CN1812144A - 具有纹理结构的半导体发光装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有纹理结构的半导体发光二极管以及制备该半导体发光二极管的方法，半导体发光二极管具有能够提高光提取效率和减少半导体发光二极管的晶体缺陷的纹理结构。该半导体发光二极管包括：形成为纹理结构的第一半导体层；形成在图案化的第一半导体层的纹理结构之间的中间层；以及在第一半导体层和中间层上依序形成的第二半导体层、有源层和第三半导体层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管，更具体而言，本发明涉及使用纹理结构以提高光提取效率的半导体发光二极管，以及制备其的方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种利用化合物半导体的特性将电能转换为红外线、可见光或其它光的装置。发光二极管是一种电致发光(EL)器件，目前实践中使用的是应用III-V族化合物半导体的发光二极管。
III-V族化合物半导体是直接跃迁半导体，并且由于它能比使用其它半导体的装置在更高的温度下提供稳定的操作，所以广泛地应用于LED或激光二极管(LD)。III-V族化合物半导体通常形成在由蓝宝石Al2O3或SiC形成的衬底上。为了提高发光效率或光提取效率，人们已经对各种LED结构进行了研究。当前，正在进行的一项研究是通过在LED的光提取区上形成纹理(textured)结构来提高光提取效率。
根据每个材料层的折射系数，在具有不同折射系数的材料层的界面上，光被阻挡。在平坦界面的情形，当光从具有较大折射系数(n＝2.5)的半导体层通过进入到具有较小折射系数(n＝1)的空气层时，光必须以相对法线小于预定角度的角度进入平坦界面。如果光进入的角度大于预定角度，那么光将在该平坦界面处全内反射，由此导致光提取效率显著降低。为了避免光的全内反射，期望一种在界面结合纹理结构的方法。
图1A和1B是图示具有纹理结构的传统发光二极管的横截面视图。参考图1A，p-GaN层102、有源层103、n-GaN层104依序形成在p电极101上，n电极105形成在n-GaN层104上。当由有源层103所产生的光向上提取通过n-GaN层104时，为了改变光的入射角，在n-GaN层104和空气层之间的界面上结合了纹理结构106。
参考图1B，n-GaN层112形成在蓝宝石衬底111上，以及n-AlGaN层113、有源层114、p-AlGaN层115、p-GaN层116和p电极117依序形成在n-GaN层112的区域上。n电极118形成在未形成n-AlGaN层113的n-GaN层112区域上。这是一种倒装芯片结构，其中由有源层114所产生的光主要提取通过透明蓝宝石衬底111。这里，通过在蓝宝石衬底111的表面上形成纹理结构120提高了光提取效率。
传统半导体发光二极管结合了纹理结构120来提高光提取效率。但是，特别是如图1B所示，当通过构图蓝宝石衬底111来结合纹理结构120时，难于生长质量均匀的半导体层，因为由于蓝宝石衬底111和形成于蓝宝石衬底111上的半导体层之间晶体结构不匹配导致很有可能在半导体层中产生缺陷。因此，光提取效率由于内部的晶体缺陷而降低。
发明内容
本发明提供了一种具有纹理结构的半导体发光二极管以及制备该半导体发光二极管的方法，该半导体发光二极管具有能够提高光提取效率和减少半导体发光二极管的内部晶体缺陷的纹理结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体发光二极管，其包括：形成为纹理结构的第一半导体层；形成在图案化的第一半导体层的纹理结构之间的中间层；以及在所述第一半导体层和中间层上依序形成的第二半导体层、有源层和第三半导体层。
所述衬底可以是蓝宝石衬底。
所述中间层可以是由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成的。
所述中间层可以是由包括SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO至少一种的透明绝缘材料形成的。
所述中间层可以是由比如ZnO或In的氧化物的透明导电材料形成的，所述In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。
所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层可以由GaN形成。
