CN101026215A

CN101026215A - 具有垂直结构的发光器件及其制造方法

Info

Publication number: CN101026215A
Application number: CN 200710084111
Authority: CN
Inventors: 张峻豪; 河俊硕
Original assignee: LG Electronics Inc; LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Electronics Inc; LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: KR101198764B1; KR20070082338A; CN101026215B

Abstract

公开了一种具有垂直结构的发光器件及其制造方法，该发光器件能够实现泄漏光效率的增强。该发光器件包括具有第一表面和第二表面的半导体层，布置在半导体层的第一表面上的第一电极，布置在半导体层的第二表面上的透明导电氧化物(TCO)层，和布置在TCO层上的第二电极。

Description

具有垂直结构的发光器件及其制造方法

本申请要求2006年2月16日申请的韩国专利申请No.10-2006-0015037、2006年2月16日申请的韩国专利申请No.10-2006-0015038的权益，其作为参考并入本文，如同于此全面阐述。

发明背景

技术领域

本发明涉及一种具有垂直结构的发光器件，更具体地，涉及一种能够实现增强光泄漏效率的具有垂直结构的发光器件，及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)是众所周知的将电流转换成光以发光的半导体发光器件。由于利用GaAsP化合物半导体的红色LED在1962年就可在市场上买到了，其与GaP:N基绿色LED一起，已被用作电子设备的光源，用于图像显示。

由这种LED发射的光的波长取决于用于制备该LED的半导体材料。这是因为发光的波长取决于表示价带电子和导带电子之间能量差的半导体材料的能带隙。

氮化镓(GaN)化合物半导体已备受重视。GaN化合物半导体备受重视的一个原因是：GaN和其它元素例如铟(In)、铝(Al)等结合使用，能够制备可以发绿、蓝或白光的半导体层。

由此，GaN和其它适当元素结合使用，能够调节要发射的光的波长。因而，使用GaN，根据应用LED的设备的特性，能够适当地确定所希望LED的材料。例如，能够制备用于光学记录的蓝色LED或用于代替辉光灯的白色LED。

另一方面，利用GaP制备开始发展的绿色LED。由于GaP是可引起效率降低的间接跃迁材料，所以利用该材料制备的绿色LED实际上不能制造纯绿色的光。然而，依靠InGaN薄膜生长的近来成功，已能够制备高亮度的绿色LED。

依靠GaN基LED的上述优点和其它优点，GaN基LED市场快速发展。而且，由于GaN基LED在1994年就能够在市场上买到，所以与GaN基电光器件有关的技术已得以快速发展。

GaN基LED已经发展，显示出光发射效率超过了辉光灯。当前，GaN基LED的效率基本等于荧光灯的效率。由此，可以预期GaN基LED市场将显著增长。

尽管GaN基半导体器件的技术快速前进，但是GaN基器件的制备受到高生产成本的很大不利条件。这种不利条件主要是涉及关于GaN薄膜(外延层)生长的难度以及成品GaN基器件的后续切割。

这种GaN基器件一般在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制备。这是因为适合批量生产GaN基器件的尺寸的蓝宝石晶片是市售的，其支持以相对高质量进行GaN外延生长，并在宽的温度范围内展示出高的加工性能。

此外，蓝宝石是化学和热稳定的，并且具有能够执行高温制造工艺的高熔点。而且，蓝宝石具有高键合能(122.4千卡/摩尔)和高介电常数。在化学结构方面，蓝宝石是结晶氧化铝(Al₂O₃)。

同时，由于蓝宝石为绝缘材料，所以利用蓝宝石衬底(或其它绝缘衬底)制造的有效LED器件实际上限于横向或垂直结构。

在横向结构中，所有用于向LED注入电流的金属接触都布置在器件结构的上表面上(或相同衬底表面上)。另一方面，在垂直结构中，一个金属接触布置在上表面上，而在移除蓝宝石(绝缘)衬底之后，另一个接触布置在器件结构的底表面上。

