CN1557026A - 半导体发光设备 - Google Patents

Abstract

一种从输出表面发光的ZnSe发光设备，其具有包括自激活发光中心(SA)的n型ZnSe基板、形成在n型ZnSe基板上的激活层、和设置在输出表面相对面上并用于向输出表面反射光的Al层。发射的光可以有效利用，亮度高，并且易于调节白光发射设备的色度。

Description

半导体发光设备

技术领域

本发明涉及半导体发光设备，更具体地说，本发明涉及ZnSe发光设备。

背景技术

在ZnSe白光发射设备中，在包括pn结且形成在n型ZnSe基板上的激活层(active layer)处产生蓝光，ZnSe基板中的自激发光再结合中心(self-activated radiative recombination centers，简称SA中心)接收蓝光，从而使激活的SA中心发射出黄光。图12示意性地示出ZnSe白光发射设备，其中，n型ZnSe外延层103形成在具有SA中心的n型ZnSe基板上，至少包括一个pn结的作为发光层的激活层104形成在外延层103上。p型ZnSe外延层105形成在激活层104上。为了使激活层104发光，在设置在n型ZnSe基板101背面上的n型电极112和设置在p型ZnSe外延层105上的p型电极110之间施加电压。预定电压施加在p型电极110上，比其低的电压施加在n型电极112上，从而在pn结上施加正向电压。通过施加电压将载体注入pn结，在激活层104处发光。在ZnSe化合物半导体的情况下，激活层发射的光是波长对应于激活层内ZnSe层的蓝光。这种蓝光的带宽很窄。

蓝光不仅能够通过上侧上p型ZnSe外延层从输出表面发射到外面，而且能够到达下侧上n型ZnSe基板101。预先用至少一种选自碘、铝、氯、溴、镓和铟的掺杂剂对n型ZnSe基板掺杂，使其具有n型导电性。通过掺杂，在ZnSe基板中形成SA发光再结合中心。

用包括上述蓝光在内的510nm或更短的短波长的光辐射的结果是从SA发光再结合中心发射550-650nm的长波长的光。这种长波长范围的光是黄色或橙色的可见光。

在图中激活层发射的蓝光或蓝绿光中，向ZnSe基板传播的光被吸收在ZnSe基板101中，从而激发黄色、橙色或红色的光。将蓝光或蓝绿光与激发的黄色、橙色或红色的光结合可以得到白光。

发明内容

如上所述，为了使ZnSe半导体发光设备发光，必须在设置在p型半导体层上的p型电极和形成在n型ZnSe基板背面上的n型电极之间施加电压。

借助于熔融粘合法的In和借助于再生长或真空蒸发法的Au/Ti用于形成在n型ZnSe基板背面上的n型电极。这些金属对激活层发射的蓝光或蓝绿光和n型ZnSe基板中产生的长波长范围内的光的反射率低，这些金属吸收了大量的这样的光。

如上所述，除激活层产生的短波长范围内的光外，ZnSe发光设备还使用ZnSe基板中产生的长波长范围内的光。因此，重要的是要最大程度地有效提取ZnSe基板中产生的光，从而改善输出、控制色度。

本发明的主要目的是提供一种通过有效利用半导体元件中产生的光而能够高强度发光的半导体发光设备。第二个目的是调节用于发射白光的发光半导体设备的色度，并且抑制其输出和色度的偏差。

本发明的半导体发光设备是将光从输出表面发射到外面的半导体发光设备。半导体发光设备具有包括自激发光再结合中心的第一导电型半导体基板、形成在第一导电型半导体基板上方的激活层、设置在输出表面相对面上用于向输出表面侧反射光的Al层。

通过在与输出表面相对的安装基板侧上排列Al层可以改善输出，即，改善亮度，从而可以如上所述在Al层处反射激活层处产生的蓝光和半导体基板内发射的SA光，使这些光射向输出表面。

SA发光再结合中心处产生的光在Al层处也在被反射后利用，另外，反射的短波长范围内的光经过半导体基板时将再次激发SA发光再结合中心，从而使长波长范围内的光强度相应增加，有助于这种激发的激活层发出的光被吸收，其强度下降。因此，SA发光再结合中心发出的光分量相对于白光中激活层发出的光分量有所提高。

