專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由依次設(shè)置的第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層組成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，還涉及該器件的制造工藝。特別是，本發(fā)明涉及發(fā)光區(qū)由氮化物半導(dǎo)體晶體層形成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，還涉及該器件的制造工藝。
背景技術(shù)：
已知的半導(dǎo)體發(fā)光器件由順序形成在藍(lán)寶石襯底的整個(gè)表面上的低溫緩沖層、摻雜硅的GaN的n側(cè)接觸層、摻雜硅的GaN的n側(cè)覆蓋層、摻雜硅的InGaN的有源層、摻Mg的InGaN的p側(cè)覆蓋層、以及摻Mg的GaN的p側(cè)接觸層組成。能夠大量得到的這種結(jié)構(gòu)的商業(yè)產(chǎn)品為能夠發(fā)出從450nm到530nm波長(zhǎng)范圍的藍(lán)光和綠光LED(發(fā)光二極管)。
在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵晶片為常見(jiàn)的做法。用于該目的的藍(lán)寶石襯底通常為具有C面為主平面的藍(lán)寶石襯底。因此，形成在主平面上的氮化鎵層也具有C面，平行于襯底主平面形成的有源層與將有源層夾在其間的覆蓋層不可避免地平行于C面。由于襯底的主平面的光滑度，具有基于襯底的主平面順序形成的晶體層的半導(dǎo)體發(fā)光器件具有形成電極需要的光滑表面。
在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵的不足之處在于由于兩者之間的晶格不匹配，位錯(cuò)會(huì)密集地存在于晶體中。消除生長(zhǎng)晶體中缺陷的一種方式是在襯底上形成低溫緩沖層。日本專利特許公開No.Hei 10-312971公開了結(jié)合外延橫向附晶生長(zhǎng)(ELO)以減少晶體缺陷。
此外，日本專利特許公開No.Hei 10-321910公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，特點(diǎn)在于在形成于襯底上的六角棱柱結(jié)構(gòu)中，發(fā)光區(qū)垂直于襯底的主平面延伸，由此它的(10-10)或(1-100)m側(cè)平面垂直于襯底的主平面。垂直于襯底主平面的有源層能有效地抑制缺陷和由于與襯底晶格不匹配造成的位錯(cuò)，并減少由于熱膨脹系數(shù)不同造成的應(yīng)力。
此外，日本專利特許公開No.Hei 8-255929公開了一種制造發(fā)光器件的工藝，所述工藝由以下步驟組成在襯底上形成一種導(dǎo)電類型的氮化鎵化合物半導(dǎo)體；用掩模覆蓋部分層；通過(guò)選擇性生長(zhǎng)在未覆蓋的部分上形成氮化鎵化合物半導(dǎo)體層(包括另一種導(dǎo)電類型)；以及形成p電極和n電極。
如日本專利特許公開No.Hei 10-321910中公開的，垂直于襯底的主平面形成六角棱柱結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求通過(guò)HVPE(氫化物汽相外延)得到的膜之后需要進(jìn)行干腐蝕以得到(10-10)或(1-101)m側(cè)平面。遺憾的是，干腐蝕不可避免地?fù)p傷了晶面。換句話說(shuō)，盡管氮干腐蝕能有效地抑制襯底的螺紋位錯(cuò)，但它使晶體特性退化。此外，干腐蝕需要額外的步驟。
現(xiàn)已知在藍(lán)寶石襯底的C+面上選擇性生長(zhǎng)得到具有由(1-101)面或S面環(huán)繞的尖峰的晶體層(參見(jiàn)日本專利No.2830814，說(shuō)明書的第9段)。如此得到的層對(duì)于將形成其上的電極來(lái)說(shuō)不夠平坦；因此，從來(lái)沒(méi)有用于電子器件和發(fā)光器件。它僅用做用于進(jìn)一步選擇性生長(zhǎng)的晶體結(jié)構(gòu)的下層。
具有表面平行于襯底主平面的任何器件需要平坦的表面以得到良好的晶體性質(zhì)。由此，通常水平地鋪設(shè)電極構(gòu)成器件。這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于水平地鋪設(shè)電極使工藝變成非常困難且花費(fèi)時(shí)間的工作，需要使用切片機(jī)將微小的晶片相互分離同時(shí)不切傷水平鋪設(shè)的電極。此外，藍(lán)寶石襯底和氮化物(例如GaN)很硬，很難切割，切片時(shí)需要約20μm的切割余量。這使得很難切割微小的芯片。順便提及，其中襯底的主平面為C+面并且平行于襯底的主平面形成氮化鎵的有源層的發(fā)光器件存在的問(wèn)題是在C+面中從鎵原子到氮原子僅有一個(gè)鍵，因此氮原子容易脫離C+面的晶面，這使得很難使有效的V/III比更大。該問(wèn)題妨礙了構(gòu)成發(fā)光器件的晶體性能提高。
在日本專利特許公開No.Hei 8-255929中公開的技術(shù)具有使用選擇性生長(zhǎng)不必需要腐蝕例如反應(yīng)離子腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于掩模層除去之后，在它的附近產(chǎn)生大的臺(tái)階，因此很難形成準(zhǔn)確地形成n電極。在日本專利特許公開No.Hei 8-255929中公開的發(fā)光器件中，平行于襯底主平面形成有源層的不足之處在于有源層的端部暴露到空氣，結(jié)果是有源層被氧化并退化。
期望的是LED器件能用做大顯示(例如投影顯示)的光源。為此，對(duì)于LED器件來(lái)說(shuō)，具有較高的亮度、較好的可靠性以及較低的價(jià)格很重要。LED器件的亮度受兩種因素決定取決于有源層的晶體性質(zhì)的內(nèi)部量子效率，以及為脫離器件的光與器件中產(chǎn)生的光的比值的發(fā)光(emergence)效率。
發(fā)光二極管具有典型結(jié)構(gòu)顯示在圖1中的發(fā)光區(qū)。發(fā)光區(qū)的主要部分包括InGaN的有源層400、第一導(dǎo)電層401和第二導(dǎo)電層402(將所述有源層400夾在其間)以及與有源層400相對(duì)的第二導(dǎo)電層402上的反射膜403(也起電極的作用)，反射膜403和第二導(dǎo)電層402之間的界面起反射面的作用。有源層400產(chǎn)生的部分光直接從第一導(dǎo)電層401中的光出射窗口405射出，朝向第二導(dǎo)電層402的部分光被反射面404反射，反射光射向第一導(dǎo)電層401中的光出射窗口405。
以上提到的常規(guī)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的不足之處在于由于在器件和外部之間的界面、器件和透明基片之間的界面、或透明基片和外部之間的界面發(fā)生的全反射，由有源層400產(chǎn)生的光，無(wú)論效率如何，都不能從器件引出(extracted)。換句話說(shuō)，以小于臨界角的角度入射到界面的光發(fā)生全反射。(臨界角取決于形成界面的兩種材料的折射率)。在具有圖1所示相互平行的反射面404和光出射窗口405的表面發(fā)射型發(fā)光二極管中，在小于臨界角的角度受到全反射的光在反射面404和光出射窗口405之間受到連續(xù)的全反射。因此，這種光不能引出作為有效的輸出。
一種提高發(fā)光效率的可能方式是在器件中形成改變光通路的凸起或斜面，由此凸起或斜面起允許有效地發(fā)光的反射面的作用。然而，該技術(shù)還沒(méi)有應(yīng)用到用于藍(lán)光或綠光LED的GaN半導(dǎo)體。目前，不可能在極小的區(qū)域中形成復(fù)雜的形狀。
表面發(fā)射型的發(fā)光器件的一個(gè)例子部分顯示在圖2中。它是在藍(lán)寶石的生長(zhǎng)襯底500上形成的。在襯底500上順序形成氮化鎵半導(dǎo)體的第一導(dǎo)電層501、氮化鎵半導(dǎo)體的有源層502、以及氮化鎵半導(dǎo)體的第二導(dǎo)電層503，它們都平行于襯底的主平面。部分除去有源層502和第二導(dǎo)電層503，由此形成底部穿入第一導(dǎo)電層501的開口506。在開口506中形成第一電極504，由此它連接到第一導(dǎo)電層501。在第二導(dǎo)電層503上形成連接到它的第二電極。
一種滿足用于大顯示的光源要求的簡(jiǎn)單方式是根據(jù)需要的亮度增加器件尺寸。然而，光設(shè)計(jì)限制了發(fā)光區(qū)的尺寸，在制備具有高亮度和大發(fā)光區(qū)的器件時(shí)存在困難。此外，器件中的有源區(qū)也受到光出射窗口和用于有效注入電流的電極的布局限制。因此，目前通過(guò)注入多于實(shí)際器件中規(guī)定的電流可以滿足高亮度的要求。然而增加電流注入損害了器件的可靠性。
另一方面，期望減少發(fā)光二極管的器件尺寸并通過(guò)提高成品率減少制造成本。非常需要減少陣列形式的LED構(gòu)成用于顯示的各象素的區(qū)域的尺寸。然而，尺寸減少導(dǎo)致單位面積的負(fù)載增加，與以上提到的高亮度和高穩(wěn)定性的要求相矛盾。
此外，如果器件尺寸減小到小于幾十微米以下，那么用于有源區(qū)的區(qū)域大大地受電極504和505(圖2所示)以及器件隔離槽限制。導(dǎo)電層503和501接觸電極505和504的區(qū)域應(yīng)盡可能大以保持低電阻。然而，電極增大減小了從有源區(qū)發(fā)出光的面積，導(dǎo)致了亮度減少。
本發(fā)明就是為了解決以上提到的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的目的是提供一種細(xì)微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，該結(jié)構(gòu)具有良好的晶體特性和控制的襯底螺紋位錯(cuò)，能夠制備這種結(jié)構(gòu)同時(shí)不增加步驟。本發(fā)明的另一目的是提供一種制造具有良好晶體特性的細(xì)微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，同時(shí)不需要附加的步驟。本發(fā)明的再一目的是提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造工藝，具有用于有效發(fā)光和高亮度的特殊形狀的細(xì)微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一目的是提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠以電極附近的臺(tái)階減少并且能防止有源層退化的方式制備而不需要附加的步驟，同時(shí)可以控制襯底螺紋位錯(cuò)并且晶體特性良好。本發(fā)明的還一目的是提供一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的工藝，能夠以電極附近的臺(tái)階減少并且能防止有源層退化的方式制備，不需要附加的步驟，同時(shí)晶體特性良好。本發(fā)明的另一目的是提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，保持良好的可靠性同時(shí)有源層(光產(chǎn)生區(qū))上的負(fù)載最小，由于提高了發(fā)光效率能夠獲得高亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底和形成其上的晶體層，晶體層具有與襯底主平面傾斜的傾斜晶面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于晶體層上的傾斜晶面形成的第二導(dǎo)電類型層。
具有傾斜晶片的晶體層具有例如纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。它由氮化物半導(dǎo)體形成。它可以通過(guò)掩模層中的開口通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成，或者由形成在襯底上用于生長(zhǎng)的下層選擇性生長(zhǎng)形成。此時(shí)，襯底的主平面可以是C面。
根據(jù)本發(fā)明，以上提到的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件排列成陣列以形成圖象顯示單元(其中每個(gè)器件作為一個(gè)象素)或發(fā)光系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)包括以下步驟的工藝制造半導(dǎo)體發(fā)光器件在襯底上形成具有開口的掩模層或籽晶層；通過(guò)掩模層中的開口或由籽晶層選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面；在晶體層上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于傾斜晶面的第二導(dǎo)電類型層。
具有傾斜于襯底主平面的傾斜晶面的晶體層抑制了襯底的螺紋位錯(cuò)。通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易出現(xiàn)傾斜于襯底主平面的晶面的事實(shí)得到了良好的晶體，同時(shí)不需要增加如腐蝕等的步驟。
由氮化鎵(GaN)形成晶體層的優(yōu)點(diǎn)在于由于此時(shí)由氮原子到鎵原子的鍵合數(shù)量大于使用C+面形成晶體層時(shí)的鍵合數(shù)量，因此有效的V/III比增加。這樣可以形成具有良好晶體特性的有源層，由此得到性能提高的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
本發(fā)明的第二目的在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底和形成其上的晶體層，晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面，或者基本上等效于S面的平面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
晶體層具有S面或基本上等效于S面的平面，構(gòu)成了近似六棱錐的側(cè)面。此外，形成晶體層使C+面或基本上等效于C+面的平面構(gòu)成六角棱柱體的頂部。此時(shí)，襯底的主平面可以為C+面。
根據(jù)本發(fā)明，以上提到的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件排列成陣列以形成圖象顯示單元(其中每個(gè)器件作為一個(gè)象素)或發(fā)光系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)包括以下步驟的工藝制造半導(dǎo)體發(fā)光器件在襯底上形成具有開口的掩模層；通過(guò)掩模層中的開口選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，晶體層具有S面或基本上等效于S面的平面；在晶體層上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面的第二導(dǎo)電類型層。
半導(dǎo)體發(fā)光器件具有第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面的第二導(dǎo)電類型層。該結(jié)構(gòu)基于就形成電極的觀點(diǎn)而言與將S面看作選擇性晶體生長(zhǎng)的未完成階段的常規(guī)觀念不同的新觀念。傾斜于襯底的S面由于它的橫向生長(zhǎng)抑制了襯底的螺紋位錯(cuò)。此外，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易出現(xiàn)S面的事實(shí)得到了良好的晶體，同時(shí)不需要增加如腐蝕等的步驟。
當(dāng)晶體層由S面上的氮化鎵(GaN)形成時(shí)，由于S面上由氮原子到鎵原子的鍵合數(shù)量大于使用C+面上的鍵合數(shù)量，因此有效的V/III比增加。由此可以形成性能提高的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
本發(fā)明的第三方案在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成具有傾斜于襯底主平面的傾斜晶面的晶體生長(zhǎng)層；形成在晶體生長(zhǎng)層上并根據(jù)以預(yù)定數(shù)量注入的電流發(fā)光的有源層；以及近似平行于傾斜晶面形成的并反射部分從有源層發(fā)出的光的反射面。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)包括以下步驟的工藝制造半導(dǎo)體發(fā)光器件在用于生長(zhǎng)的襯底上通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成具有傾斜于用于生長(zhǎng)的襯底主平面的傾斜晶面的晶體生長(zhǎng)層；然后形成有源層和近似平行于以上提到的傾斜晶面的反射面。
由有源層產(chǎn)生的光被近似平行于與用于生長(zhǎng)的襯底主平面傾斜的傾斜晶面的反射面反射。由于反射面近似平行于傾斜晶體層，因此反射面傾斜于用于生長(zhǎng)的襯底主平面。因此如果近似平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面形成發(fā)光窗口，受到發(fā)光窗口全反射的光被反射平面反射，同時(shí)它沿傾斜的晶面前進(jìn)。以此方式，光通路改變以利于發(fā)光。選擇性生長(zhǎng)允許與用于生長(zhǎng)的襯底傾斜的傾斜晶體層自身形成；因此可以避免如腐蝕等的微處理。
本發(fā)明的第四方案在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于第二生長(zhǎng)層的晶面第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，這些層的部分或全部覆蓋開口周圍的掩模層。
第一和第二生長(zhǎng)層具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。它們可以由氮化物半導(dǎo)體形成。第二生長(zhǎng)層的晶面傾斜于襯底的主平面。此時(shí)，襯底的主平面可以是C面。
本發(fā)明的第四方案還在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于第二生長(zhǎng)層的晶面第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，這些層形成得整個(gè)覆蓋第二生長(zhǎng)層。
本發(fā)明的第四方案還在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，平行于第二生長(zhǎng)層的晶面形成，由此它們的端部直接接觸掩模層。
根據(jù)本發(fā)明，以上提到的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件排列成陣列以形成圖象顯示單元(其中每個(gè)器件作為一個(gè)象素)或發(fā)光系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)包括以下步驟的工藝制造半導(dǎo)體發(fā)光器件在襯底上形成第一生長(zhǎng)層；在第一生長(zhǎng)層上形成具有開口的掩模層；通過(guò)掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成第二生長(zhǎng)層；以及形成第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，第二導(dǎo)電類型的覆蓋層平行于第二生長(zhǎng)層的晶面并延伸到開口周圍的掩模層。
通過(guò)第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及平行于第二生長(zhǎng)層的晶面并覆蓋開口周圍的掩模層的第二導(dǎo)電類型的覆蓋層構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光器件的優(yōu)點(diǎn)在于在包括第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層和襯底或第一生長(zhǎng)層之間存在掩模層。開口周圍的掩模層減小了臺(tái)階，由此提高了隨后的電極微處理工藝需要的精確度。此外，第二生長(zhǎng)層的選擇性生長(zhǎng)使它容易形成與襯底主平面傾斜的傾斜晶面。因此可以抑制襯底的螺紋位錯(cuò)并得到良好的晶體，同時(shí)不需要增加如腐蝕等的步驟。
本發(fā)明的第五方案在于一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括位于第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間的有源層，且通過(guò)選擇性生長(zhǎng)不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面形成有源層，有源層的面積大于在用于生長(zhǎng)的襯底上選擇性生長(zhǎng)時(shí)使用的窗口面積，或者大于通過(guò)在法線方向?qū)⑦x擇性生長(zhǎng)晶體層投影(project)到用于生長(zhǎng)的襯底得到的投影面積。
根據(jù)本發(fā)明，有源層的面積可以大于或等于通過(guò)在法線方向?qū)⑦x擇性生長(zhǎng)的晶體層投影到用于生長(zhǎng)的襯底上得到的投影面積以及其中第一或第二導(dǎo)電類型層中的至少一層和它的電極相互接觸的面積的總和。
有源層位于第一導(dǎo)電類型層和第二導(dǎo)電類型層之間，當(dāng)電流穿過(guò)這兩層注入時(shí)，有源層發(fā)光。由于有源層的面積大于在用于生長(zhǎng)的襯底上選擇性生長(zhǎng)時(shí)使用的窗口面積，或者大于選擇性生長(zhǎng)層的投影面積，可以減小注入到有源層內(nèi)電流的局部電流密度。此外，有源層的面積可以大于投影面積和電極面積的總和，由此可以進(jìn)一步減小注入到有源層內(nèi)電流的電流密度。


圖1示出了半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的剖面圖。
圖2示出了半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的剖面圖。
