CN101740696A - 半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体发光器件。所述半导体发光器件包括：导电支撑构件，在所述导电支撑构件上的N-型半导体层；在所述N-型半导体层上的有源层，在所述有源层上的P-型半导体层，在所述P-型半导体层上的欧姆接触层，和在所述欧姆接触层上的电极。

Description

半导体发光器件
相关申请
根据35U.S.C.119和35U.S.C.365，本申请要求2008年11月25日提交的韩国专利申请10-2008-0117581的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体发光器件。
背景技术
由于III-V族氮化物半导体极好的物理和化学性能，因此作为用于发光器件例如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等的芯材料而受到极大关注。III-V族氮化物半导体包括化学式为InxAlyGa1-x-yN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料。
LED是通过使用化合物半导体的特性来将电转化为红外线或者光从而发射与接收信号的半导体器件，或者是用作光源的半导体器件。
由氮化物半导体材料制成的LED或者LD广泛地用于发光器件以获得光，并且用作各种产品例如移动式电话的键盘的发光部分、电布告牌和照明器件的光源。
发明内容
实施方案提供一种半导体发光器件，包括在其上方的p-型半导体层和在其下方的导电支撑构件。
实施方案提供一种半导体发光器件，包括N-型半导体层，在N-型半导体层周围暴露出其上部。
一个实施方案提供一种半导体发光器件，包括：导电支撑构件；在所述导电支撑构件上的N-型半导体层，在所述N-型半导体层上的有源层，和在所述有源层上的P-型半导体层；在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；和在所述欧姆接触层上的电极。
一个实施方案提供一种半导体发光器件，包括：反射电极层；在所述反射电极层上的N-型半导体层，在所述N-型半导体层上的有源层，和在所述有源层上的P-型半导体层；在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；和在所述欧姆接触层上形成的多个粗糙结构，其中所述粗糙结构由与所述欧姆接触层不同的材料形成。
一个实施方案提供一种半导体发光器件，包括：反射电极层；N-型半导体层，N-型半导体层包括在所述反射电极层上形成的第一部分和在所述第一部分上形成的第二部分，其中所述第二部分的尺寸小于第一部分的尺寸；在所述N-型半导体层的第二部分上的有源层；在所述有源层上的P-型半导体层；在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；在所述欧姆接触层上形成并由与所述欧姆接触层不同的材料形成的多个粗糙结构；和与所述欧姆接触层和所述P-型半导体层中的至少一个相接触的电极。
在附图和以下的描述中阐述一个或多个实施方案的细节。通过说明书和附图以及通过权利要求使其它特征变得显而易见。
附图说明
图1是根据一个实施方案的半导体发光器件的截面图。
图2～11是说明根据一个实施方案制造半导体发光器件的工艺的视图。
具体实施方式
以下，参考附图描述实施方案。在实施方案的描述过程中，附图中各层的厚度仅仅为一个实例，而不限于此。另外，关于各层的“上/上方”或“下/下方”的定义将参考附图进行描述。
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、垫或图案“上/上方”或者“下/下方”时，“上/上方”和“下/下方”包括“直接地”和“间接地”两种含义。此外，将基于附图描述关于各层的“上/上方”和“下/下方”。
图1是根据一个实施方案的半导体发光器件的截面图。
参考图1，半导体发光器件100包括：导电支撑构件103、电极层105、N-型半导体层110、有源层120、P-型半导体层130、欧姆接触层140、粗糙结构150和电极160。
导电支撑构件103用作基础衬底，并可使用Cu、Au、Ni、Mo、Cu-W或者由Si、Ge、GaAs、ZnO、SiC、Ga2O3、SiGe和GaN形成的载体晶片来实现。导电支撑构件103可使用电镀方法形成或者可具有片状，但是不限于此。导电支撑构件103的厚度可为约30μm～约150μm，但是不限于此。
