CN101740689A - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

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李镇旭
曹贤敬
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Abstract

本发明提供一种发光器件及其制造方法。发光器件包括：有源层；在所述有源层上的第一导电半导体层；在所述有源层上的第二导电半导体层，使得所述有源层设置于所述第一和第二导电半导体层之间；和光子晶体结构，所述光子晶体结构包括：具有第一周期的在所述第一导电半导体层上的第一光提取图案和具有第二周期的在所述第一导电半导体层上的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或小于λ/n，其中n是所述第一导电半导体层的折射率，λ是由所述有源层发射的光的波长。

Description

发光器件及其制造方法
技术领域
本发明的实施方案涉及发光器件及其制造方法。
背景技术
由发光二极管发射的光的波长取决于用于制造发光二极管的半导体材料。这是因为发射的光的波长取决于半导体材料的表示价带电子和导带电子之间能差的带隙。
近来随着发光二极管亮度的增加，发光二极管正用作显示器、车辆和照明装置的光源。而且，发出高效白色光的发光二极管可以通过使用荧光物质或者通过将各种颜色的发光二极管进行组合来实现。
另一方面，发光二极管的亮度取决于不同条件，例如有源层的结构、将光提取到外部的光提取结构、芯片尺寸和包围发光二极管的模制构件的类型。
发明内容
本发明的实施方案提供具有新型光提取结构的发光器件及其制造方法。
本发明的实施方案还提供具有改善的光提取效率的发光器件及其制造方法。
在一个实施方案中，发光器件包括：有源层；在所述有源层上的第一导电半导体层；在所述有源层上的第二导电半导体层，使得所述有源层设置于所述第一和第二导电半导体层之间；和光子晶体结构，所述光子晶体结构包括具有第一周期的在所述第一导电半导体层上的第一光提取图案和具有第二周期的在所述第一导电半导体层上的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或小于λ/n，其中n是所述第一导电半导体层的折射率，λ是由所述有源层发射的光的波长。
在另一个实施方案中，发光器件包括：有源层；在所述有源层上的第一导电半导体层；在所述有源层上的第二导电半导体层，使得所述有源层设置于所述第一和第二导电半导体层之间；在所述第一导电半导体层上的非导电半导体层；和光子晶体结构，所述光子晶体结构包括具有第一周期的在所述非导电半导体层上的第一光提取图案和具有第二周期的在所述非导电半导体层上的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或小于λ/n，其中n是所述非导电半导体层的折射率，λ是由所述有源层发射的光的波长。
在另一个实施方案中，发光器件包括：发光半导体层；在所述发光半导体层上的第一电极层；在所述发光半导体层上的第二电极层，使得所述发光半导体层设置于所述第一和第二电极层之间；和光子晶体结构，所述光子晶体结构包括沿由所述发光半导体层发射的光的传播方向平均具有第一周期的第一光提取图案和平均具有第二周期的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或小于λ/n，其中n是包括所述光子晶体结构的材料的折射率，λ是由所述发光半导体层发射的光的波长。
附图说明
图1是说明根据本发明第一实施方案的发光器件的视图。
图2～5是说明根据本发明第二实施方案的发光器件及其制造方法的视图。
图6是说明图1的发光器件的视图。
图7是说明入射至根据本发明一个实施方案的发光器件中的光子晶体的光的入射角和透光率的图。
图8是说明在根据本发明一个实施方案的发光器件中光功率相对于电流强度的变化的图。
具体实施方式
在实施方案的描述中，应理解，当层(或膜)、区域、图案或者结构称为在另一层(或膜)、区域、垫或者图案“上/上方”或者“下/下方”时，表述“上/上方”和“下/下方”包括“直接地”和“间接地”两种含义。此外，可在附图的基础上参阅每层的“上/上方”和“下/下方”。
在附图中，各层的厚度或者尺寸进行放大、省略或者示意地说明，以使得描述方便和清楚。并且，各元件的尺寸未必反映其实际尺寸。
以下，将参考附图详细地描述发光器件及其制造方法。
图1是说明根据本发明第一实施方案的发光器件的视图。
参考图1，发光器件包括：第二电极层50、发光半导体层20和第一电极层60。发光半导体层20在第二电极层50上形成。第一电极层60在发光半导体层20上形成。
第二电极层50可包括：欧姆接触层51、反射层52和导电衬底53。例如，导电衬底53可由选自Cu、Ti、Cr、Ni、Al、Pt、Au、W和导电半导体材料中的至少一种形成。反射层52可由具有高反射性的Ag、Al、Cu和Ni中的至少一种形成。欧姆接触层51可由透明电极层例如ITO、ZnO、RuOx、TiOx和IrOx中的至少一种形成。
