CN102479899A - 第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

本发明提供显示出改善的光提取性能的第III族氮化物半导体发光器件。所述第III族氮化物半导体发光器件包括：其表面上具有凹凸的蓝宝石衬底；以及在蓝宝石衬底的凹凸表面上经由缓冲层依次堆叠的n-型层、发光层和p-型层，并且其各自均由第III族氮化物半导体形成。凹凸具有如下结构：包括形成于蓝宝石衬底的表面上并且其条纹方向对应于x-轴方向的第一条纹图案凹凸；以及形成于第一条纹图案凹凸顶上和其条纹方向对应于y-轴方向的第二条纹图案凹凸，y-轴方向与x-轴方向正交。与常规第III族氮化物半导体发光器件相比，包括具有上述凹凸的衬底的第III族氮化物半导体发光器件显示出改善的光提取性能。

Description

第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及通过在包含于器件中的蓝宝石衬底上形成凹凸来改善其光提取性能的第III族氮化物半导体发光器件。
背景技术
近年来，第III族氮化物半导体发光器件已经开始用于一般照明应用，并已经迫切需要显示出改善的光提取性能。专利文件1公开了其中在蓝宝石衬底上形成凹凸来改善半导体发光器件的光提取性能的方法。在包括不具有凹凸的平坦蓝宝石衬底的半导体发光器件的情况下，沿与衬底水平的方向在器件中传播的光受限于半导体层中，并通过例如重复多次反射而衰减。与之相比，在包括具有凹凸的蓝宝石衬底的半导体发光器件的情况下，沿与衬底水平的方向在器件中传播的光可沿垂直于衬底的方向反射或散射，并可提取到外部，由此可改善光提取性能。从上面观察时，这种凹凸可具有例如条纹图案或点图案。
专利文件1：日本专利申请公开(特开)2003-318441
然而，当在蓝宝石衬底上形成条纹图案凹凸时，由于沿条纹方向在水平上不存在差异，所以沿条纹传播的光可无法向上反射或散射，导致光提取性能改善不足。
同时，即使当凹陷或台面在蓝宝石衬底上周期性地设置为从上面观察时为点图案时，在凹陷(或台面)之间必须提供适当的空间用于利用GaN填充凹凸和在衬底上形成平坦的GaN层。因此，在衬底的一些区域中，沿特定的方向在水平上没有差异，导致光提取性能改善不足。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的一个目的是实现显示出进一步改善的光提取性能的第III族氮化物半导体发光器件。
在本发明的第一方面，提供一种第III族氮化物半导体发光器件，其包括：蓝宝石衬底，以及提供于蓝宝石衬底上并且由第III族氮化物半导体形成的层状结构，其中所述蓝宝石衬底在层状结构侧上的表面上具有凹凸；并且所述凹凸具有如下结构：其中在垂直于蓝宝石衬底的主表面的任何横截面中在水平上具有一个以上差异，以及在垂直于蓝宝石衬底的主表面的特定的横截面中在水平上具有两个以上差异。
如本文所用的，“第III族氮化物半导体”包括：由式AlxGayInzN(x+y+z＝1，0≤x、y、z≤1)表示的半导体；其中部分Al、Ga或In被其它第13族元素(即B或Tl)替代、或部分N被其它第15族元素(即P、As、Sb或Bi)替代的这种半导体。第III族氮化物半导体的特定实例包括至少包含Ga的那些，例如GaN、InGaN、AlGaN和AlGaInN。通常，使用Si作为n-型杂质，使用Mg作为p-型杂质。
对提供于蓝宝石衬底上的凹凸的结构没有特定限制，只要如上所述在垂直于蓝宝石衬底的主表面的任何横截面中提供在水平上的一个以上差异、在垂直于蓝宝石衬底的主表面的特定横截面中提供在水平上的两个以上差异即可。例如，衬底的凹凸可具有包括第一条纹图案凹凸和提供于第一条纹图案凹凸顶部的第二条纹图案凹凸的结构，其中第一条纹图案凹凸的条纹方向(第一方向)不同于第二条纹图案凹凸的条纹方向(第二方向)。沿垂直于条纹方向的横截面观察时，第一条纹图案凹凸和第二条纹图案凹凸可在例如凹陷(或台面)的间距、凹陷的深度、凹陷(或台面)的侧表面和蓝宝石衬底的主表面之间的角度、或凹陷(或台面)的形状上彼此不同。
从改善光提取性能的观点看，第一方向和第二方向之间的角度优选30°～150°，更优选90°。而且，从改善光提取性能的观点看，优选条纹图案凹凸的凹陷(或台面)的侧表面相对于蓝宝石衬底倾斜40°～80°。
衬底的凹凸的结构的其它实例如下。例如，衬底的凹凸可具有包括条纹图案凹凸、以及提供于条纹图案凹凸顶上的点图案凹凸的结构，其中点图案凹凸包括以栅格图案设置的多个凹陷或台面。点图案凹凸的凹陷或台面可为例如截断的金字塔形、截断的锥形、棱形、圆柱形、金字塔形、锥形或半球形。点图案凹凸的凹陷或台面可设置为栅格图案(例如四角形或三角形栅格图案)。或者，衬底的凹凸可具有包括点图案凹凸、以及提供于点图案凹凸顶上的条纹图案凹凸的结构，其中点图案凹凸包括以栅格图案设置的多个凹陷或台面。点图案凹凸的凹陷(或台面)的侧表面优选相对于蓝宝石衬底的主表面倾斜40°～80°。当角度落入上述范围内时，可进一步改善光提取性能。
