CN203192835U - Led半导体元件 - Google Patents
Led半导体元件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN203192835U CN203192835U CN 201320074463 CN201320074463U CN203192835U CN 203192835 U CN203192835 U CN 203192835U CN 201320074463 CN201320074463 CN 201320074463 CN 201320074463 U CN201320074463 U CN 201320074463U CN 203192835 U CN203192835 U CN 203192835U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor layer
- nitride material
- semiconductor element
- led
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn - After Issue
Links
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
本实用新型涉及LED半导体元件，其包含有至少一个半导体层，所述半导体层包括下半导体层和上半导体层，所述下半导体层和所述上半导体层之间包含有生成于下半导体层的上端面的粗化层，所述粗化层包括多个突起，所述粗化层上生成有连续的氮化物材料层，所述突起穿过并突出于所述氮化物材料层；所述氮化物材料层的四周露出于所述粗化层之外。本实用新型提供全程在外延工艺中即可成长的具有由粗化层和氮化物材料层所构成的缺陷阻挡层的LED半导体元件，降低半导体层中的位错缺陷，提高材料晶体质量，进而改善发光器件的性能，不需要二次外延，不需要经过光刻、腐蚀等复杂步骤来制作图形，具有实现方法简单易行、成本低等优点。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种LED半导体元件，尤其涉及一种可用以降低内部差排缺陷的LED半导体元件。
【背景技术】
由于III族氮化物半导体材料的发光光谱涵盖可见光到紫外光之间的波长，再加上III族氮化物半导体材料为直接跃迁型半导体，而被广泛应用在发光二极管(LED)或激光二极管(LD)等发光元件上。
目前用来制造较高质量的III族氮化物半导体元件的技术中，通常将III族氮化物半导体层成长在适合却非理想的衬底上，目前此类衬底包含但不限制于蓝宝石、硅、GaAs或碳化硅等异质外延衬底，然而所有异质外延衬底在高质量III族氮化物半导体层的沉积中产生晶格不匹配与热不匹配的挑战；晶格不匹配由晶体中原子的间距差异所造成，热不匹配由不同材料间热膨胀系数的差异所造成。
通常碳化硅材料与GaN系化合物的晶格系数差异约3％左右，蓝宝石材料与GaN系化合物的晶格系数差异约16％左右，而在外延工艺中，此晶格不匹配的情形往往会产生差排问题，即在元件内部存在着纵向(与衬底面垂直的方向)贯穿的线差排缺陷。其中，在III族氮化物半导体元件中通常存在有密度为109cm-2左右的线差排缺陷情形，如此大量的差排会通过组成相异的III族氮化物半导体各层而转移到元件最上层，最终导致元件异常。
上述种种问题，常使得激光二极管的阈值电流、发光二极管与激光二极管的元件寿命以及元件的可靠度等特性的合格率大大降低。此外，热不匹配也应受到重视。通常在III族氮化物半导体材料生长在衬底后，当样品冷却至室温时，热膨胀(收缩)速率的差异在两种材料间的界面处产生高度的应力，且应力量直接与所沉积的膜层厚度有关，膜层越厚则应力越大。例如蓝宝石比GaN具有更高的热膨胀系数，因此当蓝宝石衬底与GaN层冷却时，界面处的不匹配问题使得GaN受到压应力而蓝宝石受到张应力，且当膜厚超过10微米时，应力等级超过GaN的断裂程度，可能会产生膜层破裂的情形。广泛缺陷(线差排、错位堆迭等)的存在导致元件性能大幅度地恶化并导致操作寿命缩短。
美国专利US6627974，公开一种具有T型结构的氮化物半导体元件，用以抑制在成长氮化物半导体元件中所产生的不利的效应；其详细方法为，在位于衬底上的氮化物半导体层表面，利用化学气相沉积(CVD)、溅镀等方法成长一保护层，再利用黄光光刻工艺使保护层具有特定形状，例如条纹、格纹或岛状结构；随后，氮化物半导体层自保护层的空隙向上与横向成长，并在完全覆盖保护层之前停止，以形成T型结构的氮化物半导体层；之后，在此T型结构上即可继续形成其它的半导体层，以减少半导体间的差排缺陷，其中，该保护层选择使用较不易使氮化物半导体材料成长在其上的材料(SiOX，SiXNY，TiOX或ZrOX)，且因为上述特性而使得两相邻保护层间得以形成T型氮化物半导体结构。然而，此专利所提供的工艺繁琐，且此专利所利用的CVD、溅镀或黄光光刻等工艺，存在污染芯片成长面的可能性。
美国专利US6345063所使用的屏蔽层(patterned mask layer)为氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，且上述屏蔽层由MOCVD以外的工艺所形成，工艺繁琐，且存在有污染芯片成长面的可能性。此外，此专利提出将InGaN层直接成长在屏蔽层上，如此却不易形成质量良好的外延层。
综合上述先前专利的缺点多数为：工艺繁琐，且需利用额外的工艺来形成缺陷阻碍层，存在有污染芯片成长面的可能性等问题。
有鉴于此，仍有必要开发新的半导体元件结构或新的半导体元件工艺方法，以达到降低半导体元件内部缺陷的目标，并改善工艺的合格率，提升半导体元件的可靠度与寿命，以符合市场需求。
【实用新型内容】
本实用新型要解决的技术问题是提供一种可全程在外延工艺中即可成长的LED半导体元件，其能降低因晶格不匹配所产生的差排问题。