上述发光设备在安装时可以是表侧上组件(epi-side up assembly)或表侧下组件(epi-side down assembly)。术语“表侧上组件”等表示安装时发光设备的朝向，因为第一和第二导电型半导体层是通过外延生长法形成在基板上的。术语“外观向上(epi-up)”(即，基板向下)表示半导体基板固定在安装基板上并且外延层构成输出表面，术语“外观向下(epi-down)”(即，基板向上)表示外延层侧固定在安装基板上并且半导体基板构成输出表面。上述Al层可以用于外观向上安装用的半导体发光设备或外观向下安装用的半导体发光设备。即，上述输出表面可以位于形成在激活层上的第二导电型半导体层的一侧上，Al层构成与第一导电型半导体基板电连接的电极。

通过使用上述结构，外观向上安装中Al层处通过反射可以得到高强度的光。即，半导体基板中的SA发光再结合中心被激发两次：当激活层发出的光照向Al层时和当光在Al层处被反射向输出表面时。因此，SA光的强度得以提高，激活层发出的光强度也能够提高。

发光设备可以具有下述结构：在第一导电型半导体基板的表面(背面)上设置含有的第一导电型杂质浓度高于第一导电型半导体基板中杂质浓度的第一导电型半导体层，设置与含高浓度杂质的第一导电型半导体层接触的Al层。这种结构能够使背侧电极易于在外观向上安装情况下电阻性接触。

上述输出表面可以位于第一导电型半导体基板一侧上和在激活层上形成有Al层的第二导电型半导体层一侧上。使用这种结构时，同样在外观向下的安装中，可以有效利用半导体发光设备中产生的光，从而提高亮度。

还可以在上述Al层上提供Au层和/或Ti(下层)/Au(上层)的两个层。不稳定的Al层可以因Au层或Ti/Au层的保护而稳定。

发光设备的结构可以是：上述第一导电型半导体基板是包括自激发光再结合中心的n型ZnSe基板，包括pn结的激活层设置在n型ZnSe基板的上方。例如，当如上所述使用比较容易作为半导体基板生产的n型ZnSe且进行外观向上安装时，激活层产生的光到达Al层。从激活层到达ZnSe基板表面(背面)的光的量取决于基板的吸收系数。用物理气相转移法(PVT)制造的ZnSe基板的吸收系数不大，大部分光从激活层到达ZnSe基板表面(背面)。到达背面的光在Al层处被反射，从而向上返回。相反，在用In电极或Ti电极作为传统背侧电极的情况下，几乎所有的光都在背侧电极处被吸收。如上所述，通过排列Al层，使光向发光部分反射，从而使其再次通过ZnSe基板。当激活层产生的光再次向上通过ZnSe基板时，ZnSe基板中的发光再结合中心再次产生长波长范围内的光。因此，不仅从整体上改善了亮度，而且相对提高了SA发光再结合中心的发光率。因此可以改善冷色白光，使其更接近全白光，例如，还可以得到暖色白光。

附图简述

图1示出在本发明的实施方案1中反射率测试方法的原理：图1(a)示出对包括从与空气接触的表面进行的反射的反射率r1的测试；图1(b)是图1(a)的补充测试，其示出为得到必需的反射率R1而对反射率r0和透射光T0的测试。

图2示出在使用Ti/Au电极的情况下透射光T0的测试结果。

图3示出在使用Ti/Au电极的情况下反射率r0的测试结果。

图4示出用T0和r0的测试结果计算得出的吸收系数“a”。

图5示出根据T0和r0的测试结果计算得出的空气/ZnSe界面处的反射率R0。

图6示出在通过真空蒸发在样品的一个面上形成Ti/Au膜的情况下反射率r1的测试结果。

图7示出Ti/ZnSe界面处的反射率R1的计算结果。

图8示出在Al层、In层和Ti层分别提供在ZnSe基板背面上的情况下反射率r1的测试结果。

图9示出分别在ZnSe层与Al层、In层与Ti层界面处反射率R1的计算结果。

图10示出在本发明的实施方案2中ZnSe发光设备的剖视图。

图11示出在本发明的实施方案3中ZnSe发光设备的剖视图。

图12示出传统的ZnSe发光设备。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方案。

(实施方案1)

在半导体发光设备的ZnSe白光LED中，形成在n型ZnSe基板上的外延激活层发出的部分蓝光穿过ZnSe基板中的SA中心时，在SA中心中激发。此时，部分蓝光因为激发而被吸收。利用SA中心中激发弛豫过程中产生的SA光可以使光色变白。在白光LED中，在ZnSe基板的背面上形成金属n型电极。当蓝光在ZnSe基板中的吸收不充分时，部分蓝光到达ZnSe基板的背侧电极。相反，大部分SA光到达背侧电极，因为各向同性的SA光分别等量照向输出表面侧和安装表面侧。

