專利名稱：Ⅲ族氮化物半導(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III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，更具體而言，本發(fā)明涉 及能夠改善外量子效率的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。所述III族氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光器件是指諸如包含由Al(x)Ga(y)Ina_x_y)N(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1) 構(gòu)成的復(fù)合半導(dǎo)體層的發(fā)光二極管等發(fā)光器件，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件可進(jìn)一 步包含由其他族的元素構(gòu)成的材料，如SiC、SiN、SiCN和CN，以及由這些材料制成的半導(dǎo)體 層。
背景技術(shù)：
圖1是描述傳統(tǒng)III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。所述III族氮 化物半導(dǎo)體器件包括襯底100、在所述襯底100上生長的緩沖層200、在所述緩沖層200上 生長的η型III族氮化物半導(dǎo)體層300、在所述η型III族氮化物半導(dǎo)體層300上生長的有 源層400、在所述有源層400上生長的ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層500、在所述ρ型III族 氮化物半導(dǎo)體層500上形成的ρ面電極600、在所述ρ面電極600上形成的ρ面焊盤700、 在通過臺(tái)面刻蝕所述P型III族氮化物半導(dǎo)體層500和所述有源層400而暴露的所述η型 III族氮化物半導(dǎo)體層300上形成的η面電極800以及保護(hù)膜900。在所述襯底100的情況下，GaN襯底可用作同質(zhì)襯底，而藍(lán)寶石襯底、SiC襯底或 Si襯底可用作異質(zhì)襯底。不過，可以使用在其上能夠生長氮化物半導(dǎo)體層的任何類型的襯 底。在使用所述SiC襯底的情況中，所述η面電極800可形成在所述SiC襯底側(cè)。在所述襯底100上外延生長的所述氮化物半導(dǎo)體層通常通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相 沉積(MOCVD)來生長。所述緩沖層200用以克服在所述異質(zhì)襯底100和所述氮化物半導(dǎo)體之間的晶格常 數(shù)和熱膨脹系數(shù)之間的差異。美國專利5，122，845公開了在380°C 800°C在藍(lán)寶石襯底 上生長具有100 A 500 A厚度的AlN緩沖層的技術(shù)。另外，美國專利5，290，393公開了在 200°C 900°C在藍(lán)寶石襯底上生長具有10 A 5000 A厚度的Al(x)Ga(1_x)N(0彡x< 1)緩 沖層的技術(shù)。此外，美國專利公報(bào)2006-0154454公開了在600°C 990°C生長SiC緩沖層 (晶種層)，并在其上生長In(x)Ga(1_x)N(0<X彡1)的技術(shù)。優(yōu)選的是，在所述η型III族 氮化物半導(dǎo)體層300之前生長非摻雜GaN層。非摻雜GaN層可視為緩沖層200的一部分， 或η型III族氮化物半導(dǎo)體層300的一部分。在η型III族氮化物半導(dǎo)體層300中，至少所述η面電極800形成區(qū)域(η型接觸 層)摻雜有摻雜劑。優(yōu)選的是，所述η型接觸層由GaN制成并摻雜有Si。美國專利5，733，796 公開了通過調(diào)節(jié)Si和其他源材料的混合比而以目標(biāo)摻雜濃度摻雜η型接觸層的技術(shù)。所述有源層400通過電子和空穴的復(fù)合產(chǎn)生光量子(光)。通常，所述有源層400 包含In(x)Ga(1_x)N(0 < χ彡1)并具有單量子阱層或多量子阱層。所述ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層500摻雜有諸如Mg等合適的摻雜劑，并通過激活 過程而具有P型導(dǎo)電性。美國專利5，247，533公開了通過電子束照射激活ρ型III族氮化
3物半導(dǎo)體層的技術(shù)。此外，美國專利5，306，662公開了通過在400°C以上退火而激活ρ型 氮化物半導(dǎo)體層的技術(shù)。美國專利公報(bào)2006-0157714公開了通過將氨和胼類源材料一起 作為用于生長所述P型III族氮化物半導(dǎo)體層的氮前體而在無需激活過程的情況下使P型 III族氮化物半導(dǎo)體層具有P型導(dǎo)電性的技術(shù)。設(shè)置ρ面電極600有利于向ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層500提供電流。美國專利 5，563，422公開了一種與透光電極相關(guān)的技術(shù)，所述透光電極由Ni和Au組成，形成在所述 P型III族氮化物半導(dǎo)體層500的幾乎整個(gè)表面上，并與所述ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層 500歐姆接觸。另外，美國專利6，515，306公開了在ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層上形成η型 超晶格層，并在其上形成由ITO制成的透光電極的技術(shù)。同時(shí)，所述透光電極600可以形成為厚至不透光而將光線反射向襯底100。該技 術(shù)稱為倒裝芯片技術(shù)。美國專利6，194，743公開了與包括厚度超過20nm的Ag層、覆蓋所 述Ag層的擴(kuò)散阻擋層和含有Au和Al的覆蓋所述擴(kuò)散阻擋層的結(jié)合層的電極結(jié)構(gòu)相關(guān)的 技術(shù)。