專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，更具體地，本發(fā)明涉及發(fā)光襯底具有設(shè)置有
凹部和凸部的上表面的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
通常，對于氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，已經(jīng)采用藍(lán)寶石(A1203)襯底、SiC襯底、GaN襯 底、尖晶石(MgAl204)襯底等。這種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件與其它化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的 不同在于它們采用上述襯底，這些襯底對于發(fā)射光的波長具有透光性質(zhì)。由于每個襯底允 許發(fā)出的光從其如此傳輸經(jīng)過，光不僅可以從半導(dǎo)體層的表面提取還可以從襯底的側(cè)表面 提取。 在普通的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，半導(dǎo)體層形成為具有約幾ym的厚度，襯底具有約 100iim的厚度。因此，如果光能夠從襯底的側(cè)表面有效地提取，可以顯著地改善半導(dǎo)體發(fā)光 元件中的光提取效率。 氮化物半導(dǎo)體層具有約2. 4的折射率，而例如藍(lán)寶石襯底具有約1. 7的折射率。 因此，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層與藍(lán)寶石襯底之間的界面用以大于臨界角的入射角進(jìn)入的光照射 時，光被全反射。由此反射的光在氮化物半導(dǎo)體層中被反復(fù)地反射，也就是導(dǎo)致多次反射。 在多次反射期間，光被形成在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面上的電極或有源層吸收并減弱。這導(dǎo) 致向外提取的光的強度弱。 允許改善光提取效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件在日本專利公開No. 2005-317931中公 開。在日本專利公開No. 2005-317931中描述的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，圓形或三角形的凸部形 成在藍(lán)寶石襯底的表面上，氮化物半導(dǎo)體層形成在其上。這使到達(dá)藍(lán)寶石襯底與氮化物半 導(dǎo)體層之間的界面的光被散射，并允許光進(jìn)入藍(lán)寶石襯底中。因此，光以增大的比例從藍(lán)寶 石襯底的側(cè)表面提取從而改善光提取效率。 同時，具有很高發(fā)光效率的發(fā)光二極管在日本專利公開No. 2008-153634中公開。 在日本專利公開No. 2008-153634中描述的發(fā)光二極管中，凸部形成在襯底上，每個凸部由 不同于襯底的材料形成的電介質(zhì)制成，氮化物半導(dǎo)體層形成在其上。每個凸部具有六邊形 狀，當(dāng)從平面圖看時凸部以蜂窩結(jié)構(gòu)的形式布置。由此形成在半導(dǎo)體的表面上的凹部和凸 部散射光以防止其多次反射，從而改善光提取效率。 此外，具有改善的光提取效率和減小的工作電壓的半導(dǎo)體發(fā)光元件在日本專利公 開No. 2005-259970中公開。在日本專利公開No. 2005-259970中描述的半導(dǎo)體發(fā)光元件中， 六邊形的凹部和凸部形成在P型接觸層的表面上而不是襯底側(cè)上以改善光提取效率。
通常使用的藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、尖晶石襯底等由不同于氮化物半導(dǎo)體的材料 形成。因此，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層生長在每個這種襯底上時，由于襯底與氮化物半導(dǎo)體之 間在晶格常數(shù)上不匹配或熱膨脹系數(shù)上的差異，產(chǎn)生大量缺陷例如穿透位錯(threading dislocation)。 使氮化物半導(dǎo)體膜中穿透位錯減少的氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在日本專利No. 4016062
3中公開。在日本專利No. 4016062中描述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的襯底的生長面上，形成由 與襯底的材料相同的材料制成的凹部和凸部以促進(jìn)橫向生長從而改善晶體質(zhì)量。凹部由在 多個方向延伸的線形凹槽構(gòu)成，并能夠促進(jìn)氮化物半導(dǎo)體膜在垂直于每個凹槽的方向上生 長，從而實現(xiàn)達(dá)到有源層的穿透位錯密度的降低。這樣，可以制造具有高發(fā)光效率的發(fā)光二 極管。 此外，由限制襯底翹曲產(chǎn)生的具有好的結(jié)晶性的氮化物半導(dǎo)體襯底在日本專利公 開No. 2002-208757中公開。在日本專利公開No. 2002-208757中描述的氮化物半導(dǎo)體襯底 具有形成有多邊形或圓形凹部的表面，氮化物半導(dǎo)體膜生長在其上。這樣，穿透位錯會聚在 凹部的各個中心以減小襯底的翹曲。

發(fā)明內(nèi)容
盡管如在日本專利公開No. 2005-317931、日本專利公開No. 2008-153634、日本專 利公開No. 2005-259970和日本專利No. 4016062中的每個上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，凹部和 凸部形成在襯底或P型接觸層上，但光不能根據(jù)凹部和凸部的形狀及布置而被有效地散 射。因此，發(fā)射的光會在半導(dǎo)體層中被反復(fù)地反射并減弱，導(dǎo)致差的光提取效率。此外，在 如日本專利申請公開No. 2002-208757中描述的氮化物半導(dǎo)體襯底中，形成凹部以減小襯 底的翹曲，但是每個凹部的形狀沒有被特別地規(guī)定。 本發(fā)明意在解決上述問題，其目的是提供這樣的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其具有
設(shè)置有高密度的能夠有效散射光的凹部和凸部的襯底并具有優(yōu)良的光提取效率。 在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，至少包括發(fā)光層的氮化物半導(dǎo)體層形
成在透光襯底上。透光襯底具有上表面，在該上表面上形成有凹部區(qū)域和凸部區(qū)域。當(dāng)從
平面圖看時，各凹部區(qū)域和各凸部區(qū)域之一方由多邊形形成，該多邊形具有內(nèi)角為180°或
更大的至少一個頂點。當(dāng)從平面圖看時，各凹部區(qū)域和各凸部區(qū)域中的另一方形成為彼此
