TWI426674B - 光電組件及光電組件之製造方法 - Google Patents

光電組件及光電組件之製造方法 Download PDF

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Description

光電組件及光電組件之製造方法
本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言之光電組件及其製造方法。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2008 011 864.8和10 2008 019 268.6之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
光電半導體組件(例如，半導體雷射或LED)中，組件之壽命另外與磊晶生長之半導體層中之缺陷的數目有關。由於缺陷之數目多，則亦會使內部的量子效率下降，這樣會使光效益變低。為了以較小的缺陷密度來磊晶生長多個半導體層，則需要較高品質的生長基板。
為了製成氮化物半導體系之光電組件，製備適當的生長基板是困難的。這些生長基板具有一種適合用來生長氮化物半導體的晶格常數且其特徵為其表面上的缺陷密度較小。
在SiC-基板或藍寶石基板上生長多個由氮化物半導體構成的磊晶半導體層，這已為人所知。在此種生長基板上進行生長時，在該生長基板和磊晶半導體層之間的界面上當然會形成較多的缺陷，其由該生長基板經由該組件而延伸且因此亦稱為”線形錯位(threading dislocation)”。各缺陷典型上具有一種大於108 cm-2 之面密度(TDD,threading dislocation density)。
此期間，係使用由GaN構成的基板以磊晶生長氮化物半導體，其典型上具有大於105 cm-2 之較小的缺陷密度。當然，此種GaN基板之高的價格在商業上不易用在氮化物半導體系之光電組件之大量生產中。
使用GaN基板時的其它缺點在於，光電組件之磊晶層不能輕易地由生長基板剝離，以製成所謂薄膜組件。此種薄膜組件可在磊晶層序列生長之後藉由一種雷射剝蝕過程而製作在藍寶石基板上。在雷射剝蝕過程中，雷射束經由透明的生長基板而射入且在該生長基板和磊晶層序列之間的界面上被吸收，此時藉由雷射束的吸收而在界面上達成一種材料分解，這樣會造成該生長基板之剝離。此種雷射剝蝕方法例如在WO 98/14986中已為人所知。相對於基板由藍寶石構成而言，此方法通常不能用在由GaN構成的基板中，此乃因GaN生長基板不能透光。
本發明的目的是提供一光電組件，其特徵為小的缺陷密度和較少的製造費用。此外，本發明的目的是提供光電組件的製造方法，藉此可在少的製造成本下達成一種小的缺陷密度。特別是可藉由雷射剝蝕過程而將生長基板由磊晶層序列中剝離。
上述目的藉由一種具有申請專利範圍第1項特徵的光電組件和具有申請專利範圍第10項特徵的光電組件的製造方法來達成。本發明有利的配置和其它形式描述在申請專利範圍各附屬項中。
本發明的光電組件包含氮化物半導體系之磊晶層序列，其活性層具有一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N構成的生長基板，其中0＜x＜0.99且0≦y≦1，較佳是x＜0.95。
磊晶層序列以磊晶方式生長在生長基板上，其晶格常數在與層平面平行的方向(平面中-晶格常數)中優先由該生長基板的平面中-晶格常數來決定。
由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N構成的生長基板(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)可較容易地藉由晶體生長方法來製成散裝(bulk)材料且因此在成本上較有利。這特別是與下述情況有關：原子在三元(ternary)或四元氮化物半導體之表面上的結合力較在純GaN表面上的結合力大很多。較穩定的晶體表面可促成晶體的生長，特別是可促成單晶的製成。此外，此種生長基板之特徵是散裝材料之固有特性。該生長基板之缺陷密度(TDD)較佳是小於107 cm-2 ，特別是小於106 cm-2 。
該生長基板之小的缺陷密度對該磊晶層序列之晶體品質有良好的作用。於是，光電組件，特別是像半導體雷射之類的高功率組件，的壽命可有利地提高，且輻射產生時的量子效率亦可提高。
該生長基板可以是一種無承載性的基板。另一方式是，該生長基板亦可以是一種所謂準(quasi)基板。所謂”準基板”此處是指一種薄層，其先由半導體材料製成的半導體基板剝離且然後轉移至另一載體上。
