CN102074627B - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能改善电流分布的半导体发光器件及其制造方法，其中所述半导体发光器件包括基板；在所述基板上的N型氮化物半导体层；在所述N型氮化物半导体层上的有源层；在所述有源层上的P型氮化物半导体层；在所述P型氮化物半导体层中的沟槽以在所述P型氮化物半导体层中形成预定图案；在所述沟槽中的透明非导电材料的光导；和在具有所述光导的P型氮化物半导体层上的透明电极层。

Description

半导体发光器件及其制造方法

本申请要求2009年11月19日提交的韩国专利申请10-2009-0111996的优先权，在此援引该专利申请作为参考，就像在这里全部列出一样。

技术领域

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种氮化物半导体发光器件。

背景技术

氮化物半导体发光器件包括紫外、蓝色和绿色发光区域。特别地，可将基于GaN的氮化物半导体发光器件应用于红色/绿色发光二极管(LED)的光学器件，以及对应于MESFET(金属半导体场效应晶体管)或HEMT(异质结场效应晶体管)的高速开关或高功率器件的电子器件。

图1是图解根据现有技术的氮化物半导体发光器件的断面图。

如图1中所示，根据现有技术的氮化物半导体发光器件100包括基板110、缓冲层120、未掺杂半导体层130、N型氮化物半导体层140、有源层150、P型氮化物半导体层160、透明电极层170、在透明电极层170上的P型电极180、以及在N型氮化物半导体层140上通过蚀刻有源层150和P型氮化物半导体层160的预定部分而暴露的N型电极190。

在图1所示的根据现有技术的氮化物半导体发光器件100的情形中，因为P型电极180和N型电极190形成在同一平面，所以很难实现均匀的电流分布。因此，如图2中所示，在靠近N型电极190的区域中产生电流拥挤现象。这种电流拥挤现象可导致多种问题，例如，氮化物半导体发光器件的恶化，正向电压的增加以及静电放电(ESD)。

为了克服由电流拥挤现象所造成的前述问题，已经提出了用于增加指状电极数量的方法。指状电极数量的增加能实现均匀的电流分布。然而，由于指状电极数量增加，发光面积减少。

此外，根据现有技术的氮化物半导体发光器件存在诸如光的全反射、以及由有源层和电极中的光吸收而导致的光提取效率降低的问题。

发明内容

本发明涉及一种半导体发光器件及其制造方法，所述半导体发光器件基本上克服了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。

本发明的一个优点是提供了一种能改善电流分布的半导体发光器件及其制造方法。

本发明的另一个优点是提供了一种能提高光提取效率的半导体发光器件及其制造方法。

在下面的描述中将列出本发明的其它优点和特征，这些优点、目的和特征的一部分从下面的描述对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的，或者可从本发明的实施领会到。通过说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构可实现并获得本发明的这些目的和其他优点。

为了获得这些和其它的优点并根据本发明的目的，如这里具体表示和广义描述的，提供一种半导体发光器件，其包括：基板；在所述基板上的N型氮化物半导体层；在所述N型氮化物半导体层上的有源层；在所述有源层上的P型氮化物半导体层；在所述P型氮化物半导体层中的沟槽以在所述P型氮化物半导体层中形成预定图案；在所述沟槽中的透明非导电材料的光导；和在具有所述光导的P型氮化物半导体层上的透明电极层。

在本发明的另一个方面中，提供了一种制造半导体发光器件的方法，其包括：在基板上形成N型氮化物半导体层；在所述N型氮化物半导体层上形成有源层；在所述有源层上形成P型氮化物半导体层；在所述P型氮化物半导体层中形成沟槽以在所述P型氮化物半导体层中形成预定图案；在所述P型氮化物半导体层的整个区域上沉积透明非导电材料；通过蚀刻所述透明非导电材料在所述沟槽中形成光导；以及在具有所述光导的P型氮化物半导体层上的透明电极层。

