CN101807643B - 发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光器件(LED)。所述LED包括：第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层。有源层在第一导电型半导体层上。第二导电型半导体层在有源层和第一导电型半导体层的至少一侧上并且在有源层上。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件(LED)。
背景技术
发光器件(LED)是将电流转变为光的半导体器件。在红色LED商业化之后，红色LED和绿色LED已经用作用于包括信息通信器件的电子器件的光源。
例如，氮化镓(GaN)半导体具有高的热稳定性和宽的带隙。GaN半导体可与其它元素(例如In和Al)结合以制造发绿光、蓝光或白光的半导体层，并且其发射波长易于控制。因此，GaN半导体已经在包括LED的高功率电子器件技术领域中引起众多关注。
根据相关技术，不仅GaN衬底而且由不同材料(例如硅、蓝宝石和碳化硅(SiC))形成的异质衬底均用于生长GaN外延层。当在这种异质衬底上生长GaN基材料时，由于晶格常数和热膨胀系数之间的失配，所以在生长的薄层中包含有许多缺陷，例如穿透位错(TD)。
此外，根据相关技术，使用基于干蚀刻或者湿蚀刻的隔离工艺来提供LED芯片之间的隔离。然而，在基于蚀刻的隔离工艺期间，等离子体或者化学品会损伤LED，由此使芯片的可靠性劣化。
发明内容
实施方案提供具有低晶体缺陷的发光器件(LED)。
实施方案还提供不需要用于芯片间隔离的隔离工艺的LED。
在一个实施方案中，一种发光器件(LED)包括：第一导电型半导体层；在所述第一导电型半导体层上的有源层；和在有源层和第一导电型半导体层的至少一个侧面上以及在有源层上的第二导电型半导体层。
在另一个实施方案中，一种发光器件(LED)包括：第一导电型半导体层；在第一导电型半导体层上的有源层；在有源层和第一导电型半导体层的侧面上的第二导电型半导体层；在第二导电型半导体层上的第二电极层；和在第一导电型半导体层下方的第一电极。
将在附图和以下的说明中描述一个或多个实施方案的细节。由说明书和附图以及权利要求，其它特征将变得明显。
附图说明
图1是根据一个实施方案的发光器件的截面图。
图2～5是显示制造根据一个实施方案的发光器件的方法的截面图。
实施方案的详细描述
以下参考附图详细地描述根据实施方案的发光器件(LED)。
在实施方案的描述中，应理解，当称层(或膜)在另一层或衬底“上/上方”时，其可直接在另一层或者衬底上/上方，或者也可存在中间层。此外，应理解，当称层在另一层“下/下方”时，其可以直接在另一层下/下方，并且也可存在一个或多个中间层。另外，还应理解，当称层在两层“之间”时，其可以是在所述两层之间仅有的层，或也可存在一个或多个中间层。
图1是根据一个实施方案的发光器件(LED)的截面图。
参考图1，根据一个实施方案的LED可包括：第一导电型半导体层120；在第一导电型半导体层120上形成的有源层130；和在有源层130和第一导电型半导体层120的至少一侧上以及在有源层130上的第二导电型半导体层140。
LED可还包括：在第二导电型半导体层140上形成的第二电极层150；和在第一导电型半导体层120上形成的第一电极125。第二电极层150可包括欧姆接触层152、第二衬底(154)。
下文将参考图2～5对图1中未描述的附图标记进行描述。
根据实施方案，使用选择性生长工艺来生长LED结构中具有低晶体缺陷的GaN基材料，由此提供高内部效率、高可靠性和良好的电流分布。
根据实施方案，使用选择性生长工艺，在第一导电型半导体层的侧面上不生长有源层，而是在第一导电型半导体层的侧面上生长第二导电型半导体层。因此，没有暴露出有源层，并且第二导电型半导体层用作防止产生漏电流的钝化层。因此，可减少用于芯片间隔离的隔离工艺的数目，并且可减少在芯片间隔离工艺期间因等离子体或者化学品所造成的损伤。
而且，根据实施方案，在形成LED之后LED芯片具有截顶的倒金字塔(TIP)形状，因此提供良好的光提取效果。
图2～5是显示制造根据一个实施方案的发光器件的方法的截面图。
