专利名称：半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件及其制造方法，更具体地说，涉及一种垂直结构半导体发光器件及其制造方法。
背景技术：
诸如发光二极管(light emitting diode, LED)等半导体发光器件是一种固态电子器件，通常包括插在P型半导体层和η型半导体层之间的半导体材料有源层。一旦在该半导体发光器件的所述P型半导体层和η型半导体层两端施加激励电流，电子和空穴就会从所述P型和η型半导体层注入所述有源层。注入的电子和空穴在该有源层中复合，从而产生光。一般地说，所述半导体发光器件使用分子式为AlxInyGa(1_x_y)N (0 ^ χ ^ 1, O^y^ 1)的氮化物基III_V族半导体化合物来制造，并成为一种发射短波长光(紫外光到绿光)的器件，特别是发射蓝光的器件。然而，由于氮化物基半导体化合物使用满足晶格匹配条件的诸如蓝宝石基底或碳化硅(SiC)基底等电介质基底来制造，以便施加激励电流，因此，与所述P型和η型半导体层连接的两个电极具有平面结构，其中，该两个电极几乎水平地布置在发光结构的上表面上。然而，当所述η型和ρ型电极几乎水平地布置在所述发光结构的上表面上时，由于发光面积的减小，亮度会降低，并且电流的扩布不平滑。因此，易受静电放电 (electrostatic discharge, ESD)影响的可靠性就成为一个问题，另外，同一晶片上的芯片的数目会下降，由此降低了产率。此外，对芯片尺寸的减小产生限制，并且蓝宝石基底也具有不良的导电性。因此，在高输出激励期间所产生的热量不能充分地散发出去，由此引起了器件性能的限制。为了解决上述的限制，使用激光剥离过程来制造垂直结构半导体发光器件，所述激光剥离过程通过高输出激光的高密度能量分解蓝宝石基底和氮化物基半导体化合物层的一部分之间的边界，从而将蓝宝石基底与氮化物基半导体化合物层的所述一部分分离。图1是剖视图，示出了在用激光剥离过程分离了蓝宝石基底之后通过附着支撑导电基底制造的垂直结构半导体发光器件。参看图1，现有技术中的垂直结构半导体发光器件10包括在导电基底40上顺序地布置的金属层35、ρ型半导体层25、有源层20、η型半导体层15。在η型半导体层15上布置η型电极45。一旦在ρ型和η型半导体层25和15两端施加激励电流，电子和空穴就从该P型和η型半导体层25和15注入有源层20中。注入的电子和空穴就在有源层20中复合，从而产生光。在所述垂直结构半导体发光器件的情形中，重要的是，在同样的面积中，光抽取效率有多高。然而，如图1中的箭头所示，从现有的垂直结构半导体发光器件10产生的光具有一个典型的光路，在该光路中，光从有源层20发射，在金属层35处(即，ρ型半导体层25 和导电基底40之间的界面)发生反射，并再次穿过有源层20传输到η型半导体层15的外部。由于光在穿过有源层20时会发生光吸收，所以光抽取效率较低，并且输出到外部的光较少。而且，为了防止金属层35中的金属扩散进ρ型半导体层25中，如图2所示，提出了半导体发光器件10’，半导体器件10’包括布置在P型半导体层25和导电基底40之间的界面处并布置在金属层35和导电基底40上的防反射层30。然而，在这种情形中，防反射层 30可以作为波导，从而如图2中的箭头所示，来自有源层20的光在防反射层30处发生全反射，并在防反射层30中传播之后通过防反射层30的侧面传输出去，从而从防反射层30的侧面产生光。由于光在基本上不想要的方向上传播，或者光在全反射过程中有些损失，所以光抽取效率就降低了。于是，光输出减小了。
发明内容
本发明提供一种半导体发光器件，用于防止有源层中产生的光再次穿过该有源层时光输出减少。本发明也提供一种半导体发光器件的制造方法，该半导体发光器件用于防止有源层中产生的光再次穿过该有源层时光输出减少。根据一个示例性实施例，一种半导体发光器件包括导电基底；布置在所述导电基底上的P型电极；布置在所述P型电极上的透明电极层；发光结构，包括顺序地层叠在所述透明电极层上的P型半导体层、有源层、和η型半导体层；以及布置在所述η型半导体层上的η型电极，其中，所述发光结构布置在所述透明电极层的上中部，从而使所述发光结构的侧面与所述透明电极层的边缘分离开；以及所述透明电极层在所述发光结构的外部具有不平表面。所述透明电极层中的所述发光结构的外部处的厚度可以小于所述透明电极层中的所述发光结构的下部处的厚度。所述ρ型电极可以在所述发光结构的下部具有高台阶部，以及在所述高台阶部的两侧具有低台阶部，并且所述透明电极层可以布置在所述低台阶部。所述ρ型电极的所述高台阶部可以接触所述ρ型半导体层。所述发光结构可以相对于所述导电基底具有倾斜侧面。