CN101017869B - 氮化物基半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种具有提高了光提取效率的改进结构的氮化物基半导体发光器件及其制造方法。所述氮化物基半导体发光器件包括在衬底上依次叠置的n-覆层、有源层和p-覆层，其中，所述n-覆层包括第一覆层、第二覆层和插置在所述第一覆层和所述第二覆层之间并由多个纳米柱的阵列构成的光提取层，所述光提取层衍射或/和散射所述有源层中产生的光。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，更具体而言，涉及具有改进结构的氮化物基半导体发光器件及其制造方法，在所述结构中提高了光的提取效率(light extraction efficiency)。
背景技术
诸如发光二极管(LED)的发光器件基本上是半导体PN结二极管。硅PN结在电子信息革命中起着主导作用，III-V族化合物半导体PN结则对光革命起着主导作用。III-V族化合物半导体是通过组合元素周期表中的III族和V族元素得到的。其具有发光效率几乎接近100％的优点。这一发光效率大约是硅的一千倍。这样，从材料开发的初始阶段，LED就广泛应用于诸如激光二极管的发光器件当中，并且对光革命起着主导作用。此外，由于LED具有更高的电子迁移速度并且能在高温下工作，因此，其广泛应用于高速、高功率电子器件。具体而言，将几种III族和V族元素相互混合，能够制造出具有各种材料组分和特征的半导体。
作为LED的基本特点，在处于可见光波段的LED中采用光度(单位：坎德拉(cd))，在不可见射线波段采用辐射通量(单位：瓦)。光度由每单位立体角(cubic angle)的光通量表示，亮度由每单位面积的光度表示。采用光度计测量光度。辐射通量表示由LED的所有波长辐射的全部功率，并且由每单位时间辐射的能量表示。
决定可见光LED性能的主要因素是由流明/瓦(lm/W)表示的发光效率。其对应于考虑到人眼发光系数的墙上插头效率(wall-plug efficiency)(光输出/输入电能量)。LED的发光效率可能主要由三个因素决定，例如，内量子效率、提取效率和工作电压。目前已经开展了针对提高发光效率的研究。
一般来讲，常规LED具有蓝宝石/n-GaN/MQW/p-GaN结构。但是，在这样的LED中，由于制造技术的限制，缺陷密度高。因此，在实现当前技术目的，即提高MQW的内量子效率的第一目的和制造高功率LED的第二目的，方面存在限制。因此，需要改进LED的结构，从而能够克服所述限制，提高光的外部提取效率。
发明内容
本发明提供了一种具有提高了光提取效率的改进结构的氮化物基半导体发光器件及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供了一种氮化物基半导体发光器件，其包括在衬底上依次叠置的n-覆层、有源层和p-覆层，其中，所述n-覆层包括第一覆层、第二覆层和插置在所述第一覆层和所述第二覆层之间并由多个纳米柱的阵列构成的光提取层，所述光提取层衍射或/和散射所述有源层中产生的光。
形成所述纳米柱的材料可以具有与形成所述第一覆层和所述第二覆层的材料不同的折射率。所述纳米柱可以由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成。具体而言，所述纳米柱可以由相对于处于200-780nm的范围内的波长的透明材料形成。例如，所述纳米柱可以由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。所述第一覆层和所述第二覆层可以由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。所述第一覆层和所述第二覆层可以由基本相同的材料形成。
纳米柱的排列周期可以是100-2000nm，例如，700nm。每一纳米柱的高度可以是100-1000nm，例如，300nm。每一纳米柱的直径可以是100-1000nm。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造氮化物基半导体发光器件的方法，所述方法包括在衬底上依次形成n-覆层、有源层和p-覆层，其中，所述n-覆层的形成包括：在所述衬底上形成第一覆层；在所述第一覆层上形成光透射材料层；对所述光透射材料层构图，以形成由多个纳米柱(nano-post)的阵列构成的，并且对所述有源层中生成的光进行衍射或/和散射的光提取层；以及在所述第一覆层上形成用于嵌入所述光提取层的第二覆层。
可以采用全息光刻法实施对所述光透射材料层的构图。
形成所述光透射材料层的材料可以具有与形成所述第一覆层和所述第二覆层的材料不同的折射率。
所述光透射材料层可以由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成。具体而言，所述光透射材料层可以由相对于处于200-780nm的范围内的波长的透明材料形成。例如，光透射材料层可以由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。所述第一覆层和所述第二覆层可以由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。所述第一覆层和所述第二覆层可以由基本相同的材料形成。
纳米柱的排列周期可以是100-2000nm，例如，700nm。每一纳米柱的高度可以是100-1000nm，例如，300nm。每一纳米柱的直径可以是100-1000nm。
