CN101483212A

CN101483212A - 三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN101483212A
Application number: CNA2008100029659A
Authority: CN
Inventors: 黄世晟; 涂博闵; 叶颖超; 林文禹; 吴芃逸; 徐智鹏; 詹世雄
Original assignee: ADVANCED DEVELOPMENT PHOTOELECTRIC Co Ltd
Current assignee: Rugao Lantu Knitting Clothing Co ltd
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: CN101483212B

Abstract

一种三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法，该三族氮化合物半导体发光二极管包含衬底、第一三族氮化合物层及第二三族氮化合物层。该衬底具有第一表面及多个凸伸于该第一表面的凸部，各该凸部的周围被该第一表面围绕。该第一三族氮化合物层覆盖于该多个凸部的顶面，并自该多个顶面往侧向相互连接。该第一表面被该第二三族氮化合物层覆盖，该第二三族氮化合物层的厚度小于该凸部的高度，又该第二三族氮化合物层和该第一三族氮化合物层相同材料。根据本发明的二极管具有更佳的发光效率。

Description

三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法，尤其涉及一种高光线取出率的发光二极管及其制造方法。

背景技术

随着发光二极管元件被广泛应用于不同产品，近年来制作蓝光发光二极管的材料，业已成为当前光电半导体材料业重要的研发对象。目前蓝光发光二极管的材料有硒化锌(ZnSe)、碳化硅(SiC)及氮化铟镓(InGaN)等材料，这些材料都是宽能隙(band gap)的半导体材料，能隙大约在2.6eV以上。由于氮化镓系列直接能隙(direct gap)的发光材料，因此可以产生高亮度的照明光线，且相较于同为直接能隙的硒化锌更有寿命长的优点。

为了提升发光二极管的亮度，光电领域的专家从数个方面着手以增加其亮度。例如：在外延技术(epitaxial technology)方面主要尽量提升施体(donor)及受体(acceptor)的浓度，并设法降低发光层的差排密度(dislocation density)。由于提高发光层(或有源层)中的受体浓度并不容易，特别是在宽能隙氮化镓(GaN)系列有其难度。同时由于蓝宝石(sapphire)衬底与氮化镓材料存在相当大的晶格不匹配(lattice mismatch)，因此设法减低发光层中的差排密度的技术并不容易突破。

图1是美国第US 6,870,191号专利的半导体发光二极管的剖面示意图。发光二极管10包含蓝宝石衬底11、N型半导体层12、有源层13及P型半导体层14。该蓝宝石衬底11的上表面形成有多个平行排列的凹槽15，其使用C面(0001)的蓝宝石衬底，且构成该等凹槽15的边是大致平行于N型半导体层12的成长稳定面(亦即M面(1 1 0 0))，以使形成于蓝宝石衬底11上的N型半导体层12不产生结晶缺陷。

图2(a)～图2(f)是说明图1中N型半导体层形成于蓝宝石衬底的外延成长过程。相对于蓝宝石衬底11上的凹槽15，则其他较高部分可视为基面16。当N型半导体层11在蓝宝石衬底11上成长时，其自基面16及凹槽15表面向上累积，但凹槽15的侧壁部分的成长速度相对地会较迟缓。参见图2(d)～图2(f)，当凹槽15的底面及基面16成长的该N型半导体层11交会时，则交会处的N型半导体层11的成长速度加快。最后，会形成结晶性(crystallinity)佳且不具空洞的平坦N型半导体层11。

但是，两种不同晶格常数的材质的接触面积越大及累积的原子层厚度越大时，伴随着晶格不匹配现象而产生的差排(即所谓的线缺陷)密度也随之变高。N型半导体层11因为覆盖于凹槽15及基面16，从而和蓝宝石衬底11接触面积增大，相对地差排密度也会随之增加。亦即发光二极管10的内部量子效率将因大量差排密度而大幅降低，并同时影响其外部量子效率。

