半导体发光器件及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及能够改善发光效率的半导体发光器件及其制造方法。根据本发明的一个实施例的半导体发光器件包括：n型半导体层，其上表面上有至少一个凹坑；形成在所述n型半导体层上的有源层，所述有源层在与所述凹坑对应的区域中具有沿所述凹坑凹进的顶表面；和形成在所述有源层上的p型半导体层，所述p型半导体层在与所述凹坑对应的区域中具有沿所述有源层的凹痕凹进的顶表面。
【专利说明】半导体发光器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光器件，具体地，涉及具有提高的光提取
[0002]效率的半导体发光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0003]氮化物半导体发光器件作为一种能够通过利用电子-空穴复合来产生包括诸如蓝、绿等单色光的具有宽范围波段的光的发光器件，它的使用已超出现有的简单显示器或便携式液晶显示器市场而延伸至相关领域，其中氮化物半导体发光器件可应用于需要高电流/高输出的背光单元(BLU)、电子器件或普通照明装置等。而且，按照这种趋势，氮化物半导体发光器件需要具有高亮度和高可靠性。
[0004]因此，为了提高发光效率，已对用于抑制载流子移动到非发光中心并提高发光中心的载流子概率密度的方法进行了研究。然而，就氮化物半导体发光器件而言，其晶格常数和热膨胀系数明显不同于主要用作生长衬底的蓝宝石衬底的晶格常数和热膨胀系数，从而在生长的氮化物半导体中产生大量的缺陷。这种缺陷充当非发光中心。为了减少这种缺陷，已提出了使用掩模的横向生长技术，但是这种技术在生长过程中涉及(从生长室)去除晶片并在其上进行图案化，从而在该过程中造成不便并增加了制造成本。虽然这种方法大幅降低了晶体缺陷的数量，但是不能阻止晶体缺陷充当非发光中心。
【发明内容】
[0005]本发明的一个方面提供了一种半导体发光器件，该半导体发光器件通过使用在半导体层中形成的凹坑来增加辐射复合从而具有增加的内部量子效率，并通过凹坑的斜面来增加外部提取效率从而具有提闻的发光效率。
[0006]本发明的另一方面提供了一种用于制造半导体发光器件的方法，其使得能够容易地制造前述半导体发光器件。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种半导体发光器件，包括:n型半导体层，其上表面中形成有至少一个凹坑；形成于所述n型半导体层上的有源层，所述有源层与所述凹坑对应的区域具有沿所述凹坑弯曲的上表面；和形成于所述有源层上的P型半导体层，所述P型半导体层与所述凹坑对应的区域具有沿所述有源层的弯曲部分弯曲的上表面。
[0008]所述p型半导体层和所述有源层的上表面可以具有朝向所述凹坑弯曲的第一区域和未弯曲的第二区域。
[0009]所述有源层的第一区域的能带隙可以大于所述第二区域的能带隙。
[0010]所述n型半导体层的上表面可以具有由所述凹坑形成的倾斜表面和在所述倾斜表面之间形成的平坦表面。
[0011]所述凹坑可以具有朝所述n型半导体层向下倾斜的表面。
[0012]所述凹坑可以具有倒金字塔的形状。
[0013]所述n型半导体层的上表面可以是(0001)面。[0014]所述凹坑的倾斜表面可以是(1-101)面。
[0015]所述n型半导体层、所述有源层和所述p型半导体层可以由氮化物半导体构成，并且所述n型半导体层可以包括其中掺杂有n型杂质的n型GaN接触层、和形成在所述n型GaN接触层上并且上表面中形成有至少一个凹坑的未掺杂GaN半导体层。
[0016]所述半导体发光器件还可以包括:形成于所述n型半导层的下表面上的衬底；以及分别与所述n型半导体层和所述p型半导体层电连接的电极。
[0017]根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造半导体发光器件的方法，包括:形成n型半导体层，其上表面中形成有至少一个凹坑；在所述n型半导体层上形成有源层，所述有源层具有沿所述凹坑弯曲的上表面；以及在所述有源层上形成P型半导体层，使得所述P型半导体层与所述凹坑对应的区域具有沿所述有源层的弯曲部分弯曲的上表面。
[0018]可以执行所述p型半导体层和所述有源层的形成，使得所述P型半导体层和所述有源层各自的上表面可以具有朝向所述凹坑弯曲的第一区域和未弯曲的第二区域。
[0019]在所述n型半导体层的形成中，可以在形成所述n型半导体层的过程中自发地形成所述凹坑。
[0020]所述n型半导体层的形成可以包括:在衬底上形成其中掺杂有n型杂质的n型GaN接触层；以及在所述n型GaN接触层上形成未掺杂GaN半导体层，所述未掺杂GaN半导体层的上表面中形成有至少一个凹坑。