另外，还广泛采用了倒装芯片键合法。根据倒装芯片键合法，将分别制备的LED芯片，在翻转该LED芯片的条件下，附着在例如具有优良热传导性的硅晶片或陶瓷衬底的下底座。

然而，横向结构或倒装芯片法存在与热释放效率差相关联的问题，因为蓝宝石衬底具有大约27W/mK的热导率，由此导致非常高的热阻。此外，倒装芯片法还具有需要大量光刻工艺步骤的不利条件，由此导致制造工艺复杂。

为此，具有垂直结构的LED器件显得更为突出，因为所述垂直结构涉及移除蓝宝石衬底。

在这种垂直LED结构的制备中，激光剥离(LLO)方法用于移除蓝宝石衬底，由此解决由蓝宝石衬底造成的问题。

也就是，如图1所示，在蓝宝石衬底1上方，形成包括n型GaN层2、有源层3和p型GaN层4的GaN薄膜。在GaN薄膜上方形成p型电极5。

将LLO方法应用到如用上述方式制备的芯片，以完全移除蓝宝石衬底1。

在LLO方法中，一旦激光束入射，应力就施加到GaN薄膜上。为了使蓝宝石衬底1和GaN薄膜彼此分开，必须使用具有高能量密度的激光束。该激光束将GaN分解成金属元素，即，Ga，和氮气(N₂)。

如上述移除衬底1之后，如图2所示，在暴露的n型GaN层2上形成n型电极7，以制备芯片结构。

在这种垂直LED结构中，如图所示，n型GaN层2布置在芯片结构的最上部分。由于这个原因，n型GaN层2的接触区域的面积相当大地影响了总发光效率。

虽然在光泄漏方面减少接触区域的面积是有利的，但是会存在例如工作电压增加的问题，因为减少的接触区域导致器件的总电阻增加或电流散布不足。

由于GaN材料具有2.35的折射系数，所以在GaN材料与折射系数为1的空气直接接触的情况下，使得来自LED的光向外发射而没有在LED内部全反射的角度限于离垂直线25°。

发明内容

从而，本发明涉及一种具有垂直结构的发光器件及其制造方法，其基本避免了一个或多个由于相关技术的限制和不利条件导致的问题。

本发明的目的是提供一种具有垂直结构的发光器件及其制造方法，利用在GaN半导体层上方层压的透明导电氧化物(TCO)，和在GaN半导体层和TCO之间形成欧姆接触的吸气金属，该发光器件能够实现发光效率和光泄漏效率的增强。

本发明的另外优点、目的和特征将在随后的说明中部分阐明，并且根据随后的审查，部分对于具有普通技术的本领域技术人员将变得很明显，或可以从本发明的实践中得到教导。通过在书面说明和其权利要求还有附图中具体指出的结构，可以实现和达到本发明的目的和其它优点。

为了实现这些目的和其它优点，根据本发明的意图，如这里具体表达和广泛描述的，一种具有垂直结构的发光器件包括：具有第一表面和第二表面的半导体层；布置在半导体层的第一表面上的第一电极；布置在半导体层的第二表面上的透明导电氧化物(TCO)层；和布置在TCO层上的第二电极。

在本发明的另一方面，一种具有垂直结构的发光器件包括：第一电极；布置在第一电极上的半导体层；金属层，其与用于形成半导体层的至少一种元素之间具有反应性；布置在金属层上的透明导电氧化物(TCO)层；和布置在TCO层上的第二电极。

在本发明的另一方面，一种用于制造具有垂直结构的发光器件的方法包括：在衬底上方形成具有多层结构的半导体层；在该半导体层上形成第一电极；在第一电极上方形成由金属或半导体制成的支撑层；使衬底从半导体层分离；在半导体层的衬底分离表面上方形成透明导电氧化物(TCO)层；和在TCO层上形成第二电极。

