專利名稱：標(biāo)準(zhǔn)封裝應(yīng)用中高可靠性的堅(jiān)固Ⅲ族發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，特別地涉及用III族氮化物形成的適合于標(biāo)準(zhǔn)封裝應(yīng)用的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是p-n結(jié)器件，其將電能轉(zhuǎn)換為光輻射。特別地，在適當(dāng)?shù)恼蚱珘簵l件下，LED發(fā)出外自發(fā)輻射，其位于電磁頻譜的紫外、可見和紅外區(qū)域。
熟悉電磁頻譜可見、近可見區(qū)域及其性質(zhì)的人可知，光的波長越短(例如藍(lán)光和紫外光)表示頻率越高，能量躍遷越高，而波長越長(例如紅光和紅外光)表示頻率越低，能量躍遷越低。
因此，對于發(fā)光二極管，它們所發(fā)射頻譜的特殊部分——也就是它們的顏色——取決于產(chǎn)生發(fā)射的能量躍遷。反過來，發(fā)射的能量在很大程度上由特殊材料的能帶隙決定。因此，為了使發(fā)光二極管發(fā)射頻譜的藍(lán)光和紫外光部分，半導(dǎo)體材料的能帶隙必須足夠地大(足夠?qū)?，以便支持具有足夠能量的發(fā)射從而產(chǎn)生藍(lán)光或者紫外光。
因此，頻譜中藍(lán)和紫外區(qū)域發(fā)光二極管的候選材料被限制在某些寬能帶隙材料，例如金剛石、碳化硅(SiC)和III族氮化物；例如由周期表III族元素形成的二元、三元和四元氮化物，如氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁鎵(AlGaN)。
由于它們的寬能帶隙和它們作為直接而非間接發(fā)射材料的性質(zhì)，藍(lán)光LED領(lǐng)域的最新進(jìn)展更緊密地集中于III族氮化物。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以很好地理解，直接能帶隙材料趨向于提供更高的效率，因?yàn)樗鼈兊哪芰哭D(zhuǎn)變主要呈光(光子)的形式，而不是部分作為光、部分作為振動能(聲子)。
關(guān)于LED和其它光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)、量子機(jī)制和工作的更廣泛的討論在如下文獻(xiàn)中提及，《Sze，半導(dǎo)體材料物理》第二版(1981，JohnWiley&Sons有限公司)，以及其姊妹篇《Sze，現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》(1998，John Wiley&Sons有限公司)。這些原理為本領(lǐng)域所熟知，所以除非是解釋和支持本發(fā)明必需的，否則本文不予重復(fù)。
根據(jù)基本常識，發(fā)光二極管一般包括兩層相反導(dǎo)電類型的材料，它們共同形成p-n結(jié)。這些材料典型地為襯底上的外延層形式。最期望的是，與襯底和上外延層形成歐姆接觸從而形成“垂直”器件，具有最佳的封裝效率。
在這一點(diǎn)上，LED通常以LED燈的形式加以封裝用于最終的用途。典型的LED燈包括LED芯片(或者“單元片”，術(shù)語“芯片”經(jīng)常用于描述集成電路而非LED)和塑料(或者有時(shí)為玻璃)透鏡。對于一些LED，透鏡具有顏色從而作為光學(xué)濾色器和提高襯度，但是對于藍(lán)光LED，透鏡優(yōu)選地為無色，以避免干擾期望的藍(lán)光發(fā)射。典型的燈構(gòu)型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是熟知的，在如下文獻(xiàn)中有所提及，例如《Sze，半導(dǎo)體材料物理》第679-700頁。典型地，一旦LED芯片被封裝成一個(gè)燈，它便能夠用于各種用途，例如指示器和字母數(shù)字顯示器。
但是對于應(yīng)用于某些類型的器件，有一些特殊的考慮。例如，III族氮化物器件典型地在藍(lán)寶石或者碳化硅襯底上形成。碳化硅襯底在許多環(huán)境下是優(yōu)選的，因?yàn)镾iC能夠被導(dǎo)電摻雜。因此，SiC襯底能夠?yàn)榫哂小吧稀焙汀跋隆睔W姆接觸的“垂直”器件形成偏壓。對比地，藍(lán)寶石的絕緣特性阻止了它用于垂直器件。
