專利名稱：半導體發(fā)光二極管上的反射層的制造技術(shù)
方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光二極管上的反射層的制造，盡管不是專用的，但尤其涉及一種反射層還用作歐姆接觸發(fā)光二極管正表面的這種方法和發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
近來發(fā)光二極管已大規(guī)模地用在移動手機、數(shù)字照相機、個人數(shù)字助理、交通指揮燈、汽車等等中。由于發(fā)出的光的亮度對于用于這種應用中的發(fā)光二極管不夠充足，所以在發(fā)光二極管可以用于其它應用例如普通照明之前需要較高的亮度。
為什么限制發(fā)光二極管的亮度和輸出功率具有幾個原因。一個主要的原因是所限制的光提取消率。由于發(fā)光二極管表面(半導體)之間的界面處的總反射，或發(fā)光二極管的塑料封裝，多數(shù)發(fā)光二極管的外部效率限制到輸入電功率的幾個百分比，而內(nèi)效率一般高至90％以上。內(nèi)部量子效率的特征是對于穿過發(fā)光二極管的每個電子產(chǎn)生多少光子。提取效率是產(chǎn)生的光離開半導體發(fā)光二極管的百分比。
已研究了多種方法學來提高光提取效率，包括(a)表面變形(surface texturing)(I.Schnitzer和E.Yablonovitch，C.Caneau，T.J.Gmitter，和A.Schere，Applied Physics Letters，第63卷，第2174頁，1993年10月)；(b)用非吸收襯底代替吸收襯底(replacing the absorbing substratewith a non-absorbing substrate)(F.A.Kish，F(xiàn).M.Steranaka，D.C.DeFevere，D.A.Vanderwater，K.G.Park，C.P.Kuo，T.D.Osentowski，M.J.Peanasky，J.G.Yu，R.M.Fletcher，D.A.Steigerwald，M.G.Craford和V.M.Robbins，Applied Physics Letters，第64卷，第2839頁，1994)；(c)通過晶片結(jié)合或共晶結(jié)合在襯底上或內(nèi)部提供反射鏡(providing a mirror on or within the substrate by wafer bonding oreutectic bonding)(R.H.Horng，D.S.Wuu，S.C.Wei，C.Y.Tseng，M.F.Hung.K.H.Chang，P.H.Liu，K.C.Lin，Applied Physics Letters，第75卷，第3054頁，1999年11月)；(d)改變芯片的幾何形狀；和(e)生長半導體分布的布拉格反射鏡(growing a semiconductordistributed Bragg reflector mirror)(H.Sugawara，H.Itaya，G.Hatakoshi，Journal of Applied Physics，第74卷，第3189頁，1993)；等等。
一般反射層位于后表面上-貼覆襯底的表面。這是因為一般在正面上(尤其是用于藍寶石襯底上的GaN發(fā)光二極管)制作半導體的歐姆接觸，并且光從襯底的正面和邊緣發(fā)出。為了制造該反射層，需要多個處理步驟。這是沒有效率的。反射層一般與半導體層和焊料材料反應，并且反射鏡層與下面的半導體的粘接也是個問題。
對于GaN基和AlGaInP發(fā)光二極管，襯底不是良好的導熱材料，因此希望移除襯底。另外，由于反射鏡位于半導體的正面上，沒有位于襯底的背表面上，并且還用作與半導體正面的歐姆接觸，所以移除襯底簡單化了具有反射鏡的器件制造。
