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CN103782399A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

氮化物半导体发光元件 Download PDF

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CN103782399A
CN103782399A CN201180073264.4A CN201180073264A CN103782399A CN 103782399 A CN103782399 A CN 103782399A CN 201180073264 A CN201180073264 A CN 201180073264A CN 103782399 A CN103782399 A CN 103782399A
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conduction type
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河海秀
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Abstract

本发明涉及一种由于织构效应而具有改进的光提取效率的氮化物半导体发光元件，其包括：形成在衬底上的发光结构，其包括第一导电氮化物半导体层、第二导电氮化物半导体层以及插入在它们之间的有源层；电连接至第一导电氮化物半导体层的第一电极；电连接至第二导电氮化物半导体层的第二电极；以及具有多个通孔的光提取图案，其位于第一电极与第二电极之间并且形成为穿透发光结构的上表面和下表面。

Description

氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件，更具体地，涉及通过织构效应而具有改进的光提取效率的氮化物半导体发光器件。
背景技术
半导体发光器件是这样一种半导体器件，当对其施加电流时通过在p型半导体和n型半导体之间的p-n结处发生电子-空穴复合，该半导体器件能够发出各种颜色的光。对于基于灯丝的发光器件而言，半导体发光器件具有多种优点，例如，相对较长的寿命、相对较低的功耗、优越的初始操作特性、高抗振性、对于电力的重复间断的高容限等等；因而，对于半导体发光器件的需求在不断增长。特别地，最近，能够发出短波长蓝色光的第III族氮化物半导体的增长尤为突出。
当半导体发光器件的有源层中产生的光入射到空气与GaN之间的界面上时，其反射等级会根据入射角度而变化。理论上，在入射角度大约为26°或更大的情况下，在有源层中产生的光全内反射，并且全内反射的光通过器件的侧面从器件漏出或者在器件内部被吸收或削弱，从而成为降低发光效率的主要因素。
为了通过克服上述问题来改进光提取效率，已经使用了在发光表面上形成非均匀图案的技术。使用非均匀图案来减少光的全反射的这种技术在一定程度上有助于改进光提取效率，但还需要进一步改进光提取效率的结构。
发明内容
[技术问题]
本发明的一个方面提供了一种通过使用光提取图案而能够显著改进光提取效率的氮化物半导体发光器件，通过从发光结构去除半导体层的至少一直到有源层的一部分来形成所述光提取图案。
[技术方案]
根据本发明的一个方面，一种氮化物半导体发光器件可包括：形成在衬底上的发光结构，所述发光结构包括第一导电类型氮化物半导体层、第二导电类型氮化物半导体层和插入在所述第一导电类型氮化物半导体层和第二导电类型氮化物半导体层之间的有源层；电连接至所述第一导电类型氮化物半导体层的第一电极；电连接至所述第二导电类型氮化物半导体层的第二电极；以及布置在所述第一电极和第二电极之间的光提取图案，其包括通过竖直穿透所述发光结构而形成的多个通孔。
可以以二维结构布置所述多个通孔。所述光提取图案还可包括至少一个第一分离沟槽，通过以条带形状去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分来形成所述第一分离沟槽，并且通过所述第一分离沟槽可将所述多个通孔分成多个阵列。所述第一分离沟槽可延伸到所述第一导电类型氮化物半导体层和所述第二导电类型氮化物半导体层。
所述发光结构可以是台面蚀刻结构。所述第一电极可以形成在通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分而暴露出来的所述第一导电类型氮化物半导体层上。
所述氮化物半导体发光器件还可包括接收沟槽，通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分以暴露所述第一导电类型氮化物半导体层来形成所述接收沟槽。所述第一电极可布置在通过所述接收沟槽而暴露出来的所述第一导电类型氮化物半导体层上，并且可以以二维结构布置所述多个通孔。
所述光提取图案还可包括第二分离沟槽，通过以条带形状去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分并且将所述第一电极和第二电极从所述发光结构的侧表面分离来形成所述第二分离沟槽。
所述光提取图案还可包括通过竖直穿透所述发光结构而形成在所述第二分离沟槽和所述发光结构的侧表面之间的多个第二通孔，并且可以沿着所述发光结构的周界布置所述多个第二通孔。
