CN103811614A - 具有异质材料结构的发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供具有异质材料结构的发光元件及其制造方法。本发明的具有异质材料结构的发光元件包含：基板；形成在基板上的n型半导体层；形成在n型半导体层上的活性层；形成在活性层上的p型半导体层；形成在p型半导体层上的透明电极层；形成在透明电极层上的第一电极；以及形成在透明电极层、p型半导体层和活性层被蚀刻而露出n型半导体层的区域的第二电极，其中基板包含由具有互不相同的折射率的至少两种材料构成的突出部。本发明制造具有异质材料结构的发光元件，由此减小半导体发光元件的缺陷并增大发光层的面积，且通过增加光的散射而具有提高发光元件的亮度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及具有异质材料结构的发光元件及其制造方法，尤其涉及为了提高光提取效率而在基板上的半导体材料形成之前或形成途中形成由互不相同的异质材料构成的凹凸结构，由此增加光的外部提取效率的具有异质材料结构的发光元件及其制造方法。
背景技术
最近，因为由LED(Light Emitting Diode，发光元件)构成的照明器具等相比于以往的白炽灯或荧光灯具有寿命长、耗电相对较低、在制造工艺中不排出污染物的优点等原因，其需求火爆地增加，且发光元件的应用领域渐渐多样化，如其不仅应用于利用发光的显示装置，而且还应用于照明装置或LED显示装置的背光元件等。
发光元件是将电能转换为光的固体元件的一种，通常包含介于两个相反的掺杂层之间的半导体材料活性层，当上述两个掺杂层两端接通偏压时，空穴和电子被注入到活性层之后，在活性层重新结合而产生光，在活性层中产生的光向所有方向发出，通过所有露出表面释放到半导体芯片外。
图1为表示通常的发光元件的制造过程的示例图，如图1的(a)所示，在蓝宝石基板101上生长n型半导体层102之后，形成电子和空穴相结合而能够发出光的InGaN/GaN氮化物多量子阱结构的活性层103，再生长p型半导体层104。
接着，如图1的(b)所示，为了露出n型半导体层102的一部分以形成电极，进行利用照相平版印刷术的台面蚀刻(Mesa Etching)。
而且，如图1的(c)所示，在进行台面蚀刻区域的n型半导体层102上部形成n型电极105，在p型半导体层104上覆盖能够透过光线的薄薄的p型金属膜106，然后在该p型金属膜106上部沉积较厚的p型电极107。
作为在这种已有结构尤其是在氮化物系列LED结构中提高光提取效率的主要手段，尝试着将活性层的内部量子效率极大化的研究方向和将在活性层中生成的光最大限度地提取到LED芯片外部的研究方向。
作为在发光元件中决定光提取效率的因素，可列举以下两个大的因素：一是由电流扩散层的透射程度决定的光损失；二是因发光界面上的全反射而引起的光损失。
关于第一个因素，现有LED元件的电流扩散层主要使用几nm及几十nm厚度的Ni/Au合金层等，根据其厚度和合金(alloy)条件，针对发光波长具有60～80％左右的透射率。
为了克服该问题，最近出现了使用ITO等透射度高的电极材料的研究方向，但是因与p型半导体(GaN)层之间的高接触电阻，难以真正商用化，所以应用了采用n-p隧道结或InGaN/GaN超晶格等结构的技术等。
与第二个因素相关的全反射引起的光损失是因为在光从发光元件的上部向外部发出的界面，即p型GaN和树脂的界面，或p型GaN和空气或者与p型GaN相接触的其他材料之间的界面，或者LED元件的下部区域存在的缓冲层和蓝宝石基板的界面等处的相邻材料之间的折射率差异而产生的。
构成通常的半导体发光元件的半导体具有高于基板、环氧树脂或空气层等外部环境的折射率，因此根据电子和空穴的结合而产生的大多数光子滞留在元件内部，所以外部量子效率将根据元件所具有的结构形态和构成该元件的材料的光学特性而受到很大影响。
尤其，存在如下问题：由于构成氮化物半导体发光元件的材料的折射率大于包围元件外部的材料(例如，空气、树脂、基板等)的折射率，因此在元件内部生成的光子不能逃逸到外部，而在内部被吸收，因而具有较低的外部量子效率(extraction efficiency)。
用于减小这种因全反射而引起的光损失的已有的研究方向有为了改变界面中的入射角或出射角，在p型GaN层区域利用蚀刻等工艺进行规则或不规则的凹凸形状的图案化的方法等。