如果ZnSe基板的背侧电极的反射率是100％，则金属光到达背侧电极也没有问题。但是，实际上不可能使反射率达到100％，一些吸收是不可避免的。因此，ZnSe中背侧电极界面处的反射率是决定白光LED发射性能的一个重要因素。但是，截至目前还没有反射率实际测量方面的知识。因此要测量ZnSe基板的背侧电极界面处的反射率。至于背侧电极，使用Ti层、In层和Al层，得到下面的结果。

(a1)反射率的测试原理

当在图1(a)所示的装置中测量反射率时，测量的反射率(r1)值包括空气/ZnSe界面处的反射率(R0)、ZnSe中的吸收系数(a)和ZnSe/背侧电极界面处的反射率(R1)。因此，只简单地测量r1不能确定R1。除测量r1外，还要在图1(b)的装置中测量反射率(r0)和透射率(T0)，即，在没有背侧电极的状态下测量反射率(r0)和透射率(T0)，从这三个测量结果可以得到R0、R1、r1和a。

当还要考虑到多次反射时，测量值r1、r0和T0与R0、R1和a之间存在下述关系。

r0＝R0+[{A²·R0(1-R0)²}/{1-(A·R0)²}]

T0＝{A·(1-R0)²}/{1-(A·R0)²}

r1＝R0+[{A²·R1·(1-R0)²}/{1-A²·R0·R1}]

A＝exp(-a·d)

其中，d是ZnSe基板的厚度。利用这些关系式，用测量值r1、r0和T0可以计算出R0、R1和a。

(a2)在使用Ti/Au电极情况下的测量

下面三个样品用于测量：

(s1)生长状态的PVT基板(物理气相转移法)

(s2)Al掺杂的PVT基板

(s3)CVT基板(化学气相转移法)

每一个晶片劈成10mm×10mm后，对其两个表面进行镜面抛光，使其厚度为200μm。至于样品(s2)Al掺杂的PVT，将每一个表面抛光时保留一个存在有Al的区域。

在沉积电极前测量上述三个样品的透射率T0和反射率r0。测量结果示于图2和3。

透射率存在差异的原因是掺杂存在与否及掺杂剂种类的不同。当存在掺杂剂时，吸收限移向较长波长的一侧。这个趋势，碘比Al更明显。反射率在长波长侧不会有很大变化，但是在吸收限附近有很大的差异。但是，这还不足以确定是否是因为吸收或界面处反射率R0的差异的影响。基于上述测量结果计算的空气/ZnSe界面处的反射率R0和吸收系数a的结果示于图4和5。根据图4和5，每一个样品的R0的值没有很大差异。

然后通过真空蒸发在这些样品的一个表面上形成Ti/Au薄膜。Ti的膜厚是500，Au的膜厚是1000。可以认为Ti后形成的Au没有很大影响，因为Ti膜足够厚，入射光不会穿过Ti膜。反射率r1的测量结果示于图6。

图7中示出基于反射率r1的这些测量值计算的Ti/ZnSe界面处的反射率R1的值。从图7可以看出，Ti/ZnSe界面处的反射率R1不是很高。到达背侧电极的很多入射光都被吸收和损耗。当使用CVT基板时，蓝光不会到达背面，因为其对蓝光的吸收系数很大(参看图4)。但是，光的吸收损耗是不可避免的，因为一部分由蓝光变换的SA光仍然能够到达背面。当使用PVT基板时，一部分蓝光到达背面后被吸收和损耗，因为其对蓝光的吸收系数很小。除激活层发出的蓝光外，还有一部分SA光也被损耗掉。

(a3)在使用In电极和Al电极情况下的测量

在生长状态的PVT基板的一个表面上沉积In或Al，通过测量r1对In和Al的反射率R1进行评价。此时不需要进行新的测量，用(a2)中得到的测量值作为生长状态的PVT基板的吸收系数“a”和反射率R0。测量的反射率r1和由此估算的In或Al/ZnSe界面处的反射率R1示于图8和9。

从图8和9可以看出，在使用In电极的情况下，反射率高于使用Ti电极的情况，但是没有大的改善。相反，当使用Al电极时，反射率有很大的改善。因此，将Al用于背侧电极时，可以显著改善发光设备(LED)的亮度。

