CN102569560B - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

半导体发光器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体发光器件，其包括：具有不均匀图案的底表面的第一半导体层、在第一半导体层上形成的有源层、在所述有源层上形成的第二半导体层、在所述第二半导体层上形成的第二电极和在所述第一半导体层下形成的第一电极。

Description

半导体发光器件及其制造方法
本申请是名为“半导体发光器件及其制造方法”、申请号为200680026632.9之中国专利申请的分案申请，原申请200680026632.9是根据专利合作条约于2006年7月25日提交的国际申请(PCT/KR2006/002916)进入中国国家阶段的国家申请。
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
通常，半导体发光器件例如发光二极管具有堆叠结构，其中在衬底上堆叠n-型半导体层、发光区和p-型半导体层。在p-型半导体层和n-型半导体层上形成电极。当从半导体层注入的电子与空穴复合时，从发光区产生光。从发光区产生的光从在p-型半导体层上的可透光电极或从衬底上发射。在此，在p-型半导体层的几乎整个表面上的可透光电极是由金属薄层或透明导电层形成的可透光电极。
从发光二极管发出的光的颜色(即波长)是根据用于制造发光二极管的半导体材料所确定的。这是因为发射的光的波长对应于半导体材料的带隙，所述带隙定义为价带中的电子和导带中的电子之间的能量差。
图1为显示现有技术半导体发光器件的结构的示意图。
如图1所示，现有半导体发光器件包括衬底11、缓冲层12、n-型覆盖层13、有源层14、p-型覆盖层15、p-型接触层16、p-型电极17和n-型电极18。
由于半导体发光器件的堆叠结构被控制在原子水平上，因此实施衬底加工以提供具有镜面平坦性的衬底。由此，在衬底11上彼此平行地堆叠半导体层12、13和15，有源层14以及电极17和18。
半导体层具有大的折射指数，并通过p-型覆盖层15的表面和衬底11的表面构建波导(waveguide)。因此，当光以预定的临界角或更大的角度入射在p-型电极17的表面或衬底11的表面上时，入射光被p-型电极17和p-型覆盖层15之间的界面或被衬底11的表面反射，并在水平方向上传播通过半导体层的堆叠结构的内部。在这样的传播过程中，光限制在波导内并且可能损失。因此，不能获得如所期望一样多的外部量子效率。
已经提出如图2所示的半导体发光器件，作为消除上述缺陷和改善外部量子效率的一种方法。图2是显示现有技术半导体发光器件的一个不同例子的示意图。
如图2所示，改进的半导体发光器件包括衬底21、缓冲层22、n-型覆盖层23、有源层24、p-型覆盖层25、p-型接触层26、p-型电极27和n-型电极28。
与在图1中所示的现有技术半导体发光器件相比，改进的半导体发光器件的衬底21具有带有不均匀图案的顶表面。在衬底21的不均匀表面上形成缓冲层22，并在其上堆叠n-型覆盖层23。
在图1所示的具有平坦衬底的半导体发光器件中，当光在水平方向上在半导体层中传播时，一部分光被吸收到半导体层或电极中，这导致从半导体层中出来的光的衰减。
相比而言，对于在图2中所示的改进的半导体发光器件，在水平方向传播的光被散射或衍射。因此，可从上部半导体层22、23、24和25或从底部衬底21高效地发射光，有助于改善外部量子效率。
在图2中所示的改进的半导体发光器件的情况下，注入的载流子在表面和界面上移动，由此产生导电性。在用于发光的预定区域内施加的高驱动电压允许大量的注入载流子(电子)流动。在此，电流流过位于n-型电极28下的n-型覆盖层23的薄层。电流密度集中区域的位置靠近n-型电极28。
在这个区域中，发生了电流拥挤，这使得电流密度相对较高。当产生其中电流分布集中的这种区域时，温度急剧升高。然后，产生的热降低发光效率，并因此在长期运行中降低器件的可靠性。
而且，两个电极的邻近使得半导体发光器件易于受到静电的影响。因为衬底是绝缘衬底，因此即使在衬底上附着散热器(heat sink)也没有改善散热。
因此，对可改善外部量子效率和散热的半导体发光器件进行研究。
