CN103107261A - 半导体发光器件及封装 - Google Patents

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light
type semiconductor
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金起范
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Abstract

本发明提供一种半导体发光器件以及包括该半导体发光器件的封装，该半导体发光器件包括发光结构，该发光结构包括第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。光提取层设置在发光结构上并包括：具有透光性的光透射薄膜层；包括多个纳米棒的纳米棒层，设置在光透射薄膜层上；以及包括多个纳米线的纳米线层，设置在纳米棒层上。

Description

半导体发光器件及封装
技术领域
本申请涉及一种半导体发光器件以及包含该半导体发光器件的封装。
背景技术
总的来说，氮化物半导体材料已经被广泛使用在绿色或蓝色发光二极管（LED）或激光二极管中，LED或激光二极管被提供为全彩显示器、图像扫描仪、各种信号系统或光通信装置中的光源。氮化物半导体发光器件可以被提供为具有有源层的发光器件，该有源层通过电子和空穴的复合来发射包括蓝色和绿色的各种颜色的光。
因为自从氮化物半导体发光器件被首次开发以来在氮化物半导体发光器件领域已经取得了显著进步，所以其应用已经被极大地扩展，而且已经积极地开展将半导体发光器件用作一般照明装置和电子装置的光源的研究。具体地，现有技术的氮化物发光器件已经主要用作低电流/低输出移动产品的部件，而且近来，氮化物发光器件的应用已经扩展到高电流/高输出装置的领域。因而，已经积极开展提高半导体发光器件的发光效率和质量的研究。
在半导体发光器件的发光效率方面，由于因空气和半导体层的折射率之间的差异而引起的全内反射，从有源层产生的光被捕获且在半导体内部损耗，使光提取效率退化。例如，GaN具有约2.5的折射率，由于GaN的折射率和空气的折射率（大约1）之间的差异，以23°入射的光的仅大约4%能逃逸到外面。因而，为了最小化这样的光损失，正在进行通过在GaN表面上形成凹陷和突起来提高光提取效率的研究。
因而，存在对进一步改善的需求，例如在增强半导体发光器件中的光提取效率、光功率（optical power）以及发光强度均匀性方面。
发明内容
本申请的一方面提供具有提高的光提取效率的半导体发光器件。
本申请的另一方面提供具有改善的光功率和发光强度均匀性二者的半导体发光器件。
根据本申请的一方面，提供一种半导体发光器件，该半导体发光器件包括发光结构和设置在发光结构上的光提取层，该发光结构包括第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层，该光提取层包括：具有透光性的光透射薄膜层；包括多个纳米棒的纳米棒层，设置在光透射薄膜层上；以及包括多个纳米线的纳米线层，设置在纳米棒层上。
光透射薄膜层、纳米棒层和纳米线层可以具有以顺序的方式逐渐减小的折射率。
光透射薄膜层、纳米棒层和纳米线层可以分别在其中具有单一的折射率。
光透射薄膜层、纳米棒层和纳米线层可以由相同的材料制成。
光透射薄膜层可以由具有透光性和导电性的材料制成。
光透射薄膜层可以是透明导电氧化物或透明导电氮化物。
光透射薄膜层可以具有小于第二导电类型半导体层的折射率的折射率。
半导体发光器件还可以包括：第一电极，形成为电连接到第一导电类型半导体层；以及第二电极，设置在光透射薄膜层上并且电连接到第二导电类型半导体层。
光透射薄膜层可以设置在第二导电类型半导体层上。
半导体发光器件还可以包括：用于半导体生长的衬底，该衬底具有一表面，在该表面上顺序地形成发光结构的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层。
光提取层可以设置在用于半导体生长的衬底的与其上形成发光结构的表面相反的表面上。
半导体发光器件还可以包括：第一电极，设置在第一导电类型半导体层的通过去除第二导电类型半导体层、有源层和第一导电类型半导体层的至少部分而暴露的部分上；以及第二电极，设置在第二导电类型半导体层上。
用于半导体生长的衬底的其上形成光提取层的表面可以被提供作为主要的光提取面。
半导体发光器件还可以包括设置在第二导电类型半导体层上的导电衬底。
光提取层可以设置在第一导电类型半导体层上。
本申请的另一方面包括一种半导体发光器件封装，该半导体发光器件封装包括发光结构、光提取层、第一电极、第二电极、电连接到第一电极的第一端子单元以及电连接到第二电极的第二端子单元。发光结构包括第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。光提取层设置在发光结构上。光提取层包括：具有透光性的光透射薄膜层；包括多个纳米棒的纳米棒层，设置在光透射薄膜层上；以及包括多个纳米线的纳米线层，设置在纳米棒层上。第一电极形成为电连接到第一导电类型半导体层。第二电极形成为电连接到第二导电类型半导体层。
