TWI437732B - 半導體發光元件 - Google Patents

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Koji Okuno
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Toyoda Gosei Kk
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Description

半導體發光元件
本發明係關於經提升光抽出效率之III族氮化物類化合物半導體所構成之半導體發光元件。
III族氮化物類化合物半導體發光元件受到廣泛使用，多人對其特性進行大幅改良。III族氮化物類化合物半導體發光元件之製造方法一般而言係於藍寶石或其他不同種基板使III族氮化物類化合物半導體磊晶成長。此半導體發光元件中，提升光抽出效率已成為一課題。為提升朝外部抽出光線之光抽出效率，於下列專利文獻1中，在藍寶石基板上呈條紋狀形成折射率小於GaN之SiO2 等介電質，使GaN自基板露出面橫跨介電質上表面氣相沉積。
且專利文獻2中揭示有下列者：在a面藍寶石基板面上，呈條紋狀沿m軸方向平行形成多數溝槽，自溝槽之c面側面以垂直於側面之方式沿c軸方向使GaN成長，藉此形成以m面為主面之GaN。專利文獻2如此獲得以非極性面為主面之GaN。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2009-54898號公報
[專利文獻2]日本特開2009-203151號公報
然而，專利文獻1、2皆形成有條紋狀溝槽，在垂直於條紋方向之剖面中，於基板表面，凹凸呈周期性重複。因此，在基板面上，沿垂直於條紋方向之方向前進的光於凹凸面受到散射，易於抽出至外部。然而，沿條紋方向前進分量之光於凸部中，或凹部中前進，因溝槽側壁反射而受到引導並被傳遞。然而，沿其傳遞方向不存在反射面，故不會受到散射，無法將光抽出至外部。
且若呈格子狀形成溝槽，相較於呈條紋狀形成溝槽時，沿平行於條紋之方向前進之光亦會散射，故光之抽出效率可獲得提升。若如專利文獻2，以主面為非極性面，發光效率雖可獲得提升，但一旦以專利文獻2之成長方法，於基板呈格子狀形成溝槽，溝槽側面之面方位即會不相同，故成長方位會不一致，無法獲得以均一非極性面為主面之半導體層。因此，基板之加工不得不為條紋狀。
為解決如此課題，本發明之目的在於提供一種半導體發光元件，在基板面上平行形成多數條紋狀溝槽，其特徵在於可提升將光抽出至外部之抽出效率。
第1發明係一種半導體發光元件，各層由III族氮化物類化合物半導體所構成，其特徵在於包含：藍寶石基板，沿在表面上所選取之第1方向平行排列有多數條紋狀溝槽；介電質，於該藍寶石基板面上及該溝槽沿該第1方向不連續地形成；基底層，自該溝槽側面成長，包覆該藍寶石基板面上及該介電質上表面，由III族氮化物類化合物半導體所構成；及元件層，構成在該基底層上所形成之發光元件。
作為介電質，可使用氧化矽(SiOx )、氮化矽(Six Ny )、氧化鈦(TiOx )、氧化鋯(ZrOx )等氧化物、氮化物等單層膜，或此等者之多層膜。特別是若使用在氧化矽(SiOx )上使用氮化矽(Six Ny )之2重保護膜，即可防止SiOx 分解而朝GaN擴散，故相當理想。且可使用SiOx Ny ，使組成比x、y變化，任意設定折射率。因此，藉由適當設定組成比x、y，相對於藍寶石基板、基底層之折射率，適當設定折射率，藉此可提升光抽出效率。介電質可使用蒸鍍、濺鍍、CVD等氣相沉積法成膜。
上述發明中，介電質亦可在基板面上，沿與第1方向交叉之第2方向，呈條紋狀連續形成。
上述發明中，介電質亦可在基板面上，沿與第1方向交叉之第2方向，不連續地形成。
上述發明中，第2方向宜係相對於第1方向直交之方向。排列有介電質之第2方向係相對於作為條紋延伸之方向之第1方向，非平行之方向，亦即，交叉之方向即可。第2方向相對於第1方向直交最佳。
