專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，更具體地說，涉及改善光提取效率的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，氮化物發(fā)光二極管(LED)具有包括紫外線、藍(lán)光和綠光的發(fā)光區(qū)域。特別是，基于GaN的氮化物半導(dǎo)體LED被應(yīng)用于藍(lán)/綠LED光學(xué)器件和諸如金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)和異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HEMT)的高開關(guān)和高輸出的電子器件。圖1是表示現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的縱剖面圖。如圖1所示，現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括基板11上的緩沖層12，緩沖層 12上的n-GaN層13，以多量子阱結(jié)構(gòu)形成以發(fā)光的有源層14，ρ-GaN層15和透明電極16。在此，在通過選擇性地將透明電極16蝕刻到n-GaN層13而將n-GaN層13暴露到外部以后，在暴露的n-GaN層13上形成η型電極18，且在透明電極16上形成ρ型電極17。上述現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的原理是利用在Ρ/Ν結(jié)之間的有源層14處的電子-空穴復(fù)合產(chǎn)生光子，而光子逸出到發(fā)光器件的外部，從而產(chǎn)生光。圖2Α是示意性地表示現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的基板的最終形狀的縱剖面圖，而圖2Β是表示將圖2Α的基板內(nèi)部產(chǎn)生的光提取到外部的圖。為了提高現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率，采用氮化物半導(dǎo)體生長技術(shù)或采用使用芯片工藝改變器件結(jié)構(gòu)的方法。另外，可以利用特定材料的表面處理來提高光提取效率。首先，如果按照氮化物半導(dǎo)體生長需求來獲得P-GaN層的粗糙度，那么內(nèi)量子效率會由于鎂(Mg)的擴(kuò)散而降低。然而，外量子效率可能提高。此外，為了利用P-GaN的粗糙度，可能會遇到諸如延長多量子阱的周期的技術(shù)瑕疵。另外，厚度為150 200nm的現(xiàn)有p_GaN層不能被均勻地圖案化，因此需要人為地增加P-GaN層的厚度。然而，如果通過生長來增加P-GaN層的厚度，則會增加p_GaN層的阻抗，而且會由于電流在垂直方向上而不是在水平方向上擴(kuò)散而出現(xiàn)電流擁擠(current crowding)，從而導(dǎo)致工作電壓升高。即使通過生長獲得具有增加厚度的ρ-GaN層，但p-GaN層必須具有高質(zhì)量的表面。 然而，為了防止在生長P-GaN層的過程中有源層變劣，在低溫下使p-GaN層生長。如果增加在低溫下生長的P-GaN層的厚度，則ρ-GaN層不能夠具有高質(zhì)量的表面，從而降低器件的性能。用于形成P-GaN層的鎂的摻雜濃度和ρ-GaN層的生長條件是影響p_GaN層的表面形狀的重要因素，因此執(zhí)行生長工藝時(shí)要求高度精確。其次，關(guān)于使用芯片工藝來改變器件的結(jié)構(gòu)，作為芯片成形技術(shù)，將LED中的GaN層或藍(lán)寶石基板的一部分形成為反向臺面結(jié)構(gòu)以防止產(chǎn)生的光被局限于LED GaN層或藍(lán)寶石基板中并損失。為了將LED中的GaN層或藍(lán)寶石基板的一部分形成為反向臺面結(jié)構(gòu)，主要采用濕蝕刻，而且濕蝕刻的蝕刻溶液是諸如硫酸、磷酸和硝酸的強(qiáng)酸以及諸如氫氧化鉀的堿中的一種，或者是它們中的至少兩種的混合物。對氮化物半導(dǎo)體化合物實(shí)施濕蝕刻，需要高溫。就濕蝕刻的特性而言，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制和濃度設(shè)定，并且磷酸和硫酸的混合物的使用(該混合物被主要使用)具有危險(xiǎn)性。最后，采用通過粗糙化諸如ITO的透明導(dǎo)電膜來提高氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率的方法。通過改變沉積工藝的參數(shù)來粗糙化透明導(dǎo)電膜，或采用濕蝕刻。然而，這種方法存在缺點(diǎn)，例如難于檢驗(yàn)工藝的再現(xiàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種臨界角被增大的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。通過將基板的角部變圓來增大臨界角，以便由于從基板內(nèi)部產(chǎn)生并被提取到外部的光的量的增加而提高光提取效率。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)并且依照本發(fā)明的目的，如在此具體化和廣泛描述的，一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括形成在基板上的緩沖層；形成在緩沖層上的包括第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層、有源層和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；形成在第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第一電極；和形成在第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第二電極；其中所述基板具有透光性，并且所述基板的各角部被變圓以具有預(yù)定曲率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法包括在基板上形成緩沖層；通過在所述緩沖層上順序地堆疊第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層、有源層和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層而形成發(fā)光結(jié)構(gòu)；對第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層的選擇區(qū)域執(zhí)行臺面蝕刻直到暴露第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層；分別在暴露的第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層上形成第一電極和在第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層上形成第二電極；研磨并拋光具有形成在其上的第一電極和第二電極的基板；將已完成研磨和拋光的基板的各角部變圓；通過劃線和折斷工藝將角部變圓的基板分割成各器件。