但是，尤其针对氮化物半导体光元件，由于具有相对较薄的p型半导体层，因此当利用干式或湿式方式使表面变粗糙时，可能在p型半导体紧下方的活性层产生缺陷，从而产生p型半导体层的特性改变而导致接触电阻可能变大的问题。
因此，对于氮化物半导体而言，由于在薄膜生长之后使表面变粗糙的方法存在局限性，因此有时也采用在薄膜沉积过程中使表面变粗糙的方法。
以下方法便是这种方法：从基板开始至最后一个薄膜之前，均平坦地进行生长，在生长最后一个薄膜时，改变III-IV族比率、温度、沉积速度等生长条件而在表面上高密度地形成凹陷(pit)，从而相比以往增加亮度(brightness)。
但是，这种方法存在形成高密度凹陷的工艺较难的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种为了提高光提取效率而在基板上的半导体材料形成之前或形成途中形成由互不相同的异质材料构成的凹凸结构，由此增加光的外部提取效率的具有异质材料结构的发光元件及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有异质材料结构的发光元件，其特征在于，包含：基板；形成在所述基板上的n型半导体层；形成在所述n型半导体层上的活性层；形成在所述活性层上的p型半导体层；形成在所述p型半导体层上的透明电极层；形成在所述透明电极层上的第一电极；以及形成在所述透明电极层、p型半导体层和活性层被蚀刻而露出n型半导体层的区域的第二电极，其中在所述基板、p型半导体层和n型半导体层中的至少一个形成由具有互不相同的折射率的异质材料构成的突出部。
另外，其特征在于，根据本发明的所述突出部包含从蓝宝石、碳化硅、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGa1-xN，0≤x≤1)、砷化镓(GaAs)、铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的两种以上的材料。
另外，其特征在于，根据本发明的所述基板由蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化镓、硅中的至少一种形成。
另外，其特征在于，根据本发明的所述突出部的平面形状为圆形、三角形、四边形或多边形中的某一形状。
另外，其特征在于，根据本发明的所述突出部呈底部宽、顶部窄的形状。
另外，本发明的具有异质材料结构的发光元件的制造方法包含如下步骤：形成凹凸结构，以在基板上表面上保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料；在所述基板上形成n型半导体层；在所述n型半导体层上形成活性层；在所述活性层上形成p型半导体层；在所述p型半导体层上形成透明电极层；蚀刻所述透明电极层、活性层和p型半导体层的预定区域；在所述透明电极层上形成第一电极；以及在所述透明电极层、活性层和p型半导体层被蚀刻而露出n型半导体层的区域形成第二电极。
另外，本发明的特征在于，在形成凹凸结构以在基板上表面上保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料的步骤之后，还包含在所述基板上形成缓冲层的步骤。
另外，其特征在于，根据本发明的形成凹凸结构，以在基板上表面上保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料的步骤包含如下步骤：在所述基板上沉积第一蚀刻掩模材料；在沉积了所述第一蚀刻掩模材料所述基板上进行图案化(Patterning)；对所述第一蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以按照通过所述图案化形成的图案保留第一蚀刻掩模材料；蚀刻所述基板；以及对所述进行蚀刻的基板进行清洗。
另外，其特征在于，根据本发明的蚀刻所述第一蚀刻掩模材料的步骤还包含如下步骤：在保留有所述第一蚀刻掩模材料的基板上表面沉积具有不同于基板及第一蚀刻掩模材料的折射率的任意折射率的第二蚀刻掩模材料；在沉积所述第二蚀刻掩模材料的所述基板上进行图案化；以及对所述第二蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以按照通过所述图案化形成的图案保留第二蚀刻掩模材料。
另外，其特征在于，根据本发明的所述第一蚀刻掩模材料和第二蚀刻掩模材料包含从铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的至少两种材料。