参考图2，制备第一衬底100。第一衬底100可为蓝宝石(Al2O3)单晶衬底、Si衬底或者SiC衬底，但实施方案不限于此。可实施湿清洗工艺以移除第一衬底100的表面的杂质。
在第一衬底100上形成非导电半导体层110。例如，可在第一衬底100上形成未掺杂的GaN层，但实施方案不限于此。非导电半导体层110的形成是选择性工艺，可以省略。非导电半导体层110的形成可改善其上将形成的第一导电型半导体层120的生长并且可防止晶体缺陷向上延伸。
在非导电半导体层110上形成第一图案210以暴露出其部分区域M。第一图案210可保留在芯片间的边界区中。例如，第一图案210可为氧化物层(例如SiO2)或者氮化物层，但实施方案不限于此。例如，可使用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积SiO2，并且可使用图案化工艺来形成暴露出部分区域M的第一图案210。
参考图3，在暴露的非导电半导体层110上形成第一导电型半导体层120。例如，可使用化学气相沉积(CVD)工艺、分子束外延(MBE)工艺、溅射工艺或者氢化物气相外延(HVPE)工艺来形成用于第一导电型半导体层120的n型GaN层。而且，可通过将含n型杂质例如硅(Si)的硅烷气体(SiH4)、三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)或者氮气(N2)注入工艺腔室来形成第一导电型半导体层120。
此处，第一导电型半导体层120可从种子区域(即暴露的非导电半导体层110)侧向生长至第一图案210。第一图案210上的第一导电型半导体层120具有高质量的几乎没有位能的结晶度。
根据实施方案，使用选择性生长工艺来生长在LED结构中具有低的晶体缺陷的GaN基材料，由此提供高内部效率、高可靠性和良好的电流分布。
在第一导电型半导体层120上形成有源层130。有源层130可具有通过一次或多次交替层叠具有不同能带的氮化物半导体层所形成的量子阱结构。例如，有源层130可具有包括InGaN/GaN和/或InGaN/InGaN结构的量子阱结构，该InGaN/GaN和/或InGaN/InGaN结构是通过注入三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)、氮气(N2)或者三甲基铟气体(TMIn)形成的，但实施方案不限于此。
此处，在第一导电型半导体层120上可形成有源层130。例如，可在第一导电型半导体层120的侧面上形成掩模图案(未显示)，并且可在第一导电型半导体层120上形成有源层130。
参考图4，在有源层130和第一导电型半导体层120上形成第二导电型半导体层140。例如，第二导电型半导体层140可通过将含p型杂质例如镁(Mg)的双乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}、三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)或者氮气(N2)注入工艺腔室中来形成，但实施方案不限于此。
此处，可形成第二导电型半导体层140以覆盖有源层130和第一导电型半导体层120。
而且，第二导电型半导体层140可在有源层130的顶部和侧面上以及第一导电型半导体层120的侧面上形成。
此处，有源层130和第一导电型半导体层120侧面上的第二导电型半导体层140可形成为薄于有源层顶部上的第二导电型半导体层。
此处，有源层130和第一导电型半导体层120侧面上的第二导电型半导体层140可形成为不与第一导电型半导体层产生pn结的厚度。例如，有源层130和第一导电型半导体层120侧面上的第二导电型半导体层140可形成为具有约100
或者更小的厚度以避免产生耗尽，但实施方案不限于此。
而且，有源层130和第一导电型半导体层120侧面上的第二导电型半导体层140可形成为具有用于隔离的高电阻率。例如，有源层130和第一导电型半导体层120侧面上的第二导电型半导体层140可形成为具有约100或者更小的厚度以避免产生耗尽，但实施方案不限于此。
根据实施方案，使用选择性生长工艺，在第一导电型半导体层的侧面上不生长有源层，而是在第一导电型半导体层的侧面上生长第二导电型半导体层。因此，没有暴露出有源层，并且第二导电型半导体层用作防止产生漏电流的钝化层。因此，可减少用于芯片间隔离的隔离工艺的数目，并且可减少芯片间隔离工艺期间因等离子体或者化学品所造成的损伤。