参见图3，美国第US 6,091,083号专利将蓝宝石衬底31的部分表面蚀刻为多个相连的V型槽33。于该蓝宝石衬底31上分别形成缓冲层34、N型氮化镓层35、未掺杂氮化镓层36及未掺杂氮化铝镓层37。未掺杂氮化镓层36中位于V型槽33上的部分具有较低电阻，相对位于其他平坦区32上的部分则具有较高电阻，从而产生电流阻障(current block)型结构。很显然V型槽33与图1中凹槽15的功用及效果不同。

图4(a)～图4(d)美国第US 6,940,089号专利的半导体发光二极管的外延成长示意图。于基材41上形成多个凸部42及凹部43，并有掩模44(二氧化硅)覆盖于凹部43的底面。再外延氮化铝镓层45于凸部42的顶端，由于该氮化铝镓层45由该顶端的起始点朝向凸部42侧向生长，因此差排密度会因为该侧向成长效应而降低，并且能避免线缺陷向上发展的问题。最后，形成平坦的氮化铝镓层45′，然后再将基材41移除而得到分离的氮化铝镓层45′可作为基材。然而凹部43的底面则因掩模44而无法附着氮化铝镓的晶体，亦即凹部43内并无氮化铝镓层45。

图5(a)～图5(f)是美国第US 7,071,495号专利的半导体发光二极管的外延成长示意图。于基材51上通过光阻52形成光捕捉膜层53，该光捕捉膜层53是多个凸部，并和基材51是相同材料(Al₂O₃)。然后，于光捕捉膜层53和基材51的表面上再形成非平坦的缓冲层54，如此可增加光线取出率，亦即使上方有源层(图未示)产生的光线可更多由基材51透出，然此种结构适用于覆晶封装的发光二极管。另外，很明显，要形成光捕捉膜层53尚需要增加光学光刻蚀刻工艺。

图6是美国专利公告第US 2006/0267025号专利的半导体发光二极管的剖面示意图。蓝宝石衬底61的基面63上具有多个平行凹槽62。由于N型氮化镓半导体层64的横向的外延速度大于纵向的外延速度，使得N型氮化镓半导体层64沿着基面64往凹槽62上方逐渐伸展。同时凹槽62内也有N型氮化镓半导体层64向上成长，并和基面63上N型氮化镓半导体层64相接合，且会继续向上生长而形成上表面平坦的N型氮化镓半导体层64。虽然基面63上N型氮化镓半导体层64以横向生长，可以避免线缺陷向上延伸。但是凹槽62内的N型氮化镓半导体层64中线缺陷65仍旧会向上延伸，从而造成发光效率降低。

综上所述，市场上需要一种确保品质稳定及高光线取出率的发光二极管，能改善上述已知技术的各种缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法，因直接覆盖于基材的三族氮化合物横向生长，因此穿透差排(threading dislocation)不易发生，从而提高发光二极管的光线取出率。

为达上述目的，本发明公开一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含衬底、第一三族氮化合物层及第二三族氮化合物层。该衬底具有第一表面及多个凸伸于该第一表面的凸部，各该凸部的周围被该第一表面围绕。该第一三族氮化合物层覆盖于该多个凸部的顶面，并自该多个顶面往侧向相互连接。该第一表面被该第二三族氮化合物层覆盖，该第二三族氮化合物层的厚度小于该凸部的高度，又该第二三族氮化合物层和该第一三族氮化合物层是相同材料。

该第二三族氮化合物层和该第一三族氮化合物层是相同材料。

当该第一三族氮化合物层是缓冲层，还包含依序设置于该第一三族氮化合物层上的N型半导体材料层、有源层及P型半导体材料层。

当该第一三族氮化合物层是N型半导体层，还包含依序设置于该第一三族氮化合物层上的有源层及P型半导体材料层。

该衬底是蓝宝石，该第一表面是蓝宝石的C面，该C面为(0001)面。该多个凸部主要沿着(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)方向布置。或者，该多个凸部沿着平行(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)的方向以等间距方式布置。

该基材的材料是具有六方体系(Hexagonal)结晶的材料。

本发明另公开一种三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，包含下列步骤：提供衬底，其中该衬底具有第一表面及多个凸伸于该第一表面的凸部，各该凸部的周围被该第一表面围绕；以及于该该多个凸部的顶面及该第一表面成长三族氮化合物；其中该三族氮化合物自该多个顶面往侧向延伸并相互连接，又该第一表面上的该三族氮化合物的厚度小于该凸部的高度。

