CN103390707A

CN103390707A - 半导体发光装置及其制造方法

Info

Publication number: CN103390707A
Application number: CN2012101412071A
Authority: CN
Inventors: 谢炎璋
Original assignee: PHOSTEK Inc
Current assignee: PHOSTEK Inc
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明为一种半导体发光装置及其制造方法。基板具有第一表面。图案化层形成于基板上，具有第二表面，其与第一表面之间形成一角度。第一掺杂层、发光层及第二掺杂层依次形成于基板及图案化层上，且延伸平行于第一表面。

Description

半导体发光装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置，特别涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

于蓝宝石基板上形成氮化镓磊晶层是制造发光二极管（LED）的常用工艺技术。然而，氮化镓磊晶层与蓝宝石基板两者之间的晶格常数与热膨胀系数（CTE）存在有极大差异，因此，会于氮化镓磊晶层内产生高密度的线差排缺陷（threading dislocation），其密度大约为10⁸~10¹⁰cm^-3。此种高密度线差排缺陷会大大限制了发光二极管的发光效率。

发光二极管结构中的主动层及其他层会吸收光，因此会影响到发光二极管的发光效率。此外，发光二极管所使用的半导体材质具有高折射系数，会使发光二极管所产生的光受到局限（trapped）。如图1所示，从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时，如果光的入射角大于逃逸角锥（escape cone，如图标斜线区域）之临界角（critical angle）α_c时，则会产生全内反射（total internal reflection）。对于高折射系数之半导体而言，其临界角非常小。举例而言，当折射系数为3.3时，其全内反射角只有17°，所以从主动区所发射的大部分光线，将被局限于半导体内部，且这些被局限的光有可能会被较厚的基板所吸收。此外，基板内的电子与空穴对还会因基板质量不良或效率较低，因而产生非辐射复回（recombine non-radiatively），进而降低发光二极管的发光效率。所以如何从半导体之主动区有效萃取光源，进而增加光萃取效率，乃发光二极管制造的一个重要目标。

增加发光二极管之光萃取效率的常用方法之一，是在磊晶前先进行蓝宝石基板的蚀刻图案化，以形成图案化蓝宝石基板（patternsapphire substrate，PSS）。通过基板表面几何形状之变化，可以改变发光二极管的散射机制，将散射光导引至发光二极管内部，进而由逃逸角锥中射出，因而增加光萃取效率（light extraction efficiency）。

一般是使用各种蚀刻技术以加工蓝宝石基板，以改善内部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)和光萃取效率。然而，由于蓝宝石基板非常坚硬，进行蚀刻易损害蓝宝石表面，使得线差排由基板逐渐延伸到顶端的氮化镓磊晶层，因而影响到发光二极管之磊晶质量。此外，在成长磊晶层于图案化蓝宝石基板时，易磊晶于图案化蓝宝石基板的倾斜面上，若倾斜面与平面上的磊晶速率不同时，容易导致磊晶效果的降低。

因此，亟需提出一种新颖的半导体发光装置及其制造方法，使得工艺较容易且更能控制磊晶的成长。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例提出一种半导体发光装置及其制造方法，用以减少线差排缺陷，增加光线的逃逸角锥，改善内部量子效率(IQE)和/或光萃取效率。

根据本发明实施例，半导体发光装置包含基板、图案化层、第一掺杂层、发光层及第二掺杂层。基板具有第一表面。图案化层形成于基板上，具有第二表面，其与第一表面之间形成一角度。第一掺杂层形成于基板及图案化层上，发光层形成于第一掺杂层上，第二掺杂层形成于发光层上，且第一掺杂层、发光层及第二掺杂层延伸平行于第一表面。

