CN100416876C - 半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
由于形成发光元件包含III族氮化物半导体的材料的折射率实际上比空气的高，传统半导体发光器件的结构为使活性层中产生的光发射到空气中，必需使从半导体层入射到空气中的角不超过临界角。若入射角超过临界角，则光不能射出到空气中，而被全反射。本发明的半导体发光器件包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的至少为第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且在露出活性层的侧面上的第一半导体层、活性层和第二半导体层的总面积，至少为第二半导体层露出的顶面面积的5%。
Description
技术领域
本发明涉及具有高发光效率的半导体发光器件。本发明特别涉及一种半导体发光器件，其中重要的在于从它的侧面发出光。
背景技术
传统的半导体发光器件有如图1中所示那样被构成。图1为由以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物半导体制成的GaN基半导体发光器件的一个例子，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1。在图1中，参考标记81表示p侧焊接区；82表示p型电极；83表示p-GaN半导体层；85表示InGaN活性层；86表示n-GaN半导体层；87表示蓝宝石衬底；88表示n侧焊接区；89表示n型电极。
形成发光元件的材料，比如包含以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物半导体材料的折射率相对而言比空气的折射率大，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1。例如，在图1中所示的GaN基半导体发光器件中，为了使InGaN活性层85中产生的光能够通过p型电极82进入空气中，必然要求它在p-GaN半导体层83中到空气中的入射角不超过全反射临界角。如果入射角大于全反射临界角，则入射光不能射出到空气中，从而光被全反射。
全反射光在半导体发光器件中传播。图2中示出传播的情形。图2为光在具有活性层的半导体发光器件中传播的一个例子。在图2中，为了说明光的传播，参考标记91表示半导体层；92表示活性层；93表示半导体层；94表示半导体发光器件的顶面；95表示半导体发光器件的底面；96表示点光源。
在活性层92中比如点光源96的位置处所产生的光，通过半导体层91，到达顶面94。当其入射角不超过全反射临界角时，光射出到空气中。当用n0表示半导体层91的折射率，并且认为空气的折射率为1时，用下式表示全反射临界角θ0：
θ0＝sin-1(1/n0)(1)
当n0＝2.8时，从公式(1)得出，θ0＝21°。如果入射角θ小于21°，则光从顶面94出射到空气中。由下面的公式(2)给出从点光源96朝向半导体发光器件的顶面94传播的光，或者从点光源96朝向半导体发光器件的底面95传播、然后再在底面95上反射的光，从半导体发光器件的顶面94射出到空气中的比率η：
η＝(1-cosθ0)(2)
当公式(2)中θ0＝21°时，η＝7％。当半导体发光器件为矩形的平行六面体时，出射到空气中的光线与朝向所有方向传播的光线的比率为：3η＝21％。从而，使79％的光线被限制在半导体发光器件中。
不过，当入射角θ为21°或更大时，光发生全反射，并且在半导体层91和93中再次传播。对于活性层92中产生的光，半导体层91和93是透明的，不过，活性层92具有与所产生的发射光相应的带隙。从而，层92作为吸收体。当光在半导体层91和93中传播时，光也通过活性层92传播。因而，只要光通过活性层92，则传播的光就会由于吸收损耗而受到衰减。
当入射角为21°或更大时，到达半导体发光器件侧面的光再次受到全反射。从而，光被限制在半导体发光器件中。如果入射角小于21°，则光射出到空气中。如上所述，由于多次通过活性层92的光被衰减，发射光的强度也会比较小。
如上所述，活性层中所产生的光因全反射的缘故而被限制在其内部的比率较大，从侧面射出的光也受到衰减。活性层中产生的光能够到达外部的比率也称作外部量子效率。为此，传统半导体发光器件的外部量子效率较低。
有用于减小半导体发光器件侧面上的全反射的技术，将其顶面的形状做成三角形(比如参见日本专利申请未审公开No.10-326910)。不过，如上所述，在从侧面射出的光被衰减的情况下，预计即使减小了侧面上的全反射，也不能提高外部量子效率。
发明内容
本发明的目的在于提高半导体发光器件的外部量子效率，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种半导体发光器件，它包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的至少为第一半导体层、活性层和第二半导体层；其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且露出活性层的侧面上的第一半导体层、活性层和第二半导体层的总面积为第二半导体层露出的顶面面积的5％或更大。
本发明的第二方面提供一种半导体发光器件，它包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的至少为第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且从活性层中包含的所有点到活性层未予覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小。
