CN101026213B - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有改进的光提取效率的发光器件。该发光器件包括：氮化物半导体层，其包括顺序堆叠的第一半导体层，有源层和第二半导体层，通过从第二半导体层到部分第一半导体层执行台面刻蚀将第一半导体层的一部分暴露到外部；以及通过第一半导体层的一部分、有源层和第二半导体层形成的至少一个沟槽。

Description

发光器件及其制造方法

本申请要求于2006年2月24日提交的韩国专利申请No.10-2006-0018378的权益，在此将其完全引入并作为参考。

技术领域

本发明涉及发光器件及其制造方法，且更为具体地说，涉及包含了从透明电极(或欧姆层)到部分氮化物半导体层所形成的一个或多个沟槽，由此改进了发光器件的光效率的发光器件及其制造方法。

背景技术

通常，发光二极管(LED)是一种半导体器件，其利用化合物半导体的特性将电转化为光以发送和接收信号或被用作光源。发光二极管以低电压产生高效率的光，使得发光二极管的节能效果高。近来，显著改进了发光二极管的亮度(这曾经是发光二极管的制约)，且因此，在整个工业领域中广泛使用发光二极管，比如背光单元，电公告板，显示单元，家用电器和多种自动仪器。特别地，氮化物发光二极管在环保方面引起的显著的注意，因为构成氮化物发光二极管的有源层的能带隙宽，使得从紫外线到红外线可以很宽地形成发光光谱，且氮化物发光二极管不包含对环境有害的材料，比如砷(As)和汞(Hg)。

当前，对于具有高亮度的可应用于多种应用的发光二极管正在进行研究。例如，通过改进发光二极管的有源层的性能以增强内部量子效率或通过促使从有源层产生的光被放到外部并以所需方向收集光以增加光提取效率，而获得具有高亮度的发光二极管。虽然当前正试图增加内部量子效率和光提取效率两者，但是相对于改进半导体材料的性能以增加内部量子效率的方法而言，对于改进电极设计、形状以及发光二极管的封装以增加光提取效率的方法的研究更加有效。

由注入到发光二极管的电子对从发光二极管放出的光子的比率决定光提取效率。随着光提取效率增加，发光二极管的亮度增加。芯片的形状或表面状态，芯片的结构和芯片的封装形式显著影响发光二极管的光提取效率。结果，当涉及发光二极管时需要特别注意。对于具有高输出和高亮度的发光二极管，光提取效率用作决定发光二极管的发光效率的重要因素。但是，在现有的制造氮化物发光二极管的方法中，光提取效率受限。

在现有氮化物发光二极管中，因为当从有源层产生的光被释放到外部时在氮化物半导体材料和外部之间的折射系数之间的差值导致发生全反射情况。结果，以大于全反射的临界角度的角度入射的光未被释放到外部而是反射到发光二极管内。具体地说，如图1所示，当从有源层30产生的光到达氮化物半导体材料40的表面时，如果入射光的入射角度超过临界角度θ_c(其是由外部折射系数和氮化物半导体材料的折射系数决定的)，光不被释放到外部而是反射到发光二极管内。该反射光随着通过若干通道而渐弱。

由斯涅尔定律决定临界角度。具体地说，可由下面的等式1获得临界角度。

【等式1】

sinθ_c＝N₁/N₂

其中，θ_c是临界角度，N₁是发光二极管的外部折射系数，且N₂是发光二极管的内部折射系数。

如下驱动发光二极管：当将电压加到p电极和n电极时，空穴和电子从p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层移动到有源层。电子和空穴在有源层彼此复合，由此从有源层产生光。从有源层产生的光从有源层向上和向下传播。向上传播的光通过在p型氮化物半导体层上很薄地形成地透明电极释放到外部。向下传播的光通过衬底释放到外部，且之后被吸收到在封装发光二极管时使用的焊料中，或者，向下传播的光由衬底反射，向上移动，且之后被重新吸收到有源层中，或被通过透明电极释放到外部。