所述第一半导体层和中间层可以形成在所述蓝宝石衬底上。
该半导体发光二极管还可包括：形成在所述第三半导体层上的第一电极；以及形成在未形成所述有源层的第二半导体层的区域上的第二电极。
所述第一半导体层图案的纹理结构的宽度可以随着它上升而逐渐变窄。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制备具有纹理结构的半导体发光二极管的方法，其包括：在蓝宝石衬底上形成第一半导体层；在通过蚀刻所述第一半导体层形成纹理结构的同时显露所述蓝宝石衬底的部分；在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上形成中间层；在所述第一半导体层和中间层上依序形成第二半导体层、有源层和第三半导体层。
在通过蚀刻所述第一半导体层形成纹理结构的同时显露所述蓝宝石衬底的部分的步骤可以包括：进行第一蚀刻以在所述第一半导体层的表面上形成蚀刻坑；以及进行第二蚀刻，以通过蚀刻所述第一半导体层的蚀刻坑来显露所述蓝宝石衬底的表面。
可以使用H3PO4进行所述第一蚀刻，可使用KOH进行所述第二蚀刻。
在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上形成中间层的步骤可以包括：在所述第一半导体层的纹理结构和显露的蓝宝石衬底上涂覆透光性材料；以及通过平整所述透光性材料来显露所述第一半导体层的表面来形成中间层。
该方法还可包括在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上涂覆透光性材料之后进行退火。
该方法还可包括对所述蓝宝石衬底显露的表面进行第三干法蚀刻。
附图说明
通过参考附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，本发明的其它和上述特征和优点变得更加清楚，在附图中：
图1A和1B是图示具有纹理结构的传统半导体发光二极管的横截面视图；
图2和图3是根据本发明的具有纹理结构的半导体发光二极管的横截面视图；
图4A至4E是说明根据本发明实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管的制造方法的横截面视图；
图5A到5E是说明根据本发明另一个实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管的制造方法的横截面视图；
图6A到6D是根据本发明实施例的半导体发光二极管的SEM图像；及
图7是示出了具有纹理结构的传统半导体发光二极管和根据本发明实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管的光提取效率的示意图。
具体实施方式
现在，将参考附图对本发明进行更加全面的说明，在附图中示出了本发明的示范性实施例。
图2和图3是根据本发明的具有纹理结构的半导体发光二极管的横截面视图。
图2示出了应用于倒装芯片型半导体发光二极管的纹理结构，图3示出了应用于垂直型半导体发光二极管的纹理结构。
参考图2，第一半导体层22和中间层23形成于透明衬底21上的纹理结构中，第二半导体层24形成在第一半导体层22和中间层23上。有源层25、第三半导体层26和第一电极27依序形成在第二半导体层24的第一区域上。第二电极28形成在第二半导体层24的第二区域上。
用于形成这些层的材料如下。透明衬底21可以是广泛使用的蓝宝石Al2O3衬底，并且第一半导体层22和第二半导体层24可以由p-GaN形成。中间层23可以由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成。例如，透明绝缘材料可以是SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO，透明导电材料可以是ZnO或In的氧化物，该In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。这里可以看出中间层23由透明材料形成。有源层25可以由通常用于形成具有多量子阱势垒结构的多层结构的半导体发光二极管或激光发射二极管的材料形成。第三半导体层26可以由p-GaN形成，并且此时，第一电极27可以由p型导电材料形成并且第二电极28可以由n型导电材料形成。
