CN101022146A

CN101022146A - 半导体发射器件及其制造方法

Info

Publication number: CN101022146A
Application number: CN 200710005377
Authority: CN
Inventors: 李庭旭; 金显秀; 金柱成; 尹皙胡
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2007-08-22
Also published as: KR20070081934A; KR100887067B1; JP2007221142A

Abstract

本发明提供一种具有纳米图案的半导体发射器件以及制造该半导体发射器件的方法。该半导体发射器件包括：半导体层，包括多个纳米图案，其中所述纳米图案形成在所述半导体层内；以及有源层，形成在该半导体层上。因此光学输出效率提高且半导体发射器件的内部缺陷减少。

Description

半导体发射器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发射器件，更特别地，涉及具有用于改善光学效率的纳米图案的半导体发射器件及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)是用于利用化合物半导体的特性发射从电能转化为光例如红外线或可见射线的信号的器件。LED是一类电致发光(EL)器件，近来，III-V族化合物半导体LED被大量使用。

III族氮化物的化合物半导体是直接跃迁型半导体，其与利用其他类半导体的器件相比能在更高温下稳定地操作，且广泛用于诸如LED或激光二极管(LD)的发射器件中。这样的III族氮化物化合物半导体通常形成在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上。正在对各类LED进行研究以提高发光效率，即光学输出效率。例如，正在研究在LED的光学输出区域中形成不平坦结构以提高光学输出效率。

在具有不同折射率的材料层的界面，光学传播根据各材料层的折射率而受到限制。当光从具有高折射率n＝2.5的半导体层行进到平坦界面上具有小折射率n＝1的空气层时，光应当相对于界面的垂直方向以预定角或更小的角入射在该平坦界面上。当光以预定角或更大的角入射时，光在该平坦界面上全内反射且光学输出效率极大降低。因此，为了防止光学输出效率的降低，已经尝试在界面处引入不平坦结构。

图1是示意图，示出包括不平坦结构的常规半导体发射器件。

参照图1，n-GaN层112形成在蓝宝石衬底111上，n-AlGaN层113、有源层114、p-AlGaN层115、p-GaN层116、以及p电极117顺序形成在部分n-GaN层112上。然后，n电极118形成在n-GaN层112的未形成n-AlGaN层113的部分中。上述结构以倒装芯片形式将在有源层114中产生的光主要输出到透射性蓝宝石衬底111。不平坦结构120形成在蓝宝石衬底111的表面上从而提高光学输出效率。不平坦结构120用于提高光学输出效率。然而，当蓝宝石衬底111被构图从而形成不平坦结构120时，特别地，如图1所示，蓝宝石衬底111与形成在蓝宝石衬底111上的半导体层的晶体结构不彼此匹配，因此缺陷会产生在半导体层中。于是难以生长均匀的半导体层。相应地，光学效率由于内部晶体缺陷而下降。

发明内容

本发明提供一种半导体发射器件以及制造该半导体发射器件的方法以用于提高光学输出效率且减小该半导体发射器件中的内部晶体缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种半导体发射器件，包括：半导体层，包括多个纳米图案，其中该纳米图案形成在该半导体层内；以及形成在该半导体层上的有源层。

该半导体层可包括：第一半导体层，其中形成所述纳米图案；以及形成在该第一半导体层的形成该纳米图案的区域上的第二半导体层。

该第一和第二半导体层可包含GaN。

该半导体发射器件还可包括形成在该有源层上的第三半导体层。

该纳米图案的每个可以由具有小于2.5的折射率的透光材料形成。

该纳米图案的每个可以是透明绝缘体且包含SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO的至少一种。

该纳米图案的每个可以是ZnO或含有选自Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成的透明导体。

该半导体层可以形成在蓝宝石衬底上。

该半导体发射器件还可包括：第一电极，形成在该第三半导体层上；以及第二电极，形成在该第二半导体层的未形成该有源层的部分上。

根据本发明的另一方面，提供一种制造具有纳米图案的半导体发射器件的方法，该方法包括：(a)在衬底上形成第一半导体层；(b)通过构图该第一半导体层形成不平坦结构；(c)通过用透光材料填充该第一半导体层的所述图案来形成纳米图案；以及(d)在该第一半导体层上顺序形成第二半导体层、有源层、以及第三半导体层。

该方法的操作(b)可包括利用H₃PO₄或KOH蚀刻。

该方法的操作(c)可包括：在该暴露的衬底和该第一半导体层的所述不平坦结构上涂覆透光材料；以及平坦化该第一半导体层使得该第一半导体层的表面被暴露。

该方法还可包括在用该透光材料涂覆之后加热。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显，附图中：

图1示出包括不平坦结构的常规半导体发射器件；

图2和3示出根据本发明实施例的具有纳米图案的半导体发射器件；

图4A至4E示出根据本发明一实施例制造半导体发射器件的方法的操作；

图5A和5B是照片图像，示出在所述制造的操作期间根据本发明一实施例的具有纳米图案的半导体发射器件；以及

图6A和6B是曲线图，示出根据本发明一实施例的半导体发射器件和常规半导体发射器件的发光特性。

具体实施方式

现在将参照附图更充分地描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。图中，层的厚度为了清晰而被放大。

