CN111066158B - 发光器件表面粗化的方法与发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种发光器件表面粗化的方法及发光器件，属于半导体领域。表面粗化的方法包括如下步骤：在发光结构上制备三维岛状生长的第一外延层(S202b)；在所述第一外延层上制备不连续的第二外延层(S202c)。该表面粗化方法，方法简便，效率提升，在外延生长工艺之外，无需采用诸如湿法刻蚀、光子晶体等额外的工艺来对外延层表面进行进一步加工，可以在同一反应设备中通过一种工艺就可以实现。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制作方法，更具体涉及发光器件表面粗化的方法与发光器件。
背景技术
近年来，半导体发光二极管(LED)受到人们的广泛关注，它具有体积小、效率高、寿命长等优点。宽禁带III-V族半导体材料的迅猛发展使得高亮度LED实现了从绿光到近紫外产品的商品化。
目前LED芯片的光提取效率是限制LED发光外量子效率的主要因素。光提取效率低的主要原因是衬底、外延层和空气之间的折射率差值较大。LED有源层发的光，只有一小部分小于全反射角的光才能出光，大部分的光都出不去，最后被材料吸收损失掉了。目前解决该问题的方法主要包括PSS衬底(蓝宝石衬底图形化)技术、表面粗化技术和侧壁腐蚀技术等方法，例如干法刻蚀、湿法刻蚀、光子晶体结构、图形化衬底等，都是通过改变衬底与外延层、外延层与空气、或衬底与空气之间接触面的几何图形，从而改变光的反射方向，使光偏离全反射角，从而提高光的提取效率。
表面粗化技术是一种改变外延层与空气接触面的几何图形的技术。授权公告号为CN102130223B、申请号为201010573867.8的中国发明专利“一种GaN基LED外延片表面粗化方法”提供了一种GaN基LED外延片表面粗化的方法，其在使用金属有机气相沉积(MOCVD)制备外延片之后，利用HF酸溶液对外延结构进行湿法刻蚀，从而使得GaN基外延层表面得以粗化。该发明的全部内容通过引用并入到本公开中。该方法中通过改变外延生长条件和PEC腐蚀结合制得GaN基LED外延片粗化表面，尽管提高了光提取效率，但是在工艺上较为繁复，至少需要MOCVD和湿法刻蚀两种不同工艺条件。此外，还有文献记录了使用光子晶体等工艺来进行表面粗化从而帮助实现光提取效率的提高。
除了以上的中国专利之外，还可以参考题为“Method of manufacturing asemiconductor device and semiconductor device”的美国专利公布US 2011/0156000A1以及题为“Light emitting device with enhanced optical scattering”的美国专利US 7,071,494 B2。以上专利申请和专利的全部内容都通过引用而并入到本公开之中。
无论是湿法刻蚀还是光子晶体等工艺，其本质都是在外延生长之后采用与生长不同的工艺进行额外处理，以达到表面粗化的目的。
因此，希望能够提供一种表面粗化的外延生长方法，在提高LED器件的光提取效率的同时，可以免去湿法刻蚀、光子晶体等额外工艺。
发明内容
本发明公开了一种发光器件表面粗化的方法，包括如下步骤：a.在发光结构上制备三维岛状生长的第一外延层；b.在所述第一外延层上制备不连续的第二外延层。
优选地，所述发光结构包括n型半导体层、有源层及p型半导体层。
优选地，所述发光结构是GaN基材料。
优选地，所述第一外延层的材料与其直接接触的发光结构的材料不同，所述第二外延层与第一外延层的材料不同。
优选地，所述第一外延层的厚度小于50nm。
优选地，所述第二外延层的厚度小于所述第一外延层的厚度。
优选地，步骤a和步骤b依次被重复多次。
优选地，步骤a和步骤b通过金属有机气相沉积的工艺来实现。
优选地，所述第一外延层为AlN，所述第二外延层为GaN。
本发明还公开了一种发光器件，包括：发光结构；位于所述发光结构之上的三维岛状生长的第一外延层；
位于所述第一外延层之上的不连续的第二外延层。
优选地，所述发光结构包括n型半导体层、有源层及p型半导体层。
优选地，所述发光结构是GaN基材料。
优选地，所述第一外延层的材料与其直接接触的发光结构的材料不同，所述第二外延层与第一外延层的材料不同。
优选地，所述第一外延层的厚度小于50nm。
