CN110199398B - 半导体器件和包括该半导体器件的半导体器件封装 - Google Patents

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Abstract

实施例中公开了一种半导体器件，包括：第一导电半导体层；第二导电半导体层；有源层，设置在第二导电半导体层和第二导电半导体层之间；第一电极，电连接到第一导电半导体层；以及第二电极，电连接到第二导电半导体层，其中，第一导电半导体层包括第一子半导体层、第三子半导体层，以及第二子半导体层，第二子半导体层设置在第一子半导体层和第三子半导体层之间，其中第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例二者的每一个均大于有源层中的铝的比例，第二子半导体层中的铝的比例小于第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例二者的每一个，其中第二导电半导体层包括电流注入层，其中铝的比例随着与有源层的距离的增加而减小，第一电极设置在第二子半导体层上，第二电极设置在电流注入层上，并且第二子半导体层的铝的比例的平均值与电流注入层的铝的比例的平均值的比率在1：0.12至1：1.6的范围内。

Description

半导体器件和包括该半导体器件的半导体器件封装
技术领域
本发明涉及一种半导体器件以及包括该半导体器件的半导体器件封装。
背景技术
由于包括诸如GaN和AlGaN的化合物的半导体器件具有许多优点，能带隙宽且易于调节，因此半导体器件可以不同地用于发光器件、受光器件、各种二极管等。
特别是，诸如使用III-V或II-VI化合物半导体材料的发光二极管和激光二极管等发光器件可以表现出各种颜色，例如，红色、绿色和蓝色，随着薄膜生长技术和器件材料的发展，发出紫外光，当使用荧光体或混合颜色时，发出高效白光，并且当与诸如荧光灯和白炽灯等传统光源相比，具有低功耗、半永久寿命、高响应速度、安全和环境友好的优点。
另外，当使用III-V或II-VI化合物半导体材料制造诸如光电探测器和太阳能电池等受光器件时，由于受光器件因成熟的器件材料而吸收各种波长范围的光以产生电流，因此可以使用从伽马射线范围到射频范围的各种波长范围内的光。此外，由于受光器件具有高响应速度、安全、环境友好且器件材料易于调节的优点，因此可以容易地用于功率控制、微波电路或通信模块。
因此，半导体器件的应用扩展到光通信装置的传输模块、取代冷阴极荧光灯(CCFL)(其构成液晶显示器(LCD)装置的背光源)的发光二极管(LED)背光源、替代荧光灯或白炽灯的白色LED照明器件、车辆前灯、交通灯、以及被配置为检测气体或火灾的传感器。而且，半导体器件的应用可以扩展到高频应用电路、其他功率控制设备和通信模块。
特别地，紫外发光装置可以进行固化作用或杀菌作用，并且可以被用于固化、医疗和消毒目的。另外，紫外发光装置可以被用于气体传感器，因为车辆的废气吸收波长为230nm的光。
然而，存在的问题是由于为产生紫外波长带中的光而增加铝的比例，因此欧姆性能劣化。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在提供一种具有改善的欧姆性能的发光器件。
实施例解决的目标不限于上述目标，并且将包括可以通过用于下面描述的目标和实施例的方案识别的目标和效果。
[技术方案]
本发明的一个方面提供一种半导体器件，包括第一导电半导体层、第二导电半导体层、有源层，设置在第二导电半导体层和第二导电半导体层之间，第一电极，电连接到第一导电半导体层，以及第二电极，电连接到第二导电半导体层，其中，第一导电半导体层包括第一子半导体层、第三子半导体层和设置在第一子半导体层和第三子半导体层之间的第二子半导体层，第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例的每一个均大于有源层中的铝的比例，第二子半导体层中的铝的比例小于第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例的每一个，第二导电半导体层包括电流注入层，在该电流注入层中，铝的比例在远离有源层的方向上减小，第一电极设置在第二子半导体层上，第二电极设置在电流注入层上，第二子半导体层的铝的比例的平均值与电流注入层的铝的比例的平均值的比率在1：0.12至1：1.6的范围内。
[有益效果]
根据该实施例，可以通过改善欧姆性能来增加光输出。
本发明的各种有用的优点和效果不限于上述优点，并且可以在描述特定实施例的过程中理解。
附图说明
图1是说明根据本发明的一个实施例的半导体器件的概念图。
图2是示出根据本发明第一实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
图3是示出根据温度的升高的欧姆性能的变化的曲线图。
图4是示出根据铝的比例变化的欧姆性能的变化的曲线图。
图5是示出根据本发明第二实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
图6是示出根据本发明第三实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
图7是示出根据本发明第四实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
图8是示出根据本发明第五实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
图9是示出根据本发明另一实施例的半导体器件的概念图。
图10是图9的平面图。
图11a和图11b是示出根据本发明的实施例的半导体器件的平面图。
图12是示出根据本发明的一个实施例的半导体器件封装的概念图。
具体实施方式
可以将本发明的实施例修改为不同的形式，或者可以组合多个实施例，并且本发明的范围不限于下面将描述的实施例。
尽管在其他实施例中没有给出在特定实施例中给出的描述，但是可以将描述理解为对其他实施例的描述，只要没有给出相反或不一致的描述即可。
