CN1812117A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光器件以及制造该半导体发光器件的方法。该半导体发光器件包括衬底、位于所述衬底上且通过堆叠半导体材料层形成的至少两个发光单元、顺序堆叠在该发光单元之间的反射层和透明绝缘层、以及覆盖该发光单元的上表面的透明电极。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法，尤其涉及包括多个发光单元和反射膜的半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)在诸如光通讯设备的通讯设备中或者在诸如光盘播放器(CDP)和数字通用盘播放器(DVDP)的电子设备中广泛用作传送、记录、或读取数据的装置。LED正将其应用扩展到大的户外标志牌、LCD背光、以及照明。
常规半导体发光器件使用蓝宝石衬底。蓝宝石衬底能容易地生长5μm或更大厚度的GaN发光单元。然而，蓝宝石衬底是昂贵的且制造尺寸受到限制。因此，已经努力在硅衬底上形成大的、便宜的GaN发光单元。
具有生长在硅衬底上的GaN发光单元的发光二极管具有这样的缺点，即由于GaN发光单元与硅之间晶格常数及热膨胀系数的不同，所以在GaN发光单元中形成裂纹的可能性高。生长在硅衬底上的GaN发光单元的厚度通常被限制为小于1.0μm以避免破裂。然而，当GaN发光单元太薄时，其驱动电压变得太高。
图1示出具有在硅衬底上以阵列布置的多个发光单元的矩阵型显示器的示例。
参照图1，多个GaN半导体发光单元120设置在一硅衬底110上，GaN半导体发光单元120的每个形成光发射源。通过驱动所有的GaN半导体发光单元120，可以在衬底110上显示所需的图像。GaN半导体发光单元120的每个具有矩形形状且矩形的较长边约为100μm。相邻的GaN半导体发光单元120之间的距离约为10μm。
具有上述GaN半导体发光单元120的阵列的常规显示器具有这样的结构，即其中低温氮化铝(LT-AlN)缓冲层形成在硅衬底上且GaN半导体材料层形成在LT-AlN缓冲层上。因为该结构减小了GaN半导体材料层中的残留应力，所以该结构可以减少GaN半导体材料层的缺陷和裂纹。然而，该结构要求复杂的制造工艺且，特别地，具有低的光输出。
发明内容
本发明提供一种半导体发光器件，其能够最小化生长在硅衬底上的发光单元中的破裂并有效地提高该发光器件的光输出。
本发明还提供一种制造该半导体发光器件的方法。
根据本发明的一方面，提供一种发光器件，包括：衬底；至少两个发光单元，其设置在所述衬底上并且通过堆叠半导体材料层形成；反射层和透明绝缘层，其顺序堆叠在所述发光单元之间；以及透明电极，其覆盖所述发光单元的上表面。所述衬底可由硅Si形成。
该发光器件还可包括所述衬底和所述发光单元之间的缓冲层。例如，所述缓冲层可为GaN系的III-V族氮化物半导体层。
所述透明绝缘层和所述反射层的厚度之和可大于所述发光单元的厚度。所述透明绝缘层可比所述反射层更厚。所述发光单元的厚度对宽度的比值可至少大于所述透明绝缘层相对于所述发光单元的全反射角的正切值。
所述透明绝缘层可比构成所述发光单元的半导体材料层具有更低的折射率。所述透明绝缘层可由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、以及ZnO中的至少一种形成。
透明电极可由金属和透明导电材料(TCO)中的一种形成。所述金属可以是Au、Pd、Pt、Ru、以及Ni中的一种。所述TCO可以是ZnO和铟氧化物中的一种。所述铟氧化物还可以包括选自含有Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La系成分的组的至少一种元素。
所述反射层可由金属层或多个电介质层中的一种形成。另外，所述反射层可由多个堆叠的层形成，其中重复堆叠一个或者更多个金属层和电介质层的对。
所述发光器件还可包括所述衬底和所述发光单元之间的GaN层、以及所述衬底和所述GaN层之间的缓冲层。所述缓冲层可以是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
根据本发明的另一方面，提供一种制造发光器件的方法，包括：在衬底上形成透明绝缘层(操作1)；在所述透明绝缘层上形成至少一个孔(操作2)；在所述孔中通过堆叠半导体材料层形成发光单元(操作3)；以及形成覆盖所述发光单元的透明电极(操作4)。
所述透明绝缘层可以比所述发光单元更厚。所述透明绝缘层可以由比构成所述发光单元的所述半导体材料层具有更低折射率的材料形成。所述透明绝缘层可以由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、以及ZnO中的至少一种形成。
