CN103325904B - 包括氮化物基半导体全方向反射器的发光装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种包括氮化物基半导体全方向反射器的发光装置。该发光装置包括氮化物基反射器和置于所述氮化物基反射器上的发光单元。所述氮化物基反射器包括交替层叠的未掺杂氮化物半导体层和重度掺杂氮化物半导体层。在所述重度掺杂氮化物半导体层的边缘处对其进行蚀刻，以在相邻的未掺杂氮化物半导体层之间形成空气层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0029413的优先权，该申请的公开内容通过引用在此全部并入本文。
技术领域
本发明构思涉及一种包括全方向反射器的发光装置，在全方向放射器中交替地形成具有不同折射率的两种氮化物基半导体层。
背景技术
发光装置芯片，例如发光二极管(LED)，指由通过化合物半导体之间的PN结形成发光源来显示多色光的半导体装置。由于良好的光指向性，LED具有长使用寿命、小且轻的设计以及低能耗的优点。另外，由于LED耐冲击和振动，因此LED不需要预热时间和复杂的操作，而且可以以各种形成进行封装。这些都使得LED被用于各种应用。
当在不同质的(heterogeneous)衬底上生长GaN LED时，为了有效地在一个方向上提取光，在与发光单元提取光的方向相反的方向上布置反射器。当放置由金属材料形成的反射器时，通过仅仅使用反射器很难具有约100％的反射率。当交替放置具有不同折射率的材料时，由于材料和放置在该材料上的发光单元之间的不匹配而难以生长高质量的发光单元。另外，因为由于相邻层之间的折射率差较小而需要多层结构，所以增加了制造反射器所花费的时间。
发明内容
本发明构思提供了一种包括全方向反射器的发光装置，该全方向反射器具有氮化物半导体层叠的结构，其中相邻层之间的折射率差较大。
本发明构思的一个方面涵盖一种包括氮化物基半导体全方向反射器的发光装置。该发光装置包括氮化物基反射器和置于所述氮化物基反射器上的发光单元。所述氮化物基反射器形成为使得未掺杂氮化物半导体层和重度掺杂氮化物半导体层交替层叠，并且从所述重度掺杂氮化物半导体层的边缘对其进行蚀刻，以形成相邻的未掺杂氮化物半导体层之间的空气层。
所述氮化物基反射器可以由GaN形成。
所述氮化物基反射器可以包括5到10个未掺杂氮化物半导体层和置于所述未掺杂氮化物半导体层之间的重度掺杂氮化物半导体层。
每个所述重度掺杂氮化物半导体层的面积是每个所述重度掺杂氮化物半导体层和每个所述空气层的总面积的约10％到20％。
所述空气层的高度可以在从约100nm到200nm的范围内。
所述未掺杂氮化物半导体层的高度可以在从约20nm到100nm的范围内。
所述发光单元可以在所述氮化物基反射器的最上面的层上生长。
本发明构思的另一个方面涉及包括氮化物基半导体全方向反射器的发光装置。所述发光装置包括：氮化物基反射器；和置于所述氮化物基反射器上的发光单元。所述氮化物基反射器形成为使得未掺杂氮化物半导体层和重度掺杂氮化物半导体层交替层叠，并且每个所述重度掺杂氮化物半导体层包括多个气孔。
本发明构思的又一个方面提供了一种用于形成发光装置的方法。所述方法形成交替层叠的第一数量的第一GaN层和第二数量的第二GaN层以使得最上面的层和最下面的层都是所述第一GaN层，并且移除所述第一GaN层中的一些和所述第二GaN层中的一些的一部分。所述方法还蚀刻所述第二GaN层中的一些的边缘部分以在相邻的第一GaN层之间形成空气层，并在最上面的第一GaN层上形成发光单元。
所述方法还形成衬底和在所述衬底上由GaN形成的缓冲层。所述第一数量的第一GaN层和所述第二数量的第二GaN层形成在所述缓冲层上。
移除所述第一GaN层中的一些和所述第二GaN层中的一些的一部分的步骤移除除最下面的第一GaN层和最下面的第二GaN层以外的所述第一GaN层的边缘和所述第二GaN层的边缘。
所述空气层的形成步骤在暴露的第二GaN层上形成电极，并将正电压施加给所述电极，将负电压施加给所述衬底。
所述发光单元的形成步骤在最上面的第一GaN层上形成第一类型半导体层，在所述第一类型半导体层上形成有源层，并且在所述有源层上形成第二类型半导体层。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细说明，将能更加清楚地理解本发明构思的示例实施例，其中：
图1是根据本发明构思的一个实施例的发光装置的剖视图；
图2A至图2E是用于解释根据本发明构思的一个实施例的制造发光装置的方法的发光装置的剖视图；以及