例如，当在特定实施例中描述元件A的特征并且在另一实施例中描述元件B的特征时，本发明的范围包括组合A和B的实施例，即使当没有清楚地描述该实施例，只要没有给出相反或不一致的描述即可。
在对实施例的描述中，在任何一个元件被描述为在另一个元件上(或下方)形成的情况下，这样的描述包括两个元件形成为彼此直接接触的情况和两个元件彼此间接接触使得一个或多个其他元件插入两个元件之间的两种情况。另外，在将一个元件描述为在元件上(或下方)形成的情况下，这种描述可以包括该一个元件形成在相对于该元件的上侧或下侧处的情况。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例，使得本领域技术人员可以容易地执行本发明。
根据本发明实施例的发光结构可以发射紫外波长带中的光。例如，发光结构还可以发射近紫外波长带(UV-A)中的光、远紫外波长带(UV-B)中的光或深紫外波段(UV-C)中的光。波长范围可以由发光结构120的Al的比例确定。
例如，UV-A中的光可以具有范围从320nm至420nm的波长，UV-B中的光可以具有范围从280nm至320nm的波长，并且UV-C中的光可以具有范围从100nm至280nm的波长。
图1是示出根据本发明的一个实施例的半导体器件的概念，图2是示出根据本发明第一实施例的半导体器件中铝的比例的视图，图3是示出根据温度的升高的欧姆性能的变化的曲线图，图4是示出根据铝的比例变化的欧姆性能的变化的曲线图，图5是示出根据本发明第二实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
参照图1和图2，根据实施例的半导体器件包括第一导电半导体层124、第二导电半导体层127和设置在第一导电半导体层124和第二导电半导体层127之间的有源层126。
第一导电半导体层124可以由III-V或II-VI化合物半导体等形成，并且可以掺杂有第一掺杂剂。第一导电半导体层124可以从具有Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤x1+y1≤1)的组成式的半导体材料中选择，例如GaN、AlGaN、InGaN和InAlGaN。另外，第一掺杂剂可以是诸如Si、Ge、Sn、Se和Te等N型掺杂剂。在第一掺杂剂是N型掺杂剂的情况下，掺杂有第一掺杂剂的第一导电半导体层124可以是N型半导体层。
有源层126设置在第一导电半导体层124和第二导电半导体层127之间。有源层126是通过第一导电半导体层124注入的电子(或空穴)遇到通过第二导电半导体层127注入的空穴(或电子)的层。当电子和空穴复合并转变为低能级时，有源层126可以产生紫外光波长的光。
有源层126可以包括阱层126a和势垒层126b，并且具有单阱结构、多阱结构、单量子阱结构、多量子阱(MQW)结构、量子点结构和量子线结构中的一种结构，但是有源层126的结构不限于此。
第二导电半导体层127可以形成在有源层126上，可以由III-V或II-VI化合物半导体等形成，并且掺杂有第二掺杂剂。第二导电半导体层127可以由具有Inx5Aly2Ga1-x5-y2N(0≤x5≤1,0<y2≤1,0≤x5+y2≤1)的组成式的半导体材料形成，或由选自AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP中的材料形成。在第二掺杂剂是诸如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba的P型掺杂剂的情况下，掺杂有第二掺杂剂的第二导电半导体层127可以是P型半导体层。
第一电极142和第二电极246可以是欧姆电极或焊盘电极。第一电极142和第二电极246中的每一个可以形成为包括氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、铟镓锡氧化物(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、氮化IZO(IZON)、Al-Ga ZnO(AGZO)、ZnO、IrOx、RuOx、NiO、RuOx/ITO、和Ni/IrOx/Au、或Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Cr、Ti、Al、Rh、Pd、Ir、Sn、In、Ru、Mg、Zn、Pt、Au和Hf中的至少一种，但不限于此。
第一导电半导体层124可以包括第一子半导体层124a、第三子半导体层124c和设置在第一子半导体层124a和第三子半导体层124c之间的第二子半导体层124b。可以通过铝的比例来区分上述层。
第一子半导体层124a和第三子半导体层124c中的每一个中的铝的比例可以大于有源层126中的铝的比例。例如，第一子半导体层124a中的铝的比例可以在50％到90％的范围内，第三子半导体层124c中铝的比例可以在50％到90％的范围内。第一子半导体层124a中的铝的比例也可以与第三子半导体层124c中的铝的比例相同或不同。
第二子半导体层124b中的铝的比例可以小于第一子半导体层124a和第三子半导体层124c中的每一个中的铝的比例。第二子半导体层124b中的铝的比例可以在30％至79％的范围内。第一电极142可以与第一导电半导体层124中铝的比例相对较低的层接触，以改善欧姆性能。因此，第一电极142可以与第二子半导体层124b接触。当第一电极142与第二子半导体层124b接触时，可以确保半导体器件的电学性能。
有源层126中的铝的比例可以相对较高，以产生具有230nm或255nm的波长的光。例如，阱层126a中的铝的比例可以是75％或更多。在这种情况下，第一子半导体层124a和第三子半导体层124c中的每一个中的铝的比例可以在80％至90％的范围内，并且第二子半导体层124b中的铝的比例可以在60％至79％的范围内。然而，可以根据期望的输出波长来调节阱层126a中的铝的比例。