將一種半導體基板之薄層轉移至另一載體上的方法由文件US 5,374,564中已為人所知。其中，於半導體基板的表面將離子植入且以此種方式而在半導體基板中產生離子植入區。然後，該基板在此表面上例如藉由一種中間層(特別是焊接層)而固定在該載體上。然後，藉由退火而沿著該離子植入區來將該半導體基板分離，使原來的半導體基板之薄層保留在該載體上且用作生長基板，以便例如用來磊晶生長該光電組件之磊晶層序列。
該載體上作為生長基板用的薄層之特徵在於：其面內晶格常數是由半導體材料之成份來決定且因此不會受載體所影響或只稍微受到影響。此薄層因此是與磊晶生長的薄層不同。磊晶生長的薄層之面內晶格常數是由該生長基板來決定。相較於轉移至該載體上的層而言，磊晶生長的層中該晶格常數只有在大的層厚度時才藉由缺陷的形成來適應於一種與材料成份相對應的晶格常數。
光電組件之磊晶層序列是基於一種氮化物半導體。“氮化物半導體系”在此處之意義是指，該磊晶層序列或至少該活性層包含氮化物-III/V-化合物半導體材料，較佳是Aln Gam In1-n-m N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，此材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此材料Aln Gam In1-n-m N之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(Al,Ga,In,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。
該活性層特別是可為一發出輻射的活性層。該活性層例如可以由pn-接面、雙異質結構、單一量子井結構或多重式量子井結構來形成。此名稱量子井結構此處特別是包含一種結構，此結構中電荷載體可藉由局限(confinement)而使其能量狀態經歷一種量子化。此名稱量子井結構此處未指出量子化的維度。因此，量子井結構可另外包含量子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。
在一種有利的佈置中，在該生長基板上配置至少一緩衝層。藉由光電組件之生長基板和磊晶層序列之間所配置的緩衝層，則可有利地將晶格常數以步進形式或梯度(gradient)形式而由生長基板過渡(transition)至磊晶層層序列，這樣可使機械應力有利地下降。在該生長基板上較佳是施加多個緩衝層，使緩衝層序列中的晶格常數以步進形式或梯度(gradient)形式而改變。
特別有利的是在該生長基板和磊晶層序列之間配置多個由Iny Alx Ga1-x-y N構成的緩衝層，其中x＜0.9且y＜0.1。相鄰的緩衝層之間的晶格常數之差較佳是保持成較小，使機械應力不會產生其它缺陷。光電組件的磊晶層序列可有利地生長在緩衝層的最上層，此最上層之緩衝層的特徵是晶格常數可良好地適應於磊晶層且缺陷密度較小。
在一種實施形式中，磊晶層序列包括一種DBR(散式布拉格反射鏡)鏡面，其中此DBR鏡面具有多個層對(pair)，其包含由Iny1 Alx1 Alx Ga1 -x1 -y1 N構成的第一層和由Iny2 Alx2 Ga1 -x2 -y2 N構成的第二層，其中鋁含量x1＞0.01且x2＞0.05。
由Al1 -x (Iny Ga1-y )x N構成的生長基板(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)的優點在於，DBR鏡面之層對在與純GaN-生長基板比較時在晶格缺陷適應性相同的情況下可具有較高的鋁濃度。藉由DBR鏡面之交替的各層之不同大小的鋁含量x1≠x2，特別是x1＞0.01且x2＞0.05，則可使DBR鏡面之折射率對比(contrast)提高，這樣可使反射率有利地提高，則所顯示的特殊優點是，在與DBR鏡面(其各層之鋁含量較小)比較時可以較少的層對的數目來達成相同或甚至較高的反射率。DBR鏡面中的層對的數目較少時所顯示的優點是：製造費用可下降且由於總厚度較小而可使熱較佳地由磊晶層系統中排出。
DBR鏡面可有利地配置在該生長基板和該活性層之間。這樣對光電組件是有利的，其中由該活性層所發出的輻射可經由與生長基板相面對的表面而發出。DBR鏡面在此種情況下將該生長基板之方向中所發出的輻射反射至與該生長基板相面對的輻射發出面上。此外，DBR鏡面可形成一種面射型半導體雷射之共振鏡面。
上述光電組件可以是一種面射型光電組件，即，特別是面射型半導體雷射，其具有垂直共振器(VCSEL，垂直共振腔面射型雷射)，或亦可以是一種面射型半導體雷射，其具有外部垂直共振器(VECSEL，垂直外腔面射型雷射)，或亦可以是一種LED，特別是一種具有共振空腔之LED(RCLED，共振腔型發光二極體)。
