CN101877379B - 发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种发光器件，包括：发光结构，其具有第一导电半导体层、在第一导电半导体层下方设置的有源层、和在有源层下方设置的第二导电半导体层；在发光结构的一部分中形成的沟槽；在沟槽中的电流阻挡层并且设置为阻止电流供给至其中存在沟槽的部分处的有源层并且阻挡在沟槽上方的有源层发光；和在其中存在沟槽的部分上方的第一导电半导体层上的第一电极。
Description
技术领域
本公开涉及一种发光器件。
背景技术
发光器件包括将电能转化为光能的P-N结二极管。所述二极管通过将元素周期表上的III族和V族元素结合而形成。通过控制化合物半导体的组成比，发光器件也可发出各种颜色。
更具体地，当施加正向电压时，n-层的电子与p-层的空穴复合，以放出对应于导带和价带之间的能隙的能量。然后该能量作为光发出。
此外，例如氮化物半导体由于它们具有高的热稳定性和宽的能隙，所以正在考虑将其用于光学器件和高功率电子器件的领域中。特别地，使用氮化物半导体的蓝色LED、绿色LED和UV LED是可得到的。此外，发光器件可分类为水平型和垂直型。
而且，在相关技术的垂直发光器件的上方/下方分别设置N-型电极和P-型电极。在这种情况下，分别通过N-型电极和P-型电极注入的电子和空穴进入有源层，并且彼此复合以产生光。所产生的光然后发出至外部或者被N-型电极反射并损失。
因此，相关技术的发光器件的限制在于：因为在N-型电极下方发出的光被N-型电极反射，所以发光效率降低。而且，相关技术发光器件的限制在于：由于被N-型电极反射的光的再吸收，所以产生过量的热。而且，相关技术发光器件的限制在于：由于电流拥挤(current crowding)，所以导致寿命和可靠性劣化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是解决上述及其它问题。
本发明的另一个目的是提供能够增强光提取效率以及电流分布效率的发光器件。
为实现这些及其他优点并且根据本发明的目的，如本文所包括并且广泛描述的那样，本发明一方面提供一种发光器件，包括：发光结构，其具有第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层下方设置的有源层、以及在所述有源层下方设置的第二导电半导体层；在所述发光结构的一部分中的沟槽；在所述沟槽中的电流阻挡层，并且所述电流阻挡层设置为阻止电流供给至沟槽所在的部分处的有源层并且阻挡所述沟槽上方的有源层发光；以及在沟槽所在的部分上方的所述第一导电半导体层上的第一电极。
通过以下给出的详细说明，将使得本发明的可应用性的其它范围变得明显。然而，应理解详细描述和具体的实例虽然表示本发明的优选实施方案，但是给出它们仅仅是作为示例性的，这是因为对于本领域技术人员来说，通过这些详细的描述，可在本发明的精神和范围内明显地做出各种改变和变化。
附图说明
通过以下给出的详细描述和附图，可更全面地理解本发明，附图仅是示例性地给出的，因此不限制本发明，其中：
图1是说明根据本发明一个实施方案的发光器件的横截面图；和
图2～8是说明制造根据本发明一个实施方案的发光器件的方法的横截面图。
具体实施方式
现在将详细说明本公开的实施方案，在附图中对其实例进行说明。
图1是说明根据本发明一个实施方案的发光器件的横截面图。如图所示，发光器件包括：第一导电半导体层110、有源层120、第二导电半导体层130、电流阻挡层140、反射层150、衬底160和第一电极170。
此外，在通过移除一部分发光结构制成的沟槽T中形成电流阻挡层140。在第二导电半导体层130上还可设置第二电极。此外，电流阻挡层140可包括介电层、扩散层和离子注入层中的至少一个。
根据本发明一个实施方案的发光器件通过有效控制电流流动提高光提取效率，并且通过利用电流分布来提高器件可靠性。具体地，根据本发明一个实施方案的发光器件通过在对应于第一电极的位置处形成电流阻挡层、沟槽和粗糙结构区域来提高光提取效率，并且因此提高光输出功率。
以下，将参考图2～8描述根据本发明一个实施方案的制造发光器件的方法。
发光器件可由例如GaN、GaAs、GaAsP和GaP材料形成。例如，绿色-蓝色LED可由GaN(InGaN)形成，黄色到红色LED可由InGaAlP和AlGaAs形成。然后根据材料组成可实现全色。
首先，如图2中所示，准备第一衬底100。第一衬底100可为例如蓝宝石(Al2O3)衬底和SiC衬底。还可对第一衬底100实施湿清洗工艺以移除其表面上的杂质。
