CN101840982A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体发光器件。所述半导体发光器件包括：第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层上的有源层和在所述有源层上的第二导电半导体层，其中在所述第二导电半导体层的顶表面上形成图案化的粗糙结构。

Description

半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明的实施方案涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
III-V族氮化物半导体由于其物理和化学特性而广泛地被用作发光器件例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的主要材料。
通常，III-V族氮化物半导体包括具有InxAlyGa1-x-yN(其中0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。利用氮化物半导体材料的LED或LD主要用于发光器件以提供光。例如，LED或LD用作各种产品例如移动电话的键盘发光部分、电子公告板和照明设备的光源。
发明内容
本发明的实施方案提供半导体发光器件及其制造方法，其能够改善光提取效率。
根据本发明一个实施方案的半导体发光器件包括：第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层上的有源层和在所述有源层上的第二导电半导体层，其中在所述第二导电半导体层的顶表面上形成图案化的粗糙结构。
根据本发明一个实施方案的制造半导体发光器件的方法包括：沉积第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层；在所述第二导电半导体层上形成金属层；通过对所述金属层进行热处理形成金属点层；和蚀刻所述金属点层和所述第二导电半导体层以在所述第二导电半导体层的表面上形成具有纳米尺寸的图案化的粗糙结构。
该实施方案可以改善光提取效率。
附图说明
图1是显示根据第一实施方案的半导体发光器件的截面图；
图2～6是显示制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的视图；和
图7是显示根据第二实施方案的半导体发光器件的截面图。
具体实施方式
在实施方案的说明中，应当理解，当称层(或膜)、区域、图案或结构称为在另一衬底、另一层(或膜)、另一区域、另一垫或另一图案“上/上方”或“下/下方”时，其可以“直接”或“间接”地位于所述另一衬底、层(或膜)、区域、垫或图案上或下，或者也可以存在一个或更多个中间层。参照附图描述这些层的位置。
出于方便或简洁的目的，附图中显示的每一层的厚度和尺寸可以被放大、省略或示意性地绘出。另外，元件的尺寸并不完全反映实际尺寸。
下文将参考附图描述实施方案。
图1是显示根据第一实施方案的半导体发光器件的侧截面图。
参照图1，根据该实施方案的半导体发光器件100包括衬底110、未掺杂的半导体层112、第一导电半导体层120、有源层130、第二导电半导体层140、和透明电极层150。
衬底110可以包括透光性衬底，例如蓝宝石(AL2O3)衬底或玻璃衬底。另外，衬底110可以选自GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、GaAs和导电衬底。可以在衬底110的顶表面上形成凹凸图案。
未掺杂的半导体层112可以形成在衬底110上。未掺杂的半导体层112可以包括未掺杂的GaN层。缓冲层(未示出)可以置于衬底110和未掺杂的半导体层112之间。缓冲层可以减小衬底110与未掺杂的半导体层112之间的晶格常数的差。缓冲层可以由GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的至少一种形成。缓冲层和未掺杂的半导体层112中之一可以省略，或者缓冲层和未掺杂的半导体层112均可以省略。
第一导电半导体层120可以设置在未掺杂的半导体层112上。第一导电半导体层120可以包括掺杂有第一导电掺杂剂的N型半导体层。第一导电半导体层120可以包括化合物半导体，如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN。第一导电掺杂剂是选自Si、Ge、Sn、Se和Te的N型掺杂剂。
有源层130设置在第一导电半导体层120上。有源层130可以具有单量子阱结构或多量子阱结构。例如，有源层130可具有包括InGaN阱层/GaN势垒层的单量子阱结构或多量子阱结构。有源层130的量子阱层和量子势垒层的材料可以根据光的波带变化。可以在有源层130上和/或下设置覆层。
第二导电半导体层140设置在有源层130上。第二导电半导体层140可以包括掺杂有第二导电掺杂剂的P型半导体层。例如，第二导电半导体层140可以包括化合物半导体，例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlInN。第二导电掺杂剂是选自Mg、Be和Zn中的P型掺杂剂。
第一导电半导体层120、有源层130和第二导电半导体层140可以构成发光结构。可以在第二导电半导体层140上另外形成N型半导体层。发光结构可以包括N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构和P-N-P结结构中的至少一种。
