CN1610135A - 发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光器件及其制造方法。该发光器件包括具有至少一个带曲面的突起部分的衬底，其中即使完成半导体结晶层生长和形成发光器件时，也能获得相容的缺陷密度和均匀的应力分布。此外，该发光器件具有很高的光引出效率，用于外部引出在电致发光层生成的光。

Description

发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光器件，尤其涉及一种具有改善的光引出效率(lightextraction efficiency)和优良缺陷密度控制以及应力分布控制的高效率发光器件，其中衬底限定了表面晶体取向。
背景技术
通常，发光器件包括激光二极管(LD)和发光二极管(LED)，LED利用化合物半导体的性质发射信号，其为转换为红外光、可见光或其它形式光的电能。电能向光的转换可以分为热辐射和发光(luminescence)。由光激发引起的光致发光、由x射线或电子束照射引起的阴极辉光、以及电致发光(EL)是所有类型的发光。LED是EL的一种，目前使用III-V族化合物半导体的LED被广为应用。
III族氮化物化合物半导体是直接跃迁半导体，并广泛应用在例如LED和LD的发光器件中，因为与使用其它半导体的器件相比其在高温可以获得稳定的工作。通常，III族氮化物化合物半导体使用蓝宝石(Al2O3)作为衬底并形成在衬底的顶部上。
图1是包括蓝宝石衬底的常规III族氮化物化合物半导体的剖视图。在蓝宝石衬底11上顺序形成n-GaN层12、有源层13、p-GaN层14和p型电极层15。此外，在未形成有源层13的n-GaN层12上形成n型电极层16。在常规LED中，最重要的问题是在内部有源层处产生的光如何能有效地向外引出。
为了有效地引出在蓝宝石衬底和有源层的纵向方向上产生的光，已经努力形成透明电极或反射层。但是，在有源层处产生的大量光在横向方向上传送。因此为了引出纵向方向上的光，采用了各种方法，例如将半导体器件堆积层的结构的侧壁形成为具有预定角度，并形成由反射材料构成的侧壁，但是这在制造工艺中引起问题并增加了成本。而且，为了增加使用蓝宝石衬底的III族氮化物化合物半导体发光器件的发光能力，采用了具有倒装芯片型的器件，且光引出效率为大约40％，由于GaN和蓝宝石衬底之间衍射率的不同。
如图2A所示，近来引入了一种LED结构，其中通过处理蓝宝石衬底21的表面并在衬底顶部上形成包括有源层的半导体结晶层而形成不平坦结构。这种结构在有源层22下形成具有不平坦表面的衍射率界面(diffractionrate interface)，并能外部引出在器件内渐弱的一部分光。
此外，当在蓝宝石衬底21上形成III族氮化物化合物半导体时，由于蓝宝石衬底21和III族氮化物化合物半导体的晶格参数不匹配产生了位错。为了防止这发生，如图2B所示，蓝宝石衬底21具有不平坦的表面，且在顶部上形成GaN层23。图2C示意说明在具有这种不平坦结构的蓝宝石衬底的顶部上形成LED的工艺。当在具有如图2C-(a)所示的不平坦结构的蓝宝石衬底21的顶部上形成GaN层23时，如图2C-(b)所示，从不平坦结构的顶部和每个侧面部分生长GaN小面(facet)24。接着如图2C-(c)所示能够获得平坦化的GaN层23。图2C-(d)说明完成的发光二极管，其中在平坦化GaN层23的顶部上是有源层22等。
该工艺的缺点是：当使用这种图案化的蓝宝石衬底(PPS)生长半导体结晶层时，因为是在图案上实施小面生长之后进行平坦化，所以必须再次生长到足够实施平坦化的厚度。
此外，公开了一种结构(No.WO2001-69663)，其中，形成了台阶差(stepdifference)，在台阶差的顶表面和侧面部分上生长III族氮化物化合物半导体，且防止了冲孔状态。但是，缺点是在台阶差的下部形成空隙，以及为了平坦化生长层，III族氮化物化合物半导体必须形成得较厚。
当在蓝宝石衬底上再次生长半导体时，使用ELOG和PENDEO方法减小缺陷密度。但是，在ELOG方法情况中，需要单独的掩模层，在PENDEO方法情况中，在衬底界面部分上形成空隙，导致光引出效率降低。