当该第一三族氮化合物层作为缓冲层，还包含于该第一三族氮化合物层上依序设置N型半导体材料层、有源层及P型半导体材料层的步骤。

当该第一三族氮化合物层作为N型半导体层，还包含于该第一三族氮化合物层上依序设置有源层及P型半导体材料层的步骤。

低于该凸部的第一表面以光学光刻蚀刻工艺形成。

根据本发明的二极管具有更佳的发光效率。

附图说明

图1是美国第US 6,870,191号专利的半导体发光二极管的剖面示意图；

图2(a)～图2(f)是说明图1中N型半导体层形长于蓝宝石衬底的外延成长过程；

图3是美国第US 6,091,083号专利的发光二极管的剖面示意图；

图4(a)～图4(d)是美国第US 6,940,089号专利的半导体发光二极管的外延成长示意图；

图5(a)～图5(f)是美国第US 7,071,495号专利的半导体发光二极管的外延成长示意图；

图6是美国专利公告第US2006/0267025号专利的半导体发光二极管的剖面示意图；

图7(a)是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图；

图7(b)是本发明另一实施例三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图；

图8(a)是本发明基材的立体示意图；

图8(b)是本发明基材的截面示意图；

图8(c)是本发明基材的上视图；

图9(a)～图9(d)是本发明三族氮化合物形成于基材的示意图；

图10是本发明发光二极管的输出功率的曲线图；以及

图11(a)～图11(b)是本发明发光二极管的X光绕射扫描量测图。

其中，附图标记说明如下：

10、30 发光二极管 11、31、41、51、61 衬底

12 N型半导体层 13 有源层

14 P型半导体层 15、62 凹槽

16、63 基面 32 平坦区

33 V型槽 34、54 缓冲层

35 N型氮化镓层 36 未掺杂氮化镓层

37 未掺杂氮化铝镓层 42 凸部

43 凹部 44 掩模

45、45′ 氮化铝镓层 52 光阻

53 光捕捉膜层 64 N型氮化镓半导体层

65 线缺陷 70、70′ 发光二极管

71 衬底 73 N型半导体材料层

74 有源层 75 P型半导体材料层

76 P型电极 77 N型电极

92、92a、92b 三族氮化合物

711 凸部 712 第一表面

713 顶面 721 第一缓冲层

722 第二缓冲层 731、732 N型半导体材料层

921、921′ 三族氮化合物

具体实施方式

图7(a)是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。发光二极管70包含衬底71、第一缓冲层721、第二缓冲层722、N型半导体材料层73、有源层74及P型半导体材料层75。又于N型半导体材料层73表面设有N型电极77，及于P型半导体材料层75表面设有P型电极76。衬底71具有第一表面712、多个凸伸于该第一表面712的凸部711及相对于该第一表面712的第二表面713，各凸部711的周围被第一表面712围绕，可参见图8(a)。

第一缓冲层721覆盖于多个凸部711的顶面，并自该多个顶面往侧向延伸并相互连接。第一表面712被第二缓冲层722覆盖，该第二缓冲层722的厚度h小于该凸部711的高度H，又第二缓冲层722和第一缓冲层721相同材料。N型半导体材料层73、有源层74及P型半导体材料层75依序叠设于第一缓冲层721上。

一般而言，基材71的材料可以是蓝宝石(亦即铝氧化合物Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅或氧化锌(ZnO)等具有六方体系(Hexagonal)结晶的材料，并于该基材71上形成不同材料的三族氮化合物层。假如基材71与三族氮化合物的晶格常数不匹配，可在基材71上先形成第一缓冲层721，该第一缓冲层721的材料可以是GaN、InGaN或AlGaN，或硬度较已知含铝元素缓冲层为低的超晶格核(Superlattice)层。

如图7(b)所示，当然也可以于基材71的第一表面712及多个凸部711上分别形成N型半导体材料层731及732。同样于N型半导体材料层731依序叠设有源层74及P型半导体材料层75，因此而形成发光二极管70′的发光外延结构。

