專利名稱：在GaN基板上的發(fā)光二極管芯片和用GaN基板上的發(fā)光二極管芯片制造發(fā)光二極管元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及權利要求1或4的前序部分所述的一種發(fā)光二極管芯片以及用GaN基板上的發(fā)光二極管芯片制造發(fā)光二極管元件的一種方法。
在GaN基板上制造發(fā)光二極管芯片時存在的基本問題是，p型摻雜的層尤其是p型摻雜的GaN層或AlGaN層可達到的電導率滿足不了這樣的要求，即在用別的材料系統(tǒng)制成常規(guī)發(fā)光二極管芯片的情況下，為了達到盡可能高的輻射輸出，一般用的端面接觸只覆蓋芯片正面的很小一部分，以至電流不能擴展到芯片的整個橫斷面。
在一個導電的襯底上生長p型導電層，從而可在p型導電層的整個橫斷面上注入電流，導致了不可接受的經(jīng)濟后果。其原因在于制造導電的晶格匹配的襯底(例如GaN襯底)，在生長基于GaN的各層時需要付出高昂的技術費用；在對未摻雜的和n型摻雜的GaN連接不適合的晶格匹配的襯底上生長p型摻雜的基于GaN的各層時，導致對發(fā)光二極管不足的差的晶體質(zhì)量。
在解決上述問題的一個已知的方案中，在背離襯底的p型導電層的一側上設置了一層輻射能穿透的整個面積的接觸層或附加的一層導電良好的電流擴展層，該層設置有壓焊接觸。
但上述第一方案的缺點是，輻射的相當大的一部分在接觸層被吸收。而在上述第二方案時，則需要一道附加的工序，從而導致制造費用的增加。
日本專利摘要JP 10-150 220A公開了一種發(fā)光半導體器件，這種器件在一個n型GaN襯底上依次設置了一層n型GaN半導體層、一層發(fā)光層和一層p型GaN半導體層。在p型GaN半導體層的表面上布置了一個基本上完全覆蓋了該層的p型電極。
本發(fā)明的目的是首先開發(fā)一種具有改善電流擴展的上述發(fā)光二極管芯片，這種芯片的附加制造費用很少；其次，提出用這種芯片制造發(fā)光二極管元件的一種方法。
上述的第一目的是通過權利要求1或權利要求4的特征部分所述的一種發(fā)光二極管芯片來實現(xiàn)的，有利的各項改進可從各項從屬權利要求中得知。本發(fā)明發(fā)光二極管芯片的優(yōu)選制造方法是權利要求9至14的內(nèi)容。權利要求15給出了一個優(yōu)選的發(fā)光二極管元件。
根據(jù)本發(fā)明的一種發(fā)光二極管芯片，襯底是導電的。在該襯底上，首先設置一個外延層序列的n型導電層，在這個外延層序列上設置外延層序列的p型導電層，然后設置一層橫向整個面積反射的、可壓焊的p型接觸層。該襯底在其背離外延層序列的主面上設置有金屬化接觸，該接觸只覆蓋該主面的一部分。從芯片的光輸出是通過襯底主面的自由區(qū)和通過芯片側面來實現(xiàn)的。
該襯底在這里優(yōu)選起窗口層的作用，該層改進了芯片內(nèi)產(chǎn)生的輻射的輸出。為了襯底厚度的最佳化，該襯底最好在生長外延層序列后例如用磨削和/或腐蝕進行減薄。
根據(jù)本發(fā)明的另一種發(fā)光二極管芯片，該芯片只具有外延層。為此，在外延層序列的外延生長后要把生長襯底去掉。p型導電外延層在其背離n型導電外延層的主面上基本上整個面積都設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層，在離p型導電外延層的n型導電外延層的主面上設置一層只覆蓋該主面一部分的n型接觸層。從芯片的光輸出是通過n型導電外延層的主面自由區(qū)和通過芯片側面來實現(xiàn)的。
