TWI241032B - Light-emitting device, method of fabricating the same, and LED lamp - Google Patents

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1241032 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域] 本發明係關於一種提高光取出效率之發光二極體 (LED )及其製造方法。特別是在能夠提高光取出效率之 層積界面之構造，具有特徵。 【先前技術】 在進行省能源之方面，要求提高能量消耗效率（外部 量子效率）之發光元件。在層積於藍寶石基板上之Galsj 系發光二極體，向來382nm附近之發光二極體（LED )之 外部量子效率係在專利文獻1，成爲24 %。外部量子效率 係成爲「內部量子效率X電壓效率X光取出效率」之乘積 而分解成爲3個要素，除了可實測之電壓效率（大約9〇 〜95 % )以外之2個要素係成爲不可實測，在仍然無法判 斷這些水準之狀態下，主要是檢討由於結晶晶質或構造最 適當化之所造成之內部量子效率之提升。另一方面，作爲 光取出效率之提高例，係自從前以來，進行藉由折射率接 近半導體之樹脂而覆蓋LED晶片來使得發光之光效率良 好地透過樹脂並且藉由將樹脂表面加工成爲球面而抑制樹 脂和空氣界面之全反射之方法。此外，作爲藉由將基板硏 削成爲逆台座型而實現2倍左右之光取出效率增加之例 子，係在市面上，美國Cree (克里）公司以X — Bright (發光）系列而進行販賣。 -4- 1241032 (2) 另一方面，作爲實施半導體結晶之低差排化之 係知道在半導體結晶基板之表面附加凹凸而進行成 法。例如顯示：可以在第III族氮化物半導體，於 基板之表面，形成線條狀溝，能夠藉由使得低溫 GaN緩衝層及其上面之高溫之第ill族氮化物半 晶，來進行磊晶成長而減低差排密度。由於該差排 降低，因此，溝傾斜角度係可以成爲60 °以上。但 光取出效率而言，並無觸及到（例如參考專利文獻 專利文獻1)。 [專利文獻1 ] 日本特開2002 — 164296號公報 [非專利文獻1] 多田友先生等（K. Tadatomo、et al.)、日本 理雜誌(Japanese Journal of Applied Physics ) 年、第 40 卷、p.L5 83 〜L585。 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 一般而言，發光元件（LED )係發光層之折射 其外部媒質之折射率，因此，入射角大於全反射角 係無法由發光層來取出至外部。本發明之目的係能 將具有傾斜於不同折射率之2層界面之側面之凹凸 入，而將不進行全反射之光線’取出至外部，來提 元件之光取出效率。 方法， 長之方 藍寶石 成長之 導體結 密度之 是’就 1、非 應用物 > 2001 率大於 之光線 夠藉由 予以導 局發光 -5- 1241032 (3) [用以解決課題之手段] 首先，就完成本發明之經緯之模擬而進行說明。 爲了估計不可實測之光取出效率和內部量子效率’ 此，本發明人係藉由光學模擬而估計來自LED之光取 效率。作爲單純化之LED模型係採取在300 μ m角、厚 l〇〇//m之藍寶石基板來層積300//m角、厚度6.1//m GaN層之構造。在300//m角之中心、由GaN表面開始 入至0.1 μ m之GaN層中之點，配置呈等方性地進行發 之點光源。折射率係分別使得藍寶石藉由η = 1 · 8之矽 樹脂、GaN藉由n= 2.7 (發光波長380nm之狀態）之 酮樹脂或η = 2.4 (發光波長400nm之狀態）之矽酮 脂、這些之外部藉由η二1.4之矽酮樹脂而滿足折射率 GaN每個波長之折射率係實測市面販賣之GaN散裝基 而求出。由點光源開始，沿著隨機之方向來產生許多光 (蒙特卡羅法），光線係在不同折射率之各個界面，配 按照菲湼耳公式來計算於折射之光線和反射之光線之比 而進行分岔。光線產生數係5 0萬條，分岔限度係成爲 次。在基板背面、半導體層表面、由各個側面和樹脂之 面開始些微之樹脂側，呈假設地設定集光面，算出來自 個面之光取出效率。 表1係顯示分別就在基板不設置凹凸構造之狀 (①、②）和在基板之表面設置第1圖所示之凹凸構造 狀態（③）之各個來藉由模擬而計算來自基板面、半導 層面和側面之光取出效率之結果。 因 出 度 之 進 光 酮 矽 樹 〇 板 線 合 例 10 界 各 態 之 體 rJai -6- 1241032 (4)
