CN103887383A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了半导体发光器件及其制造方法。制造半导体发光器件的方法包括：在衬底上形成多个凹部；将二氧化硅粒子注入多个凹部；以及在衬底上形成半导体层，半导体层包括在半导体层的位于多个凹部的上方的部分中形成的空隙。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0150314的优先权，其公开通过引用方式并入于此。
技术领域
与示例性实施例一致的设备和方法涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
半导体发光器件能够发出各种颜色的光，这是由于当对半导体发光器件施加电流时，在p型和n型半导体之间的p-n结处发生电子-空穴复合。这样的半导体发光器件在如下方面优于基于灯丝的发光器件：它具有相对长的寿命、相对低的功耗、优良的初始工作特性、高抗振性等。这些因素不断地提升了对半导体发光器件的需求。
尤其是近来，可以发出蓝色/短波长区域中的光的III族氮化物半导体得到了极大的关注。由于诸如GaN、AlN等的III族氮化物具有高热稳定性和直接跃迁能带结构，因此它们被广泛地用于发出蓝色和紫外线波长区域中的光的光电器件中。特别地，使用GaN的蓝色和绿色光发射器件广泛地用于诸如以下的各种技术领域：平板显示装置、交通灯、室内照明装置、高密度光源、高分辨率输出系统、光通信系统等。
III族氮化物半导体层可以通过金属有机气相外延（MOVPE）、分子束外延（MBE）等在诸如蓝宝石衬底、碳化硅（SiC）衬底、硅（Si）衬底这样的具有六方晶系结构的异质衬底上生长。然而，在III族氮化物半导体层生长在异质衬底上的情况下，由于半导体层和衬底之间的热膨胀系数的差异，可能发生翘曲。因此，当在翘曲的衬底上形成的半导体层上生长有源层时，可能发生温度分布不均匀的现象，导致光的波长分布的增加。此外，由于半导体层和衬底之间的晶格常数和热膨胀系数的差异，半导体层内可能生成裂缝或翘曲，导致位错。半导体层内的裂缝、翘曲和位错会降低发光器件的特性。
为了缓解由半导体层和衬底之间的晶格常数和热膨胀系数的差异导致的应力，使用了缓冲层。然而，尽管使用了缓冲层，晶格常数和热膨胀系数的差异可能仍会导致半导体层内的裂缝或对衬底的损坏。
发明内容
一个或多个示例性实施例提供了一种半导体发光器件和一种制造半导体发光器件的方法，其均能够防止当半导体层生长在由与半导体层的材料不同的材料形成的异质衬底上时，由于半导体层和异质衬底之间的热膨胀系数的差异而产生的翘曲。
一个或多个示例性实施例还提供了一种通过防止在半导体层内发生裂缝来生长具有减少的晶体缺陷的半导体层的方法。
一个或多个示例性实施例还提供了一种较少地受到衬底的晶格常数和热膨胀系数影响的半导体发光器件及其制造方法。
根据示例性实施例的一个方面，提供了一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括：在衬底的表面上形成多个凹部；将二氧化硅粒子注入多个凹部；以及在衬底的具有多个凹部的表面上形成半导体层，所述半导体层包括具有多个空隙的表面，多个空隙形成在面向多个凹部的位置处。
可以通过蚀刻衬底来形成多个凹部。
所述衬底可以由选自包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2的组的至少一个形成。
可以通过横向生长方法来形成所述半导体层。
可以在所述半导体层上形成发光结构。
根据示例性实施例的另一方面，提供了一种半导体发光器件，其包括：衬底，其包括具有多个凹部的表面，在多个凹部中布置有二氧化硅粒子；半导体层，其布置在衬底上并且包括具有多个空隙的表面，多个空隙设置在面向多个凹部的位置处；发光结构，其布置在半导体层上，并且包括第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；以及第一电极和第二电极，其分别与第一导电型半导体层和第二导电型半导体层连接。
所述衬底可以由选自包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2的组的至少一个形成。
多个凹部中的每一个可以具有5nm至5μm的深度。
多个凹部之间可以具有1nm至10μm的间隔。
多个凹部可以形成具有四边形形状的图案。
四边形形状可以具有5nm至5μm的边长。
多个凹部可以形成具有圆形形状的图案。
圆形形状可以具有5nm至5μm的直径。
二氧化硅粒子可以是球形二氧化硅球。
二氧化硅球可以具有5nm至5μm的直径。
附图说明
根据以下结合附图对示例性实施例的描述，将会更加清晰地理解以上和其他方面，其中：
图1至图7是示出根据示例性实施例的制造半导体发光器件的方法的视图；
图8和图9是描绘表1和表2的曲线图；