参照图3和图4，可以看出，随着温度升高，电流-电压(I-V)性能得到改善，如图3所示。随着铝的比例减少，电流-电压(I-V)性能得到改善，如图4所示。因此，可以看出第一导电半导体层124和第一电极142之间的电学性能得到改善。这可能是由第一导电半导体层124和第一电极之间的欧姆性能根据温度或铝的比例的变化而改善所引起的。可以看出，铝的比例的变化比温度的变化更有效地改善欧姆性能。因此，可以看出，有利的是降低设置第一电极142的区域中的铝的比例，以改善第一导电半导体层124的欧姆性能。根据实施例，由于第二子半导体层124b中的铝的比例相对较低，可以改善欧姆性能。
再次参照图2，第一子半导体层124a的厚度可以在800nm至1500nm的范围内，并且第三子半导体层124c的厚度可以在100nm至300nm的范围内。第二子半导体层124b的厚度可以在100nm至400nm的范围内。在第二子半导体层124b的厚度小于100nm的情况下，由于厚度太小，因此可能难以通过蚀刻来暴露第二子半导体层124b。另外，在厚度大于400nm的情况下，由于第一导电半导体层124中的铝的平均比例降低，有源层126中可能出现缺陷。
第一导电半导体层124的总厚度与第二子半导体层124b的厚度的比率可以在1：0.05至1：0.4的范围内。因此，可以基于第一导电半导体层124的总厚度的中间高度C1靠近有源层126设置第二子半导体层124b。当厚度比率大于1：0.05时，可以改善第二子半导体层124b的电流扩散性能，并且当厚度比率小于1：0.4时，可以减小第二子半导体层124b与第一子半导体层124a之间的应力和第二子半导体层124b和第三子半导体层124c之间的应力由于铝的比例的差异而增加的问题。
参照图5，根据铝的比例，第二子半导体层124b可以包括铝的比例在厚度方向上减小的第一部分S1、铝的比例在厚度方向上增加的第二部分S2以及铝的比例具有最低峰值的中间部分S3。例如，第二子半导体层124b中的铝的比例可以在远离第一子半导体层124a的方向上减小，并且铝的比例可以在预定的部分中增加。
第二子半导体层124b中的铝的平均比例可以在30％至79％的范围内。在第二子半导体层124b中的铝的平均比例小于30％的情况下，在第二子半导体层124b上设置的有源层中可能出现晶格缺陷，并且在平均比例大于79％的情况下，欧姆性能可能劣化。
第二子半导体层124b的部分区域中的铝的比例可以小于阱层126a中的铝的比例。也就是说，第二子半导体层124b还可以吸收从阱层126a发射的光。因此，半导体器件的光学性能和电学性能之间可以存在互补关系，并且本发明可以具有在光学性能稍微降低的范围内改善电学性能的结构。例如，在阱层126a中的铝的比例为75％或更小的情况下，吸收区域d1可以被限定为铝的比例小于75％的区域。第二子半导体层124b的吸收区域的厚度d2可以是100nm或更小。在吸收区域的厚度大于100nm的情况下，吸收的光量增加，因此光输出可能减少。
图6是示出根据本发明第三实施例的半导体器件中铝的比例的视图，图7是示出根据本发明第四实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
参照图6，第二子半导体层124b可以包括铝的比例不同的第一晶格层1220和第二晶格层1230。第一晶格层1220和第二晶格层1230中的每一个的厚度没有特别限制。晶格层的厚度可以被确定为具有第二子半导体层124b的总厚度除以n的值。
例如，第一晶格层1220和第二晶格层1230中的每一个的厚度可以在1nm至10nm的范围内。当第一晶格层1220和第二晶格层1230中的每一个的厚度大于1nm时，可以形成一层。另外，当厚度小于10nm时，改善超晶格的功能以减小第一子半导体层124a和第三子半导体层124c之间的应力。另外，可以改善第二子半导体层124b的电流扩散性能。
第一晶格层1220中的铝的比例可以小于第二晶格层1230中的铝的比例。可以适当地调节第一晶格层1220和第二晶格层1230的铝的比例和数量以实现期望的铝的比例。例如，第一晶格层1220中的铝的比例可以在30％至70％的范围内，第二晶格层1230中的铝的比例可以在40％至88％的范围内。在满足上述比例范围的情况下，可以降低欧姆电阻，并且光吸收率也可能降低。
在第一电极142与第一晶格层1220接触的情况下，与第一电极142与第二晶格层1230接触的情况相比，电学性能可以高。然而，由于第一晶格层1220的厚度太小，因此可能难以确保设置第一电极142的蚀刻工艺中的工艺余量。因此，第一电极142也可以与第二晶格层1230接触。
参照图7，第一晶格层1220和第二晶格层1230中的每一个可以包括铝的比例减少的第一部分EA1和铝的比例在厚度方向上增加的第二部分EA2。例如，在最靠近第一子半导体层124a的第n个第一晶格层1221中的铝的比例为70％并且第n个第二晶格层1231中的铝的比例为88％的情况下，第n+1个第一晶格层1222中的铝的比例可以为68％，第n+1个第二晶格层1232中的铝的比例可以为86％。
也就是说，在第一部分EA1中，第一晶格层1220中的铝的比例和第二晶格层1230中的铝的比例可以逐渐减小，并且在第二部分EA2中，第一晶格层1220中的铝的比例和第二晶格层1230中的铝的比例可以逐渐增加。
在吸收区域d1中，第一晶格层1220和第二晶格层1230中的每一个中的铝的比例可以小于阱层126a中的铝的比例。因此，第二子半导体层124b还可以吸收从阱层126a发射的光。例如，在阱层126a中的铝的比例为75％或更小的情况下，吸收区域d1可以被限定为铝的比例小于75％的区域。第二子半导体层124b的吸收区域d1的厚度d2可以是100nm或更小。在吸收区域的厚度d2大于100nm的情况下，吸收的光量增加，因此光输出可能减小。
第二子半导体层124b中的铝的平均比例可以在30％至79％的范围内。在第二子半导体层124b中的铝的平均比例小于30％的情况下，在第二子半导体层124b上设置的有源层中可能出现晶格缺陷，并且在平均比例大于79％的情况下，欧姆性能可能劣化。
第二子半导体层124b中的铝的平均比例可以小于第一子半导体层124a和第三子半导体层124c的每一个的铝的平均比例。另外，第三子半导体层124c中的铝的比例可以小于第一子半导体层124a的铝的比例。
图8是示出根据本发明第五实施例的半导体器件中铝的比例的视图。
参考图8，第一导电半导体层124中的铝的比例可以具有图1、图5、图6和图7中所示的任何比例。例如，在图8中示出图2中的铝的比例。在下文中，将在下面详细描述其余层。