图8(a)是本发明基材的立体示意图。多个凸部711凸伸于第一表面712上，各凸部711的周围被第一表面712围绕。低于该凸部711的第一表面712可以光学光刻蚀刻工艺形成。图8(b)是本发明基材的截面示意图，其使用C面{0001}的蓝宝石衬底71，以使形成于蓝宝石衬底71上的第一缓冲层721不产生结晶缺陷。

图8(c)是本发明基材的上视图。多个凸部711主要沿着(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)方向布置，并平行(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)的方向等间距布置。

图9(a)～图9(d)是本发明三族氮化合物形成于基材的示意图。三族氮化合物92a覆盖于多个凸部711的顶面713，并自相邻的顶面713往侧向逐渐延伸成长。第一表面712亦被三族氮化合物921′逐渐覆盖，并朝向相邻的顶面713的中间逐渐成长，该三族氮化合物921′和三族氮化合物92a同时成长。如9(c)所示，因相邻顶面713上三族氮化合物92b已接合在一起，位于第一表面712上的三族氮化合物921就被遮住而无法继续成长，且两者也未相互接触。然后持续施以相同的工艺，直到三族氮化合物92上表面平坦。

图10是本发明发光二极管的输出功率的曲线图。于相同的电流密度下本发明发光二极管的输出功率显然大于已知技术的发光二极管的输出功率，因此有更佳的发光效率。

图11(a)～图11(b)是本发明发光二极管的X光绕射扫描量测图。图中已知技术指衬底为平面形式的发光二极管。关于本发明的发光二极管，于不同绕射平面(002)及(102)均能得到较窄的标准化X光绕射强度的半高宽(FullWidth at Half Maximum；FWHM)。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。

Claims

1、一种三族氮化合物半导体发光二极管，包含：

衬底，具有第一表面及多个凸伸于所述第一表面的凸部，各所述凸部的周围被所述第一表面围绕；

第一三族氮化合物层，覆盖于所述多个凸部的顶面，并自所述多个顶面往侧向延伸并相互连接；以及

第二三族氮化合物层，覆盖所述第一表面，其中所述第二三族氮化合物层的厚度小于所述凸部的高度。

2、一种三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，包含下列步骤：

提供衬底，其中所述衬底具有第一表面及多个凸伸于所述第一表面的凸部，各所述凸部的周围被所述第一表面围绕；以及

于所述多个凸部的顶面及所述第一表面成长第一三族氮化合物，其中所述第一三族氮化合物自所述多个顶面往侧向延伸并相互连接，又所述第一表面上的所述第一三族氮化合物的厚度小于所述凸部的高度。

3、根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其中所述第二三族氮化合物层和所述第一三族氮化合物层是相同材料。

4、根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管或权利要求2所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述第一三族氮化合物层是缓冲层。

5、根据权利要求4所述的三族氮化合物半导体发光二极管或所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，还包含依序设置于所述第一三族氮化合物层上的N型半导体材料层、有源层及P型半导体材料层。

6、根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管或权利要求2所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述第一三族氮化合物层是N型半导体层。

7、根据权利要求6所述的三族氮化合物半导体发光二极管或所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，还包含依序设置于所述第一三族氮化合物层上的有源层及P型半导体材料层。

8、根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管或权利要求2所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述衬底是蓝宝石，所述第一表面是蓝宝石的C面，所述C面为(0001)面。

9、根据权利要求8所述的三族氮化合物半导体发光二极管或所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述多个凸部主要沿着(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)方向布置。

10、根据权利要求8所述的三族氮化合物半导体发光二极管或所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述多个凸部沿着平行(1 1 2 0)、(1 1 2 0)、(2 1 1 0)、(2 1 1 0)、(1 2 1 0)及(1 2 1 0)的方向以等间距方式布置。

11、根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管或权利要求2所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中所述基材的材料是具有六方体系结晶的材料。

12、根据权利要求2所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其中低于所述凸部的第一表面以光学光刻蚀刻工艺形成。