CN102751405A - 半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种半导体发光器件。所述半导体发光器件包括：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之下的有源层以及在所述有源层之下的第二导电半导体层；在所述发光结构之下的反射层，所述反射层包括具有第一折射率的第一介质和具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二介质；在所述第一导电半导体层上形成的第一电极层；和在所述反射层之下的第二电极层。

Description

半导体发光器件
本申请是于2008年11月25日提交的、名为“半导体发光器件”的PCT申请KR2008/006947进入中国国家阶段之中国申请200880117892.6的分案申请。
技术领域
本公开涉及半导体发光器件。
背景技术
第III-V族氮化物半导体已经广泛用于光学器件如蓝色和绿色LED(发光二极管)、高速开关器件例如MOSFET(金属半导体场效应晶体管)和HEMT(异质结型场效应晶体管)和照明设备或显示设备的光源。具体而言，利用第III族氮化物半导体的发光器件具有与可见光至紫外线的范围对应的直接过渡型带隙，并且可以进行高效发光。
氮化物半导体主要用于LED或LD(激光二极管)，并且已经连续进行研究以改善氮化物半导体的制造工艺或发光效率。
发明内容
技术问题
实施方案提供一种包括反射层的半导体发光器件，在所述反射层中具有不同折射率的介质交替堆叠。
实施方案提供一种能够根据发射光的波长调节反射层中介质厚度和介质对的数目的半导体发光器件。
实施方案提供一种包括堆叠在发光结构之下的反射层和欧姆层的半导体发光器件。
技术方案
一个实施方案提供一种半导体发光器件，其包括：包括第III-V族化合物半导体层的发光结构；在所述发光结构之下的包括彼此不同且交替堆叠的介质的反射层；和所述反射层之下的第二电极层。
一个实施方案提供一种半导体发光器件，其包括：发光结构，所述发光结构包括第一导电半导体层、所述第一导电半导体层之下的有源层和所述有源层之下的第二导电半导体层；所述发光结构之下的反射层，所述反射层包括具有第一折射率的第一介质和具有第二折射率的第二介质；和所述反射层之下的第二电极层。
有益效果
实施方案可通过采用具有DBR(分布布拉格反射器)结构的反射层来改善反射特性。
实施方案可利用有源层之下的反射层来改善外部发光效率。
实施方案可通过根据发射光的波长调节反射层中各种介质的厚度来保持高的反射特性。
附图说明
图1是示出根据第一实施方案的半导体发光器件的侧视截面图；
图2-10是示出制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的侧视截面图；
图11是示出根据第二实施方案的半导体发光器件的侧视截面图；和
图12是示出在根据第一实施方案中反射率随反射层中AlN-GaN对的数目变化的图。
最佳实施方式
下面将参照附图详细描述根据实施方案的半导体发光器件。在实施方案的说明中，术语每一层之“上”或“下”是参照附图描述的，并且每一层的厚度不限于图中所示的厚度。
图1是示出根据第一实施方案的半导体发光器件的侧视截面图。
参照图1，半导体发光器件100包括发光结构110、反射层120、欧姆层140和导电支撑构件150。
发光结构110包括第一导电半导体层111、第二导电半导体层115和介于第一和第二导电半导体层111和115之间的有源层113。
第一导电半导体层111可制成掺杂有第一导电掺杂剂的至少一个半导体层的形式。第一导电半导体层是第III-V族化合物半导体并且可包括选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的至少其一。当第一导电半导体层111是N型半导体层时，第一导电掺杂剂包括N型掺杂剂如Si、Ge、Sn、Se和Te。
具有预定图案的第一电极151形成于第一导电半导体层111的上表面上。粗糙结构112可形成于第一导电半导体层111的上表面的一部分上或者第一导电半导体层111的整个表面上。
有源层113形成于第一导电半导体层111之下。有源层113具有单量子阱结构或多量子阱结构。有源层113利用第III-V族化合物半导体材料形成有阱层和势垒层的结构。例如，有源层113可形成为具有InGaN阱层/GaN势垒层或AlGaN阱层/GaN势垒层的结构。
有源层113包括具有依据发射光波长的带隙的材料。例如，在波长为460nm至470nm的蓝光的情况下，有源层113可具有单量子阱结构或以InGaN阱层/GaN势垒层为一个周期的多量子阱结构。有源层113可包括发射彩色光如蓝光、红光和绿光的材料。