所述发光结构可以朝着所述η型电极具有渐窄的宽度。所述半导体发光器件还可以包括钝化层以覆盖所述发光结构的侧面。所述钝化层可以布置为覆盖所述透明电极层的不平部分。根据另一个示例性实施例，一种半导体发光器件的制造方法包括通过在半导体基底上顺序地生长η型半导体层、有源层以及ρ型半导体层来形成发光结构；在所述ρ型半导体层上形成透明电极层；在所述透明电极层上形成P型电极；在所述P型电极上附着导电基底；在附着所述导电基底后去掉所述半导体基底；去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域，从而使所述发光结构的侧面与所述透明电极层的边缘分离开，并在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面；以及在η型半导体层上形成η型电极。去掉所述其余区域和形成所述发光结构的不平的外部表面可以包括通过干刻去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域；以及在去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域之后，通过原位干刻在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面。去掉所述其余区域和形成所述发光结构的不平的外部表面可以包括通过干刻去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域；以及通过湿刻在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面。形成所述ρ型电极可以包括通过在所述透明电极层中去掉与所述发光结构的中部相对应的部分形成凹槽；以及在具有所述凹槽的所述透明电极层的整个表面上形成金属层。所述凹槽形成为露出所述ρ型半导体层。所述透明电极层可以由诸如铟锡氧化物andium Tin Oxide, IT0)等透明导电金属氧化物形成。所述P型电极可以由多层形成，至少一层包括Ag、Ni、Al、I h、Pd、Ir、Ru、Mg、 Zn、Pt 禾口 Au 之一。
从下面结合附图的描述中可以更详细地理解示例性实施例，在附图中图1和图2是剖视图，示出了现有技术中的垂直结构半导体发光器件；图3到图5是剖视图，示出了根据实施例所述的半导体发光器件；以及图6和图7是制造过程剖视图，示出了根据实施例所述的半导体发光器件的制造方法。
具体实施例方式在下文中，将参考附图详细描述具体的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式来实施，并且不应该被解释为限于这里所说明的实施例，相反，提供这些实施例使得本发明的内容透彻而完整，并向本领域的技术人员完整地传达了本发明的概念。在附图中，为清楚起见，层和区域的厚度被夸大了。图3是剖视图，示出了根据一个实施例所述的半导体发光器件。参看图3，所述半导体发光器件100包括导电基底140、以及顺序地布置在导电基底140上的ρ型电极135、透明电极层130、p型半导体层125、有源层120、n型半导体层115 以及η型电极145。顺序地层叠在透明电极层130上的ρ型半导体层125、有源层120和η 型半导体层115构成了发光结构。该发光结构被布置在透明电极层130的上中部上，以便使该发光结构的侧面与透明电极层130的边缘分离开。透明电极层130中的所述发光结构的外部具有不平的表面132。不平表面132可以具有金字塔形状或与此类似的形状。透明电极层130可以用来防止从有源层120产生的光在反射之后再次入射到有源层120中。另外，当在后面的过程中加热时，透明导电层120 可以有效地防止P型电极135中的金属元素通过扩散转移，从而减小了漏电流。在考虑这些时，透明电极层130可以由诸如铟锡氧化物andium Tin Oxide, ΙΤ0)等透明导电金属氧化物形成。如图3中的箭头所示，来自有源层120的光被引入透明电极层130中，但很容易在接触不平表面132之后发射到外界。因此，这就防止了有源层120中所产生的光再次反射到有源层120中，并且没有典型的侧面出光的副作用。因此，在有源层120中没有光吸收， 从而输出到外界的光不减少。所述发光结构可以形成为相对于导电基底140具有倾斜侧面。这样，如图所示，该发光结构可以具有朝着η型电极145渐窄的宽度。因此，所述倾斜侧面结构可以具有宽的发光面积。半导体发光器件100还可以包括钝化层150以覆盖所述发光结构的侧面。钝化层 150由绝缘电介质形成，用于侧面防护，诸如进行电绝缘和防止杂质渗透。