還通過移除襯底提高了GaN藍色激光器性能(W.S.Wong，M.A.Kneissl，美國專利6,627,921 B2)。在從半導體外延層移除襯底之前或之后，通過利用共晶結(jié)合、晶片結(jié)合或通過利用有機結(jié)合材料將半導體外延層結(jié)合至機械支撐(新的襯底)上，使工藝復雜并且限制了制造的合格率和生產(chǎn)量。一般結(jié)合必須在高溫下進行。這會造成另外的問題。對于GaN發(fā)光二極管，難以移除用于整個晶片的藍寶石襯底并保持外延層完整，使得通過利用結(jié)合方法大量制造更困難。這是因為結(jié)合方法沒有提供外延層和新的機械襯底之間固有的且均質(zhì)的結(jié)合，并且新的襯底上的外延層的翹曲會導致外延層裂縫或產(chǎn)生應力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)優(yōu)選的形式，提供一種在半導體發(fā)光二極管上制造反射層的方法，該半導體發(fā)光二極管由襯底上具有若干外延層的晶片制成；該方法包括在若干外延層的正面上施加第一歐姆接觸層，第一歐姆接觸層由反射材料制成，還用作在其與正面的界面處的反射層。
該方法還可包括
(a)將導熱性金屬的籽晶層施加到第一歐姆接觸層的正面；(b)在該籽晶層上電鍍導熱金屬的相對厚層；和(c)移除該襯底。
第一歐姆接觸層可在應用籽晶層之前用粘接層涂布。
可在電鍍步驟之前用光刻膠圖案來圖案化籽晶層，電鍍的相對厚的層位于光刻膠圖案之間。在步驟(b)和(c)之間，可對晶片進行退火的另外步驟以提高粘接性。光刻膠圖案可以是至少50微米的高度、3至500微米范圍內(nèi)的厚度以及300微米的間隔。
可電鍍籽晶層而不圖案化，隨后進行圖案化。圖案化可通過光刻膠圖案化，然后濕法蝕刻；或通過相對厚層的激光束顯微機械加工進行。相對厚的層可以是不大于光刻膠高度的高度?？蛇x地，相對厚層的導熱金屬可電鍍到大于光刻膠的高度并且隨后削薄?？梢酝ㄟ^拋光削薄。
在步驟(c)之后包括在外延層的后表面上形成第二歐姆接觸層的額外步驟，該第二歐姆接觸層選自由不透明、透明和半透明構(gòu)成的組。該第二歐姆接觸層可以是空白的或圖案化的。可在第二歐姆接觸層上形成接合墊。
可在步驟(c)之后進行歐姆接觸形成和隨后的處理步驟，該隨后的處理步驟包括沉積導線接合墊?？稍诔练e第二歐姆接觸層之前，清洗和蝕刻外延層露出的后表面。第二歐姆接觸層可不覆蓋外延層第二表面的整個區(qū)域。
在形成第二歐姆接觸層之后，包括測試晶片上的發(fā)光器件，以及將該晶片分成單獨的器件?？芍圃彀l(fā)光器件，而沒有選自由重疊、拋光和切割組成的組的一種或多種。
第一歐姆接觸層可位于外延層的p型層上，以及可在外延層的n型層上形成第二歐姆接觸層。
可在外延層上沉積電介質(zhì)膜，在電介質(zhì)膜和第二歐姆接觸層中切割開口，并且在外延層上沉積接合墊。
在步驟(c)之后，可在外延層上進行導熱金屬的電鍍。
導熱金屬可以是銅，并且外延層可以是若干GaN基的層。
在另一方面，提供一種發(fā)光器件，包括外延層、在外延層正面上的第一歐姆接觸層，第一歐姆接觸層是反射材料，并且在其與外延層的界面處用作反射鏡。
還可以具有在第一歐姆接觸層上的粘接層、在粘接層上的導熱金屬的籽晶層和在籽晶層上的導熱金屬的相對厚層。該相對厚層可以是散熱片、電連接體和機械支撐構(gòu)成的組的一種或多種。
可在外延層的后表面上提供第二歐姆接觸層；第二歐姆接觸層是從3至500納米范圍的薄層。
第二歐姆接觸層還可包括接合墊并且可選自不透明、透明和半透明。
在第一歐姆接觸層和相對厚層之間的第一歐姆接觸層上可以有粘接層，以及在粘接層和相對厚層之間可以有導熱金屬的籽晶層。相對厚層可以是至少50微米厚。
該發(fā)光器件可以是發(fā)光二極管或激光器二極管。


為了更好地理解本發(fā)明并容易投入實施，現(xiàn)在將僅借助非限制性實例描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，參考附圖(且未按規(guī)定比例)進行該描述，其中圖1是在制造工藝第一階段的發(fā)光器件的示意表示；圖2是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第二階段的示意表示；圖3是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第三階段的示意表示；圖4是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第四階段的示意表示；圖5是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第五階段的示意表示；圖6是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第六階段的示意表示；圖7是圖1的發(fā)光器件在制造工藝第七階段的示意表示；和圖8是工藝的流程圖。