反過來，n型SiC襯底在p型襯底上趨向于是優(yōu)選的，因?yàn)閚型SiC一般更易導(dǎo)電并發(fā)射更多的光。
結(jié)果，SiC襯底上的III族氮化物器件典型地包括n型襯底、n型緩沖層(或者層的組合)、n型外延層和位于器件“頂部”的p型接觸層(例如GaN)。
這種III族氮化物L(fēng)ED的發(fā)展、商業(yè)引入和使用相對較新。因此，人們斷定，在商業(yè)使用中(術(shù)語“商業(yè)”一般指，但不僅限于，制造并出售的產(chǎn)品)，它們經(jīng)歷特殊類型的物理和化學(xué)損壞，這最終惡化器件的電子性能。更明確地，已經(jīng)顯見，在正常的環(huán)境條件下，其中LED燈在室溫或者室溫以上工作，在正常的濕度條件和其它的環(huán)境因素下，外延層、歐姆接觸和相關(guān)的鈍化層趨向于彼此相互作用，導(dǎo)致光學(xué)和電性能惡化。在如下器件中，其中以p型GaN作為其頂層，與p型層歐姆接觸，性能惡化問題顯得特別突出。
LED燈中非常不希望的性能惡化的一個(gè)特殊形式是，前置電壓(forward voltage)隨著時(shí)間增加(VF惡化)。“前置電壓”是指必須被施加跨越LED的各端從而使之發(fā)光的電壓。VF惡化能夠?qū)е鹿ぷ鳒囟壬?，器件整個(gè)壽命中的功率消耗增加。
因此，在一些用III族氮化物制造的商用類型藍(lán)光LED中，封裝自身非常特殊而堅(jiān)固，因?yàn)楸环庋b的LED芯片甚至在正常的環(huán)境條件下都相對脆弱。例如，在日本德島Nichia化學(xué)公司生產(chǎn)的NSPG630S器件中，p型層、歐姆接觸和鈍化層被柔韌的透明聚合物材料涂覆，然后被包封在硬樹脂中，例如環(huán)氧基聚合物。
例如，在歐洲公布的專利申請No.0 622 858中，(“基于III-V族化合物的氮化鎵半導(dǎo)體器件及其制造方法”)(Gallium nitride basedIII-V group compound semiconductor device and method ofproducing the same)，Nakamura等報(bào)道，“p電極(p型氮化鎵)可以用任何合適的金屬材料形成”(第6頁第7行)。Nakamura接著列舉了8中候選金屬(Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr和Ti)，并稱鎳和金組合是最佳選擇(第6頁第10-12和33-35行)。而且，在選擇鈍化層(“保護(hù)膜”)時(shí)，Nakamura僅提供了一些一般的標(biāo)準(zhǔn)(“形成保護(hù)膜的材料并不受特殊的限制，只要其透明且電絕緣即可?！钡?頁第31-32行)。Nakamura接著列舉了4種候選材料二氧化硅(SiO2)、氧化鈦(TiO)、氧化鋁(Al2O3)和氮化硅(SiN)。
然而，GaN基LED更廣泛的引入證實(shí)，材料的這種一般選擇是不合適的，導(dǎo)致LED的損壞比經(jīng)過適當(dāng)選擇的商用器件迅速得多。特別地，如下的LED，其(1)包括p型GaN上外延層；(2)使用由某些材料(或者其組合)例如鈦和金(“Ti/Au”)形成的歐姆接觸；和(3)使用二氧化硅(SiO2)作為鈍化層，趨向于顯示出比商業(yè)上可接受的更快的性能惡化。更明確地，可以顯見，SiO2的透水性允許足夠的濕氣到達(dá)p電極從而惡化電極并最終相對快速地惡化整個(gè)器件。
如上面所指出的，復(fù)雜的封裝為保護(hù)相對脆弱的單元片結(jié)果提供了一個(gè)選擇。然而，為了獲得其最完備的商業(yè)潛力，由III族氮化物形成的藍(lán)光二極管必須以如下的方式加以制造，即它們能夠被引入到更一般的燈封裝中，該封裝類似于比III族氮化物范圍更廣的材料的燈封裝。
盡管409專利申請中說明的器件被證實(shí)具有改良的性能，但是仍然存在一些性能惡化問題。
因此，仍然需要有堅(jiān)固的LED芯片，其能夠以通常的方式加以封裝，但能夠在足以使器件用于廣泛的商業(yè)用途的時(shí)間周期內(nèi)成功地耐受正常的和提高的溫度和濕度條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例包括一種二極管，其包括具有p型III族氮化物(優(yōu)選地為氮化鎵)接觸層的III族異質(zhì)結(jié)二極管、與p型接觸層的歐姆接觸和歐姆接觸上濺射沉積的氮化硅鈍化層。
在另一個(gè)方案中，本發(fā)明包括由發(fā)光二極管和塑料透鏡形成的LED燈。