图2和3示出根据本发明实施例的具有纳米图案的半导体发射器件。图2示出倒装芯片型半导体发射器件，图3示出垂直型半导体发射器件。

参照图2，第一半导体层22形成在衬底21的第一表面上，纳米图案23形成在第一半导体层22内。第二半导体层24形成在第一半导体层22的其中未形成纳米图案23的表面上。有源层25、第三半导体层25和第一电极27顺序形成在第二半导体层24的第一区域中，第二电极28形成在第二区域中。

衬底21可以由通常使用的蓝宝石(Al₂O₃)形成，或者可以是GaN、ZnO、SiC、Si或GaO衬底，第一和第二半导体层22和24可以由p-GaN形成。纳米图案23可以是具有2.5或更小的折射率的透明绝缘体或透明导体。例如，所述透明绝缘体可以由SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO形成。所述透明导体可以由ZnO或含有选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成。然而，本发明不限于上述示例。纳米图案23的尺寸(宽度或长度)可以从数纳米到数微米，其可以根据需要来调节。

有源层25可以由半导体发射器件或激光发射器件中经常使用的材料形成，且以具有多量子阱结构的多重结构形成。第三半导体层26可以由p-GaN形成，第一电极27可以由p型导电材料形成，第二电极28可以由n型导电材料形成。

如图2所示，形成在第一半导体层22中的纳米图案23未彼此规则地间隔开，纳米图案23之间的间距可以由第一半导体层22内的缺陷，特别地由螺旋位错确定。这将相关于后面描述的制造工艺来更详细地说明。根据本发明的当前实施例，纳米图案23形成在第一半导体层22的缺陷区域中且第二半导体层24形成在其上从而减小半导体发射器件的内部缺陷且增大有源层25中产生的光的外部光学输出效率。

图3示出垂直型半导体发射器件。参照图3，第一电极32、第三半导体层33、有源层34和第二半导体层35顺序形成在下结构31上。包括纳米图案36的第一半导体层37形成在第二半导体层35上。第二电极38形成在第一半导体层37上。

用于图3所示的垂直型半导体发射器件的各层的材料如下。第一和第二半导体层37和35可以由p-GaN形成。纳米图案36可由具有2.5或更小折射率的透明绝缘体或透明导体形成。例如，所述透明绝缘体可由SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO形成。所述透明导体可以由ZnO或含有选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成。有源层34可由半导体发射器件或激光发射器件中通常使用的材料形成，且由具有多量子阱结构的多重结构形成。第三半导体层33可由p-GaN形成，第一电极32可以由p型导电材料形成，第二电极38可由n型导电材料形成。

纳米图案36未彼此规则地间隔开，且纳米图案36之间的间距可以由第一半导体层37内的缺陷，特别地由螺旋位错确定。根据本发明的当前实施例，纳米图案36形成在第一半导体层37的缺陷区域中且第二半导体层35形成在其上从而减小半导体发射器件的内部缺陷且增大有源层33中产生的光的外部光学输出效率。

下面，将参照附图更详细地描述根据本发明一实施例制造具有纳米图案的半导体发射器件的方法。图4A至4E示出根据本发明一实施例制造具有纳米图案的半导体发射器件的方法的操作。将更详细地描述形成纳米图案的方法。

参照图4A，第一半导体层42形成在衬底41上。衬底41可以是蓝宝石衬底(折射率n＝1.78)，第一半导体层42可以由n-GaN形成。

参照图4B，第一半导体层42的表面利用H₃PO₄或KOH被蚀刻。由于蓝宝石材料和GaN的晶体结构大体上彼此不同，晶体缺陷会产生在每种材料中。例如，诸如螺旋位错的内部缺陷43会从衬底41形成到第一半导体层42的表面中。当第一半导体层42的表面利用H₃PO₄被湿蚀刻时，蚀刻主要进行在晶体缺陷43的区域中，由此形成蚀刻凹陷。这里，蚀刻方向不仅是根据晶体缺陷43的方向而向下，而且向侧面。图5A是照片图像，示出当第一半导体层42利用H₃PO₄被湿蚀刻时的第一半导体层42。当第一半导体层42利用KOH被蚀刻时，蚀刻方向是衬底41的方向。因此，蚀刻工艺期间，蚀刻图案的宽度和长度可以被选择性控制。蚀刻图案42a的形状具有梯形不平坦剖面，蚀刻图案42a之间的间距通常受到形成在第一半导体层42中的晶体缺陷43的影响。

