CN102782884A - Iii族氮化物半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个实施方式，一种III族氮化物半导体发光器件包含：衬底；形成在所述衬底上的多层结构半导体层，所述多层结构半导体层包含顺次堆叠的多个半导体层，其侧面和顶面由该多个半导体层限定，其底面与所述衬底接触；由所述侧面限定的第一散射侧；和由形成在所述顶面与所述侧面接触的部分处的阶梯限定的第二散射侧。根据本发明所述实施方式的III族氮化物半导体层实现了改善的光引出效率和电气特性。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种III族氮化物半导体发光器件，更具体而言，涉及具有改善的光引出效率的III族氮化物半导体发光器件。
此处，所述III族氮化物半导体发光器件是指诸如包含由Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)制成的化合物半导体层的发光二极管等发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件还可包含由其他族元素制成的材料(如SiC、SiN、SiCN和CN)，或者由这些材料制成的半导体层。
背景技术
本部分提供了涉及本发明的背景信息，其不一定是现有技术。
图1是示出了常规III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图。该III族氮化物半导体发光器件包括衬底100，生长在衬底100上的缓冲层200，生长在缓冲层200上的n型氮化物半导体层300，生长在n型氮化物半导体层300上的有源层400，生长在有源层400上的p型氮化物半导体层500，形成在p型氮化物半导体层500上的p侧电极600，形成在p侧电极600上的p侧焊盘700，形成在通过台面蚀刻p型氮化物半导体层500和有源层400而露出的n型氮化物半导体层300上的n侧电极800，以及保护膜900。
就衬底100而言，可以使用GaN基衬底作为同质衬底，而且可以使用蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底作为异质衬底。不过，可以使用任何类型的衬底，只要其能够具有在其上生长的氮化物半导体层。在使用SiC衬底的情况中，可以在SiC衬底侧形成n侧电极800。
生长在衬底100上的氮化物半导体层大多通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长。
缓冲层200用于克服异质衬底100与氮化物半导体之间的晶格常数和热膨胀系数的差异。美国专利第5,122,845号公开了一种于380℃～800℃在蓝宝石衬底上生长厚度为的AlN缓冲层的技术，美国专利5,290,393号描述了一种于200℃～900℃在蓝宝石衬底上生长厚度为
的Al(x)Ga(1-x)N(0≤x≤1)缓冲层的技术，而美国专利申请公开第2006/154454号描述了一种于600℃～990℃生长SiC缓冲层(晶种层)并随后在其上生长In(x)Ga(1-x)N(0≤x≤1)的技术。
优选地，在生长n型氮化物半导体层300之前生长未掺杂的GaN层，该GaN层可以看作缓冲层200或n型氮化物半导体层300的一部分。
n型氮化物半导体层300至少在n侧电极800形成区(n型接触层)处掺杂有掺杂剂。优选地，该n型接触层由GaN制成并掺杂有Si。
美国专利第5,733,796号描述了一种通过调节Si和另一源材料的混合比而以所需掺杂浓度掺杂n型接触层的技术。
通过电子和空穴的复合产生光量子(光)的有源层400主要由In(x)Ga(1-x)N(0≤x≤1)制成，并由单量子阱层或多量子阱层构成。
p型氮化物半导体层500掺杂有诸如Mg等适当的掺杂剂，并且通过激活过程而赋予p型导电性。
美国专利第5,247,533号描述了一种通过电子束辐照来激活p型氮化物半导体层的技术，美国专利第5,306,662号描述了一种通过在400℃以上进行退火工序来激活p型氮化物半导体层的技术，而美国专利申请公报第2006/157714号描述了一种通过使用氨和肼类源材料一起作为氮前体来生长p型氮化物半导体层，从而在没有激活过程的情况下使p型氮化物半导体层能够具有p型导电性的技术。
提供p侧电极600来促进电流供应给整个p型氮化物半导体层500。美国专利第5,563,422号描述了一种与下述透光性电极相关的技术，所述透光性电极提供在p型氮化物半导体层500的几乎整个表面上，与p型氮化物半导体层500欧姆接触并由Ni和Au制成，美国专利第6,515,306号描述了一种在p型氮化物半导体层上形成n型超晶格层，并随后在其上形成由氧化铟锡(ITO)制成的透光性电极的技术。
同时，p侧电极600可以形成得厚至不透光而使光反射向衬底，这称为倒装晶片技术。
美国专利第6,194,743号描述了一种与下述电极结构体有关的技术，所述电极结构体包括厚度至少为20nm的Ag层，覆盖该Ag层的扩散阻挡层，以及由Au和Al制成且覆盖该扩散阻挡层的结合层。