在另一個(gè)方案中，本發(fā)明包括一種制造LED的方法，包括如下步驟在襯底上形成緩沖層，在緩沖層上形成有源區(qū)域，在有源區(qū)域上形成p型接觸層，在接觸層上形成金屬接觸，和在金屬接觸上濺射沉積氮化硅鈍化層。
本發(fā)明的這些和其他的目的和優(yōu)點(diǎn)通過參考聯(lián)系附圖的詳細(xì)說明將變得更加顯而易見，其中


圖1是氮化鎵基發(fā)光二極管的照片；圖2是圖1中氮化鎵基發(fā)光二極管的第二張、多少放大的照片；圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED的透視圖；圖4是引入了本發(fā)明二極管的LED燈的概圖；圖5是濺射室的概圖；圖6是VF與LED單元片退火溫度的圖示，其中LED單元片經(jīng)過了PECVD處理，一方面沉積了SiN，另一方面濺射了SiN。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種物理堅(jiān)固的發(fā)光二極管，其在標(biāo)準(zhǔn)封裝中提供了高度的可靠性，并能夠耐受高溫和高濕度條件。
如在背景中指出的，必須保護(hù)歐姆接觸免受物理、機(jī)械、環(huán)境和封裝應(yīng)力的破壞，從而防止III族氮化物L(fēng)ED惡化。
在這一點(diǎn)上，圖1是整個(gè)LED(“單元片”)的照片。在圖1的器件中，除了單元片外緣以外，二氧化硅(玻璃)鈍化層被除去。仍然存在玻璃的部分一般用圍繞普通方形單元片周界的點(diǎn)或者玷污部分表示。該斑駁的外形由玻璃下面的各種氣孔形成，使單元片分層。在圖1描述的單元片中，分層開始于3點(diǎn)(順時(shí)針)的位置并到達(dá)大約11點(diǎn)鐘的位置。單元片的中心沒有鈍化層，在仍然附著于結(jié)合襯墊的單元片的中心處能夠看到絲線球結(jié)合(wire ball bond)。在該特殊的實(shí)例中，鈍化層的中心部分被除去，同時(shí)在測試之后，單元片被去包封。
在測試期間，圖1中畫出的單元片鈍化層在封裝中分層，并允許濕氣滲透到鈍化層下面。最終的分層使該特殊器件的初始光輸出減少大約20％。隨后，趨向于滲透通過LED燈環(huán)氧樹脂透鏡并包圍從燈封裝底部產(chǎn)生的導(dǎo)線的濕氣，使得薄半透明的歐姆接觸惡化，最終完全失效。該失效依次導(dǎo)致光輸出連續(xù)下降，最終增加器件的前置電壓。在圖1拍攝的器件中，接觸失效顯示為黑暗或者粗糙區(qū)域，其正好在單元片中心的右側(cè)。
圖2是圖1單元片照片的放大圖。圖2顯示，保留在外周的玻璃打破了器件的內(nèi)平臺(mesa)，p接觸失效。黑暗、粗糙的外形區(qū)域是歐姆接觸(該實(shí)例中是鈦和金)起球(balled up)的位置。作為最佳的理解，隨著接觸與p型層較不兼容，它趨向于起泡(bead up)而非潤濕p型層。反過來，隨著Ti/Au在結(jié)合襯墊周圍起球，器件緩慢地失去連接。而且，在接觸不連續(xù)的區(qū)域不再產(chǎn)生光。因?yàn)閜型氮化鎵不是良導(dǎo)體，且一般顯示高阻抗，所以空白區(qū)域內(nèi)的弱電流不能提供幫助產(chǎn)生光的電流路徑。
圖3圖解了本發(fā)明二極管的第一實(shí)施例，其能夠耐受高溫和高濕度條件。該二極管一般地用10表示，并包括碳化硅襯底11，其產(chǎn)品和性質(zhì)在其他指定給本發(fā)明代理人的美國專利中被清晰地提及，包括例如No.RE 34,861(先前的No.4,866,005)。在優(yōu)選實(shí)施例中，碳化硅襯底是單晶體，從3C、4H、6H和15R等多型體的碳化硅中選擇，且為n型。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的LED進(jìn)一步包括碳化硅襯底11上的緩沖結(jié)構(gòu)12。該緩沖結(jié)構(gòu)有助于提供從碳化硅襯底11到器件剩余III族氮化物部分的晶體和機(jī)械轉(zhuǎn)變。適當(dāng)?shù)木彌_結(jié)構(gòu)在例如美國專利Nos.5,393,993；5,523,589；5,592,501和5,739,554中提及，它們均與本發(fā)明共同代理，且本文引用每一篇的全部內(nèi)容作為參考。二極管10進(jìn)一步包括在緩沖結(jié)構(gòu)12上形成的III族氮化物異質(zhì)結(jié)二極管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域13。