具有形成在有紋理的表面上的接觸部的半導體發光器件的製作方法

2023-05-01 04:52:11

專利名稱：具有形成在有紋理的表面上的接觸部的半導體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有布置在半導體結構的表面上的η接觸部的倒裝晶片半導體發光器件，該表面具有蝕刻通過P型區域和發光層的到達η型區域的多個開口。
背景技術：
包括發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)和邊發射雷射器的半導體發光器件屬於最高效的當前可用光源之一。當前在能夠跨越可見光譜進行操作的高亮度發光器件的製造中所關注的材料系統包括III-V族半導體，具體地，包括鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也被稱作III族氮化物材料。典型地，III族氮化物發光器件是通過以下方式來製造的利用金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)、分子
束外延(MBE)或其他外延技術，在藍寶石、碳化矽、III族氮化物、複合物或其他合適襯底上外延生長不同成分和摻雜濃度的半導體層的疊層。該疊層通常包括在襯底上形成的摻雜有例如矽的一個或多個η型層、在一個或多個η型層上形成的有源區域中的一個或多個發光層以及在有源區域上形成的摻雜有例如鎂的一個或多個P型層。在η型區域和P型區域上形成電接觸部。美國專利申請2007-0096130描述了 「一種在LED管芯接合至基座(submount)之後使用雷射剝離工藝移除生長襯底(例如藍寶石)來形成LED結構的工藝」。為了消除使用基座與LED管芯之間的底部填料來支撐管芯的需要，LED管芯的下側具有形成於其上的基本上處於相同平面中的陽極電極和陰極電極，其中這些電極覆蓋了 LED結構的背表面的至少85%。基座具有基本上處於相同平面中的陽極電極和陰極電極的對應布局。「LED管芯電極和基座電極互連在一起，使得LED管芯的幾乎整個表面由這些電極和基座支撐。未使用底部填料。可以使用將LED與基座互連的不同方法，例如超聲或熱超聲金屬至金屬互擴散(金-金、銅-銅、其他韌性金屬或者以上的組合)，或者利用不同合金成分(例如金-錫、金-鍺、錫-銀、錫-鉛或其他類似合金系統)的焊接。「然後，使用雷射剝離工藝，從LED層移除形成LED結構頂部的生長襯底，該雷射剝離工藝剝落生長襯底和LED層的界面處的材料。由於電極和基座對LED層的大面積支撐，在雷射剝離工藝期間產生的極高壓力不會損壞LED層。還可以使用其他襯底移除工藝。

發明內容
本發明的目的是在半導體結構的表面上形成η接觸部，所述表面具有蝕刻通過P型區域和發光層以暴露η型區域的多個開口。在一些實施例中，開口可以足夠小且分隔成足夠接近在一起，以使得在襯底移除期間充分支撐所述半導體結構，而無需較厚的接觸部以補償通過蝕刻而暴露的η型區域的頂部與P型區域的頂部之間的高度差。在一些實施例中，器件包括半導體結構，所述半導體結構包括布置在η型區域與P型區域之間的發光層。所述半導體結構包括η接觸區域和P接觸區域。所述η接觸區域的橫截面包括其中移除了部分所述發光層和P型區域以暴露所述η型區域的多個第一區域。所述多個第一區域由其中所述發光層和P型區域仍存在於所述器件中的多個第二區域分隔。所述器件還包括在所述P接觸區域中的半導體結構上形成的第一金屬接觸部以及在所述η接觸區域中的半導體結構上形成的第二金屬接觸部。所述第二金屬接觸部與所述η接觸區域中的第二區域中的至少一個電接觸。


圖I是具有厚的η接觸部的倒裝晶片半導體發光器件的截面視圖。圖2示意了在蝕刻以暴露η型區域的部分之後III族氮化物半導體結構的一部分。圖3示意了在形成並圖案化厚金屬層之後圖2的結構。圖4示意了接合至底座(mount)的III族氮化物發光器件。