优选地，所述第二外延层的厚度小于所述第一外延层的厚度。
优选地，所述第一外延层和第二外延层重复多次。
优选地，所述第一外延层是AlN，所述第二外延层是GaN。
本发明揭示的表面粗化的方法与发光器件，在外延生长工艺之外，无需采用诸如湿法刻蚀、光子晶体等额外的工艺来对外延层表面进行进一步加工，可以在同一反应设备中通过一种工艺就可以实现，方法简便，效率提升，且避免了例如像刻蚀工艺带来对外延层的污染。此外，这样形成的粗化表面，粗化效果较之传统工艺也有一定的提升，可以起到提高LED结构的光提取效率的作用。
附图说明
下面参考附图结合实施例说明本发明。在附图中：
图1是本发明的表面粗化的方法的一个实施例的示意图。
图2是根据本发明的表面粗化的方法的一个实施例的流程图。
图3A和3B示出了在原子力显微镜的观察下生长AlN薄层和GaN薄层的一个实施例的形貌。
图4A和4B示出了在原子力显微镜和一般显微镜的观察下生长较多对的AlN和GaN的一个实施例的形貌。
具体实施方式
附图仅用于示例说明，不能理解为对本专利的限制；下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。在本发明实施例的描述中，将理解的是：当一元件被称作在另一元件“上”或“下”时，除非特别限定，一元件可以是“直接地”位于另一元件“上”或“下”(两者直接接触)，也可以是一元件“间接地”位于另一元件“上”或“下”(两者之间有其他元件)。出于方便或清楚的目的，附图中所示出的每个元件的厚度和尺寸可能被放大、缩小或示意性地绘制，元件的尺寸不完全反映实际尺寸。
图1是本发明的粗化方法的一个实施例的示意图。
图2是根据本发明的表面粗化的方法的一个实施例的流程图。该方法200描述的是更加通用的方法，因此其中使用了更加上位的概念。如图2中所示，根据本发明的表面粗化的方法200开始于步骤S201，在此步骤中，提供衬底。
接下来，在步骤S202，在衬底上制备外延层，这里将衬底上的生长的薄膜都统称为外延层，外延层的制备方法可较佳地为通过金属有机气相沉积(Metalorganic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)的工艺进行外延生长，当然本发明即并不以此为限，制备工艺还可例如为原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)、分子束外延(Molecular BeamEpitaxy，MBE)等。
步骤S202可以进一步包括步骤S202a、步骤S202b和步骤S202c。
首先在步骤S202a，在衬底上制备发光结构。同时参照图1中的步骤a，在衬底1上制备发光结构2。衬底1可例如为蓝宝石、SiC、GaN、Si等，本发明对衬底1的材料不作特别限制。发光结构2可例如为符合发光原理的发光二极管的基本结构：从衬底往上依次包括n型半导体层201、有源层202和p型半导体层203，有源层可例如为量子阱结构。本发明对发光结构2的具体实施方式不做特别限制，符合发光原理即可。
此外，本领域人员应当知晓，为了提高外延层的生长质量，可以在n型半导体层与衬底之间设置其他半导体层。以硅衬底上的GaN基LED器件为例，在硅衬底上，可先生长AlN成核层，然后生长AlGaN或者其他材料的缓冲层，然后生长发光结构。本领域人员应当知晓GaN基LED即以GaN基材料为主要材料所制作的LED，当然不排除加入其它掺杂元素或其他种类的材料。GaN基材料即以GaN为基础的材料，例如GaN、InGaN、AlGaN、AlINGaN等。
在步骤S202b中，在发光结构上制备三维岛状生长的第一外延层。同时参照图1中的步骤b，在发光结构2上生长第一外延层301。在本发明中，第一外延层301是三维岛状生长的，本发明所描述的三维岛状生长的模式，即当两种材料之间的晶格失配度足够大时(较佳地，当两种材料晶格失配度＞4％)，一种材料在另外一种材料上就会呈现三维岛状生长，如图1中的步骤b所示，第一外延层301中间形成有多个间隙，使第一外延层301在横向上(与生长方向垂直的方向上)被分割，而呈不连续的形态，仿佛多个孤立的小岛。本领域人员应该理解，三维岛状生长的形态并不以本发明的附图所给出的形态为限，第一外延层301中间的间隙可大可小，其中随机两个间隙的大小可以是相等，也可以是不相等的；被分割的第一外延层301可大可小，随机两个的大小可以是相等的，也可以是不相等的。
