專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及缺陷密度減小的半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如發(fā)光二極管，其中從p-n結(jié)和有源區(qū)去除缺陷，于是導(dǎo)致高的光輸出效率。本發(fā)明還涉及一種制造這種半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)及其它半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如激光二極管，是眾多應(yīng)用的關(guān)鍵部件，這些應(yīng)用包括液晶顯示器用的背光單元、汽車用的前照燈或普通照明。例如，基于氮化物半導(dǎo)體的藍(lán)光和綠光LED(即，LED發(fā)射波長(zhǎng)在藍(lán)光或綠光的光譜區(qū)內(nèi))廣泛應(yīng)用于這些應(yīng)用中。然而，這種LED的性能可能會(huì)由于存在穿透位錯(cuò)(threading dislocation)而嚴(yán)重下降，因?yàn)榇┩肝诲e(cuò)可以成為非輻射中心。這些穿透位錯(cuò)是LED晶體中一直穿過器件結(jié)構(gòu)的線性缺陷。沉積在非同質(zhì)(non native)襯底(例如藍(lán)寶石、硅、碳化硅...)上的基于氮化物的LED通常表現(xiàn)出每單位面積的高密度穿透位錯(cuò)，典型地大約108-109cm_2。因此， 期望降低LED結(jié)構(gòu)中穿透位錯(cuò)的密度，或?qū)⑺鼈兊挠绊懽钚』蕴岣吖廨敵鲂?。用于降低LED中缺陷密度的已有方法是使用具有低位錯(cuò)密度的襯底例如自支撐 (free-standing) GaN (參見X.A. Cao et al.，Appl. Phys. Lett. 84，4313，2004)，或使用外延層過生長(zhǎng)(ELOG)方法生長(zhǎng)的襯底(參見US專利公布2002/0022290)。ELOG襯底或自支撐 GaN襯底中的缺陷密度可以減小到105-106cm_2。然而，這種襯底當(dāng)前是非常昂貴的，且無法在大晶片尺寸上應(yīng)用。這些方法因此不適于大規(guī)模使用。美國(guó)專利7，399，684中描述了用于制備低缺陷密度襯底的第二種方法，其中使用優(yōu)先蝕刻(preferential etching)方法去除了缺陷。該方法包括在襯底上生長(zhǎng)外延層， 然后對(duì)襯底的整個(gè)表面進(jìn)行在非原位(ex-situ)蝕刻，以使得優(yōu)先蝕刻該層的缺陷，最后在經(jīng)過蝕刻的外延層和襯底上生長(zhǎng)后續(xù)的外延材料層，以在襯底上形成LED結(jié)構(gòu)。然而，該方法需要使用者停止LED的外延生長(zhǎng)，從生長(zhǎng)室取出LED晶片并執(zhí)行蝕刻步驟。經(jīng)過蝕刻的晶片之后送回生長(zhǎng)室，并重新開始生長(zhǎng)過程。這是耗費(fèi)時(shí)間的，且不希望停止LED的生長(zhǎng)， 因?yàn)槠淇赡茉诤罄m(xù)層的生長(zhǎng)過程中引入新的缺陷。T. Y. Park et al.在 Electrochemical and Solid-state Letters，12 (1) D3-D6(2009)中描述了用于抑制穿透位錯(cuò)的影響的第三種方法，該方法使用LED的上表面 (例如，P-GaN表面)的化學(xué)蝕刻來對(duì)表面區(qū)附近的深施主-受體對(duì)的效應(yīng)進(jìn)行中和。作者報(bào)道，在正向偏壓和反向偏壓下缺陷導(dǎo)致的漏電流減小，且由于注入效率的增強(qiáng)而提高了光輸出功率。然而，缺陷僅僅在LED的表面處被去除，且之后仍舊存在于LED的內(nèi)部，尤其是量子阱有源區(qū)中。因此，輻射復(fù)合效率仍舊受到缺陷存在的顯著影響。Z. Fang et al.在 Journal of Applied Physics 106,023517(2009)中描述另一種方法，該方法包括在外延生長(zhǎng)過程中使用原位選擇性蝕刻步驟以在InGaN量子阱中位錯(cuò)周圍蝕刻出坑。該方法的優(yōu)點(diǎn)是增加了發(fā)光效率，如由作者所報(bào)道的那樣。然而，該原位蝕刻技術(shù)并未減小有源區(qū)上方外延層中的位錯(cuò)密度，并在LED的外延生長(zhǎng)中增加了復(fù)雜的步
4驟。
最后，最后一種方法包括防止載流子到達(dá)包含穿透位錯(cuò)缺陷的區(qū)域，而不是減小 LED 結(jié)構(gòu)的缺陷密度。例如，M. Y. Hsieh et al.在 IEEE journal of quantum electronics vol. 44，no. 5，May 2008中所描述的一種方法是在LED中制造hGaN-GaN多量子阱納米棒結(jié)構(gòu)。該方法包括在LED頂部上沉積納米顆粒掩膜，然后使用干法蝕刻工藝蝕刻樣品穿過有源區(qū)來形成納米棒。納米棒的尺寸約為600nm高、直徑lOOnm。該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由納米棒提供對(duì)量子阱有源區(qū)中載流子的額外約束，于是，載流子不太可能移動(dòng)至包含缺陷的有源區(qū)區(qū)域中且之后進(jìn)行非輻射性復(fù)合。然而，制作納米棒需要去除很大部分的LED區(qū)域，導(dǎo)致有源區(qū)的面積減小，并因此導(dǎo)致總的光輸出強(qiáng)度減小。穿透位錯(cuò)仍然可以存在于納米棒的一部分中，因?yàn)榧{米棒的位置與LED頂部處的位錯(cuò)位置并非是對(duì)齊的。