具體實施例方式在如以上在美國專利申請2007-0096130中描述的具有大面積金屬接觸部的器件中，大的接合壓力和超聲功率在接合期間可能是必要的，以克服LED管芯電極和基座電極的形貌的細微變化。侵蝕性接合條件可以導致在接合期間對LED中的半導體材料的損壞。由於電極的面積大，在接合期間在電極中缺少柔順性(即變形和塌陷)使得侵蝕性接合條件可能成為必需。在通過引用合併於此的美國申請No. 12/397, 392, 「Compliant BondingStructures for Semiconductor Devices」中提出了一種解決方案。柔順接合結構布置在LED管芯與底座之間。柔順接合結構可以布置在LED管芯上、布置在底座上或者既布置在LED管芯上又布置在底座上。在接合期間，柔順結構塌陷並回流，從而得到魯棒的電、熱和機械連接，該連接可能不需要侵蝕性接合條件並且可以補償LED管芯和底座的形貌的細微變化。比如2007-0096130和US 12/397，392的結構的III族氮化物倒裝晶片器件(其中在半導體結構的相同側形成P接觸部和η接觸部這兩者)需要蝕刻以暴露埋置的η型區域的一部分。這種器件在圖I中示意。在生長襯底10上生長包括η型區域12、發光區域14和P型區域16的半導體結構。蝕刻掉發光區域14和P型區域16的一部分，以顯露出η型區域的一部分。為了形成用於將器件接合至底座的平坦表面，必須包括一定結構以補償其上形成P接觸部18的P型區域表面與其上形成η接觸部20的η型區域表面之間的高度差。典型地，高度補償結構是可使這兩個接觸部均重新分布至最頂表面的電介質/金屬疊層或者如圖I所示的厚金屬η接觸部20。金屬間電介質層使器件的製造複雜並可能由於電介質故障而導致電短路，並且，被製造為與P接觸部表面共面的厚金屬η接觸部可能難以製造和/或製造起來較為昂貴。在本發明的實施例中，在形成η金屬接觸部的區域中，暴露了半導體結構的一部分以便蝕刻，並且保護一組小的區域。在所保護的區域中，仍存在發光層、P型區域和P接觸部金屬，從而形成被所暴露的η型材料的區域所圍繞的微米尺度半導體島或凸起(bump)。例如，凸起可以具有3微米的直徑以及8微米的中心-中心間距，從而佔據η接觸區域的14%。將光致抗蝕劑施加於晶片，並使用光刻來打開η接觸區域和半導體凸起的區域並且還打開P接觸部的至少一部分。在通過剝離(lift-off)而圖案化的抗蝕劑和金屬化部分上蒸鍍諸如AlNiTiAu疊層之類的金屬。在金屬覆蓋蝕刻區域的位置形成n接觸部，並在金屬覆蓋P接觸區域的位置形成共面的P接觸部。在接合至底座期間，共形的接觸部可以充當如上所述的柔順接合結構。在一些實施例中，P接觸部的區域中的光致抗蝕劑開口形成具有與n接觸部的區域中的半導體凸起類似的圖案的多個凸起。P接觸區域和n接觸區域中的凸起可以精確共面，而在工藝中無需調整，並且整個接合結構可以是柔順的。圖2和圖3示意了形成根據本發明的實施例的結構。在圖2中，在生長襯底10上生長包括n型區域、發光或有源區域以及p型區域的半導體結構，生長襯底10可以是任何合適的生長襯底並且典型地是藍寶石或SiC。在襯底10上首先生長n型區域22。N型區域22可以包括不同成分和摻雜濃度的多個層，包括例如製備層，如緩衝層或成核層，其可以是n型的或非有意摻雜的；釋放層，被設計為有助於後續釋放生長襯底或者在襯底移除之後使半導體結構變薄；以及n型或甚至p型器件層，針對為了使發光區域高效發射光所期望的特定光或電屬性而設計。在n型區域22上生長發光或有源區域24。合適的發光區域的示例包括單個厚或薄發光層或多量子阱發光區域，該多量子阱發光區域包括由阻擋層分離的多個薄或厚量子阱發光層。例如，多量子阱發光區域可以包括由阻擋物分離的多個發光層，其中每個發光層具有25 A或更小的厚度，每個阻擋物具有100 A或更小的厚度。