半導體發光設備的製作方法
2023-05-12 14:36:36
專利名稱：半導體發光設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光設備，更具體地說，本發明涉及ZnSe發光設備。
背景技術：
在ZnSe白光發射設備中，在包括pn結且形成在n型ZnSe基板上的激活層(active layer)處產生藍光，ZnSe基板中的自激發光再結合中心(self-activated radiative recombination centers，簡稱SA中心)接收藍光，從而使激活的SA中心發射出黃光。圖12示意性地示出ZnSe白光發射設備，其中，n型ZnSe外延層103形成在具有SA中心的n型ZnSe基板上，至少包括一個pn結的作為發光層的激活層104形成在外延層103上。p型ZnSe外延層105形成在激活層104上。為了使激活層104發光，在設置在n型ZnSe基板101背面上的n型電極112和設置在p型ZnSe外延層105上的p型電極110之間施加電壓。預定電壓施加在p型電極110上，比其低的電壓施加在n型電極112上，從而在pn結上施加正向電壓。通過施加電壓將載體注入pn結，在激活層104處發光。在ZnSe化合物半導體的情況下，激活層發射的光是波長對應於激活層內ZnSe層的藍光。這種藍光的帶寬很窄。
藍光不僅能夠通過上側上p型ZnSe外延層從輸出表面發射到外面，而且能夠到達下側上n型ZnSe基板101。預先用至少一種選自碘、鋁、氯、溴、鎵和銦的摻雜劑對n型ZnSe基板摻雜，使其具有n型導電性。通過摻雜，在ZnSe基板中形成SA發光再結合中心。
用包括上述藍光在內的510nm或更短的短波長的光輻射的結果是從SA發光再結合中心發射550-650nm的長波長的光。這種長波長範圍的光是黃色或橙色的可見光。
在圖中激活層發射的藍光或藍綠光中，向ZnSe基板傳播的光被吸收在ZnSe基板101中，從而激發黃色、橙色或紅色的光。將藍光或藍綠光與激發的黃色、橙色或紅色的光結合可以得到白光。
發明內容
如上所述，為了使ZnSe半導體發光設備發光，必須在設置在p型半導體層上的p型電極和形成在n型ZnSe基板背面上的n型電極之間施加電壓。
藉助於熔融粘合法的In和藉助於再生長或真空蒸發法的Au/Ti用於形成在n型ZnSe基板背面上的n型電極。這些金屬對激活層發射的藍光或藍綠光和n型ZnSe基板中產生的長波長範圍內的光的反射率低，這些金屬吸收了大量的這樣的光。
如上所述，除激活層產生的短波長範圍內的光外，ZnSe發光設備還使用ZnSe基板中產生的長波長範圍內的光。因此，重要的是要最大程度地有效提取ZnSe基板中產生的光，從而改善輸出、控制色度。
本發明的主要目的是提供一種通過有效利用半導體元件中產生的光而能夠高強度發光的半導體發光設備。第二個目的是調節用於發射白光的發光半導體設備的色度，並且抑制其輸出和色度的偏差。
本發明的半導體發光設備是將光從輸出表面發射到外面的半導體發光設備。半導體發光設備具有包括自激發光再結合中心的第一導電型半導體基板、形成在第一導電型半導體基板上方的激活層、設置在輸出表面相對面上用於向輸出表面側反射光的Al層。
通過在與輸出表面相對的安裝基板側上排列Al層可以改善輸出，即，改善亮度，從而可以如上所述在Al層處反射激活層處產生的藍光和半導體基板內發射的SA光，使這些光射向輸出表面。
SA發光再結合中心處產生的光在Al層處也在被反射後利用，另外，反射的短波長範圍內的光經過半導體基板時將再次激發SA發光再結合中心，從而使長波長範圍內的光強度相應增加，有助於這種激發的激活層發出的光被吸收，其強度下降。因此，SA發光再結合中心發出的光分量相對於白光中激活層發出的光分量有所提高。
