專利名稱：通過離子注入進(jìn)行隔離的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管("LED")的制造和組裝(packaging)。
背景技術(shù)：
LED是當(dāng)電流在其中通過時(shí)發(fā)光的半導(dǎo)體器件。形式最簡單的發(fā)光二極管包括形 成p-n結(jié)二極管的p型部分和n型部分。當(dāng)被安裝在引線框架上并被封入封裝劑(一般是 聚合物)中時(shí)，整個(gè)LED組件(package)也被稱為"燈"。 由于LED可靠性高、壽命長且一般成本較低，因此在許多應(yīng)用領(lǐng)域中的各種發(fā)光 應(yīng)用中得到廣泛認(rèn)可。 LED燈極其牢固。它們一般不包含玻璃并完全避免使用燈絲。結(jié)果，LED燈可以承 受程度遠(yuǎn)高于白熾燈的不當(dāng)使用，且它們的較高的可靠性可以大大降低或消除許多維護(hù)因 素和成本。 LED燈可以具有極高的效率，例如，其在發(fā)光與白熾燈相同時(shí)僅消耗10 %的電力。 許多LED具有100000小時(shí)的使用壽命，即相當(dāng)于連續(xù)使用超過11年。因此，從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)， 大多數(shù)LED只要通過了首次測試(一般作為生產(chǎn)過程的一部分)就不會(huì)失效。在用于諸如 接近爆炸性氣體或液體的異?；蚶щy環(huán)境中時(shí)，LED燈性能更顯優(yōu)異。雖然對于各特定的 應(yīng)用仍然必須對單個(gè)光源的選擇(固態(tài)光源對白熾燈或熒光燈)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，但作為 一般規(guī)則，LED在許多應(yīng)用中都是一種安全的選擇。 LED燈能效高、對環(huán)境友好。它們將電力和電池的使用減少到最低，并且相對較低 的電流需求意味著它們可更容易實(shí)現(xiàn)由太陽能供電。 LED的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和動(dòng)作一般容易理解。例如在諸如Sze的"半導(dǎo)體器件物理 (PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES)"第二版(1981)和Sze的"現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 (MODERNSEMICONDUCTOR DEVICE PHYSICS) " (1998)的教課書中，可以找到發(fā)光二極管的性 質(zhì)和動(dòng)作的理論上的討論和認(rèn)識(shí)以及它們的動(dòng)作所基于的物理和化學(xué)原理。
許多共同受讓的專利和共同未決的專利申請，包含而不限于美國專利 No.6582986、 No. 6459100、 No. 6373077、 No. 6201262、 No. 6187606、 No. 5912477、 No. 5416342 和No. 5838706以及公開的美國申請No. 20020093020和No. 20020123164，同樣討論了發(fā)光 二極管的理論和性質(zhì)。在此引入它們的全部內(nèi)容作為參考。 如所有這些資料證明的那樣，由發(fā)光二極管發(fā)射的光的顏色取決于形成它的半導(dǎo) 體材料的性質(zhì)。如共同受讓的專利和申請中特別闡明的那樣，與紅光或黃光相比，電磁光 譜的綠、藍(lán)、紫、紫外部分中的光具有更高的能量。 一般只能通過使用具有寬帶隙即足以產(chǎn) 生具有所需能量的光子的帶隙的材料，產(chǎn)生這種高能光。("帶隙"是半導(dǎo)體材料的固有性 質(zhì)，決定當(dāng)材料中產(chǎn)生光子時(shí)所釋放的能量。)碳化硅、氮化鎵和其它III族氮化物以及諸如ZnSe和ZnS的某些II-VI化合物是可以產(chǎn)生藍(lán)、綠和/或UV光的寬帶隙半導(dǎo)體材料的 例子。如引入的參考專利文獻(xiàn)中進(jìn)一步闡明的那樣，在這些材料中，氮化鎵和其它III族氮 化物開始成為用于LED制造的優(yōu)選材料。 對于大量的組裝和使用的應(yīng)用情況，發(fā)光二極管的優(yōu)選設(shè)計(jì)是"垂直"方向。術(shù)語 "垂直"不是說明整個(gè)器件的最終位置，而是說明器件內(nèi)的這樣一種方向，即，在器件內(nèi)，用 于引導(dǎo)電流穿過器件及其p-n結(jié)的電觸點(diǎn)位于相反面(軸向)上。因此，最基本的形式的 垂直器件包括導(dǎo)電襯底；襯底的一個(gè)面上的金屬觸點(diǎn)；位于襯底的相反的面上以形成p-n 發(fā)光結(jié)的兩個(gè)或更多個(gè)外延層；位于頂部外延層上以提供穿過各個(gè)層、它們的結(jié)和襯底到 達(dá)襯底觸點(diǎn)的電流通路的頂部觸點(diǎn)。 在由例如公開的美國申請No. 