[0021]所述方法还可以包括:形成分别与所述n型半导体层和所述p型半导体层电连接的电极。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]通过结合附图进行的以下详细说明，将能更加清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征和其他优点，附图中:
[0023]图1是示意性地示出了根据本发明的实施例的发光结构的剖视图；
[0024]图2是示意性地示出了图1的凹坑结构的透视图；
[0025]图3是图1的凹坑结构的周围区域“A”的放大细节图；
[0026]图4是示意性地示出了从图1的凹坑结构发出的光的方向的剖视图；
[0027]图5是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的半导体发光结构的剖视图；
[0028]图6至图8是分别示出了用于制造根据本发明的第一实施例的半导体发光器件的方法的各过程的剖视图；
[0029]图9是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的半导体发光结构的剖视图；以及
[0030]图10至图12是分别示出了用于制造根据本发明的第二实施例的半导体发光器件的方法的各过程的剖视图。
【具体实施方式】
[0031 ] 现在将参考附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0032]然而，本发明可以以多种不同的形式具体实现，并且不应当被解释为限定于在此阐述的各实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员全面地传递本公开的范围。在附图中，为了清楚起见可能放大各元件的形状和尺寸，并且始终使用相同的附图标记来指示相同或相似的组件。
[0033]图1是示意性地示出了根据本发明的实施例的发光结构的剖视图。如图1所示，根据该实施例的发光结构100包括n型半导体层130、p型半导体层150和形成于n型半导体层130和p型半导体层150之间的有源层140。发光结构100的最上表面包括平坦表面和倾斜表面。即，发光结构100的最上表面具有随着上表面向下倾斜至n型半导体层130而形成的凹坑。
[0034]这里，n型半导体层130和p型半导体层150可以由氮化物半导体制成，即，具有经验公式AlxInyGa(1_x_y)N (其中，0≤叉≤1，0≤7≤1，0≤x+y ( I)的掺杂有n型杂质和P型杂质的半导体材料，并且半导体材料典型地可以为GaN，AlGaN和InGaN。硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)或碲(Te)等可以用作n型杂质，镁(Mg)、锌(Zn)或铍(Be)等可以用作p型杂质。可以通过诸如以下之类的本领域内公知的处理来生长n型半导体层130和p型半导体层150:金属有机化学气相沉积(M0CVD)、氢化物气相外延(HVPE)和分子束外延(MBE)等。因此，形成于n型半导体层130和p型半导体层150之间的有源层140根据电子和空穴的辐射复合来发出具有一定能量水平的光，并且有源层140可以由诸如InxGai_xN(0I)之类的材料构成，使得可以根据铟的含量来调整带隙能量。例如，有源层140可以具有多量子阱结构，其中交替层叠InGaN量子阱层和GaN量子势垒层。这里，量子势垒层可以具有这样的超晶格结构，其具有允许使从P型半导体层150注入的空穴隧穿的厚度。量子势垒层可以由 AlxInyGa(h_y)N(0 ^x^l,0^y^l,0^ x+y ( I)构成,量子讲层可以由 InzGa(卜 z)N (OSzSl)构成。即，可以通过调整量子势垒层的高度、量子阱层的厚度和组成以及量子阱的数量来调节有源层140的光的波长或量子效率。
[0035]在根据本发明的实施例的发光结构100中，可以在n型半导体层130的上表面上形成至少一个凹坑结构。另外，有源层140和p型半导体层150形成为具有凹坑结构。SP，在发光结构100的最上表面上形成多个凹坑，使得凹坑的宽度在深度方向上变窄。由于该多个凹坑的存在，从有源层产生的光中包括的由于全内反射而沿水平方向前进的光可以排出到外部，相应地，可以提高光提取效率。图4示出了光前进方向的示意图。
[0036]图2是示意性地示出了图1的凹坑结构的透视图，图3是图1的凹坑结构的周围区域“A”的放大细节图。