电极层105在导电支撑构件103上形成。N-型半导体110可由选自具有极好欧姆特性的材料和具有高反射性和籽金属(seed metal)性能的材料中的至少一种形成。例如，具有极好欧姆特性的材料可为ITO、Cr、Ni、Ti和Al中的一种。具有高反射性的材料可为选自Al、Ag、Pd、Rh、Pt、Ag-Cu、Ag-Pd-Cu和Al-Cu中的一种。此外，电极层105可由选自ITO、Ir、Ru、Mg、Zn、Au、Hf、Cr、Ni、Ti、Al、Ag、Pd、Rh、Pt、Ag-Cu、Ag-Pd-Cu、Al-Cu以及这些物质的选择性组合中的一种形成。
电极层105可用作反射电极层，并且使入射光反射通过有源层120。
导电支撑构件103和电极层105可由具有预定厚度的一层形成，但是不限于此。
欧姆接触层(未显示)可在电极层105上形成，并且可形成为层或者多个图案。欧姆接触层包括选自Ni、Pd、Pt、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓锡(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。
在电极层105和N-型半导体层110之间形成层或者图案，其中所述层或者图案由ITO、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓锡(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、SiO2、Si3N4、SiOx、SiNx、Al2O3和TiO2形成。
N-型半导体层110在电极层105上形成。所述N-型半导体层110可由掺杂有N-型掺杂剂的包括III-V族元素的化合物半导体中的至少一种形成，例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP。此外，N-型半导体层110可具有单层或者多层结构。N-型掺杂剂包括Si、Ge、Sn、Se和Te。
上部区域137的表面在N-型半导体层110的周边处暴露并且具有Ga面(Ga-face)区域(表面)。N-型半导体层110的暴露的Ga面表面是热稳定的并且提供非金属特性。N-型半导体层110的Ga面表面可由非N材料的Ga材料形成。N-型半导体层110厚于P-型半导体层130。
有源层120在N-型半导体层110上形成，并且具有使用III-V族元素化合物半导体层的单量子阱结构或者多量子阱结构。有源层120采用InGaN阱层/GaN势垒层作为一个周期，从而可形成单量子阱结构或者多量子阱结构。在有源层120中，量子阱层和量子势垒层的材料可根据发光材料而变化，但是不限于此。可在有源层120上和/或下形成覆层，覆层可由AlGaN-基半导体形成。
P-型半导体层130在有源层120上形成。P-型半导体层130可由掺杂有P-型掺杂剂的包括III-V族元素的化合物半导体中的至少一种形成，例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP。此外，P-型半导体层130可具有单层或者多层结构。P-型掺杂剂包括Mg、Be和Zn。
发光结构135包括N-型半导体110、有源层120和P-型半导体层130。在发光结构135中，可在P-型半导体层130上形成N-型半导体层(未显示)。
欧姆接触层140在P-型半导体层130上形成。欧姆接触层140可包括与P-型半导体层130欧姆接触的层、或者单层或者多层的多个图案。欧姆接触层140包括选自Ni、Pd、Pt、ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、ATO、GZO、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。
电极160在欧姆接触层140上形成，并且可在P-型半导体层130的一部分上型为具有预定形状和图案。该形状或者图案可包括电流扩散结构。电极160可由Ag、Ag合金、Ni、Al、Al合金、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf和上述物质的合金中的一种形成，但是不限于此。
电极160可接触欧姆接触层140和/或P-型半导体层130。电极160与P-型半导体层130、欧姆接触层140和粗糙结构150中的至少两个接触。
粗糙结构150可在欧姆接触层140上形成，并且可由例如Al2O3(n＝1.7～1.8)、SiO2(n＝1.5～1.6)、NaF(n＝1.3～1.4)和MgO(n＝1.735)材料形成。粗糙结构150可由折射率低于GaN(n＝约2.5)或者ITO(n＝2)的材料形成。
此外，例如三角形、棒形、柱形、半球形和不规则形状的粗糙结构150的不均匀形状设置为圆形、多边形、矩阵形、条形和无规则形状。粗糙结构150可通过折射率差异改变透过欧姆接触层145的光或散射的反射光的临界角来改善光提取效率。每个粗糙结构150形成为具有大于预定值的厚度(例如，约1.0μm)，并且具有规则或者不规则的微间隔(例如，约0.5μm～约5μm)。