根据本发明，能够获得具有提高了光提取效率的改进结构的氮化物基半导体发光器件。
附图说明
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他方面将变得更加显见，附图中：
图1是根据本发明实施例的氮化物基半导体发光器件的截面图；
图2是说明图1所示的氮化物基半导体发光器件的光提取提高的模拟结果的曲线图；以及
图3A到图3G是说明根据本发明实施例的氮化物基半导体发光器件的制造方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更为充分地描述本发明，附图中展示了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。
图1是根据本发明实施例的氮化物基半导体发光器件的截面图。参考图1，氮化物基半导体发光器件包括依次叠置在衬底10上的n-覆层20、有源层40和p-覆层50。具体而言，n-覆层20包括第一覆层12、第二覆层14和插置在第一覆层12和第二覆层14之间的由多个纳米柱(nano-post)的阵列构成的光提取层30a。分别在n-覆层20和p-覆层50的蚀刻表面上形成n电极100和p电极200。
衬底10可以是Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。n-覆层20可以由诸如n-GaN层的AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。p-覆层50可以由诸如p-GaN层或p-GaN/AlGaN层的p-GaN基III-V族氮化物半导体层形成。
有源层40可以由诸如InGaN层或AlGaN层的GaN基III-V族氮化物半导体层InxAlyGa1-x-yNy(0≤x≤1，0≤y≤1并且0≤x+y≤1)形成。这里，有源层40可以具有多量子阱(MQW)或单量子阱中的一种结构。有源层40的结构不会对本发明的技术范围造成限制。例如，有源层40可以由GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW形成。
在具有上述结构的氮化物基半导体发光器件中，如果在n-电极100和p-电极200之间施加预定电压，那么电子和空穴将分别从n-覆层20和p-覆层50注入到有源层40中，并在有源层40中复合，因而能够从有源层40输出光。
根据本发明，n-覆层20包括第一覆层12、第二覆层14和插置在第一覆层12和第二覆层14之间的由多个纳米柱的阵列构成的光提取层30a。这里，光提取层30a能够通过衍射或/和散射有源层40中产生的光执行提高光的外部提取效率的功能。这里，纳米柱的排列周期为100-2000nm，并且可以是700nm。每一纳米柱的高度为100-1000nm，并且可以是300nm。每一纳米柱的直径可以是100-1000nm。
第一覆层12和第二覆层14由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。这里，第一覆层12和第二覆层14可以由诸如n-GaN材料的基本相同的材料形成。形成纳米柱的材料可以具有与形成第一覆层12和第二覆层14的材料不同的折射率。具体而言，纳米柱由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成，并且可以由相对于处于200-780nm范围内的波长的透明材料形成。图示的波长范围可以包括UV波长范围和所有可见光波段。例如，纳米柱可以由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、和La。这里，作为向其中添加了材料的氧化铟的例子，有氧化铟锡(ITO)或掺铜氧化铟(CIO)材料。
根据本发明，将由多个纳米柱的阵列构成的光提取层30a嵌入n覆层20。光提取层30a能够通过衍射或/和散射有源层40中生成的光提高光的外部提取效率。因此，与现有技术相比能够提高光提取效率。
图2是说明图1所示的氮化物基半导体发光器件的光提取提高的模拟结果的曲线图。曲线1(虚线)示出了具有常规的蓝宝石/n-GaN/MQW/p-GaN结构的LED的光输出，曲线2(细实线)示出了具有常规的外延横向过度生长(ELOG)图案的LED的光输出。对于具有ELOG图案的LED的结构，可以参考美国专利No.6051849。曲线3(粗实线)示出了根据本发明的氮化物基半导体发光器件的光输出。
图3A到图3G是说明根据本发明实施例的氮化物基半导体发光器件的制造方法的流程图。
参考图3A，在所制备的诸如Si、GaAs、SiC、GaN或蓝宝石衬底的衬底10上形成第一覆层12，其形成可以采用同类型叠置法，例如GaN衬底上的GaN基晶体层的生长，或者采用不同类型叠置法，例如蓝宝石衬底上的GaN基晶体生长。第一覆层12可以由诸如n-GaN层的AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。之后，在第一覆层12上形成光透射材料层30，形成所述光透射材料层30的材料具有与形成第一覆层12所采用的材料不同的折射率。具体而言，光透射材料层30可以由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成，例如，可以由相对于处于200-780nm范围内的波长的透明材料形成。图示的波长范围可以包括UV波长范围和所有可见光波段。例如，光透射材料层30可以由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。这里，作为向其中添加了材料的氧化铟的例子，有氧化铟锡(ITO)或掺铜氧化铟(CIO)材料。