圖3示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖4示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成摻硅GaN的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖5示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成用于晶體生長(zhǎng)的窗口的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖6示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層等的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖7示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖8示出了在本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖9示出了本發(fā)明例1的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖10示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖11示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中選擇性除去的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖12示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖13示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖14示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖15示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖16示出了本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖17示出了在本發(fā)明例2的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中以改進(jìn)方式分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖18示出了在本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖19示出了在本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖20示出了在本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖21示出了在本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖22示出了在本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖23示出了本發(fā)明例3的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖24示出了在本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖25示出了在本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖26示出了在本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖27示出了在本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖28示出了在本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖29示出了本發(fā)明例4的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖30示出了在本發(fā)明例5的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖31示出了在本發(fā)明例5的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖32示出了本發(fā)明例5的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖33示出了在本發(fā)明例6的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成p電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖34示出了在本發(fā)明例6的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖35示出了在本發(fā)明例6的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成n電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖36示出了以改進(jìn)方式形成n電極的步驟圖。
圖36A示出了激光磨蝕步驟的示意性剖面圖。
圖36B示出了RIE步驟的示意性剖面圖。
圖36C示出了形成n電極步驟的示意性剖面圖。
圖37示出了本發(fā)明例6的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖38示出了在本發(fā)明例6的半導(dǎo)體發(fā)光器件另一結(jié)構(gòu)的后視透視圖。
圖39示出了在本發(fā)明例6的改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成透明電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖40示出了本發(fā)明例6的改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖41示出了在本發(fā)明例7的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖42示出了在本發(fā)明例7的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖43示出了在本發(fā)明例7的改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖44示出了本發(fā)明例7的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖45示出了在本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成掩模的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖46示出了在本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖47示出了在本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成有源層的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖48示出了在本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖49示出了在本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中分離器件的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖50示出了本發(fā)明例8的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖51示出了在本發(fā)明例8的改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖52示出了本發(fā)明例8的改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖53示出了在本發(fā)明例9的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟圖。(A)是剖面圖，(B)是透視圖。
圖54示出了利用本發(fā)明例10的半導(dǎo)體發(fā)光器件的裝置的部分透視圖。
圖55示出了本發(fā)明例11的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖56示出了本發(fā)明例11的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。該圖示出了窗口區(qū)的面積W1。
圖57示出了本發(fā)明例11的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。該圖示出了晶體生長(zhǎng)層的投影面積W2。
圖58示出了本發(fā)明例12的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以條紋圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖59示出了本發(fā)明例13的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以伸長(zhǎng)的四角柱的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖60示出了本發(fā)明例14的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以四角柱的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖61示出了本發(fā)明例15的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以六棱錐的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖62示出了本發(fā)明例16的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以六角棱柱體的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖63示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成用于生長(zhǎng)的下層的步驟透視圖。
圖64示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成窗口區(qū)的步驟透視圖。
圖65示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體生長(zhǎng)層的步驟透視圖。
圖66示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成第二導(dǎo)電類型層的步驟透視圖。
圖67示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成接觸區(qū)的步驟透視圖。
圖68示出了在本發(fā)明例17的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟透視圖。
圖69示出了本發(fā)明例18的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
圖70示出了本發(fā)明例19的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖71示出了本發(fā)明例19的半導(dǎo)體發(fā)光器件的重要部分的剖面圖。
圖72示出了在本發(fā)明的各例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)使用的晶體生長(zhǎng)層的模型的透視圖。
圖73示出了在本發(fā)明的各例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中計(jì)算角度相關(guān)性使用的模型的透視圖。
圖74示出了由以上提到的計(jì)算得到的角度與發(fā)光效率的關(guān)系圖。
圖75示出了在本發(fā)明的各例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中計(jì)算高度相關(guān)性使用的模型圖。
圖76示出了由以上提到的計(jì)算得到的高度與發(fā)光效率的關(guān)系圖。
圖77示出了本發(fā)明例20的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以條紋圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖78示出了本發(fā)明例21的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以伸長(zhǎng)的四角柱的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖79示出了本發(fā)明例22的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以四角柱的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖80示出了本發(fā)明例23的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以六棱錐的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖81示出了本發(fā)明例24的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以六角棱柱體的圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖82示出了本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的透視圖。該結(jié)構(gòu)的特征在于以六棱錐和四角柱的混合圖形形成晶體生長(zhǎng)層。
圖83示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成用于生長(zhǎng)的下層的步驟透視圖。
圖84示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成窗口區(qū)的步驟透視圖。
圖85示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成晶體生長(zhǎng)層的步驟透視圖。
圖86示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成第二導(dǎo)電類型層的步驟透視圖。
圖87示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成接觸區(qū)的步驟透視圖。
圖88示出了在本發(fā)明例25的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中形成電極的步驟透視圖。
圖89示出了本發(fā)明例26的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖詳細(xì)地介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
根據(jù)本發(fā)明的第一半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上的所述傾斜晶面形成的第二導(dǎo)電類型層。
在本發(fā)明中使用的襯底不必特別限定，只要它能形成具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面的晶體層?？梢允褂枚喾N材料。它們包括例如，藍(lán)寶石(具有A面、R面、或C面的Al2O3)、SiC(包括6H、4H和3C)、GaN、Si、ZnS、ZnO、AlN、LiMgO、GaAs、MgAl2O4以及InAlGaN。在這些例子中，優(yōu)選六角晶體或立方晶體基襯底，前者更優(yōu)選。可以使用主平面為C面的藍(lán)寶石襯底。(C面為用做半導(dǎo)體的氮化鎵(GaN)基化合物通常生長(zhǎng)的平面)。作為襯底主平面的C面具有傾斜角度為5或6度的平面取向。存在襯底自身不是發(fā)光器件組成部分的情況。在這種情況中，襯底僅用于支撐器件部分，并且完成器件之前要除去。
形成在襯底上的晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面。不必特別限定該晶體層，只要它允許發(fā)光區(qū)(以后將提到)形成其上，發(fā)光區(qū)由第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層組成，并且平行于與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面。希望使用纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)作為晶體層。晶體層可以由基于III族的化合物半導(dǎo)體、基于BeMgZnCdS的化合物半導(dǎo)體、或基于BeMgZnCdO的化合物半導(dǎo)體形成。也可以由基于氮化鎵(GaN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化鋁(AlN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化銦(InN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化鎵銦(InGaN)的化合物半導(dǎo)體、或基于氮化鎵鋁(AlGaN)的化合物半導(dǎo)體形成。其中優(yōu)選氮化物半導(dǎo)體，例如基于氮化鎵的化合物半導(dǎo)體。順便提及，在本發(fā)明中，InGaN、AlGaN、GaN等不意味著僅為三元或二元混合晶體的氮化物半導(dǎo)體。例如InGaN含有不影響InGaN功能的微量Al和其它雜質(zhì)。這種化合物半導(dǎo)體在本發(fā)明的范圍內(nèi)?；旧系刃в赟面或(11-22)面的平面包括具有與S面或(11-22)面傾斜5到6度的平面取向的平面。
可以通過(guò)多種化學(xué)汽相淀積生長(zhǎng)晶體層，例如金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD或MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氫化物汽相外延(HVPE)。在這些方法中，MOCVD最優(yōu)選，是由于它能很快地得到具有良好晶體特性的晶體層。MOCVD法通常使用烷基金屬化合物，例如TMG(三甲基鎵)或TEG(三乙基鎵)作為Ga源、TMA(三甲基鋁)或TEA(三乙基鋁)作為Al源、以及TMI(三甲基銦)或TEI(三乙基銦)作為In源。也可以使用氨氣或肼氣作為氮源。也可以使用其它氣體作為雜質(zhì)源。這些氣體包括用于Si的硅烷氣體、用于Ge的鍺烷(germane)氣體、用于Mg的Cp2Mg(環(huán)戊二烯合鎂)、以及用于Zn的DEZ(二乙基鋅)。通常通過(guò)將氣體送入加熱到600℃以上的襯底表面進(jìn)行MOVPE，由此通過(guò)外延生長(zhǎng)氣體分解得到基于InAlGaN的化合物半導(dǎo)體。
希望的是，在用于生長(zhǎng)的下層形成在襯底上之后，形成晶體層。用于生長(zhǎng)的下層可以是氮化鎵層或氮化鋁層。也可以是低溫緩沖層和高溫緩沖層的組合、或緩沖層和籽晶層(起籽晶的作用)的組合。和晶體層中一樣，用于生長(zhǎng)的下層也可以通過(guò)化學(xué)汽相淀積形成，例如金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氫化物汽相外延(HVPE)。由低溫緩沖層生長(zhǎng)晶體層產(chǎn)生多晶易于沉積在掩模上的問(wèn)題。通過(guò)形成籽晶層然后在其上生長(zhǎng)與襯底不同的平面可以解決該問(wèn)題。以此方式可以生長(zhǎng)具有良好晶體特性的晶體。當(dāng)選擇性生長(zhǎng)用于晶體生長(zhǎng)時(shí)，如果不存在籽晶層，那么不需要由緩沖層生長(zhǎng)晶體。緩沖層的選擇性生長(zhǎng)導(dǎo)致從不需要晶體生長(zhǎng)的部分生長(zhǎng)晶體。因此，籽晶層使晶體選擇性地生長(zhǎng)在需要晶體生長(zhǎng)的區(qū)域中。緩沖層往往減輕了襯底和氮化物半導(dǎo)體之間的晶格不匹配。因此，存在如果襯底具有接近于氮化物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)那么不形成緩沖層的情況。例如，存在AlN緩沖層形成在SiC上同時(shí)不降低溫度或者AlN或GaN緩沖層形成在Si襯底上同時(shí)不降低溫度的情況。以此方式，可以形成良好質(zhì)量的GaN。如果襯底為GaN，那么沒(méi)有任何緩沖層的結(jié)構(gòu)也可以接受。
根據(jù)本發(fā)明，使用選擇性生長(zhǎng)形成與襯底主平面傾斜的傾斜晶面。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面取決于使用的襯底的主平面。當(dāng)襯底的主平面為纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的(0001)面[C面]時(shí)，可以選擇以下晶面(1-100)面[M面]、(1-101)面[S面]、(11-20)面[A面]、(1-102)面[R面]、(1-123)面[N面]、以及(11-22)面(包括它們的等效面)。在這些平面中，優(yōu)選S面和(11-22)面(或它們的等效面)。等效的晶面包括如上所述具有5到6度傾斜的平面取向的那些晶面。具體地，S面為在C+面上進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)時(shí)得到的穩(wěn)定晶面。該晶面是相對(duì)較容易得到的晶面，它的晶面指數(shù)(index)為六角晶體系中的(1-101)。與包括C+面和C-面的C面一樣，S面包括S+面和S-面。在本說(shuō)明書中，S+面生長(zhǎng)在C+面GaN上，如不特別說(shuō)明，它被稱做S面。順便提及，對(duì)于S面，S+面很穩(wěn)定。C+面的平面指數(shù)為(0001)。當(dāng)由以上提到的基于氮化鎵的化合物半導(dǎo)體形成晶體層時(shí)，S面上從Ga到N的鍵合數(shù)量為2或3。該數(shù)量比C面上的小。由于實(shí)際上在C+面上不能得到C-面，因此S面上的鍵合數(shù)量最大。例如，當(dāng)?shù)锷L(zhǎng)在具有C面作為主平面的藍(lán)寶石襯底上時(shí)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物具有C+面；然而，如果使用選擇性生長(zhǎng)，那么可以形成S面。在平行于C面的平面上，N的鍵(自身容易斷開)與Ga的一個(gè)鍵結(jié)合，而在傾斜的S面上，它與至少一個(gè)鍵結(jié)合。這使得有效的V/III比增加，由此提高了疊層結(jié)構(gòu)的晶體特性。此外，在與襯底的取向不同的方向中生長(zhǎng)使從襯底延伸的位錯(cuò)偏移(bend)，由此有利地減少了缺陷。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，晶體層具有與襯底主平面傾斜的傾斜晶面。晶體層可以下面方式形成S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六棱錐的側(cè)面、或者S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六角棱柱體的側(cè)面、以及C面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成所述近似六角棱柱體的頂面。近似六棱錐或近似六角棱柱體不必為嚴(yán)格的六角形。它可以包括具有一個(gè)或更多缺少面的六角體。在優(yōu)選實(shí)施例中，傾斜晶面為六角形，近似對(duì)稱地設(shè)置。“近似對(duì)稱”包含完全對(duì)稱和稍微不對(duì)稱。晶體層的晶面之間的邊緣不必為直線。此外，近似六棱錐或近似六角棱柱體可以是拉長(zhǎng)形。
實(shí)際上，通過(guò)使用選擇性除去部分用于生長(zhǎng)的下層、或者使用用于生長(zhǎng)的下層上掩模層中或者用于生長(zhǎng)的下層形成之前形成的掩模層中選擇性制成的開口完成選擇性生長(zhǎng)。例如，當(dāng)用于生長(zhǎng)的下層由緩沖層和籽晶層組成時(shí)，緩沖層上的籽晶層被分為分散的小區(qū)，每個(gè)直徑約10μm。晶體由這些小區(qū)域生長(zhǎng)，由此形成具有S面的晶體層。例如，細(xì)微分開的籽晶層相互間隔開排列，由此可以將完成的發(fā)光器件分開。各小區(qū)可以具有任何形狀，例如條、格、圓形、方形、六角形、三角形、矩形以及菱形，以及它們的變形。通過(guò)在用于生長(zhǎng)的下層上形成掩模層并且在掩模層中選擇性地形成開口(窗口區(qū))也可以完成選擇性生長(zhǎng)。掩模層例如可以為氧化硅層或氮化硅層。如果掩模層或籽晶層中的窗口區(qū)形成為拉長(zhǎng)形，那么可以形成以上提到的拉長(zhǎng)形的近似六棱錐或近似六角棱柱體。
如果用于選擇性生長(zhǎng)的掩模層中的窗口區(qū)為直徑約10μm的圓形(或一側(cè)面與1-100方向或11-20方向重合的六角形)，那么可以容易地形成約為窗口區(qū)兩倍大的選擇性生長(zhǎng)區(qū)。此外，與襯底不同方向的S面產(chǎn)生偏移或隔離位錯(cuò)的效果。這有助于減少位錯(cuò)密度。
本發(fā)明人對(duì)生長(zhǎng)的六角棱柱體上的陰極發(fā)光觀察顯示，S面具有良好的晶體特性，在發(fā)光效率方面比C+面優(yōu)越。在700-800℃下生長(zhǎng)InGaN有源層使氨分解變慢，因此需要更多的氮種類(species)。用AFM觀察顯示表面具有規(guī)則的臺(tái)階適合于InGaN吸收(uptake)。還發(fā)現(xiàn)用AFM觀察到的摻鎂層的生長(zhǎng)表面通常處于較差狀態(tài)，由于S面得到改善，并且摻雜條件顯著不同。用顯微光致發(fā)光繪圖(具有約0.5-1μm的分辨能力)觀察顯示由選擇性生長(zhǎng)形成的S面是均勻的。(通過(guò)通常工藝形成在C+面上的S面具有約1μm間距的不規(guī)則之處。)此外，用SEM觀察表明側(cè)面比C+面更平滑。
