发光器件的制作方法

本发明涉及一种发光器件。

背景技术：

发光二极管(LED)器件是将电能转换成光能的化合物半导体器件。LED可以通过调整化合物半导体的组成比来实现各种颜色。

与诸如荧光灯和白炽灯等现有光源相比，氮化物半导体LED具有诸如能耗低、半永久性寿命、响应速度快、稳定性好、环保等优点。因此，氮化物半导体LED的应用范围已经扩展到能够代替构成液晶显示器(LCD)装置的背光的冷阴极荧光灯(CCFL)的LED背光、能够替代荧光灯或白炽灯、车头灯和信号灯的白色LED照明装置。

通常，在蓝宝石衬底上生长氮化镓基LED。但是，由于蓝宝石衬底是硬的且不导电且导热性低，所以蓝宝石衬底在通过氮化镓基LED的尺寸减小而降低制造成本并改善光输出和芯片特性方面面临局限性。

在生长在蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底等上的现有InGaN LED中，可能发生内部量子效率随着电流密度增加而降低的下垂现象，并且可能出现诸如电流拥塞等可靠性问题。

因此，为了开发具有诸如高效率和高电流的特性的LED，需要开发使用具有小晶格失配和低位错密度的GaN块状衬底的LED。

技术实现要素：

【技术问题】

本发明旨在提供一种使用GaN衬底的发光器件。

【技术方案】

本发明的一个方面提供了一种发光器件，其包括：氮化镓衬底并且具有一个表面和另一个表面；以及设置在所述衬底的所述一个表面上的发光结构，其中所述衬底具有设置在所述另一个表面上的多个光提取结构，所述衬底的厚度为80μm以上，并且所述多个光提取结构的平均高度为10μm以上。

所述衬底可以具有其中形成所述多个光提取结构的第一区域和位于所述多个光提取结构之间的第二区域。

所述第二区域可以具有平坦表面。

所述第一区域的面积可以为所述衬底的总面积的60％以上。

所述第一区域的面积可以为所述衬底的总面积的90％以上。

所述多个光提取结构可以具有六边形形状。

所述多个光提取结构中的每一个的底侧和侧表面可以具有相同的倾斜角。

所述多个光提取构造体的平均高度可以为30μm以下。

所述衬底可以具有形成在其厚度方向上的侧表面上的多个子光提取结构。

所述衬底可以具有设置在所述发光结构的侧表面上的阶梯部分，所述多个子光提取结构中的每一个可以设置在每个阶梯部分的上表面上。

所述衬底可以包括面向所述发光结构的第一层、具有所述多个光提取结构的第二层以及设置在所述第一层和所述第二层之间的第三层，其中所述第三层的掺杂浓度最低。

所述第一层的掺杂浓度可以在1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁹cm^-3的范围内。

所述第二层的掺杂浓度可以在1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁹cm^-3的范围内。

所述第三层的掺杂浓度可以为1×10¹⁶cm^-3以下。

【有益效果】

根据一个示例性实施例，可以通过使用GaN衬底来防止晶格失配。

另外，可以提高光提取效率和发光效率。

本发明的各种和有利的优点和效果不限于以上描述，并且在描述本发明的具体示例性实施例的过程中可以更容易理解。

附图说明

图1是示出根据本发明一个示例性实施例的发光器件的概念图。

图2是示出现有GaN衬底的概念图。

图3a至3c是示出具有各种形状的现有光提取结构的图像。

图4是示出图1的光提取结构的图像。

图5是示出光提取结构的面积小于衬底的总面积的60％的情况的图像。

图6是示出光提取结构体的面积为衬底的总面积的60％以上且小于90％的情况的图像。

图7是示出光提取结构体的面积为衬底的总面积的90％以上的情况的图像。

图8是示出图1的衬底的掺杂浓度的图。

图9是示出形成在图1的衬底的侧表面上的子光提取结构的视图。

图10是示出根据一种光提取结构尺寸的光焦度(PO)的变化的曲线图。

图11a和11b是示出根据一种光提取结构尺寸的方位角的变化的曲线图。

图12是示出图1的发光器件的图。

图13是表示在图12的发光器件中设置波长转换层的构造的图。

具体实施方式

尽管本发明对各种修改和替代实施例是开放的，但是其具体实施例将在附图中通过示例来描述和示出。然而，应该理解的是，无意将本发明限制于所公开的特定实施例，并且相反，本发明将覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替代方案。