其中所述第一表面为所述基板的顶面，且所述第二表面为所述图案化层的侧面，其中所述第二表面倾斜于所述第一表面。

其中所述基板的材质为砷化镓、锗表面形成锗化硅、硅表面形成碳化硅、铝表面形成氧化铝、氮化镓、氮化铟、氮化铝、氧化锌、蓝宝石、玻璃、石英或其组合。

其中所述第一表面为C相平面、M相平面或A相平面。

其中所述第一表面为C相平面，且所述第二表面为R相平面；或是所述一表面为M相平面，且所述第二表面为C相平面；或是所述第一表面为A相平面，且所述第二表面为R相平面或N相平面。

其中所述图案化层具有一空隙，以暴露出部分所述基板的表面。

其中所述图案化层包含多个角锥体、多个圆锥体和/或多个火山形体。

其中所述图案化层的材质异于所述基板的材质。

其中所述图案化层的材质为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或其组合。

其中所述图案化层及所述基板的材质使得所述第一掺杂层容易形成于所述第一表面，但是不容易形成于所述第二表面。

其中所述第一掺杂层、所述发光层及所述第二掺杂层的材质包含三族氮化物。

其中所述发光层包含单一量子阱或多重量子阱。

其中所述发光层包含超晶格结构。

其中，所述之半导体发光装置，还包含一成核层，形成于所述基板与所述图案化层上，并填满所述图案化层的空隙，且所述图案化层及所述基板的材质使得所述成核层容易形成于所述第一表面，但是不容易形成于所述第二表面。

其中，所述之半导体发光装置，还包含一非掺杂层，形成于所述成核层与所述第一掺杂层之间

根据本发明实施例，半导体发光装置的制造方法，包含：

提供一基板，具有一第一表面；

形成一图案化层于所述基板上，该图案化层具有一第二表面，该第二表面与所述第一表面之间形成一角度；

形成一第一掺杂层于所述基板及所述图案化层上，且延伸平行于所述第一表面；

形成一发光层于所述第一掺杂层上，且延伸平行于所述第一表面；及

形成一第二掺杂层于所述发光层上，且延伸平行于所述第一表面。

其中所述图案化层的形成步骤包含：

形成一结晶膜；及

除去部分的该结晶膜，因而形成所述图案化层。

其中除去部分所述结晶膜的步骤包含形成一空隙，以暴露出部分所述基板的表面。

其中，所述半导体发光装置的制造方法，还包含形成一成核层及一非掺杂层于所述基板与所述图案化层上，所述成核层填满所述图案化层的空隙，所述非掺杂层位于所述成核层与所述第一掺杂层之间

附图说明

图1显示传统发光装置所发射光线被局限于半导体内。

图2A至图2D显示本发明实施例之半导体发光装置的各个工艺步骤的剖面图。

图3显示C相平面、M相平面及A相平面的示意图。

参考标记清单

200 半导体发光装置

21 基板

211 第一表面

22 图案化层

221 第二表面

222 空隙

23 第一掺杂层

24 发光层

25 第二掺杂层

26 第一电极

27 第二电极

28 成核层

29 非掺杂层

F1 第一表面之法向量

F2 第二表面之法向量

具体实施方式

图2A至图2D显示本发明实施例之半导体发光装置200的各个工艺步骤的剖面图。本实施例之发光装置200可以为发光二极管（LED），但不限定于此。

如图2A所示，首先提供一基板21，其具有第一表面211，例如顶面。本实施例之基板21的材质可以为砷化镓（GaAs）、锗（Ge）表面形成锗化硅（SiGe）、硅（Si）表面形成碳化硅（SiC）、铝（Al）表面形成氧化铝（Al₂O₃）、氮化镓（GaN）、氮化铟（InN）、氧化锌(ZnO)、氮化铝（AlN）、蓝宝石（sapphire）、玻璃、石英或其组合，但不限定于此。所述第一表面211可以为C相平面（C-plane phase或{0001}）、M相平面（M-plane phase或{101-0}）或A相平面（A-plane phase或{1-1-20}）。图3显示C相平面、M相平面及A相平面的示意图。其中，C相平面属于极化（polar）相平面，而M相平面及A相平面则属于非极化（non-polar）相平面。