具體實施例方式
對于以下描述，括號內(nèi)的參考數(shù)字指的是圖8的工藝步驟。
參考圖1，示出了工藝的第一步驟——在晶片10的p型表面上的金屬化。
晶片10是具有襯底和其上的若干外延層14的疊層的外延晶片。襯底12例如可以是藍寶石、GaAs、InP、Si等等。今后，將使用在藍寶石襯底12上具有GaN層(14)的GaN樣品作為實例。外延層14(一般稱為外延層)是若干層的疊層，并且下部分16(其首先在襯底上生長)通常是n型層，上部分18一般是p型層。
在GaN層14的正面或頂表面上是反射材料的并且具有若干金屬層的第一歐姆接觸層20。由于該正面相對平滑并且第一歐姆接觸層具有金屬層，所以其是反射的。因此，不需要另外的工藝步驟來制造反射層。將粘接層22和導熱金屬例如銅的薄銅籽晶層24加到歐姆接觸層20上(圖2)(步驟88)。導熱金屬還優(yōu)選地是導電的。粘接層的疊層可在形成之后退火。
第一歐姆層20可以是在外延表面上沉積和退火的若干層的疊層。其不是原生晶片的一部分。對于GaN、GaA和InP器件，外延晶片一般包含夾在n型和p型半導體之間的有源區(qū)。在多數(shù)情況下，頂層是p型。
如圖3所示，利用標準的光刻(89)，用相對厚的光刻膠26圖案化薄銅籽晶層24。光刻膠圖案26高度為至少50微米，優(yōu)選在50至300微米的范圍內(nèi)，更優(yōu)選200微米；以及約3至500微米的厚度。它們優(yōu)選通過約300微米的間隔彼此隔開，這取決于最終芯片的設計。實際的圖案取決于器件設計。
然后將銅的圖案化層28電鍍到光刻膠26之間的層24(90)上，以形成用于形成襯底一部分的散熱片。銅層28優(yōu)選地是不大于光刻膠26的高度，并且因此是與光刻膠26相同或比光刻膠26小的高度。然而，銅層28可以是比光刻膠26大的高度。在這種情況下，銅層28可隨后削薄至不大于光刻膠26的高度。削薄可通過拋光或濕法蝕刻進行。可在銅電鍍之后移除或不移除光刻膠26。可通過標準且公知的方法例如抗蝕劑剝離液中的樹脂、或者通過等離子體蝕刻移除。
依據(jù)該器件設計，處理外延層14之后是利用標準的工藝技術(shù)，例如清洗(80)、光刻(81)、蝕刻(82)、器件隔離(83)、鈍化(84)、金屬化(85)、熱處理(86)等等(圖4)。然后對晶片10退火(87)來提高粘接性。
外延層14通常由原生襯底12上的n型層16和現(xiàn)在被歐姆層20、粘接層22、銅籽晶層24和電鍍的厚銅層28覆蓋的原生正面或頂表面18上的p型層制成。
在圖5中，然后例如利用Kelly的方法移除(91)原生襯底層12[M.K.Kelly，O.Ambacher，R.Dimitrov，R.Handschuh和M.Stutzmann，phys.stat.sol.(a)159，R3(1997)]。該襯底還可通過拋光或濕法蝕刻來移除。
圖6是倒數(shù)第二個步驟并且與在外延層14的后表面(或下面)上增加第二歐姆接觸層30的發(fā)光二極管特別相關(guān)，用于光發(fā)射。還增加了接合墊32。第二歐姆接觸層30優(yōu)選地是透明的或半透明的。更優(yōu)選地是薄層并且可以在3至50nm厚的范圍內(nèi)。
在增加第二歐姆接觸層30之前，可進行公知的初步處理。這些例如可以是光刻(92、93)、干法蝕刻(94、95)和光刻(96)。
退火(98)之后可以是沉積第二歐姆接觸層30。
然后通過公知且標準的方法測試(99)芯片/管芯。然后將芯片/管芯分成(100)(圖7)單獨的器件/芯片1和2，而沒有重疊/拋光襯底并且沒有切割。封裝之后是標準且公知的方法。
外延層14的頂表面優(yōu)選地在約0.1至2.0微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選地離有源區(qū)約0.3微米。由于在該結(jié)構(gòu)中發(fā)光二極管芯片的有源區(qū)接近相對厚的銅墊28，所以在藍寶石結(jié)構(gòu)上提高了除熱的速率。