从发光二极管的有源层产生的光的大小因为光在发光二极管内部的传播期间的吸收和散射而减小。具体地说，相比于通过发光二极管的顶部释放到外部的光而言，从发光二极管的有源层产生并通过发光二极管的侧面释放到外部的光移动更长的距离。为此原因，通过发光二极管的侧面释放到外部的光的大小因为吸收和散射减小。如上所述，从发光二极管的有源层产生的光被全反射到发光二极管中，或在光在发光二极管内部的传播期间被吸收或散射，且因此，光的大小减小。结果，发光二极管的光提取效率降低。

发明内容

因此，本发明涉及发光器件及其制造方法，其能够基本上避免因为现有技术的限制和缺点引起的一个或多个问题。

本发明的其它优点、目的和特征将在随后的说明中部分地描述，经过以下检验或从本发明的实践中学习，上述优点、目的和特征对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。本发明的目的和优点可以如所附说明书及其权利要求书和附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为实现本发明的这些和其它的优点，以及根据本发明的目的，如这里具体地和广泛地描述的，一种发光器件，包括：氮化物半导体层，其包括顺序堆叠的第一半导体层，有源层和第二半导体层，通过从第二半导体层到部分第一半导体层执行台面刻蚀，使得部分第一半导体层暴露到外部；以及至少一个沟槽，其通过部分第一半导体层、有源层和第二半导体层形成。

在本发明的另一方面中，发光器件包括：氮化物半导体材料，其包括顺序堆叠的第一半导体层，有源层和第二半导体层；在第二半导体层上顺序形成的欧姆层和导电支撑膜；和通过第一半导体层的一部分、有源层、第二半导体层和欧姆层形成的至少一个沟槽。

在本发明的另一方面中，一种制造发光器件的方法包括：在衬底上顺序形成缓冲层，包含了第一半导体层、有源层和第二半导体层的氮化物半导体层，以及透明电极，从透明电极到第一半导体层的一部分执行台面刻蚀以将部分第一半导体层暴露到外部；以及从透明电极到部分第一半导体层的执行刻蚀以形成至少一个沟槽。

在本发明的另一方面中，一种制造发光器件的方法包括：在衬底上顺序形成包括第一半导体层、有源层和第二半导体层的氮化物半导体层，以及欧姆层；以及通过欧姆层、第二半导体层、有源层和部分第一半导体层形成至少一个沟槽。

应该理解本发明的前述一般描述和下面的具体描述都是示例性和说明性的，并且意在提供本发明如权利要求所述的进一步解释。

附图说明

附图是为了能进一步了解本发明而包含的，并且被纳入本说明书中构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的一个或多个实施例，并用于与本说明书一起对本发明的原理进行说明。在附图中：

图1是示出了其中通过现有发光器件的有源层所产生的光从氮化物半导体层全反射的原理的视图；

图2是示出了根据本发明的发光器件的实施例的截面图；

图3A到3E是示出了根据本发明的发光器件制造方法的实施例的截面图；

图4A到4C是示出了根据本发明的多个沟槽的形状的平面图；

图5是示出了根据本发明的发光器件的另一实施例的截面图；

图6A到6E是示出了根据本发明的发光器件制造方法的另一实施例的截面图。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的优选实施例，在附图中示出了其实例。在任何可能的地方，在整个附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。

本发明的特征在于：从透明电极(或欧姆层)到部分n型半导体层执行刻蚀工艺，从而形成彼此隔开的一个或多个沟槽。因此，从有源层产生的光在发光二极管中被吸收和散射，使得在光的大小降低到特定级别之前，将光释放到外部，由此改进了发光二极管的光提取效率。

