CN101790801B - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件，包括：第二导电型半导体层；在所述第二导电型半导体层上的有源层；在所述有源层上的第一导电型半导体层；和在所述第一导电型半导体层上的非导电半导体层，所述非导电半导体层包括光提取结构。

Description

发光器件及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种发光器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是将电流转化成光的半导体发光器件。
由LED发出的光的波长根据制造LED所用的半导体材料来确定。这是因为发出的光的波长对应于所述半导体材料的带隙，所述带隙定义为价带中的电子与导带中的电子之间的能量差。
最近，LED的亮度逐渐增强，LED被用作显示器的光源、车辆的光源和照明的光源。另外，通过使用磷光体材料或者将具有不同颜色的LED结合，可以实现发白光的高效率LED。
同时，LED的亮度取决于各种条件，如有源层的结构、能将光有效地提取到外部的光提取结构、芯片尺寸以及包围LED的模制元件的种类。
发明内容
技术问题
实施方案提供一种具有新结构的发光器件及其制造方法。
实施方案还提供一种具有增强的光提取效率的发光器件及其制造方法。
技术方案
在一个实施方案中，一种发光器件包括：第二导电型半导体层；在所述第二导电型半导体层上的有源层；在所述有源层上的第一导电型半导体层；和在所述第一导电型半导体层上的非导电半导体层，所述非导电半导体层包括光提取结构。
在一个实施方案中，一种发光器件包括：第二导电型半导体层；在所述第二导电型半导体层上的有源层；在所述有源层上的第一导电型半导体层；在所述第一导电型半导体层上的非导电半导体层；和在所述非导电半导体层上的包括光提取结构的光提取层。
在一个实施方案中，一种制造发光器件的方法包括：在衬底上形成非导电半导体层；在非导电半导体层上形成第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；在所述第二导电型半导体层上形成第二电极层；移除衬底；和在非导电半导体层上形成光提取结构。
有益效果
实施方案可提供一种具有新结构的发光器件及其制造方法。
并且，实施方案可提供一种具有增强的光提取效率的发光器件及其制造方法。
附图说明
图1是说明根据第一实施方案的横向型发光器件的视图。
图2是说明根据第二实施方案的垂直型发光器件的视图。
图3～7是说明在平面中具有孔结构或柱结构的单元图案的排列的视图。
图8～10是显示当改变图2中所示垂直型发光器件的结构因子时光提取效率的模拟结果图。
图11～14是说明根据第三实施方案的发光器件及其制造方法的视图。
图15和16是说明根据第四实施方案的发光器件及其制造方法的视图。
图17和18是说明根据第五实施方案的发光器件及其制造方法的视图。
发明模式
现在将详细参考本发明公开的实施方案，其中实施例结合附图来说明。
对本领域技术人员显而易见的是可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明中进行各种修改和改变。因此，本发明旨在包含对本发明的修改和改变，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内即可。
在全部附图中相同的附图标记表示相同的要素。在图中，为清楚起见，将层、膜、区域等的厚度进行了放大。
在下述说明中，应理解当层(或膜)称为在另一层或衬底“上”或“下”时，其可以直接在所述另一层或衬底上或下，或者也可以存在中间层。另外，应理解当构成要素如“表面”称为“内部”时，是指该表面比其他构成要素更加远离器件的外侧。
还应理解，附图中的构成要素的方位并不是限制性的。另外，当提到“直接”时，是指不存在中间构成要素。措辞“和/或”是指相关构成要素的一个或更多个或者组合都是可能的。
