CN101262031A - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种氮化物半导体发光器件及其制造方法，其能够通过在LED芯片的侧面上形成反射层改进发光效率。实施方案提供了包括发光器件芯片和反射层的氮化物半导体发光器件。反射层形成在发光器件芯片的侧面上。

Description

氮化物半导体发光器件及其制造方法
优先权要求
本发明要求享有韩国专利申请No.10-2006-0020741(在2006年3月5日提交)在35U.S.C.119和35U.S.C.365下的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
现有技术的氮化物半导体的实例包括GaN基氮化物半导体。GaN基氮化物半导体被应用于蓝色/绿色发光二极管(LED)的光学器件、高速开关和高功率器件例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以及也被称为异质结场效应晶体管的高电子迁移率晶体管(HEMT)。
具体地，具有结晶层的半导体发光器件在发光器件领域例如GaN基氮化物半导体应用领域例如LED和半导体激光二极管中作为聚光灯中发射蓝光的器件，其中在所述结晶层中GaN基氮化物半导体的Ga位置处掺杂有II族元素例如Mg和Zn。
GaN基氮化物半导体可以是具有多量子阱结构的发光器件，例如如图1所示。发光器件生长在主要由蓝宝石或SiC形成的衬底1上。而且，例如由AlGaN层形成的多晶薄层在低生长温度下生长为蓝宝石或SiC衬底1上的缓冲层2，然后在高温下在缓冲层2上顺序堆叠GaN底层3。
发光有源层4布置在GaN底层3上。在有源层4上顺序堆叠通过热退火转化为p型层的掺杂Mg的AlGaN电子势垒层5、掺杂Mg的InGaN层6和掺杂Mg的GaN层7。
而且，在掺杂Mg的GaN层7和GaN底层3上形成绝缘层8。在GaN层7和GaN底层3上分别形成p型电极9和n型电极10，由此形成发光器件。
参考图2，在有源层4处发射的光通过光路例如①、②和③传播。在此，光路③是对应于光在材料边界处全内反射的路径，全内反射时光从具有大折射指数的材料入射到具有小折射指数的材料并且所述光以等于或大于预定角度(即临界角)的角度入射。
因此，根据现有技术的氮化物半导体发光器件，通过光路③传播的有源层4产生的部分光在传输到底面或侧面时被吸收。因此，包括有源层4的发光器件的发光效率明显降低。
发明内容
本发明的实施方案涉及氮化物半导体发光器件及其制造方法，其基本避免了由于现有技术的局限和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的实施方案提供氮化物半导体发光器件及其制造方法，其能够通过在LED芯片的侧面上形成反射层而改善发光效率。
而且，本发明的实施方案提供氮化物半导体发光器件及其制造方法，其能够利用形成反射层来改善发光效率，所述反射层形成在衬底上形成有图案的或在衬底上没有形成图案的LED芯片的两侧上。
本发明的其它优点、目的和特征将部分在下面的说明中进行阐述，并且当研究下文时，部分这些优点、目的和特征对本领域技术人员而言将变得显而易见，或者可以从本发明的实践中得到了解。通过在书面说明书和其权利要求以及所附附图中具体指出的结构，可以实现和达到本发明的目的和其它优点。
本发明的实施方案提供一种氮化物半导体发光器件，包括：发光器件芯片和在该发光器件芯片的侧面上的反射层。
本发明的另一个实施方案提供一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：形成发光器件芯片条(bar)；和在发光器件芯片条的侧面上形成第一反射层。
应该理解的是，本发明前面的一般描述以及下文中的详细描述是示例性和说明性的，旨在提供如所要求的本发明进一步说明。
附图说明
附图提供了对本发明的进一步的理解，其并入到本申请中并构成本申请的一部分，本发明图示性的实施方案和描述用于说明本发明的原理。附图中：
图1是根据现有技术的氮化物半导体发光器件的截面图；
图2是图示说明根据现有技术的氮化物半导体发光器件的光路图；
图3A～3F是说明根据本发明第一实施方案制造氮化物半导体的方法的截面图；
图4是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的透视图；
图5A是根据本发明的第一实施方案的氮化物半导体发光器件芯片的平面图；