另外或可選地，可使用相對厚的層28來提供芯片的機械支撐。還可用于提供從發(fā)光器件芯片的有源區(qū)的除熱的路徑，并且還可用于電連接。
電鍍步驟在晶片水平面處進行(即，在切割操作之前)并且可一次用于幾個晶片。
第一歐姆接觸層20，是金屬的且相對平滑，非常有光澤并因此是高反射的光。同樣的第一歐姆接觸層20，在其與外延層14正面的界面處，還用作反射表面或反射鏡，以提高光輸出。這在沒有另外的制造步驟的條件下獲得。歐姆接觸層/反射層20可以是純金屬或多層金屬層的疊層，例如Ni/Au、Ru/Au、氧化銦錫(ITO)、Ta/Ti等等。
盡管優(yōu)選實施例涉及使用銅，但只要其是導電的和/或?qū)岬?，則可使用任何其它的可電鍍材料，或者提供用于發(fā)光二極管的機械支撐。
通過以單個步驟組合反射鏡層形成和歐姆接觸形成，避免了結(jié)合到另一襯底的問題。在反射鏡/歐姆接觸層上電鍍銅或其它導熱和導電材料(例如金屬)優(yōu)選地是在室溫下。這避免了用于現(xiàn)有的結(jié)合工藝中的升溫。相對厚的電鍍層例如可以是250微米厚。同樣，其可用作機械支撐、熱導體和電導體，由此能夠使移除原生的襯底稍微容易。
優(yōu)選地，在移除襯底之前每個發(fā)光二極管管芯與其它管芯隔離開，由此在移除襯底期間或之后整個晶片的任意翹曲或彎曲都不會造成各個發(fā)光二極管管芯中的應力或裂縫。由于相對厚的層是導電的，所以電流可以從該管芯的一側(cè)流動到另一側(cè)。結(jié)果，僅需要一條結(jié)合導線。出售的多數(shù)GaN基發(fā)光二極管需要兩導線結(jié)合，如同藍寶石是絕緣體一樣。
雖然已在前面的描述中描述了本發(fā)明的優(yōu)選形式，但本技術(shù)領(lǐng)域人員將理解，可在不脫離本發(fā)明的前提下進行設計、構(gòu)造或操作上的許多改變或修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在半導體發(fā)光二極管上制造反射層的方法，該半導體發(fā)光二極管由襯底上具有若干外延層的晶片制成，該方法包括在若干外延層的正面上應用第一歐姆接觸層，該第一歐姆接觸層是反射材料以便還用作在其與正面界面處的反射層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括(a)將導熱金屬的籽晶層應用到第一歐姆接觸層的正面上；(b)在籽晶層上電鍍導熱金屬的相對厚層；以及(c)移除該襯底。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在應用籽晶層之前用粘接層涂布第一歐姆接觸層。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其中在電鍍步驟(b)之前用光刻膠圖案來圖案化籽晶層，該相對厚的層的電鍍在光刻膠圖案之間。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項所述的方法，其中在步驟(b)和(c)之間對晶片進行另外步驟的退火，以提高粘接性。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中光刻膠圖案是至少50微米的高度。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中光刻膠圖案具有3至500微米范圍的厚度。
8.如權(quán)利要求4、6和7中任一項所述的方法，其中光刻膠圖案具有300微米的間隔。
9.如權(quán)利要求2至8中任一項所述的方法，其中在步驟(b)電鍍籽晶層而沒有圖案化，隨后進行圖案化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中圖案化通過光刻膠圖案化和然后濕法蝕刻以及相對厚層的激光束顯微機械加工中之一進行。
11.如權(quán)利要求4至10中任一項所述的方法，其中相對厚層的高度不大于光刻膠高度。
