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CN101999178A - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

氮化物半导体发光器件及其制造方法 Download PDF

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CN101999178A CN2008801284770A CN200880128477A CN101999178A CN 101999178 A CN101999178 A CN 101999178A CN 2008801284770 A CN2008801284770 A CN 2008801284770A CN 200880128477 A CN200880128477 A CN 200880128477A CN 101999178 A CN101999178 A CN 101999178A
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Cui Ranzuo
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Abstract

本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，其包括基板、定位在基板上的包括第一导电层、活性层和第二导电层的氮化物半导体层，在第一导电层上形成的第一电极、在第二导电层上形成的第二电极，其中，在与所述第一导电层接触的所述基板的表面上形成图案，所述图案具有按预定间隔形成的一个以上的突出部以及从所述突出部的上表面下陷预定深度而获得的下陷部。本发明还提供制造氮化物半导体发光器件的方法。当使用具有包括突出部和下陷部的图案的基板时，能够获得更高的光提取效率。

Description

氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件及其制造方法，尤其涉及在具备供氮化物半导体层生长的结构的蓝宝石基板上变形形成图案以使氮化物半导体层生长，从而减少晶体的缺陷并提高光输出的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
基础基板取决于所需生长的薄膜的种类，而且基础基板的晶格常数和所要生长的薄膜的晶格常数之差可能导致生长晶体缺陷，而这将成为阻碍外延层有效生长的因素。
因上述问题，一般而言，主要通过MOCVD或MBE法，在蓝宝石基板上生长AlGaP、InGaN、AlGaN、GaN、GaP/AlP、异质结构；在InP基板上生长InP、InGaAs、GaAs、AlGaAs等；而在GaAs基板上生长GaAs GaAlAs、InGaP、InGaAlP等。
在作为氮化物半导体的GaN的情况下，因蓝宝石晶格常数和GaN的晶格常数相似，因此，基板主要使用蓝宝石。
在可供氮化物生长的蓝宝石基板上使氮化物生长之后，若施加一定电源则将发光，而据报告称：一般在具备图案的蓝宝石基板上生长相同氮化物结构时，其光输出较之在一般平整基板上生长的优秀。
根据图案结构的不同，碳化物生长后的光输出存在差异，而为了获得较之现有图案更高的光输出，现在也进行着不断的努力。
图1为现有利用蓝宝石基板的III族碳化物系化合物半导体的一般结构示意图。
在蓝宝石基板11上部形成n-GaN层12，而在上述n-GaN层12上部的一部分依次形成活性(active)层13、p-GaN层14及p型电极层15。另外，在上述n-GaN层12上部的未形成上述活性层13的部位，形成n型电极层16。在一般的LED上，若何有下地将内部活性层产生的光提取至外部是至关重要的问题。
为了有效提取蓝宝石基板及活性层沿纵向产生的光，进行了形成透明电极或反射层等各种尝试。
但是，因相当一部分在活性层产生的光横向传播，因此，为了实现纵向提取，曾尝试例如在半导体元件的层叠结构侧壁形成一定角度，以使上述侧壁成为反射面的技术等，但其加工及费用方面存在问题。
另外，为提高利用蓝宝石基板的III组氮化物系化合物半导体发光器件的光输出，采用了倒装芯片(flip chip)形式的元件结构，而其光提取效率(extraction efficiency)因GaN和蓝宝石基板之间的折射率差异，停留在约40％左右的水平。
如图2所示，公开了通过加工蓝宝石基板21表面形成凹凸结构，并在其上部形成包括活性层22等在内的半导体晶体层的LED结构。这通过在活性层22下方形成凹凸形状的折射率界面，向外部提取一部分在元件内部消灭的横向的光。