要理解的是，本发明在前的概要描述和随后的详细描述是示范性和说明性的，并且意在提供如所要求的本发明的进一步说明。

附图说明

包括附图以提供本发明的进一步理解，并且并入附图并构成本申请的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并且和描述一起用于解释本发明的原理。在这些图中：

图1是示出用于制造具有垂直结构的发光器件的常规工艺的示例的截面图；

图2是示出具有垂直结构的常规发光器件的示例的截面图；

图3到11是示出本发明的第一实施例的截面图，其中：

图3是示出根据本发明的制造工艺的示例的截面图；

图4是示出根据本发明的制造工艺的另一个示例的截面图；

图5是示出根据本发明制造的具有垂直结构的发光器件的示例的截面图；

图6是示出ITO和n型GaN的能带结构的示意图；

图7是示出在ITO和n型GaN的键合态形成的能带结构的示意图；

图8是示出在电场施加到ITO和n型GaN的键合结构时形成的能带结构的示意图；

图9是示出ZnO和n型GaN的能带结构的示意图；

图10是示出在ZnO和n型GaN键合态形成的能带结构的示意图；

图11是示出在电场施加到ZnO和n型GaN的键合结构时形成的能带结构的示意图；和

图12到15是示出本发明的第二实施例的截面图，其中：

图12是示出根据本发明的制造工艺的示例的截面图；

图13是示出根据本发明制造的具有垂直结构的发光器件的示例的截面图；

图14是示出热处理工艺的示意图；和

图15是示出ITO和GaN的能带结构的示意图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的优选实施例，其示例示于附图中。

然而，本发明可以具体化为许多不同的形式，并且不应该解释为限于这里阐述的实施例。因而，虽然可对本发明进行不同的修改和选择性的形式，但是本发明的具体实施例在图中以示例的方式示出了，并且将在这里详细描述。然而，应该理解，没有必要限于本发明的具体公开的形式，相反，本发明应覆盖落入由权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等效和替换。

关于所述附图的描述，相同的附图标记表示相同的要素。在图中，为了清楚，夸大了层和区域的厚度。

应当理解，当一个要素，例如层、区域或衬底称为在另一个要素“上”时，其可以直接在另一个要素上，或者还可以存在中间要素。还将理解，如果要素的一部分，例如表面，称为“内部”，则它相比该要素的其它部分更远离该器件的外部。

另外，关系术语，例如“在...之下”和“在...上面”，在这里可以用来描述一个层的或区域对另一个层或区域的关系，如图中所示。

应当理解，除了在图中描写的方位外，这些术语意指包含器件的不同方位。最终，术语“直接地”意思是不存在中间要素。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出零件的任意和全部组合。

应当理解，虽然术语第一、第二等在这里可以用来描述不同的要素、部件、区域、层和/或部分，但是这些要素、部件、区域、层和/或部分不应该被这些术语所限制。

这些术语仅用来区别一个区域、层或部分同另一个区域、层或部分。由此，下面讨论的第一区域、层或部分可以称为第二区域、层或部分，同样，在没有偏离本发明的教导的情况下，第二区域、层或部分也可以称为第一区域、层或部分。

<第一实施例>

在下文中，将参考附图描述本发明的第一实施例。

如图3所示，为了制造根据该实施例的发光器件，在蓝宝石衬底10上方形成具有多层结构的GaN半导体层20和第一电极30。

半导体层20可以利用普通的半导体生长方法生长。对于半导体生长方法，根据工艺的方便可以选择性地使用不同的方法，例如，PVD例如溅射、利用有机金属前体(pre-cursor)的MOCVD、和离子注入。

半导体层20包括n型半导体层21、有源层22和p型半导体层23。如图3所示，随着半导体层20远离衬底10，其可以具有面积逐渐缩小的结构。

如果需要，可以在p型半导体层23的上方形成电流扩散层24，如图4所示。对于电流扩散层24，可以使用In_xGa_1-xN层或In_xGa_1-xN/GaN超晶格层。