本发明的第三方面提供一种半导体发光器件，它包括衬底，以及至少两个或多个台面(mesa)部分，每个台面部分中，在所述衬底上依序设有第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，另外，至少所述第二半导体层与活性层在台面部分之间是空间分离的。
本发明的第四方面提供一种半导体发光器件，它包括衬底，以及至少两个或多个台面部分，每个台面部分中，在所述衬底上依序设有第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，另外，除了用于连接台面部分的一个或多个桥接部分以外，至少所述第二半导体层与活性层在台面部分之间是空间分离的。
本发明的第五方面提供一种半导体发光器件，它依序至少包括衬底，第一半导体层，活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且，在所述第二半导体层一侧未被覆盖的顶面具有从第二半导体层一侧的未予覆的盖顶面至少延伸到所述活性层的凹入部分。
按照本发明，可以将在活性层未受到覆盖的侧面第一半导体层、活性层和第二半导体层的总面积设定为在第二半导体层一侧未予覆盖的顶面面积的5％或更大。
按照本发明，可以将从活性层中所包含的所有点到活性层未受到覆盖的侧面的最短距离设定为40μm或更小。
按照本发明，第二半导体层露出的顶面一侧的形状为具有角度小于45°的顶点。
按照本发明，可以将露出活性层的侧面与第二半导体层露出的顶面形成的一个内角设定为138°或更大。
按照本发明，与形成第一半导体层处的衬底表面的相反侧表面可具有反射层。
按照本发明，所述半导体发光器件可以是以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物半导体发光器件(其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)。
在容许范围内，可将本发明的上述结构进行组合。
如上所述，按照本发明，可使半导体发光器件的发光效率较高。特别是，使得从侧面射出的光很优异。
附图说明
图1是用以说明由III族氮化物制成的传统的GaN基半导体发光器件结构的示意图；
图2是用以说明光在具有活性层的半导体发光器件中传播的一个示例示意图；
图3是用以说明本发明半导体发光器件的外形模型的一个示例示意图；
图4是用以说明本发明的半导体发光器件中，半导体层侧面的总面积与顶面面积的比率与它的外部量子效率之间关系的示意图；
图5是用以说明本发明原理的示意图；
图6是用以说明本发明半导体发光器件的示意图；
图7是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图8是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图9是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图10是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图11是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图12是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图13是用以说明本发明半导体发光器件的外部量子效率与其中半导体层的顶面的顶角之间关系的示意图；
图14是用以说明本发明半导体发光器件外形模型的一个示例示意图；
图15是用以说明本发明半导体发光器件结构的一个示例示意图；
图16是用以说明本发明实施例制成的半导体发光器件结构的一个示例示意图。
附图标记说明
11：第二半导体层
12：活性层
13：第一半导体层
14：衬底
15：第二半导体层一侧未予覆盖的顶面
16：活性层的未予覆盖的侧面
17：活性层的未予覆盖的侧面
20：台面部分
21，22：焊接区
23：桥接部分
24：搁置部分
25：反射层
26：点光源
27：凹入部分
28：点光源
50：活性层中包含的点
51：到侧面的距离
31，39：Ti/Au焊接区
32：Ni/Au p型电极
33：p-GaN:Mg接触层
34：AlxGa1-xN:Mg半导体层
35：In1-yGayN活性层
36：n-GaN:Si高温缓冲层
37：GaN低温缓冲层
38：蓝宝石衬底
40：Al/Au n型电极
41：SiO2钝化层
42：金属反射层
81：p侧焊接区
82：p型电极
83：p-GaN半导体层
85：InGaN活性层
86：n-GaN半导体层
87：蓝宝石衬底
88：n型焊接区
89：n型电极
91：半导体层
92：活性层
93：半导体层
94：半导体发光器件的顶面
95：半导体发光器件的底面
96：点光源
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的实施例。
(实施例1)
本实施例涉及一种半导体发光器件，它包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的至少第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并使得在活性层未予覆盖的侧面，第一半导体层、活性层和第二半导体层的总面积与第二半导体层一侧未被覆盖的顶面面积的比值较大，从而增大外部量子效率。
图3是用以说明本发明半导体发光器件的外形模型一个示例的示意图。在图3中，参考标记11表示第二半导体层，12表示活性层，13表示第一半导体层，14表示衬底，15表示在第二半导体层一侧未予覆盖的顶面；17表示活性层未被覆盖的侧面；21和22表示焊接区。