12.如權(quán)利要求4至10中任一項所述的方法，其中相對厚層的導熱金屬電鍍到大于光刻膠的高度并且隨后通過拋光削薄。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，其中在步驟(c)之后包括在外延層的后表面上形成第二歐姆接觸層的額外步驟，該第二歐姆接觸層選自由不透明、透明和半透明構(gòu)成的組，該第二歐姆接觸層是空白的和圖案化的其中一種。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在第二歐姆接觸層上形成至少一個接合墊。
15.如權(quán)利要求2至12中任一項所述的方法，其中在步驟(c)之后進行歐姆接觸形成和隨后的處理步驟，該隨后的處理步驟包括沉積至少一個導線接合墊。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中在沉積第二歐姆接觸層之前，清洗和蝕刻第二外延層。
17.如權(quán)利要求13至16中任一項所述的方法，其中第二歐姆接觸層不覆蓋外延層第二表面的整個區(qū)域。
18.如權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，其中在形成第二歐姆接觸層之后，包括測試晶片上的發(fā)光器件，以及將該晶片分成單獨的器件。
19.如權(quán)利要求1至18中任一項所述的方法，其中制造發(fā)光器件，而沒有選自由重疊、拋光和切割組成的組的一種或多種。
20.如權(quán)利要求1至19中任一項所述的方法，其中第一歐姆接觸層位于外延層的p型層上。
21.如權(quán)利要求13至18中任一項所述的方法，其中在外延層的n型層上形成第二歐姆接觸層。
22.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在步驟(c)之后，在外延層上沉積電介質(zhì)膜，在電介質(zhì)膜和第二歐姆接觸層中切割開口，并且在外延層上沉積接合墊。
23.如權(quán)利要求2至12中任一項所述的方法，其中在步驟(c)之后，在外延層上進行電鍍導熱金屬。
24.如權(quán)利要求2至23中任一項所述的方法，其中導熱金屬包括銅，外延層包括若干GaN基的層。
25.一種由權(quán)利要求1至24中任一項方法所制造的發(fā)光二極管。
26.一種半導體發(fā)光二極管，包括外延層、在外延層正面上的第一歐姆接觸層，第一歐姆接觸層是反射材料，并且在其與外延層的界面處用作反射鏡。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)光二極管，進一步包括在第一歐姆接觸層上的粘接層、在粘接層上的導熱金屬的籽晶層、和在籽晶層上的導熱金屬的相對厚層，該相對厚層是選自由散熱片、電連接體和機械支撐構(gòu)成的組的一種或多種。
28.如權(quán)利要求26或權(quán)利要求27所述的發(fā)光二極管，進一步包括在外延層后表面上的第二歐姆接觸層；第二歐姆接觸層是從3至500納米范圍的薄層。
29.如權(quán)利要求28所述的發(fā)光二極管，其中第二歐姆接觸層包括接合墊并且選自由不透明、透明和半透明組成的組。
30.如權(quán)利要求26至29中任一項所述的發(fā)光二極管，其中導熱金屬包括銅，并且外延層包括GaN基的層。
31.如權(quán)利要求26至30中任一項所述的發(fā)光二極管，其中在第一歐姆接觸層和相對厚層之間的第一歐姆接觸層上有粘接層，以及在粘接層和相對厚層之間有導熱金屬的籽晶層。
32.如權(quán)利要求26至31中任一項所述的發(fā)光二極管，其中相對厚層是至少50微米厚。
全文摘要
在半導體發(fā)光二極管上制造反射層。一種用于在半導體發(fā)光二極管上制造反射層的方法，該半導體發(fā)光二極管具有襯底上的若干外延層的晶片；該方法包括在若干外延層的正面上施加第一歐姆接觸層，該第一歐姆接觸層是反射材料以還用作反射層。
文檔編號H01L33/44GK1998094SQ200580014815
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
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