CN102456797A

CN102456797A - 半导体发光器件

Info

Publication number: CN102456797A
Application number: CN2011103550870A
Authority: CN
Inventors: 沈炫旭; 李东柱; 金晟泰
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-05-16
Also published as: TW201220538A; US20120104432A1; KR20120044545A

Abstract

一种半导体发光器件，包括：半导体光发射层叠体，其包括第一导电半导体层、第二导电半导体层和位于第一导电半导体层和第二导电半导体层之间的有源层；以及高导电性透明电极，其形成在第一和第二导电半导体层中的至少一个上，并且包括由透明导电氧化物层和透明导电氮化物层中的至少一个形成的透明电极层以及允许可见光谱内的光透过的石墨烯层，透明电极层和石墨烯层是层叠的。

Description

半导体发光器件

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年10月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2010-0105868号的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及一种半导体发光器件，更具体地，涉及一种被构造成提高其光学特性和电特性的电极结构的半导体发光器件。

背景技术

半导体发光二极管是一种用于将电能转换为光能的光学器件。包括根据能带隙发射特定波长的光的化合物半导体的半导体发光器件被广泛地用作各种显示器(诸如光通信和移动显示器)、计算机监视器等、以及各种类型的照明设备。

通常，半导体发光器件可能需要在电极结构中采用透明电极，以便将从有源层产生的光传输到外部。在这种情况下，通常使用的透明电极材料虽然容易满足光发射的条件，但是具有导电性不太良好的局限性。这种电特性方面的缺点导致驱动电压的升高和不均匀的电流分布，潜在地造成整体发光效率的降低。

发明内容

本发明的一方面提供一种包括具有高水平导电性的材料层的半导体发光二极管，从而通过保证高水平的透光性而提高其电特性和发光效率。

根据本发明的一方面，提供一种半导体发光器件，包括：半导体光发射层叠体，该半导体光发射层叠体包括第一导电半导体层、第二导电半导体层和位于第一导电半导体层和第二导电半导体层之间的有源层；以及高导电性透明电极，其形成在第一和第二导电半导体层中的至少一个上。该高导电性透明电极包括由透明导电氧化物层和透明导电氮化物层中的至少一个形成的透明电极层和允许可见光谱内的光透过的石墨烯(graphene)层。透明电极层和石墨烯层是层叠的。

透明电极层可形成在导电半导体层中的至少一个上，并且石墨烯层可形成在透明电极层上。

石墨烯层可形成在导电半导体层中的至少一个上，并且透明电极层可形成在石墨烯层上。

石墨烯层可介于透明电极层之间。

透明电极层和石墨烯层可分别设置为多个透明电极层和多个石墨烯层，并且高导电性透明电极可具有其中多个透明电极层和多个石墨烯层交替地层叠的结构。

透明导电氧化物层可由选自以下物质构成的组中的至少一种构成：氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、氧化铟锡(InSnO)、氧化铜铝(CuAlO₂)、氧化银(Ag₂O)、氧化镓(Ga₂O₃)、氧化锌锡(ZnSnO)和氧化锌铟锡(ZITO)。

透明导电氮化物层可由选自以下物质构成的组中的至少一种构成：氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化钨(WN)、氮化钽(TaN)和氮化铌(NbN)。

半导体光发射层叠体可以由Al_xIn_yGa_(1-x-y)AlN层(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)层形成。

该半导体发光器件还可包括：形成在透明电极层和至少一个半导体层之间的欧姆接触层。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述以及其他的方面、特征和其它优点，附图中：

图1是根据本发明一个示例性实施方式的半导体发光器件的截面图；

图2A是示出石墨烯的晶体结构的示意图；

图2B是示出石墨烯中的σ轨道和π轨道的示意图；

图3是根据本发明一个示例性实施方式的半导体发光器件的变型；以及

图4和图5是示出根据其他示例性实施方式的半导体发光器件的截面图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

但是本发明可以以很多不同的方式实现，不应将本发明理解为仅限于这里所描述的实施方式。相反，提供这些实施方式的目的在于使本公开更充分和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。附图中，为了清楚起见，可能放大了形状和尺寸，并且附图中的相同参考标号将用来表示相同或类似元件。

图1是根据本发明一个示例性实施方式的半导体发光器件的截面图。

如图1所示，图1中示出的半导体发光器件10包括衬底11和半导体光发射层叠体，该半导体光发射层叠体包括依次形成在衬底11上的n型半导体层12、有源层14和p型半导体层15。

在本示例性实施方式中，在n型半导体层12的经过台面刻蚀以被露出的上表面上形成有n侧接触金属19a，并且在p型半导体层15上形成有p侧接触金属19b。

如图1所示，在p侧接触金属19b和p型半导体层15之间形成有高导电性透明电极。本示例性实施方式中所采用的高导电性透明电极可具有如下结构：在该结构中层叠有由透明导电氧化物或透明导电氮化物构成的透明电极层17和形成在该透明电极层17上的石墨烯层18。