图2～11是说明根据一个实施方案制造半导体发光器件的工艺的视图。
参考图2，将生长衬底101装载在生长设备上，并且在其上形成II～VI族元素化合物半导体层。
生长设备可包括电子束蒸发器、物理气相沉积(PVD)设备、化学气相沉积(CVD)设备、等离子体激光沉积(PLD)设备、双型热蒸发器、溅射设备和金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，但是不限于此。
生长衬底101可包括Al2O3、GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、InP、Ga2O3、导电材料或者GaAs。在生长衬底101上可形成不均匀图案。此外，在生长衬底101上可形成使用II族～VI族元素的化合物半导体的层或者图案，例如选自ZnO层(未显示)、缓冲层(未显示)和未掺杂的半导体层(未显示)中的至少之一。
缓冲层和未掺杂的半导体层可由使用III-V族元素的化合物半导体形成。缓冲层可使得与衬底101的晶格常数差减小。未掺杂的半导体层可由未掺杂的GaN基半导体形成。
在衬底101上形成包括多个化合物半导体层的发光结构135。发光结构135包括：N-型半导体层110、有源层120和P-型半导体层130。
N-型半导体层110在衬底101上形成。N-型半导体层110可包括III-V族化合物半导体例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP，并可为单层或者多层。N-型半导体层110可掺杂有N-型掺杂剂(例如Si、Ge、Sn、Se和Te)。
有源层120在N-型半导体层110上形成，并且具有使用III-V族化合物半导体层的单量子阱结构或者多量子阱结构。有源层120使用InGaN阱层/GaN势垒层作为一个周期，并具有单量子阱结构或者多量子阱结构。有源层120可根据发光材料各自具有不同材料的量子阱层和量子势垒层，但是不限于此。可在有源层120上和/或下形成覆层，覆层可由AlGaN基半导体形成。
P-型半导体层130在有源层120上形成。P-型半导体层130可选择性地包括掺杂有P-型掺杂剂的包括III-V族元素的化合物半导体层例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP，并可具有单层或者多层结构。P-型掺杂剂包括Mg、Be和Zn。
可在P-型半导体层130上形成N-型半导体层(未显示)。发光结构135可包括在P-型半导体层130上的N-型半导体层。
参考图3，欧姆接触层140在P-型半导体层130上形成。欧姆接触层140可包括与P-型半导体层130欧姆接触的层、或者单层或者多层的多个图案。欧姆接触层140包括Ni、Pd、Pt、ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、ATO、GZO、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。
参考图4，籽金属层145在欧姆接触层140上形成。籽金属层145可由层或者多个图案形成，并可选择性地包括Ni/Cu、Cr/Cu和Ti/Cu。籽金属层145通过镀敷工艺形成。
在籽金属层145上形成牺牲衬底147。牺牲衬底147是暂时的衬底，并且由镀敷的金属例如铜或者金形成。其厚度为约30μm～约100μm，但是不限于此。此外，可使用导电板来使牺牲衬底147附着，在此情况下，可不形成籽金属层145。
参考图4和5，当形成牺牲衬底147时，其位于基础衬底上，然后将生长衬底101移除。
通过物理和/或化学方法将生长衬底101移除。物理移除方法通过激光剥离(LLO)工艺在衬底101上辐射具有预定区域波长的激光将衬底101移除。化学移除方法是当在衬底101和第一导电半导体层110之间存在另外的半导体层(例如缓冲层)时通过使用湿蚀刻剂来移除缓冲层以将衬底101移除。生长衬底101的移除方法不限于此。
可对其中移除生长衬底101的N-型半导体层110的表面实施使用感应耦合等离子体/反应性离子蚀刻(ICP/RIE)的蚀刻工艺。
参考图6，在N-型半导体层110下形成电极层105。电极层105与N-型半导体层110欧姆接触，并可由具有高反射性和籽金属特性的材料中的至少一种形成。例如，具有极好欧姆特性的材料可包括ITO、Cr、Ni、Ti和Al。有高反射性的材料可包括ITO、Ir、Ru、Mg、Zn、Au、Hf、Cr、Ni、Ti、Al、Ag、Pd、Rh、Pt、Ag-Cu、Ag-Pd-Cu、Al-Cu以及这些物质的选择性组合。
