CN101771118A - 发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光器件。所述发光器件包括：第二导电半导体层、在所述第二导电半导体层上的有源层、在所述有源层上的第一导电半导体层、以及在所述第一导电半导体层的一部分中的稀土元素注入层。
Description
技术领域
实施方案涉及发光器件(LED)。
背景技术
LED是将电流转化为光的半导体器件。由于红色LED已经商业化，所以红色LED和绿色LED一起用作包括信息通讯设备的电子器件的光源。
例如，作为氮化物半导体的氮化镓(GaN)半导体具有高的热稳定性和宽的带隙。GaN半导体可与其它元素例如In和Al结合以形成发出绿色光、蓝色光和白色光的半导体层，发出的光的波长可容易地进行调节，所以GaN半导体在高功率电子器件例如LED的领域中已经得到关注。
常规氮化物半导体LED通过将蓝色LED与荧光物质结合来形成。荧光物质吸收一部分蓝光以发出具有绿色、黄色和红色的色带的光。目前，这种荧光物质在高温下的光转化效率低并且可靠性低。此外，荧光物质占据蓝色LED上的预定空间，所以氮化物半导体LED的体积会增加。
发明内容
实施方案提供一种能够改善发光效率和使其应用领域多样化的LED。
实施方案提供一种LED，其能够实现具有高性能的白色LED。
根据一个实施方案的发光器件包括：第二导电半导体层、在所述第二导电半导体层上的有源层、在所述有源层上的第一导电半导体层、以及在所述第一导电半导体层的一部分中的稀土元素注入层。
根据另一实施方案的发光器件包括：第二导电半导体层、在所述第二导电半导体层上的有源层、在所述有源层上的第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层上的导电衬底、以及在所导电衬底中的稀土元素注入层。
附图说明
图1是显示根据第一实施方案的LED的截面图；
图2～5是显示制造根据第一实施方案的LED的程序的截面图；
图6是显示根据第二实施方案的LED的截面图；和
图7和8是显示制造根据第二实施方案的LED的程序的截面图。
图9是显示根据第三实施方案的LED的截面图。
具体实施方式
以下，将参考附图描述LED及其制造方法。
在实施方案的描述中，应理解当层(或者膜)称为在另一层或者衬底“上/上方”时，其可以直接在另一层或者衬底上/上方，或者也可存在中间层。此外，应理解当层称为在另一层“下/下方”时，其可以直接在另一层下/下方，或者也可存在一个或更多个中间层。此外，也应理解当层称为在两层“之间”时，其可以是两层之间仅有的层，或者也可存在一个或更多个中间层。
<第一实施方案>
图1是显示根据第一实施方案的LED的截面图。
根据第一实施方案的LED可包括：第一导电半导体层110、有源层120和第二导电半导体层130。粗糙结构R在第一导电半导体层110的第一区域中形成，稀土元素注入层115在具有粗糙结构R的第一导电半导体层110中形成。未描述的图1中的附图标记将在其制造方法中进行说明。
根据第一实施方案的LED，稀土元素可以部分注入第一导电半导体层110的表面中，并且在高品质第一导电半导体层110上形成第一电极层，所以可防止由稀土元素的注入所导致的薄膜结晶的劣化，并且可有效解决由电性能劣化所导致的LED性能的劣化，从而可实现具有高性能的单芯片白色LED。
以下，将参考图2～5描述制造根据第一实施方案的LED的方法。
首先，如图2中所示，准备第一衬底100。第一衬底100可以是蓝宝石(Al2O3)单晶衬底。然而，本公开不限于此。对第一衬底100进行湿清洗以移除第一衬底100表面上的杂质。
然后，第一导电半导体层110可在第一衬底100上方形成。例如，第一导电半导体层110可以通过化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)或者氢化物气相外延(HYPE)形成。此外，第一导电半导体层110可通过注入包含N型杂质的硅烷气体SiH4，例如三甲基镓气体TMGa、氨气NH3、氮气N2和硅Si到腔室来形成。
