專利名稱：發(fā)光器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件，尤其涉及一種具有改善的光引出效率(lightextraction efficiency)和優(yōu)良缺陷密度控制以及應力分布控制的高效率發(fā)光器件，其中襯底限定了表面晶體取向。
背景技術：
通常，發(fā)光器件包括激光二極管(LD)和發(fā)光二極管(LED)，LED利用化合物半導體的性質(zhì)發(fā)射信號，其為轉(zhuǎn)換為紅外光、可見光或其它形式光的電能。電能向光的轉(zhuǎn)換可以分為熱輻射和發(fā)光(luminescence)。由光激發(fā)引起的光致發(fā)光、由x射線或電子束照射引起的陰極輝光、以及電致發(fā)光(EL)是所有類型的發(fā)光。LED是EL的一種，目前使用III-V族化合物半導體的LED被廣為應用。
III族氮化物化合物半導體是直接躍遷半導體，并廣泛應用在例如LED和LD的發(fā)光器件中，因為與使用其它半導體的器件相比其在高溫可以獲得穩(wěn)定的工作。通常，III族氮化物化合物半導體使用藍寶石(Al2O3)作為襯底并形成在襯底的頂部上。
圖1是包括藍寶石襯底的常規(guī)III族氮化物化合物半導體的剖視圖。在藍寶石襯底11上順序形成n-GaN層12、有源層13、p-GaN層14和p型電極層15。此外，在未形成有源層13的n-GaN層12上形成n型電極層16。在常規(guī)LED中，最重要的問題是在內(nèi)部有源層處產(chǎn)生的光如何能有效地向外引出。
為了有效地引出在藍寶石襯底和有源層的縱向方向上產(chǎn)生的光，已經(jīng)努力形成透明電極或反射層。但是，在有源層處產(chǎn)生的大量光在橫向方向上傳送。因此為了引出縱向方向上的光，采用了各種方法，例如將半導體器件堆積層的結(jié)構的側(cè)壁形成為具有預定角度，并形成由反射材料構成的側(cè)壁，但是這在制造工藝中引起問題并增加了成本。而且，為了增加使用藍寶石襯底的III族氮化物化合物半導體發(fā)光器件的發(fā)光能力，采用了具有倒裝芯片型的器件，且光引出效率為大約40％，由于GaN和藍寶石襯底之間衍射率的不同。
如圖2A所示，近來引入了一種LED結(jié)構，其中通過處理藍寶石襯底21的表面并在襯底頂部上形成包括有源層的半導體結(jié)晶層而形成不平坦結(jié)構。這種結(jié)構在有源層22下形成具有不平坦表面的衍射率界面(diffractionrate interface)，并能外部引出在器件內(nèi)漸弱的一部分光。
此外，當在藍寶石襯底21上形成III族氮化物化合物半導體時，由于藍寶石襯底21和III族氮化物化合物半導體的晶格參數(shù)不匹配產(chǎn)生了位錯。為了防止這發(fā)生，如圖2B所示，藍寶石襯底21具有不平坦的表面，且在頂部上形成GaN層23。圖2C示意說明在具有這種不平坦結(jié)構的藍寶石襯底的頂部上形成LED的工藝。當在具有如圖2C-(a)所示的不平坦結(jié)構的藍寶石襯底21的頂部上形成GaN層23時，如圖2C-(b)所示，從不平坦結(jié)構的頂部和每個側(cè)面部分生長GaN小面(facet)24。接著如圖2C-(c)所示能夠獲得平坦化的GaN層23。圖2C-(d)說明完成的發(fā)光二極管，其中在平坦化GaN層23的頂部上是有源層22等。
該工藝的缺點是當使用這種圖案化的藍寶石襯底(PPS)生長半導體結(jié)晶層時，因為是在圖案上實施小面生長之后進行平坦化，所以必須再次生長到足夠?qū)嵤┢教够暮穸取?br> 此外，公開了一種結(jié)構(No.WO2001-69663)，其中，形成了臺階差(stepdifference)，在臺階差的頂表面和側(cè)面部分上生長III族氮化物化合物半導體，且防止了沖孔狀態(tài)。但是，缺點是在臺階差的下部形成空隙，以及為了平坦化生長層，III族氮化物化合物半導體必須形成得較厚。
