發光器件，發光器件封裝以及照明系統的制作方法

專利名稱：發光器件，發光器件封裝以及照明系統的制作方法
技術領域：
實施例涉及發光器件、發光器件封裝、以及照明系統。
背景技術：
發光器件(LED)包括具有將電能轉換為光能的特性的p-n結。通過組合元素周期 表的III和V族元素能夠形成p-n結二極管。通過調節化合物半導體的組成比，LED能夠 表現出各種顏色。當正向電壓被施加給LED時，η層的電子與ρ層的空穴結合，使得可以產生與導帶 和價帶之間的能隙相對應的能量。此能量主要被實現為熱或者光，并且LED以光的形式發
射能量。氮化物半導體表現出優秀的熱穩定性和寬帶隙能，因此氮化物半導體已經在光學 器件和高功率電子器件的領域受到高度關注。特別地，已經開發并且廣泛地使用采用氮化 物半導體的藍、綠、以及UV光發射器件。同時，根據電極層的位置將包括氮化物半導體的發光器件分類為水平型發光器件 和垂直型發光器件。然而，垂直型發光器件在制造工藝中存在困難，因為在氮化物半導體已經形成在 諸如藍寶石襯底的非導電襯底上之后，非導電襯底必須被隔開。因此，在制造垂直型發光器 件時，對于通過使用導電襯底而不要求隔開襯底的的氮化物發光器件，已經積極地進行探 索和研究。例如，根據現有技術，氮化物半導體層可以形成在氧化鎵襯底上。然而，根據現有技術，氧化鎵襯底可能與氮化物半導體層分離。例如，在高溫氫氣氣氛容易蝕刻氧化鎵，但是在氨氣和氫氣混合的高溫氣氛生長 氮化物半導體層。因此，當生長氮化物半導體層時，在高溫利用氫氣不規則地蝕刻氧化鎵襯 底和氮化物半導體層之間界面的一部分。界面不規則的蝕刻降低界面的附著強度，從而引 起氮化物半導體層和氧化鎵襯底之間的分離。另外，氧化鎵襯底具有不同于氮化物半導體層的熱膨脹系數。因此，當在已經生 長氮化物半導體層之后冷卻氮化物半導體層時，或者當為了制造發光器件執行熱處理工藝 時，由于氧化鎵襯底和氮化物半導體層之間的熱膨脹系數中的差引起的壓力，在氧化鎵襯 底和氮化物半導體層之間的界面處可能引起分離。

發明內容
實施例提供能夠通過實現氧化鎵襯底上的高質量氮化物半導體層來表現出高性 能的氮化物半導體發光器件、發光器件封裝、以及照明系統。根據實施例，一種發光器件包括氧化鎵襯底上的包括鎵鋁的氧化物、包括鎵鋁的 氧化物上的包括鎵鋁的氮化物、以及包括鎵鋁的氮化物上的發光結構。根據實施例，一種發光器件封裝包括封裝主體、安裝在封裝主體上的第三和第四電極層、以及電氣地連接到第三和第四電極層的發光器件。根據實施例，一種照明系統包括基板和發光模塊，該發光模塊包括安裝在基板上 的發光器件封裝。該發光器件封裝包括封裝主體、安裝在封裝主體上的第三和第四電極 層、以及電氣地連接到第三和第四電極層的發光器件，所述發光器件包括氧化鎵襯底上的 包括鎵鋁的氧化物、包括鎵鋁的氧化物上的包括鎵鋁的氮化物、以及包括鎵鋁的氮化物上 的發光結構。


圖1是示出根據實施例的發光器件的截面圖；圖2至圖6是示出根據實施例的制造發光器件的方法的截面圖；圖7是示出根據實施例的發光器件封裝的截面圖；圖8是示出根據實施例的照明單元的透視圖；以及圖9是示出根據實施例的背光單元的分解透視圖。
具體實施例方式在下文中，將會參考附圖描述根據實施例的發光器件、發光器件封裝、以及照明系 統。在實施例的描述中，將會理解的是，當層(或膜)被稱為在另一層或基板“上”時， 它能夠直接地在另一層或者基板上，或者也可以存在中間層。此外，將會理解的是，當層被 稱為在另一層“下”時，它能夠直接地在另一層下，并且也可以存在一個或者多個中間層。另 外，還將會理解的是，當層被稱為在兩個層“之間”時，它能夠是兩個層之間的唯一層，或者 也可以存在一個或者多個中間層。實施例圖1是示出根據實施例的發光器件100的截面圖。發光器件100包括氧化鎵襯底105上的鎵鋁氧化物110、鎵鋁氧化物110上的鎵鋁 氮化物120、以及鎵鋁氮化物120上的發光結構130。