在這種情況中，該生長襯底既可以是電絕緣的又可以是輻射不能穿透的并因此而可按有利的方式單獨地選擇最佳的生長條件。
這種所謂的薄膜發(fā)光二極管芯片的獨特優(yōu)點是，特別是由于具有折射率躍變的界面的數(shù)目減少，在芯片中的輻射吸收減少到理想的程度并改善了芯片的輻射輸出。
本發(fā)明兩種發(fā)光二極管芯片的獨特優(yōu)點是可把芯片產(chǎn)生損耗熱的區(qū)域(特別是p型摻雜層和pn結)直接放在散熱器附近；外延層序列實際上直接與一個散熱器進行連接。這樣，芯片可很有效地進行冷卻，從而提高輸出輻射的穩(wěn)定性。同樣也提高了芯片的效率。
由于整個面積的接通，本發(fā)明的兩種發(fā)光二極管芯片以有利的方式降低了正向電壓。
在用本發(fā)明發(fā)光二極管芯片時，p型接觸層具有一層設置p型區(qū)上的透明第一層和一層設置在該透明層上的反射第二層。這樣，接觸層就可按簡單的方式既可在其電性能又可在其反射性能方面達到最佳化。
上述第一層和第二層的優(yōu)選材料為Pt和/或Pd或Ag、Au和/或Al。但反射層也可作為介質(zhì)反射鏡構成。
在另一種優(yōu)選方案中，p型接觸層具有一種PtAg合金和/或PdAg合金。
在又一種優(yōu)選的結構型式中，由層序列形成的半導體的整個外露表面或其中的一部分區(qū)域進行了打毛。通過這種打毛使輸出面的總反射受到干擾，從而有利于進一步提高光的輸出率。
在用本發(fā)明發(fā)光二極管芯片制造發(fā)光二極管元件的本發(fā)明方法中，具有p型區(qū)的芯片安裝在電連接部分尤其是芯片引線架的一個芯片裝配面上。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的方案中，通過對層序列形成的半導體本體的打毛繼續(xù)進行制造處理，其中，半導體本體的整個外露表面或其部分區(qū)域被打毛。對發(fā)光效率的提高特別有效的打毛是通過對半導體本體進行腐蝕或用噴砂方法來實現(xiàn)的。
本發(fā)明的其他有利結構可從下面結合附

圖1a至5所述的實施例中得知。附圖表示圖1a第一實施例的一個示意斷面圖；圖1b優(yōu)選的p型接觸層的示意圖；圖2 第二實施例的一個示意斷面圖；圖3a至3c圖1a實施例的制造工藝過程的示意圖；圖4a至4e圖2實施例的制造工藝過程的示意圖；圖5 本發(fā)明發(fā)光二極管芯片的另一個實施例的示意斷面圖。
在不同實施例的附圖中，相同或作用相同的部分分別用相同或相似的附圖標記表示。
在圖1a的發(fā)光二極管芯片1中，在一個SiC襯底2上設置了一個發(fā)光的外延層序列3。該外延層序列例如具有一層n型導電摻雜的GaN或AlGaN外延層4和一層p型導電摻雜的GaN或AlGaN外延層5。同樣，例如一個基于GaN的外延層序列3可具有一個雙異質(zhì)結構、一個單量子井(SQW)結構(Einfach-Quantenwell-Struktur)或一個帶一層或多層未摻雜層19的多量子井(MQW)結構，例如用InGaN或InGaAlN制成。
SiC襯底2是導電的并對外延層序列3發(fā)出的輻射是可穿透的。
在其背離SiC襯底2的p型區(qū)9上，在外延層序列3上基本上整個面積設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層6，該接觸層例如主要用Ag、用一種PtAg合金和/或用一種PdAg合金制成。
但如圖1b示意圖所示，p型接觸層6也可用輻射能穿透的第一層15和反射的第二層16組成。第一層15例如主要用Pt和/或Pd制成，而第二層16則例如主要用Ag、Au和/或Al或一層介電的反射層制成。