在以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物制成的氮化物基半导体发光器件(其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)中，可采用以下结构：在蓝宝石衬底上层叠GaN缓冲层、n-GaN第一半导体层、GaInN活性层和p-GaN第二半导体层；为了形成n型电极，通过蚀刻裸露出部分n-GaN第一半导体层、GaInN活性层和p-GaN第二半导体层。在这种情况下，保留一部分n-GaN第一半导体层不被蚀刻。在本说明书中，侧面17包括剩余的第一半导体层的侧面。在图3中，活性层12未予覆盖的侧面17是与图3中所示阴影部分相应的部分，并包括衬底14的侧面，以及衬底14上第一半导体层13剩余部分的侧面。图3中所示侧面17的阴影部分仅表示出半导体发光器件的一个侧面。在本说明书中，这种情形同样适用于随后的说明。
在图3中，第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11形成在衬底14上。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层，此外，它们的极性彼此不同。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，从而产生光。正如参照图2所描述的那样，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面15射出，或者在第一半导体层13和第二半导体层11中传播，以便从侧面射出。
在本实施例中，对于图3中氮化物基化合物半导体：其中，第二半导体层11由厚度为0.3μm的GaN层(折射率：2.8，透射率：100％)和厚度为0.01μm的AlGaN层(折射率：2.65，透射率：100％)制成；活性层12由厚度为0.1μm的GaInN层(折射率：2.8，透射率：95.5％)制成；第一半导体层13由厚度为0.6μm的GaN层(折射率：2.8，透射率：100％)制成；衬底14由蓝宝石衬底(折射率：1.8，透射率：100％)制成，在将第一半导体层13的底面的反射率设定为100％的情况下，通过模拟得到外部量子效率。
按照传统半导体发光器件的形状，顶面的面积约为300μm×300μm，其中一个侧面的面积为大约300μm×1μm。从而，侧面17的总面积与顶面15的比值为1.4％。当把这时的外部量子效率视为1时，表1中示出侧面17的总面积与顶面15的比值与相对外部量子效率之间的关系。
表1
| 形状 | 侧面总面积/顶面面积 | 外部量子效率(相对值) |
| 现有技术(正方形) | 1.4％ | 1 |
| 圆形 | 13％ | 1.09 |
| 正方形 | 14％ | 1.08 |
| 三角形(顶角：60°) | 17％ | 1.12 |
| 三角形(顶角：40°) | 18％ | 1.11 |
| 三角形(顶角：20°) | 21％ | 1.15 |
图4示出表1中的外部量子效率与(侧面的总面积/顶面的面积)之间的关系。如图4所示，随着侧面17的总面积与顶面15的面积的比值增大，外部量子效率趋于得到提高，与顶面的形状无关。可以理解，特别是在侧面17的总面积与顶面15的面积的比值超过5％时，大大提高了外部量子效率。这是由于从侧面射出的光没有被衰减、从而使外部量子效率较高的原因。
因而，在包括衬底14，以及依序设置于所述衬底14上的至少第一半导体层13、活性层14和第二半导体层11的半导体发光器件中，其中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，并且在活性层12未予覆盖的侧面，第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11的总面积为在第二半导体层11一侧未被覆盖的顶面15的面积的5％或更大，可使外部量子效率较大。
(实施例2)
本实施例涉及一种半导体发光器件，它包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并使从活性层中包含的所有点到活性层未被覆盖的侧面的最短距离较短，因此，增大了外部量子效率。
图5是用于说明本发明原理的示意图。图6为说明本发明的示意图。在图5和6中，参考标记11表示第二半导体层，12表示活性层，13表示第一半导体层，14表示衬底，15表示第二半导体层的未被覆盖的顶面；17表示活性层未被覆盖的侧面；28表示点光源。点光源28是一个假想的点，处于产生光的位置处。在图6中，参考标记16表示活性层未被覆盖的侧面；50表示活性层中包含的点；以及51表示从点50到侧面16的距离。
在图5中，第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11形成于所述衬底14上。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层，另外，它们的极性彼此不同。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，从而产生光。正如参照图2所描述的那样，来自点光源28的光，从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13中传播，从而在图5中从侧面15射出。与此同时，来自点光源28的光多次通过活性层12。活性层12发射出的光所具有的波长与电子同空穴复合所产生的能量相应。换句话说，当该波长的光反向通过活性层12时，活性层12作为该波长光的吸收体，从而光被衰减。
在传统的半导体发光器件中，它们的半导体层的宽度相对而言比半导体层的厚度大；从而，在活性层中产生的光到达半导体层的侧面所经过的距离较大，在半导体层与外部之间的界面上发生多次光被反射的现象，从而射出活性层的光较多。为此，当光从半导体层的侧面射出时，光被衰减，从而不能得到足够大的外部量子效率。
