紫外发光装置的制作方法

于2017年12月19日向韩国知识产权局提交的标题为“紫外发光装置”的韩国专利申请no.10-2017-0175149通过引用整体并入本文。

实施例涉及紫外发光装置。

背景技术：

近来，紫外光源已经用于诸如灭菌器、消毒装置、uv固化装置等装置中以用于各种目的。作为紫外光源，具有高效特性的环境友好型半导体发光二极管(led)受到了相当多的关注。例如，已经考虑了氮化物半导体发光二极管。

技术实现要素：

可以通过提供这样一种紫外发光装置来实现实施例，该紫外发光装置包括：第一导电类型algan半导体层；有源层，其设置在所述第一导电类型algan半导体层上并且具有algan半导体；第二导电类型algan半导体层，其设置在所述有源层上，并且具有被划分为第一区域和第二区域的上表面；第二导电类型氮化物图案，其设置在所述第二导电类型algan半导体层的所述第一区域上，并且所述第二导电类型氮化物图案的能带隙小于所述第二导电类型algan半导体层的能带隙；透明电极层，其覆盖所述第二导电类型氮化物图案和所述第二导电类型algan半导体层的所述第二区域；透光介电层，其设置在所述第二导电类型氮化物图案之间的所述透明电极层上；以及金属电极，其设置在覆于所述第二导电类型氮化物图案上的所述透明电极层上以及所述透光介电层上。

可以通过提供这样一种紫外发光装置来实现实施例，该紫外发光装置包括：发光叠层，所述发光叠层包括：包括alx1ga1-x1n半导体的第一导电类型半导体层，其中0＜x1＜1，包括alx2ga1-x2n半导体的第二导电类型半导体层，其中0＜x2＜1，以及设置在所述第一导电类型半导体层和所述第二导电类型半导体层之间并且包括alx3ga1-x3n半导体的有源层，其中0＜x3＜x1并且0＜x3＜x2；第二导电类型氮化物图案，其部分地设置在所述第二导电类型半导体层上并且包括alx4ga1-x4n半导体，其中0＜x4＜x2；透明电极层，其设置在所述第二导电类型氮化物图案的上表面上；透光介电层，其设置在处于所述第二导电类型氮化物图案之间的所述第二导电类型半导体层的区域上；以及金属电极，其设置在所述透明电极层和所述透光介电层上。

可以通过提供这样一种紫外发光装置来实现实施例，该紫外发光装置包括：第一导电类型algan半导体层；有源层，其设置在所述第一导电类型algan半导体层上并且具有algan半导体；第二导电类型algan半导体层，其设置在所述有源层上并且具有被划分为第一区域和第二区域的上表面；第二导电类型氮化物图案，其部分地形成在所述第二导电类型algan半导体层上并且包括gan半导体；ito层，其至少设置在所述第二导电类型氮化物图案的上表面上；透光介电层，其设置在处于所述第二导电类型氮化物图案之间的所述第二导电类型半导体层上；以及金属电极，其设置在覆于所述第二导电类型氮化物图案上的ito层的区域上以及所述透光介电层上。

附图说明

通过参考附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将是显而易见的，在附图中：

图1示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图；

图2示出了图1中所示的紫外发光装置的顶视图；

图3示出了图1中所示的紫外发光装置的a部分的放大图；

图4示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图；

图5示出了图4中所示的紫外发光装置的顶视图；

图6a至图6f示出了根据示例实施例的制造紫外发光装置的方法中的各阶段的剖视图；

图7示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图；以及

图8a至图8e示出了根据示例实施例的制造紫外发光装置的方法中的各阶段的剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图。图2示出了沿图1中所示的紫外发光装置的线i1-i1'截取的顶视图。

参照图1和图2，根据示例实施例的紫外发光装置10可包括衬底11和设置在衬底11上用于发射紫外光的半导体叠层s。半导体叠层s可以包括第一导电类型半导体层13和第二导电类型半导体层16以及设置在第一导电类型半导体层13和第二导电类型半导体层16之间的有源层14。