且另一發明中，基底層形成元件層之主面相對於係c面時之內部電場內部電場在10%以下。典型的有基底層之主面係相對於c面呈90度之無極性面，或與c面所構成之角度為60度之半極性面者。無極性面中低指數面之一例係m面、a面。半極性面低指數面之一例係(11-22)面。此等面外，主面係c面時內部電場為最大，故可使用相對於此最大值內部電場在10%以下之面(以下，定義為非極性面)。在10%以下是為了使其實質上不降低發光效率，不朝長波長側波長移位。
藉由使其自條紋狀溝槽側面成長，主面結晶方位可一致，呈上述同一非極性面。此時，藉由縮小內部電場，可提升發光效率或防止朝長波長波長移位。又，此時，若為提升光抽出效率，呈格子狀形成藍寶石基板溝槽，自溝槽側面結晶成長時，主面結晶方位即會不一致。因此，在以主面為非極性面之半導體發光元件中，使用本發明特別有效。
又一發明中，藍寶石基板經氮化處理，形成氮化鋁層。此時，可使III族氮化物類化合物半導體自溝槽側面沿垂直於側面之方向橫向成長。此時，自基板上表面可不結晶成長，而僅自溝槽側面沿垂直於側面之方向結晶成長。氮化鋁層亦可約為1單分子層至數單分子層。
且於溝槽側面宜形成緩衝層。此時，亦可使III族氮化物類化合物半導體不自基板上表面結晶成長，而僅自溝槽側面沿垂直於側面之方向結晶成長。
本發明中，介電質於在表面上平行形成多數條紋狀溝槽之藍寶石基板之基板面上及溝槽內，沿溝槽延伸之方向不連續地形成，沿與溝槽延伸之方向交叉之方向，則連續或不連續地形成之。因此，沿溝槽延伸之方向前進之光亦藉由介電質確實地被反射，故可提升將光抽出至外部之抽出效率。使基底層形成元件層之主面為一非極性面，其內部電場為在係c面時之內部電場之10%以下時，特別有效。
以下，根據具體實施例說明本發明。本發明不限定於以下實施例。
本發明可用於使藍寶石基板在上，接合半導體層側於引線框架之所謂以面朝下方式使用之覆晶型發光元件。然而，亦可用於在藍寶石基板背面形成反射膜，自半導體層上表面朝外部輸出光之以面朝上方式使用之引線接合型發光元件。
所謂III族氮化物半導體係一般式以Alx Gay Inz N(x+y+z=1，O≦x、y、z≦1)表示之半導體，亦包含將Al、Ga、In一部分以係其他第3B族元素(第13族元素)之B或Tl取代者、將N一部分以係其他第5B族元素(第15族元素)之P、As、Sb、Bi取代者。更一般而言，顯示至少包含Ga之GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN。雖未經限定，但基底層一般而言係使用無摻雜之GaN。作為n型雜質通常使用Si，作為p型雜質通常使用Mg。元件層中雖未經限定，但使用摻雜Si之n型GaN之n型接觸層、AlGaN與GaN或InGaN多層所構成之n型被覆層、MQW之發光層、AlGaN與GaN或InGaN多層所構成之p型被覆層、摻雜Mg之p型GaN之p型被覆層。然而，此等者係一例，可使用添加有In，或上述任意組成比之化合物半導體。半導體發光元件之層構成任意，且各層組成比亦任意。作為使III族氮化物半導體層結晶成長之方法，分子束氣相沉積法(MBE)、有機金屬氣相沉積法(MOVPE)、氫化物氣相沉積法(HVPE)、液相成長法等有效。
[實施例1]
圖1係顯示用於依實施例1之半導體發光元件1之藍寶石基板10之構成。在藍寶石基板10表面上平行形成多數沿於表面上所選取之第1方向(x軸方向)延伸之條紋狀溝槽11。溝槽11在藍寶石基板10面上沿與第1方向直交之第2方向(y軸方向)以等間隔方式形成多數。其餘之面為基板上表面10a，藉由上表面10a與溝槽11之側面11a，構成條紋狀凸部12。溝槽11y軸方向寬為1.5μm，凸部12y軸方向寬為1.5μm，溝槽11之周期為3μm。溝槽11之深度為0.1μm。溝槽11之深度可在100Å以上，3μm以下之範圍內。
