一種Si，GaAs, GaP, Cu和Cr。在步驟E中，通過(guò)例如化學(xué)刻蝕技術(shù)或機(jī)械研磨技術(shù)剝離生長(zhǎng)襯底302。生長(zhǎng)襯底 302的剝離暴露了 η-型層304。在步驟F中，去除多層結(jié)構(gòu)的邊緣，以降低表面復(fù)合中心并確保貫穿整個(gè)器件的 高的材料質(zhì)量。盡管如此，如果生長(zhǎng)程序可保證多層結(jié)構(gòu)好的邊緣質(zhì)量，那么這種邊緣去除 操作可是非必需的。在步驟G中，在η-型層304上形成歐姆電極322 (η-側(cè)電極)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例中，η-側(cè)電極322包括Ni，Au和/或Pt。η-側(cè)電極322可利用例如蒸發(fā)技術(shù)如e_束 蒸發(fā)，或?yàn)R射技術(shù)如磁控濺射沉積來(lái)形成。其他沉積技術(shù)也可以用于形成η-側(cè)電極。在步驟H中，在器件上沉積硅膠保護(hù)層324，其覆蓋η_側(cè)電極，暴露的GaN外延膜 以及暴露的基礎(chǔ)襯底。多種材料和技術(shù)可用于形成保護(hù)的硅膠層324。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例中，硅橡膠材料，如DOW CORNING 5331可光刻圖形化的旋涂硅膠，用于形成保護(hù)的硅 膠層324。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，硅膠保護(hù)層3M是以500至3000rpm的旋轉(zhuǎn)速度在器 件上旋轉(zhuǎn)涂覆大約10至30s而成。
在步驟I中，光刻圖形化硅膠保護(hù)層324，以去除硅膠保護(hù)層3M的部分上表面，從 而暴露η-側(cè)電極322。含曝光和顯影的標(biāo)準(zhǔn)光刻圖形化法可用于圖形化硅膠保護(hù)層324。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，按照下列程序操作1.在熱板上在大約110°C下預(yù)烘多層結(jié)構(gòu)大約120s。B.用光掩膜覆蓋多層結(jié)構(gòu)并使多層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度大約是lOOOMj/cm2的紫外光下曝 光。2.在熱板上在大約150°C下后烘多層結(jié)構(gòu)大約180s。3.將多層結(jié)構(gòu)浸入負(fù)膠顯影劑(NRD)中大約120s，并接著用負(fù)性光刻膠漂洗劑漂 洗多層結(jié)構(gòu)大約120s。應(yīng)注意的是也可噴濺NRD至多層結(jié)構(gòu)的表面上顯影光刻圖形。4.在大約150°C時(shí)固化硅膠保護(hù)層大約120s。取決于采用的光刻圖形化的方法，所得到的硅膠保護(hù)層的厚度可具有不同的值。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，硅膠保護(hù)層的厚度范圍為5至10微米。在步驟J中，另一歐姆電極326(p_側(cè)電極)在導(dǎo)電襯底318的背面形成。ρ-側(cè)電 極326的材料組成和形成過(guò)程可與η-側(cè)電極322相似。除了制備具有硅膠保護(hù)層的垂直電極發(fā)光器件外，也可利用相似的方法，通過(guò)在 器件的一側(cè)放置兩個(gè)電極來(lái)制備橫向電極發(fā)光器件。圖4圖示了具有在器件上的硅膠保護(hù) 層402的橫向電極發(fā)光器件的橫截面視圖。保護(hù)層402覆蓋了 ρ-型和η-型摻雜層以及 MQff有源層的側(cè)壁，未被ρ-側(cè)電極覆蓋的ρ-型層的部分水平表面，以及未被η-側(cè)電極覆蓋 的η-型層的部分水平表面。本發(fā)明實(shí)施例的前述描述僅為說(shuō)明和描述的目的而給出。它們并非窮盡性的，或 并不旨在將本發(fā)明限制成這里所公開(kāi)的形式。因此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，許多修改和 變化是顯而易見(jiàn)的。此外，上述公開(kāi)內(nèi)容并非旨在限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由其所附權(quán) 利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，該器件包括 襯底；位于所述襯底上第一摻雜半導(dǎo)體層；位于第一摻雜半導(dǎo)體層上的第二摻雜半導(dǎo)體層；位于所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層之間的多量子阱(MQW)有源層；與所述第一摻雜半導(dǎo)體層連接的第一電極；與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極；以及硅膠保護(hù)層，其實(shí)質(zhì)上覆蓋了所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層以及MQW有源層的側(cè)壁， 以及未被所述第二電極覆蓋的所述第二摻雜半導(dǎo)體層的部分水平表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其特征在于所述硅膠保護(hù)層包括可光刻圖形化的 硅膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光器件，其特征在于所述硅膠保護(hù)層的厚度范圍為1 100微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述襯底包括下列材料中的至 少一種Cu，Cr, Si 和 SiC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述第一摻雜半導(dǎo)體層是ρ-型 摻雜半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述第二摻雜層是η-型摻雜半 導(dǎo)體層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層 都是在具有溝槽和臺(tái)面組成的預(yù)制圖形的襯底上生長(zhǎng)。