此外，該光電組件亦可以是一種側射型半導體雷射，其中該活性層較佳是配置在二個形成波導的波導層之間，波導中由活性層所發出的輻射可在主發射方向中傳送。在傳統的側射型半導體雷射中，在該活性層之二側上分別有一外罩層鄰接於波導層，外罩層之折射率小於波導層的折射率，使折射率的跳躍現象可造成波在波導中的光學導引作用。
由於光電組件中該生長基板及/或緩衝層之鋁含量而使該生長基板及/或緩衝層具有較小的折射率，則由該活性層來觀看時與該生長基板相面對的外罩層可有利地省略。因此，只有該由活性層來觀看時與生長基板相面對的波導層跟隨在一外罩層之後，且在該生長基板和與該生長基板相面對的波導層之間未配置外罩層。於是，製造上的費用可有利地下降且由於磊晶層序列之全部的層厚度較小而使熱可在該生長基板之方向中較佳地排出。
為了將該光電組件操作時所產生的熱排出，則可在遠離該活性層之此側上(較佳是在一散熱件上)安裝該生長基板。散熱件是一種被動式散熱件，例如，銅塊，或亦可為主動式散熱件，例如，微通道冷卻器。此處，在與傳統上所使用的由藍寶石或GaN構成的基板相比較時，由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板具有較佳的導熱性。因此，活性層中所產生的熱可經由該生長基板而排出至該散熱件上。
在本發明之光電組件的製造方法中，須製備一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板，然後在該生長基板上生長一種氮化物半導體系的磊晶層序列，其具有一活性層。
在生長該磊晶層序列之前較佳是在該生長基板上生長至少一緩衝層。在該生長基板上可有利地施加多個由Iny Alx Ga1-x-y N構成的緩衝層，其中x＜0.9且y＜0.1。
在另一有利的配置中，在生長該磊晶層序列之前或情況需要時在生長一個或多個緩衝層之前對該生長基板進行一種溫度處理。藉由溫度處理，則可有利地將氧化物和碳化合物由該生長基板的表面中去除。該溫度處理在大於1000℃之溫度中進行是有利的，較佳是在1000℃和1100℃之間的溫度中進行。該溫度處理較佳是當場(in situ)進行，即，在用來生長該磊晶層序列之高真空室中進行。該溫度處理較佳是在供應氫氣或NH3 氣體的情況下進行。
在本發明的製造方法的一較佳的實施形式中，該生長基板在生長了該磊晶層序列之後被剝除。
該生長基板由該磊晶層序列剝除時可有利地藉由一種雷射剝蝕方法來達成。當該生長基板可透過被該磊晶層序列所吸收的輻射時特別是可使用雷射剝蝕方法，使雷射輻射可經由基板而入射至磊晶層中。相較於GaN基板而言，本方法因此特別是可用在一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N(其中x＜0.99)所構成的生長基板中，此乃因該生長基板由於鋁成份而具有一種較GaN還大的電子能帶間隙。可有利地選取該生長基板之鋁成份，使該生長基板可透過被該磊晶層序列所吸收的輻射。
將該生長基板由磊晶層序列中剝除的另一種可能方式在於，在生長該磊晶層序列之前在該生長基板上施加一犧牲層，然後藉由該犧牲層之選擇性的蝕刻而將該生長基板去除。
該磊晶層序列較佳是在將該生長基板剝除之前在與該生長基板相面對的表面上與一載體相連接。該生長基板由磊晶層序列剝除且將該磊晶層序列與另一載體相連接時所顯示的優點是，該載體不必適合用來磊晶生長一種氮化物化合物半導體。適用於該載體的材料因此有大的選擇性。特別是該載體可由一種電性及/或導熱性良好及/或成本低的材料來構成。例如，該載體可由Ge,GaAs,Si,SiC，金屬(例如，Mo或Au)所構成，或由例如AlN之類的陶瓷來形成。
在該磊晶層序列與載體相連接之前，在該磊晶層序列之遠離該生長基板之表面上施加一種可使反射率提高的層或層序列時是有利的。這在該光電組件是一種LED時是有利的，此時輻射的發射是經由與該載體相面對的表面(該生長基板由此表面剝除)來發出。具有使反射率提高的層之載體使載體的方向中所發出的輻射有利地反射至輻射發出側，使該載體中的吸收率下降。
該磊晶層序列較佳是生長在該生長基板上，以便首先生長一種n-摻雜之半導體層區域，且然後生長一種p-摻雜之半導體層區域，其中該活性層配置在該n-摻雜之半導體層區域和該p-摻雜之半導體層區域之間。當該生長基板在該磊晶層序列生長之後被剝除時，相對於傳統之光電組件而言一結構化的該n-摻雜之半導體層區域可被接近(accessible)。
該n-摻雜之半導體層區域中較佳是在該生長基板被剝除之後進行一種結構化。例如，該光電組件可以是一種LED，其中該輻射經由一表面而發出，該表面上原來配置著該生長基板。在此種由該生長基板所空出的表面上可有利地產生一種結構，藉此可使該輻射由半導體材料發出時的發射性獲得改良。該結構特別是可為一種粗糙區或稜鏡結構。