提供p侧焊盘700和n侧电极800来用于电流供应和外部引线接合。美国专利第5,563,422号描述了一种用Ti和Al形成n侧电极的技术。
可以省去由SiO2制成的保护膜900。
同时，n型氮化物半导体层300或p型氮化物半导体层500可以由单层或多层构成。近来，已经提出了通过使用激光或湿法蚀刻工序从氮化物半导体层中除去衬底100而制造立式发光器件的技术。
图2和图3是美国专利申请公报第2006/0192247号中描述的发光器件的实例的视图。在图2所示结构体的情况中，发光器件A中产生的光不能从该发光器件中引出而是在其中消失，而在图3所示结构体的情况中，由于在发光器件的侧面上形成了倾斜平面120而使得发光器件A中产生的光能够有效地从该发光器件中引出。
不过，图3中所示的结构体不可避免地对发光器件顶面的边缘造成损害，从而降低了倾斜平面120的效果。
发明内容
[技术问题]
本发明要解决的问题将在稍后本发明的具体实施方式部分中予以描述。
[技术方案]
本部分提供了本发明的总体概要，而不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
根据本公开的一个方面，提供了一种III族氮化物半导体层发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件包含：衬底；提供在所述衬底上的多层结构半导体层，所述多层结构半导体层由顺次堆叠的多个半导体层构成，并具有由所述多个半导体层限定的侧面和顶面以及与所述衬底接触的底面；由所述侧面限定的第一散射表面；和由所述顶面与所述侧面的接触部分中形成的阶梯限定的第二散射表面。
[有益效果]
本发明的有益效果将在稍后本发明的具体实施方式部分中予以描述。
附图说明
图1为示出了常规III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图。
图2是示出了美国专利申请公报第2006/0192247号中描述的发光器件的一个实例的视图。
图3是示出了美国专利申请公报第2006/0192247号中描述的发光器件的另一实例的视图。
图4是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的示例性实施方式的视图。
图5是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的示例性实施方式的视图。
图6是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图7是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图8是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图9是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图10是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图11是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图12是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图13是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式的视图。
图14是示出了在本发明的III族氮化物半导体发光器件上形成的散射表面的一个实例的显微照片。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明。
图4和图5是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件的示例性实施方式的视图，该III族氮化物半导体发光器件包括衬底10和生长在衬底10上的多层结构半导体层。
该多层结构半导体层可包括缓冲层20，生长在缓冲层20上的n型氮化物半导体层30，生长在n型氮化物半导体层30上并通过电子和空穴的复合产生光的有源层40，和生长在有源层40上的p型氮化物半导体层50。
另外，在p型氮化物半导体层50上可形成用于电连接的p侧电极60，并且在p侧电极60上可形成p侧焊盘70。
此外，在通过台面蚀刻p型III族氮化物半导体层50和有源层40而露出的n型氮化物半导体层30上可形成n侧电极72。
此外，可额外提供保护膜80。
同时，本发明的III族氮化物半导体发光器件包括第一散射表面90和第二散射表面92。
第一散射表面90形成在多层结构半导体层的侧面上并优选作为相对于衬底10的倾斜平面提供。换言之，第一散射表面90优选具有在远离衬底10的方向上增大的横截面积。
这样，有源层40中产生的光在多层结构半导体层的侧面上的入射角可能会小于造成全反射的临界角，因此光能够有效地引出至外部。
将第二散射表面92提供在多层结构半导体层的顶面边缘，即，顶面与侧面的接触部分处。
更具体而言，第二散射表面92由p型氮化物半导体层50的顶面边缘上形成的阶梯限定。
通过光刻法将阶梯形成得浅至正好位于有源层40下方的部分，并优选形成得与用于形成n侧电极72的台面蚀刻深度相比明显浅。