参考图5，在第二导电型半导体层140上形成第二电极层150。第二电极层150可包括欧姆接触层152、反射层(未显示)、耦合层(未显示)和第二衬底154。
例如，第二电极层150可包括欧姆接触层152，并且可通过多次层叠单一金属、金属合金或者金属氧化物来形成，以提供高效的空穴注入。例如，欧姆接触层152可由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、和Ni/IrOx/Au/ITO中的至少一种形成，但实施方案不限于此。
此外，如果第二电极层150包括反射层，则其可由包含铝(Al)、银(Ag)或者含Al或Ag的金属合金的金属层形成。Al或者Ag有效地反射由有源层产生的光，因此使得能够大幅改善LED的光提取效率。
此外，如果第二电极层150包括耦合层，则反射层可用作耦合层，或者可使用镍(Ni)或金(Au)形成耦合层。
此外，第二电极层150可包括第二衬底154。如果第一导电型半导体层120具有约50μm或更大的足够的厚度，则可省略形成第二衬底的工艺。第二衬底154可由高导电金属、金属合金或者导电半导体材料形成，以提供高效的空穴注入。例如，第二衬底154可由铜(Cu)、Cu合金、Si、Mo或者SiGe形成。第二衬底154可使用电化学金属沉积工艺或者基于低共晶金属的接合工艺形成。
移除第一衬底100以暴露出非导电半导体层110。此处，可使用高功率激光或者化学蚀刻工艺移除第一衬底100。此外，也可使用物理研磨工艺移除第一衬底100。
移除非导电半导体层110的一部分，并且在第一导电型半导体层120上形成第一电极125。例如，可在第一导电型半导体层120上形成n型电极。
因此，如图5所示，LED芯片具有截顶的倒金字塔(TIP)形状，由此能够提供约55％或更高的外部量子效率。例如，如果LED是橙色LED，则其在约100mA下可提供约100lm/W或更高的亮度，这超过了荧光灯的亮度。
根据实施方案，在形成LED之后LED芯片具有截顶的倒金字塔(TIP)形状，因此提供良好的光提取效果。
在实施方案中，第一图案210可移除或者可不移除，并且可在非导电半导体层110或者暴露的第一导电型半导体层120上形成表面粗糙结构，由此能够改善光提取效率。例如，可使用基于湿蚀刻工艺的选择蚀刻工艺来移除第一图案210，并且可使用干蚀刻工艺或者湿蚀刻工艺在除对应于第一电极125的区域之外的非导电半导体层110顶部上形成表面粗糙结构。
根据实施方案，使用选择性生长工艺来生长在LED结构中具有低晶体缺陷的GaN基材料，因此提供高内部效率、高可靠性和良好的电流分布。
根据实施方案，使用选择性生长工艺，在第一导电型半导体层的侧面上不生长有源层，而是在第一导电型半导体层的侧面上生长第二导电型半导体层。因此，没有暴露出有源层，并且第二导电型半导体层用作防止产生漏电流的钝化层。因此，可减少用于芯片间隔离的隔离工艺的数目，并且可减少芯片间隔离工艺期间由等离子体或者化学品所造成的损伤。
此外，根据实施方案，LED芯片在形成LED之后具有截顶的倒金字塔(TIP)形状，因此提供良好的光提取效应。
本说明书中提到的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例实施方案”等是指关于该实施方案描述的特定特征、结构、或特性包含于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些术语不一定都指相同的实施方案。此外，当就任何实施方案描述特定的特征、结构或特性时，认为将这些特征、结构或特性与实施方案中的其它特征、结构或特性相结合在本领域技术人员的可预见范围内。
虽然已经参考大量示例性实施方案描述了本发明实施方案，但是应理解本领域技术人员可设计多个其它修改方案和实施方案，它们也落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在公开、附图和所附的权利要求的范围内可以对主题组合排列的组成部件和/或结构进行各种变化和修改。除组成部件和/或结构的变化和修改之外，对本领域技术人员而言，替代用途也是明显的。
