CN1998094A - 半导体发光二极管上的反射层的制造 - Google Patents
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Abstract
在半导体发光二极管上制造反射层。一种用于在半导体发光二极管上制造反射层的方法，该半导体发光二极管具有衬底上的若干外延层的晶片；该方法包括在若干外延层的正面上施加第一欧姆接触层，该第一欧姆接触层是反射材料以还用作反射层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管上的反射层的制造，尽管不是专用的，但尤其涉及一种反射层还用作欧姆接触发光二极管正表面的这种方法和发光二极管。
背景技术
近来发光二极管已大规模地用在移动手机、数字照相机、个人数字助理、交通指挥灯、汽车等等中。由于发出的光的亮度对于用于这种应用中的发光二极管不够充足，所以在发光二极管可以用于其它应用例如普通照明之前需要较高的亮度。
为什么限制发光二极管的亮度和输出功率具有几个原因。一个主要的原因是所限制的光提取消率。由于发光二极管表面(半导体)之间的界面处的总反射，或发光二极管的塑料封装，多数发光二极管的外部效率限制到输入电功率的几个百分比，而内效率一般高至90％以上。内部量子效率的特征是对于穿过发光二极管的每个电子产生多少光子。提取效率是产生的光离开半导体发光二极管的百分比。
已研究了多种方法学来提高光提取效率，包括：
(a)表面变形(surface texturing)(I.Schnitzer和E.Yablonovitch，C.Caneau，T.J.Gmitter，和A.Schere，Applied Physics Letters，第63卷，第2174页，1993年10月)；
(b)用非吸收衬底代替吸收衬底(replacing the absorbing substratewith a non-absorbing substrate)(F.A.Kish，F.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页，1994)；
(c)通过晶片结合或共晶结合在衬底上或内部提供反射镜(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页，1999年11月)；
(d)改变芯片的几何形状；和
(e)生长半导体分布的布拉格反射镜(growing a semiconductordistributed Bragg reflector mirror)(H.Sugawara，H.Itaya，G.Hatakoshi，Journal of Applied Physics，第74卷，第3189页，1993)；等等。
一般反射层位于后表面上-贴覆衬底的表面。这是因为一般在正面上(尤其是用于蓝宝石衬底上的GaN发光二极管)制作半导体的欧姆接触，并且光从衬底的正面和边缘发出。为了制造该反射层，需要多个处理步骤。这是没有效率的。反射层一般与半导体层和焊料材料反应，并且反射镜层与下面的半导体的粘接也是个问题。
对于GaN基和AlGaInP发光二极管，衬底不是良好的导热材料，因此希望移除衬底。另外，由于反射镜位于半导体的正面上，没有位于衬底的背表面上，并且还用作与半导体正面的欧姆接触，所以移除衬底简单化了具有反射镜的器件制造。
还通过移除衬底提高了GaN蓝色激光器性能(W.S.Wong，M.A.Kneissl，美国专利6,627,921 B2)。在从半导体外延层移除衬底之前或之后，通过利用共晶结合、晶片结合或通过利用有机结合材料将半导体外延层结合至机械支撑(新的衬底)上，使工艺复杂并且限制了制造的合格率和生产量。一般结合必须在高温下进行。这会造成另外的问题。对于GaN发光二极管，难以移除用于整个晶片的蓝宝石衬底并保持外延层完整，使得通过利用结合方法大量制造更困难。这是因为结合方法没有提供外延层和新的机械衬底之间固有的且均质的结合，并且新的衬底上的外延层的翘曲会导致外延层裂缝或产生应力。
发明内容
根据优选的形式，提供一种在半导体发光二极管上制造反射层的方法，该半导体发光二极管由衬底上具有若干外延层的晶片制成；该方法包括在若干外延层的正面上施加第一欧姆接触层，第一欧姆接触层由反射材料制成，还用作在其与正面的界面处的反射层。
该方法还可包括：
(a)将导热性金属的籽晶层施加到第一欧姆接触层的正面；