接着，形成图案化（patterned）层22于基板21上。本实施例之图案化层22具有第二表面221，其倾斜于第一表面211，因而和第一表面211之间形成一角度。如图2A所例示，图案化层22的顶面可以为平坦的，也可以为尖锐的，如图2B所例示。根据本实施例的特征之一，图案化层22具有空隙222（space），其暴露出部分基板21的表面。由此，使得图案化层22形成多个（具平坦或尖锐顶面的）锥状体，其可以为角锥体（pyramid），具三角形（triangular）底面、四边形（rectangular）底面、五边形（pentagonal）底面或六边形（hexagonal）底面。图案化层22的锥状体也可以为（具平坦或尖锐顶面的）圆锥体（cone），其底面为圆形。此外，图案化层22的顶面可具有凹部，使得图案化层22形成多个火山形体(未图示)，例如盾状火山(shieldvolcano)的形体或破火山口(caldera volcano)的形体。

在一例子中，基板21的顶面为C相平面，且图案化层22的侧面221(第二表面)为R相平面（R-plane phase或{11-02}）。其中，R相平面属于半极化（semi polar）相平面。以图案化层22的锥状体为例，其具有多个R相平面的侧面，以及一个C相平面的底面。例如，底面为四边形的角锥体（rectangular pyramid）即具有四个R相平面的侧面，以及一个C相平面的底面。在另一例子中，基板21的顶面为M相平面，且图案化层22的侧面221(第二表面)为C相平面。在另一例子中，基板21的顶面为A相平面，且图案化层22的侧面221(第二表面)为R相平面或N相平面。

本实施例之图案化层22的材质异于基板21的材质。图案化层22的材质可以为二氧化硅（SiO₂）、碳化硅（SiC）、氮化硅（SiN_x）或其组合，但不以此为限。一般来说，本实施例之图案化层22与基板21材质的选择，会使得后续层级可以容易形成于基板21的第一表面211，但是不容易形成于图案化层22的侧面221(第二表面)。或者说，后续层级容易形成于极化相平面（例如C相平面）或非极化相平面（例如M相平面或A相平面），但是不容易形成于R相平面。

在本实施例之图案化层22的制造过程中，首先于基板21上形成结晶膜（crystal film），例如以电浆强化化学气相沈积（PECVD）方法形成。接着，以蚀刻工艺除去部分的结晶膜，因而形成图案化层22，例如使用化学湿蚀刻或无屏蔽（maskless）干蚀刻。

接下来，如图2C所例示，于基板21及图案化层22上依次形成第一掺杂层23、发光层24及第二掺杂层25。此处系以具平坦顶面之图案化层22（图2A）作为例示，然而，也可以形成于图2B所示具尖锐顶面之图案化层22之上。详而言之，第一掺杂层23形成于基板21及图案化层22上，且延伸平行于第一表面211；发光层24形成于第一掺杂层23上，且延伸平行于第一表面211；且第二掺杂层25形成于发光层24上，且延伸平行于第一表面211。如前所述，第一掺杂层23、发光层24及第二掺杂层25容易形成于基板21的表面（例如C相平面），但是不容易形成于图案化层22的侧面（例如R相平面）。换句话说，第一掺杂层23、发光层24及第二掺杂层25容易沿着基板21的表面（第一表面211）之法向量方向F1成长，而不容易沿着图案化层22的侧面（第二表面221）之法向量方向F2成长，因而得以增进半导体发光装置200的磊晶效率及其光萃取效率。在本实施例中，第一掺杂层23、发光层24及第二掺杂层25的材质可以使用三族氮化物，例如由铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）与氮（N）的所组成的化合物，如氮化铟（InN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铟铝镓（InAlGaN）、氮化铝（AlN）等。