所述多个通孔中的每一个可以包括第一沟槽和至少一个第二沟槽，通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分来形成所述第一沟槽，通过从所述第一沟槽的底表面穿透所述第一导电类型氮化物半导体层来形成所述第二沟槽。所述光提取图案还可包括多个第三沟槽，通过沿着所述台面蚀刻结构的周界穿透暴露的第一导电类型氮化物半导体层来形成所述第三沟槽。
所述衬底可包括形成在其中的图案。
[有益效果]
如上所述，根据本发明的示例性实施例，可以通过由形成在n型电极与p型电极之间的不均匀结构所引起的织构效应（textureeffect）进一步改进氮化物半导体发光器件的光提取效率，其中通过从发光结构的顶面到其底面穿透该发光结构来形成所述不均匀结构。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；
图2是示出了沿着X-X'线截取的图1所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图；
图3是示出了图1所示的氮化物半导体发光器件的另一示例的侧剖面图；
图4是示出了根据本发明第二示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；
图5是示出了沿着X-X'线截取的图4所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图；
图6是示出了根据本发明第三示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；
图7是示出了沿着X-X'线截取的图6所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图；
图8是示出了根据本发明第四示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；
图9是示出了沿着X-X'线截取的图8所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图；
图10是示出了根据本发明第五示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；
图11是示出了沿着X-X'线截取的图10所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图；
图12是示出了根据本发明第六示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图；以及
图13是示出了沿着X-X'线截取的图12所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
具体实施方式
将参考附图对本发明的示例性实施例进行详细描述。
然而，本发明可以按照多种不同形式来举例说明，并且不应当被看作限于在此所阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本发明是清楚且完整的，并且将向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见会夸大元件的形状和尺寸，并且相同的附图标记将始终用于表示相同或相似的元件。
图1是示出了根据本发明第一示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图2是示出了沿着X-X'线截取的图1所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图1和图2，根据本发明第一示例性实施例的氮化物半导体发光器件100可包括：衬底110；形成在衬底110上的发光结构，其包括n型半导体层120、有源层130和p型半导体层140；以及通过去除发光结构的至少一直到有源层130的一部分而形成的光提取图案170。可以设置分别电连接至n型半导体层120和p型半导体层140的n型电极150和p型电极160。另外，可以台面蚀刻p型半导体层140和有源层130以布置在n型半导体层120的一部分上。因而，可以暴露n型半导体层120的一部分，并且n型电极150可以形成在n型半导体层120的暴露表面上。
在此，衬底110可用于生长氮化物半导体层。衬底110可以是高电阻衬底，并且可主要将蓝宝石衬底用于衬底110。蓝宝石是具有六菱形R3c对称的晶体，并且具有沿C轴的晶格常数13.001
Figure BDA0000473169040000051
和沿A轴的晶格常数4.758蓝宝石的晶面包括C（0001）平面、A（1120）平面、R（1102）平面等。C平面主要用作用于氮化物半导体生长的衬底，因为它有助于氮化物膜的生长并且在高温下稳定。然而，根据本实施例的衬底110不限于蓝宝石衬底，除了蓝宝石衬底外还可以使用由SiC、Si、GaN、AlN等形成的衬底。
虽然未示出，但是可以在衬底110上形成缓冲层（未示出）以缓解衬底110与n型半导体层120之间的晶格失配。缓冲层可以是由III-V族氮化合物半导体形成的n型材料层或未掺杂材料层。缓冲层可以是在低温下生长的包括AlN或n-GaN的成核层。
n型半导体层120和p型半导体层140可以由具有以AlxInyGa(1-x-y)N（其中0≤x≤1,0≤y≤1，且0≤x+y≤1）表示的化合物的材料来形成，并且可以分别掺杂n型杂质和p型杂质。半导体材料可以是GaN、AlGaN和InGaN。另外，Si、Ge、Se、Te或C可用作n型杂质，Mg、Zn或Be可用作p型杂质。可以通过使用本领域已知的氮化物半导体生长方法来形成n型半导体层120和p型半导体层140。例如，可通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）等来生长n型半导体层120和p型半导体层140。