本发明制造具有异质材料结构的发光元件，由此减小半导体发光元件的缺陷并增大发光层的面积，且通过增加光的散射而具有提高发光元件的亮度的效果。
并且，本发明为了提高光提取效率，保留与基板具有不同折射率的掩模材料而形成凹凸结构，由此在生长氮化膜等时用作生长掩模，促进水平生长，因此具有生长高品位的氮化膜等半导体层的优点。
附图说明
图1为表示通常的发光元件的制造过程的示例图。
图2为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第一实施例结构的剖视图。
图3为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板结构的剖视图。
图4为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板SEM图像的示例图。
图5为根据图2的具有异质材料结构的发光元件的形成有突出部的基板的平面图。
图6为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板的侧面图。
图7为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的制造过程的流程图。
图8为表示根据图7的具有异质材料结构的发光元件的制造过程中的形成凹凸结构的过程的流程图。
图9为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第二实施例结构的剖视图。
图10为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第三实施例结构的剖视图。
图11为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第四实施例结构的剖视图。
图12为表示根据图11的具有异质材料结构的发光元件的基板结构的剖视图。
图13为表示根据图11的具有异质材料结构的发光元件的制造过程中的形成凹凸结构的过程的流程图。
符号说明：
110、510：基板 111：槽部
120、120a、120b、520：突出部
130、530：蚀刻掩模材料 140、540：缓冲层
150、550：n型半导体层 160、560：活性层
170、570：p型半导体层 180、580：透明电极
191、591：第一电极 192、592：第二电极
410：突出部下部宽度 420：突出部高度
430：突出部之间相隔距离
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明根据本发明的具有异质材料结构的发光元件及其制造方法的优选实施例。
第一实施例
图2为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第一实施例结构的剖视图。
针对基板110实施图案化工艺之后，在实施蚀刻工艺时对基板110和蚀刻掩模材料130进行部分蚀刻，使得在凸起形状的突出部120上部保留有蚀刻掩模材料，从而在基板的上部形成突出部120。
所述基板110由蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝镓(AlGa1-xN，0≤x≤1)、硅中的至少一种材料形成，优选地由蓝宝石基板形成。
并且，所述基板110上形成的所述突出部120的平面形状为圆形、三角形、四边形或多边形中的某一形状。并且，所述突出部120可具有底部宽、顶部窄的形状。
在于上部形成有所述突出部120的形状的基板上依次层叠缓冲层140、n型半导体层150、活性层160和p型半导体层170，此时可利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)形成这些层。此后，在p型半导体层170上部形成透明电极180。
为了形成第二电极192，在基板上依次层叠n型半导体层150、活性层160、p型半导体层170和透明电极180之后，对透明电极180、p型半导体层170和活性层160的预定区域进行蚀刻，以露出n型半导体层150。此时，可利用湿式蚀刻(Wet Etching)方法或干式蚀刻(Dry Etching)方法。
之后，在透明电极180上形成第一电极191，可在透明电极180、p型半导体层170和活性层160的预定区域被蚀刻而露出的n型半导体层150上形成第二电极192。