图5B是根据本发明的改进第一实施方案的氮化物半导体发光器件芯片的平面图；
图6是根据本发明的第一实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图；
图7是根据本发明的第二实施方案的氮化物半导体发光器件芯片的平面图；和
图8是根据本发明的第三实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施方案，其实例在附图中图示说明。
应该理解，当层被称为在另一层或衬底之“上/下”时，它可以直接在所述另一层或衬底之上/下，或者也可以存在中间层。
根据本发明实施方案的氮化物半导体发光器件被应用于具有MQW结构的npn型发光器件，但是并不限于此。
第一实施方案
图3A～3F是说明制造根据本发明第一实施方案的氮化物半导体的方法的截面图。
首先，图3A是衬底的截面图。衬底21可以是例如Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底中的一种。沿着X轴方向在所述衬底中形成预定图案21-1。虽然下面将描述具有构成表面不平坦的条纹状图案的表面不平坦图案，但是，表面不平坦图案并不限于此。例如，可以使用具有透镜状的表面不平坦图案。可以利用光刻和蚀刻来形成具有条纹状的表面不平坦图案21-1。在此，表面不平坦图案21-1的表面不平坦可具有约5μm的宽度和约1～2μm的高度和深度。
接着，参考图3B，在衬底21上形成缓冲层22。例如，缓冲层22可以通过将衬底21安装在金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器(没有示出)上和在几百度的生长温度下生长GaN层来形成。
接着，参考图3C，在缓冲层22上形成第一传导型半导体层23。例如，第一传导型半导体层23可以通过在缓冲层22上供应含n型掺杂剂例如NH3、TMGa和Si的硅烷(silan)气体而生长为n型氮化物层例如GaN层。
接着，参考图3D，在第一传导型半导体层23上形成有源层24。例如，可以通过在约700～850℃的生长温度下，利用氮气作为载气来供应NH3、TMGa和TMIn从而使有源层24形成为InGaN层。在此，有源层24可以具有通过以不同摩尔比生长各个元素而形成的堆叠结构，例如可具有利用InGaN中不同In含量形成的堆叠结构。
接着，参考图3E，在有源层24上形成第二传导型半导体层25。例如，第二传导型半导体层25可以在约900～1100℃的环境温度下，通过利用氢气作为载气来供应TMGa、TMAl、EtCp2Mg{Mg(C2H5C5H4)2}和NH3从而形成p型氮化物层例如AlGaN层。
接着，参考图3F，在第二传导型半导体层25上形成第三传导型半导体层26。例如，在约500～900℃的温度下热退火处理第三传导型半导体层26来进行控制，使得第二传导型半导体层25具有最大的空穴浓度。供应含n型掺杂剂的硅烷气体，以在第二传导型半导体层25上生长作为薄n型GaN层的第三传导型半导体层26。
参考图3A～3F，根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件可以制成npn结结构或根据堆叠在衬底上的半导体层而不存在第三传导型半导体层的pn结结构。
而且，分别在第一传导型半导体层23和第三传导型半导体层26上形成电极。例如，当形成第三传导型半导体层26时，实施湿蚀刻例如各向异性湿蚀刻以暴露部分第一传导型半导体层23，从而实现n型电极33。
可以在第一传导型半导体层23的暴露部分上形成由Ti形成的n型电极33。而且，在第三传导型半导体层26上形成p型电极32。在此，p型电极32可以是由ITO、ZnO、RuOx、TiOx和IrOx中的一种形成的透明电极。
图4是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的透视图。
参考图4，在图3F所示的第一传导型半导体层23上形成n型电极33。在第三传导型半导体层26上形成p型电极32。当在衬底上形成p型和n型电极32和33时，衬底被尺寸单元的LED芯片条30分隔。LED芯片条30通过划片和折断工艺被分成多个LED芯片条30。在LED芯片条30中沿X轴方向布置多个LED芯片31。
而且，可以在分隔的LED芯片条30中X轴方向的两个侧面上形成反射层34和35。这些反射层34和35反射传播到LED芯片31侧面的有源层24产生的部分光，使得光通过p型电极32发射。因此，光在LED侧面上的损失被最小化并且发光效率可以最大化。
