CN103700746B - 一种发光半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光半导体器件，包括N型半导体和依次设置于N型半导体一侧上的有源区、P型半导体和P电极，P型半导体具有粗糙表面，且在P型半导体的粗糙表面上采用PVD镀有光提取镀层，N电极设置于N型半导体另一侧上；当N电极设置于N型半导体上且与P电极同侧时，衬底设置于N型半导体另一侧上。本发明通过在P型半导体上制作粗糙表面，以及采用PVD在该P型半导体的粗糙表面镀有光提取镀层，使得发光半导体器件的出光效率至少提高了5%。
Description
【技术领域】
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种发光半导体器件。
【背景技术】
蓝绿光发光二极管的主要材料为氮化镓（GaN），在该波长范围，折射率为2.5左右，与空气折射率差较大，光线在LED外延层发生全反射，因此LED中的光取出效率较低，一般在23%左右，未取出的光在LED器件中湮灭最终以热形式释放，对器件产生不良影响，尤其是大功率或高亮度LED，影响更为明显。
对于LED的出光效率，研究人员做过多方面的改进，如表面粗化技术，图形化衬底技术，芯片侧壁腐蚀技术等，虽然这些方法在不同程度上可以起到改变出光角度，降低LED内部全反射，提高出光效率的目的，但是由于存在较大的折射率差异，使每次光线从光密介质传输到光疏介质过程中，都会存在较严重的反射，不利于光提取。
最有效的提高出光效率的方法应该是具有完全光子晶体结构或具有折射率渐变结构。光子晶体可以克服界面情况，将光子以耦合的方式提取，但需要对材料，图形尺寸，形貌有严格的要求。折射率渐变结构，不具有改变出光角度的功能，只能将可以出射的角度的光子更有效的提取出来。
伦斯勒理工学院研究人员Ahmed Noemaun等提出了一种提高光取出效率的方法，采用高低折射率差异较大的两种材料，以不同的比例混合制备出不同折射率的材料，以溅射镀膜的方式沉积于垂直结构LED的n-face GaN面，然后采用蚀刻方式制作沉积膜层的阵列结构，有效的增加了光取出效率（JOURNAL OF APPLIED PHYSICS110,054510(2011)）。其虽然在光取出效率上有了一定程度上的提高，但存在较多问题：如对折射率渐变材料的柱体尺寸、形状、排列、高度及填充率等都有较严格的要求，而且效果欠佳。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种发光半导体器件，其能有效提高发光半导体器件的出光效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种发光半导体器件，包括P型半导体和设置于P型半导体上的P电极，该P型半导体具有粗糙表面，且在P型半导体的粗糙表面上镀有光提取镀层。
本发明进一步改进在于：还包括依次设置于P型半导体与P电极相对一侧上的有源区和N型半导体，N电极设置于N型半导体上。
本发明进一步改进在于：当N电极设置于N型半导体上且与P电极同侧时，该N型半导体的纵向截面呈阶梯型，其具有高阶表面和低阶表面，在N型半导体的高阶表面上依次设置有源区、P型半导体和P电极，在N型半导体的低阶表面上设置N电极，且在N型半导体与P电极相对一侧上还设置有衬底。
本发明进一步改进在于：所述衬底的材质采用蓝宝石、碳化硅或硅单质中的一种；N型半导体的材质采用GaN，其厚度为0.5μm～50μm。
本发明进一步改进在于：有源区的材质采用InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AlN中的一种。
本发明进一步改进在于：P型半导体的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN中的一种，其厚度为30nm～1μm。
本发明进一步改进在于：N电极和P电极的结构为单层金属、多层金属或金属合金，其材质采用Al、Ti、Cr、Au、Pb、Ni、In、Sn或Ag中的一种或多种。
本发明进一步改进在于：P型半导体粗糙表面的粗糙度为50nm～1μm，其采用外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺使得P型半导体形成粗糙表面。
本发明进一步改进在于：光提取镀层为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体的粗糙表面上，其中，高折射率材料采用TiO2、Ti2O5或ZrO2中的一种或多种，低折射率材料采用SiO2。
本发明进一步改进在于：光提取镀层的层数为6～20层，第一层高折射率材料涂层的膜厚为100nm～1000nm，一层高折射率材料涂层与一层低折射率材料涂层组成一组复合层，且每一组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚TnL的比例为Tnh：TnL，从下至上所有组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚TnL的比例依次减小。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明一种发光半导体器件，其通过在P型半导体上制作粗糙表面以降低光线在发光半导器件中的全反射次数，以及采用PVD在该P型半导体的粗糙表面镀有光提取镀层，使得发光半导体器件的出光效率至少提高了5%。
【附图说明】
图1为本发明发光二极管器件的P电极和N电极在同侧的结构示意图；
图2为本发明发光二极管器件的P电极和N电极在两侧的结构示意图。