鎵鋁氧化物110可以包括GaxAlyOz (0 < χ ^ l,0<y^ 1,0<ζ^ 1),但是實施 例不限于此。鎵鋁氮化物120可以包括GEixAlyNz (0 < χ ^ 1,0 < y ^ 1,0 < ζ ^ 1)，但是實施 例不限于此。發光結構130可以包括鎵鋁氮化物120上的第二導電半導體層132、第二導電半導 體層132上的有源層134、以及有源層134上的第一導電半導體層136，但是實施例不限于 此。根據實施例，鎵(Ga)和氧(0)之間結合強度大于鋁(Al)和氧(0)之間的結合強 度，并且鎵(Ga)和氮(N)之間的結合強度大于鋁(Al)和氮(N)之間的結合強度。因此，鎵鋁氧化物110和鎵鋁氮化物120之間的界面附著力大于氧化鎵襯底和包 括氮化物半導體層的發光結構130之間的界面附著力。因此，能夠防止發光結構130與氧 化鎵襯底105分離。鎵鋁氧化物110和鎵鋁氮化物120之間的界面附著力大于氧化鎵/氮 化鎵和氮化物半導體層之間的界面附著力，使得能夠防止分離。
根據依據實施例的發光器件及其制造方法，隨著氧化鎵襯底和氮化物半導體層之 間的界面附著力增強，能夠實現具有高質量的氮化物半導體層，使得能夠實現具有優秀的 可靠性和性能的發光器件。在下文中，將會參考圖2至圖6描述根據實施例的制造發光器件100的方法。如圖2中所示，制備氧化鎵襯底105。氧化鎵襯底105可以包括導電襯底。氧化鎵 襯底105可以包括Ga2O3襯底，但是實施例不限于此。通過摻雜雜質，氧化鎵襯底105可以具有優秀的導電性。對氧化鎵襯底105執行濕法清洗工藝，以從氧化鎵襯底105去除有機和無機材料。如圖3中所示，鎵鋁氧化物110形成在氧化鎵襯底105上。鎵鋁氧化物110可以 包括GaxAlyOz(0 < χ ^ 1,0 < y ^ 1,0 < ζ ^ 1)，但是實施例不限于此。由于在鎵鋁氧化物110中強烈地表現出原子之間的結合強度，所以表現出大的能 隙。因此，由于鎵鋁氧化物Iio具有小于氧化鎵襯底105的導電性，所以可以形成Iym或 者以下厚度的鎵鋁氧化物110，但是實施例不限于此。為了形成鎵鋁氧化物110，可以通過使用薄膜沉積裝置對氧化鎵襯底105的頂表 面執行沉積工藝。例如，通過液相外延、氣相外延、分子束外延、或者濺射可以形成鎵鋁氧化 物 110。為了形成鎵鋁氧化物110，鋁層(未示出)形成在氧化鎵襯底105上。其后，在氧 氣氣氛對合成結構執行熱處理，使得鋁層的Al原子擴散到氧化鎵襯底105中，從而形成鎵 鋁氧化物110。例如，在Al薄膜層已經形成在氧化鎵襯底105上之后，氧氣或者主要包含氧氣的 混合氣體被注入室內，并且在大約500°C至1200°C的溫度對氧化鎵襯底105執行熱處理，從 而形成鎵鋁氧化物110。然而，實施例不限于此。其后，如圖4中所示，鎵鋁氮化物120形成在鎵鋁氧化物110上。鎵鋁氮化物120可以包括&1/1凡(0<1彡1，0<7彡1，0<2彡1)，但是實施 例不限于此。通過使用薄膜沉積裝置，鎵鋁氮化物120可以形成在鎵鋁氧化物110上。例如，通 過液相外延、氣相外延、分子束外延、或者濺射可以形成鎵鋁氮化物120，但是實施例不限于 此。通過氮化鎵鋁氧化物110的一部分，可以形成鎵鋁氮化物120。例如，鋁層(未示出)形成在氧化鎵襯底105上。之后，在氧氣氣氛對合成結構執 行熱處理，使得鋁層的Al原子擴散到氧化鎵襯底105中，從而形成鎵鋁氧化物110。接下 來，在高溫并且在氨氣氣氛，鎵鋁氧化物110被氮化，使得能夠形成鎵鋁氮化物120。通過將氨氣、氨氣和氧氣的混合、或者氨氣和氮氣的混合注入到室內，能夠執行高 溫氮化。在這樣的情況下，摻雜氣體被注入到室內，使得能夠提高鎵鋁氮化物120的導電性。