上述技术问题通过以下技术方案实现：
一种LED半导体元件，其特征在于，包含有至少一个半导体层，所述半导体层包括下半导体层和上半导体层，所述下半导体层和所述上半导体层之间包含有生成于下半导体层的上端面的粗化层，所述粗化层包括多个突起，所述粗化层上生成有连续的氮化物材料层，所述突起穿过并突出于所述氮化物材料层；所述氮化物材料层的四周露出于所述粗化层之外。
进一步的方案是，所述下半导体层和所述上半导体层均为GaN半导体层。
进一步的方案是，所述氮化物材料层的氮化物材料为MgN复合物或SiN复合物。
进一步的方案是，所述MgN复合物为氮化镁，所述SiN复合物为氮化硅。
进一步的方案是，所述上半导体层的厚度为500nm-2000nm，所述下半导体层的厚度为500nm-2000nm，所述氮化物材料层的厚度为5nm-100nm。
本实用新型还提供一种可全程在外延工艺中即可成长的LED半导体元件的制造方法，工艺简单，而且能降低因晶格不匹配所产生的差排问题；具体是一种LED半导体元件的制造方法，其特征在于，包括：
步骤1、在衬底上生长半导体层的下半导体层；
步骤2、通过调节外延磊晶参数在下半导体层上端面生成有粗化层，所述粗化层包括多个突起，即使下半导体层的表面粗化，这种粗化半导体层表面的工艺为公知技术，在此不再累赘；
步骤3、通过调节外延磊晶参数在所述粗化层上生成连续的氮化物材料层，所述突起穿过并突出于所述氮化物材料层，所述氮化物材料层的四周露出于所述粗化层之外；
步骤4、在所述粗化层上接着生成半导体层的上半导体层。
进一步的方案是，所述下半导体层和所述上半导体层均为GaN半导体层。
进一步的方案是，在以上方案中，氮化物材料层的氮化物材料通常为SiN复合物(SiNX)或MgN复合物(MgNX)；
以氮化物材料为MgN复合物(MgNX)为例，所述步骤3具体为：
把反应室内的生长温度调到700℃--1100℃，反应室内气压为0.05-1.2个大气压，然后在反应室内单独通入CP2Mg和NH3，气体流量各为1x10-7-1x10-4/分钟和0.5-10摩尔/分钟，通入时间为1分钟至30分钟，CP2Mg和NH3发生反应，在粗化层上形成由MgN复合物(MgNX)构成的氮化物材料层；
以氮化物材料为SiN复合物(SiNX)为例，所述步骤3具体为：把反应室内的生长温度调到700℃--1100℃，反应室内气压为0.05-1.2个大气压，然后在反应室内单独通入硅烷气体和NH3，气体流量各为1x10-6-1x10-2/分钟和0.5-10摩尔/分钟，通入时间为1分钟至30分钟，硅烷气体和NH3发生反应，在粗化层上形成由SiN复合物(SiNX)构成的氮化物材料层。
进一步的方案是，所述MgN复合物为氮化镁，所述SiN复合物为氮化硅。
进一步的方案是，所述上半导体层的厚度为500nm-2000nm，所述下半导体层的厚度为1um，所述氮化物材料层的厚度为5nm-100nm。
本实用新型提供全程在外延工艺中即可成长的具有由粗化层和氮化物材料层所构成的缺陷阻挡层的LED半导体元件，降低半导体层中的位错缺陷，提高材料晶体质量，进而改善发光器件的性能，不需要二次外延，不需要经过光刻、腐蚀等复杂步骤来制作图形，具有实现方法简单易行、成本低等优点。本实用新型透过利用该氮化物材料层系作为光的散射接口，使得自发光层放射之光子能藉由呈倒金字塔型的氮化物材料层的散射效应及间隔区呈斜切的内侧面以帮助提升光子射出于发光二极管之外的机率，如此可降低全反射发生的机率，藉以达成提升外部量子效率的目的。
【附图说明】
图1-图4为制造过程中LED半导体元件形成的结构示意图。
【具体实施方式】
实施例一
本实施例提供的一种LED半导体元件，包含有衬底1和生成于衬底1上的一个半导体层，半导体层包括下半导体层2和上半导体层5，下半导体层2和上半导体层5之间包含有生成于下半导体层2的上端面的粗化层3，粗化层3包括多个突起，粗化层3上生成有连续的氮化物材料层4，突起穿过并突出于氮化物材料层4，氮化物材料层4的四周露出于粗化层3之外。
其中，衬底1为蓝宝石衬底，下半导体层2为500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层，粗化层3为MgN复合物，上半导体层5为500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层。
上述LED半导体元件的制造方法，具体包括：
如图1所示，步骤1、先把衬底1放入MOCVD(金属有机物化学气相沉积)生长炉的反应室内，反应室在H2氛围下升温到1100℃对衬底1进行15分钟的热处理，然后用10分钟降低温度至535℃，在衬底1上生长一层厚30nm的低温GaN缓冲层，采用的源材料是三甲基镓和NH3；然后使反应室在8分钟内升高温度至1060℃，这个升温过程对低温GaN缓冲层进行热退火使之重新结晶，在1060℃温度下生长500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层，即下半导体层2；
如图2所示，步骤2、然后通过调节外延磊晶参数在下半导体层2生成有粗化层3，粗化层3包括多个突起，即对下半导体层2进行表面粗化；
如图3所示，步骤3、反应室内的生长温度调到1060℃，反应室内气压为0.5大气压，然后在反应室内单独通入Cp2Mg(二茂镁)源和NH3，气体流量各为1x10-7-1x10-4/分钟和0.5-10摩尔/分钟，通入时间均为10分钟，Cp2Mg(二茂镁)源和NH3两者反应在粗化层3上形成由MgN复合物构成的氮化物材料层4，其厚度达到5nm-10nm；上述多个突起穿过并突出于氮化物材料层4，氮化物材料层4的四周露出于粗化层3之外；
如图4所示，步骤4、在粗化层3上接着生长500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层，即上半导体层5，上半导体层5的生长条件和500nm-2000nm厚的下半导体层2一样；由于氮化物材料层4相当于纳米尺寸的掩模，生长的上半导体层5开始阶段有一个侧向外延的过程，这样能降低GaN半导体层的差排缺陷。
