專利名稱：具有鈍化層的半導(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)明涉及能有效減少漏電流 并且增強(qiáng)器件可靠性的具有兩層鈍化層的新穎半導(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)照明燈泡，應(yīng)用數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢。一般來說，成本，效率及亮度是決 定LED商業(yè)生存能力的三個(gè)最主要的參數(shù)。LED產(chǎn)生的光線來自有源區(qū)，該區(qū)“夾于”受主摻雜層(ρ-型摻雜層)和施主摻雜 層(η-型摻雜層)之間。當(dāng)LED正向偏置時(shí)，載流子包括來自ρ-型摻雜層的空穴和來自 η-型摻雜層的電子在有源區(qū)復(fù)合。在直接帶隙材料中，這種復(fù)合過程釋放出光子或發(fā)光形 式的能量，其中發(fā)光波長對應(yīng)于有源區(qū)內(nèi)材料的帶隙能量。為確保LED的高效率，理想的是載流子只在有源區(qū)復(fù)合，而在其他區(qū)域如LED的橫 向表面不會出現(xiàn)復(fù)合。然而，由于LED表面上晶體結(jié)構(gòu)的突然終結(jié)，所以在這些表面上可能 有大量的復(fù)合中心。此外，能帶隙往往在表面上收縮，導(dǎo)致器件邊緣上的漏電流增加。LED表面對外界環(huán)境也很敏感，這會導(dǎo)致額外的雜質(zhì)和缺陷。環(huán)境誘使的損壞會嚴(yán) 重降低LED的可靠性和穩(wěn)定性。為使LED與諸如濕度、離子雜質(zhì)、外部電場、熱等等各種環(huán) 境因素隔絕并保持LED的功能性和穩(wěn)定性，重要的是要保持表面潔凈并確?？煽康腖ED封 裝。此外，利用表面鈍化來保護(hù)LED的表面也很關(guān)鍵。表面鈍化通常包括在LED表面上沉 積非反應(yīng)性材料組成的薄層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種發(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，以及位于所述第 一和第二摻雜半導(dǎo)體層之間的多量子阱(MQW)有源層。該器件還包括與第一摻雜半導(dǎo)體層 連接的第一電極和與所述第二摻雜層連接的第二電極。該器件進(jìn)一步包括第一鈍化層，其 大體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。利用氧化技術(shù)所述第一鈍化層形成。該 器件進(jìn)一步包括覆蓋所述第一鈍化層的第二鈍化層。在該實(shí)施例的一個(gè)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，所述第一鈍化層包括Ga2O3。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第二鈍化層包括下列材料的至少一種SiOx，SiNx 或 SiOxNy0在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第一摻雜層是P-型摻雜半導(dǎo)體層。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第二摻雜層是η-型摻雜半導(dǎo)體層。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述MQW有源層包括GaN和InGaN。
在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第一和第二摻雜層在包括溝槽和臺面的預(yù)制圖形 的襯底上生長。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，應(yīng)用氧等離子體形成所述第一鈍化層。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第二鈍化層通過下列方法中的一種形成等離子 體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)，磁控濺射沉積及電子束(e-束)蒸發(fā)。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第一鈍化層的厚度范圍為Inm至lOOnm，且所述第 二鈍化層的厚度范圍為30nm至lOOOnm。


圖1圖示了垂直電極結(jié)構(gòu)LED的常規(guī)鈍化方法。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有預(yù)圖形化成溝槽和臺面的部分襯底。圖2B圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的預(yù)圖形化襯底的橫截面視圖。圖3給出圖表說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制備具有兩個(gè)鈍化層的發(fā)光器件的步
馬聚ο