20020123164的本發(fā)明的受讓人制造的最新一代 LED中，基本的LED結(jié)構(gòu)包括碳化硅襯底；襯底上的n型氮化鎵外延層、n型層上的p型氮 化鎵層，這兩個(gè)層由此形成p-n結(jié)；和P型層上的金屬疊層，該P(yáng)型層還形成與器件接觸的 頂部觸點(diǎn)。已發(fā)現(xiàn)，通過基于發(fā)射光的期望波長和碳化硅襯底的折射率，并也可能基于組裝 材料的折射率，仔細(xì)選擇襯底的透明度和幾何尺寸以使光的發(fā)射最大化，可以改善來自這 種器件的光的發(fā)射。因此，在最新的工業(yè)用實(shí)施方式中，發(fā)光二極管位于引線框架上面，使 得二極管的各外延層鄰近引線框架，碳化硅襯底在它們之上。這種方向有時(shí)被稱為"倒裝芯 片"或"結(jié)朝下"，并將被參照附圖詳細(xì)討論。引線框架是金屬框架，其上固定和鍵合有裸片
(die)。引線框架的部分可變成電路的外部接頭(connection)。 雖然"倒裝芯片"的設(shè)計(jì)是有利的，但它可能導(dǎo)致引線框架、裸片固定金屬、器件的 金屬觸點(diǎn)層和外延層的端子邊緣之間的非常小的容限或間隔。由于外延層包含和限定p-n 結(jié)，金屬和結(jié)之間的容限可小至1 5微米。因此，當(dāng)在引線框架上以襯底朝上、結(jié)朝下的 方向安裝LED、并使用金屬(或其它功能性導(dǎo)電材料)以在引線框架和與二極管的p型部 分接觸的歐姆觸點(diǎn)之間提供電接觸時(shí)，用于將LED固定到引線框架上的金屬可能會(huì)無意地 與n型層接觸并形成作為肖特基接觸(Schottky contact)為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的寄生 (即，不希望有的)金屬半導(dǎo)體連接。 另外，在受到熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力后，常被添加以保護(hù)二極管的鈍化層(一般是氮 化硅)會(huì)出現(xiàn)裂紋，并因此還會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)與器件的外延層接觸的不希望有的觸點(diǎn)的可能 性。 通過比較和解釋，當(dāng)二極管位于引線框架上使得襯底而不是外延層鄰近引線框架 時(shí)，所述問題基本上是不存在的。在這種情況下，為了提供穿過襯底和結(jié)的電流，裸片固定 金屬和( 一般情況下)n型碳化硅襯底之間的直接電接觸理所當(dāng)然是優(yōu)選的。
在典型的LED制造方法中，在半導(dǎo)體襯底晶片上生長一種或更多多種半導(dǎo)體材料 的外延層。根據(jù)使用的半導(dǎo)體材料的不同，這些晶片的直徑一般為2 4英寸。由于單個(gè) LED裸片一般十分小(例如，300X300微米)，因此可以以幾何網(wǎng)格圖案在襯底晶片及其外 延層上形成大量的LED裸片。為了成功地制造單個(gè)器件，必須使網(wǎng)格中的LED裸片在物理 上和電氣上相互分離。 一旦在晶片上形成了多個(gè)LED，那么就可以通過使用諸如鋸切、劃斷 (scribe-and-break)等的公知的分離技術(shù)將它們分離為單個(gè)裸片或裸片的多個(gè)組。
裸片分離的過程可能對暴露的p-n結(jié)區(qū)域有害。因此，在分離之前，眾所周知要在 單個(gè)裸片保持在晶片上的狀態(tài)下隔離單個(gè)裸片。同樣用于清楚地限定器件和它們的歐姆觸點(diǎn)的位置的最典型的隔離方法是，實(shí)施一個(gè)或更多個(gè)光刻步驟并蝕刻外延層，以為各器件 或器件前體(precursor)形成包含結(jié)的臺(tái)面(mesa)。 雖然光刻法在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造中是有用的技術(shù)，但它需要特定的設(shè)備和材料， 并且增加加工步驟。例如，典型的光刻法可包含以下步驟將光刻膠(一般是光敏性聚合樹 脂)的層添加到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；在光刻膠之上定位掩模；將光刻膠曝光到其響應(yīng)(通過經(jīng) 歷化學(xué)變化；一般情況下是其在特定溶劑中的溶度)的頻率的光中；蝕刻光刻膠，以去除曝 光或未曝光的圖案(根據(jù)選擇的光刻膠)；然后在剩余的圖案上實(shí)施下面的希望的步驟。特 別是，當(dāng)構(gòu)圖步驟的目的是為了在基于GaN的層中限定蝕刻圖案時(shí)，如果蝕刻劑在完全去 除材料的希望的圖案之前去除光刻膠，那么GaN的化學(xué)、物理和熱穩(wěn)定性(在最終的器件中 是有利的特性)會(huì)導(dǎo)致額外的困難。 因此，形成包含頂部觸點(diǎn)金屬層的臺(tái)面型LED將一般需要這些步驟中的至少兩
組一組用于對臺(tái)面進(jìn)行構(gòu)圖和蝕刻，另一組用于對金屬觸點(diǎn)層進(jìn)行構(gòu)圖和淀積。 因此，在使各器件相互隔離這方面的改進(jìn)可以在各LED和各LED層的結(jié)構(gòu)和性能
方面提供相應(yīng)的改進(jìn)。