有源區(qū)域13可以包括單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子阱或者多量子阱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)例在共同審理和共同代理的美國專利系列No.09/154,363中被公開，其于1998年9月16日提出申請，標(biāo)題為“垂直排列InGaN發(fā)光二極管”(Vertical Geometry InGaNLight Emitting Diode)，本文引用其內(nèi)容作為參考。
在有源區(qū)域13上形成p型III族氮化物接觸層14。為襯底11制造金屬接觸15，為p型氮化鎵外延層制造另一個(gè)金屬接觸16。優(yōu)選地，金屬接觸15和16分別與襯底11和接觸層14形成歐姆(也就是，非調(diào)節(jié)，non-rectifying)接觸。歐姆接觸16從如下的組中選擇，即鉑、鈀、金、鈦金組合、鉑金組合、鈦鉑金組合或者鉑與氧化銦錫組合，最優(yōu)選地用鉑或者鈀形成。鎳(Ni)是n型襯底優(yōu)選的歐姆接觸金屬。器件以歐姆接觸16上的鈍化層17結(jié)束，歐姆接觸16的合適候選材料在上面已經(jīng)指出，但最優(yōu)選的是用氮化硅形成。
氮化硅優(yōu)選地位于二氧化硅上面，這特別是因?yàn)樗鼮槠骷纬闪烁玫拿芊?，防止污染物，例如水等，達(dá)到器件外延層導(dǎo)致上述的性能惡化。
在最優(yōu)選的實(shí)施例中，氮化硅通過濺射沉積。濺射是眾所周知的用于在真空或者近真空環(huán)境中沉積薄層的技術(shù)。美國專利申請系列No.09/771,800中公開了一種在微波晶體管結(jié)構(gòu)中濺射SiN的技術(shù)，其標(biāo)題為“具有更低捕獲的III族氮化物基FET和HEMT及其制造方法”(Group III Nitride Based FETs and HEMTs with Reduced Trappingand Method for Producing the Same)，于2001年1月29日提出申請，本文引用其內(nèi)容作為參考。
圖5顯示了簡化的濺射室100，其能夠用于在襯底、器件或者器件前體上沉積材料。在操作中，半導(dǎo)體器件101被放置在陽極102上。然后抽空室103，通過閥門105通入惰性氣體104，例如氬氣，維持背景壓力。陰極106用待沉積到器件襯底上的材料(或者材料的一個(gè)成分)制成。在電極107之間施加高壓，惰性氣體被離子化，陽離子110加速到達(dá)陰極106。當(dāng)轟擊陰極106時(shí)，它們與陰極原子112相撞，給它們足夠的能量從而被射出。濺射陰極原子112通過空間，最終涂覆陽極102和其上面的半導(dǎo)體器件101。其它濺射單元可能更復(fù)雜和詳細(xì)，但是工作的基本物理機(jī)制相同。使用更復(fù)雜的濺射系統(tǒng)，有可能濺射和沉積大范圍的金屬和電介質(zhì)層。
在優(yōu)選實(shí)施例中，陰極106是純的硅靶。通過使氮?dú)馀c惰性氣體一起通過濺射室103而提供氮?dú)庥糜谛纬傻?。因?yàn)闉R射靶材料(在本實(shí)例中是硅)與反應(yīng)氣體(氮?dú)?反應(yīng)形成SiN，所以這種濺射形式被稱作“反應(yīng)濺射”。
在第一實(shí)施例中，濺射沉積可以在超過200℃的溫度下執(zhí)行，更優(yōu)選地，在大約440℃下使包封最大化，從而在器件上產(chǎn)生更密閉的密封。室103的壓力應(yīng)當(dāng)保持在小于20毫托(mTorr)，優(yōu)選地在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩刑幱诖蠹s10-20mTorr的范圍。濺射速度應(yīng)當(dāng)保持在大約45/min，最佳的包封應(yīng)當(dāng)沉積大約1000的總膜厚度。在本實(shí)例中，氮化硅的濺射可以使用Sputtered Films有限公司制造的Endeavor濺射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。盡管發(fā)明人不希望聯(lián)系特殊的理論，但是在該壓力下(20mTorr或者更低)，目前相信，濺射處理對器件產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的離子轟擊損傷。盡管如此，目前仍然相信，提高濺射溫度可使器件退火，從而脫離離子轟擊損傷。