具體實(shí)施例方式給出以下描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以制造并使用本發(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。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，公開實(shí)施例的許多修改是 顯而易見的，且在不偏離本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，這里所限定的一般原理可應(yīng)用 于其他實(shí)施例和應(yīng)用。因此，本發(fā)明并不限于所給出的實(shí)施例，且與權(quán)利要求的最寬范圍一致。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LED的 材料成為可能。這些GaN基LED已將LED的發(fā)射光譜拓寬至綠光，藍(lán)光及紫外區(qū)域。應(yīng)注 意的是在以下討論中，“GaN材料”可通常包括LxGayAlmN((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，比如GaN，InGaN和InGaAIN。圖1圖示了垂直電極結(jié)構(gòu)LED的常規(guī)鈍化方法。該垂直電極LED包括鈍化層100， η-側(cè)(或P-側(cè))電極102，η-型(或ρ-型)摻雜半導(dǎo)體層104，基于多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu) 的有源層106，ρ-型(或η-型)摻雜層108，ρ-側(cè)(或η_側(cè))電極110，以及襯底112。鈍化層阻止不想發(fā)生的載流子在LED表面上復(fù)合。對于圖1所示的垂直電極LED 結(jié)構(gòu)來說，表面復(fù)合趨向于發(fā)生在MQW有源層106的側(cè)壁。然而，常規(guī)鈍化方法得到的側(cè)壁 覆蓋如圖1所示的層100往往不理想。通常由標(biāo)準(zhǔn)薄膜沉積技術(shù)如等離子體化學(xué)汽相沉積 (PECVD)和磁控濺射沉積得到的側(cè)壁覆蓋的質(zhì)量差。由鈍化層得到的側(cè)壁覆蓋的質(zhì)量在具 有更陡臺階如高于2 μ m的器件中更差，而對于大多數(shù)垂直電極LED來說大多如此。在這種 情況下，鈍化層往往含有大量的孔，這些孔能明顯降低鈍化層阻止表面復(fù)合的能力。增大的 表面復(fù)合率反過來增加了反向漏電流的數(shù)量，導(dǎo)致LED效率和穩(wěn)定性降低。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種制備具有兩層鈍化層的GaN基LED的方法。兩層 鈍化層能有效減少漏電流，提高LED器件的可靠性。在一個(gè)實(shí)施例中，取代只沉積單個(gè)鈍化 層的做法，在LED外部表面上沉積兩個(gè)鈍化層(第一鈍化層，它包括Ga2O3組成的薄層，以及 第二鈣化層，它可是常規(guī)鈍化層)。第一 Ga2O3鈍化層的存在加寬了 GaN表面上的能帶隙，并因此有效地阻止漏電流。襯底制備為了在常規(guī)大面積襯底(如Si晶片)上生長無裂紋多層^iGaAlN結(jié)構(gòu)，推動高質(zhì) 量，低成本，短波長LED的大量生產(chǎn)，介紹一種預(yù)圖形化襯底并使其具有溝槽和臺面的生長 方法。預(yù)圖形化襯底成溝槽和臺面能有效釋放多層結(jié)構(gòu)內(nèi)由襯底表面和多層結(jié)構(gòu)之間晶格 系數(shù)和熱膨脹系數(shù)不匹配造成的應(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)具有預(yù)刻蝕圖 形的一部分襯底的頂視圖。正方形臺面200和溝槽202是刻蝕的結(jié)果。圖2B通過圖示根 據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的沿著圖2A中水平線AA’的預(yù)制圖形襯底的橫截面視圖，更加清楚地 圖示了臺面和溝槽的結(jié)構(gòu)。正如圖2B所示，溝槽204的側(cè)壁有效地形成了隔離臺面結(jié)構(gòu)的 側(cè)壁，如臺面206，及部分臺面208和210。每個(gè)臺面限定一個(gè)獨(dú)立表面區(qū)域用于生長單個(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面。 同樣應(yīng)注意的是除了形成如圖2A所示的正方形臺面200外，通過改變溝槽202的圖形可形 成其他任選幾何形狀。這些任選幾何形狀中的一些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。制備具有兩個(gè)鈍化層的發(fā)光器件圖3給出圖表說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制備具有兩個(gè)鈍化層的發(fā)光器件的 步驟。在步驟A中，制備預(yù)制圖形化成溝槽和臺面的襯底后，利用多種生長技術(shù)可形成 InGaAlN多層結(jié)構(gòu)。多種生長技術(shù)可包括但不是限于金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)。