CN103098240A - 具有MgO角锥结构的发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置及其制造方法。所述氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置包括：基板；形成在基板上的p型欧姆电极层；形成在p型欧姆电极层上的p型氮化镓基III-V族化合物半导体层；形成在p型氮化镓基III-V族化合物半导体层上的n型氮化镓基III-V族化合物半导体层；形成在n型氮化镓基III-V族化合物半导体层上的n型欧姆电极层；具有比n型氮化镓基III-V族化合物半导体层和n型欧姆电极层的折射率小的折射率的第一折射率调节层和第二折射率调节层，其中，角锥结构形成在第二折射率调节层的表面上。当第一折射率调节层和第二折射率调节层包括在氮化镓基III-V族化合物半导体层上并且角锥结构形成在第二折射率调节层上时，与传统的发光二极管相比，发光二极管的表面光输出提高了1.5倍或更多。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高氮化镓基垂直发光二极管的光输出的技术，更具体地讲，本发明涉及一种通过在n型半导体层上提供折射率调节层和MgO角锥结构来提高光输出的氮化镓基垂直发光二极管，以及一种用于制造该氮化镓基垂直发光二极管的方法。
背景技术
用作白光光源的氮化镓基发光二极管具有高能量转化效率、长寿命和高光取向，能够用低电压驱动，不需要预热时间和复杂的驱动电路并且耐冲击和振动，这使氮化镓基发光装置能实现各种类型的高级照明系统。因此，氮化镓基发光二极管被期望为用于固态照明的光源，在不久的将来，将代替诸如白炽灯、荧光灯和水银灯的现有光源。然而，为了使用氮化镓基发光二极管作为白光光源来替代现有的水银灯或者荧光灯，氮化镓基发光二极管必须具有优良的热稳定性，并且即使在低功耗的情况下也必须能够发射高功率光。
目前已经广泛用作白光光源的氮化镓基水平发光二极管的优点在于：其制造成本相对低并且其制造工艺简单，但是根本的缺点在于：其不适合用作具有高施加电流的大面积高功率光源。垂直发光二极管是一种克服了水平发光二极管的缺点并且可容易地适用于大面积高功率发光二极管的装置。
与现有的水平发光二极管相比，垂直发光二极管具有许多优点。具体地说，垂直发光二极管由于其小的电流扩散阻力而能够得到非常均匀的电流扩散。因此，垂直发光二极管能够得到较低的操作电压及高的光输出。因为垂直发光二极管能够通过具有优良的导热性的金属或者半导体基板来排热，所以装置的寿命能够延长并且能够执行显著提高的高功率操作。
在这样的垂直发光二极管中，与水平发光二极管相比，最大施加电流增加了大约3-4倍或更多。因此，垂直发光二极管将很有可能被用作用于照明的白光光源。在实践中，许多公司已经为垂直发光二极管的商业化和性能改进进行了广泛的研究和开发，并且一些公司正在销售相关产品。
另一方面，在制造氮化镓基垂直发光二极管的过程中，能够显著提高装置的光输出的部分是设置在装置的上部分中的n型半导体层。然而，当n型半导体层是平滑的平坦表面时，由于n型半导体层与大气之间的大的折射率差(n型半导体的折射率＝大约2.5，大气的折射率＝1)，所以在大气和半导体层的界面发生全反射。在活性层中产生的光的相当大部分不能出射到外部。因此，不能预期高的光输出。因而，有必要通过人为地使半导体层的表面变形来防止全反射的发生，使得光以最小的损失出射到外部。
发明内容
技术问题
本发明的一方面涉及提供一种可在无需不过度地修改用于制造氮化镓基发光二极管的传统工艺的情况下应用的用于制造发光装置的方法，并且提供一种与传统氮化镓基III-V族化合物半导体发光二极管相比提高了发光二极管的光输出的发光装置。
技术方案
根据本发明的实施例，提供了一种发光装置，所述发光装置包括：基板；形成在基板上的第一半导体层、第二半导体层以及设置在第一半导体层和第二半导体层之间的活性层；以及折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率。
折射率调节层可以包括：第一折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率；以及第二折射率调节层，形成在第一折射率调节层上并且具有比第一折射率调节层的折射率小的折射率，其中，第二折射率调节层包括角锥结构。
第一半导体层可以由氮化物基半导体层形成，第一折射率调节层可以由ZnO基半导体氧化物层形成。