按照本实施例，使图6中自活性层12中所包含的点50到侧面16的距离较短，从而可使活性层12中所产生的光在到达侧面16之前通过活性层12的次数减少，从而使光的衰减量较小。简而言之，使得从侧面16射出的光的发光效率较高，从而可提高外部量子效率。
从本实施例的反复试验结果可以得知，在图6中，当活性层12中所包含的点50到侧面16的最短距离为40μm或更小时，可以极大地提高外部量子效率。所述最短距离是点50到侧面16的距离51中间的最短者。
因此，在包括衬底14，以及依序设置于所述衬底14上的至少第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11的半导体发光器件中，其中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，从活性层12中包含的所有点50到活性层12未被覆盖的侧面16的最短距离为40μm或更小，可使外部量子效率较大。
(实施例3)
本实施例涉及一种半导体发光器件，它包括衬底和至少两个台面部分，在每个所述台面部分中，第一半导体层、活性层和第二半导体层依序设置于所述衬底上，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，另外，至少所述第二半导体层与活性层在台面部分之间是空间分离的，从而增大外部量子效率。
图7说明本发明半导体发光器件结构的一个示例。在图7中，参考标记11表示第二半导体层；12表示活性层；13表示第一半导体层；14表示衬底；15表示第二半导体层的未予覆盖的顶面；17表示活性层未被覆盖的侧面；20表示台面部分；21和22表示焊接区。在图7中，在衬底14上形成两个台面部分20，在台面部分中，顶面15的形状为三角形。衬底14上台面部分20的数量不限于2个，只要数量是多个就足够了。可通过在衬底14上层叠多个包含活性层12的半导体层，然后蚀刻掉各层中除了将要形成台面部分20之外的部分，从而形成台面部分20。
在图7中，所述衬底14上，在每个台面部分20中至少形成第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11。电流从第二半导体层11上形成的焊接区21被提供给第二半导体层11，并从衬底14上形成的焊接区22被提供给第一半导体层13。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层，另外，它们的极性彼此不同。此时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，从而产生光。正如参照图2所描述的那样，在每个台面部分20中，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13中传播，从而在每个台面部分20中光从侧面射出。
在有如图7中所示的衬底上形成多个非常小的台面部分的情况下，与形成大台面部分的情形相比，发光效率更高，这是因为在第一半导体层13和第二半导体层11中传播的光，在光在活性层12中被吸收之前，从每个台面部分20的侧面射出。结果，极大地提高了外部量子效率。
在按照本实施例的半导体发光器件中，有如实施例1中所描述的那样，当侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大时，也极大地提高了外部量子效率。
在按照本实施例的半导体发光器件中，有如实施例2中所描述的那样，当活性层12中包含的点到活性层12未被覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小时，也会极大提高外部量子效率。
在图7中，在所述衬底14上，局部存有未被蚀刻掉的第一半导体层13。因而，在衬底14上形成焊接区22。当然，如果由电导体制成衬底14，则即使并未剩下部分第一半导体层13，也能在衬底14上形成焊接区22。此外，可以使用普通焊接区。在衬底不导电以及衬底14上不未剩一部分第一半导体层13的情况下，可以在与第一半导体层13固定形成的搁置部分等上形成焊接区22，以便与第一半导体层13相连。
因而，在包括衬底14和至少两个或多个台面部分的半导体发光器件中，在每个台面部分中在衬底14上依序设有第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11，其中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，另外，第二半导体层11与活性层12在台面部分之间是空间分离的，可以使侧面17的总面积与顶面15的面积的比值较大；从而，可极大地提高外部量子效率。在本实施例的半导体发光器件中，还可以使活性层12中包含的点到活性层未被覆盖的侧面的最短距离较短；从而，可极大地提高外部量子效率。
此外，在侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大的半导体发光器件中，或者在活性层12中包含的所有点到活性层12未被覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小的半导体发光器件中，从侧面射出的光不容易被衰减；从而，可使外部量子效率较大。
(实施例4)
本实施例涉及一种半导体发光器件，它包括衬底和至少两个台面部分，在每个台面部分中在所述衬底上依序设有第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，另外，除了用于连接台面部分的桥接部分以外，第二半导体层与活性层在台面部分之间是空间分离的，从而增大外部量子效率。