根據實施例，鎵(Ga)和氧(0)之間的結合強度大于鋁(Al)和氧(0)之間的結合 強度，并且鎵(Ga)和氮(N)之間的結合強度大于鋁(Al)和氮(N)之間的結合強度。因此，鎵鋁氧化物110和鎵鋁氮化物120之間的界面附著力大于氧化鎵襯底105和包括氮化物半導體層的發光結構130之間的界面附著力。因此，能夠防止氧化鎵襯底105 和發光結構130之間的分離。根據依據實施例的發光器件及其制造方法，隨著氧化鎵襯底和氮化物半導體層之 間的界面附著力增強，能夠實現具有高質量的氮化物半導體層，使得能夠實現具有優秀的 可靠性和性能的發光器件。然后，如圖5中所示，發光結構130可以形成在鎵鋁氮化物120上。圖6是示出發 光結構130的一部分的放大圖。發光結構130可以包括形成在鎵鋁氮化物120上的第二導電半導體層132、形成 在第二導電半導體層132上的有源層134、以及形成在有源層134上的第一導電半導體層 136，但是實施例不限于此。第一導電半導體層136可以包括摻雜有第一導電摻雜物的III-V族化合物半導 體。當第一導電半導體層136是N型半導體層時，第一導電摻雜物可以包括作為N型摻雜 物的Si、Ge、Sn、k、或者Te，但是實施例不限于此。第一導電半導體層136可以包括具有^ χΑ ρει^Να)彡χ彡1,0 ^ y ^ 1， 0 ^ x+y ^ 1)的組成式的半導體材料。第一導電半導體層136 可以包括從由 hN、A1N、InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaPJn(iaP、Ann(;aP、以及 hP 組成的組中選擇的至少一 個。通過CVD (化學氣相沉積)、MBE (分子束外延)、濺射、或者HVPE (氫化物氣相外 延)，第一導電半導體層136可以包括N型GaN層。另外，通過將三甲基鎵(TMGa)氣體、氨 氣(NH3)、氮氣(N2)或者包括諸如Si的η型雜質的硅烷(SiH4)氣體注入室內，能夠形成第 一導電半導體層136。通過經由第一導電半導體層136注入的電子和經由第二導電半導體層132注入的 空穴的復合，有源層134發射具有由構成有源層(發光層)的材料的本征能帶確定的能量 的光。有源層134可以具有SQW(單量子阱結構)、MQW(多量子阱)結構、量子線結構或 者量子點結構中的一個。例如，通過注入TMGa氣體、NH3氣體、N2氣體以及TMh氣體，有源 層114可以具有MQW結構，但是實施例不限于此。有源層134 可以具有包括 hfeiN/feiN、InGaN/InGaN, GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)AlGaAs以及GaP(InGaP)/AWaP中的至少一個的阱/阻擋層，但是實施例不 限于此。阱層可以包括具有低于阻擋層的帶隙能的材料。導電包覆層(未示出)能夠形成在有源層134上和/或下。導電包覆層可以包括 具有高于有源層134的帶隙能的AKiaN基半導體。第二導電半導體層132可以包括摻雜有第二導電摻雜物的III-V族化合物半 導體。例如，第二導電半導體層132可以包括具有^α ρ^ΝΟ)彡χ彡1，0彡y彡1， O ^ x+y ^ 1)的組成式的半導體材料。詳細地，第二導電半導體層132可以包括從由GaN、 AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP 以及 AlGaInP 組成的組 中選擇的一個。如果第二導電半導體層132是P型半導體層，那么第二導電摻雜物包括諸 如Mg、Zn、Ca、Sr、或者Ba的P型摻雜物。第二導電半導體層132能夠被制備為單層或者多層，但是實施例不限于此。 第二導電半導體層132可以包括ρ型GaN層，該ρ型GaN層能夠通過將TMGa氣體、 NH3氣體、N2氣體，以及包括ρ型雜質(例如，Mg)的(EtCp2Mg) {Mg(C2H5C5H4)2}氣體、注入室 內來形成，但是實施例不限于此。