[0037]如图2所示，在n型半导体层130的上表面上形成具有V形的凹坑P，具体地，可以将凹坑形成为倒金字塔的形状，该倒金字塔具有形成六棱锥等的多边形底部。当n型半导体层130的上表面为平坦生长表面(0001)时，凹坑P具有相对于n型半导体层130的上表面倾斜的生长表面(1-101)。即，n型半导体层130具有这样的表面构造，其既包括平坦生长表面(0001)又包括倾斜生长表面(1-101)。从凹坑P上方观察时，该凹坑P具有正六边形的形状，在以剖面观察时，该凹坑P具有V形形状。
[0038]可以通过生长n型半导体层130并随后蚀刻n型半导体层130的上表面来形成凹坑P，但是，如图3所示，可以通过适当地调节诸如生长速度和生长温度之类的条件来在n型半导体层130的穿透位错(threading dislocation)D的附近自发地形成凹坑P。例如,在相对低的温度下可以更活跃地生长凹坑。即，凹坑P可选择性地生成在穿透发光结构100的穿透位错D所形成的部分(通过该部分，可能出现电流集中于穿透位错D的现象)，从而防止了穿透位错D上的电流的集中。
[0039]如图3所示，在本实施例中，在n型半导体层130上形成有源层140和p型半导体层150，并且使有源层140和p型半导体层150的上表面的与凹坑P对应的区域根据凹坑P的形状而弯曲，并形成为朝向凹坑P弯曲。即，有源层140和p型半导体层150也具有这样的凹坑结构，其具有与n型半导体层130的凹坑P —样的V形倾斜表面。
[0040]这里，形成有源层140和p型半导体层150，使得它们在凹坑P的倾斜表面上形成的部分的厚度小于其在平坦生长表面上形成的部分的厚度。因此，与平坦区域相比，有源层140在凹坑P的倾斜区域上的能带隙相对增加，从而阻止载流子向诸如穿透位错D之类的非发光区域移动，因此提高了有源层140中的复合效率。
[0041]图4是示意性地示出了从图1的凹坑结构发出的光的方向的剖视图。如图4所示，凹坑的倾斜表面是非发光区域，并且在平坦的上表面(0001)上形成的有源层140是发光区域。因此，根据本发明的实施例的发光结构100形成为具有这样的结构，其中最上表面包括平坦表面和朝n型半导体层130向下倾斜的表面，由此从有源层140产生的光中沿水平方向前进的光会从倾斜表面发射至外部，从而能够减少由于全内反射而消失的光的量。
[0042]将对使用具有前述结构的发光结构的半导体发光器件进行描述。
[0043]图5是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的半导体发光结构的剖视图。这里，图5中所示的根据第一实施例的发光器件200采用了图1的发光结构，并且与发光结构100的不同之处在于其还包括生长衬底、缓冲层和电极。因此，将省略对具有相同构造的发光结构的描述，并只对不同的构造进行描述。
[0044]如图5所示，根据本发明的第一实施例的半导体发光器件200包括衬底210、缓冲层220、发光结构、n型电极260和p型电极270。这里,发光结构与图1所不的发光结构相同，并且包括n型半导体层230、p型半导体层250和形成于n型半导体层230和p型半导体层250之间的有源层240。
[0045]衬底210是用于生长半导体单晶，特别是氮化物单晶的生长衬底，而且由诸如蓝宝石、S1、ZnO、GaAs、SiC、MgAl204、Mg0、LiA102、LiGaO2或GaN之类的材料制成的衬底可以用作衬底210。在这种情况下,蓝宝石是具有六菱形(Hexa-Rhombo)R3c对称性的晶体,其在c
轴和a轴方向上的晶格常数分别为13.0OlA和4.758A。蓝宝石晶体具有C面(0001)、A面(1120)和R面(1102)等。在这种情况下,在蓝宝石晶体的C面上能够相对容易地形成氮化物薄膜，并且由于蓝宝石晶体在高温下稳定，因此其尤其常用作氮化物生长衬底的材料。
[0046]在衬底210上形成缓冲层220以减少衬底210和n型半导体层230之间的晶格失配，并且缓冲层220可以是包括AlN或GaN的低温成核层。必要时可以省略缓冲层220。
[0047]对发光结构的有源层240和p型半导体层250的部分区域进行台面蚀刻(mesa-etch),在n型半导体层230的暴露的上表面上形成n型电极260。另外,在P型半导体层250的上表面上形成p型电极270。
[0048]图6至图8是分别示出了用于制造图5所示的根据本发明的第一实施例的半导体发光器件的方法的各过程的剖视图。这里，将省略对与图1和图5相同构造的描述。
[0049]首先，如图6所示，在生长衬底210上依次形成缓冲层220和n型半导体层230，该n型半导体层230的上表面上形成有至少一个凹坑P。这里，可以通过诸如M0CVD、MBE或HVPE之类的处理来生长n型半导体层230，可以通过蚀刻等来形成凹坑P，但是，优选地，通过适当地调节诸如生长速度和生长温度之类的条件，通过例如低温生长来在穿透位错的附近自发地形成凹坑P。