在一实施例中，发光层24可包含单一量子阱(SQW)或多重量子阱（MQW）。在另一实施例中，发光层24可包含超晶格结构，其主要系由二材质相异的子层交替堆栈而成，例如由氮化镓（GaN）与氮化铟镓（InGaN）交替堆栈而成。

如图2C所示，半导体发光装置200还可包含第一电极26与第二电极27，其分别形成于第一掺杂层23上及第二掺杂层25上。

图2A至图2C所阐述半导体发光装置200的工艺及结构仅显示出主要的层级，然而，视实际应用需要还可以额外增加其他层级。如图2D所例示，半导体发光装置200还可包含成核（nucleation）层28，形成于基板21与图案化层22上，并填满图案化层21的空隙222。此外，还可包含非掺杂层29，形成于成核层28与第一掺杂层23之间。

以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，并非用以限定本发明之申请专利范围；凡其它未脱离发明所揭示之精神下所完成之等效改变或修饰，均应包含在本发明范围内。

Claims

1.一种半导体发光装置，包含：

一基板，具有一第一表面；

一图案化层，形成于所述基板上，该图案化层具有一第二表面，该第二表面与所述第一表面之间形成一角度；

一第一掺杂层，形成于所述基板及所述图案化层上，且延伸平行于所述第一表面；

一发光层，形成于所述第一掺杂层上，且延伸平行于所述第一表面；及

一第二掺杂层，形成于所述发光层上，且延伸平行于所述第一表面。

2.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述第一表面为所述基板的顶面，且所述第二表面为所述图案化层的侧面，其中所述第二表面倾斜于所述第一表面。

3.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述基板的材质为砷化镓、锗表面形成锗化硅、硅表面形成碳化硅、铝表面形成氧化铝、氮化镓、氮化铟、氮化铝、氧化锌、蓝宝石、玻璃、石英或其组合。

4.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述第一表面为C相平面、M相平面或A相平面。

5.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述第一表面为C相平面，且所述第二表面为R相平面；或是所述一表面为M相平面，且所述第二表面为C相平面；或是所述第一表面为A相平面，且所述第二表面为R相平面或N相平面。

6.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述图案化层具有一空隙，以暴露出部分所述基板的表面。

7.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述图案化层包含多个角锥体、多个圆锥体和/或多个火山形体。

8.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述图案化层的材质异于所述基板的材质。

9.根据权利要求8所述之半导体发光装置，其中所述图案化层的材质为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或其组合。

10.根据权利要求8所述之半导体发光装置，其中所述图案化层及所述基板的材质使得所述第一掺杂层容易形成于所述第一表面，但是不容易形成于所述第二表面。

11.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述第一掺杂层、所述发光层及所述第二掺杂层的材质包含三族氮化物。

12.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述发光层包含单一量子阱或多重量子阱。

13.根据权利要求1所述之半导体发光装置，其中所述发光层包含超晶格结构。

14.根据权利要求6所述之半导体发光装置，还包含一成核层，形成于所述基板与所述图案化层上，并填满所述图案化层的空隙，且所述图案化层及所述基板的材质使得所述成核层容易形成于所述第一表面，但是不容易形成于所述第二表面。

15.根据权利要求14所述之半导体发光装置，还包含一非掺杂层，形成于所述成核层与所述第一掺杂层之间。

16.一种半导体发光装置的制造方法，包含：

提供一基板，具有一第一表面；

17.根据权利要求16所述半导体发光装置的制造方法，其中所述图案化层的形成步骤包含：

形成一结晶膜；及

除去部分的所述结晶膜，因而形成所述图案化层。

18.根据权利要求17所述半导体发光装置的制造方法，其中除去部分所述结晶膜的步骤包含形成一空隙，以暴露出部分所述基板的表面。

19.根据权利要求18所述半导体发光装置的制造方法，还包含形成一成核层及一非掺杂层于所述基板与所述图案化层上，所述成核层填满所述图案化层的空隙，所述非掺杂层位于所述成核层与所述第一掺杂层之间。