TWI728713B - 發光裝置表面粗化的方法與發光裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開提供一種發光裝置表面粗化的方法及發光裝置，屬於半導體領域。根據本發明的表面粗化的方法包括如下步驟：在發光結構上製備三維島狀生長的第一磊晶層；在所述第一磊晶層上製備不連續的第二磊晶層。本發明的表面粗化方法，方法簡便，效率提升，在磊晶生長技術之外，無需採用諸如濕蝕刻、光子晶體等額外的技術來對磊晶層表面進行進一步加工，可以在同一反應設備中通過一種技術就可以實現。

Description

發光裝置表面粗化的方法與發光裝置

本發明關於半導體裝置及其製作方法，更具體地關於發光裝置表面粗化的方法與發光裝置。

近年來，半導體發光二極體（light-emitting diode，LED）受到人們的廣泛關注，它具有體積小、效率高、壽命長等優點。寬禁帶III-V族半導體材料的快速發展使得高亮度發光二極體實現了從綠光到近紫外線產品的商品化。

目前發光二極體晶片的光萃取效率是限制發光二極體發光外量子效率的主要因素。光萃取效率低的主要原因是基板、磊晶層和空氣之間的折射率差值較大。 發光二極體發光層發的光，只有一小部分小於全反射角的光才能出光，大部分的光都出不去，最後被材料吸收損失掉了。目前解決上述問題的方法主要包括PSS基板（藍寶石基板圖形化）技術、表面粗化技術和側壁腐蝕技術等方法，例如乾蝕刻、濕蝕刻、光子晶體結構、圖形化基板等，都是通過改變基板與磊晶層、磊晶層與空氣、或基板與空氣之間接觸面的幾何圖形，從而改變光的反射方向，使光偏離全反射角，從而提高光的萃取效率。

表面粗化技術是一種改變磊晶層與空氣接觸面的幾何圖形的技術。授權公告號為CN102130223B、申請號為201010573867.8的中國發明專利「一種GaN基LED磊晶片表面粗化方法」提供了一種GaN基發光二極體磊晶片表面粗化的方法，此方法在使用金屬有機氣相沉積（MOCVD）製備磊晶片之後，利用HF酸溶液對磊晶結構進行濕蝕刻，從而使得GaN基磊晶層表面得以粗化。上述發明的全部內容通過引用併入到本申請中。上述方法中通過改變磊晶生長條件和PEC腐蝕結合製得GaN基發光二極體磊晶片粗化表面，儘管提高了光萃取效率，但是在技術上較為繁複，至少需要金屬有機氣相沉積和濕蝕刻兩種不同技術條件。此外，還有文獻記錄了使用光子晶體等技術來進行表面粗化從而幫助實現光萃取效率的提高。

除了以上的中國專利之外，還可以參考題為“Method of manufacturing a semiconductor device and semiconductor device”的美國專利公開US 2011/0156000 A1以及題為“Light emitting device with enhanced optical scattering”的美國專利US 7,071,494 B2。以上專利申請和專利的全部內容都通過引用而併入到本申請之中。