在其背離外延層序列3的主面10上，SiC襯底2設置了金屬化接觸7，該接觸只覆蓋該主面10的一部分并作為絲焊法鍵合用的焊盤構成。金屬化接觸7例如由一層設置在SiC襯底2上的Ni層和緊接著的一層Au層組成。
芯片1用模片結合法用其p型區(qū)即用p型接觸層6裝配到芯片面性引線架11的芯片裝配面12上。n型金屬化接觸7通過一根壓焊絲17與芯片引線架11的連接部分18連接。
芯片1的光輸出是通過SiC襯底2的主面10的自由區(qū)域和通過芯片側面14來實現(xiàn)的。
芯片1在外延層序列3生長后可選擇地具有一個減薄的SiC襯底2(在圖1a中用虛線表示)。
圖2所示實施例與圖1a的區(qū)別在于，芯片1只具有外延序列3的外延層而沒有襯底層。在外延層生長后，襯底層例如用腐蝕和/或磨削去掉。關于這種所謂薄膜發(fā)光二極管芯片的優(yōu)點可參看本說明書的綜述部分。另一方面，外延層序列3具有一個雙異質(zhì)結構、一個單量子井結構或一個帶一或多層未摻雜層19的多量子井結構，例如用InGaN或InGaAlN制成。這里還舉例示意示出了一個發(fā)光二極管封裝21。
圖3a至3c表示用圖1a的發(fā)光二極管芯片1制造發(fā)光二極管元件的示意工藝過程首先在SiC襯底2上生長發(fā)射光的外延層序列3(圖3a)，然后在外延層序列3的p型區(qū)9上整個面積設置可壓焊的p型接觸層6和在襯底2離外延層序列3的主面10的部分區(qū)域設置n型接觸層7(圖3b)。這些工藝過程全在所謂的復合晶片內(nèi)進行，從而可同時制作許多芯片。
在上述工藝過程結束后，將復合晶片分割成單個芯片1。然后將這些單個芯片借助于焊接分別用可壓焊的p型接觸層6安裝在一個芯片引線架11的芯片裝配面12上(圖3c)。
圖4a至4e所示的用圖2發(fā)光二極管芯片1制造發(fā)光二極管元件的方法與圖3a至3c所示方法的主要區(qū)別在于，在外延層序列3生長后和p型接觸層6設置之前或之后去掉了襯底2(圖4c)。在這種情況中，襯底2既可以是電絕緣的又可以是輻射穿不透的，因而可按有利方式單獨地選擇最佳的生長條件。
在去掉襯底2后，在進行類似于上面結合圖3c所述的裝配步驟之前(圖4e)，在外延層序列3的n型區(qū)13上設置n型金屬化接觸7(圖4d)。
圖5所示的實施例具有許多疊層式布置的不同的半導體層101，這些半導體層用GaN或其三元或四元化合物制成。在運行過程中，在這些層的里面構成一個產(chǎn)生輻射105的活性區(qū)102。
層疊被第一個主面103和第二個主面104限定。產(chǎn)生的輻射105主要通過第一主面103輸出到鄰域中。
如上所述，在第二主面104上設置了一層反射的可壓焊的p型接觸層106。在發(fā)射側上的半導體通過接觸面112接通，而反射器側的半導體則通過p型接觸層106接通。反射器側的接通例如可這樣來實現(xiàn)，半導體本體在反射器側放置在一個金屬體上，該金屬體既作為載體又作為電流引線使用。
反射器106使在第一主面103上輸出時反射到半導體本體的輻射105的一部分重新在第一主面103的方向內(nèi)反射，所以總的來說，增加了由第一主面103輸出的輻射量。這種輻射量的增加是這樣實現(xiàn)的，該元件作為薄膜元件構成而沒有吸收輻射的襯底，且反射器106直接設置在GaN半導體本體上。
在這種情況下，半導體本體的表面具有打毛層107，打毛層107引起輻射105在第一主面103上散射，從而使第一主面103上的總反射受到干擾。這種散射在很大程度上阻止了產(chǎn)生的輻射通過連續(xù)的相同的反射象光導體那樣在兩個主面103和104或反射器106之間通導，而不離開該半導體本體。所以通過打毛層107進一步增加了發(fā)光效率。