应当理解，本发明前面的一般性描述和下面的详细描述都是例示性的和解释性的，意在对要求保护的内容提供进一步的解释。

附图说明

向本发明提供进一步理解并组成说明书一部分的附图图解了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是图解根据现有技术的半导体发光器件的断面图；

图2图解了在根据现有技术的半导体发光器件中产生的电流拥挤现象；

图3是图解根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的断面图；

图4A图解了在不具有图3的半导体发光器件中的沟槽的情况下，P型氮化物半导体层中的光路模拟结果，图4B图解了在具有图3的半导体发光器件中的沟槽的情况下，P型氮化物半导体层中的光路模拟结果；

图5是图解在图3中所示的沟槽的内表面中的反射层的断面图；

图6A和6B图解了图3所示的P型氮化物半导体层中的多种图案；

图7A图解了在具有四方形断面的第二光导中的光路模拟结果，图7B图解了在具有半圆形断面的第二光导中的光路模拟结果；

图8图解了在图6B的图案中形成的光导；

图9A-9L是图解用于制造根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的方法的断面图；

图10是将根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的电特性与根据现有技术的半导体发光器件的电特性进行比较的图表；

图11图解了根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布；

图12A是显示根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布的图表；

图12B是显示根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布的图表。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的优选实施方式，附图中图解了这些实施方式的一些例子。尽可能地，在整个附图中使用相同的参考标记表示相同或相似的部件。

之后，将参照附图描述根据本发明的半导体发光器件及其制造方法。

图3是图解根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的断面图。如图3中所示，根据本发明一个实施方式的半导体发光器件300包括基板310、缓冲层320、未掺杂半导体层330、N型氮化物半导体层340、有源层350、P型氮化物半导体层360、光导365、透明电极层370、P型电极380、和N型电极390。

因为在商业上没有基板能在表现出与其上生长的氮化物半导体材料晶格匹配的同时还与该氮化物半导体材料的晶体具有相同的晶体结构，所以考虑到晶格匹配，主要使用蓝宝石基板作为基板310。

蓝宝石基板是具有六菱形R3c对称性的晶体，其具有诸如在c轴方向上晶格常数为

在a轴方向上晶格之间距离为以及在蓝宝石的取向平面的方向上为C(0001)平面、A(1120)平面和R(1102)平面的特性。在蓝宝石基板的C平面上，氮化物半导体材料很容易生长，且在高温时也很稳定。在这方面，蓝宝石基板主要用作蓝色或绿色发光器件的基板。

除了前述蓝宝石基板之外，基板310可选择性地由GaN、SiC、ZnO、GaP、GaAs或导电材料形成。

提供缓冲层320用来减小基板310与N型氮化物半导体层320之间的晶格常数差。缓冲层320形成在基板310上。缓冲层320可选择性地以AlInN结构、InGaN/GaN超晶格结构、InGaN/GaN层叠结构或AlInGaN/InGaN/GaN层叠结构形成。

在缓冲层320上形成有未掺杂半导体层330，其中未掺杂半导体层330可由基于GaN的材料形成。例如，未掺杂半导体层330可通过在1500℃温度时提供NH₃和三甲基镓(TMGa)而在缓冲层320上形成。

本发明的前述实施方式公开了在基板310上既形成有缓冲层320也有未掺杂层330。然而，根据本发明一个修改实施方式的半导体发光器件可包括缓冲层320和未掺杂半导体层330中的任何一个，或者可既不包括缓冲层320，也不包括未掺杂半导体层330。为了便于解释，假定下面将要描述的实施方式同时包括缓冲层320和未掺杂层330。然而，下面将要描述的实施方式可很容易地应用于包括缓冲层320和未掺杂半导体层330中任何一个的半导体发光器件以及既不包括缓冲320也不包括未掺杂层330的半导体发光器件。