电子阻挡层129中的铝的比例可以在50％至100％的范围内。在电子阻挡层129中的铝的比例小于50％的情况下，可能存在用于阻挡电子的能量势垒的高度可能不足并且电子阻挡层129吸收从有源层126发射的光的问题。
电子阻挡层129可以包括第一阻挡层129a和第二阻挡层129c。电子阻挡层129可以包括第二掺杂剂。第二掺杂剂可以包括诸如Mg、Zn、Ca、Sr和Ba的P型掺杂剂。在电子阻挡层129包括第二掺杂剂的情况下，电子阻挡层129可以包括与第二导电半导体层127的掺杂剂相同的掺杂剂。然而，电子阻挡层129不限于此，并且可以具有与第二导电半导体层127的极性相同的极性。另外，电子阻挡层129可以包括与第二导电半导体层127的第二掺杂剂不同的第二掺杂剂。
由于第一阻挡层129a和第二阻挡层129c，载流子注入效率可能增加并且电阻可能降低，因此工作电压Vf可能降低。第一阻挡层129a中的铝的比例可以在朝向第二导电半导体层127的方向上增加。第一阻挡层129a中的铝的比例可以在80％至100％的范围内。也就是说，第一阻挡层129a可以是AlGaN或AlN。另外，第一阻挡层129a也可以是交替设置AlGaN和AlN的超晶格层。
第一阻挡层129a的厚度可以在约0.1nm至4nm的范围内。在第一阻挡层129a的厚度小于0.1nm的情况下，可能存在不能有效阻挡电子移动的问题。另外，在第一阻挡层129a的厚度大于4nm的情况下，注入有源层126的空穴注入效率可能降低。
未掺杂Mg的第三阻挡层129b可以设置在第一阻挡层129a和第二阻挡层129c之间。第三阻挡层129b可以用于防止掺杂剂从第二导电半导体层127扩散到有源层126中。然而，第三阻挡层129b不限于此，并且第二阻挡层129c的掺杂剂可以扩散到有源层126中，因此，第三阻挡层129b可以包括掺杂剂。
第二导电半导体层127可以包括第四子半导体至第六子半导体127a、127b和127c。第四子半导体层127a和第五子半导体127b可以是电流注入层，第六子半导体127c可以是电流扩散层。电流注入层127a和127b可以被限定为铝的比例在远离有源层126的方向上减小的部分。
第五子半导体127b的厚度可以在10nm和50nm之间。例如，第五子半导体127b的厚度可以是25nm。在第五子半导体127b的厚度小于10nm的情况下，电阻在水平方向上增加，因此电流注入效率可能降低。另外，第五子半导体127b的厚度大于50nm，电阻在垂直方向上增加，因此电流注入效率可能降低。
第五子半导体127b中的铝的比例可以大于阱层126a中的铝的比例。在阱层126a中铝的比例为约75％的情况下，第五子半导体127b中的铝的比例可以大于75％，以产生具有230nm波长的紫外光。
在第五子半导体127b中的铝的比例小于阱层126a中的铝的比例的情况下，由于第五子半导体127b吸收光，因此光提取效率可能降低。因此，第五子半导体127b中的铝的比例可以大于阱层126a中的铝的比例。
第四子半导体层127a中的铝的比例可以小于阱层126a中的铝的比例。也就是说，第四子半导体层127a的厚度可以被限定为铝的比例小于阱层126a的铝的比例的区域的厚度。在第四子半导体层127a中的铝的比例大于阱层126a中的铝的比例的情况下，由于第二导电半导体层127和第二电极之间的电阻增加，因此存在足够的欧姆接触不会出现，电流注入效率降低的问题。因此，通过控制第四子半导体层127a的厚度，可以在半导体器件的光学性能稍微降低的范围内改善半导体器件的电学性能。
第四子半导体层127a中的铝的比例可以在1％和75％之间。在铝的比例大于75％的情况下，在第二导电半导体层127和第二电极之间可能不会出现足够的欧姆接触，并且在铝的比例小于1％的情况下，由于铝的比例接近于GaN的比例，因此存在第二导电半导体层127吸收光的问题。
第四子半导体层127a的厚度可以在1nm至30nm或1nm至10nm的范围内。如上所述，由于第四子半导体层127a中的铝的比例对于欧姆接触是低的，所以第二导电半导体层127可能吸收紫外光。因此，从光输出的观点来看，将第四子半导体层127a的厚度控制为最小可能是有利的。
然而，在将第四子半导体层127a的厚度控制为1nm或更小的情况下，由于铝的比例急剧变化，结晶性可能劣化。另外，由于第四子半导体层127a的厚度太小，表面电阻增加，并且半导体器件的电学性能可能劣化。另外，在厚度大于30nm的情况下，由于第四子半导体层127a吸收的光量太大，所以光输出效率可能降低。
第四子半导体层127a的厚度可以小于第五子半导体127b的厚度。第五子半导体127b与第四子半导体层127a的厚度比率可以在1.5：1至20：1的范围内。在厚度比率小于1.5：1的情况下，由于第五子半导体127b的厚度太小，所以电流注入效率可能降低。另外，在厚度比率大于20：1的情况下，由于第四子半导体层127a的厚度太小，欧姆可靠性可能劣化。
第五子半导体127b中的铝的比例可以在远离有源层126的方向上减小。另外，第四子半导体层127a中的铝的比例可以在远离有源层126的方向上减小。
这里，第四子半导体层127a中的铝的下降率可以大于第五子半导体127b中的铝的下降率。也就是说，第四子半导体层127a中的Al的比例在厚度方向上的变化率可以大于第五子半导体127b中的Al的比例在厚度方向上的变化率。
在第五子半导体127b中，由于厚度应该大于第四子半导体层127a的厚度，并且第五子半导体127b中的铝的比例应该大于阱层126a的铝的比例，因此下降率可能相对较小。然而，在第四子半导体层127a中，由于厚度小，并且铝的比例的变化率高，因此铝的比例的下降率可能相对较大。
第六子半导体127c可以具有恒定的铝的比例。第六子半导体127c的厚度可以在20nm至60nm的范围内。第六子半导体127c中的铝的比例可以大于有源层126的铝的比例。
如上所述，第四子半导体层127a的厚度可以在1nm至10nm的范围内，第五子半导体127b的厚度可以在10nm至50nm的范围内，第六子半导体127c的厚度可以在20nm至60nm的范围内。因此，第二导电半导体层127的总厚度与第四子半导体层127a的厚度的厚度比率可以在1：0.008至1：0.3的范围内。