如果使用掩模進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)以使晶體僅生長(zhǎng)在掩模的開口上，那么晶體不會(huì)在橫向中生長(zhǎng)。此時(shí)可以使用微通道外延使晶體在橫向中生長(zhǎng)，在窗口區(qū)之外延伸?，F(xiàn)已知通過(guò)微通道外延在橫向中的生長(zhǎng)容易避免螺旋位錯(cuò)，因此減少了位錯(cuò)。以此方式在橫向中的生長(zhǎng)得到增大的光產(chǎn)生區(qū)，并有助于均勻的電流流動(dòng)和減少電流密度。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面，還包括第一導(dǎo)電類型、有源層、以及平行于所述晶體層上的所述傾斜晶面形成的第二導(dǎo)電類型層。第一導(dǎo)電類型層為p型或n型覆蓋層，第二導(dǎo)電類型層為相反類型的覆蓋層。例如，如果構(gòu)成S面的晶體層由基于摻硅的氮化鎵化合物半導(dǎo)體層形成，那么n型覆蓋層由摻硅的氮化鎵化合物半導(dǎo)體形成。在該覆蓋層上形成InGaN有源層。在該有源層上形成基于摻鎂的氮化鎵化合物半導(dǎo)體的p型覆蓋層。以此方式得到需要的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。另一可能的結(jié)構(gòu)是InGaN有源層夾在兩個(gè)InGaN層之間。有源層可以是單體層結(jié)構(gòu)。此外，它可以是單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)、雙量子阱(DQW)結(jié)構(gòu)、或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。如果需要的話，量子阱結(jié)構(gòu)可以使用用于分開量子阱的勢(shì)壘層。具有InGaN有源層的發(fā)光器件容易制造，并具有良好的發(fā)光特性。而且，InGaN層容易結(jié)晶化并在氮原子自身很難斷開的S面上具有良好的晶體特性。這增加了發(fā)光效率。順便提及，即使沒(méi)有被摻雜由于晶體中產(chǎn)生的氮空穴，氮化物化合物半導(dǎo)體易于變成n型。然而，在晶體生長(zhǎng)期間如果摻有普通的施主雜質(zhì)(例如，Si、Ge和Se)，那么可以有意制成具有所需載流子密度的n型。此外，通過(guò)用受主雜質(zhì)(例如，Mg、Zn、C、Be、Ca和Ba)摻雜可以將氮化物半導(dǎo)體制成p型。為了得到具有高載流子密度的p型，用受主雜質(zhì)摻雜之后，需要在惰性氣氛中(例如氮?dú)夂蜌鍤?在400℃以上對(duì)它進(jìn)行退火。也可以用激光束、微波、或光照射激活。
第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層平行于與襯底主平面傾斜的傾斜晶面。形成傾斜晶面之后通過(guò)晶體生長(zhǎng)容易形成它們。當(dāng)晶體層形成近似六棱錐或六角棱柱體并且傾斜晶面為S面時(shí)，光產(chǎn)生區(qū)(由第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層組成)可以整個(gè)或部分地形成在S面上。當(dāng)為近似六角棱柱體時(shí)，第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層也可以形成在它的平行于襯底主平面的頂面上。通過(guò)傾斜S面發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)在于光從半導(dǎo)體發(fā)出由于傾斜面不會(huì)多次反射。(對(duì)于平行平面，由于多次反射，光減弱。)如果第一導(dǎo)電類型層由與構(gòu)成S面的晶體層使用的相同材料構(gòu)成，第一導(dǎo)電類型層(或覆蓋層)可以具有相同的導(dǎo)電類型。也可以通過(guò)構(gòu)成S面的晶體層形成之后連續(xù)地控制密度形成第一導(dǎo)電類型層。作為另一個(gè)例子，結(jié)構(gòu)可以是構(gòu)成S面的部分晶體層作為第一導(dǎo)電類型層。此外，當(dāng)晶面不垂直于襯底時(shí)，提高了光發(fā)射。
通過(guò)提供傾斜的晶面，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了發(fā)光效率并具有良好的晶體特性。如果電流僅注入到具有良好晶體特性的S面，由于它對(duì)In良好的吸收，因此發(fā)光效率增加?；旧掀叫杏赟面的有源層的面積大于通過(guò)將有源層投影到襯底的主平面或用于生長(zhǎng)的下層得到的面積。具有大面積的有源層增加了器件的發(fā)射表面。這導(dǎo)致電流密度減少。此外，具有大面積的有源層減少亮度飽和，因此增加了發(fā)射效率。
當(dāng)為六棱錐形式的晶體層時(shí)，特別是頂點(diǎn)附近S面的臺(tái)階狀態(tài)較差，頂點(diǎn)處的發(fā)光效率低。原因在于以下面方式構(gòu)成六棱錐它的每個(gè)側(cè)面由從它的中心向頂點(diǎn)、左邊緣、右邊緣以及基底延伸的四個(gè)部分組成，朝頂點(diǎn)延伸的部分起伏最大，不規(guī)則的生長(zhǎng)容易發(fā)生在頂點(diǎn)的附近。通過(guò)比較，在朝兩個(gè)邊緣延伸的兩個(gè)部分中，臺(tái)階幾乎平直和致密，并且處于非常好的生長(zhǎng)狀態(tài)。在朝基底延伸的部分中，臺(tái)階輕微起伏，但晶體生長(zhǎng)沒(méi)有象朝頂點(diǎn)延伸的部分中那樣起伏。由此，在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，可以以電流密度在頂點(diǎn)附近比在周圍低的方式將電流注入到有源層內(nèi)。在頂點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)低電流密度的結(jié)構(gòu)為電極形成在斜面，但不形成在頂點(diǎn)處，或者在頂點(diǎn)處形成電極之前形成電流阻斷區(qū)。
在晶體層和第二導(dǎo)電類型層上分別形成電極。為了減少接觸電阻，電極形成在預(yù)先形成的接觸層上。這些電極可以通過(guò)汽相淀積形成。需要精確的汽相淀積以避免由于p電極和n電極接觸晶體層和在掩模下形成的籽晶層而發(fā)生的短路。
可以通過(guò)將本發(fā)明的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)置成陣列構(gòu)成圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)。如果對(duì)應(yīng)于三基色的器件排列成能夠掃描的陣列，那么由于使用S面電極具有較小的面積，因此所得顯示將具有小面積。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜S晶面(或基本上與其等效的晶面)，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于形成在所述晶體層上的所述S面或基本上與其等效的晶面的第二導(dǎo)電類型層。在本發(fā)明中使用的襯底不必特別限定，只要它能形成具有S面或與其等效的晶面(以后將提到)的晶體層。可以是與以上提到的半導(dǎo)體發(fā)光器件1使用的相同材料。
形成在襯底上的晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜S晶面(或基本上與其等效的晶面)。該晶體層可以由得到發(fā)光區(qū)的任何材料形成，發(fā)光區(qū)由第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于S面或與其等效的晶面(以后將提到)的第二導(dǎo)電類型層組成?？梢允褂门c以上提到的半導(dǎo)體發(fā)光器件1中示例的相同材料。生長(zhǎng)晶體層和用于生長(zhǎng)晶體層的下層的方法也可以與以上提到的半導(dǎo)體發(fā)光器件1使用的相同方法。順便提及，基本上與S面等效的晶面具有朝S面傾斜5到6度角度的晶面取向。
在本發(fā)明中，可以選擇性生長(zhǎng)形成S面或基本上與其等效的晶面。S面為在C+面上進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)時(shí)得到的穩(wěn)定晶面。該晶面也是相對(duì)較容易得到的晶面，它的晶面指數(shù)為六角晶體系中的(1-101)。與包括C+面和C-面的C面一樣，S面包括S+面和S-面。在該例子中，S+面生長(zhǎng)在C+面GaN上，如不特別說(shuō)明，它被稱做S面。
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)光器件以使晶體層具有至少S面或基本上與其等效的晶面。晶體層可以是S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六棱錐的側(cè)面、或者S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六角棱柱體的側(cè)面、以及C面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成所述近似六角棱柱體的頂面。近似六棱錐或近似六角棱柱體不必為嚴(yán)格的六角形。它可以包括具有一個(gè)或更多缺少面的六角體，或具有邊緣不平直的六角體。近似六棱錐或近似六角棱柱體可以是拉長(zhǎng)形。選擇性生長(zhǎng)的方法可以是與以上提到的半導(dǎo)體發(fā)光器件1使用的相同方法。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件具有第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于形成在晶體層上的S面或基本上與其等效的晶面的第二導(dǎo)電類型層。第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層與半導(dǎo)體發(fā)光器件1的以前部分中介紹的相同。
第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層平行于S面或基本上與其等效的晶面。通過(guò)在已形成S面的位置處通過(guò)連續(xù)的晶體生長(zhǎng)可以容易地形成這些層。當(dāng)晶體層形成近似六棱錐或六角棱柱體并且傾斜晶面為S面時(shí)，光產(chǎn)生區(qū)(由第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層組成)可以整個(gè)或部分地形成在S面上。當(dāng)為近似六角棱柱體時(shí)，第一導(dǎo)電類型層、有源層以及第二導(dǎo)電類型層也可以形成在它的平行于襯底主平面的頂面上。通過(guò)傾斜S面發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)在于光從半導(dǎo)體發(fā)出由于傾斜面不會(huì)多次反射。(對(duì)于平行平面，由于多次反射光減弱。)如果第一導(dǎo)電類型層由與構(gòu)成S面的晶體層使用的相同材料構(gòu)成，第一導(dǎo)電類型層(或覆蓋層)可以具有相同的導(dǎo)電類型。也可以通過(guò)構(gòu)成S面的晶體層形成之后連續(xù)地控制密度形成第一導(dǎo)電類型層。作為另一個(gè)例子，結(jié)構(gòu)可以是構(gòu)成S面的部分晶體層作為第一導(dǎo)電類型層。
通過(guò)提供傾斜的晶面，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了發(fā)光效率并具有良好的晶體特性。如果電流僅注入到具有良好晶體特性的S面，由于它對(duì)In良好的吸收，因此發(fā)光效率增加?；旧掀叫杏赟面的有源層的面積大于通過(guò)將有源層投影到襯底的主平面或用于生長(zhǎng)的下層得到的面積。具有大面積的有源層增加了器件的發(fā)射表面。這導(dǎo)致電流密度減少。此外，具有大面積的有源層減少亮度飽和，因此增加了發(fā)射效率。
當(dāng)為六棱錐形式的晶體層時(shí)，特別是頂點(diǎn)附近S面的臺(tái)階狀態(tài)較差，頂點(diǎn)處的發(fā)光效率低。原因在于以下面方式構(gòu)成六棱錐它的每個(gè)側(cè)面由從它的中心向頂點(diǎn)、左邊緣、右邊緣以及基底延伸的四個(gè)部分組成，朝頂點(diǎn)延伸的部分起伏最大，不規(guī)則的生長(zhǎng)容易發(fā)生在頂點(diǎn)的附近。通過(guò)比較，在朝兩個(gè)邊緣延伸的兩個(gè)部分中，臺(tái)階幾乎平直和致密，并且處于非常好的生長(zhǎng)狀態(tài)。在朝基底延伸的部分中，臺(tái)階輕微起伏，但晶體生長(zhǎng)沒(méi)有象朝頂點(diǎn)延伸的部分中那樣起伏。由此，在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，可以以電流密度在頂點(diǎn)附近比在周圍低的方式將電流注入到有源層內(nèi)。在頂點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)低電流密度的結(jié)構(gòu)為電極形成在斜面，但不形成在頂點(diǎn)處，或者在頂點(diǎn)處形成電極之前形成電流阻斷區(qū)。
在晶體層和第二導(dǎo)電類型層上分別形成電極。為了減少接觸電阻，電極形成在預(yù)先形成的接觸層上。這些電極可以通過(guò)汽相淀積形成。需要精確的汽相淀積以避免由于p電極和n電極接觸晶體層和在掩模下形成的籽晶層而發(fā)生的短路。
可以通過(guò)將本發(fā)明的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)置成陣列構(gòu)成圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)。如果對(duì)應(yīng)于三基色的器件排列成能夠掃描的陣列，那么由于使用S面電極具有較小的面積，因此所得顯示將具有小面積。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括具有通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成并傾斜于襯底主平面的傾斜晶面的晶體生長(zhǎng)層；形成在所述晶體生長(zhǎng)層上并根據(jù)以預(yù)定數(shù)量注入的電流發(fā)光的有源層；以及近似平行于所述傾斜晶面形成并反射部分從有源層發(fā)出的光的反射面。以上介紹半導(dǎo)體發(fā)光器件1使用的相同概念同樣適用于襯底和晶體層、形成晶體層的選擇性生長(zhǎng)方法、以及第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層的基本構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中的反射面不必具體限定它的結(jié)構(gòu)，只要它能基本上反射有源層產(chǎn)生所有光或者盡管有些輕微的光傳輸?shù)軌蛴行У胤瓷?。該反射面近?至少部分地)平行于傾斜晶面。“近似平行于傾斜晶面”意味著反射面基本上平行或稍微傾斜。反射面可以是單個(gè)面或兩個(gè)或多個(gè)平行于傾斜晶面的面組成，傾斜晶面能夠反射有源層產(chǎn)生的光。構(gòu)成反射面使它們?cè)趦A斜晶面的法線方向中重疊。在本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，晶面自身作為反射面。晶面作為反射面減少了散射并使發(fā)光效率提高。此外，晶面作為反射面時(shí)，可以在每個(gè)半導(dǎo)體層(例如有源層)形成之后形成作為電極的金屬膜。此時(shí)，電極構(gòu)成反射膜。形成在有源層的電極用做反射膜時(shí)，如果有源層疊置在傾斜的晶體層上，那么也可以與晶體生長(zhǎng)層形狀一致地形成電極，形成反射膜不需要如腐蝕的制造工藝。
例如，平行于以上提到的傾斜晶面的反射面可以由以小于180°的角度相互面對(duì)的至少兩個(gè)反射面構(gòu)成。以小于180°的角度相互面對(duì)的兩個(gè)或多個(gè)反射面可以是兩個(gè)或多個(gè)直接相互面對(duì)的面，或者以其它的角度相互面對(duì)且反射面或晶面插入其間的面。例如，形成其中具有S面作為側(cè)面的六棱錐結(jié)構(gòu)的晶體生長(zhǎng)層的器件時(shí)，在六棱錐的頂部它們以約60°的角度相對(duì)。
在晶體生長(zhǎng)層或第一導(dǎo)電類型層以及第二導(dǎo)電類型層上分別形成電極。為了減少接觸電阻，電極可以形成在以前形成的接觸層上。這些電極可以通過(guò)汽相淀積形成。需要精確的汽相淀積以避免由于p電極和n電極接觸晶體層和在掩模下形成的籽晶層而發(fā)生的短路。如果本發(fā)明中的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用到發(fā)光二極管，那么電極可以分別形成在第一和第二導(dǎo)電層上。根據(jù)需要結(jié)構(gòu)允許光從正面或背面發(fā)出。換句話說(shuō)，如果使用透明襯底，那么結(jié)構(gòu)允許光從背面發(fā)出，或者如果使用透明電極，那么結(jié)構(gòu)允許光從正面發(fā)出。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)特點(diǎn)在于發(fā)出的光部分被反射面反射，反射面平行于通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成的傾斜晶面。反射提高了發(fā)光效率，由此使半導(dǎo)體發(fā)光器件的亮度提高。由于作為反射面基礎(chǔ)的傾斜晶面可以容易地通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成，通過(guò)自身形成可以得到反射面，同時(shí)不需要如腐蝕的附加步驟。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的另一個(gè)特點(diǎn)在于如果有源層通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成在與用于生長(zhǎng)的襯底傾斜的面上，那么有源層具有較大的面積。當(dāng)限制器件尺寸時(shí)，當(dāng)器件中的有源層具有較大的有效面積時(shí)，對(duì)于相同的亮度，每單元面積的電流注入密度可以減少。因此，對(duì)于相同的亮度，具有較大有效面積的器件可靠性提高，對(duì)于有源層上相同的負(fù)載來(lái)說(shuō)，亮度增加。特別是，如果有源區(qū)的總面積和選擇性生長(zhǎng)的區(qū)域在用于生長(zhǎng)的襯底中占據(jù)的面積之間的差異大于與至少一個(gè)電極接觸需要的面積時(shí)，那么受接觸區(qū)限制的那部分有源層被補(bǔ)償。因此，由于形成在傾斜晶面上的有源層，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件即使根據(jù)需要尺寸減少很多但也不容易產(chǎn)生電流集中的情況。
順便提及，通過(guò)將本發(fā)明的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)置成陣列可以構(gòu)成圖象顯示單元或系統(tǒng)。如果對(duì)應(yīng)于三基色的器件排列成能夠掃描的陣列，那么由于使用S面電極具有較小的面積，因此所得顯示將具有小面積。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底、形成在襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，這些層的部分或全部覆蓋開口周圍的掩模層。在本發(fā)明中使用的襯底不必特別限定，只要它能形成具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面的晶體層。可以是與以上提到的半導(dǎo)體發(fā)光器件1到3使用的相同材料。
在該襯底上形成生長(zhǎng)層，生長(zhǎng)層由第一生長(zhǎng)層(設(shè)置在以后提到掩模層的下面)和形成并從掩模層中的開口生長(zhǎng)的第二生長(zhǎng)層組成。這些第一和第二生長(zhǎng)層為第一導(dǎo)電類型，但不必具體限定，只要它們能使發(fā)光區(qū)(由第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層組成)形成在平行于第二生長(zhǎng)層晶面的面上。第一和第二生長(zhǎng)層可以由化合物半導(dǎo)體形成，優(yōu)選纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
生長(zhǎng)層可以由基于III族的化合物半導(dǎo)體、基于BeMgZnCdS的化合物半導(dǎo)體、或基于BeMgZnCdO的化合物半導(dǎo)體形成。也可以由基于氮化鎵(GaN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化鋁(AlN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化銦(InN)的化合物半導(dǎo)體、基于氮化鎵銦(InGaN)的化合物半導(dǎo)體、或基于氮化鎵鋁(AlGaN)的化合物半導(dǎo)體形成。其中優(yōu)選氮化物半導(dǎo)體，例如基于氮化鎵的化合物半導(dǎo)體。順便提及，在本發(fā)明中，InGaN、AlGaN、GaN等不意味著僅為三元或二元混合晶體的氮化物半導(dǎo)體。例如InGaN含有不影響InGaN功能的微量Al和其它雜質(zhì)。這種化合物在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本說(shuō)明書中，“氯化物”是指由B、Al、Ga、In和Ta中的任何一個(gè)作為III族元素并且主要為N作為V族元素組成的化合物。然而，在本說(shuō)明書中“氧化物”也包括通過(guò)引入微量的As和P減少帶隙的化合物。
可以通過(guò)多種化學(xué)汽相淀積形成晶體層，例如金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD或MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氫化物汽相外延(HVPE)。在這些方法中，MOCVD最優(yōu)選，是由于它能很快地得到具有良好晶體特性的晶體層。MOCVD法通常使用烷基金屬化合物，例如TMG(三甲基鎵)或TEG(三乙基鎵)作為Ga源、TMA(三甲基鋁)或TEA(三乙基鋁)作為Al源、以及TMI(三甲基銦)或TEI(三乙基銦)作為In源。也可以使用氨氣或肼氣作為氮源。也可以使用其它氣體作為雜質(zhì)源。這些氣體包括用于Si的硅烷氣體、用于Ge的鍺烷氣體、用于Mg的Cp2Mg(環(huán)戊二烯合鎂)、以及用于Zn的DEZ(二乙基鋅)。通常通過(guò)將氣體送入加熱到600℃以上的襯底表面進(jìn)行MOVPE，由此通過(guò)外延生長(zhǎng)氣體分解得到基于InAlGaN的化合物半導(dǎo)體。
第一生長(zhǎng)層可以是氮化鎵層或氮化鋁層。也可以是低溫緩沖層和高溫緩沖層的組合、或緩沖層和籽晶層(起籽晶的作用)的組合。由低溫緩沖層生長(zhǎng)晶體層產(chǎn)生多晶易于沉積在掩模上的問(wèn)題。通過(guò)形成籽晶層然后在其上生長(zhǎng)與襯底不同的平面可以解決該問(wèn)題。以此方式可以生長(zhǎng)具有良好晶體特性的晶體。當(dāng)采用選擇性生長(zhǎng)用于晶體生長(zhǎng)時(shí)，如果不存在籽晶層，那么需要由緩沖層生長(zhǎng)晶體。緩沖層的選擇性生長(zhǎng)導(dǎo)致從不需要晶體生長(zhǎng)的部分生長(zhǎng)晶體。因此，籽晶層使晶體選擇性地生長(zhǎng)在需要晶體生長(zhǎng)的區(qū)域中。緩沖層往往減輕了襯底和氮化物半導(dǎo)體之間的晶格不匹配。因此，存在如果襯底具有接近于氮化物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)那么不形成緩沖層的情況。例如，存在AlN緩沖層形成在SiC上同時(shí)不降低溫度或者AlN或GaN緩沖層形成在Si襯底上同時(shí)不降低溫度的情況。以此方式，可以形成良好質(zhì)量的GaN。如果襯底為GaN，那么沒(méi)有任何緩沖層的結(jié)構(gòu)也可以接受。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成第二生長(zhǎng)層，因此可以得到與襯底主平面傾斜的傾斜晶面。通常，根據(jù)選擇的襯底的主平面，當(dāng)襯底的主平面為纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的(0001)面[C面]時(shí)，可以選擇以下晶面形成傾斜晶面(1-100)面[M面]、(1-101)面[S面]、(11-20)面[A面]、(1-102)面[R面]、(1-123)面[N面]、以及(11-22)面(包括它們的等效面)。在這些平面中，優(yōu)選S面和(11-22)面(或它們的等效面)。等效的晶面包括如上所述具有5到6度傾斜的平面取向的那些晶面。具體地，S面為在C+面上進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)時(shí)得到的穩(wěn)定晶面。該晶面也是相對(duì)較容易得到的晶面，它的晶面指數(shù)(index)為六角晶體系中的(1-101)。與包括C+面和C-面的C面一樣，S面包括S+面和S-面。在本說(shuō)明書中，S+面生長(zhǎng)在C+面GaN上，如不特別說(shuō)明，它被稱做S面。順便提及，對(duì)于S面，S+面很穩(wěn)定。
