CN101939853A - Ⅲ族氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，所述III族氮化物半导体发光器件包括：衬底；多个III族氮化物半导体层，所述多个III族氮化物半导体层形成在所述衬底上，并且设置有通过电子和空穴的复合而发光的有源层；边界面，所述边界面界定在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层之间；和一对斜表面，所述一对斜表面由所述边界面形成在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层上，由此将所述有源层中产生的光发射至外部。
Description
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，更具体而言，本发明涉及能够改善外量子效率的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。所述III族氮化物半导体发光器件是指诸如包含由Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)构成的复合半导体层的发光二极管等发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件可进一步包含由其他族的元素构成的材料，如SiC、SiN、SiCN和CN，以及由这些材料制成的半导体层。
背景技术
图1是描述传统III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图。所述III族氮化物半导体器件包括：衬底100、在所述衬底100上生长的缓冲层200、在所述缓冲层200上生长的n型III族氮化物半导体层300、在所述n型III族氮化物半导体层300上生长的有源层400、在所述有源层400上生长的p型III族氮化物半导体层500、在所述p型III族氮化物半导体层500上形成的p面电极600、在所述p面电极600上形成的p面焊盘700、在通过台面刻蚀所述p型III族氮化物半导体层500和所述有源层400而暴露的所述n型III族氮化物半导体层300上形成的n面电极800以及保护膜900。
在所述衬底100的情况下，GaN衬底可用作同质衬底，而蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底可用作异质衬底。不过，可以使用在其上能够生长氮化物半导体层的任何类型的衬底。在使用所述SiC衬底的情况中，所述n面电极800可形成在所述SiC衬底侧。
在所述衬底100上外延生长的所述氮化物半导体层通常通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长。
所述缓冲层200用以克服在所述异质衬底100和所述氮化物半导体之间的晶格常数和热膨胀系数之间的差异。美国专利5,122,845公开了在380℃～800℃在蓝宝石衬底上生长具有
厚度的AlN缓冲层的技术。另外，美国专利5,290,393公开了在200℃～900℃在蓝宝石衬底上生长具有
厚度的Al(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)缓冲层的技术。此外，美国专利公报2006-0154454公开了在600℃～990℃生长SiC缓冲层(晶种层)，并在其上生长In(x)Ga(1-x)N(0＜x≤1)的技术。优选的是，在所述n型III族氮化物半导体层300之前生长非掺杂GaN层。非掺杂GaN层可视为缓冲层200的一部分，或n型III族氮化物半导体层300的一部分。
在n型III族氮化物半导体层300中，至少所述n面电极800形成区域(n型接触层)掺杂有掺杂剂。优选的是，所述n型接触层由GaN制成并掺杂有Si。美国专利5,733,796公开了通过调节Si和其他源材料的混合比而以目标掺杂浓度掺杂n型接触层的技术。
所述有源层400通过电子和空穴的复合产生光量子(光)。通常，所述有源层400包含In(x)Ga(1-x)N(0＜x≤1)并具有单量子阱层或多量子阱层。
所述p型III族氮化物半导体层500掺杂有诸如Mg等合适的掺杂剂，并通过激活过程而具有p型导电性。美国专利5,247,533公开了通过电子束照射激活p型III族氮化物半导体层的技术。此外，美国专利5,306,662公开了通过在400℃以上退火而激活p型氮化物半导体层的技术。美国专利公报2006-0157714公开了通过将氨和肼类源材料一起作为用于生长所述p型III族氮化物半导体层的氮前体而在无需激活过程的情况下使p型III族氮化物半导体层具有p型导电性的技术。
设置p面电极600有利于向p型III族氮化物半导体层500提供电流。美国专利5,563,422公开了一种与透光电极相关的技术，所述透光电极由Ni和Au组成，形成在所述p型III族氮化物半导体层500的几乎整个表面上，并与所述p型III族氮化物半导体层500欧姆接触。另外，美国专利6,515,306公开了在p型III族氮化物半导体层上形成n型超晶格层，并在其上形成由ITO制成的透光电极的技术。
同时，所述透光电极600可以形成为厚至不透光而将光线反射向衬底100。该技术称为倒装芯片技术。美国专利6,194,743公开了与包括厚度超过20nm的Ag层、覆盖所述Ag层的扩散阻挡层和含有Au和Al的覆盖所述扩散阻挡层的结合层的电极结构相关的技术。
设置所述p面焊盘700和所述n面电极800以用于电流供应和外部引线焊接。美国专利5,563,422公开了用Ti和Al形成n面电极的技术。
所述保护膜900可以由SiO2制成，也可以被省略。
