CN102800773A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体发光器件及其制造方法。该半导体发光器件包括：发光结构，包括第一和第二导电半导体层，有源层插置在第一和第二导电半导体层之间；第一和第二接合电极，分别连接到第一和第二导电半导体层；透明电极层，形成在第二导电半导体层上；多个纳米结构，形成在透明电极层上；以及钝化层，形成为覆盖多个纳米结构，其中透明电极层、多个纳米结构和钝化层的折射率可依次减小。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制造方法，更具体地，涉及改善光提取效率的半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管（LED）是将电能转换为光能的器件，由于包括在其中的材料，光能在电子和空穴彼此复合从而发射光时产生。LED目前被广泛用于一般的照明器件、显示器件以及光源，其进一步发展正在加速。
特别地，随着利用基于氮化镓（GaN）的发光二极管（其发展和进入广泛使用已完成）的手机键盘、后视镜转向信号灯和闪光灯的商业化，近年来积极地进行着使用发光二极管的一般照明器件的发展。其应用包括大尺寸电视的背光单元、汽车头灯和一般照明器件，已经从小尺寸便携式产品进展到大尺寸、高输出和高效的产品，从而需要具有期望使用其的产品所需要的特性的光源。
因此，作为用来获得高的光强度和高的光效率的发光二极管的方案，使用其中形成有多个纳米结构的发光二极管结构。
发明内容
本发明的一方面提供一种光提取效率增加的半导体发光器件。
此外，本发明的另一方面提供半导体发光器件的制造方法。
根据本发明的一方面，提供一种半导体发光器件，包括：发光结构，包括第一和第二导电半导体层，有源层插置在第一和第二导电半导体层之间；第一和第二接合电极，分别连接到第一和第二导电半导体层；透明电极层，形成在第二导电半导体层上；多个纳米结构，形成在透明电极层上；以及钝化层，形成为覆盖多个纳米结构，其中透明电极层、多个纳米结构和钝化层的折射率依次减小。
透明电极层可以是透明导电氧化物层或透明导电氮化物层，具体地，透明电极层可以由从铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组中选出的至少一种形成。
多个纳米结构可以由透明导电的基于锌氧化物（ZnO）的化合物形成，多个纳米结构可以利用该透明电极层作为籽层而形成。
钝化层可以由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组中选出的一种形成。
钝化层可以具有开口，第二接合电极和第二导电半导体层可以通过该开口连接。
透明电极层可以包括用于在其中形成第二接合电极的开口，第二导电半导体层和第二接合电极可以连接到彼此。
透明电极层可以具有开口，第二接合电极和第二导电半导体层可以通过该开口连接。
根据本发明的另一方面，提供一种半导体发光器件的制造方法，包括：在基板上形成发光结构，该发光结构包括第一和第二导电半导体层，有源层插置在两者之间；在第二导电半导体层上形成透明电极层；在透明电极层上形成多个纳米结构；以及形成钝化层以覆盖多个纳米结构，其中透明电极层、多个纳米结构和钝化层的折射率依次减小。
半导体发光器件的制造方法还可以包括去除透明电极层以形成连接到第二导电半导体层的第二接合电极。
透明电极层可以是透明导电氧化物层，具体地，透明电极层可以由从铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组中选出的至少一种形成。
钝化层可以由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组中选出的一种形成，在此情形下，钝化层可以通过CVD法或溅射法形成。
附图说明
本发明的以上和其他的方面、特征和其他优点将从以下结合附图的详细描述而被更清楚地理解，附图中：
图1是根据本发明第一实施例的半导体发光器件的透视图；
图2是图1的半导体发光器件被部分切除的透视图；
图3是根据本发明第二实施例的半导体发光器件的侧截面图；以及
图4、5、6、7、8、9、10、11是简单地示出根据本发明第一实施例的半导体发光器件的制造方法的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图详细地描述本发明的实施例。
实施例通过示例的方法将本发明的范围提供给本领域技术人员。因此，本发明不限于以下公开的实施例，而是可以以权利要求中公开的各种形式来实施。