(b)在该籽晶层上电镀导热金属的相对厚层；和
(c)移除该衬底。
第一欧姆接触层可在应用籽晶层之前用粘接层涂布。
可在电镀步骤之前用光刻胶图案来图案化籽晶层，电镀的相对厚的层位于光刻胶图案之间。在步骤(b)和(c)之间，可对晶片进行退火的另外步骤以提高粘接性。光刻胶图案可以是至少50微米的高度、3至500微米范围内的厚度以及300微米的间隔。
可电镀籽晶层而不图案化，随后进行图案化。图案化可通过光刻胶图案化，然后湿法蚀刻；或通过相对厚层的激光束显微机械加工进行。相对厚的层可以是不大于光刻胶高度的高度。可选地，相对厚层的导热金属可电镀到大于光刻胶的高度并且随后削薄。可以通过抛光削薄。
在步骤(c)之后包括在外延层的后表面上形成第二欧姆接触层的额外步骤，该第二欧姆接触层选自由不透明、透明和半透明构成的组。该第二欧姆接触层可以是空白的或图案化的。可在第二欧姆接触层上形成接合垫。
可在步骤(c)之后进行欧姆接触形成和随后的处理步骤，该随后的处理步骤包括沉积导线接合垫。可在沉积第二欧姆接触层之前，清洗和蚀刻外延层露出的后表面。第二欧姆接触层可不覆盖外延层第二表面的整个区域。
在形成第二欧姆接触层之后，包括测试晶片上的发光器件，以及将该晶片分成单独的器件。可制造发光器件，而没有选自由重叠、抛光和切割组成的组的一种或多种。
第一欧姆接触层可位于外延层的p型层上，以及可在外延层的n型层上形成第二欧姆接触层。
可在外延层上沉积电介质膜，在电介质膜和第二欧姆接触层中切割开口，并且在外延层上沉积接合垫。
在步骤(c)之后，可在外延层上进行导热金属的电镀。
导热金属可以是铜，并且外延层可以是若干GaN基的层。
在另一方面，提供一种发光器件，包括外延层、在外延层正面上的第一欧姆接触层，第一欧姆接触层是反射材料，并且在其与外延层的界面处用作反射镜。
还可以具有在第一欧姆接触层上的粘接层、在粘接层上的导热金属的籽晶层和在籽晶层上的导热金属的相对厚层。该相对厚层可以是散热片、电连接体和机械支撑构成的组的一种或多种。
可在外延层的后表面上提供第二欧姆接触层；第二欧姆接触层是从3至500纳米范围的薄层。
第二欧姆接触层还可包括接合垫并且可选自不透明、透明和半透明。
在第一欧姆接触层和相对厚层之间的第一欧姆接触层上可以有粘接层，以及在粘接层和相对厚层之间可以有导热金属的籽晶层。相对厚层可以是至少50微米厚。
该发光器件可以是：发光二极管或激光器二极管。
附图说明
为了更好地理解本发明并容易投入实施，现在将仅借助非限制性实例描述本发明的优选实施例，参考附图(且未按规定比例)进行该描述，其中：
图1是在制造工艺第一阶段的发光器件的示意表示；
图2是图1的发光器件在制造工艺第二阶段的示意表示；
图3是图1的发光器件在制造工艺第三阶段的示意表示；
图4是图1的发光器件在制造工艺第四阶段的示意表示；
图5是图1的发光器件在制造工艺第五阶段的示意表示；
图6是图1的发光器件在制造工艺第六阶段的示意表示；
图7是图1的发光器件在制造工艺第七阶段的示意表示；和
图8是工艺的流程图。
具体实施方式
对于以下描述，括号内的参考数字指的是图8的工艺步骤。
参考图1，示出了工艺的第一步骤——在晶片10的p型表面上的金属化。
晶片10是具有衬底和其上的若干外延层14的叠层的外延晶片。衬底12例如可以是蓝宝石、GaAs、InP、Si等等。今后，将使用在蓝宝石衬底12上具有GaN层(14)的GaN样品作为实例。外延层14(一般称为外延层)是若干层的叠层，并且下部分16(其首先在衬底上生长)通常是n型层，上部分18一般是p型层。
在GaN层14的正面或顶表面上是反射材料的并且具有若干金属层的第一欧姆接触层20。由于该正面相对平滑并且第一欧姆接触层具有金属层，所以其是反射的。因此，不需要另外的工艺步骤来制造反射层。将粘接层22和导热金属例如铜的薄铜籽晶层24加到欧姆接触层20上(图2)(步骤88)。导热金属还优选地是导电的。粘接层的叠层可在形成之后退火。
第一欧姆层20可以是在外延表面上沉积和退火的若干层的叠层。其不是原生晶片的一部分。对于GaN、GaA和InP器件，外延晶片一般包含夹在n型和p型半导体之间的有源区。在多数情况下，顶层是p型。
如图3所示，利用标准的光刻(89)，用相对厚的光刻胶26图案化薄铜籽晶层24。光刻胶图案26高度为至少50微米，优选在50至300微米的范围内，更优选200微米；以及约3至500微米的厚度。它们优选通过约300微米的间隔彼此隔开，这取决于最终芯片的设计。实际的图案取决于器件设计。
