專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實施方案涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
III-V族氮化物半導(dǎo)體已經(jīng)廣泛用于光學(xué)器件例如藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管 (LED)、高速開關(guān)器件例如M0SFET (金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和HEMT (異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體 管)以及照明裝置或顯示裝置的光源。 氮化物半導(dǎo)體主要用于LED (發(fā)光二極管)或LD (激光二極管)，已對其持續(xù)進(jìn)行 研究以改善氮化物半導(dǎo)體的制造工藝或發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題 實施方案提供一種能夠利用多重反射層來改善外部量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件 及其制造方法。 實施方案提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件包括多重 反射層，所述多重反射層包括設(shè)置在第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層下方的具有不同折射率的多個反 射層。 技術(shù)方案 —個實施方案提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括多重反射層，所述多重反射層包括 至少一個具有不同折射率的反射層；在所述多重反射層上的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層；在所述 第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上的有源層；和在所述有源層上的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
—個實施方案提供一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述方法包括在襯底上形 成具有不平坦結(jié)構(gòu)的多重反射層，所述多重反射層包括具有不同折射率的反射層；在所述 襯底和所述多重反射層上形成第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上形成有 源層；和在所述有源層上形成第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
有益效果 實施方案可改善半導(dǎo)體發(fā)光器件的外部量子效率。 而且，實施方案利用具有不平坦結(jié)構(gòu)的多重反射層可改善半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶度。


圖1是說明根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的側(cè)視截面圖。 圖2 8是說明制造根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的視圖。 圖9是說明根據(jù)第二實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的側(cè)視截面圖。 圖10是圖9中部分A的放大視圖。 發(fā)明的最佳實施方式 現(xiàn)在將參照附圖中所示的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方案。在說明書中，附圖中各層的厚度為例舉說明，因此不限于此。 圖1是說明根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件100的側(cè)視截面圖。 參照圖l，半導(dǎo)體發(fā)光器件100包括襯底110、多重反射層120、緩沖層130、未摻
雜的半導(dǎo)體層140、第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150、有源層160和第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170。 襯底110可包括藍(lán)寶石(A1203)襯底、碳化硅(SiC)襯底、硅(Si)襯底、砷化鎵
(GaAs)襯底、氮化鎵(GaN)襯底、氧化鋅(ZnO)襯底、磷化鎵(GaP)襯底、磷化銦(InP)襯底
和鍺(Ge)襯底中的至少一種。作為替代方案，襯底IIO可包括導(dǎo)電襯底。襯底110的表面
可具有不平坦圖案，但不限于此。根據(jù)發(fā)光器件的安裝方法，襯底iio可被移除。 在襯底110上形成具有不平坦結(jié)構(gòu)的多重反射層120。多重反射層120包括交替
堆疊并且彼此分隔開預(yù)定距離的多個反射層121和122。多重反射層120可形成為條形或
者透鏡形，并可具有例如半球形、凸透鏡形、角形或多邊形的截面形狀。然而，多重反射層
120的形狀和截面可在實施方案的范圍內(nèi)進(jìn)行各種改變。 多重反射層120包括成對的層，例如具有不同折射率的第一和第二反射層121和 122。作為替代方案，多重反射層120可包括具有2-6個反射層的層組。此外，第一反射層 121的數(shù)目與第二反射層122的數(shù)目可相等或者不同。 多重反射層120可包括2-50個成對的第一和第二反射層121和122。在多重反射 層120中，第一和第二反射層121和122具有彼此不同的直徑。例如，最下方的第一反射層 121的直徑(或長度)可大于最上方的第一反射層121的直徑。反射層121和122的直徑 (或長度)可從底部向頂部逐漸減小。 多重反射層120中的每一個反射層121和122均可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al203 和ZrO中的至少一種材料形成。第一和第二反射層121和122由具有不同折射率的材料形 成。 第一反射層121可由與用于第二反射層122的材料不同的材料形成，或者由其折 射率與第二反射層122的折射率不同的材料形成。例如，第一反射層121的第一折射率可小 于或者大于第二反射層122的第二折射率。例如，第一和第二反射層121和122可由成對 的ZrO/Si(^層形成。此處，第一和第二反射層121和122的折射率可小于至少氮化鎵(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。 在襯底110和多重反射層120上形成緩沖層130。在緩沖層130上可形成未摻雜
的半導(dǎo)體層140。緩沖層130用于減小與襯底110的晶格常數(shù)差異，并且可包括GaN緩沖
層、AlN緩沖層、AlGaN緩沖層、InGaN緩沖層等。緩沖層130可具有不平坦的表面。未摻雜
的GaN層可用作未摻雜的半導(dǎo)體層140?？尚纬删彌_層130和未摻雜的半導(dǎo)體層140中的
至少一個或者可二者均不形成。 在未摻雜的半導(dǎo)體層140上形成至少一個第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150。摻雜有n型 摻雜劑的n型半導(dǎo)體層可用作第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150。 n型半導(dǎo)體層可選自GaN、AlGaN、 InN、AlN、AlInN、 InGaN、 InAlGaN等。n型摻雜劑可選自Si、 Ge、 Sn、 Se、 Te等。
在第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層150上形成具有單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層 160。有源層160包括例如交替形成的由InGaN形成的量子阱層和由GaN形成的量子勢壘層。此處，量子阱層具有In,Ga卜xN(0《x《1)的組成，但不限于此。有源層160可根據(jù)發(fā) 光材料而改變其發(fā)光波長。在有源層160上/下方，可形成p型/n型覆層。
在有源層160上形成至少一個第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170。摻雜有p型摻雜劑的p 型半導(dǎo)體層可用作第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170。 p型半導(dǎo)體層可選自GaN、 AlGaN、 InN、 AIN、 AlInN、 InGaN、 InAlGaN等。p型摻雜劑可選自Mg、 Zn、 Ca、 Sr、 Ba等。 在第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170上可形成透明電極層或/和第三導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。第 三導(dǎo)電型半導(dǎo)體層可根據(jù)N-P-N結(jié)結(jié)構(gòu)或者P-N-P結(jié)結(jié)構(gòu)而由n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體形 成。具有第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150、有源層160和第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170的堆疊結(jié)構(gòu)可限 定為發(fā)光結(jié)構(gòu)。發(fā)光結(jié)構(gòu)可具有N-P結(jié)結(jié)構(gòu)、N-P-N結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N結(jié)結(jié)構(gòu)和P-N-P結(jié)結(jié)構(gòu)中 的一種。 在實施方案中，在緩沖層130和多重反射層120下方的襯底110可通過激光剝離 (LLO)法移除。 在第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150上形成第一 電極層171 ，在第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170上 形成第二電極層173。 多重反射層120利用具有不同折射率的反射層121和122來反射從有源層160發(fā) 出并朝向襯底110傳播的光的一部分，由此能夠改善光提取效率和外部量子效率。
圖2 8是說明制造根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的視圖。
參照圖2和3，在襯底110上交替堆疊具有不同折射率的反射層121和122。此 處，通過選擇性地使用等離子體氣相沉積(PVD)例如電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)和磁控濺射(RF/ DC濺射)或者化學(xué)氣相沉積(CVD)例如等離子體增強CVD(PECVD)、低壓CVD(LPCVD)和常 壓CVD (APCVD)，可實施反射層121和122的堆疊，然而，反射層121和122的堆疊不限于此。
例如，通過形成第一反射材料的第一反射層121，然后形成第二反射材料的第二反 射層122的方式交替形成反射層121和122。此處，第一和第二反射層121和122形成為一 對，總共可形成2-50個反射層對。第一反射層121的數(shù)目與第二反射層122的數(shù)目可相等 或不等。除了一對反射層之外，還可使用2-6個反射層的一組。 第一反射層121可由折射率大于或小于用作第二反射層122的材料的折射率的材 料形成。反射層121和122中的每一個均可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al2O^P ZrO中的至 少一種材料形成。第一和第二反射層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。此處，第一和第二反 射層121和122可包括折射率小于氮化鎵(GaN)的折射率的材料。 參照圖4，在反射層121和122的最上方的第一反射層121上形成光刻膠圖案128。 此處，光刻膠圖案128可通過順序進(jìn)行的光刻膠涂覆工藝、軟烘烤工藝(例如，在90-190°C 下加熱)、UV曝光工藝、顯影工藝和硬烘烤工藝(例如，在90-12(TC下加熱)來形成。光刻 膠圖案128彼此間隔開預(yù)定距離。 參照圖4和5，可通過回流烘烤工藝使光刻膠圖案128變?yōu)榘肭蛐螆D案128A。此 處，回流烘烤工藝可在高于軟烘烤工藝或硬烘烤工藝溫度的溫度(例如，110-22(TC )下實 施。通過回流烘烤工藝，光刻膠圖案128變?yōu)榘肭蛐喂饪棠z圖案128A。決定半球形光刻膠 圖案128A形狀的因素是光刻膠的類型、回流烘烤溫度、時間等。
參照圖5和6，當(dāng)在反射層121和122上形成半球形光刻膠圖案128A時，蝕刻反射 層121和122。當(dāng)蝕刻反射層121和122時，光刻膠圖案128A也被蝕刻。因此，反射層121 和122的圖案可形成在襯底110上。通過蝕刻光刻膠圖案128A形成多重反射層120即反 射層121和122的方法可采用例如使用高密度等離子體的干蝕刻工藝來實施?？捎玫牡入x 子體的實例可為感應(yīng)耦合等離子體(ICP)、電容耦合等離子體(CCP)、電子回旋共振(ECR) 等離子體、微波等離子體、螺旋等離子體(helicon)等。雖然可用的氣源可根據(jù)介質(zhì)而稍有 不同，但是氯基氣體(例如，Cl2、 BC13)、氟基氣體(例如，CF4、 SF6、 NF3、 C2F6)或者惰性氣體 (例如，Ar、N2)均可用作氣源。 參照圖7，在襯底110上形成多重反射層120的圖案后，在多重反射層120上形成 緩沖層130，在緩沖層130上形成未摻雜的半導(dǎo)體層140。此處，緩沖層130的表面可以是 不平坦的，未摻雜的半導(dǎo)體層130的表面可以是不平坦的。對平坦化而言，可調(diào)整生長溫度 和生長厚度。 緩沖層130可減小GaN材料和襯底材料之間的晶格失配，并且可由GaN、 AlGaN、 InN、AlN、AlInN、InGaN和InAlGaN中的至少一種形成。未摻雜的半導(dǎo)體層140可由其中不 添加導(dǎo)電摻雜劑的未摻雜GaN形成。未摻雜的半導(dǎo)體層140用作其上生長氮化物半導(dǎo)體的 襯底。緩沖層130和/或未摻雜的半導(dǎo)體層140可不形成，或者可不存在于最終器件中。
在未摻雜的半導(dǎo)體層140上形成第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150，在第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體 層150上形成有源層160，并且在有源層160上形成第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170。此處，第一 導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150可包括至少一個n型半導(dǎo)體層。有源層160可具有單量子阱結(jié)構(gòu)或多 量子阱結(jié)構(gòu)。第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170可包括至少一個p型半導(dǎo)體層。
在第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170上可形成透明電極層(未顯示)或/和第三導(dǎo)電半導(dǎo) 體層。第三導(dǎo)電型半導(dǎo)體層包括n型半導(dǎo)體層或p型半導(dǎo)體層。而且，在多重反射層120 下方的襯底可通過LLO法移除。 參照圖8，通過臺面蝕刻工藝暴露出第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層150的一部分。在第一導(dǎo) 電型半導(dǎo)體層150上形成第一電極層171，在第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層170上形成第二電極層 173。 當(dāng)通過第一和第二電極層171和173施加正向電流時，從有源層160發(fā)出光。朝 向襯底110傳播的光的一部分被多重反射層120的第一反射層121或/和第二反射層122 所反射。由反射層121和122反射的光改變臨界角，并由此發(fā)出到外部。
半導(dǎo)體發(fā)光器件100利用襯底110上的多重反射層120將一部分光反射(即漫反 射)，由此能夠改善光提取效率和外部量子效率。 實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件通過在襯底上設(shè)置具有不平坦結(jié)構(gòu)的多重反射層可 提高半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶度。 圖9是說明根據(jù)第二實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的側(cè)視截面圖。圖10是圖9中 部分A的放大視圖。 參照圖9和IO，半導(dǎo)體發(fā)光器件200包括在襯底210上的具有不平坦表面的多重 反射層220。 多重反射層220可具有包括具有不同折射率的第一和第二反射層221和222的堆 疊結(jié)構(gòu)。第一和第二反射層221和222形成一對反射層，多重反射層220可包括2-50個反射層對。 多重反射層220形成為條形，其形狀可為多棱柱(例如，正方棱柱、六方棱柱)或 者多面體(例如四面體)。 此處，第一和第二反射層221和222可由Si02、Si3N4、SiON、Ti02、Al203和Zr0中的 至少一種材料形成，第一和第二反射層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。此處，第一和第二反 射層221和222包括折射率低于氮化鎵(GaN)的折射率的材料。 多重反射層220可通過使用光刻膠圖案形成多重反射層220的圖案來實現(xiàn)。已 經(jīng)參考第一實施方案對其進(jìn)行了詳細(xì)描述，多重反射層220可在實施方案的技術(shù)范圍內(nèi)實 現(xiàn)。 在襯底210和多重反射層220上可依次形成緩沖層230、未摻雜的半導(dǎo)體層240、 第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層250、有源層260和第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層270。此處，緩沖層230可形 成在襯底210和多重反射層220上，未摻雜的半導(dǎo)體層可形成為具有3 ii m 6 ii m的厚度。
在多重反射層220中作為具有不同折射率的介質(zhì)的第一和第二反射層221和222 中每一個的厚度可為發(fā)光器件的波長的四分之一。每個反射層的厚度可通過下式來計算。
"J復(fù)
r, A f》
--- 》& 聽2 其中T表示每一個介質(zhì)的厚度，A表示發(fā)光器件的波長，n表示折射率。 半導(dǎo)體發(fā)光器件200通過多重反射層220可反射從有源層260發(fā)出并朝向襯底
110傳播的光。多重反射層220利用第一反射層221或第二反射層222反射朝向襯底110
傳播的光，由此改變光的臨界角。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件200的光提取效率和外部量子效率
可得到改善。 在實施方案中，在襯底上設(shè)置具有不平坦表面的多重反射層，由此可提高半導(dǎo)體
薄膜的結(jié)晶度。此外，利用多重反射層的漫反射能夠改善外部量子效率。 實施方案也可應(yīng)用于具有水平或者垂直電極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。 以下，將參考附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
在實施方案的描述中，應(yīng)理解當(dāng)層(或膜)、區(qū)域、圖案或結(jié)構(gòu)稱為在另一層(或膜)、區(qū)域、
墊或圖案"上"時，表述"上"和"下"包括"直接在上/下"和"間接在上/下"二者的含義。
此外，可在附圖的基礎(chǔ)上參照關(guān)于每層的"上"和"下"。而且，附圖中各層的厚度是示例性
的，并不限于此。 盡管已經(jīng)參考其許多說明性的實施方案描述了實施方案，但是應(yīng)該理解本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以想出落在本公開原理的精神和范圍內(nèi)的很多其它的變化方案和實施方案。更具 體地，在公開、附圖和所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，在本發(fā)明的組合排列的構(gòu)件和/或結(jié)構(gòu)中 可具有各種的變化和改變。除構(gòu)件和/或結(jié)構(gòu)的變化和改變之外，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可替代的用途也會是明顯的。
工業(yè)實用性 實施方案可提供一種可改善外部量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。 實施方案可提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件可不同地應(yīng)用于高速 開關(guān)器件、照明或顯示裝置的光源。 實施方案可提供一種可靠性提高的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括多重反射層，所述多重反射層包括至少一個具有不同折射率的反射層；在所述多重反射層上的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上的有源層；和在所述有源層上的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層中的每一個反射層包括Si02、Si3N4、Si0N、Ti02、Al203和ZrO中的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層包括具有第一折射率的第一反射層和設(shè)置在所述第一反射層上或/和下方的具有第二折射率的第二反射層，所述第一和第二反射層是交替形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層的每一個反射層由折射率小于氮化鎵(GaN)的折射率的材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層包括2-50個反射層對，所述反射層對包括具有不同折射率的至少兩個反射層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層具有半球形或多邊形中的至少其一。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層的每一個反射層的厚度為發(fā)光波長的四分之一或者為10nm 500nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述多重反射層具有不平坦結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件包括在具有所述不平坦結(jié)構(gòu)的所述多重反射層下方的襯底。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括在所述多重反射層和所述襯底上的緩沖層和未摻雜的半導(dǎo)體層中的至少其一。
10. —種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述方法包括在襯底上形成具有不平坦結(jié)構(gòu)的多重反射層，所述多重反射層包括具有不同折射率的反射層；在所述襯底和所述多重反射層上形成第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上形成有源層；禾口在所述有源層上形成第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成多重反射層包括在所述襯底上交替形成具有不同折射率的反射層；在所述反射層的最上層上形成具有不平坦結(jié)構(gòu)的光刻膠圖案；禾口沿所述光刻膠圖案蝕刻所述反射層以形成具有所述不平坦結(jié)構(gòu)的所述多重反射層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，包括對所述光刻膠圖案實施回流加熱工藝以形成半球形光刻膠圖案，其中利用所述半球形光刻膠圖案蝕刻所述反射層以形成半球形多重反射層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述多重反射層的每一個反射層包括Si(^、Si3N4、SiON、Ti02、Al203和ZrO中的至少一種。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述多重反射層包括2-50個反射層對，所述反射層對包括具有不同折射率的多個反射層。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述多重反射層包括半球形圖案、多棱柱形圖案、多面體圖案中的至少其一。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。所述半導(dǎo)體發(fā)光器件包括包括至少一個具有不同折射率的反射層的多重反射層、在所述多重反射層上的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層、在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上的有源層和在所述有源層上的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。
文檔編號H01L33/00GK101796661SQ200880106174
公開日2010年8月4日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者姜大成, 孫孝根, 樸炯兆 申請人:Lg伊諾特有限公司