有源层130可以是通过电子-空穴载流子复合而发光的材料层，并且可以由具有多量子阱（MQW）结构的GaN基III-V族氮化合物半导体形成，在多量子阱结构中交替地堆叠了量子阱层和量子势垒层。在此，量子势垒层可以具有以AlxInyGa(1-x-y)N（其中0≤x≤1,0≤y≤1，且0≤x+y≤1）表示的成分，量子阱层可以具有以InzGa(1-z)N（其中0≤z≤1）表示的成分。在此，量子势垒层可以具有其厚度使得从p型半导体层140注入的空穴能够隧穿的超晶格结构。
可以在通过台面蚀刻p型半导体层140和有源层130而暴露出来的n型半导体层120上形成n型电极150，并且可以在p型半导体层140上形成p型电极160。可以将n型电极150和p型电极160布置得尽量彼此远离以促使电流散布。另外，可以由具有高的光反射率的材料形成n型电极150和p型电极160，以使得在有源层130中产生的光被反射而不是被电极吸收。例如，Al、Ag等可用作电极。
可以在n型电极150和p型电极160之间布置光提取图案170，光提取图案170可包括通过竖直穿透发光结构而形成的多个通孔。可以以二维结构布置所述多个通孔，并且所述多个通孔可以从n型半导体层120延伸到p型半导体层140。通孔可以暴露其下的衬底110的部分。
可以通过使用掩模图案或通过蚀刻形成光提取图案170。没有特别限定形成光提取图案170的方法。可以使用各种蚀刻技术，诸如电子束平版印刷术、光刻法等。例如，在p型半导体层140的顶面上形成掩模图案以定义光提取图案170之后，使用该掩模图案作为蚀刻掩模对p型半导体层140、有源层130和n型半导体层120进行蚀刻以形成通孔，通过该通孔暴露出衬底的对应部分。结果是，可以将光提取图案170与发光区域相邻布置。在此，通孔的截面可以如图所示为圆形，或者也可以具有诸如四边形形状、六边形形状等的各种形状。
光提取图案170可以通过降低由光的全内反射和反射所引起的光损失来改进光提取效率。也就是说，可以通过与发光区域相邻的光提取图案170将反复内反射的光向外发射出去，从而可以防止由内反射所引起的光损失，并且可以改进光提取效率。另外，光提取图案170相对于电流流动方向可以形成势垒，从而降低发光器件在n型电极150和p型电极160之间的中央部分上的电流集中，并且可以改进电流散布。
在根据本发明第一实施例的氮化物半导体发光器件100中，会由于去除了从发光结构的顶面至少一直到有源层130的半导体层的一部分而减少了发光区域，但是可以将光提取图案遍布在n型电极p型电极之间的整个发光结构，以便增加向外发射的光量，从而可以进一步改进光提取效率。
图3是示出了图1所示的氮化物半导体发光器件的另一示例的侧剖面图。在此，除了使用图案化蓝宝石衬底（PSS）以外，图3所示的氮化物半导体发光器件具有与图1和图2所示的氮化物半导体发光器件基本相同的构造。因此将省略对于相同构造的冗余描述，并仅提供与区别构造相关的细节。
参考图3，根据本发明的示例性实施例的氮化物半导体发光器件可使用PSS111作为衬底，从而PSS111可以有效地使得在有源层130中产生光经过漫反射并朝向发光表面行进，从而可以改进光提取效率。PSS111可具有形成在其中的规则图案，但不限于此。可以在PSS中形成不规则图案。另外，图案的截面可以是三角形或凸圆形。
参考图4至图13，将描述图1所示的氮化物半导体发光器件的修改示例。在此，在图4至图13所示的氮化物半导体发光器件的说明中，与图1和图2所示的根据第一示例性实施例的氮化物半导体发光器件的相同构造相关的细节将省略，并仅提供与区别构造相关的细节。
图4是示出了根据本发明第二示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图5是示出了沿着X-X'线截取的图4所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图4和图5，根据本发明第二示例性实施例的氮化物半导体发光器件200可包括形成在n型电极250和p型电极260之间的光提取图案270。在此，可以将n型电极250形成在通过台面蚀刻发光结构的p型半导体层240和有源层230而暴露出来的n型半导体层220上，并且可以在p型半导体层240上形成p型电极260。
光提取图案270可以包括将发光结构的顶面分成至少一个或多个区域的沟槽272以及多个通孔271，所述多个通孔271布置在被沟槽272分开的区域内，并且通过去除发光结构的至少一直到有源层230的一部分来形成所述多个通孔271。沟槽272可以围绕多个通孔271并且将所述多个通孔271分成多个阵列。可以通过去除发光结构的至少一直到有源层230的一部分以条带形状形成沟槽272。
图6是示出了根据本发明第三示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图7是示出了沿着X-X'线截取的图6所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图6和图7，根据本发明第三示例性实施例的氮化物半导体发光器件300可包括形成在衬底310上的发光结构，该发光结构包括n型半导体层320、有源层330、p型半导体层340以及分别与n型半导体层320和p型半导体层340电连接的n型电极350和p型电极360。在此，可以将n型电极350形成在通过接收沟槽351暴露出来的n型半导体层320上，通过去除发光结构的至少一直到有源层330的一部分来形成接收沟槽351。另外，根据本发明的实施例的氮化物半导体发光器件300可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层330的一部分而形成的光提取图案370。