然后将铜的图案化层28电镀到光刻胶26之间的层24(90)上，以形成用于形成衬底一部分的散热片。铜层28优选地是不大于光刻胶26的高度，并且因此是与光刻胶26相同或比光刻胶26小的高度。然而，铜层28可以是比光刻胶26大的高度。在这种情况下，铜层28可随后削薄至不大于光刻胶26的高度。削薄可通过抛光或湿法蚀刻进行。可在铜电镀之后移除或不移除光刻胶26。可通过标准且公知的方法例如抗蚀剂剥离液中的树脂、或者通过等离子体蚀刻移除。
依据该器件设计，处理外延层14之后是利用标准的工艺技术，例如清洗(80)、光刻(81)、蚀刻(82)、器件隔离(83)、钝化(84)、金属化(85)、热处理(86)等等(图4)。然后对晶片10退火(87)来提高粘接性。
外延层14通常由原生衬底12上的n型层16和现在被欧姆层20、粘接层22、铜籽晶层24和电镀的厚铜层28覆盖的原生正面或顶表面18上的p型层制成。
在图5中，然后例如利用Kelly的方法移除(91)原生衬底层12[M.K.Kelly，O.Ambacher，R.Dimitrov，R.Handschuh和M.Stutzmann，phys.stat.sol.(a)159，R3(1997)]。该衬底还可通过抛光或湿法蚀刻来移除。
图6是倒数第二个步骤并且与在外延层14的后表面(或下面)上增加第二欧姆接触层30的发光二极管特别相关，用于光发射。还增加了接合垫32。第二欧姆接触层30优选地是透明的或半透明的。更优选地是薄层并且可以在3至50nm厚的范围内。
在增加第二欧姆接触层30之前，可进行公知的初步处理。这些例如可以是光刻(92、93)、干法蚀刻(94、95)和光刻(96)。
退火(98)之后可以是沉积第二欧姆接触层30。
然后通过公知且标准的方法测试(99)芯片/管芯。然后将芯片/管芯分成(100)(图7)单独的器件/芯片1和2，而没有重叠/抛光衬底并且没有切割。封装之后是标准且公知的方法。
外延层14的顶表面优选地在约0.1至2.0微米的范围内，优选地离有源区约0.3微米。由于在该结构中发光二极管芯片的有源区接近相对厚的铜垫28，所以在蓝宝石结构上提高了除热的速率。
另外或可选地，可使用相对厚的层28来提供芯片的机械支撑。还可用于提供从发光器件芯片的有源区的除热的路径，并且还可用于电连接。
电镀步骤在晶片水平面处进行(即，在切割操作之前)并且可一次用于几个晶片。
第一欧姆接触层20，是金属的且相对平滑，非常有光泽并因此是高反射的光。同样的第一欧姆接触层20，在其与外延层14正面的界面处，还用作反射表面或反射镜，以提高光输出。这在没有另外的制造步骤的条件下获得。欧姆接触层/反射层20可以是纯金属或多层金属层的叠层，例如Ni/Au、Ru/Au、氧化铟锡(ITO)、Ta/Ti等等。
尽管优选实施例涉及使用铜，但只要其是导电的和/或导热的，则可使用任何其它的可电镀材料，或者提供用于发光二极管的机械支撑。
通过以单个步骤组合反射镜层形成和欧姆接触形成，避免了结合到另一衬底的问题。在反射镜/欧姆接触层上电镀铜或其它导热和导电材料(例如金属)优选地是在室温下。这避免了用于现有的结合工艺中的升温。相对厚的电镀层例如可以是250微米厚。同样，其可用作机械支撑、热导体和电导体，由此能够使移除原生的衬底稍微容易。
优选地，在移除衬底之前每个发光二极管管芯与其它管芯隔离开，由此在移除衬底期间或之后整个晶片的任意翘曲或弯曲都不会造成各个发光二极管管芯中的应力或裂缝。由于相对厚的层是导电的，所以电流可以从该管芯的一侧流动到另一侧。结果，仅需要一条结合导线。出售的多数GaN基发光二极管需要两导线结合，如同蓝宝石是绝缘体一样。
虽然已在前面的描述中描述了本发明的优选形式，但本技术领域人员将理解，可在不脱离本发明的前提下进行设计、构造或操作上的许多改变或修改。
Claims (32)
1.一种用于在半导体发光二极管上制造反射层的方法，该半导体发光二极管由衬底上具有若干外延层的晶片制成，该方法包括在若干外延层的正面上应用第一欧姆接触层，该第一欧姆接触层是反射材料以便还用作在其与正面界面处的反射层。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
(a)将导热金属的籽晶层应用到第一欧姆接触层的正面上；
(b)在籽晶层上电镀导热金属的相对厚层；以及
(c)移除该衬底。
3.如权利要求2所述的方法，其中在应用籽晶层之前用粘接层涂布第一欧姆接触层。