图10是示出根据示例性实施例的半导体发光器件的截面图，该半导体发光器件包括衬底和在衬底上形成的半导体层；
图11和图12示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于封装的示例；
图13和图14示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于背光单元的示例；
图15示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于照明装置的示例。
图16示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于照明灯的示例。
具体实施方式
将参照附图来具体描述本发明构思的示例性实施例。
然而，本发明构思可以通过很多不同的形式来体现，不应被解释为限制于本文所阐述的特定示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本公开透彻且完整，并且全面地向本领域技术人员表达本发明构思的范围。
在附图中，为了清楚起见，元件的形状和尺寸可能被夸大，以及在所有附图中，相同的附图标记将用于指定相同或相似的元件。
图1至图7是示出根据示例性实施例的制造半导体发光器件的方法的视图。
如图1所示，具有图案的掩模M以固定间隔布置在衬底10上，将要在该衬底10上形成半导体发光器件。
可以提供衬底10用于半导体生长。衬底10可以由诸如蓝宝石、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2、LiGaO2、GaN等这样的具有绝缘和导电性能的半导体材料制成。广泛地用作半导体生长衬底的蓝宝石衬底由具有六菱形（Hexa-Rhombo）R3c对称性的晶体形成，并且在C轴上具有13.001
的晶格常数，在A轴上具有4.758
的晶格常数。蓝宝石衬底的取向平面包括C(0001)平面、A（1120）平面、R（1102）平面等。尤其是，C平面由于其有利于氮化物膜的生长并且在高温下稳定，因而主要用作氮化物生长衬底。硅（Si）衬底也可以适合用作衬底10。由于硅衬底具有大直径并且价格相对低廉，因此其使用可以有利于大批量生产。在使用硅衬底的情况下，可以在衬底10上形成由AlxGa1-xN制成的成核层，其后可以在成核层上生长具有所需结构的氮化物半导体。
然而，所述蓝宝石或硅（Si）衬底与在其上生长的半导体层（例如，氮化物半导体层）可能就晶格常数和热膨胀系数而言具有相对大的差异。为了获得高质量的半导体层，可以使用能够缓解所述差异的缓冲结构。
接下来，如图2所示，使用掩模M对衬底10进行蚀刻处理。因此，衬底10上没有形成掩模M的部分被蚀刻，使得在衬底10的顶表面上形成一个或多个凹部20。可以使用湿法蚀刻或干法蚀刻来进行对衬底10的蚀刻。凹部20可以是衬底10顶表面上的沟槽或凹陷，并且可以被布置为形成图案或具有规则的形状。
然后，如图3所示，从衬底10上去除掩模M。
当从衬底10的顶表面看时，由一个或多个凹部20形成的图案或形状可以是圆形、四边形、条纹等。这里，四边形形状包括梯形形状、矩形形状和方形形状。这里，凹部20的深度可以是5nm至5μm，或者各凹部20之间的间隔可以是1nm至10μm。
例如，在凹部20的形状为圆形的情况下，其直径可以是5nm至5μm，而在凹部20的横截面是四边形的情况下，其边的长度可以是5nm至5μm。
其后，如图4所示，在每个凹部20中提供至少一个二氧化硅粒子（silica particle）30。二氧化硅粒子30可以由SiO2制成，并且可以形成各种形状。此外，二氧化硅粒子30可以具有足以被注入凹部20的尺寸。然而，二氧化硅粒子30的一部分可以从凹部20的上表面突出。例如，在二氧化硅粒子30是球形二氧化硅球的情况下，其直径可以是5nm至5μm。
在图4中，单个二氧化硅粒子30被注入每个凹部20。然而，本发明不限于此。根据二氧化硅粒子30的尺寸，可以在每个凹部20中注入多个二氧化硅粒子30。
可替代地，如图5所示，可以在凹部20中形成由SiO2制成的薄膜35，替代将二氧化硅粒子30注入凹部20。
然后，如图6所示，可以在衬底10上生长下部半导体层50。
当使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、外延生长等在有利于横向生长的条件下，在衬底10上横向生长下部半导体层50时，可以先在衬底10上没有形成凹部20的部分上开始生长下部半导体层50，而在衬底上形成有凹部20的部分上不生长下部半导体层50。具体地，下部半导体层50在凹部20上的生长可能由于注入凹部20的二氧化硅粒子30而被干扰。因此，下部半导体层50可以包括多个形成在凹部20上方的空隙（void）40。空隙40可以减小衬底10与形成在衬底10上的下部半导体层50之间的接触面积，由此缓解由衬底10与下部半导体层50之间的晶格常数和热膨胀系数的差异导致的应力。