发光半导体层20包括：第一导电半导体层23、有源层22和第二导电半导体层21。发光半导体层20可由GaN-基半导体层形成。这里，当第一导电半导体层23是N-型半导体层时，第二导电半导体层21可为P-型半导体层。当第一导电半导体层23为P-型半导体层时，第二导电半导体层21可为N-型半导体层。
第一电极层60在第一导电半导体层23上形成。第一电极层60和第二电极层50一起为有源层22供电。
另一方面，光子晶体(或者光子晶体结构)在第一导电半导体层23上形成以提高光提取效率。
光子晶体包括：包括以(或具有)第一周期在第一导电半导体层23中形成的多个孔41的第一光提取图案40和包括以(或具有)第二周期在第一导电半导体层23上形成的多个微突起71的第二光提取图案70。
虽然在图1中示例性地描述了通过蚀刻第一导电半导体层23，在第一光提取图案40和第二光提取图案70中周期性地分别形成孔41和微突起71，但是不限于此，可形成突起作为第一光提取图案40，或者可形成微孔作为第二光提取图案70。
在实施方案中，孔41的深度为约225nm，但是不限于此，孔41可具有根据设计而改变的深度或者其它的深度。
可通过湿蚀刻或者干蚀刻其中形成有第一光提取图案40的第一导电半导体层23来形成多个微突起71，或者可通过涂敷、气相沉积、生长工艺或者另外的工艺来形成多个微突起71。
使用Ag在图1的第二光提取图案70中形成多个微突起71。例如，多个微突起71可通过使用Ag作为掩模蚀刻第一导电半导体层23来形成。此处，当Ag沉积为约10nm的薄的厚度时，Ag(例如Ag原子或者颗粒)变得彼此部分附着。这称为团簇效应。
图6是说明图1的发光器件的平面图。
如图6所示，第一光提取图案40包括多个孔41，平均以(或具有)第一周期来设置所述多个孔41，第二光提取图案70包括多个微突起71，平均以(或具有)第二周期来设置所述多个微突起71。第一周期(或平均第一周期)指的是相邻的多个孔41的中心之间距离的平均值。第二周期(或平均第二周期)指的是相邻的多个微突起71中心之间距离的平均值。在其它的一些实施方案中，可预先确定第一周期和/或第二周期。类似地，可以指的是平均值。第一光提取图案40可规则地设置(或者规则地形成)，第二光提取图案70可不规则地设置(或者不规则地形成)。
在实施方案中，第一周期设定为大于λ/n，第二周期设定为等于或小于λ/n。此处，n是第一导电半导体层23的折射率，λ是由有源层22发射的光的波长。通过第一导电半导体层23提取至外部的由有源层22发射的光的光提取效率可取决于光子晶体。例如，当光子晶体的光提取图案周期大于λ/n时，可更高效地提取入射角大于临界角的光。当光子晶体的光提取图案周期等于或小于λ/n时，可更高效地提取入射角小于临界角的光。
根据实施方案的发光器件可通过包括以(或具有)第一周期形成的第一光提取图案40和以(或具有)第二周期形成的第二光提取图案70，使得光提取效率最大化。
具体地，其中光子晶体的光提取图案周期等于或小于λ/n的第二光提取图案70，对具有临界角或者更小角度的入射光具有抗反射涂层效果，使得可有效地提取由有源层22发射的光。
在本发明的一些示例性实施方案中，当第一导电半导体层23是GaN时，折射率n可为约2.2～约2.3。在本发明的一些示例性实施方案中，由有源层22发射的光的波长λ可为约450nm～约490nm。在其它的一些实施方案中，根据用于第一导电半导体层23的材料的折射率，可由有源层22发射具有其它波长λ的光。
图7是说明进入根据本发明一个实施方案的发光器件中的光子晶体的光的入射角和透光率的图。图8是说明在根据本发明一个实施方案的发光器件中光功率相对于电流强度的变化的图。
图7和8显示三种情况，包括：不具有光子晶体的情况、具有第一光提取图案的情况以及具有第一和第二提取图案的情况。
在不包括光子晶体的发光器件中，当通过第一导电半导体层的顶表面发射至外部的光的入射角为零至临界角时，其最大透光率在入射角为0°时为约0.9。此处，透光率随着入射角接近临界角而显著减小。临界角为约35°。当入射角大于临界角时，光不能透过。
在包括第一光提取图案作为光子晶体的发光器件中，当通过第一光提取图案发射至外部的光的入射角为0°至临界角时，其透光率小于不具有光子晶体的发光器件的透光率。然而，即使当入射角大于临界角时，光也能透过。
在包括第一和第二光提取图案作为光子晶体的发光器件中，当通过第一和第二光提取图案发射至外部的光的入射角为0°至临界角时，其透光率高于不具有光子晶体的发光器件或者具有仅仅第一光提取图案的发光器件的透光率。即使当入射角大于临界角时，光与具有第一提取图案的发光器件相类似地透过。
并且，随着电流强度增加，具有第一和第二光提取图案的发光器件的光功率大于其它的发光器件的光功率。
图2～5是说明根据本发明第二实施方案的发光器件及其制造方法的视图。为说明第二实施方案，将省略与第一实施方案相同部分的详细说明。
