專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III-V族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，更確切地，涉及在包含疊置于透明襯底上的多個氮化物基半導(dǎo)體層的發(fā)光二極管芯片中發(fā)光效率的改善。
背景技術(shù)：
通常，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片通過形成外延晶片并將晶片劃分為多個芯片而形成，其中所述外延晶片具有疊置在襯底上并包括發(fā)射層的多個氮化物半導(dǎo)體層。對于傳統(tǒng)的氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，常常使用藍寶石或類似材料的襯底，并且包括這樣的芯片的發(fā)光二極管器件現(xiàn)在已被商業(yè)應(yīng)用。
在帶有藍寶石襯底的發(fā)光二極管器件中，由于襯底是絕緣的，形成分別在襯底的上側(cè)和下側(cè)上設(shè)置p-側(cè)電極(p-side electrode)和n-側(cè)電極(n-sideelectrode)的結(jié)構(gòu)是困難的，因此有必要通過透明電極從發(fā)光二極管芯片中提取光。此外，由于藍寶石襯底具有高硬度，有必要將襯底處理為薄膜狀態(tài)，然后將晶片劃分為芯片。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的商業(yè)上可獲得的典型氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件這樣提供在藍寶石襯底上形成GaN基半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，將襯底的厚度減小到約100μm，然后將所述結(jié)構(gòu)劃分為芯片。例如，如在日本專利特開No.2002-270962中所公開的那樣，在劃分形成于藍寶石襯底上的GaN基半導(dǎo)體發(fā)光器件層的情況下，襯底被處理為80μm厚。日本專利特開No.2000-068556研究了一種從包括疊置在藍寶石襯底上的多個氮化物半導(dǎo)體層的外延晶片制造具有良好成品率的芯片的方法，由此具有80μm厚度的晶片被劃分為芯片。
從以上可以理解，在傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片中，有必要形成透明電極(典型地在p-側(cè)電極之下)以及在包含于芯片中的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)表面上的p-側(cè)電極和n-側(cè)電極。芯片襯底的背面結(jié)合到一基座。然后，由于阻擋光的p-側(cè)電極和n-側(cè)電極，出現(xiàn)了從芯片朝向外部的發(fā)光效率損失。
藍寶石襯底的高硬度所造成的困難還在于切割或劃片從而將包括藍寶石襯底的外延晶片劃分為具有良好成品率的多個發(fā)光二極管芯片。因此，在形成外延晶片之后，需要通過例如研磨襯底，將襯底的厚度減小到小于100μm。然而，襯底減小的厚度降低了從襯底的側(cè)表面朝向外部的發(fā)光效率。由于這些問題，包括藍寶石襯底的傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片在從芯片朝向外部發(fā)光時受到很大損失。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到常規(guī)技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的一個主要目的在于提供一種具有良好成品率的改善了發(fā)光效率的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片。
在本發(fā)明的一個方面中，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片包括一透明襯底和在該襯底上表面上的一氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，該氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)包括一發(fā)光層和多個其他半導(dǎo)體層，所述襯底具有任意晶面的主表面并且厚度大于120μm，由此改善芯片的發(fā)光效率。
在本發(fā)明的另一方面中，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片包括一透明襯底和在該襯底上表面上的一氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，該氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)包括一發(fā)光層和多個其他半導(dǎo)體層，所述襯底具有任意晶面的主表面，所述芯片的至少一個側(cè)分割表面相對于和所述襯底的上表面垂直的一平面呈角度，并且所述襯底的下表面的面積比所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域小，由此改善芯片的發(fā)光效率。
所述襯底可以是一絕緣襯底。該絕緣襯底可以是藍寶石襯底、碳化硅襯底或尖晶石襯底。