如圖2所示，沿第2方向(y軸方向)呈條紋狀延伸之SiO2 所構成之多數介電質15平行形成於藍寶石基板10之溝槽11之底面11b、側面11a及藍寶石基板10之上表面10a。介電質15之x軸方向寬為1.5μm，厚度為0.1μm。此介電質15之厚度可在100Å以上，1μm以下之範圍內。
圖3係顯示本實施例1之半導體發光元件1之剖面圖。半導體發光元件1係發出藍色區域波長光之覆晶型發光二極體(LED)。此半導體發光元件1在順電壓為3.2V，順電流為350mA時，發出峰波長為450nm之光。且半導體發光元件1以俯視視之形成為長方形狀。半導體發光元件1之平面尺寸其1邊大致為1000μm，另一邊大致為500μm。此外，亦可形成為1邊在300μm以上，1000μm以下之正方形。在圖2所示之構成之藍寶石基板10上，沉積有圖3所示之氮化鋁(AlN)所構成之膜厚約10nm之緩衝層102。亦即，於溝槽11之底11b、側面11a、上表面10a、介電質15上表面15a、側面15b形成緩衝層102。
在該緩衝層102上形成無摻雜之GaN所構成之基底層103。在該基底層103上形成係摻雜矽(Si)之GaN所構成之膜厚約3~4μm之高載子濃度n+ 層之n型接觸層104。此n型接觸層104之電子濃度為8×1018 /cm3 。此層之電子濃度盡量宜高，可增加至2×1019 /cm3 。又，在n型接觸層104上形成靜電耐壓改善層(ESD 層)105。ESD層105自n型接觸層104側起係第1ESD層、第2ESD層、第3ESD層之3層構造。第1ESD層係Si濃度為1×1016 ~5×1017 /cm3 之n-GaN。第1ESD層之厚度為200~1000nm。且於第1ESD層表面雖起因於穿通錯位而會產生少數坑洞，但其坑洞密度在1×108 /cm2 以下。第2ESD層係無摻雜之GaN。第2ESD層之厚度為50~200nm。於第2ESD層表面亦會產生坑洞，其坑洞密度在2×108 /cm2 以上。第2ESD層雖無摻雜，但因殘留載子載子濃度為1×1016 ~1×1017 /cm3 。又，第2ESD層中，於載子濃度在5×1017 /cm3 以下之範圍內亦可摻雜Si。第3ESD層係摻雜Si之GaN，以Si濃度(/cm3 )與膜厚(nm)之積定義之特性值為0.9×1020 ~3.6×1020 (nm/cm3 )。例如，第3ESD層之厚度為30nm時Si濃度為3.0×1018 ~1.2×1019 /cm3 。
又，在該ESD層105上，形成有膜厚20nm之無摻雜GaN與膜厚3nm之無摻雜Ga0.8 In0.2 N所構成之堆疊3周期分之多重量子井構造(MQW)之發光層106。在發光層106上形成摻雜鎂(Mg)之Al0.15 Ga0.85 N所構成之膜厚約60nm，相當於被覆層之p型層107。且在p型層107上形成摻雜鎂(Mg)之GaN所構成之膜厚約130nm之p型接觸層108。
且在p型接觸層108上形成藉由MOCVD法形成之ITO所構成之透明導電膜20。在該透明導電膜20上，形成SiO2 所構成之第1絕緣性保護膜21。透明導電膜20之厚度為0.3μm。第1絕緣性保護膜21其厚度為200nm。在第1絕緣性保護膜21上，形成Al或Ag所構成之反射膜50，其厚度100nm。在其上，形成第2絕緣性保護膜22，其厚度200nm。因此，反射膜50埋設於第1絕緣性保護膜21與第2絕緣性保護膜22呈一體之絕緣性保護膜中。且於穿通第1絕緣性保護膜21、第2絕緣性保護膜22與反射膜50而開放之窗口，形成接合透明導電膜20之第2中間電極40。第2中間電極40以厚度0.01μm之鈦(Ti)與厚度0.5μm之金(Au)之2重構造構成。且第2中間電極40亦可以Ti與Au之合金構成。