在本實(shí)例中，優(yōu)選的濺射處理包括一些特殊步驟將室103泵唧到小于20mTorr的低壓，以大約40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)的速度通入氬氣，和以大約25sccm的速度通入氮?dú)?。?03的溫度提高到200℃以上，優(yōu)選地大約440℃。向終端107施加大約100W的RF功率和大約700-800W的DC功率以產(chǎn)生離子化的等離子體。該條件維持大約40分鐘以便濺射Si陰極106。濺射硅與氮?dú)夥磻?yīng)，最終在晶片上沉積氮化硅。
在可選擇實(shí)施例中，濺射沉積可以在混合Ar/N2氣氛中在室溫下，但在更高的壓力下，例如大約80-100mTorr下，執(zhí)行。應(yīng)當(dāng)使用脈沖DC電源以減少“噴濺物”和濺射電極之間的電弧。使用脈沖DC電源能增加對濺射靶的離子轟擊，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果在更高壓力下執(zhí)行濺射，則不需要對器件退火來除去離子損傷。目前相信，在本實(shí)施例中，濺射離子的峰離子能被降低，同時(shí)離子流量增加，產(chǎn)生可以忽略的離子轟擊損傷，同時(shí)保持可以接受的濺射速度。在本實(shí)施例中，濺射速度優(yōu)選地保持在大約50/min，濺射可以用CVC 2800濺射系統(tǒng)執(zhí)行。
在本實(shí)施例中，優(yōu)選的濺射處理包括一些特殊步驟將室103泵唧到大約80-100mTorr的壓力，以大約80sccm的速度通入氬氣，和以大約10sccm的速度通入氮?dú)?。?03的溫度被保持在室溫。向終端107施加一脈沖DC電壓以產(chǎn)生離子化的等離子體，其功率大約為1000W，脈沖周期為大約5μs，占空因數(shù)為大約40％。該條件維持大約75分鐘，以濺射Si陰極106。濺射硅與氮?dú)夥磻?yīng)，最終在晶片上沉積氮化硅。
在任何一個(gè)前述實(shí)施例中，氮化硅優(yōu)選以氮化硅成分加以沉積，該成分與氮化硅(Si3N4)的化學(xué)計(jì)量學(xué)相比，硅略少。也就是說，氮化硅優(yōu)選地以非化學(xué)計(jì)量學(xué)成分的方式沉積。從而，膜中硅的比率被減小從而提高了光發(fā)射。膜中硅的比率可以通過增加或降低進(jìn)入室的氮?dú)饧右哉{(diào)節(jié)。
換句話說，如本文所使用的，術(shù)語“氮化硅成分”是指同時(shí)包括硅和氮化物的成分，包括彼此化學(xué)鍵合的硅和氮，潛在包括一些Si3N4的化學(xué)計(jì)量學(xué)關(guān)系鍵合。該成分還可能包括非化學(xué)計(jì)量學(xué)成分，其中一些或全部成分的關(guān)系不是Si3N4。
在本發(fā)明中，濺射氮化硅成分優(yōu)選地是傳統(tǒng)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，因?yàn)樵摓R射技術(shù)避免向SiN膜引入不期望程度的氫氣。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，氫氣能夠鈍化GaN基半導(dǎo)體中的Mg受體。盡管精確機(jī)制尚不完全了解，但是本發(fā)明人不希望聯(lián)系任何特殊的工作理論，目前理解，當(dāng)?shù)柰ㄟ^PECVD方法在超過200℃的沉積溫度下沉積時(shí)，膜中的氫氣能夠擴(kuò)散通過薄歐姆接觸并進(jìn)入p型III族氮化物接觸層14，使得層14在接近其表面的區(qū)域內(nèi)被鈍化。也就是，在接近表面的區(qū)域內(nèi)，通過在膜中引入氫氣中性地提供了大量的受體離子。因此，歐姆接觸與氮化物材料之間的界面被惡化，從而接觸金屬不顯示理想的歐姆特性。這會導(dǎo)致器件的前置電壓增加(VF惡化)。本質(zhì)上，器件的行為好象在金屬16與接觸層14之間界面形成了肖特基接觸，而非歐姆接觸。
對比地，因?yàn)樵谡婵栈蛘呓婵障鲁练e，認(rèn)為濺射氮化硅成分基本上沒有氫雜質(zhì)。因此，還優(yōu)選地保證濺射系統(tǒng)的所有部分均清潔干燥，以避免任何氫氣污染。這可能在濺射之前需要烘烤步驟。