制成 的LED結(jié)構(gòu)可包括襯底302，可以是Si晶片；η-型摻雜半導(dǎo)體層304，可是Si摻雜GaN層； 有源層306，可以是GaN/InGaAIN MQW結(jié)構(gòu)；以及ρ-型摻雜半導(dǎo)體層308，可是Mg摻雜GaN 層。應(yīng)注意的是P-型層和η-型層之間的生長順序可顛倒。在步驟B中，金屬層310在多層結(jié)構(gòu)312上沉積，以形成歐姆接觸。如果金屬層 310與ρ-型摻雜材料連接，那么金屬層310就是ρ-側(cè)歐姆接觸金屬層。ρ-側(cè)歐姆接觸層 310可包括幾種類型的金屬，如鎳(Ni)，金(Au)，鉬(Pt)以及它們的合金。P-側(cè)歐姆接觸 金屬310可利用蒸發(fā)技術(shù)如電子束(e-束)蒸發(fā)沉積。在步驟C中，多層結(jié)構(gòu)312被倒置并與支撐導(dǎo)電結(jié)構(gòu)314邦定。應(yīng)注意的是在一個(gè) 實(shí)施例中，支撐導(dǎo)電結(jié)構(gòu)314包括支撐襯底316和邦定層318。此外，邦定金屬層可在ρ-側(cè) 歐姆接觸金屬層310上沉積以方便邦定步驟。支撐襯底層316是導(dǎo)電的，且可包括硅(Si)、 銅(Cu)、碳化硅(SiC)、鉻(Cr)以及其他材料。邦定層318可包括金(Au)。圖3D圖示了邦 定后多層結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。邦定后，在步驟E中，襯底302被剝離。能用于襯底層302剝離的技術(shù)可包括但不 限于機(jī)械打磨，干法刻蝕，化學(xué)刻蝕以及上述技術(shù)的結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施中，應(yīng)用化學(xué)刻蝕技 術(shù)可實(shí)現(xiàn)襯底302的剝離，其包括將多層結(jié)構(gòu)浸入一種基于氫氟酸、硝酸及乙酸的溶液中。 應(yīng)注意的是，可選的是支撐襯底層在這種化學(xué)刻蝕中受到保護(hù)。在步驟F中，去除多層結(jié)構(gòu)的邊緣，以減少表面復(fù)合中心并確保貫穿整個(gè)器件的 高材料質(zhì)量。然而，如果生長程序能保證多層結(jié)構(gòu)良好的邊緣質(zhì)量，那么這種邊緣去除可以 是非必需的。
在步驟G中，第一鈍化層320形成并覆蓋多層結(jié)構(gòu)的上表面和側(cè)壁。在一個(gè)實(shí)施 例中，第一鈍化層可包括Ga2O3，且是利用氧化技術(shù)形成的，例如，氧等離子體可被應(yīng)用于氧 化GaN材料以形成第一鈍化層。因?yàn)榈谝烩g化層320是通過化學(xué)反應(yīng)形成，所以由于氧化 過程中形成了強(qiáng)的化學(xué)鍵，使得界面上搖擺鍵的數(shù)量大大的減少。同樣地，因?yàn)镚a2O3材料 大約5ev的帶隙寬大于GaN材料大約3. 5ev的帶隙寬，所以在GaN表面上的Ga2O3材料薄層 將會引起GaN表面上帶隙加寬。因此，第一鈍化的形成能有效減少漏電流。第一鈍化層的 厚度在幾納米至幾十納米之間。在步驟H中，對第一鈍化層320光刻圖形化及刻蝕之后，歐姆電極322在n_型摻 雜半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上形成。η-側(cè)歐姆電極322的材料組成和形成過程與ρ-側(cè)歐姆接 觸金屬層310相似。在步驟I中，第二鈍化層3 沉積并覆蓋多層表面的上表面及側(cè)壁。可用于形 成第二鈍化層324的材料可包括但不限于氧化硅(SiOx),氮化硅(SiNx)以及氧氮化硅 (SiOxNy)。多種薄膜沉積技術(shù)如PECVD和磁控濺射沉積可用于沉積第二鈍化層324。第二 鈍化層的厚度范圍為30nm至lOOOnm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二鈍化層的厚度大約是 200nm。在步驟J中，對第二鈍化層3 進(jìn)行光刻圖形化和刻蝕，以暴露η-側(cè)歐姆電極 322，ρ-側(cè)電極3 在支撐襯底316的背面形成。本發(fā)明上述實(shí)施例的描述只為說明和描述的目的給出。它們并非窮盡性的，或是 將本發(fā)明限于所公開的形式。因而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說許多修改和變化是顯而易見 的。因此，上述公開并非旨在限制本發(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，它包括 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；以及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；第一鈍化層，其大體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)體層的部分水平表面，其中所述第一鈍化層 應(yīng)用氧化技術(shù)形成；以及覆蓋所述第一鈍化層的第二鈍化層。
2.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的至少 一種:Cu, Cr, Si 禾口 SiC0