此时，钝化层150 可以覆盖透明电极层130的不平表面132，并且如图3所示，可以覆盖不平表面132的一部分或透明电极层130的整个表面。钝化层150可以省略以调节辐射角或最小化光吸收。透明电极层130在透明电极层130的不平表面132中的凸出部处的厚度小于在所述发光结构的下部处的厚度，如图3所示。就是说，在透明电极层130中，在所述发光结构的外部处的厚度小于在所述发光结构的下部处的厚度。这些厚度可以变化。例如，参看根据所述实施例的变型的图4，透明电极层130’在透明电极层130’的不平表面132中的凸出部处的厚度等于透明电极层130’在所述发光结构的下部处的厚度。图5是剖视图，示出了根据一个实施例所述的半导体发光器件。全文中相同的附图标记表示相同的部分，并且省略重叠的描述。除了透明电极层230和ρ型电极235之外，图5中的半导体发光器件200与图3 中的半导体发光器件100相同。在图5中，省略了图3中的钝化层150。在透明电极层230 中，不平表面232形成在发光结构的外部处。ρ型电极235可以在所述发光结构的下部处具有高台阶部23 ，在高台阶部23 的两侧具有低台阶部23恥。透明电极层230可以布置在低台阶部23 之上。具体说，ρ型电极235的高台阶部23 接触ρ型半导体层125。透明电极层230和ρ型电极235的形状可以应用于图4所示的实施例的变型中。图6是制造过程剖视图，示出了根据一个实施例所述的半导体发光器件的制造方法。这里，根据典型的垂直结构氮化物基III-V族半导体化合物半导体发光器件的制造方法，使用预定晶片制作多个发光器件，但为了描述方便起见，根据本实施例，在图6中示出了只制造一个发光器件的方法。首先，如图6(a)所示，在半导体基底110上顺序地生长η型半导体层115、有源层 120、以及ρ型半导体层125从而形成发光结构之后，在ρ型半导体层125上形成透明电极层130。然后在透明电极层130上形成ρ型电极135。半导体基底110可以是生长氮化物半导体单晶的合适基底，并且除了蓝宝石之外也可以由SiC、&iO、GaN或AlN形成。在生长η型半导体层115之前，可以由AIN/GaN形成缓冲层(未示出)以改善与半导体基底110的晶格匹配。η型半导体层115、有源层120、以及ρ型半导体层125可以由具有分子式hxAlYGaa_x_Y)N(0彡X，0彡Y，X+Y ( 1)的半导体材料形成。更具体地说，η型半导体层115可以由掺杂有η型杂质的GaN层或GaN/AWaN层形成，而所述η型掺杂包括Si、Ge、Sn、Te或C，并且Si可以特别地用作所述η型掺杂。此外，ρ型半导体层125可以由掺杂有P型杂质的GaN层或GaN/AWaN层形成，而所述ρ型掺杂包括Mg、Zn、和Be，并且Mg 可以特别地用作所述P型掺杂。再者，有源层120产生并发射光，并且由多量子阱形成，在所述多量子阱中，通常用InGaN层作为阱，而通常用GaN层作为垒层。有源层120可以包括单量子阱层或双异质结构。所述缓冲层、η型半导体层115、有源层120、以及ρ型半导体层 125可以通过诸如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延 (HVPE)等沉积过程来形成。如上所述，透明电极层130防止有源层120产生的光再次被反射到有源层120中， 并防止P型电极135中的金属元素扩散。如后面提及的，透明电极层130可以在对所述发光结构进行干刻时用来探测刻蚀终点。透明导电金属氧化物，诸如铟锡氧化物(ITO)，满足所有的上述功能。在这种情形中，透明电极层130可以通过诸如溅射和沉积过程等熟知的方法来形成。ρ型电极135可以用作相对于导电基底140的欧姆接触、用来反射有源层120所产生的光、以及用作电极。P型电极135可以由多层形成，至少一层包括Ag、Ni、Al、I h、Pd、 Ir、Ru、Mg、Zn、Pt和Au之一。考虑到反射，ρ型电极135可以形成为组合层，诸如Ni/Ag、 Zn/Ag、Ni/Al、Zn/Al、Pd/Ag、Pd/Al、Ir/Ag、Ir/Au、Pt/Ag、Pt/Al、以及 Ni/Ag/Pt 层。接着，如图6(b)所示，将导电基底140附着到ρ型电极135上。导电基底140作为最终的半导体发光器件100中的一个部分可以用作支撑体，以支撑所述发光结构。具体说，当通过后面要描述的激光剥离过程或化学剥离过程去掉半导体基底110时，将导电基底140附着到P型电极135上，使得厚度较薄的发光结构可以更容易被处理。导电基底140可以由从Si、Cu、Ni、Au、W和Ti中选出的一种来形成，并且根据所述选出的一种，可以通过诸如电镀、沉积和溅射等过程在P型电极135上直接形成。