圖1是以倒裝芯片的方向安裝在引線框架上的現(xiàn)有LED的斷面圖。 圖2是在形成臺(tái)面和添加金屬觸點(diǎn)前后的LED的基本元件的斷面圖。 圖3是LED的斷面圖，示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的注入。 圖4是以倒裝芯片的方向安裝在引線框架上的根據(jù)本發(fā)明的LED的斷面圖。 圖5(A) 5(D)是本發(fā)明的實(shí)施方式的方法步驟的進(jìn)展示意斷面圖。 圖6(A) 6(D)是本發(fā)明的其它實(shí)施方式的方法步驟的進(jìn)展示意斷面圖。 圖7是以燈的形式組裝的本發(fā)明的實(shí)施方式的斷面圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的附圖更全面地說明本發(fā)明。但是，可以以 許多不同的形式體現(xiàn)本發(fā)明，且不應(yīng)將其解釋為限于這里闡明的實(shí)施方式，而是，提供這些 實(shí)施方式使得本公開徹底完整并全面地將本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖 中，為了清楚起見，夸大各層和各區(qū)域的厚度。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)稱諸如層、區(qū)域或襯底的元件在 另一元件"上"時(shí)，它可以直接在其它元件上，或者也可以存在插入元件。相反，當(dāng)稱元件"直 接在"其它元件"上"時(shí)，則不存在插入元件。并且，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)說明第一元件或?qū)优c第二 元件或?qū)?電接觸"時(shí)，該第一和第二元件或?qū)訜o須相互直接的物理接觸，而可以通過允許 電流在第一和第二元件或?qū)又g流過的插入導(dǎo)電元件或?qū)訉⑺鼈冞B接。
圖1是總稱為20并以說明當(dāng)以一定的方向安裝發(fā)光二極管可能出現(xiàn)的潛在問 題的方式示出的發(fā)光二極管的斷面示意圖。雖然以相當(dāng)簡化的方式表示發(fā)光二極管20， 但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解器件20可以比這里示出的更復(fù)雜(即，包含更多的元件)。但在 這種情況下，可以用基本的說明清楚地理解本發(fā)明。在共同受讓且共同未決的申請公開 No. 20020123164中也說明了 20表示的類型的示例性二極管及其一些變更方式，在此引入 其全部內(nèi)容作為參考。
二極管20包含可以是n型碳化硅的襯底21 ，該n型碳化硅具有選自包含碳化硅的 2H、4H、6H、8H、15R和3C多型(polytype)的組的多型。由共同形成p_n結(jié)24的n型氮化鎵 區(qū)域22和p型氮化鎵區(qū)域23表示器件20的二極管部分。區(qū)域22和區(qū)域23可以分別包含 單個(gè)層或具有不同的成分、厚度、摻雜劑濃度或其它品質(zhì)的相關(guān)多個(gè)層的組。二極管20還 可以包含與P型氮化鎵外延區(qū)域23接觸的歐姆觸點(diǎn)25和與歐姆觸點(diǎn)電接觸的裸片固定金 屬26。如在此引入作為參考的美國專利申請No. 10/200244說明的那樣，裸片固定金屬26 可以與諸如金或銀層的鍵合焊盤(未示出)物理接觸。并且，可以在裸片固定金屬26和歐 姆觸點(diǎn)25之間形成反射體(reflector)、阻擋層或其它金屬層(未示出)。可以在襯底21 上形成歐姆觸點(diǎn)15，以形成上述垂直器件，并且引線29可以與觸點(diǎn)15連接，以將器件連接 到外部電路。并且，在圖1中所示的器件中，包含諸如氮化硅或二氧化硅的絕緣材料的鈍化 層5覆蓋或諸如聚酰胺的絕緣聚合物并且保護(hù)外延區(qū)域22、23的暴露表面。
—般在在二極管20和外部電路之間提供電接觸的金屬或金屬化弓|線框架27上安 裝二極管20。如背景技術(shù)中闡明的那樣，在典型的情況下，由在相對較低的溫度下熔化的 金屬形成裸片固定金屬26，該溫度例如低于歐姆觸點(diǎn)25且低至使得在裸片固定的過程中 其它組裝部件不會(huì)受損。因此，裸片固定金屬26可以包含諸如錫的焊料或諸如金/錫的合 金。裸片固定金屬使得可以通過焊接或熱聲鍵合迅速方便地在引線框架上安裝二極管20。 在這點(diǎn)上，圖l還示出，如果不精確地形成裸片固定金屬(如果如大多數(shù)器件那樣具有非常 小的規(guī)模和尺寸，則常存在這種可能性)，那么裸片固定金屬26的部分30會(huì)延伸出具有歐 姆觸點(diǎn)25的希望的觸點(diǎn)，并會(huì)與p型氮化鎵區(qū)域23或n型氮化鎵區(qū)域22接觸。在這種情 況下，裸片固定金屬的不精確或不希望有的部分30會(huì)與n型氮化鎵層22接觸，并會(huì)與n型 層22，或者，如果它延伸得足夠遠(yuǎn)，則會(huì)與n型碳化硅襯底21，形成不希望有的和寄生的肖 特基二極管。 圖2示出形成或隔離發(fā)光二極管中的結(jié)的常規(guī)方式。如圖1的情況那樣，示出二極 管(總稱為32)的最基本的方面，并可以包含為了清楚起見沒有在圖2中示出的其它元件。 