第二折射率调节层可以由MgO基氧化物形成，MgO基氧化物可以包括通过向MgO添加其他元素形成的三元化合物或者多组分化合物。
三元化合物可以包括MgxBe1-xO、MgxCa1-xO、MgxSr1-xO和MgxBa1-xO，多组分化合物是Mg与Be、Ca、Sr和Ba中的两个或更多个的化合物。
MgO基氧化物可以是杂质掺杂的MgO基氧化物，所述杂质可以包括金属、或者所述金属的氧化物、或者所述金属与所述金属的氧化物的混合物，所述金属包括从B、In、Zn、Tl、Al、Sn、Ga、Te、Si、C、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Br、I和Ti的组中选择的至少一种。
第一折射率调节层可以包括从ZnO、Al掺杂的ZnO、In掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO、ZrO2、TiO2、SiO2、SiO、Al2O3、CuOx和ITO的组中选择的至少一种。
第一半导体层可以是n型半导体层。
所述发光装置还可以包括设置在第一半导体层上的透明欧姆电极层，其中，折射率调节层可以设置在透明欧姆电极层上。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于制造发光装置的方法，所述方法包括：制备导电基板；在基板上形成包括第一半导体层、第二半导体层和设置在第一半导体层和第二半导体层之间的活性层的半导体堆叠结构；以及在第一半导体层上形成折射率调节层，其中，折射率调节层具有比第一半导体层的折射率小的折射率。
折射率调节层可以包括：第一折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率；以及第二折射率调节层，形成在第一折射率调节层上并且具有比第一折射率调节层的折射率小的折射率，其中，第二折射率调节层包括角锥结构。
有益效果
根据本发明，能够防止在发光二极管的半导体层和空气之间的界面发生全反射，并能够提高光提取效率。因此，与现有技术相比，能够显著提高发光二极管的光输出。
另外，根据本发明，能够在无需在半导体层的表面上形成粗糙度的附加工艺的情况下形成具有角锥结构的折射率调节层。因此，能够直接应用于氮化镓基发光二极管的传统制造工艺。能够应用于垂直发光二极管和在表面上相对难以形成角锥结构的水平发光二极管。此外，因为本发明可应用于大面积晶片工艺，所以在降低制造成本方面是非常有效的。
附图说明
图1中的(a)是根据本发明实施例的包括第一折射率调节层和包含角锥结构的第二折射率调节层的氮化镓基垂直发光二极管的剖视图，图1中的(b)是描述通过第一和第二折射率调节层输出的光的改善的图；
图2中的(a)是示出根据本发明实施例的氮化镓基垂直发光二极管和形成在垂直发光二极管的表面上的MgO角锥结构的扫描电子显微镜(SEM)图像，图2中的(b)是示出n型氮化镓基半导体层的平坦表面的SEM图像，图2中的(c)是示出ZnO层的表面的SEM图像；
图3中的(a)是示出根据本发明实施例的MgO角锥结构的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像，图3中的(b)是示意性地示出MgO角锥的晶体结构的图；
图4是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层和具有角锥结构的MgO折射率调节层的氮化镓基垂直发光二极管的电致发光(EL)光谱的图；
图5是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层和具有角锥结构的MgO折射率调节层的氮化镓基垂直发光二极管的电流-电压曲线的图；
图6中的(a)是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层和具有角锥结构的MgO折射率调节层的氮化镓基垂直发光二极管以及具有平坦表面的n型氮化镓基半导体的传统垂直发光二极管的二维光分布特点的图，图6中的(b)是示出根据本发明的相对于角度的光输出改善特点的图。
具体实施方式
下面将参照附图来更加详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开完整且完全，而且将把本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在整个公开中，相同的标号贯穿此公开表示相同的元件。