图1是说明根据第一实施方案的横向型发光器件的视图。图2是说明根据第二实施方案的垂直型发光器件的视图。
参考图1，横向型发光器件包括：衬底10、在衬底10上的未掺杂的氮化镓(GaN)层24、在未掺杂的GaN层24上的发光半导体层20、和在发光半导体层20上的欧姆接触层30。
发光半导体层20包括：第一导电型半导体层23、有源层22和第二导电型半导体层21。发光半导体层20可由GaN基材料形成。
此处，如果第一导电型半导体层23是n型半导体层，则第二导电型半导体层21可以是p型半导体层。或者，如果第一导电型半导体层23是p型半导体层，则第二导电型半导体层21可以是n型半导体层。
另外，在第一导电型半导体层23上可形成第一电极层110，并且在欧姆接触层30上可以形成第二电极层120。
在衬底10上生长包括未掺杂的GaN层24和发光半导体层20的GaN基材料层。例如，衬底10可以使用折射率低于GaN基材料层的蓝宝石衬底。由于GaN基材料层具有约5μm的厚度，所以其可以认为是具有各种较高模式的波导结构。
在横向型发光器件中，为将电流均匀供给至有源层22的整个区域并且减小第二电极层120和第二导电型半导体层21之间的电阻，在第二导电型半导体层21上形成欧姆接触层30。例如，欧姆接触层30可包括由氧化铟锡(ITO)等形成的透明电极。
同时，当通过形成孔结构或柱结构将光子晶体40引入横向型发光器件时，最大可蚀刻深度等于欧姆接触层30和第二导电型半导体层21的厚度的总和。
欧姆接触层30和第二导电型半导体层21的厚度的总和为100nm～300nm。因此，可蚀刻深度限制为100nm～300nm，使得难以形成具有良好光提取效率的光子晶体40。
参考图2，垂直型发光器件包括：第二电极层50和在第二电极层50上的发光半导体层20。
发光半导体层20包括：第一导电型半导体层23、有源层22和第二导电型半导体层21。尽管未示出，第一电极层可以在第一导电型半导体层23上形成，以与第二电极层50一起对有源层22供电。
在垂直型发光器件中，在衬底上形成GaN基材料层，之后通过激光吸收法移除衬底。在第二导电型半导体层21下形成具有多层薄膜的第二电极层50。此处，第二电极层50可以同时用作反射层和电极。
例如，第二电极层50可具有配置有欧姆接触层、反射层和导电衬底的多层结构，或者可以包括金属如镍(Ni)和银(Ag)。
在垂直型发光器件中，通过移除衬底形成第二电极层50，这与横向型发光器件不同。
因此，由于电流在垂直型发光器件中垂直流动，所以电流很可能到达有源层22，还有利的是热量易于通过第二电极层50释放。
另外，垂直型发光器件具有的有利优点是：易于引入使光提取效率提高的光子晶体40，这是因为在有源层22上设置有第一导电型半导体层23。
即，在有源层22上形成的n型GaN层比p型GaN层厚，因此当引入光子晶体40时最大可蚀刻深度大。
由于光提取效率与光子晶体中的蚀刻深度通常成比例直到饱和，所以最大可蚀刻深度大的事实提供了对形成光子晶体40较小限制的优点。
另外，垂直型发光器件具有以下特性：有源层22与第二电极层50之间的距离比有源层22发出的光的波长短。换言之，垂直型发光器件具有以下特性：第二导电型半导体层21的厚度小于光的波长。
由于有源层22设置在第二电极层50的附近，所以利用第二电极层50的反射行为能够控制辐射图案，并且也能够改善光提取效率。
同时，光提取效率与衍射效率密切相关。例如，衍射效率可以由于具有孔结构或柱结构的光子晶体40中的单元图案的栅格常数而改变，例如结构因子如单元图案的尺寸(直径)、单元图案的深度或高度、和平面中单元图案的排列。
图3～7是说明在平面上具有孔结构或柱结构的单元图案的排列的视图。
图3说明多个单元图案41以长方形栅格形状排列。图4说明多个单元图案41以三角形栅格形状排列。图5说明多个单元图案41以阿基米德栅格形状排列。图6说明多个单元图案41伪随机地排列，其中多个单元图案41之间的平均距离是恒定的。图7说明多个单元图案41是随机排列的。