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的上述概括性描述和后面的詳細(xì)描述都是示例性的和解釋性的，并且意在對要求保護(hù)的發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。


所包括的附圖給本發(fā)明提供進(jìn)一步的理解并包含在本申請中作為本申請的一部分。附圖表示出本發(fā)明的實(shí)施例并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。附圖中圖1是表示現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的縱剖面圖；圖2A是示意性地表示現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的基板的最終形狀的縱剖面圖；圖2B是表示將從圖2A的基板的內(nèi)部產(chǎn)生的光提取到外部的圖；圖3A和;3B至圖5A和5B分別是示意性地表示本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的基板的最終形狀的縱剖面圖，和表示將從基板的內(nèi)部產(chǎn)生的光提取到外部的圖6是表示本發(fā)明的氮化物發(fā)光器件的縱剖面圖；圖7是表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的流程圖；圖8是表示在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法中將基板的角部變圓的方法的流程圖；圖9是表示按照在現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件和本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的基板的形狀的光提取效率的表；以及圖10是表示按照圖9的蝕刻形狀的光提取效率的圖表。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖詳細(xì)描述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。圖3A和;3B至圖5A和5B分別是示意性地表示本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的基板的最終形狀的縱剖面圖，和表示將從基板的內(nèi)部產(chǎn)生的光提取到外部的圖。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，如圖3A和;3B至圖5A和5B所示，將基板的角部變圓，從而增大臨界角，由此增加從其內(nèi)部產(chǎn)生并被提取到外部的光的量，以提高光提取效率。圖6是表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的縱剖面圖，而圖7是表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的流程圖?，F(xiàn)在，參照圖6和7描述本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。如圖6和 7所示，在基板110上形成緩沖層112，且在緩沖層112上形成包括第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層120、 有源層130和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層140的發(fā)光結(jié)構(gòu)115 (步驟S110)?；?10由透光材料制成。盡管本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采用藍(lán)寶石(Al2O3)基板作為基板110，但是根據(jù)需要，基板110可以由選自由GaN, SiC、ZnO、Si、GaP、InP和GaAs組成的組中的材料制成，或可以省略基板。緩沖層112起減少基板110和發(fā)光結(jié)構(gòu)115之間的晶格常數(shù)差的作用，并且由選自GaN、A1N、AlGaN、InGaN和AUnGan中的任一種以預(yù)定厚度(例如150 IOOOA )制成。 可在緩沖層112上形成未摻雜半導(dǎo)體層(未示出)，且該未摻雜半導(dǎo)體層可以由未摻雜GaN 制成?？稍诨?10上有緩沖層112和未摻雜半導(dǎo)體層中的至少一層；或者，可刪略在基板上的緩沖層112和未摻雜半導(dǎo)體層兩者。在本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)范圍內(nèi)，發(fā)光結(jié)構(gòu)115可以改為p-n結(jié)、n-p結(jié)、p-n-p結(jié)或n-p-n結(jié)。而且，可以向發(fā)光結(jié)構(gòu)115的各層120、130和140的每個(gè)的上表面或下表面增加另外的材料層，然而發(fā)光結(jié)構(gòu)115不限于這些層的堆疊結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層120 可以由具有組成公式為hxAlyfeil-x-yN(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)的材料制成。