該磊晶層序列之n-摻雜之半導體層區域在結構化時的可接近性(accessibility)特別是在該光電組件是一種半導體雷射時亦是有利的。例如，n-摻雜之半導體層區域可結構化成一種肋條波導，其中肋條波導-雷射較佳是在p-摻雜之半導體層之此側上整面安裝在該載體上。
n-摻雜之半導體層之結構化相較於傳統之光電組件(其通常將p-摻雜之半導體層區域予以結構化)而言所具有的優點是，可使用更多之適當的電漿加工來進行結構化。已顯示的事實是，在p-摻雜之半導體層被結構化時在一些電漿加工中存在著以下的危險性：在進行電漿過程時層的電性會劣化。相較於此，n-摻雜之半導體層區域較不敏感，使電性劣化的危險性下降。
當光電組件是側射型半導體雷射時，將該生長基板由磊晶層序列中剝除亦是有利的。在此種情況下，在該生長基板剝除之後該磊晶層序列中側面之多角形平面可以簡單的方式藉由磊晶層序列之刻劃或裂開而產生，該些多角形平面形成側射型半導體雷射之共振鏡面。產生側面之多角形平面時所需的耗費因此可有利地下降。
本發明以下將依據第1至12圖中的實施例來詳述。
各圖式和實施例中相同-或作用相同的各組件分別設有相同的元件符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了清楚之故各圖式的一些元件已予放大地顯示出。
第1圖所示的光電組件之實施例是一種LED 100。LED 100具有生長基板1，其由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成。
在該生長基板1上可有利地施加多個緩衝層2，其具有Iny Alx Ga1-x-y N構成的緩衝層，其中x＜0.9且y＜0.1。
在該緩衝層2上施加一磊晶層序列6，包括：n-摻雜區3，其包含一個或多個半導體層；以及p-摻雜區5，其包含一個或多個半導體層。在n-摻雜區3和p-摻雜區5之間配置一活性層4。
磊晶層序列6之各層(特別是活性層4)是基於氮化物半導體。
活性層4是發出輻射13之層，其中所發出的輻射13較佳是來自紫外線或藍色或綠色可見光譜區之輻射。活性層4不只是一種單一層而且亦可包括多個部份層，特別是可包括單一或多重式量子井結構。
為了與LED 100形成電性接觸，則可在磊晶層序列6上施加一種p-接觸層11。一種n-接觸層12例如可施加在該生長基板1之背面上。
LED 100中所包含的由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板1之特徵是小的缺陷密度，其較佳是小於1×107 cm-2 ，特別是小於1×106 cm-2 。對該磊晶層序列6之良好的晶格適應性可藉由接合在該生長基板1和該磊晶層序列6之間的緩衝層序列來達成。緩衝層2之成份較佳是能以步進方式或梯度的形式來改變，以藉由緩衝層序列2之生長而造成儘可能小的機械應力及與此機械應力相關的缺陷。此外，該生長基板1之優點在於，可較GaN基板以成本更有利的方式來製成。
在製造該LED 100時，較佳是在該生長基板1上磊晶生長該緩衝層序列2之前對該生長基板進行一種溫度處理。此溫度處理可有利地當場進行，即，在隨後的各層之磊晶生長用的塗層室中進行。此溫度處理較佳是在一種大於1000℃之溫度中進行，特別是在1000℃和1100℃之間的溫度中進行。藉由此種溫度處理，其較佳是在供應有NH3 氣體或H2 氣體的情況下進行，則可有利地將污染物(例如，氧化物或碳化合物)由基板表面上去除。
第2圖所示的LED 100之實施例不同於第1圖之處是，n-接觸層12不是配置在該生長基板1之背面上而是像p-接觸層11一樣配置在LED 100之與該生長基板1相面對的此側上。為了製成該n-接觸區，該磊晶層序列6較佳是在LED 100之邊緣區域中向下蝕刻至該n-摻雜區3中，以使該n-摻雜區3設有該n-接觸層12。活性層4和p-摻雜區5因此藉由電性絕緣的鈍化層14而與該n-接觸層12相絕緣，該緩衝層14特別是施加在該磊晶層序列6之裸露的側面邊緣上。此種方式的電性接觸在該生長基板為不導電性時特別有利。對該LED 100達成電性接觸的另一種可能方式在不導電的生長基板的情況下是，使該生長基板1之背面之通孔經由該生長基板1而延伸到至少一個n-摻雜區3中(未顯示)。
第3圖所示的光電組件的實施例是一種側射型半導體雷射101。就像先前的實施例的LED一樣，該側射型半導體雷射101生長在一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板1上。在該側射型半導體雷射101之該生長基板1和磊晶層序列6之間配置多個緩衝層2，其較佳是包括多個由Iny Alx Ga1-x-y N(其中x＜0.9且y＜0.1)構成的層。該側射型半導體雷射之電性接觸例如是藉由一種施加在該磊晶層序列6上的p-接觸層11和一配置在該生長基板1之背面上的n-接觸層12來達成。