然后，在第一衬底100上形成第一导电半导体层110。例如，第一导电半导体层110可通过利用化学气相沉积(CVD)工艺、分子束外延(MBE)工艺、溅射工艺或者氢化物气相外延(HVPE)工艺形成N-型GaN层来形成。第一导电半导体层110还可通过注入三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)、氮气(N2)和包含N-型杂质例如硅(Si)的硅烷气体(SiH4)到腔室中来形成。
在一个实施方案中，在第一衬底100上可形成未掺杂的半导体层，然后在未掺杂的半导体层上可形成第一导电半导体层110。例如，在第一衬底100上可形成未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层上可形成N-型GaN层110。
然后，在第一导电半导体层110上形成有源层120。当从第一导电半导体层110注入的电子与从第二导电半导体层130注入的空穴相遇时，有源层120是发出光的层并且具有由有源层(发光层)材料的本征能带所确定的能量。有源层120还可具有通过交替或者连续地层叠具有不同能带的氮化物半导体薄层而形成的量子阱结构。例如，有源层120可具有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)等而形成的InGaN/GaN的多量子阱结构。
然后，在有源层120上形成第二导电半导体层130。例如，第二导电半导体层130可包括通过注入三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)、氮气(N2)和包含P-型杂质例如镁(Mg)的双乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}到腔室中而形成的P-型GaN层。
如图3所示，通过移除一部分第二导电半导体层130、有源层120和第一导电半导体层110形成第一沟槽T1。例如，可对与第一电极170在空间上相反的位置处实施蚀刻工艺，直至暴露出一部分第一导电半导体层110。用于形成第一沟槽T1的蚀刻工艺也可通过干蚀刻工艺或者湿蚀刻工艺来实施。
此外，第一沟槽T1在与第一电极170在空间上交叠的位置处形成。第一沟槽T1也可通过蚀刻第二导电半导体层130、有源层120和第一导电半导体层110以暴露出一部分第一导电半导体层110而形成。
在根据本发明该实施方案的发光器件中，因为移除了一部分有源层120，所以在形成了第一沟槽T1的区域中不产生光。因此，可使得位于第一沟槽T1上方的第一电极170的光吸收最小化。而且，可防止第一电极170下方的电流集中并反而引起电流分布，由此改善发光器件的可靠性。
图4和5说明沟槽的不同形状。例如，如图4中所示，通过对发光器件的蚀刻工艺形成具有特定倾斜度的第二沟槽T2。此外，考虑到发光器件的晶体取向，由于蚀刻工艺使得第二沟槽T2顶部的宽度小于第二沟槽T2底部的宽度。因此，由后续形成的发光层发出的光可有效地反射至外部。
如图5中所示，通过对发光器件的蚀刻工艺形成第三沟槽T3。例如，可蚀刻掉仅一部分第二导电半导体层130，然后在第三沟槽T3上形成电流阻挡层140。而且，因为电流阻挡层140阻止将电流平稳地供给至其中形成有第三沟槽T3的区域，所以在沟槽T3上方的有源层120不发光。因此，可使得在第三沟槽T3上方的第一电极170的光吸收最小化。
以下，将作为一个实例描述如图3中所述的第一沟槽T1，但是如图5和6中所示，沟槽可具有各种形状。如图6中所示，在由第一沟槽T1暴露的第一导电半导体层110上形成粗糙结构R。例如，形成第一掩模图案210以在第一沟槽T1的底部暴露出第一导电半导体层110。粗糙结构R也可通过湿蚀刻溶液例如KOH和NaOH形成。第一掩模图案210也可由光敏层或者绝缘层例如氮化物或者氧化物形成。
而且，第一掩模图案210可具有选择性地暴露出其中形成粗糙结构R的区域的筛孔图案。例如，当第一掩模图案210具有筛孔图案时，粗糙结构R可通过干蚀刻工艺形成。当暴露出其中形成有粗糙结构R的区域时，粗糙结构R可通过湿蚀刻工艺形成。
粗糙结构R还可具有周期性图案或者非周期性图案。此外，通过粗糙结构R提高了光提取效率和光输出功率。如图7中所示，移除第一掩模图案210之后，在第一沟槽T1中形成电流阻挡层140。此外，电流阻挡层140可包括介电层和非晶层中的至少一个。
例如，电流阻挡层140可通过气相沉积工艺由氮化物例如SiN或者氧化物例如SiO2形成。通过注入具有高动能的质子到第一沟槽T1中以破坏第一沟槽T1的界面的单晶状态，也可形成具有高电阻的非晶层。
在本发明的一个实施方案中，电流阻挡层140可形成在第二导电半导体层130的一部分上，以及在第一沟槽T1的侧表面和底部上。因此，可稳固地保持电流阻挡层140。而且，当第三沟槽T3如图5中所示通过蚀刻一部分第二导电半导体层130形成时，电流阻挡层140可包括介电层、非晶层、扩散层和离子注入层中的至少一个。