無論是濕蝕刻還是光子晶體等技術，本質都是在磊晶生長之後採用與生長不同的技術進行額外處理，以達到表面粗化的目的。

因此，希望能夠提供一種表面粗化的磊晶生長方法，在提高發光二極體裝置的光萃取效率的同時，可以免去濕蝕刻、光子晶體等額外技術。

本發明公開了一種發光裝置表面粗化的方法，包括如下步驟：a. 在發光結構上製備三維島狀生長的第一磊晶層；b. 在所述第一磊晶層上製備不連續的第二磊晶層。

較佳地，所述發光結構包括n型半導體層、發光層及p型半導體層。

較佳地，所述發光結構是GaN基材料。

較佳地，所述第一磊晶層的材料與第一磊晶層直接接觸的發光結構的材料不同，所述第二磊晶層與第一磊晶層的材料不同。

較佳地，所述第一磊晶層的厚度小於50nm。

較佳地，所述第二磊晶層的厚度小於所述第一磊晶層的厚度。

較佳地，步驟a和步驟b依次被重複多次。

較佳地，步驟a和步驟b通過金屬有機氣相沉積的技術來實現。

較佳地，所述第一磊晶層為AlN，所述第二磊晶層為GaN。

本發明還公開了一種發光裝置，包括：發光結構、位於所述發光結構之上的三維島狀生長的第一磊晶層、位於所述第一磊晶層之上的不連續的第二磊晶層。

較佳地，所述發光結構包括n型半導體層、發光層及p型半導體層。

較佳地，所述發光結構是GaN基材料。

較佳地，所述第一磊晶層的材料與第一磊晶層直接接觸的發光結構的材料不同，所述第二磊晶層與第一磊晶層的材料不同。

較佳地，所述第一磊晶層的厚度小於50nm。

較佳地，所述第二磊晶層的厚度小於所述第一磊晶層的厚度。

較佳地，所述第一磊晶層和第二磊晶層重複多次。

較佳地，所述第一磊晶層是AlN，所述第二磊晶層是GaN。

本發明揭示的表面粗化的方法與發光裝置，在磊晶生長技術之外，無需採用諸如濕蝕刻、光子晶體等額外的技術來對磊晶層表面進行進一步加工，可以在同一反應設備中通過一種技術就可以實現，方法簡便，效率提升，且避免了例如像蝕刻技術帶來對磊晶層的污染。此外，這樣形成的粗化表面，粗化效果較之傳統技術也有一定的提升，可以起到提高發光二極體結構的光萃取效率的作用。

附圖僅用於示例說明，不能理解為對本專利的限制；下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。在本發明實施例的描述中，將理解的是：當一元件被稱作在另一元件「上」或「下」時，除非特別限定，一元件可以是「直接地」位於另一元件「上」或「下」（兩者直接接觸），也可以是一元件「間接地」位於另一元件「上」或「下」（兩者之間有其他元件）。出於方便或清楚的目的，附圖中所示出的每個元件的厚度和尺寸可能被放大、縮小或示意性地繪製，元件的尺寸不完全反映實際尺寸。

第1圖是本發明的粗化方法的一個實施例的示意圖。

第2圖是根據本發明的表面粗化的方法的一個實施例的流程圖。方法200描述的是更加通用的方法，因此其中使用了更加上位的概念。如第2圖中所示，根據本發明的表面粗化的方法200開始於步驟S201，在此步驟中，提供基板。

接下來，在步驟S202，在基板上製備磊晶層，這裡將基板上的生長的薄膜都統稱為磊晶層，磊晶層的製備方法可較佳地為通過金屬有機氣相沉積（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）的技術進行磊晶生長，當然本發明並不以此為限，製備技術還可例如為原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）、分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy，MBE）等。

步驟S202可以進一步包括步驟S202a、步驟S202b和步驟S202c。

首先在步驟S202a，在基板上製備發光結構。同時參照第1圖中的步驟a，在基板1上製備發光結構2。基板1可例如為藍寶石、SiC、GaN、Si等，本發明對基板1的材料不作特別限制。發光結構2可例如為符合發光原理的發光二極體的基本結構：從基板往上依次包括n型半導體層201、發光層202和p型半導體層203，發光層可例如為量子井結構。本發明對發光結構2的具體實施方式不做特別限制，符合發光原理即可。

此外，本領域人員應當知曉，為了提高磊晶層的生長品質，可以在n型半導體層與基板之間設置其他半導體層。以矽基板上的GaN基發光二極體裝置為例，在矽基板上，可先生長AlN成核層，然後生長AlGaN或者其他材料的緩衝層，然後生長發光結構。本領域人員應當知曉GaN基發光二極體即以GaN基材料為主要材料所製作的發光二極體，當然不排除加入其它摻雜元素或其他種類的材料。GaN基材料即以GaN為基礎的材料，例如GaN、InGaN、AlGaN、AlINGaN等。

在步驟S202b中，在發光結構上製備三維島狀生長的第一磊晶層。同時參照第1圖中的步驟b，在發光結構2上生長第一磊晶層301。在本發明中，第一磊晶層301是三維島狀生長的，本發明所描述的三維島狀生長的模式，即當兩種材料之間的晶格失配度足夠大時（較佳地，當兩種材料晶格失配度>4%），一種材料在另外一種材料上就會呈現三維島狀生長，如第1圖中的步驟b所示，第一磊晶層301中間形成有多個間隙，使第一磊晶層301在橫向上（與生長方向垂直的方向上）被分割，而呈不連續的形態，彷彿多個孤立的小島。本領域人員應該理解，三維島狀生長的形態並不以本發明的附圖所給出的形態為限，第一磊晶層301中間的間隙可大可小，其中隨機兩個間隙的大小可以是相等，也可以是不相等的；被分割的第一磊晶層301可大可小，隨機兩個的大小可以是相等的，也可以是不相等的。

為使第一磊晶層301是三維島狀生長的，可根據在第一磊晶層301下方的且與第一磊晶層301直接接觸的半導體材料來確定第一磊晶層301的材料，當兩者的材料不同且晶格失配度較大，第一磊晶層301是呈三維島狀生長。此外，第一磊晶層301厚度較佳地小於50nm，以獲得較佳的三維島狀生長效果。

本實施例中，為了確保第一磊晶層和第二磊晶層呈現不連續的三維島狀結構，可以在製備技術中選擇性地增加退火或者蝕刻技術。具體的，在生長磊晶層與第二磊晶層之後對半導體結構進行退火，使其呈現三維島狀結構。較佳的是，退火過程中可以選擇腐蝕性氣體（如H2、N2、NH3、HCl或者其混合物）通入製備環境中，選擇性蝕刻三維島狀結構中小島周圍少量小的並且不穩定的晶粒，確保第一磊晶層301呈現出不連續的形態，提升粗化效果。可以理解的是，通過直接磊晶生長可能足以形成不連續的磊晶層，因此可以不需要退火或者選擇性蝕刻；其它實施例中，磊晶層生長之後直接通過退火或選擇性蝕刻也都可能足以形成不連續的磊晶層，因此本案對形成不連續的磊晶層的製備方法不做限定。

下面將闡述GaN基發光二極體裝置的一較佳實施例。n型半導體層201為n型GaN，發光層202為InGaN/GaN的量子井結構，p型半導體層203為p型GaN。第一磊晶層301可較佳地為選擇與GaN不同的材料，如AlN，且第一磊晶層301厚度不超過50nm，這樣，使得生長的AlN不會完全癒合，從而保證第一磊晶層301是三維島狀生長的，如第1圖中步驟b所示，本實施例中AlN的厚度較佳的小於20nm以獲得更佳的效果。第一磊晶層301的材料可以是其他非GaN的III-V族半導體材料，較佳為III族氮化物半導體材料。

在步驟S202c中，在第一磊晶層上製備不連續的第二磊晶層，同時參照第1圖中的步驟c，在第一磊晶層301上繼續生長第二磊晶層302，第二磊晶層302與第一磊晶層301的材料不同，且厚度小於第一磊晶層301，如此，使第二磊晶層302在圖示的橫向方向上（與生長方向垂直的方向上）呈現不連續的形態。此外，第二磊晶層302和第一磊晶層301較佳地採用同一技術生長，舉例來說，都使用金屬有機氣相沉積技術實現，這樣第二磊晶層302和第一磊晶層301可以在同一設備中完成生長。

本發明中，在三維島狀生長的第一磊晶層之上再生長不連續的第二磊晶層， 如此，可避免：只生長三維島狀生長的第一磊晶層，其表面的最高點和最低點高度差值可能不夠，表面的粗化效果不夠好，不足達到提高出光效率；而再生長的不連續的第二磊晶層可進一步提升表面的粗化程度，有效提升粗化效果。