按实际需要，可以按现有常规方法在上半导体层5上外延生长其它外延材料，包括掺Si的n型GaN、氮化铟镓/氮化镓多量子阱、掺镁氮化镓P型GaN等。
实施例二
本实施例提供的LED半导体元件与实施例一提供的LED半导体元件在结构上主要不同的是，衬底为SiC衬底。由此，也导致制造方法不同。
本实施例提供的LED半导体元件的制造方法，具体包括：
步骤1、先把SiC衬底放入MOCVD生长炉的反应室内，反应室在H2氛围下升温到1100℃对SiC衬底进行15分钟的热处理，然后用3分钟降低温度至1000℃-1100℃，在衬底上生长厚度10nm-200nm的高温AlXGa1-XN缓冲层，其中0＜x＜1，采用的源材料是三甲基铝、三甲基镓和NH3；然后在1060℃温度下生长500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层，即下半导体层2；
步骤2、通过调节外延磊晶参数在下半导体层生成有一有多个突起的粗化层，即对下半导体层进行表面粗化；
步骤3、把温度调到1070度，在反应室内单独通入NH3和CP2Mg，气体流量各为1x10-7-1x10-4/分钟和0.5-10摩尔/分钟，通入时间均为6分钟，Cp2Mg(二茂镁)源和NH3两者反应形成由MgN复合物构成的氮化物材料层，氮化物材料层4的厚度达到5nm-20nm；
步骤4、在粗化层上接着生长500nm-2000nm厚的高温非掺杂的GaN半导体层，即上半导体层，上半导体层的生长条件参见实施例一中的步骤4。
按实际需要，可以按现有常规方法在上半导体层5上外延其它外延材料，包括掺Si的n型GaN、氮化铟镓/氮化镓多量子阱、掺镁氮化镓等。
实施例三
本实施例提供的LED半导体元件与实施例一提供的LED半导体元件在结构上主要不同的是，粗化层3为SiN复合物。
因此，本实施例提供的LED半导体元件的制造方法与实施例一的制造方法不同的是步骤3，在本实施中的步骤3，具体是：把反应室内的生长温度调到700℃--1100℃，反应室内气压为0.05-1.2个大气压，然后在反应室内单独通入硅烷气体和NH3，气体流量各为1x10-6-1x10-2/分钟和0.5-10摩尔/分钟，通入时间为1分钟至30分钟，硅烷气体和NH3发生反应，在粗化层上形成由SiN复合物(SiNX)构成的氮化物材料层，其厚度可达到5nm-100nm。
显然地，依照上面实施例中的描述，本实用新型可能有许多的修改与差异。因此需要在其附加的权利要求的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本实用新型还可以广泛地在其它的实施例中施行。上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并非用以限定本实用新型的申请专利范围；凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在所述权利要求的范围内。
Claims (5)
1.一种LED半导体元件，其特征在于，包含有至少一个半导体层，所述半导体层包括下半导体层和上半导体层，所述下半导体层和所述上半导体层之间包含有生成于下半导体层的上端面的粗化层，所述粗化层包括多个突起，所述粗化层上生成有连续的氮化物材料层，所述突起穿过并突出于所述氮化物材料层；所述氮化物材料层的四周露出于所述粗化层之外。
2.根据权利要求1所述的LED半导体元件，其特征在于，所述下半导体层和所述上半导体层均为GaN半导体层。
3.根据权利要求1所述的LED半导体元件，其特征在于，所述氮化物材料层的氮化物材料为MgN复合物或SiN复合物。
4.根据权利要求1所述的LED半导体元件，其特征在于，所述MgN复合物为氮化镁，所述SiN复合物为氮化硅。
5.根据权利要求1所述的LED半导体元件，其特征在于，所述上半导体层的厚度为500nm-2000nm，所述下半导体层的厚度为500nm-2000nm，所述氮化物材料层的厚度为5nm-100nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201320074463 CN203192835U (zh) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Led半导体元件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201320074463 CN203192835U (zh) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Led半导体元件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203192835U true CN203192835U (zh) | 2013-09-11 |
Family
ID=49109669
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201320074463 Withdrawn - After Issue CN203192835U (zh) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Led半导体元件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN203192835U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103165779A (zh) * | 2013-02-08 | 2013-06-19 | 芜湖德豪润达光电科技有限公司 | Led半导体元件及其制造方法 |