额外的优点和新颖的特征将在以下的描述中被部分地阐述，并将在本领域技术人员研究以下内容和附图时而部分地变得明显，或者可以通过对示例的制造或操作而掌握。本教导的优点可以通过实践或使用在以下讨论的详细示例中阐述的方法、手段和组合的各方面而实现和获得。
附图说明
仅通过示例的方式而不是通过限制的方式，附图图示了根据本教导的一个或多个实施例。在附图中，相似的附图标记表示相同或类似的元件。
图1是示意性地示出根据本申请的第一示例的半导体发光器件的透视图；
图2是示意性地示出根据本申请的第二示例的半导体发光器件的透视图；
图3是示意性地示出根据本申请的第三示例的半导体发光器件的透视图；以及
图4A至图4C是示出根据本申请的第一至第三示例的半导体发光器件封装的安装结构的示意截面图。
具体实施方式
在以下详细说明中，通过示例的方式阐述了许多具体的细节，从而提供对相关教导的全面了解。然而，对于本领域技术人员应当显然的是，可以实施本教导而没有这样的细节。在其它的情形中，众所周知的方法、步骤、部件和/或电路以相对高的层面（high-level）来描述，而没有详细描述，从而避免使本教导的各方面不必要地模糊。
现在将参照附图详细描述本申请的示例。
然而，本申请可以以许多不同的形式实施且不应被理解为限于在此阐述的示例。而是，提供这些示例使得本公开将全面和完整，并将本申请的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰，可以夸大元件的形状和尺寸，相同的附图标记将始终用于表示相同或相似的部件。
图1是示意性地示出根据本申请的第一示例的半导体发光器件的透视图。
参照图1，根据本示例的半导体发光器件100可以包括发光结构20以及设置在发光结构20上的光提取层30，该发光结构20包括第一导电类型半导体层21、有源层22和第二导电类型半导体层23。光提取层30可以包括具有透光性的光透射薄膜层31、设置在光透射薄膜层31上的包括多个纳米棒的纳米棒层32、以及设置在纳米棒层32上的包括多个纳米线的纳米线层33。
发光结构20可以设置在用于半导体生长的衬底10上，第一电极21a和第二电极23a可以分别设置在发光结构20的第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23上，并分别电连接到第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23。
作为用于半导体生长的衬底10，可以使用由诸如蓝宝石、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2、LiGaO2、GaN等的材料制成的衬底。在该情形下，蓝宝石是具有六边菱形R3c对称性（Hexa-Rhombo R3c symmetry）的晶体，其c轴和a轴方向上的晶格常数分别是和
Figure BDA00002404678200042
蓝宝石晶体具有C面（0001）、A面（1120）、R面（1102）等。在该情形下，氮化物薄膜可以相对容易地设置在蓝宝石晶体的C面上，并且因为蓝宝石晶体在高温是稳定的，所以蓝宝石晶体通常用作用于氮化物生长衬底的材料。由氮化物制成的未掺杂半导体层等可以用作缓冲层（未示出），以减轻在其上生长的半导体层中的晶格缺陷。
在本示例中，第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23可以分别是n型半导体层和p型半导体层，并可以由氮化物半导体制成。因而，在本示例中，第一和第二导电类型可以被理解为分别表示n型和p型导电性，但是本申请不限于此。第一和第二导电类型半导体层21和23可以由通过成分式AlxInyGa(1-x-y)N（这里，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1）表示的材料制成，这样的材料可以包括GaN、AlGaN、InGaN等。
形成在第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23之间的有源层22根据电子和空穴复合而发射具有一定能量水平的光，并可以具有其中量子阱层和量子势垒层交替层叠的多量子阱（MQW）结构。这里，MQW结构可以是例如InGaN/GaN结构。另外，第一和第二导电类型半导体层21和23以及有源层22可以通过使用在本领域中公知的半导体层生长工艺诸如金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）等形成。