应该理解，尽管本文可以使用包括诸如“第一”、“第二”等序数的术语来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第二元件可以被称为第一元件，而不会超出本发明构思的权利要求的范围，并且类似地，第一元件也可以被称为第二元件。术语“和/或”包括多个相关列出项目的任何和所有组合。

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明构思。除非另有说明，表达形式的单数形式意味着包括多个元件。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”用在本说明书中时，指明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件。

应该理解，当元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件可以直接在另一元件上/下，和/或也可以存在一个或多个中间元件。当元件被称为在另一元件“上”或“下”时，其含义可以包括元件“在其他元件上”以及“在其他元件下”。

在下文中，将参照附图描述示例实施例，并且相同或相应的元件将被赋予相同的附图标记，而不管附图符号如何，并且将省略多余的描述。

图1是示出根据本发明一个示例性实施例的发光器件的概念图。图2是示出现有GaN衬底的概念图。图3a至3c是示出具有各种形状的现有光提取结构的图像。图4是示出图1的光提取结构的图像。

参考图1所示，根据该示例性实施例的发光器件包括具有一个表面110a和另一个表面110b的氮化镓(GaN)衬底110以及设置在衬底110的一个表面110a上的发光结构120。

衬底110可以通过生长氮化镓(GaN)来制造。由于通常使用的蓝宝石衬底和氮化镓基半导体层之间的晶格常数不匹配而形成晶格失配。由于晶格失配，强的压电场被施加到发光结构120，降低了量子效率。

根据一个示例性实施例，可以使用氮化镓衬底110来解决由晶格失配引起的问题。另外，可以省略用于防止晶格失配的缓冲层。以下，为了方便起见，将氮化镓衬底定义为衬底。

衬底110具有一个表面110a和另一个表面110b。另一个表面110b可以是N面，并且一个表面110a可以是Ga表面。衬底110可以具有形成在其另一个表面上的多个光提取结构111。

衬底110可以具有80μm至300μm的厚度。当厚度小于80μm时，在外延生长期间衬底110中可能发生翘曲而导致器件缺陷，而当厚度大于300μm时，掺杂剂可能难以在衬底中均匀地控制。

光提取结构111可以具有10μm至30μm的高度。当高度小于10μm时，光提取结构可能不会在一些区域中形成，因此光可能不会被提取。当高度大于30μm时，光提取效率可能不会进一步增加。所述多个光提取结构111可以具有不同的高度。

光提取结构111可以使用诸如KOH或NaOH的碱性溶液形成。在一个示例中，可以使用45％KOH在70℃至80℃的温度下进行双沸腾，然后可以将衬底110浸入双沸KOH溶液中以形成不平坦。然而，形成光提取结构111的方法不受特别限制。

参考图2所示，当GaN衬底10的厚度为10μm时，光提取结构111的高度可以在1μm至5μm的范围内。光提取结构111具有各种形状，诸如如图3a所示的随机形状11a，如图3b所示的具有平坦上表面的微棒形状11b，以及如图3C所示的纳米棒形状11c。由于具有这种形状的所有光提取结构仅具有0.6μm至3.0μm的高度，因此当衬底的厚度超过80μm时，光提取结构可能不具有光提取效果。

参考图4所示，根据一个示例性实施例的光提取结构111可以具有10μm至30μm的高度。光提取结构的高度可以被定义为倾斜表面的底部和顶部之间的垂直距离。所述多个光提取结构111可以具有不同的高度。

所述多个光提取结构111可以具有大致六边形形状，所述多个光提取结构111中的每一个的底侧111b和侧表面111a的倾斜角θ可以彼此相同。倾斜角θ可以在50°到60°的范围内。然而，本发明不一定限于此，并且底侧111b和侧表面111a的倾斜角θ可以彼此不同。

图5是示出光提取结构的面积小于衬底的总面积的60％的情况的图像。图6是示出光提取结构体的面积为衬底的总面积的60％以上且小于90％的情况的图像。图7是示出光提取结构体的面积为衬底的总面积的90％以上的情况的图像。

参考图5所示，衬底110可以具有形成有多个光提取结构的第一区域P1和位于多个光提取结构之间的第二区域P2。第二区域P2可以是相对平坦的表面。平坦表面可以完全反射从发光结构120发射的光。