图3是根据本发明构思的另一个实施例的发光装置的剖视图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明构思的示例实施例的附图对本发明构思进行更加全面地说明。在图中，相同的参考编号表示相同的元件，并且为了清楚起见会放大元件的尺寸或厚度。还要理解的是，当一层被称作在另一层或衬底“上”时，该层能够直接在其他层或衬底上，或者其中也可以存在中间层。
图1是根据本发明构思的一个实施例的发光装置100的剖视图。
参考图1，发光装置100包括形成在衬底110上的GaN基反射器130和形成在反射器130上的发光单元150。衬底110可以由例如硅(Si)或蓝宝石形成。
缓冲层112由GaN形成，并且可以在反射器130和衬底110之间形成顺序地层叠在缓冲层112上的一对GaN层。该一对GaN层可以是没有掺杂有杂质的GaN层114和n-GaN层116。
缓冲层112可以由这样的材料形成，该材料的晶格结构与在缓冲层112上外延生长的GaN层114和116的晶格结构匹配。例如，缓冲层112可以是GaN层。缓冲层112可以是未掺杂的。当缓冲层112由GaN形成时，可以省略GaN层114。
在n-GaN层116上形成由GaN形成的反射器130。可以通过交替地层叠轻度掺杂或未掺杂的第一GaN层131和N掺杂第二GaN层132形成反射器130。反射器130的最上层是第一GaN层131。每个第二GaN层132的杂质浓度可以是等于或大于1019cm-3，并且每个第一GaN层131的杂质浓度可以是等于或小于1017cm-3。以下，可以将第一GaN层131称为非掺杂GaN层。
反射器130可以包括，例如，5至10个第一GaN层131和在第一GaN层131之间形成的第二GaN层132。在图1中，为了方便起见，示出了三个第一GaN层131和在第一GaN层131之间形成的两个第二GaN层132。形成反射器130的第二GaN层132使得相邻的第一GaN层131之间的第二GaN层132的边缘被蚀刻。将第二GaN层132的蚀刻的边缘充满空气。以下，将充满空气的空间称为空气层134。由于空气层134具有不同于第一GaN层131的折射率，所以反射器130的空气层134使得由发光单元150发出的光能够被向上反射(当在图1中查看时)。
因为由空气层134围绕的第二GaN层132具有与第一GaN层131几乎没有区别的折射率，因此，第二GaN层132的反射效率低于空气层134的反射效率。相应地，当空气层134的面积大于由空气层134围绕的第二GaN层132的面积时，提高了反射器130的反射效率。第二GaN层132的面积可以是第二GaN层132和空气层134的总面积的约10％到20％。当第二GaN层132的面积小于10％时，反射器130会结构性地不稳固从而会容易破裂。当第二GaN层132的面积大于20％时，会降低反射器130的反射效率。
可以根据将在以下进行说明的电化学蚀刻期间的电压、第二GaN层132的掺杂浓度和蚀刻时间来调整空气层134的面积。
空气层134的高度，即相邻的第一GaN层131之间的第二GaN层132的高度，可以在从约100nm到200nm的范围内。第一GaN层131的高度可以在从约20nm到100nm的范围内。
由于通过层叠具有较大折射率差的层来形成反射器130，因此反射器130在每个方向上反射几乎100％的光。相应地，可以将反射器130称为全方向反射器。
在反射器130的最上面的第一GaN层131上形成发光单元150。在第一GaN层131上外延生长发光单元150。发光单元150可以包括在第一GaN层131上形成的n型半导体层152、p型半导体层156和置于n型半导体层152和p型半导体层156之间的有源层154。在p型半导体层156上形成p型电极161，并且将n型电极162连接至n型半导体层152。在图1中，以台面形状蚀刻p型半导体层156和有源层154以暴露n型半导体层152的一部分，并且n型电极162形成在n型半导体层152的暴露部分上。
可以由掺杂有n型杂质的氮化物半导体形成n型半导体层152。即，可以通过向这样一种半导体材料掺杂n型杂质来形成n型半导体层152，该种半导体材料具有由AlxInyGa(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的成分。用于形成n型半导体层152的氮化物半导体的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN，n型杂质的示例可以包括Si、锗(Ge)、硒(Se)和碲(Te)。可以通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物汽相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)来生长n型半导体层152。