【I 合計 54.9% 39.3% 92.4% 側面（GaN側面、藍 寶石側面） 10.1 % X 4 = 40.4 % (7.4%、2.7%) 7.2 % X 4 = 28.8 % (5.4% > 1.8%) 垂直於線條溝之側 面：15.3% (0.5%、 14.8 % ) X 2 平行於線條溝之側 面：15.4 % (0.5 %、 14.9%)x2 半導體 層表面 7.4% 5.4% 5.3% 基板背面 7.1% 5.1% 1 1___________ . 25.7% 折射率 寸 (N II a Z 〇〇 〇 L 丄_ II « c μ? sg » m _ 卜 1 CN II a -T ^ ί 丄惡 II 稍 Sg Λ m _ r- I CN II c 苍°? 〇 ί II _ Sg * m 獅 光取出效率之計算 〇 来 铂 Q g S m ^ i w 给 w i *ffl w ^ 觀_ ? ㊀ \ 瞰 ②同上、發光波長382nm 嵌 a ， 歴w s Λ JTP C _ S _ | ^ ia S uiK ❺鎞幻餾 1241032 (5) 在藉由該結果時，在基板不設置凹凸構造之狀態， 發光波長400nm之狀態下，光取出效率之合計係大約 %，於382nm之狀態下，成爲大約40%。 將該結果適用在非專利文獻1所記載之LED。在該 獻，記載：就使用藍寶石基板之第III族氮化物半導體 LED而言，在發光波長3 82nm，外部量子效率係24% 在400nm，成爲30%。在假設該外部量子效率之24% 爲24% =內部量子效率60%χ電壓效率95%x光取出 率40%而假設30%成爲3〇% =內部量子效率60% X電 效率 90% X光取出效率55%時，無關於發光波長，內 量子效率係可以皆成爲 60 %而統一地進行說明，模擬 結果係認爲大槪妥當。 如果藉由該模擬的話，則光取出效率係在波 4 0 0 n m 5成爲大約 55%，在波長 382nm，成爲大約 %，因此，分別顯示有 1.8倍、2.5倍之提升餘地。 外，內部量子效率係有大約1 · 6倍之提升餘地。本發明 關於這些當中之光取出效率。 如果藉由模擬結果之詳細解析的話，則得知：在藉 折射率n = I·4之樹脂而進行密封之狀態下，由GaN層 始來透過於藍寶石基板之光線係通過1〇〇%樹脂而取出 外部，是否能夠使得關閉於G aN層之光線群怎樣地取 至藍寶石基板或樹脂係在提高光取出效率之方面，變得 要。 爲了由GaN層開始而使得光線效率良好地透過於 於 55 文 之 5 成 效 壓 部 之 長 40 此 係 由 開 至 出 重 藍 -8 - 1241032 (6) 寶石基板或樹脂，因此，可以傾斜G a N層和基板間之界 面而使得光線入射至界面之角度，不超過全反射角。該最 適當之傾斜角係45 °。在表1之③，顯示在GaN層和藍 寶石基板間之界面來導入第1圖所示之傾斜角45 °之線條 狀凹凸構造之狀態下之計算結果。得知：由半導體層面開 始通過樹脂而出去至外部之光取出效率係不太改變，但 是，由藍寶石背面或側面開始而出去至外部之光取出效率 係提高。結果，總共估計在發光波長382nm ( GaN之折射 率2.7 )之狀態下，比起②還提高2倍以上之光取出效 率。此外，就凹凸構造之上面、底面、傾斜面之比率而 言，最好是沒有上面和底面而僅有傾斜面之構造係光取出 效率之提升效果變得最高。 本發明係根據前述模擬結果而完成的，由以下之各項 發明而構成。 (1) 一種發光元件，其特徵爲：在具有基板、半導 體層和發光層之發光元件，基板和層積於此之半導體層之 折射率係不同，在層積該基板之半導體層之面，形成具有 傾斜側面之凹凸，使得該傾斜側面相對於基板面之角度（9 成爲 30° < 0 < 60°。 (2) —種發光元件，其特徵爲：在具有基板、半導 體層和發光層之發光元件，層積之半導體層間之折射率係 不同’在該半導體層之層積界面，形成具有傾斜側面之凹 凸。 (3 )前述（2 )所記載之發光元件，係凹凸之傾斜側 -9 - 1241032 (7) 面相對於基板之角度0成爲30°< 0 <60°。 (4 )前述（1 )〜（3 )中任一項所記載之發光元 件，係凹凸成爲線條狀V字型溝、線條狀側面傾斜突起 和側面傾斜坑洞之其中某一種。 (5)前述（1)〜（4)中任一項所記載之發光元 件，係基板成爲藍寶石（ai2o3 )，半導體層成爲 AlxGayIm.x.yN ( 1 > 1)。 (6 )前述（1 )所記載之半導體元件之製造方法，其 特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發光元件之製 造方法，藉由高溫處理、選擇性蝕刻和硏削之其中某一種 方法而在層積基板半導體層之側之表面，設置凹凸。 (7) 前述（1)所記載之半導體元件之製造方法，其 特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發光元件之製 造方法，藉由在基板之表面，形成選擇成長用罩幕，在該 基板上，設置側面呈傾斜之半導體突起，而在半導體層之 層積界面，形成具有傾斜側面之凹凸。 (8) 前述（2)所記載之半導體元件之製造方法，其 特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發光元件之製 造方法，藉由利用高溫處理、選擇性蝕刻和硏削之其中某 一種方法而在半導體層之表面，設置具有傾斜側面之凹 凸，以便在半導體層之層積界面，形成具有傾斜側面之凹 凸。 (9) 前述（2)所記載之發光元件之製造方法，其特 徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發光元件之製造 -10- 1241032 (8) 方法，於半導體層之表面，形成選擇成長用罩幕 導體層上，設置側面呈傾斜之半導體突起。 (10 ) —種LED燈源，係使用前述（1 )" 任一項所記載之發光元件。 【實施方式】 [發明之實施形態] 本發明之發光元件係在基板之表面或半導體 積界面，形成側面呈傾斜之凹凸。基板和層積於 體層間之界面或者是半導體層間之層積界面的反 積界面，發生兩者之折射率呈不同之狀態。本發 該兩者之折射率呈不同之狀態所能夠儘量變多之 至LED之外部。 藉由設置前述凹凸而提高光取出效率之機構 明係被省略，但是，認爲在呈定性地使得層積界 坦時，在界面所反射之光係即使是重複地進行反 爲同樣狀態之重複，因此，出去至外部者係變少 在界面成爲凹凸時，即使是一度進行反射，也有 至界面之光成爲全反射角以下之狀態產生，如果 行這些的話，則最後出去至外部之光係變多。 本發明之發光元件、其中一種係在基板之表 半導體層之側，以下相同。）設置側面呈傾斜之 中二種係在層積半導體層間之界面來設置前述凹 係正如第2圖所示，在基板上，呈多層地形成緩 ，在該半 (5 )中 層間之層 此之半導 射係在層 明係將在 光，取出 之詳細說 面成爲平 射，也成 ，但是， 接著入射 重複地進 面（層積 凹凸，其 凸。LED 衝層等之 -11 - (9) 1241032 半導體層、η型半導體層、發光層、p型半導體層等，但 是，如果設置凹凸之面成爲不同折射率之2個半導體層之 界面的話，則可以是任何一種，最好是選擇效果大之其中 某一種界面。在半導體層之層積界面，也包含半導體層和 發光層之界面。 在本發明，於第3圖之（a)〜（c)，呈示意地顯示 形成於基板等之凹凸構造之代表者。第3圖之（a )係在 基板表面呈線條狀地形成V字型溝，第3圖之（b )係在 基板表面以六角錘型來形成剖面呈台形狀之坑洞，第3圖 之（c )係在基板表面呈線條狀地形成由半導體所構成之 三角形突起。圖所示之0係凹凸之傾斜側面相對於基板面 之角度。形成於基板之凹凸傾斜側面之角度0係最好是 45 °，但是，如果是30 ° < 0 < 60 °之範圍的話，則具有 充分之效果。 就形成於半導體間之界面之凹凸傾斜側面之角度而言， 並無特別限制，但是，最好是相同於基板狀態之30 ° < 0 < 6 0 °之範圍。 形成於基板等之凹凸係也可以一致或者是故意地偏離 於基板或半導體層之面方位。凹凸尺寸、深度係任意地進 行選擇。但是，在考慮使得成長於具有凹凸之界面上之第 ΙΠ族氮化物半導體結晶之表面進行平坦化時，最好是凹 部之直徑成爲3 # m以下、凹部之深度成爲2 // m以下。 平坦化係正如非專利文獻1所示，如果適當地選擇半導體 層之成長條件的話，則可以容易實現。 -12 - 1241032 (10) 在本發明之基板等而形成凹凸之方法係有藉由 理所造成之坑洞形成、藉由選擇性蝕刻所造成之線 溝或坑洞之形成、或者是使用硏削材之V字型溝 等。在此，於V字型溝，也包含底部成爲平坦之 或者是側面也多少帶有圓形者。這些係凹部形狀， 也可以在基板等，進行罩幕化，呈選擇性地成長半 例如呈線條狀地形成剖面成爲三角形之突起。 藉由前述方法所形成之凹凸傾斜面之角度0係 法，許多狀態進入至3 0 °〜6 0。之範圍，藉由高溫 造成之坑洞係幾乎藉由結晶面而進行決定，成爲 43 °。