CN102593296A

CN102593296A - 半导体发光装置

Info

Publication number: CN102593296A
Application number: CN2012100083560A
Authority: CN
Inventors: 金台勋; 崔丞佑; 张泰盛
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US20120175587A1; KR20120081801A; JP2012146982A; EP2477239A2; TW201234654A

Abstract

在此公开了一种半导体发光装置。所述半导体发光装置包括：导电基底；p型半导体层，设置在导电基底上；活性层，设置在p型半导体层上；n型半导体层，设置在活性层上；n侧电极，设置在n型半导体层上并包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层。

Description

半导体发光装置

本申请要求于2011年1月12日在韩国知识产权局提交的第10-2011-0003136号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置。

背景技术

通常，作为一种半导体光源的发光二极管(LED)是这样一种半导体装置，即，当对LED施加电流时，LED能够由于电子和电子空穴在p型半导体和n型半导体之间的结节处的复合产生各种颜色的光。由于与灯丝类光源相比，发光二极管具有诸如长寿命、低功耗、优良的初始驱动特性和高抗震性等各种优点，所以对这类发光二极管的需求已经持续增加。具体地讲，近来能够发射具有短波长的蓝光的第III族氮化物半导体受到关注。

然而，具体地讲，这种发光二极管的局限性在于它的发光效率由于电流在发光层的某一区域中的聚集而劣化。因此，需要一种将半导体发光装置设计成具有高的透光率和导电率的同时具有优良的电流分布效应的方法。

发明内容

本发明的一方面提供了一种具有高的透光率和导电率的同时具有良好的电流分布效应的半导体发光装置。

根据本发明的一方面，提供了一种半导体发光装置，所述半导体发光装置包括：导电基底；p型半导体层，设置在导电基底上；活性层，设置在p型半导体层上；n型半导体层，设置在活性层上；n侧电极，设置在n型半导体层上并包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层。

n侧电极还可包括与掺杂有n型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。

欧姆金属层可形成在碳纳米管层的上表面的中心区域中。

欧姆金属层可形成在n型半导体层的上表面的部分区域中，并且碳纳米管层可形成在n型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的部分区域之外的区域上。

碳纳米管层的n型杂质包括氧气(O₂)和碱金属中的至少一种。

所述半导体发光装置还可包括设置在n型半导体层和n侧电极之间的透光导电层。

所述半导体发光装置还可包括设置在碳纳米管层上的钝化层。

钝化层可形成为完全覆盖碳纳米管层的上表面。

n侧电极还可包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

碳纳米管层可形成为完全覆盖n型半导体层的上表面。

通过沉积在碳纳米管层上的氧化物层，碳纳米管层掺杂有n型杂质。

氧化物层可包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种半导体发光装置，所述半导体发光装置包括：n型半导体层；活性层和p型半导体层，顺序形成在n型半导体层上；n侧电极，形成在通过去除p型半导体层和活性层的部分而暴露的p型半导体层上；p侧电极，形成在p型半导体层上，其中，n侧电极还包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层。

欧姆金属层可形成在掺杂有n型杂质的碳纳米管层的上表面的中心区域中。

欧姆金属层可形成在n型半导体层的上表面的至少一部分区域中，并且碳纳米管层形成在n型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的所述至少一部分区域之外的至少一部分区域中。

n侧电极还可包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

p侧电极可包括掺杂有p型杂质的碳纳米管。

p侧电极还可包括与掺杂有p型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。

欧姆金属层可形成在掺杂有p型杂质的碳纳米管层的上表面的中心区域中。

欧姆金属层可形成在p型半导体层的上表面的至少一部分区域中，并且碳纳米管层可形成在p型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的所述至少一部分区域之外的至少一部分区域中。

所述半导体发光装置还可包括设置在p型半导体层和p侧电极之间的透光导电层。

p侧电极还可包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

附图说明

从下面结合附图进行的详细描述中，本发明的以上和其它方面、特征和其它优点将被更清楚地理解，在附图中：

图1A是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图；

图1B是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的平面图；

图2是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图；

图3是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图；

图4是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图；

图5是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图；

图6是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图。

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例。然而，本发明可以以很多不同的形式实施，并不应该被解释为局限于在此提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并将把本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清晰起见，夸大了组件的形状和尺寸。尽管本领域技术人员能够通过添加、修改或删除元件将包含本发明的教导的实施例容易地设计成很多各种其它的实施例，但是这些实施例会落入本发明的范围内。在整个说明书中，用相同的标号表示相同或等价的元件。