| CN108615798A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-02 | 福建兆元光电有限公司 | 氮化物led外延层结构及制造方法 |
-
2013
- 2013-02-08 CN CN 201320074463 patent/CN203192835U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103165779A (zh) * | 2013-02-08 | 2013-06-19 | 芜湖德豪润达光电科技有限公司 | Led半导体元件及其制造方法 |
| CN103165779B (zh) * | 2013-02-08 | 2016-04-06 | 芜湖德豪润达光电科技有限公司 | Led半导体元件及其制造方法 |
| CN108615798A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-02 | 福建兆元光电有限公司 | 氮化物led外延层结构及制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100304881B1 (ko) | Gan계화합물반도체및그의결정성장방법 | |
| KR100568298B1 (ko) | 외부양자효율이 개선된 질화물 반도체 및 그 제조방법 | |
| US8614454B2 (en) | Semiconductor light-emitting device, manufacturing method thereof, and lamp | |
| CN104409587B (zh) | 一种InGaN基蓝绿光发光二极管外延结构及生长方法 | |
| CN100495750C (zh) | 一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法 | |
| EP2615628B1 (en) | Method of growing nitride semiconductor layer | |
| JP5113120B2 (ja) | 半導体装置の製造方法およびその構造 | |
| Kissinger et al. | Enhancement in emission angle of the blue LED chip fabricated on lens patterned sapphire (0 0 0 1) | |
| US20190304781A1 (en) | Nitride-based semiconductor device and method for preparing the same | |
| TW201431119A (zh) | 三族氮化物半導體發光元件之製造方法 | |
| EP2802002B1 (en) | Method for the manufacturing of a substrate having a hetero-structure | |
| CN103390698A (zh) | 发光二极管及其制造方法 | |
| CN103456852A (zh) | 一种led外延片及制备方法 | |
| CN103165779B (zh) | Led半导体元件及其制造方法 | |
| CN1996625A (zh) | GaN基光电子器件及其制法 | |
| CN203192835U (zh) | Led半导体元件 | |
| KR101171324B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법 및그것에 의해 형성된 버퍼층 | |
| CN108342773A (zh) | 生长镓氮化物半导体层的方法 | |
| CN104900774B (zh) | 一种提高led亮度的双缓冲层横向外延生长方法 | |
| CN109888069B (zh) | InGaN/GaN量子阱结构及LED外延片制备方法 | |
| CN101728244A (zh) | 阻断半导体差排缺陷的方法 | |
| CN109411580B (zh) | 氮化镓基功率器件及其制备方法 | |
| CN102280544A (zh) | 半导体发光二极管及其制造方法 | |
| TW201528441A (zh) | 氮化物半導體元件之製造方法 | |
| CN101621094A (zh) | 半导体元件的制造方法及其结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Yangzhou Dehao Runda Optoelectronic Co., Ltd. Assignor: Wuhu Dehao Runda Optoelectronics Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2015320000213 Denomination of utility model: Light emitting diode (LED) semiconductor element and manufacture method thereof Granted publication date: 20130911 License type: Exclusive License Record date: 20150415 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20130911 Effective date of abandoning: 20160406 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |