CN111864022B - 一种半导体发光元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半导体发光元件，包括半导体外延叠层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度。本发明通过两步蚀刻法对所述半导体外延叠层的侧壁进行分段蚀刻，可有效改善侧壁粗化引起的漏电问题。

Description

一种半导体发光元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件及其制备方法，属于半导体光电子器件与技术领域。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用，例如照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，同时这些应用也对LED的亮度、发光效率提出了更高的要求。
欲提升发光效率可通过以下几个方式，其包括改善外延生长的品质，通过增加电子和空穴结合的几率，提升内部量子效率（IQE）。另一方面，发光二极管产生的光线若无法有效被取出，部分光线因全反射因素而局限在发光二极管内部来回反射或折射，最终被电极或发光层吸收，使亮度无法提升，因此使用表面粗化或者改变结构的几何形状等，提升外量子效率（EQE），从而提升发光二极管的发光亮度和发光效率。
现有的发光二极管通过对半导体外延叠层的台面和侧壁进行粗化，可提升发光二极管的光取出效率，提升发光亮度。但是在粗化的过程中，易有杂质残留在活性层的侧壁，导致发光二极管出现漏电，从而影响产品的使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种半导体发光元件，所述半导体发光元件包含：半导体外延叠层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁，包括第一导电型半导体层，第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；其特征在于：所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度。
优选的，所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度为200-500nm。
优选的，所述活性层侧壁的粗糙度为0-20nm。
优选的，所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度和活性层侧壁粗糙度的比例为20:1~500:1。
优选的，所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面具有不平整的结构。
优选的，所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面的不平整结构的粗糙度范围为0-50μm。
优选的，所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面包含一粗糙区域及一平坦区域。
优选的，所述半导体发光元件的出光面位于所述第二导电型半导体层远离活性层的一侧。
优选的，还包含一基板以及一键合层在所述半导体外延叠层与基板之间。
优选的，还包含一反射层位于键合层和半导体外延叠层之间。
本发明还提出一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：1，形成半导体外延叠层，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；2，利用干蚀刻法形成台面；3，采用两段蚀刻法对半导体外延叠层的侧面进行蚀刻，所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度。
优选的，第一段蚀刻法通入蚀刻气体为Cl及BCl3两种气体，第二段蚀刻法通入蚀刻气体为Cl、BCl3、HBr三种气体。
优选的，第二段蚀刻法中蚀刻气体Cl、BCl3和HBr的流量配比范围为4:10:20~4:10:80。
优选的，还包含将半导体外延叠层通过一键合层键合在一基板上。
优选的，还包含形成一反射层，位于键合层和半导体外延叠层之间。
优选的，还包含对第二导电型半导体层的远离活性层的表面进行粗化，形成不平整的结构。
本发明还提出一种半导体发光元件，所述半导体发光元件包含半导体外延叠层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；其特征在于：所述活性层侧壁的粗糙度范围为0~20nm。
优选的，所述半导体外延叠层为磷化铝镓铟系列的材料。
优选的，所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面具有不平整的结构。
优选的，所述半导体发光元件的出光面位于所述第二导电型半导体层远离活性层的一侧。
优选的，还包含一基板以及一键合层在所述半导体外延叠层与基板之间。
优选的，还包含一反射层位于键合层和半导体外延叠层之间。
本发明还提出一种发光二极管封装体，包括安装基板和安装在所述安装基板上的至少一个半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件至少一个或多个或全部为前述中任一项所述的半导体发光元件。