这里， 作为一个实施例，导电基底140通过晶片键合(wafer bonding)过程来附着，但本发明不限于此。由包括Au和Sn作为主要成分的共晶合金形成的键合金属层可以进一步沉积在ρ型电极135上，并且可以通过加压/加热方法使用所述键合金属层作为中介来附着导电基底 140。然后，去掉半导体基底110。此时，可以使用激光剥离过程或化学剥离过程。例如， 当使用激光剥离过程时，将激光束照射到半导体基底110的整个表面上以分开半导体基底 110。当使用化学剥离过程时，在半导体基底110和所述发光结构之间还提供可以通过湿刻去掉的牺牲层，然后利用可以选择性地去掉所述牺牲层的蚀刻剂使半导体基底110分离。 由于所述剥离过程之故，与半导体基底110接触的η型半导体层115 (或缓冲层，如果有的话)会有露出的表面。去掉半导体基底110时露出的所述表面可以用湿的清洗液或等离子体进行处理，使得可以进一步包括用于去掉所述剥离过程期间所产生的杂质的过程。接着，如图6(c)所示，去掉所述发光结构的中间部之外的其余区域，以便使所述发光结构的侧面与透明电极层130的边缘分离开。此时，可以使用湿刻，但在本实施例中， 使用干刻，诸如感应耦合等离子体反应离子刻蚀(Inductively coupled plasma-reactive ion etching, ICP-RIE)。通过所述干刻过程，对η型半导体层115、有源层120和ρ型半导体层125进行刻蚀，并且可以不刻蚀透明电极层130，从而用其探测刻蚀终点。因此，使用具有选择性的刻蚀气体的组合。
在去掉所述发光结构的除中间部之外的其余区域，以便使所述发光结构的侧面与透明电极层130的边缘分离开的同时，在透明电极层130中的所述发光结构的外部表面上形成不平表面132。可以在完成对所述发光结构刻蚀之后利用改变了类型的刻蚀气体进一步进行原位干刻，从而形成不平表面132。即使刻蚀气体的类型不改变，也可以通过增加等离子体强度或延长刻蚀时间来形成不平表面132。如果使用干刻，可以形成具有均勻密度和希望尺寸的用于光抽取的不平结构。通过刻蚀气体类型、等离子体强度以及刻蚀时间可以调节用于形成不平表面132的刻蚀深度，特别是可以通过刻蚀时间来容易地调节。可以使用湿刻来形成不平表面132。如果使用诸如缓冲氧化物蚀刻剂(Buffered Oxide Etchant,B0E)等蚀刻剂，可以在透明电极层130中的所述发光结构的外部表面上形成所述不平表面。通过蚀刻剂的摩尔浓度、刻蚀温度以及刻蚀时间可以调节用于形成不平表面132的刻蚀深度，特别是可以通过刻蚀时间来容易地调节。与干刻相比，如果使用湿刻，那么在透明电极层130的表面上出现损伤比较少。然后，如图6(d)所示，在η型半导体层115上形成η型电极145。在此之前，η型半导体层115可以使用碱溶液形成粗糙表面以改善光抽取，并且可以使用掩模来保护要沉积η型电极145的部分。在形成η型电极145之后，使用电介质形成钝化层150来保护η 型电极145的侧面。当然，在形成钝化层150之后，可以形成η型电极145。图7是制造过程剖视图，示出了根据另一个实施例所述的半导体发光器件的制造方法。这里，为了描述方便起见，示出了制造一个发光器件的方法。为了简明起见，省略重叠的描述。如图7(a)所示，在半导体基底110上顺序形成η型半导体层115到透明电极层 230的过程与图6(a)中的过程相同。接着，参看图7(b)，通过在透明电极层230中去掉与发光结构的中部相对应的部分而形成凹槽H。凹槽230形成为露出ρ型半导体层125。然后，在包括凹槽H的透明电极层230的整个表面上形成金属层，以形成ρ型电极235。此时，ρ型电极235的形成可以分为两个操作。首先，形成用于反射的金属以填充凹槽H的区域，然后在所述用于反射的金属和透明电极层230的表面上形成用于欧姆接触的金属。接着，如图7 (c)所示，在ρ型电极235上附着导电基底140，并去掉半导体基底 110。然后，如图7(d)所示，去掉所述发光结构的除中间部之外的其余区域，以便使所述发光结构的侧面与透明电极层230的边缘分离开。另外，在透明电极层230中的所述发光结构的外部表面上形成不平表面232。然后，如图7 (e)所示，在η型半导体层115上形成η型电极145。根据这些实施例，由于具有不平表面的所述透明电极层包括在所述ρ型半导体层和所述导电基底之间的界面处在所述发光结构的外表面上，所以，防止了有源表面中产生的光再次被反射到该有源层中。来自有源层的光被引入透明电极层中，但不形成波导，而是接触到所述不平表面从而被容易地出射到外界。因此，就消除了侧面出光的典型副作用。所以，在所述有源层中没有光吸收，使得输出到外界的光不减少。