ОТРАЖАЮЩИЙ КОНТАКТ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
REFLECTING CONTACT FOR SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к отражающему контакту для III-нитридного светоизлучающего устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие в себя светоизлучающие диоды (LED или СИД), резонаторные светоизлучающие диоды (RCLED), лазерные диоды поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) и лазеры с краевым излучением входят в круг наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Интересные сейчас системы материалов в производстве светоизлучающих устройств с высокой яркостью, способных работать в видимой области спектра, включают полупроводники III-V группы, в особенности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые как III-нитридные материалы. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства изготавливают путем эпитаксиального выращивания пакета полупроводниковых слоев с различными составами и концентрациями легирующих добавок на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде, композите или других пригодных подложках путем химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-лучевой эпитаксией (МВЕ) или другими эпитаксиальными технологиями. Пакет часто включает в себя один или более слоев n-типа, легированных, например, Si (кремнием), образованных поверх подложки, один или более светоизлучающих слоев в активной области, образованных поверх слоя или слоев n-типа, и один или более слоев р-типа, легированных, например, Mg (магнием), образованных поверх активной области. Электрические контакты образованы на областях n- или р-типа. III-нитридные устройства часто образованы как устройства с перевернутыми кристаллами, где как n-, так и р-контакты образованы на одной и той же стороне полупроводниковой структуры, и свет излучается из стороны полупроводниковой структуры, противоположной контактам.
[0003] Серебро часто используется в качестве отражающего р-контакта и известно своей чувствительностью к транспортировке, включающей в себя механическое напряжение, химической реакции или электромиграции. Например, III-нитридный СИД с серебряным р-контактом изображен на Фиг. 1 и описан в Патенте США 6946685. Патент США 6946685 указывает, что «серебряная металлизация электрода подвергается электрохимической миграции в присутствии влаги и электрического поля, например, такого, как поле, созданное в результате приложения рабочего напряжения к контактам устройства». Электрохимическая миграция серебряной металлизации в р-n-переход устройства приводит к альтернативному шунтовому пути через переход, который ухудшает эффективность устройства.
[0004] Фиг. 1 иллюстрирует светоизлучающее устройство, включающее в себя полупроводниковую структуру, которая включает в себя светоизлучающую активную область 130А между слоем 120 n-типа из III-V-нитридного полупроводника и слоем 140 р-типа из III-V-нитридного полупроводника. P-электрод 160, содержащий металлическое серебро, размещен на слое р-типа, а n-электрод (не показанный на Фиг. 1) соединен со слоем n-типа. Предусмотрены средства, с помощью которых электрические сигналы могут быть приложены на упомянутые электроды для побуждения излучения света из активной области, и миграционный барьер 175 создан для предотвращения электрохимической миграции металлического серебра из р-электрода в направлении активной области. Миграционный барьер 175 представляет собой проводящий защитный лист. Защитный лист полностью охватывает серебро, покрывая края серебряного р-электрода, как изображено на Фиг. 1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Задачей настоящего изобретения является включение отражающего первого материала и второго материала в р-электрод. В некоторых вариантах осуществления второй материал может сокращать миграцию первого материала. Отражательная способность контакта может быть улучшена по сравнению с устройством с серебряным контактом и защитным листом, который охватывает серебряный контакт.
[0006] Варианты осуществления изобретения включают в себя полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающий слой, размещенный между областью n-типа и областью р-типа. P-электрод размещен на части области р-типа. P-электрод включает в себя отражающий первый материал в непосредственном контакте с первой частью области р-типа и второй материал в непосредственном контакте со второй частью области р-типа, соседней с первой частью. Первый материал и второй материал образованы в виде плоских слоев по существу одинаковой толщины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Фиг. 1 изображает светоизлучающее устройство с миграционным барьером, покрывающим серебряный р-электрод.
[0008] Фиг. 2 изображает часть III-нитридного устройства с серебряным р-контактом, на которой сформирован рисунок фоторезиста.
[0009] Фиг. 3 изображает устройство по Фиг. 2 после образования слоя поверх серебряного р-контакта со сформированным рисунком.
[0010] Фиг. 4 изображает устройство по Фиг. 3 после отслоения фоторезиста и образования защитного листа поверх р-электрода.