图2是示出了根据本发明的发光二极管的实施例的截面图。在下文中，将参考图2具体描述根据本发明的发光二极管的实施例。

根据本发明的发光二极管的结构是其中在衬底100上顺序形成缓冲层110，n型氮化物半导体层120，有源层130，p型氮化物半导体层140。使用反应离子刻蚀(RIE)方法从p型氮化物半导体层140到部分n型氮化物半导体层120执行台面刻蚀。结果，n型氮化物半导体层120的刻蚀的部分暴露到上侧。在p型氮化物半导体层140上形成透明电极150，从透明电极150到部分n型氮化物半导体层120形成多个沟槽180，其中沟槽彼此间隔。在透明电极150上形成p电极160。在n型氮化物半导体层120的暴露的部分上形成n电极170。

衬底100可以是蓝宝石(Al₂O₃)衬底，碳化硅(SiC)衬底，硅(Si)衬底，或砷化镓(GaAs)衬底。在其中，根据本发明优选地使用蓝宝石衬底作为衬底100。缓冲层110用于消除在衬底100和氮化物半导体材料之间的晶格失配以及衬底100和氮化物半导体材料之间的热膨胀系数之间的差值。GaN或AlN低温生长层用作缓冲层110。n型氮化物半导体层120由满足如下公式的n掺杂半导体材料制成：Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)。优选地，n型氮化物半导体层120由n-GaN制成。有源层130具有多量子阱(MQW)结构。有源层130由GaN或InGaN制成。而且，类似于n型氮化物半导体层120，p型氮化物半导体层140由满足下面等式的氮化物半导体材料制成：Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)。氮化物半导体材料是p掺杂的。

p型氮化物半导体层140具有低掺杂浓度。结果，p型氮化物半导体层140的接触电阻高，且因此，p型氮化物半导体层140具有不良的欧姆特性。因此，为改进p型氮化物半导体层140的欧姆特性，在p型氮化物半导体层140上形成透明电极150。以包括镍(Ni)和金(Au)的双层结构所构造的透明电极层优选地用作透明电极150。以包括镍(Ni)和金(Au)的双层结构构造的透明电极层与p型氮化物半导体层140形成欧姆接触，同时增加电流注入面积，从而降低正向电压V_f。另一方面，也可以在p型氮化物半导体层140上形成具有高透射率，也就是，大约90％或更高的透射率的透明导电氧化物(TCO)层，来代替具有低透射率，即，大约60％到n电极70％的透射率的包括镍(Ni)和金(Au)的双层。p电极160和n电极170可由从包括铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)、铝(Al)、钛(Ti)和铂(Pt)或其合金组成的组中所选择的任意一个制成。

根据本发明的发光二极管的特征在于从透明电极150到n型氮化物半导体层120形成沟槽180，由此改进发光二极管的光提取效率。可以形成一个或多个沟槽180，且可以通过从透明电极150到部分n型氮化物半导体层120执行刻蚀处理形成沟槽180。通过提供从透明电极150到部分n型氮化物半导体层120执行刻蚀处理所形成的沟槽180，可以减少其中从有源层130产生的光在发光二极管内部传播的距离，从而减少在发光二极管内被吸收和散射的光的量。

在现有发光二极管中，当光在发光二极管内部传播时，从有源层产生的光在发光二极管的材料层中进行吸收和散射，使得光强度降低。特别是在光经由发光二极管侧面逸散的情况中，光在发光二极管内部传播的距离大，且因此，在发光二极管的材料层中吸收和散射大量光，由此进一步降低光的强度。

在发光二极管中，随着光在发光二极管内部传播的距离增加，从有源层产生的光的强度降低。这可由下面等式2表示。

【等式2】

I＝I₀{exp(-αL)}

其中，I是在光传播距离L之后的光的强度，I₀是光的初始强度，且α是材料的吸收系数。根据等式2，随着光在发光二极管内部传播的距离的增加和吸收系数α的增加，从有源层产生的光的强度呈现指数性地降低。但是，难以改变发光二极管的材料。因此，作为选择地，减小光在发光二极管内部传播的距离以防止光强度的降低。