此外，电流阻挡层140通过使用氧化物和氮化物的介电层或者使用质子的非晶层来切断电流供给。或者，可通过形成第一导电扩散层或者第一导电离子注入层阻挡电子或者空穴的注入，切断电流供给。例如，当第二导电半导体层130由P-型GaN形成时，通过扩散或者注入N-型离子以形成N-型扩散层或者N-型离子注入层，可切断电流供给。
而且在图8中，在第二导电半导体层130和电流阻挡层140上形成第二电极(未显示)。第二电极可包括欧姆层、反射层150、粘合层和第二衬底160。第二电极也可由注入有Ti、Cr、Ni、Al、Pt、Au、W和杂质的半导体衬底中的至少一种形成。
例如，第二电极可包括欧姆层，并且可通过多次堆叠单一的金属、金属合金和金属氧化物而形成。例如，欧姆层可包括ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-GaZnO)IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种，但是不限于这些材料。
第二电极还可包括反射层150或者粘合层。此外，当第二电极包括反射层150时，反射层150可由包括Al、Ag或者包含Al或Ag的合金的金属层形成。Al或Ag也有效地反射由有源层产生的光以提高发光器件的光提取效率。
当第二电极包括粘合层时，反射层150也作为粘合层，或者可使用Ni和Au形成粘合层。此外，图8显示：反射层150仅填充一部分第一沟槽T1。然而，本发明的实施方案不限于这种结构。例如，反射层150可填充整个第一沟槽T1。
此外，在反射层150上形成第二衬底160。第二衬底160可包括高导电性金属、金属合金或者导电半导体材料，以有效地注入空穴。例如，第二衬底160可由Cu、Cu合金、Si、Mo和SiGe中的至少一种形成。第二衬底160也可通过电化学金属气相沉积方法或者通过利用共晶金属的焊接方法形成。
然后，移除第一衬底100。例如，可使用高功率激光剥离或者化学蚀刻方法移除第一衬底100。而且，可通过物理抛光工艺移除第一衬底100。然后在通过移除第一衬底100而暴露出的第一导电半导体层110上形成第一电极170。第一电极170也可形成在第一导电半导体层110上，以与第一沟槽T1的一部分在空间上交叠。
在一个实施方案中，因为在第一电极170垂直下方的第一沟槽T1中不存在有源层120，所以不发生由于载流子(电子和空穴)的复合而产生光。而且，作为蚀刻区域的沟槽可覆盖有电流阻挡层140，并因此电流未流入沟槽中而是扩散至其它区域。即，沟槽区域覆盖有电流阻挡层140以起到电流阻挡层的作用。因此，有效的电流流动有助于发光器件的可靠性。而且，可使得第一电极170的光吸收最小化，以增加光量。
此外，在第一导电半导体层110蚀刻之后形成的粗糙结构通过光散射来改善光提取效率。而且，同时提高电流分布效率以及光提取效率。
此外，沟槽可具有各种形状，例如阱形沟槽、椭圆形、棱形、柱形、正方形、矩形、圆形和任何其它形状。
此外，在实施方案的描述中，当层(或膜)称为在另一层或衬底“上/上方”时，其可直接在该另一层或衬底上/上方，或者也可存在中间层。此外，当层称为在另一层“下/下方”时，其可在该另一层下/下方，或者也可存在一个或更多个中间层。此外，当层称为在两层“之间”时，其可以是所述两层之间仅有的层，或者也可存在一个或更多个中间层。
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，表示与该实施方案相关描述的具体的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。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，认为将这种特征、结构或特性与其它的实施方案相关联均在本领域技术人员的能力范围之内。
虽然已经参考大量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设计很多其它的改变和实施方案，这些也将落入本公开原理的精神和范围内。更具体地，在公开、附图和所附权利要求的范围内，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，可替代的用途也是明显的。
Claims (20)
1.一种发光器件，包括：
发光结构，所述发光结构包括第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层下方设置的有源层、和在所述有源层下方设置的第二导电半导体层；
在所述发光结构的所述第二导电半导体层的至少一部分中形成的沟槽；
在所述发光结构的由所述沟槽暴露出的部分上的粗糙结构；