另一方面，自p型接觸層108起進行蝕刻，在露出之n型接 觸層104上，形成第1中間電極30。第1中間電極30係2重構造，依序將膜厚約18nm之釩(V)層31與膜厚約1.8μm之鋁(Al)層32堆疊於係n型接觸層104部分露出之部分之電極形成部16，藉此構成之。又，將矩形形狀之第2電極70配置於第2絕緣性保護膜22上，俾連接複數第2中間電極40，將矩形形狀之第1電極60配置於第2絕緣性保護膜22上，俾連接複數第1中間電極30。此等第2電極70與第1電極60係連接引線框架之凸塊。
依本實施例之半導體發光元件1由上述構成所構成。其次，說明關於本半導體發光元件1之製法。
(溝槽形成程序)
首先，於以a面為主面之藍寶石基板10之表面10a，使用遮罩進行ICP蝕刻，藉此形成長邊方向(第1方向，x軸方向)係藍寶石基板10之m軸方向，平行於m軸呈條紋狀之多數溝槽11(圖4(a))。溝槽11平行於c軸(y軸方向)之面(yz面)中之剖面為矩形，於溝槽11之側面11a藍寶石之c面露出，於溝槽11之底面11b藍寶石之a面露出。
(介電質形成程序)
在如上述加工之藍寶石基板10表面，藉由濺鍍法使SiO2 均一沉積。其後，均一塗布光阻，沿與溝槽11延伸之方向直交之方向(y軸方向)呈條紋狀曝光並顯影，藉此將沿與溝槽11直交之方向(y軸方向)延伸之窗口形成於光阻。以其餘的光阻為遮罩，蝕刻SiO2 ，藉此如圖2所示，沿與溝槽11長度方向(x軸方向)直交之方向(y軸方向)，呈條紋狀形成介電質15。又，形成介電質15之方法亦可將沿y軸方向形成有條紋狀窗口之光阻形成在藍寶石基板10上後，藉由濺鍍法均一沉積SiO2 ，剝離光阻以形成之。
(緩衝層形成程序)
其次，將沿垂直於條紋狀溝槽11之方向平行形成有多數條紋狀介電質15之藍寶石基板10導入反應性磁控濺鍍，在500℃下形成AlN所構成之緩衝層102(圖4(b))。此時，AlN不僅形成於藍寶石基板10之表面10a(凸部12之上表面)，亦形成於溝槽11之側面 11a或溝槽11之底面11b、介電質15之上表面15a、側面15b。然而，於溝槽11之側面11a，形成較藍寶石基板10之表面10a或溝槽11之底面11b薄的AlN所構成之緩衝層102。於以下言及AlN所構成之緩衝層102之厚度時，係指形成在藍寶石基板10之表面10a上的AlN層的厚度。
又，通常為使因ICP蝕刻而導致藍寶石基板10產生之損傷復原，在形成AlN所構成之緩衝層102前會進行加熱藍寶石基板10至1000℃以上之處理，但於本實施例，不進行此復原損傷之熱處理，以殘留於溝槽11之側面11a或溝槽11之底面11b因ICP蝕刻而產生之損傷之狀態形成AlN層。
以下於MOCVD法使用之原料氣體中，作為氮源係氨(NH3 )，作為Ga源係三甲基鎵(Ga(CH3 )3 )，作為In源係三甲基銦(In(CH3 )3 )，作為Al源係三甲基鋁(Al(CH3 )3 )，作為n型摻雜氣體係矽烷(SiH4 )，作為p型摻雜氣體係環戊二烯鎂(Mg(C5 H5 )2 )，作為載持氣體係H2 或N2 。
(升溫程序)
其次，將形成有AlN緩衝層102之藍寶石基板10送入MOCVD裝置，在包含氫與氨之環境氣體中，昇溫至成長溫度。
(結晶成長程序)
接著，將TMG(三甲基鎵)導入MOCVD裝置內，於溝槽11之側面11a使GaN結晶所構成之基底層103磊晶成長(圖4(c))。基底層103之GaN結晶成長，俾藍寶石基板10之c軸方向與GaN結晶之c軸方向一致。關於此GaN結晶之c軸方向之極性，自溝槽11之側面11a朝溝槽11內側(中心側)之方向為-c方向。亦即，GaN自側面11a垂直朝-c軸方向成長，其成長面為-c面。