在此，反射层34和35的每一个可以是基于具有高反射效率的材料的化合物半导体层，例如AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)。反射层可以在LED芯片条30的至少一个侧面上利用化学气相沉积(CVD)将AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)层和GaN层依次沉积多次而形成。
而且，在反射层34和35是化合物半导体层的情况下，所需的反射可以通过控制反射层34和35的厚度(约50
Figure A20071007941600091
或更小)以及堆叠层的数量来获得。
而且，根据本发明的实施方案，当沉积由基于AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)的化合物半导体形成的反射层34和35时，可以通过改变引入的载气(N2或H2)或NH3的流动或控制反射层34和35的生长速度来控制层表面的粗糙度。
在此，反射层34和35可以在X轴的侧面上从下部衬底到上部的第三传导型半导体层26范围内形成。即，反射层34和35可以形成在外表面上，其中所述外表面垂直于在衬底中形成的不平坦图案的单(single)不平坦图案的X轴。
而且，在衬底下部上实施研磨和抛光，以使LED芯片条30中发光器件的整体厚度变薄。通过切割将LED芯片条30分离成单个LED芯片31。
图5A是根据本发明的第一实施方案的LED芯片的平面图，图6是图5A的示意性截面图。
参考图5A和6，沿X轴方向在LED芯片31的侧面上形成反射层34和35。在第三传导型半导体层26上形成p型电极32，和在第一传导型半导体层23上形成n型电极33。
根据上述LED芯片31，有源层24产生的光通过在衬底中形成的条纹状表面不平坦图案，从下部和两侧面以及两侧面的反射层34和35反射，使得光发射到外部。
也就是说，这些反射层34和35反射传播到LED芯片31侧面的有源层24产生的部分光，使得光通过p型电极32发射。因此，使得LED侧面的光损失最小化并且光发射效率可以最大化。
因此，由于在衬底和p型电极之间波导的光吸收所引起的发光效率降低的问题可以得到解决。
图5B是根据本发明的改进第一实施方案的LED芯片31的平面图。与图5A不同，反射层34和35可包括多个层34a、34b、35a和35b。可以通过使反射层形成为多个层和控制层的合适厚度和数量而形成具有最佳反射的反射层。
第二实施方案
图7是根据本发明的第二实施方案的LED芯片的平面图。
参考图7，LED芯片条30被如图4的LED芯片单元分成多个LED芯片31。每一个LED芯片31包括p型电极32、n型电极33以及第一反射层34和35。
可以在LED芯片31上没有形成第一反射层34和35的另一侧面上形成第二反射层36和37。因此，第一反射层34和35沿X轴方向形成在LED芯片31的两侧上，第二反射层36和37沿Y轴方向形成在LED芯片31的两侧上，使得传播到LED芯片31侧面的有源层24产生的部分光被更有效地反射。因此，使得LED侧面的光损失最小化并且光发射效率可以最大化。
在此，第二反射层36和37可以利用根据第一实施方案形成反射层的方法来形成。例如，通过利用CVD在LED芯片的左/右侧面上使AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)层和GaN层依次沉积多次，第二反射层36和37可以形成为具有高反射效率的基于AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)的化合物半导体层。
而且，在利用化合物半导体层形成反射层36和37的情况下，所需的反射可以通过控制反射层36和37的厚度(约50
Figure A20071007941600101
或更小)以及实施沉积的时间来获得。而且，当沉积由GaN基化合物半导体形成的反射层36和37时，可以通过改变引入的载气(N2或H2)或NH3的流动或控制反射层36和37的生长速度来控制层表面的粗糙度。
而且，由于根据本发明的第二实施方案，反射层形成在LED芯片31的全部外周表面上，因此可以使用没有形成条纹状表面不平坦图案的衬底。而且，当第二反射层36和37形成时，已经形成在LED芯片条中的第一反射层34和35可以同时形成。
第三实施方案
图8是根据本发明的第三实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