图8和9表示本发明半导体发光器件的结构示例。在图8和9中，参考标记11表示第二半导体层、12表示活性层、13表示第一半导体层、14表示衬底、15表示第二半导体层一侧未予覆盖的顶面；17表示活性层未被覆盖的侧面；20表示台面部分；21和22表示焊接区；23表示桥接部分；24表示搁置部分。在图8和9中，在衬底14上形成两个顶面15的形状为三角形的台面部分20。衬底14上台面部分20的数量不限于2个，只要数量是多个就足够了。两个台面部分通过桥接部分23彼此相连接。
桥接部分23是使衬底上形成的台面部分20彼此电连接的部分，并且可通过在衬底14上层叠包括活性层12的半导体层，然后蚀刻掉除将要成为台面部分20或桥接部分23的部分之外的各层而形成。本实施例是一种除了每个台面部分20中的部分，也即实施例3中所述的半导体发光器件中通过桥接部分23连接的部分之外，活性层12形式上被分开的实施例。
在图8中，在衬底14上在每个台面部分20中至少形成第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11。电流从一个第二半导体层11上形成的焊接区21被提供给两个台面部分20中的第二半导体层11，并且从搁置部分24上形成的焊接区22提供给两个台面部分20中的第一半导体层13。按照与第一半导体层13相同的方式，第二半导体层11为p型或n型半导体层，另外，第二半导体层的极性与第一半导体层的极性不同。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图2所描述的那样，在每个台面部分20中，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13中传播，从每个台面部分20的侧面射出。
在图8中，在两个台面部分20中，第二半导体层11和第一半导体层13通过桥接部分23相连，从而使台面部分20彼此电连接。因此，只要存在单独的焊接区21和单独的焊接区22就足以满足需要。于是，使半导体发光器件的制造过程变得很简单。由于图8中的衬底14是不导电的，并且在衬底14上并没有剩下部分第一半导体层13，在与第一半导体层13固定形成的搁置部分24上形成焊接区22，从而与第一半导体层13相连。
在图9中，在衬底14上的每个台面部分20中形成至少第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11。电流从一个第二半导体层11上所形成的焊接区21提供给两个台面部分20中的第二半导体层11，并且从衬底14上形成的焊接区22提供给两个台面部分20中的第一半导体层13。按照与第一半导体层13相同的方式，第二半导体层11为p型或n型半导体层，另外，第二半导体层11的极性与第一半导体层13的极性不同。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图2所描述的那样，在每个台面部分中，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13传播，从而从每个台面部分20的侧面射出。
在图9中，在两个台面部分20中，第二半导体层11与第一半导体层13通过桥接部分23相连；从而，只要存在单独的焊接区21和单独的焊接区22就足够了。因此，使半导体发光器件的制造过程变得很简单。由于在图9中在衬底14上留有部分第一半导体层13没有被蚀刻掉，可将焊接区22形成在衬底14上。当然，如果衬底14由电导体制成，则即使没有留有部分第一半导体层13，也能在衬底14上形成焊接区22。
在本实施例中，可以获得与实施例3所述相同的有益效果，另外，可以使用普通的焊接区。
(实施例5)
本实施例涉及一种半导体发光器件，它依序至少包括衬底、第一半导体层、活性层和第二半导体层，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且在第二半导体层一侧未予覆盖的顶面具有从第二半导体层一侧未予覆盖的顶面至少延伸到活性层的凹入部分，从而增大外部量子效率。
图10和11表示本发明半导体发光器件的结构示例。在图10和11中，参考标记11表示第二半导体层、12表示活性层、13表示第一半导体层、14表示衬底、17表示活性层未予覆盖的侧面；21和22表示焊接区、24表示搁置部分、27表示凹入部分。在图10和11中，设有两个深度至少达到活性层12的凹入部分27。在第二半导体层11一侧的顶面中，顶面中凹入部分27的数量不限于两个，数量为1或者更多，都足以满足需要。可通过在衬底14上层叠多个包含活性层12的半导体层，然后蚀刻各层，从而形成凹入部分27。针对凹入部分27的形状和排列，在图10和11中表示出具有锐角三角形形状的凹入部分27，不过这仅作为本实施例的示例。有关凹入部分27的形状和排列，可以采用多种形状和排列。
在图10中，在衬底14上形成第一半导体层13/活性层12和第二半导体层11。电流从第二半导体层11上形成的焊接区21提供第二半导体层11，并从搁置部分24上形成的焊接区22提供给第一半导体层13。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层。它们的极性彼此是不同的。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图2所描述的那样，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13中传播，从而从每个半导体层的侧面射出。
如图10所示，通过形成一个或多个凹入部分27，重新形成了活性层12未被覆盖的侧面，从而，在第一半导体层13和第二半导体层11中传播的光，在光在活性层12中被吸收之前，从重新形成的侧面射出，因此发光效率变得较高。从而，可极大地提高外部量子效率。
按照本实施例的半导体发光器件，正如实施例1中所述那样，当侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大时，也能极大地提高外部量子效率。
按照本实施例的半导体发光器件，正如实施例2中所述那样，当活性层12中包含的点到露出活性层12的侧面的最短距离为40μm或更小时，也极大地提高外部量子效率。
在图10中，第二半导体层11与第一半导体层13彼此电连接。从而存在单独的焊接区21和单独的焊接区22就足够了。因此，使半导体发光器件的制造过程变得很简单。由于图10中的衬底是不导电的，并且在衬底14上没有留下部分第一半导体层13，可以在与第一半导体层13固定形成的搁置部分24上形成焊接区22，以便与第一半导体层13相连。
在图11中，在衬底14上形成第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11。电流从第二半导体层11上形成的焊接区21提供给第二半导体层11，并且从衬底14上形成的焊接区22提供给第一半导体层13。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层。它们的极性彼此是不同的。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图2所描述的那样，所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13中传播，从而从每个半导体层的侧面射出。
在图11中，第二半导体层11与第一半导体层13彼此电连接。从而存在单独的焊接区21和单独的焊接区22就足够了。因此，使半导体发光器件的制造过程变得很简单。由于在图11中，在衬底14上留有部分第一半导体层13未被蚀刻掉，可在衬底14上形成焊接区22。当然，如果衬底14由电导体制成，则即使并未留有部分第一半导体层13，也能够在衬底14上形成焊接区22。
因而，本实施例是依序至少包括衬底14、第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11的半导体发光器件，其中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，并且在第二半导体层11一侧未予覆盖的顶面15具有凹入部分，该凹入部分从第二半导体层11一侧的未予覆盖的顶面15至少延伸到活性层12，从而增大侧面17的总面积与顶面15的面积的比值，因而可提高外部量子效率。此外，在本实施例的半导体发光器件中，可使活性层12中包含的点到活性层未予覆盖的侧面的最短距离较短。从而，能够提高外部量子效率。
在侧面17的总面积与第二半导体层11一侧未予覆盖的顶面15的面积的比值为5％或更大的半导体发光器件中，或者在活性层12中包含的所有点到活性层12未被覆盖的半导体层侧面的最短距离为40μm或更小的半导体发光器件中，从侧面射出的光不容易受到衰减；从而，可使外部量子效率较大。此外，可以使用普通的焊接区，因为，即使形成凹入部分27，也能使半导体层彼此电连接。
(实施例6)
本实施例涉及一种依序至少包括衬底、第一半导体层、活性层和第二半导体层的半导体发光器件，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且，第二半导体层一侧未被覆盖的顶面的形状具有小于45°角的顶点，从而增大外部量子效率。
图12中表示出本发明半导体发光器件的结构示例。在图12中，参考标记11表示第二半导体层、12表示活性层、13表示第一半导体层、14表示衬底、15表示第二半导体层一侧未予覆盖的顶面；17表示活性层未被覆盖的侧面。在图12中，顶面15的形状为三角形。所述形状不限于三角形，可以为多边形。可通过在衬底14上层叠包含活性层12的半导体层，然后蚀刻各层，形成这样的形状。
第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层。它们的极性彼此是不同的。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图2所描述的那样，所产生的光从第二半导体层11一侧的活性层12的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13传播，从而从露出活性层12的侧面射出。
在图12中，顶面15的形状具有角度为θ的顶点。在本实施例中，对于图12中氮化物半导体发光器件：其中，第二半导体层11由厚度为0.3μm的GaN层(折射率：2.8，透射率：100％)和厚度为0.01μm的AlGaN层(折射率：2.65，透射率：100％)构成；活性层12由厚度为0.1μm的GaInN层(折射率：2.8，透射率：97.5％)制成；第一半导体层13由厚度为0.6μm的GaN层(折射率：2.8，透射率：100％)制成；衬底14由蓝宝石衬底(折射率：1.8，透射率：100％)制成，在将第一半导体层13的底面的反射率设定为100％的状态下，当将侧面17的总面积与顶面15的面积的比值设定为20％时，利用顶角θ进行模拟，得到外部量子效率。
传统半导体发光器件的形状为正方形，其中，侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为1.4％。在把这时的外部量子效率被视作1时，图13中示出顶面的顶角与外部量子效率之间的关系。如图13所示，当顶角为45°或更小时，可提高外部量子效率。