如果该阶梯具有较大的深度，则第一散射表面90的面积减小，那么阶梯形成工序的时间增大，且第一散射表面90的位置将远离有源层40，这将使散射效果降低。
同时，本发明的III族氮化物半导体发光器件还可包括第三散射表面，提供该第三散射表面使得所述多层结构半导体层的底面外周与衬底10隔开。
此外，当衬底10还包括图案化凸起时，该第三散射表面可以与该凸起隔开。
在韩国专利申请第2007-0084776号中已经给出了第三散射表面的详细说明，该专利申请是由本发明人发明并提出申请的。
现将描述本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法。图6～13图示了本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法的示例性实施方式。
首先，提供衬底10，然后在衬底10上生长氮化物半导体层20、30、40和50。
在本发明中，衬底10是蓝宝石衬底(参见图6)。
接下来，使用光致抗蚀剂图案对氮化物半导体层30、40和50进行干法蚀刻。所述干法蚀刻工序可以使用感应耦合等离子体(ICP)等进行(参见图7)。
随后，在氮化物半导体层30、40和50上形成保护膜77。
保护膜77可以由SiO2等制成(参见图8)。
然后，使衬底10和氮化物半导体层20、30、40和50分离成单独的发光器件。该分离过程可使用激光划线过程来进行。
通过激光划线过程的切割面的深度优选为0.5μm～30μm，以使其能够通过物理力而容易地分离成单独的发光器件。
如果切割面的深度小于0.5μm，则在使用物理力的分离工序中可能会在发光器件的表面或内部出现裂纹，或者电气性质可能会劣化。
如果切割面的深度超过30μm，则在制造单个发光器件的工序中发光器件可能易于断裂，这会导致生产率较低(参见图9)。
接下来对发光器件进行湿法蚀刻以形成第一散射表面90。
该湿法蚀刻工序可通过将发光器件浸没在280℃的溶液(H2SO4∶H3PO4＝3∶1)中8分钟来进行。
在该过程中，由于衬底10与氮化物半导体层20、30、40和50之间的蚀刻比存在差异而形成第一散射表面90。
然后，将保护膜77浸没在缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液中并通过蚀刻除去(参见图10)。
然后沉积p侧电极60(参见图11)。
进而，第二散射表面92使用光致抗蚀剂图案通过干法蚀刻工序形成。
第二散射表面92的优点在于，如上所述使有源层40中产生的光能够有效地引出至外部，还在于能够解决在形成第一散射表面90的湿法蚀刻工序中对多层结构半导体层的顶面外周，即p型氮化物半导体层50的外周和有源层40的外周的损害。
此外，使用湿法蚀刻工序能够除去激光划线过程中产生的残渣，而且使用干法蚀刻工序可以除去在形成第二散射表面92的过程中因湿法蚀刻工序而受损的p型半导体层50，这可以改善电气性质。
另外，由此形成的结构体易于将有源层中产生的光引出至半导体的外部(参见图12)。
采用了ICP的干法蚀刻工序如下进行：首先注入BCl3气10秒钟，然后注入Cl2气240秒钟，由此从p型氮化物半导体层50起蚀刻氮化物半导体层30和40。
此处，由在多层结构半导体层的顶面外周上形成的阶梯来提供第二散射表面92。如果第二散射表面92具有较大的厚度，则在干法蚀刻工序中会在该阶梯上形成倾斜平面。由于存在该倾斜平面，从有源层40至第二散射表面92的光的入射角变得大于临界角，这可能导致全反射。
因此，理想的是在没有倾斜平面的情况下形成阶梯，同时除去p型氮化物半导体层50和有源层40中因湿法蚀刻工序而受损的部分。
更具体而言，作为实验的结果，优选第二散射表面92具有0.3μm～0.4μm的深度。
接下来，制造p侧焊盘70、n侧电极72和保护膜80(参见图13)。
图14是示出了本发明的III族氮化物半导体发光器件上形成的散射表面的一个实例的显微照片。
本发明的多种示例性实施方式现将描述如下：
(1)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层提供在衬底上并由如下的层构成：具有第一导电性的第一氮化物半导体层；提供在所述第一氮化物半导体层上并具有与所述第一导电性不同的第二导电性的第二氮化物半导体层；和提供在所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层之间并通过电子和空穴的复合来产生光的有源层，其中，所述第一散射表面和所述第二散射表面防止光被完全反射至所述多层结构半导体层的内部，而是通过所述侧面和顶面离开所述多层结构半导体层。
(2)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述阶梯在所述多层结构半导体层的高度方向上具有0.3μm～0.4μm的深度。
(3)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述阶梯具有的深度使得能够除去所述有源层。
