CN102027604B - 发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光器件及其制造方法。该发光器件包括第一导电半导体层、发光层、保护层、纳米层和第二导电半导体层。发光层形成在第一导电半导体层上。保护层形成在发光层上。纳米层形成在保护层上。第二导电半导体层形成在纳米层上。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光器件及其制造方法。
背景技术
发光器件(LED)是用于将电流转换成光的半导体器件。由于红色LED已经商业化，因此红色LED与绿色LED一起用作包括信息通信设备的电子器件的光源。
为了提高LED的发光效率，已经提出了以下的两种方案。一种方案是增加发光层处注入的电子和空穴复合的可能性，以提高内量子效率。另一种方案是提高光提取效率，使得发光层中产生的光可以有效地发射到外部。
然而，如果为了提取增加光提取效率而在空穴注入层的界面表面上形成凹凸图案，则不能提高内量子效率。因此，必须提供新的方案以在提高内量子效率的同时提高光提取效率。
发明内容
技术问题
实施例提供了一种能够提高内量子效率和光提取效率的发光器件及其制造方法。
技术方案
根据实施例，一种发光器件，包括：第一导电半导体层；发光层，所述发光层位于所述第一导电半导体层上；保护层，所述保护层位于所述发光层上；纳米层，所述纳米层位于所述保护层上；以及第二导电半导体层，所述第二导电半导体层位于所述纳米层上。
并且，根据另一个实施例，一种用于制造发光器件的方法，包括：形成第一导电半导体层；在所述第一导电半导体层上形成发光层；在所述发光层上形成保护层；在所述保护层上形成纳米层；以及在所述纳米层上形成第二导电半导体层。
有益效果
根据实施例的发光器件及其制造方法可以在提高内量子效率的同时提高光提取效率，以最大化光学器件的外量子效率，使得可以提供具有高强度的GaN发光器件。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的发光器件的截面图；
图2是示出根据第二实施例的发光器件的截面图；以及
图3是示出根据第三实施例的发光器件的截面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来详细描述实施例。
在对实施例的说明中，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称为在另一个衬底、另一个层(或膜)、另一个区域、另一个焊盘或另一个图案“上”或“下”时，它可以“直接”或“间接”在另一个衬底上、层(或膜)、区域、焊盘或图案上，或者还可以存在一个或多个插入层。已经参照附图描述了层的这种位置。
为了方便或清楚起见，附图中所示的每个层的厚度和尺寸可以被夸大、省略或示意性地绘制。另外，元件的尺寸不完全反映真实尺寸。
<第一实施例>
图1是示出根据第一实施例的发光器件的截面图。
如图1所示，根据第一实施例的发光器件可以包括第一导电半导体层11、发光层13、保护层15、纳米层17和第二导电半导体层19。发光层13可以形成在第一导电半导体层11上。保护层15可以形成在发光层13上。纳米层17可以形成在保护层15上。第二导电半导体层19可以形成在纳米层17上。
第一导电半导体层11可以包括电子注入层，以及第二导电半导体层19可以包括空穴注入层。另外，第一导电半导体层11可以包括空穴注入层，并且第二导电半导体层19可以包括电子注入层。下文中，将以包括电子注入层的第一导电半导体层11和包括空穴注入层的第二导电半导体层为代表进行描述，但是实施例不限于此。
第一导电半导体层11、发光层13和第二导电半导体层19可以包括氮化物半导体层，但是实施例不限于此。氮化物半导体层可以包括III-IV族氮化物半导体层。发光层13可以具有单量子阱结构或多量子阱结构。
第二导电半导体层19可以具有凹凸的上表面。因此，当发光层13中产生的光被提取到外部时，可以提高光提取效率。