US 2009/0029493涉及在發(fā)光器件中存在位錯(cuò)缺陷，并涉及與位錯(cuò)相關(guān)聯(lián)的“坑”。 其提出通過提供合適的“坑開放層”來開放(open)坑。所述器件的有源區(qū)于是生長(zhǎng)在“坑開放層”上，使得有源區(qū)的層可以延伸到開放坑中。US 2006/019209提出在襯底上生長(zhǎng)層結(jié)構(gòu)，之后在該結(jié)構(gòu)中襯底具有高平均位錯(cuò)密度的區(qū)域中形成“槽”，使得器件僅僅存在于襯底中具有低平均位錯(cuò)密度的區(qū)域處。US 6，3 ，667提出在層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過程中去除缺陷部位處的材料。所述結(jié)構(gòu)在有源層生長(zhǎng)之后從生長(zhǎng)反應(yīng)器中取出，使得有源層能夠被蝕刻以形成凹陷或坑。在蝕刻過程之后，襯底送回至生長(zhǎng)反應(yīng)器以進(jìn)行后續(xù)層的生長(zhǎng)。該方法具有以上結(jié)合美國(guó)專利 7，399，684列出的缺點(diǎn)。EP 1，267，422提出一種方法，其總體上類似于在US 6，3 ，667中提出的方法，這也需要打斷生長(zhǎng)過程以允許在位錯(cuò)部位處蝕刻部分生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。與US 6，3 ，667相比，EP 1，267, 422還提出在有源層上生長(zhǎng)低溫AlGaN阻擋層71，然后再取出部分生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)以進(jìn)行蝕刻，以防止當(dāng)器件結(jié)構(gòu)在蝕刻之后送回至反應(yīng)器時(shí)hGaN層劣化。該方法也具有以上結(jié)合美國(guó)專利7，399，684列出的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底；置于襯底上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，包括置于襯底上的第一層、第二層以及置于第一層和第二層之間用于光發(fā)射的有源區(qū)；和層結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或更多個(gè)空腔，所述空腔或每個(gè)空腔與總體延伸穿過層結(jié)構(gòu)的至少第一類型的相應(yīng)穿透位錯(cuò)相對(duì)應(yīng)，且所述空腔或每個(gè)空腔從層結(jié)構(gòu)的上表面延伸穿過至少第二層和有源區(qū)。由于空腔延伸穿過有源區(qū)，并因此延伸穿過層結(jié)構(gòu)中在有源區(qū)上方的層(其中位于有源區(qū)“上方”的層位于有源區(qū)與襯底相反的一側(cè))，本發(fā)明與比現(xiàn)有技術(shù)相比對(duì)穿透位錯(cuò)用作非輻射中心的趨勢(shì)提供了有效得多的抑制(在現(xiàn)有技術(shù)中僅僅在器件表面處或僅僅在有源區(qū)處去除缺陷)，由此得到表現(xiàn)出改進(jìn)光發(fā)射效率的發(fā)光器件。在層結(jié)構(gòu)中不存在穿透位錯(cuò)的部位處，可以不形成空腔。在層結(jié)構(gòu)中存在第二類型的穿透位錯(cuò)的部位處，可以不有意地形成空腔。在層結(jié)構(gòu)中可能存在多于一種類型的位錯(cuò)(例如，氮化物材料中存在三種不同類型的穿透位錯(cuò)， 即螺旋式、混合式和邊緣式穿透位錯(cuò))，且在本發(fā)明應(yīng)用于這種層結(jié)構(gòu)的情況下，本發(fā)明可以去除層結(jié)構(gòu)中存在的所有類型位錯(cuò)，或者替代地，本發(fā)明可以去除僅僅一種或更多種選定類型的位錯(cuò)而使至少一種其他類型的位錯(cuò)不受影響或基本上不受影響。例如，在本發(fā)明應(yīng)用于氮化物層結(jié)構(gòu)的情況下，可以設(shè)置成去除僅僅一種類型的穿透位錯(cuò)、僅僅兩種類型的穿透位錯(cuò)或所有三種類型的穿透位錯(cuò)。如果僅僅需要從層結(jié)構(gòu)去除某種類型的穿透位錯(cuò)，這可能是有利的。例如，在本發(fā)明應(yīng)用于氮化物層結(jié)構(gòu)的情況下，可能期望僅僅去除純螺旋式穿透位錯(cuò)，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為是LED中反向偏置泄漏的主要來源(X.A.Cao et al., Journal of Crystal Growth 264(2004) 172-177)并且也可能是有源區(qū)中非輻射性復(fù)合的原因(U. Jahn et al.，Phys. Rev. B81，125314(2010))——于是，僅僅去除純螺旋式穿透位錯(cuò)應(yīng)當(dāng)明顯地改善器件性能，而同時(shí)使從層結(jié)構(gòu)中去除的材料量最小化。所述空腔或每個(gè)空腔可以延伸至第一層中。事實(shí)上，所述空腔或每個(gè)空腔可以完全地延伸穿過第一層并到達(dá)器件襯底中。器件可以包括設(shè)置在所述空腔或每個(gè)空腔中的非導(dǎo)電材料。器件可以包括發(fā)光二極管。替代地，器件可以包括激光二極管。本發(fā)明的第二方面提供了一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有置于襯底上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，層結(jié)構(gòu)包括置于襯底上的第一層、第二層以及置于第一層和第二層之間用于光發(fā)射的有源區(qū)，該方法包括在層結(jié)構(gòu)至少第一類型的相應(yīng)穿透位錯(cuò)所在的一個(gè)或更多個(gè)部位，從層結(jié)構(gòu)選擇性地去除材料，以在層結(jié)構(gòu)中形成空腔，空腔至少延伸穿過第二層和有源區(qū)。