第一电极21a和第二电极23a可以分别设置在第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23上，并分别电连接到第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23。如图1所示，第一电极21a可以设置在由于部分第二导电类型半导体层23、有源层22和第一导电类型半导体层21被蚀刻而暴露的第一导电类型半导体层21上，第二电极23a可以设置在第二导电类型半导体层23上。
在该情形下，为了增强第二导电类型半导体层23和第二电极23a之间的欧姆接触作用，还可以在第二导电类型半导体层23和第二电极23a之间提供由ITO、ZnO或类似物制成的透明电极。在图1所示的结构的情形下，第一电极21a和第二电极23a形成为面对相同的方向，但是第一和第二电极21a和23a的位置和连接结构可以根据需要而被可变地更改。此外，尽管没有示出，但是还可以提供分支电极，使得其从第一电极21a延伸从而使电流均匀地分布。这里，第一电极21a可以被理解为接合焊盘。
光提取层30可以设置在第二导电类型半导体层23上并且包括光透射薄膜层31、纳米棒层32和纳米线层33。光透射薄膜层31、纳米棒层32和纳米线层33可以形成为在其中分别具有单一的折射率，折射率以顺序的方式从光透射薄膜层31朝向纳米线层33逐渐减小。这里，光透射薄膜层31具有小于第二导电类型半导体层23的折射率的折射率，因而在光从第二导电类型半导体层23出射的方向上具有以顺序的方式逐渐减小的折射率。
在本示例中，纳米棒层32包括设置在光透射薄膜层31的上表面上的多个纳米棒，因此纳米棒层32由于存在于多个纳米棒之间的空气而具有低水平的孔隙性或密度。此外，纳米线层33包括具有宽度小于构成纳米棒层32的多个纳米棒的宽度的多个纳米线，因而具有比纳米棒层32低的孔隙性或密度水平。因而，纳米棒层32和纳米线层33可以分别具有从光透射薄膜层31以顺序的方式逐渐减小的折射率。
纳米棒层32和纳米线层33可以分别用作在其中具有单一折射率的单层。空气具有低折射率（大约1），因此随着纳米棒层32和纳米线层33中的空气的比重增加，纳米棒层32和纳米线层33分别具有减小的折射率，因而纳米棒层32和纳米线层33的折射率可以通过调整纳米棒层32和纳米线层33的孔隙度或密度来控制。
当光从具有较高折射率的区域朝向具有较低折射率的区域行进时，以临界角或更大角度入射的光被全内反射，而不是被折射，并且当折射率之间存在差异时，更大量的光被全内反射。在本示例中，为了减少当光从发光结构20行进到外部（空气的折射率：1）时被全内反射且被捕获在发光结构20内的光的比例，提供折射率从发光结构20以顺序的方式逐渐减小的光提取层30以增加光提取效率。
构成光提取层30的光透射薄膜层31、纳米棒层32和纳米线层33可以由具有光透射性（即，透明或半透明）和导电性的材料制成。例如，可以使用透明导电氧化物（TCO）或透明导电氮化物（TCN）。这里，透明导电氧化物可以是ITO（铟锡氧化物）、CIO（铜铟氧化物）或ZnO（锌氧化物）。在本示例中，光透射薄膜层31、纳米棒层32和纳米线层33可以由相同的材料制成，但是本申请不限于此。
光提取层30可以通过已知的沉积工艺例如金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、溅射等形成。具体地，光提取层30可以根据MOCVD通过使有机金属前躯体的蒸汽与衬底接触而形成，或者可以根据MBE通过发射束（beam）而在衬底或半导体层上生长目标材料而形成。在通过MOCVD形成光提取层30的情形下，光提取层30可以通过调整诸如引入的反应气体的诸如流入量、沉积温度和时间等条件而形成为具有期望的形状。
例如，纳米棒层32和纳米线层33可以通过调整催化剂或沉积温度而通过连续的沉积工艺设置在光透射薄膜层31上。这里，所生长的纳米棒的宽度可以在沉积工艺期间通过升高温度而减小，因而，纳米棒层32和纳米线层33可以在连续工艺期间通过控制温度而顺序地设置在光透射薄膜层31上。
电连接到第二导电类型半导体层23的第二电极23a可以设置在光提取层30的光透射薄膜层31上。这里，光透射薄膜层31可以由具有透光性和导电性的材料制成。例如，光透射薄膜层31可以由透明导电氧化物或透明导电氮化物制成。因为用于从外部接收电信号的第二电极23a设置在光透射薄膜层31上，所以电流通过光透射薄膜层31在横向方向上散布，获得了电流分散效应并提高了发光强度均匀性。
图2是示意性地示出根据本申请的第二示例的半导体发光器件的透视图。
参照图2，根据本示例的半导体发光器件200可以包括导电衬底140、设置在导电衬底140上的发光结构120以及设置在发光结构120上的光提取层130。
发光结构120可以包括第一导电类型半导体层121、有源层122和第二导电类型半导体层123。用于将外部电信号施加到第一导电类型半导体层121的第一电极121a可以设置在第一导电类型半导体层121上。