衬底11可以是绝缘衬底、导电衬底或半导体衬底。例如，衬底11可以包括蓝宝石、aln、sic、mgal2o4、mgo、lialo2或ligao2。如本文所用，术语“或”不是排他性术语。在该实施例中采用的半导体叠层s可以包括基层12，其形成在衬底11上并且设置用于生长第一导电类型algan半导体层。例如，基层12可以由诸如aln或algan的氮化物形成。

在一种实施方式中，第一导电类型半导体层13可以包括例如由alx1ga1-x1n表示的n型氮化物半导体，其中0＜x1≤1，并且n型杂质可以是硅(si)。例如，第一导电类型半导体层13可以包含n型algan。在一种实施方式中，第二导电类型半导体层16可以包括例如由alx2ga1-x2n表示的p型氮化物半导体，其中0＜x2≤1，并且p型杂质可以是mg。例如，第二导电类型半导体层16可以包含p型algan。

在一种实施方式中，第一导电类型半导体层13的al组分比x1可以在0.45至0.99的范围内，例如，可以在0.60至0.65的范围内。在一种实施方式中，第二导电类型半导体层16的al组分比x2可以在0.45至0.99的范围内，例如，可以在0.75至0.85的范围内。

在该实施例中采用的有源层14可以具有由alx3ga1-x3n形成的量子阱，其中0＜x3＜1。在一种实施方式中，有源层14可以具有例如具有单个量子阱的单量子阱(sqw)结构。在一种实施方式中，有源层14可以具有多个量子阱层和多个量子势垒层交替堆叠的多量子阱(mqw)结构(参见图4)。

有源层14的量子阱可以具有确定紫外光波长的带隙，并且在该实施例中采用的有源层14可以构造为发射波长为210nm至315nm的光。第一导电类型半导体层13和第二导电类型半导体层16的带隙可以大于量子阱的带隙，从而使得从有源层14产生的紫外光不被第一导电类型半导体层13和第二导电类型半导体层16吸收。在一种实施方式中，量子阱的al组分比x3可以小于第一导电类型半导体层13的al组分比x1和第二导电类型半导体层16的al组分比x2。在一种实施方式中，量子阱的al组分比x3的范围可以从0.35到0.5。

根据该实施例的紫外发光装置10可以包括分别连接到第一导电类型半导体层13和第二导电类型半导体层16的第一电极18和第二电极19。

如图1中所示，通过部分地去除第二导电类型半导体层16和有源层14，半导体叠层s可以具有这样的区，其暴露出第一导电类型半导体层13的一个区域。第一电极18可以设置在第一导电类型半导体层13的暴露区域上。第一电极18可以是n电极，可以由al、ti、ni、cr、au、ag或ito形成，或者可以是由其组合物构成的多层结构。

该实施例中采用的第二电极19不仅可以设置为欧姆接触结构，还可以设置为全向反射器(odr)以提高光提取效率。

在该实施例中采用的第二电极19可以提供反射结构以提高光提取效率。在紫外发光装置中，可能难以通过蓝色发光二极管的反射电极获得所需的反射率。例如，大多数反射金属对紫外光的反射率可能远低于其对诸如蓝光的可见光的反射率。

例如，在对蓝光具有非常高的反射率的欧姆接触材料银(ag)的情况下，对紫外光的反射率低至20％。另一方面，在对紫外光的反射率比对蓝光更高的金属(例如，铝)的情况下，可能难以与第二导电类型半导体层16形成欧姆接触。例如，第二导电类型半导体层(例如，p型algan层)可能与电极具有相当大的接触电阻，并且可能需要降低al组分比或用p型gan代替它以形成欧姆接触。然而，如果要降低第二导电类型半导体层的al组分比，则紫外光可能被吸收，从而光提取效率可能降低。