可以由具有由InxGa1-xN(0≤x≤1)表示的成分的半导体材料形成有源层154，该成分由于电子和孔穴之间的复合可以发出具有预定能量的光，并且可以根据铟的含量调整带隙能量。另外，有源层154可以是多量子阱(MQW)层，其中交替层叠量子势垒层和量子阱层。
可以由掺杂有p型杂质的氮化物半导体形成p型半导体层156。即，可以通过向这样一种半导体材料掺杂p型杂质来形成p型半导体层156，该种半导体材料具有由AlxInyGa(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的成分。用于形成p型半导体层156的氮化物半导体的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN，且p型杂质的示例可以包括镁(Mg)、锌(Zn)和铍(Be)。可以通过使用MOCVD、HVPE或MBE来生长p型半导体层156。
由于在发光单元150下形成的反射器130向上反射由有源层154产生的光，因此，可以提高图1的发光装置100的光提取效率。
另外，由于在圆片级形成具有较小芯片尺寸的发光装置100，因此减少了应力和内部缺陷，从而提高光提取效率。
图2A至图2E是用于解释根据本发明构思的一个实施例的制造发光装置200的方法的剖视图。
参考图2A，在衬底210上形成由GaN形成的缓冲层212，在缓冲层212上交替地形成未掺杂或轻度掺杂有杂质(例如，n型杂质)的第一GaN层231和重度掺杂有n型杂质的第二GaN层232。第一GaN层231的数目可以是6到11个，而且第二GaN层232的数目可以是5到10个。在图2A至图2E中，为了方便起见，示出了四个第一GaN层231和置于第一GaN层231之间的三个第二GaN层232。
缓冲层212可以由这样的材料形成，该材料的晶格结构与在缓冲层212上外延生长的第一GaN层231和第二GaN层232的晶格结构匹配。例如，缓冲层212可以是GaN层。缓冲层212可以是未掺杂的。缓冲层212和置于缓冲层212上的第一GaN层231可以构成一个层。可以通过改变杂质浓度连续地外延生长缓冲层212上和置于缓冲层212上的第一GaN层231和第二GaN层232。
每个第一GaN层231可以具有从约20nm到100nm范围内的高度，并且每个第二GaN层232可以具有约100nm到200nm范围内的高度。
参考图2B，在最上面的第二GaN层232上形成光刻胶图案240。光刻胶图案240可以具有任意的各种形状。例如，光刻胶图案240可以具有圆形、椭圆形或正方形。
接下来，顺序地蚀刻由光刻胶图案240暴露的第一GaN层231和第二GaN层232的部分，但是不蚀刻最下面的第一GaN层231和置于最下面的第一GaN层231上的第二GaN层232。可以通过调节蚀刻时间来执行该蚀刻。形成具有与光刻胶图案240相同的形状的第一GaN层233和第二GaN层234。
虽然图2B中只示出了一个光刻胶图案240，但是实际上可在一片晶元上形成多个光刻胶图案240，并且可以执行以下步骤。
参考图2C，移除光刻胶图案240，并且在作为最下面一层的第二GaN层232的暴露部分上形成第一电极242。形成第一电极242以围绕图案化的第一GaN层233。
接下来，通过使用电化学蚀刻来蚀刻第二GaN层234的暴露端面。具体地，将衬底210放置在容纳诸如草酸溶液之类的预定蚀刻溶液的容器(未示出)中，并且将不同的电压施加给容器中的第一电极242和第二电极(未示出)。例如，可以将正(+)电压施加给第一电极242，将负(-)电压施加给第二电极。随着时间的流逝，第二GaN层234被蚀刻，并形成空气层235和由空气层235围绕的第二GaN层236。形成与图1的反射器130相对应的反射器230。
当施加给第一电极242的电压高于例如10V的预定电压时，在第二GaN层234中形成空气层235。每个第二GaN层236的面积可以是每个空气层235和每个第二GaN层236的总面积的约10％到20％。当第二GaN层236的面积小于10％时，反射器230会结构性地不稳固从而会容易破裂。当第二GaN层236的面积大于20％时，会降低反射器230的反射效率。
可以根据电化学蚀刻期间施加的电压、第二GaN层232的掺杂浓度和蚀刻时间来调整空气层235的面积。