上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的制造方法包括以下步驟通過晶體生長在一襯底的上表面上形成具有多個氮化物半導(dǎo)體層的外延晶片，所述多個氮化物半導(dǎo)體層包含一發(fā)光層；使用激光將所述晶片劃分為芯片，由此提高芯片的成品率。固體激光器優(yōu)選用作激光源。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片包括厚度大于120μm的透明襯底，該透明襯底比傳統(tǒng)芯片中的襯底大。然后，所述厚度增大的襯底能夠增強從其側(cè)表面的光發(fā)射，由此改善發(fā)光二極管芯片的發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的至少一個側(cè)分割表面相對于和所述襯底的上表面垂直的一平面呈角度，并且所述襯底的下表面的面積比所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域小。這樣，由于在襯底的成角度表面的反射和折射，從襯底側(cè)面發(fā)出的光增強，改善了發(fā)光二極管芯片的發(fā)光效率。
從下列結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細描述中，本發(fā)明的上述和其他目的、特征、方面及優(yōu)點將變得更加明顯。


圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明第一實施例將外延晶片劃分為多個GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的方法的示意性剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例將外延晶片劃分為多個GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的方法的示意性剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例將外延晶片劃分為多個GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的方法的示意性剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實施例將外延晶片劃分為多個GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的另一方法的示意性剖面圖。
具體實施例方式
(第一實施例)在圖1A和1B中，將根據(jù)本發(fā)明第一實施例通過關(guān)于GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的示意性剖面圖來說明芯片劃分方法。圖1A表示了包括多個發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的外延晶片，而圖1B表示通過劃分晶片得到的發(fā)光二極管芯片中的一個。順便提及，在本申請的附圖中，為了清晰和附圖的簡單，不同層的厚度、寬度和類似特征之間的尺寸關(guān)系是任意改變的，因此，所描繪的尺寸關(guān)系不表示實際的關(guān)系。
在圖1A的晶片中，在具有C平面(0001)取向的430μm厚的藍寶石襯底101上依次疊置GaN緩沖層102，n型GaN接觸層103，由四對In0.08Ga0.92N量子井層和GaN勢壘層形成的多量子井(MQW)有源層104，p型AlGaN層105和p型GaN接觸層106。然后，在p型GaN接觸層106上形成用作p-側(cè)接觸電極的透明Pd電極107，并在n型GaN接觸層103上形成以用作n-側(cè)接觸電極的Ti/Al制成的n-側(cè)電極108。
在制造圖1A的晶片時，通過使用金屬有機汽相淀積(MOCVD)，在藍寶石襯底101上外延生長多個GaN基半導(dǎo)體層。藍寶石襯底101首先被安裝在反應(yīng)室中的基座上，并在1200℃下，在NH3、N2和H2的混合氣氛中對該襯底進行烘烤。
隨后，襯底溫度被迅速降低到450℃，并使用三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)以及H2載氣在襯底上淀積30nm厚的GaN緩沖層102。然后將襯底溫度迅速升高到1100℃，并使用三甲基鎵(TMG)和NH3以及作為摻雜劑的甲硅烷(SiH4)在緩沖層102上生長5μm厚的n型GaN接觸層103。
隨后，在750℃的襯底溫度下，使用三甲基銦(TMI)、TMG和NH3，在n型接觸層103上形成由四對每個為3nm厚的In0.08Ga0.92N井層和每個為90nm厚的GaN勢壘層組成的MQW有源層104。
此外，在1100℃的襯底溫度下，使用三甲基鋁(TMA)、TMG和NH3以及作為摻雜劑的環(huán)戊二烯基合鎂(Cp2Mg)，在MQW有源層104上生長厚度為30nm的Mg摻雜p型Al0.08Ga0.92N鍍層105。隨后，在相同的襯底溫度下，使用TMG、NH3和Cp2Mg在p型鍍層105上淀積120nm厚的Mg摻雜p型GaN接觸層106。然后，在襯底溫度降低到室溫后，外延晶片被拿出至環(huán)境空氣中。
隨后，為激活在外延晶片中的p型摻雜劑，在800℃下、N2氣氛中，使用熱處理爐進行15分鐘熱處理。然后，在晶片的上表面涂覆抗蝕劑并進行光刻，接著在p型GaN層106上形成透明Pd電極107以提供p-側(cè)接觸電極。
接下來，進行有機清潔以去除抗蝕劑。然后將抗蝕劑再次涂覆到晶片的上表面并進行光刻。然后，通過使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，從p型GaN層106至n型GaN層103選擇性地蝕刻晶片。再次進行有機清潔以去除抗蝕劑。將抗蝕劑再次涂覆到晶片的上表面并進行光刻從而在n型GaN層103上形成Ti/Al制成的n-側(cè)電極108。
隨后，接下來，進行有機清潔以去除抗蝕劑，并將抗蝕劑再次涂覆到晶片的上表面并進行光刻，使用SiO2薄膜(未示出)覆蓋除電極區(qū)域之外的晶片的上表面。