发明内容
技术问题
本发明提供半导体发光器件及其制造方法，其可改善外部量子效率和散热。
技术方案
本发明提供一种半导体发光器件。所述半导体发光器件包括具有带有不均匀图案的底表面的第一半导体层；在第一半导体层上形成的有源层；在有源层上形成的第二半导体层；在第二半导体层上形成的第二电极；和在所述第一半导体层下面形成的第一电极。
本发明提供一种制造半导体发光器件的方法。所述方法包括在衬底上形成第一半导体层；在所述第一半导体层上形成有源层；在所述有源层上形成第二半导体层；除去所述衬底；在所述第一半导体层上形成不均匀图案；和在所述第一半导体层上形成第一电极，和在所述第二半导体层上形成第二电极。
有利效果
根据本发明，可改善外部量子效率和散热。
附图说明
图1为显示现有技术半导体发光器件的结构的一个例子的示意图；
图2为显示现有技术半导体发光器件的结构的另一个例子的示意图。
图3为显示根据本发明的半导体发光器件的结构的示意图。
图4至11为显示根据本发明的制造半导体发光器件的方法的视图；和
图12为显示根据本发明的半导体发光器件的另一个结构的示意图。
具体实施方式
应理解，当衬底、层(膜)、区域、图案或结构被称为在另一衬底、层、区域、垫或图案“上/上面/上方/上部(on/above/over/upper)”或“下/下面/下方/下部(down/below/under/lower)”时，它们可以直接接触所述另外的衬底、层、区域、垫或图案，或也可存在中间层、区域、垫、图案或结构。必须基于本发明的技术理念来理解该涵义。
现在将参照附图详述本发明的实施方案。
图3为显示根据本发明的半导体发光器件的结构的示意图。
如图3所示，根据本发明的半导体发光器件包括具有带有不均匀图案的底表面的n-型覆盖层33，在n-型覆盖层33上形成的有源层34，和在有源层34上形成的p-型覆盖层35。
根据本发明的半导体发光器件还可包括在p-型覆盖层35上形成的p-型电极37，和在n-型覆盖层33下形成的n-型电极38。还可在p-型覆盖层35和p-型电极37之间形成p-型接触层36。
n-型覆盖层33可以是n-GaN覆盖层，和p-型覆盖层35可以是p-GaN覆盖层。有源层34可以具有单量子阱结构或多量子阱结构。
可以以规则的间隔或不同的间隔形成n-型覆盖层33的不均匀图案。可在n-型覆盖层33的整个不均匀表面上形成n-型电极38。
根据本发明的具有这种堆叠结构的半导体发光器件具有垂直结构，该结构中n-型电极38和p-型电极37分别形成在器件的下部和上部。因此，可防止现有技术平面结构的在n-型电极附近的电流密度集中的问题。
即，在根据本发明的半导体发光器件中，p-型电极37和n-型电极38在上部和下部平行堆叠。因此，电流密度不会集中在特定区域中，而是可以在对应于n-型电极38的整个区域上均匀分布。通过这种形式，防止在n-型电极38的特定部分发生电流拥挤，由此防止在所述特定区域处的温度急剧升高。
而且，由于根据本发明的半导体发光器件中的两个电极设置为在其间具有足够的距离，因此器件具有抗静电的性能。通过例如在器件上附着散热器也可以改善半导体发光器件的散热。
另外，在根据本发明的半导体发光器件中，在水平方向传播的光在形成有n-型覆盖层33的不均匀图案的区域中被散射或衍射。因此，可大大改善外部量子效率。
之后，将参照图4至11描述根据本发明的具有这种结构的半导体发光器件的制造方法。图4至11为显示根据本发明的制造半导体发光器件的方法的视图。
在根据本发明的制造半导体发光器件的方法中，如图4所示，在衬底31上堆叠缓冲层32、n-型覆盖层33、有源层34和p-型覆盖层35。可不包括缓冲层32，但是形成缓冲层32作为改善半导体层特性的一种方法。n-型覆盖层33可以是n-GaN覆盖层，和p-型覆盖层35可以是p-GaN覆盖层。
然后，如图5所示，从所得结构除去衬底31。可用激光剥离方法分离并除去所述衬底31。在激光剥离方法中，可使用准分子激光以分离并除去衬底31。
如图6和7所示，除去缓冲层32以暴露出n-型覆盖层33。可实施化学机械抛光或蚀刻以除去缓冲层32并暴露出n-型覆盖层33。
如图8所示，在n-型覆盖层33上形成光刻胶层41然后在其上实施图案化。然后，蚀刻图案化的光刻胶层41以在n-型覆盖层33中形成不均匀图案43。可以以规则的间隔或不同的间隔形成n-型覆盖层33的不均匀图案43。