該側射型半導體雷射之磊晶層序列6包含一活性層4，其配置在第一波導層9和第二波導層10之間。在遠離該活性層4之此側上有一第一外罩層7鄰接於第一波導層9，且第二外罩層8鄰接於第二波導層10。
面向該生長基板1之第一外罩層7和該第一波導層9較佳是n-摻雜，且第二外罩層8和由該生長基板1來觀看時配置在該活性層4上方的第一波導層10是p-摻雜。外罩層7，8之特徵是其折射率較波導層9，10還小，且因此使在橫向中傳導的雷射輻射13可在各波導層9，10中傳送。
該生長基板1之優點是小的缺陷密度，這樣特別是可使該側射型半導體雷射101可獲得長時間的穩定性。此外，在與使用GaN生長基板的情況相比較下可使製造成本較低。
第4圖中顯示側射型半導體雷射101之另一實施例。此實施例不同於第3圖之處是，磊晶層序列6不含有面向該生長基板1之第一外罩層。本實施例中該第一波導層9直接施加在該緩衝層序列2上且只有該由生長基板來觀看時配置在該活性層4上方之第二波導層10是與第二外罩層8相鄰接。當該由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板1及/或該含有多個由Iny Al1-x Gax N(其中x＜0.9且y＜0.1)構成的層之緩衝層序列2由於鋁成份而具有較小的折射率時，則第一外罩層可有利地省略，該折射率已足夠使雷射束在由活性層4、第一波導層9和第二波導層10所形成的波導中進行光學傳送。藉由該面向生長基板1之外罩層之省略，則製造費用可有利地下降。此外，該磊晶層序列6之層厚度可下降，這樣可使該活性層4所產生的熱更有效地排出至生長基板1中。
第5圖所示的光電組件的實施例是一種肋條波導-雷射102。此肋條波導-雷射102之層序列對應於第3圖之實施例。此肋條波導-雷射102不同於第3圖之實施例之處是，在上部(upper)之外罩層8和該p-接觸層11中產生一種條片以形成一肋條波導。此條片之製成例如可藉由蝕刻過程來達成，其中該p-接觸層11和該外罩層8之一些部份須去除，只保留著一種條形的區域。該外罩層8和p-接觸層11之裸露的區域分別設有一鈍化層14。在p-接觸層11上施加一接觸層15，其中該外罩層8之配置在中央條片之外部的區域藉由該鈍化層14而與該接觸層15相隔開。藉由此種方式的結構化和接觸，則該活性區4中的雷射發射可被限制在中央的條形區域上。
肋條波導-雷射102之n-側接觸例如是藉由n-接觸層12來達成，此n-接觸層可配置在該生長基板1之遠離該活性層4之背面上。在該生長基板1不導電的情況下，該接觸層12亦可作為接觸區而經由生長基板延伸至該n-摻雜層，例如，延伸至緩衝層2。
第6圖顯示肋條波導-雷射102之另一實施例，其不同於第5圖之實施例之處是該n-接觸層之製造方式。在第6圖所示之肋條波導-雷射102中，接觸方式以類似於第2圖所示的LED的方式來達成。該磊晶層序列6在肋條波導-雷射102之邊緣區域中向下蝕刻至該n-摻雜之半導體層7，9之區域中，使半導體層7，9可與n-接觸層12相接觸。活性層4和p-摻雜的半導體層8，10因此藉由鈍化層14而在電性上與該n-接觸層12相隔開。此種方式的電性接觸在該生長基板不具有導電性時特別有利。
第7圖所示的光電組件的實施例是一種具有共振空腔之LED(RCLED)103。此RCLED103具有像先前的實施例一樣的生長基板，其由Al1 -x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成。在該生長基板1上施加多個由Iny Alx Ga1-x-y N(其中x＜0.9且y＜0.1)構成的緩衝層2。在緩衝層2上施加一種磊晶層序列6，其包含一種DBR鏡面。此DBR鏡面16包含多個由第一層和第二層構成的層對，其材料成份不同且折射率因此亦不同。
該層對較佳是包括由Iny1 Alx1 Ga1-x1-y1 構成的第一層和由Iny2 Alx2 Ga1-x2-y2 構成的第二層，其中鋁含量x1＞0.01且x2＞0.05且x1≠x2。藉由DBR鏡面16之層對以較高的鋁含量而生長在該生長基板1上以及生長在該DBR鏡面16上所施加的緩衝層序列2上，則可在該DBR鏡面16之第一層和第二層之間達成一種高的折射率對比，使層對的數目可較傳統的DBR鏡面(其上的層具有相同的反射率)還少。以此種方式，則可有利地使磊晶層序列6之層厚度有利地下降，這對由該活性層4所產生的熱之排出具有良好的作用。
為了可有利地將該活性層4所產生的熱排出，則在與傳統之用來生長氮化物化合物半導體用的基板(例如，藍寶石或GaN基板)相比較下，由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)所構成的生長基板須另外具有一較佳的導熱性。