本发明的第二方面涉及根据本发明第一方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的第一条纹图案凹凸，第一条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于第一方向对齐的多个第一凹槽；以及形成于第一条纹图案凹凸顶上的第二条纹图案凹凸，第二条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于第二方向对齐的多个第二凹槽，第二方向不同于第一方向。
本发明的第三方面涉及根据本发明第二方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中第一方向与第二方向正交。
本发明的第四方面涉及根据本发明第一方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的条纹图案凹凸，条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于特定方向对齐的多个凹槽；和形成于条纹图案凹凸顶上的点图案凹凸，点图案凹凸包括从上面观察时设置为栅格图案的台面或凹陷。
本发明的第五方面涉及根据本发明第一方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的点图案凹凸，点图案凹凸包括从上面观察时设置为栅格图案的台面或凹陷；和形成于点图案凹凸顶上的条纹图案凹凸，条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于特定方向对齐的多个凹槽。
根据本发明，由于蓝宝石衬底的凹凸显示出将器件中沿任何方向传播的光进行反射的效果，所以可进一步改善光提取性能。
附图说明
由于结合附图考虑时，通过参考以下优选实施方案的详细描述，本发明的各种其它目的、特征和许多伴随的优势变得更好理解，所以可以容易地了解本发明。
图1显示根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的结构；
图2A和2B显示在蓝宝石衬底10的上表面上形成的凹凸；
图3A和3B为显示在蓝宝石衬底10的上表面上形成凹凸的过程的草图；和
图4A和4B为显示制造根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的方法的草图；和
图5为另一凹凸的顶视图。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的一个特定实施方案。然而，本发明不限于所述实施方案。
实施方案1
图1显示根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的结构。根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件包括：其表面上具有凹凸的蓝宝石衬底10；以及在蓝宝石衬底10的凹凸表面上经由缓冲层(未示出)依次沉积的n-型层11、发光层12和p-型层13，并且其各自均由第III族氮化物半导体形成。本发明的层状结构对应于包括n-型层11、发光层12和p-型层13的结构。移除部分发光层12和部分p-型层13，暴露出n-型层11的表面的对应部分。在n-型层11的表面的暴露部分上形成n-电极14。在p-型层13的几乎整个上表面上形成ITO透明电极15，并在透明电极15上形成p-电极16。根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件为面上型。
n-型层11、发光层12和p-型层13中的每个均可具有任何常规已知的结构。例如，n-型层11具有其中在蓝宝石衬底10上依次沉积以高浓度掺杂有Si的GaN n-型接触层、和GaN n-覆层的结构。例如，发光层12具有其中GaN势垒层和InGaN阱层交替沉积的MQW结构。例如，p-型层13具有其中在发光层12上依次沉积掺杂有Mg的AlGaN p-覆层和掺杂有Mg的GaN p-接触层的结构。
图2A是在蓝宝石衬底10的上表面上形成的凹凸的透视图，图2B为蓝宝石衬底10的顶视图。如图2A和2B所示，在蓝宝石衬底10的上表面上形成第一条纹图案凹凸100，并在第一条纹图案凹凸100顶上形成第二条纹图案凹凸101。
第一条纹图案凹凸100包括多个第一凹槽100a，其以规则间距设置并平行于特定方向(即，图2中的x-轴方向，对应于本发明的第一方向)。优选地，各第一凹槽100a的宽度L1为0.1μm～20μm，相邻第一凹槽100a之间的距离L2为0.1μm～20μm。这是因为，当宽度L1和距离L2落入上述范围内，可进一步改善光提取性能。更优选地，宽度L1为0.1μm～5μm，距离L2为0.1μm～5μm。优选地，第一凹槽100a的各侧表面100aa和蓝宝石衬底10的主表面之间的角度θ1为40°～80°。这是因为，当角度θ1落入上述范围内，可进一步改善光提取性能。更优选地，角度θ1为50°～70°。优选地，各第一凹槽100a的深度D1为0.1μm～3μm。这是因为，当深度D1落入上述范围内时，可进一步改善光提取性能。更优选地，深度D1为0.5μm～2μm。