[0011] Фиг. 5 изображает III-нитридное устройство, соединенное с держателем.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0012] В устройстве, изображенном в Фиг. 1, чтобы изолировать серебряный контакт защитным листом, сначала вытравливают серебро из края мезаструктуры. Полосу 10 между краем отражающего р-электрода 160 и краем мезаструктуры называют как «черный пояс», поскольку она не является такой же отражающей, как серебряный р-электрод 160. Черный пояс может иметь ширину, например, примерно 10 микрометров и может представлять примерно 7% площади устройства. Поглощение света черным поясом может снижать эффективность устройства. В дополнение, ступеньку 12, созданную на краю серебряного р-электрода 160, затруднительно изолировать защитным листом 175, и поэтому она склонна пропускать влагу и вызывать миграцию серебра наружу. Для минимизации высоты ступеньки 12 серебряный р-электрод 160 сохраняют настолько тонким, насколько возможно, например, примерно 150 нм. Стабильности и отражательной способности серебряного р-электрода могут благоприятствовать более толстые слои серебра, например, примерно 200 нм.
[0013] В вариантах осуществления изобретения, после вытравливания серебряного р-контакта, черный пояс наполняют металлическим слоем такой же толщины, как серебро. Почти плоская структура р-контакта может быть более отражающей и лучше изолированной, чем обычный контакт, такой как контакт, изображенный на Фиг. 1.
[0014] Фиг. 2-4 изображают образование отражающего контакта согласно вариантам осуществления изобретения. На Фиг. 2-4 изображена только часть устройства. На Фиг. 2 III-нитридную полупроводниковую структуру, включающую в себя область n-типа, светоизлучающую или активную область и область р-типа, наращивают на ростовой подложке (не показана), которая может быть любой подходящей ростовой подложкой, и которая обычно представляет собой сапфир или SiC. Сначала поверх подложки наращивают область 20 n-типа. Область n-типа может включать в себя множество слоев с различными составами и концентрациями легирующих добавок, включающие в себя, например, подготовительные слои, такие как буферные слои или затравочные слои, которые могут быть n-типа или ненамеренно легированными, отделяемые слои, сконструированные для облегчения последующего отделения ростовой подложки или утончения полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои устройства n- или даже р-типа, сконструированные для особенных оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области, чтобы эффективно излучать свет.
[0015] Светоизлучающую или активную область 22 наращивают поверх области 20 n-типа. Примеры пригодных светоизлучающих областей включают в себя единичный толстый или тонкий светоизлучающий слой или светоизлучающую область с множеством квантовых ям, включающую в себя множество тонких или толстых светоизлучающих слоев с квантовыми ямами, разделенные барьерными слоями. Например, светоизлучающая область с множеством квантовых ям может включать множество светоизлучающих слоев, каждый с толщиной 25 Å или меньше, разделенные барьерами, каждый с толщиной 100 Å или меньше. В некоторых вариантах осуществления толщина каждого из светоизлучающих слоев в устройстве составляет более 50 Å.
[0016] Поверх светоизлучающей области 22 наращивают область 24 р-типа. Подобно области n-типа, область р-типа может включать в себя множество слоев с различными составами, толщинами и концентрациями легирующих добавок, в том числе слои, которые являются ненамеренно легированными, или слои n-типа.
[0017] Отражающий металлический р-контакт 26 образован в области 24 р-типа. Отражающий металл 26 обычно включает в себя серебро и может представлять собой чистое серебро, сплав, включающий в себя серебро, или один или более слоев серебра и один или более слоев из иного металла, такого как никель, или другой проводящий материал. В некоторых вариантах осуществления отражающий металл 26 имеет толщину между 150 и 250 нм. Поверх отражающего металла 26 образуют слой 28 резиста и формируют рисунок, затем удаляют часть отражающего металла 26, например, в области 27 черного пояса. В устройстве остается часть отражающего металла 26 под слоем 28 резиста. Путем регулирования продолжительности травления можно удалить отражающий металл 26 из-под слоя 28 резиста вплоть до расстояния в несколько микрометров, обычно называемое как подтравливание.
2
3
2
[0018] На Фиг. 3 слой 28 резиста и черный пояс 27 покрыты слоем 30 с приблизительно такой же толщиной, как отражающий металл 26. Например, в некоторых вариантах осуществления слой 30 имеет толщину между 150 и 250 нм. Слой 30 выбирают так, чтобы он был отражающим настолько, насколько возможно, без проблем миграции серебра. Слой 30, например, может представлять собой единичный осажденный из паров алюминиевый слой, один или более напыленных алюминиевых слоев, один или более алюминиевых сплавов, пакет алюминий-металл, такой как AlTi, или неметаллический слой, такой как двойной слой AlO/Al или двойной слой SiO/Al, для улучшения отражательной способности. Зазор между отражающим металлом 26 и слоем 30 может быть отрегулирован от нуля до менее чем 2 микрометров, путем управления подтравливанием отражающего металла 26 и выбора надлежащего способа размещения слоя 30.
