氮化物半导体发光元件及其制作方法

摘要

一种氮化物半导体发光元件包括一基底，一形成在基底上的多层磊晶膜结构，一第一型电极及一第二型电极；所述多层磊晶膜结构包括一第一型氮化物半导体层、氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导体层，所述多层磊晶膜结构形成有一至少包括所述第二型半导体层及氮化物半导体活性层的平台结构，所述平台结构一顶面及与顶面相邻的侧面；第一及第二型电极分别与所述第一及第二型氮化物半导体层形成欧姆接触。其中，所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向相交，所述顶面及侧面为粗化表面。本发明还提供上述氮化物半导体发光元件的制作方法。本发明是经由设置多层磊晶膜结构的晶体生长方向来达成较低制作成本以及较高光萃取效率之目的。

权利要求

1.一种氮化物半导体发光元件，其包括：

一基底：

一形成在所述基底上的多层磊晶膜结构，其包括沿远离所述基底的方向排 列的第一型氮化物半导体层、氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导体 层，所述第一型氮化物半导体层与第二型氮化物半导体层具有相反的导电 类型，所述多层磊晶膜结构形成有一平台结构，所述平台结构至少包括所 述第二型氮化物半导体层及氮化物半导体活性层，所述平台结构具有一远 离所述基底的顶面以及与顶面相邻的侧面，所述第一型氮化物半导体层形 成有一远离所述基底的暴露面，所述侧面位于所述顶面与暴露面之间； 一第一型电极，其位于所述暴露面上并与所述第一型氮化物半导体层形成 欧姆接触；以及一第二型电极，其位于所述顶面上并与所述第二型氮化物半导体层形成欧 姆接触；其特征在于：所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向相交，所述顶面及侧面 为粗化表面。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述基底为一 单晶基板，其具有一邻近所述多层磊晶膜结构的晶面，所述晶面的晶向与 所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向相匹配。

3.如权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述单晶基板 的材料为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、氧化镁、氧化锌、氮 化镓、氮化铝或氮化铟。

4.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第一型氮 化物半导体层、氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导体层由III族氮化 物半导体材料制成。

5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述多层磊晶 膜结构的表面原子包括金属原子和氮原子。

6.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述多层磊晶 膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向垂直相交。

7.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述粗化表面 是经由湿法蚀刻形成的。

8.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述顶面与侧 面形成有多个凹洞。

9.一种氮化物半导体发光元件的制作方法，其包括步骤：

提供一基底；

在所述基底上外延生长一多层磊晶膜结构，其包括一第一型氮化物半导体 层，一氮化物半导体活性层以及一与第一型氮化物半导体层之导电类型相 反的第二型氮化物半导体层，所述第一型氮化物半导体层、氮化物半导体 活性层及第二型氮化物半导体层沿远离所述基底的方向排列，所述多层磊 晶膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向相交；

图案化所述多层磊晶膜结构以形成一平台结构并部分暴露所述第一型氮化 物半导体层；

在所述多层磊晶膜结构上形成分别与第一型氮化物半导体层及第二型氮化 物半导体层形成欧姆接触的第一型电极及第二型电极；以及利用湿法蚀刻工艺在所述多层磊晶膜结构的平台结构上形成粗化表面。

10.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所 述平台结构至少包括所述第二型氮化物半导体层及氮化物半导体活性层， 其具有一远离所述基成的顶面及与顶面相邻的侧面，所述顶面与侧面为所 述粗化表面。

11.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所 述基底为一单晶基板，其具有一邻近所述多层磊晶膜结构的晶面，所述晶 面的晶向与所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向相匹配。

12.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所 述所述第一型氮化物半导体层、氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导 体层由III族氮化物半导体材料制成。

13.如权利要求12所述的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于， 所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向垂直相交。

14.如权利要求12或13项所述的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征 在于，所述湿法蚀刻工艺采用的化学蚀刻溶液为包含磷酸和硫酸的酸性溶 液或包含氢氧化钾的碱性溶液。