第二电极246可以与电流注入层127a和127b接触。每个电流注入层127a和127b中铝的比例的平均值可以在10％至50％的范围内。当平均比例大于10％时，吸收的从有源层发射的光的量可能减少，当平均比例小于50％时，第二电极246与电流注入层之间的电阻可能减小，因此可以改善半导体器件的电学性能。
然而，第二子半导体层124b中的铝的比例的平均值可以在30％至79％的范围内。在第二子半导体层124b中的铝的平均比例小于30％的情况下，在第二子半导体层124b上设置的有源层中可能出现晶格缺陷，在平均比例大于79％的情况下，欧姆性能可能劣化。
因此，第二子半导体层124b中的铝的比例与每个电流注入层127a和127b中的铝的比例的比率可以在1：0.12至1：1.6的范围内。在半导体器件发射紫外光的情况下，铝的比例可以在平衡由于注入到半导体器件中的第一掺杂剂引起的电流和由于注入到半导体器件中的第二掺杂剂引起的电流的范围内。
当比例的比率在1：0.12和1：1.6之间并且半导体器件工作时，注入到有源层中的电子和空穴被平衡，因此可以改善半导体器件的电学性能和光学性能。
这里，第二子半导体层124b中的铝的平均比例可以大于第四子半导体层127a的铝的平均比例。由于第四子半导体层127a是与P型电极接触的发光结构的表面，因此可以将铝的比例控制为最小以控制欧姆性能。然而，由于有源层126等设置在第二子半导体层124b上，所以在第二子半导体层124b中的铝的比例被控制为小于第四子半导体层127a的铝的比例的情况下，结晶质量可能劣化。
图9是示出根据本发明另一实施例的半导体器件的概念图，图11a和图11b是示出根据本发明的实施例的半导体器件的平面图。
参照图9，上述发光结构120的配置可以不加改变地应用于发光结构120。可以设置多个凹槽128以穿通第二导电半导体层127和有源层126直到第一导电半导体层124的部分区域。
第二子半导体层124b的厚度可以在100nm至400nm的范围内。在第二子半导体层124b的厚度小于100nm的情况下，由于厚度太小，可能难以在第二子半导体层124b中设置凹槽128。另外，在厚度大于400nm的情况下，由于第二子半导体层124b的光吸收率增加，因此存在光输出降低的问题。
第一电极142可以设置在凹槽128的上表面上并且电连接到第一导电半导体层124。
第一电极142可以电连接到第一导电半导体层124的第二子半导体层124b。第二子半导体层124b的铝的比例可以是第一导电半导体层124中最低的。因此，第一电极142可以容易地与第二子半导体层124b欧姆接触。
作为另一实施例，第一电极142的上表面可以设置在凹槽128中的凹槽128的上表面上方。
在工艺期间，在子凹部(未示出)设置在凹槽128中之后第一电极142设置在子凹部(未示出)中的情况下，第一电极142的上表面可以设置为高于凹槽128的上表面，并且子凹部(未示出)的上表面可以设置为高于凹槽128的上表面。
第二电极246可以形成在第二导电半导体层127下方。
第二电极246可以与第四子半导体层127a接触并电连接到第四子半导体层127a。
由于与第二电极246接触的电流注入层中的铝的平均比例在10％至50％的范围内，因此在它们之间可能容易发生欧姆接触。另外，由于第四子半导体层127a的厚度在1nm和30nm之间，所以吸收的光量可以很小。
第一电极142和第二电极246可以是欧姆电极。第一电极142和第二电极246中的每一个可以形成为包括氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、铟镓锡氧化物(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、氮化IZO(IZON)、Al-Ga ZnO(AGZO)、ZnO、IrOx、RuOx、NiO、RuOx/ITO、和Ni/IrOx/Au、或Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Cr、Ti、Al、Rh、Pd、Ir、Sn、In、Ru、Mg、Zn、Pt、Au和Hf中的至少一种，但不限于这种材料。
第二电极焊盘166可以设置在半导体器件的一个侧角区域中。由于第二电极焊盘166的中央部分是凹陷的，因此其上表面可以具有凹入部分和凸起部分。导线(未示出)可以接合到上表面的凹入部分。因此，由于接合面积增加，第二电极焊盘166和导线更牢固地彼此接合。
由于第二电极焊盘166可以用于反射光，所以当第二电极焊盘166更靠近发光结构120时，可以提高光提取效率。
第二电极焊盘166的凸起部分的高度可以高于有源层126的高度。因此，第二电极焊盘166可以在元件的水平方向上反射从有源层126发射的光，以提高光提取效率并控制方向角。
第一绝缘层131的一部分在第二电极焊盘166下方开口，使得第二导电层150可以电连接到第二电极246。钝化层180可以形成在发光结构120的上表面和侧表面上。钝化层180可以在与第二电极246相邻的区域处或在第二电极246下方与第一绝缘层131接触。
其中第一绝缘层131开口使得第二电极246与第二导电层150接触的部分的宽度d22可以在例如40μm至90μm的范围内。当宽度d22小于40μ时，存在增加工作电压的问题，当宽度d22大于90μm时，可能难以确保用于防止第二导电层150暴露于外部的工艺余量。当第二导电层150暴露于第二电极246的外部区域时，器件的可靠性可能劣化。因此，宽度d22可以在第二电极焊盘166的总宽度的60％至95％的范围内。
第一绝缘层131可以使第一电极142与有源层126和第二导电半导体层127电绝缘。另外，第一绝缘层131可以使第二电极246和第二导电层150与第一导电层165电绝缘。
第一绝缘层131可以由选自SiO2、SixOy、Si3N4、SixNy、SiOxNy、Al2O3、TiO2、AlN等组成的组中的至少一种形成，但不限于此。第一绝缘层131可以形成为单层或多层。例如，第一绝缘层131可以是具有包括Si氧化物或Ti化合物的多层结构的分布式布拉格反射器(DBR)。然而，第一绝缘层131不必限于此，第一绝缘层131可以包括各种反射结构。