然后，有源层120可在第一导电半导体层110上方形成。通过第一导电半导体层110注入的电子与通过第二导电半导体层130注入的空穴在有源层120处进行复合，所以有源层120发出具有预定能量的光，该预定能量由形成有源层120的材料的能带确定。有源层120可具有通过交替层叠具有不同能带的氮化物半导体层一次或者几次所形成的量子阱结构。例如，有源层120可具有含有InGaN/GaN结构的多量子阱结构，其通过注入三甲基镓气体TMGa、氨气NH3、氮气N2和三甲基铟气体TMIn来形成。然而，本公开不限于此。此外，有源层120可在约760℃的温度下形成以发出蓝色光。然而本公开不限于此。
然后，第二导电半导体层130可在有源层120上方形成。例如，第二导电半导体层130可通过注入含P型杂质的双-乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}，例如三甲基镓气体TMGa、氨气NH3、氮气N2和镁Mg形成。然而，本公开不限于此。
然后，第二电极层140可在第二导电半导体层130上方形成。第二电极层140可包括：第二欧姆层142、反射层(未显示)、耦合层(未显示)和第二衬底144。
例如，当第二电极层140包括第二欧姆层142时，第二欧姆层142可通过以多层来层叠单一金属(或者金属合金)和金属氧化物形成，从而可有效地实施空穴注入。例如，第二欧姆层142可包括选自ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。然而，本公开不限于此。
此外，当第二电极层140包括反射层时，反射层可包括金属层，该金属层包括Al、Ag或者Al和Ag的合金。Al或者Ag有效地反射由有源层120产生的光，以显著改善LED的光提取效率。
当第二电极层140包括耦合层时，反射层可用作耦合层。此外，耦合层可使用Ni、Au等形成。
此外，第二电极层140可包括第二衬底144。如果第一导电半导体层110具有约50μm或更大的足够的厚度，则用于形成第二衬底144的工艺可以省略。例如，第二衬底144可包括具有优异导电性的金属(例如Cu)、金属合金(例如Cu合金)或者导电半导体材料(例如Si、Mo和SiGe)，从而可有效地实施空穴注入。第二衬底144可使用电化学金属沉淀方法或者使用共晶金属的接合方法形成。
然后，如图3中所示，可移除第一衬底100使得暴露出第一导电半导体层110。
第一衬底100可使用高功率激光或者化学蚀刻方法移除。此外，第一衬底100也可通过物理抛光移除。
然后，粗糙结构R可在第一导电半导体层110的一部分上形成。例如，第一图案310在第一导电半导体层110上形成。然后，通过使用第一图案310作为蚀刻掩模蚀刻第一导电半导体层110的一部分，以形成粗糙结构R。
例如，第一图案310可包括介电材料例如氧化硅或者氮化硅，并且可具有约0.5μm～约2μm的厚度。然而，本公开不限于此。第一图案310可根据待制造LED的结构而改变。
第一图案310可在其中待形成第一电极层150的区域上形成。然后，如图3中所示，粗糙结构R可通过使用第一图案310作为蚀刻掩模在暴露的第一导电半导体层110上形成。粗糙结构R在暴露的第一导电半导体层110上形成，以改善LED的光提取效率。暴露的第一导电半导体层110的表面表现为氮极化，所以粗糙结构R可通过使用KOH溶液的湿蚀刻来形成。粗糙结构R也可通过干蚀刻形成。
图4显示在第一导电半导体层的一部分上形成粗糙结构R的另一实例。构成第一图案310的材料可保留在不具有粗糙结构R的区域中，具有孔的第二图案320可存在于其余的区域中。
例如，第二图案320的孔可具有类似于圆柱的光子晶体结构。然而，本公开不限于此。例如，当第二图案320的孔为圆柱形时，孔的直径可为约3μm，孔之间的距离可为约2μm。然后，如图4中所示，粗糙结构R可通过使用第二图案320作为蚀刻掩模在暴露的第一导电半导体层110上形成。例如，通过孔暴露的第一导电半导体层110可通过反应性离子蚀刻(RIE)来干蚀刻约0.5μm的深度。
然后，稀土元素注入层115通过使用第一图案310作为蚀刻掩模在具有粗糙结构R的第一导电半导体层110中形成。稀土元素注入层115可在形成粗糙结构R之前形成。
例如，稀土元素注入暴露的具有粗糙结构R的第一导电半导体层110的表面中。稀土元素可包括Er、Eu、Pr、Tb、Dy、Ce、Sm、Gd、Ho、Yb、Lu、Nd、Pm、和Tm等。稀土元素可根据由有源层(发光层)发出的光的波长进行选择。可以注入至少一种稀土元素。稀土元素的注入量可根据LED的白色光的性能而改变。稀土元素可通过离子注入来注入。