如圖1中的二極管20的情況那樣，二極管32包含n型碳化硅襯底33、和形成p-n結(jié)36的 襯底33上的氮化鎵的n型外延層34和n型層上的氮化鎵的p型層35。為了形成和隔離該 結(jié)，外延層34和35 —般被蝕刻為形成圖2的右手邊部分中示出的臺(tái)面(mesa)結(jié)構(gòu)，該右 手邊部分還示出了與P型外延層35接觸的歐姆觸點(diǎn)37。在許多情況下，用二氧化硅或一 些其它適當(dāng)?shù)慕^緣或介電材料覆蓋通過蝕刻層34和35形成的臺(tái)面內(nèi)的結(jié)36，以在裸片分 離、組裝或其它加工步驟中或在操作過程中，幫助保護(hù)結(jié)36不受外部污染和/或損傷。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，為了將層35和36形成到臺(tái)面內(nèi)，必須實(shí)施大量的附 加步驟。這些步驟一般包含以下步驟用來形成用于蝕刻的圖案的掩蔽步驟，該步驟反過來 又包含卸下掩模(一般是光刻膠)的步驟；在光刻膠之上放置光學(xué)圖案；曝光；使光刻膠顯 影；去除掩模的被顯影部分(或者，視情況而定，也可以是未被顯影部分)并蝕刻下面的外 延層；然后去除光刻膠。雖然現(xiàn)在在半導(dǎo)體工業(yè)中這些步驟是相同的，且可以以高精度實(shí)施 它們，但這會(huì)為整個(gè)制造過程增加附加的工程和成本因素，并且，由于公知的原因，各附加 的制造步驟會(huì)在最終的器件中產(chǎn)生較小的公差或精度損失。 圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式的結(jié)形成方法的概略(broad)示意圖。該方法包含將由 箭頭40示意性地表示的離子注入總稱為42的二極管中的鄰近p-n結(jié)43的外延層41中。外延層41具有第一導(dǎo)電類型(圖3中示為p型)。注入的離子的類型和數(shù)量增加注入?yún)^(qū) 域44的電阻率并可使注入?yún)^(qū)域44具有高電阻性和/或半絕緣性。在本文中，"高電阻性" 的意思是材料的電阻足夠高，使得當(dāng)向晶片上的鄰近裸片的陽極施加偏壓時(shí)，產(chǎn)生可忽略 不計(jì)的電流。即，如果注入?yún)^(qū)域44中的材料基本上將鄰近裸片在電氣上隔離，則認(rèn)為它具 有用于本發(fā)明的高電阻性。在一些實(shí)施方式中，注入?yún)^(qū)域44的電阻率是至少2000Q-cm。 如果材料的電阻率足夠高，可以認(rèn)為材料是P型或n型半導(dǎo)體材料以外的半絕緣性(或"i 型")材料。 一般而言，可以認(rèn)為室溫下具有超過lX10SQ-cm的電阻率的材料具有用于本 發(fā)明的半絕緣性。 如圖3A中更清楚地說明的那樣，可以向限定注入周邊44的圖案注入離子40?？?以用注入的離子40對周邊44充分摻雜，使其具有高電阻性，以由此用注入周邊44隔離或 限定結(jié)43。圖3還示出n型層45、襯底46和金屬觸點(diǎn)47。外延層41中的虛線也幫助說明 圖3的視圖中的周邊的位置。 在一些實(shí)施方式中，襯底46可以包含n型碳化硅，該n型碳化硅具有選自包含碳 化硅的2H、4H、6H、8H、 15R和3C多型的組的多型。但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，襯底46可 以包含諸如藍(lán)寶石、氮化鎵、氮化鋁的其它材料或諸如MgO、尖晶石、硅或ZnO的其它適當(dāng)材 料。并且，襯底46可以具有導(dǎo)電性，以使得形成垂直器件，或者，襯底46可以具有絕緣性或 半絕緣性。 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，金屬觸點(diǎn)47可以用作將離子40注入器件的注入掩 模。例如，如果金屬觸點(diǎn)47包含具有足夠的厚度以防止離子40到達(dá)層41的金屬疊層，那 么可以避免淀積分離的注入掩模。 如圖3示意性示出的那樣，在一個(gè)實(shí)施方式中，該方法包含將諸如氮或磷的離子 注入氮化鎵的P型層中?？梢允褂冒瑲?、氦、鋁和N2的其它離子，以通過注入增加區(qū)域的 電阻率。將參照圖5說明該方法的其它方面。 可以以常規(guī)方式在室溫下進(jìn)行注入。如目前廣泛了解的那樣(不限于特定的理 論)，注入的離子在GaN內(nèi)產(chǎn)生損傷，以在帶隙內(nèi)產(chǎn)生深能級(de印level)。它們反過來捕 獲GaN中的自由載流子，由此使得材料具有高電阻性。 諸如GaN的III族氮化物的發(fā)光二極管不限于使用n型襯底和p型頂層。但是， 關(guān)于為什么更常使用n型SiC襯底，有許多本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的原因。因此，本發(fā)明還可 以包含注入n型層，以增加其電阻率。但是，由于使用n型襯底更加常見，因此這里的說明 主要指的是這種結(jié)構(gòu)。 