在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p(其能带隙小于第二导电类型半导体层16的能带隙)可以形成在第二导电类型半导体层16的一些区域上(例如，可以不连续地形成在第二导电类型半导体层16上)。当第二导电类型氮化物图案17p由p型alx4ga1-x4n表示或包括p型alx4ga1-x4n时，al组分比x4可以低于第二导电类型半导体层16的al组分比x2。在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p可以由p型gan形成。第二导电类型氮化物图案17p可以仅形成在第二导电类型半导体层16的一些区域上。在一种实施方式中，如图2所示，第二导电类型氮化物图案17p可以形成为多个圆形(circular)图案(例如，圆的岛形图案)。在一种实施方式中，可以以其他各种形状的图案和/或排布来形成第二导电类型氮化物图案17p。

形成在第二导电类型半导体层16的其中形成有第二导电类型氮化物图案17p的区域上(例如，形成在第二导电类型氮化物图案17p上)的透明电极层19a可被设置为欧姆接触结构。在本实施例中采用的透明电极层19a也可以设置在第二导电类型半导体层16的另一区域上(例如，在没有形成第二导电类型氮化物图案17p的区域中)同时覆盖第二导电类型氮化物图案17p。例如，透明电极层19a可以处于第二导电类型氮化物图案17p上和第二导电类型氮化物图案17p之间暴露的第二导电类型半导体层16的部分上。

在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p可以由p型gan形成，并且透明电极层19a可以是ito层。在一种实施方式中，透明电极层19a可以有利地用于具有透光性的透明电极材料同时与第二导电类型氮化物图案17p形成欧姆接触。在一种实施方式中，透明电极层19a可以包括ito，并且透明电极层19a可以具有1nm至50nm的厚度。

在一种实施方式中，透明电极层19a可以包括例如ito(氧化铟锡)、zito(锌掺杂的氧化铟锡)、zio(氧化锌铟)、gio(氧化镓铟)、zto(氧化锌锡)、fto(氟掺杂的氧化锡)、azo(铝掺杂的氧化锌)、gzo(镓掺杂的氧化锌)、in4sn3o12或zn(1-x)mgxo(氧化锌镁，其中0≤x≤1)。

第二导电类型氮化物图案17p(其具有相对小的带隙)可以形成在第二导电类型半导体层16的一些区域上，并且光提取效率会受到不利影响。然而，为了补偿这种限制，可以在第二导电类型半导体层16的另一区域(例如，其中没有形成第二导电类型氮化物图案17p的区域中(例如，在第二导电类型氮化物图案17p之间))形成具有高反射率的全向反射器(odr)。

透光介电层19b可以形成在其中没有形成第二导电类型氮化物图案17p的区域中。透光介电层19b可以具有低折射率(例如，2或更小)。在一种实施方式中，透光介电层19b可以包括sio2、sin、tio2、hfo或mgf2。

金属电极19c可以形成在透光介电层19b上。本实施例中采用的金属电极19c不仅可以形成在透光介电层19b的表面上，而且可以形成在透明电极层19a上。金属电极19c可以与透光介电层19b(低折射层)组合，并且可以用作全向反射器从而向透明电极层19a提供电流。在一种实施方式中，金属电极19c可以包括例如al、rh或ru。

这样，根据实施例的第二电极19可以被设置为全向反射器以及欧姆接触结构。如图3所示，主电流i可形成为通过第二导电类型氮化物图案17p和透明电极层19a，并且在相同区域中行进的紫外光r2可以被第二导电类型氮化物图案17p吸收并且可以具有低反射率，而从透光介电层19b行进到金属电极19c的紫外光r1由于odr结构而具有高反射率。

在一种实施方式中，如图2所示，由第二导电类型氮化物图案17p与透明电极层19a的组合实现的欧姆接触结构可以形成为将其广泛分散在第二导电类型半导体层16的上表面(例如，背离有源层14的表面)的形式，从而可以在有源层的整个区域上实现均匀的电流分布。