因而，在包含活性层12的半导体层形成于衬底14上的半导体发光器件中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，并且在第二半导体层11一侧未予覆盖的顶面15的形状具有角度小于45°的顶点，可使外部量子效率较大。特别是，在活性层12中包含的所有点到活性层12未被覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小的半导体发光器件中；在侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大的半导体发光器件中；在衬底上包括多个台面部分，其中活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，或者在衬底上包括多个台面部分，其中除桥接部分之外活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，从侧面射出的光不容易被衰减，从而，外部量子效率的改善效果较高。
(实施例7)
本实施例涉及依序至少包括衬底、第一半导体层、活性层和第二半导体层的半导体发光器件，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且活性层未予覆盖的侧面与第二半导体层一侧未被覆盖的顶面所形成的内角为138°或更大，从而增大外部量子效率。
图14中表示本发明半导体发光器件外形模型的一个示例。
在图14中，参考标记11表示第二半导体层、12表示活性层、13表示第一半导体层、14表示衬底、15表示第二半导体层17一侧未予覆盖的顶面、17表示活性层未予覆盖的侧面、26表示点光源。点光源26是假想的点，处于产生光的位置处。如图14所示，在纵向选择比与横向选择比之间的选择比差别较小的条件下，通过蚀刻得到侧面17。
在图14中，第一半导体层13、活性层12和第二半导体层11形成于衬底14上。第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层。它们的极性彼此不同。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。正如参照图14所描述的那样，比如，活性层12中点光源26产生的光，从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者在第二半导体层11和第一半导体层13传播，从而从每个半导体层的侧面射出。
在本实施例中，对于图14中氮化物半导体发光器件：其中，第二半导体层11由GaN层(折射率：2.8)和AlGaN层(折射率：2.65)组合而成；活性层12由GaInN层(折射率：2.8)制成；第一半导体层13由GaN层(折射率：2.8)制成，在将第一半导体层13的底面的反射率设定为100％的情况下，得出侧面17与顶面15形成的内角的最佳数值。
活性层12中产生的光，在第二半导体层11一侧的顶面上，以全反射临界角被反射到第一半导体层13的底面上，然后以不超过21°的入射角
(全反射临界角)进到侧面的条件为：α≥138°。如果到侧面17的入射角小于21°，则光不会在侧面上受到全反射，从而射出到外部空气中。
因而，在包含活性层12的半导体层形成于衬底14上的半导体发光器件中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，并且将侧面17与顶面15所形成的内角设定为138°或更大，可使外部量子效率较大。特别是，在活性层12中包含的所有点到活性层12未被覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小的半导体发光器件中；在侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大的半导体发光器件中；在衬底上包含多个台面部分，其中活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，或者在衬底上包括多个台面部分，其中除桥接部分之外活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，从侧面射出的光不容易被衰减；从而，外部量子效率的改善效果较高。
(实施例8)
本实施例涉及依序至少包括衬底、第一半导体层、活性层和第二半导体层的半导体发光器件，其中，第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且与形成有第一半导体层的衬底表面相对的衬底表面上具有反射层，以便增大外部量子效率。
在图15中，在衬底14上形成带有活性层12的第二半导体层11以及第一半导体层13。所述第二半导体层11和第一半导体层13均为p型或n型半导体层。它们的极性是彼此不同的。与此同时，由p型半导体层提供的空穴与由n型半导体层提供的电子在活性层12中复合，产生光。所产生的光从第二半导体层11一侧的顶面射出，或者朝向衬底14传播。在衬底14为金属衬底的情况下，朝向衬底14传播的光在衬底上反射。当在衬底14的与形成半导体层的衬底表面相对的表面上形成有反射层25时，在衬底14是由透明材料制成的情况下，朝向衬底14传播的光在反射层25上反射。
当活性层12中产生的光在第二半导体层11一侧的顶面上以全反射临界角被反射，或者在反射层25上被反射，从而以小于21°(全反射临界角)的入射角进到侧面17中时，在光不会侧面17上受到全反射，以致出射到外部空气中。
因而，在包含活性层12的半导体层形成于衬底14上的半导体发光器件中，第二半导体层11具有的极性与第一半导体层13的极性不同，并且在衬底14的与形成半导体层的衬底14表面相对的表面上具有反射层25，可使外部量子效率较大。特别是，在活性层12中包含的所有点到活性层12未被覆盖的侧面的最短距离为40μm或更小的半导体发光器件中；在侧面17的总面积与顶面15的面积的比值为5％或更大的半导体发光器件中；在衬底上包含多个台面部分，其中活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，或者在衬底上包含多个台面部分，其中除桥接部分之外活性层12被空间分成多个部分的半导体发光器件中，从侧面射出的光不容易受到衰减，因而，外部量子效率的改善效果较高。