其中：101为N电极；102为P电极；104为衬底；201为N型半导体；202为有源区；203为P型半导体；301为光提取镀层。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1所示，一种发光半导体器件，包括N型半导体201，其纵向截面呈阶梯型，在N型半导体201的高阶表面上依次设置有源区202、P型半导体203和P电极102，P型半导体203具有粗糙表面，且在P型半导体203的粗糙表面上采用PVD镀有光提取镀层301，N电极101设置于N型半导体201的低阶表面上且与P电极102同侧，衬底104设置于N型半导体201另一侧上。
上述发光半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
1）制作外延：在衬底104上依次外延生长N型半导体201、有源区202和P型半导体203，并通过外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺，使得P型半导体203形成粗糙表面，粗糙表面的粗糙度为50nm～1μm。其中，该衬底104的材质采用蓝宝石、碳化硅或硅单质中的一种；N型半导体201的材质采用GaN，厚度一般在0.5μm～50μm之间；有源区202的材质采用禁带宽度差异的化合物半导体材料，如InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AlN等；P型半导体203的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN，其厚度一般在30nm～1μm。
2）制作电极：在刻蚀的N型半导体201上，制作N电极101，在未蚀刻的P型半导体203上制作P电极102。其中，两个电极结构均为单层金属或多层金属或金属合金，其材质采用Al、Ti、Cr、Au、Pb、Ni、In、Sn或Ag中的一种或多种。
3）制作出光镀层：采用PVD方式，在P型半导体203粗糙表面上制作光提取镀层301。为提高光学效果，在镀膜过程中对样品及腔体进行加热处理，或离子辅助沉积。该光提取镀层301为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体203的粗糙表面上，其高折射率材料采用TiO2，低折射率材料采用SiO2，镀层总层数为6层，分别为TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，光提取镀层301膜层结构参见表1所示：
表1：
| 膜层 | 材料 | 厚度（nm） |
| Layer1-1 | TiO2 | 410 |
| Layer2-1 | SiO2 | 69 |
| Layer2-2 | TiO2 | 82 |
| Layer2-3 | SiO2 | 161 |
| Layer2-4 | TiO2 | 27 |
| Layer2-5 | SiO2 | 208 |
4）实施效果：与现有技术相比，采用本发明发光半导体器件的芯片出光效率提升5～10%。
实施例2：
参见图2所示，一种发光半导体器件，包括N型半导体201和依次设置于N型半导体201一侧上的有源区202、P型半导体203和P电极102，P型半导体203具有粗糙表面，且在P型半导体203的粗糙表面上采用PVD镀有光提取镀层301，N电极101设置于N型半导体201另一侧上。
上述发光半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
1）制作外延：在衬底104上依次外延生长N型半导体201、有源区202和P型半导体203。其中，该衬底104的材质采用蓝宝石、碳化硅或硅单质中的一种；N型半导体201的材质采用GaN，厚度一般在0.5μm～50μm之间；有源区202的材质采用禁带宽度差异的化合物半导体材料，如InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AlN等；P型半导体203的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或AlGaN，其厚度一般在30nm～1μm。
2）制作电极：在P型半导体203上制作P电极102，该P电极102具有自由支撑厚度，然后采用激光剥离方法或衬底减薄方法去除外延衬底104，并在N型半导体201上制作N电极101。或外延衬底104采用导电衬底104，直接在衬底104上制作N电极101。其中，两个电极结构均为单层金属或多层金属或金属合金，其材质采用Al、Ti、Cr、Au、Pb、Ni、In、Sn或Ag中的一种或多种。
3）制作粗糙表面：采用外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺在裸露的P型半导体203上制作粗糙表面，该粗糙表面的粗糙度为50nm～1μm，具体地，其采用一定比例的强酸或强碱溶液，如H2SO4、H3PO4按一定比例混合，或采用强碱溶液KOH、NaOH等，通过控制溶液浓度和蚀刻温度控制刻蚀速率，得到理想的出光图形。
4）采用PVD方式，在P型半导体203粗糙表面上制作光提取镀层301，为提高光学效果，在镀膜过程中对样品及腔体进行加热处理，或离子辅助沉积。该光提取镀层301为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体203的粗糙表面上，其高折射率材料采用TiO2，低折射率材料采用SiO2，镀层总层数为18层，分别为TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，光提取镀层301膜层结构参见表2所示：
表2：
| 膜层 | 材料 | 厚度（nm） |
| Layer1-1 | TiO2 | 410 |
| Layer2-1 | SiO2 | 8 |
| Layer2-2 | TiO2 | 36 |