参考图5所示，当光提取结构的平均高度小于10μm时，可以观察到具有大面积的第二区域。在图5的情况下，第一区域P1所占面积与衬底总面积的比率小于60％。也就是说，由于光提取结构不会生长到大尺寸，所以在光提取结构之间存在多个空区域。由于第一区域P1的面积小于衬底总面积的60％，所以可以相对降低光提取效率。这里，光提取结构的平均高度可以是通过对位于100μm×100μm的区域内的多个光提取结构的高度进行平均而获得的值。

参考图6所示，可以确认，当光提取结构111的平均高度为12μm时，第二区域的面积相对减小。在图6的情况下，第一区域P1所占面积与衬底总面积的比率为60％以上。第一区域P1的面积可以是衬底总面积的60％以上且小于90％。在这种情况下，与图5相比，第二区域P2更小，并且可以提高光提取效率。

参考图7所示，可以看出，由于生长光提取结构，第二区域P2大部分被去除。第一区域P1所占的面积与衬底110的总面积的比率为90％以上。测量光提取结构111的平均高度并且为27μm。随着光提取结构的高度增加，光提取结构的下表面变宽。相应地，第二区域P2被减小。

然而，证实即使当蚀刻时间进一步增加时，光提取结构的高度也不会进一步增加。通过湿蚀刻形成的不平坦具有特定的角度/方向性。随着时间的增加，不平坦的面积增加。但是，当不平坦接触与其相邻的光提取结构时，蚀刻不会进一步进行。因此，光提取结构的最大高度可以是30μm。

图8是示出图1的衬底的掺杂浓度的视图，并且图9是示出形成在图1的衬底的侧表面上的子光提取结构的视图。

参考图8，衬底110包括面向发光结构120的第一层114、具有光提取结构111的第二层112以及设置在第一层114和第二层112之间的第三层113。

当电流被施加到第一半导体层121时，第一层114可以形成电流分布路径。电流可以有效地分布通过第一层114。因此，即使当与第一半导体层121接触的电极的面积减小时，也可以保持工作电压。为此，第一层114的掺杂浓度可以相对较高。具体而言，第一层114的掺杂浓度可以在1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁹cm^-3的范围内。可以从掺杂在第一半导体层121上的所有各种掺杂物中选择掺杂物。

第二层112的掺杂浓度可以与第一层114的掺杂浓度相同。如上所述，第二层112可以通过湿法蚀刻形成光提取结构111。随着掺杂浓度变高，Ga和N可以容易地分离，由此改善蚀刻性能。

第三层113的掺杂浓度可以低于第一层114和第二层112中的每一个的掺杂浓度。当在衬底110的整个厚度范围内掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁹cm^-3时，难以确保期望的透明度和结晶度。因此，通过相对降低第三层113的掺杂浓度，可以在衬底110中确保期望的透明度和结晶度。在一个示例中，第三层113的掺杂浓度可以为1×10¹⁶cm^-3或更小，或者第三层113可以不掺杂有n型掺杂剂。

相对于衬底110的总厚度，第一层114的厚度可以是40％至50％，第三层113的厚度可以是40％至50％，并且第二层112的厚度可以是10％至20％在一个示例中，当衬底110的厚度为100μm时，第一层114和第三层113中的每一个的厚度可以为40μm，并且第二层112的厚度可以为20μm。

参考图9所示，衬底110可以具有在侧表面上沿其厚度方向形成的多个子光提取结构115a。这样的结构可以提高朝向衬底110的侧表面的提取效率。

然而，湿蚀刻可能仅在衬底110的特定方向上的表面上执行。因此，根据一个示例性实施例的衬底110在其侧表面上形成有阶梯部分115，并且子光提取结构115a可以形成在阶梯部分115的上表面(m-表面)上。多个阶梯部分114可以从衬底110的一个表面连续形成到另一个表面。阶梯部分114的宽带、高度等可以通过考虑提取效率适当地修改。当子光提取结构115a形成在靠近发光结构120的阶梯部分114上时，尽管形成的子光提取结构115a的高度较小，但是形成的子光提取结构115a可以具有光提取效果。因此，随着子光提取结构115a更靠近发光结构120，子光提取结构115a的尺寸可能减小。

图10是示出根据光提取结构尺寸的光焦度(PO)的变化的曲线图。图11a和11b是示出根据光提取结构尺寸的方位角的变化的曲线图。

参考图10所示，在衬底110上不存在光提取结构111的情况下，可以确认，当注入电流为400A或更大时，即使注入电流增加超过400A，发光特性也不会改善。与此相对，在应用高度为12μm(小纹理)的光提取结构的情况下，能够确认提高了发光效率，而在应用高度为27μm(大纹理)的光提取结构时，可以确认发光效率进一步提高。