在一些實施例中，器件中的每個發光層的厚度比50 A更厚。在發光區域24上生長p型區域26。與n型區域類似，p型區域可以包括不同成分、厚度和摻雜濃度的多個層，包括非有意摻雜的層或n型層。在p型區域26上形成作為p接觸部的一個或多個金屬32。P接觸部32可以包括例如與P型區域直接接觸或與其非常鄰近的反射金屬(如銀)以及在反射金屬上形成的保護材料(通常為金屬)。然後，對該結構進行掩蔽和蝕刻，以形成圖2所示的結構。在單個蝕刻步驟中，移除P型區域26和發光區域24的一部分，以暴露n型區域22的寬區域30和多個較窄區域28。圖2示意了由通過寬區域30的虛線分離的p接觸區域25和n接觸區域23。應當理解，完整器件的P接觸區域和n接觸區域的僅一部分在圖2中示意。寬區域30將p接觸部和n接觸部電隔離。在一些實施例中，寬區域30的寬度可以例如在20微米和30微米之間。如以下參照圖4所述，可以在n型區域和p型區域上形成柔順金屬接合結構。當如以下參照圖5所述將器件接合至底座時，柔順金屬接合結構塌陷並擴展。在一些實施例中，寬區域30的比20微米窄的寬度可能不足以將n接觸部和p接觸部電隔離，這是由於柔順接合結構在接合期間變形之後擴展，並且高體積管芯接合工具典型地具有大於15微米的放置精度容差。區域30的寬度適應於凸起的擴展和管芯接合工具的放置精度。在一些實施例中，在將器件接合至底座之後，移除生長襯底。在一些實施例中，寬區域30的比30微米寬的寬度可能不足以在生長襯底移除期間支撐半導體結構，從而造成半導體結構的破裂或其他損壞。如果期望大於30微米的間隙30，則可以添加底部填料。在一些實施例中，窄區域28是在半導體結構中形成的圓形、正方形或任何其他合適形狀的孔。P型區域和發光層的剩餘部分27形成了其中形成這些孔的鄰接區域。窄區域28的直徑可以例如在I微米和5微米之間。最近相鄰窄區域的中心可以相距例如4微米和8微米之間。在一個示例中，窄區域28是形成在6微米中心區上的直徑3微米的圓孔。孔的深度足以到達適於形成接觸部的n型區域中的層，在一個示例中，所述深度大約為2微米。在一些實施例中，窄區域28不是孔，而是鄰接區域。p型區域和發光層的剩餘部分的柱27布置在鄰接區域中。柱27可以是圓形的、正方形的或任何其他合適形狀的。柱27的直徑可以例如在I微米和5微米之間。最近相鄰柱27的中心可以相距例如4微米和8微米之間。在一個示例中，柱27是圓形的，直徑為3微米，並且形成在6微米中心區上。在圖3所示的結構中，例如通過電鍍或濺射，在圖2所示的器件上形成厚金屬。該金屬均等地塗覆頂表面和蝕刻的谷，並以較低的但足以將所有頂表面和谷電連接的程度塗覆結構的側壁。例如通過剝離移除部分厚金屬層(例如處於寬區域30中以及處於接觸部凸
起40之間的部分)。n接觸區域23中剩餘的厚金屬層形成n接觸部38，n接觸部38包括數個接觸部凸起，因為該厚金屬層是在圖2所示的非均勻、有紋理的表面上形成的。n接觸部38電連接至開口 28中的n型區域22以及開口 28之間留下的小半導體區域27中剩餘的P型區域26和p接觸部金屬29。在開口 28之間留下的小半導體區域中剩餘的有源區域中不產生光，這是由於n接觸部38電連接至n型區域22和p型區域26這兩者，導致短路。由於電流容易在n型III族氮化物材料中傳播，因此由n接觸部38注入到開口 28底部處的n型區域22中的電流足以對器件進行正向偏置。在一些實施例中，在形成厚金屬層之前，用絕緣層、如氮化矽層塗覆器件。從n接觸區域和P接觸區域移除絕緣層，但是在寬區域30的底部和側壁以及p接觸區域的側壁上仍存在絕緣層。形成n接觸部38和p接觸部凸起40的厚金屬可以是柔順金屬，例如具有小於150GPa的楊氏模量。合適的金屬的示例包括金，具有大約78 GPa的楊氏模量；銅，具有大約110 GPa和128 GPa之間的楊氏模量；以及鋁，具有大約70 GPa的楊氏模量。