示例
可以通过下面的过程制作本发明以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物半导体发光器件(其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)。图16中表示所制成的半导体发光器件的结构。以下参照图16予以描述。
在400-700℃的温度下，将作为载气的氢气(H2)、作为有机金属化合物气体的三甲基镓(TMG)和作为反应气体的氨气(NH3)作为原料气体，供送给作为衬底的蓝宝石衬底38上，以便通过有机金属化合物汽相生长的方法，形成一层由GaN制成的厚度为大约0.01-0.2μm的层。该GaN层为GaN低温缓冲层37，作为半导体发光器件的半导体层的一部分。在形成蓝宝石衬底38时，如果需要的话，可通过供送SiH4，加入Si，作为掺杂剂。在半导体发光器件的与形成GaN低温缓冲层37的蓝宝石衬底表面相对的表面上形成金属反射层42的情况下，在形成GaN低温缓冲层37之前，通过金属蒸发，预先形成金属反射层42。
继而，在900-1200℃的温度下，与上述原料气体一起供送作为掺杂剂的SiH4，以便形成一层由n-GaN:Si制成的厚度约为2-5μm的层。该n-GaN:Si层为n-GaN:Si高温缓冲层36，作为半导体发光器件的半导体层的一部分。
接着，与原料气体一起引入三甲基铟，形成一层由带隙能量小于半导体层的带隙能量的材料制成的厚度约为0.002-0.1μm的层，比如，一层由In1-yGayN(0＜y≤1)制成的层。In1-yGayN活性层为作为半导体发光器件活性层的In1-yGayN活性层35。
然后，与上述原料气体一起供送环戊二烯合镁(Cp2Mg)，形成一层由AlxGa1-xN(0＜y≤1)：Mg制成的厚度约为0.01μm的层。所述AlxGa1-xN(0＜x≤1)：Mg层为作为半导体发光器件的一部分半导体层的AlxGa1-xN:Mg层34。
然后，与上述原料气体一起，供送作为p型掺杂剂的环戊二烯合镁(Cp2Mg)，形成一层由p-GaN:Mg制成的厚度约为0.3μm-1μm的层。所述p-GaN:Mg层为作为半导体发光器件的一部分半导体层的p-GaN:Mg接触层33。
此外，将生成物在400-800℃下退火，并激活AlxGa1-xN:Mg半导体层34和p-GaN:Mg接触层33中的掺杂剂。由III族氮化物制成的氮化物半导体层的p型层被掺入Mg等，作为掺杂剂；不过，在掺杂时，Mg等会与载气H2和反应气体NH3中的H结合，从而产生高电阻，而没有起到掺杂剂的作用。因而，进行退火，将Mg与H彼此分离，从而释放H，产生低电阻。
接下去，通过蒸发形成Ni/Au，作为p型电极。所述蒸发的Ni/Au为Ni/Au p型电极32。
然后，涂覆抗蚀剂，以形成n型电极，并进行构图。接下来，通过干法蚀刻去除生部分长出的半导体层、活性层以及p型电极，从而裸露出n-GaN:Si高温缓冲层36。此外，在其上涂覆抗蚀剂，并进行构图。然后，通过蒸发形成Ni/Au。该层被剥离(lifting-off)，变成Al/Au n型电极40。在这种情况下，通过干法蚀刻，去除半导体层等的各个部分。不过，根据半导体层的形成材料，也可以使用其他方法，比如湿法蚀刻。
在衬底上形成多个台面部分或凹入部分的情况下，对每个台面部分或凹入部分进行构图。为了在台面部分的半导体层顶面上形成使电流扩散的电流扩散层，构图出桥接部分，使台面部分彼此相连。这时，Ni/Au p型电极32成为p侧电流扩散层，n-GaN:Si高温缓冲层36成为n侧电流扩散层。在使半导体层的顶面具有小于45°角的顶点的情况下，根据所述形状进行构图。
然后，在其上涂覆抗蚀剂，并进行构图。通过蒸发形成Ti/Au。对生成物进行剥离处理，从而形成Ti/Au焊接区31和39。除干法蚀刻以外，可以使用任何其他方法，比如湿法蚀刻，形成所述电流扩散层和焊接区。
接下来，为了在电极金属与III族氮化物半导体之间实现欧姆接触，并使Ni/Au p型电极变为半透明，在约300℃温度条件下实行退火。然后，形成SiO2薄膜，作为钝化膜41。为了裸露出Ti/Au焊接区31和39，使用抗蚀剂进行构图，并使用比如氢氟酸的蚀刻剂湿法蚀刻与Ti/Au焊接区31和39相应的部分。将包括蓝宝石衬底的整体切割成芯片。由此，可以得到本发明的半导体发光器件。
工业应用
可将本发明的半导体发光器件用作LED。
Claims (3)
1. 一种半导体发光器件，它包括衬底，以及依序设置于所述衬底上的至少为第一半导体层、有源层和第二半导体层；
其中，所述第二半导体层具有的极性与第一半导体层的极性不同，并且在露出有源层的各侧面上的第一半导体层、有源层和第二半导体层的总面积为第二半导体层的顶面面积的5％或更大，所述第二半导体层的顶面未被覆盖，并且
所述第二半导体层顶面的形状为具有小于45°角的顶角。
2. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，
所述衬底的形成第一半导体层的衬底表面的相反侧表面具有反射层。
3. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述半导体发光器件是以AlxGayIn1-x-yN为代表的III族氮化物半导体发光器件，并且0≤x≤1，0≤y≤1以及0≤x+y≤1。
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