Claims (20)
1.一种发光器件，其包括：
第一导电型半导体层；
在所述第一导电型半导体层上的有源层；
在所述有源层和所述第一导电型半导体层的至少一侧上以及在所述有源层上的第二导电型半导体层；
在所述第一导电型半导体层下方的第一电极，和
在所述第二导电型半导体层上的第二电极层，
其中远离所述有源层的所述第一导电型半导体层的水平宽度大于靠近所述有源层的所述第一导电型半导体层的水平宽度，
其中所述第二导电型半导体层与所述第一导电型半导体层的侧表面直接接触。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中形成在所述有源层和所述第一导电型半导体层的两个侧面上的所述第二导电型半导体层用作所述钝化层。
3.根据权利要求2所述的发光器件，其中通过形成在所述有源层和所述第一导电型半导体层的两个侧面上的所述第二导电型半导体层使得所述有源层和所述第一导电型半导体层的两个侧面没有暴露出。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第二导电型半导体层覆盖所述有源层和所述第一导电型半导体层。
5.根据权利要求2所述的发光器件，其中在所述有源层和所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层比在所述有源层的顶部上的所述第二导电型半导体层薄。
6.根据权利要求5所述的发光器件，其中在所述有源层和所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层的厚度为约或者更小。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其包括在所述第一导电型半导体层下方的非导电半导体层。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其包括在所述第一导电型半导体层的两侧处的第一图案。
9.根据权利要求8所述的发光器件，其中所述第一导电型半导体层也在所述第一图案上。
10.根据权利要求1所述的发光器件，其中在所述有源层和所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层形成为具有用于隔离的高电阻率。
11.一种发光器件，其包括：
第一导电型半导体层；
在所述第一导电型半导体层上的有源层；
在所述有源层和所述第一导电型半导体层的至少一侧上以及在所述有源层上的第二导电型半导体层；
在所述第二导电型半导体层上的第二电极层；和
在所述第一导电型半导体层下方的第一电极，
其中所述第二导电型半导体层与所述第一导电型半导体层的侧表面直接接触。
12.根据权利要求11所述的发光器件，其中在所述有源层和所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层比在所述有源层的顶部上的所述第二导电型半导体层薄。
13.根据权利要求12所述的发光器件，其中在所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层不导致耗尽。
14.根据权利要求11所述的发光器件，其中所述第二电极层包括欧姆接触层、反射层、耦合层和第二衬底中的至少一个或者更多个。
15.根据权利要求11所述的发光器件，其包括在所述第一导电型半导体层下的表面粗糙结构。
16.根据权利要求11所述的发光器件，其中所述第二导电型半导体层在所述有源层的顶部和侧面上以及在所述第一导电型半导体层的侧面上。
17.根据权利要求11所述的发光器件，其中远离所述有源层的所述第一导电型半导体层的表面的水平宽度大于靠近所述有源层的所述第一导电型半导体层的表面的水平宽度。
18.根据权利要求11所述的发光器件，其包括在所述第一导电型半导体层下方的非导电半导体层。
19.根据权利要求18所述的发光器件，其包括在所述第一导电型半导体层的两侧处的第一图案。
20.根据权利要求11所述的发光器件，其中在所述有源层和所述第一导电型半导体层的侧面上的所述第二导电型半导体层形成为具有用于隔离的高电阻率。
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