當在藍寶石襯底上再次生長半導體時，使用ELOG和PENDEO方法減小缺陷密度。但是，在ELOG方法情況中，需要單獨的掩模層，在PENDEO方法情況中，在襯底界面部分上形成空隙，導致光引出效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種發(fā)光器件及其制造方法。該發(fā)光器件包括具有至少一個帶曲面的突起部分的襯底，其中即使半導體結(jié)晶層的生長和發(fā)光器件的形成完成時，也能獲得相容的缺陷密度和均勻的應力分布。此外，發(fā)光器件具有高的光引出效率，用于外部引出在電致發(fā)光層生成的光。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種發(fā)光器件，其包括具有至少一個帶曲面的突起部分的襯底，該至少一個突起部分的晶面取向(crystal surfaceorientation)與在該至少一個突起部分上形成的III族氮化物化合物半導體的生長方向不同；以及多個半導體結(jié)晶層，該多個半導體結(jié)晶層包括多個有源層和在一部分襯底上形成的電極。
在本發(fā)明中，突起部分表面的每一點處的曲率大于0。
在本發(fā)明中，突起部分的每個表面具有與(0001)面不同的晶向。
在本發(fā)明中，襯底由藍寶石或包括Si的材料構成。
在本發(fā)明中，n-GaN層形成在襯底上，有源層、p-GaN層和p型電極層順序形成在一部分n-GaN層上，且n型電極層形成在n-GaN層的未形成有源層的部分上。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造發(fā)光器件的方法，包括在平坦化的襯底上形成至少一個帶曲面的突起部分；以及在襯底上形成包括有源層的半導體結(jié)晶層。
在本發(fā)明中，形成該至少一個突起部分包括構圖在該襯底上形成的光致抗蝕劑；硬烘烤(hard baking)該光致抗蝕劑和襯底；以及蝕刻該襯底的表面，從而形成至少一個突起部分。
在本發(fā)明中，當蝕刻襯底表面時，蝕刻氣體是從Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4構成的組中選出的Cl氣體。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造發(fā)光器件的方法，包括在襯底上形成至少一個帶曲面的突起部分；以及由突起部分之間的襯底表面生長III族氮化物化合物半導體結(jié)晶層直到覆蓋突起部分的表面。


通過參照附圖詳細介紹本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將變得更加明顯，其中圖1是使用藍寶石襯底的常規(guī)III族氮化物化合物半導體的剖視圖；圖2A和2B說明在不平坦藍寶石襯底上形成III族氮化物化合物半導體的常規(guī)結(jié)構和工藝；圖2C說明在具有不平坦表面的襯底上形成LED的常規(guī)工藝；圖3A是按照本發(fā)明的實施例的發(fā)光器件的襯底的剖視圖；
圖3B是圖3A的襯底表面的SEM照片；圖3C是倒裝芯片型發(fā)光器件的剖視圖，其包括按照本發(fā)明形成有曲面型突起部分的襯底；圖4A至4D是說明按照本發(fā)明實施例制造發(fā)光器件方法的剖視圖；圖5A是說明在藍寶石襯底的頂部上鍍敷GaN層并按照本發(fā)明平坦化GaN層工藝的SEM照片，該藍寶石襯底具有曲面型突起部分；圖5B是說明在藍寶石襯底的頂部上鍍敷并平坦化GaN層的工藝的SEM照片，該藍寶石襯底具有帶平坦化的頂部的不平坦表面；以及圖6是比較按照本發(fā)明發(fā)光器件的光引出功率與現(xiàn)有技術的光引出功率的示圖。