参考图8，根据本发明第三实施方案的氮化物半导体发光器件包括具有条纹状表面不平坦图案的衬底41、缓冲层42、第一传导型半导体层43、有源层44、第二传导型半导体层45和第三传导型半导体薄层46。可以利用参考图3A～3F所述的制造氮化物半导体发光器件的方法来实施制造上述氮化物半导体发光器件的方法。
而且，氮化物半导体发光器件可具有一定的结构，其中以预定的角度蚀刻侧面，该侧面垂直面对衬底41的表面不平坦图案的方向。当以预定的角度蚀刻器件的左/右侧面时，该器件在从下部衬底到器件上部的层逐渐扩展的结构中形成。用于在衬底的Y轴方向侧面上形成倾斜表面的方法包括例如各向异性湿蚀刻，其是湿蚀刻。器件可以形成具有预定角度的倾斜表面，例如关于衬底41约10～80°的角度。
而且，图8中所示的氮化物半导体发光器件可以在如图4、5A和5B所示的至少一个侧面上具有反射层34和35。
而且，根据本发明的第四实施方案，其上形成反射层34和35的表面可以在上述倾斜的结构中形成。
在本说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等的任何引用是指关于该实施方案所描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。说明书中不同地方的这种措词的出现不必所有均指相同的实施方案。此外，当关于任意实施方案来描述具体特征、结构或特性时，应该认为，实现关于这些实施方案的其它方案的这种特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。
虽然已经参考一些示例性实施方案说明了这些实施方案，但是应该理解，本领域技术人员可以设计出许多其它的修改和实施方案，这些修改和实施方案将落入本公开内容原理的精神和范围内。更具体而言，在本公开内容、附图和所附权利要求的范围内，可在主题组合的组成部分和/或排列中进行各种变化和修改。除了在组成部分和/或排列中的变化和修改之外，替代使用对本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims (20)

1. 一种氮化物半导体发光器件，包含：
发光器件芯片；和
在所述发光器件芯片的侧面上的反射层。
2. 根据权利要求1的器件，其中所述反射层形成在所述发光器件芯片的至少一个侧面上。
3. 根据权利要求1的器件，其中所述发光器件芯片包含具有表面不平坦的衬底。
4. 根据权利要求3的器件，其中所述表面不平坦包含条纹状和透镜状。
5. 根据权利要求1的器件，其中所述反射层包含化合物半导体层。
6. 根据权利要求1的器件，其中所述反射层包含AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)的化合物半导体层。
7. 根据权利要求1的器件，其中所述反射层包含多个层。
8. 根据权利要求1的器件，其中所述发光器件芯片具有至少一个以预定角度倾斜的侧面。
9. 一种氮化物半导体发光器件，包含：
发光器件芯片条；和
在所述发光器件芯片条的侧面上的反射层。
10. 根据权利要求9的器件，其中所述反射层形成在所述发光器件芯片条的至少一个侧面上。
11. 一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：
形成发光器件芯片条；和
在所述发光器件芯片条的侧面上形成第一反射层。
12. 根据权利要求11的方法，包括将所述发光器件芯片条分成多个发光器件芯片。
13. 根据权利要求12的方法，包括在没有形成所述第一反射层的分离发光器件芯片的至少一个侧面上形成第二反射层。
14. 根据权利要求11的方法，其中所述第一反射层形成在所述发光器件芯片条的至少一个侧面上。
15. 根据权利要求12的方法，其中所述发光器件芯片具有至少一个以预定角度倾斜的侧面。
16. 根据权利要求11的方法，其中所述第一反射层包含化合物半导体层。
17. 根据权利要求11的方法，其中所述第一反射层包含AlxInyGaN(0≤x≤1，0≤y≤1)的化合物半导体层。
18. 根据权利要求11的方法，其中所述第一反射层利用化学气相沉积形成。
19. 根据权利要求11的方法，其中所述第一反射层包含多个层。
20. 根据权利要求11的方法，其中通过改变载气和前体的流动或通过控制所述第一反射层的生长速度来控制所述第一反射层的表面粗糙度。
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