當(dāng)由以上提到的基于氮化鎵的化合物半導(dǎo)體形成晶體層時(shí)，S面或S+面上從Ga到N的鍵合數(shù)量為2或3。該數(shù)量比C面上的小。由于實(shí)際上在C+面上不能得到C-面，因此S面上的鍵合數(shù)量最大。例如，當(dāng)?shù)锷L(zhǎng)在具有C面作為主平面的藍(lán)寶石襯底上時(shí)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物具有C+面；然而，如果使用選擇性生長(zhǎng)，那么可以形成S面。在平行于C面的平面上，N的鍵(自身容易斷開)與Ga的一個(gè)鍵結(jié)合，而在傾斜的S面上，它與至少一個(gè)鍵結(jié)合。這使得有效的V/III比增加，由此提高了疊層結(jié)構(gòu)的晶體特性。此外，在與襯底的取向不同的方向中生長(zhǎng)使從襯底延伸的位錯(cuò)偏移，由此有利地減少了缺陷。
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)光器件以使通過(guò)選擇性生長(zhǎng)的第二生長(zhǎng)層與襯底的主平面傾斜。第二生長(zhǎng)層可以是S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六棱錐的側(cè)面、或者S面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成近似六角棱柱體的側(cè)面、以及C面(或基本上與其等效的任何其它面)構(gòu)成所述近似六角棱柱體的頂面。近似六棱錐或近似六角棱柱體不必為嚴(yán)格的六角形。它可以包括具有一個(gè)或更多缺少面的六角體。晶體層的晶面之間的邊緣不必為直線。此外，近似六棱錐或近似六角棱柱體可以是拉長(zhǎng)形。
實(shí)際上，使用形成在第一生長(zhǎng)層上掩模層中選擇性制成的開口實(shí)現(xiàn)選擇性生長(zhǎng)。掩模層中的開口可以具有任何形狀，例如圓形、方形、六角形、三角形、矩形、菱形、條、格以及它們的變形。掩模層可以由例如氧化硅層和氮化硅層的介質(zhì)材料形成。掩模層具有從0.1到5μm(優(yōu)選0.1到1.0μm)范圍的厚度，由此減小有源層和電極附近的臺(tái)階。如果掩模層中的開口(窗口)為拉長(zhǎng)形，那么可以形成拉長(zhǎng)形的近似六棱錐或六角棱柱體。
如果用于選擇性生長(zhǎng)的掩模層中的窗口區(qū)為直徑約10μm的圓形(或一側(cè)面與1-100方向或11-20方向重合的六角形)，那么可以容易地形成約為窗口區(qū)兩倍大的選擇性生長(zhǎng)區(qū)。此外，與襯底不同方向的S面產(chǎn)生偏移或隔離位錯(cuò)的效果。這有助于減少位錯(cuò)密度。
本發(fā)明人對(duì)生長(zhǎng)的六角棱柱體上的陰極發(fā)光觀察顯示形成為第二生長(zhǎng)層的S面具有良好的晶體特性，在發(fā)光效率方面比C+面優(yōu)越。在700-800℃下生長(zhǎng)InGaN有源層使氨分解變慢，因此需要更多的氮種類。用AFM觀察顯示表面具有規(guī)則的臺(tái)階適合于InGaN吸收。還發(fā)現(xiàn)由于S面得到改善，并且摻雜條件顯著不同，摻鎂層具有良好的表面狀態(tài)。(通常，當(dāng)用AFM觀察時(shí)，摻鎂層表面處于較差狀態(tài))。用顯微光致發(fā)光繪圖(具有約0.5-1μm的分辨能力)觀察顯示由選擇性生長(zhǎng)形成的S面是均勻的。(通過(guò)通常工藝形成在C+面上的S面具有約1μm間距的不規(guī)則之處。)此外，用SEM觀察表明面的斜面比C+面更平滑。
如果使用掩模進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)以使晶體僅生長(zhǎng)在掩模的開口上，那么晶體不會(huì)在橫向中生長(zhǎng)。此時(shí)可以使用微通道外延使晶體在橫向中生長(zhǎng)，在窗口區(qū)之外延伸。現(xiàn)已知通過(guò)微通道外延在橫向中的生長(zhǎng)容易避免螺旋位錯(cuò)，因此減少了位錯(cuò)。以此方式在橫向中的生長(zhǎng)得到增大的光產(chǎn)生區(qū)，并有助于均勻的電流流動(dòng)和減少電流密度。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件具有第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及平行于第二生長(zhǎng)層的晶面形成的第二導(dǎo)電類型的覆蓋層。第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層與以前部分對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件1介紹的相同。
在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層整個(gè)或部分地延伸到開口周圍的掩模層。掩模層部分未除去的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于橫向生長(zhǎng)部分下的支撐不會(huì)消失。掩模層整個(gè)未除去的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于減小了由于選擇性生長(zhǎng)造成的臺(tái)階，掩模層用作第一生長(zhǎng)層的支撐層，由此即使襯底被激光照射剝離，由于n和p電極分開，防止了短路。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件為第二生長(zhǎng)層整個(gè)被第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層覆蓋。由于選擇性生長(zhǎng)第二生長(zhǎng)層呈現(xiàn)傾斜的晶面，因此可以容易地形成該結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，形成平行于襯底主平面的有源層時(shí)，端部暴露到空氣；然而，也可以利用傾斜的晶面覆蓋端部。由于第二生長(zhǎng)層被完全覆蓋，因此已能保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化。此外，產(chǎn)生了增加發(fā)光面積的效果。
根據(jù)本發(fā)明的再一半導(dǎo)體發(fā)光器件為第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層的每個(gè)端部直接接觸掩模層。由于選擇性生長(zhǎng)第二生長(zhǎng)層呈現(xiàn)傾斜的晶面，因此可以容易地形成該結(jié)構(gòu)。由于端部直接接觸掩模層并覆蓋有源層等，因此已能保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化。此外，產(chǎn)生了增加發(fā)光面積的效果。
由于晶面具有良好的晶體特性，因此本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了發(fā)光效率。如果電流僅注入到具有良好晶體特性的S面，由于能良好地吸收In，因此可以增加發(fā)光效率?；旧掀叫杏赟面的有源層的面積大于有源層投影在襯底或第一生長(zhǎng)層上得到的面積。具有大面積的有源層增加了器件的發(fā)光表面。這導(dǎo)致電流密度減少。此外，大面積有源層的亮度飽和度減小，因此增加了發(fā)光效率。
在第二生長(zhǎng)層和第二導(dǎo)電類型的覆蓋層上分別形成電極。為了減小接觸電阻，電極形成在已形成的接觸層上。這些電極可以通過(guò)汽相淀積形成。需要精確的汽相淀積以避免由于p電極和n電極接觸晶體層和在掩模下形成的第一生長(zhǎng)層而發(fā)生的短路。
可以通過(guò)將本發(fā)明的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)置成陣列構(gòu)成圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)。如果對(duì)應(yīng)于三基色的器件排列成能夠掃描的陣列，那么由于使用S面電極具有較小的面積，因此所得顯示將具有小面積。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括第一導(dǎo)電類型層和第二導(dǎo)電類型層以及位于所述層之間的有源層，有源層通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成且不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面，所述有源層的面積大于在襯底上選擇性生長(zhǎng)時(shí)使用的窗口區(qū)面積，或者大于通過(guò)在法線方向?qū)⑦x擇性生長(zhǎng)晶體層投影到用于生長(zhǎng)的襯底得到的投影面積。以上介紹的半導(dǎo)體發(fā)光器件1中使用的相同概念同樣適用于襯底和晶體層、形成晶體層的方法、以及第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層的基本構(gòu)成。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件基本上構(gòu)成為有源層通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成為傾斜面。為了得到最佳效果，需要使基本的器件尺寸等于晶體生長(zhǎng)層的厚度，或最大約50μm。器件尺寸越小，結(jié)構(gòu)越好。然而，基本結(jié)構(gòu)適用于任何器件，不必考慮尺寸，只要它一維或兩維地排列在單個(gè)器件中。特別是，當(dāng)具有高電阻的第一導(dǎo)電層需要用于電極的高密度接觸或者第二導(dǎo)電層需要盡可能大的接觸面積時(shí)，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件顯示出很有效。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，有源層位于第一導(dǎo)電類型層和第二導(dǎo)電類型層之間，有源層不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面。第一導(dǎo)電類型層為p或n型覆蓋層，第二導(dǎo)電類型層為相反類型的覆蓋層。例如，如果具有C面的晶體層由基于摻硅的氮化鎵化合物半導(dǎo)體層形成，那么半導(dǎo)體發(fā)光器件采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由順序疊置形成的基于摻硅的氮化鎵化合物半導(dǎo)體的n覆蓋層、InGaN的有源層、以及基于摻鎂的氮化鎵化合物半導(dǎo)體的p型覆蓋層組成。另一可能的結(jié)構(gòu)為InGaN的有源層位于兩個(gè)AlGaN層之間。有源層可以是單體層結(jié)構(gòu)。此外，它可以是單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)、雙量子阱(DQW)結(jié)構(gòu)、或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。如果需要的話，量子阱結(jié)構(gòu)可以使用用于分開量子阱的勢(shì)壘層。具有InGaN有源層的發(fā)光器件容易制造，并具有良好的發(fā)光特性。此外，InGaN層容易結(jié)晶化并在氮原子自身很難斷開的S面上具有良好的晶體特性。這增加了發(fā)光效率。順便提及，即使沒(méi)有被摻雜由于晶體中產(chǎn)生的氮空穴，氮化物化合物半導(dǎo)體易于變成n型。然而，在晶體生長(zhǎng)期間如果摻有普通的施主雜質(zhì)(例如，Si、Ge和Se)，那么可以有意制成具有所需載流子密度的n型。此外，通過(guò)用受主雜質(zhì)(例如，Mg、Zn、C、Be、Ca和Ba)摻雜可以將氮化物半導(dǎo)體制成p型。
第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層形成在與用于形成生長(zhǎng)的襯底的主平面傾斜的晶體生長(zhǎng)層上。通過(guò)晶體生長(zhǎng)從而形成傾斜晶面可以容易地形成不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面的有源層。如果有源層形成在從脊線朝兩側(cè)延伸的晶面上，那么所得有源層具有彎曲部分。晶體生長(zhǎng)層形成近似六棱錐或六角棱柱體并且傾斜晶體生長(zhǎng)表面為S面時(shí)，發(fā)光區(qū)(由第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層組成)可以整個(gè)或部分地形成在S面上。
當(dāng)為近似六角棱柱體時(shí)，可以也在平行于襯底主平面的面上，例如C面上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型層。由傾斜S面發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)為由于傾斜面光從半導(dǎo)體發(fā)出同時(shí)沒(méi)有多次反射。(當(dāng)為平行面時(shí)，由于多次反射光減弱。)如果第一導(dǎo)電類型層由與構(gòu)成S面的晶體層使用的相同材料構(gòu)成，第一導(dǎo)電類型層(或覆蓋層)可以具有相同的導(dǎo)電類型。也可以通過(guò)構(gòu)成S面的晶體層形成之后連續(xù)地控制密度形成。作為另一個(gè)例子，結(jié)構(gòu)可以是構(gòu)成S面的部分晶體層作為第一導(dǎo)電類型層。
由于傾斜晶面具有良好的晶體特性，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了發(fā)光效率。如果電流僅注入到具有良好晶體特性的S面，由于它對(duì)In良好的吸收，因此發(fā)光效率增加?；旧掀叫杏赟面的有源層的面積大于通過(guò)將有源層投影到襯底的主平面或用于生長(zhǎng)的下層得到的面積。具有大面積的有源層增加了器件的發(fā)射表面。這導(dǎo)致電流密度減少。此外，具有大面積的有源層亮度飽和度降低，因此增加了發(fā)射效率。
在晶體生長(zhǎng)層或第一導(dǎo)電類型層以及第二導(dǎo)電類型層上分別形成電極。為了減少接觸電阻，電極可以形成在以前形成的接觸層上。這些電極可以通過(guò)汽相淀積形成。需要精確的汽相淀積以避免由于p電極和n電極接觸晶體層和在掩模下形成籽晶層而發(fā)生的短路。如果本發(fā)明中的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用到發(fā)光二極管，那么電極可以分別形成在第一和第二導(dǎo)電層上。根據(jù)需要結(jié)構(gòu)允許光從正面或背面發(fā)出。換句話說(shuō)，如果使用透明襯底，那么結(jié)構(gòu)允許光從背面發(fā)出，或者如果使用透明電極，那么結(jié)構(gòu)允許光從正面發(fā)出。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)特點(diǎn)在于如果有源層通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成在與用于生長(zhǎng)的襯底不平行的面上，那么有源層具有較大的面積。當(dāng)限制器件尺寸時(shí)，當(dāng)器件中的有源層具有較大的有效面積時(shí)，對(duì)于相同的亮度，每單元面積的電流注入密度可以減少。因此，對(duì)于相同的亮度，具有較大有效面積的器件可靠性提高，對(duì)于有源層上相同的負(fù)載來(lái)說(shuō)，亮度增加。特別是，如果有源區(qū)的總面積和選擇性生長(zhǎng)的區(qū)域在用于生長(zhǎng)的襯底中占據(jù)的面積之間的差異大于與至少一個(gè)電極接觸需要的面積時(shí)，那么受接觸區(qū)限制的那部分有源層被補(bǔ)償。因此，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件即使根據(jù)需要尺寸減少很多但也不容易產(chǎn)生電流集中的情況。
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)晶體生長(zhǎng)層呈現(xiàn)具有三角形剖面的脊形，晶體生長(zhǎng)層的傾斜面與襯底的主平面傾斜θ角。應(yīng)該理解有源層的有效面積比在法線方向?qū)⒂性磳拥恼麄€(gè)區(qū)域投影到用于生長(zhǎng)的襯底得到的投影面積大1/cosθ倍(最大)。如果通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成晶體生長(zhǎng)層(多棱錐形以及具有三角形剖面的脊形)然后在其上形成不平行于襯底的有源層，那么有效面積有必要變大。順便提及，投影面積等于襯底的主平面上占據(jù)的面積，也等于如果光在襯底的法線方向中投射到襯底的主平面形成的晶體生長(zhǎng)層的陰影面積。
此外，如果不用于晶體生長(zhǎng)的區(qū)域最小，那么有源層的面積可以制得大于用于生長(zhǎng)的襯底面積，有源層可以由生長(zhǎng)抑制膜(例如掩模層)與相鄰層隔開，并生長(zhǎng)到最大程度，以使相鄰的穩(wěn)定面不相互接觸。然而，在圖18所示的發(fā)光器件中，由單個(gè)生長(zhǎng)獲得的最大面積等于用于生長(zhǎng)使用的襯底面積。添加電極和器件隔離槽之后，有源層的有效面積進(jìn)一步減少。因此，即使有源層的總面積不大于用于生長(zhǎng)的襯底面積，也可以得到滿意的效果。
如果有源層的面積制得大于在用于生長(zhǎng)的襯底上選擇性生長(zhǎng)時(shí)使用的窗口區(qū)面積、或者大于在襯底的法線方向?qū)⑦x擇性生長(zhǎng)得到的晶體生長(zhǎng)層投影到襯底得到的投影面積時(shí)，那么可以減少注入到有源層內(nèi)的電流密度，由此提高了器件的可靠性。此外，如果有源層的有效面積大于選擇性生長(zhǎng)區(qū)朝用于生長(zhǎng)的襯底法線方向的投影面積與至少一個(gè)電極和導(dǎo)電層的接觸面積的總和，可以減少注入到有源層內(nèi)的電流密度，由此提高了器件的可靠性。特別是，如果有源層的總面積與選擇性生長(zhǎng)區(qū)朝用于生長(zhǎng)的襯底法線方向的投影面積的差異大于與至少一個(gè)電極接觸需要的面積，那么受接觸區(qū)限制的那部分有源層被補(bǔ)償。
下面考慮例如30μm2的發(fā)光二極管器件的制造。第一電極接觸下面導(dǎo)電層(為第一導(dǎo)電層)的區(qū)域約20μm×5μm，設(shè)置有源層用于選擇性生長(zhǎng)的區(qū)域最大約20μm2。因此，通過(guò)使有源層的總面積大于或等于500μm2，那么可以得到本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，如果四角錐(45°斜角以及20μm的底邊)形成在用于選擇性生長(zhǎng)的區(qū)域中并且有源層均勻地形成其上，那么有源層的總面積為20μm×20μm/cos45°＝566μm2。這意味著有源層的有效面積與接觸區(qū)相比相當(dāng)大。此外，顯然如果斜角更大，效果更好。鑒于用于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的(0001)面的穩(wěn)定(1-101)面約62°，用于閃鋅礦的(001)面的穩(wěn)定(111)面約54.7°，通過(guò)使用于有源層的區(qū)域擴(kuò)大，本發(fā)明獲得了滿意的可靠性。
可以通過(guò)將本發(fā)明的多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)置成陣列構(gòu)成圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)。如果對(duì)應(yīng)于三基色的器件排列成能夠掃描的陣列，那么由于使用S面電極具有較小的面積，因此所得顯示將具有小面積。
實(shí)例下面參考例子更詳細(xì)地介紹本發(fā)明。每個(gè)例子對(duì)應(yīng)于每個(gè)單獨(dú)的制造工藝，由制造工藝得到的每個(gè)器件為具有本發(fā)明中限定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。首先介紹制造工藝，然后介紹由制造工藝得到的器件?？梢詫?duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件進(jìn)行各種修改和變化同時(shí)不脫離本發(fā)明的精神和范圍。下面的各例不是為了限制本發(fā)明的范圍。
例1該例展示了具有通過(guò)選擇性生長(zhǎng)直接形成在藍(lán)寶石襯底上的晶體層(具有作為傾斜晶面的S面)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖3到9介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
藍(lán)寶石襯底10具有C+面作為它的主平面11。在藍(lán)寶石襯底10的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層12(100-500nm厚)。在掩模層12中通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕形成開口13(約100μm)(圖3)。在本例中，開口13近似為矩形，但根據(jù)要制備的發(fā)光器件的特性，開口的尺寸可以改變。
然后，以兩個(gè)階段進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)。首先，在500℃的低溫生長(zhǎng)薄GaN層或低溫緩沖層(20-30nm厚)。其次，生長(zhǎng)溫度升高到約1000℃，由此形成摻硅GaN層14，如圖4所示。摻硅GaN層14生長(zhǎng)在掩模層12的開口13中，但它在橫向方向中逐漸增大，同時(shí)保持在1000℃氫氣氛中。
在摻硅GaN層14上再次形成掩模層15，其中隨后通過(guò)光刻和腐蝕形成近似圓形的開口16(圖5)。摻硅GaN層14能夠穿過(guò)開口16進(jìn)一步生長(zhǎng)直到摻硅GaN層17生長(zhǎng)成六棱錐形。六棱錐形的晶體層表面由S(1-101)面覆蓋。如果生長(zhǎng)時(shí)間不充分或者使用了不同的生長(zhǎng)條件，那么摻硅GaN層17將呈現(xiàn)六角棱柱體形，其中頂面為平行于襯底主平面的C+面。然而，在本例中，生長(zhǎng)摻硅GaN層17直到呈現(xiàn)六棱錐形。經(jīng)過(guò)充分的生長(zhǎng)時(shí)間之后，摻硅GaN層17的六棱錐的側(cè)面由S面覆蓋。需要將開口16與相鄰的開口充分隔開。
在摻硅GaN層17生長(zhǎng)為六棱錐形之后，繼續(xù)生長(zhǎng)直到六棱錐變成約15-20μm寬(一邊約7.5-10μm長(zhǎng))。六棱錐的高度約10-16μm，約為六棱錐邊長(zhǎng)的1.6倍。該尺寸僅為示例性的，等于或小于10μm的寬度可以接受。摻硅GaN層17進(jìn)一步生長(zhǎng)。之后，在降低的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)InGaN層18。InGaN層18的厚度約0.5-3nm。然后，增加生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)摻鎂GaN層19，如圖6所示。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱層)的情況，或者存在由作為引導(dǎo)層的GaN或InGaN的多層結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)，需要在InGaN層上直接生長(zhǎng)AlGaN層。
之后，對(duì)部分外延生長(zhǎng)層進(jìn)行腐蝕直到露出摻硅GaN層14。在除去部分21中通過(guò)汽相淀積形成n電極20(Ti/Al/Pt/Au)。在預(yù)先形成的六棱錐的最外層上通過(guò)汽相淀積形成p電極22(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(圖7)。精確地進(jìn)行這些汽相淀積以防止p電極和n電極接觸摻硅GaN層17(六棱錐形)和摻硅GaN層14形成在掩模層下，由此不會(huì)引起短路。之后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件(圖8)。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
由以上提到的工藝制造的發(fā)光器件具有圖9所示的結(jié)構(gòu)。它主要由主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底10、作為籽晶層的摻硅GaN層14、以及作為晶體層的摻硅GaN層17組成。摻硅GaN層17具有與襯底的主平面傾斜的傾斜S面。InGaN層18(作為有源層)平行于S面。在InGaN層18上形成摻鎂GaN層19作為覆蓋層。p電極22形成在摻鎂GaN層19上。n電極20形成在六棱錐側(cè)面部分的開口區(qū)域中，并通過(guò)摻硅GaN層14連接到摻硅GaN層17。