因而，附图中的元件的形状和尺寸可以为了清楚的描述而被夸大，贯穿附图始终，相似的附图标记指代相似的元件。
首先，将描述根据本发明实施例的半导体发光器件，之后，将描述本发明实施例的半导体发光器件的制造方法。
图1是根据本发明第一实施例的半导体发光器件100的透视图。图2是图1的半导体发光器件100被部分切除的透视图。
如图1和图2所示，根据本发明第一实施例的半导体发光器件100可以包括：发光结构120；透明电极层130，形成在发光结构120的上部上，多个纳米结构140，形成在透明电极层130上；以及钝化层150，形成在多个纳米结构140上，透明电极层130、多个纳米结构140和钝化层的折射率可以依次减小。半导体发光器件可以是具有水平结构的顶发光型发光器件，其朝向基板的顶表面发射光（如图1中所示地从半导体发光器件100向上）。
发光结构120可以包括基板110上的第一导电半导体层121和第二导电半导体层123，有源层122插置在两者之间。发光结构120具有其中有源层122和第二导电半导体层123被台面蚀刻以暴露第一导电半导体层121的部分区域的结构。
基板110包括用于制造半导体发光器件100的一般晶片，并可以使用Al2O3、ZnO或LiAl2O3的透明基板，在实施例中，可以使用蓝宝石基板。
第一导电半导体层121可以是III-V族氮化物半导体材料，例如n-GaN层。第二导电半导体层123可以是III-V族氮化物半导体层，例如p-GaN层或p-GaN/AlGaN层。
有源层122可以是GaN基III-V族氮化物半导体层，其是InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)且是单量子阱或其中量子势垒层和量子阱层交替堆叠的多量子阱（MQW）。例如，有源层122可以具有GaN/InGaN/GaNMQW或GaN/AlGaN/GaN MQW结构。
透明电极层130可以形成在第二导电半导体层123上。透明电极层130可以由透明导电氧化物和透明导电氮化物中的任一种形成。透明电极层130的形成材料可以是从由铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组中选出的至少一种材料。
在半导体发光器件100中，当预定的电压施加在第一接合电极160与第二接合电极170时，电子和空穴分别从第一导电半导体层121和第二导电半导体层123注入到有源层122中从而彼此复合，结果，光可以从有源层122产生。
多个纳米结构140可以形成在透明电极层130上。多个纳米结构140可以形成为具有小于透明电极层130的折射率的折射率。在此情形下，多个纳米结构140可以由透明导电的基于氧化锌（ZnO）的化合物形成。
透明导电的基于氧化锌（ZnO）的化合物可以添加有诸如铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）、硅（Si）、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta),、镉(Cd)和镧(La)的元素中的至少一种成分，从而控制多个纳米结构140的电子浓度、能带隙、光学折射率等。
多个纳米结构140可以形成为具有各种形状，例如，具有圆形、矩形或六边形水平截面形状的多面体中的柱形、针形、管形和盘形。多个纳米结构140的长度可以通过在生长多个纳米结构140期间控制在生长温度周期的反应时间来控制。
多个纳米结构140可以通过使用化学气相沉积（CVD）法、分子束外延（MBE）法和氢化物气相外延（HVPE）法而生长在透明电极层130上，但是当多个纳米结构140通过使用CVD法生长时，制造工艺相对简单并且制造成本低。
多个纳米结构140可以在氧气（O2）、氮气（N2）、氢气（H2）、氩（Ar）、空气的气氛下或真空中在800℃或更低的温度被热处理，从而改善多个纳米结构140的光透射率和电导率。
多个纳米结构140可以使用氧（O2）、氮（N2）、氢（H2）、氩（Ar）离子在800℃或更低的温度被等离子体处理，从而改善多个纳米结构140的光特征和电特征。
钝化层150可以形成在多个纳米结构140上以覆盖多个纳米结构140。钝化层150可以密封多个纳米结构140以防止多个纳米结构140由于在后续操作中进行的光工艺或蚀刻工艺中使用的化学物（PR、剥离剂等）、蚀刻液体、蚀刻气体或等离子体而损伤。
钝化层150可以形成为具有小于多个纳米结构140的折射率的折射率。在此情形下，钝化层150可以由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组中选出的一种形成。