电流扩散层24可以用来增强载流子迁移率，并且由此导致电流平稳地流动。在这点上，该电流扩散层也称为电流传输增强层(CTEL)。

第一电极30是欧姆电极。这种欧姆电极可以利用透明电极结构形成。第一电极30可以是p型电极，因为其形成在p型半导体层23的上方。

如上所述，在透明电极用作第一电极30时，利用透明导电氧化物(TCO)，在电流扩散层24上方形成该透明电极是更有利的。

在该结构中，电流扩散层24的功函数可以比作为p型半导体层23的p型GaN半导体层的功函数小，但是可以大于该透明电极的功函数。

电流扩散层24和p型半导体层23的功函数范围可以彼此部分交迭。而且，p型半导体层23和透明电极的功函数范围可以彼此部分交迭。

对于透明电极的TCO，可以使用氧化铟锡(ITO)。也可以使用其它材料，例如氧化铟锌(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镁锌(MZO)或氧化镓锌(GZO)。

为了实现反射效率增强，可以在第一电极30上方形成反射电极40。优选反射电极40由银(Ag)或铝(Al)制成。

同时，如将在后面描述的，在分离衬底10和半导体层20的工艺中，也可以提供支撑层以支撑半导体层20。该支撑层由金属或包含Si的半导体制成。

在半导体层20具有按上述次序层压的结构时，第一电极30用作p型电极。

在形成包括如上述形成的半导体层20、第一电极30和反射电极40的发光器件芯片之后，利用激光剥离(LLO)方法，从发光器件芯片完全地移除蓝宝石衬底10。

在该LLO方法中，一旦激光束入射，应力就施加到GaN基薄膜。为了分离开蓝宝石衬底10和GaN薄膜，也就是半导体层20，必须使用具有高能量密度的激光束。该激光束将GaN分解成金属元素，即，Ga，和氮气(N₂)。

可以利用除LLO方法之外的方法，例如蚀刻，来实现衬底10的分离。

其后，如图5所示，在结构的翻转状态，在移除衬底10之后获得的结构的上方形成TCO层50。以金属焊盘的形式在TCO层50上形成第二电极60。

TCO层50用来向半导体层20有效地供应电流。由此，可以实现发光效率增强、发光面积增大和工作电压降低。

也就是，尽管接触区域缩小，但由于器件的总电阻没有增加，所以实现了有效电流扩散。因而，能够降低工作电压。

由此，可以以例如金属焊盘的形式形成第二电极60，以具有减小的面积。从而，第二电极60没有减少发光面积。

同时，如图所示，随着半导体层20从第一电极30向TCO层50延伸，其具有面积逐渐增加的结构。根据该结构，能够增加光泄漏角。

TCO层50由ZnO制成。而且，可以使用通过向ZnO中加入作为掺杂剂的Al或In所制得的AlZnO或InZnO。

虽然ITO可以用于TCO层50，但是在这种情况下TCO层50的效果差，因为可能不充分地形成TCO层50和半导体层20的n型半导体层21之间的欧姆接触。

图6示出了键合ITO和n型GaN半导体之前它们的能带结构。参考图6，ITO具有大约为4.7eV的功函数和大约3.7eV的能带隙Bg，而GaN具有大约3.44eV的能带隙。

如图7所示，当键合具有如上所述特征的ITO和n型GaN半导体时，利用导带，也就是，n型GaN的费米能级补偿ITO的费米能级，如同导电金属一样。在这种情况下，形成了阻挡电子流动并具有1.7eV能级的势垒ΔE_c。

也就是，在键合表面弯曲能带结构，以便在键合表面形成处于导带的势垒。

当电压(偏置)施加到该状态中的能带结构时，该势垒保持在1.7eV，但是能带结构进一步弯曲了。从而，如图8所示，在势垒产生了隧道效应现象。结果，电流流动。在这种情况下，当施加的电压较高时，因为弯曲度增加，所以流动的电流量增大。