所述透明电极可由金属和透明导电材料(TCO)中的一种形成。所述金属可以是Au、Pd、Pt、Ru、以及Ni中的一种。所述TCO可以是ZnO和铟氧化物中的一种。所述铟氧化物还可包括选自含有Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La系成分的组的至少一种元素。
覆盖所述发光单元的所述透明电极的形成(操作4)可包括形成覆盖所述透明绝缘层和所述发光单元的反射层，且还可包括在所述反射层上形成传热层。覆盖所述发光单元的所述透明电极的形成(操作4)还可包括去除所述衬底，且还可包括形成覆盖所述发光单元的下表面的透明电极。所述传热层可由Cu、Si、以及Cu合金中的一种形成。
在所述衬底上形成所述透明绝缘层(操作1)还可包括在所述衬底和所述透明绝缘层之间形成反射层，且在所述透明绝缘层中形成至少一个孔(操作2)可包括在所述透明绝缘层和所述反射层中形成孔直到所述衬底被暴露。在所述衬底上形成所述透明绝缘层(操作1)还可包括在所述衬底和所述GaN层之间形成缓冲层。所述缓冲层可以由GaN系的III-V族氮化物半导体层形成。
所述透明绝缘层和所述反射层的厚度之和大于所述发光单元的厚度。所述透明绝缘层可以比所述反射层更厚。所述发光单元的厚度对宽度之比可以大于所述透明绝缘层相对于所述发光单元的全内反射角的正切。
所述反射层可由金属层或多个电介质层形成。所述反射层可由多个堆叠的层形成，其中重复堆叠一个或者更多金属层和电介质层对。
形成在所述衬底上的反射层可减少该衬底对光的吸收。可限制发光单元的高度，使得从该发光单元发射的光能够通过透明绝缘层。填充发光单元之间的空间的所述透明绝缘层可有助于光向外部的发射。因此，这些方法可减少Si衬底上堆叠的发光单元中的破裂，且因此可增加发光器件的光输出。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，附图中：
图1是具有常规Si衬底的半导体发光器件的平面图；
图2A是根据本发明一实施例的半导体发光器件的横截面图；
图2B是根据本发明一实施例的半导体发光器件的平面图；
图2C是根据本发明的半导体发光器件的横截面图，示出从有源层发出的光被反射层反射；
图3是根据本发明另一实施例的半导体发光器件的横截面图；
图4A至4D是横截面图，示出制造根据本发明再一实施例的半导体发光器件的方法；
图5A至5D是横截面图，示出制造根据本发明再一实施例的半导体发光器件的方法；
图6A至6C是横截面图，示出制造根据本发明一实施例的图2A的半导体发光器件的方法；
图7A至7C是横截面图，示出制造根据本发明另一实施例的图3的半导体发光器件的方法。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述根据本发明的半导体发光二极管和制造该半导体发光二极管的方法，附图中示出本发明的示例性实施例。为清晰起见，图中区域和层的厚度被放大。
图2A是根据本发明一实施例的半导体发光器件的横截面图。
参照图2A，半导体发光器件包括衬底210、位于衬底210上且通过堆叠半导体材料层形成的至少两个发光单元240、顺序堆叠在发光单元240之间的反射层220和透明绝缘层230、以及覆盖发光单元240的上表面的透明电极250。衬底210可由硅Si形成。
反射层220可由能容易地反射发光单元240产生的光的材料形成。例如，该材料可以是金属层、多个电介质层、或者其中重复堆叠一个或者更多金属层和电介质层对的多个堆叠的层。透明绝缘层230可由透光且绝缘的材料形成从而将从发光单元240发射的光透射到外部且防止电极之间短路。例如，透明绝缘层230可由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、或者ZnO中的至少一种形成。透明电极250可由金属或透明导电氧化物(TCO)形成。该金属可以是Au、Pd、Pt、Ru、或者Ni。该TCO可以是ZnO或In氧化物。该In氧化物可以通过与选自含有Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La系成分的组的至少一种元素结合来形成。
发光单元240包括顺序堆叠在衬底210上的下GaN层242、有源层244、以及上GaN层246。有源层244可以由GaN系的III-V族氮化物化合物半导体层形成，其由通用公式InxAlyGa1-x-yN表示。此处，有源层244可具有多量子阱(MQW)结构或者单量子阱(SQW)结构。有源层244的结构不限制本发明的技术范围。
图2B是根据本发明一实施例的半导体发光器件的平面图。
参照图2B，一些发光单元240彼此分隔开。分隔开的发光单元240的结构减少了氮化物半导体的残余应力且有助于防止Si衬底中的破裂。