上述發光設備在安裝時可以是表側上組件(epi-side up assembly)或表側下組件(epi-side down assembly)。術語「表側上組件」等表示安裝時發光設備的朝向，因為第一和第二導電型半導體層是通過外延生長法形成在基板上的。術語「外觀向上(epi-up)」(即，基板向下)表示半導體基板固定在安裝基板上並且外延層構成輸出表面，術語「外觀向下(epi-down)」(即，基板向上)表示外延層側固定在安裝基板上並且半導體基板構成輸出表面。上述Al層可以用於外觀向上安裝用的半導體發光設備或外觀向下安裝用的半導體發光設備。即，上述輸出表面可以位於形成在激活層上的第二導電型半導體層的一側上，Al層構成與第一導電型半導體基板電連接的電極。
通過使用上述結構，外觀向上安裝中Al層處通過反射可以得到高強度的光。即，半導體基板中的SA發光再結合中心被激發兩次當激活層發出的光照向Al層時和當光在Al層處被反射向輸出表面時。因此，SA光的強度得以提高，激活層發出的光強度也能夠提高。
發光設備可以具有下述結構在第一導電型半導體基板的表面(背面)上設置含有的第一導電型雜質濃度高於第一導電型半導體基板中雜質濃度的第一導電型半導體層，設置與含高濃度雜質的第一導電型半導體層接觸的Al層。這種結構能夠使背側電極易於在外觀向上安裝情況下電阻性接觸。
上述輸出表面可以位於第一導電型半導體基板一側上和在激活層上形成有Al層的第二導電型半導體層一側上。使用這種結構時，同樣在外觀向下的安裝中，可以有效利用半導體發光設備中產生的光，從而提高亮度。
還可以在上述Al層上提供Au層和/或Ti(下層)/Au(上層)的兩個層。不穩定的Al層可以因Au層或Ti/Au層的保護而穩定。
發光設備的結構可以是上述第一導電型半導體基板是包括自激發光再結合中心的n型ZnSe基板，包括pn結的激活層設置在n型ZnSe基板的上方。例如，當如上所述使用比較容易作為半導體基板生產的n型ZnSe且進行外觀向上安裝時，激活層產生的光到達Al層。從激活層到達ZnSe基板表面(背面)的光的量取決於基板的吸收係數。用物理氣相轉移法(PVT)製造的ZnSe基板的吸收係數不大，大部分光從激活層到達ZnSe基板表面(背面)。到達背面的光在Al層處被反射，從而向上返回。相反，在用In電極或Ti電極作為傳統背側電極的情況下，幾乎所有的光都在背側電極處被吸收。如上所述，通過排列Al層，使光向發光部分反射，從而使其再次通過ZnSe基板。當激活層產生的光再次向上通過ZnSe基板時，ZnSe基板中的發光再結合中心再次產生長波長範圍內的光。因此，不僅從整體上改善了亮度，而且相對提高了SA發光再結合中心的發光率。因此可以改善冷色白光，使其更接近全白光，例如，還可以得到暖色白光。
附圖簡述圖1示出在本發明的實施方案1中反射率測試方法的原理圖1(a)示出對包括從與空氣接觸的表面進行的反射的反射率r1的測試；圖1(b)是圖1(a)的補充測試，其示出為得到必需的反射率R1而對反射率r0和透射光T0的測試。
圖2示出在使用Ti/Au電極的情況下透射光T0的測試結果。
圖3示出在使用Ti/Au電極的情況下反射率r0的測試結果。
圖4示出用T0和r0的測試結果計算得出的吸收係數「a」。
圖5示出根據T0和r0的測試結果計算得出的空氣/ZnSe界面處的反射率R0。
圖6示出在通過真空蒸發在樣品的一個面上形成Ti/Au膜的情況下反射率r1的測試結果。
圖7示出Ti/ZnSe界面處的反射率R1的計算結果。
圖8示出在Al層、In層和Ti層分別提供在ZnSe基板背面上的情況下反射率r1的測試結果。
圖9示出分別在ZnSe層與Al層、In層與Ti層界面處反射率R1的計算結果。
圖10示出在本發明的實施方案2中ZnSe發光設備的剖視圖。
圖11示出在本發明的實施方案3中ZnSe發光設備的剖視圖。
圖12示出傳統的ZnSe發光設備。
具體實施例方式
下面參照
本發明的實施方案。
(實施方案1)在半導體發光設備的ZnSe白光LED中，形成在n型ZnSe基板上的外延激活層發出的部分藍光穿過ZnSe基板中的SA中心時，在SA中心中激發。此時，部分藍光因為激發而被吸收。利用SA中心中激發弛豫過程中產生的SA光可以使光色變白。在白光LED中，在ZnSe基板的背面上形成金屬n型電極。當藍光在ZnSe基板中的吸收不充分時，部分藍光到達ZnSe基板的背側電極。相反，大部分SA光到達背側電極，因為各向同性的SA光分別等量照向輸出表面側和安裝表面側。
如果ZnSe基板的背側電極的反射率是100％，則金屬光到達背側電極也沒有問題。但是，實際上不可能使反射率達到100％，一些吸收是不可避免的。因此，ZnSe中背側電極界面處的反射率是決定白光LED發射性能的一個重要因素。但是，截至目前還沒有反射率實際測量方面的知識。因此要測量ZnSe基板的背側電極界面處的反射率。至於背側電極，使用Ti層、In層和Al層，得到下面的結果。
(a1)反射率的測試原理當在圖1(a)所示的裝置中測量反射率時，測量的反射率(r1)值包括空氣/ZnSe界面處的反射率(R0)、ZnSe中的吸收係數(a)和ZnSe/背側電極界面處的反射率(R1)。因此，只簡單地測量r1不能確定R1。除測量r1外，還要在圖1(b)的裝置中測量反射率(r0)和透射率(T0)，即，在沒有背側電極的狀態下測量反射率(r0)和透射率(T0)，從這三個測量結果可以得到R0、R1、r1和a。
當還要考慮到多次反射時，測量值r1、r0和T0與R0、R1和a之間存在下述關係。
r0＝R0+[{A2·R0(1-R0)2}/{1-(A·R0)2}]T0＝{A·(1-R0)2}/{1-(A·R0)2}r1＝R0+[{A2·R1·(1-R0)2}/{1-A2·R0·R1}]A＝exp(-a·d)其中，d是ZnSe基板的厚度。利用這些關係式，用測量值r1、r0和T0可以計算出R0、R1和a。
(a2)在使用Ti/Au電極情況下的測量下面三個樣品用於測量(s1)生長狀態的PVT基板(物理氣相轉移法)(s2)Al摻雜的PVT基板(s3)CVT基板(化學氣相轉移法)每一個晶片劈成10mm×10mm後，對其兩個表面進行鏡面拋光，使其厚度為200μm。至於樣品(s2)Al摻雜的PVT，將每一個表面拋光時保留一個存在有Al的區域。
在沉積電極前測量上述三個樣品的透射率T0和反射率r0。測量結果示於圖2和3。
透射率存在差異的原因是摻雜存在與否及摻雜劑種類的不同。當存在摻雜劑時，吸收限移向較長波長的一側。這個趨勢，碘比Al更明顯。反射率在長波長側不會有很大變化，但是在吸收限附近有很大的差異。但是，這還不足以確定是否是因為吸收或界面處反射率R0的差異的影響。基於上述測量結果計算的空氣/ZnSe界面處的反射率R0和吸收係數a的結果示於圖4和5。根據圖4和5，每一個樣品的R0的值沒有很大差異。
然後通過真空蒸發在這些樣品的一個表面上形成Ti/Au薄膜。Ti的膜厚是500，Au的膜厚是1000。可以認為Ti後形成的Au沒有很大影響，因為Ti膜足夠厚，入射光不會穿過Ti膜。反射率r1的測量結果示於圖6。
圖7中示出基於反射率r1的這些測量值計算的Ti/ZnSe界面處的反射率R1的值。從圖7可以看出，Ti/ZnSe界面處的反射率R1不是很高。到達背側電極的很多入射光都被吸收和損耗。當使用CVT基板時，藍光不會到達背面，因為其對藍光的吸收係數很大(參看圖4)。但是，光的吸收損耗是不可避免的，因為一部分由藍光變換的SA光仍然能夠到達背面。當使用PVT基板時，一部分藍光到達背面後被吸收和損耗，因為其對藍光的吸收係數很小。除激活層發出的藍光外，還有一部分SA光也被損耗掉。