在未掺杂半导体层330上形成有N型氮化物半导体层340。氮化物半导体层340一般由GaN、AlGaN、InGaN、AlN或AlInGaN形成。在该情形中，用于N型氮化物半导体层340掺杂的掺杂质可以是Si、Ge、Sn、Se或Te。

N型氮化物半导体层340可通过MOCVD(有机金属化学汽相沉积)、MBE(分子束外延)、或HVPE(氢化物汽相外延)在基板310上生长前述半导体材料而形成。

有源层350设置用来发射光，其通过在由InGaN层形成阱，且由(Al)GaN层形成阻挡层的条件下形成多个量子阱(MQW)来实现。蓝色发光二极管使用InGaN/GaN的多量子阱结构；而紫外发光二极管使用GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN或InGaN/AlGaN的多量子阱结构。对于有源层350中效率的提高，可以通过改变In或Al组分来控制光波长；或者可以通过改变有源层350中阱的深度、有源层350的数量和有源层350的厚度来提高内部量子效率。

有源层350可以以与N型氮化物半导体层340相同的方法，通过MOCVD(有机金属化学汽相沉积)、MBE(分子束外延)、或HVPE(氢化物汽相外延)而形成。

在有源层350上形成有P型氮化物半导体层360，其中P型氮化物半导体层360可由典型的基于氮化物的材料，如GaN、AlGaN、InGaN、AlN或AlInGaN形成。在该情形中，用于P型氮化物半导体层360掺杂的掺杂质可以是Mg、Zn或Be。

P型氮化物半导体层360可通过MOCVD(有机金属化学汽相沉积)、MBE(分子束外延)、或HVPE(氢化物汽相外延)使前述基于氮化物的半导体材料在有源层350上生长而形成。

如图3中所示，在根据本发明的半导体发光器件300的P型氮化物半导体层360中形成有沟槽362。这是因为P型氮化物半导体层360中的沟槽362防止从有源层350传输的光被全反射。在根据本发明的半导体发光器件中，沟槽362可具有“V形”断面，从而有效防止光的全反射。

更详细地说，如果在P型氮化物半导体层360中没有形成沟槽，从有源层350传输的光可能如图4A中所示被全反射，由此导致光提取效率的降低。然而，根据本发明，如图4B中所示，在P型氮化物半导体层360中形成有V形沟槽362，从而能够防止光被全反射，由此提高光提取效率。

本发明的前述实施方式公开了V形的沟槽362。然而，沟槽362可具有能防止光的全反射的任何结构。例如，本发明修改的实施方式包括断面为多边形或半圆形的沟槽362。

为了使防止光的全反射的效率提高，如图5中所示，可在沟槽362的内表面上额外形成有反射层364。此时，反射层364可由选自Al、Ti、Au、Ag、Ni、Sn、Cu、Cr以及它们的混合物的材料形成。

此时，沟槽362可形成在P型氮化物半导体层360中，从而P型氮化物半导体层360可具有预定图案。可在沟槽362插在相邻多边形的边界之间的条件下，重复排列所述多个多边形而形成所述预定图案。例如，所述预定图案可以是在沟槽362插在相邻四方形的边界之间的条件下，重复排列所述多个四方形600而获得的格子型，如图6A中所示。其他方式如图6B中所示，所述预定图案可以是在沟槽362插在相邻四方形的边界之间的条件下，重复排列所述多个四方形610而获得的条型。此外，可在沟槽362插在相邻六边形的边界之间的条件下，重复排列所述多个六边形；或者在沟槽362插在相邻圆形的边界之间的条件下，重复排列所述多个圆形而形成所述预定图案。

再次参照图3，在P型氮化物半导体层360的沟槽362上形成光导365。根据本发明的一个实施方式，光导365可由能传输光并阻止电流流的透明非导电材料，例如基于Si_xO_y的氧化物材料形成。

因为光导365由能阻止电流流的非导电材料形成，所以光导365实现了阻止经P型电极380流入的电流的功能，由此分配电流。根据光导365选择性地在P型氮化物半导体层360的内部和上部中的任意一个部分中形成，因而经P型电极380流入的电流就会通过光导365均匀地分配到所有的边，由此防止电流拥挤现象。