根據實施例，第一導電半導體層136可以包括N型半導體層并且第二導電半導體 層132可以包括P型半導體層。第一導電半導體層136可以包括P型半導體層并且第二導 電半導體層132可以包括N型半導體層。另外，諸如具有與第二導電半導體層132相反的極性的N型半導體層(未示出) 的半導體層能夠形成在第二導電半導體層132上。因此，發光結構130可以包括N-P結結 構、P-N結結構、N-P-N結結構、以及P-N-P結結構中的一個。之后，第二電極層(未示出)可以形成在氧化鎵襯底105上，并且第一電極(未示 出)可以形成在第一導電半導體層136上。第二電極層可以包括歐姆層(未示出)、反射層(未示出)、或者導電支撐基板(未 示出)。例如，第二電極層可以包括歐姆層，并且可以具有單金屬、金屬合金、或者金屬氧 化物的多堆疊結構，使得能夠有效地執行空穴注入。例如，歐姆層可以包括從由ITO (銦錫氧化物)、IZO (銦鋅氧化物)、IZTO (銦鋅錫 氧化物)、IAZO (銦鋁鋅氧化物)、IGZO (銦鎵鋅氧化物)、IGTO (銦鎵錫氧化物)、AZO (鋁鋅 氧化物)、ATO (銻錫氧化物)、GZO (鎵鋅氧化物)、IZON (ΙΖ0氮化物)、AGZO (Al-Ga ZnO)、 IGZO (In-Ga ZnO)、ZnO、IrOx, RuOx, NiO、RuOx/1 TO, Ni/IrOx/Au、Ni/Ir0x/Au/IT0、Ag、Ni、 Cr、Ti、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、以及Hf組成的組中選擇的至少一個，但是實施例 不限于此。例如，反射層可以包括金屬或者金屬合金，該金屬或者金屬合金包括從由Ag、Ni、 Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、以及Hf組成的組中選擇的至少一個。另外，通過使用上 面的金屬或者金屬合金、以及諸如IZ0、IZT0、IAZ0、IGZ0、IGT0、AZ0、或者ATO的透射導電 材料，能夠將反射層制備為多層。例如，反射層可以具有包括IZ0/Ni、AZ0/Ag、IZ0/Ag/Ni、 或者AZ0/Ag/Ni的堆疊結構。另外，導電支撐基板可以包括從由銅(Cu)、Cu合金、金(Au)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、銅 鎢(Cu-W)、以及載具晶圓(例如，Si、Ge、GaAs、GaN、ZnO、SiGe、或者SiC晶圓)組成的組中 選擇的至少一個。根據實施例的發光器件，隨著氧化鎵襯底和氮化物半導體層之間的界面附著力增 強，能夠實現具有高質量的氮化物半導體層，使得能夠實現具有優秀的可靠性和性能的發 光器件。圖7是示出根據實施例的包括發光器件100的發光器件封裝200的視圖。參考圖7，根據實施例的發光器件封裝200包括封裝主體205 ；第三和第四電極 層213和214，該第三和第四電極層213和214形成在封裝主體205上；發光器件100，該發 光器件100設置在封裝主體205上并且電氣地連接到第三和第四電極層213和214 ；以及 成型構件M0，該成型構件240包圍發光器件100。封裝主體205可以包括硅、合成樹脂或者金屬材料。傾斜表面可以形成在發光器件100的周圍。第三和第四電極層213和214彼此電隔離，以向發光器件100供應電力。另外，第 三和第四電極層213和214反射從發光器件100發射的光，以提高光效率并且將從發光器 件100生成的熱散發到外部。能夠采用圖1中所示的垂直型發光器件作為發光器件100，但是實施例不限于此。發光器件100能夠安裝在封裝主體205上或者第三和第四電極層213和214上。