可在N-型半导体层110和电极层105之间形成欧姆接触层(未显示)。欧姆接触层可由层或者多个图案形成。欧姆接触层可包括选自Ni、Pd、Pt、ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、ATO、GZO、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。电极层105可用作反射电极层。
参考图7，通过镀敷工艺在电极层105下形成导电支撑构件103。此外，导电支撑构件103可包括Cu、Au、Ni、Mo、Cu-W或由Si、Ge、GaAs、ZnO、SiC、Ga2O3、SiGe和GaN形成的载体晶片。导电支撑构件103可通过电镀方法形成或者可以形成为板形，但是不限于此。导电支撑构件103的厚度可以为约30μm～约150μm，但是不限于此。导电支撑构件103用作基础衬底。
导电支撑构件103和电极层105可由具有预定厚度的一层形成，但是不限于此。
参考图7～9，移除牺牲衬底147。牺牲衬底147可通过湿或干蚀刻方法或者抛光方法来移除，但是不限于此。
一旦移除牺牲衬底147，移除籽金属层145。籽金属层145可通过湿或/和干蚀刻方法或者抛光方法来移除，但是不限于此。
此处，通过移除牺牲衬底147可解决层间分层现象。即，在用于移除生长衬底101的工艺(例如，LLO工艺)期间，可使用激光在牺牲衬底147和欧姆接触层140之间施加预定的冲击。在此情况下，在器件的内层之间可存在不稳定的分层现象。因此，通过移除牺牲衬底147，可防止在器件的内层之间分层现象。
一旦移除牺牲衬底147，则通过使用欧姆接触层140上的掩模图案对芯片边界区域实施台面蚀刻。
实施隔离蚀刻工艺直至暴露欧姆接触层140、P-型半导体层130、有源层120、N-型半导体层110。隔离蚀刻的深度低于约1.0μm或者可蚀刻直至暴露N-型半导体层110。
因此，N-型半导体层110的上表面在发光结构135的周边周围被暴露。
在N-型半导体层110的周边周围的上部区域137处暴露出Ga-面。此时，由于在N-型半导体层110处暴露的Ga-面是具有较低操作电压的非金属，所以与N-面相比较为热稳定的，并且还防止当对发光结构的侧壁施加外部冲击时与其它层的短路。
有源层120通过N-型半导体层110的上部区域137与导电支撑构件103间隔开。
参考图10和图11，在欧姆接触层140上形成粗糙结构150。粗糙结构150可使用掩模图案或者通过溅射设备来生长。粗糙结构150可由具有高折射率的材料例如Al2O3、SiO2、NaF和MgO形成。粗糙结构150可由折射率低于GaN或欧姆接触层140的材料形成。其图案如三角形、棒形、柱形、半球形和不规则形状通过工艺如湿蚀刻、干蚀刻或者光刻胶剥离工艺而设置为圆形、多边形、矩阵形、条形和无规则形状。每个粗糙结构150均形成为大于预定值(例如约1.0μm)的厚度，并且具有规则或者不规则的微间隔(例如，约0.5μm～约5μm)。
通过对应于相关技术的N-型粗糙图案，粗糙结构150可补偿光提取，并且可不形成粗糙结构150。
在欧姆接触层140的一部分上形成电极层160。电极160可由Ag、Ag合金、Ni、Al、Al合金、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf和上述物质的合金中的一种形成，但是不限于此。电极160可接触欧姆接触层140和/或P-型半导体层130。电极160与P-型半导体层130、欧姆接触层140和粗糙结构150中的至少两个接触。
实施方案提供垂直半导体发光器件100，其上具有P-型半导体层130，并且在发光结构135的周边周围暴露出Ga-面表面。因此，可防止由于制造工艺所导致的短路。
实施方案提供一种热稳定的垂直半导体发光器件。
实施方案通过实施台面蚀刻直至暴露N-型半导体层的上部的厚度可改善LED芯片的可靠性。
实施方案提供一种垂直半导体发光器件，其上具有P-型半导体层，并且暴露出在导电支撑构件上设置的N-型半导体层的周边周围的上部。因此，可防止由于制造工艺所导致的短路。
当通过LLO方法移除氮化物半导体层时，实施方案防止其中与氮化物半导体层接触的层由于外部冲击而导致的分层现象。
一个实施方案提供一种制造半导体发光器件的方法，包括：在生长衬底上形成N-型半导体层、有源层和P-型半导体层；在所述P-型半导体层上形成欧姆接触层；在所述欧姆接触层上形成牺牲衬底和移除所述生长衬底；在所述N-型半导体层之下形成导电支撑构件和移除所述牺牲衬底；和在所述欧姆接触层上形成电极。
实施方案提供一种垂直半导体发光器件，具有N-型半导体层作为顶层。
实施方案改善垂直半导体发光器件的可靠性。
虽然已经参考大量说明性实施例描述了实施方案，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 (20)

1.一种半导体发光器件，包括：
导电支撑构件；
在所述导电支撑构件上的N-型半导体层；