这里，下部半导体层50可以是未掺杂的半导体层，并且可以用作附加的缓冲层，但不限于此。下部半导体层50可以形成发光结构的一部分。
然后，如图7所示，可以在下部半导体层50上形成发光结构60。
发光结构60可以包括依次堆叠的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层，并且第一电极可以形成在通过刻蚀部分的有源层和部分的第二导电型半导体层而暴露出的第一导电型半导体层的部分上，第二电极可以形成在第二导电型半导体层上。
可替代地，发光结构60可以包括依次堆叠的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层，并且第一电极形成在第一导电型半导体层上，第二电极形成在第二导电型半导体层上。
这里，发光结构60的第一导电型半导体层可以通过将杂质掺入下部半导体层50来形成。
如上所述，可以减小衬底10与形成在衬底10上的半导体层50之间的接触面积，从而缓解由衬底10与半导体层50之间的热膨胀系数的差异导致的翘曲。此外，注入凹部20的二氧化硅粒子30可以用于反抗衬底10翘曲方向上的应力，从而有效地防止衬底10的翘曲。
因此，半导体层50可以不受衬底10的晶格常数和热膨胀系数的影响。当通过该方式获得半导体层50时，可以改善结晶质量。因此，可以省去用于防止对半导体层50造成损坏而进行的附加处理。
此外，在半导体层50面朝衬底10并接触衬底10的表面上形成的空隙40可以用作应力缓冲，使得可以极大地减少由于衬底10与半导体层50之间的热膨胀系数的差异而出现的裂缝。
此外，在衬底10上形成的凹部20可以有利于改善光提取效率，光提取效率可以根据衬底10与空隙40的内部之间的折射率的差异而得到改善。
表1和表2通过将根据示例性实施例的将半导体层生长在具有凹部的衬底上的情况与将半导体层生长在具有平坦顶表面而没有凹部的衬底上的情况（比较示例1）以及将半导体层生长在图案化的蓝宝石衬底（PSS）上的情况（比较示例2）进行比较，示出了根据示例性实施例和比较示例得到的衬底的曲率半径。这里，表1表示在蓝宝石衬底上形成的GaN半导体层在1000℃下测量的曲率半径，表2表示在蓝宝石衬底上形成的GaN半导体层冷却后测量的曲率半径。此外，图8和图9是描绘表1和表2的曲线图。
[表1]
| 比较示例1 | 比较示例2 | 示例性实施例 |
| 2.64m | 2.78m | 3.3m |
[表2]
| 比较示例1 | 比较示例2 | 示例性实施例 |
| 0.68m | 0.714m | 0.848m |
如表1和图8所示，当在蓝宝石衬底上形成GaN半导体层时测量曲率半径时，具有凹部的衬底（示例性实施例）的曲率半径远大于具有平坦顶表面的衬底（比较示例1）和图案化蓝宝石衬底（比较示例2）的曲率半径。此外，如图表2和图9所示，当在蓝宝石衬底上形成GaN半导体层之后测量曲率半径时，具有凹部的衬底（示例性实施例）的曲率半径远大于具有平坦顶表面的衬底（比较示例1）和图案化蓝宝石衬底（比较示例2）的曲率半径。也就是，可以看出根据示例性实施例的衬底比具有平坦顶表面的衬底（比较示例1）和图案化蓝宝石衬底（比较示例2）具有更小的翘曲。
图10是示出根据示例性实施例的包括衬底和在衬底上形成的半导体层的半导体发光器件的截面图。
参照图10，根据示例性实施例的半导体发光器件100可以包括形成在衬底10上的下部半导体层50、以及形成在下部半导体层50上的发光结构，该发光结构包括依次堆叠的第一导电型半导体层150、有源层160、和第二导电型半导体层170，还包括第一电极180和第二电极190。
衬底10是用于制造半导体发光器件的晶片。衬底10可以由选自包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2的组的至少一个形成。
可以在衬底10的顶表面中形成多个凹部20，每个凹部20均可以有至少一个二氧化硅粒子30布置于其中。
可以在衬底10上形成下部半导体层50。下部半导体层50可以由AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)所表示的半导体材料形成。下部半导体层50可以包括形成在与衬底10中所形成的凹部20相对应的位置上的空隙。
可以在下部半导体层50上形成发光结构，其包括第一导电型半导体层150、有源层160、和第二导电型半导体层170。
可以在通过对部分的有源层160和部分的第二导电型半导体层170进行干法蚀刻而暴露出的第一导电型半导体层150的部分上形成第一电极180，可以在第二导电型半导体层170上形成第二电极190。
此外，还可以在第二导电型半导体层170和第二电极190之间形成用于电流扩散的透明电极。
根据示例性实施例的半导体发光器件可以较小地受到衬底与半导体层之间的热膨胀系数的差异带来的影响，从而防止翘曲，由此可以具有均匀的光特性。