导电衬底140可以在诸如激光剥离等的工艺期间用作用于支撑包括第一和第二导电类型半导体层121和123、有源层122的支撑物，所述工艺用于从顺序地设置在用于半导体生长的衬底（未示出）上的第一导电类型半导体层121、有源层122和第二导电类型半导体层123去除所述用于半导体生长的衬底。导电衬底140可以由包括金（Au）、镍（Ni）、铝（Al）、铜（Cu）、钨（W）、硅（Si）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）中的任何一种的材料制成。例如，导电衬底140可以由在Si衬底上用Al掺杂的材料制成。
在本示例中，导电衬底140可以通过以导电粘合剂层（未示出）为媒介而结合到发光结构。导电粘合剂层可以由诸如例如AuSn等的低共熔金属材料制成。导电衬底140可以用作将电信号施加到第二导电类型半导体层123的第二电极，并且如图2所示，当该电极在竖直方向上形成时，电流流动区域可以被扩大从而改善电流分布功能。
图3是示意性地示出根据本申请的第三示例的半导体发光器件的透视图。
参照图3，半导体发光器件300可以包括用于半导体生长的衬底210、设置在用于半导体生长的衬底210上的发光结构220、以及设置在用于半导体生长的衬底210的一表面上的光提取层230，该表面与用于半导体生长的衬底210的其上形成发光结构220的表面相反。
第一电极221a和第二电极223a可以分别设置在第一导电类型半导体层221和第二导电类型半导体层223上，并分别电连接到第一导电类型半导体层221和第二导电类型半导体层223。
与图1所示的第一示例的情形不同，在本示例中，光提取层230可以设置在用于半导体生长的衬底210的一个表面上，这里，其上形成光提取层230的表面可以提供作为发光器件的主要的光提取面。在该情形下，光透射薄膜层231不提供作为电流路径，因此其不必由具有导电性的材料制成，而是可以由折射率小于用于半导体生长的衬底210的折射率的材料制成。
图4A至图4C是示出根据本申请的第一至第三示例的半导体发光器件封装的安装结构的示意图截面图。
具体地，图4A是示出图1所示的半导体发光器件100的安装结构的示例的视图；图4B是示出图2所示的半导体发光器件200的安装结构的示例的视图；图4C是示出图3所示的半导体发光器件300的安装结构的示例的视图。
首先，参照图4A，根据本示例的发光器件封装包括第一和第二端子单元50a和50b，半导体发光器件100可以分别电连接到第一和第二端子单元50a和50b。在该情形下，设置在半导体发光器件100的第一导电类型半导体层21和第二导电类型半导体层23上的第一电极21a和第二电极23a可以通过导电引线分别连接到第二端子单元50b和第一端子单元50a。
透镜单元60可以形成在半导体发光器件100上方以密封半导体发光器件100并固定半导体发光器件100以及第一和第二端子单元50a和50b。具有半球形状的透镜单元60可以用于减少界面处的菲涅耳反射以增大光提取，并保护半导体发光器件100和引线。这里，透镜单元60可以由树脂制成，该树脂可以包括环氧树脂、硅树脂（silicone）、应变硅树脂（strained silicone）、聚氨酯树脂、氧杂环丁烷树脂（oxetane resin）、丙烯酸类树脂（acryl）、聚碳酸酯和聚酰亚胺中的任意一种。此外，凹陷和突起可以设置在透镜单元60的上表面上，以提高光提取效率并调节所发射的光的方向。透镜单元60的形状可以根据需要而可变地更改。
尽管没有示出，但是透镜单元60可以包括用于转换由半导体发光器件100的有源层发射的光的波长的波长转换磷光体颗粒。磷光体可以是将光的波长转换成黄色、红色和绿色中的任意一种的磷光体，或者多种类型的磷光体可以被混合以将光转换成多个波长。磷光体的类型可以由从半导体发光器件100的有源层发射的波长来确定。具体地，透镜单元60可以包括YAG基磷光体材料、TAG基磷光体材料、硅酸盐基磷光体材料、硫化物基磷光体材料以及氮化物基磷光体材料当中的至少一种或多种磷光体材料。例如，当用于进行波长转换成黄色光的磷光体应用于蓝色LED芯片时，可以获得白光半导体发光器件。
参照图4B，根据本示例的发光器件封装包括第一和第二端子单元51a和51b，半导体发光器件200可以电连接到第一和第二端子单元51a和51b。在该情形下，第一导电类型半导体层121通过形成在其上的第一电极121a引线接合到第二端子单元51b，第二导电类型半导体层123可以通过导电衬底140直接连接到第一端子单元51a。
图4C示出根据本申请的第三示例的半导体发光器件300的安装结构。设置在第一导电类型半导体层221上的第一电极221a和设置在第二导电类型半导体层223上的第二电极223a可以通过焊球（bump ball）b等分别直接连接到第二端子单元52b和第一端子单元52a，从而被倒装芯片接合。在该情形下，用于半导体生长的衬底210的其上形成光提取层230的表面可以被提供作为主要的光提取面。
然而，图4A至图4C示出的发光器件封装简单地说明了如何安装根据本申请的第一至第三示例的发光器件，具体的安装结构和方法可以根据需要而可变地更改。
如以上所述，根据本申请的示例，由于具有以顺序的方式逐渐减小的折射率的光提取层通过使用包括纳米棒和纳米线的纳米结构形成，所以可以提供具有提高的光提取效率的半导体发光器件。