导电包覆层(未显示)可形成于有源层113之上和/或下。导电包覆层可制成AlGaN层的形式。
第二导电半导体层115形成于有源层113之下。第二导电半导体层115可制成掺杂有第二导电掺杂剂的至少一个半导体层的形式。第二导电半导体层115是第III-V族化合物半导体并且可包括选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的至少其一。当第二导电半导体层115是P型半导体层时，第二导电掺杂剂包括P型掺杂剂如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba。
第三导电半导体层(未显示)可形成于第二导电半导体层115之下。当第一导电半导体层111是N型半导体层时，第二导电半导体层115可制成P型半导体层的形式。第三导电半导体层可制成掺杂有N型掺杂剂的半导体层形式。发光结构110可包括N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构和P-N-P结结构中的至少其一。
反射层120形成于发光结构110之下。反射层120形成于第二导电半导体层115之下且包括其中不同的介质121和131交替堆叠的DBR结构。在DBR结构中，交替堆叠具有不同折射率的几对两种透明介质121和131。
在反射层120中，第一介质121和堆叠在第一介质121之下的第二介质131形成一对，第一介质121和第二介质131对的数目可以为10至30。
反射层120中的第一介质121和第二介质131可使用第HI-V族化合物半导体中折射率之差大的两种材料。第一介质121可包括AlN层，第二介质131可包括GaN层。在反射层120中，AlN/GaN对交替堆叠。此外，GaN/AlN对在反射层120中交替堆叠。第一介质121或第二介质131可包括选自InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种。此外，可以在第一介质121和第二介质131之间插入另一半导体层，例如InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN。
在反射层120中提供的每对结构中，第一介质121可具有35nm至80nm的厚度，第二介质131可具有30nm至75nm的厚度。此外，第一介质121可具有与第二介质131不同的厚度，第一介质121和第二介质131可形成为具有相同的厚度。
反射层120中第一介质121和第二介质131的厚度可利用有源层113中发射光的波长以及第一介质121和第二介质131的折射率按下列方程1进行计算。
[方程1]
T＝λ/(4n)
在方程1中，T代表每种介质的厚度，λ代表波长，n代表每种介质的折射率。
当波长为450nm时，如果AlN层的折射率为2.12，则AlN层可具有53.1nm的厚度。如果GaN层的折射率为2.44，则GaN层可具有46.1nm的厚度。
在反射层120中，第一介质121和第二介质131的厚度可根据发射光的波长进行优化。反射层120的最下层介质可以不具有对结构。
参照图12，在发射光波长为450nm的情况下，如果反射层120中AlN-GaN对的数目大于10，则反射层120的反射率大于94％。如果AlN-GaN对的数目大于11，则反射层120的反射率为95％至99％。因此，如果AlN-GaN对的数目大于10，则反射层120具有较高的反射率。
反射层120中介质的厚度和介质对的数目可以根据发射光的波长变化。例如，反射层120可有效反射波长为300nm至700nm的光。
反射层120可形成为与有源层113的发光区域具有相同的尺寸，从而可以使反射特性最大化且可以提高外部量子效率。
此外，反射层120可利用高导电材料形成，并且用作发光器件的一部分。
欧姆层140形成于反射层120之下，导电支撑构件150形成于欧姆层140之下。欧姆层140和导电支撑构件150用作第二电极层。
欧姆层140可包括具有优异欧姆特性和低透光性的材料，以降低反射层120和导电支撑构件150之间的电阻差。例如，欧姆层140可包括选自Pt、Ni、Au、Rh和Pd的至少其一或其混合物。欧姆层140可以不暴露于器件的外壁。
导电支撑构件150可包括铜、金、载体晶片(例如Si、Ge、GaAs、ZnO或SiC)等。例如，导电支撑构件150可利用镀覆或晶片接合技术来形成。本发明的范围不限于此。
图2至10是示出制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的侧视截面图。
参照图2，缓冲层103形成于衬底101之上。衬底101可包括选自Al2O3、GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、InP和GaAs的材料。