15.如权利要求12的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所述 湿法蚀刻工艺包括采用一电磁波照射所述平台结构之步骤，所述电磁波的 能量大于等于所述III族氮化物半导体材料的能隙。

16.如权利要求14的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所述 湿法蚀刻工艺的蚀刻温度大于150摄氏度。

17.一种氮化物半导体发光元件的制作方法，其包括步骤：

提供一基底，其具有一晶面，所述晶面为非极性晶面或半非极性晶面； 在所述基底的晶面上外延生长一多层磊晶膜结构，其包括一第一型氮化物 半导体层，一氮化物半导体活性层以及一与第一型氮化物半导体层之导电 类型相反的第二型氮化物半导体层，所述第一型氮化物半导体层、氮化物 半导体活性层及第二型氮化物半导体层沿远离所述基底的方向排列：图案化所述多层磊晶膜结构以形成一平台结构并部分暴露所述第一型氮化 物半导体层；

在所述多层磊晶膜结构上形成分别与第一型氮化物半导体层及第二型氮化 物半导体层形成殴姆接触的第一型电极及第二型电极；以及利用湿法蚀刻工艺在所述多层磊晶膜结构的平台结构上形成粗化表面。

18.如权利要求17的氮化物半导体发光元件的制作方法，其特征在于，所述 湿法蚀刻工艺包括采用一电磁波照射所述平台结构之步骤，所述所述所述 第一型氮化物半导体层、氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导体层由 III族氮化物半导体材料制成，所述电磁波的能量大于等于所述III族氮化物 半导体材料的能隙。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光领域，尤其是尤其是一种具较低制作成本及较高 光萃取效率(Light Extraction Efficiency)力的氮化物半导体发光元件及其制作方 法。

背景技术

目前，氮化镓(GaN)等氮化物(Nitride-Based)半导体发光元件因具功耗 低、寿命长等特性而被广泛应用于显示器、背光模组、室外照明，车用照明 等领域。随着氮化物半导体发光元件，例如GaN发光二极管的各应用领域 对其发光亮度之需求越来越高，氮化物半导体发光元件的光萃取效率有待进 一步提升。
参见Kao等人在文献IEEE Photonics Technology Letters.Vol.19，No.11， Page 849-851(06/2007)中的“Light-Output Enhancement of Nano-Roughened GaN Laser Liff-Off Light-Emitting Diodes Formed by ICP Dry Etching”一文， 其揭露了一种利用电感式耦合等离子体-反应离子蚀刻(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching，ICP-RIE)对GaN发光二极管的发光区域 (Light-Emitting Region)进行粗化处理之方式来提升GaN发光二极管的光萃 取效率。具体的，其在c面(0001)蓝宝石(Sapphire)上形成GaN磊晶膜，然后 向一真空腔体内通入强氧化气体氯气(Cl2)和氩气(Ar)的混合气体对GaN磊 晶膜的发光区域进行ICP-RIE蚀刻以使所述发光区域获得一纳米级粗糙度， 进而获得一具有较高光萃取效率的GaN发光二极管。
然而，一方面，由于采用c面(0001)蓝宝石作为磊晶生长基底，形成的 GaN磊晶膜均沿着GaN晶体的c轴[0001]晶向生长使得GaN磊晶膜的表面 原子均为金属镓原子，该种原子排布方式使得GaN磊晶膜呈现出强烈的极 性(Polarity)特性；经研究发现，在c轴[0001]晶向长成的量子井会遭受很强 的量子限域斯塔克效应(Quantum-Confined Stark Effect.QCSE)的影响，使得 GaN发光二极管的内部量子效率降低，进而导致其光萃取效率较低。另一方 面，由于c面(0001)蓝宝石上长成的GaN磊晶膜之强烈的极性特性，其使得 对GaN磊晶膜的粗化处理必须采用具有高蚀刻强度的干法反应离子蚀刻技 术、例如上述的ICP-RIE蚀刻技术；而上述ICP-RIE蚀刻之进行需借用抽真 空设备及电感式耦合等离子体产生器，并且毒性气体氯气的采用需采取必要 的防护措施，其使得GaN发光二极管的制作成本较高；并且干法反应离子 蚀刻技术无法在GaN磊晶膜的侧面进行蚀刻以粗化GaN磊晶膜的侧面，其 在一定程度上也限制了GaN发光二极管的光萃取效率之进一步提升。
有鉴于此，提供一种具较低制作成本及较高光萃取效率的氮化物半导体 发光元件及其制作方法实为必要。