第二条纹图案凹凸101包括多个第二凹槽101a，其以规则间距设置并平行于与x-轴方向正交的方向(即，图2中的y-轴方向，对应于本发明的第二方向)。在第二凹槽101a的下表面上，沿第一条纹图案凹凸100提供凹陷或台面。优选地，各第二凹槽101a的宽度L3为0.1μm～20μm，相邻第二凹槽101a之间的距离L4为0.1μm～20μm。这是因为，当宽度L3和距离L4落入上述范围内，可进一步改善光提取性能。更优选地，宽度L3为0.1μm～5μm，距离L4为0.1μm～5μm。优选地，第二凹槽101a的各个侧表面101aa和蓝宝石衬底10的主表面之间的角度θ2为40°～80°。这是因为，当角度θ2落入上述范围内，可进一步改善光提取性能。更优选地，角度θ2为50°～70°。优选地，各第二凹槽101a的深度D2为0.1μm～3μm。这是因为，当深度D2落入上述范围内，可进一步改善光提取性能。更优选地，深度D2为0.5μm～2μm。各第一凹槽100a的深度D1可与各第二凹槽101a的深度D2相同或不同。而且，各第一凹槽100a的宽度L1可与各第二凹槽101a的宽度L3相同或不同，相邻第一凹槽100a之间的距离L2可与相邻第二凹槽101a之间的距离L4相同或不同。同时，角度θ1可与角度θ2相同或不同。
第一条纹图案凹凸100的条纹方向(即x轴方向)与第二条纹图案凹凸101的条纹方向(即y-轴方向)正交，但是这些条纹方向不必彼此正交。当第一条纹图案凹凸100的条纹方向相对于第二条纹图案凹凸101的条纹方向倾斜30°～150°时，可改善光提取性能。然而，最优选这些条纹方向彼此正交，如本实施方案中所述。
在提供于蓝宝石衬底10上的凹凸中，在垂直于衬底的主表面的任何横截面中提供在水平上的一个以上差异，在垂直于衬底的主表面的特定横截面中提供在水平上的两个以上差异。例如，在沿平行于x-轴方向的线A-A截取的横截面中，第一条纹图案凹凸100没有提供在水平上的差异，但是第二条纹图案凹凸101提供在水平上的一个差异。在沿平行于y-轴方向的线B-B截取的横截面中，第二条纹图案凹凸101没有提供在水平上的差异，但是第一条纹图案凹凸100提供在水平上的一个差异。同时，在沿图2中所示的线C-C截取的横截面中，第一条纹图案凹凸100和第二条纹图案凹凸101提供在水平上的三个差异。
当如上所述形成凹凸时，利用第一条纹图案凹凸100或第二条纹图案凹凸101提供的水平上的差异，在器件中沿平行于蓝宝石衬底10的主表面方向传播的光可沿任何方向被无规地反射，由此反射的光可在光提取侧(即在n-电极14侧或p-电极16侧)上被提取。因此，与常规的第III族氮化物半导体发光器件相比，根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件显示出改善的光提取性能。
然后，将参考图3和4描述根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的制造方法。
现在将描述凹凸在蓝宝石衬底10上的形成。首先，如图3A所示，通过光刻和干蚀刻在蓝宝石衬底10的上表面上形成第一条纹图案凹凸100，使得平行于x-轴方向的第一凹槽100a以特定的间距周期性地设置。
然后，如图3B所示，通过光刻在提供于蓝宝石衬底10的上表面上的第一条纹图案凹凸100上形成条纹图案光掩模103，使得光掩模的开口(沿x-轴方向)以特定间距并且平行于与x-轴方向正交的y轴方向周期性地设置。然后，对蓝宝石衬底10的上表面的未覆盖有光掩模103的部分进行干蚀刻，然后移除光掩模103，以由此在蓝宝石衬底10的上表面上形成图2中所示的凹凸。
当通过如上所述的不同的两个工艺对蓝宝石衬底10的上表面进行干蚀刻时，可防止由此形成的台面的边缘变圆，并可以以高精度形成凹凸。
随后，进行热清洗以恢复由于形成上述凹凸或从蓝宝石衬底10的表面移除杂质而导致的蓝宝石衬底10的损坏。热清洗对应于例如在1000℃～1200℃下氢气氛中的热处理。
然后，在如上所述其上已形成凹凸的蓝宝石衬底10上，通过MOCVD经由AlN缓冲层(未示出)依次形成n-型层11、发光层12和p-型层13(图4A)。MOCVD使用的原料气体等如下：氨(NH3)作为氮源，三甲基镓(Ga(CH3)3)作为Ga源，三甲基铟(In(CH3)3)作为In源，三甲基铝(Al(CH3)3)作为Al源，硅烷(SiH4)作为n-型掺杂气体，环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)作为p-型掺杂气体，H2或N2作为载气。
然后，通过干蚀刻移除部分p-型层13和部分发光层12，以由此暴露出n-型层11表面的对应部分(图4B)。然后，在p-型层13的几乎整个上表面上形成透明电极15；在n-型层11表面的由此暴露的部分上形成n-电极14；和在透明电极15上形成p-电极16。由此，制造根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件。
在实施例1-1～1-6中，通过改变形成第一条纹图案凹凸100的各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1、以及各侧表面100aa的角度θ1，形成第二条纹图案凹凸101的各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2、以及各侧表面101aa的角度θ2，制造对应于实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的器件。L1、L2、L3和L4为与蓝宝石衬底10的接触面上的值。将由此制造的器件与对比例1和2的器件就沿垂直于器件主表面的方向上的光输出(轴向光输出)进行比较。对比例1或2对应于其中在蓝宝石衬底的上表面上形成凹凸的情形，使得以三角形栅格图案设置多个截断的锥形台面(各台面直径：3μm，相邻台面之间的距离：2μm)。对比例1对应于其中各台面的侧表面相对于蓝宝石衬底的主表面倾斜80°的情况，各台面的高度为0.7μm。对比例2对应于其中各台面的侧表面相对于蓝宝石衬底的主表面倾斜60°的情况，各台面的高度为1.4μm。台面的直径和相邻台面之间的距离为与蓝宝石衬底的接触面上的值。对比例2的器件的轴向光输出为对比例1的器件的轴向光输出的1.11倍。
[实施例1-1]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为2μm、2μm和0.7μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为80°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为80°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.19倍。
[实施例1-2]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为80°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为80°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.17倍。
[实施例1-3]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为2μm、2μm和1.4μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为60°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为80°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.29倍。
[实施例1-4]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为1.5μm、1.5μm和1.4μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为60°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为80°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.29倍。
[实施例1-5]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为2μm、2μm和0.7μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为80°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和1.4μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为60°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.34倍。
[实施例1-6]
各第一凹槽100a的宽度L1、距离L2和深度D1分别调节为1.5μm、1.5μm和0.7μm；各侧表面100aa的角度θ1调节为80°；各第二凹槽101a的宽度L3、距离L4和深度D2分别调节为1.5μm、1.5μm和1.4μm；各侧表面101aa的角度θ2调节为60°。测量由此制造的器件的轴向光输出并且发现其为对比例1的器件的轴向光输出的1.28倍。