此外，藉由SiN而進行既定之罩幕，在其上 長A1N或GaN時，所形成之三角形突起之傾斜角 58。和 43。。 在本發明，作爲基板係能夠以藍寶石、G aN、 SiC爲首而使用玻璃、Si、GaAs、GaP等。在這些 特別是前述基板係藍寶石（A1203 )，半導體層係 第III族氮化物半導體。 作爲藍寶石基板之面方位係可以使用m面、a 面等，但是，即使是在其中，也最好是c面（（ 面），並且，基板表面之垂直軸係最好是由<0001 開始傾斜於特定之方向。此外，本發明所使用之基 使用於第1製程前而進行有機洗淨或蝕刻之前處理 好是可以使得基板表面之狀態來保持於一定狀態之i 在本發明之發光元件之製造，η型層、p型層 高溫處 條狀凹 之形成 形狀者 但是， 導體， 在硏削 處理所 58 °和 面而成 係成爲 Α1Ν、 當中， 最好是 面、c 0001 ) >方向 板係在 時，最 緣故。 、發光 -13- (11) 1241032 層之成長或電極之形成、樹脂密封等係可以使用向來習知 之方法。半導體之成長方法係可以使用有機金屬化學氣相 成長法（MOCVD法）或氣相磊晶法（VPE法），來作爲 氣相成長法。其中，最好是MOCVD法係能夠對於不需要 之凹凸構造來進行平坦化之緣故。 [實施例] 以下，根據實施例而具體地說明本發明。 (實施例1 ) 在本實施例1，使用表面成爲（0001 )面之藍寶石基 板。藉由在塗敷鑽石系硏削材之砂紙，塗敷純水，動作於 藍寶石基板之<1 一 100 >方向，同時，進行擦拭，而在大 槪< 1 — 10 0 >方向，於線上，形成凹凸構造。藉由S E Μ 所觀察之凹部剖面形狀係成爲幅寬1 μ πι、深度0.5 μ m之 三角形（V字型溝之形狀）。V字型溝之隆起斜面和基板 平面所形成之角度0係在以45 °作爲中心而大槪30 °〜 60 °之範圍。藉由600倍之光學顯微鏡所觀察之部位、平 坦部分之面積和損傷之部分之面積比例係平均成爲2 : 1 ° 充分地洗淨像這樣製作之附有V字型溝之藍寶石基 板，投入至MOCVD裝置。接著，在該藍寶石基板上，作 爲第1製程係施加流通在包含以三甲基銘（TMAi)之蒸 氣和三甲基鎵（TM G a )之蒸氣作爲模型並且以1 : 2所混 -14 - 1241032 (12) 合氣體的氣體以及包含氨（NH3)的氣體之處理。在藉由 第1製程所使用之條件下之v/ III比係大約85%。接 著，作爲第2製程係流通TM G a和氨，成長氮化鎵’在加 工成爲凹凸狀之藍寶石基板上，製作由氮化鎵結晶所構成 之GaN層。 製作包含前述GaN層之試料之第1製程及第2製程 係使用MOCVD法而進行以下順序。 首先，在導入表面加工成爲凹凸狀之藍寶石基板前’ 使得在藉由相同裝置所進行之前次成長而附著於反應爐內 部之附著物，於包含氨和氫之氣體中，進行加熱及氮化， 不容易進行這個以上之分解。等待反應爐降溫至室溫爲 止，在氮氣所取代之球形箱中，使得載置於加熱用碳製感 受器上之藍寶石基板，導入至設置於感應加熱式加熱器之 RF線圈中之石英製反應爐中。在導入試料後，流通氮氣 而潔淨反應爐內。在經過1 〇分鐘而流通氮氣後，啓動感 應加熱式加熱器，經過 1 〇分鐘而使得基板溫度升溫至 1170°C。在基板溫度仍然保持於117(TC之狀態下，流通 氫氣和氮氣，同時，放置9分鐘，進行基板表面之熱潔 淨。 在進行熱潔淨之間，在連接於反應爐且放入成爲原料 之三甲基鎵（TMG a )的容器（起泡器）以及放入三甲基 鋁（TMA1 )的容器（起泡器）之配管，流通氫載體氣 體，開始進行起泡。各個起泡器之溫度係使用用以調整溫 度之恒溫槽而呈一定地進行調整。藉由起泡所產生之 -15- (13) 1241032 TMGa及TMA1之蒸氣係一直到開始進行成長製程爲止， 和載體氣體一起流通至除害裝置之配管，通過除害裝置’ 放出至系統外。在熱潔淨之結束後，關閉氮載體氣體之 閥，使得對於反應爐內之氣體供應，僅成爲氫。 在載體氣體之切換後，使得基板溫度降溫至1150 °C。在115 0 °C確認溫度變得穩定後，打開氨配管之閥， 開始進行氨對於爐內之流通。接著，同時切換TMG a及 TMA1之配管之閥，將包含TMGa及TMA1之蒸氣之氣體 來供應至反應爐內，開始進行在藍寶石基板上附著第ΙΠ 族氮化物半導體的第1製程。所供應之TMGa及TMA1之 混合比係藉由設置在起泡之配管上之流量調節器而調節成 爲莫爾數比2 : 1，氨量係調節V / III比成爲85。 在6分鐘之處理後，同時切換TMGa及TMA1之配管 之閥，停止將包含TMGa及TMA1之蒸氣之氣體來供應至 反應爐內。接著，也停止氨之供應，就這樣仍然保持3分 鐘。 在3分鐘之退火後，切換氨氣之配管之閥，在爐內， 再度開始氨氣之供應。就這樣仍然流通4分鐘之氨。其 間，調節TMGa之配管之流量調節器之流量。在4分鐘 後，切換TMGa之閥，開始進行TMGa對於爐內之供應， 開始進行GaN之成長。經過大約3小時而進行前述GaN 層之成長。 然後，接著，在以下之製程’依照η型層、發光層和 Ρ型層之順序而進層積，製作led用霖晶晶圓。 -16- 1241032 (14) 首先，在仍然持續地進行TMGa供應之狀責 進行SiH4之供應，進行大約1小時15分鐘左 摻雜之η型GaN層之成長。SiH4之供應量係調 雜之GaN層之電子濃度成爲1 X 1 017cnr3。低 GaN層之膜厚係成爲2#m。 此外，在該低Si摻雜之GaN層上，成長高 η型GaN層。在成長低Si摻雜之GaN層後，經 而停止TMGa和SiH4對於爐內之供應。其間， 之流通量。流通之量係在事前，進行檢討，調萎 雜之GaN層之電子濃度成爲lxl019cnT3。氨存 樣之流量而繼續供應至爐內。 在停止1分鐘後，再度進行TMGa和SiiL· 經過1小時而進行成長。藉由該操作而形成成 膜厚之高Si摻雜之η型GaN層。 在成長高Si摻雜之GaN層後，切換TMGa 閥，停止這些原料供應至爐內。氨係仍然進行 時，切換閥而使得載體氣體由氫切換至氮。然後 板之溫度由1160°C開始降低至830°C。 在等待爐內溫度之變更之間，改變SiH4之 流通之量係在事前，進行檢討，調整S i摻雜之 層之電子濃度成爲1 X l〇17cnT3。氨係以仍然這 而繼續供應至爐內。此外’預先開始進行 (TMIn )和三乙基鎵（TEGa )對於起泡器之載 流通。SiH4氣體以及藉由起泡所產生之TMIn和 !下，開始 :右之低S i 整低S i摻 S i摻雜之 S i摻雜之 ?過1分鐘 改變SiH4 I高S i摻 5以仍然這 t之供應， 爲 1 · 8 // m 和SiH4之 流通，同 〖，使得基 .供應量。 InGaN 包 樣之流量 三甲基銦 體氣體之 丨TEGa之 -17 - 1241032 (15) 蒸氣係一直到開始進行包層之成長製程爲止，和載體氣體 一起流通至除害裝置之配管’通過除害裝置，放出至系統 外。 然後，等待爐內之狀態變得穩定，同時切換Τ Μ I η、 TEG a和Si H4之閥，開始進行這些原料對於爐內之供應。 經過大約1〇分鐘而持續地供應，形成成爲膜厚100人之 Si摻雜之In0.03Ga0.97N所構成之η型包層。 然後，切換TMIn、TEGa和SiH4之閥，停止這些原 料之供應。 接著，製作由 GaN所構成之障壁層以及藉著由 In0.Q6GaQ.94N所組成之井層而構成之多重量子井構造之發 光層。在多重量子井構造之製作時，在由Si摻雜之 In0.03Ga0.97N所構成之η型包層上，首先形成GaN障壁 層，在該GaN障壁層上，形成In().()6GaG.94N井層。在重 複層積5次之該構造後，於第5個Ino.MGao.qN井層上， 形成第6個GaN障壁層，成爲由GaN障壁層來構成多重 量子井構造兩側之構造。 也就是說，在η型包層之成長結束後，於經過3 0秒 鐘而停止後，基板溫度或爐內壓力、載體氣體之流量或種 類係維持仍然，切換TEGa之閥，進行TEGa對於爐內之 供應。在經過7分鐘而進行TEGa之供應後，再度切換閥 而停止T E G a之供應，結束G a N障壁層之成長。藉此而形 成成爲7 0A膜厚之GaN障壁層。 在進行G a N障壁層之成長期間，使得流動至除外設 -18 - 1241032 (16) 備之配管之TMIn之流量，比起在包層之成長時，還調節 旲爾流量，來成爲2倍。 在GaN障壁層之成長結束後，在經過30秒鐘而停止 第III族原料之供應後，基板溫度或爐內壓力、載體氣體 之流量或種類係維持仍然，切換TEGa和TM In之閥，進 行TEG a和TM In對於爐內之供應。在經過2分鐘而進行 TEGa和TMIn之供應後，再度切換閥而停止TEGa和 TMIn之供應，結束Iiio.oeGao.wN井層之成長。藉此而形 成成爲20A膜厚之In0.06Ga0.94N井層。 在I η 〇 . 〇 6 G a 〇. 9 4 N井層之成長結束後，在經過3 0秒鐘 而停止第III族原料之供應後，基板溫度或爐內壓力、載 體氣體之流量或種類係維持仍然，開始進行T E G a對於爐 內之供應，再度進行GaN障壁層之成長。 