雖然示出了包含兩層氮化鎵(n型和p型)的發(fā)光二極管，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 認(rèn)識(shí)到，二極管42可包含一個(gè)或更多個(gè)量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)或同時(shí)包含這兩者，以及活性 層或多個(gè)活性層可以包含更大范圍的III族氮化物化合物，而不是固定地只包含氮化鎵。 但是，為了清楚地理解本發(fā)明，無須詳細(xì)闡述這些變化，因此，這里不對它們進(jìn)行詳述。因 此，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，也可將更精細(xì)的器件的相關(guān)部分稱為"活性層"、"二 極管部分"、"二極管區(qū)"或"二極管結(jié)構(gòu)"。 圖4是與圖1類似的示意性斷面圖，它示出添加了本發(fā)明的注入周邊區(qū)54的總稱 為50的二極管。二極管50包含襯底51，該襯底51在一些實(shí)施方式中是n型碳化硅。
n型氮化鎵外延層在襯底51上，在圖4中所示的"倒裝芯片"的方向中，看起來在襯底51的下面。p型層53鄰近n型層52，且該兩個(gè)層限定其間的p-n結(jié)58。 二極管還包含歐姆觸點(diǎn)55和裸片固定金屬部分56。 由于已以圖3說明的方式對二極管進(jìn)行了注入，因此它包含以鄰近圖4中的虛線示出的高電阻性周邊部分54。在引線框架57上，對位置不理想的裸片固定金屬的局部60也示出54。如由此說明的那樣，本發(fā)明提供幾個(gè)方面的進(jìn)步。首先，由于二極管50的注入?yún)^(qū)域54不需要形成臺(tái)面所需要的多個(gè)步驟，因此金屬部分60可得到的幾何空間區(qū)域現(xiàn)在更有限。因此，P型層及其絕緣部分54提供對過量金屬60的附加的幾何、空間阻擋。另外，由于注入部分54具有高電阻性，因此在過量的金屬60和注入周邊部分54之間有極少或沒有電交互作用。最后，達(dá)到n型外延層52需要的過量的不希望有的金屬60的量更大。換句話說，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定量的裸片固定金屬56、60時(shí)，本發(fā)明提供更大的誤差裕量。如上面關(guān)于圖l說明的那樣，在操作和實(shí)踐中，二極管50會(huì)同時(shí)具有連接到引線框架的陽極和陰極接頭，但為了清楚地說明本發(fā)明，已略去了這些接頭的細(xì)節(jié)。 進(jìn)一步說明本發(fā)明的一些其它細(xì)節(jié)，圖4中示出的襯底51由導(dǎo)電性碳化硅形成，但也可以包含半絕緣性碳化硅或藍(lán)寶石(具有絕緣性)，這是因?yàn)楸景l(fā)明的優(yōu)點(diǎn)基于外延層提供的優(yōu)點(diǎn)。因此，雖然為了組裝的需要，絕緣性或半絕緣性襯底需要與導(dǎo)電性SiC襯底稍微不同的幾何尺寸，但關(guān)于本發(fā)明的原理和外延層保持相同。并且，對于發(fā)光二極管，襯底51優(yōu)選是對當(dāng)向器件施加電位差時(shí)由結(jié)58發(fā)射的光基本上透明。因?yàn)樘蓟柙诳梢姽庾V的較高能量部分中發(fā)光，因此襯底優(yōu)選是對波長為約390 550納米的光基本上透明，且更優(yōu)選是對485 550納米的光基本上透明。美國專利No. 5718760及其同族專利No. 6025289和No. 6200917說明了用于制造無色SiC的技術(shù)。這些專利與本發(fā)明共同受讓，并在此全部被引入作為參考。 如上所述，半絕緣性邊界部分54具有足夠的電阻率，以防止邊界54與金屬56、60
接觸時(shí)出現(xiàn)的肖特基行為，否則如果邊界54是n型，則產(chǎn)生肖特基行為。 如圖7所示，可以在包含端板73、電引線72和可以以透鏡75的形狀成型的封裝劑
74(諸如環(huán)氧樹脂)的組件中安裝本發(fā)明的和圖3或圖4中示出的類型的發(fā)光二極管78。
可以以常規(guī)的襯底朝下方向或外延層鄰近端板73的"倒裝芯片"方向安裝LED78?？梢宰?br>
為顯示器的一部分加入得到的LED燈79，或可以將其用作指示器光源、背光源或其它應(yīng)用。 與p型層連接的歐姆觸點(diǎn)一般選自包含鉑、鎳、金、鈦、鋁、銀和它們的組合的組，
并且，當(dāng)使得歐姆觸點(diǎn)與碳化硅襯底接觸時(shí)，它一般選自包含鎳、鉬、鈀、鋁、鈦和它們的組
合的組。由于與襯底(圖4中未示出)連接的歐姆觸點(diǎn)可見地位于以希望的方式發(fā)射的光
的方向，并且由于較大的觸點(diǎn)具有展寬電流的優(yōu)點(diǎn)，因此優(yōu)選是歐姆觸點(diǎn)被選擇和形成為