在衬底210和发光单元240之间还可包括缓冲层260。缓冲层260可以是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
为减少电极之间的短路且提高发光单元240的绝缘，透明绝缘层230和反射层220的厚度之和必须大于发光单元240的厚度。另外，为促进光折射，透明绝缘层230可由比有源层244以及上和下GaN层具有更低折射率的材料形成。透明绝缘层230可比反射层220更厚，从而反射层220能够比透明绝缘层230反射更多的光。
图2C是半导体发光器件的横截面图，示出根据本发明从有源层发出的光被反射层反射。
参照图2C，如果在透明绝缘层230上的逸出角(escape angle)“ea”小于全内反射角，也就是透明绝缘层230的折射率ni与发光单元240的折射率ns之比的反正弦，即ea＜sin-1(ni/ns)，则光能够容易地从有源层240的侧面发出。为满足该要求，发光单元240的厚度(H)对宽度(L)之比可大于或等于全内反射角“ea”的正切，其由下面的方程式(1)表示：
H/L≥tan(ea) (1)
其中L是发光单元240的宽度，H是发光单元240的厚度。
因此，为增加光的发射效率，可设置发光单元240的厚度使得从有源层244发出的光能够通过发光单元240与透明绝缘层230之间的界面。
透明绝缘层230、透明电极250和反射层220的形成以及所述层的每个的厚度限制能够增加半导体发光器件的光发射率。
图3是根据本发明另一实施例的半导体发光器件的横截面图。
参照图3，GaN层320置于衬底210与发光单元240之间。
还可以在衬底210和GaN层320之间包括缓冲层310。例如，缓冲层310可以是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
没有来自缓冲层310的额外帮助，GaN层320促进下层242的生长，且还促进经衬底210的电流，因为电流流经GaN层320的下部分的宽接触区域。
现在将参照图4A至4D描述制造半导体发光器件的方法。
图4A至4D是横截面图，示出制造根据本发明又一实施例的半导体发光器件的方法。
参照图4A至4D，该方法包括在衬底210上形成透明绝缘层230(图4A)、在透明绝缘层230中形成至少一个孔h(图4B)、在孔h中形成发光单元240(图4C)、形成覆盖发光单元240的透明电极410(图4D)。衬底210可由Si形成。
在孔中形成发光单元240(图4C)包括顺序形成下GaN层242、有源层244、以及上GaN层。有源层244可由GaN系的III-V族氮化物化合物半导体层形成，其由通用公式InxAlyGa1-x-yN表示。此处，有源层244可具有多量子阱(MQW)结构或单量子阱(SQW)结构。有源层244的结构不限制本发明的技术范围。
透明绝缘层230可以比发光单元240更厚，从而提高透明绝缘层230的绝缘。透明绝缘层230可由比有源层244、上GaN层、以及下GaN层242具有更低折射率的材料形成从而促进透明绝缘层230的光折射。透明绝缘层230由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、或者ZnO中的至少一种形成。透明电极410可由诸如金属或透明导电氧化物(TCO)的导电且透光材料形成。该金属可以是Au、Pd、Pt、Ru、或者Ni。该TCO可以是ZnO或In氧化物。该In氧化物可以通过与选自包含Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La成分的组的至少一种元素结合来形成。
图5A至5D是横截面图，示出制造根据本发明再一实施例的半导体发光器件的方法。
参照图5A至5C，覆盖发光单元240的透明电极410的形成(图4D)包括形成覆盖透明绝缘层230和发光单元240的反射电极520(图5A)。覆盖发光单元240的透明电极410的形成(图4D)还包括在反射电极520上形成传热层530(图5B)。另外，覆盖发光单元240的透明电极410的形成(图4D)还包括去除衬底210(图5C)和形成覆盖发光单元240的下表面的透明电极510(图5D)。
传热层530可由具有高热导率的材料诸如Cu、Si、或者Cu合金形成，从而有效地释放由发光单元240产生的热。如果Cu用于传热层530，则由于Cu传热层的高电导率，电流能够容易地流到发光单元240。
光经透明电极510发射到外部且光被反射电极反射。当衬底210被去除时，光输出可增加，因为光可发射到外部而不是被衬底210吸收。因此，该结构可用于制造高光输出的半导体发光器件。
图6A至6C是横截面图，示出制造根据本发明一实施例的半导体发光器件(图2A)的方法。