例如，在约200℃～约900℃的温度下，通过离子注入可将作为稀土元素的Er(绿色)和Eu(红色)注入暴露的具有粗糙结构R的第一导电半导体层110的表面中。然而，本公开不限于此。
同时，参考图4，在移除第二图案320之后，在不具有粗糙结构R的区域上形成第三图案(未显示)，稀土元素注入层115可通过使用第三图案作为离子注入掩模来形成。然后，移除第三图案以形成第一电极层150。
以下，将描述根据该实施方案注入的稀土元素的性能。
在稀土元素中，部分填充在稀土元素中的4f电子被外部激发光所激发，然后该激发电子通过内部跃迁返回稳态，所以各稀土元素发出具有特定能量的光。这种稀土元素可包括Er、Eu、Pr、Tb、Dy、Ce、Sm、Gd、Ho、Yb、Lu、Nd、Pm、和Tm等。与稀土元素类似，过渡金属元素可发出具有特定能量的光。
当稀土元素掺杂在作为主基质的晶格中并作为阳离子存在同时占据主基质的阳离子位点时，稀土元素可有效地发光。包括氮化物半导体的半导体主基质可用作主基质，稀土元素通过该主基质可有效地发光。稀土元素作为氧化数为+2、+3或者+4的阳离子存在于主基质中。部分填充在4f电子层中的电子被全部填充有电子的5s和5p电子层包围，所以在4f电子层中的电子由于外层电子的屏蔽效应而不受晶体场的显著影响。
当发生稀土离子的内部f光跃迁时，在常温下可发出在可见光范围内的光。紫外光UV或者由蓝色氮化物半导体LED产生的光可用于激发光。
稀土离子的4f电子可进行宇称选择定则所禁止的f-f跃迁和宇称选择定则所允许的f-d跃迁。例如，在Tb3+(绿色)、Sm3+(红色)、Tm3+(蓝色)等中观察到f-f跃迁，在Eu3+(红色)、Ce3+(蓝色)等中观察到通过f-d跃迁发出的光。此外，5d电子存在于最外层中，所以5d电子易于受到晶体场的影响并强烈地依赖于主基质材料。
在GaN主基质中的Eu3+离子的情况下，当由外部激发光激发的电子进行内层跃迁时，发出波长为622nm的红色光。此外，Tb3+离子可发出波长为545nm的绿色光，Er3+离子可发出波长为537nm的绿色光，Pr3+离子可发出波长为645nm和652nm的红色光，Tm3+离子可发出波长为450nm的蓝色光。
例如，如果在包含稀土元素例如Tm、Er和Eu的GaN薄膜上辐照UV，则稀土元素发出蓝色光、绿色光和红色光，所以可发出白色光。如果在包含稀土元素例如Er和Eu的GaN薄膜上辐照蓝色激发光，则稀土元素吸收一部分蓝色光以发出绿色光和红色光，所以可发出白色光。
然后，如图5中所示，第一电极层150在导电半导体层110的未形成稀土元素注入层115的区域上形成。例如，移除第一图案310并且在暴露的导电半导体层110上形成第一电极层150。第一电极层150可包括：第一欧姆层(未显示)、反射层(未显示)、第一电极(未显示)等。例如，当电极层150包括反射层时，反射层可包括金属层，该金属层包含Al、Ag或者Al和Ag的合金。
此外，当电极层150包括第一欧姆层时，第一欧姆层包括选自ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。然而，本公开不限于此。如果第一欧姆层是透明层，则因为所发出的光可以透过第一欧姆层，所以可省略反射层。
根据该实施方案，第一电极层在没有稀土元素并且具有优异导电性的高品质N型氮化物半导体层上形成，从而可改善LED的电性能。
然后，可在第一欧姆层上形成第一电极(未显示)。
根据该实施方案的LED，稀土元素可以部分注入第一导电半导体层的表面，并且第一电极层在高品质第一导电半导体层上形成，所以可防止由稀土元素的注入所导致的薄膜结晶的劣化，并且可有效解决由电性能劣化所导致的LED性能的劣化，从而可实现具有高性能的单芯片白色LED。
此外，实施方案的LED未使用常规荧光物质，所以可防止由于使用荧光物质所导致的问题并且可使氮化物半导体LED的工业应用领域显著地多样化。
<第二实施方案>
图6是显示根据第二实施方案的LED的截面图。
根据第二实施方案的LED可包括：导电衬底200a、在导电衬底200a上形成的第一导电半导体层210、有源层220和第二导电半导体层230。粗糙结构R在导电衬底200a的一部分处形成，稀土元素注入层215在具有粗糙结构R的导电衬底200a中形成。