例如，第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層120可以是由通過結(jié)合III族元素和V族元素獲得的、選自由 InAlGaN, GaN, AlGaN和InGaN組成的組的材料制成的η-型半導(dǎo)體層，并且該η-型半導(dǎo)體層被用η型摻雜劑(例如Si、Ge或Sn)摻雜。有源層130形成為單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)。可以在有源層130的上表面和 /或下表面上形成導(dǎo)電覆蓋層(未示出)。導(dǎo)電覆蓋層可以是AKiaN層。第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層140可以例如是ρ型半導(dǎo)體層。該ρ型半導(dǎo)體層可以選自由InAlGaN, GaN, AlGaN和InGaN組成的組，并且該ρ-型半導(dǎo)體層被用ρ型摻雜劑(例如Mg) 摻雜?？梢栽诘诙?dǎo)電半導(dǎo)體層140上形成第三導(dǎo)電半導(dǎo)體層(未示出)。
對第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層140的選擇區(qū)域進(jìn)行臺面蝕刻，直到暴露出第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層120為止(步驟S120)。 在暴露的第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層120上形成第一電極161，且在第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層140 上形成第二電極163 (步驟S130)。通過研磨和拋光來拋光具有第一電極161和第二電極163的基板110的底部，使基板具有預(yù)定厚度(步驟S140)。研磨基板110的底部，并且通過拋光使基板110的被研磨表面光滑。在此，拋光是如下實(shí)現(xiàn)的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) ；ICP/RIE干蝕刻；利用藍(lán)寶石微粒的機(jī)械拋光；或利用混合溶液作為蝕刻溶液的濕蝕刻，混合溶液包括鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、氫氧化鉀(KOH)、 氫氧化鈉(NaOH)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)和復(fù)合物 GH3P04+4CH3C00H+HN03+H30)中的任一種或至少兩種的組合。在此，基板110的厚度可盡可能地薄。然而，如果基板110的厚度過分薄，則基板 110會彎翹且難以處理，因此基板110的厚度優(yōu)選是約20 400um (更優(yōu)選是50 150um)。然后將已經(jīng)完成研磨和拋光的基板110的角部變圓(步驟S150)。通過劃線和折斷工藝將角部已經(jīng)被變圓的基板110切成具有預(yù)定芯片尺寸的器件(步驟S160)。劃線工藝可以是激光劃線工藝或觸點(diǎn)劃線工藝，且從基板110或從第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層140執(zhí)行。在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，這些后處理工藝可以改變，而不限于上述劃線和折斷工藝?？稍趧澗€工藝和折斷工藝期間執(zhí)行測量各單獨(dú)器件的工藝。圖8是表示在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法中將基板的角部變圓的方法的流程圖。如圖8所示，為了保護(hù)第一電極161和第二電極163，在基板110表面上涂敷厚度為3um或以上的光刻膠PR(步驟S151)。然后，在溫度為120°C的腔室環(huán)境下在烘箱內(nèi)對涂敷了光刻膠I3R的基板110進(jìn)行強(qiáng)烘焙。然后，使用光掩模通過曝光和顯影選擇性地圖案化光刻膠PR(步驟S152)。然后，使用熱的平板進(jìn)行光刻膠烘焙以使圖案化的光刻膠ra具有預(yù)定的傾斜。在此，盡管光刻膠I3R的合適的傾斜的角度是45°，但是光刻膠ra的傾斜的角度的范圍不限于該角度。光刻膠ra的傾斜由熱的平板的溫度和烘焙時(shí)間確定。然后，在使用圖案化的光刻膠ra作為掩模進(jìn)行基板圖案化以符合各個(gè)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的尺寸之后，使用干蝕刻設(shè)備蝕刻基板Iio (步驟S153)。在此，感應(yīng)耦合等離子體(ICP)設(shè)備適于作為干蝕刻設(shè)備，并且用Cl2和BCl3氣體混合物來蝕刻基板110。在完成對基板110的蝕刻之后，使用有機(jī)清洗劑去除光刻膠步驟S154)。在此，同時(shí)去除被涂敷來保護(hù)器件表面的光刻膠。以下的表1比較按照在現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件和本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的基板的形狀的光提取效率。而且，圖9是表示按照在現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件和本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的基板的形狀的光提取效率的表。圖10是表示按照圖9的蝕刻形狀的光提取效率的圖表。表 1