如图3～7中所示的平面中单元图案41的排列影响衍射效率，导致光提取效率的改变。
图8～10是显示当改变图2中所示垂直型发光器件的结构因子时光提取效率的模拟结果图。
参考图8，在半径为250nm和深度为225nm的孔用作单元图案41的条件下，当单元图案41之间的距离即栅格常数改变时，可观察到在约800nm可以获得最大光提取效率。此时，光提取效率的相对提高最大为约2倍。
参考图9，在蚀刻深度为225nm和栅格常数(a)为800nm的孔用作单元图案41的条件下，当孔半径改变时，可观察到：如果孔半径为0.325a～0.40a，则光提取效率极好，在约0.35a可以获得最大光提取效率。此时，光提取效率的相对提高最大为约2.4倍。
参考图10，在半径为0.25a的孔用作单元图案的条件下，当蚀刻深度和栅格常数(a)改变时，可观察到：在600nm下，光提取效率极好而与蚀刻深度无关；但是在1400nm下，光提取效率在蚀刻深度为450nm～900nm时极好。
由于在图1的横向型发光器件中蚀刻深度限制为100nm～300nm，所以当栅格常数为1000nm或更大时光提取效率会降低。但是，在图2的垂直型发光器件中孔的蚀刻深度可增加至450nm或更大，因此尽管栅格常数(a)改变，但是光提取效率并没有显著下降。
在具有各种结构的其他垂直型发光器件中也可以获得与前述模拟结果类似的结果。
图11～14是说明根据第三实施方案的发光器件及其制造方法的视图。
参考图11，在衬底10上形成非导电半导体层24、发光半导体层20和第二电极层50。
发光半导体层20包括：第一导电型半导体层23、有源层22和第二导电型半导体层21。
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可由钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和钨(W)中的至少一种形成。反射层52可由包括Ag、铝(Al)、铜(Cu)和Ni中的至少一种的金属形成。欧姆接触层51可包括透明电极层。例如，欧姆接触层51可由ITO、ZnO、RuOx、TiOx和IrOx中的至少一种形成。
非导电半导体层24是指由电导率低于第一和第二导电型半导体层23和21的材料所形成的半导体层。例如，非导电半导体层24可以是未掺杂的GaN层。
参考图12，从非导电半导体层24移除衬底10。例如，通过激光吸收法移除衬底10。
参考图13，可选择性地移除非导电半导体层24和第一导电型半导体层23，由此沿向上方向暴露一部分第一导电型半导体层23。然后，在第一导电型半导体层23的该暴露部分上形成第一电极层60。
在非导电半导体层24的上表面上形成光子晶体40。此处，光子晶体40是包括可提高光提取效率的各种形状图案的光提取结构。
光子晶体40通过以孔或柱的形式选择性地蚀刻非导电半导体层24的上表面来形成。
当形成看孔或柱时，如果蚀刻非导电半导体层24到λ/n或更大的深度时，光提取效率可以进一步提高。此处，n表示非导电半导体层24的折射率，λ表示由有源层22发出的光的波长。蚀刻深度即λ/n或更大，也适用于其他实施方案。
在第三实施方案中，光子晶体40在非导电半导体层24上形成，而设置于第一导电型半导体层23与衬底10之间的非导电半导体层24不被移除。
非导电半导体层24具有500nm～2000nm的厚度，以使得可以形成具有不同蚀刻深度的单元图案。
图14是图13的发光器件的平面图，说明光子晶体40和第一电极层60的形状和排列。
尽管未示出，但是当薄薄地形成非导电半导体层24时，通过选择性地蚀刻非导电半导体层24和第一导电型半导体层23也能够形成光子晶体40。
图15和16是说明根据第四实施方案的发光器件及其制造方法的视图。在第四实施方案中，将与第三实施方案中相重复的描述省略。
在根据图15和16的第四实施方案的发光器件中，移除衬底10，然后在非导电半导体层上形成光提取层25和26，如图12中所示。
选择性地移除光提取层25和26、非导电半导体层24和第一导电型半导体层23，从而形成第一电极60。