4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中在电镀步骤(b)之前用光刻胶图案来图案化籽晶层，该相对厚的层的电镀在光刻胶图案之间。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中在步骤(b)和(c)之间对晶片进行另外步骤的退火，以提高粘接性。
6.如权利要求4所述的方法，其中光刻胶图案是至少50微米的高度。
7.如权利要求4所述的方法，其中光刻胶图案具有3至500微米范围的厚度。
8.如权利要求4、6和7中任一项所述的方法，其中光刻胶图案具有300微米的间隔。
9.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中在步骤(b)电镀籽晶层而没有图案化，随后进行图案化。
10.如权利要求9所述的方法，其中图案化通过光刻胶图案化和然后湿法蚀刻以及相对厚层的激光束显微机械加工中之一进行。
11.如权利要求4至10中任一项所述的方法，其中相对厚层的高度不大于光刻胶高度。
12.如权利要求4至10中任一项所述的方法，其中相对厚层的导热金属电镀到大于光刻胶的高度并且随后通过抛光削薄。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中在步骤(c)之后包括在外延层的后表面上形成第二欧姆接触层的额外步骤，该第二欧姆接触层选自由不透明、透明和半透明构成的组，该第二欧姆接触层是空白的和图案化的其中一种。
14.如权利要求13所述的方法，其中在第二欧姆接触层上形成至少一个接合垫。
15.如权利要求2至12中任一项所述的方法，其中在步骤(c)之后进行欧姆接触形成和随后的处理步骤，该随后的处理步骤包括沉积至少一个导线接合垫。
16.如权利要求15所述的方法，其中在沉积第二欧姆接触层之前，清洗和蚀刻第二外延层。
17.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其中第二欧姆接触层不覆盖外延层第二表面的整个区域。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，其中在形成第二欧姆接触层之后，包括测试晶片上的发光器件，以及将该晶片分成单独的器件。
19.如权利要求1至18中任一项所述的方法，其中制造发光器件，而没有选自由重叠、抛光和切割组成的组的一种或多种。
20.如权利要求1至19中任一项所述的方法，其中第一欧姆接触层位于外延层的p型层上。
21.如权利要求13至18中任一项所述的方法，其中在外延层的n型层上形成第二欧姆接触层。
22.如权利要求13所述的方法，其中在步骤(c)之后，在外延层上沉积电介质膜，在电介质膜和第二欧姆接触层中切割开口，并且在外延层上沉积接合垫。
23.如权利要求2至12中任一项所述的方法，其中在步骤(c)之后，在外延层上进行电镀导热金属。
24.如权利要求2至23中任一项所述的方法，其中导热金属包括铜，外延层包括若干GaN基的层。
25.一种由权利要求1至24中任一项方法所制造的发光二极管。
26.一种半导体发光二极管，包括外延层、在外延层正面上的第一欧姆接触层，第一欧姆接触层是反射材料，并且在其与外延层的界面处用作反射镜。
27.如权利要求26所述的发光二极管，进一步包括在第一欧姆接触层上的粘接层、在粘接层上的导热金属的籽晶层、和在籽晶层上的导热金属的相对厚层，该相对厚层是选自由散热片、电连接体和机械支撑构成的组的一种或多种。
28.如权利要求26或权利要求27所述的发光二极管，进一步包括在外延层后表面上的第二欧姆接触层；第二欧姆接触层是从3至500纳米范围的薄层。
29.如权利要求28所述的发光二极管，其中第二欧姆接触层包括接合垫并且选自由不透明、透明和半透明组成的组。
30.如权利要求26至29中任一项所述的发光二极管，其中导热金属包括铜，并且外延层包括GaN基的层。
31.如权利要求26至30中任一项所述的发光二极管，其中在第一欧姆接触层和相对厚层之间的第一欧姆接触层上有粘接层，以及在粘接层和相对厚层之间有导热金属的籽晶层。
32.如权利要求26至31中任一项所述的发光二极管，其中相对厚层是至少50微米厚。
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