图案化的粗糙结构145可以形成在第二导电半导体层140的顶表面上。图案化的粗糙结构145可以具有纳米尺寸。图案化的粗糙结构145可以随机地形成。由于图案化的粗糙结构145，从有源层发出的光或散射的光可以提取到外部而不进行全反射，即使光以大于临界角的入射角入射到第二导电半导体层140的顶表面上也是如此。即，图案化的粗糙结构145使光的入射角变化，使得光可以被提取到外部。假定第二导电半导体层140的顶表面平坦化，临界角是指从有源层130发出的并之后入射到第二导电半导体层140的顶表面以被提取到外部的光的最大角。即，临界角是指在具有平坦化表面的两个介质之间界面处的全反射角。例如，蓝宝石层和GaN层之间的临界角为约46°，GaN层和ITO层之间的临界角为约53.13°。
图案化的粗糙结构145的高度T为约0.1～20nm，图案化的粗糙结构145的节距D为约0.1～20nm。图案化的粗糙结构145可以具有锥形或任意形状。例如，图案化的粗糙结构145可具有圆锥形，多边锥形或任意锥形。
透明电极层150可以形成在第二导电半导体层140上。透明电极层150可以具有图案化的粗糙结构155，图案化的粗糙结构155对应于第二导电半导体层140的图案化的粗糙结构145。
例如，透明电极层150可以由选自ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、IZTO(氧化铟锌锡)、IAZO(氧化铟铝锌)、IGZO(氧化铟镓锌)、IGTO(氧化铟镓锡)、AZO(氧化铝锌)、ATO(氧化锑锡)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO的材料形成。该实施方案可以不限制用于透明电极层150的材料。
图2～6是显示制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的视图。
参考图2，在衬底110上形成未掺杂的半导体层112。在未掺杂的半导体层112上形成第一导电半导体层120，在第一导电半导体层120上形成有源层130。在有源层130上形成第二导电半导体层140。
衬底110可以包括选自蓝宝石(Al2O3)、GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、和GaAs的材料。可以在衬底110的顶表面上形成凹凸图案，但是实施方案不限于此。
可以在衬底110上生长氮化物半导体。在这种情况下，生长设备可以选自电子束蒸发器、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体激光沉积(PLD)、双型热蒸发器、溅射、和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。但是实施方案可以不限于该生长设备。
未掺杂的半导体层112形成在衬底110上。未掺杂的半导体层112可以包括未掺杂的GaN层。缓冲层(未示出)可以形成在衬底110和未掺杂的半导体层112之间。缓冲层和未掺杂的半导体层112中之一可以省略，或者缓冲层和未掺杂的半导体层112均可以省略。
例如，第一导电半导体层120是N型半导体层，第二导电半导体层是P型半导体层。第一导电半导体层120可以包括化合物半导体，如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlInN，并且掺杂有N型掺杂剂，例如Si、Ge、Sn、Se或Te。另外，第二导电半导体层140可以包括化合物半导体，例如GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlInN，并且掺杂有P型掺杂剂，例如Mg或Zn。
第一导电半导体层120、有源层130和第二导电半导体层140可以构成发光结构，并且可以在发光结构上和或下形成其它的半导体层。另外，发光结构可以包括N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构和P-N-P结结构中的至少一种。
参考图3，金属层142形成在第二导电半导体层140上。金属层132可以由选自Ni、Cr、Ag、Ti、Al、Pt、Au及其合金中的一种形成，但是实施方案可以不限制用于金属层142的材料。金属层142可具有约1nm～10μm的厚度，但是实施方案不限于此。
参考图3和4，对金属层142进行热处理工艺。热处理工艺可以根据金属材料而变化。在Ag的情况下，在300～500℃的温度下实施热处理工艺，在Ni的情况下，在600～900℃的温度下实施热处理工艺。
如图4中所示，通过热处理工艺可以在金属层142上形成金属点层142A。金属点层142A作为第二导电半导体层140的掩模图案。
作为金属掩模图案的金属点层142A的尺寸可以根据金属材料变化。在Ag的情况下，金属点层142A具有约100nm～3μm的厚度。在Ni的情况下，金属点层142A具有约1nm～20nm的厚度。在金属点层142A具有纳米尺寸时，金属点层142A非常有效。
参考图4，当已经形成金属点层142A时，通过将激光照射到金属点层142A上来蚀刻第二导电半导体层140的顶表面。激光可以包括不导致对半导体的损伤的准分子激光器。
随着通过利用准分子激光器进行蚀刻工艺，金属点层142A和第二导电半导体层140的表面(部分暴露)可以被蚀刻。当蚀刻金属点层142A时，由于第二导电半导体层140的材料使得可出现蚀刻深度的差异。因此，如图5所示，在第二导电半导体层140的表面上形成具有纳米尺寸的图案化的粗糙结构145。
即，具有纳米尺寸的图案化的粗糙结构145形成在第二导电半导体层140的表面上。可以通过蚀刻工艺去除剩余的金属点层142A。
图案化的粗糙结构145具有约0.1～20nm的节距D和高度T。图案化的粗糙结构145具有圆锥形、多边形锥形、任意锥形或任意形状。
参考图6，透明电极层150形成在第二导电半导体层140上。透明电极层150可以由选自ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、IZTO(氧化铟锌锡)、IAZO(氧化铟铝锌)、IGZO(氧化铟镓锌)、IGTO(氧化铟镓锡)、AZO(氧化铝锌)、ATO(氧化锑锡)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种形成。实施方案可以不限制用于透明电极层150的材料。