参考图5，根据第二实施方案的发光器件包括：第二电极层50、发光半导体层20、第一电极层60和非导电半导体层24。发光半导体层20在第二电极层50上形成。第一电极层60在发光半导体层20上形成。非导电半导体层24也在发光半导体层20上形成。
第二电极层50包括：欧姆接触层51、反射层52和导电衬底53。例如，导电衬底53可由Cu、Ti、Cr、Ni、Al、Pt、Au、W和导电半导体材料中的至少一种形成。反射层52可由具有高反射性的Ag、Al、Cu和Ni中的至少一种形成。欧姆接触层51可由透明电极层例如ITO、ZnO、RuOx、TiOx和IrOx中的至少一种形成。
发光半导体层20包括第一导电半导体层23、有源层22和第二导电半导体层21。发光半导体层20可由GaN基半导体层形成。这里，当第一导电半导体层23是N-型半导体层时，第二导电半导体层21可为P-型半导体层。当第一导电半导体层23为P-型半导体层时，第二导电半导体层21可为N-型半导体层。
第一电极层60可在第一导电半导体层23上形成。第一电极层60和第二电极层50一起为有源层22供电。
非导电半导体层24指的是由导电率大大低于第一和第二导电半导体层23和21的材料形成的半导体层。例如，非导电半导体层24可由未掺杂的GaN层形成。
另一方面，在非导电半导体层24上形成光子晶体(或者光子晶体结构)以提高光提取效率。
光子晶体包括：包括在非导电半导体层24中形成的多个孔41的第一光提取图案40和包括在非导电半导体层24上的多个微突起71的第二光提取图案70。而且，第二光提取图案70可在第一导电半导体层23的一部分上形成。
与第一实施方案不同，在根据第二实施方案的发光器件中，第一和第二光提取图案40和70在非导电半导体层24上形成。
当第一光提取图案40在非导电半导体层24上形成时，孔41的深度可增加。虽然在附图中未显示，但是第一光提取图案40可通过蚀刻非导电半导体层24和第一导电半导体层23来形成以增加孔41的深度。
当第一和第二光提取图案40和70在非导电半导体层24上形成时，第一导电半导体层23的经蚀刻的区域减小。因此，在蚀刻工艺期间，可减少或者防止第一导电半导体层23受到损伤。
以下，将参考图2～5详细地描述根据第二实施方案的发光器件的制造方法。
参考图2，非导电半导体层24在生长衬底10上形成。发光半导体层20和第二电极层50在非导电半导体层24上形成。
例如，生长衬底10可由蓝宝石衬底形成。可在生长衬底10和非导电半导体层24之间设置缓冲层。
非导电半导体层24可由未掺杂的GaN层形成。
参考图3，将生长衬底10从非导电半导体层24移除。例如，生长衬底10可通过激光吸收方法移除。其它的移除方法可包括激光烧蚀方法或者剥离方法。
参考图4，通过选择性地移除非导电半导体层24来形成第一光提取图案40。选择性地移除非导电半导体层24和第一导电半导体层23以暴露第一导电半导体层23的一部分。
参考图5，通过在第一光提取图案40上形成多个微突起71来形成第二光提取图案70。第一电极层60在第一导电半导体层23上形成。
利用其中当Ag沉积为具有约10nm或更小的薄的厚度时Ag(Ag原子或者颗粒)变得彼此粘附的现象，可形成多个微突起71。更具体地，通过使用彼此粘附的Ag作为掩模来选择性地蚀刻非导电半导体层24和/或第一导电半导体层23，可形成多个微突起71。
当移除图3中的非导电半导体层24和生长衬底10，并形成第一光提取图案40和第二光提取图案70时，可制造图1中所述的根据第一实施方案的发光器件。在本发明的实施方案中，非导电半导体层24可为GaN，其可完全不含有掺杂杂质，或者可包含非有意掺杂的杂质。
在本发明的示例性实施方案中，当非导电半导体层24和/或第一导电半导体层23是GaN时，折射率n可为约2.2～约2.3。在本发明的示例性实施方案中，由有源层22发射的光的波长λ可为约450nm～约490nm。在其它的一些实施方案中，根据用于非导电半导体层24和/或第一导电半导体层23的材料的折射率，可由有源层22发射其它的波长λ的光。
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，指的是结合本发明的至少一个实施方案进行描述的具体的特征、结构或特性。在说明书不同地方出现的这些措词不必都涉及相同的实施方案。此外，当结合任何实施方案描述具体的特征、结构或特性时，认为结合其它的实施方案实现这种特征、结构或特性均在本领域技术人员的范围之内。
虽然已经参考大量说明性实施例描述了一些实施方案，但是应理解，本领域技术人员可设计很多的其它改变和实施方案，这些也将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在说明书、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明的组合排列的构件和/或结构中可能具有各种的变化和改变。除构件和/或结构的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也会是显而易见的。

Claims (23)

1.一种发光器件，包括：
有源层；
在所述有源层上的第一导电半导体层；