参考图11a和图11b所示，可以看出，随着光提取结构111的尺寸增加，方位角变窄。图11a是放射状图，图11b是笛卡尔图。

参考图11所示，在没有光提取结构111的情况下，方位角为154.6°，在形成高度为12μm的光提取结构111的情况下，方位角缩小至146.85°，在形成具有27μm高度的光提取结构的情况下，取向角被缩小到142.7°。因此，可以看出，光提取结构111的高度与取向角彼此成反比。这意味着发光效率在垂直方向上增加。

图12是示出图1的发光器件的图，图13是表示在图12的发光器件中设置波长转换层的构造的图。

参考图12所示，发光结构120包括第一半导体层121、有源层122和第二半导体层123。第一半导体层121可以是III-V族或II-IV族化合物半导体等，并且可以用第一掺杂剂掺杂。第一半导体层121可以由从经验式为In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N(0≤x1≤1，0≤y1≤1且0≤x1+y1≤1)的半导体材料中选择的至少一种材料制成，诸如GaN、AlGaN、InGaN和InAlGaN。第一掺杂剂可以是诸如Si、Ge、Sn、Se或Te的n型掺杂剂。当第一掺杂剂是n型掺杂剂时，掺杂有第一掺杂剂的第一半导体层121可以是n型半导体层。

有源层122是其中通过第一半导体层121注入的电子(或空穴)与通过第二半导体层123注入的空穴(或电子)会合的层。当电子和空穴重新结合并转变为低能级时，有源层122可以产生具有与其对应的波长的光。在本示例性实施例中，对发光波长没有限制。

有源层122可以具有单阱结构、多阱结构、单量子阱结构、多量子阱(MQW)结构、量子点结构和量子线结构中的任意一种，但是有源层122的结构不限于此。

第二半导体层123可以使用III-V族或II-IV族化合物半导体等来实现，并且可以用第二掺杂剂掺杂。第二半导体层123可以由经验式为In_x5Al_y2Ga_1-x5-y2N(0≤x5≤1，0≤y2≤1且0≤x5+y2≤1)的半导体材料制成，或者可以由选自AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP和AlGaInP的材料制成。当第二掺杂剂是诸如Mg、Zn、Ca、Sr或Ba的p型掺杂剂时，掺杂有第二掺杂剂的第二半导体层123可以是p型半导体层。

尽管未示出，但是电子阻挡层(EBL)可以设置在有源层122和第二半导体层123之间。EBL可以阻挡由第一半导体层121提供的电子流入第二半导体层123，并且因此可以增加有源层122中电子和空穴重新结合的可能性。

第一槽H1形成在发光结构120中以穿过第二半导体层123和有源层122并且暴露第一半导体层121。第一半导体层121可以被部分地蚀刻以形成第一槽H1。可以设置多个第一槽H1。第一欧姆电极151可以设置在第一槽H1中并且可以电连接到第一半导体层121。第二欧姆电极131可以设置在第二半导体层123的下部。

第一欧姆电极151和第二欧姆电极131可以包括选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锌锡(IZTO)、氧化铟铝锌(IAZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓锡(IGTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化镓锌(GZO)、SnO、InO、INZnO、ZnO、IrOx、RuOx、NiO、Ti、Al、Ni、Cr以及它们的选择性化合物或合金中的至少一种，并且可以形成在至少一个层中。欧姆电极的厚度没有特别限制。

第一绝缘层141可以覆盖发光结构120的另一个表面和第一槽H1的侧壁S。除了第一欧姆电极151连接到第一电极焊盘150的点之外，第一绝缘层141可以完全覆盖发光结构120和第一欧姆电极151。

第一绝缘层141可以包括绝缘材料或由包括从Al、Cr、Si、Ti、Zn和Zr中选择的至少一种的氧化物、氮化物、氟化物和硫化物中的至少一种制成的绝缘树脂。第一绝缘层141可以由例如选自SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃和TiO₂中的至少一种制成。第一绝缘层141可以形成为单层或多层，但是本发明不限于此。

反射电极层132可以设置在第一绝缘层141上以覆盖发光结构120的另一个表面和第一槽H1的侧壁S。除了第一欧姆电极151连接到第一电极焊盘150的部分之外，反射层可以完全形成在发光结构120上。由于这样的构造，从有源层122朝向第二半导体层123发射的大部分光可以朝向衬底110反射。因此，可以提高反射效率，并且可以提高光提取效率