(4)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层还包括自所述顶面起以使所述第一氮化物半导体层能够露出的深度而形成的台面蚀刻结构体，由此能够在该台面蚀刻结构体上形成将与所述第一氮化物半导体层电连接的焊盘电极，所述台面蚀刻结构体在所述多层结构半导体层的高度方向上具有大于所述阶梯的深度。
(5)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，至少部分所述多层结构半导体层具有倒截头棱锥的形状，并且将所述第一散射表面限定为所述倒截头棱锥的斜面。
(6)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层具有在远离所述衬底的方向上增大的平面面积，并且至少部分所述衬底是露出的。
(7)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述发光器件包括第三散射表面，提供所述第三散射表面使得所述多层结构半导体层与所述侧面接触的底面外周的至少一部分与所述衬底隔开。
(8)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述第三散射表面具有与所述第二散射表面不同的倾斜度。
(9)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，将所述第三散射表面提供为曲面。
(10)所述III族氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底还包括图案化凸起，并且将所述第三散射表面限定为所述多层结构半导体层与所述凸起隔开的底面。
本发明的III族氮化物半导体发光器件能够改善光引出效率。
此外，本发明的III族氮化物半导体发光器件能够改善氮化物半导体层的电气性质。
Claims (11)
1.一种III族氮化物半导体发光器件，其中，所述发光器件包含：
衬底；
提供在所述衬底上的多层结构半导体层，所述多层结构半导体层由顺次堆叠的多个半导体层构成，并具有由所述多个半导体层限定的侧面和顶面以及与所述衬底接触的底面；
由所述侧面限定的第一散射表面；和
由所述顶面与所述侧面的接触部分中形成的阶梯限定的第二散射表面。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层提供在所述衬底上并由如下的层构成：
具有第一导电性的第一氮化物半导体层；
提供在所述第一氮化物半导体层上并具有与所述第一导电性不同的第二导电性的第二氮化物半导体层；和
提供在所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层之间并通过电子和空穴的复合来产生光的有源层，
其中，所述第一散射表面和所述第二散射表面防止光被完全反射至所述多层结构半导体层的内部，而是通过所述侧面和顶面离开所述多层结构半导体层。
3.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述阶梯在所述多层结构半导体层的高度方向上具有0.3μm～0.4μm的深度。
4.如权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述阶梯具有的深度使得能够除去所述有源层。
5.如权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层还包含自所述顶面起以使所述第一氮化物半导体层能够露出的深度而形成的台面蚀刻结构体，由此能够在该台面蚀刻结构体上形成将与所述第一氮化物半导体层电连接的焊盘电极，所述台面蚀刻结构体在所述多层结构半导体层的高度方向上具有大于所述阶梯的深度。
6.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，至少部分所述多层结构半导体层具有倒截头棱锥的形状，并且将所述第一散射表面限定为所述倒截头棱锥的斜面。
7.如权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述多层结构半导体层具有在远离所述衬底的方向上增大的平面面积，并且至少部分所述衬底是露出的。
8.如权利要求7所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述发光器件包含第三散射表面，提供所述第三散射表面使得所述多层结构半导体层与所述侧面接触的底面外周的至少一部分与所述衬底隔开。
9.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述第三散射表面具有与所述第二散射表面不同的倾斜度。
10.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，将所述第三散射表面提供为曲面。
11.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底还包括图案化凸起，并且将所述第三散射表面限定为所述多层结构半导体层与所述凸起隔开的底面。
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