如此地完成发光元件的制造时，一旦通过第一电极191和第二电极192接通电压，则在活性层160中电子和空穴重新结合而放出光子。
即，当p-n结上接通正向电压时，n型半导体层150的电子和p型半导体层170的空穴分别注入到p侧和n侧，由此在活性层160中重新结合的光子被放出到元件外部。
此时，在活性层160中生成而朝向基板的光子与形成在基板表面的突出部120冲突并发生折射、散射而被提取到外部，由于基板表面因存在突出部120图案而几乎不存在平坦部分，因此增大入射到基板的光的外部放出效率。
图3为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板结构的剖视图。
为了在基板110上形成具有异质材料结构的突出部120，需要实施图案化工艺和纹理化(Texturing)工艺。
首先，在基板110上涂布蚀刻掩模材料130，并形成图案，可利用电子束、扫描仪(scanner)、光刻机(stepper)、激光全息术等形成图案。
接着，实施掩模蚀刻步骤，此时部分地实施蚀刻工艺，仅对未形成图案部分的掩模材料进行蚀刻，从而保留形成所述图案的上部的蚀刻掩模材料130，此后经过对基板110进行蚀刻的步骤之后，在突出部120的上部保留有蚀刻掩模材料130，从而可形成层叠异质材料的突出部120。
图4为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板SEM图像的示例图。
参考该图像可知，由在基板110表面突出形成的突出部120和蚀刻掩模材料130形成了具有层叠异质材料的结构的突出部。
通过这种具有在基板上部层叠了异质材料的结构的突出部，增加了基板的表面积，从而增大了光的提取效率。
并且，通过构成具有在突出部的上部利用与基板具有折射率差异的掩模材料层叠异质材料的结构的突出部，进一步增大了光的折射、散射效果。
层叠在所述突出部的掩模材料为与基板相同的蓝宝石、碳化硅、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等材料和不同于所述基板的具有折射率差异的铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中的至少一种，由此可以进一步提高光的提取效率，还可以构成为层叠与基板或半导体材料具有不同折射率的材料，以提高光的提取效率。
图5为根据图2的具有异质材料结构的发光元件的形成有突出部的基板的平面图，图6为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的基板的侧面图，优选地具有层叠异质材料的结构的突出部的下部宽度410为0.2μm～1μm，突出部的高度420为0.1μm～1μm，突出部之间的相隔距离430为0.05μm～1μm，但是不限于此。
图7为表示根据图2的具有异质材料结构的发光元件的制造过程的流程图。
在实施本发明的制造工序之前，可以先进行基板的清洗工序，这可以认为是对基板在GaN的生长温度，即1100℃～1200℃下进行热清洗而去除杂质的过程。
在经过这种清洗过程以后，可能经过在基板表面注入氨(NH3)而进行氮化的过程，这是为了使GaN氮化物系列化合物易于生长。
若经过了基板的清洗过程，则执行在所述基板上形成由突出部构成的凹凸结构的步骤(S110)。
所述突出部的图案可利用光刻(photo-lithography)、电子束微影(e-beamlithography)、离子束微影(Ion-beam Lithography)、极紫外微影(ExtremeUltraviolet Lithography)、接近式X射线微影(Proximity X-ray Lithography)或压印微影(imprint lithography)等方法形成。
并且，在掩模蚀刻工序中，部分地实施蚀刻工艺，从而按照所述突出部的图案保留蚀刻掩模材料，此后经过对基板进行蚀刻的步骤之后，在突出部的上部保留有蚀刻掩模材料，从而可形成具备层叠了折射率不同于基板的折射率的异质材料(heterogeneity material)的结构的突出部。
在实施如上所述的形成凹凸结构的步骤之后，可选择性地形成缓冲层，所述缓冲层用于缓和基板和半导体层的晶格常数差异，从而可在确保元件的稳定性方面做出贡献。