在所述N-型半导体层上的有源层；
在所述有源层上的P-型半导体层；
在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；和
在所述欧姆接触层上的电极。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，包括在所述导电支撑构件和所述N-型半导体层之间的电极层。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述电极层包括氧化铟锡(ITO)、Ir、Ru、Mg、Zn、Au、Hf、Cr、Ni、Ti、Al、Ag、Pd、Rh、Pt、Ag-Cu、Ag-Pd-Cu和Al-Cu中的一种或者这些物质的选择性组合。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述欧姆接触层包括至少一层或者图案。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，包括在所述欧姆接触层上的多个粗糙结构。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述N-型半导体层包括在其外周边周围暴露的上部，其中所述N-型半导体层的所述上部包括Ga-面表面。
7.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述电极层是反射电极层，并且在所述电极层和所述N-型半导体层之间包括具有至少一层或者多个图案的欧姆接触层。
8.根据权利要求5所述的半导体发光器件，其中所述粗糙结构包含Al2O3、SiO2、NaF和MgO中的至少一种。
9.根据权利要求5所述的半导体发光器件，所述粗糙结构具有约1.0μm的厚度和小于约5μm的间隔。
10.一种半导体发光器件，包括：
反射电极层；
在所述反射电极层上的N-型半导体层；
在所述N-型半导体层上的有源层；
在所述有源层上的P-型半导体层；
在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；和
在所述欧姆接触层上形成的多个粗糙结构，其中所述粗糙结构由与所述欧姆接触层不同的材料形成。
11.根据权利要求10所述的半导体发光器件，包括在所述反射电极层下的导电支撑构件，其中所述导电支撑构件和所述反射电极层由金属材料形成。
12.根据权利要求11所述的半导体发光器件，其中所述N-型半导体层包括在所述N-型半导体层的周边周围暴露出的Ga-面表面。
13.根据权利要求12所述的半导体发光器件，其中所述N-型半导体层的厚度厚于所述P-型半导体层的厚度。
14.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中在所述反射电极层和所述N-型半导体层之间形成层或者图案，其中所述层或者图案由ITO、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓锡(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、SiO2、Si3N4、SiOx、SiNx、Al2O3和TiO2中的至少一种形成。
15.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述粗糙结构具有三角形、杆形和半球形中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的半导体发光器件，其中所述粗糙结构由反射率小于所述GaN或者所述欧姆接触层的反射率的材料形成，并且包含Al2O3、SiO2、NaF和MgO中的至少一种。
17.根据权利要求12所述的半导体发光器件，包括在所述P-型半导体层和所述欧姆接触层之间的含n-型掺杂剂的半导体层。
18.一种半导体发光器件，包括：
反射电极层；
N-型半导体层，所述N-型半导体层包括在所述反射电极层上形成的第一部分和在所述第一部分上形成的第二部分，其中所述第二部分的尺寸小于所述第一部分的尺寸；
在所述N-型半导体层的所述第二部分上的有源层；
在所述有源层上的P-型半导体层；
在所述P-型半导体层上的欧姆接触层；
在所述欧姆接触层上形成的多个粗糙结构，所述粗糙结构由与所述欧姆接触层不同的材料形成；和
与所述欧姆接触层和所述P-型半导体层中的至少一个接触的电极。
19.根据权利要求18所述的半导体发光器件，其中所述电极与所述P-型半导体层、所述欧姆接触层和所述粗糙结构中的至少两个接触。
20.根据权利要求18所述的半导体发光器件，其中所述电极设置在所述欧姆接触层的一部分上。
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