为使第一外延层301是三维岛状生长的，可根据在第一外延层301下方的且与第一外延层301直接接触的半导体材料来确定第一外延层301的材料，当两者的材料不同且晶格失配度较大，第一外延层301是呈三维岛状生长。此外，第一外延层301厚度较佳地小于50nm，以获得较佳地三维岛状生长效果。
下面将阐述GaN基LED器件的一较佳实施例。n型半导体层201为n型GaN，有源层202为InGaN/GaN的量子阱结构，p型半导体层203为p型GaN。第一外延层301可较佳地为选择与GaN不同的材料，如AlN，且其厚度不超过50nm，这样，使得生长的AlN不会完全愈合，从而保证第一外延层301是三维岛状生长的，如图1中步骤b所示，本实施例中AlN的厚度较佳的小于20nm以获得更佳的效果。该第一外延层301的材料可以是其他非GaN的III-V族半导体材料，优选为III族氮化物半导体材料。
在步骤S202C中，在第一外延层上制备不连续的第二外延层，同时参照图1中的步骤c，在第一外延层301上继续生长第二外延层302，第二外延层302与第一外延层301的材料不同，且厚度小于第一外延层301，如此，使第二外延层302在图示中的横向方向上(与生长方向垂直的方向上)呈现不连续的形态。此外，第二外延层302和第一外延层301较佳地采用同一工艺生长，举例来说，都使用MOCVD工艺实现，这样第二外延层302和第一外延层301可以在同一设备中完成生长。
本发明中，在三维岛状生长的第一外延层之上再生长不连续的第二外延层，如此，可避免：只生长三维岛状生长的第一外延层，其表面的最高点和最低点高度差值可能不够，表面的粗化效果不够好，不足达到提高出光效率。而再生长的不连续的第二外延层可进一步提升表面的粗化程度，有效提升粗化效果。
下面将阐述GaN基LED器件的一较佳实施例。当第一外延层301为AlN时，第二外延层302可较佳地为GaN，其厚度小于第一外延层301的厚度，如图1中步骤b所示，第二外延层302在横向方向上(与生长方向垂直的方向上)也是呈现不连续的状态。此外，该实施例中较佳地可在同一设备(例如MOCVD设备)中，采用同一工艺(MOCVD工艺)来连续生长AlN和GaN，如此，可简化工艺流程。设备中(例如MOCVD设备)具有的H2或N2或NH3或HCl或其混合气体会对第二外延层302起到一定的刻蚀的作用，如此使第二外延层302具有更好的粗化表面。
图3A和3B示出了在原子力显微镜(AFM)的观察下生长AlN薄层和GaN薄层的形貌。其中，图3A示出了在原子力显微镜的观察下生长AlN薄层和GaN薄层的立体形貌；图3B示出了在原子力显微镜的观察下生长AlN薄层和GaN薄层的俯视形貌。图3A和3B是在H2含量较高，NH3含量较少的环境下进行外延生长的形貌。
继续参照图1中的步骤d，粗化结构303可为通过一次步骤S202b(图1中的步骤b)及步骤S202c(图1中的步骤步骤c)后具有粗化表面的结构。
在本发明的另一实施例中，步骤S202b(图1中的步骤b)及步骤S202c(图1中的步骤步骤c)可以重复多次，如此可以得到的粗化结构303具有更好的粗化效果。
图4A和4B示出了在原子力显微镜和一般显微镜的观察下生长较多对的AlN和GaN的形貌。其中，图4A示出了在原子力显微镜的观察下生长较多对的AlN和GaN的立体形貌；图4B示出了在一般显微镜(光学或电子显微镜)的观察下生长较多对的AlN和GaN的俯视形貌。
本领域技术人员应该理解，尽管在以上的实施例中，描述的是在LED结构上生长外延层以形成表面粗化的外延层。然而，该技术也同样普遍适用于产品的外延层的表面粗化。
另外，根据实际产品的需求，外延层材料的选择也将更加多元化。尽管本发明的实施例中采用的是AlN和GaN，但也可以考虑其他的III族氮化物，诸如AlGaN或AlInGaN等材料，甚至可以考虑更宽泛的III-V族半导体材料。
本领域普通技术人员应该认识到，与上述方法相对应，本发明还涉及一种发光器件。如图1步骤d所示，该发光器件包括：衬底1、发光结构2，位于所述发光结构之上的三维岛状生长的第一外延层301；以及位于第一外延层301之上的不连续的第二外延层302。所发光结构2可包括n型半导体层201、有源层202及p型半导体层203。为使第一外延层301为三维岛状生长，第一外延层301与其直接接触的p型半导体层203的材料不同，且晶格失配度足够大，此外其厚度较佳地小于50nm。为保证第二外延层302在第一外延层301上是不连续生长的，第二外延层302的材料与第一外延层301不同，且其厚度较佳地小于第一外延层301。第一外延层301和第二外延层302可重复多次以达到更好地粗化效果。