图1A和图1B分别示出了根据本发明示例性实施例的半导体发光装置。这里，图1A是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图，图1B是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的平面图。

参照图1A和图1B，根据本发明示例性实施例的半导体发光装置可被构造为包括通过在基底11上顺序堆叠p型半导体层12、活性层13和n型半导体层14而形成的发光结构、形成在n型半导体层14上的碳纳米管层15以及设置在碳纳米管层15上的欧姆金属层16，其中，碳纳米管层15掺杂有n型杂质。

在这种情况下，作为在基底上堆叠发光结构的工艺，可以使用本领域公知的工艺。例如，可在用于使氮化物单晶(未示出)生长的基底(例如，蓝宝石基底)上顺序生长n型半导体层14、活性层13和p型半导体层12，然后可在p型半导体层12上形成与支撑基底对应的具有导电性的基底11(在下文中，称作“导电基底”)，并可去除蓝宝石基底。通过这样做，从活性层13产生的光可大致沿n型半导体层14的方向发射。之后，可提供形成掺杂有n型杂质的碳纳米管层15的工艺。

在下文中，将参照图1A和图1B来详细解释构成半导体发光装置的组件。

在诸如去除使单晶生长的基底(在下文中，称作“生长基底”)等的工艺过程中，导电基底11可支撑具有相对薄的厚度的发光结构。此外，根据本发明的实施例，导电基底11可被设置为通过利用导电粘合层(未示出)与印刷电路板(PCB)等结合的结合部件，从而用作p侧电极。此外，导电基底11可形成为通过利用镀覆或晶圆结合方法与发光结构结合，并且可具有良好的导电性和导热性。高的导热性可使得容易散发在操作过程中产生的热，从而可提高装置的可靠性并延长装置的寿命。

导电基底11可具有将电信号传输给p型半导体层12的作用，也可以在去除生长基底的工艺(诸如激光剥离工艺等)中作为支撑发光结构的支撑件。为此，导电基底11可由包括金(Au)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、硅(Si)、硒(Se)和砷化镓(GaAs)中的任意一种的材料制成，例如，可为掺杂有Al的Si基底。在本发明的示例性实施例中，可利用导电粘合层(未示出)将导电基底11与发光结构结合，并且导电基底11可被镀覆。

n型氮化物半导体层14和p型氮化物半导体层12可由具有组成式Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(这里，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的掺杂有n型杂质和p型杂质的半导体材料制成。例如，作为半导体材料，可使用氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化铟镓(InGaN)。作为n型杂质，可使用硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、碲(Te)或碳(C)，作为p型杂质，可使用镁(Mg)、锌(Zn)或铍(Be)。

活性层13可被构造为具有单量子阱结构或多量子阱结构的未掺杂的氮化物半导体层，并且可通过电子和空穴的复合发射具有预定能级的光。

在这种情况下，可利用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)等各种方法来生长n型氮化物半导体层14、P型氮化物半导体层12和活性层13。

n侧电极15和16可包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层15和设置在碳纳米管层15上的n侧欧姆金属层16。

这里，碳纳米管具有管形，在该管形中，一个碳原子与另一碳原子结合从而具有六边形蜂窝图案。管的直径可达几至几十纳米。另外，由于碳纳米管具有高导电性和导热性并且可具有比钻石的刚度高的刚度，所以除了用作传统材料之外，碳纳米管可广泛地用作高科技电子产业领域中的材料。

同时，碳纳米管可具有这样的结构，即，在该结构中形成由单管制成的单壁碳纳米管(SWNT)、具有相互叠置的两个管的双壁碳纳米管(DWNT)或多壁碳纳米管(MWNT)。另外，作为碳纳米管，可使用金属碳纳米管、聚合物碳纳米管和液态碳纳米管中的任意一种。可通过利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来合成这种碳纳米管。通过PECVD工艺，可在相对低的温度下合成碳纳米管，并且可选择性地生长碳纳米管。因此，PECVD可适用于直接在支撑件上生长碳纳米管的情况。作为PECVD的具体方法，通过溅射法在室内沉积诸如铁(Fe)、镍(Ni)或钴(Co)等的金属，从而形成催化剂金属层(未示出)。然后，通过利用氨水、氢气等蚀刻催化剂金属层，从而作为具有纳米级精细图案的催化剂金属层。在这种情况下，可通过控制蚀刻时间来控制催化剂金属层的粒度和密度。之后，为了合成碳纳米管，通过在供应反应气体的状态下应用高频电源，碳纳米管可垂直对齐地生长在具有精细图案的催化剂金属层上，其中，反应气体由乙炔(C₂H₂)、甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)、丙烯(C₃H₆)、丙烷(C₃H₈)和一氧化碳(CO)中的至少一种制成。在这种情况下，可通过控制蚀刻时间来控制由碳纳米管形成的图案的尺寸。

此外，可通过利用除了PECVD之外的各种方法(例如，利用膏的屏幕印刷法、喷射法等)来形成碳纳米管层。喷射法的优点可在于碳纳米管可分散在诸如乙醇等的溶剂中，从而制备分散溶液，并且分散溶液可被喷射在例如将在后续工艺中进行热处理(例如，在大约80℃进行热处理)的硅基底上，从而形成碳纳米管层。

如上所述形成的碳纳米管层会自然具有p型半导体特性，而可以用氧(O₂)或碱金属(例如，钾)掺杂碳纳米管层，从而获得n型碳纳米管15。

此外，可通过在具有p型半导体特性的碳纳米管上沉积氧化层来获得n型碳纳米管15。可通过原子层沉积(ALD)工艺在300℃沉积铋钛硅氧化物(BTSO)来形成氧化层。在这种情况下，可使用水蒸汽作为氧源。按照这种方式，当沉积BTSO时，用n型杂质掺杂碳纳米管32，而铋层的电子粘附到碳纳米管层的表面，。在这种情况下，可以简化并有助于n型掺杂工艺。

同时，如上所述，氧化物层可形成为氧化层；然而，本发明不限于此。氧化物层可由包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)中的至少一种原子层的层形成。

在这种情况下，碳纳米管15可形成为全部覆盖n型半导体层14的上表面，欧姆金属层16可形成在碳纳米管层15的中心部分中。通过按照这种方式沉积欧姆金属层16，如图1A所示，横跨发光结构的电流流C可相对于整个半导体发光装置具有对称性，这就是为什么会更有效地执行电流分布的原因。

尽管未示出，高反射欧姆接触层可形成为导电基底11上的p侧电极。高反射欧姆接触层可与p型半导体层12形成欧姆接触，并可形成为具有70％以上的反射率。另外，高反射欧姆接触层可包括由从由Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au和它们的混合物组成的组中选择的材料制成的至少一层。高反射欧姆接触层可由Ni/Ag、Zn/Ag、Ni/Al、Ni/Au、Zn/Al、Pd/Ag、Pd/Al、Ir/Ag、Ir/Au、Pt/Ag、Pt/Al或Ni/Ag/Pt制成。然而，高反射欧姆接触层不是本发明示例性实施例中的必需的元件，可以根据本发明示例性实施例选择性地采用高反射欧姆接触层并对其进行各种变型。

图2是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图。

参照图2，根据本发明示例性实施例的半导体发光装置与图1中的半导体发光装置的不同之处在于欧姆金属层26直接形成在n型半导体层24上，而不是形成在碳纳米管层25上。即，欧姆金属层26形成在n型半导体层24的上表面的部分区域上，碳纳米管层25可形成在n型半导体层24的除了形成有欧姆金属层26的部分区域的上表面上。

按照这种方式，n侧电极的形状不是必需限于如图1A和图1B所示的形状，并且可通过对欧姆金属层26和碳纳米管层25的形状进行各种改变来改变n侧电极的形状，以适用于本发明的各个示例性实施例。

图3是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图。

参照图3，根据本发明示例性实施例，半导体发光装置可以按下面的方式进行设置，即，去除一部分发光结构，使得n型半导体层34暴露于外部，n侧欧姆金属层36形成在暴露的n型半导体34上，最后使n侧电极和p侧电极指向同一方向。

按照这种方式，n侧电极和p侧电极的形状不是必需限于如图1A和图1B所示的形状，并且n侧电极和p侧电极的形状还可应用于电流流沿水平方向而不是垂直方向的发光装置结构。

尽管未示出，但是n侧电极和p侧电极中的至少一个可设置为包括与掺杂有n型或p型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。在这种情况下，欧姆金属层可形成在碳纳米管层的上表面的中心区域中，或者可形成在n型和p型半导体层的上表面的部分区域中。碳纳米管层可形成在n型和p型半导体层的除了形成有欧姆金属层的部分区域之外的上表面上。

另外，透光导电层可设置在n型半导体层和n侧电极之间及p型半导体层和p侧电极之间，或者钝化层可设置在碳纳米管层上，荧光层可设置在碳纳米管层上。

在这种情况下，如上所述，由于碳纳米管可自然具有p型特性，所以半导体发光装置可使用p型碳纳米管层形成。

图4是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图。

参照图4，透光导电层47可形成在n型半导体层44和碳纳米管层45之间。在这种情况下，透光导电层47可由具有高透光率的氧化物形成，优选地，由氧化铟锡(ITO)形成；然而，透光导电层47不是必需局限于此。