另外，在蓝宝石基板21上形成III族氮化物系化合物半导体时，因蓝宝石基板21和III族氮化物系化合物半导体的晶格常数的不匹配(miss fit)而产生电位。为防止上述现象，如图3所示，在蓝宝石基板21表面形成凹凸结构并在其上形成GaN层23。如图4所示为具备上述凹凸结构的蓝宝石基板上形成LED的大致工序。
即，若在如图4的a所示的具备凹凸结构的蓝宝石基板21上形成GaN层23，则如b所示，在凹凸结构的上部及侧部琢面(facet)生长GaN24，而经过这样的生长之后，获得如c所示的平整化了的GaN层23。
在这样平整化了的GaN层23上部形成活性层22等，以完成如d所示的发光二极管。上述在利用图案化蓝宝石基板(PatternedSapphire Substrate，PSS)生长半导体晶体层时，因在图案上实际完成琢面(facet)生长之后再进行平整化，因此，需为上述平整化进行相当厚度的再生长。
另外，公开了在蓝宝石基板上形成段差并在上述段差上面及侧部生长III族氮化物系化合物半导体，以防止穿透电位的结构(WO2001-69663号)。但是，在段差下端形成空间(void)且为了平整化生长层，需形成相对较厚的III族氮化物系化合物半导体。
另外，作为减少在蓝宝石基板上再生长半导体晶体层时的缺陷密度的方法，利用ELOG及PENDEO等方法。但是，ELOG需要另外的遮罩层，而PENDEO因在与基板的界面部位形成空洞(void)，因此，产生光提取效率的损失。
因此，最近公开了如图5所示的在发光器件的基板31表面形成球形突出部32的曲面型结构，其因基板31表面上的半球形突出部32整体形成曲面，没有上端部及侧部的区别，从而不存在平正面。
但是，在上述半球形突出部32表面不易生长III族氮化物系化合物半导体，且在形成发光器件的GaN平整化层32时不进行琢面(facet)生长，另外，防止平整化的GaN层32的厚度相对较薄。
因此，具有板球杆形、半球形、梯形、三角形、金字塔形等形状的现有基板图案形状，在光提取效率方面存在一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，通过改善基板的图案结构获得较高的光提取效率。
本发明的目的是这样实现的：提供一种氮化物半导体发光器件，包括基板、定位在基板上的包括第一导电层、活性层和第二导电层的氮化物半导体层，在第一导电层上形成的第一电极、在第二导电层上形成的第二电极，其中，在与第一导电层接触的所述基板的表面上形成图案，该图案具有按预定间隔形成的一个以上的突出部以及从所述突出部的上表面下陷预定深度而获得的下陷部。
根据本发明的优先特征，上述基板为蓝宝石基板。
根据本发明的另一优先特征，上述突出部和下陷部具备各自预定的曲率。
根据本发明的又一优先特征，上述突出部的曲率小于或大于上述下陷部的曲率。
根据本发明的还一优先特征，上述下陷部具有小于或大于上述突出部高度的深度。
根据本发明的再一优先特征，第一导电层和第二导电层包含选自二元氮化物、三元氮化物和四元氮化物中的任一种，所述二元氮化物包括GaN、AlN和InN。
一种氮化物半导体发光器件制造方法，所述氮化物半导体发光器件包括基板、定位在所述基板上的包括第一导电层、活性层和第二导电层的氮化物半导体层、在所述第一导电层上形成的第一电极、以及在所述第二导电层上形成的第二电极，所述方法包括：利用遮罩(掩模，MASK)在所述基板的表面上形成图案；在预定温度下烘烤具有所述图案的所述基板，由此在所述图案中形成突出部和下陷部；通过蚀刻从具有所述突出部和所述下陷部的所述图案中去除所述遮罩；在具有所述突出部和所述下陷部的所述基板上，形成所述第一导电层、所述活性层、和所述第二导电层；以及形成所述第一电极层和所述第二电极层。
根据本发明的优先特征，上述遮罩是选自光刻胶(PR)、SiO2、SixNx、金属薄膜中的任一种。
根据本发明的另一优先特征，通过干式蚀刻或湿式蚀刻法来去除遮罩。
根据本发明的又一优先特征，氮化物半导体发光器件包括基板和生长在所述基板上的氮化物半导体层，其中，在与第一导电层接触的基板的表面上形成图案，该图案包括按预定间隔形成的一个以上的突出部和从所述突出部的上表面下陷一定深度而获得的下陷部。
上述构成的本发明，通过在蓝宝石基板上形成包括突出部及下陷部的图案，较之半球形、凹凸形、三角形等现有图案结构，获得更高光提取效率。
附图说明
图1为利用蓝宝石基板的III族碳化物系化合物半导体发光器件的一般结构剖面图；
图2为在现有技术的蓝宝石基板上形成III族氮化物系化合物半导体发光器件的剖面图；
图3及图4为根据现有技术在具备凹凸结构的基板上形成发光器件的过程概略剖面图；
图5为根据另一现有技术在具备半球形的基板上形成发光器件的过程概略剖面图；
图6为形成于本发明氮化物半导体发光器件的基板上的图案剖面图；
图7为形成于本发明基板上的图案的各种实施例剖面图；