設(shè)置所述P面焊盤700和所述η面電極800以用于電流供應(yīng)和外部引線焊接。美 國專利5，563，422公開了用Ti和Al形成η面電極的技術(shù)。所述保護(hù)膜900可以由SiO2制成，也可以被省略。同時(shí)，所述η型III族氮化物半導(dǎo)體層300或所述ρ型III族氮化物半導(dǎo)體層500 可構(gòu)建為單層或多層。近來，提出了通過激光或濕法刻蝕將所述III族氮化物半導(dǎo)體層與 所述襯底100分離而制造垂直式發(fā)光器件的技術(shù)。圖2是描述美國專利公報(bào)2006-0192247中公開的發(fā)光器件的半導(dǎo)體層中的光反 射途徑203的一個(gè)實(shí)例的視圖。有源層中產(chǎn)生的光因半導(dǎo)體層202與發(fā)光器件外部的密度 差造成的全反射所致而不能出射至發(fā)光器件的外部。該現(xiàn)象造成了發(fā)光器件的外量子效率較低。圖3是描述日本專利2836687中公開 的發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。在半導(dǎo)體層的一個(gè)表面上形成曲面，因而所述發(fā)光器件能
夠改善外量子效率。圖4是描述美國專利公報(bào)2006-0192247中公開的發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。在 半導(dǎo)體層的側(cè)表面上形成斜表面以提取光，因而所述發(fā)光器件能夠改善外量子效率。然而，前述發(fā)光器件的不利之處在于，因?yàn)閷?duì)有源層中產(chǎn)生的光的提取限于半導(dǎo) 體層，所以襯底上的入射光如在半導(dǎo)體層中一樣被反射，因而不能被提取。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，完成了本發(fā)明以解決在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)目的是 提供能夠改善外量子效率的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供在其側(cè)表面上具有斜表面從而易于提取光線的III 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，繼而，本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供在其襯底上具有斜表面的III族氮化物半導(dǎo)體 發(fā)光器件及其制造方法。技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述III族氮化 物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底；多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體 層形成在所述襯底上，并且設(shè)置有通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)光的有源層；邊界面，所述邊 界面界定在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層之間；和一對(duì)斜表面，所述一對(duì)斜 表面由所述邊界面形成在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層上，由此將所述有源 層中產(chǎn)生的光發(fā)射至外部。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述襯底包括在襯底側(cè)斜表面之下的斷裂面。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述襯底是藍(lán)寶石襯底。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述發(fā)光器件包括由所述一對(duì)斜表面沿所述邊 界面形成的楔形溝槽。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括由所述 一對(duì)斜表面沿所述邊界面形成的楔形溝槽，其中，所述襯底包括在襯底側(cè)斜表面之下的斷 裂面，并且所述襯底是藍(lán)寶石襯底。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，提供一種制造III族氮化物半導(dǎo)體層發(fā)光器件 的方法，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底；多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層，所述 多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層形成在所述襯底上，并且設(shè)置有通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)光 的有源層；和邊界面，所述邊界面界定在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層之間； 所述方法包括使所述邊界面暴露的第一步；和在所述邊界面的兩側(cè)刻蝕所述襯底和所述 多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層以形成斜表面的第二步。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述方法包括將所述襯底分離為個(gè)體器件的第
一止