并且，所述缓冲层可选择形成为AlInN结构、InGaN/GaN超晶格结构、InGaN/GaN层叠结构、AlInGaN/InGaN/GaN的层叠结构，所述缓冲层的形成工序在约400℃～600℃的低温下进行，且为了以后生长的GaN层的单晶生长，以复合层生长温度对表面进行热处理而收尾。
在形成所述缓冲层的步骤之后，实施形成n型半导体层的步骤(S120)。
所述n型半导体层可形成为n型氮化镓(n-GaN)层，可将硅用作掺杂剂进行掺入，在高温下形成，可将氨(NH3)作为载气将Ga、N、Si结合为化合物。
形成所述n型半导体层之后，形成活性层(S130)，可以是添加了由氮化铟镓(InGaN)形成的发光体材料的半导体层，此外AlGaN、AlInGaN等材料也可以利用为活性层。
此时，活性层可构成InGaN/GaN量子阱结构，这种活性层为了提高亮度可形成多个上述的量子阱结构，从而构成多重量子阱结构。
形成所述活性层之后，在活性层上形成p型半导体层(S140)，这种p型半导体层可形成为氮化镓层(p-GaN层)，可将镁用作掺杂剂。本工序也是在高温下进行，可将氨(NH3)作为载气将Ga、N、Mg结合为化合物。
这种活性层例如可在780℃的生长温度下将氮气用作载气而供应NH3、TMGa和三甲基铟(TMIn)，可将由InGaN/GaN形成的活性层生长为
至
的厚度。
之后，在p型半导体层上形成透明电极层(S150)，所述透明电极层为透射性氧化膜，可以由ITO、ZnO、RuOx、TiOx、IrOx中的至少一种形成。
而且，为了形成电极极板，进行从所述透明电极层至n型半导体层进行部分蚀刻的步骤(S160)，当形成氮化物系列半导体层时，由于氮化物系列化合物的化学属性，难以进行湿式蚀刻，因此优选采用干式蚀刻。
经过上述过程之后，在透明电极层上形成第一电极(S170)，并在从所述透明电极层至n型半导体层进行部分蚀刻而露出的n型半导体层上形成第二电极(S180)。此时，可形成(Metallization)电极，并进行用于保护元件的氧化工序。
图8为表示根据图7的具有异质材料结构的发光元件的制造过程中的形成凹凸结构的过程的流程图。
本发明可利用微影(Lithography)工艺形成突出部，通常的微影工艺如下：
第一，制作掩模(Reticle)，利用电子束设备将用于形成突出的突出部的图案画到蚀刻掩模材料上而制成掩模，并将其沉积到基板上。
之后，根据需要可增加氧化工序，可增加显影薄而均匀的二氧化硅膜的工序。
第二，涂布感光液(光刻胶，Photo Resist：PR)，将作为对光敏感的材料的感光液均匀地涂布在晶片表面。
第三，经过曝光工序，使用光刻机使光通过画在掩模上的图案，由此进行在形成感光液膜的晶片上拍摄突出部图案等的过程。
第四，将在晶片表面受光部分的膜进行显影。
第五，为了形成突出部图案，进行使用化学物质或反应性气体，选择性地去除不需要部分的蚀刻(Etching)工序。这种图案形成过程针对各图案层可持续反复进行。
并且，本发明中可涂布诸如光刻胶的感光性材料，并对其进行曝光和蚀刻而进行图案化，为了形成细微的图案，可利用使用波长更短的深紫外光或极紫外光波段的光刻机或者波长更短的激光器。
参照附图，将执行在基板上沉积蚀刻掩模的步骤(S210)，本发明的蚀刻掩模材料由从铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的一种以上的材料形成。
所述蚀刻掩模材料在凹凸结构中层叠形成在突出部的上部，且只有利用与基板具有折射率差异的材料才能增大光的折射、散射效果而改善光提取效率。
在沉积所述蚀刻掩模的步骤之后，将进行图案化步骤(S220)，可利用光刻(photo-lithography)、电子束微影(e-beam lithography)、离子束微影(Ion-beam Lithography)、极紫外微影(Extreme Ultraviolet Lithography)、接近式X射线微影(Proximity X-ray Lithography)或压印微影(imprintlithography)中的任意一个方法形成用于形成突出部的图案。
并且，可在基板上通过掩模工序制作不应蚀刻的部分，最终对基板表面通过自上而下的方式部分地切除表面或者通过蚀刻工序在基板表面形成突出型结构物。
之后，将实施对蚀刻掩模进行蚀刻的步骤(S230)，此时，为了形成突起的突出部，在对蚀刻掩模材料进行蚀刻的步骤中应进行部分蚀刻，以在突出部的上部保留掩模材料。
之后，将实施对基板进行蚀刻的步骤(S240)，当利用蚀刻溶液(etchant)蚀刻至基板的预定深度和宽度时，生成形态更加完善的突出部。
