CN102610717B - 半导体发光芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光芯片，其包括基板及设置在该基板上的发光结构层，该发光结构层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，基板与发光结构层之间还具有缓冲层及包覆层，该缓冲层包括沿该基板延伸方向生长的氮化物纳米结构，所述包覆层由氮化物纳米结构的顶面生长而成。本发明还提供一种制造该半导体发光芯片的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光芯片及其制造方法。
背景技术
一般的蓝光半导体发光芯片为了克服因基板的晶格常数(lattice constant)与半导体层的晶格常数不同所产生的晶格不匹配(lattice mismatch)问题，通常会在基板上成长。
低温的半导体缓冲层(buffer layer)来减缓晶格的差异，以将不同晶格常数间的应力(stress)释放出来。虽然在低温成长半导体缓冲层时，可降低直接高温成长时所产生的垂直方向晶格差排及缺陷密度，然而，因为半导体缓冲层中并未有水平方向阻挡晶格差排的力量，因此，仍会有晶格差排沿长晶方向延伸出去。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种可减少晶格差排及缺陷的半导体发光芯片及其制造方法。
一种半导体发光芯片，其包括基板及设置在该基板上的发光结构层，该发光结构层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，基板与发光结构层之间还具有缓冲层及包覆层，该缓冲层包括沿基板延伸方向生长的氮化物纳米结构，所述包覆层由氮化物纳米结构的顶面生长而成。
一种半导体发光芯片的制造方法，包括如下步骤：
提供基板；
在基板表面形成缓冲层，在该缓冲层内沿基板延伸方向生长氮化物纳米结构；
在缓冲层的氮化物纳米结构上生长包覆层；
在包覆层上形成发光结构层，该发光结构层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层。
该半导体发光芯片通过在缓冲层中设置沿基板延伸方向生长的氮化物纳米结构以阻挡因晶格不匹配所造成的垂直晶格差排及缺陷，因此可有效地改善在该氮化物纳米结构上生长而成的包覆层及发光结构层的结晶品质。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明第一实施方式所提供的半导体发光芯片的结构示意图。
图2为本发明第二实施方式所提供的半导体发光芯片的结构示意图。
主要元件符号说明
| 基板 | 10 |
| 缓冲层 | 12 |
| 催化层 | 120 |
| 氮化物纳米结构 | 122 |
| 包覆层 | 13 |
| 发光结构层 | 14 |
| 第一半导体层 | 140 |
| 第二半导体层 | 144 |
| 发光层 | 142 |
| 开槽 | 143 |
| 透明导电层 | 15 |
| 第一电极 | 16 |
| 第二电极 | 17 |
具体实施方式
如图1所示，本发明第一实施方式所提供的半导体发光芯片结构1包括基板10、缓冲层12、包覆层13及发光结构层14。所述缓冲层12形成在基板10上，所述包覆层13在该缓冲层12上生长而成，所述发光结构层14形成在该包覆层13上。
所述基板10由具有高导热特性的材料制成，可以为蓝宝石(sapphire)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al2O3)等。所述缓冲层12包括催化层120及形成于催化层120内的氮化物纳米结构122。所述催化层120由金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钼(Mo)等过渡金属材料所制成，用于辅助氮化物纳米结构122生长。该催化层120可由金属气相沉积(Metal PVD)或其他方法形成在基板10顶面并通过金属蚀刻形成多个分隔的区域，如：一维的长条状突块或二维阵列排布的方形突块。在本实施方式中，所述氮化物纳米结构122为氮化铝铟镓纳米管或氮化铝铟镓纳米线(AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1)。所述氮化物纳米结构122可采用微波等离子化学气相沉积(MPCVD)、热化学气相沉积(Thermal CVD)等技术通过通入氮气(N2)为载气的三甲基镓(Trimethylgallium,TMG)和氨气(NH3)的混合气体在相邻催化层120间隔区域的侧面沿基板10延伸方向生长而成；同时，通过控制生长条件，如：通入气体的成分、比例，生长的温度、气压等，使其不会在催化层120的顶面生长。生长完成的氮化物纳米结构122将相邻催化层120的侧面连接起来，使整个缓冲层12呈现出连续的分布状态。可以理解的是，还可以通过选择或蚀刻出基板10的特定晶格方向，如：硅(Si)的(111)、蓝宝石(Sapphire)的α面(11-20)或Y面(1-102)，作为生长面来控制所述氮化铝铟镓纳米管或纳米线的生长方向。
所述包覆层13先由各氮化物纳米结构122的顶面分别垂直向上生长预定高度后再以催化层120作为光罩侧向磊晶成长(Epitaxial Lateral Over Growth,ELOG)形成。包覆层13与氮化物纳米结构122采用同样的材料，在本实施例中，包覆层13与氮化物纳米结构122的材料均为氮化铝铟镓(AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1)。
所述发光结构层14包括依次形成在包覆层13上的第一半导体层140、发光层142及第二半导体层144。在本实施方式中，该第一半导体层140为N型氮化铝铟镓层，该第二半导体层144为P型氮化铝铟镓层，该发光层142为多重量子阱氮化铝铟镓层。当然，所述第一半导体层140、第二半导体层144及发光层142也可根据实际需求选用其他的材料。所述第二半导体层144的顶面形成有透明导电层15，用于将电流均匀地分布在第一半导体层140及第二半导体层144内，使发光芯片出光均匀。该透明导电层15可由氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等导电性较佳的材料制成。该透明导电层15顶面形成有第二电极17，用于为发光芯片提供焊垫。此外，基板10的底面还可进一步形成第一电极16，用于将发光芯片与外界承载机构进行机械及电性连接。该第一电极16优选为欧姆接触金属层，以与基板10之间形成良好的欧姆接触。