透明导电氧化物可以是由氧化铟锡(ITO)构成的透明电极层，但是本发明不限于此，而是可以采用各种其他透明导电氧化物。例如，该透明导电氧化物可以是选自以下物质构成的组中的至少一种：氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、氧化镉(CdO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化铟锌(InZnO)、氧化铟锡(InSnO)、氧化铜铝(CuAlO₂)、氧化银(Ag₂O)、氧化镓(Ga₂O₃)、氧化锌锡(ZnSnO)和氧化锌铟锡(ZITO)。

当透明电极层由透明导电氮化物构成时，该透明导电氮化物可以是选自以下物质构成的组中的至少一种：氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化钨(WN)、氮化钽(TaN)和氮化铌(NbN)。

透明电极层17具有相对较低水平的导电性，而石墨烯层由于它的独特的晶体结构特征而能够保证非常高的导电性。为了帮助理解本发明，将参考图2A和图2B简要地描述本文中所使用的石墨烯层。

通常“石墨烯”可以理解为是一种单层的原子结构，其中碳(C)原子在一个平面上排列成像六边形蜂巢一样的晶格。主要通过共价键键合形成的碳同素异形体可具有多种物理性质，包括取决于四个外层电子的波函数的线性组合方案的晶体结构。

在石墨烯中，只有三个外层电子的线性组合参与碳原子之间的强共价键键合以形成六边形网状的平面，并且另外一个外层电子的波函数以垂直于该平面的形式存在。

更具体地，如图2B所示，石墨烯具有其中电子平行于该平面并参与强共价键键合的σ轨道状态和其中电子垂直于该平面的π轨道状态，并且接近决定石墨烯物理性质的费米(Fermi)能级的电子的波函数包括π轨道的线性键。

这样，期待石墨烯具有基于前述结构特征的各种特性。具体地，本示例性实施方式中所采用的石墨烯可有利地提供高水平的导电性同时保持如同单个碳原子层一样的透光性。

在图1所示的半导体发光器件10中，石墨烯层18可保持高透光性同时具有高水平的导电性。并且，诸如ITO的透明电极17具有相对较低水平的导电性，从而可期待分布电流的效果。因此，有效光发射面积可通过电流分布效果扩展，同时提高了Vf(正向电压，即工作电压)特性。

本示例性实施方式中所采用的石墨烯层18可直接从透明电极层17生长。石墨烯层18可通过使用热化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺生长。如果需要，石墨烯层18可单独地形成并粘附或转移到期望的透明电极层17上，而不是直接在透明电极层17上生长。

石墨烯层18可实现如同单个原子层一样的充分的效果，但是如果需要，也可在光能够透过的范围内形成多个石墨烯层。

图3是根据本发明一个示例性实施方式的半导体发光器件的变型。

图3中所示的半导体发光器件30包括衬底31和半导体光发射层叠体，该半导体光发射层叠体包括依次形成在衬底31上的n型半导体层32、有源层34和p型半导体层35。

在本示例性实施方式中，如同图1中所示的结构，在n型半导体层32的经过台面刻蚀以被露出的上表面上形成有n侧接触金属39a，并且在p型半导体层35上形成有p侧接触金属39b。

如图3所示，在p侧接触金属39b和p型半导体层35之间形成有高导电性透明电极。与图1中所示的实施方式类似，本示例性实施方式中所采用的高导电性透明电极可具有如下结构：在该结构中层叠有由透明导电氧化物或透明导电氮化物构成的透明电极层37和形成在该透明电极层37上的石墨烯层38。

本示例性实施方式中所采用的半导体光发射层叠体可以由Al_xIn_yGa_(1-x-y)AlN层(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)形成。例如，n型半导体层32和p型半导体层35可以分别是n型GaN和p型AlGaN/p型GaN。有源层34可以是InGaN/GaN。

在这种情况下，如图3所示，当诸如ITO的透明电极层37不能与p型半导体层35进行充分欧姆接触时，可在p型半导体层35和透明电极层37之间形成另外的欧姆接触层36。当然，欧姆接触层36也可以是另一石墨烯层，或者可以使用不同的欧姆接触层。

例如，欧姆接触层36可以是包括选自由铜(Cu)、锌(Zn)和镁(Mg)构成的组中的至少一种的In₂O₃。不同地，欧姆接触层36可以由以下物质构成：选自由MnNi、LaNi5、ZnNi、MgNi和ZnMg构成的组中的合金；或者选自由铑(Rh)、钌(Ru)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、镍(Ni)、钴(Co)或其合金构成的组中的金属或合金。