第二导电半导体层，所述第二导电半导体层在所述有源层上以使得所述有源层设置于所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层之间；和
光子晶体结构，所述光子晶体结构包括具有第一周期的在所述第一导电半导体层上的第一光提取图案和具有第二周期的在所述第一导电半导体层上的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或者小于λ/n，其中n是所述第一导电半导体层的折射率，λ是由所述有源层发射的光的波长。
2.根据权利要求1所述的发光器件，还包括：
在所述第二导电半导体层上的第二电极层；和
在所述第一导电半导体层上的第一电极层。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一光提取图案包括孔和突起。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第二光提取图案包括孔和突起。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一光提取图案形成为规则图案，所述第二光提取图案形成为不规则图案。
6.根据权利要求2所述的发光器件，其中所述第二电极层包括在所述第二导电半导体层上的欧姆层、在所述欧姆层上的反射层和在所述反射层上的导电衬底。
7.根据权利要求6所述的发光器件，其中所述欧姆层包括透明电极层。
8.一种发光器件，包括：
有源层；
在所述有源层上的第一导电半导体层；
第二导电半导体层，所述第二导电半导体层在所述有源层上以使得所述有源层设置于所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层之间；
在所述第一导电半导体层上的非导电半导体层；和
光子晶体结构，所述光子晶体结构包括具有第一周期的在所述非导电半导体层上的第一光提取图案和具有第二周期的在所述非导电半导体层上的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或者小于λ/n，其中n是所述非导电半导体层的折射率，λ是由所述有源层发射的光的波长。
9.根据权利要求8所述的发光器件，还包括：
在所述第二导电半导体层上的第二电极层；和
在所述第一导电半导体层上的第一电极层。
10.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述第一光提取图案包括孔和突起。
11.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述第二光提取图案包括孔和突起。
12.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述第一光提取图案形成为规则图案，所述第二光提取图案形成为不规则图案。
13.根据权利要求9所述的发光器件，其中所述第二电极层包括在所述第二导电半导体层上的欧姆层、在所述欧姆层上的反射层和在所述反射层上的导电衬底。
14.根据权利要求13所述的发光器件，其中所述欧姆层包括透明电极层。
15.根据权利要求9所述的发光器件，其中所述第一电极层在选择性地移除了所述非导电半导体层和一部分所述第一导电半导体层得到的所述第一导电半导体层的区域上形成。
16.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述非导电半导体层包括未掺杂的GaN层。
17.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述第二光提取图案在所述第一导电半导体层上形成。
18.根据权利要求9所述的发光器件，其中所述第一电极层被所述第一导电半导体层和所述非导电半导体层所包围。
19.一种发光器件，包括：
发光半导体层；
在所述发光半导体层上的第一电极层；
第二电极层，所述第二电极层在所述发光半导体层上以使得所述发光半导体层设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间；和
光子晶体结构，所述光子晶体结构包括沿由所述发光半导体层发射的光的传播方向平均具有第一周期的第一光提取图案和平均具有第二周期的第二光提取图案，所述第一周期大于λ/n，所述第二周期等于或者小于λ/n，其中n是包括所述光子晶体结构的材料的折射率，λ是由所述发光半导体层发射的光的波长。
20.根据权利要求19所述的发光器件，其中所述第一光提取图案和所述第二光提取图案分别形成为孔形状或者突起形状。
21.根据权利要求1所述的发光器件，其中n是约2.2～约2.3，λ是约450nm～约490nm。
22.根据权利要求8所述的发光器件，其中n是约2.2～约2.3，λ是约450nm～约490nm。
23.根据权利要求19所述的发光器件，其中n是约2.2～约2.3，λ是约450nm～约490nm。
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