由于所述氮化物纳米结构122具有水平方向性，可阻挡因晶格不匹配所造成的垂直晶格差排及缺陷，因此可有效地改善在该氮化物纳米结构122上生长而成的包覆层13及发光结构层14的结晶品质。
本发明还同时提供一种制造上述半导体发光芯片1的方法，主要包括如下步骤：
首先，提供具有催化层120的导电基板10，该催化层120在基板10上形成多个间隔区域；
然后，在各催化层120区域之间沿基板10延伸方向生长氮化物纳米结构122；
随后，在生长的氮化物纳米结构122顶面先垂直向上生长再侧向磊晶生长以形成包覆层13；
之后，在该包覆层13上形成发光结构层14，该发光结构层14包括依次生长的第一半导体层140、发光层142及第二半导体层144；
最后，该第二半导体层144的顶面形成有透明导电层15，并在该透明导电层15顶部及基板10底部分别形成第二电极17及第一电极16。
由于上述实施方式所采用的基板10为导电基板，因此其第一电极16及第二电极17才可制作在相对的上下两端而形成垂直导通型的半导体发光芯片1。可以理解的是，当基板10采用非导电材料制作(比如蓝宝石)时，为确保电流能够顺利导通，第一电极16可由基板10底面改为制作在第一半导体层140表面。如图2所示，本发明第二实施方式所提供的半导体发光芯片2的结构与第一实施方式之区别在于基板10为非导电基板，半导体发光芯片1的顶面一侧通过蚀刻形成一深入到第一半导体层140内部的开槽143，第一电极16则形成于开槽143底面并与暴露在外的第一半导体层140连接，以将电流均匀地扩散进第一半导体层140内。由于结构发生变化，因此第二实施方式较第一实施方式的制造方法也有所改变，即最后步骤中需要在半导体发光芯片1顶面开槽，并将第一电极16形成于开槽内的第一半导体层140上。
本发明所提供的半导体发光芯片1及其制造方法通过在缓冲层12中设置沿基板10延伸方向生长的氮化物纳米结构122以阻挡因晶格不匹配所造成的垂直晶格差排及缺陷，因此可有效地改善在该氮化物纳米结构122上生长而成的包覆层13及发光结构层14的结晶品质。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (14)
1.一种半导体发光芯片，其包括基板及设置在该基板上的发光结构层，该发光结构层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，其特征在于：基板与发光结构层之间还具有缓冲层及包覆层，该缓冲层包括催化层和从催化层侧面沿该基板延伸方向生长的氮化物纳米结构，所述包覆层由氮化物纳米结构的顶面先垂直向上生长再侧向磊晶生长而成。
2.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：所述氮化物纳米结构为氮化物纳米管或氮化物纳米线。
3.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：所述催化层在基板上形成多个间隔区域，所述氮化物纳米结构从催化层各间隔区域的侧面沿基板延伸方向生长而成。
4.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：所述氮化物纳米结构的材料为AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1。
5.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：所述包覆层的材料为AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1。
6.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：所述第二半导体层的顶面形成有透明导电层。
7.如权利要求6所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括在基板底面形成的第一电极，在透明导电层顶面形成的第二电极，该基板由导电材料制成。
8.一种半导体发光芯片的制造方法，包括如下步骤：
提供基板；
在基板表面形成缓冲层，该缓冲层包括催化层和从催化层侧面沿基板延伸方向生长氮化物纳米结构；
在缓冲层的氮化物纳米结构上先垂直向上生长再侧向磊晶生长形成包覆层；
在包覆层上形成发光结构层，该发光结构层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层。
9.如权利要求8所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述氮化物纳米结构为氮化物纳米管或氮化物纳米线。
10.如权利要求8所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述催化层在基板上形成多个间隔区域，所述氮化物纳米结构从催化层各间隔区域的侧面沿基板延伸方向生长而成。
11.如权利要求8所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述氮化物纳米结构的材料为AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1。
12.如权利要求8所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述包覆层的材料为AlxGayIn(1-x-y)N,0≦x≦1,0≦y≦1,且0≦1-x-y≦1。
13.如权利要求8所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述第二半导体层的顶面形成有透明导电层。
14.如权利要求13所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：所述透明导电层顶面形成有第二电极，基板底面形成有第一电极，基板由导电材料制成。
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