保护层15可以包括含铝(Al)的至少一个III-IV族氮化物半导体层。纳米层17可以按预定形状来被构图。纳米层17下方形成的保护层15被暴露在没有形成纳米层17的区域中。因此，后续工艺中形成的第二导电半导体层19可以被形成为与保护层15接触。
纳米层17可以包含在外部激励时容易发射电子并且具有负介电常数的至少一种金属。
例如，纳米层17可以包括由具有导电电子的单金属、包括单金属的金属合金和包括单金属的金属氮化物组成的组中的至少一种。纳米层17可以包括选自由铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、镓(Ga)、铟(In)、铁(Fe)、锌(Zn)、锡(Sn)、钴(Co)、钌(Ru)、锆(Zr)、钒(V)、铪(Hf)和钼(Mo)组成的组中的一种单金属、包括所选择的单金属的金属合金以及包括单金属的金属氮化物中的至少一种。
根据实施例，可以通过使用用作纳米层的纳米掩模来调节第二导电半导体层19的表面形状。因此，实施例可以通过使用具有电传导性的纳米掩模来提供表现出低电阻的发光器件。
另外，根据实施例，纳米掩模的表面等离子体激元(plasmon)与发光层13的激子之间的相互作用显著提高内量子效率。
因此，根据实施例的发光器件及其制造方法可以有效地解决与用于GaN薄膜的传统形状控制技术相关的问题，并且提高光提取效率，同时提高内量子效率，以最大化光学元件的外量子效率，使得可以提供具有高强度的GaN发光器件。
<第二实施例>
图2是示出根据第二实施例的发光器件的截面图。具体来讲，图2是示出根据第二实施例的水平发光器件的截面图，但实施例不限于此。下文中，将参照图2来描述根据第二实施例的发光器件的结构和用于制造该发光器件的方法。
第一导电半导体层21可以形成在衬底20上。第一导电半导体层21可以包括电子注入层。电子注入层可以包括基于AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1)并且具有电传导性的高质量薄膜层。当衬底20是异质衬底时，衬底20可以包括硅(Si)、蓝宝石、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)或其他金属氧化物材料。当衬底20是同质衬底时，衬底20可以包括氮化镓(GaN)衬底。第一导电半导体层21可以包括单层或具有不同组成的多层。
接着，发光层23可以形成在第一导电半导体层21上。发光层23可以包括氮化物半导体层。发光层23通过使经由第一导电半导体层21和第二导电半导体层29注入的电子和空穴复合来产生光。发光层23可以包括基于氮化镓(GaN)的单个薄膜或多个薄膜。其中电子与空穴复合以产生光的量子阱的半导体能带隙低于量子势垒的能带隙。可以通过调节可用于量子阱和量子势垒的GaN基薄膜的组分来控制能带隙的大小。
接着，保护层25可以形成在发光层23上。当在后续工艺中形成纳米层27时，保护层25保护发光层23免于受化学蚀刻或热蚀刻以及氧化或污染的影响。
保护层25可以包括氮化物半导体层，但实施例不限于此。保护层25可以包括基于GaN的具有不同组成的单个薄膜或多个薄膜。例如，保护层25可以包括含铝(Al)的GaN基薄膜。当保护层25包括多个薄膜时，所述多个薄膜中的至少一个可以包括含铝(Al)的GaN基薄膜。
保护层25可以具有100nm或更小的厚度。由于保护层25具有薄的厚度，因此纳米层27的表面等离子体激元与发光层23的激子之间的相互作用可以增加得更多。因此，发光层23的内发光效率可以提高得更多。在这种情况下，表面等离子体激元表示金属薄膜表面上出现的电子共同的波状运动(collectivewavelikemotion)。
当发光层23的电子-空穴对(激子)的能量接近金属的表面等离子体激元的能量时，发光层23的激子和与GaN相邻的金属的表面等离子体激元发生强烈的相互作用。在这种情况下，发光层23的电子-空穴对有效地激发金属的表面等离子体激元，并且受激的等离子体激元有效地发光。
金属表面等离子体激元和发光层23中的激子之间强烈的相互作用使激子自发复合的速度加快，使得发光器件的内量子效率大幅提高。