此外，半导体发光器件由于较小地受到衬底的晶格常数和热膨胀系数的影响，从而可以由具有较少晶体缺陷的半导体层形成。图10示出了水平型半导体发光器件。然而，本发明构思不限于此，而是可以应用于各种类型的半导体发光器件。
图11和图12示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于封装的示例。
图11的封装件1000包括半导体发光器件1001、封装主体1002和一对引线框架1003。半导体发光器件1001可以安装在引线框架1003上，通过导线W与引线框架电连接。例如，半导体发光器件1001可以安装在封装主体1002上的封装件1000的另一部分上，而不是引线框架1003上。为了改善光反射效率，封装主体1002可以具有如图11所示的杯状（即，具有斜坡侧面的中心空洞），可以用透光材料填充该反射杯，并密封半导体发光器件1001和导线W。半导体发光器件1001可以具有图10的结构，或者半导体发光器件1001可以具有不同的结构。根据半导体发光器件1001的电极结构和安装半导体发光器件1001的方法，可以使用单个导线W或可以不使用任何导线。
图12的封装件2000与上述封装件1000在以下方面类似：半导体发光器件2001安装在一对引线框架2003上，同时使用导线W将它们电连接。另一方面，封装件2000与封装件1000在以下方面不同：引线框架2003的底表面向外暴露，以改善散热性，以及封装件2000的形状通过密封半导体发光器件2001、导线W和引线框架2003的透光主体2002来保持。半导体发光器件2001可以具有上述结构，并且使用单个导线W，如图12所示。然而，导线的数量可以根据半导体发光器件2001的电极结构和安装半导体发光器件2001的方法而改变。
图13和图14示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于背光单元的示例。参照图13，背光单元3000包括安装在基板3002上的光源3001以及布置在光源3001和基板3002上方的至少一个光学片3003。光源3001可以是具有上述结构或与上述结构类似的结构的发光器件封装件。可替代地，在板上芯片（COB）配置中，半导体发光器件可以直接安装在基板3002上。图13的背光单元3000中的光源3001向着布置在光源3001上方的液晶显示（LCD）器件发光。然而在图14的背光单元4000中的基板4002上安装的光源4001横向发光，光入射到导光板4003使得背光单元4000可以用作表面光源。传播到导光板4003的光可以向上发射，为了改善光提取效率，可以在导光板4003的底表面下形成反射层4004。
图15示出了将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于照明装置的示例。参照图15的分解透视图，照明装置5000可以以示例的方式提供为灯泡类型灯，并且可以包括发光模块5003、驱动单元5008、和外部连接单元5010。此外，照明装置5000中可以包括诸如外部壳5006、内部壳5009和覆盖单元5007之类的外部结构。发光模块5003可以包括半导体发光器件5001和上面安装有半导体发光器件5001的电路板5002。在本示例性实施例中，在电路板5002上安装单个半导体发光器件5001。然而，根据需要也可以在电路板5002上安装多个半导体发光器件。此外，半导体发光器件5001可以不直接安装在电路板5002上，而是形成为封装件，然后安装在电路板5002上。
在照明装置5000中，发光模块5003可以包括用作散热部分的外部壳5006，外部壳5006可以包括直接与发光模块5003接触的散热板5004以及向外暴露的多个散热片5005，从而改善散热性。此外，照明装置5000可以包括布置在发光模块5003上方并且具有凸透镜形状的覆盖单元5007。驱动单元5008可以布置在内部壳5009内，并且可以与诸如插座结构之类的外部连接单元5010连接，以接收来自外部电源的电力。此外，驱动单元5008可以将接收到的电力转换为适合驱动发光模块5003的半导体发光器件5001的电力，并且向发光模块5003提供转换的电力。例如，驱动单元5008可以设置为AC-DC转换器、整流电路部分等。
图16示出将根据示例性实施例的半导体发光器件应用于照明灯的示例。参照图16，用于车辆等的照明灯6000可以包括光源6001、反射单元6005、和透镜盖单元6004，透镜盖单元6004可包括中空导光件6003和透镜6002。此外，照明灯6000可以还包括将光源6001产生的热量排放到外部的散热单元6012。为了有效地散热，散热单元6012可以包括热沉6010和冷却风扇6011。此外，照明灯6000可以还包括容许散热单元6012和反射单元6005固定在其上并且支撑它们的外壳6009。外壳6009的一个表面可以设有中心孔6008，散热单元6012通过该中心孔6008被耦接在外壳中。此外，在与外壳6009的该一个表面垂直的方向上弯曲的外壳6009的另一表面可以设有向前开放的孔6007，使得由光源6001生成的光可以被布置在光源6001上方的反射单元6005反射、穿过向前开放的孔6007、并且向外发射。