参照图6A至6C，在衬底210上形成透明绝缘层230(图4A)还包括在衬底210和透明绝缘层230之间形成反射层610(图6A)。在透明绝缘层230中形成至少一个孔(图4B)包括在透明绝缘层230和反射层610间形成孔直到衬底210被暴露。反射层610可由能容易地反射从有源层244发射的光的材料形成。例如，该材料可以是金属层、多个电介质层、或者其中重复堆叠一个或更多金属层和电介质层对的多个堆叠的层。
参照图6C，在孔h中形成发光单元240(图4C)还可包括在下GaN层242和衬底210之间形成缓冲层620。缓冲层620可以是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
为减少电极之间的短路且提高发光单元240的绝缘，透明绝缘层230和反射层610的厚度之和可大于发光单元240的厚度。透明绝缘层230可以比反射层610更厚，使得反射层610能够反射更多的光。每个发光单元240的厚度(H)对宽度(L)的比值可大于或等于全内反射角“ea”的正切，其由上面的方程式(1)表示。图2A是根据参照图6A至6C描述的方法获得的半导体发光器件的横截面图。
图7A至7C是横截面图，示出制造根据本发明另一实施例的半导体发光器件(图3)的方法。
参照图7A至7C，在衬底210上形成透明绝缘层230(图4A)还包括在衬底210和透明绝缘层230之间顺序形成GaN层710和反射层720(图7A)。在透明绝缘层230中形成至少一个孔(图4B)包括在透明绝缘层230和反射层720中形成孔h直到GaN层710被暴露(图7B)。反射层720可由能容易地反射从有源层244发射的光的材料形成。例如，该材料可以是金属层、多个电介质层、或者其中重复堆叠一个或更多金属层和电介质层对的多个堆叠的层。
没有来自缓冲层的额外帮助，GaN层710促进下层242的生长，且还通过提供与GaN层320的下部分的宽接触区域而促进经过衬底210的电流。
参照图7C，在衬底210上形成透明绝缘层230(图4A)还可包括在衬底210和GaN层710之间形成缓冲层730。缓冲层730可以是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
透明绝缘层230和反射层720的厚度之和可大于发光单元240的厚度。透明绝缘层230可比反射层720更厚。每个发光单元的厚度(H)对宽度(L)的比值可大于或等于全内反射角“ea”的正切，其由上面的方程式(1)表示。图3是根据参照图7A至7C描述的方法获得的半导体发光器件的横截面图。
根据本发明的半导体发光器件能够减小残余应力以及与之相关的发光单元附近的破裂，因为能够减小残余应力的材料填充在发光单元之间的空间中，所述发光单元布置在衬底上。填充发光单元之间的空间中的材料可以是如上述实施例中所描述的透明绝缘层。
另外，形成在衬底上的反射层能够减小衬底对光的吸收。可限制发光单元的厚度从而确保从有源层发射的光被完全发射。填充在发光单元之间的空间中的透明绝缘层还能最大化光向外部的发射。这些方法能够增加半导体发光器件的光输出。
尽管参照本发明的示例性实施例特别显示和说明了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不偏离后附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。
Claims (42)
1.一种发光器件，包括：
衬底；
至少两个发光单元，其位于所述衬底上并且通过堆叠半导体材料层来形成；
反射层和透明绝缘层，其顺序堆叠在所述发光单元之间；以及
透明电极，其覆盖所述发光单元的上表面。
2.如权利要求1所述的发光器件，还包括在所述衬底和所述发光单元之间的缓冲层。
3.如权利要求1所述的发光器件，其中所述透明绝缘层和所述反射层的厚度之和大于所述发光单元的厚度。
4.如权利要求1所述的发光器件，其中所述透明绝缘层比所述反射层更厚。
5.如权利要求1所述的发光器件，其中所述发光单元的厚度对宽度之比大于或等于所述透明绝缘层相对于所述发光单元的全内反射角的正切。
6.如权利要求1所述的发光器件，其中所述衬底由硅Si形成。
7.如权利要求1所述的发光器件，其中所述透明绝缘层比构成所述发光单元的半导体材料层具有更低的折射率。
8.如权利要求1所述的发光器件，其中所述透明绝缘层由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、以及ZnO中的至少一种形成。
9.如权利要求1所述的发光器件，其中所述透明电极由金属和透明导电材料(TCO)中的一种形成。
10.如权利要求9所述的发光器件，其中所述金属是Au、Pd、Pt、Ru、以及Ni中的一种。
11.如权利要求9所述的发光器件，其中所述TCO是ZnO和铟氧化物中的一种。
12.如权利要求11所述的发光器件，其中所述铟氧化物还包括选自含有Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La系成分的组的至少一种元素。