发明内容
本发明提供了一种发光器件及其制造方法。该发光器件包括具有至少一个带曲面的突起部分的衬底，其中即使半导体结晶层的生长和发光器件的形成完成时，也能获得相容的缺陷密度和均匀的应力分布。此外，发光器件具有高的光引出效率，用于外部引出在电致发光层生成的光。
按照本发明的一个方面，提供一种发光器件，其包括：具有至少一个带曲面的突起部分的衬底，该至少一个突起部分的晶面取向(crystal surfaceorientation)与在该至少一个突起部分上形成的III族氮化物化合物半导体的生长方向不同；以及多个半导体结晶层，该多个半导体结晶层包括多个有源层和在一部分衬底上形成的电极。
在本发明中，突起部分表面的每一点处的曲率大于0。
在本发明中，突起部分的每个表面具有与(0001)面不同的晶向。
在本发明中，衬底由蓝宝石或包括Si的材料构成。
在本发明中，n-GaN层形成在衬底上，有源层、p-GaN层和p型电极层顺序形成在一部分n-GaN层上，且n型电极层形成在n-GaN层的未形成有源层的部分上。
按照本发明的另一个方面，提供一种制造发光器件的方法，包括：在平坦化的衬底上形成至少一个带曲面的突起部分；以及在衬底上形成包括有源层的半导体结晶层。
在本发明中，形成该至少一个突起部分包括：构图在该衬底上形成的光致抗蚀剂；硬烘烤(hard baking)该光致抗蚀剂和衬底；以及蚀刻该衬底的表面，从而形成至少一个突起部分。
在本发明中，当蚀刻衬底表面时，蚀刻气体是从Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4构成的组中选出的Cl气体。
按照本发明的另一个方面，提供一种制造发光器件的方法，包括：在衬底上形成至少一个带曲面的突起部分；以及由突起部分之间的衬底表面生长III族氮化物化合物半导体结晶层直到覆盖突起部分的表面。
附图说明
通过参照附图详细介绍本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是使用蓝宝石衬底的常规III族氮化物化合物半导体的剖视图；
图2A和2B说明在不平坦蓝宝石衬底上形成III族氮化物化合物半导体的常规结构和工艺；
图2C说明在具有不平坦表面的衬底上形成LED的常规工艺；
图3A是按照本发明的实施例的发光器件的衬底的剖视图；
图3B是图3A的衬底表面的SEM照片；
图3C是倒装芯片型发光器件的剖视图，其包括按照本发明形成有曲面型突起部分的衬底；
图4A至4D是说明按照本发明实施例制造发光器件方法的剖视图；
图5A是说明在蓝宝石衬底的顶部上镀敷GaN层并按照本发明平坦化GaN层工艺的SEM照片，该蓝宝石衬底具有曲面型突起部分；图5B是说明在蓝宝石衬底的顶部上镀敷并平坦化GaN层的工艺的SEM照片，该蓝宝石衬底具有带平坦化的顶部的不平坦表面；以及
图6是比较按照本发明发光器件的光引出功率与现有技术的光引出功率的示图。
具体实施方式
通过参照附图对本发明的示例性实施例的详细介绍，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显。
图3A是按照本发明实施例的发光器件的衬底(可包括蓝宝石或Si)的剖视图。如图3A所示，在衬底31的表面上形成圆滑曲面突起(smoothlycurved protrusion)32。这种突起32与图2A至2C所示的常规衬底的不平坦结构不同。换句话说，因为顶部和侧面部分均是平坦的，且侧面部分相对于衬底21的表面倾斜预定角度，所以图2A至2C的不平坦结构的顶部和侧面部分是有差别的。
但是，形成在图3A的衬底表面上的突起部分32具有曲面，且由此在上部和侧面部分之间没有差别，导致了不存在平坦表面的表面。因此，突起部分32每部分的曲率大于0。除了突起部分32和衬底31的主体部分相交处之外，不存在拐角。因此，衬底31的突起部分32的表面的晶体取向与形成在衬底31顶部上的III族氮化物化合物半导体的晶体生长方向(c轴)不同。换句话说，曲面型突起部分32的表面由与(0001)表面不同的晶体生长面构成。因此，在突起部分32的表面上，III族氮化物化合物半导体的生长不是经常发生。
