專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體發(fā)射器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)射器件，更特別地，涉及具有用于改善光學(xué)效率的納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是用于利用化合物半導(dǎo)體的特性發(fā)射從電能轉(zhuǎn)化為光例如紅外線或可見(jiàn)射線的信號(hào)的器件。LED是一類(lèi)電致發(fā)光(EL)器件，近來(lái)，III-V族化合物半導(dǎo)體LED被大量使用。
III族氮化物的化合物半導(dǎo)體是直接躍遷型半導(dǎo)體，其與利用其他類(lèi)半導(dǎo)體的器件相比能在更高溫下穩(wěn)定地操作，且廣泛用于諸如LED或激光二極管(LD)的發(fā)射器件中。這樣的III族氮化物化合物半導(dǎo)體通常形成在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上。正在對(duì)各類(lèi)LED進(jìn)行研究以提高發(fā)光效率，即光學(xué)輸出效率。例如，正在研究在LED的光學(xué)輸出區(qū)域中形成不平坦結(jié)構(gòu)以提高光學(xué)輸出效率。
在具有不同折射率的材料層的界面，光學(xué)傳播根據(jù)各材料層的折射率而受到限制。當(dāng)光從具有高折射率n＝2.5的半導(dǎo)體層行進(jìn)到平坦界面上具有小折射率n＝1的空氣層時(shí)，光應(yīng)當(dāng)相對(duì)于界面的垂直方向以預(yù)定角或更小的角入射在該平坦界面上。當(dāng)光以預(yù)定角或更大的角入射時(shí)，光在該平坦界面上全內(nèi)反射且光學(xué)輸出效率極大降低。因此，為了防止光學(xué)輸出效率的降低，已經(jīng)嘗試在界面處引入不平坦結(jié)構(gòu)。
圖1是示意圖，示出包括不平坦結(jié)構(gòu)的常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)射器件。
參照?qǐng)D1，n-GaN層112形成在藍(lán)寶石襯底111上，n-AlGaN層113、有源層114、p-AlGaN層115、p-GaN層116、以及p電極117順序形成在部分n-GaN層112上。然后，n電極118形成在n-GaN層112的未形成n-AlGaN層113的部分中。上述結(jié)構(gòu)以倒裝芯片形式將在有源層114中產(chǎn)生的光主要輸出到透射性藍(lán)寶石襯底111。不平坦結(jié)構(gòu)120形成在藍(lán)寶石襯底111的表面上從而提高光學(xué)輸出效率。不平坦結(jié)構(gòu)120用于提高光學(xué)輸出效率。然而，當(dāng)藍(lán)寶石襯底111被構(gòu)圖從而形成不平坦結(jié)構(gòu)120時(shí)，特別地，如圖1所示，藍(lán)寶石襯底111與形成在藍(lán)寶石襯底111上的半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)不彼此匹配，因此缺陷會(huì)產(chǎn)生在半導(dǎo)體層中。于是難以生長(zhǎng)均勻的半導(dǎo)體層。相應(yīng)地，光學(xué)效率由于內(nèi)部晶體缺陷而下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)射器件以及制造該半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法以用于提高光學(xué)輸出效率且減小該半導(dǎo)體發(fā)射器件中的內(nèi)部晶體缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體發(fā)射器件，包括半導(dǎo)體層，包括多個(gè)納米圖案，其中該納米圖案形成在該半導(dǎo)體層內(nèi)；以及形成在該半導(dǎo)體層上的有源層。
該半導(dǎo)體層可包括第一半導(dǎo)體層，其中形成所述納米圖案；以及形成在該第一半導(dǎo)體層的形成該納米圖案的區(qū)域上的第二半導(dǎo)體層。
該第一和第二半導(dǎo)體層可包含GaN。
該半導(dǎo)體發(fā)射器件還可包括形成在該有源層上的第三半導(dǎo)體層。
該納米圖案的每個(gè)可以由具有小于2.5的折射率的透光材料形成。
該納米圖案的每個(gè)可以是透明絕緣體且包含SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO的至少一種。
該納米圖案的每個(gè)可以是ZnO或含有選自Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成的透明導(dǎo)體。
該半導(dǎo)體層可以形成在藍(lán)寶石襯底上。
該半導(dǎo)體發(fā)射器件還可包括第一電極，形成在該第三半導(dǎo)體層上；以及第二電極，形成在該第二半導(dǎo)體層的未形成該有源層的部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法，該方法包括(a)在襯底上形成第一半導(dǎo)體層；(b)通過(guò)構(gòu)圖該第一半導(dǎo)體層形成不平坦結(jié)構(gòu)；(c)通過(guò)用透光材料填充該第一半導(dǎo)體層的所述圖案來(lái)形成納米圖案；以及(d)在該第一半導(dǎo)體層上順序形成第二半導(dǎo)體層、有源層、以及第三半導(dǎo)體層。
該方法的操作(b)可包括利用H3PO4或KOH蝕刻。