在第一绝缘层131执行绝缘功能的情况下，第一绝缘层131可以向上反射从有源层126朝向其侧表面发射的光，以提高光提取效率。在紫外半导体元件中，随着凹槽128的数量增加，光提取效率可以变得更有效，如下所述。
第二导电层150可以覆盖第二电极246。因此，可以通过第二电极焊盘166、第二导电层150和第二电极246形成一个电沟道。
第二导电层150可以完全围绕第二电极246并且与第一绝缘层131的侧表面和上表面接触。第二导电层150可以由对第一绝缘层131具有高粘合力的材料形成，并且可以由选自Cr、Al、Ti、Ni、Au或其合金组成的组中的至少一种材料形成，并且可以形成为单层或多层。
在第二导电层150与第一绝缘层131的侧表面和上表面接触的情况下，可以提高第二电极246的热和电可靠性。另外，第二导电层150可以具有向上反射在第一绝缘层131和第二电极246之间发射的光的反射功能。
第二导电层150可以设置在第二间隔距离处，该第二间隔距离是第二导电半导体层在第一绝缘层131和第二电极246之间暴露的区域。第二导电层150可以在第二间隔距离处与第二电极246的侧表面和上表面和第一绝缘层131的侧表面和上表面接触。
另外，第二导电层150与第二导电半导体层127接触以形成肖特基结的区域可以设置在第二间隔距离内，并且由于形成肖特基结，所以电流可以容易地分散。
第二绝缘层132可以使第二电极246和第二导电层150与第一导电层165电绝缘。第一导电层165可以穿过第二绝缘层132并且可以电连接到第一电极142。
第一导电层165和接合层160可以沿着发光结构120的下表面和凹槽128的形状设置。第一导电层165可以由具有高反射率的材料形成。例如，第一导电层165可以包括铝。在第一导电层165包括铝的情况下，第一导电层165可以用于向上反射从有源层126发射的光，从而提高光提取效率。
接合层160可以包括导电材料。例如，接合层160可以包括选自金、锡、铟、铝、硅、银、镍、铜或其合金组成的组中的材料。
衬底170可以由导电材料形成。例如，衬底170可以包括金属或半导体材料。衬底170可以是具有高导电性和/或导热性的金属。在这种情况下，当半导体元件工作时产生的热量可以快速地传递到外部。
衬底170可以包括选自硅、钼、钨、铜、铝或其合金组成的组中的材料。
可以在发光结构120的上表面上形成不规则体。不规则体可以提高从发光结构120发射的光的提取效率。不规则体的平均高度可以根据紫外波长而改变，并且在紫外线(UV)-C的情况下，高度可以在300nm至800nm的范围内，并且当平均高度在500nm至600nm的范围内时，可以提高光提取效率。
半导体器件可以包括设置在其边缘处的侧反射部分Z1。第二导电层150、第一导电层165和衬底170可以在厚度方向(Y轴方向)上突出以形成侧反射部分Z1。参照图10，侧反射部分Z1可以沿着半导体器件的边缘设置以围绕发光结构。
侧反射部分Z1的第二导电层150可以突出为高于有源层126，以向上反射从有源层126发射的光L2。因此，尽管没有形成单独的反射层，但是由于横向磁(TM)模式而在水平方向(X轴方向)上发射的光可以被最外部向上反射。
侧反射部分Z1的倾斜角可以在90°和145°之间。倾斜角可以是由第二导电层150和水平表面(XZ平面)形成的角度。在角度小于90°或大于145°的情况下，朝向侧表面移动的光被向上反射的效率可能降低。
可以沉积第二电极246以形成在第四子半导体层127a上。在第二电极246由诸如ITO等金属氧化物形成的情况下，第四子半导体层127a可以与氧接触。因此，分布在第四子半导体层127a的表面上的铝可以与氧反应以形成氧化铝。另外，还可以进一步产生诸如NO等氮化物或诸如Ga2O3等氧化物。
图11a和图11b是示出根据本发明的实施例的半导体器件的平面图。
当在发光结构120中Al的比例增加时，发光结构120中的电流扩散性能可能劣化。此外，当与基于GaN(TM模式)的蓝色发光器件相比时，通过有源层126的侧表面发射的光量增加。这种TM模式通常可以在紫外半导体器件中出现。
根据该实施例，当与形成在发射蓝光的GaN半导体中的凹槽128的数量相比，可以在发射紫外区域的波长带中的光以用于扩散电流的GaN半导体中形成更多数量的凹槽128，并且可以在其上设置第一电极142。
参考图11a，当Al的比例增加时，电流分散性能可能劣化。因此，电流仅在与第一电极142相邻的点处分散，并且电流密度可能在远离第一电极的点处急剧减小。因此，有效发光区域P21的面积可能减小。有效发光区域P21可以被限定为具有边界点的区域，在该边界点处，电流密度是与具有最高电流密度的第一电极142相邻的点的电流密度的40％或更小。例如，可以根据电流注入水平和Al的比例，在距凹槽128的中心5μm至40μm的距离范围内调节有效发光区域P21。
特别地，彼此相邻的第一电极142之间的低电流密度区域P31的电流密度几乎太低以至于不能有助于发光。因此，在实施例中，可以在电流密度低的低电流密度区域P31中进一步设置附加的第一电极142，以提高光输出。
通常，由于GaN半导体层具有相对高的电流分散性能，所以可以最小化凹槽128和第一电极142的面积。这是因为随着凹槽128和第一电极的面积增加，有源层126的面积减小。然而，在该实施例的情况下，由于Al的比例高，电流扩散性能相对降低，因此即使牺牲有源层126的面积，也可以通过增加第一电极142的数量来减小电流密度区域P31的面积。
参考图11b，在凹槽128的数量是48的情况下，凹槽128可以不在宽度和高度方向上设置成直线，而是可以以Z字形方式设置。在这种情况下，由于低电流密度区域P31的面积进一步减小，所以大部分有源层可以参与光发射。在凹槽128的数量在82到110的范围内的情况下，电流更有效地分散，工作电压进一步降低，因此可以增加光输出。在发射UV-C的半导体元件中，当凹槽128的数量小于82时，电学性能和光学性能可能劣化，并且当数量大于110时，可以改善电学性能，但是光学性能可能由于发光层的体积减小而劣化。
多个第一电极与第一导电半导体层122接触的第一面积可以在发光结构120的最大水平横截面积的7.4％至20％或10％至20％的范围内。第一面积可以是第一电极142与第一导电半导体层122接触的面积的总和。