如图3的放大区域所示，光导365包括第一光导366和第二光导368，其中第一光导366形成在沟槽362内部，第二光导368形成在第一光导366上。此时，第二光导368设置用来加强光散射，由此提高光提取效率。第二光导368比透明电极层370薄。例如，第二光导368形成为0.1μm的厚度。

为了实现更加改善的光散射，第二光导368可具有“半圆形”断面。更详细地说，由于更加改善的光散射，图7B所示的半圆形的第二光导368的光提取效率比图7A所示的四方形的第二光导368的光提取效率高。

此外，第二光导368可具有多边形的断面。

图8显示出前述第一光导366和第二光导368形成在根据图6B中所示的所述预定图案的沟槽362上。

优选地，前述光导365覆盖小于50％的P型氮化物半导体层360。

本发明的前述实施方式公开了光导365包括第一光导366和第二光导368。在本发明修改的实施方式中，光导365可包括第一光导366和第二光导368中的任何一种。

如上所述，在P型氮化物半导体层360与透明电极层370之间形成透明非导电材料的光导365，从而可防止电流拥挤现象，还可通过P型氮化物半导体层360中的沟槽362防止光的全反射。

再次参照图3，在具有光导365的P型氮化物半导体层360上形成有透明电极层370。优选地，透明电极层370由能降低与具有较高能带隙的P型氮化物半导体层360的接触电阻并且还具有良好透光特性的材料形成以经其向上传输在有源层350中产生的光。

透明电极层370一般以Ni/Au的双层结构形成。优选地，透明电极层370由诸如氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)或氮化钛钨(TiWN)的预定材料形成。前述用于透明电极层370的预定材料能实现良好的透光特性，但其接触电阻相对较高。

透明电极层370可通过诸如CVD(化学汽相沉积)或电子束蒸镀的沉积方法形成，或者可通过溅射形成。此时，实施大约400℃到900℃的热处理，以改善欧姆接触特性。

如上所述，透明电极层370可比第二光导368厚。例如，透明电极层370可形成为0.2μm的厚度。

在透明电极层370上形成有P型电极380。P型电极380可通过诸如CVD(化学汽相沉积)或电子束蒸镀这样的沉积方法，或者通过溅射由金(Au)或含金(Au)的合金形成。

在台面蚀刻的N型氮化物半导体层340上形成有N型电极390，其中N型电极390可使用选自Ti、Cr、Al、Cu和Au的材料组中的材料以单层结构或多层结构形成。N型电极390可通过诸如CVD(化学汽相沉积)或电子束蒸镀的沉积方法，或者通过溅射形成在N型氮化物半导体层340上。

将参照图9描述制造本发明的半导体发光器件的方法。图9A-9L是图解用于制造根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的方法的断面图。

首先，如图9A中所示，在基板310上顺序形成缓冲层320、未掺杂半导体层330、N型氮化物半导体层340、有源层350和P型氮化物半导体层360。此时，可形成缓冲层320和未掺杂半导体层330中的至少一层，或者既不形成缓冲层320也不形成未掺杂半导体层330。

已经参照图3解释了形成基板310、缓冲层320、未掺杂半导体层330、N型氮化物半导体层340、有源层350和P型氮化物半导体层360的方法，因此将省略其详细解释。

如图9B中所示，由光刻胶形成掩模图案900以在P型氮化物半导体层360中形成沟槽362，由此在P型氮化物半导体层360中形成预定图案。

根据本发明的一个实施方式，形成V形沟槽362用来有效防止光的全反射。为此，如图9C中所示，可通过过显影(over development)在掩模图案900的侧边形成额外的掩模图案910。