发明内容

下面将以实施例说明一种具较低制作成本及较高光萃取效率的氮化物 半导体发光元件及其制作方法。
一种氮化物半导体发光元件，其包括：一基底，以及形成在所述基底上 的一多层磊晶膜结构，一第一型电极，以及一第二型电极；所述多层磊晶膜 结构包括一第一型氮化物半导体层，一氮化物半导体活性层以及一与第一型 氮化物半导体层之导电类型相反的第二型氮化物半导体层；所述第一型氮化 物半导体层，氮化物半导体活性层及第二型氮化物半导体层沿远离所述基底 的方向排列，所述多层磊晶膜结构形成有一至少包括所述第二型氮化物半导 体层及氮化物半导体活性层的平台结构(Mesa Pattern)，所述平台结构具有一 远离所述基底的顶面以及与所述顶面相邻的侧面，所述第一型氮化物半导体 层形成有一远离所述基底的暴露面，所述侧面位于所述顶面与暴露面之间； 所述第一型电极位于所述暴露面上且与所述第一型氮化物半导体层形成欧 姆接触，所述第二型电极位于所述顶面上且与所述第二型氮化物半导体层形 成欧姆接触。其中，所述多层磊晶膜结构的晶体生长方向与其(0001)晶向相 交，且所述顶面及侧面为粗化表面。以及
一种氮化物半导体发光元件的制作方法，其包括步骤：(a)提供一基底； (b)在所述基底上外延生长一多层磊晶膜结构，其包括一第一型氮化物半导体 层，一氮化物半导体活性层以及一与第一型氮化物半导体层之导电类型相反 的第二型氮化物半导体层，所述第一型氮化物半导体层、氮化物半导体活性 层及第二型氮化物半导体层沿远离所述基底的方向排列，所述多层磊晶膜结 构的晶体生长方向与其(0001)晶向相交；(c)图案化所述多层磊晶膜结构以形 成一平台结构并部分暴露所述第一型氮化物半导体层；(d)在所述多层磊晶膜 结构上形成分别与第一型氮化物半导体层及第二型氮化物半导体层形成欧 姆接触的第一型电极及第二型电极；(e)利用湿法蚀刻工艺在所述多层磊晶膜 结构的平台结构上形成粗化表面。
相对于现有技术，由于所述氮化物半导体发光元件的多层磊晶膜结构的 晶体生长方向与其(0001)晶向相交，使得多层磊晶膜结构的平台结构的顶面 及侧面的原子不完全为金属原子且还存在部分表面氮原子，其消除了因表面 原子全为金属原子时呈现的极性特性，使得对所述顶面及侧面进行简单且低 成本的湿法蚀刻工艺成为可能，从而使得所述氮化物半导体发光元件可具较 低制作成本以及较高的光萃取效率，进而达成本发明的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种氮化物半导体发光元件的截面示意图。
图2是本发明实施例提供的一单晶基底主视示意图。
图3是图2所示单晶基底上外延生长有一多层磊晶膜结构的主视示意图。
图4是图3所示多层磊晶膜结构经过图案化后的主视示意图。
图5是图4所示图案化的多层磊晶膜结构上形成有n型电极及p型电极的 主视示意图。
图6是图5所示多层磊晶膜结构经过湿法蚀刻后的一SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)照片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1，本发明实施例提供的一种氮化物半导体发光元件20，例如 GaN发光二极管。所述氮化物半导体发光元件20包括：一基底22，一形成 在基底22上的多层磊晶膜结构24，一n型电极26，以及一p型电极28。