此外，一旦LED芯片被制造和切片，就需要在燈封裝上安裝芯片，這在下面有更詳細(xì)的說明。封裝芯片的處理通常產(chǎn)生長期暴露于高溫的芯片。在隨后的操作中，該芯片還能夠暴露于高溫。在使用PECVD方法在上面沉積了氮化硅的芯片中，該暴露能夠?qū)е抡麄€(gè)時(shí)間的前置電壓增加(VF惡化)。目前理解，該電壓增加來自于氫氣從氮化硅鈍化層17擴(kuò)散到Mg摻雜的接觸層14。通過使用濺射技術(shù)沉積氮化硅成分層(導(dǎo)致濺射沉積氮化硅成分)，最終的惡化基本上被減少或者消除。
如果PECVD沉積不可避免，則通過在更高的摻雜水平下?lián)诫sMg摻雜接觸層14以彌補(bǔ)由于氫氣擴(kuò)散導(dǎo)致的鈍化，有可能補(bǔ)償一些VF惡化。但是，增加接觸層14中Mg的摻雜水平會對器件產(chǎn)生有害影響，即損害Mg摻雜層14的晶體質(zhì)量和表面形貌。
圖6是VF對LED單元片退火溫度的圖示，該LED單元片經(jīng)過了PECVD處理，在一方面沉積了氮化硅，另一方面濺射了氮化硅成分。LED單元片通過在碳化硅襯底上沉積外延層加以制造。然后襯底被切成兩半。在每半個(gè)晶片上沉積氮化硅鈍化層。使用PECVD沉積在一半晶片上沉積氮化硅鈍化層，使用上述的高溫濺射處理在另一半晶片上沉積氮化硅成分鈍化層。其余的LED制造處理是傳統(tǒng)的，并從每半個(gè)晶片制造LED單元片。將5個(gè)具有濺射氮化硅成分的單元片和三個(gè)具有PECVD沉積氮化硅鈍化層的單元片在快速熱退火室中在250℃的退火溫度下退火5分鐘。在退火之前和之后測量每個(gè)單元片的前置電壓。然后，單元片在290℃的退火溫度下進(jìn)行5分鐘的后續(xù)退火。在退火之前和之后測量每個(gè)單元片的前置電壓。這些測量的平均結(jié)果繪制在圖6中。從圖6可以看出，用PECVD沉積了氮化硅的LED在250℃退火5分鐘后其平均VF增加了大約0.1V，而濺射沉積了氮化硅成分的LED的VF略微下降(也就是，改善了)。用PECVD沉積了氮化硅的LED在290℃退火5分鐘后其平均VF增加超過0.7V，而濺射沉積了氮化硅成分的LED在290℃退火5分鐘后其VF下降了大約0.1V。
因此，在一個(gè)方案中，本發(fā)明包括一種制造發(fā)光二極管的方法，其包括如下步驟在襯底上形成緩沖層，在緩沖層上形成有源區(qū)域，在有源區(qū)域上形成p型接觸，在接觸層上形成金屬接觸，和在金屬接觸上濺射沉積氮化硅成分鈍化層。優(yōu)選地，襯底為導(dǎo)電的單晶碳化硅襯底，接觸層由Mg摻雜的GaN構(gòu)成，而金屬接觸由鉑構(gòu)成。
在最優(yōu)選的實(shí)施例中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子阱或者多量子阱結(jié)構(gòu)，其說明見例如先前引用的美國專利系列No.09/154,363，其于1998年9月16日提出申請，標(biāo)題為“垂直外形InGaN發(fā)光二極管”(Vertical Geometry InGaN Light EmittingDiode)。
表1總結(jié)了這些歐姆接觸材料對根據(jù)本發(fā)明的器件的適用性。在表1的分級中，“A”表示優(yōu)良特性，而“C”表示一般的脆弱特征。
表1 如圖3所示，在優(yōu)選實(shí)施例中，歐姆接觸16基本上覆蓋p型氮化鎵層的全部，促使電流擴(kuò)布整個(gè)p型氮化鎵層。因?yàn)樗采w器件的發(fā)光部分，所以歐姆接觸16優(yōu)選地足夠薄以至半透明。
圖3所示的二極管能夠用于多種用途。一個(gè)有用的應(yīng)用是作為顯示器，典型地指“數(shù)字”或者“字母數(shù)字”顯示器，盡管并不僅限于此，但其具有多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管。在某些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)藍(lán)光二極管結(jié)合紅和綠LED形成紅-綠-藍(lán)(“RGB”)像素。因?yàn)檫@些像素分別產(chǎn)生三種主要的顏色，所以它們具有產(chǎn)生幾乎全部人眼可見的顏色的能力。
在其他的應(yīng)用中，圖3所示的二極管，例如二極管10，被引入到LED燈中。圖4相應(yīng)地圖解了這種典型燈的一種形式。當(dāng)然可以理解，圖4是能夠用于合并到根據(jù)本發(fā)明的二極管的典型燈結(jié)構(gòu)的簡單實(shí)例，其對本發(fā)明二極管能夠應(yīng)用的燈類型沒有任何限制。