本例中具有如上構(gòu)造的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)由于與襯底主平面傾斜的S面，從氮原子到鎵原子的鍵數(shù)量增加，從而增加了有效的V/III比。因此，所得發(fā)光器件性能提高。此外，襯底主平面為C+面并且由此S面與襯底主平面不同的事實(shí)導(dǎo)致從襯底延伸的位錯(cuò)彎曲并且缺陷減少的可能性。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光更有效地發(fā)出。
例2該例展示了具有形成在籽晶層上與藍(lán)寶石襯底隔離的晶體層(具有與襯底主平面傾斜的S面)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖10到17介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底30上在500℃的低溫下形成AlN或GaN緩沖層。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層31。在摻硅GaN層31的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕除去掩模層，僅留下圓形掩模部分32(直徑約10μm)如圖10所示。進(jìn)行腐蝕露出藍(lán)寶石襯底30的主平面，如圖11所示。由此，留下與掩模層32形狀一致的圓柱形摻硅GaN層31。
然后，除去掩模部分32并再次進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。即，以約1000℃的升高溫度生長(zhǎng)摻硅GaN層33。摻硅GaN層33生長(zhǎng)在留下未腐蝕的摻硅GaN層31上。繼續(xù)生長(zhǎng)之后，摻硅GaN層33形成由與襯底主平面傾斜的S面環(huán)繞的六棱錐。該六棱錐的生長(zhǎng)與生長(zhǎng)時(shí)間成正比。GaN層31應(yīng)與相鄰的GaN層31充分隔開，以便完全生長(zhǎng)的GaN層33不影響相鄰層，完成的器件相互隔開充分的余量。
和例1中一樣，六棱錐生長(zhǎng)到寬度約15-20μm(一邊約7.5-10μm長(zhǎng))并且高度約10-16μm，約為六棱錐邊長(zhǎng)的1.6倍的程度。該尺寸僅為示例性的，等于或小于10μm的寬度可以接受。由傾斜的S面環(huán)繞的六棱錐如圖12所示形成之后，生長(zhǎng)摻硅GaN層，然后在較低的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)InGaN層34。然后，隨著生長(zhǎng)溫度增加，生長(zhǎng)摻鎂GaN層35，如圖13所示。InGaN層34的厚度約0.5-3nm。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱層)的情況，或者存在由作為引導(dǎo)層的GaN或InGaN的多層結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)，需要在InGaN層上直接生長(zhǎng)Al GaN層。
在接近襯底的邊處部分除去InGaN層34(作為有源層)和摻鎂GaN層35(作為p型覆蓋層)，以便部分露出摻硅GaN層33。在接近襯底的除去部分中，通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Al電極(作為n電極36)。在六棱錐的最外表面上通過(guò)汽相淀積形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作為p電極37)(圖14)。和例1中一樣，精確地進(jìn)行這些汽相淀積以防止各電極相互接觸，由此不會(huì)引起短路。
形成電極36和37之后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件，如圖15所示。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
由以上提到的工藝制造的發(fā)光器件具有圖16所示的結(jié)構(gòu)。它主要由主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底30以及作為晶體層的摻硅GaN層33組成。摻硅GaN層33具有與襯底的主平面傾斜的傾斜S面。InGaN層34(作為有源層)平行于S面。在InGaN層34上形成摻鎂GaN層35作為覆蓋層。p電極37形成在摻鎂GaN層35上。n電極36形成在六棱錐的S面上襯底附近的開口區(qū)域中，并直接連接到摻硅GaN層33。
與例1中的發(fā)光器件類似，本例中具有以上結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)由于與襯底主平面傾斜的S面，從氮原子到鎵原子的鍵數(shù)量增加，從而增加了有效的V/III比。因此，所得發(fā)光器件性能提高。此外，襯底主平面為C+面并且由此S面與襯底主平面不同的事實(shí)導(dǎo)致從襯底延伸的位錯(cuò)彎曲并且缺陷減少的可能性。與襯底主平面傾斜的傾斜S面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光更有效地發(fā)出。
順便提及，在本例中，首先腐蝕摻硅GaN層，以便露出藍(lán)寶石襯底30。然而，以在摻硅GaN層中形成充分高臺(tái)階的方式進(jìn)行腐蝕。在由此形成的摻硅GaN層上(作為籽晶層)生長(zhǎng)容易得到需要的六棱錐。以此方式制備的器件顯示在圖17中。臺(tái)階39形成在藍(lán)寶石襯底30上形成的摻硅GaN層38中。六棱錐形作為晶體層的摻硅GaN層由投影部分生長(zhǎng)。在摻硅GaN層上形成InGaN層34(作為有源層)、摻鎂GaN層35(作為p型覆蓋層)、p電極37以及n電極36。從InGaN層34中釋放出具有需要波長(zhǎng)的光。
例3該例展示了其中在用于選擇性掩模的窗口區(qū)內(nèi)形成六棱錐形晶體層(具有與襯底主平面傾斜的S面)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖18到23介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底40上在500℃的低溫下形成AlN或GaN。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層41。在摻硅GaN層41的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕在掩模層42中形成圓形開口(直徑約10μm)作為窗口區(qū)43，如圖18所示。根據(jù)發(fā)光器件的需要改變開口的尺寸。
然后，在1000℃的生長(zhǎng)溫度下再次生長(zhǎng)摻硅GaN層44。在開始時(shí)，摻硅GaN層44從圓形窗口區(qū)43開始生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一段時(shí)間之后，它呈現(xiàn)由S面或(1-101)面環(huán)繞的六棱錐形。在不同的生長(zhǎng)條件下呈現(xiàn)六角棱柱體形。充分地控制生長(zhǎng)條件，生長(zhǎng)摻硅GaN層44直到六棱錐(由S面覆蓋)幾乎填滿選擇性掩模中的窗口區(qū)。隨著生長(zhǎng)溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層45(作為有源層)。然后，在升高的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)摻鎂GaN層46(作為p型覆蓋層)，如圖20所示。InGaN層45的厚度約0.5-3nm。和以上提到的例1和2中一樣，存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱層)的情況，或者存在由作為引導(dǎo)層的GaN或InGaN的多層結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)，需要在InGaN層上直接生長(zhǎng)Al GaN層。優(yōu)選進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)，以便選擇性掩模的窗口區(qū)43被橫向方向中延伸的整個(gè)晶體層填充。以此方式可以制成均勻尺寸的各發(fā)光器件。
隨后，部分開口掩模層以便露出GaN層41。在除去部分47中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Al電極(作為n電極48)。在六棱錐的最外表面上通過(guò)汽相淀積形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作為p電極49)(圖21)。精確地進(jìn)行這些汽相淀積。然后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件，如圖22所示。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
由以上提到的工藝制造的發(fā)光器件具有圖23所示的結(jié)構(gòu)。它主要由主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底40以及生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底40上的摻硅GaN層44(作為晶體層)組成，摻硅GaN層41(作為籽晶層)位于兩者之間。摻硅GaN層44具有由與襯底的主平面傾斜的傾斜S面覆蓋的表面。InGaN層45(作為有源層)平行于S面。在InGaN層45上形成摻鎂GaN層46作為覆蓋層。p電極49形成在摻鎂GaN層46上。n電極48形成在六棱錐附近的開口區(qū)域47中，并通過(guò)摻硅GaN層41連接到摻硅GaN層44。
與例1和2中類似，本例中具有以上結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)由于與襯底主平面傾斜的S面，從氮原子到鎵原子的鍵數(shù)量增加，從而增加了有效的V/III比。因此，所得發(fā)光器件性能提高。此外，襯底主平面為C+面并且由此S面與襯底主平面不同的事實(shí)導(dǎo)致從襯底延伸的位錯(cuò)彎曲并且缺陷減少的可能性。此外，在本例中，選擇性生長(zhǎng)被窗口區(qū)43限制，因此容易均勻地控制各器件的尺寸。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光更有效地發(fā)出。
例4該例展示了其中晶體層生長(zhǎng)在比窗口區(qū)或選擇性掩模大的六棱錐形中的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖24到29介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底50上通過(guò)以上提到的例子中的相同方式形成低溫緩沖層。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層51作為第一生長(zhǎng)層。在摻硅GaN層51的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層52(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕在掩模層52中形成圓形開口(直徑約10μm)作為窗口區(qū)53，如圖24所示。一邊的方向垂直于(1-100)。根據(jù)發(fā)光器件的需要改變開口的尺寸。
然后，在1000℃的生長(zhǎng)溫度下再次生長(zhǎng)摻硅GaN層54。在開始時(shí)，摻硅GaN層54從圓形窗口區(qū)53開始生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一段時(shí)間之后，它呈現(xiàn)由S面或(1-101)面環(huán)繞的六棱錐形。如果生長(zhǎng)時(shí)間不充分，它會(huì)呈現(xiàn)六角棱柱體形。摻硅GaN層54生長(zhǎng)成六棱錐形之后，繼續(xù)生長(zhǎng)直到六棱錐邊為約20μm寬(一邊約10μm長(zhǎng))。六棱錐的高度約為六棱錐邊長(zhǎng)的1.6倍的程度。然后，所得的摻硅GaN層54為六棱錐的底部超出了窗口區(qū)域53約16μm，如圖25所示。六棱錐的約20μm的寬度僅為示例性的，約10μm的寬度可以接受。
進(jìn)一步生長(zhǎng)摻硅GaN層。隨著生長(zhǎng)溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層55(作為有源層)。然后，在升高的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)摻鎂GaN層56(作為p型覆蓋層)，如圖26所示。InGaN層55的厚度約0.5-3nm。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱層)的情況，或者存在形成由作為引導(dǎo)層的GaN或InGaN的多層結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)，需要在InGaN層上直接生長(zhǎng)Al GaN層。在該階段中，GaN層15和摻鎂GaN層56在窗口區(qū)35周圍的掩模層52中延伸，由此整個(gè)覆蓋摻硅GaN層54作為第二生長(zhǎng)層。由此，InGaN層55(作為有源層)和摻鎂GaN層56沒(méi)有端部。這防止了有源層退化。
隨后，部分開口掩模層以便露出GaN層51。在除去部分57中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Al電極(作為n電極58)。在六棱錐的最外表面上通過(guò)汽相淀積形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作為p電極59)(圖27)。精確地進(jìn)行這些汽相淀積。然后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件，如圖28所示。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
由以上提到的工藝制造的發(fā)光器件具有圖29所示的結(jié)構(gòu)。它主要由主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底50以及生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底50上的摻硅GaN層54(作為晶體層)組成，摻硅GaN層51(作為籽晶層)位于兩者之間。摻硅GaN層54具有由與襯底的主平面傾斜的傾斜S面覆蓋的表面。它也具有面積大于窗口區(qū)53的基底。
該器件具有平行于S面的InGaN層55(作為有源層)。在InGaN層55上形成摻鎂GaN層56作為覆蓋層。p電極59形成在摻鎂GaN層56上。n電極58形成在六棱錐附近的開口區(qū)域57中，并通過(guò)摻硅GaN層51連接到摻硅GaN層54。
具有以上提到結(jié)構(gòu)的本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件特征在于摻硅GaN層54、InGaN層55、以及摻鎂GaN層56整個(gè)或部分地環(huán)繞在窗口區(qū)53周圍的掩模層52上。這種結(jié)構(gòu)(掩模剩余部分未除去)的優(yōu)點(diǎn)在于橫向生長(zhǎng)部分由沒(méi)有消失的支撐物(support)固定。此外，由于選擇性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)未除去的掩模層52減小了臺(tái)階，即使通過(guò)激光照射剝離襯底時(shí)，掩膜層52還起用于第一生長(zhǎng)層51的支撐層的作用。這有助于確定地將n電極58和p電極59分開，由此防止了短路。
該器件結(jié)構(gòu)的特征在于摻硅GaN層54整個(gè)由InGaN層55和摻鎂GaN層56覆蓋，由此層55和56的端部直接接觸掩模層。換句話說(shuō)，它們覆蓋有源層，它們的端部直接接觸掩模層52。這產(chǎn)生了保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化的效果并增加了發(fā)光面積。
本例中具有以上結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)由于與襯底主平面傾斜的S面，從氮原子到鎵原子的鍵數(shù)量增加，從而增加了有效的V/III比。因此，所得發(fā)光器件性能提高。此外，襯底主平面為C+面并且由此S面與襯底主平面不同的事實(shí)導(dǎo)致從襯底延伸的位錯(cuò)彎曲并且缺陷減少的可能性。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光更有效地發(fā)出。具有大面積的有源層使電流均勻地注入，而不存在電流集中，也使電流密度減少。
例5該例展示了其中p電極不形成在具有S面的晶體層的六棱錐的頂部，其中晶體層生長(zhǎng)為比選擇性掩模大的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖30到32介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底50上通過(guò)以上提到的例子，特別是例4中的相同方式形成低溫緩沖層。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層51作為第一生長(zhǎng)層。在摻硅GaN層51的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層52(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕在掩模層52中形成圓形開口(直徑約10μm)作為窗口區(qū)。一邊的方向垂直于(1-100)。根據(jù)發(fā)光器件的需要改變開口的尺寸。
然后，在1000℃的生長(zhǎng)溫度下再次生長(zhǎng)摻硅GaN層54。在開始時(shí)，摻硅GaN層54從圓形窗口區(qū)53開始生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一段時(shí)間之后，它呈現(xiàn)由S面或(1-101)面環(huán)繞的六棱錐形。如果生長(zhǎng)時(shí)間不充分，它會(huì)呈現(xiàn)六角棱柱體形。摻硅GaN層54生長(zhǎng)成六棱錐形之后，繼續(xù)生長(zhǎng)直到六棱錐邊為約20μm寬(一邊約10μm長(zhǎng))。六棱錐的高度約為六棱錐邊長(zhǎng)的1.6倍的程度。然后，所得的摻硅GaN層54為六棱錐的底部超出了窗口區(qū)域53約16μm。六棱錐的約20μm的寬度僅為示例性的，約10μm的寬度可以接受。
進(jìn)一步生長(zhǎng)摻硅GaN層。隨著生長(zhǎng)溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層55(作為有源層)。然后，在升高的溫度下生長(zhǎng)摻鎂GaN層56(作為p型覆蓋層)。InGaN層55和摻鎂GaN層56與例4中的相同。在該階段中，GaN層55和摻鎂GaN層56在窗口區(qū)53周圍的掩模層52中延伸，由此整個(gè)覆蓋摻硅GaN層54作為第二生長(zhǎng)層。以此方式生長(zhǎng)的InGaN層55(作為有源層)和摻鎂GaN層56沒(méi)有端部。這防止了有源層退化。
隨后，部分開口掩模層以便露出襯底50上的GaN層51。在除去部分57中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Al電極(作為n電極61)。在六棱錐上已生長(zhǎng)的S面的最外表面上通過(guò)汽相淀積形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作為p電極62)(圖30)。形成p電極62的部分是用AFM觀察發(fā)現(xiàn)具有充分臺(tái)階的部分。一般來(lái)說(shuō)，由AFM發(fā)現(xiàn)的臺(tái)階表示在六棱錐的頂部附近中晶體特性較差。這是p電極62形成在除頂部和它的附近之外的部分上的原因。應(yīng)該精確地進(jìn)行形成p電極62和n電極61的氣相淀積以防止它們接觸摻硅GaN層54(作為有源層)和摻硅GaN層51(形成在掩模層下)，從而引起短路。然后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件(圖31)。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。器件顯示在圖32中。
具有以上提到結(jié)構(gòu)的本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件特征在于摻硅GaN層54、InGaN層55、以及摻鎂GaN層56整個(gè)或部分地環(huán)繞在窗口區(qū)53周圍的掩模層52上。這種結(jié)構(gòu)(掩模剩余部分未除去)的優(yōu)點(diǎn)在于橫向生長(zhǎng)部分由沒(méi)有消失的支撐物固定。此外，由于選擇性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)未除去的掩模層52減小了臺(tái)階，且確定地將n電極58和p電極59分開，由此防止了短路。
該器件結(jié)構(gòu)的特征還在于摻硅GaN層54整個(gè)由InGaN層55和摻鎂GaN層56覆蓋，由此層55和56的端部直接接觸掩模層。換句話說(shuō)，它們覆蓋有源層，它們的端部直接接觸掩模層52。這產(chǎn)生了保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化的效果并增加了發(fā)光面積。
另一優(yōu)點(diǎn)在于以頂部附近的電流密度低于周圍側(cè)面的電流密度的方式將電流注入到有源層內(nèi)，并且晶體特性較差的部分被排除在發(fā)光區(qū)之外，由此提高了整體的發(fā)光效率。
例6該例展示了其中n電極形成在襯底背面的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖33到39介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底50上通過(guò)以上提到的例子中的相同方式形成低溫緩沖層。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層51作為第一生長(zhǎng)層。在摻硅GaN層51的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層52(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕在掩模層52中形成圓形開口(直徑約10μm)作為窗口區(qū)。一邊的方向垂直于(1-100)。根據(jù)發(fā)光器件的需要改變開口的尺寸。
然后，在1000℃的生長(zhǎng)溫度下再次生長(zhǎng)摻硅GaN層54。在開始時(shí)，摻硅GaN層54從圓形開口開始生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一段時(shí)間之后，它呈現(xiàn)由S面或(1-101)面環(huán)繞的六棱錐形。如果生長(zhǎng)時(shí)間不充分，它會(huì)呈現(xiàn)六角棱柱體形。摻硅GaN層54生長(zhǎng)成六棱錐形之后，繼續(xù)生長(zhǎng)直到六棱錐的底部超出了窗口區(qū)域約16μm。
進(jìn)一步生長(zhǎng)摻硅GaN層。隨著生長(zhǎng)溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層55(作為有源層)。然后，在升高的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)摻鎂GaN層56(作為p型覆蓋層)。InGaN層55和摻鎂GaN層56與例4中的相同。在該階段中，GaN層55和摻鎂GaN層56在窗口區(qū)周圍的掩模層52上延伸，由此整個(gè)覆蓋摻硅GaN層54作為第二生長(zhǎng)層。以此方式生長(zhǎng)的InGaN層55(作為有源層)和摻鎂GaN層56沒(méi)有端部。這防止了有源層退化。
如圖33所示，在形成n電極之前，在摻鎂GaN層56的最外層形成p電極71。通過(guò)RIE或劃片形成到達(dá)藍(lán)寶石襯底50主平面的分離槽72。各器件在藍(lán)寶石襯底50上相互分離(圖34)。構(gòu)成器件的部分通過(guò)受激準(zhǔn)分子激光器與藍(lán)寶石襯底50相互分離。通過(guò)腐蝕除去例如其余的Ga。通過(guò)汽相淀積在器件的背面上形成Ti/Al/Pt/Au電極。該電極作為n電極73，如圖35所示。
圖36示出了在背面上形成n電極的另一方法。該方法使用覆蓋有粘接劑層78和樹脂層79的第二藍(lán)寶石襯底77。圖33所示的器件嵌在樹脂層79中。之后，通過(guò)激光磨蝕除去藍(lán)寶石襯底50，如圖36A所示。受激準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)248nm)可以用于該目的。
除去殘留在表面上其余的Ga。在已除去藍(lán)寶石襯底50的襯底上形成掩模M(例如Ni掩模)，如圖36B所示。各器件用基于氯的氣體通過(guò)RIE相互隔開。除去掩模M，Ti/Pt/Au或Ti/Au的電極76形成在器件的背面。