下面將闡述GaN基發光二極體裝置的一較佳實施例。當第一磊晶層301為AlN時，第二磊晶層302可較佳地為GaN，其厚度小於第一磊晶層301的厚度，如第1圖中步驟b所示，第二磊晶層302在橫向方向上（與生長方向垂直的方向上）也是呈現不連續的狀態。此外，上述實施例中較佳地可在同一設備（例如金屬有機氣相沉積設備）中，採用同一技術（金屬有機氣相沉積技術）來連續生長AlN和GaN，如此，可簡化技術流程。設備中（例如金屬有機氣相沉積設備）具有的H₂ 或N₂ 或NH₃ 或HCl或其混合氣體會對第二磊晶層302起到一定的蝕刻的作用，如此使第二磊晶層302具有更好的粗化表面。

第3A圖和第3B圖示出了在原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）的觀察下生長AlN薄層和GaN薄層的形貌。其中，第3A圖示出了在原子力顯微鏡的觀察下生長AlN薄層和GaN薄層的立體形貌；第3B圖示出了在原子力顯微鏡的觀察下生長AlN薄層和GaN薄層的俯視形貌。第3A圖和第3B圖是在H₂ 含量較高，NH₃ 含量較少的環境下進行磊晶生長的形貌。

繼續參照第1圖中的步驟d，粗化結構303可為通過一次步驟S202b（第1圖中的步驟b）及步驟S202c（第1圖中的步驟c）後具有粗化表面的結構。

在本發明的另一實施例中，步驟S202b（第1圖中的步驟b）及步驟S202c（第1圖中的步驟c）可以重複多次，如此可以使得到的粗化結構303具有更好的粗化效果。

第4A圖和第4B圖示出了在原子力顯微鏡和一般顯微鏡的觀察下生長較多對的AlN和GaN的形貌。其中，第4A圖示出了在原子力顯微鏡的觀察下生長較多對的AlN和GaN的立體形貌；第4B圖示出了在一般顯微鏡（光學或電子顯微鏡）的觀察下生長較多對的AlN和GaN的俯視形貌。

本領域技術人員應該理解，儘管在以上的實施例中，描述的是在發光二極體結構上生長磊晶層以形成表面粗化的磊晶層。然而，上述技術也同樣普遍適用於產品的磊晶層的表面粗化。

另外，根據實際產品的需求，磊晶層材料的選擇也將更加多元化。儘管本發明的實施例中採用的是AlN和GaN，但也可以考慮其他的III族氮化物，諸如AlGaN或AlInGaN等材料，甚至可以考慮更寬泛的III-V族半導體材料。

本領域普通技術人員應該認識到，與上述方法相對應，本發明還涉及一種發光裝置。如第1圖步驟d所示，發光裝置包括：基板1、發光結構2、位於所述發光結構之上的三維島狀生長的第一磊晶層301、以及位於第一磊晶層301之上的不連續的第二磊晶層302。所述發光結構2可包括n型半導體層201、發光層202及p型半導體層203。為使第一磊晶層301為三維島狀生長，第一磊晶層301與第一磊晶層301直接接觸的p型半導體層203的材料不同，且晶格失配度足夠大，此外第一磊晶層301之厚度較佳地小於50nm。為保證第二磊晶層302在第一磊晶層301上是不連續生長的，第二磊晶層302的材料與第一磊晶層301不同，且第二磊晶層302之厚度較佳地小於第一磊晶層301。第一磊晶層301和第二磊晶層302可重複多次以達到更好的粗化效果。

以發光裝置較佳的GaN基材料為例，n型半導體層201為n型GaN，發光層202為InGaN/GaN的量子井結構，p型半導體層203為p型GaN，第一磊晶層301為AlN，第二磊晶層302為GaN。