在一些實施例中，在p接觸部32上形成的接觸部凸起40在大小和間距上與以上參照圖2所述形成的、器件的n接觸區域上的窄區域28類似，儘管它們不必類似。接觸部凸起40可以是例如圓形的、正方形的或任何其他合適形狀的。接觸部凸起的直徑可以例如在I微米和5微米之間。最近相鄰接觸部凸起40的中心可以相距例如4微米和8微米之間。在一個示例中，接觸部凸起40是在6微米中心區上形成的直徑3微米的圓形凸起。接觸部凸起的高度可以例如在I微米和5微米之間。然後，可以在底座上倒裝並安裝圖3中所示的結構，如圖4所示。可以在該底座上形成與圖3中所示的n接觸部38中的凸起和p接觸部32上的接觸部凸起40對準的接觸部凸起。可以在LED管芯和底座中的僅一個或這兩個上形成接觸部凸起。LED管芯43可以通過在LED管芯與底座之間施加壓力而連接至底座41。壓力可以伴隨有超聲能量、熱量或這兩者。超聲能量和熱量中的一個或這兩個的添加可以減小形成接合部所必需的壓力。在底座上形成的接觸部凸起和/或在LED管芯上形成的接觸部凸起在接合期間經受塑性變形(即，它們不返回至它們的原始形狀)，並在LED管芯上的n接觸部與底座之間形成連續或幾乎連續的金屬支撐部46以及在LED管芯上的p接觸部與底座之間形成連續或幾乎連續的金屬支撐部48。與焊料不同，接觸部凸起在接合期間仍處於固態。
在超聲接合期間，LED管芯位於底座上。接合頭位於LED管芯的頂表面上，在藍寶石上生長的III族氮化物器件的情況下通常位於藍寶石生長襯底10的頂表面上。接合頭連接至超聲換能器。超聲換能器可以是例如多個鋯鈦酸鉛(PZT)層的疊層。當以使系統諧振的頻率(通常，幾十或幾百kHz量級的頻率)對換能器施加電壓時，換能器開始振動，進而使接合頭和LED管芯振動，通常是以微米量級的幅度振動。該振動使底座上的結構以及接觸部凸起38和40的金屬晶格中的原子相互擴散，從而得到冶金連續拼接。可以在接合期間添加熱量和/或壓力。在超聲接合期間，柔順接合結構(如接觸部凸起38和40)塌陷並回流。在一些實施例中，位於器件的不同部分處的接觸部凸起的特性或布置可以具有不同屬性。例如，在襯底移除期間需要更多支撐的器件區域中，接觸部凸起可以更大和/或分隔成更緊密地靠在一起。例如，在對部分發光區域和P型區域進行蝕刻以暴露n型區域的位置附近的區域中，由於蝕刻，可以使剩餘的P型材料稍稍變薄。在這些區域中，接觸部凸起可以更大和/或分隔得更緊密，以對更薄的半導體材料提供更多支撐。在將LED管芯43接合至底座41之後，可以例如通過雷射剝離、蝕刻或者適於特定生長襯底的任何其他技術來移除其上生長了半導體層的生長襯底。在移除了生長襯底之後，可以例如通過光電化學蝕刻來使半導體結構變薄，和/或可以例如利用光子晶體結構來使表面變粗糙或對表面進行圖案化。在襯底移除之後，可以將透鏡、波長轉換材料或者本領域公知的其他結構布置在LED 43上。在上述器件中，在p型區域和發光區域中形成的一系列小開口而不是單個大的凹陷開口上形成n接觸部。由此，器件的n接觸部側的半導體結構可以由圖3中所示的接觸部38充分支撐。圖I中所示的單獨的創建結構(如厚的n接觸部)是不必要的。在詳細描述了本發明的情況下，本領域技術人員將認識到，給定了本公開，在不脫離這裡描述的本發明構思的精神的前提下，可以對本發明進行修改。因此，本發明的範圍並非旨在限於所示意和描述的具體實施例。
權利要求
1.一種器件，包括 半導體結構，所述半導體結構包括 布置在η型區域與P型區域之間的發光層； η接觸區域和P接觸區域，其中所述η接觸區域的橫截面包括其中移除了部分所述發光層和所述P型區域以暴露所述η型區域的多個第一區域，其中所述多個第一區域由其中所述發光層和所述P型區域仍存在於所述器件中的多個第二區域分隔；以及布置在所述η接觸區域與所述P接觸區域之間的溝槽； 在所述P接觸區域中的半導體結構上形成的第一金屬接觸部；以及 在所述η接觸區域中的半導體結構上形成的第二金屬接觸部； 其中，所述第二金屬接觸部與所述η接觸區域中的第二區域中的至少一個電接觸。