所述基底22通常为蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)、偏铝酸锂(LiAlO2)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、 氮化铝(AlN)、或氮化铟(InN)等单晶基板，其具有一用于外延生长多层磊晶 膜结构24的晶面222，所述晶面222的晶向与多层磊晶膜结构24的晶体生 长方向相匹配。
所述多层磊晶膜结构24包括一n型氮化物半导体层241，一与n型氮化 物半导体层241的导电类型相反的p型氮化物半导体层243，以及位于n型 氮化物半导体层241与p型氮化物半导体层243之间的氮化物半导体活性层 242。所述n型氮化物半导体层241、氮化物半导体活性层242及p型氮化物 半导体层243沿远离所述基底22的方向排列。所述n型氮化物半导体层241， 氮化物半导体活性层242及p型氮化物半导体层243可为单层或多层结构， 其选用III族氮化物半导体材料。其中，III族元素可为Al、Ga、In等元素。 典型的、所述n型氮化物半导体层241、氮化物半导体活性层242及p型氮 化物半导体层243可分别为n型氮化镓、氮化镓铟(InGaN)及p型氮化镓。
所述多层磊晶膜结构24的晶体生长方向与其(0001)晶向相交；相应的， 所述n型氮化物半导体层241、氮化物半导体活性层242及p型氮化物半导 体层243的晶体生长方向也与各自的(0001)晶向相交。优选的、所述多层磊 晶膜结构24的晶体生长方向与其(0001)晶向垂直相交，例如其晶体生长方向 为(1120)或(1010)晶向。
所述n型氮化物半导体层241具有一远离所述基底22的暴露面245。所 述多层磊晶膜结构24形成有一平台结构(Mesa Pattern)244。所述平台结构 244截止于所述暴露面245所在平面(也即如图1中虚线所示位置)，其至少 包括所述p型氮化物半导体层243及氮化物半导体活性层242。所述平台结 构244具有一顶面247以及与所述顶面247相邻的多个侧面246。所述平台 结构244的顶面247通常为所述p型氮化物半导体层243的一远离所述基底 12的表面，其多个侧面246位于所述顶面247与暴露面245之间。所述平台 结构244的顶面247及多个侧面246均为粗化表面，其上形成有多个凹洞 248。
所述n型电极26设置在所述暴露面245上以与所述n型氮化物半导体 层241形成欧姆接触；所述n型电极26通常包含有至少一与n型氮化物半 导体层241形成欧姆接触的金属层。
所述p型电极28设置在所述平台结构244的顶面247上以与所述p型 氮化物半导体层243形成欧姆接触；所述p型电极28可为一金属层或一由 金属层与透明导电薄膜形成的多层电极结构。
参见图2至6，下面将具体描述所述氮化物半导体发光元件20的一种制 作方法，其包括以下步骤：
参见图2，提供一基底12；所述基底12可选用蓝宝石(Sapphire)、碳化 硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、偏铝酸锂(LiAlO2)、氧化镁(MgO)、氧化锌 (ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)等单晶基板，其具有一用 于外延生长多层磊晶膜结构的晶面122，所述晶面122的晶向与后续外延生 长的多层磊晶膜结构的晶体生长方向相匹配。所述晶面122选用非极性晶面 或半非极性晶面，其中，非极性晶面是指与(0001)晶面垂直相交的晶面，半 非极性晶面是指与(0001)晶面倾斜相交的晶面。