如上所述，第二导电类型氮化物图案17p可以形成为各种形状，诸如多边形(例如四边形)、或线形以及圆形。在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p可以不形成为如图1和图2所示的浮凸图案(embossedpattern)，但是，第二导电类型氮化物图案17p'可以形成为雕刻图案(engravedpattern)，如图4和图5所示(例如，形成为连续的网格图案)。

图4示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图。图5示出了沿图4中所示的紫外发光装置的线i2-i2'截取的顶视图。

参照图4和图5，可以理解的是，除了第二电极19'和有源层14的结构与图1和图2中所示的结构不同并且紫外发光装置10a中包括电子阻挡层之外，根据该实施例的紫外发光装置10a类似于图1和图2中所示的紫外发光装置10。除非另有说明，否则对本实施例的部件的描述可以参考对图1和图2中所示的紫外发光装置10的相同或相似部件的描述。

第二导电类型氮化物图案17p'可以形成为具有雕刻图案层，该雕刻图案层具有拥有四边形平面或四边形形状的孔。类似于前一实施例，透明电极层19a'(例如，其包括ito)可以形成在第二导电类型半导体层16的上表面上(例如，在第二导电类型氮化物图案17p'内的一个或多个孔中)和第二导电类型氮化物图案17p'上。透光介电层19b'可以形成在四边形孔的区域中(例如，在透明电极层19a'上)，并且金属电极19c可以形成在透明电极层19a'和透光介电层19b'上。

在该实施例中采用的有源层14可以具有其中由alxaga1-xan(其中0＜xa＜1)形成的多个量子阱层14a和由alxbga1-xbn(其中xa＜xb＜1)形成的多个量子势垒层14b交替堆叠的多量子阱(mqw)结构。有源层14的量子阱可以具有确定紫外光波长的带隙，并且在该实施例中采用的有源层14可以构造为发射波长为210nm至315nm的光。在一种实施方式中，量子阱的al组分比xa可以在0.40至1.0的范围内，并且al组分比xa可以根据期望的波长而变化。

在该实施例中采用的半导体叠层s还可以包括设置在第二导电类型半导体层16和有源层14之间的电子阻挡层(ebl)15。电子阻挡层15的带隙可以高于第二导电类型半导体层16的带隙，并且电子阻挡层15可以包括由alx5ga1-x5n(其中x2＜x5≤1)表示的p型氮化物半导体。在一种实施方式中，电子阻挡层15的al组分比x5可以是0.8或更大。

图6a至图6f示出了根据示例实施例的制造紫外发光装置的方法中的各阶段的剖视图。

参照图6a，可以在衬底11上顺序堆叠基层12、第一导电类型半导体层13、有源层14和第二导电类型半导体层16，以形成用于发射紫外光的半导体叠层。

此外，可以在第二导电类型半导体层16上形成第二导电类型氮化物层17(其具有相对小的带隙)。第二导电类型氮化物层17可以是例如al组分比小于第二导电类型半导体层16的al组分比的algan层或gan层。在一种实施方式中，衬底11可以如上所述由蓝宝石或aln形成。

第一导电类型半导体层13可以是由alx1ga1-x1n(其中0＜x1≤1)表示的n型氮化物半导体，例如，可以包含n型algan。第二导电类型半导体层16可以是由alx2ga1-x2n(其中0＜x2≤1)表示的p型氮化物半导体，例如，可以包含p型algan。在一种实施方式中，在该实施例中采用的有源层14可以具有由alx3ga1-x3n(其中0＜x3＜1)形成的量子阱。在一种实施方式中，有源层14可以是多量子阱(mqw)结构。

可以通过例如金属有机化学气相沉积(mocvd)、氢化物气相外延(hvpe)或mbe(分子束外延)工艺来生长基层12、第一导电类型半导体层13、有源层14和第二导电类型半导体层16。