如上所述，通過形成延伸穿過有源區(qū)并因此穿過層結(jié)構(gòu)中有源區(qū)上方的層的空腔 (其中位于有源區(qū)“上方”的層位于有源區(qū)與襯底相反的一側(cè))，本發(fā)明與比現(xiàn)有技術(shù)相比對(duì)穿透位錯(cuò)用作非輻射中心的趨勢(shì)提供了有效得多的抑制(在現(xiàn)有技術(shù)中僅僅在器件表面處或僅僅在有源區(qū)處去除缺陷)，由此得到表現(xiàn)出改進(jìn)光發(fā)射效率的發(fā)光器件。根據(jù)本發(fā)明，在半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)完成之后，從半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)去除材料。因此不需要如US 7，399，684中所提出的或由Fang等提出的方法(見前文)中那樣中斷和重新開始外延生長(zhǎng)過程。原理上，在層結(jié)構(gòu)中形成空腔之后僅僅需要的處理步驟是沉積電極和將晶片切成獨(dú)立的器件(在下文描述的某些優(yōu)選實(shí)施例中，電極層的沉積可以與在層結(jié)構(gòu)中形成空腔相結(jié)合)。在層結(jié)構(gòu)中沒有穿透位錯(cuò)的部位處，可以不形成空腔。不像由Hsieh等提出的方法那樣(見前文)，僅僅從層結(jié)構(gòu)中存在位錯(cuò)的部位處有意地去除材料。在層結(jié)構(gòu)中存在第二類型的穿透位錯(cuò)的部位處，可以不有意地形成空腔。該方法可以包括在襯底上形成層結(jié)構(gòu)，然后從層結(jié)構(gòu)去除材料以形成空腔。從層結(jié)構(gòu)去除材料可以包括蝕刻層結(jié)構(gòu)。該方法可以包括第一蝕刻步驟在相應(yīng)穿透位錯(cuò)所在的所述一個(gè)或更多個(gè)部位處，選擇性地蝕刻層結(jié)構(gòu)，以在所述部位或每個(gè)部位處形成引導(dǎo)空腔。例如，使用在所述部位處優(yōu)先作用于層結(jié)構(gòu)的上層的蝕刻處理，是僅僅在穿透位錯(cuò)所在的部位處選擇性地蝕刻層結(jié)構(gòu)的一種方便方式。該方法可以包括第二蝕刻步驟增加所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔的深度，使得所述空腔或每個(gè)空腔至少延伸穿過第二層和有源區(qū)。期望使用從層結(jié)構(gòu)去除材料的兩步驟處理可以導(dǎo)致更少的材料從層結(jié)構(gòu)去除，并在期望提供具有高輸出功率的發(fā)光器件(例如，高亮度LED)的應(yīng)用中是有優(yōu)勢(shì)的。第二蝕刻步驟可以包括通過置于層結(jié)構(gòu)的表面上的掩模，蝕刻層結(jié)構(gòu)。該方法可以包括在層結(jié)構(gòu)的表面上設(shè)置掩模層，并在第一蝕刻步驟中形成引導(dǎo)空腔的所述部位或每個(gè)部位處選擇性地去除掩模層，以形成掩模。該方法可以包括在層結(jié)構(gòu)的表面上沉積抗蝕劑層；對(duì)抗蝕劑層進(jìn)行平坦化，使得僅僅沉積在所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔中的抗蝕劑材料保留；在層結(jié)構(gòu)的表面上沉積掩模層；和執(zhí)行剝離步驟，以去除沉積在所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔中的抗蝕劑材料，從而形成掩模。替代地，該方法可以包括在層結(jié)構(gòu)的表面上選擇性地設(shè)置掩模層，掩模層沒有設(shè)置在第一蝕刻步驟中形成引導(dǎo)空腔的所述部位或每個(gè)部位處。掩模可以是電極層。第二蝕刻步驟可以是干法蝕刻步驟。該方法可以包括在所述空腔或每個(gè)空腔中設(shè)置非導(dǎo)電材料。本發(fā)明的第三方面提供了一種由第二方面的方法形成的半導(dǎo)體發(fā)光器件。第三方面的器件例如可以包括發(fā)光二極管或激光二極管。本發(fā)明描述了半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中從p-n結(jié)和有源區(qū)去除穿透位錯(cuò)，并因此表現(xiàn)出高的光輸出效率。因此，本發(fā)明通過提供已經(jīng)去除大部分缺陷的高效率LED，解決了上述問題，。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，穿透位錯(cuò)通過濕法蝕刻和干法蝕刻的組合來去除。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，發(fā)光器件以(Al，In, Ga)N材料系制造。結(jié)合附圖，考慮以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，將更容易理解本發(fā)明的前述和其它的目的、特征和優(yōu)勢(shì)將。