8.一種制備半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，該方法包括在第一襯底上制備多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一摻雜半導(dǎo)體 層，MQW有源層，以及第二摻雜半導(dǎo)體層；形成與所述第一摻雜半導(dǎo)體層連接的第一電極； 將所述多層結(jié)構(gòu)與第二襯底邦定在一起； 剝離所述第一襯底；形成與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極；以及形成硅膠保護(hù)層，其實(shí)質(zhì)上覆蓋了所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層以及MQW的側(cè)壁，以 及未被所述第二電極覆蓋的所述第二摻雜半導(dǎo)體層的部分表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述硅膠保護(hù)層包括可光刻圖形化的硅膠。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述硅膠保護(hù)層的厚度范圍為1 100微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述第二襯底包括下列材料中至少一種 Cu, C, Si 禾口 SiC。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述第一摻雜半導(dǎo)體層是ρ-型摻雜半導(dǎo) 體層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述第二摻雜半導(dǎo)體層是η-型摻雜半導(dǎo)體層。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于所述第一襯底包括由溝槽和臺(tái)面組成的預(yù) 制圖形。
15.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，該器件包括 襯底；位于襯底上的第一摻雜半導(dǎo)體層； 位于所述第一摻雜半導(dǎo)體層上的第二摻雜半導(dǎo)體層； 位于第一和第二摻雜半導(dǎo)體層之間的多量子阱(MQW)有源層； 其中部分所述第一摻雜半導(dǎo)體層未被所述第二摻雜半導(dǎo)體層和MQW有源層覆蓋； 與未被所述第二摻雜半導(dǎo)體層和MQW有源層覆蓋的部分所述第一摻雜半導(dǎo)體層連接 的第一電極；與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極； 其中所述第一電極和第二電極均在發(fā)光器件的同側(cè)；以及硅膠保護(hù)層，其實(shí)質(zhì)上覆蓋了所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層以及MQW有源層的側(cè)壁， 未被所述第一電極覆蓋的所述第一摻雜半導(dǎo)體層的部分水平表面，以及未被所述第二電極 覆蓋的所述第二摻雜半導(dǎo)體層的部分水平表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述硅膠保護(hù)層包括可光刻圖形化 的硅膠。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光器件，其特征在于所述硅膠保護(hù)層的厚度范圍為1 100微米。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第一摻雜半導(dǎo)體層是ρ-型摻雜 半導(dǎo)體層。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第二摻雜半導(dǎo)體層是η-型摻雜 半導(dǎo)體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層都是 在具有溝槽和臺(tái)面組成的預(yù)制圖形的所述襯底上生長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，該器件包括襯底，位于所述襯底上的第一摻雜半導(dǎo)體層，位于所述第一摻雜半導(dǎo)體層上的第二摻雜半導(dǎo)體層，位于所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層之間的多量子阱(MQW)有源層。該器件進(jìn)一步包括與所述第一摻雜半導(dǎo)體層連接的第一電極，與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極以及硅膠保護(hù)層。所述硅膠保護(hù)層實(shí)質(zhì)上覆蓋了所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層以及MQW有源層的側(cè)壁，以及未被所述第二電極覆蓋的所述第二摻雜半導(dǎo)體層的部分水平表面。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102067337SQ200880130740
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2008年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者劉軍林, 江風(fēng)益, 王立 申請(qǐng)人:晶能光電(江西)有限公司