13.如权利要求1所述的发光器件，其中所述反射层由金属层形成。
14.如权利要求1所述的发光器件，其中所述反射层由多个电介质层形成。
15.如权利要求1所述的发光器件，其中所述反射层由多个堆叠的层形成，其中重复堆叠一个或更多金属层和电介质层对。
16.如权利要求1所述的发光器件，还包括在所述衬底和所述发光单元之间的GaN层。
17.如权利要求16所述的发光器件，还包括在所述衬底和所述GaN层之间的缓冲层。
18.如权利要求2所述的发光器件，其中所述缓冲层是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
19.一种制造发光器件的方法，包括：
在衬底上形成透明绝缘层；
在所述透明绝缘层中形成至少一个孔；
在所述孔中通过堆叠半导体材料层形成发光单元；以及
形成覆盖所述发光单元的透明电极。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述衬底由硅Si形成。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述透明绝缘层比所述发光单元更厚。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述透明绝缘层由比构成所述发光单元的所述半导体材料层具有更低折射率的材料形成。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述透明绝缘层由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、以及ZnO中的至少一种形成。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述透明电极由金属和透明导电材料(TCO)中的一种形成。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述金属是Au、Pd、Pt、Ru、以及Ni中的一种。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述TCO是ZnO和铟氧化物中的一种。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述铟氧化物还包括从含有Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、以及一种La系成分的组中选择的至少一种元素。
28.如权利要求19所述的方法，其中覆盖所述发光单元的所述透明电极的形成包括：
形成覆盖所述透明绝缘层和所述发光单元的反射层；以及
在所述反射层上形成传热层。
29.如权利要求28所述的方法，其中覆盖所述发光单元的所述透明电极的形成还包括去除所述衬底。
30.如权利要求29所述的方法，其中覆盖所述发光单元的所述透明电极的形成还包括在所述衬底被去除处形成覆盖所述发光单元的下表面的透明电极。
31.如权利要求28所述的方法，其中所述传热层由Cu、Si、以及Cu合金中的一种形成。
32.如权利要求19所述的方法，其中在所述衬底上形成所述透明绝缘层还包括在所述衬底与所述透明绝缘层之间形成反射层，且在所述透明绝缘层中形成至少一个孔包括在所述透明绝缘层和所述反射层中形成孔直到所述衬底被暴露。
33.如权利要求32所述的方法，其中在所述孔中通过堆叠半导体材料层形成所述发光单元还包括在所述衬底和所述发光单元之间形成缓冲层。
34.如权利要求19所述的方法，其中在衬底上形成所述透明绝缘层还包括在所述衬底和所述透明绝缘层之间顺序形成GaN层和反射层，且在所述透明绝缘层中形成至少一个孔包括在所述透明绝缘层和所述反射层中形成孔直到所述GaN层被暴露。
35.如权利要求34所述的方法，其中在所述衬底上形成所述透明绝缘层还包括在所述衬底与所述GaN层之间形成缓冲层。
36.如权利要求32所述的方法，其中所述透明绝缘层和所述反射层的厚度之和大于所述发光单元的厚度。
37.如权利要求32所述的方法，其中所述透明绝缘层比所述反射层更厚。
38.如权利要求32所述的方法，其中所述发光单元的厚度对宽度之比大于或等于所述透明绝缘层相对于所述发光单元的全内反射角的正切。
39.如权利要求32所述的方法，其中所述反射层由金属层形成。
40.如权利要求32所述的方法，其中所述反射层由多个电介质层形成。
41.如权利要求32所述的方法，其中所述反射层由多个堆叠的层形成，其中重复堆叠一个或更多金属层和电介质层对。
42.如权利要求33所述的方法，其中所述缓冲层是GaN系的III-V族氮化物半导体层。
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