根据第二实施方案，稀土元素可以部分注入导电衬底的表面中并且第一电极层在高品质导电衬底上形成，所以可防止由稀土元素的注入所导致的薄膜结晶的劣化，并且可有效解决由电性能劣化所导致的LED性能的劣化，从而可实现具有高性能的单芯片白色LED。
根据第二实施方案，可使用导电衬底，粗糙结构可在导电衬底的一部分上形成，并且可形成稀土元素注入层。
以下，将参考图6～8集中在与第一实施方案的差异上来描述制造根据第二实施方案的LED的方法。第二实施方案可采用第一实施方案的一些技术特性。
首先，如图7中所示，可以准备导电衬底200a。导电衬底200a具有优异的导电性并且在可见光范围内是透明的。导电衬底200a可包括：包含GaN、氧化镓Ga2O3、氧化锌ZnO、碳化硅SiC、和金属氧化物等的单晶衬底或者多晶衬底。
然后，与第一实施方案类似，第一导电半导体层210、有源层220、第二导电半导体层230和第二电极层240可在导电衬底200a上形成。第二电极层240可包括第二欧姆层(未显示)、反射层(未显示)等。
然后，可以部分移除导电衬底200a的下部(当在图8中观察时，其为导电衬底200a的上部)。例如，对导电衬底200a的下表面实施抛光工艺。通过抛光工艺减薄的导电衬底200a的厚度可根据半导体器件所应用的产品而改变。例如，可对厚度为约400μm～约500μm的导电衬底200a进行抛光工艺，使得导电衬底200a可具有约70μm～约100μm的厚度。然而，本公开不限于此。
如果氮化物半导体薄膜通过薄膜生长设备在高温下在导电衬底200a上形成，则导电衬底200a的下表面的结晶状态可由于高的薄膜生长温度和反应气体而劣化。在这点上，如果抛光导电衬底200a的下表面，则可改善LED的电性能。
然后，可在导电衬底200a的一部分上形成粗糙结构R，稀土元素可以注入具有粗糙结构R的导电衬底200a中以形成稀土元素注入层215。例如，在高品质导电衬底200a上形成具有预定形状的第四图案(未显示)，该导电衬底200a以其中移除导电衬底200a的下部的状态而暴露，通过使用第四图案作为蚀刻掩模蚀刻导电衬底200a，然后通过使用第四图案作为离子注入掩模注入稀土元素。然而，本公开不限于此。
此外，可以在导电衬底200a的一部分上形成粗糙结构R之前，形成稀土元素注入层215。
根据第二实施方案，稀土元素可以部分注入导电衬底的表面中，并且在高品质导电衬底上形成第一电极层，所以可防止由稀土元素的注入所导致的薄膜结晶的劣化，并且可有效解决由电性能劣化所导致的LED性能的劣化，从而可实现具有高性能的单芯片白色LED。
然后，可以移除第四图案，并且可以在导电衬底200a的没有粗糙结构R的预定区域上形成第一电极250。第一电极250可包括第一欧姆层(未显示)、反射层(未显示)、和第一电极(未显示)等。
根据第二实施方案，第一电极层250在没有稀土元素并且具有优异导电性的高品质导电衬底200a上形成，从而可改善LED的电性能。
根据第二实施方案，稀土元素可以部分注入导电衬底的表面中并且第一电极层在高品质导电衬底上形成，所以可防止由稀土元素注入所导致的薄膜结晶的劣化，并且可有效解决由电性能劣化所导致的LED性能的劣化，从而可实现具有高性能的单芯片白色LED。
此外，该实施方案的LED未使用常规荧光物质，所以可防止由于使用荧光物质所导致的问题并且可使氮化物半导体LED的工业应用领域显著多样化。
<第三实施方案>
图9是显示根据第三实施方案的LED的截面图。
根据第三实施方案的LED可包括：第一导电半导体层110、有源层120、第二导电半导体层130和第二电极层140，第二电极层140包括第二欧姆层142、反射层(未显示)、耦合层(未显示)和第二衬底144。
第三实施方案可包括未掺杂的半导体层105。
在未掺杂的半导体层105的第一区域中形成粗糙结构R，稀土元素注入层115在具有粗糙结构R的未掺杂的半导体层105中形成。
并且可以移除未掺杂的半导体层105的第二区域(101)，以暴露第一导电半导体层110。第一电极层150可在暴露的第一导电半导体层110上形成。
在本说明书中对于“一个实施方案”、“实施方案”、“实例性实施方案”等的任何引用表示结合所述实施方案描述的具体特征、结构或者特性均包含于本公开的至少一个实施方案中。这种措辞在本说明书中不同位置的出现不必都指的是相同的实施方案。此外，当结合任何实施方案描述具体的特征、结构或者特性时，本领域技术人员能够将这些特征、结构或者特性与所述实施方案的其它特征、结构或者特性相结合。