缓冲层103可包括第III-V族化合物半导体。例如，缓冲层103可包括选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种。缓冲层103可掺杂有导电掺杂剂，或者可以不形成。
未掺杂半导体层(未显示)可形成于缓冲层103上并可用作氮化物半导体生长的籽层。缓冲层103和未掺杂半导体层中的至少其一可以形成或不形成。本发明的范围不限于此。
第一导电半导体层111形成于缓冲层103上，有源层113形成于第一导电半导体层111上，第二导电半导体层115形成于有源层113上。
导电包覆层(未显示)可形成于有源层113之上和/或下。导电包覆层可包括AlGaN层。
发光结构110包括第一导电半导体层111、有源层113和第二导电半导体层115。在实施方案的范围内，可以向其添加另一层或在其间插入另一层。本发明的范围不限于该结构。
反射层120形成于第二导电半导体层115上。反射层120可利用沉积法如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)或HVPE(氢化物气相外延)形成。
反射层120包括第一介质121和第二介质131。详细地，第一介质121形成于第二导电半导体层115上，第二介质131形成于第一介质121上。第一介质121和第二介质131制成对，可以交替堆叠以形成DBR结构。所述对的数目可以为10至30。
第一介质121和第二介质131可使用其折射率之差大的两种材料。反射层120中的第一介质121可包括AlN层，第二介质131可包括GaN层。反射层120可包括AlN-GaN对或GaN-AlN对。第一介质121或第二介质131可包括选自InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的一种。此外，另一半导体层如InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN可以介于第一介质121和第二介质131之间。
第一介质121可具有35nm至80nm的厚度，第二介质131可具有30nm至75nm的厚度。此外，第一介质121可具有与第二介质131不同的厚度，第一介质121和第二介质131可形成有相同的厚度。
反射层120中第一介质121和第二介质131的厚度以及第一介质121和第二介质131对的数目可根据发射光波长变化。例如，当发射光的波长为450nm时，如果AlN层的折射率为2.12，则AlN层可以具有53.1nm的厚度。如果GaN层的折射率为2.44，则GaN层可以具有46.1nm的厚度。
第一介质121和第二介质131的厚度可以基于发射光的波长来计算，并且第一介质121和第二介质131对的数目可以基于反射层120的反射率来选择。
当第一介质121具有35nm至80nm的厚度，第二介质131具有30nm至75nm的厚度，并且对的数目是10至30时，反射层120可有效反射波长为300nm至700nm的光。
反射层120可形成有与有源层113的发光区域相同的尺寸，从而可以使反射特性最大化且可以提高外部发光效率。
参照图3，在反射层120形成于第二导电半导体层115上之后，利用台面蚀刻工艺移除衬底101上的外围部分A1。
参照图4，欧姆层140形成于反射层120上。欧姆层140可包括具有优异欧姆特性和低透光性的材料。例如，欧姆层140可包括选自Pt、Ni、Au、Rh和Pd的至少其一或其混合物。
欧姆层140形成于反射层120的上表面之上，以使欧姆层140的外侧不暴露于器件的侧壁。此外，欧姆层140可形成于反射层120的整个表面上。
参照图5，在形成欧姆层140之后，导电支撑构件150可形成于欧姆层140上。导电支撑构件150可包括铜、金、载体晶片(例如Si、Ge、GaAs、ZnO、SiC)等。例如，导电支撑构件150可利用镀覆或晶片接合技术来形成。本发明的范围不限于此。欧姆层140和导电支撑构件150用作第二电极层。
参照图6和7，如果形成导电支撑构件150，导电支撑构件150用作基底，从而可以移除衬底101。衬底101可利用物理方法和/或化学方法移除。根据物理方法，利用将具有预定波长的激光辐照到衬底101上的LLO法(激光剥离)来分离衬底101。根据化学方法，通过将蚀刻剂溶液注入缓冲层103中移除缓冲层103，使得可以分离衬底101。
在移除衬底101之后，实施相对于缓冲层103表面的移除Ga氧化物的工艺。可以不执行该工艺。
参照图7和8，移除缓冲层103。缓冲层103可利用干蚀刻工艺、湿蚀刻工艺或抛光工艺移除。此时，如果缓冲层103掺杂有导电掺杂剂，则可以不移除缓冲层103。
参照图9和10，粗糙结构112可形成于第一导电半导体层111的上表面的部分A2上或者在第一导电半导体层111的整个表面上。
粗糙结构112可利用干蚀刻法而具有凹凸形状，并且可以改变凹凸形状。可以不形成粗糙结构112。