当键合ZnO和n型GaN时，产生了类似的现象。这里，ZnO具有4.2eV的功函数和3.37eV的能带隙Bg。

如图10所示，当键合具有如上所述特征的ZnO和n型GaN半导体时，利用导带，也就是，n型GaN的费米能级补偿ZnO的费米能级如同导电金属一样。在这种情况下，形成了阻挡电子流动并具有1.2eV级的势垒ΔE_c。

由于根据隧道效应现象电流流动的量与Exp[(ΔE_c)^3/2]成比例，所以在ZnO和n型GaN键合的情况下，在更低的电压能够产生足够的电流流动。

也就是，如从上面的描述所看到的，利用ZnO的情况和利用加入掺杂剂的AlZnO或InZnO的情况，在电流流动方面更有利。

由如上所述的ZnO-基材料制成的TCO层50可以大大地提高光泄漏角，通过该角光从GaN材料内部泄漏出。

根据简单计算，光能够从折射系数为2.35的GaN直接泄漏到GaN外部(空气)的光泄漏角大约为25°。然而，当ZnO-基材料用于TCO层50时，因为“sin^-1(2.07/2.35)”为61.74°，所以该光泄漏角大大增加了。

<第二实施例>

在下文中，将参考图12到15描述本发明的第二实施例。在下面的描述中，不再说明与第一实施例相同的工艺。

如图12所示，为了制造根据本实施例的发光器件，在蓝宝石衬底100上方形成GaN基半导体层200和第一电极300。

如图12所示，半导体层200包括n型半导体层210、有源层220和p型半导体层230。为了实现反射效率增强，第一电极300可以包括反射电极400。还可以在第一电极300的上方形成由金属或包含Si的半导体制成的支撑层。

在半导体层200具有按上述次序层压的结构时，第一电极300用作p型电极。

在形成如上述的发光器件芯片之后，利用激光剥离(LLO)方法，从发光器件芯片完全地移除蓝宝石衬底100。

在该LLO方法中，一旦激光束入射，应力就施加到GaN基薄膜。为了分离开蓝宝石衬底100和GaN薄膜，必须使用具有高能量密度的激光束。该激光束将GaN分解成金属元素，即，Ga，和氮气(N₂)。

如图13所示，然后利用具有氮吸气特性的金属，例如，Ti、Zr或Cr，在移除了衬底100的n型半导体层210的表面上方淀积吸气金属层500。吸气金属层500能展示出对氮(N)的高反应性，其是诸如GaN的III族到V族的半导体材料中的V族材料。

通过在n型半导体层210的界面上或界面中小量涂覆或掺杂该吸气金属，完成吸气金属例如Ti、Zr或Cr的淀积。对于淀积方法，根据工艺的方便可以选择性地使用不同的方法，例如，PVD例如溅射、利用有机金属前体的MOCVD、和离子注入。

在淀积了吸气金属层500之后，为了获得最大的光泄漏效果，在吸气金属层500上方形成具有适当折射系数的透明导电氧化物(TCO)层600。

优选TCO层600由氧化铟锡(ITO)制成。

在半导体层200上方形成吸气金属层500和TCO层600之后，如图14所示，进行热处理。

如通常所知的，如图15所示，TCO例如ITO可以不与n型GaN和p型GaN的任何一个形成有效的欧姆接触。

然而，如果在折射系数方面高效的TCO层600可以应用到具有垂直结构的发光器件的顶层，如同在上面描述的结构一样，在光泄漏方面可以提供相当大的优势。

从最近的研究结果可以看出，在热处理中，在ITO/GaN界面上观察到Ga-N分解。有报导说，n型GaN的欧姆接触通常与Ga-N表面中的氮反应，由此导致该表面氮缺乏，并由此形成欧姆接触。

