CN101355124B - 具有低缺陷密度的半导体发光组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光组件及其制造方法。本发明的半导体发光组件包含一基板、一多层结构以及一欧姆电极结构。该基板具有一第一上表面以及形成于该第一上表面上的数个凹陷。该多层结构形成于该基板上并且包含一发光区。该多层结构的一最底层形成于该基板的该第一上表面上。该最底层具有一第二上表面以及形成于该第二上表面上的数个均匀分布的孔洞。该欧姆电极结构形成于该多层结构上。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光组件(Semiconductor light-emitting device)，特别涉及一种具有低缺陷密度的半导体发光组件。
背景技术
现今半导体发光组件(例如，发光二极管)的应用领域已甚为广泛，例如照明以及遥控领域等，都可以见到半导体发光组件被广泛地应用。为了让半导体发光组件尽可能地确保较高的功能可靠性以及较低的能源消耗，因此对于半导体发光组件都须要求其本身的外部量子效率(external quantumefficiency)。
理论上，一半导体发光组件的外部量子效率与其本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)有关。所谓的内部量子效率由材料特性及质量所决定。若半导体发光组件的内部缺陷(例如，差排)密度变大，将会降低半导体发光组件的内部量子效率及光取出效率。
请参阅图1A，图1A是半导体发光组件1的内部缺陷120的分布示意图。一般情况下，在基板10上进行磊晶后，半导体发光组件1的内部缺陷120会向上延伸并影响半导体发光组件1的材料质量，使得内部量子效率下降。
请参阅图1B，图1B是现有技术中利用氧化层(例如，二氧化硅)14改善半导体发光组件1的内部缺陷120的示意图。如图1B所示，氧化层14的形成可以避免内部缺陷120向上延伸。由于半导体材料层12(例如，氮化镓)不容易在氧化层14上成长，因此会出现图1B中横向磊晶的情形。
然而，在沉积氧化层14并选择性蚀刻氧化层14之后，氧化层14易残留在待沉积半导体材料层12的表面上。由于半导体材料层12不容易在氧化层14上成长，因此在沉积半导体材料层12之后，半导体材料层12的表面会呈现许多孔洞，此即为表面雾化。这种情况将使得半导体发光组件1的材料质量下降。另外，除了氧化层14本身之外，形成氧化层14所用到的黄光微影制程也会使制程遭受污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体发光组件及其制造方法，以提高半导体发光组件的内部量子效率及光取出效率。本发明提供的一种半导体发光组件包含一基板(substrate)、一多层结构(multi-layer structure)以及一欧姆电极结构(ohmic electrode structure)。
该基板具有一第一上表面以及形成于该第一上表面上的数个凹陷(recess)。该多层结构形成于该基板上并且包含一发光区(light-emittingregion)。该多层结构的一最底层(bottom-most layer)形成于该基板的该第一上表面上。该最底层具有一第二上表面以及形成于该第二上表面上的数个均匀分布的孔洞。该欧姆电极结构形成于该多层结构上。
本发明还提供一种制造一半导体发光组件的方法。该方法首先制备一基板。接着，该方法施加一选择性蚀刻制程(selective etching process)在该基板的一第一上表面上，致使数个凹陷形成于该第一上表面上。然后，该方法形成一多层结构中的一最底层在该基板的该第一上表面上。
接着，该方法施加一不需使用一光罩的一自然蚀刻制程在该最底层的一第二上表面上，致使数个均匀分布的孔洞形成于该第二上表面上。然后，该方法形成该多层结构中的其它层在该最底层的该第二上表面上，其中该多层结构包含一发光区。之后，该方法形成一欧姆电极结构在该多层结构上以完成该半导体发光组件。
相较于现有技术，本发明提供的半导体发光组件能够降低其内部缺陷密度，借此可以改善半导体发光组件的内部量子效率及提高光取出效率。此外，本发明提供的半导体发光组件在制程上不仅不会造成污染，也不会在半导体材料层表面发生雾化。
附图说明
为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下面将结合附图对本发明的较佳实施例详细说明：
图1A是半导体发光组件的内部缺陷的分布示意图；
图1B是现有技术中利用氧化层改善半导体发光组件的内部缺陷的示意图；
图2是本发明的一较佳实施例的半导体发光组件的截面视图；
图3A至图3F是本发明的另一较佳实施例的一种制造一半导体发光组件的方法的截面视图；以及
图4A及图4B分别是一般的半导体发光组件及本发明的半导体发光组件的内部缺陷密度。
具体实施方式
请参阅图2，图2是本发明的一较佳实施例的半导体发光组件2的截面视图。
如图2所示，该半导体发光组件2包含一基板20、一多层结构22以及一欧姆电极结构24。