二少ο此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，在所述第一步中，通過激光刻劃而使所述邊界面暴露。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，在所述第二步中，通過濕法刻蝕而形成所述斜表此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，所述濕法刻蝕使用H2SO4和H3PO4的混合溶液進(jìn) 行。有利效果根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，能夠改善外量子效率。此外，根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，通過在其側(cè)表 面上形成斜表面而能夠容易地提取光線。此外，根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，通過在其襯底 上形成斜表面而能夠容易地提取光線。


圖1是描述傳統(tǒng)III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。圖2是描述美國專利公報(bào)2006-0192247中公開的發(fā)光器件的半導(dǎo)體層中的光反 射途徑的一個(gè)實(shí)例的視圖。
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圖3是描述日本專利2836687中公開的發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。圖4是描述美國專利公報(bào)2006-0192247中公開的發(fā)光器件的一個(gè)實(shí)例的視圖。圖5是描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的視圖。圖6是顯示本發(fā)明所述實(shí)施方式的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的照片。圖7是描述本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光程的視圖。圖8是顯示本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的外量子效率的圖。
具體實(shí)施例方式下文將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。圖5是描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的視圖。所述 III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底10、在所述襯底10上外延生長的η型氮化物半導(dǎo) 體層20、在所述η型氮化物半導(dǎo)體層20上外延生長的有源層30、在所述有源層30上外延 生長的P型氮化物半導(dǎo)體層40、在所述ρ型氮化物半導(dǎo)體層40上形成的ρ面電極50、在所 述P面電極50上形成的ρ面焊盤60、在通過刻蝕所述ρ型氮化物半導(dǎo)體層40和所述有源 層30而暴露的所述η型氮化物半導(dǎo)體層20上形成的η面電極70。圖6是顯示本發(fā)明所述實(shí)施方式的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的照片。所述III 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括邊界面15、斜表面11和21、以及斷裂面13。在襯底10和η 型氮化物半導(dǎo)體層20之間形成邊界面15。在襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20的側(cè)表面 上由邊界面15形成斜表面11和21，從而有利于將有源層(30;見圖5)中產(chǎn)生的光向外發(fā) 射。此處，襯底10優(yōu)選由藍(lán)寶石制成。形成襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20的側(cè)表面的 斜表面11和21整體上形成為楔形以便易于提取光線。在襯底側(cè)斜表面11之下形成斷裂面13。將在后面說明斷裂面13的形成。圖7是描述本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光程的視圖。在有源層30 中產(chǎn)生的并在襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20中反射的光通過斜表面11和21發(fā)射至發(fā) 光器件的外部。因此，所述發(fā)光器件改善了外量子效率。圖8是顯示本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光效率，特別是下列發(fā)光器 件的外量子效率的圖包括均具有垂直型側(cè)表面的襯底和η型氮化物半導(dǎo)體層的III族氮 化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(垂直型)、包括垂直型襯底和具有斜表面的η型氮化物半導(dǎo)體層的 III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(GaN成形)和本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(GaN+ 藍(lán)寶石成形)。如圖8所示，本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有最優(yōu)秀的外量子效 率。下面將參照?qǐng)D7詳細(xì)描述本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法包括使邊界面15暴露的第一 步、在邊界面15的兩側(cè)刻蝕襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20以形成斜表面11和21的第 二步和將襯底10分離為個(gè)體器件的第三步。在該實(shí)施方式中，通過激光刻劃而使邊界面15 暴露。優(yōu)選的是，襯底10的暴露深度為0. 5 μ m 30 μ m，從而通過物理力能夠容易地分離 發(fā)光器件。如果深度小于0. 5 μ m，當(dāng)發(fā)光器件通過物理力分離時(shí)，器件的表面和內(nèi)部可能會(huì) 破裂，或其電特性可能受到影響。相反，如果深度大于30 μ m,則器件可能容易在過程中斷 裂，因而降低了生產(chǎn)率。金剛石切割器可用于所述刻劃，不過激光的優(yōu)點(diǎn)在于處理速度。