如上所述，根据示例性实施例，可以防止由于衬底与半导体层之间的热膨胀系数的差异导致的翘曲。
此外，可以防止在半导体层中发生裂缝，从而在半导体层生长时可以减少晶体缺陷。
另外，半导体发光器件可以较少地受到衬底的晶格常数和热膨胀系数的影响。
尽管已经结合示例性实施例示出并描述了本发明构思，但对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求书所限定的本发明构思的精神和范围的情况下做出修改和变形。
Claims (20)
1.一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括步骤：
在衬底的表面上形成多个凹部；
将二氧化硅粒子注入所述多个凹部；以及
在所述衬底的具有所述多个凹部的表面上形成半导体层，所述半导体层包括具有多个空隙的表面，所述多个空隙形成在面向所述多个凹部的位置处。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成所述多个凹部的步骤包括通过蚀刻所述衬底来形成所述多个凹部。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底由选自包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2的组的至少一个形成。
4.如权利要求1所述的方法，其中形成所述半导体层的步骤包括通过横向生长方法在所述衬底的表面上形成所述半导体层。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述半导体层上形成发光结构。
6.一种半导体发光器件，包括：
衬底，其包括具有多个凹部的表面，在所述多个凹部中布置有二氧化硅粒子；
半导体层，其布置在所述衬底上并且包括具有多个空隙的表面，所述多个空隙设置在面向所述多个凹部的位置处；
发光结构，其布置在所述半导体层上，所述发光结构包括第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；以及
第一电极和第二电极，其分别与所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层连接。
7.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述衬底由选自包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2的组的至少一个形成。
8.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述多个凹部中的每一个具有5nm至5μm的深度。
9.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述多个凹部以1nm至10μm的间隔隔开。
10.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述多个凹部形成具有四边形形状的图案。
11.如权利要求10所述的半导体发光器件，其中所述四边形形状具有5nm至5μm的边长。
12.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述多个凹部形成具有圆形形状的图案。
13.如权利要求12所述的半导体发光器件，其中所述圆形形状具有5nm至5μm的直径。
14.如权利要求6所述的半导体发光器件，其中所述二氧化硅粒子包括球形二氧化硅球。
15.如权利要求14所述的半导体发光器件，其中所述二氧化硅球中的每一个具有5nm至5μm的直径。
16.一种半导体器件，包括：
衬底，其由第一材料形成，所述衬底包括具有多个沟槽的表面，所述沟槽形成在所述衬底上；
第二材料，其布置在所述沟槽内，所述第二材料与所述第一材料不同；以及
半导体层，其包括与所述衬底的表面在所述沟槽之间的各区域处接触并且与布置在所述沟槽内的所述第二材料隔开的表面。
17.如权利要求16所述的半导体器件，其中所述第一材料包括Si、Al2O3、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2和LiGaO2中的一个，所述第二材料包括二氧化硅。
18.如权利要求17所述的半导体器件，其中所述二氧化硅被形成为球形二氧化硅球。
19.如权利要求16所述的半导体器件，其中所述沟槽具有凹形截面。
20.如权利要求16所述的半导体器件，其中所述沟槽以等长的间距相互分隔开。
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