DBR鏡面16之半導體層較佳是n-摻雜。在DBR鏡面16上然後設有至少一個n-摻雜的半導體層3之區域、該活性層4和至少一p-摻雜的半導體層5。在該p-摻雜的半導體層5上施加一個p-接觸層11，其將該活性層4所發出的輻射13之一部份反射回去且因此與該DBR鏡面16形成一種空腔。以此種方式，則RCLED 103可在垂直於活性層4之一優先方向中發出強度較大的輻射13。為了達成一種小的輻射橫切面，則一部份具有反射性的p-接觸層12只施加在該p-摻雜區5之中央的部份區域上，其中側面相鄰的各區域較佳是設有一鈍化層14。
該生長基板1及其上所施加的DBR鏡面16之如第7圖所示的實施例中所述的優點亦可適用於第8圖所示的光電組件，其是一種具有垂直共振器(VCSEL)104之面射型半導體雷射，其中該DBR鏡面16形成雷射輻射13用之第一共振鏡面。該面射型半導體雷射之第二共振鏡面是由一種由該活性層4觀看時與第一DBR鏡面16相面對的第二DBR鏡面18所形成。相較於第一DBR鏡面16(其較佳是由交替的n-摻雜的半導體層所形成)而言，第二DBR鏡面18是由交替的介電質層所形成。第二DBR鏡面18施加在一種透明的接觸層17上，該接觸層17用來與該面射型半導體雷射104形成電性接觸。該透明的接觸層17在該面射型半導體雷射104之中央區中是與該p-摻雜區5相鄰接。為了將電流以及雷射束13之產生限制在該面射型半導體雷射104之中央區上，則該面射型半導體雷射之邊緣區中的透明的接觸層17須藉由鈍化層14而與磊晶層序列相隔開。在該DBR鏡面18之側面處，該透明的接觸層可設有多個接觸金屬層15。由該面射型半導體雷射104所產生的輻射13是經由第二DBR鏡面18而發出。該面射型半導體雷射104之電性接觸一方面是藉由與各接觸金屬層15相連接的透明之接觸層17且另一方面是藉由一種施加在該生長基板之背面上的n-接觸層12來達成。
另一方式是，該面射型半導體雷射104之n-摻雜側之電性接觸亦可如第6圖所示的肋條波導-雷射一樣的方式來達成。該n-接觸層12在不具導電性的生長基板1之情況下亦可藉由經由該生長基板1之通孔而與該面射型半導體雷射104之n-摻雜之半導體層導電性地相連接。
第9a至9e圖中顯示本發明中依據多個中間步驟之方法之一實施例。
第9a圖所示的中間步驟中，須製備一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)所構成的生長基板，其上應生長一光電組件之磊晶層序列。該生長基板1可有利地當場(即，在用來生長該磊晶層序列之塗層室中)受到一種溫度處理，其是在大於1000℃之溫度T中進行，例如在1000℃和1100℃之間進行。此溫度處理較佳是在供應有H2 氣或NH3 氣體之情況下進行，且用來將含有碳及/或氧的污染物由該生長基板1之表面中去除。
第9b圖所示的中間步驟中，半導體層序列生長在該已預處理的生長基板1上。直接在該生長基板1上生長一緩衝層序列2，其含有多個由Iny Al1-x Gax N(其中x＜0.9且y＜0.1)構成的層。在緩衝層2上生長該光電組件之磊晶層序列6，其包括至少一個n-摻雜的半導體層3、該活性層4和至少一個p-摻雜的半導體層5。在該至少一個p-摻雜的半導體層5上施加一種p-接觸層11。該磊晶層序列6因此對應於第1圖所示的LED的實施例。
在本方法之第9c圖中所示的中間步驟中，在p-接觸層11上施加一載體19。此載體19較佳是具有導電性，以便經由該載體19來使本方法所製成的光電組件有利地可被電性接觸。
然後，藉由一種雷射剝蝕方法將該生長基板1剝離。於此，雷射束20經由該生長基板1而入射至先前已施加的各個半導體層。於此，由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)所構成的生長基板1可有利地透過由半導體層所吸收的雷射束。雷射束20較佳是在緩衝層序列2之區域中被吸收，其中此雷射束20之吸收會造成半導體材料的分解，使半導體本體在此區域中分離，如第9d圖所示。在半導體本體藉由雷射剝蝕方法而分離之後，該生長基板1(情況需要時包括該緩衝層序列2a之剩餘部份)和該磊晶層序列6分開地處於該載體19上。
該緩衝層序列2a,2b之殘留在半導體本體之中央半部上的其餘部份如可藉由蝕刻方法而由該生長基板1或由該磊晶層序列6中去除。這樣所顯示的優點特別是，該生長基板1可繼續使用以生長其它的半導體層序列。