不連成直線。 根據(jù)本發(fā)明，由于每個具有180?；蚋蟮膬?nèi)角的多邊形形狀的凹部區(qū)域或凸部 區(qū)域形成在襯底上，所以在與具有該內(nèi)角的部分相對的部分處形成間隔(space)。在每個間 隔中，設(shè)置相鄰的凹部區(qū)域或凸部區(qū)域。這樣，凹部區(qū)域和凸部區(qū)域可以以高密度彼此緊密 靠近地形成在襯底上。 從發(fā)光層發(fā)射的光被由此形成在襯底的上表面上的凹部區(qū)域和凸部區(qū)域之間的 邊界散射，并進(jìn)入到襯底中。因此，由于凹部區(qū)域與凸部區(qū)域之間的邊界以高密度設(shè)置在襯 底上，所以光能夠以高比例進(jìn)入襯底中。因此，增大的光量可以從襯底提取。這樣，可以制 造具有優(yōu)良光提取效率的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。 從以下結(jié)合附圖的本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它的目標(biāo)、特征、方面以 及優(yōu)點將變得更加明顯。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的截面圖。 圖2A是示出比較例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面的凹部區(qū)域和
凸部區(qū)域的平面圖。圖2B是凹部和凸部區(qū)域的一部分的放大平面圖。圖2C是示出光沒有被凹部和凸部區(qū)域散射并從其通過的狀態(tài)的平面圖。 圖3是示出比較例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面的凹部區(qū)域和 凸部區(qū)域的平面圖。 圖4A是示出形成在根據(jù)實施例的氮化半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面上的 凸部區(qū)域和凹部區(qū)域的平面圖。圖4B是示出凸部和凹部區(qū)域的一部分的放大平面圖。
圖5A是示出形成在根據(jù)實施例的氮化半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面上的 凸部區(qū)域和凹部區(qū)域的平面圖。圖5B是示出凸部和凹部區(qū)域的放大平面圖。
圖6是示出在實驗示例2中制造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的截面圖。如圖1所 示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有透光襯底l，透光襯底1具有設(shè)置 有凹部區(qū)域和凸部區(qū)域的上表面。例如可以采用藍(lán)寶石襯底作為透光襯底1。
由GaN制成的緩沖層形成在透光襯底1的上表面上。在透光襯底1的上表面上， 緩沖層至少形成在每個凸部區(qū)域的上表面以及每個凹部區(qū)域的底表面上。作為緩沖層，可 以形成由A1N制成的緩沖層。如下所述，在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中形成這種A1N緩沖層 實現(xiàn)了改善的光輸出。非摻雜的GaN層2形成在GaN緩沖層的上表面上，非摻雜的GaN層 2具有與透光襯底1的凸部和凹部相對應(yīng)的凹部和凸部，并具有大約3 ii m的厚度。
具有大約2iim的厚度的n型GaN層3形成在非摻雜的GaN層2的上表面上。由非 摻雜的GaN和InGaN構(gòu)成的半導(dǎo)體超晶格(SL)層4形成在n型GaN層3的上表面上。發(fā) 光層5形成在SL層4的上表面上。 發(fā)光層5由多量子阱(麗Q)構(gòu)成，在多量子阱中每個由GaN制成的六個勢壘層和 每個由InGaN制成的六個阱層彼此交替地設(shè)置。在發(fā)光層5的上表面上，形成具有大約20nm 的厚度的P型AlGaN層6。具有大約80nm厚度的p型GaN層7形成在p型AlGaN層6的上 表面上。 在p型GaN層7的上表面上，形成具有大約200nm的厚度的電流擴散層8。電流擴 散層8由銦錫氧化物(ITO)形成。形成絕緣保護(hù)膜9以覆蓋電流擴散層8和n型GaN層3 的上表面，留下它們的一部分沒有被覆蓋。絕緣保護(hù)膜9具有大約200nm的厚度并由Si02 制成。 在電流擴散層8的上表面上沒有覆蓋絕緣保護(hù)膜9的部分處，形成p型焊墊電極 11。在n型GaN層3的上表面上沒有覆蓋絕緣保護(hù)膜9的部分處，形成n型焊墊電極10。 每個n型焊墊電極10和p型焊墊電極11通過層疊具有約20nm厚度的Ti、具有約30nm厚 度的Mo以及具有約500nm厚度的Au而形成。 以下描述了用于形成根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。首先，例如， 采用c面藍(lán)寶石襯底作為透光襯底1。為在其上形成凹部和凸部區(qū)域，抗蝕劑被圖案化在 藍(lán)寶石襯底的上表面上。通過抗蝕劑用作掩模，藍(lán)寶石襯底被干法蝕刻以具有約lPm的深度。 然后，抗蝕劑從藍(lán)寶石襯底移除。將具有凹部和凸部區(qū)域形成在其上表面的藍(lán)寶
5石襯底引入到金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD)設(shè)備中。在該設(shè)備中，藍(lán)寶石襯底在110(TC 的氫氣的氣流下清潔五分鐘。 之后，由GaN制成的緩沖層生長在藍(lán)寶石襯底上。非摻雜的GaN層2生長在緩沖 層上以具有大約3 m的厚度。n型GaN層3生長在非摻雜GaN層2上以具有大約2 y m的 厚度。由非摻雜的GaN和InGaN構(gòu)成的SL層4生長在n型GaN層3上。由MQW構(gòu)成的發(fā) 光層5生長在SL層4上，在MQW中由GaN制成的勢壘層和由InGaN制成的阱層生長六個周 期。p型AlGaN層6生長在發(fā)光層5上以具有大約20nm的厚度。p型GaN層7生長在p型 AlGaN層6上以具有大約80nm的厚度。 由GaN制成的上述緩沖層至少形成在凸部區(qū)域的上表面和凹部區(qū)域的底表面上， 該凸部區(qū)域和凹部區(qū)域設(shè)置在藍(lán)寶石襯底的上表面上。當(dāng)在藍(lán)寶石襯底的上表面上生長非 摻雜GaN層2時，設(shè)置有緩沖層的凸部區(qū)域的上表面上的GaN與設(shè)置有緩沖層的凹部區(qū)域 的底表面上的GaN生長以匯合并彼此連接。 在p型GaN層7的表面上，對于電流擴散層8和接觸電極，ITO濺射至約200nm的 厚度。抗蝕劑形成在其上用于圖案化接觸電極。通過抗蝕劑用作掩模，ITO采用含鹽酸或 草酸的蝕刻溶液蝕刻。 之后，移除抗蝕劑，通過上述工藝獲得的層結(jié)構(gòu)在含氧氣氛下熔合。這同時使p型 AlGaN層6和p型GaN層7的激活、減小電流擴散層8和p型GaN層7之間的歐姆接觸的電 阻并提供了 ITO的透明性。 接著，用于臺面蝕刻的抗蝕劑形成在上述層結(jié)構(gòu)的上表面上。通過此抗蝕劑用作 掩模，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)進(jìn)行臺面蝕刻以暴露在層結(jié)構(gòu)的表面處的n型GaN層。 之后，形成Si02作為絕緣保護(hù)膜9以具有大約200nm的厚度。 在絕緣保護(hù)膜9中，開口形成在將形成n型焊墊電極10和p型焊墊電極11的位 置處。為了形成開口，抗蝕劑被圖案化在絕緣保護(hù)膜9的上表面上以對應(yīng)于開口。通過抗 蝕劑用作掩模，進(jìn)行采用CHF3氣的干法蝕刻。要形成p型焊墊電極11的位置被蝕刻直到 暴露ITO，而要形成n型焊墊電極10的位置被蝕刻直到暴露n型GaN層3。