3.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鈍化層包括fe203。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述第二鈍化層包括下列材料 的至少一種氧化硅(SiOx),氮化硅(SiNx)以及氧氮化硅(SiOxNy)。
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半導(dǎo)體層是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MQW有源層包括GaN和 InGaN0
8.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 在具有溝槽和臺面組成的預(yù)制圖形的襯底上生長。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述通過應(yīng)用氧等離子體來形 成所述第一鈍化層。
10.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鈍化層通過下列方 法的至少一種形成等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)，磁控濺射沉積，或電子束(e-束)蒸發(fā)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于所述第一鈍化層的厚度范 圍為Inm至lOOnm，且其中所述第二鈍化層的厚度范圍為30nm至lOOOnm。
12.—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生長多層半導(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)邦定至第二襯底； 剝離所述第一襯底；形成第一鈍化層，其大體上覆蓋所述多層結(jié)構(gòu)的上表面和側(cè)壁，其中所述第一鈍化層 是應(yīng)用氧化技術(shù)形成的；形成與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極；以及 形成覆蓋所述第一鈍化層的第二鈍化層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中第二襯底包括下列材料的至少一種Cu，Cr,Si 以及SiC。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第一鈍化層包括Ga203。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第二鈍化層包括下列材料的至少一 種氧化硅(SiOx),氮化硅(SiNx)以及氧氮化硅(SiOxNy)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12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。
17.根據(jù)權(quán)利要求12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。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述MQW有源層包括GaN和InGaN。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在具有溝槽和臺面 組成的預(yù)制圖形的襯底上生長。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第一鈍化層通過應(yīng)用氧等離子體形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第二鈍化層通過下列方法的至少一 種形成等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)，磁控濺射沉積，或電子束(e-束)蒸發(fā)。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第一鈍化層的厚度范圍為Inm至 lOOnm，且其中所述第二鈍化層的厚度范圍為30nm至lOOOnm。
全文摘要
一種發(fā)光器件及其制造方法。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，以及位于所述第一和第二摻雜半導(dǎo)體層上的多量子阱(MQW)有源層。該器件還包括與所述第一摻雜半導(dǎo)體層連接的第一電極和與所述第二摻雜半導(dǎo)體層連接的第二電極。該器件進(jìn)一步包括第一鈍化層，其大體上覆蓋了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。通過采用氧化技術(shù)來形成所述第一鈍化層。該器件進(jìn)一步包括覆蓋所述第一鈍化層的第二鈍化層。
文檔編號H01L33/12GK102067346SQ200880130782
公開日2011年5月18日 申請日期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 申請人:晶能光電(江西)有限公司