在下文中，将参照图1至图3来详细描述根据本发明实施例的发光装置的结构。
图1中的(a)是示出根据本发明实施例的包括第一折射率调节层300和包含角锥结构450的第二折射率调节层400的氮化镓基垂直发光二极管的结构的剖视图，图1中的(b)是描述通过第一折射率调节层300和第二折射率调节层400输出的光的改善的图。
参照图1中的(a)，根据本发明的氮化镓基垂直发光二极管可以包括基板500、p型欧姆电极层100、半导体堆叠结构200、第一折射率调节层300、第二折射率调节层400和n型电极焊盘600。半导体堆叠结构200包括n型半导体层210、活性层230和p型半导体层250。第一折射率调节层300和第二折射率调节层400形成在半导体堆叠结构200上。
因为除了第一折射率调节层300和第二折射率调节层400之外的元件与传统垂直发光二极管的结构相同，所以将在下面详细描述第一折射率调节层300和第二折射率调节层400。
根据本发明的实施例，具有在氮化镓基半导体层的折射率(n＝大约2.5)与空气的折射率(n＝1)之间的折射率值的第一折射率调节层300和第二折射率调节层400可以形成在n型半导体层210上，以通过调节折射率来增加使光发射到空气中的临界角。
另外，第一折射率调节层300形成在n型半导体层210上并且是具有比n型半导体层210的折射率低的折射率(例如，n＝1.94)的ZnO基薄膜层。第一折射率调节层300可以包括从ZnO、Al掺杂的ZnO、In掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO、ZrO2、TiO2、SiO2、SiO、Al2O3、CuOx和ITO的组中选择的至少一种，但是本发明不限于此。然而，为了描述简单起见，第一折射率调节层300将被简称为ZnO(折射率调节)层。
另外，第二折射率调节层400形成在第一折射率调节层300上并且具有比第一折射率层300的折射率低的折射率(例如，n＝1.74)。例如，第二折射率调节层400可以由MgO基氧化物形成。MgO基氧化物可以包括通过向MgO添加其它元素形成的三元或多组分化合物。
三元化合物的示例包括MgxBe1-xO、MgxCa1-xO、MgxSr1-xO和MgxBa1-xO，但是本发明不限于此。多组分化合物可以是Mg与Be、Ca、Sr和Ba中的两个或更多个的化合物，但是本发明不限于此。
另外，MgO基氧化物可以通过向任何MgO基氧化物中掺杂杂质来形成，杂质不受限制。例如，杂质可以是包含从B、In、Zn、Tl、Al、Sn、Ga、Te、Si、C、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Br、I和Ti的组中选择的至少一种的金属、所述金属的氧化物或者所述金属与所述金属的氧化物的混合物。然而，为了描述简单起见，第二折射率调节层400将被简称为MgO(折射率调节)层。
另外，根据本发明，第一折射率调节层300和第二折射率调节层400可以形成在n型半导体层210上。根据一些实施例，第一折射率调节层300和第二折射率调节层400可以在形成在n型半导体层210上的透明的n型欧姆电极层(未示出)上形成。在这种情况下，第一折射率调节层300和第二折射率调节层400具有比n型欧姆电极层的折射率小的折射率，第二折射率调节层400可以包含形成在其表面上的角锥结构。
另外，根据本发明，第一折射率调节层300和第二折射率调节层400不必一起形成。具有比n型半导体层210的折射率低的折射率的第一折射率调节层300和第二折射率调节层400中只有一个可以形成在n型半导体层210上，第一折射率调节层300和第二折射率调节层400可以顺序地堆叠，如图1中所示。例如，可以从图4和图5看到当只有第一折射率调节层300形成时得到的效果。然而，下面的描述将侧重于第一折射率调节层300和第二折射率调节层400都形成的情况。
参照图1中的(b)，根据本发明的实施例，n型半导体层210和第一折射率调节层300之间的临界角是例如大约50.9°，这个值比n型半导体层210和空气之间的临界角23.6°大。第一折射率调节层300和第二折射率调节层400之间的临界角是例如大约63.1°，这是进一步增大的值。