因此，实施例1-1～1-6的各器件显示出高于对比例1或2的器件的轴向光输出。
在如上所述的实施方案中，第一条纹图案的第一凹槽的深度可与第二条纹图案凹凸的第二凹槽的深度不同。而且，第一条纹图案的第一凹槽的深度可与第二条纹图案凹凸的第二凹槽的深度相同。
提供于蓝宝石衬底10上的凹凸不限于实施方案1中所述的那些。凹凸可具有任何结构，只要在垂直于蓝宝石衬底10的主表面的任何横截面中提供水平上的一个以上差异，在垂直于蓝宝石衬底10的主表面的特定横截面中提供水平上的两个以上差异即可。例如，凹凸可具有如图5的平面图中所示的图案。图5中所示的凹凸具有：包括条纹图案凹凸200和形成于条纹图案凹凸200顶上的点图案凹凸201的结构，其中点图案凹凸201包括设置为三角形栅格图案的台面或凹陷；或包括点图案凹凸201和形成于点图案凹凸201顶上的条纹图案凹凸200的结构。与实施方案1的情形类似，包括其表面上具有这种凹凸的蓝宝石衬底10的第III族氮化物半导体发光器件显示出改善的光提取性能。
根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件为面上型。然而，本发明也可应用于倒装芯片器件。
本发明的第III族氮化物半导体发光器件可用于例如显示设备或照明设备。

Claims (9)

1.一种第III族氮化物半导体发光器件，包括：蓝宝石衬底、以及提供于所述蓝宝石衬底上并且由第III族氮化物半导体形成的层状结构，其中所述蓝宝石衬底在层状结构侧上的表面上具有凹凸；并且所述凹凸具有如下结构：其中在垂直于所述蓝宝石衬底的所述主表面的任何横截面中提供在水平上的一个以上差异、以及在垂直于所述蓝宝石衬底的所述主表面的特定的横截面中提供在水平上的两个以上差异。
2.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于所述蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的第一条纹图案凹凸，所述第一条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于第一方向对齐的多个第一凹槽；以及形成于所述第一条纹图案凹凸顶上的第二条纹图案凹凸，所述第二条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于第二方向对齐的多个第二凹槽，所述第二方向与所述第一方向不同。
3.根据权利要求2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述第一方向与所述第二方向正交。
4.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于所述蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的条纹图案凹凸，所述条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于特定方向对齐的多个凹槽；以及形成于所述条纹图案凹凸顶上的点图案凹凸，所述点图案凹凸包括从上面观察时设置为栅格图案的台面或凹陷。
5.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹凸具有如下结构，所述结构包括：形成于所述蓝宝石衬底的层状结构侧上的表面上的点图案凹凸，所述点图案凹凸包括从上面观察时设置为栅格图案的台面或凹陷；以及形成于所述点图案凹凸顶上的条纹图案凹凸，所述条纹图案凹凸包括从上面观察时设置为条纹图案并且平行于特定方向对齐的多个凹槽。
6.根据权利要求2或权利要求3所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述第一条纹图案凹凸的所述第一凹槽的深度与所述第二条纹图案凹凸的所述第二凹槽的深度不同。
7.根据权利要求2或权利要求3所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述第一条纹图案凹凸的所述第一凹槽的深度与所述第二条纹图案凹凸的所述第二凹槽的深度相同。
8.根据权利要求4或权利要求5所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述条纹图案凹凸的所述凹槽的深度与所述点图案凹凸的台面的高度或所述凹陷的深度不同。
9.根据权利要求4或权利要求5所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述条纹图案凹凸的所述凹槽的深度与所述点图案凹凸的台面的高度或所述凹陷的深度相同。
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