接下来，参照图6b，可以选择性地蚀刻第二导电类型氮化物层17以形成具有期望形状和排布的第二导电类型氮化物图案17p。

第二导电类型氮化物图案17p可以仅保留在第二导电类型半导体层16的一些区域上，并且第二导电类型半导体层16的其他区域可以被暴露以形成全向反射器odr。在一种实施方式中，如图2所示，第二导电类型氮化物图案17p可以形成为多个圆形图案。在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p可以形成为各种其他形状的图案和/或排布。在一种实施方式中，可以通过使用光刻的反应离子蚀刻(rie)工艺来执行该处理。

接下来，参照图6c，可以在第二导电类型半导体层16上形成透明电极层19a，以覆盖第二导电类型氮化物图案17p。

透明电极层19a可以与第二导电类型氮化物图案17p形成欧姆接触。位于第二导电类型氮化物图案17p之间的透明电极层19a可以直接接触第二导电类型半导体层16，因此可以具有高接触电阻。在一种实施方式中，第二导电类型氮化物图案17p可以由p型gan形成，并且透明电极层19a可以是ito层。当透明电极层19a是ito时，透明电极层19a可以形成为具有1nm或更大的厚度。

接下来，参照图6d，可以在透明电极层19a上形成透光介电层19b，以填充第二导电类型氮化物图案17p之间的空间。如图6e所示，可以选择性地蚀刻透光介电层19b，以暴露与第二导电类型氮化物图案17p对应的透明电极层19a的区域e。

透光介电层19b可以具有低折射率(例如，2或更小)。例如，透光介电层19b可包括sio2、sin、tio2、hfo或mgf2。透明电极层19a的暴露区域e可以设置为与将在后续处理中形成的金属电极19c的接触区域。

接下来，参照图6f，可以在透明电极层19a的暴露区域e上和透光介电层19b上形成金属电极19c。

在该处理中形成的金属电极19c可以形成在透光介电层19b上以及透明电极层19a的暴露区域e上。金属电极19c可以设置为与透光介电层19b(例如低折射层)组合的全向反射器。另外，金属电极19c可以连接到透明电极层19a并用于提供电流。在一种实施方式中，金属电极19c可以包括al、rh或ru。

在一种实施方式中，可以不同地修改和执行各个处理。在一种实施方式中，在完全沉积透光介电层19b(参见图6d)之后，可以通过选择性蚀刻工艺来暴露透明电极层19a(参见图6e)。在一种实施方式中，通过在透光介电层19b的沉积过程中使用掩模，透明电极层19a可以形成为仅填充第二导电类型氮化物图案17p之间的区域。

图7示出了根据示例实施例的紫外发光装置的侧面剖视图。

参照图7，可以理解的是，除了第二电极29的结构与图1和图2中所示的结构不同、并且紫外发光装置20还包括电子阻挡层15之外，根据该实施例的紫外发光装置20类似于图1和图2中所示的紫外发光装置10。除非另有说明，否则对该实施例的部件的描述可以参考对图1和图2中所示的紫外发光装置10的相同或相似部件的描述。

紫外发光装置20可以包括设置在第二导电类型半导体层16和有源层14之间的电子阻挡层15。电子阻挡层15可以由al组分比大于第二导电类型半导体层16的al组分比的氮化物半导体形成。

类似于前一实施例，第二导电类型氮化物图案17p可以部分地(例如，不连续地)设置在第二导电类型半导体层16上。透明电极层29a可以设置在在第二导电类型氮化物图案17p的上表面(例如，背离第二导电类型半导体层16的表面)上，并且可以不设置在第二导电类型氮化物图案17p之间的区域中。透光介电层29b可以形成在第二导电类型氮化物图案17p之间的第二导电类型半导体层16的上表面上。金属电极29c可以设置在透明电极层29a和透光介电层29b上。在该实施例中，与前面的实施例不同，透明电极层29a可以不形成在提供全向反射器的区域中。