具體實施例方式
通過參照附圖對本發(fā)明的示例性實施例的詳細介紹，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將變得更加明顯。
圖3A是按照本發(fā)明實施例的發(fā)光器件的襯底(可包括藍寶石或Si)的剖視圖。如圖3A所示，在襯底31的表面上形成圓滑曲面突起(smoothlycurved protrusion)32。這種突起32與圖2A至2C所示的常規(guī)襯底的不平坦結(jié)構不同。換句話說，因為頂部和側(cè)面部分均是平坦的，且側(cè)面部分相對于襯底21的表面傾斜預定角度，所以圖2A至2C的不平坦結(jié)構的頂部和側(cè)面部分是有差別的。
但是，形成在圖3A的襯底表面上的突起部分32具有曲面，且由此在上部和側(cè)面部分之間沒有差別，導致了不存在平坦表面的表面。因此，突起部分32每部分的曲率大于0。除了突起部分32和襯底31的主體部分相交處之外，不存在拐角。因此，襯底31的突起部分32的表面的晶體取向與形成在襯底31頂部上的III族氮化物化合物半導體的晶體生長方向(c軸)不同。換句話說，曲面型突起部分32的表面由與(0001)表面不同的晶體生長面構成。因此，在突起部分32的表面上，III族氮化物化合物半導體的生長不是經(jīng)常發(fā)生。
圖3B是圖3A的襯底31的表面的SEM照片。突起部分32使用半球體。襯底表面上的所有突起部分32可以具有同樣的尺寸和形式，但是本發(fā)明實施例不限于此，且突起部分32的尺寸、形式和每個部分的曲率可以略微不同。例如，突起部分32下部的曲率可以大于上部的曲率，或者反之亦然。此外，突起部分32的整體形式可以具有為半球體的曲面，可以形成條紋圖案，或可以具有彎曲的馬蹄形狀。而且，不限制突起部分的排列，使得突起部分可以具有例如晶格結(jié)構的規(guī)則間隔排列或不規(guī)則間隔排列。
按照本發(fā)明實施例的發(fā)光器件的襯底31不限于藍寶石襯底，還可以使用例如Si、SiC等的生長III族氮化物化合物半導體的任何襯底。
圖3C是按照本發(fā)明實施例的包括襯底31的倒裝芯片型發(fā)光器件的剖視圖。參照圖3C，在襯底31上形成n-GaN層33，在一部分n-GaN層33上順序形成有源層34、p-GaN層35和p型電極層36。此外，在n-GaN層33的未形成有源層34的部分上形成n型電極層37。除襯底31之外，該發(fā)光器件的結(jié)構與III族氮化物化合物半導體發(fā)光器件的結(jié)構沒有很大不同。在襯底31上形成的III族氮化物化合物半導體不限于GaN，還可以包括例如AlN或InN的第二分子(secondary molecule)、其它第三分子和第四分子。
以下將介紹按照本發(fā)明實施例制造發(fā)光器件的方法。以下是在襯底表面上形成多個曲面型突起部分的工藝。
首先，構圖平坦化的襯底上的光致抗蝕劑。使用常規(guī)光刻方法進行該構圖，光致抗蝕劑的厚度取決于襯底蝕刻深度的目標值。例如，當藍寶石襯底的蝕刻深度約為1.2μm時，光致抗蝕劑的厚度可約為2μm。
接著，在大約110℃的溫度實施硬烘烤。
此外，當蝕刻藍寶石襯底時，使用常規(guī)反應離子蝕刻方法。適當調(diào)節(jié)蝕刻氣體、壓力和功率，從而形成襯底的突起部分。在本發(fā)明實施例中，使用Cl2/BCl3作為蝕刻氣體，采用3毫乇(mTorrr)的壓力和800W的功率。例如，蝕刻氣體可以選自Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4等的Cl組。而且，取決于蝕刻氣體，壓力可在幾毫乇和幾十毫乇之間，優(yōu)選為1～40毫乇。