可以在透明电极层150上形成图案化的粗糙结构155，图案化的粗糙结构155对应于第二导电半导体层140的图案化的粗糙结构145。
根据该实施方案，在第一导电半导体层120上形成第一电极，和通过台面蚀刻工艺在第二导电半导体层140和/或透明电极层150上形成具有预定图案的第二电极。
在这种半导体发光器件中，从有源层130发射的光或者散射的光可以入射到第二导电半导体层140的图案化的粗糙结构145中。即，由于第二导电半导体层140的图案化的粗糙结构145，从有源层130发出的光或者散射的光可以被提取到外部而不进行全反射，即使光以大于临界角的入射角入射到第二导电半导体层140的顶表面上也是如此。即，图案化的粗糙结构145改变了光的入射角，使得光可以被提取到外部。假定第二导电半导体层140的顶表面平坦化，临界角是指从有源层130发出的并之后入射到第二导电半导体层140的顶表面以提取到外部的光的最大角。即，临界角是指在具有平坦化表面的两个介质之间界面处的全反射角。例如，蓝宝石层和GaN层之间的临界角为约46°，GaN层和ITO层之间的临界角为约53.13°。
图7是表示根据第二实施方案的半导体发光器件的截面图。
参考图7，根据第二实施方案的半导体发光器件100A包括未掺杂的半导体层112、第一导电半导体层120、有源层130、第二导电半导体层140、第三导电半导体层147和透明电极层150。
第三导电半导体层147形成在第二导电半导体层140上并且包括掺杂有第一导电掺杂剂的至少一个半导体层。例如，第三导电半导体层147包括选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的至少一种。第一导电掺杂剂可以包括N型掺杂剂。
如果第一导电半导体层120是N型半导体层，则第三导电半导体层147是N型半导体层。相反，如果第一导电半导体层120是P型半导体层，则第三导电半导体层147是P型半导体层。
透明电极层150形成在第三导电半导体层147上。透明电极层150可以使输入电流扩散以均匀分布。
在第二导电半导体层140、第三导电半导体层147和透明电极层150上形成具有纳米尺寸的图案化的粗糙结构145、148和155，使得具有纳米尺寸的图案化粗糙结构构成为三重结构。具有纳米尺寸的图案化粗糙结构可以改善光提取效率。
尽管参考多个说明性实施方案描述了一些实施方案，但是应理解本领域技术人员可知道的多个其它变化和实施方案在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/或布置中能够有多种变化和改变。除了构件和/或布置中的变化和改变之外，可替代的用途对于本领域技术人员而言也是明显的。
实施方案可应用于发光器件以提供光。

Claims (15)

1.一种半导体发光器件，包括：
第一导电半导体层；
在所述第一导电半导体层上的有源层；和
在所述有源层上的第二导电半导体层，其中在所述第二导电半导体层的顶表面上形成有图案化的粗糙结构。
2.根据权利要求1的半导体发光器件，其中所述图案化的粗糙结构具有0.1～20nm的高度和0.1～20nm的节距。
3.根据权利要求1的半导体发光器件，还包括沿所述图案化的粗糙结构设置在所述第二导电半导体层上的第三导电半导体层。
4.根据权利要求1的半导体发光器件，还包括沿所述图案化的粗糙结构设置在所述第二导电半导体层上的透明电极层。
5.根据权利要求4的半导体发光器件，其中所述透明电极层包括选自ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、IZTO(氧化铟锌锡)、IAZO(氧化铟铝锌)、IGZO(氧化铟镓锌)、IGTO(氧化铟镓锡)、AZO(氧化铝锌)、ATO(氧化锑锡)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。
6.根据权利要求1的半导体发光器件，其中所述图案化的粗糙结构包括锥形。
7.一种制造半导体发光器件的方法，所述方法包括：
沉积第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层；
在所述第二导电半导体层上形成金属层；
通过对所述金属层进行热处理形成金属点层；和
蚀刻所述金属点层，以在所述第二导电半导体层的表面上形成具有纳米尺寸的图案化的粗糙结构。
8.根据权利要求7的方法，其中所述金属点层的蚀刻通过照射激光来实施。
9.根据权利要求8的方法，其中所述激光包括准分子激光。
10.根据权利要求7的方法，其中所述金属层包括选自Ni、Cr、Ag、Ti、Al、Pt、Au及其合金中的至少一种。
11.根据权利要求7的方法，其中所述图案化的粗糙结构具有0.1～20nm的高度和0.1～20nm的节距。
12.根据权利要求7的方法，还包括沿所述图案化的粗糙结构在所述第二导电半导体层上形成第三导电半导体层。
13.根据权利要求7的方法，还包括沿所述图案化的粗糙结构在所述第二导电半导体层上形成透明电极层。
14.根据权利要求13的方法，其中所述透明电极层包括选自ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、IZTO(氧化铟锌锡)、IAZO(氧化铟铝锌)、IGZO(氧化铟镓锌)、IGTO(氧化铟镓锡)、AZO(氧化铝锌)、ATO(氧化锑锡)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种。
15.根据权利要求7的方法，其中所述图案化的粗糙结构包括锥形。
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