具有预定图案的第一电极151形成于第一导电半导体层111的上表面上。
图11是示出根据第二实施方案的半导体发光器件的侧视截面图。在第二实施方案中，将省略与第一实施方案相同的元件和功能的说明，以免赘述。
参照图11，在半导体发光器件100A中，具有多个岛状的反射层120形成于第二导电半导体层115之下，并且欧姆层140形成于反射层120和第二导电半导体层115之下。在此处，反射层120可形成有凹凸形状。
反射层120形成于发光结构110的第二导电半导体层115之下，并且欧姆层140的凸部145形成于反射层120的岛之间。
反射层120和欧姆层140的凸部145可形成于第二导电半导体层115的下表面上。
如上文公开的，在实施方案中，第一介质121或第二介质131的厚度以及第一介质121和第二介质131对的数目根据从发光器件发射的光的波长来调节，从而可以提供高反射率。反射层120在300nm至700nm的波长范围内具有高反射特性。
在本发明的说明中，应当理解，当称层(或膜)、区域、图案或结构在另一衬底、另一层(或膜)、另一区域、另一衬垫或另一图案之“上/上方”或“下/下方”时，它可以“直接”或“间接”在所述另一衬底、层(或膜)、区域、衬垫或图案层之上或下，或者也可以存在一个或更多中间层。关于术语每层的“上/上方”或“下/下方”是参照附图描述的。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施方案描述本发明，但是应理解，本领域的技术人员可以设计多种其它修改方案和实施方案，它们也在本公开内容的原理的精神和范围内。更具体地，可以对本公开内容、附图和所附权利要求中的主题组合布置的组成部件和/或布置进行各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置进行变化和修改之外，可替代使用对本领域的技术人员而言也是明显的。
工业实用性
实施方案可提供垂直型半导体发光器件。
实施方案可提高外部发光效率。
实施方案可改善半导体发光器件的可靠性。
另外，本发明还涉及如下技术方案：
1.一种半导体发光器件，包括：
包括第III-V族化合物半导体层的发光结构；
在所述发光结构之下的反射层，所述反射层包括彼此不同的且交替堆叠的介质；和
所述反射层之下的第二电极层。
2.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层包括具有第一折射率的第一介质和所述第一介质之下具有第二折射率的第二介质的对，并且所述对的数目至少为10。
3.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层包括具有第一厚度的第一介质和所述第一介质之下具有第二厚度的第二介质的对，并且所述对的数目至少为10。
4.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层中的所述介质分别包括AlN和GaN层。
5.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层具有AlN-GaN对或GaN-AlN对，并且所述对的数目为10至30。
6.根据项目4所述的半导体发光器件，其中所述AlN层的厚度为35nm至80nm，并且所述GaN层的厚度为30nm至75nm。
7.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层通过堆叠30对或更少的两种材料形成，所述两种材料具有彼此不同的折射率并且选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN。
8.根据项目1所述的半导体发光器件，包括：
所述反射层之下的欧姆层；和
所述欧姆层之下的导电支撑构件，
其中所述欧姆层包括选自Pt、Ni、Au、Rh和Pd中的一种。
9.根据项目1所述的半导体发光器件，包括形成于第一导电半导体层上的粗糙结构和第一电极。
10.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述反射层在所述发光结构之下具有凹凸形状，并且所述第二电极层在所述反射层和所述发光结构之下与所述反射层和所述发光结构电接触。
11.根据项目1所述的半导体发光器件，其中所述发光结构包括：
具有第一电极的第一导电半导体层；
所述第一导电半导体层之下的有源层；和
所述有源层和所述反射层之间的第二导电半导体层。
12.一种半导体发光器件，包括：
发光结构，所述发光结构包括第一导电半导体层、所述第一导电半导体层之下的有源层和所述有源层之下的第二导电半导体层；
所述发光结构之下的反射层，所述反射层包括具有第一折射率的第一介质和具有第二折射率的第二介质；和