蝕刻氣體CHF3對構(gòu)成絕緣保護(hù)膜9的Si02和構(gòu)成電流擴散層8的ITO的蝕刻選擇 性是5或更大。因此，在采用CHF3的蝕刻中，IT0用作蝕刻停止層。類似地，蝕刻氣體CHF3 對構(gòu)成絕緣保護(hù)膜9的Si02和n型GaN層3的蝕刻選擇性是5或更大。因此，在采用CHF3 的蝕刻中，n型GaN層3用作蝕刻停止層。 隨后，移除抗蝕劑，形成用于形成焊墊電極的另一抗蝕劑。通過此抗蝕劑用作掩 模，Ti沉積為具有約20nm的厚度，Mo沉積為具有約30nm的厚度，Au沉積為具有約500nm的 厚度。通過所謂的剝離方法(通過該方法，沉積在抗蝕劑上的金屬與抗蝕劑一起被移除)， n型焊墊電極10和p型焊墊電極11被同時形成。這樣，形成根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體 發(fā)光元件。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，電流擴散層8和接觸電極允許電流 在發(fā)光元件的整個表面上有效地流動，因此發(fā)光層5的整個表面均勻地發(fā)光。發(fā)射的光經(jīng) 由氮化物半導(dǎo)體層從發(fā)光層5行進(jìn)到藍(lán)寶石襯底與非摻雜GaN層2之間的界面。由于藍(lán)寶 石襯底的上表面設(shè)置有凹部和凸部區(qū)域，光被防止在界面處反射，從而光有效地進(jìn)入藍(lán)寶 石襯底中。
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藍(lán)寶石襯底具有大約1. 7的折射率，其相對地接近通常使用的模制樹脂的折射率 (也就是，大約1. 5的折射率)。因此，已經(jīng)進(jìn)入藍(lán)寶石襯底的光從藍(lán)寶石襯底的后表面或 側(cè)表面有效地提取到外部。此外，形成在藍(lán)寶石襯底的上表面上的凹部和凸部區(qū)域設(shè)置為 具有預(yù)定的形狀并以預(yù)定的布置設(shè)置以實現(xiàn)改善的光提取效率。 下面描述形成在透光襯底1的上表面上的凹部和凸部區(qū)域。首先，將描述相對于 根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的比較例。圖2A是比較例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件的透光襯底的上表面上的凹部區(qū)域和凸部區(qū)域的平面圖。圖2B是凹部和凸部區(qū)域的一 部分的放大平面圖。圖2C是光沒有被凹部和凸部區(qū)域散射并從其穿過的情況的平面圖。
在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光層5中產(chǎn)生的光在半導(dǎo)體層中行進(jìn)并到達(dá)透光 襯底1的上表面，但是此時光行進(jìn)的方向可以平行于透光襯底1的上表面。在此情況下，光 沒有進(jìn)入透光襯底1除非光行進(jìn)的方向被反射或散射改變。 如圖2C所示，當(dāng)用作凸部區(qū)域的六邊形14形成在透光襯底1的上表面上時，光可 以在凹部區(qū)域中筆直地行進(jìn)，如圖中的箭頭所示。這樣的光將在元件內(nèi)被反復(fù)地反射、減弱 而不能從襯底提取到外部。因此，形成的凹部和凸部區(qū)域不能對光提取效率的改善有貢獻(xiàn)。 值得注意，凹部區(qū)域和凸部區(qū)域可以互換，也就是，每個凹部區(qū)域可以形成為具有六邊形14 的形狀。 圖3是比較例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面上的凹部區(qū)域和凸 部區(qū)域的平面圖。如圖3所示，當(dāng)用作凸部區(qū)域的圓形15形成在透光襯底的上表面上時， 光可以在凹部區(qū)域中筆直地行進(jìn)，如圖中的箭頭所示。這樣的光將在元件內(nèi)被反復(fù)地反射、 減弱而不能從襯底提取到外部。因此，形成的凹部和凸部區(qū)域不能對光提取效率的改善有 貢獻(xiàn)。值得注意，凹部區(qū)域和凸部區(qū)域可以互換，也就是，每個凹部區(qū)域可以形成為具有圓 形的形狀。 即使當(dāng)凸部區(qū)域和凹部區(qū)域形成為具有六邊形14和圓形15的形狀時，也存在能 夠防止光在元件中筆直地行進(jìn)并導(dǎo)致多次反射的一些布置。如圖2A所示，若相鄰六邊形的 間距為L1，六邊形的相對邊的間距是L2。在此情況下，如圖2C所示，允許光筆直地行進(jìn)的
寬度L3由Z3:V^/2x丄l-V^/6x丄2表示。當(dāng)L3《0時，光會碰到凹部區(qū)域與凸部區(qū)域之 間的邊界并因此被散射。 為了在透光襯底1的上表面上形成每個具有精細(xì)形狀的凸部區(qū)域和凹部區(qū)域，采 用用于圖案化抗蝕劑的分步重復(fù)投影光刻機(st印per)。能夠形成較精細(xì)形狀的分步重復(fù) 投影光刻機較昂貴。因此，為了減小圖2A中示出的六邊形14的L1、L2，需要使用昂貴的分 步重復(fù)投影光刻機，導(dǎo)致發(fā)光二極管的制造成本增大。通常，為了制造發(fā)光二極管，采用能 夠形成具有大約1 P m的尺寸的形狀的分步重復(fù)投影光刻機。 因此，通過L1 = lym(其可以通過該普通的分步重復(fù)投影光刻機形成)，當(dāng) L2 > L3時，L3《0。換句話說，每個六邊形14的相對邊之間的間距需要為3 y m或更大以 防止光在鄰近與透光襯底1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行于透光襯底1的上表面行進(jìn)。
如圖2B所示，每個六邊形14具有180。或更小的內(nèi)角。因此，如果多個六邊形14 設(shè)置為使得相鄰六邊形14布置為彼此不接觸，而是布置為與夾在具有內(nèi)角y的頂點的一 邊和其相鄰邊之間的區(qū)域相對的(360° -y)側(cè)彼此緊密地靠近，以防止光在元件內(nèi)筆直 地行進(jìn)，凸部區(qū)域和凹部區(qū)域的尺寸將是大的。
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同時，作為比采用上述分步重復(fù)投影光刻機的方法成本小的方法，采用接觸型曝 光設(shè)備以在透光襯底的上表面上形成凸部和凹部區(qū)域。在此情況下，可形成的形狀的尺寸 通常為約2iim。若L1 = 2iim，當(dāng)L2》6iim時L3《0。因而，在采用這樣的接觸型曝光 設(shè)備的情況下，六邊形14的相對邊的間距需要為6ym或更大以防止光在靠近與透光襯底 1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行于透光襯底1的上表面筆直地行進(jìn)。 類似地，在形成圖3中示出的圓形15以用作凸部區(qū)域的情況下，若每個圓 的半徑為r，相鄰圓之間的間距為L4。在此情況下，允許光筆直地行進(jìn)的寬度L5由
丄5 = x+ (V^-2)xr表示。如果采用普通的分步重復(fù)投影光刻機圖案化用于形成圓 形15(用作透光襯底1的上表面上的凸部區(qū)域)的抗蝕劑，可以形成每個具有大約m的 尺寸的形狀的圓形15。 因此，若L4 = lym(其可以通過這種普通的分步重復(fù)投影光刻機形成)，當(dāng) r > 4.8iim時，L5《0。換句話說，要形成的圓形15需要具有9. 6 y m或更大的直徑以防 止光在透光襯底1的上表面上平行于透光襯底1的上表面筆直地行進(jìn)。
因而，如果凸部區(qū)域以六邊形14或圓形15的形狀形成，每個凸部區(qū)域需要具有 3ym或更大的尺寸以防止光的多次反射。然而，為了實現(xiàn)改善的光散射概率以得到將光從 透光襯底1提取的更好的效率，凸部區(qū)域和凹部區(qū)域的尺寸應(yīng)當(dāng)小，并且凸部區(qū)域和凹部 區(qū)域之間的邊界應(yīng)當(dāng)以高密度設(shè)置在透光襯底1上。需要這樣的凸部區(qū)域和凹部區(qū)域，它 們在尺寸上不大并且成形為以高密度設(shè)置在透光襯底1的上表面上。 下面將描述形成在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底1的上表 面上的凸部和凹部區(qū)域。圖4A是示出形成在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透 光襯底的上表面上的凸部和凹部區(qū)域的平面圖。圖4B是凸部和凹部區(qū)域的一部分的放大 平面圖。 如圖4A所示，在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底1的上表面 上，形成多個凸部區(qū)域和凹部區(qū)域。在圖4A中，凸部區(qū)域可以以多邊形12的形狀形成并且 凹部區(qū)域可以具有通過移除多邊形12而獲得的形狀?；蛘撸疾繀^(qū)域以多邊形12的形狀 形成，凸部區(qū)域可以具有通過移除多邊形12而獲得的形狀。 如圖4B所示，當(dāng)從平面圖看時，各凸部區(qū)域和各凹部區(qū)域之一方由多邊形12構(gòu) 成，多邊形12具有內(nèi)角a為180°或更大的至少一個頂點。如圖4A所示，多邊形12具有 三個頂點，每個頂點具有180°或更大的內(nèi)角。多個這種多邊形12布置在透光襯底1的上 表面上。 當(dāng)從平面圖看時，各凸部區(qū)域和各凹部區(qū)域中的另一方形成為彼此不連成直線。 因此，多個凸部區(qū)域和凹部區(qū)域完全地形成在透光襯底l的上表面上。因此，在靠近與透光 襯底1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行于透光襯底1的上表面行進(jìn)的光必定在所有方向碰到存在 于凸部區(qū)域與凹部區(qū)域之間的邊界中的側(cè)表面。已經(jīng)碰到側(cè)表面的光被散射并進(jìn)入透光襯 底1。 通過由此形成的凸部和凹部區(qū)域，在靠近與透光襯底1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行 于透光襯底1的上表面行進(jìn)的光可以被散射并進(jìn)入透光襯底1中。因此，增大的光量可以 從透光襯底1的側(cè)表面或下表面提取，從而實現(xiàn)發(fā)光元件的改善的光提取效率。
此外，每個多邊形12包括三個頂點，每個頂點具有180°或更大的內(nèi)角a 。因此，
8在布置多個多邊形12時，在夾在構(gòu)成具有內(nèi)角a的頂點的兩個相鄰邊之間、在每個多邊形 12的外側(cè)區(qū)域形成的空間中，相鄰的多邊形12可以設(shè)置為彼此不接觸但彼此緊密地靠近。 在圖4A中示出的實施例中，每個多邊形12具有三個放射狀突出部分，在其相鄰?fù)怀霾糠种?間有間隔。在多邊形的每個間隔中，設(shè)置相鄰多邊形的突出部分。 通過這樣布置多邊形12，凹部區(qū)域與凸部區(qū)域之間的邊界可以以高密度形成在透 光襯底1的上表面上而不使每個多邊形12的尺寸變大。因此，在靠近與透光襯底1的界面 的半導(dǎo)體層內(nèi)行進(jìn)的光可以被散射并以高比例進(jìn)入透光襯底l中。此外，這些凸部和凹部 區(qū)域可以采用普通的分步重復(fù)投影光刻機形成，因此根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件可以以適中的成本制造。 圖5A是示出形成在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的透光襯底的上表面 上的凸部和凹部區(qū)域的平面圖。圖5B是示出凸部和凹部區(qū)域的一部分的放大平面圖。
如圖5A所示，凸部和凹部區(qū)域形成在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的 透光襯底的上表面上。在圖5A中，凸部區(qū)域可以形成為多邊形13的形狀，凹部區(qū)域可以具 有通過移除多邊形13而獲得的形狀；然而，凹部區(qū)域可以形成為多邊形13的形狀，凸部區(qū) 域可以具有通過移除多邊形13而獲得的形狀。 如圖5B所示，當(dāng)從片面圖看時，各凸部區(qū)域和各凹部區(qū)域之一方由多邊形13構(gòu) 成，每個多邊形13具有四個頂點，每個頂點具有180°或更大的內(nèi)角13。如圖5A所示，多 個這樣的多邊形13設(shè)置在透光襯底1的上表面上，每個多邊形13具有四個頂點，每個頂點 具有180°或更大的內(nèi)角13 。 在平面圖看時，各凸部區(qū)域和各凹部區(qū)域中的另一方形成為彼此不連成直線。因 此，多個凸部區(qū)域和凹部區(qū)域形成在透光襯底l的整個上表面上。因此，在靠近與透光襯底 1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行于透光襯底1的上表面行進(jìn)的光必定在所有方向碰到存在于凸 部區(qū)域與凹部區(qū)域之間的邊界中的側(cè)表面。已經(jīng)碰到側(cè)表面的光被散射并進(jìn)入透光襯底1。
通過由此形成的凸部和凹部區(qū)域，在靠近與透光襯底1的界面的半導(dǎo)體層內(nèi)平行 于透光襯底1的上表面行進(jìn)的光可以被散射并進(jìn)入透光襯底1中。因此，增大的光量可以 從透光襯底1的側(cè)表面或下表面提取，從而實現(xiàn)發(fā)光元件的改善的光提取效率。
此外，每個多邊形13具有四個頂點，每個頂點具有180°或更大的內(nèi)角13 。因此， 在布置多個多邊形13時，在夾在構(gòu)成具有內(nèi)角13的頂點的兩個相鄰邊之間、在多邊形13 的外側(cè)區(qū)域形成的空間中，相鄰的多邊形13可以設(shè)置為彼此不接觸但彼此緊密地靠近。在 圖5A中示出的實施例中，每個多邊形13具有四個放射狀突出部分，在其相鄰?fù)怀霾糠种g 有間隔。在多邊形的每個間隔中，設(shè)置相鄰多邊形的突出部分。 通過這樣布置多邊形13，凹部區(qū)域與凸部區(qū)域之間的邊界可以以高密度形成在透 光襯底1的上表面上而不使每個多邊形13的尺寸變大。因此，在靠近與透光襯底1的界面 的半導(dǎo)體層內(nèi)平行于透光襯底1的上表面行進(jìn)的光可以被散射并以高比例進(jìn)入透光襯底1 中。此外，這些凸部區(qū)域和凹部區(qū)域可以采用普通的分步重復(fù)投影光刻機形成，因此根據(jù)本 實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件可以以適中的成本制造。 由于根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有上述構(gòu)造，以任意角度發(fā)射的光 可以被防止全反射并可以在透光襯底l與非摻雜GaN層2之間的界面處散射。因此，光可以 防止由于在元件內(nèi)的多次反射而在電極層和有源層中被吸收和減弱，從而實現(xiàn)改善的光提
9取效率。值得注意，在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，形成在透光襯底的上表面 上的凹部或凸部區(qū)域的每個多邊形的形狀并不限于圖4A和圖5A中示出的多邊形的形狀。
在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，構(gòu)成每個凹部或凸部區(qū)域的多邊形 的邊可以包括平行于氮化物半導(dǎo)體層中的晶面的邊。這樣，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層生長在透光 襯底1的上表面上時，氮化物半導(dǎo)體層的晶面平行于透光襯底1的凸部區(qū)域的上表面和凹 部區(qū)域的底表面，因此它們彼此緊密地接觸。 在這種情況下，氮化物半導(dǎo)體層生長為掩模凸部和凹部區(qū)域，從而可以防止空隙 (void)的產(chǎn)生?？障妒蔷哂薪咏黮的折射率的隔離區(qū)，并因此很可能反射到達(dá)的光。當(dāng)產(chǎn) 生這樣的空隙時，光不太可能進(jìn)入透光襯底1中并因此很可能返回到氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)。 因此，防止空隙的產(chǎn)生使得氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取效率改善。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，凹部或凸部區(qū)域的每個多邊形可以 由在氮化物半導(dǎo)體層的晶軸的〈11-20〉方向上的邊構(gòu)成。在氮化物半導(dǎo)體層中，生長緊密 布置的六邊形晶體。因此，如果構(gòu)成凹部或凸部區(qū)域的每個多邊形的邊不平行于六邊形晶 體的邊，所生長的晶體將具有空隙。 通過如上所述構(gòu)造凹部或凸部區(qū)域的多邊形，可以進(jìn)一步減小空隙的產(chǎn)生，從而 實現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的改善的光提取效率。此外，在氮化物半導(dǎo)體層的生長初期，位 錯產(chǎn)生于晶體或晶體之中的界面。然而，隨著側(cè)向生長的發(fā)展，位錯被彎曲以獲得減少的穿 透位錯。因此，可以改善內(nèi)量子效率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，每個凹部和凸部區(qū)域可以具有 20iim或更小的寬度。通常，在發(fā)光二極管的一個芯片中，發(fā)光區(qū)域在其窄部具有大約 20iim的寬度。在此寬度內(nèi)，優(yōu)選地包括在凹部與凸部區(qū)域之間的至少一個邊界。
當(dāng)每個凹部和凸部區(qū)域具有大于20ym的寬度時，多次反射在區(qū)域中反復(fù)地發(fā) 生。隨著每個凹部和凸部區(qū)域具有更寬的寬度，發(fā)生更多次的反射。因此，光在電極層和有 源層中被更多地吸收，導(dǎo)致減小的光提取效率。當(dāng)每個凹部和凸部區(qū)域具有20 ii m或更小 的寬度時，光在這些區(qū)域中被反射幾次。這樣，反射的影響小，使得可以保持高的光提取效 率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，凹部區(qū)域或凸部區(qū)域的深度或高度 可以為40nm或更大。需要等于或大于1/4光波長的高度以獲得凹部和凸部區(qū)域散射光的 足夠的效果。對于考慮其折射率的光程需要考慮波長。 氮化物半導(dǎo)體層的折射率根據(jù)光波長和氮化物半導(dǎo)體層的組分而變化，并基本上 為2.5。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件通常具有400nm或更大的發(fā)射波長。因此，凹部和凸部區(qū)域 的所需的高度為400nmX 1/4X1/2. 5 = 40nm或更大。通過將凹部區(qū)域的深度或凸部區(qū)域 的高度設(shè)定在40nm或更大，光可以在透光襯底1的上表面上被有效地散射，從而實現(xiàn)改善 的光提取效率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，凹部和凸部區(qū)域的每個側(cè)表面可以 是錐形的。為了提供凹部和凸部區(qū)域的錐形側(cè)表面，具有錐形側(cè)表面的抗蝕劑用作蝕刻透 光襯底中使用的掩模。換句話說，抗蝕劑具有基本上梯形的截面。通過采用具有該形狀的 抗蝕劑作為掩模的蝕刻，透光襯底1的凹部和凸部區(qū)域可以設(shè)置有錐形的側(cè)表面。
凹部和凸部區(qū)域的錐形側(cè)表面具有增大的面積，因此光更可能碰到這些側(cè)表面，被其斜面很好地散射并進(jìn)入透光襯底1。因此，光可以從透光襯底1的側(cè)表面有效地提取。
當(dāng)凹部和凸部區(qū)域不具有錐形側(cè)表面時，凸部區(qū)域的側(cè)表面是垂直的，因此晶體 從凹部區(qū)域的底表面垂直向上生長。因此，它們與已生長在凸部區(qū)域的上表面上的晶體不 能很好地匹配和對齊，從而很可能產(chǎn)生空隙。 相反，當(dāng)凹部和凸部區(qū)域具有錐形側(cè)表面時，晶體也沿這些錐形在橫向方向上生 長，并與已生長在凸部區(qū)域的上表面上的晶體很好地匹配和對齊。此外，通過凹部和凸部區(qū) 域的錐形側(cè)表面，凸部區(qū)域的上表面的面積小，因此晶體在凸部區(qū)域的上表面上緩慢地生 長。因此，從凹部區(qū)域的底表面向上生長的每個晶體的高度與生長在凸部區(qū)域的上表面上 的每個晶體的高度之間的差異小。因此，晶體易于彼此對齊，從而減小空隙?？障兜臏p小允 許改善發(fā)光元件的光提取效率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在當(dāng)從平面圖看時凹部區(qū)域形成為 彼此不連成直線，凹部區(qū)域可以形成為當(dāng)從平面圖看時以連續(xù)的方式彼此連接。這樣，凹部 區(qū)域彼此不連成直線而是以彎曲的方式彼此連接。如果凹部區(qū)域沒有彼此連接而是隔離 的，用于晶體生長的原料氣體不易于到達(dá)凹部區(qū)域的每個角落。因此，空隙很可能產(chǎn)生在凹 部區(qū)域的角落中。 由于凹部區(qū)域形成為以連續(xù)的方式彼此連接，用于晶體生長的原料氣體到達(dá)凹部 區(qū)域的每個角落。因此，空隙不太可能在凹部區(qū)域中產(chǎn)生。通過這樣減少空隙的發(fā)生，光可 以在透光襯底1與非摻雜GaN層2之間的界面處被有效地散射，因此增大的光量可以進(jìn)入 透光襯底1中，從而改善發(fā)光元件的光提取效率。 此外，由于原料氣體到達(dá)凹部區(qū)域的內(nèi)部而沒有中斷，晶體在凹部和凸部區(qū)域中 穩(wěn)定地生長，然后凹部區(qū)域中的晶體和凸部區(qū)域中的晶體匯合。這導(dǎo)致已經(jīng)產(chǎn)生在晶體中 或在晶體之間的位錯彎曲，從而減少到達(dá)透光襯底的表面的穿透位錯。因此，可以改善內(nèi)量 子效率。 在凸部區(qū)域通過提供多個多邊形(當(dāng)從平面圖看時每個多邊形具有內(nèi)角為180° 或更大的至少一個頂點)而形成在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中時，當(dāng)從平面 圖看時凸部區(qū)域可以不連續(xù)地形成。由于由多個多邊形提供的凸部區(qū)域不連續(xù)地設(shè)置，相 鄰?fù)共繀^(qū)域設(shè)置為彼此接近而在其間具有間距。因此，凹部區(qū)域彼此不連成直線。這樣，可 以防止光在透光襯底的上表面處筆直地行進(jìn)，并且光可以被散射而進(jìn)入透光襯底中。因此， 增大的光量可以從透光襯底的側(cè)表面或下表面提取，從而實現(xiàn)發(fā)光元件的改善的光提取效 率。 此外，由于凸部區(qū)域形成為彼此不連續(xù)，可以在凸部區(qū)域與凹部區(qū)域之間提供更
多的邊界。因此，已生長在凸部區(qū)域和凹部區(qū)域中的晶體彼此匯合使已生長于晶體中的位
錯和晶體界面彎曲。這進(jìn)一步減少了穿透位錯從而獲得改善的內(nèi)量子效率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，透光襯底1可以具有比氮化物半導(dǎo)
體層小的折射率。在透光襯底1與氮化物半導(dǎo)體層間的界面處，光被有效地散射，因此較大
量的光進(jìn)入透光襯底1中。通常，透光襯底1在外部由樹脂或空氣等覆蓋。
由于這種樹脂或空氣等具有小的折射率，優(yōu)選地，透光襯底1也具有小的折射率
以將光從透光襯底1的側(cè)表面有效地提取到外部。具體地，為了將光從透光襯底1比從氮
化物半導(dǎo)體層更有效地提取，優(yōu)選地，透光襯底1具有比氮化物半導(dǎo)體層小的折射率。更優(yōu)選地，透光襯底1具有2或更小的折射率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，透光襯底1對于發(fā)射光具有比氮化 物半導(dǎo)體層更高的透射率。如果透光襯底1具有低的透射率，光在透光襯底1內(nèi)被吸收，即 使光在透光襯底1與非摻雜GaN層2之間的界面處被有效地散射并且大量的光進(jìn)入透光襯 底1中。這導(dǎo)致減小的光提取效率。 因此，為了從透光襯底1的側(cè)表面有效地提取光，襯底優(yōu)選具有高透射率，更優(yōu)選 地具有對于可見光的90%或更大的透射率。因為氮化物半導(dǎo)體層具有對于可見光區(qū)的波長 的大約90%的透射率，透光襯底1優(yōu)選地具有90%或更大的透射率，這比氮化物半導(dǎo)體晶 體的透射率高。 如上所述，在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，氮化物半導(dǎo)體層可以包 括n型氮化物半導(dǎo)體層、發(fā)光層5和p型氮化物半導(dǎo)體層。這樣，可以形成優(yōu)良的發(fā)光層5， 由此獲得發(fā)光元件的改善的發(fā)光效率。 如上所述，在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，電流擴散層8可以形成 在P型氮化物半導(dǎo)體層的表面上。通過由此形成在P型氮化物半導(dǎo)體層的表面上的電流擴 散層8，氮化物半導(dǎo)體層發(fā)光元件的整個表面發(fā)射光，并均勻地碰到形成在透光襯底1中的 凸部和凹部區(qū)域。光被散射、進(jìn)入透光襯底1中，然后從透光襯底1的側(cè)表面有效提取到外 部，從而實現(xiàn)發(fā)光元件的改善的光提取效率。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，電流擴散層8可以包括透明導(dǎo)電 膜。如上所述，通過采用例如ITO用于電流擴散層8，電流可以在其中流動同時允許可見光 從其穿過。這減少了元件中光的吸收。 在根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，反射層可以形成在p型氮化物半導(dǎo) 體層或電流擴散層8的表面上以反射發(fā)出的光。這樣，在從發(fā)光層5發(fā)出的光束中，相反于 透光襯底1側(cè)發(fā)射的光束被反射層朝向透光襯底1反射，被透光襯底1和氮化物半導(dǎo)體層 之間的界面中的凸部和凹部區(qū)域散射，并進(jìn)入透光襯底1中。光束從透光襯底1的側(cè)表面 或透光襯底1的后表面等被有效地提取。 這種結(jié)構(gòu)尤其適于倒裝芯片封裝(flip chip mounting)。反射層可以直接形成 在P型氮化物半導(dǎo)體層的表面上同時采用例如Ag或Ag合金等用于接觸電極?？蛇x地，Ag 或Ag合金等的反射層可以形成在由透明導(dǎo)電膜構(gòu)成的電流擴散層8或n型氮化物半導(dǎo)體 層的表面上?？蛇x地，可以形成由電介質(zhì)多層膜構(gòu)成的反射層來代替絕緣保護(hù)膜9。
在本實施例中描述的數(shù)值只是為了說明的目的，本發(fā)明不限于這些數(shù)值。此外，在 本實施例中，采用c面藍(lán)寶石襯底用于透光襯底l，但是可以采用具有其它面方向的襯底用 于透光襯底l。此外，IT0用于電流擴散層8，但是可以使用其它的透明導(dǎo)電膜，例如IZ0、 IG0和IC0。 n型GaN層可以用于電流擴散層8。 當(dāng)n型GaN層用于電流擴散層8時，其晶體可以在MOCVD設(shè)備中在生長p型GaN 層之后連續(xù)地生長。在此情況下，焊墊電極用作接觸電極，因此不需要在電流擴散層8的整 個表面中形成接觸電極。 根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件可以安裝在基底(base)(例如框架)上使 透光襯底1側(cè)接觸基底，光可以從透光襯底1的側(cè)表面提取。可選地，通過倒裝芯片封裝， 發(fā)光元件可以采用凸塊等安裝在基底上并使焊墊電極側(cè)接觸基底，光可以從透光襯底1的
12后表面和側(cè)表面提取。 如果根據(jù)本實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件通過倒裝芯片技術(shù)安裝，由Ag或Ag 合金制成并用作接觸電極的反射層可以形成在P型GaN層的表面上。此外，由Ag或Ag合金 制成的反射層可以形成在電流擴散層8的上表面上。此外，絕緣保護(hù)膜9可以通過由Si02 形成的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成并也可以適于用作反射層。
實驗示例1 下面描述了測試具有形成在透光襯底1的上表面上的凸部區(qū)域或凹部區(qū)域(也就 是，圖2A、2C、3、4A和5A的凸部區(qū)域或凹部區(qū)域)的五種圖案的發(fā)光元件的輸出的結(jié)果。關(guān) 于圖4A、5A中示出的形狀，當(dāng)每個凸部區(qū)域的最窄部分具有1. 5 m的寬度并且每個凹部區(qū) 域的最窄部分具有1. 5iim的寬度時，相應(yīng)發(fā)光元件的輸出在3. IV的電壓時為30mW。
關(guān)于圖2A中示出的形狀，若L1 = lym并且L2二3. 5iim，發(fā)光元件的輸出在3. IV 的電壓時為29mW。關(guān)于圖3中示出的形狀，若L4 = 1 y m并且r = 5iim，發(fā)光元件的輸出 在3. 1V的電壓時為27mW。關(guān)于圖2C示出的形狀，發(fā)光元件的輸出在3. 1V的電壓時約為 20-25mW。 因此，可以認(rèn)識到，與每個凸部或凹部區(qū)域具有圖2C中示出的形狀的的發(fā)光元件 相比，每個凸部或凹部區(qū)域具有圖3中示出的形狀的發(fā)光元件具有改善的發(fā)光效率，但是 比凸部或凹部區(qū)域具有圖4A、5A中示出的形狀的發(fā)光元件的發(fā)光效率要差。