在此僅以示例的方式參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的氮化物發(fā)光二極管的剖視圖，其中從有源區(qū)和p-n結(jié)去除了穿透位錯(cuò)。圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的發(fā)光二極管的俯視圖。穿透位錯(cuò)已經(jīng)去除的區(qū)域在頂部P電極上是可見的并表現(xiàn)出六角形狀。圖3是用在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的處理步驟的流程圖。圖4 (a)-4(f)進(jìn)一步示出在圖3的每個(gè)處理步驟之后的LED結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 (a)-5 (c)示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的制造方法的主要步驟。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及LED制造的優(yōu)選實(shí)施例僅僅是示例性的。然而，本發(fā)明不限于用于 LED，也可以用于其它半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如激光二極管。本發(fā)明的器件可以通過任何合適的方式以及在任何合適的襯底上來生長(zhǎng)，襯底包括但不限于任何取向的藍(lán)寶石、GaN或SiC。優(yōu)選的生長(zhǎng)方法可以是MOVPE (金屬有機(jī)氣相外延)，但是可以使用任何其它合適的生長(zhǎng)方法，例如HVPE (混合氣相外延)或MBE (分子束外延)。根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的發(fā)光器件參照?qǐng)D1進(jìn)行描述。圖1示出穿過以(Al，h， 材料系制造的發(fā)光二極管的示意性剖視圖，其中根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)從器件的p-n結(jié)和
有源區(qū)去除了穿透位錯(cuò)。圖1的發(fā)光二極管包含襯底101，例如可以是藍(lán)寶石襯底101。由多個(gè)半導(dǎo)體層形成的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底101上。在圖1的示例中，該層結(jié)構(gòu)包括置于襯底101上的第一層102、具有一個(gè)或更多個(gè)層且置于第一層102上的有源區(qū)104以及置于有源區(qū)104上的第二層105。第一層和第二層通常具有相反的導(dǎo)電類型，從而在器件結(jié)構(gòu)中建立p-n結(jié)。更詳細(xì)地，在圖1的器件中，第一層102是以(Al，Ga, In)N材料系制成的η型層 102，并置于襯底101的頂部上。有源區(qū)104置于層102的頂部上。第二層105是置于有源區(qū)104部分上的ρ型(Al，Ga，In)N層105。在層105的頂面上是ρ電極106，其可以包括多層。在P電極106頂部上是ρ型焊盤電極107a，n型焊盤電極107b設(shè)置在層102中不存在有源區(qū)104的一部分表面上。(“(Al, Ga, In)N層”或“ (Al，( , In)N材料系的層”意味著具有通式AlxGiiJnzN的層，其中0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡1且x+y+z = 1。)N型層102、有源區(qū)104和ρ型層105的厚度和成分可以是常規(guī)的，將不再詳細(xì)描述。而且本發(fā)明不限于用于恰好具有圖1中示出結(jié)構(gòu)的器件，且該器件結(jié)構(gòu)可以包括其它的層，例如但不限于置于襯底101與第一層102之間的緩沖層和/或第二層105之上的覆蓋層ο發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)可能包含高密度的穿透位錯(cuò)103。例如，在生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管中穿透位錯(cuò)的密度通常在約108-109cm_2。另外，可以區(qū)分三種不同類型的位錯(cuò)純螺旋式位錯(cuò)(screw dislocation)，占總位錯(cuò)的約10-20% ；混合式位錯(cuò)，占總位錯(cuò)的約30% ；以及純邊緣位錯(cuò)(edge dislocation)，占總位錯(cuò)的約50% (參見U. Jahn等在 Physical Review B 81，125314，2010中發(fā)表的文章)。然而，之前給出的不同類型位錯(cuò)的百分比可以變化，在此僅以示例的方式給出。然而，本發(fā)明不要求器件結(jié)構(gòu)包含任何特定密度的位錯(cuò)。例如，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)可以包含小于IO8CnT2的穿透位錯(cuò)密度。根據(jù)本發(fā)明，在有源區(qū)104中以及在包含ρ型層105和η型層102 —部分的ρ_η 結(jié)中存在的穿透位錯(cuò)103 (或者，如下文更詳細(xì)所述，至少第一類型的穿透位錯(cuò)10 通過優(yōu)先蝕刻而被去除，以給出各個(gè)蝕刻區(qū)域108(或“空腔”)，蝕刻區(qū)域108(或“空腔”)從器件結(jié)構(gòu)的上表面至少延伸穿過有源區(qū)104且優(yōu)選地穿過作為該器件的p-n結(jié)的下層的η型層 102的一部分。這在圖1中示出。盡管圖1中未示出，但是事實(shí)上蝕刻區(qū)域或空腔108中的一些或全部可以延伸穿過η型層102的整個(gè)厚度并進(jìn)入襯底中。(在此使用的術(shù)語“上”和 “下”針對(duì)如圖1所示取向的器件，從而器件的“上”表面是器件離襯底最遠(yuǎn)的表面；然而，使用術(shù)語“上”和“下”并不意味著本發(fā)明需要器件如圖1所示取向。)圖2是圖1的發(fā)光器件的俯視圖，其中表示出蝕刻區(qū)域108。蝕刻區(qū)域可以是任何尺寸，但是蝕刻區(qū)域108的優(yōu)選直徑在IOOnm和2000nm之間。