在本实施例中，光提取图案370可包括：通过竖直穿透n型电极350和p型电极360之间的发光结构而形成的多个第一通孔371；与发光结构的侧表面隔开并且沿着该侧表面以条带形状形成的沟槽373；以及布置在发光结构的侧表面与沟槽373之间的多个第二通孔374。如图所示，可以通过竖直穿透发光结构来形成多个通孔371和374，并且可以通过去除n型半导体层320的一部分使得n型半导体层320形成沟槽373的底面的方式来形成沟槽373。另外，可以如图所示的那样在发光结构的沿着侧表面的整个周界来布置第二通孔374，或者可以将第二通孔374布置在发光结构的一部分周界中。
在有源层330产生的光当中朝向发光表面行进的光被向外发射或向内反射，光提取图案370可使得反射光和朝向衬底行进的光朝向发光表面折射或偏转以向外发射。因而，可以进一步改进光提取效率。
图8是示出了根据本发明第四示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图9是示出了沿着X-X'线截取的图8所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图8和图9，根据本发明第四示例性实施例的氮化物半导体发光器件400可包括形成在衬底410上的发光结构，该发光结构包括n型半导体层420、有源层430、p型半导体层440以及分别与n型半导体层420和p型半导体层440电连接的n型电极450和p型电极460。在此，可以将n型电极450形成在通过沟槽451暴露出来的n型半导体层420上，通过去除发光结构的至少一直到有源层430的一部分来形成沟槽451。另外，根据本发明的实施例的氮化物半导体发光器件400可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层430的一部分而形成的光提取图案470。
在本实施例中，光提取图案470可包括：以条带形状形成以便将发光结构的顶面分成至少一个或多个区域的第一沟槽472；多个第一通孔471，所述多个第一通孔471布置在被沟槽472分开的区域内，并且通过竖直穿透发光结构来形成第一通孔471；沿着发光结构的周界以条带形状形成的第二沟槽473；以及形成在发光结构的侧表面与各个电极之间的多个第二通孔474。第一沟槽472可以围绕多个第一通孔471并且将多个第一通孔分成多个阵列。第二沟槽473可以与发光器件400的侧表面隔开并沿着发光结构的周界来布置，并且第二沟槽473可以将第二通孔474与各个电极隔开。
图10是示出了根据本发明第五示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图11是示出了沿着X-X'线截取的图10所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图10和图11，根据本发明第五示例性实施例的氮化物半导体发光器件500可包括形成在衬底510上的发光结构，该发光结构包括n型半导体层520、有源层530、p型半导体层540以及分别与n型半导体层520和p型半导体层540电连接的n型电极550和p型电极560。在此，可以将n型电极550形成在通过接收沟槽551暴露出来的n型半导体层520上，通过去除发光结构的至少一直到有源层530的一部分来形成接收沟槽551。另外，根据本发明的实施例的氮化物半导体发光器件500可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层530的一部分而形成的光提取图案570。
在本实施例中，光提取图案570可包括：通过竖直穿透n型电极550和p型电极560之间的发光结构的一部分而形成的多个第一通孔，该第一通孔具有双重结构；沿着发光结构的周界在每个电极的外侧以条带形状形成的沟槽573；以及形成在发光结构的侧表面与各个电极之间的多个第二通孔574。在此，每个具有双重结构的第一通孔可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层530的一部分而形成的第一沟槽575和通过去除n型半导体层520的从第一沟槽575的底表面开始的一部分而形成的第二沟槽576。
图12是示出了根据本发明第六示例性实施例的氮化物半导体发光器件的示意透视图，图13是示出了沿着X-X'线截取的图12所示的氮化物半导体发光器件的侧剖面图。
参考图12和图13，根据本发明第六示例性实施例的氮化物半导体发光器件600可包括形成在衬底610上的发光结构，该发光结构包括n型半导体层620、有源层630、p型半导体层640以及分别与n型半导体层620和p型半导体层640电连接的n型电极650和p型电极660。在此，可以将n型电极650形成在通过台面蚀刻发光结构的包括p型半导体层640和有源层630的一部分而暴露出来的n型半导体层620上。另外，根据本发明的实施例的氮化物半导体发光器件600可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层630的一部分而形成的光提取图案670。