在此，調整AlN緩衝層102之厚度與GaN之成長溫度，俾基底層103之GaN結晶不自藍寶石基板10表面10a或溝槽11之底面11b成長，且自溝槽11之側面11a成長之GaN結晶作為成長方向c軸方向之成長具支配性。例如，AlN緩衝層102之厚度在使GaN以垂直於藍寶石基板主面之方向為GaN之c軸方向，朝該c 軸方向平坦地磊晶成長時，較設於藍寶石基板與GaN之間之AlN緩衝層之最小厚度薄，基底層103之GaN結晶之成長溫度通常較使GaN以垂直於藍寶石基板主面之方向為c軸方向磊晶成長時之成長溫度低即可。如此最小厚度之AlN之緩衝層102通常以濺鍍時間40秒形成，因此形成之厚度為150~200Å。且通常使GaN以垂直於藍寶石基板主面之方向為c軸方向磊晶成長時之成長溫度高於1100℃。藉此，因AlN緩衝層102之厚度在150Å以下，GaN之成長溫度在1100℃以下，基底層103之GaN結晶可不自藍寶石基板10之表面10a或溝槽11之底面11b成長，且自溝槽11之側面11a成長之GaN結晶作為成長方向c軸方向之成長具支配性。
一旦如此使基底層103之GaN結晶結晶成長，GaN結晶即朝c軸方向(-c方向)，亦即相對於藍寶石基板10水平地朝溝槽11之內側方向迅速成長，朝垂直於藍寶石基板10之方向亦逐漸緩慢成長(圖4(c))。又，若成長更為進展，溝槽11即會由GaN填滿，因朝水平於藍寶石基板10之方向(-c方向與+c方向雙方)成長藍寶石基板10之表面10a亦逐漸由GaN包覆，最後在藍寶石基板10上形成平坦的GaN結晶(圖4(d))。此基底層103之GaN結晶之主面為m面。此因藍寶石基板10之溝槽11之側面11a係c面，起因於GaN與藍寶石之晶格常數不同等。
且GaN結晶不自介電質15之上表面15a或側面15b成長。於條紋狀介電質15第1方向(x軸方向)兩側，自溝槽11之側面11a橫向成長之GaN結晶在介電質15之上表面15a上沿橫向成長而合為一體。藉由以上所示之製造方法，可獲得結晶性、表面平坦性高，以m面為主面之基底層103之GaN結晶。如此，形成GaN結晶所構成之基底層103。
其次，在基底層103之GaN結晶上，形成各元件層。亦即，分別調整各III族氮化物半導體磊晶成長之最佳溫度，並同時藉由MOCVD法依序堆疊III族氮化物半導體所構成之n型接觸層104、ESD層105、發光層106、p型層107、p型接觸層108。
以上關於各元件層之磊晶成長，係眾所皆知之方法。使各層 在基底層103上磊晶成長。其次，在p型接觸層108上全面使ITO均一沉積厚度0.3μm，形成透明導電膜20。其次，在該透明導電膜20上全面塗布光阻，使圖1之n型接觸層104該當電極形成部16之部分曝光並顯影，藉此於該部分形成窗口。又，以其餘之透明導電膜20與光阻為遮罩，進行乾蝕刻，使n型接觸層104露出以形成電極形成部16。其次，使用光阻之塗布、顯影，藉由光微影進行，眾所皆知之選擇成膜技術，除形成第1中間電極30與第2中間電極40之區域外，依序使第1絕緣性保護膜21、反射膜50、第2絕緣性保護膜22沉積。其次，同樣使用光微影，使接合n型接觸層104之第1中間電極30，與接合透明導電膜20之第2中間電極40沉積。其次，使第1電極60沉積，俾連接複數第1中間電極30，使第2電極70沉積，俾連接複數第2中間電極40，完成半導體發光元件。
如此之半導體發光元件1可以介電質15使沿溝槽11之長度方向傳遞之光散射，故可提升朝外部抽出光之光抽出效率。
於實施例1，為有效使沿溝槽11之條紋方向(第1方向)傳遞之光散射，溝槽11之條紋方向與介電質15之條紋方向(第2方向)構成之角度宜在30度以上，150度以下。
[實施例2]
作為實施例2，使用圖5所示之藍寶石基板80。藍寶石基板80與實施例1相同，係形成多數條紋狀溝槽11，圖1所示之藍寶石基板。在此藍寶石基板80上，呈點狀形成SiO2 所構成之介電質85。使用此藍寶石基板80作為基底層103之成長基板，同樣地形成圖3之構成之半導體發光元件1。此介電質85為直徑1.5μm之圓柱，在藍寶石基板80之表面80a上之厚度為0.1μm。介電質85完全填滿溝槽11第2方向全寬，在係存在於溝槽11兩側之凸部12上表面之藍寶石基板80上表面80a，包覆該凸部12之寬的1/2。介電質85雖沿第2方向(y軸方向)之直線排列，但不連續。如此構成之半導體發光元件中，所發出之光因呈點狀分散之介電質85而有效地散射，故可提升朝外部抽出光之光抽出效率。又，此介 電質85雖在沿第2方向延伸之直線上排列，但亦可在藍寶石基板80平面上不規則地排列。且介電質85亦可包覆凸部12全寬。