(a4)结论

从上述Ti、In或Al/ZnSe界面处的反射率的测量结果可以发现，当使用Ti电极和/或In电极时，反射率低至约20％-30％，当使用Al电极时，反射率则高至75％。从而可以证明，当用Ti层或In层作为白光LED的背侧电极时，光在背侧电极中的吸收损耗很高，当用Al层作为背侧电极时，吸收损耗大幅下降。用Al层作为相对于输出背面的安装表面上的电极时，在不浪费光的情况下即可提高亮度，因为光在安装表面处被反射和射向输出表面。

(实施方案2)

图10是本发明实施方案2的ZnSe发光设备的剖视图。如图10所示，在n型ZnSe单晶基板1的上面或上方以数字顺序排列有厚度为1μm的n型ZnSe缓冲层2、厚度为0.5μm的n型ZnMgSSe覆盖层3、具有ZnSe/ZnCdSe多级量子阱结构的激活层4、厚度为0.5μm的p型ZnMgSSe覆盖层5、厚度为0.2μm的p型ZnSe层6和由ZnTe和ZnSe的叠层超晶格结构组成的p型接触层7。在它们的顶部上形成厚度为40nm的p型ZnTe层8。另外，在该外延结构上形成由Au膜10a和栅格Ti/Au膜10b组成的p型电极10。

用金(Au)薄膜覆盖p型ZnSe外延膜的表面，使电流主要在激活层中的整个pn结中流动，因为在从电极流出的电流密度越高的地方，pn结中发出的光强度越高。金膜厚度越小越好。但是，如果太薄，则不能均匀发光。

用下述方法在n型ZnSe基板1上形成具有550nm-650nm范围内光波长中心的自激(SA)发光再结合中心：掺杂至少一种选自碘、铝、氯、溴、镓、铟等的n型杂质，然后用510nm或更短波长的光照射。应当注意的是，在ZnSe基板上形成的每一个层都是外延层，尽管在后面并不经常提及。

图10所示的发光设备的最具特征性的一点是在n型ZnSe基板背面上设置Al层9a。在Al层9a和n型ZnSe基板1之间设置含n型杂质浓度高于ZnSe基板中的杂质浓度的n⁺型ZnSe层19。希望n⁺型ZnSe层19是外延膜。在其间设置这样的高浓度n型ZnSe层19可以使Al层9a与n型ZnSe基板1电阻性接触。用Au膜9b覆盖Al层9a，用于保护Al层的不稳定性。

如上所述，通过在n型ZnSe基板背侧电极上设置Al层可以将过去被吸收在Ti层或In层中损耗的大部分光反射到输出表面侧上。因此可以改善ZnSe发光设备的输出，可以提高亮度。另外，在过去被认为是吸收损耗的大部分射向背侧电极的SA光产生的长波长范围的光被反射向输出表面一侧后被有效利用。另外，当已经在Al层处反射的激活层发出的短波长范围的光穿过SA发光再结合中心射向输出表面一侧时，SA发光再结合中心再次被激发，从而发射长波长范围的光。有助于激发的短波长范围的光被吸收和损耗。因此，与短波长范围的光强度相比，长波长范围的光强度较高，从而使白光更接近全白光。即，除改善亮度外，还可以调节白光的色度。

(实施例)

通过制备实施方案2的ZnSe发光设备证明Al层的作用。本发明的实施例是图10所示的ZnSe发光设备，在ZnSe基板1背面上设置Al层9a。还在Al层9a和ZnSe基板1之间设置n⁺型ZnSe层19。在Al层9a上堆叠Au层9b。用Ti层代替Al层制备ZnSe发光设备，以此作为对比实施例。分别对本发明的实施例和对比实施例测定亮度和色度。从样品正上方的位置处测定色度。结果示于表I。

表I.