重複進行5次之此種順序，製作5層之GaN障壁層 和 5 層之 Ino.o6Gao.94N 井層。此外，在最後之 In〇.G6Ga〇.94N井層上，形成GaN障壁層。 在該GaN障壁層所結束之多重量子井構造上，製作 無摻雜之Al〇.2Ga().8N擴散防止層。 預先開始進行三甲基鋁（TMA1 )對於起泡器之載體 氣體之流通。藉由起泡所產生之TMA1蒸氣係一直到開始 進行擴散防止層之成長製程爲止，和載體氣體一起流通至 除害裝置之配管，通過除害裝置，放出至系統外。 等待爐內之壓力變得穩定，切換TEGa和TMA1之 閥，開始進行這些原料對於爐內之供應。然後，在經過大 -19- 1241032 (17) 約3分鐘而進行成長後，停止TEG a和TMA1之供應，停 止無摻雜之Al〇.2Ga().8N擴散防止層之成長。藉此而形成 成爲30人膜厚之無摻雜之AlG.2Ga().8N擴散防止層。 在該無摻雜之Al〇.2GaG.sN擴散防止層上，製作由Mg 摻雜之GaN所構成之p型包層。 停止TEGa和TMA1之供應，在無摻雜之Al〇.2GaG.8N 擴散防止層之成長結束後，經過2分鐘，使得基板之溫度 上升至 1100 °C。此外，將載體氣體改變成爲氫。此外， 預先開始進行雙環戊二烯基鎂（CP2Mg)對於起泡器之載 體氣體之流通。藉由起泡所產生之Cp2Mg蒸氣係一直到 開始進行Mg摻雜之GaN層之成長製程爲止，和載體氣體 一起流通至除害裝置之配管，通過除害裝置，放出至系統 外。 改變溫度和壓力而等待爐內之壓力變得穩定，切換 TMGa和 CP2Mg之閥，開始進行這些原料對於爐內之供 應。流通CP2Mg之量係在事前，進行檢討，調整由Mg摻 雜之GaN所構成之p型包層之正孔濃度成爲8xl017 cnT3。然後，在經過大約 6分鐘而進行成長後，停止 TMGa和Cp2Mg之供應，停止Mg摻雜之GaN層之成長。 藉此而形成成爲膜厚0.15//m之Mg摻雜之GaN層。 在結束Mg摻雜之GaN層之成長後，停止對於感應加 熱式加熱器之通電，經過20分鐘而使得基板之溫度降溫 至室溫爲止。在由成長溫度開始至300°C爲止之降溫中， 僅由氮來構成反應爐內之載體氣體，流通作爲流量之1 % -20- 1241032 (18) 之NH3。然後，在確認基板溫度成爲300 °c之時間點，停 止NH3之流通’使得氣氛氣體僅成爲氮。確認基板之溫 度降溫至室溫爲止，將晶圓取出至大氣中。 藉由以上順序而製作具有半導體發光元件用之磊晶層 構造之磊晶晶圓。在此，Mg摻雜之GaN層係即使是不進 行用以活化P型載體之退火處理，也顯示P型。 接著，使用在前述藍寶石基板上而層積磊晶層構造之 磊晶晶圓，製作成爲一種半導體發光元件之發光二極體。 就製作之晶圓而言，藉由習知之光微影法而在Mg摻雜之 GaN層表面上，形成具有由表面側開始依序地層積鈦、鋁 和金之構造的P電極接合銲墊以及接合於此之僅由Au所 構成的透光性p電極，製作p側電極。 此外，然後，在晶圓，進行乾式鈾刻，露出形成高 Si摻雜之GaN層之η側電極之部分，在露出之部分，製 作由Ni、Al、Ti和Au之4層所構成之η電極。 就像這樣而形成Ρ側及η側電極之晶圓而言，硏削藍 寶石基板之背面至厚度100 // m爲止，進行硏削而成爲鏡 狀面。然後，將該晶圓切斷成爲3 5 0 // m角之正方形晶 片，接合於副固定上而使得電極成爲下面，由副固定上之 電極端子開始，結線於1C導線架，成爲覆晶型發光元 件。此外，藉由樹脂來密封發光元件，而在矽酮樹脂，幾 乎成爲半球形狀，製作第4圖所示之砲彈型LED燈源。 在像前述這樣所製作之LED燈源之ρ側及η側之電 極間來流動順方向電流時，電流20mA之發光波長係 -21 · 1241032 (19) 3 8 0 n m，輸出値係1 4 · 0 m W，順方向電壓係3.4 V。 此外，在藉由光學顯微鏡而觀察通電至樹脂密封 LED晶片時之晶片表面之處，在某一面，觀測到認 G a N之深準位間發光的黃色發光，但是，其中，觀測 在藍寶石<1 一 1〇〇>方向，存在線狀之強發光強度 分。 (比較例） 在本比較例，在藉由幾乎相同於實施例1之製程 是，進行藍寶石表面仍然成爲平坦僅呈不同之LED 作。 使用表面呈平坦之藍寶石基板，使用藉由相同於 例1之同樣方法而進行成長之LED用磊晶晶圓，相 實施例1，製作砲彈型 LED燈源。該LED燈源係 20mA通電、發光波長380 nm、輸出値7.8mW。確認 施例1之LED燈源係相對於該比較例之LED燈源， 1.8倍之輸出。 (實施例2 ) 在本實施例2，使用附有表面成爲（0001 )面之 1//Π1之A1N膜之藍寶石基板。