本发明通过两步蚀刻法对所述半导体外延叠层的侧壁进行分段蚀刻，第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度，可有效改善侧壁粗化引起的漏电问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为实施例1中所提到的半导体发光元件的剖面示意图。
图2为实施例2中所提到的制作工艺中提供的外延结构的示意图，外延结构包括半导体外延叠层。
图3为实施例2中所提到的制作工艺中提供的半导体外延叠层经过键合工艺转移至基板并去除生长衬底获得的结构的示意图。
图4为实施例2中所提到的制作工艺中在第二导电型半导体层上形成正面电极后获得的结构的示意图。
图5为实施例2中所提到的制作工艺中对半导体外延叠层的台面和侧壁进行粗化的结构的示意图。
图6为实施例2中所提到的制作工艺中在基板的背面侧形成背面电极的结构的示意图。
图中元件标号说明：10：生长衬底；100：基板；101：键合层；102：反射层；103：电介质层；104：第一导电类型半导体层；105：活性层；106：第二导电类型半导体层；107：正面电极；107a：焊盘电极；107b：延伸电极；108：绝缘层；109：相反电极；1：半导体外延叠层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
本发明提供如下一种半导体发光元件，如图1所示的剖面示意图，其包括如下堆叠层：100：基板；101：键合层；102：反射层；103：电介质层；104：第一导电类型半导体层；105：活性层；106：第二导电类型半导体层； 107：正面电极；107a：焊盘电极；107b：延伸电极；108：绝缘层；109：相反电极；1：半导体外延叠层。
下面针对各结构堆叠层进行详细描述。
所述基板100为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅或者金属基板，所述金属基板优选为铜、钨或者钼基板。为了能够以充分的机械强度支撑半导体外延叠层1，基板100的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向半导体外延叠层1键合后对基板100的机械加工，优选基板100的厚度不超过300μm。本实施例中，优选基板100为硅基板。
键合层101为将半导体外延叠层1的一侧粘附到基板100上时使用的键合金属材料，如金、锡、钛、镍、铂等金属，该键合层101可以是单层结构或者多层结构，可以是多种材料的组合。
反射层102设置在键合层101的靠近半导体外延叠层1的一侧，反射层102可以由包含Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au以及Hf中的至少一种的金属或者合金形成。该反射层102能够反射半导体外延叠层1朝向基板100一侧辐射的光线返回至半导体外延叠层1，并从出光侧辐射出去。所述半导体发光元件的出光面位于所述第二导电型半导体层106远离活性层105的一侧。
电介质层103位于所述第一导电型半导体层104的远离活性层105的一侧，所述电介质层103具有多个贯通的开口。电介质层103可以由具有小于反射层102的导电性的绝缘性材料、具有低导电性的材料或者肖特基接触第一导电型半导体层104的材料形成。例如，电介质层103可以由氟化物、氮化物或氧化物等至少之一组成，具体的如ZnO、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3、TiOx、MgF或GaF中的至少一种材料形成。电介质层103为至少一层组成或多层不同折射率的电介质层材料组合形成，所述电介质层103更优选的为透光电介质层，至少50%的光线能够通过该电介质层。更优选的，所述电介质层103的折射率低于半导体外延叠层1的折射率。
反射层102与电介质层103之间还可以包括欧姆接触层（附图中未示意出），欧姆接触层通过至少填充电介质层103的多个开口形成多个区域欧姆接触第一导电型半导体层104，以将电流从反射层102、键合层101均匀地传递到半导体外延叠层1，因此欧姆接触层并不是以整面的形式接触第一导电型半导体层104的一侧。欧姆接触层可以由透明导电层如ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO以及ATO中的至少一个形成。欧姆接触层也可以替代地使用光透射导电层和金属。所述金属优选为合金材料，如金锌、金锗、金锗镍或金铍等材料，欧姆接触层可以具有单层或者多层结构。
反射层102与电介质层103形成ODR反射结构，将半导体外延叠层1朝向基板100一侧辐射的光线返回至半导体外延叠层1，并从出光侧辐射出去，提高出光效率。
半导体外延叠层1具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁。半导体外延叠层1通过MOCVD或其它的生长方式获得，为能够提供常规的如紫外、蓝、绿、黄、红、红外光等辐射的半导体材料，具体的可以是200~950nm的材料，如常见的氮化物，具体的如氮化镓基半导体外延叠层，氮化镓基外延叠层常见有掺杂铝、铟等元素，主要提供200~550nm波段的辐射；或者常见的铝镓铟磷基或铝镓砷基半导体垒晶叠层，主要提供550~950nm波段的辐射。半导体外延叠层1主要包括第一导电型半导体层104、第二导电型半导体层106和位于第一导电型半导体层104和第二导电型半导体层106之间的活性层105。所述第一导电型半导体层104和第二导电型半导体层106可分别通过n型掺杂或P型掺杂以实现至少分别提供电子或空穴。