之后，将实施清洗步骤(S250)，清洗步骤可利用丙酮、乙醇等有机溶剂或去离子水实施。
第二实施例
图9为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第二实施例结构的剖视图，对于与第一实施例相同的构成要素使用相同的附图标号，并省略重复的说明。
根据第二实施例的具有异质材料结构的发光元件不在基板110形成突出部，可在基板上依次层叠形成缓冲层140、n型半导体层150、活性层160、p型半导体层170和透明电极180，并在所述透明电极180上形成第一电极191，在透明电极180、p型半导体层170和活性层160的预定区域被蚀刻而露出的n型半导体层150上形成第二电极192。
根据第二实施例的发光元件将层叠异质材料的结构形成在生长的半导体层上，而不是形成在基板110上，例如可在生长的n型半导体层150上进行图案化工序而形成用于形成突出部120a的图案之后，对蚀刻掩模材料130进行部分蚀刻以在所述凸起形状的突出部120a的上部保留蚀刻掩模材料130a，从而形成在n型半导体层150的上部层叠异质材料的结构。
由此，可层叠与基板具有折射率差异的铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中的一种以上的材料而进一步提高光的提取效率。
另外，也可将层叠异质材料的结构形成在p型半导体层170上。
第三实施例
图10为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第三实施例结构的剖视图，对于与第一实施例相同的构成要素使用相同的附图标号，并省略重复说明。
根据第三实施例的具有异质材料结构的发光元件可在基板110上依次层叠形成缓冲层140、n型半导体层150、活性层160、p型半导体层170和透明电极180，在所述透明电极180上形成第一电极191，在透明电极180、p型半导体层170和活性层160的预定区域被蚀刻而露出的n型半导体层150上形成第二电极192。
根据第三实施例的发光元件在基板110形成槽部111，使得没有形成槽部111的基板的平面形成相对突出的突出部120b，由此基板110可形成突出的结构。
即，在基板110的上部形成图案，并经过对没有形成图案的基板110进行蚀刻的步骤，在基板110的上表面形成槽部111，由此形成图案的基板的平面形成与槽部111相比相对突出的突出部120b。
在所述基板110上沉积具有不同于所述基板110的任意折射率的蚀刻掩模材料130之后，部分地对所述蚀刻掩模材料130进行蚀刻，以在所述突出部120b的上部保留所述蚀刻掩模材料130，由此可形成在突出部120b的上部保留蚀刻掩模材料130而层叠异质材料的突出部120b。
所述突出部120b可层叠与基板具有折射率差异的铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中的一种以上的材料而形成。
第四实施例
图11为表示根据本发明的具有异质材料结构的发光元件的第四实施例结构的剖视图。
在基板510上进行图案化工序，以在所述基板510上保留具有与所述基板510不同的任意折射率的第一蚀刻掩模材料，然后对所述第一蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以在基板的上部形成突出部520，并且再次进行图案化工序，以在保留有所述突出部520的基板510的上表面保留具有与所述基板510和突出部520不同的任意折射率的第二蚀刻掩模材料，然后对所述第二蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以在所述突出部520的上部保留第二蚀刻掩模材料，由此构成为使具有互不相同的折射率的至少两种掩模材料在基板510的上部突出。
所述第一蚀刻掩模材料和第二蚀刻掩模材料包含铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的材料。
所述基板510由蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化镓、硅中的至少一种材料形成，优选地由蓝宝石基板形成。
并且，在所述基板510上形成的所述突出部520的平面形状为圆形、三角形、四边形或多边形中的某一形状。并且，所述突出部520可形成为底部宽、顶部窄的形状。