藉由在還原氣氛下， 該基板來進行1400 °C之高溫處理，而在A1N表面， 六角錘之坑洞和不定形之凹凸。坑洞之直徑係0.5〜 左右’大者係其底面到達至藍寶石基板，也成爲六角 前之 爲是 到： 之部 ，但 之製 實施 同於 成爲 :實 成爲 厚度 對於 形成 2 β m 錘台 -22- (20) 1241032 形。坑洞或不定形之凹凸所佔有之面積和平坦部分之面積 之比例係大槪成爲1 : 〇 · 2〜1 : 4左右。六角錘之斜面係 藉由A1N之（H— 22)面和（1— 1〇2)面之2種所構成 六角錘斜面和基板平面所形成之角度<9係分別成爲5 8 °、 43° ° 充分地洗淨像這樣所製作之附有坑洞形成A1N膜之 藍寶石基板，投入至MOCVD裝置，相同於實施例1而製 作LED用磊晶晶圓。 使用藉由前述方法而進行成長之LED用磊晶晶圓， 相同於實施例1，製作砲彈型LED燈源。該LED燈源係 成爲20mA通電、發光波長380nm、輸出値12.6mW。比 起比較例而成爲1.6倍之輸出增加。 此外，在藉由光學顯微鏡而觀察前述通電時之LED 表面之處，在某一面，觀測到認爲是GaN之深準位間發 光的黃色發光，但是，其中，觀測到：呈六角形狀地存在 強發光強度之亮度部分。 (實施例3 ) 在本實施例3，使用表面成爲（〇〇〇1 )面之藍寶石基 板。在該基板，平行於藍寶石之<1— 1〇〇>方向，來形成 藉由線幅寬2 # m、空間幅寬2 # m之線條狀SiN膜所構 成之選擇成長用罩幕，在充分地洗淨後，投入至MOCVD 裝置。接著’作爲第1製程係在高溫下，流通包含三甲基 鋁（TMA1 )蒸氣之氣體，作爲第2製程係流通TMA1和 -23- (21) 1241032 氨而成長剖面成爲三角形形狀之線條狀氮化鋁。此外，妖 j \ w 後，在氮化鎵層而進行平坦化後，製作LED構造。 包含前述A1N層之試料之製作係使用MOCVD法而藉 由以下之順序來進行。首先，將藍寶石基板來導入至設置 於感應加熱式加熱器之RF線圈中之石英製反應爐中。藍 寶石基板係在氮氣所取代之球形箱中，載置於加熱用碳製 感受器上。在導入試料後，流通氮氣而潔淨反應爐內。 在經過10分鐘而流通氮氣後，啓動感應加熱式加熱 器，經過10分鐘而使得基板溫度升溫至600 °C。在使得 基板溫度仍然保持於600 °C之狀態下，流通氮氣，同時， 放置9分鐘。其間，在連接於反應爐且放入成爲原料之三 甲基鎵（TMG〇的容器（起泡器）以及放入三甲基鋁 (TMA1 )的容器（起泡器）之配管，流通氫載體氣體， 開始進行起泡。各個起泡器之溫度係使用用以調整溫度之 恒溫槽而呈一定地進行調整。藉由起泡所產生之TMGa及 TMA1之蒸氣係一直到開始進行成長製程爲止，和載體氣 體一起流通至除害裝置之配管，通過除害裝置，放出至系 統外。然後，關閉氮載體氣體之閥，開始進行對於反應爐 內之氫氣供應。 在載體氣體之切換後，使得基板溫度升溫至 1150 °C。在1150°C確認溫度變得穩定後，切換TMA1配管之 閥，將包含TMA1蒸氣之氣體來供應至反應爐內。此時， 認爲藉由附著於反應爐之壁面或天板上之附著物之分解而 使得TMAI同時和少量之氮，來供應至基板。在9分鐘之 -24 - (22) (22)1241032 處理後，同時切換TMA1之配管之閥，停止將包含TMA1 蒸氣之氣體來供應至反應爐內’就這樣仍然保持3分鐘。 在3分鐘之退火後，切換氨氣之配管之閥，在爐內， 開始進行氨氣之供應。就這樣仍然流通4分鐘之氨。其 間，調節TMA1之配管之流量調節器之流量。在4分鐘 後，切換TM A1之閥，開始進行TM A1對於爐內之供應， 開始進行A1N之成長經過大約3小時而進行A1N層之成 長。在該階段所取出之實驗，在呈線條狀地表現之藍寶石 面上，具有頂點，成長剖面呈三角形之A1N。在該階段， SiN罩幕係藉由A1N而進行埋入。該斜面係A1N之（1 — 102)面，和基板平面所形成之角度係43 °。然後，切換 TMA1之配管之閥，結束原料對於反應爐之供應而停止成 長。 在結束 A1N層之成長後，接著，進行 GaN層之成 長。藉由3小時之成長而使得GaN層之成長表面，成爲 平坦化，依序地層積η型層、發光層和p型層而製作LED 用磊晶晶圓。 使用藉由前述方法而進行成長之LED用磊晶晶圓， 相同於實施例1，製作砲彈型LED燈源。該LED燈源係 成爲20mA通電、發光波長380nm、輸出値14.8mW。比 起比較例而成爲1.9倍之輸出。 此外，在藉由光學顯微鏡而觀察前述通電時之LED 表面（藍寶石面）之處，在某一面，觀測到認爲是GaN 之深準位間發光的黃色發光，但是，其中，觀測到線條狀 -25- 1241032 (24) 3 半導體層 4 η型半導體層 5 發光層 6 ρ型半導體層 3 1 樹脂 32 基板 33 半導體層 34 副固定 35 固定杯 -27-