x
x
2
3
[0019] Затем отслаивают слой 28 резиста, обнажая отражающий металл 26 и оставляя после этого слой 30 в черном поясе 27. На Фиг. 4 поверх р-электрода, который включает в себя отражающий металл 26 и слой 30, образован защитный лист 32. Защитный лист 32 может состоять, например, из одного или более металлов, таких как титан, вольфрам, или из одного или более сплавов, или из одного или более диэлектриков для улучшения отражательной способности, таких как SiN, SiO или AlO. В некоторых вариантах осуществления защитный слой 32 представляет собой слой из TiWN, размещенный между двумя слоями из TiW. В некоторых вариантах осуществления слой 30 представляет собой AlTi, и защитный слой 32 включает в себя по меньшей мере один слой из TiW. AlTi может обеспечивать улучшенную адгезию к слою защитного листа из TiW. В некоторых вариантах осуществления защитный лист включает в себя подслой и/или покровный слой, такой как никель, для улучшенной адгезии.
[0020] Фиг. 5 изображает СИД 42, соединенный с держателем 40. До или после образования вышеописанного р-электрода на области 24 р-типа части области n-типа подвергают травлению для удаления частей области р-типа и светоизлучающей области. Полупроводниковая структура, включающая в себя область 20 n-типа, светоизлучающую область 22 и область 24 р-типа, представлена структурой 44 на Фиг. 3. N-контакты 46 образованы на открытых частях области n-типа.
[0021] СИД 42 присоединен к держателю 40 n- и р-межсоединениями 56 и 58. Межсоединения 56 и 58 могут быть из любого подходящего материала, такого как припой или другие металлы, и могут включать в себя множество слоев материалов. В некоторых вариантах осуществления межсоединения включают в себя по меньшей мере один слой из золота, и связь между СИД 42 и держателем 40 образована путем ультразвуковой сварки.
[0022] Во время ультразвуковой сварки кристалл 42 СИД расположен на держателе 40. На верхней поверхности кристалла СИД расположена сварочная головка, часто на верхней поверхности сапфировой ростовой подложки в случае III-нитридного устройства, выращенного на сапфире. Сварочная головка соединена с ультразвуковым преобразователем. Ультразвуковой преобразователь может представлять собой, например, пакет слоев из титаната-цирконата свинца (PZT). Когда на преобразователь прикладывают напряжение с частотой, которая побуждает систему гармонично резонировать (часто с частотой порядка десятков или сотен кГц), преобразователь начинает вибрировать, что в свою очередь побуждает к вибрации сварочную головку и кристалл СИД, часто с амплитудой порядка микрометров. Вибрация побуждает атомы в кристаллической решетке металла в структуре на LED 42 взаимно диффундировать со структурой держателя 40, приводя к металлургически сплошному соединению. Во время связывания дополнительно могут быть привлечены нагревание и/или давление.
[0023] После связывания СИД 42 с держателем 40 вся подложка или ее часть, на которой были выращены полупроводниковые слои, может быть удалена любым способом, пригодным для конкретной, сапфировой ростовой подложки. Например, сапфировая подложка может быть удалена путем отслаивания с помощью лазера. После удаления всей ростовой подложки или ее части остальная полупроводниковая структура может быть подвергнута утончению, например, путем фотоэлектрохимического травления, и/или поверхность может быть сделана шероховатой или с нанесенным рисунком, например, с помощью фотонной кристаллической структуры. После удаления подложки поверх СИД 42 могут быть размещены линза, материал для преобразования длины волны или другая структура, известная в технике.
[0024] Вышеописанные варианты осуществления могут иметь некоторые преимущества над структурой, изображенной на Фиг. 1. Р-электродная структура в вышеуказанных вариантах осуществления может быть более плоской, тем самым сокращая точки концентрации напряжений и улучшая целостность защитного листа устранением необходимости в том, чтобы защитный лист покрывал ступеньку. Отражающий металл может быть сделан более толстым без усугубления проблем, связанных с покрытием ступеньки на краю отражающего металла с защитным листом. Оптические потери от чипа могут быть снижены путем сокращения количества света, поглощаемого черным поясом. Проблемы, связанные с отделением серебра от нижележащего полупроводникового материала, могут быть сокращены, так как слой 30 может защищать края отражающего металла 26 во время последующей обработки. Алюминиевый слой 30 может служить в качестве расходного анода, который может сдерживать или отсрочивать электрическую коррозию серебра. Миграция серебра в черный пояс может быть сокращена благодаря высокой электрической проводимости и низкой напряженности электрического поля алюминиевого слоя 30.
[0025] Описав изобретение подробно, специалисты в этой области техники поймут, что, исходя из настоящего изобретения, могут быть сделаны модификации изобретения без выхода за пределы смысла описанной здесь концепции изобретения. Поэтому не предполагается, что объем изобретения ограничивается конкретными иллюстрированными и описанными вариантами осуществления.