图2中的(a)是示出根据本发明实施例的氮化镓基垂直发光二极管和形成在垂直发光二极管的表面上的MgO折射率调节层400的角锥结构的扫描电子显微镜(SEM)图像，图2中的(b)是示出n型半导体层210的平坦表面的SEM图像，图2中的(c)是示出ZnO折射率调节层300的表面的SEM图像。
从图2中的(a)能够看出的是，角锥结构450成功地形成在第二折射率调节层400的表面上。另一方面，因为从图2中的(b)和图2中的(c)能够确定的是，n型半导体层210和ZnO折射率调节层300具有平坦的表面，所以能够看出的是，根据本发明实施例的折射率调节层的角锥结构450能够形成在第二折射率调节层400上。
图3中的(a)是示出根据本发明实施例的MgO角锥结构450的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像，图3中的(b)是示意性地示出MgO角锥结构450的晶体结构的图。
从图3中的(a)可以看出的是，MgO角锥结构450以(200)晶面结束并且具有(111)晶面的生长方向。在具有岩盐结构的MgO层中，(200)晶面比(111)晶面具有低的表面能。因此，这能够被描述为用于在沉积过程中减少薄膜能量的自发过程。
即，根据本发明的实施例，角锥结构450可以在沉积工艺过程中形成在第二折射率调节层400的表面上而不需附加工艺。因此，根据本发明，入射在第二折射率调节层400上的大量光通过第二折射率调节层400的角锥结构450被散射并排到空气中，而无需较大地修改用于制造发光装置的传统方法。
在下文中，将参照图4至图6描述根据本发明的发光装置的光输出特点。
图4是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层300和具有角锥结构450的MgO折射率调节层400的氮化镓基垂直发光二极管的电致发光(EL)光谱的图。
另一方面，为了在图4的曲线图中进行比较，包括ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400的垂直发光二极管的EL光谱与包括具有平坦表面的n型半导体层的传统垂直发光二极管的情况和在n型半导体层210上仅包括平坦ZnO折射率调节层300(即，第一折射率调节层)的垂直发光二极管的情况一起被示出。
从图4能够看出的是，与包括具有平坦表面的n型半导体层的传统垂直发光二极管相比，当在n型半导体层210上包括ZnO折射率调节层300时，通过增大的临界角提高了光输出。另外，能够看出的是，当包括ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400时，发光二极管的光输出进一步提高到1.5倍。
根据本发明实施例的ZnO折射率调节层300、MgO折射率调节层400和MgO角锥结构450可以使用普通的光学光刻图案化而不使用制造成本高并且难以应用到大面积晶片工艺的电子束光刻图案化来制造。
尽管不受限制，例如ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400可以只形成在n型半导体层210的表面上，但是方法包括：使用光学光刻形成光致抗蚀剂(PR)图案；沉积ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400；以及采用使用丙酮的剥离工艺移除PR。因为角锥结构450能够在没有单独的附加工艺的情况下形成，所以这个方法在应用到大面积和制造成本方面非常有效。
图5是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层300和具有角锥结构450的MgO调节层400的氮化镓基垂直发光二极管的电流-电压曲线的图。
为了比较，在图5的曲线中，包括ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400的垂直发光二极管的电流-电压曲线与包括具有平坦表面的n型半导体层的传统垂直发光二极管的情况和在n型半导体层210上仅包括平坦ZnO折射率调节层300(即，第一折射率调节层)的垂直发光二极管的情况一起被示出。
从图5能够看出的是，即使当根据本发明实施例形成ZnO折射率调节层300和MgO折射率调节层400时，发光二极管的电特性也没有劣化。
图6中的(a)是示出根据本发明实施例的包括ZnO折射率调节层300和具有MgO角锥结构450的MgO折射率调节层400的氮化镓基垂直发光二极管以及包括具有平坦表面的n型氮化镓基半导体的传统垂直发光二极管的二维光分布特点的图，图6中的(b)是示出根据本发明的相对于角度的光输出改善特点的图。