在实际应用中，该基板20可以是玻璃(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铝(AlN)、蓝宝石(sapphire)、尖晶石(spinnel)、三氧化二铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、二氧化锂铝(LiAlO2)、二氧化锂镓(LiGaO2)或四氧化镁二铝(MgAl2O4)。
该基板20具有一第一上表面200以及形成于该第一上表面200上的数个凹陷202。该多层结构22形成于该基板20上并且包含一发光区226。该多层结构22的一最底层220形成于该基板20的该第一上表面200上。该最底层220具有一第二上表面2200以及形成于该第二上表面2200上的数个均匀分布的孔洞2202。该欧姆电极结构24形成于该多层结构22上。
在实际应用中，该多层结构22的该最底层220可以由一半导体材料形成。在一较佳实施例中，该半导体材料可以是一III-V族化合物半导体材料。该III-V族化合物半导体材料内的一III族化学元素可以是铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)等元素。该III-V族化合物半导体材料内的一V族化学元素可以是氮(N)、磷(P)或砷(As)等元素。在此实施例中，该半导体材料可以是一氮化镓。
在一较佳实施例中，这些凹陷202可以通过一干蚀刻制程或一湿蚀刻制程形成。举例而言，干蚀刻制程可以是一感应耦合电浆(inductive couplingplasma，ICP)蚀刻制程。
请再参阅图2，这些凹陷202的形成可以使半导体发光组件2的内部缺陷(例如，差排)26因为气流的变化而改变其延伸的方向，避免内部缺陷26向上延伸。由于磊晶需要在足够的平坦表面上进行，故该基板20的该第一上表面200上仍需留有足够的平坦表面。就功能性而言，这些凹陷202也可以提高该半导体发光组件2的光取出效率。
在一较佳实施例中，这些数个孔洞2202可以通过施加一蚀刻制程在该最底层220的该第二上表面2200上。较佳地，该蚀刻制程可以是不必使用光罩的一自然蚀刻制程。由于该第二上表面2200上存在缺陷26之处的结构较松散并且活化能较高，因此遭受到蚀刻液的侵蚀时，存在缺陷26之处会被侵蚀以形成数个均匀分布的孔洞2202。
在该自然蚀刻制程中，该第二上表面2200可以曝露于一光线中。在实际应用中，该光线可以是波长小于360nm的光线。在一较佳较佳实施例中，该光线的波长可以介于220nm和360nm之间。
举例而言，该光线可以是一紫外光(ultraviolet)。由于光电半导体材料的表面在照光后除了产生光电流外，其表面还发生会导致该表面遭受到侵蚀的氧化反应。上述的制程也可以称作光辅助电化学湿式蚀刻(photochemical wetetching)。因此，通过紫外光的照射可以加速完成该自然蚀刻制程。除了照射紫外光外，在该自然蚀刻制程中加热也可以达到紫外光的照射所产生的效果。
在该多层结构22的该最底层220形成于该基板20的该第一上表面200上后，该多层结构22中的一次底层(bottom-next layer)222可以形成于该最底层220上。在实际应用中，该次底层222可以是氮化镓半导体材料。
由于该半导体发光组件2的内部缺陷26大致上通过这些凹陷202及该数个均匀分布的孔洞2202的形成而避免向上延伸，因此该次底层222具有低缺陷密度的特质。借此，在该低缺陷密度的次底层222上磊晶可以形成低缺陷密度的半导体发光组件2，并且其内部量子效率及光取出效率均能够有效地提升。
在一较佳实施例中，该基板20可以是玻璃(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铝(AlN)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、二氧化锂铝(LiAlO2)、二氧化锂镓(LiGaO2)或四氧化镁二铝(MgAl2O4)。
在上述的该基板20上成长半导体发光组件2即可制作成电极分别位于上下表面的半导体发光组件2，即四元结构的半导体发光组件2。换言之，根据本发明的半导体发光组件2的电极并不限于形成于同一表面。
请配合参阅图2及图3A至图3F。图3A至图3F是本发明的另一较佳实施例的一种制造一半导体发光组件2的方法的截面视图。
首先，如图3A所示，该方法制备一基板20并施加一选择性蚀刻制程在该基板20的一第一上表面200上。
如图3B所示，通过该选择性蚀刻制程，数个凹陷202形成于该第一上表面200上。
然后，如图3C所示，该方法形成一多层结构22中的一最底层220在该基板20的该第一上表面200上并施加一蚀刻制程在该最底层220的一第二上表面2200上。较佳地，该蚀刻制程可以是不必使用光罩的一自然蚀刻制程。
如图3D所示，通过该自然蚀刻制程，数个均匀分布的孔洞2202形成于该第二上表面2200上。
然后，如图3E所示，该方法形成该多层结构22中的其它层在该最底层220的该第二上表面2200上，其中该多层结构22包含一发光区226。
之后，如图3F所示，该方法形成一欧姆电极结构24在该多层结构22上以完成该半导体发光组件2。
