专利名称：半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
实施方案涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术：
III-V族氮化物半导体已经广泛用于光学器件例如蓝色和绿色发光二极管 (LED)、高速开关器件例如M0SFET (金属半导体场效应晶体管)和HEMT (异质结场效应晶体 管)以及照明装置或显示装置的光源。 氮化物半导体主要用于LED (发光二极管)或LD (激光二极管)，已对其持续进行 研究以改善氮化物半导体的制造工艺或发光效率。
发明内容
技术问题 实施方案提供一种能够利用多重反射层来改善外部量子效率的半导体发光器件 及其制造方法。 实施方案提供一种半导体发光器件及其制造方法，所述半导体发光器件包括多重 反射层，所述多重反射层包括设置在第一导电型半导体层下方的具有不同折射率的多个反 射层。 技术方案 —个实施方案提供一种半导体发光器件，包括多重反射层，所述多重反射层包括 至少一个具有不同折射率的反射层；在所述多重反射层上的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；和在所述有源层上的第二导电型半导体层。
—个实施方案提供一种制造半导体发光器件的方法，所述方法包括在衬底上形 成具有不平坦结构的多重反射层，所述多重反射层包括具有不同折射率的反射层；在所述 衬底和所述多重反射层上形成第一导电型半导体层；在所述第一导电型半导体层上形成有 源层；和在所述有源层上形成第二导电型半导体层。
有益效果 实施方案可改善半导体发光器件的外部量子效率。 而且，实施方案利用具有不平坦结构的多重反射层可改善半导体薄膜的结晶度。
图1是说明根据第一实施方案的半导体发光器件的侧视截面图。 图2 8是说明制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的视图。 图9是说明根据第二实施方案的半导体发光器件的侧视截面图。 图10是图9中部分A的放大视图。 发明的最佳实施方式 现在将参照附图中所示的实施例详细说明本发明的实施方案。在说明书中，附图中各层的厚度为例举说明，因此不限于此。 图1是说明根据第一实施方案的半导体发光器件100的侧视截面图。 参照图l，半导体发光器件100包括衬底110、多重反射层120、缓冲层130、未掺
杂的半导体层140、第一导电型半导体层150、有源层160和第二导电型半导体层170。 衬底110可包括蓝宝石(A1203)衬底、碳化硅(SiC)衬底、硅(Si)衬底、砷化镓
(GaAs)衬底、氮化镓(GaN)衬底、氧化锌(ZnO)衬底、磷化镓(GaP)衬底、磷化铟(InP)衬底
和锗(Ge)衬底中的至少一种。作为替代方案，衬底IIO可包括导电衬底。衬底110的表面
可具有不平坦图案，但不限于此。根据发光器件的安装方法，衬底iio可被移除。 在衬底110上形成具有不平坦结构的多重反射层120。多重反射层120包括交替
堆叠并且彼此分隔开预定距离的多个反射层121和122。多重反射层120可形成为条形或
者透镜形，并可具有例如半球形、凸透镜形、角形或多边形的截面形状。然而，多重反射层
120的形状和截面可在实施方案的范围内进行各种改变。 多重反射层120包括成对的层，例如具有不同折射率的第一和第二反射层121和 122。作为替代方案，多重反射层120可包括具有2-6个反射层的层组。此外，第一反射层 121的数目与第二反射层122的数目可相等或者不同。 多重反射层120可包括2-50个成对的第一和第二反射层121和122。在多重反射 层120中，第一和第二反射层121和122具有彼此不同的直径。例如，最下方的第一反射层 121的直径(或长度)可大于最上方的第一反射层121的直径。反射层121和122的直径 (或长度)可从底部向顶部逐渐减小。 多重反射层120中的每一个反射层121和122均可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al203 和ZrO中的至少一种材料形成。第一和第二反射层121和122由具有不同折射率的材料形 成。 第一反射层121可由与用于第二反射层122的材料不同的材料形成，或者由其折 射率与第二反射层122的折射率不同的材料形成。例如，第一反射层121的第一折射率可小 于或者大于第二反射层122的第二折射率。例如，第一和第二反射层121和122可由成对 的ZrO/Si(^层形成。此处，第一和第二反射层121和122的折射率可小于至少氮化镓(GaN) 的折射率。 Si02的折射率是1. 46， Si3N4的折射率是2. 05， SiON的折射率是1. 46-2. 05， Ti02
的折射率是2. 49-2. 90， A1203的折射率是1. 77， ZrO的折射率是1. 90。 在衬底110和多重反射层120上形成缓冲层130。在缓冲层130上可形成未掺杂
的半导体层140。缓冲层130用于减小与衬底110的晶格常数差异，并且可包括GaN缓冲
层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、InGaN缓冲层等。缓冲层130可具有不平坦的表面。未掺杂
的GaN层可用作未掺杂的半导体层140。可形成缓冲层130和未掺杂的半导体层140中的
至少一个或者可二者均不形成。 在未掺杂的半导体层140上形成至少一个第一导电型半导体层150。掺杂有n型 掺杂剂的n型半导体层可用作第一导电型半导体层150。 n型半导体层可选自GaN、AlGaN、 InN、AlN、AlInN、 InGaN、 InAlGaN等。n型掺杂剂可选自Si、 Ge、 Sn、 Se、 Te等。
在第一导电半导体层150上形成具有单量子阱结构或多量子阱结构的有源层 160。有源层160包括例如交替形成的由InGaN形成的量子阱层和由GaN形成的量子势垒层。此处，量子阱层具有In,Ga卜xN(0《x《1)的组成，但不限于此。有源层160可根据发 光材料而改变其发光波长。在有源层160上/下方，可形成p型/n型覆层。
在有源层160上形成至少一个第二导电型半导体层170。掺杂有p型掺杂剂的p 型半导体层可用作第二导电型半导体层170。 p型半导体层可选自GaN、 AlGaN、 InN、 AIN、 AlInN、 InGaN、 InAlGaN等。p型掺杂剂可选自Mg、 Zn、 Ca、 Sr、 Ba等。 在第二导电型半导体层170上可形成透明电极层或/和第三导电型半导体层。第 三导电型半导体层可根据N-P-N结结构或者P-N-P结结构而由n型半导体或p型半导体形 成。具有第一导电型半导体层150、有源层160和第二导电型半导体层170的堆叠结构可限 定为发光结构。发光结构可具有N-P结结构、N-P-N结结构、P-N结结构和P-N-P结结构中 的一种。 在实施方案中，在缓冲层130和多重反射层120下方的衬底110可通过激光剥离 (LLO)法移除。 在第一导电型半导体层150上形成第一 电极层171 ，在第二导电型半导体层170上 形成第二电极层173。 多重反射层120利用具有不同折射率的反射层121和122来反射从有源层160发 出并朝向衬底110传播的光的一部分，由此能够改善光提取效率和外部量子效率。
图2 8是说明制造根据第一实施方案的半导体发光器件的方法的视图。
参照图2和3，在衬底110上交替堆叠具有不同折射率的反射层121和122。此 处，通过选择性地使用等离子体气相沉积(PVD)例如电子束蒸发、热蒸发和磁控溅射(RF/ DC溅射)或者化学气相沉积(CVD)例如等离子体增强CVD(PECVD)、低压CVD(LPCVD)和常 压CVD (APCVD)，可实施反射层121和122的堆叠，然而，反射层121和122的堆叠不限于此。
例如，通过形成第一反射材料的第一反射层121，然后形成第二反射材料的第二反 射层122的方式交替形成反射层121和122。此处，第一和第二反射层121和122形成为一 对，总共可形成2-50个反射层对。第一反射层121的数目与第二反射层122的数目可相等 或不等。除了一对反射层之外，还可使用2-6个反射层的一组。 第一反射层121可由折射率大于或小于用作第二反射层122的材料的折射率的材 料形成。反射层121和122中的每一个均可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al2O^P ZrO中的至 少一种材料形成。第一和第二反射层121和122可由不同的反射材料或具有不同折射率的 材料形成。Si02的折射率是1. 46，Si3N4的折射率是2. 05，SiON的折射率是1. 46-2. 05，Ti02 的折射率是2. 49-2. 90，A1203的折射率是1. 77，Zr0的折射率是1. 90。此处，第一和第二反 射层121和122可包括折射率小于氮化镓(GaN)的折射率的材料。 参照图4，在反射层121和122的最上方的第一反射层121上形成光刻胶图案128。 此处，光刻胶图案128可通过顺序进行的光刻胶涂覆工艺、软烘烤工艺(例如，在90-190°C 下加热)、UV曝光工艺、显影工艺和硬烘烤工艺(例如，在90-12(TC下加热)来形成。光刻 胶图案128彼此间隔开预定距离。 参照图4和5，可通过回流烘烤工艺使光刻胶图案128变为半球形图案128A。此 处，回流烘烤工艺可在高于软烘烤工艺或硬烘烤工艺温度的温度(例如，110-22(TC )下实 施。通过回流烘烤工艺，光刻胶图案128变为半球形光刻胶图案128A。决定半球形光刻胶 图案128A形状的因素是光刻胶的类型、回流烘烤温度、时间等。
参照图5和6，当在反射层121和122上形成半球形光刻胶图案128A时，蚀刻反射 层121和122。当蚀刻反射层121和122时，光刻胶图案128A也被蚀刻。因此，反射层121 和122的图案可形成在衬底110上。通过蚀刻光刻胶图案128A形成多重反射层120即反 射层121和122的方法可采用例如使用高密度等离子体的干蚀刻工艺来实施。可用的等离 子体的实例可为感应耦合等离子体(ICP)、电容耦合等离子体(CCP)、电子回旋共振(ECR) 等离子体、微波等离子体、螺旋等离子体(helicon)等。虽然可用的气源可根据介质而稍有 不同，但是氯基气体(例如，Cl2、 BC13)、氟基气体(例如，CF4、 SF6、 NF3、 C2F6)或者惰性气体 (例如，Ar、N2)均可用作气源。 参照图7，在衬底110上形成多重反射层120的图案后，在多重反射层120上形成 缓冲层130，在缓冲层130上形成未掺杂的半导体层140。此处，缓冲层130的表面可以是 不平坦的，未掺杂的半导体层130的表面可以是不平坦的。对平坦化而言，可调整生长温度 和生长厚度。 缓冲层130可减小GaN材料和衬底材料之间的晶格失配，并且可由GaN、 AlGaN、 InN、AlN、AlInN、InGaN和InAlGaN中的至少一种形成。未掺杂的半导体层140可由其中不 添加导电掺杂剂的未掺杂GaN形成。未掺杂的半导体层140用作其上生长氮化物半导体的 衬底。缓冲层130和/或未掺杂的半导体层140可不形成，或者可不存在于最终器件中。
在未掺杂的半导体层140上形成第一导电型半导体层150，在第一导电型半导体 层150上形成有源层160，并且在有源层160上形成第二导电型半导体层170。此处，第一 导电型半导体层150可包括至少一个n型半导体层。有源层160可具有单量子阱结构或多 量子阱结构。第二导电型半导体层170可包括至少一个p型半导体层。
在第二导电型半导体层170上可形成透明电极层(未显示)或/和第三导电半导 体层。第三导电型半导体层包括n型半导体层或p型半导体层。而且，在多重反射层120 下方的衬底可通过LLO法移除。 参照图8，通过台面蚀刻工艺暴露出第一导电型半导体层150的一部分。在第一导 电型半导体层150上形成第一电极层171，在第二导电型半导体层170上形成第二电极层 173。 当通过第一和第二电极层171和173施加正向电流时，从有源层160发出光。朝 向衬底110传播的光的一部分被多重反射层120的第一反射层121或/和第二反射层122 所反射。由反射层121和122反射的光改变临界角，并由此发出到外部。
半导体发光器件100利用衬底110上的多重反射层120将一部分光反射(即漫反 射)，由此能够改善光提取效率和外部量子效率。 实施方案的半导体发光器件通过在衬底上设置具有不平坦结构的多重反射层可 提高半导体薄膜的结晶度。 图9是说明根据第二实施方案的半导体发光器件的侧视截面图。图10是图9中 部分A的放大视图。 参照图9和IO，半导体发光器件200包括在衬底210上的具有不平坦表面的多重 反射层220。 多重反射层220可具有包括具有不同折射率的第一和第二反射层221和222的堆 叠结构。第一和第二反射层221和222形成一对反射层，多重反射层220可包括2-50个反射层对。 多重反射层220形成为条形，其形状可为多棱柱(例如，正方棱柱、六方棱柱)或 者多面体(例如四面体)。 此处，第一和第二反射层221和222可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al203和Zr0中的 至少一种材料形成，第一和第二反射层221和222可由不同材料或者具有不同折射率的材 料形成。Si02的折射率是1. 46， Si3N4的折射率是2. 05， SiON的折射率是1. 46_2. 05， Ti02 的折射率是2. 49-2. 90，A1203的折射率是1. 77，Zr0的折射率是1. 90。此处，第一和第二反 射层221和222包括折射率低于氮化镓(GaN)的折射率的材料。 多重反射层220可通过使用光刻胶图案形成多重反射层220的图案来实现。已 经参考第一实施方案对其进行了详细描述，多重反射层220可在实施方案的技术范围内实 现。 在衬底210和多重反射层220上可依次形成缓冲层230、未掺杂的半导体层240、 第一导电型半导体层250、有源层260和第二导电型半导体层270。此处，缓冲层230可形 成在衬底210和多重反射层220上，未掺杂的半导体层可形成为具有3 ii m 6 ii m的厚度。
在多重反射层220中作为具有不同折射率的介质的第一和第二反射层221和222 中每一个的厚度可为发光器件的波长的四分之一。每个反射层的厚度可通过下式来计算。
"J复
r, A f》
--- 》& 聽2 其中T表示每一个介质的厚度，A表示发光器件的波长，n表示折射率。 半导体发光器件200通过多重反射层220可反射从有源层260发出并朝向衬底
110传播的光。多重反射层220利用第一反射层221或第二反射层222反射朝向衬底110
传播的光，由此改变光的临界角。因此，半导体发光器件200的光提取效率和外部量子效率
可得到改善。 在实施方案中，在衬底上设置具有不平坦表面的多重反射层，由此可提高半导体
薄膜的结晶度。此外，利用多重反射层的漫反射能够改善外部量子效率。 实施方案也可应用于具有水平或者垂直电极结构的半导体发光器件。 以下，将参考附图更详细地描述根据实施方案的半导体发光器件及其制造方法。
在实施方案的描述中，应理解当层(或膜)、区域、图案或结构称为在另一层(或膜)、区域、
垫或图案"上"时，表述"上"和"下"包括"直接在上/下"和"间接在上/下"二者的含义。
此外，可在附图的基础上参照关于每层的"上"和"下"。而且，附图中各层的厚度是示例性
的，并不限于此。 尽管已经参考其许多说明性的实施方案描述了实施方案，但是应该理解本领域技 术人员可以想出落在本公开原理的精神和范围内的很多其它的变化方案和实施方案。更具 体地，在公开、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明的组合排列的构件和/或结构中 可具有各种的变化和改变。除构件和/或结构的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也会是明显的。
工业实用性 实施方案可提供一种可改善外部量子效率的半导体发光器件。 实施方案可提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件可不同地应用于高速 开关器件、照明或显示装置的光源。 实施方案可提供一种可靠性提高的半导体发光器件。
权利要求
一种半导体发光器件，包括多重反射层，所述多重反射层包括至少一个具有不同折射率的反射层；在所述多重反射层上的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；和在所述有源层上的第二导电型半导体层。
2. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层中的每一个反射层包括Si02、Si3N4、Si0N、Ti02、Al203和ZrO中的至少一种。
3. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层包括具有第一折射率的第一反射层和设置在所述第一反射层上或/和下方的具有第二折射率的第二反射层，所述第一和第二反射层是交替形成的。
4. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层的每一个反射层由折射率小于氮化镓(GaN)的折射率的材料形成。
5. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层包括2-50个反射层对，所述反射层对包括具有不同折射率的至少两个反射层。
6. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层具有半球形或多边形中的至少其一。
7. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层的每一个反射层的厚度为发光波长的四分之一或者为10nm 500nm。
8. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述多重反射层具有不平坦结构，所述半导体发光器件包括在具有所述不平坦结构的所述多重反射层下方的衬底。
9. 根据权利要求1所述的半导体发光器件，包括在所述多重反射层和所述衬底上的缓冲层和未掺杂的半导体层中的至少其一。
10. —种制造半导体发光器件的方法，所述方法包括在衬底上形成具有不平坦结构的多重反射层，所述多重反射层包括具有不同折射率的反射层；在所述衬底和所述多重反射层上形成第一导电型半导体层；在所述第一导电型半导体层上形成有源层；禾口在所述有源层上形成第二导电型半导体层。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中形成多重反射层包括在所述衬底上交替形成具有不同折射率的反射层；在所述反射层的最上层上形成具有不平坦结构的光刻胶图案；禾口沿所述光刻胶图案蚀刻所述反射层以形成具有所述不平坦结构的所述多重反射层。
12. 根据权利要求ll所述的方法，包括对所述光刻胶图案实施回流加热工艺以形成半球形光刻胶图案，其中利用所述半球形光刻胶图案蚀刻所述反射层以形成半球形多重反射层。
13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述多重反射层的每一个反射层包括Si(^、Si3N4、SiON、Ti02、Al203和ZrO中的至少一种。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述多重反射层包括2-50个反射层对，所述反射层对包括具有不同折射率的多个反射层。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述多重反射层包括半球形图案、多棱柱形图案、多面体图案中的至少其一。
全文摘要
本发明提供一种半导体发光器件及其制造方法。所述半导体发光器件包括包括至少一个具有不同折射率的反射层的多重反射层、在所述多重反射层上的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所述有源层上的第二导电型半导体层。
文档编号H01L33/00GK101796661SQ200880106174
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月5日 优先权日2007年9月6日
发明者姜大成, 孙孝根, 朴炯兆 申请人:Lg伊诺特有限公司