圖37示出了完成的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。n電極73應(yīng)該靠近角設(shè)置，以便它不會(huì)阻斷光。圖38示出了完成的半導(dǎo)體發(fā)光器件的另一個(gè)例子的背面。應(yīng)該注意n電極74具有作為第二生長(zhǎng)層的摻硅GaN層54的六邊形底部重合的六邊形開口75。該結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生的光有效地發(fā)出。
該例可以修改為n電極為透明電極。圖39示出了例如使用受激準(zhǔn)分子激光器從襯底上除去對(duì)應(yīng)于器件的區(qū)域并且透明電極76形成在器件的背面的發(fā)光器件。順便提及，器件具有與圖37所示相同的結(jié)構(gòu)。即，留在摻硅GaN層51上的掩模層52具有六棱錐由其生長(zhǎng)的窗口區(qū)，由摻硅GaN層54、InGaN層55、以及摻鎂GaN層56組成，p電極71形成在最外層上。透明電極76通過(guò)剝離技術(shù)由ITO(氧化銦錫)形成在襯底已從該處剝離的摻硅GaN層51上。
圖40示出了具有透明電極76的完成的半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖。透明電極76透過(guò)由夾在摻硅GaN層54和摻鎂GaN層56之間的InGaN層55(作為有源層)產(chǎn)生光。該結(jié)構(gòu)(留下掩模層52)的優(yōu)點(diǎn)在于橫向生長(zhǎng)部分由沒(méi)有消失的支撐物固定。此外，由于選擇性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)掩模層52減小了臺(tái)階，也使p電極71和透明電極76分開，即使通過(guò)例如激光照射剝離襯底時(shí)，由此防止了短路。此外，有源層產(chǎn)生的光穿過(guò)透明電極76，使光通路不需包圍電極。這樣的優(yōu)點(diǎn)為容易制造并提高了發(fā)光效率。(該結(jié)構(gòu)允許光從摻硅GaN層51背面發(fā)出，也允許已由傾斜晶面反射的光發(fā)出)。由于p電極71設(shè)置得靠近六棱錐的頂部，因此可以在摻硅GaN層51的背面較大的面積上形成透明電極76。這減少了透明電極76的接觸電阻，避免了需要制造用于n電極引線(lead)的掩模。因此，可以容易制造本例中的器件。
例7該例展示了其中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)由延長(zhǎng)窗口區(qū)制造的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖41到44介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
首先，在500℃的低溫下，在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底80上形成AlN或GaN低溫緩沖層，如圖41所示。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層81。在摻硅GaN層81的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層52(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕，在掩模層82中形成窗口區(qū)83(或10μm×50μm的矩形開口)。開口的長(zhǎng)邊與(1-100)對(duì)準(zhǔn)。然后，隨著溫度升高到1000℃，再次進(jìn)行晶體生長(zhǎng)形成摻硅GaN層84。摻硅GaN層84在掩模層中的窗口區(qū)開始生長(zhǎng)，但連續(xù)生長(zhǎng)之后它呈現(xiàn)船形底部的形狀，如圖42所示。六棱錐的表面由S面或(11-22)覆蓋。
當(dāng)經(jīng)過(guò)充分的時(shí)間之后，頂部C面變得幾乎平坦或消失時(shí)，進(jìn)一步生長(zhǎng)摻硅GaN層。隨著生長(zhǎng)溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層85(作為有源層)。然后，隨著生長(zhǎng)溫度再次升高，生長(zhǎng)摻鎂GaN層86(作為p型覆蓋層)。InGaN層85的厚度約0.5-3nm。和以上提到的例1和2中的一樣，存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱層(或多量子阱層)作為有源層的情況，或者存在由作為引導(dǎo)層的GaN或InGaN形成多層結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)，需要在InGaN層上直接生長(zhǎng)AlGaN層。
之后，對(duì)部分掩膜層開口以便露出摻硅GaN層81。在除去部分中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Au的n電極87。在先前的生長(zhǎng)層的最外層上通過(guò)汽相淀積形成(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)的p電極88(圖43)。精確地進(jìn)行這些汽相淀積。之后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
通過(guò)以上提到的工藝制備的發(fā)光器件具有圖44所示的結(jié)構(gòu)。特征在于摻硅GaN層84具有S面以及(11-22)面。該結(jié)構(gòu)允許有源區(qū)形成在大面積上。結(jié)果是電流均勻地流動(dòng)，不存在電流集中和電流密度減小。
例8該例展示了其中晶體層是比選擇性掩模或窗口區(qū)大的六角棱柱體的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖45到50介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
首先，和以上提到的例子中的一樣，在主平面為C+面的藍(lán)寶石襯底90上形成低溫緩沖層。然后，溫度升高到1000℃，形成摻硅GaN層91。在摻硅GaN層91的整個(gè)表面上形成SiO2或SiN的掩模層92(100-500nm厚)。通過(guò)光刻并用基于氫氟酸的化合物腐蝕，在掩模層92中形成窗口區(qū)93(或直徑約10μm的圓形開口)如圖45所示。開口的尺寸取決于需要的發(fā)光器件。
然后，隨著溫度升高到1000℃，再次進(jìn)行晶體生長(zhǎng)形成摻硅GaN層94。摻硅GaN層94在圓形窗口區(qū)93生長(zhǎng)，繼續(xù)生長(zhǎng)之后，它呈現(xiàn)側(cè)面為S面或(1-101)面的六棱錐形，它的頂面為平行襯底主平面的C面。進(jìn)行晶體生長(zhǎng)充分的時(shí)間長(zhǎng)度以使摻硅GaN層94呈現(xiàn)頂部C面平坦的六角棱柱體(圖46)。該棱柱體的形成時(shí)間比以上提到的六棱錐體的形成時(shí)間短。
繼續(xù)摻硅GaN的生長(zhǎng)。隨著溫度降低，生長(zhǎng)InGaN層95(作為有源層)。然后，隨著溫度再次升高，生長(zhǎng)摻鎂GaN層96(作為p型覆蓋層)，如圖47所示。InGaN層95的厚度約0.5-3nm。和以上提到的例子中一樣，存在形成量子阱層或多量子阱層，或者形成引導(dǎo)層的情況。
之后，掩模層部分開口以便露出摻硅GaN層91。在除去部分97中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Au的n電極98。在預(yù)先形成的六棱錐的最外層上通過(guò)汽相淀積形成(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)的p電極99(圖48)。精確地進(jìn)行這些汽相淀積。之后，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子腐蝕)或劃片分離各發(fā)光器件，如圖49所示。以此方式，完成本例中的發(fā)光器件。
通過(guò)以上提到的工藝制備的發(fā)光器件具有圖50所示的結(jié)構(gòu)。特征在于藍(lán)寶石襯底90具有C+面作為它的主平面，形成其上的摻硅GaN層94呈現(xiàn)具有平坦頂部的六角棱柱體。六角棱柱體不存在晶體特性較差的頂部。因此該結(jié)構(gòu)防止了發(fā)光特性的損失。此外，在較短時(shí)間中形成六角棱柱體的事實(shí)對(duì)工藝來(lái)說(shuō)也是希望的。
由于選擇性生長(zhǎng)，具有在窗口區(qū)93周圍的掩模層92上延伸的整個(gè)或部分摻硅GaN層94、InGaN層95以及摻鎂GaN層96的結(jié)構(gòu)減小了臺(tái)階，將n電極98與p電極99確定無(wú)疑地分離，由此防止了短路。其中InGaN層95以及摻鎂GaN層96的端部直接接觸掩模層92的另一結(jié)構(gòu)也是可能的。因此，所有的端部直接接觸掩模層92，由此覆蓋了有源層。這產(chǎn)生了保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化并增加了發(fā)光面積的效果。
圖51和52示出了六角棱柱體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的另一結(jié)構(gòu)。圖51示出了形成器件電極的工藝圖。圖51和52中所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件為圖50所示半導(dǎo)體發(fā)光器件的改型例。特征在于用準(zhǔn)分子激光器通過(guò)照射除去藍(lán)寶石襯底90，n電極98b形成在摻硅GaN層91的背面。在具有平坦頂部的六角棱柱體形的生長(zhǎng)層上，為窗口區(qū)周圍掩模層92上延伸的整個(gè)或部分摻硅GaN層94、InGaN層95以及摻鎂GaN層96。在它們的最外層上形成p電極99。
圖51和52所示結(jié)構(gòu)的特征在于n電極98b形成在發(fā)出光的掩模層92的窗口區(qū)外的摻硅GaN層91的背面。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為半導(dǎo)體發(fā)光器件的尺寸減小，不需要通過(guò)在掩模層92中開口形成接觸區(qū)。這有助于制造和減小尺寸。同樣在六角棱柱體的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，n電極98b可以由ITO膜的透明電極代替，由此接觸面積增加并且制造工藝簡(jiǎn)單。
例9該例展示了其中以襯底的表面占據(jù)了較大面積的方式形成p電極的半導(dǎo)體發(fā)光器件。下面參考圖53介紹它的制造工藝和結(jié)構(gòu)。
本例中的工藝與例6的中的工藝相同直到生長(zhǎng)摻鎂GaN層56。因此，到該階段為止涉及的部分采用了相同的參考數(shù)字，但省略了它們的介紹。在藍(lán)寶石襯底50上的掩模層52中形成開口。該開口接近于襯底的一側(cè)。在該開口中通過(guò)汽相淀積形成Ti/Al/Pt/Au的n電極100。該n電極100提供到由多個(gè)六棱錐組成的區(qū)域的電流。通過(guò)汽相淀積形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的p電極101。覆蓋較大面積的p電極101允許每個(gè)器件發(fā)出強(qiáng)光。如果施加相同的電位，那么這些器件起發(fā)光系統(tǒng)的作用，或者如果p電極101被施加獨(dú)立的信號(hào)，這些器件起圖象顯示單元的作用。此外，如果這些器件設(shè)置地對(duì)應(yīng)于三基色，那么構(gòu)成了多色或全色圖象顯示單元。此時(shí)，圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)僅由以上提到的器件或者由以上提到的器件和以不同方式制備的其它器件的混合物構(gòu)成。
整個(gè)或部分摻硅GaN層54、InGaN層55以及摻鎂GaN層56延伸到窗口區(qū)53周圍的掩模層52。由于選擇性生長(zhǎng)剩余未除去的掩模減小了臺(tái)階，也將n電極100和p電極101相互確定無(wú)疑地隔開，由此防止了短路。其中InGaN層55以及摻鎂GaN層56的端部直接接觸掩模層52的另一結(jié)構(gòu)也是可能的。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為直接接觸掩模層52的各層端部覆蓋了有源層，由此保護(hù)有源層不受到氧化和其它退化。另一優(yōu)點(diǎn)是增加了發(fā)光面積的效果。
例10該例展示了在以上提到的各例中得到的設(shè)置得以適合簡(jiǎn)單的矩陣驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件構(gòu)成的圖象顯示單元或發(fā)光系統(tǒng)，如圖54所示。以線形地提供發(fā)紅色的區(qū)域、發(fā)藍(lán)色的區(qū)域以及發(fā)綠色的區(qū)域的方式在襯底120上設(shè)置每個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件。通過(guò)連接到各p電極124的各線126R、126G以及126B向它們提供電流。n電極122為公共電極。如果需要，形成選擇性晶體管以單獨(dú)地控制象素。掩模層125留在襯底120上，由此它減小了它下面的摻硅GaN層121的臺(tái)階。
在用于紅色、藍(lán)色和綠色的每行中的半導(dǎo)體發(fā)光器件具有能夠分別發(fā)出第一、第二和第三波長(zhǎng)的有源層。如果線126R、126G以及126B被施加獨(dú)立的信號(hào)，那么器件起用于兩維圖象的圖象顯示單元的作用。如果線126R、126G以及126B被施加相同的信號(hào)，那么器件起發(fā)光系統(tǒng)的作用。
順便提及，以上例子中的工藝由在藍(lán)寶石襯底上形成低溫緩沖層、生長(zhǎng)GaN層、形成選擇性掩模、以及進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)組成。修改工藝以在約900℃直接在Si上形成GaN層，或者在1000℃在Si上形成AlN層(5nm厚)，然后生長(zhǎng)GaN，或者使用GaN襯底并隨后形成選擇性掩模。
例11該例展示了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在用于生長(zhǎng)的襯底131上，具有C(0001)面，(例如，藍(lán)寶石襯底)由MOCVD或MOVPE生長(zhǎng)的n型GaN層132(作為用于生長(zhǎng)的下層)以及掩模層133(作為氧化硅、氮化硅或鎢的生長(zhǎng)抑制膜)。
在掩模層133中形成為六邊形開口的窗口區(qū)。在窗口區(qū)134中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成晶體生長(zhǎng)層135(具有三角形截面)。晶體生長(zhǎng)層135為例如n型GaN層或AlGaN層，并具有近似正三角形的截面。當(dāng)從上面看時(shí)為六邊形。它從整體上呈現(xiàn)六棱錐形。
晶體生長(zhǎng)層135具有與襯底的主平面傾斜的側(cè)面(為S面或它的等效面)。在晶體生長(zhǎng)層135上為例如濃度可控的n型覆蓋層。在n型覆蓋層上形成有源層136和第二導(dǎo)電層137(作為p型覆蓋層)。形成有源層136和第二導(dǎo)電層137以覆蓋晶體生長(zhǎng)層135的S面。沿通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成的晶體生長(zhǎng)層135的S面生長(zhǎng)有源層，它不平行于襯底131的主平面。第二導(dǎo)電層137為p型GaN層或AlGaN層。AlGaN層可以形成在有源層136上。
在第二導(dǎo)電層137上形成為Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的多層金屬膜形式的第二電極139(作為p電極)。在掩模層133的開口中形成例如為Ti/Al/Pt/Au的多層金屬膜形式的第一電極138(作為n電極)。通過(guò)汽相淀積或剝離技術(shù)等形成第一電極138和第二電極139。
本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的優(yōu)點(diǎn)在于有源層具有較大的面積以減少注入到有源層136內(nèi)的電流密度。特別是，由于有源層136沿晶體生長(zhǎng)層135的S面延伸，因此有源層136的面積S不是十分大，不平行于用于生長(zhǎng)的襯底131的主平面。有源層136的面積S大于S1和S2的總和，其中S2為第一電極138的面積，S1為投影到襯底主平面的晶體生長(zhǎng)層135的面積，如圖55所示。
在本例中的器件為30μm2的發(fā)光二極管的情況下，S2的面積約20μm×5μm或100μm，S1的面積最大約20μm×20μm或400μm。(S2為第一電極接觸作為第一導(dǎo)電層的下導(dǎo)電層的區(qū)域，S1為有源層的投影區(qū)。)另一方面，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成的晶體生長(zhǎng)層135為基底為20μm2并且側(cè)面的角度為45°的四角錐，均勻地形成在側(cè)面上的有源層136的總面積為20μm×20μm/cos45°＝566μm2。換句話說(shuō)，當(dāng)有源層形成在六棱錐(約62°的角度)的S面上時(shí)，有源層的面積S增加。
圖56和57示出了當(dāng)有源層136的面積S增加以減輕亮度飽和時(shí)，它比窗口區(qū)133(圖56)的面積W1或在法線方向投影到襯底中主平面的晶體生長(zhǎng)層的面積W2大(圖57)。當(dāng)有源層136沿晶體生長(zhǎng)層135的S面延伸并且不平行于襯底131的主平面時(shí)，有源層136的面積S變得大于面積W1或投影面積W2。換句話說(shuō)，有源層136具有足夠的面積。這有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
如圖55所示構(gòu)成的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)除了有源層面積增加產(chǎn)生的效果之外，與襯底主平面傾斜的S面增加了從氮原子到鎵原子的鍵合數(shù)量，由此增加了有效的V/III比。因此，所得發(fā)光器件提高了性能。此外，存在從襯底延伸出的位錯(cuò)彎曲和缺陷減少的可能性。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光有效地發(fā)出。有源層136相互隔開類似于島嶼的結(jié)構(gòu)避免了需要腐蝕有源層136。這消除了對(duì)有源層的損傷。另一優(yōu)點(diǎn)在于不存在電極減少了有源層136的有效面積的可能性。
例12該例展示了如圖58所示條形晶體生長(zhǎng)層154形成在襯底150上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體發(fā)光器件由用于生長(zhǎng)的襯底150、用于生長(zhǎng)的下層151、掩模層152、以及形成在掩模層152窗口區(qū)中的條形晶體生長(zhǎng)層154。晶體生長(zhǎng)層154具有為S面的側(cè)面156。有源層155也延伸地形成在傾斜面156上，由此有源層155的面積大于晶體生長(zhǎng)層154的投影面積。這樣有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例13該例展示了如圖59所示延長(zhǎng)的四棱柱形晶體生長(zhǎng)層164形成在襯底160上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體發(fā)光器件由用于生長(zhǎng)的襯底160、用于生長(zhǎng)的下層161、掩模層162、以及形成在掩模層162窗口區(qū)中的條形和延長(zhǎng)的四棱柱形的晶體生長(zhǎng)層164組成。晶體生長(zhǎng)層164具有為S面的側(cè)面163S。縱向方向中端部的面164為(11-22)面。晶體生長(zhǎng)層164的頂面163C為與襯底主平面等同的C面。沒(méi)有示出的有源層在傾斜的側(cè)面163S、面164以及頂面163C上延伸，由此有源層的面積大于晶體生長(zhǎng)層164的投影面積。這樣有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例14該例展示了如圖60所示為四棱柱形的晶體生長(zhǎng)層174形成在用于生長(zhǎng)的襯底170上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體發(fā)光器件由用于生長(zhǎng)的襯底170、用于生長(zhǎng)的下層171、掩模層172、以及形成在掩模層172窗口區(qū)中的條形和延長(zhǎng)的四棱柱形的晶體生長(zhǎng)層164組成。四棱柱形設(shè)置成矩陣形。晶體生長(zhǎng)層174具有為S面的傾斜側(cè)面173S以及為(11-22)面的其它側(cè)面174。晶體層173的頂面173C為與襯底主平面等同的C面。沒(méi)有示出的有源層在傾斜的側(cè)面173S、面174以及頂面173C上延伸，由此有源層的面積大于晶體生長(zhǎng)層173的投影面積。這樣有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例15該例展示了如圖61所示為六棱錐形的晶體生長(zhǎng)層183形成在用于生長(zhǎng)的襯底180上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體發(fā)光器件由用于生長(zhǎng)的襯底180、用于生長(zhǎng)的下層181、掩模層182、以及形成在掩模層182窗口區(qū)中六棱錐形的晶體生長(zhǎng)層183組成。六棱錐設(shè)置成矩陣形。晶體生長(zhǎng)層183具有為S面的傾斜側(cè)面。沒(méi)有示出的有源層在傾斜的S面上延伸，由此有源層的面積大于晶體生長(zhǎng)層183的投影面積，它的截面顯示在圖54中。這樣有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例16該例展示了如圖62所示為六棱柱體形的晶體生長(zhǎng)層193形成在用于生長(zhǎng)的襯底190上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體發(fā)光器件由用于生長(zhǎng)的襯底190、用于生長(zhǎng)的下層191、掩模層192、以及形成在掩模層192窗口區(qū)中六棱柱形的晶體生長(zhǎng)層193組成。六棱柱體設(shè)置成矩陣形。晶體生長(zhǎng)層193具有為S面的傾斜側(cè)面193S，也具有與襯底主平面等同的C面頂面193C。六棱柱的底部為M面或低位置處的(1-100)面。沒(méi)有示出的有源層在傾斜的S面和C面上延伸，由此有源層的面積大于晶體生長(zhǎng)層193的投影面積，它的截面顯示在圖54中。這樣有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例17該例展示了如圖55所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝。下面參考圖63到68介紹工藝。
在用于生長(zhǎng)的襯底200(例如藍(lán)寶石襯底)上通過(guò)MOCVD等形成n型GaN層201(作為用于生長(zhǎng)的下層)，如圖63所示。n型GaN層201最初不必為n型；然而，只要它的最上表面為n型就可以。例如通過(guò)用硅摻雜形成需要的n型GaN層201。
在n型GaN層201的整個(gè)表面上通過(guò)CVD等形成掩模層202，如圖64所示。掩模層202為氧化硅膜、氮化硅膜或鎢膜等，作為生長(zhǎng)抑制膜。部分除去掩模層202形成多個(gè)對(duì)應(yīng)于形成器件區(qū)的六邊形窗口區(qū)203。
進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)以在窗口區(qū)203中形成n型(Al)GaN層204作為晶體生長(zhǎng)層，如圖65所示。該n型(Al)GaN層204也起覆蓋層的作用，它呈現(xiàn)近似六棱錐形。傾斜的側(cè)面為S面。
在傾斜的側(cè)面上形成InGaN層205(作為有源層)和p型(Al)GaN層206，如圖66所示。作為有源層的InGaN層205在作為晶體生長(zhǎng)層的(Al)GaN層204的S面上廣泛地延伸，不平行于用于生長(zhǎng)的襯底的主平面。有源層的面積S大于窗口區(qū)203的面積以及晶體生長(zhǎng)層的投影面積?？梢栽贗nGaN層205上形成AlGaN層。