请参阅图4A及图4B。图4A及图4B分别是一般的半导体发光组件及本发明的半导体发光组件2的内部缺陷密度。图4A及图4B都为以光学显微镜拍摄氮化镓材料层的上表面所得，并且图4A及图4B中的小点即代表缺陷(即孔洞)。
如图4B所示，本发明的半导体发光组件2的内部缺陷密度的确较一般的半导体发光组件降低许多(约10～100倍)，证明数个凹陷202及数个均匀分布的孔洞2202的形成确实能够改善根据本发明的半导体发光组件2的内部缺陷密度。
相较于现有技术，本发明的半导体发光组件能够降低其内部缺陷密度，借此可以改善半导体发光组件的内部量子效率及提高光取出效率。此外，本发明的半导体发光组件在制程上不仅不会造成污染，也不会在半导体材料层表面发生雾化。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (15)
1.一种半导体发光组件，其特征在于，包含：
一基板，所述基板具有一第一上表面以及形成于所述第一上表面上的数个凹陷；
一多层结构，所述多层结构形成于所述基板上并且包含一发光区，所述多层结构的一最底层形成于所述基板的所述第一上表面上，所述最底层具有一第二上表面以及形成于所述第二上表面上的数个均匀分布的孔洞；以及
一欧姆电极结构，所述欧姆电极结构形成于所述多层结构上。
2.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述这些数个孔洞通过施加一蚀刻制程在所述第二上表面上来形成。
3.如权利要求2所述的半导体发光组件，其特征在于：所述蚀刻制程是一不需使用光罩的自然蚀刻制程。
4.如权利要求3所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第二上表面在所述自然蚀刻制程中曝露于一光线中。
5.如权利要求4所述的半导体发光组件，其特征在于：所述光线是一紫外光。
6.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述多层结构的一次底层及所述最底层由一半导体材料形成。
7.如权利要求6所述的半导体发光组件，其特征在于：所述半导体材料一III-V族化合物半导体材料，其中在所述III-V族化合物半导体材料内的一III族化学元素选自由铝、镓以及铟所组成的一群组中的一元素，在所述III-V族化合物半导体材料内的一V族化学元素选自由氮、磷以及砷所组成的一群组中的一元素。
8.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述基板由选自由玻璃、硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化镓、氮化铝、蓝宝石、尖晶石、三氧化二铝、碳化硅、氧化锌、氧化镁、二氧化锂铝、二氧化锂镓以及四氧化镁二铝所组成的一群组中的其一所形成。
9.一种制造一半导体发光组件的方法，其特征在于，所述方法包含下列步骤：
制备一基板；
施加一选择性蚀刻制程在所述基板的一第一上表面上，致使数个凹陷形成于所述第一上表面上；
形成一多层结构中的一最底层在所述基板的所述第一上表面上；
施加一蚀刻制程在所述最底层的一第二上表面上，致使数个均匀分布的孔洞形成于所述第二上表面上；
形成所述多层结构中的其它层在所述最底层的所述第二上表面上，其中所述多层结构包含一发光区；以及
形成一欧姆电极结构在所述多层结构上以完成所述半导体发光组件。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述蚀刻制程是一不需使用光罩的自然蚀刻制程。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第二上表面在所述自然蚀刻制程中曝露于一光线中。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述光线是一紫外光。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述多层结构的一次底层及所述最底层由一半导体材料形成。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述半导体材料一III-V族化合物半导体材料，其中在所述III-V族化合物半导体材料内的一III族化学元素选自由铝、镓以及铟所组成的一群组中的一元素，在所述III-V族化合物半导体材料内的一V族化学元素选自由氮、磷以及砷所组成的一群组中的一元素。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述基板由选自由玻璃、硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化镓、氮化铝、蓝宝石、尖晶石、三氧化二铝、碳化硅、氧化锌、氧化镁、二氧化锂铝、二氧化锂镓以及四氧化镁二铝所组成的一群组中的其一所形成。
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