盡可能接近透明，它一般具有為促進(jìn)電流向適當(dāng)?shù)碾娐妨鲃?dòng)而添加的附加的較小的鍵合焊 以類似的方式，歐姆觸點(diǎn)55和裸片固定金屬56可被選擇為用作鏡面或反射體，以增強(qiáng)當(dāng)組裝時(shí)和使用時(shí)的最終的輸出或二極管50。作為替代方案，可以為此目的包含附加的金屬層(或多個(gè)層)。并且，可以為其它目的在金屬疊層中包含其它金屬層，諸如用于防止污染物擴(kuò)散的阻擋層和用于將外部觸點(diǎn)鍵合到器件上的鍵合層。 如上面關(guān)于器件的基本說明和關(guān)于本方法說明的那樣，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不限于圖4的示意性說明。出于許多方面的原因，在碳化硅襯底和第一氮化鎵(或其它III族氮化物)層之間，常包含緩沖層作為結(jié)構(gòu)的一部分。在許多情況下，緩沖層可以包含氮化鋁或從
近碳化硅襯底的高鋁濃度到其與氮化鎵外延層的界面上的高氮化鎵濃度漸變的氮化鋁鎵
(AlGaN)的梯度層?？杀患尤脒@種類型的二極管且特別適于本發(fā)明的其它結(jié)構(gòu)部分包含
用于增強(qiáng)整個(gè)器件的晶體穩(wěn)定性的超晶格結(jié)構(gòu)、用于增強(qiáng)光的輸出或?qū)⑵渥兂商囟l率的
量子阱、或用于通過提供更多的活性層和改善它們之間的關(guān)系來增強(qiáng)器件的亮度的多量子
阱。另外，可能希望鈍化器件50的外延層52、53的暴露表面，用于環(huán)境保護(hù)。如上所述，這
種鈍化可包含通過PECVD、濺射或其它適當(dāng)?shù)拟g化技術(shù)淀積的二氧化硅或氮化硅。 圖5示出本發(fā)明的方法的一些方面。廣義上講，本方法在二極管中，最優(yōu)選在III
族氮化物或氮化鎵系二極管中，電氣地形成或隔離P_n結(jié)，以當(dāng)為使用安裝二極管時(shí)最小
化或避免不希望有的電觸點(diǎn)和通路并/或防止在裸片分離的過程中對P_n結(jié)造成損傷。在
這點(diǎn)上，本方法包含以下步驟在作為p-n結(jié)的一部分的氮化鎵的p型外延層的中心部分
上，淀積歐姆金屬觸點(diǎn)層；通過在金屬層上施加蝕刻掩模并去除部分蝕刻掩模和金屬層，對
金屬層進(jìn)行構(gòu)圖；然后將離子注入未被蝕刻掩模覆蓋的P型外延層的周邊部分中。 在稍微更詳細(xì)的方面中，本方法可以包含以下步驟掩蔽歐姆金屬層的一部分
(并可能會(huì)掩蔽歐姆觸點(diǎn)上的鍵合焊盤)；從外延層去除保留的暴露的歐姆金屬觸點(diǎn)層；用
足以增加暴露部分的電阻率(并可能會(huì)使暴露部分具有半絕緣性)的原子注入外延層的暴
露部分中；并從歐姆觸點(diǎn)(以及鍵合焊盤)去除掩模，由此制成P型層的高電阻率部分。在
這一點(diǎn)上，本方法可以包含以下步驟在掩蔽的步驟之前淀積歐姆觸點(diǎn)和鍵合焊盤，并用光
刻膠掩蔽歐姆觸點(diǎn)金屬。 回到圖5，更詳細(xì)地，該圖還示出總稱為60的器件前體(precursor) 。 二極管前體60包含襯底61 (在一些實(shí)施方式中包含n型SiC)、襯底61上的n型氮化鎵外延層62、n型層62上的p型氮化鎵外延層63、p型層63上的歐姆觸點(diǎn)層65、歐姆觸點(diǎn)層65上的金屬鍵合焊盤66。形成襯底和各外延層以及淀積歐姆觸點(diǎn)和鍵合焊盤的各步驟一般在本領(lǐng)域中是公知的，這里不再詳述。在包含但不限于共同受讓的美國專利No. 6297522、No. 6217662、No. 6063186、No. 5679153、No. 5393993和No. 5119540的發(fā)布的授權(quán)的專利中包含了代表性的說明。 圖5(B)示出在光刻膠被淀積、掩蔽和構(gòu)圖以在圖5(B)中所示的整個(gè)鍵合焊盤和歐姆觸點(diǎn)65的一些但非全部區(qū)域上形成光刻膠部分67之后的二極管前體60。然后，蝕刻圖5(B)中的前體，以去除未被光刻膠67覆蓋的歐姆觸點(diǎn)層65的部分?？梢砸匀我膺m當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行這種蝕刻，使用氯系等離子體的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)是一種可能的方法。蝕刻得到圖5(C)中所示的結(jié)構(gòu)，其中，歐姆觸點(diǎn)的尺寸已被減小到由65(a)表示的區(qū)域。圖5(C)還示出，在去除歐姆觸點(diǎn)層65的一部分后，露出p型外延氮化鎵層的部分。
由此圖5(D)示出離子70的注入(示意性)，以在限定和隔離結(jié)64的p型氮化鎵層63中形成高電阻性區(qū)71。在一些實(shí)施方式中，高電阻性注入?yún)^(qū)71具有半絕緣性。
作為替代方案，如果歐姆觸點(diǎn)層65足夠薄，從而基本上不妨礙注入步驟，那么可以在蝕刻歐姆觸點(diǎn)層65的步驟之前進(jìn)行圖5(D)中所示的注入步驟。 在去除光刻膠67時(shí)，得到圖5(E)中所示的前體結(jié)構(gòu)。然后，可以將該前體結(jié)構(gòu)分成為單個(gè)的裸片。 由于光刻膠67用作兩個(gè)步驟的掩模(蝕刻 姆觸點(diǎn)層65 注入離子70)，因此本發(fā)明的方法減少了制造周期、晶片操作和化學(xué)消耗，同樣減少了與掩蔽和蝕刻過程相關(guān)的生產(chǎn)率下降。 圖6(A) (D)中示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，提供包含襯底81和外延區(qū)82和83的晶片80。