然后晶片被鍵合到一薄板并固定到一夾具，在此處通過使用固體激光器晶片被劃分為多個發(fā)光二極管芯片。更確切地，使用YAG激光裝置和266或355nm的諧振激光。關(guān)于激光能量，可在大約10μJ/cm2-100mJ/cm2的范圍內(nèi)使用脈沖或連續(xù)激光。激光裝置并不限于YAG激光裝置，可以使用在約266nm至355nm的波長范圍內(nèi)能發(fā)射激光的任何激光裝置，只要能夠通過使用局部升華(local sublimation)或藍寶石襯底的熱膨脹來進行晶片分割。
在根據(jù)傳統(tǒng)方法制造二極管芯片時，藍寶石襯底被研磨并拋光，然后使用金剛石切割器從其背面被分割。然而，使用這種方法的困難在于以良好的成品率進行芯片分割同時控制相對于藍寶石表面的分割角度。根據(jù)本發(fā)明的方法，可形成具有良好成品率并具有對分割角度的良好控制度的二極管芯片。
將如圖1B所示的根據(jù)第一實施例的GaN基發(fā)光二極管芯片的輸出特性與傳統(tǒng)GaN基發(fā)光二極管芯片的輸出特性進行了比較。在形成傳統(tǒng)發(fā)光二極管芯片時，外延晶片的形成和圖1A所示的類似。然后，在根據(jù)傳統(tǒng)方法將晶片劃分為多個發(fā)光二極管芯片時，通過研磨和拋光襯底的背面將晶片的厚度降低到約100μm，此后通過機械劃片和斷裂進行芯片分割。當(dāng)正向注入電流(If)為20mA時，所得的傳統(tǒng)發(fā)光二極管芯片產(chǎn)生3.0mW的光功率輸出(Po)。另一方面，根據(jù)第一實施例的發(fā)光二極管芯片在If＝20mA時，產(chǎn)生的Po＝5.0mW。
也就是說，可以看出，與傳統(tǒng)芯片相比，根據(jù)第一實施例的通過芯片劃分所得的發(fā)光二極管芯片具有顯著提高的光功率輸出。由于這個原因，可以認為根據(jù)傳統(tǒng)機械劃片方法的芯片分割是困難的除非藍寶石襯底101被研磨并拋光以達到約100μm的厚度，而使用了激光劃片的第一實施例的方法促成了芯片分割，即使對于具有430μm的大厚度的襯底也一樣，并且，從發(fā)射層發(fā)出并被襯底的背面反射的光能夠容易地通過厚襯底的側(cè)表面朝向外部被提取出來，由此改善了發(fā)光效率。
作為進一步研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在本實施例中在藍寶石襯底101的厚度為250μm的情況下，對于If＝20mA，Po＝3.8mW。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)藍寶石襯底101的厚度大于120μm時，與常規(guī)技術(shù)相比，本實施例的發(fā)光二極管芯片具有改善的光功率輸出。
(第二實施例)在圖2中，將根據(jù)本發(fā)明第二實施例通過關(guān)于GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的示意性剖面圖來說明芯片劃分方法。圖2中多個層201-208的制造方法與第一實施例的層101-108的制造方法類似，因此不再重復(fù)描述。如第一實施例中那樣，第二實施例使用了厚度430μm的藍寶石襯底201。第二實施例還使用了如第一實施例中那樣的激光劃片以將外延晶片分割為發(fā)光二極管芯片。
在第二實施例中，使用夾具控制進入襯底的激光的入射角度從而控制相對于斷裂線的激光劃線L2-1和L2-2的角度θC和θD，其中斷裂線與圖2中襯底的主表面垂直。在圖2中，用于輻射光的半導(dǎo)體層的上部區(qū)域被設(shè)置為具有350μm的邊長d，并且通過調(diào)整θC和θD，襯底的背面被設(shè)置為具有200μm的邊長e。如圖2所示，相對于與襯底的主表面垂直的斷裂線，劃線L2-1和L2-2分別被設(shè)置為具有θC＜0°和θD＞0°的順時針角度。
對于If＝20mA的輸入電流，所得第二實施例的發(fā)光二極管芯片產(chǎn)生Po＝5.2mW的光功率輸出。也就是說，即使與第一實施例相比，第二實施例的發(fā)光二極管芯片也具有改善的向外部的發(fā)光效率。由于這個原因，可以認為發(fā)光二極管芯片具有相對于與襯底主表面垂直的平面成角度的側(cè)表面，并且，由于在成角度的側(cè)表面處反射和折射的影響，從發(fā)射層發(fā)射的光能夠容易地通過襯底的側(cè)表面輻射。
作為進一步研究的結(jié)果，當(dāng)發(fā)光二極管芯片被形成為e＝100μm且固定的d＝350μm時，對于If＝20mA的輸入電流，能夠獲得Po＝5.4mW的光功率輸出。然而，作為進一步研究的結(jié)果，當(dāng)發(fā)光二極管芯片被形成為其襯底的底表面的長度e小于100μm時，對于If＝20mA的輸入電流，其光功率輸出為Po＝4.0mW。這大概是由于從發(fā)射層發(fā)出并被襯底的背面反射的光不容易通過襯底的側(cè)表面朝向外部被提取出來，導(dǎo)致了發(fā)光效率的下降。
(第三實施例)
在圖3和圖4的每一張圖中，將根據(jù)本發(fā)明第三實施例通過關(guān)于GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的示意性剖面圖來說明芯片劃分方法。圖3和4中多個層301-308的制造方法與第一實施例的層101-108的制造方法類似，因此不再重復(fù)描述。與第一實施例類似，第三實施例也使用了厚度430μm的藍寶石襯底301。此外，與第一實施例類似，第三實施例還使用了激光劃片以將外延晶片分割為發(fā)光二極管芯片。
在關(guān)于第三實施例的圖3和圖4中，使用夾具控制進入襯底的激光的入射角度從而控制相對于斷裂線的激光劃線L3-1和L3-2的角度θE和θF，其中斷裂線與襯底的主表面垂直，與在第二實施例中類似。用于輻射光的半導(dǎo)體層的上部區(qū)域被設(shè)置為具有350μm的邊長f，并且通過調(diào)整θE和θF，襯底的背面被設(shè)置為具有200μm的邊長g。在圖3中，相對于與襯底的主表面垂直的斷裂線，劃線L3-1和L3-2分別被設(shè)置為具有θE＜0°和θF＝0°的順時針角度，而在圖4中它們分別被設(shè)置為具有θE＜0°和θF＜0°的順時針角度。