根据实施例，保护层25可以具有100nm或更小的厚度，使得以纳米尺寸构图的纳米层27的表面等离子体激元有效地提高发光层23的内量子效率。如果保护层25具有优良的结晶度，以有效保护发光层23，保护层25可以具有10nm或更小的厚度。
根据实施例，可以通过使用纳米层27、在高温下、从保护层25选择性地生长具有凹凸表面的第二导电半导体层29。如果保护层25具有5nm或更小的厚度，则保护层25不能有效保护发光层23免受热蚀刻或化学蚀刻的影响。
然后，纳米层27可以形成在保护层25上。纳米层27可以通过具有电传导性的金属纳米掩模形成，但实施例不限于此。纳米层27可以包括金属纳米层。
例如，纳米层27可以包括具有导电电子的单金属或者包括单金属中的至少一种单金属的金属氮化物或金属合金。
根据第二实施例，具有导电电子的单金属可以包括选自由铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、镓(Ga)、铟(In)、铁(Fe)、锌(Zn)、锡(Sn)、钴(Co)、钌(Ru)、锆(Zr)、钒(V)、铪(Hf)和钼(Mo)组成的组中的至少一种。
可以根据从发光层23发射的光的波长，来选择纳米层27的材料。根据第二实施例，对于紫外线和可见射线的波长，纳米层27可以由铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、镓(Ga)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)组成的组中选择的至少一种制成。另外，纳米层27可以包含金属合金或金属氮化物，所述金属合金或金属氮化物包括选自铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、镓(Ga)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)组成的组中的至少一种。
银(Ag)的等离子体激元能量是大约3.76eV。然而，当银(Ag)与GaN相邻时，表面等离子体激元能量变成大约3eV。在这种情况下，3eV的能量对应于大约410nm的波长。根据相邻金属和电介质物质的介电常数来确定表面等离子体激元能量。
当金(Au)与GaN相邻时，金(Au)的表面等离子体激元能量变成大约2.2eV(大约560nm的波长)或更小。当铝(Al)与GaN相邻时，铝(Al)的表面等离子体激元能量是大约5eV(大约250nm的波长)。
当发光器件发射具有大约400nm或更小的波长的光时，可以通过使用由铝(Al)、包括铝(Al)的金属合金以及包括铝(Al)的金属氮化物组成的组中的至少一种来形成纳米层27。
另外，当发光器件发射具有400nm至500nm的波段的光时，可以通过使用包括银(Ag)或包括银(Ag)的金属合金来形成纳米层27。当发光器件发射具有500nm或更大波长的光时，可以使用金(Au)或包括金(Au)的金属合金来形成纳米层27。
纳米层27可以在薄膜生长设备中形成，或者可以通过在薄膜生长设备外部执行另外的工艺来形成。
首先，为了在薄膜生长设备内形成纳米层27，在生长了保护层25之后，将金属的源材料注入到薄膜生长设备中，使得可以形成具有纳米级厚度的金属粒子。
纳米金属粒子可以具有大约1nm至大约300nm的尺寸。如果金属粒子的尺寸大于300nm，则后续工艺中生长的由高质量空穴注入层所占的面积可以减小。因此，发光器件的可靠性会降低。如果金属粒子的尺寸小于1nm，则在空穴注入层的表面上不能有效地形成凹凸图案。
如果薄膜生长设备处于较高温度下，则金属粒子呈现半球形。如果薄膜生长设备处于较低温度下，则金属粒子可以在保护层24上具有薄膜的形式。通过升高薄膜生长设备的温度，使具有纳米厚度的这种金属薄膜经受热处理，使得金属薄膜可以通过热处理而变成具有纳米尺寸的金属粒子。
其次，为了在薄膜生长设备外部形成纳米层27，可以执行形成典型图案的工艺。换言之，可以通过用于形成电介质物质图案的工艺和金属沉积工艺来形成纳米层27。