[實施例3]
作為實施例3，使用圖6所示之藍寶石基板90。藍寶石基板90與實施例1相同，係形成多數條紋狀溝槽11，圖1所示之藍寶石基板。在此藍寶石基板90上，呈點狀形成SiO2 所構成之介電質95。使用此藍寶石基板90作為基底層103之成長基板，同樣地形成圖3之構成之半導體發光元件1。此介電質95為直徑1.5μm之圓柱，在藍寶石基板90之表面90a上之厚度為0.1μm。介電質95完全包覆藍寶石基板90凸部12表面90a第2方向之全寬，填滿溝槽11第2方向之寬的1/2。介電質95雖沿第2方向(y軸方向)直線排列，但不連續。如此構成之半導體發光元件中，所發出之光因呈點狀分散之介電質95有效散射，故可提升朝外部抽出光之光抽出效率。又，此介電質95雖在沿第2方向延伸之直線上排列，但亦可在藍寶石基板90平面上不規則排列。且介電質95亦可包覆溝槽11第2方向全寬。
作為僅自溝槽11之側面11a使III族氮化物半導體垂直於側面成長之橫向成長，可使用以下方法。
(1)如實施例，不進行用以使因ICP蝕刻所導致藍寶石基板10之損傷復原之加熱至1000℃以上之處理，藉由濺鍍形成緩衝層於藍寶石基板之方法。
此方法中，緩衝層102之厚度宜在55Å以上，150Å以下。若形成緩衝層102較150Å厚，III族氮化物半導體即亦會自凸部12之上表面10a、溝槽11之底面11b成長，故不宜。若較55Å薄，自側面11a成長之III族氮化物半導體之結晶性即會惡化。因此，若使緩衝層102為55~125Å，III族氮化物半導體之結晶性、表面平坦性即會更佳，故適當。75~125Å則更為理想。作為此等厚度之緩衝層，宜使用AlN。且III族氮化物半導體之成長溫度若在1020℃以上，1100℃以下，即可使III族氮化物半導體主要自溝槽11之側面11a朝平行於藍寶石基板主面之方向成長。若高於 1100℃，III族氮化物半導體即會亦自凸部12之上表面10a、溝槽11之底面11b成長，故不佳。成長溫度若低於1020℃，自側面11a成長之III族氮化物半導體之結晶性即會惡化。因此，III族氮化物半導體之成長溫度宜在1020℃以上，1100℃以下。成長溫度若為1020~1060℃，III族氮化物半導體之結晶性、表面平坦性即會更佳，故更為理想。1030~1050℃則極為理想。
(2)不進行用以使因ICP蝕刻所導致藍寶石基板10之損傷復原而加熱至1000℃以上之處理，使形成條紋狀溝槽之藍寶石基板在包含氫與氨之環境氣體中昇溫至III族氮化物半導體之成長溫度後，自經加工之藍寶石基板溝槽側面使III族氮化物半導體成長之方法。
III族氮化物半導體之成長溫度若在1020℃以上，1100℃以下，即可使III族氮化物半導體主要自溝槽11之側面11a朝平行於藍寶石基板主面之方向成長。若高於1100℃，III族氮化物半導體即會亦自凸部12之上表面10a、溝槽11之底面11b成長故不佳。成長溫度若低於1020℃，自側面11a成長之III族氮化物半導體之結晶性即會惡化。因此，III族氮化物半導體之成長溫度宜在1020℃以上，1100℃以下。成長溫度若為1020~1060℃，III族氮化物半導體之結晶性、表面平坦性即會更佳，故更為理想。1030~1050℃則極為理想。
(3)對施以溝槽加工之藍寶石基板進行加熱處理，供給氨以進行氮化處理，藉此在表面形成氮化鋁層之方法。
於加熱處理程序，藉由供給鋁或鋁之化合物可形成厚度1Å以上40Å以下之鋁層。鋁層在300℃以上420℃以下之範圍內，可藉由供給三甲基鋁形成之。且不使用三甲基鋁而代之以不供給氨及其他可成為III族氮化物類化合物半導體氮源之反應性氮化合物，在氫氣之環境氣體下，進行昇溫至在900℃以上1200℃以下既定溫度並在該當既定溫度下保持20分以下之加熱處理程序，其後，供給氨以進行氮化處理，藉此可於表面形成氮化鋁層。