n型半导体层可以掺杂有诸如Si、Ge或者Sn的n型掺杂物，P型半导体层可以掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、Sr或者Ba的P型掺杂物。第一导电型半导体层104、活性层105、第二导电型半导体层106具体可以是铝镓铟氮、氮化镓、铝镓氮、铝铟磷、铝镓铟磷或砷化镓或铝镓砷等材料制作形成。第一导电型半导体层104或第二导电型半导体层106中包括提供电子或空穴的覆盖层，以及可以包括其它层材料如电流扩展层、窗口层或欧姆接触层等，根据掺杂浓度或组分含量不同进行设置为不同的多层。活性层105为提供电子和空穴复合提供光辐射的区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，活性层105可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。通过调整活性层105中半导体材料的组成比，以期望辐射出不同波长的光。在本实施例中，优选半导体外延叠层1为AlGaInP基材料组成的。
正面107配置在半导体外晶叠层的出光侧上。所述正面电极107包括焊盘电极107a和延伸电极107b，其中所述焊盘电极107a主要用于封装时进行外部打线。焊盘电极107a可以根据实际的打线需要设计成不同的形状，具体如圆柱状或方块或其它的多边形。延伸电极107b可以以预定的图案形状形成，并且延伸电极107b可以具有各种形状，具体的如条状。
所述半导体发光元件还包括相反电极109，本实施例中所述相反电极109以整面的形式形成在支撑基板100的背面侧。本实施例的基板100为导电性支撑基板，正面电极107与相反电极109形成在基板100的两面侧，以实现电流垂直流过半导体外延叠层1，提供均匀的电流密度。
正面电极107和相反电极109优选为金属材料制成。正面电极107至少焊盘电极部分以及延伸电极部分还可以包括实现与半导体外延叠层之间形成良好的欧姆接触的金属材料。
为了提升半导体发光元件中活性层105辐射出的光线从出光侧射出的效率，对第二导电型半导体层远离活性层105的一侧的表面进行粗化处理，第二导电型半导体层106远离活性层105的表面存在不平整的结构；所述不平整结构的粗糙度范围为0-50μm。所述第二导电型半导体层106远离活性层105的表面包含一平坦区域和一表面粗糙区域；所述正面电极108位于所述第二导电型半导体层106远离活性层105的平坦区域。为了提升活性层105辐射出的光线从半导体发光元件的侧壁的出射效率，对半导体发光元件的侧壁进行粗化。但是粗化过程中，会在活性层的侧壁存在杂质，从而引起半导体发光元件的漏电问题。为了解决半导体发光元件侧壁粗化引起的漏电问题，本发明提出一种半导体发光元件，所述半导体发光元件中第二导电型半导体层106侧壁的粗糙度大于活性层105侧壁的粗糙度，优选所述第二导电型半导体层106侧壁的粗糙度的范围为200-500nm；活性层105侧壁的粗糙度的范围为0-20nm。通过这种半导体发光元件的设计，可解决半导体发光元件侧壁粗化引起的漏电问题。
半导体发光元件还包含绝缘层108，覆盖在半导体发光元件的第二导电型半导体层远离活性层的表面和侧壁，以保护半导体发光元件避免环境的破坏，如水分或者机械损伤。
实施例2
下面对上述实施例1的半导体发光元件的制作工艺进行详细的说明。
如图2所示，首先提供一个外延结构，其具体包括以下步骤：提供一个生长衬底10，优选为砷化镓衬底，生长衬底10上通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层1，半导体外延叠层1包括：第一导电型半导体层104、第二导电型半导体层106和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层105。
接着，在第一导电型半导体层104的一侧制备电介质层103，本实施例中优选电介质层为SiO2或者MgF2；通过掩膜和蚀刻工艺，在电介质层103形成开口，然后在电介质层103远离第一导电型半导体层104的一侧制作反射层102；在反射层102一侧设置键合层101，并通过键合工艺键合基板100；接着，采用湿法蚀刻工艺将基板10移除，获得如图3所示的结构。
接着，如图4所示，在第二导电型半导体层106上形成正面电极107，正面电极107包括打线部分的主电极107a以及延伸电极107b，其中主电极107a与延伸电极107b分别提供打线位置以及水平电流扩展。
然后，如图5所示，通过芯片分离工艺将半导体发光序列分离成单位芯片区域。此分离工艺采用干法蚀刻工艺露出多个管芯区（图中未显示）在基板100上，此干法蚀刻的蚀刻剂，如氟或氯或溴化氢气体，蚀刻出第二导电型半导体层106和活性层105。本发明中采用两段蚀刻法，第一段为常规蚀刻工艺，通入蚀刻气体为Cl及BCl3两种气体，蚀刻至第二导电类型半导体层106和活性层105的界面处，第二段蚀刻为通Cl、BCl3和HBr气体从活性层105蚀刻至活性层105和第一导电型半导体层104的界面处。在第二段干法蚀刻过程中，通过加入HBr气体，使活性层侧壁变平滑，在保证侧壁光提取效率的同时，可减少杂质吸附，降低漏电风险，提升产品性能。在本实施例中，优选Cl、BCL3和HBr气体的气体流量比例为4:10:20~4:10:40。通过分段蚀刻方法，第二导电型半导体层侧壁的粗糙度为200-500nm，活性层侧壁的粗糙度为0-20nm。通过图案化处理在第二导电型半导体层106上形成粗化面，本实施例中，优选使用湿法蚀刻方式，在第二导电型半导体层远离活性层的表面形成不平整的结构。所述不平整结构的粗糙度范围为为0-50μm。所述不平整结构可增加光提取效率，并且形成钝化层108至少在半导体外延叠层1的侧壁以及出光侧。