如图2所示，在根据本发明实施例的纹理结构中，中间层23形成在第一半导体层22构图为纹理结构的区域中。这里，在第一半导体层22的构图的纹理结构之间的距离并不均匀，但是可以根据第一半导体层22中的晶体缺陷来决定，具体而言是螺线位错，对此下面将参考随后的制造工艺来进行说明。根据具有上述结构的半导体发光二极管，中间层23形成在第一半导体层22的晶体缺陷区域中，并且可以通过在第一半导体层22上形成第二半导体层24来减少内部晶体缺陷。因此，由有源层25所产生的光的提取效率可以通过结合纹理结构来得以增加。
图3是根据本发明实施例的具有纹理结构的垂直型半导体发光二极管的横截面视图。参考图3，第一电极32、第三半导体层33、有源层34和第二半导体层35依序形成在下结构31上。中间层36和构图为纹理结构层的第一半导体层37形成在第二半导体层35上。此外，第二电极38形成在第一半导体层和中间层36上。
用于形成构成垂直型半导体发光二极管的每层的材料如下。第一半导体层37和第二半导体层35可以由p-GaN形成。中间层36可以由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成。例如，透明绝缘材料可以是SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO，透明导电材料可以是ZnO或In的氧化物，该In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。有源层34可以由通常用于形成具有多量子阱势垒结构的多层结构的半导体发光二极管或激光发射二极管的材料形成。第三半导体层33可以由p-GaN形成，并且此时，第一电极32可以由p型导电材料形成并且第二电极38可以由n型导电材料形成。
如图3所示，在根据本发明实施例的纹理结构中，中间层36形成在第一半导体层37构图为纹理结构的区域中。这里，在第一半导体层37的构图的纹理结构之间的距离并不均匀，但是可以根据第一半导体层37中的晶体缺陷来决定，具体而言是螺线位错。根据具有上述结构的半导体发光二极管，中间层36形成在第一半导体层37的晶体缺陷区域中，并且可以通过在第一半导体层37上形成第二半导体层35来减少内部晶体缺陷。因此，由有源层33所产生的光的提取效率可以通过结合纹理结构来得以增加。
现在，将参考图4A至4E说明根据本发明实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管的制造方法。
参考图4A，第一半导体层42形成在衬底41上。这里，衬底41是折射系数为1.78的蓝宝石衬底，并且第一半导体层42由p-GaN形成。在形成了第一半导体层42之后，使用H3PO4来进行第一蚀刻工艺对第一半导体层42的表面进行蚀刻。这里，由于蓝宝石具有与GaN不同的晶体结构，所以可能产生内部晶体缺陷。具体而言，可能形成从蓝宝石衬底41垂直向第一半导体层42生长的内部晶体缺陷，比如螺线位错43。当使用H3PO4对第一半导体层42的表面进行湿法蚀刻时，由于蚀刻主要发生在螺线位错处，所以在螺线位错43形成蚀刻坑。湿法蚀刻向下沿螺线位错43的方向以及横向方向发展。图6A是在如图4A所示使用H3PO4对第一半导体层42进行湿法蚀刻工艺之后第一半导体层42的SEM图像。
参考图4B，使用KOH对第一半导体层42进行第二蚀刻。当使用KOH进行第二蚀刻时，蚀刻垂直向下沿第一半导体层42的螺线位错43发展。与通过H3PO4不同，通过KOH的第一半导体层42的蚀刻方向垂直向下。结果，蓝宝石衬底41的表面显露出来，并且第一半导体层42的横截面变为构图为梯形的纹理结构。参考标号42a表示由H3PO4和KOH蚀刻过的区域。图6B是示出了第一半导体层42的蚀刻结果的SEM图像。参考图6B，由于使用KOH蚀刻第一半导体层42直到显露出蓝宝石衬底41的表面，第一半导体层42的横截面呈梯形，即纹理结构。
参考图4C，中间层44形成在蓝宝石衬底41上构图为纹理结构的第一半导体层42上。中间层44可以由具有高度透光性的材料形成，因为由有源层发射的光通过纹理结构提取到外部。中间层44可以由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成。例如，透明绝缘材料可以是SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO，透明导电材料可以是ZnO或In的氧化物，该In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。这些材料具有大约1.4到1.8的范围内的折射系数。图6C是形成在构图为纹理结构的第一半导体层42上的中间层44的SEM图像。中间层44形成在第一半导体层42的被蚀刻区域中以及在第一半导体层42上。在形成了中间层44之后，还可以进行退火工艺。在H2气氛下，于1100℃进行约1小时的MOCVD工艺。