因而，通过去除Ga-N结构中的氮，氮吸气金属层500能够实现欧姆特性和器件稳定性的提高。

众所周知，因为Ti容易形成Ti-N化合物，并且Ti-N展示出和金属中一样的导电性，所以金属例如Ti能够有效地防止由形成化合物导致的电极特性退化。

在形成如上所述的TCO层600之后，在TCO层600上方形成第二电极700，作为n型电极。由此，完全制成了芯片结构。

因而，能够利用ITO作为TCO层600。结果，能够大大地提高光泄漏角，通过该角光从GaN材料内部泄漏出。

根据简单计算，光能够从折射系数为2.35的GaN直接泄漏到GaN外部(空气)的光泄漏角大约为25°。然而，当使用ITO时，该光泄漏角大大增加到54.78°。

对于本领域的那些技术人员来说很显然，在不偏离本发明的精神或范围的前提下，本发明可以做不同的修改和变化。由此，本发明意在覆盖全部的落入附加的权利要求和其等效物的范围之内的本发明的修改和变动。

Claims

1.一种具有垂直结构的发光器件，包括：

具有第一表面和第二表面的半导体层；

布置在所述半导体层的所述第一表面上的第一电极；

布置在所述半导体层的所述第二表面上的透明导电氧化物(TCO)层；和

布置在所述TCO层上的第二电极。

2.根据权利要求1的所述发光器件，其中所述半导体层包括：

p型半导体层；

布置在所述p型半导体层上的有源层；和

布置在所述有源层上的n型半导体层。

3.根据权利要求1的所述发光器件，进一步包括：

布置在所述半导体层和所述第一电极之间的电流扩散层。

4.根据权利要求3的所述发光器件，其中该电流扩散层包括In_xGa_1-xN层或In_xGa_1-xN/GaN超晶格层。

5.根据权利要求1的所述发光器件，其中所述第一电极包括反射电极。

6.根据权利要求1的所述发光器件，进一步包括：

布置在所述第一电极上并且由金属或含Si的半导体制成的支撑层。

7.根据权利要求1的所述发光器件，其中随着半导体层向TCO层延伸，该半导体层具有逐渐增大的面积。

8.根据权利要求1的所述发光器件，其中该TCO层由折射系数比GaN的折射系数高的导电材料制成。

9.根据权利要求1的所述发光器件，其中该TCO层由氧化铟锡(ITO)、ZnO、AlZnO和InZnO中的一种或多种制成。

10.根据权利要求1的所述发光器件，进一步包括：

布置在所述半导体层和所述TCO层之间的吸气金属层。

11.根据权利要求10的所述发光器件，其中所述吸气金属层由Ti、Zr和Cr中的至少一种制成。

12.根据权利要求1的所述发光器件，其中所述半导体层具有倾斜的侧表面。

13.一种具有垂直结构得发光器件，包括：

第一电极；

布置在所述第一电极上的半导体层；

金属层，其与用于形成所述半导体层的至少一种元素之间具有反应性；

布置在所述金属层上的透明导电氧化物(TCO)层；和

布置在所述TCO层上的第二电极。

14.根据权利要求13的所述发光器件，其中所述第一电极包括：

反射电极；和

布置在所述反射电极和所述半导体层之间的欧姆电极。

15.根据权利要求13的所述发光器件，其中该金属层由Ti、Zr和Cr中的至少一种制成。

16.根据权利要求13的所述发光器件，其中所述第一电极形成在由金属或含Si的半导体制成的支撑层上。

17.一种用于制造具有垂直结构的发光器件的方法，包括：

在衬底上方形成具有多层结构的半导体层；

在该半导体层上形成第一电极；

在所述第一电极上方形成由金属或半导体制成的支撑层；

使衬底从所述半导体层分离；

在所述半导体层的衬底分离表面上方形成透明导电氧化物(TCO)层；和

在所述TCO层上形成第二电极。

18.根据权利要求17的所述方法，其中所述TCO层的步骤包括在吸气金属层上方形成TCO层。

19.根据权利要求18的所述方法，进一步包括：

热处理该吸气金属层。

20.根据权利要求18的所述方法，其中该吸气金属层利用溅射方法、MOCVD方法和离子注入方法中的一种形成。