在第一电极142的第一面积小于其7.4％的情况下，由于电流扩散性能可能不足，光输出减少，并且在第一面积大于20％的情况下，因为有源层和第二电极的面积减少太多，存在工作电压增加和光输出减少的问题。
另外，多个凹槽128的总面积可以在发光结构120的最大水平横截面积的13％至30％的范围内。当凹槽128的总面积不满足条件时，难以将第一电极的总面积控制在7.4％至20％的范围内。另外，存在工作电压增加和光输出减少的问题。
第二电极246与第二导电半导体层127接触的第二面积可以在发光结构120的最大水平横截面积的35％至70％的范围内。第二面积可以是第二电极246与第二导电半导体层127接触的总面积。
在第二面积小于其35％的情况下，由于第二电极的面积减少太多，存在工作电压增加和空穴注入效率降低的问题。在第二区域大于其70％的情况下，由于第一面积可能不会有效增加，存在电子注入效率降低的问题。
第一面积和第二面积彼此成反比。也就是说，在增加凹槽的数量以增加第一电极的数量的情况下，第二电极的面积减小。应该平衡电子和空穴的分散性能，以增加光输出。因此，重要的是限定第一面积和第二面积的合适比率。
多个第一电极与第一导电半导体层接触的第一面积与第二电极与第二导电半导体层接触的第二面积的比率(第一面积：第二面积)可以在从1：3到1:10的范围内。
在面积比大于1:10的情况下，由于第一面积相对较小，因此电流分散性能可能劣化。另外，在面积比小于1：3的情况下，存在第二面积变得相对小的问题。
图12是示出根据本发明的一个实施例的半导体器件封装的概念图。
半导体元件可以形成为封装并在树脂、抗蚀剂、旋涂电介质(SOD)或旋涂玻璃(SOG)的固化装置中使用。或者，半导体元件也可在治疗和医疗目的的装置中使用，或在诸如空气净化器、净水器等中使用的消毒器等电子装置中使用。
参照图12，半导体元件封装可以包括：主体2，其中形成有凹入槽3，半导体元件，设置在主体2中；以及一对引线框架5a和5b，设置在主体2中并电连接到半导体元件。半导体元件可以包括所有上述组件。
主体2可包括反射紫外光的材料或涂层。主体2可以通过堆叠多个层2a、2b、2c、2d和2e形成。多个层2a、2b、2c、2d和2e可以由一种材料或不同材料形成。
凹入槽3可以形成为在远离半导体元件的方向上逐渐变宽，并且台阶3a可以形成在倾斜表面上。
光透过层4可以覆盖凹入槽3。光透过层4可以由玻璃材料形成，但不必限于此。当材料能够有效地透射紫外光时，光透过层4的材料不受特别限制。凹入槽3的内部可以是空的空间。
半导体元件可以用作照明系统的光源、图像显示装置的光源或照明装置的光源。也就是说，半导体元件可以设置在壳体中并应用于提供光的各种电子装置。例如，在混合使用半导体元件和红色、绿色和蓝色(RGB)荧光体的情况下，可以实现具有高显色指数(CRI)的白光。
上述半导体元件可以构成发光器件封装，并且可以用作照明系统的光源。例如，半导体元件可以用作图像显示装置的光源或照明装置等的光源。
当半导体元件用作图像显示装置的背光单元时，半导体元件可以被用作边缘式背光单元(edge-type backlight unit)或直下式背光单元(direct-type backlight unit)。当半导体元件用作照明装置的光源时，半导体元件可以用在照明装置中或用作灯泡型照明装置。此外，半导体元件也可以用作移动电话的光源。
除了上述发光二极管之外，发光器件还包括激光二极管。
与发光器件一样，激光二极管可以包括具有上述结构的第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层。此外，激光二极管使用电致发光现象，在该现象中当在P型第一导电半导体和N型第二导电半导体彼此接合并对其施加电流时发光，但是在发射的光的方向性和相位上存在差异。也就是说，激光二极管可以通过使用受激发射现象、相长干涉等在一个方向上发射在一个特定波长(单色光束)和一个相位中的光，并且可以用于光通信、医疗设备、半导体工艺设备等。
光电探测器是一种被配置为检测光并将其强度转换为电信号的变换器，可以是受光元件的示例。这种光电探测器包括光电池(硅或硒)、光输出前元件(硫化镉或硒化镉)、光电二极管(例如，在可见盲光谱区域或真盲光谱区域具有峰值波长的光电二极管)、光电晶体管、光电倍增管、光电管(真空或充气)、红外(IR)检测器等，但不限于此。
另外，诸如光电探测器等半导体元件通常可以使用具有高光转换效率的直接带隙半导体来制造。或者，光电探测器具有各种结构，并且最典型的光电探测器包括使用pn结的p型/绝缘体/n型(PIN)型光电探测器、使用肖特基结的肖特基型光电探测器、金属/半导体/金属(MSM)型光电探测器等。
与发光器件类似，光电二极管可以包括上述结构的第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层，并且形成为具有p-n结或PIN结构。通过施加反向偏压或零偏压来操作光电二极管，并且当光入射在光电二极管上时，产生电子和空穴以使电流流动。在这种情况下，电流量几乎与入射在光电二极管上的光的强度成比例。
光电池或太阳能电池是光电二极管中的一种，并且与发光器件类似，可以包括上述结构的第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层。
另外，半导体元件还可以通过使用p-n结的普通二极管的整流性能用作电子电路的整流器，并且可以通过应用于超高频电路而应用于振荡电路。
另外，上述半导体元件不一定仅由半导体形成，在某些情况下还可以包括金属材料。例如，诸如受光元件等半导体元件可以由Ag、Al、Au、In、Ga、N、Zn、Se、P和As中的至少一种形成，并且还可以由掺杂有P型或N型掺杂剂的半导体材料或本征半导体材料形成。
已经具体描述了实施例，但这些实施例仅是示例，并不限制本发明。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的本质特征的情况下，将在一定范围内进行上面未示出的各种改变和应用。例如，可以改变实施例中具体描述的组件。另外，应该解释为与变化和应用有关的差异落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括