[0050]随后，如图7所示，在n型半导体层230上依次形成有源层240和p型半导体层250。这里，有源层24和p型半导体层250根据凹坑P的形状来形成为具有弯曲的上表面。即，使有源层240和p型半导体层250的与凹坑P对应的区域的上表面朝向凹坑P的倾斜表面弯曲，并且在倾斜表面上形成的部分比在平坦表面上形成的部分薄。因此，有源层240在凹坑P的倾斜表面上形成的区域比在平坦表面上形成的区域具有更高的能带隙，从而阻止载流子向凹坑P (非发光中心)移动。
[0051]接下来，如图8所示，对发光结构的有源层240和p型半导体层250的部分区域进行台面蚀刻以暴露n型半导体层230。在暴露的n型半导体层230上形成n型电极260，并在P型半导体层250上形成p型电极270。虽然未示出，但还可以在p型半导体层250和p型电极270之间形成由诸如ITO或IZO之类的材料制成的透明电极，以增强欧姆接触功能。
[0052]图9是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的半导体发光结构的剖视图。这里，图9所示的根据第二实施例的发光器件300采用了图1的发光结构，并且与发光结构100的不同之处在于其还包括导电衬底、高反射性欧姆接触层和电极。因此，将省略对具有相同构造的发光结构的描述，并只对不同的构造进行描述。
[0053]如图9所示，根据本发明的第二实施例的半导体发光器件300包括导电衬底390、高反射性欧姆接触层380、发光结构和n型电极360。这里，发光结构与图1所示的发光结构相同，并且包括n型半导体层330、p型半导体层350和形成于n型半导体层330和p型半导体层350之间的有源层340。
[0054]导电衬底390用作在诸如激光剥离处理之类的处理过程中用于支撑发光结构的支撑，并且用作P型电极。即，通过诸如激光剥离处理之类的处理来去除半导体单晶生长衬底，在去除处理之后，在n型半导体层330的暴露的表面上形成n型电极360。在这种情况下，导电衬底390可以由诸如硅(Si)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、钨(W)、钛(Ti)等，或选自其中的金属的合金之类的材料制成。可以通过诸如电镀或键合之类的方法来形成导电衬底390。
[0055]高反射性欧姆接触层380在p型半导体层350和导电衬底390之间执行欧姆接触功能和光反射功能。高反射性欧姆接触层380不是必需的，因此其可以被省略。
[0056]图10至图12是分别示出了用于制造图9所示的根据本发明的第二实施例的半导体发光器件的方法的各过程的剖视图。这里，将省略对与图1和图9相同构造的描述，并且图10具有与图7所示的处理相同的处理。
[0057]首先，如图10所示，在生长衬底310上依次形成缓冲层320、n型半导体层330、有源层340和p型半导体层350。这里，n型半导体层330形成为在其上表面上具有至少一个凹坑，并且形成有源层340和p型半导体层350，使得它们对应于凹坑的区域具有沿凹坑弯曲的上表面。
[0058]接着，如图11所示，在P型半导体层350上形成高反射性欧姆接触层380和导电衬底390。这里，可以在p型半导体层350上形成高反射性欧姆接触层380之后形成导电衬底390，或者可以在导电衬底390上形成高反射性欧姆接触层380之后将导电衬底390和高反射性欧姆接触层380的组合接合到p型半导体层350。[0059]此后，如图12所示，通过使用剥离处理等处理使生长衬底310从如图11所示制造的结构分离，并通过抛光等处理来去除缓冲层320。在暴露的n型半导体层330上形成n型电极360。这里，剥离处理可以采用激光剥离(LLO)处理、机械或化学剥离处理等。n型电极360可以通过利用APCVD、LPCVD, PECVD等的金属薄膜沉积来形成，并且可采用由Ni/Au等构成的材料。
[0060]如上所述，在根据本发明的第一实施例和第二实施例的半导体发光器件200和300中，在穿透发光结构的穿透位错的附近形成凹坑以增加其电阻，由此能够中断当施加静电时集中于穿透位错的电流。即，防止了由于穿透位错而导致的泄漏电流，因此改善了电气特性。另外，由于凹坑的倾斜表面的能带隙增加为大于其它区域，因此可以防止载流子向非发光区域移动。即，能够通过增加有源层的复合效率来增加内部量子效率。另外，由于凹坑结构形成至所述发光器件的最上表面，因此从有源层产生的光能够通过凹坑的倾斜表面排出而不会被全内反射，从而提高外部的提取效率。