圖4中，燈20包括根據(jù)本發(fā)明的包封在塑料(也就是，聚合物)透鏡21內(nèi)的二極管10。透鏡的塑料材料能夠從廣泛的各種聚合物材料中選擇，這些材料對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是熟知的，但未做特別的實(shí)驗(yàn)。在許多環(huán)境下，透鏡21用環(huán)氧樹脂形成。燈20進(jìn)一步包括金屬引線框22，用于使燈與其他的電子電路元件電連接。如圖4所示，金屬引線框22具有陽極23和陰極24。
如在本發(fā)明的二極管實(shí)施例中，能夠具有多個(gè)燈20形成合適的顯示器。特別地，因?yàn)檫@種氮化鎵器件發(fā)射可見光譜的藍(lán)光部分，所以根據(jù)本發(fā)明的這些燈能夠有利地與紅和綠LED燈組合形成全顏色顯示器。這種顯示器的例子在如下的專利中提及，例如共同審理和共同指定的專利申請系列No.09/057,838，其是08/580,771的一部分，于1995年11月29日提出申請，標(biāo)題為“真彩色平板顯示模塊”(TrueColor Flat Panel Display Module)，和美國專利No.5,812,105，其于98年9月22日發(fā)布，標(biāo)題為“LED點(diǎn)陣驅(qū)動方法和裝置”(LED DotMatrix Drive Method and Apparatus)。
在附圖和說明書中，公開了本發(fā)明的典型實(shí)施例，盡管采用了具體的術(shù)語，但是它們只是被一般和描述性地使用，并不對本發(fā)明權(quán)利要求書提出的范圍具有限制。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管，其能夠以普通的方式加以封裝并能夠在足以使該器件用于廣泛商業(yè)應(yīng)用的時(shí)間周期內(nèi)成功地耐受正常的和提高的溫度和濕度條件，所述二極管包括III族氮化物有源區(qū)域；位于所述有源區(qū)域上的p型III族氮化物接觸層；位于所述p型接觸層上的金屬接觸；和位于所述金屬接觸上的濺射沉積的氮化硅成分鈍化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述氮化硅成分是非化學(xué)計(jì)量學(xué)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其中所述氮化硅成分中硅較少。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述接觸層包括氮化鎵，且所述金屬接觸足夠薄以至半透明。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)光二極管，其中所述鈍化層的厚度為大約1000。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，進(jìn)一步包括碳化硅襯底；與所述襯底的歐姆接觸；和所述襯底上的緩沖結(jié)構(gòu)，用于支持所述有源區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)光二極管，其中所述襯底是n型，且與所述襯底的所述歐姆接觸是鎳。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述金屬接觸和所述鈍化層彼此之間基本上不反應(yīng)，且彼此結(jié)合良好。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述金屬接觸從如下組中選擇鉑、鈀、金、鈦金組合、鉑金組合、鈦鉑金組合和鉑與氧化銦錫的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述金屬接觸包含鉑。
11.一種顯示器，其具有多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管。
12.一種像素，包括根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其發(fā)射可見光譜的藍(lán)光部分；紅色發(fā)光二極管；和綠色發(fā)光二極管。