該方法的操作(c)可包括在該暴露的襯底和該第一半導(dǎo)體層的所述不平坦結(jié)構(gòu)上涂覆透光材料；以及平坦化該第一半導(dǎo)體層使得該第一半導(dǎo)體層的表面被暴露。
該方法還可包括在用該透光材料涂覆之后加熱。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1示出包括不平坦結(jié)構(gòu)的常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)射器件；圖2和3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件；圖4A至4E示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法的操作；圖5A和5B是照片圖像，示出在所述制造的操作期間根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件；以及圖6A和6B是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)射器件和常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)射器件的發(fā)光特性。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖中，層的厚度為了清晰而被放大。
圖2和3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件。圖2示出倒裝芯片型半導(dǎo)體發(fā)射器件，圖3示出垂直型半導(dǎo)體發(fā)射器件。
參照?qǐng)D2，第一半導(dǎo)體層22形成在襯底21的第一表面上，納米圖案23形成在第一半導(dǎo)體層22內(nèi)。第二半導(dǎo)體層24形成在第一半導(dǎo)體層22的其中未形成納米圖案23的表面上。有源層25、第三半導(dǎo)體層25和第一電極27順序形成在第二半導(dǎo)體層24的第一區(qū)域中，第二電極28形成在第二區(qū)域中。
襯底21可以由通常使用的藍(lán)寶石(Al2O3)形成，或者可以是GaN、ZnO、SiC、Si或GaO襯底，第一和第二半導(dǎo)體層22和24可以由p-GaN形成。納米圖案23可以是具有2.5或更小的折射率的透明絕緣體或透明導(dǎo)體。例如，所述透明絕緣體可以由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO形成。所述透明導(dǎo)體可以由ZnO或含有選自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成。然而，本發(fā)明不限于上述示例。納米圖案23的尺寸(寬度或長(zhǎng)度)可以從數(shù)納米到數(shù)微米，其可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)。
有源層25可以由半導(dǎo)體發(fā)射器件或激光發(fā)射器件中經(jīng)常使用的材料形成，且以具有多量子阱結(jié)構(gòu)的多重結(jié)構(gòu)形成。第三半導(dǎo)體層26可以由p-GaN形成，第一電極27可以由p型導(dǎo)電材料形成，第二電極28可以由n型導(dǎo)電材料形成。
如圖2所示，形成在第一半導(dǎo)體層22中的納米圖案23未彼此規(guī)則地間隔開(kāi)，納米圖案23之間的間距可以由第一半導(dǎo)體層22內(nèi)的缺陷，特別地由螺旋位錯(cuò)確定。這將相關(guān)于后面描述的制造工藝來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，納米圖案23形成在第一半導(dǎo)體層22的缺陷區(qū)域中且第二半導(dǎo)體層24形成在其上從而減小半導(dǎo)體發(fā)射器件的內(nèi)部缺陷且增大有源層25中產(chǎn)生的光的外部光學(xué)輸出效率。
圖3示出垂直型半導(dǎo)體發(fā)射器件。參照?qǐng)D3，第一電極32、第三半導(dǎo)體層33、有源層34和第二半導(dǎo)體層35順序形成在下結(jié)構(gòu)31上。包括納米圖案36的第一半導(dǎo)體層37形成在第二半導(dǎo)體層35上。第二電極38形成在第一半導(dǎo)體層37上。
用于圖3所示的垂直型半導(dǎo)體發(fā)射器件的各層的材料如下。第一和第二半導(dǎo)體層37和35可以由p-GaN形成。納米圖案36可由具有2.5或更小折射率的透明絕緣體或透明導(dǎo)體形成。例如，所述透明絕緣體可由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO形成。所述透明導(dǎo)體可以由ZnO或含有選自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成。有源層34可由半導(dǎo)體發(fā)射器件或激光發(fā)射器件中通常使用的材料形成，且由具有多量子阱結(jié)構(gòu)的多重結(jié)構(gòu)形成。第三半導(dǎo)體層33可由p-GaN形成，第一電極32可以由p型導(dǎo)電材料形成，第二電極38可由n型導(dǎo)電材料形成。
納米圖案36未彼此規(guī)則地間隔開(kāi)，且納米圖案36之間的間距可以由第一半導(dǎo)體層37內(nèi)的缺陷，特別地由螺旋位錯(cuò)確定。根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，納米圖案36形成在第一半導(dǎo)體層37的缺陷區(qū)域中且第二半導(dǎo)體層35形成在其上從而減小半導(dǎo)體發(fā)射器件的內(nèi)部缺陷且增大有源層33中產(chǎn)生的光的外部光學(xué)輸出效率。