(a3)在使用In電極和Al電極情況下的測量在生長狀態的PVT基板的一個表面上沉積In或Al，通過測量r1對In和Al的反射率R1進行評價。此時不需要進行新的測量，用(a2)中得到的測量值作為生長狀態的PVT基板的吸收係數「a」和反射率R0。測量的反射率r1和由此估算的In或Al/ZnSe界面處的反射率R1示於圖8和9。
從圖8和9可以看出，在使用In電極的情況下，反射率高於使用Ti電極的情況，但是沒有大的改善。相反，當使用Al電極時，反射率有很大的改善。因此，將Al用於背側電極時，可以顯著改善發光設備(LED)的亮度。
(a4)結論從上述Ti、In或Al/ZnSe界面處的反射率的測量結果可以發現，當使用Ti電極和/或In電極時，反射率低至約20％-30％，當使用Al電極時，反射率則高至75％。從而可以證明，當用Ti層或In層作為白光LED的背側電極時，光在背側電極中的吸收損耗很高，當用Al層作為背側電極時，吸收損耗大幅下降。用Al層作為相對於輸出背面的安裝表面上的電極時，在不浪費光的情況下即可提高亮度，因為光在安裝表面處被反射和射向輸出表面。
(實施方案2)圖10是本發明實施方案2的ZnSe發光設備的剖視圖。如圖10所示，在n型ZnSe單晶基板1的上面或上方以數字順序排列有厚度為1μm的n型ZnSe緩衝層2、厚度為0.5μm的n型ZnMgSSe覆蓋層3、具有ZnSe/ZnCdSe多級量子阱結構的激活層4、厚度為0.5μm的p型ZnMgSSe覆蓋層5、厚度為0.2μm的p型ZnSe層6和由ZnTe和ZnSe的疊層超晶格結構組成的p型接觸層7。在它們的頂部上形成厚度為40nm的p型ZnTe層8。另外，在該外延結構上形成由Au膜10a和柵格Ti/Au膜10b組成的p型電極10。
用金(Au)薄膜覆蓋p型ZnSe外延膜的表面，使電流主要在激活層中的整個pn結中流動，因為在從電極流出的電流密度越高的地方，pn結中發出的光強度越高。金膜厚度越小越好。但是，如果太薄，則不能均勻發光。
用下述方法在n型ZnSe基板1上形成具有550nm-650nm範圍內光波長中心的自激(SA)發光再結合中心摻雜至少一種選自碘、鋁、氯、溴、鎵、銦等的n型雜質，然後用510nm或更短波長的光照射。應當注意的是，在ZnSe基板上形成的每一個層都是外延層，儘管在後面並不經常提及。
圖10所示的發光設備的最具特徵性的一點是在n型ZnSe基板背面上設置Al層9a。在Al層9a和n型ZnSe基板1之間設置含n型雜質濃度高於ZnSe基板中的雜質濃度的n+型ZnSe層19。希望n+型ZnSe層19是外延膜。在其間設置這樣的高濃度n型ZnSe層19可以使Al層9a與n型ZnSe基板1電阻性接觸。用Au膜9b覆蓋Al層9a，用於保護Al層的不穩定性。
如上所述，通過在n型ZnSe基板背側電極上設置Al層可以將過去被吸收在Ti層或In層中損耗的大部分光反射到輸出表面側上。因此可以改善ZnSe發光設備的輸出，可以提高亮度。另外，在過去被認為是吸收損耗的大部分射向背側電極的SA光產生的長波長範圍的光被反射向輸出表面一側後被有效利用。另外，當已經在Al層處反射的激活層發出的短波長範圍的光穿過SA發光再結合中心射向輸出表面一側時，SA發光再結合中心再次被激發，從而發射長波長範圍的光。有助於激發的短波長範圍的光被吸收和損耗。因此，與短波長範圍的光強度相比，長波長範圍的光強度較高，從而使白光更接近全白光。即，除改善亮度外，還可以調節白光的色度。
(實施例)通過製備實施方案2的ZnSe發光設備證明Al層的作用。本發明的實施例是圖10所示的ZnSe發光設備，在ZnSe基板1背面上設置Al層9a。還在Al層9a和ZnSe基板1之間設置n+型ZnSe層19。在Al層9a上堆疊Au層9b。用Ti層代替Al層製備ZnSe發光設備，以此作為對比實施例。分別對本發明的實施例和對比實施例測定亮度和色度。從樣品正上方的位置處測定色度。結果示於表I。
表I.