2.根據權利要求I所述的器件，其中所述溝槽將所述第一金屬接觸部與所述第二金屬接觸部電隔離。
3.根據權利要求I所述的器件，其中所述多個第一區域包括在所述半導體結構中形成的孔，其中所述孔的寬度在I微米和5微米之間。
4.根據權利要求3所述的器件，其中最近相鄰孔的中心相距4微米和8微米之間。
5.根據權利要求I所述的器件，其中所述多個第二區域包括半導體材料的柱。
6.根據權利要求5所述的器件，其中所述柱的寬度在I微米和5微米之間。
7.根據權利要求I所述的器件，其中所述第二金屬接觸部的橫截面包括由谷分隔的多個小丘。
8.根據權利要求I所述的器件，還包括布置在所述溝槽的側壁上的絕緣層。
9.一種方法，包括 對半導體結構進行蝕刻，所述半導體結構包括布置在η型區域與P型區域之間的發光層，以形成； η接觸區域，其中所述η接觸區域的橫截面包括其中移除了部分所述發光層和P型區域以暴露所述η型區域的多個第一區域，其中所述多個第一區域由其中所述發光層和P型區域仍存在於所述器件中的多個第二區域分隔；以及布置在所述η接觸區域與P接觸區域之間的溝槽； 在所述P接觸區域上形成第一金屬接觸部；以及 在所述η接觸區域上形成第二金屬接觸部； 其中所述第二金屬接觸部與所述η接觸區域的至少一個第二區域電接觸。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括在所述第一金屬接觸部上形成多個金屬凸起。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括將所述半導體結構接合至底座，其中接合包括使所述多個金屬凸起塌陷，從而使塌陷的凸起將半導體器件電連接且機械連接至所述底座，並且其中所述金屬凸起在接合期間仍處於固相。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述多個金屬凸起包括具有小於150GPa的楊氏模量的金屬。
13.根據權利要求10所述的方法，其中 所述多個金屬凸起中的每一個具有I微米和5微米之間的寬度以及I微米和5微米之間的高度；以及 最近相鄰凸起相距4微米和8微米之間。
14.根據權利要求9所述的方法，還包括 利用絕緣層來塗覆所述器件；以及 從所述η接觸區域和所述P接觸區域移除所述絕緣層，使得所述絕緣層仍存在於所述溝槽的側壁上。
全文摘要
一種器件包括半導體結構，所述半導體結構包括布置在n型區域(22)與p型區域(26)之間的發光層(24)。所述半導體結構包括n接觸區域(23)和p接觸區域(25)。所述n接觸區域(23)的橫截面包括多個第一區域(28)，其中移除了部分所述發光層(24)和p型區域(26)以暴露所述n型區域(22)。所述多個第一區域(28)由其中所述發光層(24)和p型區域(26)仍存在於所述器件中的多個第二區域(27)分隔。所述器件還包括在所述p接觸區域(25)中的半導體結構上形成的第一金屬接觸部(40)以及在所述n接觸區域(23)中的半導體結構上形成的第二金屬接觸部(38)。所述第二金屬接觸部(38)與所述n接觸區域(23)中的第二區域(27)中的至少一個電接觸。
文檔編號H01L33/38GK102804410SQ201080027275
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月27日 優先權日2009年6月18日
發明者J.E.埃普勒 申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司, 皇家飛利浦電子股份有限公司