蝕刻區(qū)域的深度通常在約 300-700nm或任何其它合適的尺寸，以使得蝕刻區(qū)域的底部延伸到η型層102中。圖1示例性地示出器件結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)穿透位錯(cuò)103，這兩個(gè)穿透位錯(cuò)103被去除以給出延伸穿過器件結(jié)構(gòu)并到達(dá)η型層102中的刻蝕區(qū)域108。實(shí)際器件中存在的穿透位錯(cuò)的典型密度意味著可能不能以這種方式去除器件結(jié)構(gòu)中的每個(gè)穿透位錯(cuò)。于是，在第二實(shí)施例中，有源區(qū)和p-n結(jié)中存在的穿透位錯(cuò)中超過被去除，因此發(fā)光器件表現(xiàn)出改進(jìn)的發(fā)光效率。優(yōu)選地，所有穿透位錯(cuò)中超過10%被去除，尤其優(yōu)選地，所有穿透位錯(cuò)或基本上所有穿透位錯(cuò)被去除。接下來描述本發(fā)明制造所用處理步驟中的可能選擇之一。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造方法中所使用的處理步驟的流程圖。方框301表示出圖1中的器件結(jié)構(gòu)的ρ型層105的表面處的缺陷的選擇性蝕刻步驟(如下文所述，電極106或電極焊盤107a尚未形成)。方框301的蝕刻在缺陷處優(yōu)先作用于圖1中的外延層105，從而在每個(gè)穿透位錯(cuò)的位置處形成引導(dǎo)(pilot)空腔?！耙龑?dǎo)”空腔形成在期望提供蝕刻區(qū)域或空腔108的部位(即，形成于位錯(cuò)所在的位置處)。其被稱為 “引導(dǎo)”空腔，這是因?yàn)槠渖疃冗h(yuǎn)小于蝕刻區(qū)域或空腔108的期望深度(例如，在圖4(a)的示例中，“引導(dǎo)”空腔沒有延伸到有源區(qū)104中，而是整個(gè)地包含在ρ型層105內(nèi))。根據(jù)下面的描述將清楚，在引導(dǎo)空腔形成之后，增加其深度以形成至少延伸穿過有源區(qū)104的刻蝕區(qū)域或空腔108。在本實(shí)施例中，優(yōu)先蝕刻通過浸沒在熔融KOH中、或王水(由鹽酸和硝酸構(gòu)成的溶液)中、或KOH/NaOH的混合物中、或H3PO3中或任何其它合適的濕法蝕刻溶液中來實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，優(yōu)先蝕刻可以通過以下方式進(jìn)行通過RIE(反應(yīng)離子蝕刻)、或ICP(感應(yīng)耦合等離子體蝕刻)、或化學(xué)輔助離子束蝕刻或其它任何合適的干法蝕刻工藝，對(duì)P型層105的表面進(jìn)行干法蝕刻。方框302表示在樣品頂部上沉積抗蝕劑層的步驟?？刮g劑可以但不限于PMMA或適用于剝離工藝的任何其它材料。方框303表示抗蝕劑層的平坦化步驟。該步驟包括從圖1中的頂部ρ型層105的表面去除抗蝕劑?？刮g劑可以通過使用RIE或ICP的干法蝕刻或通過任何其他合適的方法來去除。于是，在對(duì)抗蝕劑層進(jìn)行平坦化之后，僅僅是方框301中詳細(xì)描述的優(yōu)先蝕刻處理步驟形成的引導(dǎo)空腔填充有抗蝕劑。方框304表示沉積圖1的ρ電極106的步驟。ρ電極106可以是但不限于透明的電流擴(kuò)散層(如氧化銦錫)或不透明金屬接觸件(如鎳-金或鈦-金)。方框305表示進(jìn)行剝離處理的步驟。剝離處理可以通過在超聲浴器中使用丙酮或通過任何其它合適的方法來實(shí)現(xiàn)。由于方框305，位于包含剝離抗蝕劑的空腔上方的ρ電極部分被去除。方框306表示進(jìn)行進(jìn)一步蝕刻(例如干法蝕刻)的步驟，該步驟使得由方框301 的蝕刻形成的每個(gè)弓I導(dǎo)空腔的深度增加以便形成延伸穿過P型層105、穿過有源區(qū)并進(jìn)入η 型層2中的空腔108。該步驟因此包括在一個(gè)或更多個(gè)的穿透位錯(cuò)所在部位處(因?yàn)樵诜娇?01中在穿透位錯(cuò)的位置處形成引導(dǎo)空腔)從器件結(jié)構(gòu)選擇性地去除材料。在本實(shí)施例中，干法蝕刻通過ICP或RIE或其它合適的干法蝕刻工藝對(duì)表面進(jìn)行干法蝕刻來實(shí)現(xiàn)。另外，在本實(shí)施例中，P電極106在進(jìn)行干法蝕刻處理時(shí)用作掩模。圖4(a)_4(f)還示出根據(jù)圖3的方法的發(fā)光器件(在該示例中是LED)的制造步驟。具體地，圖4(a)示出了在方框301所表示的在ρ型層105的表面處優(yōu)先蝕刻缺陷以形成引導(dǎo)空腔的步驟之后的LED結(jié)構(gòu)。圖4(b)示出在方框302所表示的沉積抗蝕劑之后的結(jié)構(gòu)。圖4(c)示出在方框303所表示的平坦化處理之后的結(jié)果，其中抗蝕劑109僅留在由優(yōu)先蝕刻處理形成的引導(dǎo)空腔中。圖4(d)示出在方框304所表示的沉積ρ電極層106之后的結(jié)構(gòu)。圖4(e)示出在方框305所表示的剝離處理之后的結(jié)果。圖4(f)示出在方框306 所表示的用于增加引導(dǎo)空腔的深度以形成至少延伸穿過有源區(qū)104的蝕刻區(qū)域或空腔108 的干法蝕刻步驟之后的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于如圖3和圖4(a)_4(f)所示的確切方法。例如，在器件結(jié)構(gòu)中在P型層105之上存在覆蓋層的情況下，假定所述覆蓋層易于蝕刻，則覆蓋層和ρ型層 105可以通過第一蝕刻步驟來蝕刻。例如，在ρ型層105之上存在半導(dǎo)體材料的覆蓋層的情況下，則刻蝕可以如下方式進(jìn)行覆蓋層和P型層105都在第一蝕刻步驟301中被蝕刻，以使得引導(dǎo)空腔延伸穿過覆蓋層并延伸到P型層105中?？