對于這種差的發(fā)光效率的可能的原因在于在每個凸部和凹部區(qū)域具有圖3中示 出的形狀的發(fā)光元件中，凸部和凹部區(qū)域中的平坦部分的面積大，因此在凸部和凹部區(qū)域 內(nèi)發(fā)生幾次的多次反射。另一可能的原因如下。也就是，在凸部區(qū)域和凹部區(qū)域之間只有 少量的邊界，因此位錯沒有被充分地彎曲。因此，穿透位錯沒有被減少很多，從而內(nèi)量子效 率相對較低。 設(shè)置有具有圖4A、5A的每個中示出的凸部或凹部區(qū)域的氮化物半導(dǎo)體的晶片的 翹曲小于設(shè)置有圖2A、2B、3的每個中示出的凸部或凹部區(qū)域的氮化物半導(dǎo)體的晶片的翹 曲。認(rèn)為這是由于設(shè)置有具有圖4A、5A的每個中示出的凸部或凹部區(qū)域的晶片具有透光襯 底和氮化物半導(dǎo)體層彼此接觸的更大的面積，應(yīng)力可能因此被減輕。隨著晶片的翹曲越小， 在襯底的研磨和拋光以及劃分芯片時產(chǎn)率越好。
實驗示例2 下面描述其中形成有A1N緩沖層16的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的形成方法以及其 輸出的測試結(jié)果。 首先，如同實驗示例1，每個具有圖4A或圖5A中示出的形狀的凹部和凸部區(qū)域形 成在透光襯底1的表面上。采用藍(lán)寶石襯底作為透光襯底1。透光襯底1置于設(shè)置在DC磁 控濺射設(shè)備的腔室內(nèi)的加熱器上，在DC磁控濺射設(shè)備中電壓通過DC連續(xù)方法施加。
透光襯底1置于其上使得c面透光襯底1面對Al靶的表面，Al靶的表面的中心 與透光襯底1的c面之間的最短距離為50mm。在此情形下，透光襯底1被加熱器加熱到 500°C。此后，只有氮氣以20sccm的流速提供到DC磁控濺射設(shè)備的腔室內(nèi)。透光襯底1的 溫度被保持在500°C。 然后，3000W的偏置電壓通過DC-連續(xù)方法被施加在透光襯底1與A1靶之間以產(chǎn) 生氮等離子體。腔室內(nèi)的壓力保持在0. 5帕，100%體積比的氮氣以20sccm的流速提供到
13腔室內(nèi)。通過采用DC磁控濺射方法的反應(yīng)濺射，由A1N柱晶的聚集體構(gòu)成并具有25nm厚 度的A1N緩沖層16設(shè)置在透光襯底1的c面上。這時A1N緩沖層16以0. 04nm/秒的速率 形成。 在透光襯底1的c面的氮化和A1N緩沖層16的形成期間，移動DC磁控濺射設(shè)備 的陰極中的磁體。此外，AIN緩沖層16的形成根據(jù)之前測量的AIN緩沖層16的膜形成速 率僅持續(xù)預(yù)定的一段時間。當(dāng)AIN緩沖層16具有25nm的厚度時，停止產(chǎn)生氮等離子體并 降低透光襯底1的溫度。在臨濺射之前腔室中的壓力為1X10—4帕或更低。
然后，在形成A1N緩沖層16之后，透光襯底1從DC磁控濺射設(shè)備的腔室取出并置 于MOCVD設(shè)備的氣相沉積反應(yīng)器中。如果其上形成有AIN緩沖層16的透光襯底1被高頻 感應(yīng)加熱型的加熱器加熱，透光襯底l置于由石墨制成的基座(susc印tor)上。另一方面， 如果其上形成有AIN緩沖層16的透光襯底1被電阻加熱型的加熱器加熱，透光襯底1置于 由石英制成的托(tray)上并位于由石墨制成的基座上。 氮氣和氫氣作為載氣被提供同時將氨氣提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)，透光襯底1的 溫度被升高大約15分鐘直到1125°C。氣相沉積反應(yīng)器中的壓力是常壓，每個用作載氣的氫 氣和氮氣的流速的比例設(shè)定在50/50。 在確定透光襯底1的溫度穩(wěn)定在1125。C之后，TMG(THROAT MIXGAS)氣體開始提 供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)以通過MOCVD方法在A1N緩沖層16的表面上形成5 y m厚的非摻雜 GaN層2。應(yīng)當(dāng)注意，TMG氣體被提供到氣相沉積反應(yīng)器的內(nèi)使得V族元素與III族元素的 摩爾比(V族元素的摩爾數(shù)/ni族元素的摩爾數(shù))為1500。 然后，將透光襯底1的溫度保持在1125t:，硅烷氣體被提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi) 以獲得1 X 1019/Cm3的Si摻雜濃度，從而通過MOCVD方法在非摻雜的GaN層2的表面上形 成具有3 m厚度的Si摻雜的n型GaN層3。 停止將TMG氣體和氫氣提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)，之后透光襯底1的溫度被降低 到870°C 。然后，在確定氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)的狀態(tài)變穩(wěn)定之后，TMG氣體、TMI氣體和氨氣被 提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)作為原料氣體。此外，硅烷氣體被提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)以獲 得5X 1018/cm3的Si摻雜濃度，從而形成由Si摻雜的n型GaN和InGaN構(gòu)成的n型SL層 4。 接著，停止向氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)TMG氣體、TMI氣體和氨氣，然后透光襯底1的 溫度被降低到85(TC。在確定氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)的狀態(tài)變穩(wěn)定之后，TMG氣體、TMI氣體和 氨氣被提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)作為原料氣體。此外，硅烷氣體被提供到氣相沉積反應(yīng)器 內(nèi)以獲得1 X 1018/cm3的Si摻雜濃度，從而在n型GaN接觸層的表面上形成具有8nm厚度 的Si摻雜n型In。.Q1Ga。.99N勢壘層。停止供應(yīng)硅烷氣體，之后供應(yīng)TMG氣體、TMI氣體以形 成由In。.iGa。.gN制成并具有3nm厚度的阱層。 通過重復(fù)如上所述形成勢壘層和阱層的步驟，在n型In。. MGa。. 99N勢壘層的表面上 形成具有由多量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的MQW的發(fā)光層5，在該多量子阱結(jié)構(gòu)中每個由n型GaN制成 的七個勢壘層和每個由In。.^a。.9N制成的六個阱層一層接一層地交替設(shè)置。
然后，透光襯底1的溫度被升高到110(TC，載氣從氮氣變成氫氣。然后，TMG氣體、 TMA氣體和CP2Mg氣體被提供到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)兩分鐘，之后停止供應(yīng)TMG氣體和TMA氣 體。這樣，具有20nm厚度的Mg摻雜的p型Al。.2Ga。.8N層6形成在發(fā)光層5 (其用作MQW有