以发光器件较佳的为GaN基材料为例，n型半导体层201为n型GaN，有源层202为InGaN/GaN的量子阱结构，p型半导体层203为p型GaN，第一外延层301为AlN，第二外延层302为GaN。
本发明揭示的表面粗化的方法与半导体器件，在外延生长工艺之外，无需采用诸如湿法刻蚀、光子晶体等额外的工艺来对外延层表面进行进一步加工，可以在同一反应设备中通过一种工艺就可以实现，方法简便，且避免了例如像刻蚀工艺带来对外延层的污染。此外，这样形成的粗化表面，粗化效果较之传统工艺也有一定的提升，可以起到提高LED结构的光提取效率的作用。通过图3A、3B、4A、4B的图示可以看出，通过本发明的外延生长方法，已经可以形成所需的凹凸不平的粗化表面，从而提高LED结构的光提取效率。
上面已经描述了本发明的各种实施例和实施情形。但是，本发明的精神和范围不限于此。本领域技术人员将能够根据本发明的教导而做出更多的应用，而这些应用都在本发明的范围之内。
也就是说，本发明的上述实施例仅仅是为清楚说明本发明所做的举例，而非对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换或改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种发光器件表面粗化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在发光结构上制备三维岛状生长的第一外延层；及
b.在所述第一外延层上制备不连续的第二外延层；
步骤a和步骤b依次被重复多次，使得所述发光器件的粗化结构由多对所述第一外延层和所述第二外延层组成；
所述第一外延层的材料与其直接接触的发光结构的材料不同，所述第二外延层与所述第一外延层的材料不同，其中所述第一外延层的材料与所述发光结构的材料晶格失配度＞4％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发光结构包括n型半导体层、有源层及p型半导体层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发光结构是GaN基材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一外延层的厚度小于50nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二外延层的厚度小于所述第一外延层的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a和步骤b通过金属有机气相沉积的工艺来实现。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一外延层为AlN，所述第二外延层为GaN。
8.一种发光器件，其特征在于，包括：
发光结构；
位于所述发光结构之上的三维岛状生长的第一外延层；及
位于所述第一外延层之上的不连续的第二外延层；
所述第一外延层和第二外延层重复多次，使得所述发光器件的粗化结构由多对所述第一外延层和所述第二外延层组成；
所述第一外延层的材料与其直接接触的发光结构的材料不同，所述第二外延层与所述第一外延层的材料不同，其中所述第一外延层的材料与所述发光结构的材料晶格失配度＞4％。
9.根据权利要求8所述的发光器件，其特征在于，所述发光结构包括n型半导体层、有源层及p型半导体层。
10.根据权利要求8所述的发光器件，其特征在于，所述发光结构是GaN基材料。
11.根据权利要求8所述的发光器件，其特征在于，所述第一外延层的厚度小于50nm。
12.根据权利要求8所述的发光器件，其特征在于，所述第二外延层的厚度小于所述第一外延层的厚度。
13.根据权利要求8所述的发光器件，其特征在于，所述第一外延层是AlN，所述第二外延层是GaN。
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Publications (2)
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