當(dāng)在掩模層上生長(zhǎng)多晶GaN等時(shí)，通過(guò)腐蝕除去不需要的部分。部分或整個(gè)地除去掩模層202形成n側(cè)接觸區(qū)207，如圖67所示。通過(guò)汽相淀積等形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的p電極209。通過(guò)剝離技術(shù)在接觸區(qū)207中形成Ti/Al/Pt/Au的n電極78(圖68)。合金化之后，完成襯底上的器件。
各器件的基本結(jié)構(gòu)很小以致很難將它們相互隔開。然而，僅需要通過(guò)劃片或解離等將它們分成組，每組由一維或兩維排列的器件組成。每組中的各器件的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)可以或不必單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如W.S.Wong等人在APL-75-10，1360-2中報(bào)道的，如果穿過(guò)藍(lán)寶石襯底對(duì)藍(lán)寶石襯底/GaN界面進(jìn)行UV激光磨蝕，那么在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體可以從藍(lán)寶石襯底上剝離。如果在激光磨蝕之前或之后通過(guò)腐蝕除去第一生長(zhǎng)膜(第一導(dǎo)電膜)，那么可以形成具有本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)的單個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件。
如上所述，本例中的工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)選擇性生長(zhǎng)可以形成S面，并且有源層可以形成在側(cè)面為S面的晶體生長(zhǎng)層上。由此可以得到大面積的有源層。
例18本例展示了具有圖69所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底210、第二生長(zhǎng)層211、第一導(dǎo)電層211(覆蓋第二生長(zhǎng)層211)、有源層213、以及第二導(dǎo)電層219。雖然沒(méi)有掩模層和窗口區(qū)，但通過(guò)選擇性生長(zhǎng)可以將有源層213的面積制得比晶體生長(zhǎng)層的投影面積大。這有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。換句話說(shuō)，即使不使用任何生長(zhǎng)抑制膜(例如掩模層)，如果通過(guò)腐蝕進(jìn)行微制造(例如，表面不規(guī)則處形成在用于生長(zhǎng)的襯底上或已生長(zhǎng)的晶體膜上)，那么也可以形成穩(wěn)定的面并產(chǎn)生與通過(guò)形成生長(zhǎng)抑制膜得到的相同效果。
順便提及，根據(jù)本發(fā)明，最希望六邊形開口作為生長(zhǎng)六棱錐的窗口區(qū)。然而，由于即使為圓形開口通過(guò)自身最終形成穩(wěn)定的面，那么開口的形狀或開口邊界的方向可以是任意的。本發(fā)明也適用于通過(guò)自身形成如纖鋅礦晶體中除(1-101)面的(11-22)面以及(1-100)面的穩(wěn)定面的結(jié)構(gòu)。
目前，紅LED通常由閃鋅礦結(jié)構(gòu)的AlGaInP化合物制成。該化合物相對(duì)于(001)襯底具有穩(wěn)定的面，例如(011)面、(111)面以及(11-1)面。如果在充分的條件下生長(zhǎng)，那么可以形成穩(wěn)定的面和其上的有源層。
例19該例展示了以下面方式形成的圖70所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件。在例如具有C(0001)面的藍(lán)寶石襯底的用于生長(zhǎng)的襯底221上通過(guò)MOCVD或MOVPE形成下層222(為n型GaN層)。
在用于生長(zhǎng)的下層222上形成作為生長(zhǎng)抑制膜的掩模層223，例如氧化硅、氮化硅以及鎢膜。在掩模層223中形成為六邊形開口的窗口區(qū)224。在該窗口區(qū)224中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成具有三角形截面的晶體生長(zhǎng)層225。該晶體生長(zhǎng)層225為n型GaN層或AlGaN層，并具有近似正三角形的截面。當(dāng)從上面看時(shí)為六邊形，整體上呈六棱錐形。
晶體生長(zhǎng)層225具有與襯底主平面傾斜的晶面(S面或與其等效的面)。在晶體生長(zhǎng)層225上通過(guò)調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)層225最外部分的濃度形成n型覆蓋層。在n型覆蓋層上形成有源層226和第二導(dǎo)電層227(作為p型覆蓋層)。有源層226和第二導(dǎo)電層227(作為p型覆蓋層)形成得覆蓋晶體生長(zhǎng)層225的S面。沿通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成的晶體生長(zhǎng)層225上生長(zhǎng)有源層226，它不平行于用于生長(zhǎng)的襯底的主平面。第二導(dǎo)電層227為p型GaN層或AlGaN層。AlGaN間隙層可以形成在有源層226上。在本例中，第二導(dǎo)電層227的表面變成隨后將形成的第二電極的界面，該界面作為有源層226產(chǎn)生的光的反射面240。
在第二導(dǎo)電層227上形成Ni/Pt/Au多層金屬膜形式的第二電極(圖70中未示出，作為p電極)。在掩模層的開口中形成Ti/Al/Pt/Au的多層金屬膜形式的第一電極，作為n電極?？梢酝ㄟ^(guò)汽相淀積或剝離技術(shù)形成第一和第二電極。
本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的特點(diǎn)在于通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成的平行于傾斜晶面的反射面240反射之后，其中產(chǎn)生的部分光發(fā)射出。由于反射提高了發(fā)光效率，因此半導(dǎo)體發(fā)光器件增加了亮度。此外，反射面240形成在通過(guò)選擇性生長(zhǎng)自然容易形成的傾斜晶面上，同時(shí)不必需要額外的腐蝕。
圖71示出了半導(dǎo)體發(fā)光器件的主要部分的剖面圖。器件具有用受激準(zhǔn)分子激光器照射背面除去的用于生長(zhǎng)的襯底，由此用于生長(zhǎng)的下層222的底部作為發(fā)光窗口228。用于生長(zhǎng)的下層222為摻硅GaN層，連接到n電極(未示出)。如圖70所示，由有源層226產(chǎn)生的光前進(jìn)到被反射面240反射的第二導(dǎo)電層227，它最終從發(fā)光窗口228發(fā)射出。由有源層226產(chǎn)生的光也前進(jìn)到發(fā)光窗口228。此時(shí)，光經(jīng)歷全反射，并指向反射面240。反射光沿基于反射角與入射角的關(guān)系改變的光通路前進(jìn)，如果入射角小于臨界角，那么從發(fā)光窗口228發(fā)射出。
下面更詳細(xì)地介紹反射機(jī)理。器件中的折射率大于外部的折射率；因此與界面有大入射角的光受到了全反射。全反射的條件如下。
φc＝sin-1(n1/n2)(其中，φc代表到界面的臨界入射角，n1和n2分別表示外部和內(nèi)部的折射率。當(dāng)n1＝1并且n2＝2.4時(shí)，φc為24.6°。)當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光器件如圖1所示構(gòu)成時(shí)，由有源層產(chǎn)生的部分光被窗口區(qū)全反射，并且該部分的光反復(fù)經(jīng)歷全反射，并且沒(méi)有從窗口發(fā)射出。本例不存在這種情況，是由于反射面240傾斜由此已經(jīng)受全反射的那部分光被反射面再次反射，并沿全反射未涉及的不同光通路返回。由此光從窗口發(fā)出。因此提高了發(fā)光效率并增加了亮度。因此，本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了發(fā)光效率并且亮度高。
圖72到76示出了反射面的模擬結(jié)果。圖72示出了計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)使用的晶體生長(zhǎng)層的模型的透視圖。圖73示出了計(jì)算角度相關(guān)性使用的模型圖。圖74示出了角度與發(fā)光效率的關(guān)系圖。圖75示出了計(jì)算高度相關(guān)性使用的模型。圖76示出了高度與發(fā)光效率的關(guān)系圖。
模擬基于假設(shè)晶體生長(zhǎng)層在它的頂部具有平坦的C面并且也具有平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面的有源層。就發(fā)光效率而言，這種假設(shè)與實(shí)際的本質(zhì)上不同?；谝韵录僭O(shè)模擬了角度相關(guān)性，如圖73所示。藍(lán)寶石襯底具有n＝1.65的折射率。有源層為20μm寬，在襯底上形成有5μm厚。晶體生長(zhǎng)層具有n＝2.4的折射率。反射面具有70％的反射率，并形成在10μm的高度處?；谶@種假設(shè)，計(jì)算反射面反射的反射角。結(jié)果顯示在圖74中。應(yīng)該注意在50°到90°的范圍內(nèi)獲得發(fā)光效率提高，較好的結(jié)果在50°附近。
基于以下假設(shè)模擬高度相關(guān)性，如圖75所示。藍(lán)寶石襯底具有n＝1.65的折射率。有源層為20μm寬，在襯底上形成有d/2μm。晶體生長(zhǎng)層具有n＝2.4的折射率。反射面具有70％的反射率。反射面(S面)形成為62°。結(jié)果顯示在圖76中。應(yīng)該注意隨著高度d增加，發(fā)光效率提高。圖74和76中顯示的模擬結(jié)果提示隨著側(cè)面的角度θ減小并隨著高寬比(器件的高度d與寬度的比值)增加，發(fā)光效率提高。換句話說(shuō)，隨著器件尺寸減小，晶體生長(zhǎng)需要的時(shí)間越短，器件越小，效果越顯著。
本例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的特征在于被平行于傾斜晶面的反射面反射之后，其中產(chǎn)生的部分光發(fā)射出。由于通過(guò)反射面240的反射提高了發(fā)光效率，因此半導(dǎo)體發(fā)光器件增加了亮度。此外，反射面240形成在通過(guò)選擇性生長(zhǎng)自身容易形成的傾斜晶面上，同時(shí)不必需要額外的腐蝕。
如圖70所示構(gòu)成的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)除了有源層面積增加產(chǎn)生的效果之外，與襯底主平面傾斜的S面增加了從氮原子到鎵原子的鍵合數(shù)，由此增加了V/III比。因此所得發(fā)光器件的性能提高。此外，存在從襯底延伸的位錯(cuò)彎曲并且缺陷減少的可能性。與襯底主平面傾斜的傾斜晶面防止了多次反射，由此使產(chǎn)生的光更有效地發(fā)出。其中有源層226象島一樣相互隔離的結(jié)構(gòu)避免了需要腐蝕有源層226。這消除了對(duì)有源層的損傷。另一優(yōu)點(diǎn)在于不存在電極減小有源層226有效面積的可能性。
例20該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底250上的晶體生長(zhǎng)層254呈現(xiàn)條形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖77所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底250、用于生長(zhǎng)的下層251、掩模層252、在掩模層252的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層254。晶體生長(zhǎng)層254具有作為S面的傾斜側(cè)面256，其上形成有有源層255。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例21該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底260上的晶體生長(zhǎng)層264呈現(xiàn)延長(zhǎng)的棱柱形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖78所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底260、用于生長(zhǎng)的下層261、掩模層262、在掩模層262的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層264。晶體生長(zhǎng)層264具有作為S面的傾斜側(cè)面263S、作為(11-22)面的縱向端面264、作為C面(與襯底主平面等同)的頂面263C。有源層(未示出)形成在傾斜的側(cè)面263S、端面264以及頂面263C上。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例22該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底270上的晶體生長(zhǎng)層274呈現(xiàn)四棱柱形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖79所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底270、形成其上用于生長(zhǎng)的下層271、掩模層272、在掩模層272的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層273。四棱柱體排列為矩陣形。晶體生長(zhǎng)層273(四角的平截頭棱錐體形)具有作為S面的傾斜側(cè)面273S、作為(11-22)面的另一傾斜面274、作為C面(與襯底主平面等同)的頂面273C。有源層(未示出)形成在傾斜的側(cè)面273S、另一面274以及頂面273C上。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例23該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底280上的晶體生長(zhǎng)層283呈現(xiàn)六棱錐形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖80所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底280、形成其上用于生長(zhǎng)的下層281、掩模層282、在掩模層282的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層283。六棱錐體排列為矩陣形。晶體生長(zhǎng)層283(六棱錐形)具有作為S面的傾斜側(cè)面。六棱錐具有如圖69所示的截面。有源層(未示出)形成在傾斜的S面上。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例24該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底290上的晶體生長(zhǎng)層293呈現(xiàn)六棱柱形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖81所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底290、形成其上用于生長(zhǎng)的下層291、掩模層292、在掩模層292的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層293。六棱柱排列為矩陣形。晶體生長(zhǎng)層293(六棱柱形)具有作為S面的傾斜側(cè)面293S以及作為與襯底主平面等同的C面的頂面293C。六棱柱的基底為M面或(1-100)面，形成得低。六棱柱具有如圖69所示的截面。有源層(未示出)形成在傾斜的S面和C面上。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例25該例展示了用于生長(zhǎng)的襯底295上的晶體生長(zhǎng)層298和299分別呈現(xiàn)六棱錐和四棱柱形的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如圖82所示。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底295、形成其上用于生長(zhǎng)的下層296、掩模層297、在掩模層297的窗口區(qū)中形成的晶體生長(zhǎng)層298和299。晶體生長(zhǎng)層298呈現(xiàn)六棱錐形，晶體生長(zhǎng)層299呈現(xiàn)棱柱形。六棱錐和四棱柱排列成矩陣形，它們線性交替地排列。晶體生長(zhǎng)層299(四棱柱形)具有作為S面的傾斜側(cè)面299S、作為(11-22)面的另一傾斜面229Z、以及與襯底主平面等同的C面的頂面299C。晶體生長(zhǎng)層298(六棱錐形)具有作為S面的傾斜側(cè)面298S。六棱錐具有如圖69所示的截面。有源層(未示出)形成在傾斜的S面和C面上。器件產(chǎn)生的光被平行于S面的反射面反射，提高了發(fā)光效率。因此半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體生長(zhǎng)層。由此，器件有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
例26該例展示了制造以上提到的發(fā)光器件的制造工藝。下面參考圖83到88介紹工藝。
首先，在通過(guò)MOCVD在用于生長(zhǎng)的襯底例如藍(lán)寶石襯底上形成n型GaN層301作為用于生長(zhǎng)的下層，如圖83所示。n型GaN層301最初不必為n型；然而，只要它的最上表面為n型就可以。例如通過(guò)用硅摻雜形成需要的n型GaN層301。
然后，在n型GaN層301的整個(gè)表面上通過(guò)CVD等形成作為生長(zhǎng)抑制膜的掩模層302，掩模層302例如為氧化硅膜、氮化硅膜或鎢膜等。在掩模層302中形成其中形成有器件的六邊形窗口區(qū)303，如圖84所示。
隨后，進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)以在窗口區(qū)303中形成n型(Al)GaN層304(作為晶體生長(zhǎng)層)。該n型(Al)GaN層304也起覆蓋層的作用，它呈現(xiàn)近似六棱錐形。傾斜的側(cè)面為S面。
在傾斜的側(cè)面上形成InGaN層305(作為有源層)和p型(Al)GaN層306，如圖86所示。作為有源層的InGaN層305在作為晶體生長(zhǎng)層的(Al)GaN層304的S面上廣泛地延伸，不平行于用于生長(zhǎng)的襯底的主平面。有源層的面積S大于窗口區(qū)303的面積以及晶體生長(zhǎng)層的投影面積，由足夠?qū)挻蟮拿娣e形成。可以在InGaN層305上形成AlGaN帽蓋層。p型(Al)GaN層306的傾斜晶面作為反射面。
當(dāng)在掩模層上生長(zhǎng)多晶GaN時(shí)，通過(guò)腐蝕除去不需要的部分。部分或整個(gè)地除去掩模層302以形成n側(cè)接觸區(qū)307，如圖87所示。通過(guò)汽相淀積等形成Ni/Pt/Au的p電極309。通過(guò)剝離技術(shù)等在接觸區(qū)307中形成Ti/Al/Pt/Au的n電極308(圖88)。合金化之后，完成襯底上的器件。由于p電極309形成在作為反射面的p型(Al)GaN層306上，它也可以作為反射膜和光屏蔽膜。
各器件很小，以致很難將它們相互隔開。然而，僅需要通過(guò)劃片或解離等將它們分成組，每組由一維或兩維排列的器件組成。每組中的各器件的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)可以或不必單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如W.S.Wong等人在APL-75-10，1360-2中報(bào)道的，如果穿過(guò)藍(lán)寶石襯底對(duì)藍(lán)寶石襯底/GaN界面進(jìn)行UV激光磨蝕，那么在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體可以從藍(lán)寶石襯底上剝離。如果在激光磨蝕之前或之后通過(guò)腐蝕除去第一生長(zhǎng)膜(第一導(dǎo)電膜)，那么可以形成具有本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)的單個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件。
如上所述，本例中的工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)選擇性生長(zhǎng)可以形成S面，并且有源層可以形成在側(cè)面為S面的晶體生長(zhǎng)層上。由此可以通過(guò)自身形成反射面。器件產(chǎn)生的光被平行于選擇性生長(zhǎng)形成的傾斜晶的反射面部分反射。該反射提高了發(fā)光效率，因此半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度。
例27該例展示了具有圖89所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。器件包括用于生長(zhǎng)的襯底310、部分形成其上的第二生長(zhǎng)層311、第一導(dǎo)電層311(覆蓋第二生長(zhǎng)層311)、有源層311、第二導(dǎo)電層319。雖然沒(méi)有掩模層和窗口區(qū)，但有源層311的面積大于晶體生長(zhǎng)層的投影面積。這有效地減輕了亮度飽和并提高了器件可靠性。
換句話說(shuō)，即使不使用任何生長(zhǎng)抑制膜(例如掩模層)，如果通過(guò)腐蝕進(jìn)行微制造(例如，表面不規(guī)則處形成在用于生長(zhǎng)的襯底上或已生長(zhǎng)的晶體膜上)，那么也可以形成穩(wěn)定的面并產(chǎn)生與通過(guò)形成生長(zhǎng)抑制膜得到的相同效果。
順便提及，根據(jù)本發(fā)明，最希望六邊形開口作為生長(zhǎng)六棱錐的窗口區(qū)。然而，由于即使為圓形開口通過(guò)自身最終形成穩(wěn)定的面，那么開口的形狀或開口邊界的方向可以是任意的。本發(fā)明也適用于通過(guò)自身形成如纖鋅礦晶體中除(1-101)面的(11-22)面以及(1-100)面的穩(wěn)定面的結(jié)構(gòu)。
目前，紅LED通常由閃鋅礦結(jié)構(gòu)的AlGaInP化合物制成。該化合物相對(duì)于(001)襯底具有穩(wěn)定的面，例如(001)面和(111)面。如果在充分的條件下生長(zhǎng)，那么可以形成穩(wěn)定的面和其上的有源層。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造工藝的優(yōu)點(diǎn)，在于通過(guò)利用與襯底主平面傾斜的傾斜晶面可以增加有效的V/III比。這使得構(gòu)成化合物晶體的更多原子被替代(taken up)并降低了發(fā)光的波動(dòng)。此外可以抑制氮原子的游離并提高了晶體特性，由此降低了點(diǎn)缺陷的密度。這防止了當(dāng)向發(fā)光器件提供強(qiáng)電流時(shí)，亮度飽和。與襯底主平面傾斜的晶面防止了多次反射，因此使產(chǎn)生的光有效地發(fā)出。