同时，所述n型III族氮化物半导体层300或所述p型III族氮化物半导体层500可构建为单层或多层。近来，提出了通过激光或湿法刻蚀将所述III族氮化物半导体层与所述衬底100分离而制造垂直式发光器件的技术。
图2是描述美国专利公报2006-0192247中公开的发光器件的半导体层中的光反射途径203的一个实例的视图。有源层中产生的光因半导体层202与发光器件外部的密度差造成的全反射所致而不能出射至发光器件的外部。
该现象造成了发光器件的外量子效率较低。图3是描述日本专利2836687中公开的发光器件的一个实例的视图。在半导体层的一个表面上形成曲面，因而所述发光器件能够改善外量子效率。
图4是描述美国专利公报2006-0192247中公开的发光器件的一个实例的视图。在半导体层的侧表面上形成斜表面以提取光，因而所述发光器件能够改善外量子效率。
然而，前述发光器件的不利之处在于，因为对有源层中产生的光的提取限于半导体层，所以衬底上的入射光如在半导体层中一样被反射，因而不能被提取。
发明内容
技术问题
因此，完成了本发明以解决在现有技术中出现的上述缺点，本发明的一个目的是提供能够改善外量子效率的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供在其侧表面上具有斜表面从而易于提取光线的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，
继而，本发明的又一个目的是提供在其衬底上具有斜表面的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
技术方案
根据本发明的一个方案，提供一种III族氮化物半导体发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件包括：衬底；多个III族氮化物半导体层，所述多个III族氮化物半导体层形成在所述衬底上，并且设置有通过电子和空穴的复合而发光的有源层；边界面，所述边界面界定在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层之间；和一对斜表面，所述一对斜表面由所述边界面形成在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层上，由此将所述有源层中产生的光发射至外部。
此外，根据本发明的另一个方案，所述衬底包括在衬底侧斜表面之下的断裂面。
此外，根据本发明的另一个方案，所述衬底是蓝宝石衬底。
此外，根据本发明的另一个方案，所述发光器件包括由所述一对斜表面沿所述边界面形成的楔形沟槽。
此外，根据本发明的另一个方案，所述III族氮化物半导体发光器件包括由所述一对斜表面沿所述边界面形成的楔形沟槽，其中，所述衬底包括在衬底侧斜表面之下的断裂面，并且所述衬底是蓝宝石衬底。
此外，根据本发明的另一个方案，提供一种制造III族氮化物半导体层发光器件的方法，所述III族氮化物半导体发光器件包括：衬底；多个III族氮化物半导体层，所述多个III族氮化物半导体层形成在所述衬底上，并且设置有通过电子和空穴的复合而发光的有源层；和边界面，所述边界面界定在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层之间；所述方法包括：使所述边界面暴露的第一步；和在所述边界面的两侧刻蚀所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层以形成斜表面的第二步。
此外，根据本发明的另一个方案，所述方法包括将所述衬底分离为个体器件的第三步。
此外，根据本发明的另一个方案，在所述第一步中，通过激光刻划而使所述边界面暴露。
此外，根据本发明的另一个方案，在所述第二步中，通过湿法刻蚀而形成所述斜表面。
此外，根据本发明的另一个方案，所述湿法刻蚀使用H2SO4和H3PO4的混合溶液进行。
有利效果
根据本发明的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，能够改善外量子效率。
此外，根据本发明的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，通过在其侧表面上形成斜表面而能够容易地提取光线。
此外，根据本发明的III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，通过在其衬底上形成斜表面而能够容易地提取光线。
附图说明
图1是描述传统III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图。
图2是描述美国专利公报2006-0192247中公开的发光器件的半导体层中的光反射途径的一个实例的视图。
图3是描述日本专利2836687中公开的发光器件的一个实例的视图。
图4是描述美国专利公报2006-0192247中公开的发光器件的一个实例的视图。
图5是描述本发明的一个实施方式的III族氮化物半导体发光器件的视图。
图6是显示本发明所述实施方式的III族氮化物半导体发光器件的照片。
图7是描述本发明的III族氮化物半导体发光器件的光程的视图。
图8是显示本发明的III族氮化物半导体发光器件的外量子效率的图。
具体实施方式
下文将参照附图来详细描述本发明。
图5是描述本发明的一个实施方式的III族氮化物半导体发光器件的视图。所述III族氮化物半导体发光器件包括：衬底10、在所述衬底10上外延生长的n型氮化物半导体层20、在所述n型氮化物半导体层20上外延生长的有源层30、在所述有源层30上外延生长的p型氮化物半导体层40、在所述p型氮化物半导体层40上形成的p面电极50、在所述p面电极50上形成的p面焊盘60、在通过刻蚀所述p型氮化物半导体层40和所述有源层30而暴露的所述n型氮化物半导体层20上形成的n面电极70。