藉由具有載體19和磊晶層序列6之已分離的半導體本體，則在隨後的各步驟中可製成該光電組件。較佳是如第9e圖所示，該磊晶層序列6之由緩衝層序列之殘留部所空出的n-摻雜區3設有一種結構21，藉此可使該光電組件所發出的輻射之發射性獲得改良。例如，該n-摻雜區3之與載體19相面對的表面(上述輻射由此表面發出)可被粗糙化，使該活性層4所發出的輻射之在該n-摻雜區3和周圍介質之間的界面上被全反射的成份可下降。
此外，該n-摻雜區3之表面之至少一部份區域設有一種n-接觸層12，以製成該光電組件，即，LED 100。
第10，11，12圖中顯示光電組件之另外三個實施例，其是以本發明的方法來製成。這些實施例之共同處是，光電組件中所含有的磊晶層序列分別生長在一種由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板上，在與該生長基板相面對的此側上使該磊晶層序列與一載體相連接之後，該生長基板由該磊晶層序列剝離。這些步驟對應於第9a至9d圖所示的步驟，因此以下不再說明。
第10，11和12圖中所示的光電組件不同於第9e圖之磊晶層序列6之形式且亦不同於該藉由生長基板之剝離而可接近之n-摻雜之半導體層之結構化方式。以下將詳述與第9e圖所示的LED 100之不同處。
第10圖所示的光電組件是一種肋條波導-雷射102，其磊晶層序列6對應於第5圖所示之實施例，即，其包含一個n-摻雜之第一外罩層7、一個n-摻雜的第一波導層9、活性層4、第二p-摻雜的波導層10和第二p-摻雜的外罩層8。相較於第5圖之實施例而言，該肋條波導-雷射102之肋條波導不是產生於p-摻雜的外罩層8中而是產生於n-摻雜之外罩層7中，該外罩層7在該生長基板剝離之後可被接近以進行結構化。該n-摻雜的外罩層7例如藉由蝕刻過程而被結構化成一種肋條波導，其中在側面上與此肋條波導相鄰接的各區域分別設有鈍化層14。在設有鈍化層14之肋條波導上施加一種n-接觸層12。此條形雷射102之p-側之接觸是經由一施加在p-摻雜之外罩層8上的p-接觸層11來達成。在p-接觸層11上配置可導電的載體19。
在n-摻雜之外層7中產生該肋條波導時所顯示的優點是，可使電性劣化之危險性下降，此乃因在與p-摻雜層比較下該n-摻雜層之電性相對於蝕刻過程(特別是電漿蝕刻過程)較不敏感。
第11圖顯示一種面射型半導體雷射104形式之光電組之一實施例，其具有垂直共振器(VCSEL)，其中該磊晶層序列6生長在由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0＜x＜0.99且0≦y≦1)構成的生長基板上，且該生長基板將由磊晶層序列6剝離，使該n-摻雜的半導體層之區域可被接近而被結構化。
該面射型半導體雷射104之磊晶層序列6具有至少一個p-摻雜區5、活性層4、n-摻雜區3和n-摻雜之DBR鏡面16。該n-摻雜之半導體層3，16和該活性層4被結構化成一種平台(mesa)。在未結構化的p-摻雜區5上，在遠離該活性區4之此側上施加一種DBR鏡面18，其較佳是由介電質來形成。n-摻雜之DBR鏡面16和DBR鏡面18形成該面射型半導體雷射104之雷射共振器。
較佳是對該DBR鏡面18進行結構化，使其具有與藉由活性層4、n-摻雜區3和DBR鏡面16所形成的平台相同的範圍。在該半導體本體與載體19相連接之前，介電質之DBR鏡面18例如在該生長基板剝離之前被結構化。該面射型半導體雷射104之電性接觸是經由p-接觸層11來達成，p-接觸層11配置在DBR鏡面層18之側面且與p-摻雜區5相鄰接。一種n-接觸層12施加在該DBR鏡面16上。該n-接觸層12較佳是一種透明的接觸層，特別是由可導電之透明氧化物(例如，ITO或ZnO)所構成，或該n-接觸層12較佳是具有一種十字形的開口以使該面射型半導體雷射104所發出的輻射發出。該載體19配置在該DBR鏡面18及其側面處之p-接觸層11上。
第12圖所示的以本發明的方法製成的光電組件是一種具有共振空腔(RCLED)103之LED。此RCLED 103就像第11圖所示的VCSEL一樣具有一種平台結構，其包括活性層4、n-摻雜區3和n-摻雜之DBR鏡面16。同樣，該RCLED 103具有至少一個p-摻雜區5。相對於先前之實施例中所述的VCSEL而言，該RCLED 103在p-摻雜區5上未具有另一DBR鏡面而是只具有一部份具有反射性的p-接觸層11。在此一具有反射性的p-接觸層11上，該RCLED 103是與一可導電的載體19相連接。藉由在n-摻雜的DBR鏡面16上施加一種n-接觸層12，以製成該RCLED 103之第二電性接觸區。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1．．．生長基板
2．．．緩衝層序列
3．．．n-摻雜的半導體層
4．．．活性層
5．．．p-摻雜的半導體層
6．．．磊晶層序列
7．．．第一外罩層
8．．．第二外罩層