然后，如图9D中所示，在通过湿蚀刻或等离子体蚀刻形成V形沟槽362以在P型氮化物半导体层360上获得预定图案之后，移除掩模图案900和910。在该情形中，沟槽362可具有0.1μm的深度和1μm的高度。在P型氮化物半导体层360中形成沟槽362的原因是防止从有源层350传输的光的全反射。

本发明的前述实施方式公开了V形沟槽362。然而，沟槽362可具有能防止光的全反射的任意结构。例如，在本发明修改的实施方式中，可形成多边形或半圆形断面的沟槽。

此时，沟槽362可形成在P型氮化物半导体层360中，从而P型氮化物半导体层360可具有预定图案。可在沟槽362插在相邻多边形的边界之间的条件下。通过重复排列所述多个多边形形成所述预定图案。

例如，所述预定图案可以是在将沟槽362插在相邻四方形的边界之间的条件下，重复排列所述多个四方形600而获得的格子型，如图6A中所示。其他方式如图6B中所示，所述预定图案可以是在沟槽362插在相邻四方形的边界之间的条件下，重复排列所述多个四方形610而获得的条型。此外，可在沟槽362插在相邻六边形的边界之间的条件下，重复排列所述多个六边形；或者在沟槽362插在相邻圆形的边界之间的条件下，重复排列所述多个圆形来形成所述预定图案。

然后，如图9E中所示，在沟槽362的内表面上额外形成反射层364。沟槽362内表面上的反射层364能提高防止光的全反射的效率。此时，反射层364可由选自Al、Ti、Au、Ag、Ni、Sn、Cu、Cr以及它们的混合物的材料形成。

因为可任选地对防止光的全反射的效率提供进一步的提高，所以可选择性地实施前述形成反射层364的工序。

如图9F中所示，在P型氮化物半导体层360上沉积透明非导电材料层920。然后，如图9G中所示，在透明非导电材料层920上形成光刻胶的掩模图案930。此时，非导电材料层可由基于Si_xO_y的氧化物材料形成。

然后，如图9H中所示，在通过蚀刻透明非导电材料层920形成光导365之后，移除掩模图案930。此时，光导365包括第一光导366和第二光导368，其中第一光导366形成在沟槽362内部，而第二光导368形成在第一光导366上。光导365由非导电材料形成的原因是通过阻止经P型电极380流入的电流来分散电流。

优选地，第二光导368比透明电极层370薄。例如，第二光导368以0.1μm的厚度形成。

图9H公开了第二光导368具有四方形的断面。在本发明修改的实施方式中，第二光导368可具有增强光分散的半圆形断面。为此，如图9I中所示，在具有光导365的P型氮化物半导体层360上涂布诸如光刻胶这样的保护层，其中该保护层比光导365薄。然后，如图9J中所示，在等离子体蚀刻之后移除保护层，由此形成半圆形的第二光导368。

图9J公开了第二光导368具有半圆形的断面。在本发明修改的实施方式中，第二光导368可具有多边形的断面。

在根据本发明的半导体发光器件中，经P型电极380流入的电流被均匀分散到所有的边，从而避开第一光导366和第二光导368，由此防止电流拥挤现象。

本发明前述的实施方式公开了光导365包括第一光导366和第二光导368。然而，本发明修改的实施方式公开了光导365包括第一光导366和第二光导368中的任意之一。因而，可省略图9G到9I中所示的一些前述工序。

然后，如图9K中所示，在具有光导365的P型氮化物半导体层360的整个表面上涂布透明电极层370。此时，透明电极层370比前述第二光导368厚。例如，透明电极层370可以0.2μm的厚度形成。

如图9L中所示，在对用于形成N型电极390的N型氮化物半导体层340实施台面蚀刻之后，在透明电极层370上形成P型电极380，并在台面蚀刻的N型氮化物半导体层340上形成N型电极390。

尽管没有示出，但为了提高半导体发光器件的可靠性，在半导体发光器件的整个表面上使用诸如SiO₂的氧化物形成绝缘层；通过研磨和抛光工序使基板变薄，然后通过使用激光或金刚石的划线工序将半导体发光器件分割为单个的芯片。