参考图2D，在移除第一电极242之后，在最上面的第一GaN层233上外延生长发光单元250。首先，可以在第一GaN层233上形成n型半导体层252。可以由掺杂有n型杂质的氮化物半导体形成n型半导体层252。即，可以通过向这样一种半导体材料掺入n型杂质来形成n型半导体层252，该种半导体材料具有由AlxInyGa(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示的成分。用于形成n型半导体层252的氮化物半导体的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN，且n型杂质的示例可以包括Si、Ge、Se和Te。可以通过使用MOCVD、HVPE或MBE来生长n型半导体层252。
在n型半导体层252上形成有源层254。可以由具有由InxGa1-xN(0≤x≤1)表示的成分的半导体材料形成有源层254，该成分由于电子和孔穴之间的复合可以发出具有预定能量的光，并且可以根据铟的含量调整带隙能量。另外，有源层254可以是MQW层，其中交替层叠量子势垒层和量子阱层。
在有源层254上形成p型半导体层256。可以由掺杂有p型杂质的氮化物半导体形成p型半导体层256。即，可以通过向这样一种半导体材料掺入p型杂质来形成p型半导体层256，该种半导体材料具有由AlxInyGa(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示的成分。用于形成p型半导体层256的氮化物半导体的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN，且p型杂质的示例可以包括Mg、Zn和Be。可以通过使用MOCVD、HVPE或MBE来生长p型半导体层256。
参考图2E，以台面形状蚀刻p型半导体层256和有源层254的部分以暴露n型半导体层252的一部分。接下来，在p型半导体层256上形成p型电极261，并且在n型半导体层252的暴露部分上形成n型电极262。
由于通过改变杂质浓度来交替地生长由相同材料形成的第一GaN层和第二GaN层，因此图2A至图2E的方法可以容易地制造发光装置。
另外，可以在圆片级制造置于衬底上的多个发光装置芯片，每个发光装置芯片都包括反射器和发光单元。
图3是根据本发明构思的另一个实施例的发光装置300的剖视图。基本上用相同的参考编号来表示与图1中相同的元件，而且将不再给出对其的详细说明。
参考图3，发光装置300包括形成在衬底110上的GaN基反射器330和形成在反射器330上的发光单元150。衬底110可以由例如Si或蓝宝石形成。
反射器330可以包括，例如，7至15个第一GaN层131和在第一GaN层131之间形成的第二GaN层332。为了方便起见，图3示出了三个第一GaN层131和在第一GaN层131之间形成的两个第二GaN层332。在第二GaN层332的边缘处部分蚀刻置于第一GaN层131之间的反射器330的第二GaN层332，以在第二GaN层332中形成气孔335。以下，将气孔335的空间称为空洞层334。由于空洞层334具有不同于第一GaN层131的折射率，所以空洞层334使得由发光单元150发出的光能够被向上反射。
因为由空洞层334围绕的第二GaN层332具有与第一GaN层131几乎没有区别的折射率，因此，第二GaN层332的反射效率很低。相应地，当每个空洞层334的面积都大于由空洞层334围绕的每个第二GaN层332的面积时，提高了反射器330的反射效率。第二GaN层332的面积可以是空洞层334和第二GaN层332的总面积的约15％或更少。当第二GaN层332的面积大于15％时，降低了反射器330的反射效率。
可以根据电化学蚀刻期间施加的电压、第二GaN层332的掺杂浓度和蚀刻时间来调整空洞层334的面积。具体而言，被施加以形成空洞层334的电压是例如等于或小于10V的预定电压。当施加高于该预定电压的电压时，会形成图1的结构中的空气层。
每个气孔335可以具有约从1nm到10nm范围内的直径。空洞层334的高度，即第一GaN层131之间的第二GaN层332的高度，可以在从约100nm到200nm的范围内。第一GaN层131的高度可以在从约20nm到100nm的范围内。
发光装置300的其他元件与图1的发光装置100的元件基本上相同，因此将不再给出对它们的详细说明。
根据本发明构思的一个或多个实施例，使用较少数量的层对实现了具有高反射率的氮化物基全方向反射器，这是因为相邻的氮化物半导体层之间的折射率差较大。另外，由于在氮化物基全方向反射器上根据发光装置芯片来生长发光单元，因此减少了应力和内部缺陷，从而提高光提取效率。
虽然已参考本发明构思的示例实施例详细地对本发明构思进行了展示和说明，但是要理解的是，在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上进行各种变化。
Claims (20)