| Layer2-3 | SiO2 | 15 |
| Layer2-4 | TiO2 | 32 |
| Layer2-5 | SiO2 | 23 |
| Layer2-6 | TiO2 | 27 |
| Layer2-7 | SiO2 | 31 |
| Layer2-8 | TiO2 | 23 |
| Layer2-9 | SiO2 | 38 |
| Layer2-10 | TiO2 | 18 |
| Layer2-11 | SiO2 | 46 |
| Layer2-12 | TiO2 | 14 |
| Layer2-13 | SiO2 | 54 |
| Layer2-14 | TiO2 | 9 |
| Layer2-15 | SiO2 | 62 |
| Layer2-16 | TiO2 | 5 |
| Layer2-17 | SiO2 | 69 |
5）实施效果：与现有技术相比，采用本发明发光半导体器件的芯片出光效率提升10～15%。
上述光提取镀层301的具体制作步骤如下：采用PVD方法，在发光半导体器件的P型半导体203表面制作制作镀层结构，该镀层结构包含两个部分，第一部分为表面接触层，该层厚度范围100nm～1000nm，根据表面情况确定，粗糙的表面可以适当增加该层的厚度，以便去除表面形貌对后续膜层光学效果的影响。该表面接触层材料选用折射率高的材料，但需小于半导体材料折射率，例如TiO2、Ti2O5或ZrO2等。第二部分为多层膜层结构，该结构特点为具有高低折射率的两种或两种以上材料，按照一定的厚度比例间隔沉积，高折射率材料和低折射率材料依次沉积，最表层为相对低的折射率材料。高折射率材料厚度Tnh和低折射率材料厚度TnL的比例Tnh：TnL依次减小，优先选择每一组膜层（含一层高折射率材料和相邻的上一层或下一层低折射率材料）的光学厚度总和为发光器件四分之一波长的奇数倍。该多层膜结构的膜层合理层数为2～60层，优先选择6～20层。
上述在P型半导体203上制作粗糙表面具体包括以下步骤：在LED的出光面，制作粗糙表面或微结构图形，可以采用外延工艺粗糙、芯片制程中干法蚀刻图形或湿法腐蚀粗糙等工艺。由于图形与GaN材料是同种材料，可以最大程度改变出光角度，降低光在材料内部的全反射此次数。也可以采用与半导体材料折射率近似的材料沉积在半导体表面，在其上制作粗糙表面或微结构图形，具有同样的效果。在该粗糙表面沉积所述膜层结构，适当调整底层表面的粗糙度和膜层沉积厚度，可以调控镀膜后的表面粗糙度。
其中，粗糙表面降低光线在器件中的全反射次数，光提取膜层增加光取出效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (6)
1.一种发光半导体器件，其特征在于，包括P型半导体(203)和设置于P型半导体(203)上的P电极(102)，该P型半导体(203)具有粗糙表面，且在P型半导体(203)的粗糙表面上镀有光提取镀层(301)；
还包括依次设置于P型半导体(203)与P电极(102)相对一侧上的有源区(202)和N型半导体(201)，N电极(101)设置于N型半导体(201)上；
光提取镀层(301)为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体(203)的粗糙表面上，其中，高折射率材料采用TiO2、Ti2O5或ZrO2中的一种或多种，低折射率材料采用SiO2；
一层高折射率材料涂层与一层低折射率材料涂层组成一组复合层，且每一组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚TnL的比例为Tnh：TnL，从下至上所有组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚TnL的比例依次减小；
当N电极(101)设置于N型半导体(201)上且与P电极(102)同侧时，该N型半导体(201)的纵向截面呈阶梯型，其具有高阶表面和低阶表面，在N型半导体(201)的高阶表面上依次设置有源区(202)、P型半导体(203)和P电极(102)，在N型半导体(201)的低阶表面上设置N电极(101)，且在N型半导体(201)与P电极(102)相对一侧上还设置有衬底(104)；
光提取镀层(301)的层数为6～20层，第一层高折射率材料涂层的膜厚为100nm～1000nm。
2.根据权利要求1所述的一种发光半导体器件，其特征在于，所述衬底(104)的材质采用蓝宝石、碳化硅或硅单质中的一种；N型半导体(201)的材质采用GaN，其厚度为0.5μm～50μm。
3.根据权利要求2所述的一种发光半导体器件，其特征在于，有源区(202)的材质采用InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AlN中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种发光半导体器件，其特征在于，P型半导体(203)的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN中的一种，其厚度为30nm～1μm。
5.根据权利要求2所述的一种发光半导体器件，其特征在于，N电极(101)和P电极(102)的结构为单层金属、多层金属或金属合金，其材质采用Al、Ti、Cr、Au、Pb、Ni、In、Sn或Ag中的一种或多种。
6.根据权利要求1或2所述的一种发光半导体器件，其特征在于，P型半导体(203)粗糙表面的粗糙度为50nm～1μm，其采用外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺使得P型半导体(203)形成粗糙表面。
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