蛇x地，第一蝕刻步驟可以僅僅蝕刻覆蓋層或覆蓋層的一部分，以使得引導(dǎo)空腔僅僅延伸到覆蓋層中，從而P型層105直到第二蝕刻步驟才被蝕刻。在另一實(shí)施例中，也可以沉積與ρ電極不同的另一種材料作為用于干法蝕刻處理的硬掩模。在這種情況下，如圖4(b)-4(e)所示的序列重復(fù)，但是在ρ電極頂部上沉積有另一種材料(如SiO2)。例如， 4(b)-4(e)的步驟可以重復(fù)，以使得存在兩個(gè)剝離處理(第一剝離處理用于將P電極圖案化，第二剝離處理用于對(duì)SiO2進(jìn)行圖案化以形成用于圖4(f) 的第二蝕刻步驟的掩模)?？蛇x地，即使當(dāng)不同于P電極的另一種材料被沉積作為用于干法蝕刻處理的硬掩模時(shí)，也可以只使用一個(gè)剝離步驟——在該情況下，附加的掩模和P電極將在該剝離步驟過程中被去除(總而言之，方法步驟將是沉積抗蝕劑、平坦化抗蝕劑、沉積 P電極材料、沉積掩模材料、進(jìn)行剝離、然后進(jìn)行第二蝕刻)。另一種選擇可以是沉積P電極材料、沉積抗蝕劑、平坦化、沉積掩模材料、進(jìn)行剝離以對(duì)掩模材料進(jìn)行圖案化、然后進(jìn)行第二蝕刻——以使得經(jīng)過圖案化的掩模用于蝕刻P電極和層結(jié)構(gòu)兩者。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，如圖4 (b)、圖4 (c)和圖4 (d)所示的制造步驟可以通過將P電極直接沉積在LED上以使得沒有(或非常少的)電極材料沉積在蝕刻區(qū)域108中來避免。這例如可以通過如下方式來實(shí)現(xiàn)將LED結(jié)構(gòu)安裝在熱蒸發(fā)器中，以使得將要沉積ρ 電極的結(jié)構(gòu)表面基本上平行于P電極材料沉積所沿的方向。根據(jù)該實(shí)施例的制造工藝的主要步驟如圖5 (a)-5 (c)所示。圖5(a)示出在優(yōu)先蝕刻ρ型層105表面處的缺陷之后的LED 結(jié)構(gòu)，并因此總體上對(duì)應(yīng)于圖4(a)。圖5(b)示出安裝在熱蒸發(fā)器中以使得生長(zhǎng)表面與從源 110的材料沉積的總體方向成一傾角或基本上平行的LED結(jié)構(gòu)(LED結(jié)構(gòu)可以取向成與用于在圖5(a)中優(yōu)先蝕刻缺陷的取向成90度(或任何其他合適的角度))。因此，當(dāng)蒸發(fā)用于制作P電極層106的材料時(shí)，則材料沉積在LED結(jié)構(gòu)的表面上，而沒有沉積到在圖5 (a)中的LED結(jié)構(gòu)的表面中形成的蝕刻孔中?？梢钥闯觯瑘D5(b)的結(jié)構(gòu)總體上對(duì)應(yīng)于圖4(e)的結(jié)構(gòu)，其中P電極材料在P層105在圖4(a)或圖5(a)中蝕刻所在的位置處不存在——但是圖5(a)_5(c)的方法使用電極材料的選擇性沉積，而圖5 (a)-5 (c)的方法將電極材料沉積在器件結(jié)構(gòu)的整個(gè)上表面上，之后將電極材料從所選擇的區(qū)域中去除。最后，圖5(c)示出在穿過有源區(qū)104的干法蝕刻之后的結(jié)構(gòu)，可以看出其對(duì)應(yīng)于圖4(f)的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，LED臺(tái)(mesa)可以使用光刻和ICP蝕刻或任何其它合適的方法來形成，以便將η型焊盤電極107b沉積在η型層102上，如圖1或圖2所示。
10
另外，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，樣品可能需要另外的處理步驟以便降低由于存在表面態(tài)和等離子體所導(dǎo)致缺陷而造成的結(jié)泄漏和非輻射性復(fù)合(關(guān)于表面態(tài)和等離子體所導(dǎo)致缺陷的更詳細(xì)內(nèi)容，參見H. S. Yang等在Applied Physics Letters 86，102104， 2005上的文章以及H. Μ. Kim等在Electrochemical Solid State Letters 7，G241，2004上的文章)。所述另外的處理步驟例如可以包括樣品在氮條件下熱退火或任何其它合適的方法(例如，參見 Y. Yang 等發(fā)表在 Applied Physics Letters 95，011109，2009 的文章，可以得到關(guān)于抑制表面泄漏電流的方法的一些示例)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，圖1的空腔108可以填充有非導(dǎo)電材料，或填充有非導(dǎo)電層的組合。非導(dǎo)電層可以是但不限于電介質(zhì)材料例如硅石或旋涂玻璃，或由例如鈰摻雜的釔鋁石榴石、SiAlON、硒化鎘、硫化鎘、(In，( )N或磷化銦制成的熒光或納米熒光材料。盡管已經(jīng)參照特定的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯然本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠通過閱讀和理解本說明書得出等價(jià)物和修改方案。本發(fā)明包括所有這些等價(jià)物和修改方案，并僅由所附的權(quán)利要求的范圍來限定。例如，盡管本發(fā)明已經(jīng)參照以(Al，In, Ga)N材料系制造發(fā)光器件進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于此并可以用于其它材料系。作為另一示例，本發(fā)明不限于參照?qǐng)D3進(jìn)行描述的兩步式蝕刻處理。在原理上，空腔108可以使用“一步式”方法形成，該“一步式”方法僅僅具有一個(gè)從層結(jié)構(gòu)去除材料的步驟，在該一個(gè)步驟中，從層結(jié)構(gòu)中去除足夠的材料以形成從層結(jié)構(gòu)的表面至少延伸穿過有源區(qū)的空腔。