图5是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图，图6是根据本发明示例性实施例的半导体发光装置的剖视图。

参照图5和图6，钝化层57和荧光层67中的至少一个可设置在碳纳米管层55、65和n型欧姆金属层56、66之间。

具有保护发光结构的功能的钝化层57可通过化学表面处理而形成在碳纳米管层55上，并且钝化层57可形成在碳纳米管层55的整个上表面上。另外，例如，通过使用其中含有硒的水溶液，钝化层57可形成在碳纳米管层55上作为硒化合物层。钝化层57可由诸如二氧化硅(SiO₂)、SiO_xN_y的硅氧化物或者诸如Si_xN_y等的硅氮化物制成，并且可以具有大约0.1-2μm的厚度。

此外，荧光层67可包括将分散在树脂中的红色荧光物质、绿色荧光物质和黄色荧光物质中的至少一种，从而转变从活性层63产生的光的色度，优选地允许发射白光。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，可通过将电极形成为碳纳米管层来获得具有高的透射率和导电率的同时具有优良的电流分布效应的半导体发光装置。

尽管已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出变型和改变。

Claims

1.一种半导体发光装置，所述半导体发光装置包括：

导电基底；

p型半导体层，设置在导电基底上；

活性层，设置在p型半导体层上；

n型半导体层，设置在活性层上；

n侧电极，设置在n型半导体层上并包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层。

2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，n侧电极还包括与掺杂有n型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。

3.根据权利要求2所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在碳纳米管层的上表面的中心区域中。

4.根据权利要求2所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在n型半导体层的上表面的部分区域中，并且碳纳米管层形成在n型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的部分区域之外的区域上。

5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，碳纳米管层的n型杂质包括氧气和碱金属中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述半导体发光装置还包括设置在n型半导体层和n侧电极之间的透光导电层。

7.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述半导体发光装置还包括设置在碳纳米管层上的钝化层。

8.根据权利要求7所述的半导体发光装置，其中，钝化层形成为完全覆盖碳纳米管层的上表面。

9.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，n侧电极还包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

10.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，碳纳米管层形成为完全覆盖n型半导体层的上表面。

11.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，通过沉积在碳纳米管层上的氧化物层，碳纳米管层掺杂有n型杂质。

12.根据权利要求11所述的半导体发光装置，其中，氧化物层包括N、P、As、Sb和Bi中的至少一种。

13.一种半导体发光装置，所述半导体发光装置包括：

n型半导体层；

活性层和p型半导体层，顺序形成在n型半导体层上；

n侧电极，形成在通过去除p型半导体层和活性层的部分而暴露的n型半导体层上；

p侧电极，形成在p型半导体层上，

其中，n侧电极还包括掺杂有n型杂质的碳纳米管层。

14.根据权利要求13所述的半导体发光装置，其中，n侧电极还包括与掺杂有n型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。

15.根据权利要求14所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在掺杂有n型杂质的碳纳米管层的上表面的中心区域中。

16.根据权利要求14所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在n型半导体层的上表面的至少一部分区域中，并且碳纳米管层形成在n型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的所述至少一部分区域之外的至少一部分区域中。

17.根据权利要求13所述的半导体发光装置，所述半导体发光装置还包括设置在n型半导体层和n侧电极之间的透光导电层。

18.根据权利要求13所述的半导体发光装置，所述n侧电极还包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

19.根据权利要求13所述的半导体发光装置，其中，p侧电极包括掺杂有p型杂质的碳纳米管。

20.根据权利要求19所述的半导体发光装置，其中，p侧电极还包括与掺杂有p型杂质的碳纳米管层电连接的欧姆金属层。

21.根据权利要求20所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在掺杂有p型杂质的碳纳米管层的上表面的中心区域中。

22.根据权利要求20所述的半导体发光装置，其中，欧姆金属层形成在p型半导体层的上表面的至少一部分区域中，并且碳纳米管层形成在p型半导体层的上表面的除了形成有欧姆金属层的所述至少一部分区域之外的至少一部分区域中。

23.根据权利要求19所述的半导体发光装置，所述半导体发光装置还包括设置在p型半导体层和p侧电极之间的透光导电层。

24.根据权利要求19所述的半导体发光装置，其中，p侧电极还包括设置在碳纳米管层上的荧光层。

25.根据权利要求13所述的半导体发光装置，所述半导体发光装置还包括设置在碳纳米管层上的钝化层。