如圖6(A)所示，在外延區(qū)83上形成金屬疊層86。如上所述，外延區(qū)83具有第一導(dǎo)電類型，外延區(qū)82具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型。外延區(qū)82和83可分別包含一個(gè)或更多個(gè)具有相同的導(dǎo)電類型的層。金屬疊層86可以包含多個(gè)金屬層，這些金屬層的每一個(gè)具有特定的功能。例如，金屬疊層86可以包含用于與外延區(qū)83形成歐姆觸點(diǎn)的金屬層。金屬疊層86還可以包含反射體、阻擋層、粘接層、鍵合層和/或其它層。 如圖6 (B)所示，在金屬疊層86上淀積蝕刻掩模85，并通過光刻法對其進(jìn)行構(gòu)圖，以形成選擇性地露出金屬疊層86的表面部分86A的開口 。作為替代方案，可以通過本領(lǐng)域公知的光刻、淀積和提離(liftoff)技術(shù)形成金屬疊層86。 S卩，可以通過以下步驟形成金屬疊層86 :將表層(blanket)光刻膠施加到外延區(qū)83的表面上；通過使光刻膠曝光和顯影，對其進(jìn)行構(gòu)圖；淀積金屬作為表層并提離不希望有的金屬。 現(xiàn)在參照圖6(C)，選擇性地蝕刻金屬疊層86，以露出外延區(qū)83的表面部分83A。然后通過常規(guī)方法去除蝕刻掩模85。然后將離子87注入外延區(qū)83的暴露部分中，以上述方式使注入?yún)^(qū)84具有高電阻性，并在該結(jié)構(gòu)內(nèi)形成p-n結(jié)區(qū)域88。在該實(shí)施方式中，構(gòu)圖的金屬層86用作注入掩模。 最后，如圖6(D)所示，通過使用常規(guī)技術(shù)，去除蝕刻/注入掩模85并使單個(gè)的裸片89分離，使得被限定的p-n結(jié)區(qū)域88被裸片的側(cè)壁90隔離，并由此在物理上和電氣上
被隔離。
實(shí)驗(yàn) 在評估本發(fā)明時(shí)，進(jìn)行以下注入工序 在以下評估的每一個(gè)中，提供包含n型碳化硅襯底、n型外延區(qū)和p型外延區(qū)的LED前體。p型外延區(qū)包含摻雜載流子濃度為約1 5X 1017cm—3的Mg的GaN/AlGaN層且總厚度為約210nm。在第一評估中，實(shí)施以下連續(xù)劑量20keV的劑量為1013每平方厘米(cm—2)的一價(jià)氮(N+1) 、125keV的劑量為1. 4X 1013cm—2的N+1和125keV的劑量為2X 1013cm—2的二價(jià)氮(N+2)。 在第二評估中，以1013cm—2的劑量在20keV下注入N+1氮，然后是125keV的劑量為1. 4X1013cm—2的一價(jià)氮。 在第三評估中，通過使用劑量為1013cm—2的N+、在20keV下實(shí)施第一劑量，然后是
125keV的1. 4X 1013cm—2的劑量，然后是190keV的劑量為1. 7X 1013cm—2的N+1。 在這三種條件下，都進(jìn)行結(jié)隔離和形成。通過探測鄰近的金屬疊層并執(zhí)行連續(xù)測
量，對結(jié)隔離進(jìn)行驗(yàn)證。在p-n結(jié)的擊穿之前，沒有觀察到可測的電流。注入的氦和氫也產(chǎn)
生得到在室溫下將幾乎任何離子注入P型氮化鎵中將導(dǎo)致材料電阻大大增加的可能結(jié)論
的電阻率條件。 但本發(fā)明人不希望受任何特定理論的束縛。因此，為了說明而非限定，提供這里討論的可能的結(jié)論。 這些注入步驟使得結(jié)的邊緣具有絕緣性和不活潑性(是所希望的)。由于p型氮化鎵表現(xiàn)出的低空穴濃度(約lX10"cm—3)，因此注入步驟對于p型氮化鎵也是有利的。由本發(fā)明的注入產(chǎn)生的不活潑特性在直到接近90(TC的溫度是穩(wěn)定的。因此，由本技術(shù)得到的結(jié)隔離可用于包含P型層的任何氮化物器件中。從而，藍(lán)寶石上以及碳化硅和其它襯底上的基于氮化物的發(fā)光二極管同樣可從用于結(jié)隔離的注入的使用中受益。
在從Cree公司得到的商業(yè)裸片上，進(jìn)行以下評估。 標(biāo)準(zhǔn)注入條件(1)如下。還檢測了其它條件(2) (5)。條件(2)目的在于評估每個(gè)注入離子消除的載流子的數(shù)量。條件(3)和條件(5)目的在于評估僅在器件的p側(cè)上的注入效果。條件(4)評估與(1)和(2)比較類似的捕獲載流子的效率。在進(jìn)行注入的過程中，已確定，與Cree的藍(lán)色LED相比，Cree的綠色LED需要更高的能量注入。
對藍(lán)色采取的注入條件(表示連續(xù)劑量) (1)20keV時(shí)為1 X 1013、 125keV時(shí)為1. 4X 1013、 190keV時(shí)為1. 7X 1013 (標(biāo)準(zhǔn)三劑量條件) (2) 20keV時(shí)為1 X 1012、 125keV時(shí)為1 X 1012、 190keV時(shí)為1. 7 X 1012 (1/10劑量上的標(biāo)準(zhǔn)條件) (3) 125keV時(shí)為1. 4X 1013(來自#1的標(biāo)準(zhǔn)條件的單劑量)