图8a至图8e示出了制造图7中所示的紫外发光装置的方法中的各阶段的剖视图。

参照图8a，类似于图6b中所示的实施例，可以选择性地蚀刻第二导电类型氮化物层17以形成具有期望形状和排布的第二导电类型氮化物图案17p。

第二导电类型氮化物图案17p可以仅保留在第二导电类型半导体层16的一些区域中，并且可以暴露第二导电类型半导体层16的其他区域以随后形成全向反射器odr。与前述实施例的情况类似，可以通过诸如rie工艺的干蚀刻工艺来执行该处理。

接下来，如图8b所示，透光介电层29b可以形成为覆盖第二导电类型半导体层16上的第二导电类型氮化物图案17p和在第二导电类型氮化物图案17p之间的第二导电类型半导体层16的区域。如图8c所示，可以选择性地蚀刻透光介电层29b以暴露第二导电类型氮化物图案17p的上表面区域e。

透光介电层29b可以具有低折射率(例如，2或更小)。在一种实施方式中，透光介电层29b可以包括例如sio2、sin、tio2、hfo或mgf2。在选择性地蚀刻透光介电层29b之后获得的第二导电类型氮化物图案17p的暴露区域e可以设置为与将在后续工艺中形成的透明电极层29a的接触区域。

接下来，如图8d所示，可以在第二导电类型氮化物图案17p的暴露区域上形成透明电极层29a。如图8e所示，可以在透明电极层29a上以及透光介电层29b上形成金属电极29c。

透明电极层29a可以通过使用掩模的选择性沉积工艺形成在第二导电类型氮化物图案17p的暴露区域e上。然后，在当前处理中形成的金属电极29c可被设置到透明电极层29a和透光介电层29b上，以向透明电极层29a提供电流并同时与透光介电层29b组合，由此被设置为全向反射器。在一种实施方式中，金属电极29c可以包括例如al、rh或ru。

在一种实施方式中，可以对各个处理进行各种修改。在一种实施方式中，在选择性地蚀刻透光介电层29b(参见图8c)之后，可以选择性地沉积透明电极层29a(参见图8d)。在一种实施方式中，在用于第二导电类型氮化物图案17p的氮化物层上(在图案化之前，参见图6a)形成透明电极层29a之后，可以利用用于形成第二导电类型氮化物图案17p的图案化工艺来同时图案化透明电极层29a。

通过总结和回顾，在uv氮化物半导体led的情况下，因为由晶体缺陷和低载流子浓度(例如，在空穴的情况下)导致的俄歇复合，uv氮化物半导体led的外部量子效率可能降低，并且uv氮化物半导体led可能由高折射半导体构成，从而导致低的光提取效率。例如，在用于紫外波段中的短波长区域(例如，uv-b和uv-c)的氮化物半导体led的情况下，光提取效率可能极低(例如，2％至3％)，并且氮化物半导体led的商业化可能很困难。同时，可以使用具有宽带隙的氮化物半导体层(例如algan)，以便不吸收其中短波长的紫外光，并且该具有宽带隙的氮化物半导体层可能难以与电极(例如，p型电极)形成欧姆接触。

根据实施例的紫外发光装置可以通过使用诸如ito的透明电极层连同具有相对小的带隙的氮化物图案来帮助改善接触电阻，并且同时可以通过使用具有低折射率的透光介电层和金属电极提供全向反射器来帮助提高光提取效率。例如，透明电极层(诸如ito)可以延伸到第一导电类型半导体层的与透光介电层接触的表面，并且光提取效率可以显著提高。

实施例可提供具有能够提高光提取效率同时允许形成优异的欧姆接触的电极结构的紫外发光装置。

本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义来使用和解释，而不是出于限制的目的。在一些情况下，如本领域普通技术人员在提交本申请时显而易见的，除非另外特别指出，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。