根据本发明，从透明电极150到部分n型氮化物半导体层120执行刻蚀，从而形成彼此隔开的多个沟槽180，且因此，从有源层130产生的光仅进行短距离传播之后即释放到外部。在该实施例中，可以减少在从有源层130产生光之后，在发光二极管中吸收和散射的光的量，由此增加被释放到外部的光的强度。

优选地，设置沟槽180之间的距离使得I/I₀大于或等于0.5，且各个沟槽180具有大约1到10μm的宽度。当设置沟槽180之间的距离使得如上所述I/I₀大于等于0.5时，从有源层产生的光在光的强度减少到光的初始强度的一半之前则逸散到发光二极管的外部。因此，可以防止因为光在发光二极管中的吸收和散射而使得从有源层130产生的光强度降低到特定级别。

当形成沟槽180使得各个沟槽180的内表面与垂直于衬底180的线具有特定角度时，可以进一步改进发光二极管的光提取效率。具体地说，当形成沟槽180使得各个沟槽180的内表面和垂直线具有特定角度时，在沟槽180的内表面的临界角度增加，且当从有源层130产生的光到达各个沟槽180的内表面时，光全反射到发光二极管内部的概率降低。例如，可以形成沟槽180使得各个沟槽180的内表面和垂直线的角度是0到70度。这里，垂直线是垂直于构成氮化物半导体材料的n型氮化物半导体层120、有源层130和p型氮化物半导体层140之间的界面的假想线。

图3A到3E是示出了根据本发明的发光器件制造方法的实施例的截面图。在下文中，将参考图3A到3E具体描述根据本发明的发光器件制造方法的实施例。

该实施例是制造如图2所示的发光器件的方法。首先，如图3A所示，在衬底200上顺序形成缓冲层210，n型氮化物半导体层220，有源层230和p型氮化物半导体层240。蓝宝石(Al₂O₃)衬底，碳化硅(SiC)衬底，硅(Si)衬底，或砷化镓(GaAs)衬底可用作衬底200。可使用蒸汽淀积，比如金属有机化学蒸汽沉积(MOCVD)，分子束外延生长(MBE)，或氢化气相外延生长(HVPE)在衬底200上形成缓冲层210、n型氮化物半导体层220、有源层230和p型氮化物半导体层240。

接下来，如图3B所示，从p型氮化物半导体层240到部分n型氮化物半导体层220执行台面刻蚀，使得n型氮化物半导体层220的刻蚀的部分暴露到外部。具体地说，当比如蓝宝石衬底的绝缘衬底用作衬底200时，不可能在衬底200的底部形成电极。结果，从p型氮化物半导体层240到部分n型氮化物半导体层220执行台面刻蚀，从而保证形成电极所需的空间。

接下来，如图3C所示，在p型氮化物半导体层240上形成透明电极250。透明电极250与p型氮化物半导体层240形成欧姆接触，在增加了电流注入面积的同时以降低正向电压V_f。包括镍(Ni)和金(Au)的双层用作透明电极250。作为选择的，比如铟锡氧化物(ITO)或锌氧化物(ZnO)层的透明导电氧化物(TCO)层用作透明电极250。

接下来，如图3D所示，从透明电极250到部分n型氮化物半导体层220执行刻蚀，从而形成一个或多个沟槽280。当沟槽的数目是两个或多个时，沟槽彼此隔开。具体地说，在透明电极250上施加光敏抗蚀剂并构图，利用已构图光敏抗蚀剂作为刻蚀掩模，从透明电极250到部分n型氮化物半导体层220执行刻蚀。可通过利用导耦合等离子体/反应离子刻蚀(ICP/RIE)方法的干刻蚀方式执行刻蚀。形成沟槽280使得各个沟槽280具有大约1到10μm的宽度。

另外，形成沟槽280使得各个沟槽的内表面和垂直于衬底200的线的角度为0到70度。可通过等离子体的偏置或者密度或光敏抗蚀剂来调整沟槽280的内表面的倾斜度。具体地说，调整成型的光敏抗蚀剂的温度使得光敏抗蚀剂在其侧表面具有特定倾斜度。当利用已构图光敏抗蚀剂作为刻蚀掩模时，可以调整在其内表面的沟槽角度。而且，当改变等离子体的偏置和密度时，可以调整等离子体的方向。从而，可以调整在其内表面的沟槽角度。