本發明揭示的表面粗化的方法與半導體裝置，在磊晶生長技術之外，無需採用諸如濕蝕刻、光子晶體等額外的技術來對磊晶層表面進行進一步加工，可以在同一反應設備中通過一種技術就可以實現，方法簡便，且避免了例如像蝕刻技術帶來對磊晶層的污染。此外，這樣形成的粗化表面，粗化效果較之傳統技術也有一定的提升，可以起到提高發光二極體結構的光萃取效率的作用。通過第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖的圖示可以看出，通過本發明的磊晶生長方法，已經可以形成所需的凹凸不平的粗化表面，從而提高發光二極體結構的光萃取效率。

上面已經描述了本發明的各種實施例和實施情形。但是，本發明的精神和範圍不限於此。本領域技術人員將能夠根據本發明的教導而做出更多的應用，而這些應用都在本發明的範圍之內。

也就是說，本發明的上述實施例僅僅是為清楚說明本發明所做的舉例，而非對本發明實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、替換或改進等，均應包含在本發明請求項的保護範圍之內。

200:方法 a,b,c,d,S201,S202,S202a,S202b,S202c:步驟 1:基板 2:發光結構 201:n型半導體層 202:發光層 203:p型半導體層 301:第一磊晶層 302:第二磊晶層 303:粗化結構

下面參考附圖結合實施例說明本發明。在附圖中： 第1圖是本發明的表面粗化的方法的一個實施例的示意圖。 第2圖是根據本發明的表面粗化的方法的一個實施例的流程圖。 第3A圖和第3B圖示出了在原子力顯微鏡的觀察下生長AlN薄層和GaN薄層的一個實施例的形貌。 第4A圖和第4B圖示出了在原子力顯微鏡和一般顯微鏡的觀察下生長較多對的AlN和GaN的一個實施例的形貌。

200:方法

S201,S202,S202a,S202b,S202c:步驟

Claims (17)

1. 一種發光裝置表面粗化的方法，包括如下步驟： 一步驟a，在一發光結構上製備三維島狀生長的一第一磊晶層；以及 一步驟b，在該第一磊晶層上製備不連續的一第二磊晶層。
2. 如請求項1之方法，其中該發光結構包括一n型半導體層、一發光層及一p型半導體層。
3. 如請求項1之方法，其中該發光結構是GaN基材料。
4. 如請求項1之方法，其中該第一磊晶層的材料與該第一磊晶層直接接觸的該發光結構的材料不同，該第二磊晶層與該第一磊晶層的材料不同。
5. 如請求項1之方法，其中該第一磊晶層的厚度小於50nm。
6. 如請求項1之方法，其中該第二磊晶層的厚度小於該第一磊晶層的厚度。
7. 如請求項1之方法，其中該步驟a和該步驟b依次被重複多次。
8. 如請求項1之方法，其中該步驟a和該步驟b通過金屬有機氣相沉積的技術來實現。
9. 如請求項1之方法，其中該第一磊晶層為AlN，該第二磊晶層為GaN。
10. 一種發光裝置，包括： 一發光結構； 位於該發光結構之上的三維島狀生長的一第一磊晶層；以及 位於該第一磊晶層之上的不連續的一第二磊晶層。
11. 如請求項10之發光裝置，其中該發光結構包括一n型半導體層、一發光層及一p型半導體層。
12. 如請求項10之發光裝置，其中該發光結構是GaN基材料。
13. 如請求項10之發光裝置，其中該第一磊晶層的材料與該第一磊晶層直接接觸的該發光結構的材料不同，該第二磊晶層與該第一磊晶層的材料不同。
14. 如請求項10之發光裝置，其中該第一磊晶層的厚度小於50nm。
15. 如請求項10之發光裝置，其中該第二磊晶層的厚度小於該第一磊晶層的厚度。
16. 如請求項10之發光裝置，其中該第一磊晶層和該第二磊晶層重複多次。
17. 如請求項10之發光裝置，其中該第一磊晶層是AlN，該第二磊晶層是GaN。

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