形狀現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例 (圖3A和3B)實(shí)施例 (圖 4A 禾口 4B)實(shí)施例 (圖5A和5B)效率100%127%386%236%如表1和圖9以及圖10所示，如果本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的基板被處理成具有弧度的形狀，則與現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件相比，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件使從其內(nèi)部產(chǎn)生并提取到外部的光的量最大化，從而提高光提取效率。具有圓的角部的基板的面積等于氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的面積。如上所述，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法具有如下效果。第一，用作氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的基板的藍(lán)寶石基板被處理成具有透鏡狀的橫截面，因此增大了向外發(fā)射的光的臨界角，從而通過使光提取最大化而提高光提取效率。第二，如果使用倒裝法封裝，則由于基板的一致曲率而能均勻地應(yīng)用熒光物質(zhì)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠?qū)Ρ景l(fā)明作出各種改進(jìn)和變化是顯而易見的。因此，本發(fā)明意在涵蓋對本發(fā)明的這些改進(jìn)和變化， 只要它們落入所附的權(quán)利要求書及其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 形成在基板上的緩沖層；形成在所述緩沖層上的包括第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層、有源層和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；形成在所述第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第一電極；和形成在所述第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第二電極；其中所述基板具有透光性，并且所述基板的各個(gè)角部被變圓以具有預(yù)定曲率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述基板由藍(lán)寶石制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層具有臺面結(jié)構(gòu)，以暴露所述第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層的表面。
4.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法包括 在基板上形成緩沖層；通過在所述緩沖層上順序地堆疊第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層、有源層和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層形成發(fā)光結(jié)構(gòu)；對所述第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層的選擇區(qū)域執(zhí)行臺面蝕刻，直到暴露所述第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層為止；分別在暴露的所述第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層上形成第一電極和在所述第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層上形成第二電極；研磨并拋光形成有所述第一電極和所述第二電極的所述基板； 將已被完成研磨和拋光的所述基板的各個(gè)角部變圓； 通過劃線和折斷工藝將角部變圓的所述基板分割成各個(gè)器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中將所述基板的各個(gè)角部變圓包括用光刻膠涂敷所述基板的表面并強(qiáng)烘焙所述光刻膠，以保護(hù)所述第一電極和所述第二電極；通過曝光和顯影工藝選擇性地圖案化所述光刻膠； 使用熱的平板進(jìn)行光刻膠烘焙，以使圖案化的光刻膠具有預(yù)定的傾斜； 使用所述圖案化的光刻膠作為掩模進(jìn)行基板圖案化，以符合各個(gè)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的尺寸，然后使用干蝕刻設(shè)備選擇性地蝕刻所述基板；和在完成對所述基板的蝕刻之后，使用有機(jī)清洗劑去除所述光刻膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述干蝕刻設(shè)備是ICP設(shè)備，并且用Cl2和BCl3氣體的混合物蝕刻所述基板。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述光刻膠的傾斜的角度是45°，且所述光刻膠的傾斜由所述熱的平板的溫度和烘焙時(shí)間確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種臨界角增大的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。通過將基板的角部變圓來增大臨界角，使得由于從基板內(nèi)部產(chǎn)生并提取到外部的光的量增加而提高光提取效率。所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括形成在基板上的緩沖層；形成在緩沖層上的包括第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層、有源層和第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層的發(fā)光結(jié)構(gòu)；形成在第一導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第一電極；和形成在第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層上的第二電極；其中所述基板具有透光性，并且所述基板的各個(gè)角部被變圓以具有預(yù)定曲率。
文檔編號H01L33/02GK102194935SQ20101059965
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者崔炳均, 李在拫 申請人:樂金顯示有限公司