13.一種LED燈包括塑料透鏡；和根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述有源區(qū)域由具有p型III族氮化物接觸層的III族氮化物異質(zhì)結(jié)二極管構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的LED燈，其中所述III族氮化物接觸層包含氮化鎵構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)光二極管，包括所述緩沖結(jié)構(gòu)上的n型氮化鎵外延層；n型III族氮化物有源區(qū)域；所述有源區(qū)域上的p型氮化鎵接觸層；和所述p型氮化鎵接觸層上的鉑接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)光二極管，其中所述碳化硅襯底是單晶體，具有從如下組中選擇的多型體3C、4H、6H和15R碳化硅多型。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)光二極管，其中所述襯底是n型。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)光二極管，其中所述有源區(qū)域從如下組中選擇單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子阱和多量子阱。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的發(fā)光二極管，其中所述襯底上的所述歐姆接觸是鎳。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)光二極管，其中濺射沉積氮化硅成分從如下組中選擇Si3N4、由硅和氮構(gòu)成的非化學(xué)計(jì)量學(xué)成分、及它們的組合。
21.一種制造發(fā)光二極管的方法，包括在襯底上形成緩沖層；在緩沖層上形成有源區(qū)域；在有源區(qū)域上形成p型接觸層；在接觸層上形成金屬接觸；和在金屬接觸上濺射沉積氮化硅成分層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括用Mg摻雜GaN形成接觸層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，包括在大于200℃的溫度下沉積氮化硅成分層。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括以大約45/min的濺射速度沉積氮化硅成分。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括沉積厚度為大約1000的氮化硅成分層。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括在小于大約20mTorr的環(huán)境壓力下濺射沉積氮化硅成分層。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括在大約10-20mTorr的環(huán)境壓力下濺射沉積氮化硅成分層。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括在大約80-100mTorr的環(huán)境壓力下濺射沉積氮化硅成分層。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括在室溫下和在大約80-100mTorr的環(huán)境壓力下濺射沉積氮化硅成分層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物理上堅(jiān)固的發(fā)光二極管，其在標(biāo)準(zhǔn)封裝中提供高可靠性，并能夠耐受高溫和高濕度條件。該二極管包括III族氮化物異質(zhì)結(jié)二極管，其具有p型III族氮化物接觸層、與該p型接觸層的歐姆接觸和該歐姆接觸上的濺射沉積氮化硅成分鈍化層。本發(fā)明還公開了一種制造發(fā)光二極管和具有該二極管的LED燈的方法。
文檔編號H01L33/40GK1653625SQ03810738
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月14日
發(fā)明者約翰·亞當(dāng)·埃德蒙德, 布萊恩·西布特, 小戴維·伯德斯利·斯拉特爾, 杰拉德·H·尼格利, 范·艾倫·米耶茲科夫斯基 申請人:克里公司