第一和第二接合电极160和170可以分别形成在第一和第二导电半导体层121和123上并连接到第一和第二导电半导体层121和123。第一接合电极160和第二接合电极170可以由金属材料诸如Au、Al和Ag或透明导电材料形成，并可以具有两层或更多层的多层结构。
如图2所示，贯穿透明电极层130和钝化层150的开口151可以形成在第二接合电极170处，该第二接合电极170可以连接到第二导电半导体层123。
这样，当开口151形成并且第二接合电极170与第二导电半导体层123接触时，可以减小电阻，从而改善内部光提取效率。
在具有以上构造的半导体发光器件100中，透明电极层130、多个纳米结构140和钝化层150的折射率逐渐减小以形成渐变的折射率。
通常，当产生界面之间折射率的差异时，产生全反射（其中具有临界角或更大角度的光被内部反射），该全反射使得外部光提取效率恶化。在此情形下，当减小界面之间的折射率的差异时，临界角增大。因此，由于被内部全反射的光减少，所以改善了外部光提取效率。
类似地，在具有水平结构的顶发光型发光器件的情形下，从有源层发射的光通过第二导电半导体层传布到空气。在此情形下，由于第二导电半导体层与空间之间的折射率差异，光在第二导电半导体层中被内部反射，因而，外部光提取效率降低。
在根据本发明第一实施例的半导体发光器件100中，透明电极层130可以形成在第二导电半导体层123上，其上可以形成具有小于透明电极层130的折射率的多个纳米结构140。由于多个纳米结构140被具有比多个纳米结构140小的折射率的保护层150覆盖，所以可以形成其中折射率逐渐减小的渐变折射率。
例如，当透明电极层130由铟锡氧化物（ITO）层形成，多个纳米结构140由ZnO层形成，钝化层150由SiO2层形成时，ITO的折射率为2.0，ZnO的折射率为1.85，SiO2的折射率为1.47，因而，形成其中折射率逐渐减小的渐变折射率。
因此，与其中光通过第二导电半导体层123直接发射到空气的情形相比，减小了折射率的差异，因而，外部光提取效率通过减小全反射而改善。
如图3所示，根据本发明第二实施例的半导体发光器件300是垂直结构的半导体发光器件。垂直结构的半导体发光器件300是如下的半导体发光器件，其中发光结构320形成在生长基板（未示出）上，支撑基板370附着到发光结构320，之后，生长基板通过激光剥离（LLO）或化学剥离法去除。
作为与发光结构320附接的基板的支撑基板370，可以使用各种基板，它们不限于特定类型的基板。
在根据本发明第二实施例的半导体发光器件300中，透明电极层330、多个纳米结构340和钝化层350可以形成在发光结构320上。在此情形下，透明电极层330、多个纳米结构340和钝化层350的折射率可以形成为依次减小。
类似于上述第一实施例，发光结构320可以包括第一导电半导体层321、第二导电半导体层323，有源层322插置在两者之间。第一导电半导体层321可以是III-V族氮化物半导体材料，例如n-GaN层。第二导电半导体层323可以是III-V族氮化物半导体层，例如p-GaN层或p-GaN/AlGaN层。有源层322可以是GaN基III-V族氮化物半导体层，其是InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)且是单量子阱或其中量子势垒层和量子阱层交替堆叠的多量子阱（MQW）。例如，有源层322可以具有GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW结构。
类似于上述第一实施例，透明电极层330可以由透明导电氧化物和透明导电氮化物中的任一种形成。形成透明电极层的材料可以是从由铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组中选出的至少一种材料。
类似于上述第一实施例，多个纳米结构340可以形成为具有小于透明电极层330的折射率的折射率。在此情形下，多个纳米结构340可以由透明导电的基于氧化锌（ZnO）的化合物形成。多个纳米结构340可以形成为具有各种形状，例如，具有圆形、矩形或六边形水平截面形状的多面体中的柱形、针形、管形和盘形。通过在多个纳米结构340的生长温度控制反应时间可以控制多个纳米结构340的长度。多个纳米结构340可以通过使用化学气相沉积（CVD）法、分子束外延（MBE）法和氢化物气相外延（HVPE）法而生长在透明电极层330上，但是当多个纳米结构340通过使用CVD法生长时，制造工艺可以相对简单并且制造成本可以相对低。
