用于创建多孔反射接触件的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光器件，诸如包括多孔半导体区的发光二极管。
【背景技术】
[0002]包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器的半导体发光器件是当前可获得的最高效的光源之一。当前在能够跨可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中感兴趣的材料系统包括II1-V族半导体，特别是还被称为III氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。典型地，通过借由金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III氮化物或其它合适衬底上外延生长具有不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制造III氮化物发光器件。堆叠通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个η型层、在N型区或层之上形成的有源区中的一个或多个发光层、以及在有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个P型区。电气接触件形成在N和P型区上。通常，N型区沉积在衬底上，然后有源区沉积在N型区上，然后P型区沉积在有源区上。层的顺序可以颠倒使得P型区邻近于衬底，尽管这种实践方式并不常见。
[0003]LED是包含许多光学损耗机制的非理想器件，所述光学损耗机制不仅在半导体层内，诸如有源区再吸收和自由载流子吸收，而且在其中高反射性的有效欧姆接触件难以实现的半导体-金属界面处。通过全内反射或波导俘获的光线尤其受到这些机制的影响。
[0004]LED将典型地具有作为LED的“顶部”的发光表面。与顶表面相对的表面被描述为LED的“底部”。为了高效的光提取，大面积底部反射器的光学损耗必须最小化。底部反射器在许多LED设计中还是电气接触件，这限制可以用作反射器的材料的选择。此外，高效的LED必须包含某种设计元素以增强光从高折射率半导体堆叠到低折射率封装体中并且然后到空气中的提取。在高折射率材料与低折射率材料之间的平面界面处，仅位于逸出锥内的射线将穿过，更高角度的射线被反射回到芯片中。除非这些更高角度的射线通过散射重定向，否则它们将在芯片内“波导”并且以高概率被吸收。如果半导体堆叠相对于LED宽度足够厚，比方说至少0.3:1的高度与宽度比，则可以通过优化芯片的侧壁角度而将光线引导成通过LED的“顶部”和/或侧面逸出。为了实现“高”透明器件结构，外延层可以生长在透明衬底上或者可替换地它们可以生长在吸收衬底上，吸收衬底被移除并且然后利用半导体到半导体工艺将外延层键合到透明窗口衬底。通过第二方法形成的该设计元素的示例是从Phillips Lumileds Lighting商业可获得的众所周知的截头倒金字塔形(TIP)AlInGaPLED。第二设计元素是顶表面的粗糙化或图案化。撞击非平面界面的半导体中的光线具有较大的逸出几率。同样地，散射回到半导体中的光子具有高重定向概率，这减少波导。第三设计元素是埋入半导体内部的散射层。该层的功能主要是随机化光子方向并且减少波导。由于散射导致一些反射，所以在有源区下方具有散射级(level)是特别有效的。如果散射层可以构建到底部反射器中，则可以特别有效。在该情况下，预期到反射率中的一些改进并且散射效果将限制波导并且增强提取。
[0005]多孔半导体是可以并入到半导体堆叠中的有效光学散射层。材料由于空气与半导体之间的大折射率差异以及大界面面积而几乎是无损耗且高度散射的。对于如通过引用并入本文的美国专利N0.8，174，025中所描述的AlInGaP LED，多孔GaP区已经与AuGe接触件组合。但是存在进一步改进这种类型的接触件的需要。
【发明内容】
[0006]依照本发明的实施例，发光器件包括具有设置在N型区与P型区之间的发光区的半导体结构。多孔区设置在发光区与电气连接到N型区和P型区中的一个的接触件之间。多孔区将光散射离开吸收接触件，这可以改进来自器件的光提取。在一些实施例中，多孔区是N型半导体材料，诸如GaN或GaP。
[0007]如美国专利N0.8，174，025中所讨论的，当与合金化接触件组合时，多孔层的使用在增强AlInGaP LED的效率方面是有效的。观察到增大的lm/W，但是可能存在控制接触件形成过程中的困难，因为GaP材料的孔隙率使得Au和Ge能够在合金化接触件的创建期间迅速扩散到半导体中。过多的扩散增加来自所并入的Au和Ge的光学损耗，并且不充分的扩散导致来自欠合金化(under-alloyed)接触件的正向电压中的增大。另夕卜，AuGe合金的欠佳反射率要求至少10 μ m的厚多孔层以充分地减少光学损耗，即多孔层必须具有足够的厚度使得大于90%的光不到达接触件。还可能存在该厚多孔层的电气和热学传导率的小但明显的减小。存在通过避免合金化接触件并且避免诸如AuGe之类的光吸收接触件金属来进一步改进这种类型的接触件的需要。利用非合金化接触件以及更高反射率材料，可以使用薄得多的多孔层并且实现更鲁棒的过程。