下面，將參照附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法。圖4A至4E示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法的操作。將更詳細(xì)地描述形成納米圖案的方法。
參照?qǐng)D4A，第一半導(dǎo)體層42形成在襯底41上。襯底41可以是藍(lán)寶石襯底(折射率n＝1.78)，第一半導(dǎo)體層42可以由n-GaN形成。
參照?qǐng)D4B，第一半導(dǎo)體層42的表面利用H3PO4或KOH被蝕刻。由于藍(lán)寶石材料和GaN的晶體結(jié)構(gòu)大體上彼此不同，晶體缺陷會(huì)產(chǎn)生在每種材料中。例如，諸如螺旋位錯(cuò)的內(nèi)部缺陷43會(huì)從襯底41形成到第一半導(dǎo)體層42的表面中。當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體層42的表面利用H3PO4被濕蝕刻時(shí)，蝕刻主要進(jìn)行在晶體缺陷43的區(qū)域中，由此形成蝕刻凹陷。這里，蝕刻方向不僅是根據(jù)晶體缺陷43的方向而向下，而且向側(cè)面。圖5A是照片圖像，示出當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體層42利用H3PO4被濕蝕刻時(shí)的第一半導(dǎo)體層42。當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體層42利用KOH被蝕刻時(shí)，蝕刻方向是襯底41的方向。因此，蝕刻工藝期間，蝕刻圖案的寬度和長(zhǎng)度可以被選擇性控制。蝕刻圖案42a的形狀具有梯形不平坦剖面，蝕刻圖案42a之間的間距通常受到形成在第一半導(dǎo)體層42中的晶體缺陷43的影響。
參照?qǐng)D4C，納米圖案44的材料涂覆在襯底41上以不平坦結(jié)構(gòu)構(gòu)圖的第一半導(dǎo)體層42上。納米圖案44可由高透光性材料形成，因?yàn)橛性磳又挟a(chǎn)生的光經(jīng)所述不平坦結(jié)構(gòu)輸出。詳細(xì)地，納米圖案44可由具有2.5或更小折射率的透明絕緣體或透明導(dǎo)體形成。所述透明絕緣體可以由SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO形成。所述透明導(dǎo)體可以由ZnO或含有選自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成。這些材料具有大體上約1.4至1.8的折射率。納米圖案44的材料可以涂覆在第一半導(dǎo)體層上，然后又退火。例如，退火可以在MOCVD的H2氣氛下在1100℃進(jìn)行約1小時(shí)。
參照?qǐng)D4D，進(jìn)行平坦化以暴露被涂覆以納米圖案44的材料的第一半導(dǎo)體層42的上部分。這樣納米圖案44形成在第一半導(dǎo)體層42的暴露部分之間。納米圖案44的尺寸可以通過(guò)如前所述控制蝕刻工藝而被控制為形成數(shù)十至數(shù)百納米或更大。
參照?qǐng)D4E，第二半導(dǎo)體層45形成在暴露的第一半導(dǎo)體層42和納米圖案44上。第二半導(dǎo)體層45可以由與第一半導(dǎo)體層42相同的材料形成，例如n-GaN。在此情況下，第二半導(dǎo)體層45生長(zhǎng)在具有較少晶體缺陷的第一半導(dǎo)體層42上，因此與第二半導(dǎo)體層直接形成在藍(lán)寶石襯底41的表面上的情況相比晶體缺陷大大減少。圖5B示出由SiO2形成的納米圖案44和形成在其上的第二半導(dǎo)體層45。圖5B示出晶體缺陷在納米圖案44上顯著減少。
因此，根據(jù)圖4A至4E所示的操作，納米圖案44可形成在第一半導(dǎo)體層42和第二半導(dǎo)體層45的邊界區(qū)域。形成在第二半導(dǎo)體層45上的有源層或第三半導(dǎo)體層可以利用常規(guī)制造工藝容易地形成。具有以上述方式形成的納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件可以用作倒裝芯片類(lèi)型，或者通過(guò)去除襯底41且還形成電極而作為垂直類(lèi)型。
圖6A和6B是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件和常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)射器件的發(fā)光特性。
詳細(xì)地，圖6A示出根據(jù)所施加的電流而發(fā)射的發(fā)光量，即光學(xué)輸出量。在根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件(電介質(zhì)嵌埋氮化物結(jié)構(gòu)(DENS)，n＝1.4)的情況下，發(fā)光的量與具有常規(guī)平坦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)射器件(參考LED)的情況相比高23％。
圖6B是曲線圖，示出根據(jù)各波長(zhǎng)的光的光學(xué)密度(電致發(fā)光強(qiáng)度)。如圖6B所示，根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件在約396nm的輸出光學(xué)波長(zhǎng)處具有比常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)射器件顯著提高的光學(xué)強(qiáng)度。
雖然已經(jīng)參照其示例性實(shí)施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變而不偏離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的思想和范圍。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將納米圖案插入半導(dǎo)體發(fā)射器件的半導(dǎo)體層中，在半導(dǎo)體發(fā)射器件的制造工藝期間會(huì)產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷可以大大減少且有源層中產(chǎn)生的光的光學(xué)輸出效率可大大提高。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)射器件，包括半導(dǎo)體層，包括多個(gè)納米圖案，其中所述納米圖案形成在所述半導(dǎo)體層內(nèi)；以及有源層，形成在該半導(dǎo)體層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中該半導(dǎo)體層包括第一半導(dǎo)體層，其中該納米圖案被形成；以及第二半導(dǎo)體層，形成在該第一半導(dǎo)體層的形成該納米圖案的區(qū)域上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中該第一和第二半導(dǎo)體層包含GaN。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體發(fā)射器件，還包括形成在該有源層上的第三半導(dǎo)體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中所述納米圖案的每個(gè)由具有小于2.5的折射率的透光材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中該納米圖案的每個(gè)由透明絕緣體形成且包含SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中該納米圖案的每個(gè)是由ZnO或含有選自Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成的透明導(dǎo)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)射器件，其中該半導(dǎo)體層形成在藍(lán)寶石、GaN、ZnO、SiC或GaO襯底上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體發(fā)射器件，還包括第一電極，形成在該第三半導(dǎo)體層上；以及第二電極，形成在該第二半導(dǎo)體層的未形成所述有源層的部分上。
10.一種制造具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法，該方法包括(a)在襯底上形成第一半導(dǎo)體層；(b)通過(guò)構(gòu)圖該第一半導(dǎo)體層形成不平坦結(jié)構(gòu)；(c)通過(guò)用透光材料填充該第一半導(dǎo)體層的所述圖案來(lái)形成納米圖案；以及(d)在該第一半導(dǎo)體層上順序形成第二半導(dǎo)體層、有源層和第三半導(dǎo)體層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中(b)包括利用H3PO4或KOH蝕刻。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中(c)包括在暴露的襯底和所述第一半導(dǎo)體層的不平坦結(jié)構(gòu)上涂覆透光材料；以及平坦化該第一半導(dǎo)體層使得該第一半導(dǎo)體層的表面被暴露。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述透光材料是透明絕緣體且由選自SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、TiO2或ZrO構(gòu)成的組的至少一種形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述透光材料是透明導(dǎo)體且由ZnO或含有選自Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr和La構(gòu)成的組的至少一種添加劑的In氧化物形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括在用所述透光材料涂覆之后加熱。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有納米圖案的半導(dǎo)體發(fā)射器件以及制造該半導(dǎo)體發(fā)射器件的方法。該半導(dǎo)體發(fā)射器件包括半導(dǎo)體層，包括多個(gè)納米圖案，其中所述納米圖案形成在所述半導(dǎo)體層內(nèi)；以及有源層，形成在該半導(dǎo)體層上。因此光學(xué)輸出效率提高且半導(dǎo)體發(fā)射器件的內(nèi)部缺陷減少。
文檔編號(hào)H01S5/34GK101022146SQ20071000537
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者李庭旭, 金顯秀, 金柱成, 尹皙胡 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社