参考图4D，为了显露构图为纹理结构的第一半导体层42的上部，进行平整工艺以去除中间层44的上部。因此，中间层44仅保留在第一半导体层42的纹理结构之间。
参考图4E，第二半导体层45形成在显露的第一半导体层42和剩余的中间层44上。第二半导体层45可以由与第一半导体层42相同的材料形成，比如n-GaN。在这种情形，由于第二半导体层45生长在晶体缺陷比蓝宝石衬底41要少的第一半导体层42上，所以与第二半导体层45直接生长在蓝宝石衬底41上的情形相比，第二半导体层45中的晶体缺陷减少很多。
根据本发明实施例的纹理结构可以通过参考图4A到4E所述的工艺形成在半导体发光二极管中。可以使用传统工艺很容易地形成在第二半导体层45上形成的有源层和第三半导体层。在去除蓝宝石衬底41和进一步形成电极之后，纹理结构可以用作倒装芯片结构，或者作为垂直结构。
使用上述工艺形成在半导体发光二极管中的纹理结构，与传统技术中的不同，不但改善了光提取效率，而且减少了晶体缺陷，由此允许稳定的操作和延长装置的寿命。
现在，将参考图5A到5E说明根据本发明另一个实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管。
参考图5A，第一半导体层52形成在衬底51上。这里，衬底51是蓝宝石衬底，并且第一半导体层52由n-GaN形成。在形成了第一半导体层52之后，使用H3PO4来进行第一蚀刻工艺对第一半导体层52的表面进行蚀刻。由于蚀刻主要发生在螺线位错53区域处，所以这在螺线位错53区域形成蚀刻坑。湿法蚀刻向下沿螺线位错53的方向以及横向方向发展。
参考图5B，使用KOH对第一半导体层52进行第二蚀刻。这沿着第一半导体层52的螺线位错53垂直向下蚀刻。与通过H3PO4不同，通过KOH的第一半导体层52的蚀刻方向垂直向下。结果，蓝宝石衬底51的表面显露出来，并且第一半导体层52的横截面变为构图为梯形的纹理结构。参考标号52a表示由H3PO4和KOH蚀刻过的区域。此时，通过KOH蚀刻了第一半导体层52之后，通过干法蚀刻在露出的衬底51区域上进行蚀刻。因此，通过蚀刻衬底51的暴露区域形成凹槽。图6D是在使用KOH蚀刻了第一半导体层52之后干法蚀刻的衬底51的SEM图像。
参考图5C，中间层54形成在蓝宝石衬底51上构图为纹理结构的第一半导体层52上。中间层54可以由具有高度透光性的材料形成，由于由有源层发射的光通过纹理结构提取到外部。中间层54可以由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成。透明绝缘材料可以是SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO，透明导电材料可以是ZnO或In的氧化物，该In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。在涂覆了中间层54之后，可进一步进行退火处理。在H2气氛下，于1100℃进行约1小时的退火处理。
接下来，参考图5D，为了显露构图为纹理结构的第一半导体层52的上部，进行平整工艺以去除中间层54的上部。因此，中间层54仅保留在第一半导体层52的纹理结构之间。
参考图5E，第二半导体层56形成在显露的第一半导体层52和剩余的中间层54上。第二半导体层56可以由与第一半导体层52相同的材料形成，比如n-GaN。在这种情形，由于第二半导体层56生长在晶体缺陷比蓝宝石衬底51要少的第一半导体层52上，所以与第二半导体层56直接生长在蓝宝石衬底51上的情形相比，第二半导体层56中的晶体缺陷减少很多。可以使用传统工艺很容易地形成在第二半导体层56上形成的有源层和第三半导体层。
图7是示出了具有纹理结构的传统半导体发光二极管和根据本发明实施例的具有纹理结构的半导体发光二极管的光提取效率的示意图。
参考图2和图3，第一半导体层22的纹理结构呈六角形的梯形或六角形的圆柱形，或这些形状的反转。制备了这样的图案：每个直径为1μm，高度为0.5μm，图案间的距离是1μm，并且检测了图案的光提取效率。这些结果表明根据本发明实施例的具有纹理结构(电介质镶嵌的氮化物结构，n＝1.4)的半导体发光二极管具有比传统平面结构的半导体发光二极管的光提取效率高85％的最大值，具有比具有传统梯形纹理结构(构图的蓝宝石衬底(PSS)，n＝1.78)的半导体发光二极管Ref2的光提取效率高77％的最大值。