如表I所示，和過去一樣，由Ti/Au組成的電極的輸出功率是1.83mW。而本發明的實施例的輸出功率是2.72mW，約為對比實施例的1.5倍。在使用Ti層的情況下；色度(X，Y)是(0.184，0.261)，是冷色白光。但是，當使用Al層時，色度(X，Y)是(0.208，0.261)，這將增加暖色成分。因此，使用Al電極可以改善輸出功率，控制色度，從而得到高輸出功率的白光LED。另外，背面對激活層產生的光的反射可以抑制輸出功率和色調的偏差。
(實施方案3)圖11是示出本發明的實施方案3的ZnSe發光設備的剖視圖。該實施方案的特徵在於ZnSe基板向上(p型層向下)安裝。因為p型層向下安裝，所以不需要在構成輸出表面的n型ZnSe基板的所有表面上都形成Ti/Au膜，儘管p型電極必須覆蓋整個表面，使具有給定值或更高值的電流供給整個激活層。因此，在輸出表面16上設置柵極12。由於這樣的結構而不需要使用覆蓋整個輸出表面的p型電極Ti/Au膜，除Al層的反射作用外，p型層向下安裝的結果是相應地進一步提高了亮度。
如圖11所示，在基板1表面上設置含n型雜質濃度高於n型ZnSe基板1中的雜質濃度的高濃度ZnSe外延層15。在高濃度ZnSe外延層15上設置由Ti/Au組成的柵極12。高濃度ZnSe外延層15的設置能夠使Ti/Au柵極12易於成為電阻性電極。這種高濃度ZnSe外延層15在發光設備中還形成輸出表面16。
在上述ZnSe基板上，從上至下依數字順序設置有n型ZnSe緩衝層2、n型ZnMgSSe覆蓋層3、ZnSe/ZnCdSe多級量子阱結構的激活層4、p型ZnMgSSe覆蓋層5、p型ZnTe/ZnSe超晶格接觸層7、Al層9a和Au層9b。在p型ZnTe/ZnSe超晶格接觸層7上，在周圍區域中設置柵格形式的電阻性電極Au，還形成蜂窩狀Au電極，使電流擴展到整個晶片表面上。該電極上都設置有Al層，以反射激活層產生的光和蜂窩開孔發出的光。底部一側上的電極使形成電阻性接觸的金屬要麼(s1)離散排列，在表面中覆蓋給定百分率的面積，要麼(s21)連續排列，使開孔在表面中覆蓋給定比例的面積，用Al層覆蓋剩餘面積。Au膜的柵極和上述實施方案的蜂窩形狀的組合排列對應於以給定比例連續設置開孔面積的上述(s2)的情況。電阻性接觸的金屬可以離散地排列在底部電極的整個表面上，儘管用排列在上述底部電極中周圍區域中的形成電阻性接觸的金屬(Au)形成柵極。即，(s1)的排列也是可以的。
根據圖11的結構，與外觀向上的結構不同，不用Au膜覆蓋輸出表面的所有面積。因此，發射的光不會被吸收在Au電極膜中，這將在一定程度上提高光強度。另外，如實施方案2詳述的那樣，部分設置在p側電極處的Al層的反射可以進一步改善激活層發出的光的亮度。冷色白光中的暖色光強度得以提高，其原因與實施方案2中所述的相同，這將使發射的光更接近全白光。
上述本發明的實施方案都是例示性的，本發明的保護範圍不限於此。本發明的保護範圍由權利要求書確定，包括所有變化的其任何等同物都在本發明的保護範圍內。
工業實用性在本發明的半導體發光設備中，在輸出表面的相對表面處通過用Al層作為電極可以增加SA光分量，並且易於高強度地調節色度。
權利要求
1.一種用於將光從其輸出表面發射到外面的半導體發光設備，該設備包含包括自激發光再結合中心的第一導電型半導體基板、設置在所述第一導電型半導體基板上方的激活層、和設置在所述輸出表面相對面上用於向所述輸出表面側反射光的Al層。
2.根據權利要求1的半導體發光設備，其中，所述輸出表面位於形成在所述激活層上的第二導電型半導體層一側上，所述Al層構成與所述第一導電型半導體基板電連接的電極。
3.根據權利要求2的半導體發光設備，其中，在所述第一導電型半導體基板的表面上設置高濃度的第一導電型半導體層，所述高濃度的第一導電型半導體層含有的第一導電型雜質濃度高於所述第一導電型半導體基板中的雜質濃度，和所述Al層與所述高濃度的第一導電型半導體層接觸。
4.根據權利要求1的半導體發光設備，其中，所述輸出表面位於所述第一導電型半導體基板一側上，所述Al層位於形成在所述激活層上的所述第二導電型半導體層一側上。
5.根據權利要求1-4中任一項的半導體發光設備，其中，在所述Al層上設置Au層，和/或，Ti層和Au層的多層。
6.根據權利要求1-5中任一項的半導體發光設備，其中，所述第一導電型半導體基板是包括自激發光再結合中心的n型ZnSe基板，和所述的形成在所述n型ZnSe基板上方的激活層包括pn結。
全文摘要
一種從輸出表面發光的ZnSe發光設備，其具有包括自激活發光中心(SA)的n型ZnSe基板、形成在n型ZnSe基板上的激活層、和設置在輸出表面相對面上並用於向輸出表面反射光的Al層。發射的光可以有效利用，亮度高，並且易於調節白光發射設備的色度。
文檔編號H01L21/28GK1557026SQ0380107
公開日2004年12月22日 申請日期2003年5月19日 優先權日2002年6月28日
發明者中村孝夫, 藤原伸介, 松原秀樹, 介, 樹 申請人:住友電氣工業株式會社