Claims (1)

1241032 拾、申請專利範圍 附件2 :第92 1 36289號專利申請案 中文申請專利範圍修正本
民國94年5月20日修正 1· 一種發光元件，係具有基板、半導體層和發光層之 發光元件’其特徵爲：基板和層積於此之半導體層之折射 率係不同’在層積該基板之半導體層之面，形成排除布拉 格反射（Bragg Reflection)條件之具有傾斜側面之凹凸， 使得該傾斜側面相對於基板面之角度Θ，成爲3 0° < 0 < 60° ° 2·—種發光元件，係具有基板、半導體層和發光層之 發光元件，其特徵爲：層積之半導體層間之折射率係不 同’在該半導體層之層積界面，形成排除布拉格反射 (Bragg Reflection )條件之具有傾斜側面之凹凸。 3 ·如申請專利範圍第2項所記載之發光元件，其中，
凹凸之傾斜側面相對於基板之角度0係成爲3 0 ° < 0 < 60° 〇 4 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所記載之發光 元件，其中，凹凸係線條狀V字型溝、線條狀側面傾斜 突起和側面傾斜坑洞之其中某一種。 5 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所記載之發光 元件，其中，基板係藍寶石（ai2o3 )，半導體層係 AlxGayIn 卜 x_yN ( OS xS 1、OS yS 1)。 6 · —種發光元件，係具有基板、半導體層和發光層 1241032 之發光元件，其特徵爲：基板和層積於此之半導體層之折 射率係不同，在層積該基板之半導體層之面，形成排除布 拉格反射（Bragg Reflection )條件之具有傾斜側面之凹 凸，使得該傾斜側面相對於基板面之角度0，成爲3 0° < 0 < 60〇 ; 層積之半導體層間之折射率係不同，在該半導體層之 層積界面，形成排除布拉格反射（Bragg Reflection )條件 之具有傾斜側面之凹凸；凹凸之傾斜側面相對於基板之角 度0係成爲30° < 0 < 60° ; 凹凸係線條狀V字型溝、線條狀側面傾斜突起和側 面傾斜坑洞之其中某一種； 基板係藍寶石（Al2〇3)，半導體層係AlxGaylnuyN (O^x^l' O^y^l)。 7 · —種申請專利範圍第1項所記載之半導體元件之製 造方法，其特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發 光元件之製造方法，藉由高溫處理、選擇性蝕刻和硏削之 其中某一種方法而在層積基板半導體層之側之表面，設置 排除布拉格反射（Bragg Reflection )條件之凹凸。 8 ·—種申請專利範圍第1項所記載之發光元件之製造 方法，其特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發光 元件之製造方法，藉由在基板之表面，形成選擇成長用罩 幕，在該基板上，設置側面呈傾斜之半導體突起，而在半 導體層之層積界面，形成排除布拉格反射（Bragg Reflection)條件之具有傾斜側面之凹凸。 1241032 9 · 一種申請專利範圍第2項所記載之半導體元件之製 is方法’其h徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發 光元件之製造方法，藉由利用高溫處理、選擇性蝕刻和硏 削之其中某一種方法而在半導體層之表面，設置排除布拉 格反射（Bragg Refiecti〇n)條件之具有傾斜側面之凹凸， 以便在半導體層之層積界面，形成具有傾斜側面之凹凸。
1 0· —種申請專利範圍第2項所記載之發光元件之製 造方法’其特徵爲：在具有基板、半導體層和發光層之發 光元件之製造方法，於半導體層之表面，形成選擇成長用 罩幕’在該半導體層上，設置排除布拉格反射（Bragg Reflection)條件之側面呈傾斜之半導體突起。 1 1·一種LED燈源，其特徵爲：使用申請專利範圍第 1至6項中任一項所記載之發光元件。
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