在本实施例中，光提取图案670可包括：通过竖直穿透n型电极650和p型电极660之间的发光结构的一部分而形成的多个通孔，该通孔具有双重结构；以及形成在通过台面蚀刻工艺暴露出来的n型半导体层620中的多个第三沟槽677。在此，具有双重结构的多个通孔中的每一个可包括通过去除发光结构的至少一直到有源层630的一部分而形成的第一沟槽675和通过去除n型半导体层620的从第一沟槽675的底表面开始的一部分而形成的多个第二沟槽676。多个第三沟槽677可以形成为暴露其下的衬底610。
虽然上述已经示出并说明了示例性实施例，但本领域技术人员应当清楚的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行修改和变形。

Claims (15)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
形成在衬底上的发光结构，所述发光结构包括第一导电类型氮化物半导体层、第二导电类型氮化物半导体层和插入在所述第一导电类型氮化物半导体层和第二导电类型氮化物半导体层之间的有源层；
电连接至所述第一导电类型氮化物半导体层的第一电极；
电连接至所述第二导电类型氮化物半导体层的第二电极；以及
布置在所述第一电极和第二电极之间的光提取图案，其包括通过竖直穿透所述发光结构而形成的多个通孔。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，以二维结构布置所述多个通孔。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述光提取图案还包括至少一个第一分离沟槽，通过以条带形状去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分来形成所述第一分离沟槽，并且
通过所述第一分离沟槽将所述多个通孔分成多个阵列。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述第一分离沟槽延伸到所述第一导电类型氮化物半导体层和所述第二导电类型氮化物半导体层。
5.根据权利要求1或3所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述发光结构是台面蚀刻结构。
6.根据权利要求5所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述第一电极形成在通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分而暴露出来的所述第一导电类型氮化物半导体层上。
7.根据权利要求5所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述多个通孔中的每一个包括第一沟槽和至少一个第二沟槽，通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分来形成所述第一沟槽，通过从所述第一沟槽的底表面穿透所述第一导电类型氮化物半导体层的一部分来形成所述第二沟槽。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述光提取图案还包括多个第三沟槽，通过沿着所述台面蚀刻结构的周界穿透暴露的第一导电类型氮化物半导体层来形成所述第三沟槽。
9.根据权利要求1或3所述的氮化物半导体发光器件，还包括接收沟槽，通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分以暴露所述第一导电类型氮化物半导体层来形成所述接收沟槽，
其中，所述第一电极布置在通过所述接收沟槽而暴露出来的所述第一导电类型氮化物半导体层上。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光器件，其中，以二维结构布置所述多个通孔。
11.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述光提取图案还包括第二分离沟槽，通过以条带形状去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分并且将所述第一电极和第二电极从所述发光结构的侧表面分离来形成所述第二分离沟槽。
12.根据权利要求11所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述光提取图案还包括通过竖直穿透所述发光结构而形成在所述第二分离沟槽和所述发光结构的侧表面之间的多个第二通孔。
13.根据权利要求12所述的氮化物半导体发光器件，其中，沿着所述发光结构的周界布置所述多个第二通孔。
14.根据权利要求13所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述多个通孔中的每一个包括第一沟槽和至少一个第二沟槽，通过去除所述发光结构的至少包括有源层的一部分来形成所述第一沟槽，通过从所述第一沟槽的底表面穿透所述第一导电类型氮化物半导体层的一部分来形成所述第二沟槽。
15.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底包括形成在其中的图案。
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