如表I所示，和过去一样，由Ti/Au组成的电极的输出功率是1.83mW。而本发明的实施例的输出功率是2.72mW，约为对比实施例的1.5倍。在使用Ti层的情况下；色度(X，Y)是(0.184，0.261)，是冷色白光。但是，当使用Al层时，色度(X，Y)是(0.208，0.261)，这将增加暖色成分。因此，使用Al电极可以改善输出功率，控制色度，从而得到高输出功率的白光LED。另外，背面对激活层产生的光的反射可以抑制输出功率和色调的偏差。

(实施方案3)

图11是示出本发明的实施方案3的ZnSe发光设备的剖视图。该实施方案的特征在于ZnSe基板向上(p型层向下)安装。因为p型层向下安装，所以不需要在构成输出表面的n型ZnSe基板的所有表面上都形成Ti/Au膜，尽管p型电极必须覆盖整个表面，使具有给定值或更高值的电流供给整个激活层。因此，在输出表面16上设置栅极12。由于这样的结构而不需要使用覆盖整个输出表面的p型电极Ti/Au膜，除Al层的反射作用外，p型层向下安装的结果是相应地进一步提高了亮度。

如图11所示，在基板1表面上设置含n型杂质浓度高于n型ZnSe基板1中的杂质浓度的高浓度ZnSe外延层15。在高浓度ZnSe外延层15上设置由Ti/Au组成的栅极12。高浓度ZnSe外延层15的设置能够使Ti/Au栅极12易于成为电阻性电极。这种高浓度ZnSe外延层15在发光设备中还形成输出表面16。

在上述ZnSe基板上，从上至下依数字顺序设置有n型ZnSe缓冲层2、n型ZnMgSSe覆盖层3、ZnSe/ZnCdSe多级量子阱结构的激活层4、p型ZnMgSSe覆盖层5、p型ZnTe/ZnSe超晶格接触层7、Al层9a和Au层9b。在p型ZnTe/ZnSe超晶格接触层7上，在周围区域中设置栅格形式的电阻性电极Au，还形成蜂窝状Au电极，使电流扩展到整个芯片表面上。该电极上都设置有Al层，以反射激活层产生的光和蜂窝开孔发出的光。底部一侧上的电极使形成电阻性接触的金属要么(s1)离散排列，在表面中覆盖给定百分率的面积，要么(s21)连续排列，使开孔在表面中覆盖给定比例的面积，用Al层覆盖剩余面积。Au膜的栅极和上述实施方案的蜂窝形状的组合排列对应于以给定比例连续设置开孔面积的上述(s2)的情况。电阻性接触的金属可以离散地排列在底部电极的整个表面上，尽管用排列在上述底部电极中周围区域中的形成电阻性接触的金属(Au)形成栅极。即，(s1)的排列也是可以的。

根据图11的结构，与外观向上的结构不同，不用Au膜覆盖输出表面的所有面积。因此，发射的光不会被吸收在Au电极膜中，这将在一定程度上提高光强度。另外，如实施方案2详述的那样，部分设置在p侧电极处的Al层的反射可以进一步改善激活层发出的光的亮度。冷色白光中的暖色光强度得以提高，其原因与实施方案2中所述的相同，这将使发射的光更接近全白光。

上述本发明的实施方案都是例示性的，本发明的保护范围不限于此。本发明的保护范围由权利要求书确定，包括所有变化的其任何等同物都在本发明的保护范围内。

工业实用性

在本发明的半导体发光设备中，在输出表面的相对表面处通过用Al层作为电极可以增加SA光分量，并且易于高强度地调节色度。

Claims (6)

1、一种用于将光从其输出表面发射到外面的半导体发光设备，该设备包含包括自激发光再结合中心的第一导电型半导体基板、设置在所述第一导电型半导体基板上方的激活层、和设置在所述输出表面相对面上用于向所述输出表面侧反射光的Al层。

2、根据权利要求1的半导体发光设备，其中，所述输出表面位于形成在所述激活层上的第二导电型半导体层一侧上，所述Al层构成与所述第一导电型半导体基板电连接的电极。

3、根据权利要求2的半导体发光设备，其中，在所述第一导电型半导体基板的表面上设置高浓度的第一导电型半导体层，所述高浓度的第一导电型半导体层含有的第一导电型杂质浓度高于所述第一导电型半导体基板中的杂质浓度，和所述Al层与所述高浓度的第一导电型半导体层接触。

4、根据权利要求1的半导体发光设备，其中，所述输出表面位于所述第一导电型半导体基板一侧上，所述Al层位于形成在所述激活层上的所述第二导电型半导体层一侧上。

5、根据权利要求1-4中任一项的半导体发光设备，其中，在所述Al层上设置Au层，和/或，Ti层和Au层的多层。

6、根据权利要求1-5中任一项的半导体发光设备，其中，所述第一导电型半导体基板是包括自激发光再结合中心的n型ZnSe基板，和所述的形成在所述n型ZnSe基板上方的激活层包括pn结。

Images