在于上部形成有所述突出部520的形状的基板上依次层叠缓冲层540、n型半导体层550、活性层560和p型半导体层570，此时可利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)形成这些层。此后，在p型半导体层570上部形成透明电极580。
为了形成第二电极592，在基板上依次层叠n型半导体层550、活性层560、p型半导体层570和透明电极580之后，对透明电极580、p型半导体层570和活性层560的预定区域进行蚀刻，以露出n型半导体层550。此时，可利用湿式蚀刻(Wet Etching)方法或干式蚀刻(Dry Etching)方法。
之后，在透明电极580上形成第一电极591，可在透明电极580、p型半导体层570和活性层560的预定区域被蚀刻而露出的n型半导体层550上形成第二电极592。
如此地完成发光元件的制造时，一旦通过第一电极591和第二电极592接通电压，则在活性层560中电子和空穴重新结合而放出光子。
即，当p-n结上接通正向电压时，n型半导体层550的电子和p型半导体层570的空穴分别注入到p侧和n侧，由此在活性层560中重新结合的光子被放出到元件外部。
此时，在活性层560中生成而朝向基板的光子与形成在基板表面的突出部520冲突并发生折射、散射而被提取到外部，由于基板表面因存在突出部520图案而几乎不存在平坦部分，因此增大入射到基板的光的外部放出效率。
图12为表示根据图11的具有异质材料结构的发光元件的基板结构的剖视图。
在基板510上涂布第一蚀刻掩模材料，并形成图案，可利用电子束、扫描仪(scanner)、光刻机(stepper)、激光全息术等形成图案。
接着，将实施掩模蚀刻步骤，此时部分地实施蚀刻工艺，仅对未形成图案部分的掩模材料进行蚀刻，从而保留形成所述图案的上部的第一蚀刻掩模材料，由此形成突出部520，此后涂布第二蚀刻掩模材料，并形成图案，且经过第二掩模蚀刻步骤之后，在突出部520的上部保留第二蚀刻掩模材料530而可以形成层叠异质材料的突出部520。
所述第一蚀刻掩模材料和第二蚀刻掩模材料是从铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的材料，第一蚀刻掩模材料和第二蚀刻掩模材料是具有互不相同的折射率的异种掩模材料。
图13为表示根据图11的具有异质材料结构的发光元件的制造过程中的形成凹凸结构的过程的流程图。
参照附图，以突出的图案形成突出部，以在基板上表面上保留具有不同于基板折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料的步骤中，在所述基板上沉积第一蚀刻掩模材料(S310)，所述蚀刻掩模材料由从铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的某一种材料形成。
在沉积所述第一蚀刻掩模材料之后，执行图案化步骤(S320)，并对所述第一蚀刻掩模材料进行部分蚀刻(S330)，以按照通过所述S320步骤的图案化形成的图案保留第一蚀刻掩模材料，由此在基板上形成突起的突出部。
在保留有所述第一蚀刻掩模材料的基板的上表面沉积第二蚀刻掩模材料(S340)，所述第二蚀刻掩模材料是具有不同于基板的折射率的掩模材料，由从铬(Cr)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO)、银(Ag)、铝(Al)中选择的某一种材料形成。优选为沉积不同于所述第一蚀刻掩模材料的掩模材料。
在沉积所述第二蚀刻掩模材料之后，执行图案化步骤(S350)，并对所述第二掩模材料进行部分蚀刻(S360)，以按照通过所述S350步骤的图案化形成的图案保留第二蚀刻掩模材料。
通过执行所述S360步骤，在基板上层叠具有与所述基板的折射率互不相同的折射率的两种掩模材料，由此增大光的折射、散射效果，改善光提取效率。
并且，还可利用蚀刻溶液将基板蚀刻至预定深度和宽度，由此生成形态更加完善的突出部。
之后，利用丙酮、乙醇等有机溶剂或去离子水实施清洗步骤(S370)。
由此，层叠基板和具有与所述基板的折射率互不相同的折射率的两种掩模材料，增加光的折射、散射效果，从而可提供提高了光提取效率的发光元件。
以上参照本发明的优选实施例进行了说明，但是本技术领域的熟练技术人员应该可以理解到在不脱离权利要求书所记载的本发明的思想和领域的范围内，可以对本发明进行各种修改和变形。