1.一种发光装置，包括：
氮化物基半导体层；
置于所述氮化物基半导体层上的氮化物基反射器；和
置于所述氮化物基反射器上的发光单元，
其中所述氮化物基反射器包括交替层叠的未掺杂氮化物半导体层和重度掺杂氮化物半导体层，并且每个所述重度掺杂氮化物半导体层的面积小于相邻的未掺杂氮化物半导体层的面积，以在相邻的未掺杂氮化物半导体层之间形成空气层，并且所述氮化物基半导体层的面积不小于所述未掺杂氮化物半导体层的面积，并且所述氮化物基半导体层具有与所述重度掺杂氮化物半导体层相同的掺杂。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述氮化物基反射器由GaN形成。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述氮化物基反射器包括5到10个未掺杂氮化物半导体层和置于所述未掺杂氮化物半导体层之间的重度掺杂氮化物半导体层。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中每个所述重度掺杂氮化物半导体层的面积是每个所述重度掺杂氮化物半导体层和每个所述空气层的总面积的10％到20％。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其中所述空气层的高度在从100nm到200nm的范围内。
6.根据权利要求4所述的发光装置，其中所述未掺杂氮化物半导体层的高度在从20nm到100nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述发光单元置于所述氮化物基反射器的最上面的层上。
8.一种发光装置，包括：
氮化物基反射器；和
置于所述氮化物基反射器上的发光单元，
其中所述氮化物基反射器包括交替层叠的未掺杂氮化物半导体层和重度掺杂氮化物半导体层，并且所述氮化物基反射器还包括在相邻的未掺杂氮化物半导体层之间围绕所述重度掺杂氮化物半导体层的空洞层，所述空洞层具有多个气孔。
9.根据权利要求8所述的发光装置，其中所述氮化物基反射器由GaN形成。
10.根据权利要求8所述的发光装置，其中所述氮化物基反射器包括7到15个未掺杂氮化物半导体层和在所述未掺杂氮化物半导体层之间的重度掺杂氮化物半导体层。
11.根据权利要求8所述的发光装置，其中每个所述重度掺杂氮化物半导体层的厚度在从100nm到200nm的范围内。
12.根据权利要求8所述的发光装置，其中每个所述未掺杂氮化物半导体层的厚度在从20nm到100nm的范围内。
13.根据权利要求8所述的发光装置，其中所述发光单元置于所述氮化物基反射器的最上面的层上。
14.根据权利要求8所述的发光装置，其中每个所述重度掺杂氮化物半导体层的面积小于所述未掺杂氮化物半导体层的面积。
15.一种用于形成发光装置的方法,包括步骤：
(a)形成交替层叠的第一数量的第一GaN层和第二数量的第二GaN层，使得最上面的层和最下面的层都是所述第一GaN层；
(b)移除所述第一GaN层中的一些和所述第二GaN层中的一些的一部分；
(c)蚀刻所述第二GaN层中的一些的边缘部分，以在相邻的第一GaN层之间形成空气层；
(d)在最上面的第一GaN层上形成发光单元。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：
形成衬底；和
在所述衬底上形成由GaN形成的缓冲层，
其中所述第一数量的第一GaN层和所述第二数量的第二GaN层形成在所述缓冲层上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述步骤(b)移除除了最下面的第一GaN层和最下面的第二GaN层以外的所述第一GaN层的边缘和所述第二GaN层的边缘。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述步骤(c)包括：
(c1)在由步骤(b)形成的暴露的第二GaN层上形成电极；以及
(c2)将正电压施加给所述电极，将负电压施加给所述衬底。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述步骤(d)包括：
(d1)在所述最上面的第一GaN层上形成第一类型半导体层；
(d2)在所述第一类型半导体层上形成有源层；以及
(d3)在所述有源层上形成第二类型半导体层。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一数量比所述第二数量大1。
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