在这种情况下，纳米层27可以具有预定图案。换言之，当通过外部金属沉积工艺在保护层25上沉积了具有纳米厚度的金属薄膜时，金属薄膜可以通过热处理变成金属粒子。
根据第二实施例，纳米层27可以包含金属氮化物。在薄膜生长设备中，在氮气氛下，可以通过氮化工艺来形成金属氮化物，以暴露单金属或金属合金。根据第二实施例，氮化工艺可以将纳米层27的一部分或纳米层27的整个部分变成金属氮化物。
随后，可以在纳米层27上形成第二导电半导体层29。第二导电半导体层29可以包括空穴注入层。第二导电半导体层29可以形成在纳米层27之间暴露的保护层25上。
在这种情况下，可以在第二导电半导体层29的上表面上形成凹凸图案。第二导电半导体层29的凹凸表面使发光层23中产生的光从薄膜中有效提取出的，使得发光器件的光提取效率可以显著提高。
GaN基的空穴注入层不能沉积在纳米层27上。空穴注入层主要形成在纳米层27之间暴露的保护层25上。当空穴注入层的厚度增大成超过纳米层27的金属粒子的高度时，空穴注入层随着厚度增大而横向地生长。空穴注入层的这种横向生长可以覆盖纳米粒子的一部分或整个部分。在这种情况下，可以在空穴注入层的上表面上形成凹凸图案。
同时，为了在空穴注入层的上表面上形成凹凸图案，可以采用包括氮化硅(SiN)或氮化镁(MgN)的电介质纳米掩模。虽然当采用这种电介质纳米掩模时凹凸图案被形成在空穴注入层的表面上，但是发光器件的工作电压会增大。
因此，根据实施例，可以通过采用纳米金属掩模替代电介质纳米掩模，在空穴注入层的表面上形成凹凸图案。因此，根据实施例，可以进一步降低发光器件的工作电压。
根据实施例，空穴注入层可以包含具有P型导电性的金属氧化物，并且其能带隙大于金属的表面等离子体激元能量。例如，具有P型导电性的金属氧化物可以包括P型氧化锌(ZnO)。
根据实施例，为了均匀有效地注入空穴，可以在具有凹凸表面的空穴注入层上形成透明的金属氧化物层。透明的金属氧化物层可以包含氧化锌(ZnO)、氧化镍(NiO)或铟锡氧化物(InSnO)。
当透明的导电金属氧化物层用于将空穴有效且均匀地注入到发光器件中而不吸收从发光层23发射的光时，厚度为0.25nm至10nm的氮化物半导体欧姆层(未示出)可以形成在具有凹凸图案的空穴注入层的最上面的部分上。氮化物半导体欧姆层可以包括基于GaN的单层或多层。氮化物半导体欧姆层可以包括含有铟(In)的GaN基材料。氮化物半导体欧姆层可以包括用作N型掺杂剂的硅(Si)和用作P型掺杂剂的镁(Mg)。
随后，第一电极22可以形成在第一导电半导体层21上，并且第二电极24可以形成在第二导电半导体层29上。
根据实施例的发光器件采用构图的纳米层，该纳米层具有电传导性，以表现出低电阻。另外，构图的纳米层的表面等离子体激元和发光层23的激子之间的相互作用可以显著提高内量子效率。
因此，根据实施例的发光器件可以有效率解决与P型GaN薄膜的传统表面形状控制技术相关的问题，并且提高光提取效率同时提高内量子效率，以使光学器件的外量子效率最大化，使得可以提供具有高强度的GaN发光器件。
<第三实施例>
图3是示出根据第三实施例的发光器件的截面图。具体来讲，图3是示出垂直发光器件的截面图，并且第三实施例不限于此。
下文中，将参照图3来描述根据第三实施例的制造发光器件的方法。根据第三实施例的第一导电半导体层31可以包括N型半导体层，但是实施例不限于此。
金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统可以用于生长氮化物半导体的薄膜，但是第三实施例不限于此。衬底可以包括蓝宝石，但是实施例不限于此。可以使用氨作为氮源，并且可以使用氢(H)和氧(O)作为载气。可以使用镓(Ga)、铟(In)和铝(Al)作为金属有机源。可以使用硅(Si)作为N型掺杂剂，并且可以使用镁(Mg)作为P型掺杂剂，但是实施例不限于此。
首先，制备衬底(未示出)，并且第一导电半导体层31可以形成在衬底上。第一导电半导体层31可以包括N型氮化物半导体电子注入层，但是实施例不限于此。