當然，本發(fā)明不受上述實施例的限制。確切地說，本發(fā)明特別適用于所有這類位于離一個生長襯底較遠的外延層導電率不夠的發(fā)光二極管芯片。
權利要求
1.發(fā)光二極管芯片(1)，具有一個發(fā)光的外延層序列(3)，該外延層序列具有帶n型導電區(qū)(8)的GaN基體上的一層n型導電外延層(4)和一層p型導電外延層(5)并設置在一個導電的襯底(2)上，該襯底(2)對該外延層序列(3)發(fā)出的輻射是可穿透的，外延層序列(3)在其背離襯底(2)的p型區(qū)(9)上基本上整個面積設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層(6)，襯底(2)在其背離外延層序列(3)的主面(10)上設置了金屬化接觸(7)，該接觸只覆蓋該主面(10)的一部分，從芯片(1)的光輸出是通過襯底(2)的主面(10)的自由區(qū)和通過芯片側面(14)來實現(xiàn)的，其特征為，p型接觸層(6)具有一層設置在P型區(qū)(9)上的透光的第一層(15)和一層設置在該第一層上的反射的第二層(16)。
2.按權利要求1的發(fā)光二極管芯片(1)，其特征為，在設置外延層序列(3)后，設置一層減薄的襯底(2)。
3.按權利要求1或2的發(fā)光二極管芯片(1)，其特征為，作為導電襯底(2)采用一個碳化硅襯底。
4.在GaN基體上具有一個發(fā)光外延層序列(3)的發(fā)光二極管芯片(1)，該外延層序列具有一層n型導電外延層(4)和一層p型導電外延層(5)，其特征為在外延層序列(3)的外延生長后，芯片(1)借助于一個生長襯底的去掉而只具有外延層，p型導電外延層(5)在其背離n型導電外延層(4)的主面(9)上基本上整個面積設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層(6)，而n型導電外延層(4)則在其背離p型導電外延層(5)的主面(8)上設置了一層n型接觸層(7)，該接觸層只覆蓋該主面的一部分；從芯片(1)的光輸出是通過n型導電外延層(4)的主面(8)的自由區(qū)和通過芯片側面(14)來實現(xiàn)的。
5.按權利要求4的發(fā)光二極管芯片，其特征為，p型接觸層(6)具有一層設置在p型區(qū)(9)上的透光的第一層(15)和一層設置在該第一層上的反射的第二層(16)。
6.按權利要求1、2、4或5任一項的發(fā)光二極管芯片，其特征為，第一層(15)主要具有Pt和/或Pd，而第二層(16)則主要具有Ag、Au和/或Al或作為介質(zhì)反射鏡構成。
7.按權利要求4的發(fā)光二極管芯片，其特征為，p型接觸層(6)具有一種PtAg合金和/或PdAg合金。
8.按前述權利要求任一項的發(fā)光二極管芯片，其特征為，層序列(3、101)的整個外露表面或其一部分被打毛。
9.用GaN基板上的發(fā)光二極管芯片(1)制造發(fā)光二極管元件的方法，其工藝步驟是a)在一個襯底(2)上外延生長一個發(fā)光的外延層序列(3)，該襯底對從外延層序列(3)發(fā)出的輻射是可以穿透的，外延層序列(3)的一個n型區(qū)(8)面向該襯底(2)，而外延層序列(3)的一個p型區(qū)(9)則背離襯底(2)；b)通過在p型區(qū)(9)上設置透光的第一層(15)和在第一層(15)上設置反射的第二層(16)而在外延層序列(3)的p型區(qū)(9)上整個面積設置一層可壓焊的p型接觸層(6)；c)在背離外延層序列(3)的襯底(2)的一個主面(10)的一部分區(qū)域上設置n型接觸層(7)；d)用朝芯片裝配面的可壓焊的p型接觸層(6)把芯片(1)安裝到一個發(fā)光二極管封裝的或一個發(fā)光二極管封裝內(nèi)的一根印制導線的或一個電引線架(11)的芯片裝配面(12)上。