此方法中，雖僅對藍寶石基板進行高溫氫氣處理亦有效，但 亦可積極供給鋁源，形成金屬鋁層。藍寶石基板之高溫氫氣處理即係藉由蝕刻與還原反應使存在於藍寶石基板之鋁原子浮出至表面，供給鋁源時，重新附加形成鋁原子。作為鋁源，特別是就控制與藍寶石基板表面之反應之觀點而言，宜係有機鋁化合物，宜為烷基鋁，特別是宜為三甲基鋁。不供給鋁源，進行藍寶石基板表面之高溫氫氣處理時，例如其後暫時使基板溫度降至300~420℃，然後進行氮化處理則更佳。藍寶石基板之高溫氫氣處理除保持既定時間外，亦可在到達目標溫度後立即冷卻。此時，在到達目標溫度前後之時間內進行藍寶石基板之高溫氫氣處理。
藉由以上方法，可僅自藍寶石基板10之溝槽11之側面11a，沿垂直於該側面11a之方向，使III族氮化物半導體成長。
各實施例中，雖於形成成長基板之溝槽時使用ICP蝕刻，但亦可使用其他乾蝕刻法，亦可使用乾蝕刻以外之蝕刻法。且各實施例中，雖作為緩衝層使用AlN，但亦可使用GaN、AlGaN、AlInN、AlGaInN等。特別是作為成長基板使用藍寶石時，就晶格匹配性等特點而言緩衝層材料之Al組成比宜高，AlN最佳。且形成緩衝層之濺鍍於實施例雖係使用反應性磁控濺鍍，但可使用其他任意濺鍍法。
且實施例中雖以GaN結晶為基底層，但本發明不限於GaN，亦可以AlN、AlGaN、InGaN、AlInN、AlGaInN等III族氮化物半導體為基底層。且關於面方位，亦不限於如實施例以m面為主面之III族氮化物半導體，藉由考量成長基板主面之面方位、形成於成長基板之溝槽側面之面方位、成長基板之晶格常數，可形成以包含任意無極性面或半極性面之非極性面為主面之III族氮化物半導體。例如，若使用以c面為主面之藍寶石基板，以溝槽側面為a面，即可獲得以m面為主面之III族氮化物半導體。若使用以c面為主面之藍寶石基板，以溝槽側面為m面，即可獲得以a面為主面之III族氮化物半導體。若使用以m面為主面之藍寶石基板，以溝槽側面為a面，即可獲得以m面為主面之III族氮化物半導體。且若使用以m面為主面之藍寶石基板，以溝槽側面為c面， 即可獲得以a面為主面之III族氮化物半導體。
為迴避成為極性方向不同之結晶，亦可於溝槽側面中數面形成遮罩等以使III族氮化物半導體結晶不成長。例如，若於呈條紋狀形成之溝槽11之2個側面11a中一方之側面11a形成遮罩，僅自另一方側面11a使III族氮化物半導體成長，所獲得之III族氮化物半導體之極性方向即僅一方向，可獲得良質之III族氮化物半導體。
且亦可使溝槽11之側面11a傾斜等，使其面方位結晶成長不易，藉此迴避極性方向之混雜。例如，作為成長基板使用藍寶石基板時，側面11a與藍寶石c面或a面構成之角度愈小愈易於成長，側面11a為c面或a面則最易於成長。在此，例如使III族氮化物半導體結晶成長之溝槽11之側面11a為c面，使此以外不欲使其結晶成長之側面11a相對於c面傾斜，藉此可迴避極性方向之混雜。
上述所有實施例中，第1絕緣性保護膜21與第2絕緣性保護膜22雖係以二氧化矽(SiO2 )形成，但亦可以氧化鈦(TiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、五氧化鉭(Ta2 O5 )等金屬氧化物，或是聚醯亞胺等具有電氣絕緣性之樹脂材料形成。且反射膜50除Ag、Al外，亦可由以Al或Ag為主成分包含Al或Ag之合金形成。此外，反射膜50亦可由銠(Rh)、釕(Ru)、鉑(Pt)、鈀(Pd)，或至少包含1種類以上此等金屬之合金形成。且反射膜50亦可係由折射率不同之2種材料之複數層形成之分布布拉格反射膜(DBR)。