图3B是图3A的衬底31的表面的SEM照片。突起部分32使用半球体。衬底表面上的所有突起部分32可以具有同样的尺寸和形式，但是本发明实施例不限于此，且突起部分32的尺寸、形式和每个部分的曲率可以略微不同。例如，突起部分32下部的曲率可以大于上部的曲率，或者反之亦然。此外，突起部分32的整体形式可以具有为半球体的曲面，可以形成条纹图案，或可以具有弯曲的马蹄形状。而且，不限制突起部分的排列，使得突起部分可以具有例如晶格结构的规则间隔排列或不规则间隔排列。
按照本发明实施例的发光器件的衬底31不限于蓝宝石衬底，还可以使用例如Si、SiC等的生长III族氮化物化合物半导体的任何衬底。
图3C是按照本发明实施例的包括衬底31的倒装芯片型发光器件的剖视图。参照图3C，在衬底31上形成n-GaN层33，在一部分n-GaN层33上顺序形成有源层34、p-GaN层35和p型电极层36。此外，在n-GaN层33的未形成有源层34的部分上形成n型电极层37。除衬底31之外，该发光器件的结构与III族氮化物化合物半导体发光器件的结构没有很大不同。在衬底31上形成的III族氮化物化合物半导体不限于GaN，还可以包括例如AlN或InN的第二分子(secondary molecule)、其它第三分子和第四分子。
以下将介绍按照本发明实施例制造发光器件的方法。以下是在衬底表面上形成多个曲面型突起部分的工艺。
首先，构图平坦化的衬底上的光致抗蚀剂。使用常规光刻方法进行该构图，光致抗蚀剂的厚度取决于衬底蚀刻深度的目标值。例如，当蓝宝石衬底的蚀刻深度约为1.2μm时，光致抗蚀剂的厚度可约为2μm。
接着，在大约110℃的温度实施硬烘烤。
此外，当蚀刻蓝宝石衬底时，使用常规反应离子蚀刻方法。适当调节蚀刻气体、压力和功率，从而形成衬底的突起部分。在本发明实施例中，使用Cl2/BCl3作为蚀刻气体，采用3毫乇(mTorrr)的压力和800W的功率。例如，蚀刻气体可以选自Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4等的Cl组。而且，取决于蚀刻气体，压力可在几毫乇和几十毫乇之间，优选为1～40毫乇。
通过上述工艺在衬底表面上可形成多个突起部分。接着在衬底上形成n-GaN层、有源层、p-GaN层、p型电极层和n型电极层。在按照本发明的发光器件中，衬底31上形成的化合物半导体层与常规发光器件的差别不大，本领域技术人员可以理解该制造工艺。但是，当在带突起部分的衬底表面上形成发光器件时，不需要单独的掩模层。
图4A至4D示意说明按照本发明实施例制造发光器件的方法。参照图4A和4B，蚀刻平坦化的衬底31的表面，从而形成具有带曲面的突起部分32的蓝宝石衬底31。参照图4C，在衬底上生长GaN层33。参照图4D，生长GaN层33到预定厚度并平坦化其表面。图3C说明完成的倒装芯片型发光器件，其中其它有源层34和电极层36全形成在图4C的平坦化的n-GaN层33的顶部上。在衬底31和GaN层33之间的界面没有形成空隙。因为在现有技术中已经很好地介绍了形成GaN层33之后进行的有源层生长工艺，所以这里将不再叙述。
图4A至4D所说明的制造发光器件的方法与如图2C所示的在具有不平坦表面的衬底上形成发光器件的方法不同。当按照本发明的实施例获得发光器件中的GaN平坦化层32时，GaN不像现有技术中那样生长小面，且为了获得平坦层的GaN层32的厚度较薄。此外，在现有技术中，发生外延生长，而在本发明中，在突起部分32的表面上不易发生GaN层33的生长。
在本实施例中，为了突起部分32表面的顶部上形成的III族氮化物化合物半导体的晶体生长方向具有多个晶向，突起部分32必须具有曲面。因此，在突起部分32之间的衬底31的表面上，即平坦部分开始III族氮化物化合物半导体的生长，并且随着III族氮化物化合物半导体厚度增加，突起部分32的侧面和顶部被覆盖。
这在图5A和5B中得到证实。图5A是说明在带突起部分32的衬底31上镀敷GaN层33的工艺的SEM图像，图5B是说明在带不平坦表面的常规衬底21上镀敷GaN层33的工艺的SEM图像。