通過引線接合方案、倒裝芯片接合方案以及貼片方案中的至少一個，將發光器件 100電氣地連接到第三電極層213和/或第四電極層214。根據實施例，發光器件100通過 線230電氣地連接到第三電極層213，并且通過貼片方案電氣地連接到第四電極層214。成型構件240包圍發光器件100以保護發光器件100。另外，成型構件240可以包 括磷光體以改變從發光器件100發射的光的波長。多個根據實施例的發光器件封裝可以排列在基板上，并且包括導光板、棱鏡片、漫 射片或者熒光片的光學構件可以設置在從發光器件封裝發射的光的光學路徑上。發光器件 封裝、基板、以及光學構件可以用作背光單元或者照明單元。例如，照明系統可以包括背光 單元、照明單元、指示器、燈、或者街燈。圖8是示出根據實施例的照明單元1100的透視圖。圖8中所示的照明單元1100 是照明系統的示例，并且實施例不限于此。參考圖8，照明單元1100包括殼體1110、安裝在殼體1110中的發光模塊1130、以 及連接端子1120，該連接端子1120安裝在殼體1110中以接收來自于外部電源的電力。優選地，殼體1110包括具有優秀的散熱特性的材料。例如，殼體1110包括金屬材 料或者樹脂材料。發光模塊1130可以包括基板1132和安裝在基板1132上的至少一個發光器件封 裝 200。基板1132包括印制有電路圖案的絕緣構件。例如，基板1132包括PCB (印制電路 板)、MC (金屬芯)PCB、F (柔性)PCB、或者陶瓷PCB。另外，基板1132可以包括有效地反射光的材料。基板1132的表面能夠涂有諸如 白色或者銀色的顏色，以有效地反射光。至少一個發光器件封裝200能夠安裝在基板1132上。每個發光器件封裝200可 以包括至少一個發光器件100。發光器件100可以包括發射具有紅色、綠色、藍色或者白色 的光的彩色LED和發射UV光的UV (紫外線)LED。發光模塊1130的發光器件封裝200能夠不同地布置，以提供各種顏色和亮度。例 如，能夠布置白色LED、紅色LED以及綠色LED以實現高顯色指數(CRI)。連接端子1120電氣地連接到發光模塊1130，以向發光模塊1130供應電力。連接 端子1120具有與外部電源螺紋聯接的插口的形狀，但是實施例不限于此。例如，能夠以插 入外部電源或者通過線連接至外部電源的插頭的形式制備連接端子1120。圖9是示出根據實施例的背光單元1200的分解透視圖。圖9中所示的背光單元 1200是照明系統的示例，并且實施例不限于此。根據實施例的背光單元1200包括導光板1210 ；發光模塊1M0，該發光模塊1240 用于將光提供給導光板1210 ；反射構件1220，該反射構件1220定位在導光板下；以及底蓋1230，該底蓋1230用于在其中容納導光板1210、發光模塊1M0、以及反射構件1220，但是實 施例不限于此。導光板1210漫射光以提供表面光。導光板1210包括透明材料。例如，通過使用 諸如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的丙烯酸基樹脂、PET (聚對苯二甲酸乙二酯)、PC(聚碳酸 酯)、C0C(環烯烴共聚物)或者PEN(聚萘二甲酸乙二酯)樹脂，能夠制造導光板1210。發光模塊1240向導光板1210的橫向側提供光，并且用作包括背光單元的顯示裝 置的光源。發光模塊1240能夠與導光板1210相鄰地定位，但是實施例不限于此。詳細地，發 光模塊1240包括基板1242和安裝在基板1242上的多個發光器件封裝200，并且基板1242 能夠與導光板1210相鄰，但是實施例不限于此。基板1242可以包括具有電路圖案(未示出)的印制電路板(PCB)。另外，除了 PCB 以外，基板1242還可以包括金屬芯PCB (MCPCB)或柔性PCB (FPCB)，但是實施例不限于此。另外，發光器件封裝200被布置，使得發光器件封裝200的出光表面與導光板1210