在上述实施方式中，采用石墨烯和透明电极层作为用于p型半导体层的电极结构，但是该电极结构也可以用于n型半导体层。并且，该高导电性透明电极可以类似地适用于具有不同的结构以及变化地变型和实施方式的半导体发光器件。现在将参考图4和图5描述本发明的一种变型。

图4中所示的半导体发光器件40包括导电衬底41和半导体光发射层叠体，该半导体光发射层叠体包括依次形成在导电衬底41上的第二导电半导体层45、有源层44和第一导电半导体层42。

本示例性实施方式中，与前面的示例性实施方式不同，接触部位于发光元件的彼此相对的上表面和下表面上。也就是说，一个接触金属49位于第一导电半导体层42上，并且导电衬底41用作另一接触金属。

如图4所示，在接触金属49和第一导电半导体层42之间设有高导电性透明电极。本示例性实施方式中所采用的高导电性透明电极具有如下结构：在该结构中层叠有形成在第一导电半导体层42上的石墨烯层48和形成在石墨烯层48上的透明电极层47。透明电极层47可以由透明导电氧化物或透明导电氮化物构成。

在本示例性实施方式中，石墨烯层48可允许电极结构和第一导电半导体层42进行欧姆接触。并且，因为透明电极层47具有相对较低水平的导电性，所以它可散布由具有有限面积的接触金属49提供的电流并通过提供优良的欧姆接触结构的石墨烯层48供应电流。

图5示出根据本发明另一示例性实施方式的半导体发光器件，其中石墨烯介于透明电极层之间。

如图5所示，根据本示例性实施方式的半导体发光器件50包括导电衬底51和半导体光发射层叠体，该半导体光发射层叠体包括依次形成在导电衬底51上的第二导电半导体层55、有源层54和第一导电半导体层52。

在图5所示的半导体发光器件50中，与图4中所示的结构类似，接触部定位成使得它们在半导体发光器件50的上表面和下表面上彼此相对。

并且，定位在接触电极59和第一导电半导体层52之间的高导电性透明电极包括透明电极层57a和57b以及介于透明电极层57a和57b之间的石墨烯层58。

更具体地，本示例性实施方式中所采用的高导电性透明电极具有如下结构，在该结构中，第一透明电极层57a形成在第一导电半导体层52上，并且石墨烯层58形成在第一透明电极层57a上，进而另外地形成第二透明电极层57b。这里，第一透明电极层57a和第二透明电极层57b可以由透明导电氧化物或透明导电氮化物构成。

类似地，该高导电性电极结构可变型为具有如下结构，在该结构中，诸如ITO的多个透明电极层和多个石墨烯层可交替地形成。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式，因为作为具有高水平导电性的材料层的石墨烯与诸如ITO的透明电极层一起使用，所以可保证高水平的透光性以及电特性。在透光性水平不会下降的范围内可形成单个石墨烯层或多个石墨烯层，并且因为在与石墨烯层相比具有稍高电阻的ITO层中可预期地获得一定的电流分布效果，所以可增加有效的光发射面积，以提高发光效率并保证高水平的透光性。

尽管已经结合示例性实施方式示出并描述了本发明，但是，对于本领域普通技术人员来说很显然，在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可做出变型和修改。

Claims

1.一种半导体发光器件，包括：

半导体光发射层叠体，其包括第一导电半导体层、第二导电半导体层和位于所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层之间的有源层；以及

高导电性透明电极，其形成在所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层中的至少一个上，并且包括由透明导电氧化物层和透明导电氮化物层中的至少一个形成的透明电极层和允许可见光谱内的光透过的石墨烯层，所述透明电极层和所述石墨烯层是层叠的。

2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述透明电极层形成在所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层中的至少一个上，并且所述石墨烯层形成在所述透明电极层上。

3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述石墨烯层形成在所述第一导电半导体层和所述第二导电半导体层中的至少一个上，并且所述透明电极层形成在所述石墨烯层上。

4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述石墨烯层介于所述透明电极层之间。

5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述透明电极层和所述石墨烯层分别设置为多个透明电极层和多个石墨烯层，并且所述高导电性透明电极具有其中所述多个透明电极层和所述多个石墨烯层交替地层叠的结构。

6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述透明导电氧化物层由选自以下物质构成的组中的至少一种构成：氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、氧化锌、氧化镁、氧化镉、氧化镁锌、氧化铟锌、氧化铟锡、氧化铜铝、氧化银、氧化镓、氧化锌锡和氧化锌铟锡。

7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述透明导电氮化物层由选自以下物质构成的组中的至少一种构成：氮化钛、氮化铬、氮化钨、氮化钽和氮化铌。

8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述半导体光发射层叠体由Al_xIn_yGa_(1-x-y)AlN层形成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。

9.根据权利要求1所述的器件，还包括：形成在所述透明电极层和所述至少一个导电半导体层之间的欧姆接触层。