通過上述工藝在襯底表面上可形成多個突起部分。接著在襯底上形成n-GaN層、有源層、p-GaN層、p型電極層和n型電極層。在按照本發(fā)明的發(fā)光器件中，襯底31上形成的化合物半導體層與常規(guī)發(fā)光器件的差別不大，本領域技術人員可以理解該制造工藝。但是，當在帶突起部分的襯底表面上形成發(fā)光器件時，不需要單獨的掩模層。
圖4A至4D示意說明按照本發(fā)明實施例制造發(fā)光器件的方法。參照圖4A和4B，蝕刻平坦化的襯底31的表面，從而形成具有帶曲面的突起部分32的藍寶石襯底31。參照圖4C，在襯底上生長GaN層33。參照圖4D，生長GaN層33到預定厚度并平坦化其表面。圖3C說明完成的倒裝芯片型發(fā)光器件，其中其它有源層34和電極層36全形成在圖4C的平坦化的n-GaN層33的頂部上。在襯底31和GaN層33之間的界面沒有形成空隙。因為在現(xiàn)有技術中已經(jīng)很好地介紹了形成GaN層33之后進行的有源層生長工藝，所以這里將不再敘述。
圖4A至4D所說明的制造發(fā)光器件的方法與如圖2C所示的在具有不平坦表面的襯底上形成發(fā)光器件的方法不同。當按照本發(fā)明的實施例獲得發(fā)光器件中的GaN平坦化層32時，GaN不像現(xiàn)有技術中那樣生長小面，且為了獲得平坦層的GaN層32的厚度較薄。此外，在現(xiàn)有技術中，發(fā)生外延生長，而在本發(fā)明中，在突起部分32的表面上不易發(fā)生GaN層33的生長。
在本實施例中，為了突起部分32表面的頂部上形成的III族氮化物化合物半導體的晶體生長方向具有多個晶向，突起部分32必須具有曲面。因此，在突起部分32之間的襯底31的表面上，即平坦部分開始III族氮化物化合物半導體的生長，并且隨著III族氮化物化合物半導體厚度增加，突起部分32的側(cè)面和頂部被覆蓋。
這在圖5A和5B中得到證實。圖5A是說明在帶突起部分32的襯底31上鍍敷GaN層33的工藝的SEM圖像，圖5B是說明在帶不平坦表面的常規(guī)襯底21上鍍敷GaN層33的工藝的SEM圖像。
以同樣高度制造具有平坦表面的不平坦結(jié)構和在襯底31表面上形成的帶曲面的突起部分32。當觀察示出同樣條件下在兩個襯底31上形成的GaN層33的SEM圖像時，顯然，在圖5A-(b)和5B-(b)中的所示出的本發(fā)明和現(xiàn)有技術之間存在差異。
換句話說，在圖5A-(b)中，通過GaN層33進行襯底31的平坦化，除了在突起部分32的頂部之外。另一方面，在圖5B-(b)中，在不平坦部分的頂部和側(cè)面上發(fā)生了GaN的小面生長，平坦化程度很低。此外，參照圖5A-(c)，在襯底31的頂部上鍍敷GaN并實現(xiàn)完全平坦化。但是，參照圖5B-(c)，在不平坦表面的頂部上進行平坦化，但在每個不平坦表面之間沒有實現(xiàn)完全平坦化。
圖6是比較按照本發(fā)明的發(fā)光器件的光引出與現(xiàn)有技術發(fā)光器件的光引出的示圖。A說明在圖1所示的常規(guī)平坦襯底11上形成的發(fā)光器件。B說明在圖2D所示的具有不平坦表面的常規(guī)襯底21上形成的發(fā)光器件。C說明圖3C所示的按照本發(fā)明在具有帶曲面的突起部分32的襯底31上形成的發(fā)光器件。
參照圖6，情況B中的光引出比情況A大50％，情況B中發(fā)光器件在帶不平坦表面的襯底21上形成，情況A中發(fā)光器件在帶平坦表面的襯底11上形成。情況C中的光引出比情況A中的大超過60％，情況C中發(fā)光器件在具有帶曲面的突起部分32的襯底31上形成。此外，情況C中的光引出大約比情況B中的大10％。這是因為在帶突起部分32的襯底31中，半導體結(jié)晶層形成光學透鏡，其改變了光路并降低了生長半導體結(jié)晶層的缺陷密度。