图8为拍摄形成于本发明基板上的图案的立体图及平面图；
图9为本发明氮化物半导体发光器件剖面图；
图10为本发明氮化物半导体发光器件制造过程剖面图；
图11为比较本发明和现有技术氮化物半导体发光器件的光输出的曲线图。
附图标记
100：基板      200：突出部
210：下陷部    300：第一导电层
400：活性层    500：第二导电层
600：第一电极  700：第二电极
具体实施方式
下面，结合附图对本发明氮化物半导体发光器件及其制造方法的较佳实施例进行详细说明。
图6为形成于本发明氮化物半导体发光器件的基板上的图案剖面图；图7为形成于本发明基板上的图案的各种实施例剖面图；图8为拍摄形成于本发明基板上的图案的立体图及平面图；图9为本发明氮化物半导体发光器件剖面图；图10为本发明氮化物半导体发光器件制造过程剖面图。
本发明氮化物半导体发光器件，在基板100上形成包括第一导电层、活性层、第二导电层的氮化物半导体层，且在第一导电层上形成第一电极，而在第二导电层上形成第二电极，其特征在于：在上述第一导电层生长的基板表面，形成具备突出部的图案且在上述突出部上面包括下陷一定深度的下陷部(subsidence)。
较佳地，基板100使用用于一般氮化物半导体发光器件的蓝宝石基板(sapphire substrate)，而此外，还可使用碳化硅(SiC)。在本发明中，以蓝宝石基板为实施例进行说明。
为提高光输出，将在上述蓝宝石基板100上形成图案200，而本发明的主要技术思想在于：形成包括突出部210和下陷部220的图案200。
为形成上述图案，将使用蚀刻遮罩(MASK)，且遮罩由光刻胶(photo resist，PR)、SiO2、SixNx、Metal薄膜等物质构成，而在本实施例中，将使用最容易获得的光刻胶在基板上形成图案(patterning)。为形成一定的图案，利用曝光装置进行曝光。在此，遮罩的厚度根据上述基板的蚀刻深度的目标值改变光刻胶的厚度。
通过蚀刻工艺蚀刻涂布形成一定图案的遮罩的上述基板100，以蚀刻未被涂布的基板区域。上述工艺与光刻法(photolithography)相同，因此，在此不再赘述。
之后，若以一定温度烘烤(backing)以加热上述基板，则通过光刻胶和基板的塌陷，形成下陷型的图案200。此时，根据温度和时间的不同，获得不同的图案结构。
作为本发明较佳实施例，烘烤条件为摄氏100～14度的温度和1～5分钟的时间。
如图7所示，突出部210的曲率可大于或小于下陷部220的曲率，而上述下陷部220的深度可大于突出部高度。另外，如上形成的基板上的上述图案200排列可规则或不规则。
形成图案200的上述基板100，可通过干式蚀刻或湿式蚀刻进行蚀刻，以使基板和光刻胶一并被蚀刻，最终形成包括突出部210及下陷部220的图案。此时，可通过不同蚀刻时间或化学反应液或气体的使用条件，形成包括上述突出部210和下陷部220的不同形状的图案。此时，若对基板进行湿式蚀刻，则蚀刻气体使用Cl2，BCl3等Cl系列气体为宜。
如上所述，上述包括突出部210及下陷部220的图案，在上述基板100上至少形成一个以上。
上述图案200通过下陷部220增加表面积，而这与现有的形成半球形图案的基板具有不同的效果。在半球形结构中，生长碳化物的面积受到限制。
但是，本发明的图案形成下陷部220和突出部，全部由曲面构成且各部位的曲率大于0，因此，可确保更多的面积。因此，增加可在突出部210和下陷部220生长的III族氮化物系化合物半导体的面积，从而提高效率。
用上述准备的基板生长第一导电层(n-GaN层)300、活性层400及第二导电层(p-GaN层)400，以上述第二导电层表面形成第一电极(p型电极层)600，且以未生长上述活性层和第二导电层的第一导电层形成第二电极(p型电极层)700，从而制造氮化物发光器件。
图9为包括本发明具备包括突出部210和下陷部220的图案200的基板100的倒装芯片(flip-chip)形式的发光器件剖面图。如图所示，在包括多个曲面型突出部210和下陷部200的基板100上形成n-GaN层300，而在上述n-GaN层表面依次形成活性(active)层400、p-GaN层500及p型电极层600。
另外，在未形成活性层400的n-GaN层300的部分区域形成n型电极层。除上述基板100之外的结构，与其他III族氮化物系化合物半导体发光器件类似。
此时，形成于上述基板100上的III族氮化物系化合物半导体不限于GaN，还有包括AlN或InN在内的二元、三元及四元化合物。
另外，形成本发明上述图案200的基板100不仅适用于氮化物系半导体发光器件，也适用于其他各种化合物半导体发光器件。
下面，详细说明本发明氮化物半导体发光器件的制造方法的较佳实施例。