此外，选择性地蚀刻光提取层25和26的上表面以形成光子晶体40。
光提取层25和26可以由折射率等于或大于非导电半导体层24的折射率的材料形成。例如，光提取层25和26可由TiO2或Si3N4形成。
当光提取层25和26的折射率高于非导电半导体层24的折射率时，可以进一步改善光提取效率。由于光提取层25和26在非导电半导体层24上形成，所以它们不影响发光器件的电学性能。
图15说明光子晶体40形成为孔形，图16说明光子晶体40形成半球形。
尽管未示出，但是当薄薄地形成光提取层25和26时，通过选择性地蚀刻光提取层25和26和非导电半导体层24可以形成光子晶体40。
图17和18是说明根据第五实施方案的发光器件及其制造方法的截面图。在第五实施方案中，将与第四实施方案中重复的描述省略。
在根据图17的第五实施方案的发光器件中，移除衬底10，然后在非导电半导体层上形成第一和第二光提取层27和28，如图12中所示。
选择性地移除第一光提取层27、第二光提取层28、非导电半导体层24和第一导电型半导体层23，从而形成第一电极60。此外，选择性地蚀刻第一和第二光提取层27和28的上表面以形成光子晶体40。
在图18的发光器件中，移除衬底10和非导电半导体层24之后，然后在第一导电型半导体层23上形成第一和第二光提取层27和28。
选择性地移除第二光提取层28、第一光提取层27和第一导电型半导体层23，从而形成第一电极60。此外，选择性地蚀刻第一和第二光提取层27和28的上表面以形成光子晶体40。
图17和18中所示的第一和第二光提取层27和28可以是不导电的。第一光提取层27具有第一折射率，第二光提取层28具有小于第一折射率的第二折射率。
第一光提取层27的第一折射率等于或大于第一导电型半导体层23和非导电半导体层24的折射率。
例如，第一光提取层27可由TiO2或Si3N4形成。第二光提取层可由SiO2形成。
尽管在图17和18的实施方案中公开了光子晶体40通过蚀刻具有不同折射率的两种光提取层来形成，但是光子晶体40可以通过同时蚀刻三种或更多种光提取层来形成。
在第五实施方案中，在第一导电型半导体层23上形成具有第一折射率的第一光提取层27和具有第二折射率的第二光提取层28，从而可以进一步改善光提取效率。
尽管实施方案通过参考大量示例性实施方案进行了描述，但是应该理解本领域技术人员可以设计其他很多的修改和实施方案，这些都将落在本发明原理的精神和范围内。更具体地，在公开、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。
工业应用性
根据上述实施方案的发光器件可用作各种电子器件以及照明设备的光源。

Claims (9)

1.一种发光器件，包括：
第二导电型半导体层；
在所述第二导电型半导体层上的有源层；
在所述有源层上的第一导电型半导体层；
在所述第一导电型半导体层上的非导电半导体层，所述非导电半导体层包括光提取结构；和
在所述第二导电型半导体层下的第二电极层，
在所述第一导电型半导体层上的第一电极层；
其中所述第二电极层包括：在所述第二导电型半导体层下的欧姆接触层；在所述欧姆接触层下的反射层；和在所述反射层下的导电衬底，
其中所述光提取结构包括从所述非导电半导体层的上表面以预定深度蚀刻的区域，
其中所述蚀刻的区域的深度具有λ/n或更大的深度，其中n为所述非导电半导体层的折射率，λ为从所述有源层发出的光的波长，
其中所述第一电极层是在其中选择性地移除所述非导电半导体层和所述第一导电型半导体层的区域中形成的，
其中所述有源层与所述第二电极层之间的距离比从所述有源层发出的光的波长短，
其中所述非导电半导体层是未掺杂的GaN层并且具有500nm～2000nm的厚度，
其中所述光提取结构形成为孔或柱的形状，
其中构成所述光提取结构的孔的半径为0.325a～0.40a，其中a定义为所述光提取结构的栅格常数并且为800nm，其中蚀刻深度为225nm。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第二导电半导体层、所述有源层和所述第一导电半导体层由GaN基材料形成。