(這例如可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn)持續(xù)進(jìn)行由圖3中的方框301所表示的穿透缺陷的選擇性蝕刻，直至所得到的空腔延伸穿過層105且穿過有源區(qū)。)使用“一步式” 方法可以使得本發(fā)明更易于實(shí)施。然而，同使用諸如圖3的處理這樣的兩步式處理來形成空腔108相比，預(yù)期使用“一步式”方法形成空腔108將需要從層結(jié)構(gòu)去除更多的材料—— 這可能在期望提供高輸出功率的發(fā)光器件(例如，高亮度LED)的應(yīng)用中是不利的。因此， 在期望所獲得的發(fā)光器件具有高光學(xué)輸出功率的情況下，使用兩步式處理如圖3的處理優(yōu)于使用一步式處理。作為另一示例，上述實(shí)施例涉及通過試圖形成去除所有穿透位錯(cuò)(或在實(shí)踐中盡可能多地去除穿透位錯(cuò))的空腔，來去除器件結(jié)構(gòu)中的所有或基本上所有的穿透位錯(cuò)。然而，本發(fā)明不限于此。如上所述，氮化物材料中存在三種不同類型的穿透位錯(cuò)，即螺旋式、混合式和邊緣式。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，空腔可以與至少第一類型的穿透位錯(cuò)對(duì)應(yīng)地形成，而沒有空腔形成在第二類型的穿透位錯(cuò)所在的部位處。例如，空腔或每一空腔108可以與第一類型的穿透位錯(cuò)相對(duì)應(yīng)，即可以形成空腔以去除所有第一類型的穿透位錯(cuò)(例如， 螺旋式、混合式和邊緣式穿透位錯(cuò)中的一種)(或在實(shí)際中盡可能多地去除該一種類型的穿透位錯(cuò))，而使另兩種類型的位錯(cuò)不受影響或基本上不受影響。如果僅僅需要從LED去除一種類型的穿透位錯(cuò)，即例如僅僅期望從LED結(jié)構(gòu)去除具有螺旋分量的穿透位錯(cuò)，這可以是有利的。為了實(shí)現(xiàn)該實(shí)施例，圖3的方框301中表示的優(yōu)先蝕刻步驟可以設(shè)置為通過蝕刻參數(shù)的仔細(xì)選擇，來僅僅在一種類型的穿透位錯(cuò)的部位處形成引導(dǎo)空腔(或至少優(yōu)先在一種類型的穿透位錯(cuò)的部位處形成引導(dǎo)空腔)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，空腔108可以與兩種類型的穿透位錯(cuò)相對(duì)應(yīng)，即可以形成空腔以去除所有兩種類型的穿透位錯(cuò)(或在實(shí)際中盡可能多地去除兩種所選類型的穿透位錯(cuò))，而使第三種類型的位錯(cuò)不受影響或基本上不受影響。這可以通過如下方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)置圖3的方框301所表示的蝕刻步驟，以僅僅在兩種類型的穿透位錯(cuò)的部位處(或優(yōu)先在兩種類型的穿透位錯(cuò)的部位處)形成引導(dǎo)空腔。可選地，步驟301可以以不同的蝕刻參數(shù)重復(fù)兩次，第一次用于在一種類型的穿透位錯(cuò)的部位處形成引導(dǎo)空腔，第二次用于在另一種類型的穿透位錯(cuò)的部位處形成引導(dǎo)空腔。另外，在原理上，本發(fā)明不限于使用蝕刻從層結(jié)構(gòu)去除材料，可以使用從層結(jié)構(gòu)去除材料的其它方法。另外，盡管由本發(fā)明所解決的問題具體參照每單位面積穿透位錯(cuò)密度為約 IO8-IO9CnT2的器件進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于用于具有該特定的每單位面積位錯(cuò)密度的器件，并可以應(yīng)用于具有任何每單位面積位錯(cuò)密度的器件。如此描述了本發(fā)明，顯然本發(fā)明可以以多種方式變化。這種變化不應(yīng)被認(rèn)為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍，且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的所有這種修改方案應(yīng)包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 襯底；置于襯底上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)包括置于襯底上的第一層、第二層以及置于第一層和第二層之間用于光發(fā)射的有源區(qū)；和層結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)空腔，所述空腔或每個(gè)空腔與總體延伸穿過層結(jié)構(gòu)的至少第一類型的相應(yīng)穿透位錯(cuò)相對(duì)應(yīng)，且所述空腔或每個(gè)空腔從層結(jié)構(gòu)的上表面延伸穿過至少第二層和有源區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中在層結(jié)構(gòu)中不存在穿透位錯(cuò)的部位處，不形成空腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中在層結(jié)構(gòu)中存在第二類型的穿透位錯(cuò)的部位處， 不形成空腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述空腔或每個(gè)空腔延伸至第一層中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，包括設(shè)置在所述空腔或每個(gè)空腔中的非導(dǎo)電材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述器件包括發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述器件包括激光二極管。