10.按權利要求9的方法，其特征為，在設置n型接觸層(7)之前，襯底(2)被減薄。
11.用GaN底板上的發(fā)光二極管芯片(1)制造發(fā)光二極管元件的方法，其工藝步驟是a)在一個襯底(2)上這樣外延生長一個發(fā)光的外延層序列(3)，使外延層序列(3)的一個n型區(qū)(8)面向襯底(2)，而該外延層序列的一個p型區(qū)(9)則背離襯底(3)；b)通過在p型區(qū)(9)上設置透光的第一層(15)和在第一層(15)上設置反射的第二層(16)而在外延層序列(3)的p型區(qū)(9)上整個面積設置一層可壓焊的p型接觸層(6)；c)去掉外延層序列(3)的襯底(2)；d)把一層n型接觸層(7)設置到外延層序列(3)的在步驟c)露出的主面(13)的一部分區(qū)域上；e)用朝芯片裝配面的可壓焊的p型接觸層(6)把芯片(1)安裝到一個發(fā)光二極管封裝的或一個發(fā)光二極管封裝內(nèi)的一根印制導線的或一個電引線架(11)的芯片裝配面(12)上。
12.按權利要求9至11任一項的方法，其特征為，層序列(3，101)整個或部分區(qū)域被打毛。
13.按權利要求12的方法，其特征為，層序列(3，101)通過腐蝕打毛。
14.按權利要求12的方法，其特征為，層序列(3，101)通過噴砂方法打毛。
15.具有權利要求1至8任一項發(fā)光二極管芯片的發(fā)光二極管元件，其芯片(1)被安裝在一個發(fā)光二極管封裝(21)的芯片裝配面(12)上，特別是一個芯片引線架(11)上或發(fā)光二極管封裝的印制導線的裝配面上，其特征為，反射的金屬化接觸(6)放在芯片裝配面(12)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及兩種發(fā)光二極管芯片。一種芯片具有一個導電的和輻射能穿透的襯底，外延層序列(3)在其背離襯底(2)的p型區(qū)(9)上基本上整個面積設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層(6)，襯底(2)在其背離外延層序列(3)的主面(10)上設置了一層金屬化接觸(7)，該接觸只覆蓋該主面(10)的一部分；從芯片(1)的光輸出是通過襯底(2)的主面(10)的自由區(qū)和通過芯片側面(14)來實現(xiàn)的。另一種發(fā)光二極管芯片則只具有外延層，p型導電外延層(5)在其背離n型導電外延層(4)的主面(9)上基本上整個面積設置了一層反射的、可壓焊的p型接觸層(6)，而n型導電外延層(4)則在其背離p型導電外延層(5)的主面(8)上設置了一層n型接觸層(7)，該接觸層只覆蓋該主面的一部分；從芯片(1)的光輸出是通過n型導電外延層(4)的主面(8)的自由區(qū)和通過芯片側面(14)來實現(xiàn)的。
文檔編號H01L27/15GK1439176SQ01808734
公開日2003年8月27日 申請日期2001年3月16日 優(yōu)先權日2000年4月26日
發(fā)明者S·巴德·B·哈赫恩, V·赫爾勒, H·-J·盧高爾, M·芒德布羅德－范格羅 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導體股份有限兩合公司