接下来，如图3E所示，在透明电极250上形成p电极260。可在透明电极250的边缘上形成p电极260。在n型氮化物半导体层220的暴露的部分上形成n电极270。

图4A到4C是示出了根据本发明的多个沟槽的形状的平面图。如图4A到4C所示，可以以多种形状形成一个或多个沟槽。但是，还可以以其它形状形成沟槽。沟槽如上所述可具有1到10μm的宽度。当沟槽如上所述以特定角度倾斜时，沟槽可具有不同于平面图所示的形状。首先参考图4A，以条形形成多个沟槽，且沟槽彼此隔开预定距离。参考图4B和4C，形成多个沟槽使得沟槽弯曲为预定形状。特别的，图4A到4C是示出了发光器件的透明电极的平面图。接下来，应该注意从透明电极到部分n型氮化物半导体层形成沟槽，虽然在图4A到4C中仅示出透明电极和沟槽。另外，应该注意各个层不由沟槽切割，且因此，每个层构成单一层，虽然在透明电极、p型氮化物半导体层、有源层和n型氮化物半导体层中形成多个沟槽。优选地，在每个层的整个区域上均匀地排列沟槽，如图4A到4C所示。

如上所述的发光器件及其制造方法关于结构为其中在相同平面上形成p电极和n电极的水平电极型发光器件。在下文中，将描述垂直电极型发光器件，也就是，发光器件的另一实施例，其结构在于其中在发光结构的顶部形成p电极(导电支撑膜)，且在发光结构的底部形成n电极。

图5是示出了根据本发明的发光器件的另一实施例的截面图。在下文中，将参考图5详细描述根据本发明的发光器件的另一实施例。

通过顺序形成n型氮化物半导体层300，有源层310，p型氮化物半导体层320和欧姆层330，构成根据该实施例的发光器件。而且，从欧姆层330到部分n型氮化物半导体层300形成一个或多个沟槽。当沟槽数目是两个或多个时，沟槽彼此隔开。另外，在欧姆层330上形成导电支撑膜，且在n型氮化物半导体层300上形成n电极350。

欧姆层330由包括镍(Ni)和金(Au)的薄金属膜制成。在氧气环境中热处理主要包括镍(Ni)的金属膜，以形成具有大约10^-3到10^-4Ωcm²的特定接触电阻的欧姆接触。当包括镍(Ni)和金(Au)的薄金属膜用作欧姆层330时，欧姆层330的反射率显著增加，且因此，对于欧姆层330可以有效反射从有源层310发射的光。因此，可以不形成附加的反射器而获得反射效果。

导电支撑膜340用作p电极。接下来，优选地使用具有高导电性的金属形成导电支撑膜340。另外，对于导电支撑膜340需要充分的扩散在发光器件工作期间产生的热。因此，优选地使用具有高热导率的金属形成导电支撑膜340。另外，为了通过划线工艺和切割工艺将晶片分割为多个单独的芯片，同时整个晶片在形成导电支撑膜340期间不弯曲，对于导电支撑膜340需要具有一定程度的机械强度。因此，可以使用比如金(Au)，铜(Cu)，银(Ag)和铝(Al)的具有高热导率的软金属，以及具有类似于上述特定软金属的晶体结构和晶格常数以使当制造合金时最小化内部应力的生成并且具有高机械强度的硬金属，比如镍(Ni)，钴(Co)，铂(Pt)和钯(Pd)的合金形成导电支撑膜340。

图6A到6E是根据本发明的发光器件制造方法的另一实施例的截面图。在下文中，将参考图6A到6E具体描述根据本发明的发光器件制造方法的另一实施例。

该实施例是制造如图5所示的发光器件的方法。首先，如图6A所示，在蓝宝石衬底400上顺序形成n型氮化物半导体层410，有源层420，p型氮化物半导体层430和欧姆层440。