(4) 125keV時(shí)為1. 4 X 1012 (#4的1/10劑量)
(5) 30keV時(shí)為1 X 1013、 100keV時(shí)為1. 4 X 1013 對于Cree的藍(lán)色發(fā)光二極管，并基于TRIM模擬，(1)和(2)的190keV注入比在n側(cè)放置190keV注入氮的大多數(shù)的p-n結(jié)深得多。對(3)和(4)的125keV時(shí)為單劑量和(5)的雙劑量進(jìn)行考慮。100和125keV能量使氮濃度的峰值位于或大致位于表面之下1500 1800A的p-n結(jié)上。100禾P 125keV注入的模擬峰值分別為約1600A和2000A。 GaN材料被從低電阻率轉(zhuǎn)變成高電阻率。 P型GaN的厚度為約1200 1500A，自由空穴濃度為約2 5X 1017/cm3。 P型AlGaN的厚度為約300A，空穴濃度為約5 20X 1016/cm3。 條件(1)對于藍(lán)色LED總是有效(艮P，希望的隔離和靜電放電(ESD)產(chǎn)量)。 條件(2)成功地隔離器件，但ESD產(chǎn)量較差。 條件(3)隔離器件，ESD產(chǎn)量良好。 條件(4)沒有很好地隔離器件且沒有提供良好的ESD產(chǎn)量。
條件(5)隔離器件，ESD產(chǎn)量良好。 對于Cree的綠色發(fā)光二極管，條件(1) (5)的每一個(gè)都產(chǎn)生高電阻率p型材料并隔離相鄰的器件，但沒有一個(gè)條件能產(chǎn)生良好的ESD產(chǎn)量。但是，添加2X10，cm2的劑量的230keV氮注入對于隔離和ESD產(chǎn)量都十分有效。 生產(chǎn)恢復(fù)過程用后期制作對其它器件進(jìn)行鈍化，在這些情況下，器件具有約1600A厚的氮化硅覆蓋層。對于藍(lán)色的最佳條件仍然是條件(1)，但是需要額外的30keV的能量，以滲透鈍化層。通過將額外的30keV添加到以2E13/cm2添加的230keV注入上，對于綠色LED得到類似的結(jié)果。劑量不變。 電阻率的估計(jì)電阻率被估計(jì)為大于2X 103歐姆-cm。通過評估具有2伏特的施加電壓的兩個(gè)相鄰焊盤之間的電流流動(dòng)，完成上述估計(jì)。得到的電流是測量不到的(< 50nA)。這對應(yīng)于大于40X 106歐姆的電阻。焊盤之間的距離是70微米，寬度是230微米。從而在它們之間平方數(shù)是約O. 3。忽略邊緣效應(yīng)(fringing)，以給出電阻率的最差情況下限，作為估計(jì)。這給出表面電阻的下限:133Xl()6歐姆/口。如果取厚度為O. 15X10—4cm，則產(chǎn)生大于2000歐姆-cm的電阻率。 已在附圖和說明書中闡明了本發(fā)明的實(shí)施方式，并且，雖然使用了特定的術(shù)語，但對于它們的使用僅是一般性和說明性的，其目的不在于限定，本發(fā)明的范圍是在權(quán)利要求書中被限定的。
權(quán)利要求
1. 一種發(fā)光二極管，包括 在引線框架上的發(fā)光二極管； 所述二極管包含III族氮化物的第一外延層，所述外延層具有第一導(dǎo)電類型；所述第一外延層上的III族氮化物的第二外延層，所述第二外延層具有與所述第一導(dǎo) 電類型相反的第二導(dǎo)電類型并與所述第一外延層之間形成P_n結(jié)；與所述III族氮化物的第二外延層接觸的歐姆觸點(diǎn)，位于所述III族氮化物的第二外 延層和所述引線框架之間，用來提供從所述引線框架到所述III族氮化物的第二外延層的 電接觸；以及在所述第一外延層上并圍繞所述第二外延層的III族氮化物隔離區(qū)，所述III族氮化 物隔離區(qū)具有比所述第二外延層更高的電阻率，以用于把所述p-n結(jié)與過量的不希望有的 金屬半導(dǎo)體連接隔離開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于，所述隔離區(qū)具有大于2000 Q -cm的電阻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于，所述隔離區(qū)具有半絕緣性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的發(fā)光二極管，還包括在所述III族氮化物的第一外延層上的襯底， 所述襯底由選自碳化硅、藍(lán)寶石、ZnO、MgO、尖晶石、硅、氮化鎵和氮化鋁的材料制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底選自包含導(dǎo)電性襯底和半絕 緣性襯底的組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)光二極管，還包括位于所述外延層上并選自包含氮化硅、二氧 化硅和絕緣性聚合物的組的鈍化層。
全文摘要
文檔編號H01L21/00GK101697366SQ20091020885
公開日2010年4月21日 申請日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者亞歷山大·蘇沃拉夫, 吳毅鋒, 小戴維·B.·斯賴特, 杰拉爾德·H.·尼格利, 瓦萊瑞·F.·特斯維特科夫 申請人:克里公司;