然后，可以在第一导电半导体层31上形成发光层33。发光层33可以包括铟镓氮化物(InGaN)/氮化镓(GaN)的多量子阱结构。
接着，可以在发光层33上形成保护层35。保护层35可以包括氮化物半导体层，但是实施例不限于此。保护层35可以包括氮化镓(GaN)/铝镓氮化物(AlGaN)/氮化镓(GaN)的多层。
此后，可以在保护层35上形成纳米层37。纳米层37可以包括银(Ag)，但是实施例不限于此。此后，纳米层37可以经受800℃至900℃的温度下的热处理。
接着，可以在纳米层37上形成第二导电半导体层39。可以在第二导电半导体层39上生长具有凹凸表面的P型氮化镓(GaN)层，但是实施例不限于此。另外，可以在所得的结构上形成铟镓氮化物(InGaN)层以提高欧姆接触。另外，为了均匀且容易地注入空穴，第二透明层43可以形成在第二导电半导体层39上。
接着，可以通过激光工艺来去除衬底。然后，可以蚀刻暴露的第一导电半导体层31的表面的一部分，使得可以去除表面缺陷。然后，可以在第一导电半导体层31上形成第一电极层。
第一电极层可以包括由第一透明层41、反射层45、组合层47和第二衬底49组成的组中的至少一个。
例如，第一透明层41可以包括由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-GaZnO)、IGZO(In-GaZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO组成的组中的至少一种，但是实施例不限于此。
反射层45可以包括含有铝(Al)或银(Ag)或者铝(Al)或银(Ag)的合金的金属层。所得的结构可以通过组合层47与第二衬底49组合，该第二衬底49用作硅(Si)或金属的导电支撑。组合层47可以包含共熔金属。然后，可以在所得的结构上形成第一电极32和第二电极34。第二电极层可以包括由第二透明层43和第二电极34组成的组中的至少一个。
根据实施例，发光器件采用具有电传导性并表现出低电阻的纳米粒子。另外，纳米掩模的表面等离子体激元和激子之间的相互作用可以显著提高内量子效率。根据实施例，发光器件提高内量子效率，同时提高光提取效率，由此使光学器件的外量子效率最大化。
在本说明书中对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的任何引用意味着在本发明的至少一个实施例中包括的结合实施例描述的特定特征、结构或特性。在说明书中，在各处出现的这类短语不必都表示相同的实施例。另外，当结合任何实施例来描述特定特征、结构或特性时，据认为，实现与实施例中的其他实施例结合的这类特征、结构或特性在本领域一个技术人员的范围内。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例，但是应该理解，本领域的技术人员可以设计多个其他修改和实施例，这将落入本发明原理的精神和范围内。更具体地讲，在本公开、附图和所附权利要求的范围内的主题组合布置的组件部件和/或布置存在进行各种变形和修改的可能性。除了组件部件和/或布置中的变形和修改之外，对于本领域的技术人员来说，可替选的用途也将是显而易见的。
工业应用性
根据实施例的发光器件可以应用于横向发光器件和垂直发光器件。
如上所述，当发光器件的结构包括封装时，发光器件可以得到高提取效率，而这与封装结构无关。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例，但是应该理解的是，本领域的技术人员可以设计多个其他修改和实施例，这将落入本发明原理的精神和范围内。更具体地讲，在本公开、附图和所附权利要求的范围内的主题组合布置的组件部件和/或布置存在进行各种变形和修改的可能性。除了组件部件和/或布置中的变形和修改之外，对于本领域的技术人员来说，可替选的用途也将是显而易见的。
Claims (10)
1.一种发光器件，包括：
第一导电半导体层；
发光层，所述发光层位于所述第一导电半导体层上；
保护层，所述保护层位于所述发光层上；
纳米层，所述纳米层位于所述保护层上；