这里，可以采用诸如卤化物或氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)或蒸镀的气相淀积形成n-覆层20和光透射材料层30。由于所述方法是本领域的公知技术，因此将省略对其的详细说明。
参考图3B和3C，对光透射材料层30构图，由此形成由多个纳米柱的阵列构成的光提取层30a。这里，可以采用全息光刻法(hologram lithography)实施对光透射材料层30的构图。光提取层30a能够通过衍射或/和散射在后来形成的有源层40中产生的光执行提高光的外部提取效率的功能。
这里，纳米柱的排列周期为100-2000nm，并且可以是700nm。每一纳米柱的高度为100-1000nm，并且可以是300nm。每一纳米柱的直径可以是100-1000nm。
参考图3D和3E，在第一覆层12上形成用于嵌入光提取层30a的第二覆层14。第二覆层14连同第一覆层12一起构成了n-覆层20。这里，第二覆层14由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。第二覆层14可以由基本与第一覆层12相同的材料形成。例如，第二覆层14可以由n-GaN层形成。可以采用与形成第一覆层12的方法相同的方法形成第二覆层14，例如HVPE、MOCVD、MBE、PECVD、溅射法或蒸镀法。
之后，在第二覆层14上依次形成有源层40和p-覆层50。这里，可以采用诸如HVPE、MOCVD或MBE的气相淀积形成有源层40和p-覆层50。
有源层40可以由诸如InGaN层或AlGaN层的GaN基III-V族氮化物半导体层InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1并且0≤x+y≤1)形成。这里，有源层40可以具有多量子阱(MQW)或单量子阱中的一种结构。有源层40的结构不会对本发明的技术范围造成限制。例如，有源层40可以由GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW形成。
p-覆层50可以由诸如p-GaN层或p-GaN/AlGaN层的p-GaN基III-V族氮化物半导体层形成。
参考图3F和3G，首先，将p-覆层50的顶表面蚀刻至n-覆层20的预定深度，由此在n-覆层20上形成蚀刻表面。接下来，在n-覆层20和p-覆层50的蚀刻表面上形成由诸如Ag、Au或氧化铟锡(ITO)的导电材料构成的n-电极100和p-电极200。可以采用上述工艺制造根据本发明的氮化物基半导体发光器件。
根据本发明，能够获得具有提高了光提取效率的改进结构的氮化物基半导体发光器件。根据本发明，将由多个纳米柱的阵列构成的光提取层嵌入n-覆层。光提取层能够通过衍射或/和散射有源层中生成的光提高光的外部提取效率。因此，与现有技术相比能够提高光提取效率。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域技术人员将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。
Claims (24)
1.一种氮化物基半导体发光器件，包括：在衬底上依次叠置的n-覆层、有源层和p-覆层，其中，所述n-覆层包括第一覆层、第二覆层和插置在所述第一覆层和所述第二覆层之间且构成光提取层的多个纳米柱的阵列，所述纳米柱的阵列衍射或/和散射所述有源层中产生的光，所述纳米柱的底面分别面对所述第一覆层和所述有源层，
其中，所述纳米柱通过对所述第一覆层上的光透射材料层构图来获得，且所述光透射材料层由具有与形成所述第一覆层和所述第二覆层的材料不同的折射率的材料形成。
2.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述纳米柱由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成。
3.根据权利要求2所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述纳米柱由相对于200-780nm范围内的波长的透明材料形成。
4.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中所述纳米柱由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。
5.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述纳米柱的排列周期为100-2000nm。
6.根据权利要求5所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述纳米柱的排列周期为700nm。
7.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，每一所述纳米柱的高度为100-1000nm。
8.根据权利要求7所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，每一所述纳米柱的高度为300nm。