图6是显示本发明所述实施方式的III族氮化物半导体发光器件的照片。所述III族氮化物半导体发光器件包括边界面15、斜表面11和21、以及断裂面13。在衬底10和n型氮化物半导体层20之间形成边界面15。在衬底10和n型氮化物半导体层20的侧表面上由边界面15形成斜表面11和21，从而有利于将有源层(30；见图5)中产生的光向外发射。此处，衬底10优选由蓝宝石制成。形成衬底10和n型氮化物半导体层20的侧表面的斜表面11和21整体上形成为楔形以便易于提取光线。
在衬底侧斜表面11之下形成断裂面13。将在后面说明断裂面13的形成。
图7是描述本发明的III族氮化物半导体发光器件的光程的视图。在有源层30中产生的并在衬底10和n型氮化物半导体层20中反射的光通过斜表面11和21发射至发光器件的外部。因此，所述发光器件改善了外量子效率。
图8是显示本发明的III族氮化物半导体发光器件的光效率，特别是下列发光器件的外量子效率的图：包括均具有垂直型侧表面的衬底和n型氮化物半导体层的III族氮化物半导体发光器件(垂直型)、包括垂直型衬底和具有斜表面的n型氮化物半导体层的III族氮化物半导体发光器件(GaN成形)和本发明的III族氮化物半导体发光器件(GaN+蓝宝石成形)。如图8所示，本发明的III族氮化物半导体发光器件具有最优秀的外量子效率。
下面将参照图7详细描述本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法。
本发明的III族氮化物半导体发光器件的制造方法包括使边界面15暴露的第一步、在边界面15的两侧刻蚀衬底10和n型氮化物半导体层20以形成斜表面11和21的第二步和将衬底10分离为个体器件的第三步。在该实施方式中，通过激光刻划而使边界面15暴露。优选的是，衬底10的暴露深度为0.5μm～30μm，从而通过物理力能够容易地分离发光器件。如果深度小于0.5μm，当发光器件通过物理力分离时，器件的表面和内部可能会破裂，或其电特性可能受到影响。相反，如果深度大于30μm，则器件可能容易在过程中断裂，因而降低了生产率。金刚石切割器可用于所述刻划，不过激光的优点在于处理速度。
同时，形成斜表面11和21的第二步通过湿法刻蚀进行。例如，蚀刻液是混合比为3∶1的H2SO4和H3PO4的混合溶液。优选的是，蚀刻液在加热至150℃以上时使用。如果蚀刻液的温度低于150℃，则衬底10和n型氮化物半导体层20的侧表面的蚀刻速率降低。鉴于此，在该实施方式中，当刻蚀所述发光器件时，蚀刻液的温度范围是280℃～290℃，蚀刻时间为30分钟之内。此处，对衬底10和n型氮化物半导体层20的边界面15进行活性刻蚀，这是因为边界面15是不同材料间的不稳定界面。另外，在湿法刻蚀过程中除去激光刻划产生的碎片，由此发光器件改善了外量子效率。此外，经缓冲的氧化物蚀刻剂(BOE)可用作所述蚀刻液。
在第三步中，衬底10断裂，并分离为个体器件。因此，在分离的个体器件中，在衬底侧斜表面11之下形成断裂面13。
Claims (10)
1.一种III族氮化物半导体发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件包括：
衬底；
多个III族氮化物半导体层，所述多个III族氮化物半导体层形成在所述衬底上，并且设置有通过电子和空穴的复合而发光的有源层；
边界面，所述边界面界定在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层之间；和
一对斜表面，所述一对斜表面由所述边界面形成在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层上，由此将所述有源层中产生的光发射至外部。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底包括在衬底侧斜表面之下的断裂面。
3.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底是蓝宝石衬底。
4.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件包括由所述一对斜表面沿所述边界面形成的楔形沟槽。
5.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件包括由所述一对斜表面沿所述边界面形成的楔形沟槽，
其中，所述衬底包括在衬底侧斜表面之下的断裂面，并且所述衬底是蓝宝石衬底。
6.一种制造III族氮化物半导体层发光器件的方法，所述III族氮化物半导体发光器件包括：衬底；多个III族氮化物半导体层，所述多个III族氮化物半导体层形成在所述衬底上，并且设置有通过电子和空穴的复合而发光的有源层；和边界面，所述边界面界定在所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层之间；所述方法包括：
使所述边界面暴露的第一步；和
在所述边界面的两侧刻蚀所述衬底和所述多个III族氮化物半导体层以形成斜表面的第二步。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法包括将所述衬底分离为个体器件的第三步。
8.如权利要求6所述的方法，其中，在所述第一步中，通过激光刻划而使所述边界面暴露。
9.如权利要求6所述的方法，其中，在所述第二步中，通过湿法刻蚀而形成所述斜表面。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述湿法刻蚀使用H2SO4和H3PO4的混合溶液进行。
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