尽管已经参考本发明的示范性实施例具体示出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，可以对其进行各种形式和细节的修改而不会脱离权利要求所定义的本发明的范围和精神。
根据本发明，通过在半导体发光二极管的半导体层中形成纹理结构图案，由有源层所发射的光的提取效率可以得到很大地提高，半导体装置中的晶体缺陷可得以减少，由此能够实现稳定的操作和增加半导体发光二极管的寿命。
Claims (17)
1、一种包括一衬底的半导体发光二极管，包括：
形成为纹理结构的第一半导体层；
形成在所述第一半导体层的纹理结构之间的中间层；以及
在所述第一半导体层和中间层上依序形成的第二半导体层、有源层和第三半导体层。
2、根据权利要求1的半导体发光二极管，其中，所述衬底是蓝宝石衬底。
3、根据权利要求1的半导体发光二极管，其中，所述中间层是由折射系数小于等于2.5的透明绝缘材料或透明导电材料形成的。
4、根据权利要求3的半导体发光二极管，其中，所述中间层是由包括至少SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO的透明绝缘材料形成的。
5、根据权利要求3的半导体发光二极管，其中，所述中间层是由ZnO或In的氧化物的透明导电材料形成，所述In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。
6、根据权利要求1的半导体发光二极管，其中，所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层包括GaN。
7、根据权利要求2的半导体发光二极管，其中，所述第一半导体层和中间层形成在所述蓝宝石衬底上。
8、根据权利要求1的半导体发光二极管，还包括：
形成在所述第三半导体层上的第一电极；以及
形成在未形成所述有源层的第二半导体层的区域上的第二电极。
9、根据权利要求1的半导体发光二极管，其中，所述第一半导体层的纹理结构呈六角形的梯形或六角形的圆柱形，或这些形状的反转。
10、一种制备具有纹理结构的半导体发光二极管的方法，该方法包括：
在蓝宝石衬底上形成第一半导体层；
在通过蚀刻所述第一半导体层形成纹理结构的同时显露所述蓝宝石衬底的部分；
在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上形成中间层；及
在所述第一半导体层和中间层上依序形成第二半导体层、有源层和第三半导体层。
11、根据权利要求10的方法，其中，在通过蚀刻所述第一半导体层形成纹理结构的同时显露所述蓝宝石衬底的部分的步骤包括：
进行第一蚀刻以在所述第一半导体层的表面上形成蚀刻坑；以及
进行第二蚀刻，以通过蚀刻所述第一半导体层的蚀刻坑来显露所述蓝宝石衬底的表面。
12、根据权利要求11的方法，其中，使用H3PO4进行所述第一蚀刻，使用KOH进行所述第二蚀刻。
13、根据权利要求10的方法，其中，在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上形成中间层的步骤包括：
在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上涂覆透明材料；以及
通过平整所述透明材料来显露所述第一半导体层的表面来形成中间层。
14、根据权利要求13的方法，其中，所述中间层是由包括至少SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO的透明绝缘材料形成的。
15、根据权利要求13的方法，其中，所述中间层是由ZnO或In的氧化物的透明导电材料形成，所述In的氧化物包括选自如下的至少一种添加剂：Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La。
16、根据权利要求13的方法，还包括在所述第一半导体层的纹理结构之间的显露的蓝宝石衬底上涂覆透明材料之后进行退火。
17、根据权利要求11的方法，还包括对所述蓝宝石衬底显露的表面进行第三干法蚀刻。
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