9.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，每一所述纳米柱的直径为100-1000nm。
10.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述第一覆层和所述第二覆层由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。
11.根据权利要求10所述的氮化物基半导体发光器件，
其中，所述第一覆层和所述第二覆层由基本相同的材料形成。
12.一种制造氮化物基半导体发光器件的方法，所述方法包括在衬底上依次形成n-覆层、有源层和p-覆层，其中，所述n-覆层的形成包括：
在所述衬底上形成第一覆层；
在所述第一覆层上形成光透射材料层；
对所述光透射材料层构图，以形成由多个纳米柱的阵列构成的，并且对所述有源层中生成的光进行衍射或/和散射的光提取层，所述纳米柱的底面分别面对所述第一覆层和所述有源层；以及
在所述第一覆层上形成用于嵌入所述光提取层的第二覆层，
其中，所述光透射材料层由具有与形成所述第一覆层和所述第二覆层的材料不同的折射率的材料形成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，采用全息光刻法实施对所述光透射材料层的构图。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光透射材料层由具有小于等于2.5的折射率的光透射材料形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光透射材料层由相对于200-780nm范围内的波长的透明材料形成。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光透射材料层由从下述集合中选出的材料形成：SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2、ZrO和ZnO，或者通过向氧化铟添加从下述集合中选出的材料形成：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述纳米柱的排列周期为100-2000nm。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述纳米柱的排列周期为700nm。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，每一所述纳米柱的高度为100-1000nm。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，每一所述纳米柱的高度为300nm。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，每一所述纳米柱的直径为100-1000nm。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一覆层和所述第二覆层由AlInGaN基III-V族氮化物半导体材料形成。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一覆层和所述第二覆层由基本相同的材料形成。
24.由根据权利要求12所述的方法制造的氮化物基半导体发光器件。
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Effective date of registration: 20110513 Address after: Gyeonggi Do Korea Suwon Applicant after: Samsung LED Co., Ltd. Co-applicant after: Seoul Nat University Industry Address before: Gyeonggi Do, South Korea Applicant before: Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Co-applicant before: Seoul Nat University Industry |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SAMSUNG ELECTRONICS CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SAMSUNG LED CO., LTD. Effective date: 20130105 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130105 Address after: Gyeonggi Do, South Korea Patentee after: Samsung Electronics Co., Ltd. Patentee after: Seoul Nat University Industry Address before: Gyeonggi Do Korea Suwon Patentee before: Samsung LED Co., Ltd. Patentee before: Seoul Nat University Industry |