反射电极层132可以由金属或非金属材料制成。金属反射电极层132可以包括从In、Co、Si、Ge、Au、Pd、Pt、Ru、Re、Mg、Zn、Hf、Ta、Rh、Ir、W、Ti、Ag、Cr、Mo、Nb、Al、Ni、Cu和WTi中选择的任何一种金属。

非金属反射层的结构可以是包括具有第一折射率的第一层和具有第二折射率的第二层的一对中的至少两个交替地堆叠。第一折射率和第二折射率可以彼此不同，并且第一层和第二层中的每一个可以由折射率为1.5至2.4的导电材料或绝缘材料制成。该结构可以是分布式布拉格反射(DBR)结构。另外，该结构可以是其中具有低折射率的介电层和金属层堆叠的结构(全向反射器)。

诸如粗糙的光提取结构可以形成在第二半导体层123和反射电极层132中的至少一个的表面上。这种光提取结构可以通过改变入射光的临界角来提高光提取效率。光提取结构可以具有不平坦的图案或多个突起。

覆盖电极133可以设置在反射电极层132的下部上。覆盖电极133可以执行以下中的至少一项：作为防扩散层的作用，作为电流分布层的作用以及保护反射电极层132的作用。覆盖电极133可以由选自Au、Cu、Hf、Ni、Mo、V、W、Rh、Ru、Pt、Pd、La、Ta、Ti、Al中的一种以及其中至少两种的合金制成。

第二绝缘层142设置在覆盖电极133的下部上。第二绝缘层142可以包括绝缘材料或由氧化物、氮化物、氟化物和硫化物中的至少一种制成的绝缘树脂，其包括选自Al、Cr、Si、Ti、Zn和Zr的至少一种。第二绝缘层142可以由例如选自SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃和TiO₂中的至少一种制成。第二绝缘层142可以形成为单层或多层，但是本发明不限于此。

第一电极焊盘150可以穿透第二绝缘层142并且可以电连接到第一欧姆电极151。第一欧姆电极151的面积朝向衬底110逐渐增大，第一电极焊盘150的面积朝向衬底110逐渐减小。

第二电极焊盘160可以穿透第二绝缘层142并且可以电连接到第二欧姆电极131和反射电极层132。

第一电极焊盘150和第二电极焊盘160可以包括从In、Co、Si、Ge、Au、Pd、Pt、Ru、Re、Mg、Zn、Hf、Ta、Rh、Ir、W、Ti、Ag、Cr、Mo、Nb、Al、Ni、Cu和WTi中选择的任何一种金属。

参考图13所示，波长转换层180可以设置在衬底上。从有源层122发射的具有蓝色波长带的光可以通过波长转换层180转换成白光。波长转换层180可以设置在衬底的侧表面和发光结构的侧表面上。具有这种结构的封装可以是芯片级封装(CSP)。

波长转换层180可以通过将荧光材料、量子点等分散在聚合物树脂中来形成。荧光材料的种类没有特别的限制。荧光材料可以包括选自YAG基荧光材料、TAG基荧光材料、硅酸盐基荧光材料、硫化物基荧光材料和氮化物基荧光材料中的任何一种。

根据该示例性实施例的发光器件可以用作各种装置的光源。在一个示例中，发光器件可以进一步包括光学构件，诸如导光板、棱镜片和漫射片，以用作背光单元。另外，根据该示例性实施例的发光器件可以进一步应用于显示装置、照明装置和指示装置。

这里，显示装置可以包括底盖、反射板、发光模块、导光板、光学片、显示面板、图像信号输出电路和滤色器。底盖、反射板、发光模块、导光板和光学片可以构成背光单元。

反射板设置于底盖上，发光模块发光。导光板设置在反射板的前方并且将从发光模块发出的光向前方引导，光学片包括棱镜片等，并且设置在导光板的前方。显示面板布置在光学片的前方，图像信号输出电路向显示面板提供图像信号，滤色器设置在显示面板的前方。

照明装置可以包括衬底、包括根据该示例性实施例的发光器件的光源模块、用于耗散光源模块的热量的散热器以及用于处理或转换从外部供应的电信号并将处理或转换后的电信号提供给光源模块的电源。另外，照明装置可以包括灯、车头灯、路灯等。

上述本发明不限于上述示例性实施例和附图，并且本领域技术人员应该清楚，在不偏离示例性实施例的技术构思的范围的情况下可以进行各种替换、修改和变化。