8.—種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件具有置于襯底上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，所述層結(jié)構(gòu)包括置于襯底之上的第一層、第二層以及置于第一層和第二層之間用于光發(fā)射的有源區(qū)，所述方法包括在層結(jié)構(gòu)中至少第一類型的相應(yīng)穿透位錯(cuò)所在的一個(gè)或更多個(gè)部位，從層結(jié)構(gòu)選擇性地去除材料，以在層結(jié)構(gòu)中形成空腔，所述空腔至少延伸穿過第二層和有源區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在層結(jié)構(gòu)中不存在穿透位錯(cuò)的部位處，不形成空腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在層結(jié)構(gòu)中存在第二類型的穿透位錯(cuò)的部位處， 不形成空腔。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括在襯底上形成層結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中從層結(jié)構(gòu)去除材料包括蝕刻層結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括第一蝕刻步驟在相應(yīng)穿透位錯(cuò)所在的所述一個(gè)或更多個(gè)部位處，選擇性地蝕刻層結(jié)構(gòu)，以在所述部位或每個(gè)部位處形成引導(dǎo)空腔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括第二蝕刻步驟增加所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔的深度，使得所述空腔或每個(gè)空腔至少延伸穿過第二層和有源區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中第二蝕刻步驟包括通過置于層結(jié)構(gòu)的表面上的掩模，蝕刻層結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括在層結(jié)構(gòu)的表面上設(shè)置掩模層，并在第一蝕刻步驟中形成引導(dǎo)空腔的所述部位或每個(gè)部位處選擇性地去除掩模層，以形成掩模。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括 在層結(jié)構(gòu)的表面上沉積抗蝕劑層；對(duì)抗蝕劑層進(jìn)行平坦化，使得僅僅沉積在所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔中的抗蝕劑材料保留；在層結(jié)構(gòu)的表面上沉積掩模層；執(zhí)行剝離步驟，以去除沉積在所述引導(dǎo)空腔或每個(gè)引導(dǎo)空腔中的抗蝕劑材料，從而形成掩模。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括在層結(jié)構(gòu)的表面上選擇性地設(shè)置掩模層，所述掩模層沒有設(shè)置在第一蝕刻步驟中形成引導(dǎo)空腔的所述部位或每個(gè)部位處。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中掩模是電極層。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中第二蝕刻步驟是干法蝕刻步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括在所述空腔或每個(gè)空腔中設(shè)置非導(dǎo)電材料。
22.一種由根據(jù)權(quán)利要求8至21中任一項(xiàng)所述的方法形成的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
全文摘要
一種半導(dǎo)體發(fā)光器件包括設(shè)置在襯底上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。層結(jié)構(gòu)包括置于第一層和第二層之間的有源區(qū)。一個(gè)或更多個(gè)空腔存在于層結(jié)構(gòu)中，每個(gè)空腔與穿透位錯(cuò)相對(duì)應(yīng)，并從層結(jié)構(gòu)的上表面至少延伸穿過第二層和有源區(qū)。去除穿透位錯(cuò)所在處的材料提供了對(duì)穿透位錯(cuò)用作非輻射中心的趨勢(shì)的有效抑制，由此改善了器件的光輸出效率。該器件可以通過在一個(gè)或更多個(gè)穿透位錯(cuò)的部位處選擇性蝕刻層結(jié)構(gòu)以在所述部位或每個(gè)部位處形成引導(dǎo)空腔的第一步驟來制造。應(yīng)用第二蝕刻步驟，以增加每個(gè)引導(dǎo)空腔的深度。
文檔編號(hào)H01L33/02GK102403427SQ20111027397
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者瓦萊里·貝里曼-博斯奎特, 蒂姆·邁克爾·斯密頓, 陳偉新, 馬修·澤維爾·先尼 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社