参照图6中的(a)，因为包括具有平坦表面的n型半导体层的传统垂直发光二极管具有大约23.6°的小临界角，所以光输出极大地显示在垂直于n型半导体层的的表面的方向上，随着移向边侧，光输出迅速减小。相比之下，根据本发明的实施例，在垂直发光二极管包括ZnO折射率调节层300和包括MgO角锥结构450的MgO折射率调节层400的情况下，光输出在边侧极大地增加并且在折射方向上的光也增加。另外，通过图6中的(b)，从根据检测角的曲线能够确认这一点。
因此，如上所述，根据本发明的实施例，在第一折射率调节层300和第二折射率调节层400形成在n型半导体层210上并且第二折射率调节层400具有角锥结构450的情况下，能够改善氮化镓基垂直发光二极管的光输出特性和光分布特性。
尽管已经结合具体的实施例描述了本发明，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，可以做出各种改变和修改。因此，应该理解的是，前述是对本发明的各种示例性实施例的举例说明，并不应解释为局限于公开的具体实施例，公开的具体实施例意图包括在权利要求的范围内。
Claims (11)
1.一种发光装置，所述发光装置包括：
基板；
形成在基板上的第一半导体层、第二半导体层以及设置在第一半导体层和第二半导体层之间的活性层；以及
折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中，折射率调节层包括：
第一折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率；以及
第二折射率调节层，形成在第一折射率调节层上并且具有比第一折射率调节层的折射率小的折射率，
其中，第二折射率调节层包括角锥结构。
3.根据权利要求2所述的发光装置，其中，第一半导体层由氮化物基半导体层形成，第一折射率调节层由ZnO基半导体氧化物层形成。
4.根据权利要求2所述的发光装置，其中，第二折射率调节层由MgO基氧化物形成，MgO基氧化物包括通过向MgO添加其他元素形成的三元化合物或者多组分化合物。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其中，三元化合物包括MgxBe1-xO、MgxCa1-xO、MgxSr1-xO和MgxBa1-xO，多组分化合物是Mg与Be、Ca、Sr和Ba中的两个或更多个的化合物。
6.根据权利要求4所述的发光装置，其中，MgO基氧化物是杂质掺杂的MgO基氧化物，所述杂质包括金属、或者所述金属的氧化物、或者所述金属与所述金属的氧化物的混合物，所述金属包括从B、In、Zn、Tl、Al、Sn、Ga、Te、Si、C、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Br、I和Ti的组中选择的至少一种。
7.根据权利要求2所述的发光装置，其中，第一折射率调节层包括从ZnO、Al掺杂的ZnO、In掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO、ZrO2、TiO2、SiO2、SiO、Al2O3、CuOx和ITO的组中选择的至少一种。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其中，第一半导体层是n型半导体层。
9.根据权利要求1所述的发光装置，所述发光装置还包括：
设置在第一半导体层上的透明欧姆电极层，
其中，折射率调节层设置在透明欧姆电极层上。
10.一种用于制造发光装置的方法，所述方法包括：
制备导电基板；
在基板上形成包括第一半导体层、第二半导体层和设置在第一半导体层和第二半导体层之间的活性层的半导体堆叠结构；以及
在第一半导体层上形成折射率调节层，
其中，折射率调节层具有比第一半导体层的折射率小的折射率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，折射率调节层包括：
第一折射率调节层，形成在第一半导体层上并且具有比第一半导体层的折射率小的折射率；以及
第二折射率调节层，形成在第一折射率调节层上并且具有比第一折射率调节层的折射率小的折射率，
其中，第二折射率调节层包括角锥结构。
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