第一导电半导体层；
第二导电半导体层；
有源层，设置在第一导电半导体层和第二导电半导体层之间；
第一电极，电连接到第一导电半导体层；以及
第二电极，电连接到第二导电半导体层，
其中，第一导电半导体层包括第一子半导体层，
第三子半导体层，以及
第二子半导体层，设置在第一子半导体层和第三子半导体层之间，
第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例二者的每一个均大于有源层中的铝的比例，
第二子半导体层中的铝的比例小于第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例的每一个，
第二导电半导体层包括电流注入层，在所述电流注入层中，铝的比例在远离有源层的方向上减小，
第一电极设置在第二子半导体层上，
第二电极设置在电流注入层上，并且
第二子半导体层的铝的比例的平均值与电流注入层的铝的比例的平均值的比率在1：0.12至1：1.6的范围内。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二子半导体层的厚度在100nm至400nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
第二子半导体层包括在厚度方向上铝的比例减少的第一部分和铝的比例增加的第二部分。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二子半导体层中铝的比例小于有源层中铝的比例的部分的厚度为100nm或更小。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二子半导体层包括铝的比例不同的第一晶格层和第二晶格层。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，第一晶格层中铝的比例在30％至70％的范围内，以及
第二晶格层中铝的比例在40％至88％的范围内。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，第一晶格层和第二晶格层的每一个包括在厚度方向上铝的比例减少的第一部分和铝的比例增加的第二部分。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述电流注入层包括第四子半导体层，在所述第四子半导体层上设置第二电极，
其中，第四子半导体层比第二子半导体层薄。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二子半导体层中的铝的平均比例大于第四子半导体层中的铝的平均比例。
10.根据权利要求8所述的半导体器件，其中：
电流注入层包括第五子半导体，设置在第四子半导体层和有源层之间；并且
第四子半导体层中的铝的比例和第五子半导体中的铝的比例二者的每一个在远离有源层的方向上减小。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述第四子半导体层中的铝的下降率大于所述第五子半导体中的铝的下降率。
12.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二子半导体层包括在厚度方向上铝的比例小于有源层中的铝的比例的部分。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，所述第一导电半导体层的总厚度与所述第二子半导体层的厚度的比率在1：0.05至1：0.4的范围内。
14.一种半导体器件封装，包括
主体，包括腔体；以及
半导体器件，设置在腔体中，
其中，半导体器件包括第一导电半导体层，
第二导电半导体层；
有源层，设置在第一导电半导体层和第二导电半导体层之间；
第一电极，电连接到第一导电半导体层；以及
第二电极，电连接到第二导电半导体层，
第一导电半导体层包括第一子半导体层，
第三子半导体层，以及
第二子半导体层，设置在第一子半导体层和第三子半导体层之间，
第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例二者的每一个均大于有源层中的铝的比例，
第二子半导体层中的铝的比例小于第一子半导体层中的铝的比例和第三子半导体层中的铝的比例二者的每一个，
第二导电半导体层包括电流注入层，在所述电流注入层中，铝的比例在远离有源层的方向上减小，
第一电极设置在第二子半导体层上，
第二电极设置在电流注入层上，并且
第二子半导体层的铝的比例的平均值与电流注入层的铝的比例的平均值的比率在1：0.12至1：1.6的范围内。
15.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，所述第二子半导体层的厚度在100nm至400nm的范围内。
16.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，所述第二子半导体层包括在厚度方向上铝的比例减少的第一部分和铝的比例增加的第二部分。
17.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，所述第二子半导体层中铝的比例小于有源层中铝的比例的部分的厚度为100nm或更小。
18.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，所述第二子半导体层包括铝的比例不同的第一晶格层和第二晶格层。
19.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，第一晶格层中铝的比例在30％至70％的范围内，并且
第二晶格层中铝的比例在40％至88％的范围内。
20.根据权利要求14所述的半导体器件封装，其中，第一晶格层和第二晶格层二者的每一个包括在厚度方向上铝的比例减少的第一部分和铝的比例增加的第二部分。
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