3.根据权利要求2所述的发光器件，其中所述第一导电半导体层为n型半导体层并且所述第二导电半导体层为p型半导体层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的发光器件，其中所述光提取结构是通过选择性地蚀刻所述非导电半导体层和所述第一导电型半导体层形成的。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的发光器件，其中所述光提取结构是光子晶体。
6.一种发光器件，包括：
第二导电型半导体层；
在所述第二导电型半导体层上的有源层；
在所述有源层上的第一导电型半导体层；
在所述第一导电型半导体层上的非导电半导体层；
在所述非导电半导体层上的包括光提取结构的第一光提取层；
在所述第一光提取层上的包括光提取结构的第二光提取层；
在所述第一导电型半导体层上的第一电极层；和
在所述第二导电型半导体层下的第二电极层，
其中所述第二电极层包括：在所述第二导电型半导体层下的欧姆接触层；和在所述欧姆接触层下的反射层，
其中所述第二光提取层具有小于所述第一光提取层的第一折射率的第二折射率，
其中所述第一光提取层由具有等于或大于所述第一导电型半导体层和所述非导电半导体层的折射率的第一折射率的材料形成，
其中所述第一电极层是在其中选择性地移除所述第一和第二光提取层、所述非导电半导体层和所述第一导电型半导体层的区域中形成的，
其中所述第一导电半导体层为n型半导体层并且所述第二导电半导体层为p型半导体层，
其中所述第一光提取层和所述第二光提取层由非导电材料形成，
其中所述有源层与所述第二电极层之间的距离比从所述有源层发出的光的波长短，
其中所述非导电半导体层具有500nm～2000nm的厚度并且由未掺杂的GaN层形成，
其中构成所述光提取结构的孔的半径为0.325a～0.40a，其中a定义为所述光提取结构的栅格常数并且为800nm，其中蚀刻深度为225nm。
7.根据权利要求6所述的发光器件，其中所述第二电极层包括在所述反射层下的导电衬底。
8.根据权利要求6所述的发光器件，其中所述光提取结构的单元图案排列为长方形栅格形状、三角形栅格形状、阿基米德栅格形状、伪随机形状和随机形状中的至少一种形状。
9.一种制造发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成非导电半导体层；
在所述非导电半导体层上形成第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；
在所述第二导电型半导体层上形成第二电极层；
移除所述衬底；和
形成包括从所述非导电半导体层的上表面以预定深度选择性蚀刻的区域的光提取结构，
选择性地蚀刻所述非导电半导体层以暴露所述第一导电型半导体层；和
在暴露区域形成第一电极层，
其中所述第二电极层包括：在所述第二导电型半导体层下的欧姆接触层；在所述欧姆接触层下的反射层；和在所述反射层下的导电衬底，
其中从所述非导电半导体层的上表面的所述蚀刻的区域的深度具有λ/n或更大的深度，其中n为所述非导电半导体层的折射率，λ为光的波长，
其中所述第二导电半导体、所述有源层和所述第一导电半导体层由GaN基材料形成，
其中所述非导电半导体层是未掺杂的GaN层，
其中所述非导电半导体层具有500nm～2000nm的厚度，
其中所述第一导电半导体层为n型半导体层并且所述第二导电半导体层为p型半导体层，
其中所述有源层与所述第二电极层之间的距离比从所述有源层发出的光的波长短，
其中构成所述光提取结构的孔的半径为0.325a～0.40a，其中a定义为所述光提取结构的栅格常数并且为800nm，其中蚀刻深度为225nm。
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