如图6所示，形成背面电极109在基板100的背面侧。
本发明通过采用两段蚀刻方法蚀刻半导体发光元件的侧壁，活性层侧壁的粗糙度小于第二导电型半导体层侧壁的粗糙度，可解决半导体发光元件侧壁粗化引起的漏电问题，提升半导体发光元件的良率。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (21)

1.一种半导体发光元件，包含：
半导体外延叠层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；
其特征在于：所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度；所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度和活性层侧壁粗糙度的比例为20:1~500:1。
2.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度范围为200-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述活性层侧壁的粗糙度范围为0-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面具有不平整的结构。
5.根据权利要求4所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面的不平整结构的粗糙度范围为0-50μm。
6.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面包含一粗糙区域及一平坦区域。
7.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件的出光面位于所述第二导电型半导体层远离活性层的一侧。
8.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：还包含一基板以及一键合层在所述半导体外延叠层与基板之间。
9.根据权利要求8所述的一种半导体发光元件，其特征在于：还包含一反射层位于键合层和半导体外延叠层之间。
10.一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：
（1）形成半导体外延叠层，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；
（2）利用干蚀刻法形成台面；
（3）采用两段蚀刻法对半导体外延叠层的侧壁进行蚀刻，第一段蚀刻法通入蚀刻气体为Cl及BCl3两种气体，第二段蚀刻法通入蚀刻气体为Cl、BCl3和HBr三种气体，所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度大于活性层侧壁的粗糙度。
11.根据权利要求10所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：第二段蚀刻法中蚀刻气体Cl、BCl3和HBr的流量配比范围为4:10:20~4:10:80。
12.根据权利要求11所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：还包含将半导体外延叠层通过一键合层键合在一基板上。
13.根据权利要求12所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：还包含形成一反射层，位于键合层和半导体外延叠层之间。
14.根据权利要求10所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：还包含对第一导电型半导体层的远离活性层的表面进行粗化，形成不平整的结构。
15.一种半导体发光元件，包含：
半导体外延叠层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧壁，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；其特征在于：所述第二导电型半导体层侧壁的粗糙度范围为200-500nm；所述活性层侧壁的粗糙度范围为0~20nm。
16.根据权利要求15所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述半导体外延叠层为磷化铝镓铟系列的材料。
17.根据权利要求15所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二导电型半导体层远离活性层的上表面具有不平整的结构。
18.根据权利要求15所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件的出光面位于所述第二导电型半导体层远离活性层的一侧。
19.根据权利要求15所述的一种半导体发光元件，其特征在于：还包含一基板以及一键合层在所述半导体外延叠层与基板之间。
20.根据权利要求15所述的一种半导体发光元件，其特征在于：还包含一反射层位于键合层和半导体外延叠层之间。
21.一种发光二极管封装体，包括安装基板和安装在所述安装基板上的至少一个半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件至少一个为权利要求1-9或15-20中任一项所述的半导体发光元件。
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