在所述沟槽中的电流阻挡层，所述电流阻挡层设置为阻止电流供给至所述沟槽所在的部分处的所述有源层并设置为阻挡在所述沟槽上方的有源层发光；和
在所述沟槽所在的部分上方的所述第一导电半导体层上的第一电极。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述沟槽位于移除了所述第二导电半导体层的部分处。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述沟槽位于移除了所述第二导电半导体层和所述有源层的部分处。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述沟槽位于移除了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的部分处。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述沟槽暴露出所述第一导电半导体层的一部分。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述电流阻挡层在所述粗糙结构上和所述沟槽的侧表面上。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述电流阻挡层包括介电层和非晶层中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的发光器件，其中所述介电层包括氧化物和氮化物中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述电流阻挡层包括介电层、非晶层、扩散层和离子注入层中的至少一个。
10.一种发光器件，包括：
发光结构，所述发光结构包括第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层下方设置的有源层、和在所述有源层下方设置的第二导电半导体层；
在所述发光结构的所述第二导电半导体层的至少一部分中形成的沟槽；
在所述沟槽中的电流阻挡层，所述电流阻挡层设置为阻止电流供给至所述沟槽所在的部分处的所述有源层并设置为阻挡在所述沟槽上方的有源层发光；和
在所述沟槽所在的部分上方的所述第一导电半导体层上的第一电极，
其中所述电流阻挡层包括扩散层和离子注入层中的至少一个，
其中所述扩散层或者所述离子注入层是以第一导电型的方式导电的。
11.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一电极与所述沟槽的一部分在空间上交叠。
12.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一电极和所述电流阻挡层在空间上垂直地部分相互交叠。
13.根据权利要求1所述的发光器件，其中移除在所述第一电极和所述电流阻挡层在空间上垂直地部分相互交叠的区域中的有源层，使得在所述区域处不发光。
14.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述沟槽的侧表面以预定角度倾斜。
15.根据权利要求14所述的发光器件，其中所述沟槽的下侧宽度大于所述沟槽的上侧宽度。
16.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和所述电流阻挡层上的并且包括欧姆层、反射层、粘合层和衬底中的至少一个的第二电极。
17.根据权利要求16所述的发光器件，其中所述欧姆层包括单一金属、金属合金和金属氧化物中的至少一种。
18.根据权利要求16所述的发光器件，其中所述反射层包括Al、Ag和包含Al或Ag的合金中的至少一种。
19.一种发光器件，包括：
发光结构，所述发光结构包括第一导电半导体层、在所述第一导电半导体层下方设置的有源层、和在所述有源层下方设置的第二导电半导体层；
在所述发光结构的所述第二导电半导体层的至少一部分中形成的沟槽；
在所述沟槽中的电流阻挡层，所述电流阻挡层设置为阻止电流供给至所述沟槽所在的部分处的所述有源层并设置为阻挡在所述沟槽上方的有源层发光；
在所述沟槽所在的部分上方的所述第一导电半导体层上的第一电极，和
在所述第二导电半导体层和所述电流阻挡层上的第二电极，并且所述第二电极包括欧姆层、反射层、粘合层和衬底中的至少一个，
其中所述衬底包括Cu、Cu合金、Si、Mo和SiGe中的至少一种。
20.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述电流阻挡层与所述有源层接触。
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