接下来，从欧姆层440到部分n型氮化物半导体层410执行刻蚀以形成一个或多个沟槽480(图6B)。之后，如图6C所示，在欧姆层440上形成450。

接下来，如图6D所示，从n型氮化物半导体层410去除蓝宝石衬底400。可通过使用准分子激光的激光剥离(LLO)方法或者干式和湿式刻蚀方法执行蓝宝石衬底400的去除。优选地，由激光剥离(LLO)方法执行蓝宝石衬底400的去除。具体地说，当具有特定波长范围的准分子激光聚焦并照射在蓝宝石衬底400上时，在蓝宝石衬底400和n型氮化物半导体层410之间的界面上集中热能。结果，在n型氮化物半导体层410的表面上镓和氮分子彼此分离，且因此，在激光透过的位置，蓝宝石衬底400立即和n型氮化物半导体层410分开。

接下来，如图6E所示，在n型氮化物半导体层410上形成n电极460。

对于本领域普通技术人员来说很明显地，可以不偏离本发明的精神和范围而对本发明做出多种修改和变化。因此，本发明意在覆盖在所附权利要求及其等效物范围内提供的本发明的修改和变型。

Claims (10)

1.一种发光器件，包括：

氮化物半导体层，其包括顺序堆叠的第一半导体层，有源层和第二半导体层，其中，所述第一半导体层具有暴露所述第一半导体层的上表面的一部分；

通过所述第一半导体层的一部分，所述有源层和所述第二半导体层形成的至少一个沟槽，

其中，所述部分第一半导体层，所述有源层，和所述第二半导体层通过所述至少一个沟槽暴露到外部，

其中，所述至少一个沟槽包括多个沟槽，所述沟槽彼此隔开使得I/I₀大于或等于0.5，其中I是在光传播距离L之后的光的强度；I＝I₀{exp(-αL)}，I₀是光的初始强度，且α是材料的吸收系数，

并且，其中所述至少一个沟槽是以条形形成的。

2.如权利要求1所述的发光器件，其中，该至少一个沟槽具有1到10μm范围的宽度。

3.如权利要求1所述的发光器件，其中，该至少一个沟槽对于垂直于氮化物半导体层的线以0到70度范围的角度倾斜。

4.如权利要求1所述的发光器件，进一步包括：

在第二半导体层上顺序形成的透明电极和第二电极，其中

通过该透明电极形成至少一个沟槽。

5.如权利要求4所述的发光器件，其中，该透明电极是由包括镍和金的双层或透明导电氧化物层形成的。

6.如权利要求1所述的发光器件，进一步包括：

第一电极，其在第一半导体层的所述一部分上形成。

7.一种制造发光二极管的方法，包括：

在衬底上顺序形成缓冲层，氮化物半导体层，以及透明电极，其中该氮化物半导体层包括了第一半导体层、有源层和第二半导体层；

从该透明电极到部分第一半导体层执行台面刻蚀以将该第一半导体层的该部分暴露到外部，和

从该透明电极到部分第一半导体层执行刻蚀以形成至少一个沟槽，其中所述至少一个沟槽是以条形形成的，

其中，所述至少一个沟槽包括多个沟槽，所述沟槽彼此隔开使得I/I₀大于或等于0.5，其中I是在光传播距离L之后的光的强度；I＝I₀{exp(-αL)}，I₀是光的初始强度，且α是材料的吸收系数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，通过蒸汽淀积形成该缓冲层和氮化物半导体层。

9.如权利要求7所述的方法，其中，形成该至少一个沟槽包括：

以用作掩模的已构图的光敏抗蚀剂对所述透明电极和氮化物半导体层进行刻蚀。

10.如权利要求9所述的方法，其中，以通过使用导耦合等离子体/反应离子刻蚀方法的干式刻蚀方式进行从所述透明电极和氮化物半导体层的刻蚀。

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