类似于上述第一实施例，钝化层350可以形成为覆盖多个纳米结构340。钝化层350保护多个纳米结构340并形成为具有小于多个纳米结构340的折射率的折射率。在此情形下，钝化层350可以由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组中选出的一种形成。
类似于上述第一实施例，第一接合电极360可以形成在第一导电半导体层321上以与第一导电半导体层321连接。第一接合电极360可以由金属材料诸如Au、Al和Ag或透明导电材料形成，并可以具有两层或更多层的多层结构。
贯穿透明电极层330和钝化层350的开口351可以形成在第一接合电极360处，该第一接合电极360可以连接到第一导电半导体层321。
这样，当开口351形成并且第一接合电极360与第一导电半导体层321接触时，可以减小电阻，从而改善内部光提取效率。
反射层380可以形成在发光结构320的底部上以反射朝向支撑基板370发射的光以将其发射到光发射面上，从而进一步改善外部光提取效率。
附图标记390表示用于防止发光结构320在分离生长基板时被损坏的缓冲层。
在上述垂直结构的半导体发光器件300中，从有源层322发射的光可以朝向透明电极层330发射，形成在透明电极层330上的多个纳米结构340和钝化层350的折射率可以相继减小，从而改善外部光提取效率。
接着，参照图4至图11，将描述根据本发明第一实施例的半导体发光器件的制造方法。
如图4所示，首先，发光结构120可以形成在所制备的基板110上，该发光结构120包括第一和第二导电半导体层121和123，有源层122插置在两者之间。
发光结构120可以通过使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法、分子束外延（MBE）法、氢化物气相外延（HVPE）法等来生长。
接着，如图5所示，第一导电半导体层121、第二导电半导体层123和有源层122的部分区域可以被台面蚀刻。
接着，如图6所示，透明电极层130可以形成在第二导电半导体层123上。
透明电极层130可以由透明导电氧化物层形成，并可以由选自由铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组的至少一种形成。
接着，如图7所示，透明电极层130可以被蚀刻以在透明电极层130中形成开口131。
透明电极层130中的开口131可以使用各种物理和化学蚀刻方法通过蚀刻获得。
接着，如图8所示，多个纳米结构140可以形成在透明电极层130上。
多个纳米结构140可以通过使用以下方法中的至少一种生长在透明电极层130上：通过化学反应的化学气相沉积（CVD）法（包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）法）、热或电子束蒸镀法、使用高级别能量的激光束的激光沉积、使用诸如氧气（O2）、氮气（N2）或氩（Ar）的气体离子的溅射沉积法、以及包括使用两个或更多溅射枪的共溅射沉积法的各种物理气相沉积法。多个纳米结构140可通过利用透明电极层130作为籽层而形成。
多个纳米结构140可以在氧气（O2）、氮气（N2）、氢气（H2）、氩（Ar）、空气的气氛下或真空中在800℃或更低的温度被热处理，从而改善多个纳米结构140的光透射率和电导率。
接着，如图9所示，钝化层150可以形成为覆盖多个纳米结构140。
钝化层150可以由SiO2、SiON或SiNx形成，并可以由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的族中选出的一种形成。
在此情形下，钝化层150可以通过使用CVD法、溅射法或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法形成。
钝化层150可以防止多个纳米结构140由于在形成开口151或形成第一和第二接合电极160和170时进行的光工艺或蚀刻工艺中使用的化学物（PR、剥离剂等）、蚀刻液体、蚀刻气体或等离子体而被损伤。
接着，如图10所示，开口151可以通过蚀刻钝化层150而形成。
开口151，作为用于在其中形成第二导电半导体层123上的第二接合电极170的空间，可以通过使用各种物理和化学蚀刻方法来形成，类似于上述透明电极层130的开口131。
例如，将形成开口151的部分处的SiO2可以通过使用反应离子蚀刻（RIE）或感应耦合等离子体/反应离子蚀刻（ICP/RIE）干法蚀刻法和缓冲氧化物蚀刻剂（BOE）中的至少一种而被蚀刻。
接着，如图11所示，连接到第二导电半导体层123的第二接合电极170可以形成在开口151中，连接到被台面蚀刻的第一导电半导体层121的第一接合电极160可以形成。