選擇性生長(zhǎng)形成作為傾斜晶面(例如S面)的晶體層得到小范圍內(nèi)的小型器件。由此可以致密地排列器件或通過(guò)劃片將器件相互隔開。由選擇性生長(zhǎng)得到的部分穩(wěn)定面在原子尺度上平坦；亮度沒(méi)有波動(dòng)，并允許窄半寬度的光發(fā)射。因此，該面可適用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管以及半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件特點(diǎn)在于從它發(fā)出的部分光已被選擇性生長(zhǎng)平行于傾斜晶面的反射面反射。反射提高了發(fā)光效率，因此半導(dǎo)體發(fā)光器件具有高亮度。通過(guò)選擇性生長(zhǎng)容易形成作為反射面基底的傾斜晶體層，同時(shí)不附加如腐蝕等的額外步驟。此外，平行于晶面的有源層具有大有效面積，減小了電阻、減小了熱產(chǎn)生并提高了可靠性。由于大有效面積，有源層具有每單位面積減小的負(fù)載，有助于高亮度和高可靠性。對(duì)于小型化的器件，這產(chǎn)生了顯著的效果。本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的特點(diǎn)在于有源層、導(dǎo)電層、以及電極具有大面積。傾斜的晶面有助于提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造工藝的特點(diǎn)在于第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層部分或整個(gè)延伸到開口周圍的掩模層。該結(jié)構(gòu)(掩模層保留)的優(yōu)點(diǎn)在于橫向生長(zhǎng)部分被沒(méi)有消失的支撐物固定。此外，由于選擇性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)掩模層減小了臺(tái)階。即使通過(guò)激光照射剝離襯底時(shí)，掩模層還起用于第一生長(zhǎng)層的支撐層的作用。這有助于確定地將n電極和p電極分開，由此防止了短路。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成為第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層整個(gè)覆蓋第二生長(zhǎng)層，由此第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層的端部直接接觸掩模層。該結(jié)構(gòu)保護(hù)了有源層不受到氧化和其它退化并產(chǎn)生增加了發(fā)光面積的效果。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的優(yōu)點(diǎn)在于選擇性生長(zhǎng)形成作為傾斜晶面的晶體層得到小范圍內(nèi)的小型器件。由此可以致密地排列器件或通過(guò)劃片將器件相互隔開。由選擇性生長(zhǎng)得到的部分穩(wěn)定面在原子尺度上平坦；亮度沒(méi)有波動(dòng)，并允許窄半寬度的光發(fā)射。因此，該面可適用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管以及半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件另一優(yōu)點(diǎn)在于有源層具有大有效面積，減小了電阻、減小了熱產(chǎn)生并提高了可靠性。由于大有效面積，有源層具有每單位面積減小的負(fù)載，有助于高亮度和高可靠性。對(duì)于小型化的器件，這產(chǎn)生了顯著的效果。本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的特點(diǎn)在于有源層、導(dǎo)電層、以及電極具有大面積。傾斜的晶面有助于提高發(fā)光效率。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一個(gè)襯底和形成其上的一個(gè)晶體層，所述晶體層具有與襯底的主平面傾斜的一個(gè)傾斜晶面，所述器件還包括一個(gè)第一導(dǎo)電類型的層、一個(gè)有源層、以及平行于所述晶體層上的所述傾斜晶面地形成的一個(gè)第二導(dǎo)電類型的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中晶體層具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中晶體層為氮化物半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)晶體層形成在襯底上，用于生長(zhǎng)的下層介于其間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性除去用于生長(zhǎng)的下層進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)在掩模層中選擇性形成的開口進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，由此它從掩模層中的開口橫向地延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中襯底的主平面為C面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中傾斜的晶面包括至少S面和(11-22)面之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中電流僅注入到傾斜晶體層內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層由InGaN形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中傾斜的晶面近似六邊形地對(duì)稱。
13.根據(jù)權(quán)利要求1中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中晶體層具有作為C面的平坦面，C面在近似中央部分與襯底主平面上的晶體層的側(cè)面相對(duì)。
14.一種圖象顯示單元，包括排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件以便根據(jù)信號(hào)發(fā)出光，每個(gè)器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的傾斜晶面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上的所述傾斜晶面形成的第二導(dǎo)電類型層。
15.一種發(fā)光系統(tǒng)，包括排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件以便根據(jù)信號(hào)發(fā)出光，每個(gè)器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的傾斜晶面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上的所述傾斜晶面形成的第二導(dǎo)電類型層。
16.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟在襯底上形成具有開口的掩模層或籽晶層；通過(guò)掩模層中的開口或由籽晶層選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，所述晶體層具有與襯底的主平面傾斜的傾斜晶面；在晶體層上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于傾斜晶面的第二導(dǎo)電類型層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，其中襯底主平面為C面。
18.根據(jù)權(quán)利要求16中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，還包括在襯底上形成多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件之后將器件相互隔開的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求18中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，還包括在每個(gè)隔開器件的背面上形成一個(gè)電極的步驟。
20.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面，或者基本上等效于S面的平面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中晶體層具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中晶體層為氮化物半導(dǎo)體。
23.根據(jù)權(quán)利要求20中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)晶體層形成在襯底上，用于生長(zhǎng)的下層介于其間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性除去用于生長(zhǎng)的下層進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)在掩模層中選擇性形成的開口進(jìn)行選擇性生長(zhǎng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，由此它從掩模層中的開口橫向地延伸。
27.根據(jù)權(quán)利要求20中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中襯底的主平面為C+面。
28.根據(jù)權(quán)利要求20中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中如果S面或基本上等效于S面形成在襯底上的平面為晶體層的一部分，那么僅對(duì)S面進(jìn)行電流注入到有源層內(nèi)。
29.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面構(gòu)成近似六棱錐體的側(cè)面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于實(shí)施例晶體層上所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
30.根據(jù)權(quán)利要求29中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中以頂部附近中的電流密度比側(cè)面低的方式將電流注入到有源層內(nèi)。
31.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面構(gòu)成近似六棱錐體的側(cè)面，所述晶體層還具有C面或者基本上等效于C面的平面，所述C面或者基本上等效于C面的平面構(gòu)成了近似六棱柱體的頂面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上所述S面或基本上等效于S面的平面和所述C面或基本上等效于C面的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
32.一種圖象顯示單元，包括排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件以便根據(jù)信號(hào)發(fā)出光，每個(gè)器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上所述S面或者基本上與其等效的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
33.一種發(fā)光系統(tǒng)，包括多個(gè)排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件，每個(gè)器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上所述S面或者基本上與其等效的平面形成的第二導(dǎo)電類型層。
34.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟在襯底上形成具有開口的掩模層，通過(guò)穿過(guò)所述掩模層的開口選擇性生長(zhǎng)形成具有S面或者基本上等效于S面的平面的掩模層，在晶體層上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上所述S面或者基本上與其等效的平面的第二導(dǎo)電類型層。
35.根據(jù)權(quán)利要求34中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，其中襯底具有C+面作為它的主平面。
36.根據(jù)權(quán)利要求34中限定的半導(dǎo)體器件的制造工藝，其中多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件形成在襯底上，且相互隔開。
37.根據(jù)權(quán)利要求36中限定的半導(dǎo)體器件的制造工藝，其中每個(gè)被隔開的半導(dǎo)體發(fā)光器件具有形成在它的背面上的電極之一。
38.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成具有傾斜于襯底主平面的傾斜晶面的晶體生長(zhǎng)層；形成在晶體生長(zhǎng)層上并根據(jù)以預(yù)定數(shù)量注入的電流發(fā)光的有源層；以及近似平行于傾斜晶面形成并反射部分從有源層發(fā)出的光的反射面。
39.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層由具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體形成。
40.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層近似平行于傾斜晶面。
41.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層近似平行于S面或者基本上等效于S面的平面。
42.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中平行于傾斜晶面的反射面具有以小于180°的角度相互面對(duì)的兩個(gè)或多個(gè)反射面。
43.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層由氮化物化合物半導(dǎo)體形成。
44.根據(jù)權(quán)利要求43中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層由氮化鎵化合物半導(dǎo)體形成。
45.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層含In。
46.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中對(duì)于每個(gè)器件有源層被隔開。
47.根據(jù)權(quán)利要求38中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中選擇性生長(zhǎng)開始于已形成在襯底上用于生長(zhǎng)的下層。
48.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成具有傾斜于襯底主平面的傾斜晶面的晶體生長(zhǎng)層；然后形成有源層；以及近似平行于晶體生長(zhǎng)層的傾斜晶面的反射面。
49.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在所述襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在所述第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，這些層的部分或全部覆蓋所述開口周圍的掩模層。
50.根據(jù)權(quán)利要求49限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中第二生長(zhǎng)層的晶面第二為與襯底主平面傾斜的傾斜面。
51.根據(jù)權(quán)利要求49限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中第一和第二生長(zhǎng)層具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。
52.根據(jù)權(quán)利要求49中限定的半導(dǎo)體器件，其中第二生長(zhǎng)層由氮化物半導(dǎo)體形成。
53.根據(jù)權(quán)利要求49中限定的半導(dǎo)體器件，其中襯底的主平面為C面。
54.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在所述襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在所述第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于所述第二生長(zhǎng)層晶面的第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，這些層形成得整個(gè)覆蓋所述第二生長(zhǎng)層。
55.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底、形成在所述襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在所述第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面形成，由此它們的端部直接接觸所述掩模層。
56.一種圖象顯示單元，包括排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件以便根據(jù)信號(hào)發(fā)出光，每個(gè)器件包括襯底、形成在所述襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在所述第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面形成的第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，由此它們的部分或整個(gè)端部延伸到開口周圍的所述掩模層。
57.一種發(fā)光系統(tǒng)，包括排列的半導(dǎo)體發(fā)光器件以便根據(jù)信號(hào)發(fā)出光，每個(gè)器件包括襯底、形成在所述襯底上第一導(dǎo)電類型的第一生長(zhǎng)層、形成在所述第一生長(zhǎng)層上的掩模層、以及第一導(dǎo)電類型的第二生長(zhǎng)層，第二生長(zhǎng)層通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成，還包括平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面形成的第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，由此它們的部分或整個(gè)端部延伸到開口周圍的所述掩模。
58.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟在襯底上形成第一生長(zhǎng)層；在所述第一生長(zhǎng)層上形成具有開口的掩模層；通過(guò)所述掩模層中形成的開口借助選擇性生長(zhǎng)形成第二生長(zhǎng)層；以及形成第一導(dǎo)電類型的覆蓋層、有源層、以及第二導(dǎo)電類型的覆蓋層，第二導(dǎo)電類型的覆蓋層平行于所述第二生長(zhǎng)層的晶面并延伸到開口周圍的所述掩模層。
59.根據(jù)權(quán)利要求58中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，其中第二生長(zhǎng)層的晶面為與襯底的主平面傾斜的傾斜面。
60.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括位于第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間的有源層，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面形成，所述有源層的面積大于在用于生長(zhǎng)的襯底上選擇性生長(zhǎng)時(shí)使用的窗口區(qū)，或者大于通過(guò)在法線方向?qū)⑦x擇性生長(zhǎng)晶體層投影到用于生長(zhǎng)的襯底得到的投影面積。
61.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中有源層由具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體形成。
62.根據(jù)權(quán)利要求61中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面的有源層平行于S面或者基本上與其等效的平面。
63.根據(jù)權(quán)利要求62中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中形成平行于S面或者基本上與其等效的平面的有源層以使它從掩模層中的開口區(qū)橫向地延伸。
64.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中一對(duì)電極連接到第一和第二導(dǎo)電層，所述電極能夠?qū)㈦娏鲀H注入到不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面的有源層內(nèi)。
65.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體器件，其中有源層由氮化物化合物半導(dǎo)體形成。
66.根據(jù)權(quán)利要求65中限定的半導(dǎo)體器件，其中有源層由氮化鎵化合物半導(dǎo)體形成。
67.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體器件，其中有源層含In。
68.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體器件，其中對(duì)于每個(gè)器件有源層被隔開。
69.根據(jù)權(quán)利要求60中限定的半導(dǎo)體器件，其中選擇性生長(zhǎng)開始于已形成在襯底上用于生長(zhǎng)的下層。
70.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括位于第一導(dǎo)電類型層和第二導(dǎo)電類型層之間的有源層，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成，不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面，在沿它延伸的平面中具有彎曲部分。
71.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括位于第一導(dǎo)電類型層和第二導(dǎo)電類型層之間的有源層，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)形成，不平行于用于生長(zhǎng)的襯底主平面，有源層的面積可以大于或等于(朝用于生長(zhǎng)的襯底的在法線方向)晶體生長(zhǎng)層的投影面積以及其中至少一個(gè)導(dǎo)電層接觸它的電極的面積的總和。
72.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟在襯底上形成用于生長(zhǎng)的下層，在下層上形成具有窗口區(qū)的掩模層，通過(guò)選擇性生長(zhǎng)由掩模層形成晶體生長(zhǎng)層，以及在晶體生長(zhǎng)層的表面上形成第一導(dǎo)電層、有源層、以及第二導(dǎo)電層，所述有源層具有面積大于朝襯底在法線方向投影面積的晶體表面。
73.在權(quán)利要求1、20、38、49以及60中限定的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中電極形成在襯底已被剝離掉的表面上。
74.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造工藝，包括以下步驟在襯底上形成具有開口的掩模層或籽晶層，通過(guò)掩模層中的開口或由籽晶層選擇性生長(zhǎng)形成晶體層，所述晶體層與襯底的主平面傾斜；在晶體層上形成第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于傾斜晶面的第二導(dǎo)電類型層，將它們嵌入形成在第二襯底上的樹脂層內(nèi)，通過(guò)激光磨蝕除去所述襯底，將用于每個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的晶體籽晶層和掩模層隔開，以及在已被剝離掉的籽晶層的襯底側(cè)面上形成電極。
全文摘要
提供一種細(xì)微芯片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，該結(jié)構(gòu)具有良好的晶體特性和控制的襯底螺紋位錯(cuò)，能夠不增加步驟地制備這種結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底和形成其上的晶體層，所述晶體層具有與襯底主平面傾斜的晶面(例如S面)，還包括第一導(dǎo)電類型層、有源層、以及平行于所述晶體層上所述晶面的第二導(dǎo)電類型層。半導(dǎo)體發(fā)光器件可選的具有平行于傾斜晶面的反射面。具有與襯底主平面平行的晶體層具有良好的晶體特性。此外，由于傾斜，晶體層防止了襯底螺紋位錯(cuò)，并有助于器件小型化和器件隔離。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1447990SQ01814308
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2001年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月18日
發(fā)明者奧山浩之, 土居正人, 琵琶剛志, 大畑豐治, 菊谷友志 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社