尽管参考所述具体实施例描述了所述半导体发光器件及其制造方法，但不限于此。所以，本领域中的技术人员容易理解，在不偏离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包括导电基底；布置在所述导电基底上的P型电极；布置在所述P型电极上的透明电极层；发光结构，包括顺序地层叠在所述透明电极层上的P型半导体层、有源层、和η型半导体层；以及布置在所述η型半导体层上的η型电极，其中，所述发光结构布置在所述透明电极层的上中部，从而使所述发光结构的侧面与所述透明电极层的边缘分离开；以及所述透明电极层在所述发光结构的外部具有不平表面。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述透明电极层中的在所述发光结构的外部处的厚度小于所述透明电极层中的在所述发光结构的下部处的厚度。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述P型电极在所述发光结构的下部具有高台阶部，以及在所述高台阶部的两侧具有低台阶部，并且所述透明电极层布置在所述低台阶部。
4.根据权利要求3所述的半导体发光器件，其中，所述ρ型电极的所述高台阶部接触所述P型半导体层。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述发光结构相对于所述导电基底具有倾斜侧面。
6.根据权利要求5所述的半导体发光器件，其中，所述发光结构的宽度朝着所述η型电极渐窄。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括钝化层以覆盖所述发光结构的侧
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中，所述钝化层布置为覆盖所述透明电极层的不平部分。
9.一种半导体发光器件的制造方法，该方法包括通过在半导体基底上顺序地生长η型半导体层、有源层以及P型半导体层来形成发光结构；在所述P型半导体层上形成透明电极层； 在所述透明电极层上形成P型电极； 在所述P型电极上附着导电基底； 在附着所述导电基底后去掉所述半导体基底；去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域，从而使所述发光结构的侧面与所述透明电极层的边缘分离开，并在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面；以及在η型半导体层上形成η型电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，去掉所述其余区域和形成所述发光结构的不平的外部表面包括通过干刻去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域；以及在去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域之后，通过原位干刻在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，去掉所述其余区域和形成所述发光结构的不平的外部表面包括通过干刻去掉所述发光结构的除中部之外的其余区域；以及通过湿刻在所述透明电极层中形成所述发光结构的不平的外部表面。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述ρ型电极包括通过在所述透明电极层中去掉与所述发光结构的中部相对应的部分形成凹槽；以及在具有所述凹槽的所述透明电极层的整个表面上形成金属层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述凹槽形成为露出所述ρ型半导体层。
全文摘要
提供一种半导体发光器件。该半导体发光器件包括导电基底、布置在所述导电基底上的p型电极、布置在所述p型电极上的透明电极层、包括顺序地层叠在所述透明电极层上的p型半导体层、有源层、和n型半导体层的发光结构，以及布置在所述n型半导体层上的n型电极。所述发光结构布置在所述透明电极层的上中部，从而使所述发光结构的侧面与所述透明电极层的边缘隔开。所述透明电极层在所述发光结构的外部具有不平表面。
文档编号H01L33/00GK102347415SQ20111021021
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月26日 优先权日2010年7月27日
发明者裴德圭 申请人:Theleds株式会社