第2中間電極40亦可以接合透明導電膜20之Ni層與Au層、Al層3層構成。表面由Au所構成，由Au與Sn之合金所構成之作為凸塊電極之第1電極60及第2電極70隔著Ti所構成之第1層、Ni所構成之第2層、Ti所構成之第3層、Ni所構成之第4層，分別接合第1中間電極30與第2中間電極40。各第1層之Ti分別增加第1中間電極30與第2中間電極40之接合強度。第2層至第4層用以防止係焊料之Sn擴散。且作為第1中間電極30，可使用選自於Ti、Al、Pd、Pt、V、Ir及Rh之金屬所構成之群組中 至少其中1種金屬。第1電極60與第2電極70可藉由電鍍法、網版印刷法、濺鍍蒸鍍法等形成。透明導電膜20亦可藉由濺鍍法、CVD法、溶膠凝膠法等形成。
【產業上利用性】
本發明可用於提升半導體發光元件之光抽出效率。
1‧‧‧半導體發光元件
10、80、90‧‧‧藍寶石基板
10a、80a‧‧‧上表面(表面)
11‧‧‧溝槽
11a、15b‧‧‧側面
11b‧‧‧底面
12‧‧‧凸部
15、85、95‧‧‧介電質
15a‧‧‧上表面
16‧‧‧電極形成部
20‧‧‧透明導電膜
21‧‧‧第1絕緣性保護膜
22‧‧‧第2絕緣性保護膜
30‧‧‧第1中間電極
31‧‧‧釩(V)層
32‧‧‧鋁(Al)層
40‧‧‧第2中間電極
50‧‧‧反射膜
60‧‧‧第1電極
70‧‧‧第2電極
90a‧‧‧表面
102‧‧‧緩衝層
103‧‧‧基底層
104‧‧‧n型接觸層
105‧‧‧靜電耐壓改善層(ESD層)
106‧‧‧發光層
107‧‧‧p型層
108‧‧‧p型接觸層
圖1係顯示用於依本發明具體實施例之半導體發光元件之藍寶石基板構成之立體圖。
圖2係顯示形成有依本發明之介電質之藍寶石基板構成之立體圖。
圖3係顯示同實施例之半導體發光元件構成之剖面圖。
圖4(a)~(d)係顯示同實施例之半導體發光元件製法之光元件剖面圖。
圖5係顯示使用於依另一實施例之半導體發光元件之藍寶石基板構成之立體圖。
圖6係顯示使用於依又一實施例之半導體發光元件之藍寶石基板構成之立體圖。
10．．．藍寶石基板
15．．．介電質
15a．．．上表面
15b．．．側面

Claims (10)

  1. 一種半導體發光元件，各層由III族氮化物類化合物半導體所構成，其特徵在於包含：藍寶石基板，在其表面上，有多數條紋狀溝槽與沿著其表面上所選取之第1方向平行排列；介電質，於該藍寶石基板面上及該溝槽中，沿該第1方向不連續地形成；基底層，由從該溝槽側面成長，且包覆該藍寶石基板面上及該介電質上表面的III族氮化物類化合物半導體所構成；及元件層，構成在該基底層上所形成之發光元件。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，該介電質係在該基板面上，沿著與該第1方向交叉之第2方向，呈條紋狀連續形成。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，該介電質在該基板面上，沿與該第1方向交叉之第2方向，不連續地形成。
  4. 如申請專利範圍第2項之半導體發光元件，其中，該第2方向係與該第1方向直交之方向。
  5. 如申請專利範圍第3項之半導體發光元件，其中，該第2方向係與該第1方向直交之方向。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體發光元件，其中，該基底層之形成該元件層的主面，係具有之內部電場相對於c面時之內部電場為10%以下的面。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體發光元件，其中，該藍寶石基板經氮化處理，而形成有氮化鋁層。
  8. 如申請專利範圍第6項之半導體發光元件，其中，該藍寶石基板經氮化處理，而形成有氮化鋁層。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體發光元件，其中，於該溝槽側面形成有緩衝層。
  10. 如申請專利範圍第6項之半導體發光元件，其中，於該溝槽側面形成有緩衝層。
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