然后，除去光刻胶层41。如图10所示，在其中形成有不均匀图案的n-型覆盖层33上形成n-型电极38，在p-型覆盖层35上形成p-型电极37。n-型电极38可以形成在n-型覆盖层33的整个表面上，p-型电极37可以形成在p-型覆盖层35的整个表面上。优选在整个表面上形成的n-型电极38和p-型电极37中的一个形成为透明电极。如图3所示，可在p-型覆盖层35和p-型电极37之间进一步形成p-型接触层36。
如图11所示，在以前述方式制造的半导体发光器件中，在水平方向传播的光在其中形成有不均匀图案43的n-型覆盖层33的区域中被散射或衍射。因此，可在很大程度上改善根据本发明的半导体发光器件的外部量子效率。
而且，在根据本发明半导体发光器件中，p-型电极37和n-型电极38平行堆叠于其上部和下部。因此，电流密度不会集中在特定区域中，而是在对应于n-型电极38的整个区域上均匀分布。因此，防止在n-型电极38的特定部分处发生电流拥挤，从而防止该特定区域的温度急剧升高。
而且，由于根据本发明的半导体发光器件中的两个电极设置为在其间具有足够的距离，因此器件可抗静电。通过在器件上附着散热器等的方法也可以改善半导体发光器件的散热性能。
虽然在本实施方案中，描述了除去缓冲层32以暴露出n-型覆盖层33的情况，但是可不完全除去缓冲层32。即，如图12所示，通过蚀刻可以在缓冲层42和n-型覆盖层33二者中均形成不均匀图案，并且可以在其上形成n-型电极38。缓冲层32可由导电材料形成。图12为显示根据本发明的半导体发光器件的另一个结构的示意图。
在本实施方案中，在n-型覆盖层35中形成不均匀图案，在形成有不均匀图案的表面上形成n-型电极38。然而，本发明不限于此，这种不均匀图案可以在p-型覆盖层35中形成。
在本实施方案中，作为实例描述了p-n结结构的半导体发光器件，其中在上部形成p-型半导体并在下部形成n-型半导体。然而，半导体发光器件可具有其中进一步在p-型半导体层上形成n-型半导体层的n-p-n结结构。n-p-n结结构意味着第一电极层和第二电极层均形成为n-型半导体层，并且在其间形成p-型半导体层。在第一电极层、n-型半导体层上形成第一电极，在第二电极层、n-型半导体层上形成第二电极。
工业应用
根据半导体发光器件及其制造方法，可改善外部量子效率和散热。
本发明还涉及如下技术方案：
1.一种半导体发光器件，包括：
具有底表面的第一半导体层，所述底表面具有不均匀图案；
在所述第一半导体层上形成的有源层；
在所述有源层上形成的第二半导体层；
在所述第二半导体层上形成的第二电极；和
在所述第一半导体层下形成的第一电极。
2.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述第一半导体层为n-型半导体层，和所述第二半导体层为p-型半导体层。
3.根据项目1所述的半导体发光器件，其中以规则的间隔形成所述第一半导体层的所述不均匀图案。
4.根据项目1所述的半导体发光器件，其中以不同的间隔形成所述第一半导体层的所述不均匀图案。
5.根据项目1所述的半导体发光器件，其中至少所述第一电极形成在所述第一半导体层的整个表面上，或至少所述第二电极形成在所述第二半导体层的整个表面上。
6.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述第一电极和第二电极中的至少一个是透明电极。
7.根据项目1所述的半导体发光器件，还包括在所述第二半导体层和所述第二电极之间形成的第三半导体层。
8.根据项目7所述的半导体发光器件，其中所述第一半导体层和第三半导体层为n-型半导体层，和所述第二半导体层为p-型半导体层。
9.根据项目1所述的半导体发光器件，还包括在所述第一半导体层的所述不均匀图案的凸起部分与所述第一电极之间形成的缓冲层。
10.一种制造半导体发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一半导体层；
在所述第一半导体层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二半导体层；
除去所述衬底；
在所述第一半导体层上形成不均匀图案；和