盡管已經(jīng)參照其示例性實施例具體示出并介紹了本發(fā)明，但是本領域技術人員應理解，在不脫離如所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其做出形式和細節(jié)上的各種改變。例如，按照本發(fā)明實施例的發(fā)光器件的突起部分與將在襯底上形成的III族氮化物化合物半導體的晶體生長方向不同，突起部分可以為半球體、條紋、馬蹄形形狀等，并且排列可以包括規(guī)則的和不規(guī)則的排列。
按照本發(fā)明的實施例，當在具有帶曲面的突起部分的襯底頂部上形成包括電致發(fā)光層的發(fā)光器件時，即使完成半導體結(jié)晶層的生長和發(fā)光器件時，也能夠有效地進行平坦化，并容易地獲得一致的缺陷密度控制和應力分布控制，結(jié)果能夠增加在電致發(fā)光層產(chǎn)生并射向發(fā)光器件外部的光的引出效率。
權利要求
1.一種發(fā)光器件，包括具有至少一個帶曲面的突起部分的襯底，該至少一個突起部分的晶面取向與在該至少一個突起部分上形成的III族氮化物化合物半導體的生長方向不同；以及在該襯底的一部分上形成的包括多個有源層的多個半導體結(jié)晶層和電極。
2.根據(jù)權利要求1的器件，其中該突起部分表面每一點的曲率大于0。
3.根據(jù)權利要求1的器件，其中該突起部分的每個表面具有與(0001)面不同的晶向。
4.根據(jù)權利要求1的器件，其中該突起部分是半球體或條紋。
5.根據(jù)權利要求1的器件，其中該襯底由藍寶石或包括Si的材料構成。
6.根據(jù)權利要求1的器件，其中n-GaN層形成在該襯底上，有源層、p-GaN層和p型電極層順序形成在該n-GaN層的一部分上，n型電極層形成在該n-GaN層的未形成有該有源層的部分上。
7.一種制造發(fā)光器件的方法，包括在平坦化的襯底上形成至少一個帶曲面的突起部分；以及在該襯底上形成包括有源層的半導體結(jié)晶層。
8.根據(jù)權利要求7的方法，還包括在形成該至少一個突起部分之前構圖在該襯底上形成的光致抗蝕劑；硬烘烤該光致抗蝕劑和襯底；以及蝕刻該襯底的表面，從而形成至少一個突起部分。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其中，當蝕刻該襯底表面時，蝕刻氣體是選自Cl2、BCl3、HCl、CCl4和SiCl4構成的組的Cl氣體。
10.一種制造發(fā)光器件的方法，包括在襯底上形成至少一個帶曲面的突起部分；以及從所述突起部分之間的襯底表面生長III族氮化物化合物半導體結(jié)晶層直到覆蓋所述突起部分的表面。
11.根據(jù)權利要求10的方法，其中所述突起部分的每個表面具有與(0001)面不同的晶向。
12.根據(jù)權利要求10的方法，其中該生長是外延生長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光器件及其制造方法。該發(fā)光器件包括具有至少一個帶曲面的突起部分的襯底，其中即使完成半導體結(jié)晶層生長和形成發(fā)光器件時，也能獲得相容的缺陷密度和均勻的應力分布。此外，該發(fā)光器件具有很高的光引出效率，用于外部引出在電致發(fā)光層生成的光。
文檔編號H01S5/00GK1610135SQ200410048450
公開日2005年4月27日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權日2003年10月21日
發(fā)明者李庭旭, 成演準, 趙濟熙, 白好善 申請人:三星電機株式會社