同時(shí)，形成斜表面11和21的第二步通過濕法刻蝕進(jìn)行。例如，蝕刻液是混合比為 3 1 WH2SO4和H3PO4W混合溶液。優(yōu)選的是，蝕刻液在加熱至150°C以上時(shí)使用。如果蝕 刻液的溫度低于150°C，則襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20的側(cè)表面的蝕刻速率降低。鑒 于此，在該實(shí)施方式中，當(dāng)刻蝕所述發(fā)光器件時(shí)，蝕刻液的溫度范圍是280°C 290°C，蝕刻 時(shí)間為30分鐘之內(nèi)。此處，對(duì)襯底10和η型氮化物半導(dǎo)體層20的邊界面15進(jìn)行活性刻 蝕，這是因?yàn)檫吔缑?5是不同材料間的不穩(wěn)定界面。另外，在濕法刻蝕過程中除去激光刻 劃產(chǎn)生的碎片，由此發(fā)光器件改善了外量子效率。此外，經(jīng)緩沖的氧化物蝕刻劑(BOE)可用 作所述蝕刻液。在第三步中，襯底10斷裂，并分離為個(gè)體器件。因此，在分離的個(gè)體器件中，在襯 底側(cè)斜表面11之下形成斷裂面13。
權(quán)利要求
一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底；多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層形成在所述襯底上，并且設(shè)置有通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)光的有源層；邊界面，所述邊界面界定在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層之間；和一對(duì)斜表面，所述一對(duì)斜表面由所述邊界面形成在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層上，由此將所述有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射至外部。
2.如權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述襯底包括在襯底側(cè)斜 表面之下的斷裂面。
3.如權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述襯底是藍(lán)寶石襯底。
4.如權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光 器件包括由所述一對(duì)斜表面沿所述邊界面形成的楔形溝槽。
5.如權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光 器件包括由所述一對(duì)斜表面沿所述邊界面形成的楔形溝槽，其中，所述襯底包括在襯底側(cè)斜表面之下的斷裂面，并且所述襯底是藍(lán)寶石襯底。
6.一種制造III族氮化物半導(dǎo)體層發(fā)光器件的方法，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器 件包括襯底；多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層形成在所述襯 底上，并且設(shè)置有通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)光的有源層；和邊界面，所述邊界面界定在所 述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層之間；所述方法包括使所述邊界面暴露的第一步；和在所述邊界面的兩側(cè)刻蝕所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層以形成斜表面的第二步。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，所述方法包括將所述襯底分離為個(gè)體器件的第三步。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在所述第一步中，通過激光刻劃而使所述邊界面暴
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在所述第二步中，通過濕法刻蝕而形成所述斜表
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述濕法刻蝕使用H2SO4和H3PO4的混合溶液進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底；多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層形成在所述襯底上，并且設(shè)置有通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)光的有源層；邊界面，所述邊界面界定在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層之間；和一對(duì)斜表面，所述一對(duì)斜表面由所述邊界面形成在所述襯底和所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體層上，由此將所述有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射至外部。
文檔編號(hào)H01L33/32GK101939853SQ200880123677
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月31日
發(fā)明者李泰熙, 金昌臺(tái) 申請(qǐng)人:艾比維利股份有限公司