图10是将根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的电特性与根据现有技术的半导体发光器件的电特性进行比较的图表。如图10中所示，与根据现有技术的半导体发光器件的有源层相比，根据本发明一个实施方式的半导体发光器件的有源层中的电流密度STD(标准偏差)可以提高超过10％。

图11图解了根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布。如图11中所示，与根据现有技术的半导体发光器件的有源层中的电流分布相比，根据本发明的半导体发光器件的有源层中的电流分布大大改善。

图12A是显示根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布的图表。图12B是显示根据本发明的半导体发光器件和根据现有技术的半导体发光器件的电流分布的曲线图。如图12中所示，当施加相同的电流值时，根据本发明的半导体发光器件的电流分布优于根据现有技术的半导体发光器件的电流分布。

根据本发明，在P型氮化物半导体层360的内部和上部中的任何一个部分中形成有透明非导电材料的光导365，由此光导365阻止电流。因而，在有源层350中的电流分布得到改善。

除了通过光导365改善电流分布之外，本发明还能防止半导体发光器件恶化，实现正向电压的降低，并且还克服了静电放电(ESD)的问题。

此外，在P型氮化物半导体层360中形成有沟槽362，由此防止光的全反射。此外，在P型氮化物半导体层360上形成有半圆形或多边形的光导365，从而能增加光分散，由此提高光提取效率。

在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等价物范围内的本发明的修改和变化。

Claims (10)

1.一种半导体发光器件，包括：

基板；

在所述基板上的N型氮化物半导体层；

在所述N型氮化物半导体层上的有源层；

在所述有源层上的P型氮化物半导体层；

在所述P型氮化物半导体层中的沟槽，以在所述P型氮化物半导体层中形成预定图案；

在所述沟槽上的透明非导电材料的光导；和

在具有所述光导的P型氮化物半导体层上的透明电极层，

其中所述光导包括在所述沟槽内部的第一光导和在所述第一光导上的第二光导，其中所述第二光导比所述透明电极层薄。

2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述预定图案是通过在所述沟槽插在相邻多边形或相邻圆形的边界之间的条件下重复排列所述多个多边形或圆形而形成的。

3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述沟槽具有V形、半圆形、或多边形的纵向断面。

4.根据权利要求3所述的半导体发光器件，进一步包括在沟槽的表面与所述光导之间的反射层，所述反射层由选自Al、Ti、Au、Ag、Ni、Sn、Cu、Cr以及它们的混合物的材料形成。

5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述透明非导电材料是基于Si_xO_y的氧化物材料。

6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述第二光导具有半圆形或多边形的纵向断面。

7.一种制造半导体发光器件的方法，包括：

在基板上形成N型氮化物半导体层；

在所述N型氮化物半导体层上形成有源层；

在所述有源层上形成P型氮化物半导体层；

在所述P型氮化物半导体层中形成沟槽，以在所述P型氮化物半导体层中形成预定图案；

在所述P型氮化物半导体层的整个区域上沉积透明非导电材料；

通过蚀刻所述透明非导电材料在所述沟槽上形成光导；以及

在具有所述光导的P型氮化物半导体层上形成透明电极层，

其中形成光导包括在所述沟槽内部形成第一光导和在所述第一光导上形成第二光导，其中所述第二光导比所述透明电极层薄。

8.根据权利要求7所述的方法，其中形成沟槽包括：

在所述沟槽插在相邻多边形或相邻圆形的边界之间的条件下，重复排列所述多个多边形或圆形获得预定图案，其中所述沟槽具有V形、半圆形或多边形的纵向断面。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二光导具有半圆形或多边形的纵向断面。

10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

在形成沟槽和形成光导的步骤之间，在所述沟槽的表面上形成反射层，所述反射层由选自Al、Ti、Au、Ag、Ni、Sn、Cu、Cr以及它们的混合物的材料形成。

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