以同样高度制造具有平坦表面的不平坦结构和在衬底31表面上形成的带曲面的突起部分32。当观察示出同样条件下在两个衬底31上形成的GaN层33的SEM图像时，显然，在图5A-(b)和5B-(b)中的所示出的本发明和现有技术之间存在差异。
换句话说，在图5A-(b)中，通过GaN层33进行衬底31的平坦化，除了在突起部分32的顶部之外。另一方面，在图5B-(b)中，在不平坦部分的顶部和侧面上发生了GaN的小面生长，平坦化程度很低。此外，参照图5A-(c)，在衬底31的顶部上镀敷GaN并实现完全平坦化。但是，参照图5B-(c)，在不平坦表面的顶部上进行平坦化，但在每个不平坦表面之间没有实现完全平坦化。
图6是比较按照本发明的发光器件的光引出与现有技术发光器件的光引出的示图。A说明在图1所示的常规平坦衬底11上形成的发光器件。B说明在图2D所示的具有不平坦表面的常规衬底21上形成的发光器件。C说明图3C所示的按照本发明在具有带曲面的突起部分32的衬底31上形成的发光器件。
参照图6，情况B中的光引出比情况A大50％，情况B中发光器件在带不平坦表面的衬底21上形成，情况A中发光器件在带平坦表面的衬底11上形成。情况C中的光引出比情况A中的大超过60％，情况C中发光器件在具有带曲面的突起部分32的衬底31上形成。此外，情况C中的光引出大约比情况B中的大10％。这是因为在带突起部分32的衬底31中，半导体结晶层形成光学透镜，其改变了光路并降低了生长半导体结晶层的缺陷密度。
尽管已经参照其示例性实施例具体示出并介绍了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其做出形式和细节上的各种改变。例如，按照本发明实施例的发光器件的突起部分与将在衬底上形成的III族氮化物化合物半导体的晶体生长方向不同，突起部分可以为半球体、条纹、马蹄形形状等，并且排列可以包括规则的和不规则的排列。
按照本发明的实施例，当在具有带曲面的突起部分的衬底顶部上形成包括电致发光层的发光器件时，即使完成半导体结晶层的生长和发光器件时，也能够有效地进行平坦化，并容易地获得一致的缺陷密度控制和应力分布控制，结果能够增加在电致发光层产生并射向发光器件外部的光的引出效率。

Claims (12)

1.一种发光器件，包括：
具有至少一个带曲面的突起部分的衬底，该至少一个突起部分的晶面取向与在该至少一个突起部分上形成的III族氮化物化合物半导体的生长方向不同；以及
在该衬底的一部分上形成的包括多个有源层的多个半导体结晶层和电极。
2.根据权利要求1的器件，其中该突起部分表面每一点的曲率大于0。
3.根据权利要求1的器件，其中该突起部分的每个表面具有与(0001)面不同的晶向。
4.根据权利要求1的器件，其中该突起部分是半球体或条纹。
5.根据权利要求1的器件，其中该衬底由蓝宝石或包括Si的材料构成。
6.根据权利要求1的器件，其中n-GaN层形成在该衬底上，有源层、p-GaN层和p型电极层顺序形成在该n-GaN层的一部分上，n型电极层形成在该n-GaN层的未形成有该有源层的部分上。
7.一种制造发光器件的方法，包括：
在平坦化的衬底上形成至少一个带曲面的突起部分；以及
在该衬底上形成包括有源层的半导体结晶层。
8.根据权利要求7的方法，还包括在形成该至少一个突起部分之前：
构图在该衬底上形成的光致抗蚀剂；
硬烘烤该光致抗蚀剂和衬底；以及
蚀刻该衬底的表面，从而形成至少一个突起部分。
9.根据权利要求8的方法，其中，当蚀刻该衬底表面时，蚀刻气体是选自Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4构成的组的Cl气体。
10.一种制造发光器件的方法，包括：
在衬底上形成至少一个带曲面的突起部分；以及
从所述突起部分之间的衬底表面生长III族氮化物化合物半导体结晶层直到覆盖所述突起部分的表面。
11.根据权利要求10的方法，其中所述突起部分的每个表面具有与(0001)面不同的晶向。
12.根据权利要求10的方法，其中该生长是外延生长。
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