圖3和4的每個所得發(fā)光二極管芯片對于If＝20mA的輸入電流，產(chǎn)生Po＝5.2mW的光功率輸出。也就是說，與第一實施例相比，第三實施例以及第二實施例的發(fā)光二極管芯片具有改善的向外部的發(fā)光效率，這與第二順便提及，盡管上述每個實施例采用了將C(0001)晶面取向作為其主表面的藍寶石襯底，但通過采用具有例如A(11-20)晶面、M(1100)晶面和R(1102)晶面之一的晶面取向的藍寶石襯底，或者具有偏離這些晶面取向之一的傾斜晶面取向的藍寶石襯底，本發(fā)明仍可以獲得成效。此外，也可使用GaN襯底、尖晶石襯底或者SiC襯底。另外，盡管在上述每個實施例中通過固定襯底的夾具來控制相對于藍寶石襯底的激光的入射角度，但也可以使用鏡子或類似物控制激光從而調(diào)整相對于藍寶石襯底的入射角度。
如上所述，本發(fā)明提供了具有改善的發(fā)光效率和良好成品率的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片。
盡管已詳細描述和說明了本發(fā)明，但應(yīng)清楚理解的是僅通過實例說明而不是限制本發(fā)明，本發(fā)明的主旨和范圍僅通過所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，包括一透明襯底(101)，以及在所述襯底的上表面上形成的一氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)(102-106)，所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)包括一發(fā)光層(104)和多個其他半導(dǎo)體層，所述襯底(101)具有任意結(jié)晶主表面并且厚度為120μm或更大，由此提供從所述芯片提取光的改善的效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，其中所述芯片的至少一個分割面相對于和所述襯底的上表面垂直的面傾斜，并且所述襯底的下表面的面積比所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，其中所述襯底是一絕緣襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，其中所述襯底是一藍寶石襯底或一碳化硅襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下步驟通過晶體生長在一襯底(101)的上表面上形成具有多個氮化物半導(dǎo)體層(102-106)的外延晶片，所述多個氮化物半導(dǎo)體層包含一發(fā)光層(104)；使用激光將所述晶片劃分為芯片，由此提高芯片的成品率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中固體激光器用作所述激光源。
7.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，包括一透明襯底(101)，以及在所述襯底的上表面上形成的一氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)(102-106)，所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)包括一發(fā)光層(104)和多個其他半導(dǎo)體層，所述襯底(101)具有任意結(jié)晶主表面，所述芯片的至少一個分割面相對于和所述襯底的上表面垂直的面傾斜，并且所述襯底的下表面的面積比所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域小，由此提供從所述芯片提取光的改善的效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下步驟通過晶體生長在一襯底(101)的上表面上形成具有多個氮化物半導(dǎo)體層(102-106)的外延晶片，所述多個氮化物半導(dǎo)體層包含一發(fā)光層(104)；使用激光將所述晶片劃分為芯片，由此提高芯片的成品率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中固體激光器用作所述激光源。
全文摘要
提供了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，包括一透明襯底(101)以及在所述襯底的上表面上形成的一氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)(102－106)，所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)包括一發(fā)光層(104)和多個其他半導(dǎo)體層，所述襯底(101)具有任意結(jié)晶主表面并且厚度大于120μm，由此提供從所述芯片提取光的改善的效率。所述芯片的至少一個分割平面相對于和所述襯底的主表面垂直的一平面呈角度，并且所述襯底的下表面的面積比所述氮化物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域小，由此進一步改善從所述芯片提取光的效率。
文檔編號H01L29/02GK1614794SQ200410089759
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月5日
發(fā)明者山本健作, 幡俊雄 申請人:夏普株式會社