間隔開預定距離。反射構件1220被設置在導光板1210下。反射構件1220將向下行進通過導光板 1210的底表面的光朝著導光板1210反射，從而提高背光單元的亮度。例如，反射構件1220 可以包括PET、PC或者PVC樹脂，但是實施例不限于此。底蓋1230可以在其中容納導光板1210、發光模塊1M0、以及反射構件1220。為 此，底蓋1230具有帶有開口的頂表面的盒形狀，但是實施例不限于此。通過使用金屬材料或者樹脂材料，利用沖壓工藝或者擠壓工藝能夠制造底蓋 1230。根據實施例的發光器件、發光器件封裝和照明系統，隨著氧化鎵襯底和氮化物半 導體層之間的界面附著力增強，能夠實現具有高質量的氮化物半導體層，使得能夠實現具 有優秀的可靠性和性能的發光器件。在本說明書中任何對于“ 一個實施例”、“實施例”、“示例性實施例”等的引用意味 著結合實施例描述的特定特征、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施例中。在說明 書中，在各處出現的這類短語不必都表示相同的實施例。此外，當結合任何實施例描述特定 特征、結構或特性時，都認為結合實施例中的其它實施例實現這樣的特征、結構或特性也在 本領域技術人員的理解范圍內。雖然已經參照本發明的多個示例性實施例描述了實施例，但是應該理解，本領域 的技術人員可以想到許多其它修改和實施例，這將落入本公開內容的原理的精神和范圍 內。更加具體地，在本公開內容、附圖和所附權利要求書的范圍內，主題組合布置的組成部 件和/或布置方面的各種變化和修改都是可能的。除了組成部件和/或布置方面的變化和 修改之外，對于本領域的技術人員來說，替代使用也將是顯而易見的。
權利要求
1.一種發光器件，包括氧化鎵襯底上的包括鎵鋁的氧化物；所述包括鎵鋁的氧化物上的包括鎵鋁的氮化物；以及所述包括鎵鋁的氮化物上的發光結構。
2.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述包括鎵鋁的氧化物包括GaxAlyOz(0<χ < 1，0 < y < 1，0 < ζ 。
3.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述包括鎵鋁的氧化物具有Iym或者以下的厚度。
4.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述包括鎵鋁的氮化物包括GaxAlyOz(0<χ < 1，0 < y < 1，0 < ζ 。
5.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述發光結構包括 所述包括鎵鋁的氮化物上的第二導電半導體層；所述第二導電半導體層上的有源層；以及 所述有源層上的第一導電半導體層。
6.一種發光器件封裝，包括 封裝主體；所述封裝主體上的第三和第四電極層；以及根據權利要求1-5中的一項所述的并且電氣地連接到所述第三和第四電極層的發光 器件。
7.一種照明系統，包括 基板；和發光模塊，所述發光模塊包括所述基板上的發光器件封裝，其中所述發光器件封裝包括封裝主體、所述封裝主體上的第三和第四電極層，以及根 據權利要求1-5中的一項所述的并且電氣地連接到所述第三和第四電極層的發光器件。
全文摘要
本發明公開發光器件，發光器件封裝以及照明系統。發光器件包括氧化鎵襯底上的包括鎵鋁的氧化物、包括鎵鋁的氧化物上的包括鎵鋁的氮化物、以及包括鎵鋁的氮化物上的發光結構。
文檔編號H01L33/32GK102104093SQ201010579308
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月3日 優先權日2009年12月18日
發明者文用泰 申請人:Lg伊諾特有限公司