所述反射层之下的第二电极层。
13.根据项目12所述的半导体发光器件，其中利用导电材料形成所述反射层的所述第一介质和所述第二介质。
14.根据项目12所述的半导体发光器件，其中所述第一介质具有35nm至80nm的厚度，所述第二介质具有30nm至75nm的厚度，并且所述第一介质的厚度与所述第二介质的厚度不同。
15.根据项目12所述的半导体发光器件，其中所述反射层具有凹凸形状或多个岛形状，并且所述第二电极层在所述反射层和所述发光结构之下与所述反射层和所述发光结构电接触。

Claims (16)

1.一种半导体发光器件，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之下的有源层以及在所述有源层之下的第二导电半导体层；
在所述发光结构之下的反射层，所述反射层包括具有第一折射率的第一介质和具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二介质；
在所述第一导电半导体层上形成的第一电极层；和
在所述反射层之下的第二电极层，
其中所述第二电极层电接触所述反射层和所述发光结构，
其中所述第一导电半导体层包括其中设置有所述第一电极层的上表面，同时在所述第一导电半导体层的所述上表面的其他部分上形成粗糙结构，
其中所述第二电极层包括具有金属材料的导电支撑构件，
其中所述第一导电半导体层包括AlGaN基半导体层和所述第二导电半导体层包括AlGaN基半导体层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述反射层的第一介质和第二介质由导电材料形成。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述第一介质的厚度为35nm至80nm，所述第二介质的厚度为30nm至75nm，并且所述第一介质的厚度不同于所述第二介质的厚度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述发光结构包括设置在所述第一导电半导体层和所述有源层之间的第一AlGaN基导电包覆层。
5.根据权利要求4所述的半导体发光器件，其中所述发光结构包括设置在所述第二导电半导体层和所述有源层之间的第二AlGaN基导电包覆层。
6.根据权利要求4所述的半导体发光器件，其中所述有源层包括AlGaN层。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述反射层包括所述第一介质和所述第一介质之下的所述第二介质的对。
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中所述对的数目至少为10。
9.根据权利要求5或6所述的半导体发光器件，其中所述反射层包括具有第一厚度的所述第一介质和所述第一介质之下具有不同于所述第一厚度的第二厚度的所述第二介质的对。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述导电支撑构件包括Cu和Au中的至少一种材料。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述反射层通过堆叠30对或更少的两种材料形成，所述两种材料具有彼此不同的折射率并且选自GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述第一电极层包括预定图案。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述发光结构包括设置在所述第一导电半导体层和所述有源层之间的第一AlGaN导电包覆层，以及设置在所述第二导电半导体层和所述有源层之间的第二AlGaN导电包覆层，
其中所述第一导电半导体层是n型导电半导体层，所述第二导电半导体层是p型导电半导体层。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的半导体发光器件，其中所述第一电极层包括在所述导电支撑构件上的欧姆层，所述欧姆层包括选自Pt、Ni、Au、Rh和Pd中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的半导体发光器件，其中所述第一介质和第二介质的折射率由下面的等式表示：
T＝λ/(4n)
其中T表示每种介质的厚度，λ表示发光结构的波长，n表示每种介质的折射率。
16.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述反射层具有凹凸形状或多个岛形状。
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