第二导电半导体层，所述第二导电半导体层位于所述纳米层上；
第一电极层，所述第一电极层在所述第一导电半导体层之下；以及
第二电极层，所述第二电极层在所述第二导电半导体层上，
其中，所述第二导电半导体层包括凹凸图案，
其中，所述第一导电半导体层包括电子注入层，并且所述第二导电半导体层包括空穴注入层，
其中所述凹凸图案形成在所述空穴注入层的上表面上，
其中，所述第二电极层包括设置所述第二导电半导体层上的第二透明层和设置在所述第二透明层上的第二电极，
其中，所述纳米层是金属纳米层，以及
其中，所述第二导电半导体层覆盖所述金属纳米层的整个部分。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述保护层包括氮化物半导体层，并且其中所述第二导电半导体层包括与所述纳米层相对应的凹进，并且其中所述第二透明层包括与所述第二导电半导体层的凹凸图案相对应的凹凸图案。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述保护层具有5nm至10nm的厚度。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述纳米层包括由包括导电电子的单金属、包括所述单金属的金属合金以及包括所述单金属的金属氮化物组成的组中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的发光器件，其中，所述纳米层包括从由铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、镓(Ga)、铟(In)、铁(Fe)、锌(Zn)、锡(Sn)、钴(Co)、钌(Ru)、锆(Zr)、钒(V)、铪(Hf)和钼(Mo)组成的组中的至少一种的单金属、包括所述单金属的金属合金以及包括所述单金属的金属氮化物组成的组中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述纳米层包括具有的尺寸为1nm至300nm的金属粒子。
7.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接触所述保护层，其中，所述第一电极层包括第一透明层，设置在所述第一透明层之下的反射层，设置在所述反射层之下的组合层以及设置在所述组合层之下的第二衬底，
其中，所述组合层包括共熔金属。
8.一种制造发光器件的方法，包括：
形成第一导电半导体层；
在所述第一导电半导体层上形成发光层；
在所述发光层上形成保护层；
在所述保护层上形成纳米层；
在所述纳米层上形成第二导电半导体层；
在所述第一导电半导体层之下形成第一电极层；以及
在所述第二导电半导体层上形成第二电极层，
其中，所述第二导电半导体层包括凹凸图案，
其中，所述第一导电半导体层包括电子注入层，并且所述第二导电半导体层包括空穴注入层，
其中所述凹凸图案形成在所述空穴注入层的上表面上，
其中，所述第一电极层包括第一透明层，设置在所述第一透明层之下的反射层，设置在所述反射层之下的组合层以及设置在所述组合层之下的第二衬底，
其中，所述组合层包括共熔金属，
其中，所述第二电极层包括设置所述第二导电半导体层上的第二透明层和设置在所述第二透明层上的第二电极，
其中，所述纳米层是金属纳米层，以及
其中，所述第二导电半导体层覆盖所述金属纳米层的整个部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护层包括氮化物半导体层，并且其中所述第二导电半导体层包括与所述纳米层相对应的凹进，并且其中所述第二透明层包括与所述第二导电半导体层的凹凸图案相对应的凹凸图案。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述纳米层包括由包含导电电子的单金属、包括所述单金属的金属合金以及包括所述单金属的金属氮化物组成的组中的至少一种。
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