为在蓝宝石基板100表面形成包括多个曲面型突出部210及下陷部220的图案200，在蓝宝石基板100上涂布光刻胶(photo resist，PR)之后，经过曝光工序、显影(Develop)工序形成一定的图案。
之后，通过蚀刻工序将未形成图案的上述基板100区域以形成图案之后，进行烘烤(hard baking)处理。上述烘烤过程可根据所需形状以各种条件实施。一般条件为100～140度的温度和1～5分钟的时间。
另外，蚀刻上述基板100利用干式蚀刻法。适当调节蚀刻气体、工作压力及工作功率等，而在本发明的一实施例中，蚀刻气体使用BCl3，工作压力为1mTorr，工作功率为1100W/500W。
通过上述蚀刻过程去除形成于图案的遮罩以最终在基板100上形成包括突出部和下陷部的图案200之后，形成制作发光器件所需的n-GaN层300、活性层400、p-GaN层500、p型电极层600及n型电极层700。上述n型电极层，在通过蚀刻p型电极层、第二导电层及活性而露出第一导电层之后形成。
图11为为比较本发明和现有技术氮化物半导体发光器件的光输出的曲线图。
A表示平面性基板，B表示半球形基板，而C表示本发明。如图所示，较之在平面结构的基板上形成发光器件的A，在具有半球形表面的基板上形成发光器件的B，其光输出提高了约70％，而较之A，在具备包括突出部和下陷部的图案的基板上形成发光器件的C，其光输出提高约90％以上。另外，较之半球形的B，其光输出提高约10％以上。
另外，较之A，在具有半球形表面的基板上形成发光器件的B，其VF至增加约23％，而较之A，本发明的VF值增加约18％。另外，较之B，VF值减少约10％以上。这表明通过使用包括突出部42及下陷部48的基板，较之现有技术具备凹凸形或半球形图案的基板，在光效率和VF值等方面表现出优秀的性能。
上述构成的本发明，通过在形成于基板上图案上具备在突出部下陷一定深度而成的下陷部，以增加生长于图案的氮化物面积，从而获得较高的光提取效率。
上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括基板、定位在基板上的包括第一导电层、活性层和第二导电层的氮化物半导体层，在第一导电层上形成的第一电极、在第二导电层上形成的第二电极，其中，在与所述第一导电层接触的所述基板的表面上形成图案，所述图案具有按预定间隔形成的一个以上的突出部以及从所述突出部的上表面下陷预定深度而获得的下陷部。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述基板为蓝宝石基板。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述突出部和所述下陷部具有各自预定的曲率。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述突出部的曲率小于或大于所述下陷部的曲率。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述下陷部的下陷深度小于或大于所述突出部的高度。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述第一导电层和所述第二导电层包含选自二元氮化物、三元氮化物和四元氮化物中的任一种，所述二元氮化物包括GaN、AlN和InN。
7.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述氮化物半导体发光器件包括基板、定位在所述基板上的包括第一导电层、活性层和第二导电层的氮化物半导体层、在所述第一导电层上形成的第一电极、以及在所述第二导电层上形成的第二电极，所述方法包括：
利用遮罩在所述基板的表面上形成图案；
在预定温度下烘烤具有所述图案的所述基板，由此在所述图案中形成突出部和下陷部；
通过蚀刻从具有所述突出部和所述下陷部的所述图案中去除所述遮罩；
在具有所述突出部和所述下陷部的所述基板上，形成所述第一导电层、所述活性层、和所述第二导电层；以及形成所述第一电极层和所述第二电极层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述遮罩是选自光刻胶、SiO2、SixNx、和金属薄膜中的任一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过干式蚀刻或湿式蚀刻而去除所述遮罩。
10.一种氮化物半导体发光器件，包括基板和生长在所述基板上的氮化物半导体层，其中，在与第一导电层接触的所述基板的表面上形成图案，所述图案包括按预定间隔形成的一个以上的突出部和从所述突出部的上表面下陷一定深度而获得的下陷部。
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