此外，可以提供通过最大化电流分布效应而具有改善的发光强度均匀性以及具有提高的光功率的半导体发光器件。
虽然以上描述了被认为是最佳方式和/或其它示例的内容，但是应理解，可以在其中进行各种变形，并且这里公开的主题可以以不同的方式和示例实现，该教导可以在多种应用中应用，这里仅描述了其中的一些。权利要求旨在要求落入本教导的实际范围内的任何及所有应用、变形和变化。
本申请要求于2011年11月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0118101的优先权，其公开通过引用结合于此。

Claims (20)

1.一种半导体发光器件，包括：
发光结构，包括：
第一导电类型半导体层，
有源层，以及
第二导电类型半导体层；以及
光提取层，设置在所述发光结构上，所述光提取层包括：
具有透光性的光透射薄膜层；
包括多个纳米棒的纳米棒层，设置在所述光透射薄膜层上，以及
包括多个纳米线的纳米线层，设置在所述纳米棒层上。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层、所述纳米棒层和所述纳米线层具有以顺序的方式逐渐减小的折射率。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层、所述纳米棒层和所述纳米线层分别在其中具有单一的折射率。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层、所述纳米棒层和所述纳米线层由相同的材料制成。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层由具有透光性和导电性的材料制成。
6.根据权利要求5所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层是透明导电氧化物或透明导电氮化物。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层具有小于所述第二导电类型半导体层的折射率的折射率。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括：
第一电极，形成为电连接到所述第一导电类型半导体层；以及
第二电极，设置在所述光透射薄膜层上并且电连接到所述第二导电类型半导体层。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述光透射薄膜层设置在所述第二导电类型半导体层上。
10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括：
用于半导体生长的衬底，具有一表面，在该表面上顺序地形成所述发光结构的所述第一导电类型半导体层、所述有源层和所述第二导电类型半导体层。
11.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述光提取层设置在所述用于半导体生长的衬底的与其上形成所述发光结构的表面相反的表面上。
12.根据权利要求11所述的半导体发光器件，还包括：
第一电极，设置在所述第一导电类型半导体层的通过去除所述第二导电类型半导体层、所述有源层和所述第一导电类型半导体层的至少部分而暴露的部分上；以及
第二电极，设置在所述第二导电类型半导体层上。
13.根据权利要求11所述的半导体发光器件，其中所述用于半导体生长的衬底的其上形成所述光提取层的表面被提供作为主要的光提取面。
14.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括设置在所述第二导电类型半导体层上的导电衬底。
15.根据权利要求14所述的半导体发光器件，其中所述光提取层设置在所述第一导电类型半导体层上。
16.一种半导体发光器件封装，包括：
发光结构，包括：
第一导电类型半导体层，
有源层，以及
第二导电类型半导体层；以及
光提取层，设置在所述发光结构上，所述光提取层包括：
具有透光性的光透射薄膜层，
包括多个纳米棒的纳米棒层，设置在所述光透射薄膜层上，以及
包括多个纳米线的纳米线层，设置在所述纳米棒层上；以及
第一电极，形成为电连接到所述第一导电类型半导体层；
第二电极，形成为电连接到所述第二导电类型半导体层；
第一端子单元，电连接所述第一电极；以及
第二端子单元，电连接到所述第二电极。
17.根据权利要求16所述的半导体发光器件封装，其中所述第一和第二端子单元引线接合或球接合到所述第一和第二电极。
18.根据权利要求16所述的半导体发光器件封装，其中还包括：
透镜单元，设置在所述发光结构的上方。
19.根据权利要求18所述的半导体发光器件封装，其中所述透镜单元包括树脂。
20.根据权利要求18所述的半导体发光器件封装，其中所述透镜单元包括一种或多种磷光体。
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