14源層)的表面上。 當(dāng)透光襯底1的溫度被保持在110(TC并且氨氣被供應(yīng)到氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)時，停 止供應(yīng)TMA。之后，改變TMG氣體和CP2Mg氣體的供應(yīng)量以在p型Al。.2Ga。.8N層6的表面上 形成具有0. 2 ii m厚度的Mg摻雜的p型GaN層7。 緊接著形成p型GaN層7之后，停止提供到加熱器的電功率并將供應(yīng)到氣相沉積 反應(yīng)器內(nèi)的載氣從氫氣改變?yōu)榈獨狻Ｔ诖_定透光襯底1的溫度達(dá)到或低于30(TC之后，其上 形成有如上所述的層的透光襯底1從氣相沉積反應(yīng)器取出。之后的步驟與實驗示例1的相 同，因此將不再重復(fù)地描述。 圖6示出了在實驗示例2中制造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖 6所示，A1N緩沖層16形成在透光襯底1的上表面上。A1N緩沖層16至少形成在透光襯底 1的上表面中凸部區(qū)域的上表面和凹部區(qū)域的底表面上。 具有大約200nm厚度的電流擴散層8形成在p型GaN層7的上表面上。電流擴散 層8由ITO形成。形成絕緣保護(hù)膜9以覆蓋電流擴散層8和n型GaN層3的上表面，并保 留部分未被覆蓋。絕緣保護(hù)膜9具有大約200nm的厚度并由Si02形成。
p型焊墊電極11形成在電流擴散層8的上表面上的沒有被絕緣保護(hù)膜9覆蓋的部 分。n型焊墊電極10形成在n型GaN層3的上表面上的沒有被絕緣保護(hù)膜9覆蓋的部分。 n型焊墊電極10和p型焊墊電極11中的每個通過層疊具有約20nm厚度的Ti、具有約30nm 厚度的Mo以及具有約500nm厚度的Au而形成。 所制造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件在裸芯片狀態(tài)下的特性為在20mA時為33mW并且 驅(qū)動電壓為3.0V。此外，在(004)面的X射線搖擺曲線(rockingcurve)的半寬度(half width)為30弧秒(arcsec)，其從采用常規(guī)技術(shù)制造的材料的400弧秒得到顯著的改善。
本發(fā)明的凹部和凸部區(qū)域以及A1N緩沖層的使用提供了X射線搖擺曲線的變窄的 半寬度，并由此提供了高質(zhì)量的晶體，在晶體中沒有形成空隙并且穿透位錯密度低，從而獲 得發(fā)光元件的改善的光輸出和減小的工作電壓。 盡管本發(fā)明已經(jīng)被詳細(xì)地描述和說明，可以清楚地理解，本發(fā)明僅通過說明和示
例的方式而不應(yīng)被認(rèn)為是限制的方式，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書的術(shù)語來解釋。 本申請基于2008年12月26日提交到日本專利局的日本專利申請
No. 2008-332308和2009年10月20日提交到日本專利局的日本專利申請No. 2009-241053，
其全部內(nèi)容在此引入以作參考。
權(quán)利要求
一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中至少包括發(fā)光層的氮化物半導(dǎo)體層形成在透光襯底上，所述透光襯底具有上表面，在該上表面上形成有多個凹部區(qū)域和凸部區(qū)域，其中在平面圖看時，各所述凹部區(qū)域和各所述凸部區(qū)域中的一方通過具有至少一個頂點的多邊形形成，該至少一個頂點具有180°或更大的內(nèi)角，以及在從平面圖看時，各所述凹部區(qū)域和各所述凸部區(qū)域中的另一方形成為彼此不連成直線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述多邊形具有放射狀突出的多個突出部分，在所述多邊形的相鄰?fù)怀霾糠种g具有 間隔，以及在所述多邊形的各所述間隔中，設(shè)置相鄰多邊形的突出部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中構(gòu)成所述多邊形的邊包括平行 于所述氮化物半導(dǎo)體層中的晶面的邊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述多邊形由所述氮化物半導(dǎo) 體層中的晶軸的〈11-20〉方向上的邊構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中各所述凹部區(qū)域和各所述凸部 區(qū)域具有20 ii m或更小的寬度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中各所述凸部區(qū)域具有40nm或更 大的高度，各所述凹部區(qū)域具有40nm或更大的深度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中各所述凹部區(qū)域和各所述凸部 區(qū)域具有錐形的側(cè)表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，在從平面圖看時，各所述凹部 區(qū)域和各所述凸部區(qū)域中的所述另一方形成為以連續(xù)的方式彼此連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，在從平面圖看時，各所述凹部 區(qū)域和各所述凸部區(qū)域中的所述一方以不連續(xù)的方式形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述透光襯底具有比所述氮 化物半導(dǎo)體層的折射率小的折射率。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述透光襯底對于發(fā)射的光 具有比所述氮化物半導(dǎo)體層更高的透射率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述氮化物半導(dǎo)體層包括n型 氮化物半導(dǎo)體層、所述發(fā)光層和P型氮化物半導(dǎo)體層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中在所述p型氮化物半導(dǎo)體層 的表面形成有電流擴散層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述電流擴散層包括透明導(dǎo) 電膜。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中在所述p型氮化物半導(dǎo)體層 和所述電流擴散層之一的表面形成有用于反射發(fā)射的光的反射層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中A1N緩沖層形成在所述透光襯 底的所述上表面上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，透光襯底(1)具有上表面，至少包括發(fā)光層(5)的氮化物半導(dǎo)體層形成在該上表面上。凹部區(qū)域和凸部區(qū)域形成在透光襯底(1)的上表面上。在從平面圖看時，每個凹部區(qū)域和每個凸部區(qū)域之一通過具有至少一個頂點的多邊形形成，該至少一個頂點具有180°或更大的內(nèi)角。在從平面圖看時，每個凹部區(qū)域和每個凸部區(qū)域中的另一個形成為彼此不連成直線。具有這種構(gòu)造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有優(yōu)良的光提取效率并可以以適中的成本制造。
文檔編號H01L33/20GK101771124SQ20091026565
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者筆田麻佑子 申請人:夏普株式會社