[0008]半导体接触件可以是诸如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)之类的透明导电氧化物，并且高反射率材料可以是银或金。诸如钛或镍之类的粘合促进层可以介于透明导电氧化物与反射金属之间。粘合促进层可以像5nm那样薄。一种所提出的接触件利用氧化铟锡(ITO)区和银区与多孔区的组合以利用更鲁棒的过程流创建更具反射性的接触件。在可替换方案中，钛银区可以与多孔区组合。
[0009]已经公开了 ITO接触件的使用，即通过引用并入本文的美国专利N0.7985,979。ITO接触件也已经在商业上采用，即Epistar HB-1TO LED。依照本发明的实施例，器件晶片中的前述多孔区可以涂敷有ITO层以形成到半导体的欧姆接触件。观察到的是，利用ITO材料形成欧姆接触件所要求的退火温度和时间不会导致接触件材料到半导体层中的向内扩散和大幅合金化，因此不危害半导体和ITO的透明性。
[0010]ITO可以与金属组合以形成具有良好反射性质的欧姆接触件。接触件对于发光区所发射的光可以是反射性的。在一个实施例中，厚多孔区可以用作漫反射器，并且ITO和金属接触件缓解退火期间金属到多孔区中的扩散。在另一实施例中，ITO和金属接触件可以充当反射器，并且稍微更薄的多孔区可以充当散射区。设想到散射与反射率之间的任何合适折衷并且其包括在本发明的范围内。
[0011 ] 多孔区可以足够厚以提供散射，在大约3-5um处。ITO/Ag接触件可以针对AlInGaP器件中的N型区制作。类似结构可以用于大面积η-GaN反射、散射接触件。
[0012]孔隙率可以通过多孔蚀刻期间的电流密度来控制。较高的电流密度创建更为多孔的结构。在光学上，层越为多孔，散射就越大，并且因而实现给定累积散射所需要的层就越薄。具有8微米厚度的10%多孔(蚀刻掉的体积)可以如仅4微米厚的30%多孔层那样有效。原始非多孔层的折射率是散射能力中的另一因素。多孔层在光学上是非多孔原始材料与空气的混合物，其中散射源自半导体和空气的折射率η之间的差异。给定相等的孔隙率，与GaN (η~2.4)的多孔层相比，诸如GaP (η~3.3)之类的较高折射率材料的多孔层将具有较高散射能力。对于给定应用和孔隙率，GaN的较厚层将是所要求的。多孔层可以被视为具有单个值η，其由原始层的折射率与空气的折射率(η~1)的加权平均造成。多孔层的设计应当考虑诸如原始非多孔半导体、多孔半导体、ITO和Ag之类的材料的最终堆叠的光学效果。例如，组合结构的反射率可以通过选择多孔层的厚度和孔隙率进行优化。
[0013]多孔过程可以通过诸如氮化硅之类的电介质层来图案化(限制于某些区域)。由电介质材料覆盖的表面区域将不被做成多孔的。表面不需要是平坦的。在多孔性创建过程之前，结构可以被蚀刻到半导体中或者通过其它手段来创建，诸如在随后移除的非平面衬底上生长。
[0014]多孔区典型地通过将电气接触件应用到晶片并且将晶片浸没在具有电偏压的腐蚀浴中而在晶片级创建。在一些情况下，晶片的光照可以用于增强该过程。一般而言，在晶片处理期间，移除生长衬底，半导体可以被蚀刻以显露诸如然后被做成多孔的N型半导体接触件区之类的特定区。利用时间和电流密度来控制厚度和孔隙率以提供充足的光散射而不导致通过多孔区的热学和电气传导中的明显减小。在创建多孔区之后，形成ITO/Ag接触件。还设想到具有P型多孔区和ITO/Ag接触件的版本并且其包括在本发明的范围内。还设想到具有P型多孔区和ITO/Ag接触件的版本并且其包括在本发明的范围内。还设想到具有(多个)图案化多孔区和ITO/Ag接触件的版本并且其包括在本发明的范围内。另一实施例是将InGaN LED结构生长在透明导电块状GaN衬底上，致使P型区的一部分是多孔的，处理ITO/Ag接触件，处理具有图案化η接触件的衬底的背侧，并且然后利用斜面刀片锯切晶体以创建成角侧壁。设想到适合用于块状GaN或SiC生长衬底的类似实施例，其中取代背侧接触件；使用倒装芯片工艺来将两个接触件放置在晶片的外延侧上。侧壁将利用斜面锯切创建。
【附图说明】
[0015]在附图中:
图la-k示出了创建具有反射接触件的LED的步骤的侧视图；
图2示出使用成形器件的具有反射接触件的LED的侧视图；
图3a-g示出了创建具有反射接触件的LED的步骤的侧视图；
图4a_e示出了创建具有反射接触件的LED的步骤的侧视图；以及图5示出使用成形器件