通过以上工艺，可以完成根据本发明第一实施例的半导体发光器件100。
如上所述，根据本发明实施例，在半导体发光器件中，可以减小全反射从而改善光提取效率。
根据本发明的实施例，半导体发光器件的制造方法提供了一种半导体发光器件，其中全反射被减小从而改善了光提取效率。
尽管已经结合实施例示出和描述了本发明，但是对于本领域技术人员显然的是，可以进行修改和变化而不背离本发明的精神和范围，本发明的范围由权利要求书限定。
本申请要求于2011年5月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0048854的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
Claims (16)
1.一种半导体发光器件，包括：
发光结构，包括第一和第二导电半导体层，有源层插置在所述第一和第二导电半导体层之间；
第一和第二接合电极，分别连接到所述第一和第二导电半导体层；
透明电极层，形成在所述第二导电半导体层上；
多个纳米结构，形成在所述透明电极层上；以及
钝化层，形成为覆盖所述多个纳米结构，
其中所述透明电极层、所述多个纳米结构和所述钝化层的折射率相继减小。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述透明电极层为透明导电氧化物层和透明导电氮化物层中的任一种。
3.如权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述透明电极层由选自铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组的至少一种形成。
4.如权利要求3所述的半导体发光器件，其中所述多个纳米结构由透明导电的基于氧化锌（ZnO）的化合物形成。
5.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述钝化层由选自SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组的一种形成。
6.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述透明电极层具有开口，并且
所述第二接合电极和所述第二导电半导体层通过该开口连接。
7.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述钝化层具有开口，及
所述第二接合电极和所述第二导电半导体层通过该开口连接。
8.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多个纳米结构通过利用所述透明电极层作为籽层而形成。
9.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述透明电极层为铟锡氧化物（ITO）层，所述多个纳米结构由ZnO形成，所述钝化层为SiO2层。
10.一种半导体发光器件的制造方法，包括：
在基板上形成发光结构，该发光结构包括第一和第二导电半导体层，有源层插置在两者之间；
在所述第二导电半导体层上形成透明电极层；
在所述透明电极层上形成多个纳米结构；以及
形成钝化层以覆盖所述多个纳米结构，
其中所述透明电极层、所述多个纳米结构和所述钝化层的折射率依次减小。
11.如权利要求10所述的半导体发光器件的制造方法，还包括去除所述透明电极层的一部分以及形成连接到所述第二导电半导体层的第二接合电极。
12.如权利要求10所述的半导体发光器件的制造方法，其中所述透明电极层是透明导电氧化物层。
13.如权利要求10所述的半导体发光器件的制造方法，其中所述透明电极层由选自铟锡氧化物（ITO）、锌掺杂的铟锡氧化物（ZITO）、锌铟氧化物（ZIO）、镓铟氧化物（GIO）、锌锡氧化物（ZTO）、氟掺杂的锡氧化物（FTO）、铝掺杂的锌氧化物（AZO）、镓掺杂的锌氧化物（GZO）、In4Sn3O12以及Zn(1-x)MgxO（锌镁氧化物，0≤x≤1）构成的组的至少一种形成。
14.如权利要求10所述的半导体发光器件的制造方法，其中所述钝化层由从SiO2、SiON、SiNx及其组合构成的组中选出的一种形成。
15.如权利要求14所述的半导体发光器件的制造方法，其中所述钝化层通过使用化学气相沉积（CVD）法形成。
16.如权利要求14所述的半导体发光器件的制造方法，其中所述钝化层通过使用溅射法形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121128 |