并且，在说明本发明的实施例的过程中在附图中绘制的线的厚度或构成要素的大小等，可能出于清楚地进行说明和便于说明的考虑，进行了夸张，且上述的术语是考虑到本发明中的功能而定义的术语，其可能会随着使用者、运用者的意图或习惯等而变得不同，因此这些术语的定义应当基于本说明书的整个内容加以确定。
Claims (10)
1.一种具有异质材料结构的发光元件，其特征在于：
该发光元件包含：
基板；
形成在所述基板上的n型半导体层；
形成在所述n型半导体层上的活性层；
形成在所述活性层上的p型半导体层；
形成在所述p型半导体层上的透明电极层；
形成在所述透明电极层上的第一电极；以及
形成在所述透明电极层、p型半导体层和活性层被蚀刻而露出n型半导体层的区域的第二电极，
其中在所述基板、p型半导体层和n型半导体层中的至少一个形成由具有互不相同的折射率的异质材料构成的突出部。
2.根据权利要求1所述的具有异质材料结构的发光元件，其特征在于，所述突出部包含从蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝镓、砷化镓、铬、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化铪、银、铝中选择的两种以上的材料，其中氮化铝镓为AlGa1-xN，且0≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的具有异质材料结构的发光元件，其特征在于，所述基板由蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化镓、硅中的至少一种形成。
4.根据权利要求1所述的具有异质材料结构的发光元件，其特征在于，所述突出部的平面形状为圆形、三角形、四边形或多边形中的某一形状。
5.根据权利要求1所述的具有异质材料结构的发光元件，其特征在于，所述突出部呈底部宽、顶部窄的形状。
6.一种具有异质材料结构的发光元件的制造方法，其特征在于，包含如下步骤：
形成凹凸结构，以在基板上表面保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料；
在所述基板上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成活性层；
在所述活性层上形成p型半导体层；
在所述p型半导体层上形成透明电极层；
蚀刻所述透明电极层、活性层和p型半导体层的预定区域；
在所述透明电极层上形成第一电极；以及
在所述透明电极层、活性层和p型半导体层被蚀刻而露出n型半导体层的区域形成第二电极。
7.根据权利要求6所述的具有异质材料结构的发光元件的制造方法，其特征在于，在形成凹凸结构，以在基板上表面保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料的步骤之后，还包含在所述基板上形成缓冲层的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的具有异质材料结构的发光元件的制造方法，其特征在于，形成凹凸结构，以在基板上表面保留具有不同于基板的折射率的任意折射率的第一蚀刻掩模材料的步骤包含如下步骤：
在所述基板上沉积第一蚀刻掩模材料；
在沉积所述第一蚀刻掩模材料的所述基板上进行图案化；
对所述第一蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以按照通过所述图案化形成的图案保留第一蚀刻掩模材料；
蚀刻所述基板；以及
对进行蚀刻的所述基板进行清洗。
9.根据权利要求8所述的具有异质材料结构的发光元件的制造方法，其特征在于，蚀刻所述第一蚀刻掩模材料的步骤还包含如下步骤：
在保留有所述第一蚀刻掩模材料的基板上表面沉积具有不同于基板和第一蚀刻掩模材料的折射率的任意折射率的第二蚀刻掩模材料；
在沉积所述第二蚀刻掩模材料的所述基板上进行图案化；以及
对所述第二蚀刻掩模材料进行部分蚀刻，以按照通过在沉积所述第二蚀刻掩模材料的所述基板上进行的图案化所形成的图案保留第二蚀刻掩模材料。
10.根据权利要求9所述的具有异质材料结构的发光元件的制造方法，其特征在于，所述第一蚀刻掩模材料和第二蚀刻掩模材料包含从铬、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化铪、银、铝中选择的至少两种材料。
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