在所述第一半导体层上形成第一电极，和在所述第二半导体层上形成第二电极。
11.根据项目10所述的方法，其中所述第一半导体层为n-型半导体层，和所述第二半导体层为p-型半导体层。
12.根据项目10所述的方法，其中以规则的间隔形成所述第一半导体层的所述不均匀图案。
13.根据项目10所述的方法，其中以不同的间隔形成所述第一半导体层的所述不均匀图案。
14.根据项目10所述的方法，其中至少所述第一电极形成在所述第一半导体层的整个表面上，或至少所述第二电极形成在所述第二半导体层的整个表面上。
15.根据项目10所述的方法，其中除去所述衬底包括利用激光剥离方法分离并除去所述衬底。
16.根据项目15所述的方法，其中所述激光剥离方法利用准分子激光。
17.根据项目10所述的方法，其中在所述第一半导体层中形成所述不均匀图案包括：
在所述第一半导体层上形成光刻胶层并图案化所述光刻胶层；
在所述图案化的光刻胶层上实施蚀刻以在所述第一半导体层中形成不均匀图案；和
除去所述光刻胶层。
18.根据项目10所述的方法，还包括在所述衬底上形成第一半导体层之前，在所述衬底上形成缓冲层。
19.根据项目18所述的方法，还包括在除去所述衬底之后，除去所述缓冲层以暴露出所述第一半导体层。
20.根据项目19所述的方法，其中除去所述缓冲层包括利用化学机械抛光和蚀刻中的一种来除去所述缓冲层。
21.根据项目18所述的方法，还包括在除去所述衬底之后，蚀刻所述缓冲层和所述第一半导体层以在所述第一半导体层中形成不均匀图案，其中在所述第一半导体层的所述不均匀图案的凸起部分上形成所述缓冲层。

Claims (11)

1.一种半导体发光器件，包括：
n电极，所述n电极具有顶表面和底表面；
形成在所述n电极的顶表面中的不均匀图案；
形成在所述n电极上的n型半导体覆盖层，所述n型半导体覆盖层具有顶表面和底表面；
形成在所述n型半导体覆盖层的底表面中的不均匀图案，所述n型半导体覆盖层的不均匀图案直接接触所述n电极的不均匀图案；
形成在所述n型半导体覆盖层上的有源层；
形成在所述有源层上的p型半导体覆盖层；
形成在所述p型半导体覆盖层上的p电极，
其中在所述n电极和所述n型半导体覆盖层之间不设置生长衬底，以及
其中所述n电极的所述顶表面中的所述不均匀图案与所述n型半导体覆盖层的所述底表面中的所述不均匀图案相对应。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中形成在所述n电极的顶表面中的不均匀图案延伸跨越所述n电极和所述n型半导体覆盖层之间的整个边界。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体覆盖层和所述p型半导体覆盖层由GaN形成。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n电极和p电极中的至少一个是透明的。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述有源层是多量子阱结构。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括在所述p型半导体覆盖层和所述p电极之间的p接触半导体层。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括在接触所述p电极的所述p型半导体覆盖层中的不均匀图案。
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中所述p型半导体覆盖层中的不均匀图案以规则的间隔形成。
9.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中所述p型半导体覆盖层中的不均匀图案以不同的间隔形成。
10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体覆盖层中的不均匀图案以规则的间隔形成。
11.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体覆盖层中的不均匀图案以不同的间隔形成。
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