9．．．第一波導層
10．．．第二波導層
11．．．p-接觸區
12．．．n-接觸區
13．．．發出的輻射
14．．．鈍化層
15．．．接觸金屬層
16．．．DBR鏡面
17．．．透明之接觸層
18．．．第二DBR鏡面
19．．．載體
20．．．雷射束
21．．．結構
100．．．LED
101．．．側射型半導體雷射
102．．．肋條波導-雷射
103．．．RCLED
104．．．面射型半導體雷射
第1圖本發明第一實施例之光電組件之橫切面圖。
第2圖本發明第二實施例之光電組件之橫切面圖。
第3圖本發明第三實施例之光電組件之橫切面圖。
第4圖本發明第四實施例之光電組件之橫切面圖。
第5圖本發明第五實施例之光電組件之橫切面圖。
第6圖本發明第六實施例之光電組件之橫切面圖。
第7圖本發明第七實施例之光電組件之橫切面圖。
第8圖本發明第八實施例之光電組件之橫切面圖。
第9圖本發明之製造方法之中間步驟的一實施例的圖解。
第10圖以本發明的製造方法所製成的光電組件之一實施例。
第11圖以本發明的製造方法所製成的光電組件之另一實施例。
第12圖以本發明的製造方法所製成的光電組件之另一實施例。
1．．．生長基板
2．．．緩衝層序列
3．．．n-摻雜的半導體層
4．．．活性層
5．．．p-摻雜的半導體層
6．．．磊晶層序列
11．．．p-接觸區
12．．．n-接觸區
13．．．發出的輻射
100．．．LED

Claims (12)

  1. 一種光電組件，其具有氮化物半導體系之磊晶層序列(6)，此磊晶層序列(6)包括一活性層(4)此光電組件之特徵為：其具有由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0<x<0.99且0≦y≦1)構成的生長基板(1)，其中在該生長基板(1)上施加多個由Iny Alx Ga1-x-y N(其中x<0.9且y<0.1)構成的緩衝層(2)。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中該生長基板(1)具有小於107 cm-2 之缺陷密度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光電組件，其中該磊晶層序列(6)包括一個DBR鏡面(16)，此DBR鏡面(16)具有多個層對，其分別包括由Iny1 Alx1 Ga1-x1-y1 N構成的第一層和由Iny2 Alx2 Ga1-x2-y2 N構成的第二層，其中鋁含量x1>0.01且x2>0.05。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之光電組件，其中該光電組件是側射型半導體雷射(101)。
  5. 如申請專利範圍第4項之光電組件，其中該側射型半導體雷射(101)之活性層(4)配置在二個波導層(9，10)之間，由該活性層(4)來觀看時該與該生長基板(1)相面對的波導層(10)之後配置一外罩層(8)，且該生長基板(1)和面向該生長基板(1)之波導層(9)之間未配置外罩層。
  6. 一種光電組件之製造方法，包括以下各步驟：-製備由Al1-x (Iny Ga1-y )x N或In1-x Gax N(其中0<x<0.99且0≦y≦1)構成的生長基板(1)，以及-生長以氮化物半導體為主之磊晶層序列(6)，其具有一活性層(4)，其中在生長該磊晶層序列(6)之前在該生長基板(1)上生長多個由Iny Alx Ga1-x-y N(其中x<0.9且y<0.1)構成的緩衝層(2)。
  7. 如申請專利範圍第6項之製造方法，其中在生長該磊晶層序列(6)之後將該生長基板(1)剝除。
  8. 如申請專利範圍第7項之製造方法，其中在剝除該生長基板(1)之前在與該生長基板(1)相面對的表面上使該磊晶層序列(6)與一載體(19)相連接。
  9. 如申請專利範圍第7項之製造方法，其中在生長該磊晶層序列(6)時首先生長n-摻雜之半導體層(3)區域且隨後生長p-摻雜之半導體層(5)區域，且在該n-摻雜之半導體層(3)區域中在該生長基板(1)剝除之後進行結構化。
  10. 如申請專利範圍第9項之製造方法，其中該結構化包括一種結構(21)之製成，以使由該磊晶層序列(6)所發出的輻射的發射性獲得改良。
  11. 如申請專利範圍第9項之製造方法，其中在n-摻雜之半導體層(3)區域中產生一種條形結構以製成肋條波導-雷射(102)。
  12. 如申請專利範圍第6項之製造方法，其中藉由對該磊晶層 序列(6)之刻劃和裂開而在該磊晶層序列(6)中產生側射型半導體雷射(101)用之側面多角形平面。
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