[0061]如上所阐述，根据本发明的实施例，由于在n型半导体层中形成凹坑，因此能够增加辐射复合，从而能够增加内部量子效率并减少泄漏电流。另外，根据本发明的实施例，由于凹坑结构形成至所述发光器件的最上表面，因此能够通过凹坑的倾斜表面来增加外部提取效率，从而提高器件的发光效率。
[0062]虽然已结合实施例详细地对本发明进行了展示和描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种修改和变形。
【权利要求】
1.一种半导体发光器件，包括: n型半导体层，其上表面中形成有至少一个凹坑； 形成在所述n型半导体层上的有源层，所述有源层与所述凹坑对应的区域具有沿所述凹坑弯曲的上表面；以及 形成在所述有源层上的P型半导体层，所述P型半导体层与所述凹坑对应的区域具有沿所述有源层的弯曲部分弯曲的上表面。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述有源层和所述P型半导体层的上表面具有朝向所述凹坑弯曲的第一区域和未弯曲的第二区域。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中所述有源层的所述第一区域的能带隙大于所述第二区域的能带隙。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体层的上表面具有由所述凹坑形成的倾斜表面和在所述倾斜表面之间形成的平坦表面。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述凹坑具有朝所述n型半导体层向下倾斜的表面。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述凹坑具有倒金字塔的形状。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体层的上表面是(OOOl)面。
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件，其中所述凹坑的倾斜表面是(1-101)面。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述n型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层由氮化物半导体构成，并且所述n型半导体层包括n型GaN接触层和未掺杂GaN半导体层,在所述n型GaN接触层中掺杂有n型杂质，以及所述未掺杂GaN半导体层形成在所述n型GaN接触层上并且所述未掺杂GaN半导体层的上表面中形成有至少一个凹坑。
10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括: 衬底，其形成在所述n型半导层的下表面上；以及 电极，其分别与所述n型半导体层和所述p型半导体层电连接。
11.一种用于制造半导体发光器件的方法，包括: 形成n型半导体层，所述n型半导体层的上表面中形成有至少一个凹坑； 在所述n型半导体层上形成有源层，所述有源层具有沿所述凹坑弯曲的上表面；以及 在所述有源层上形成P型半导体层，使得所述P型半导体层与所述凹坑对应的区域具有沿所述有源层的弯曲部分弯曲的上表面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中执行所述有源层和所述p型半导体层的形成，使得所述有源层和所述P型半导体层各自的上表面具有朝向所述凹坑弯曲的第一区域和未弯曲的第二区域。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述n型半导体层的形成中，在形成所述n型半导体层的过程中自发地形成所述凹坑。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述n型半导体层的形成步骤包括: 在衬底上形成n型GaN接触层，所述n型GaN接触层中掺杂有n型杂质；以及 在所述n型GaN接触层上形成未掺杂GaN半导体层,所述未掺杂GaN半导体层的上表面中形成有至少一个凹坑。
15.根据权利要求11所述的 方法，还包括:形成分别与所述n型半导体层和所述p型半导体层电连接的电极。
【文档编号】H01L33/22GK103650175SQ201180071914
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年7月28日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】沈炫旭, 韩尚宪, 韩在雄, 申东澈, 金制远, 李东柱 申请人:三星电子株式会社