参照图4C，纳米图案44的材料涂覆在衬底41上以不平坦结构构图的第一半导体层42上。纳米图案44可由高透光性材料形成，因为有源层中产生的光经所述不平坦结构输出。详细地，纳米图案44可由具有2.5或更小折射率的透明绝缘体或透明导体形成。所述透明绝缘体可以由SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO形成。所述透明导体可以由ZnO或含有选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成。这些材料具有大体上约1.4至1.8的折射率。纳米图案44的材料可以涂覆在第一半导体层上，然后又退火。例如，退火可以在MOCVD的H₂气氛下在1100℃进行约1小时。

参照图4D，进行平坦化以暴露被涂覆以纳米图案44的材料的第一半导体层42的上部分。这样纳米图案44形成在第一半导体层42的暴露部分之间。纳米图案44的尺寸可以通过如前所述控制蚀刻工艺而被控制为形成数十至数百纳米或更大。

参照图4E，第二半导体层45形成在暴露的第一半导体层42和纳米图案44上。第二半导体层45可以由与第一半导体层42相同的材料形成，例如n-GaN。在此情况下，第二半导体层45生长在具有较少晶体缺陷的第一半导体层42上，因此与第二半导体层直接形成在蓝宝石衬底41的表面上的情况相比晶体缺陷大大减少。图5B示出由SiO₂形成的纳米图案44和形成在其上的第二半导体层45。图5B示出晶体缺陷在纳米图案44上显著减少。

因此，根据图4A至4E所示的操作，纳米图案44可形成在第一半导体层42和第二半导体层45的边界区域。形成在第二半导体层45上的有源层或第三半导体层可以利用常规制造工艺容易地形成。具有以上述方式形成的纳米图案的半导体发射器件可以用作倒装芯片类型，或者通过去除衬底41且还形成电极而作为垂直类型。

图6A和6B是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有纳米图案的半导体发射器件和常规半导体发射器件的发光特性。

详细地，图6A示出根据所施加的电流而发射的发光量，即光学输出量。在根据本发明当前实施例的具有纳米图案的半导体发射器件(电介质嵌埋氮化物结构(DENS)，n＝1.4)的情况下，发光的量与具有常规平坦结构的半导体发射器件(参考LED)的情况相比高23％。

图6B是曲线图，示出根据各波长的光的光学密度(电致发光强度)。如图6B所示，根据本发明当前实施例的具有纳米图案的半导体发射器件在约396nm的输出光学波长处具有比常规半导体发射器件显著提高的光学强度。

虽然已经参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离所附权利要求定义的本发明的思想和范围。

根据本发明，通过将纳米图案插入半导体发射器件的半导体层中，在半导体发射器件的制造工艺期间会产生的内部缺陷可以大大减少且有源层中产生的光的光学输出效率可大大提高。

Claims

1.一种半导体发射器件，包括：

半导体层，包括多个纳米图案，其中所述纳米图案形成在所述半导体层内；以及

有源层，形成在该半导体层上。

2.根据权利要求1的半导体发射器件，其中该半导体层包括：

第一半导体层，其中该纳米图案被形成；以及

第二半导体层，形成在该第一半导体层的形成该纳米图案的区域上。

3.根据权利要求2的半导体发射器件，其中该第一和第二半导体层包含GaN。

4.根据权利要求2的半导体发射器件，还包括形成在该有源层上的第三半导体层。

5.根据权利要求1的半导体发射器件，其中所述纳米图案的每个由具有小于2.5的折射率的透光材料形成。

6.根据权利要求5的半导体发射器件，其中该纳米图案的每个由透明绝缘体形成且包含SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO的至少一种。

7.根据权利要求5的半导体发射器件，其中该纳米图案的每个是由ZnO或含有选自Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成的透明导体。

8.根据权利要求1的半导体发射器件，其中该半导体层形成在蓝宝石、GaN、ZnO、SiC或GaO衬底上。

9.根据权利要求4的半导体发射器件，还包括：

第一电极，形成在该第三半导体层上；以及

第二电极，形成在该第二半导体层的未形成所述有源层的部分上。

10.一种制造具有纳米图案的半导体发射器件的方法，该方法包括：

(a)在衬底上形成第一半导体层；

(b)通过构图该第一半导体层形成不平坦结构；

(c)通过用透光材料填充该第一半导体层的所述图案来形成纳米图案；以及

(d)在该第一半导体层上顺序形成第二半导体层、有源层和第三半导体层。

11.根据权利要求10的方法，其中(b)包括利用H₃PO₄或KOH蚀刻。

12.根据权利要求10的方法，其中(c)包括：

在暴露的衬底和所述第一半导体层的不平坦结构上涂覆透光材料；以及平坦化该第一半导体层使得该第一半导体层的表面被暴露。

13.根据权利要求12的方法，其中所述透光材料是透明绝缘体且由选自SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、HfO、TiO₂或ZrO构成的组的至少一种形成。

14.根据权利要求12的方法，其中所述透光材料是透明导体且由ZnO或含有选自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La构成的组的至少一种添加剂的In氧化物形成。

15.根据权利要求12的方法，还包括在用所述透光材料涂覆之后加热。