虽然已经参考许多说明性实施方案描述了实施方案，但是应理解本领域技术人员可设计出许多其它改变和实施方案，它们也将落入本公开原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，对象组合布置的构件和/或布置的各种变化和改变也是可能的。除了构件和/或布置的改变和变化之外，替代的用途对于本领域技术人员也是明显的。
Claims (20)
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；
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在所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层之间；和
在所述第一导电半导体层的一部分中的稀土元素注入层。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述稀土元素注入层在所述第一导电半导体层的表面部分中。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述稀土元素注入层包括选自Er、Eu、Pr、Tb、Dy、Ce、Sm、Gd、Ho、Yb、Lu、Nd、Pm和Tm中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的发光器件，还包括在所述第一导电半导体层的未形成所述稀土元素注入层的区域上的第一电极层。
5.根据权利要求4所述的发光器件，其中所述第一电极层包括：
在所述第一导电半导体层上的反射层；和
在所述反射层上的第一电极。
6.根据权利要求5所述的发光器件，其中所述反射层包括欧姆层。
7.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。
8.根据权利要求7所述的发光器件，其中所述第二电极层包括第二欧姆层、反射层、耦合层和第二衬底中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一导电半导体层包括光子晶体结构。
10.根据权利要求9所述的发光器件，其中所述稀土元素注入层形成在所述第一导电半导体层的光子晶体结构中。
11.一种发光器件，包括：
有源层；
在所述有源层上的第一导电半导体层；
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在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导电衬底；和
在所述导电衬底中的稀土元素注入层。
12.根据权利要求11所述的发光器件，其中所述导电衬底包括单晶衬底或者多晶衬底，所述单晶衬底或者多晶衬底包括选自氮化镓、氧化镓、氧化锌、碳化硅和金属氧化物中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的发光器件，还包括在所述导电衬底的一部分上形成的光子晶体结构。
14.根据权利要求13所述的发光器件，其中所述稀土元素注入层部分地形成在包括所述光子晶体结构的所述导电衬底中。
15.根据权利要求11所述的发光器件，还包括在所述导电衬底的未形成所述稀土元素注入层的区域上的第一电极层。
16.根据权利要求15所述的发光器件，其中所述第一电极层包括：
在所述第一导电半导体层上的反射层；和
在所述反射层上的第一电极。
17.根据权利要求16所述的发光器件，其中所述反射层包括欧姆层。
18.根据权利要求11所述的发光器件，其中所述稀土元素注入层在所述导电衬底的表面部分中。
19.根据权利要求11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。
20.根据权利要求19所述的发光器件，其中所述第二电极层包括第二欧姆层、反射层、耦合层和第二衬底中的至少一个。
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