参见图3，在所述基底12的晶面122上外延生长一多层磊晶膜结构14。 所述多层磊晶膜结构14包括一n型氮化物半导体层141、一氮化物半导体活 性层142及一p型氮化物半导体层143；所述n型氮化物半导体层141、氮 化物半导体活性层142及p型氮化物半导体层143沿远离所述基底12的方 向排列。本实施例中，所述n型氮化物半导体层141，一氮化物半导体活性 层142及一p型氮化物半导体层143可选用III族氮化物半导体材料。其中， III族元素可为Al、Ga、In等元素。典型的，所述n型氮化物半导体层141、 氮化物半导体活性层142及p型氮化物半导体层143分别为n型氮化镓、氮 化镓铟及p型氮化镓。所述多层磊晶膜结构14的晶体生长方向与其(0001) 晶向相交，例如(1120)或(1010)晶向。由于所述多层磊晶膜结构14的晶体生 长方向与(0001)晶向相交，因此多层磊晶膜结构14中的n型氮化物半导体层 141、氮化物半导体活性层142及p型氮化物半导体层143的表面为非极性 面(也即与(0001)晶面垂直相交的晶面)或半非极性面(也即与(0001)晶面倾斜 相交的晶面)，其表面原子则不完全为金属原子，其还包括表面氮原子、由 于表面氮原子的存在，表面原子全为金属原子时呈现出的极性特性被消除， 进而使得采用湿法蚀刻工艺对所述多层磊晶膜结构14的表面进行粗化成为 可能。
参见图4，图案化所述多层磊晶膜结构14以形成一平台结构(Mesa Pattern)144并部分暴露所述n型氮化物半导体层141。具体的，首先，在所 述多层磊晶膜结构14上形成一硬掩膜层(Hard Mask Layer)(图未示)，例如图 案化金属镍层：接着，采用干法蚀刻，如反应离子蚀刻工艺部分去除所述p 型氮化物半导体层143及氮化物半导体活性层142以部分暴露所述n型氮化 物半导体层141，在所述n型氮化物半导体层141形成一暴露面145；然后， 去除所述硬掩膜层，进而在所述多层磊晶膜结构14上形成一平台结构144。 所述平台图案至少包括p型氮化物半导体层143及氮化物半导体活性层142， 其截止于所述暴露面145所在平面(也即如图4中虚线所示位置)。所述平台 结构144具有一远离所述基底12的顶面147，以及与顶面147相邻的侧面 146；所述侧面146位于所述顶面147与暴露面145之间。
参见图5，在所述图案化多层磊晶膜结构14上形成分别与n型氮化物半 导体层141及p型半导体层143形成欧姆接触的n型电极16及p型电极18。 所述n型电极16位于n型氮化物半导体层141的暴露面145上；所述p型 电极18位于平台结构144的顶面147上。
在所述图案化多层磊晶膜结构14上形成n型电极16及p型电极18之 后，对所述图案化多层磊晶膜结构14进行湿法蚀刻工艺，以粗化平台结构 144的顶面147及侧面146，进而获得一如图1所述的氮化物半导体发光元 件。
具体的，将所述图案化多层磊晶膜结构14置于一化学酸性蚀刻溶液， 如包含磷酸与硫酸的混合溶液中；其中，磷酸与硫酸的混合比例为1∶1。蚀 刻温度大于150摄氏度。
图6为所述图案化多层磊晶膜结构14经所述化学酸性蚀刻溶液在260 摄氏度条件下蚀刻后的SEM照片，蚀刻速率约为70纳米每分钟(nm/min)。 从图6中可以看出，所述图案化多层磊晶膜结构14的平台结构144的侧面 145形成有大量的凹洞，如图6中的圆圈圈住部分；也即侧面145被粗化。 并且从图6中还可以看出，所述湿法蚀刻方法具有很高的选择比且被蚀刻区 域的表面具有相当好的平坦度。
优选的，为加速所述湿法蚀刻工艺的蚀刻速率，可对被蚀刻区域，例如 所述平台结构144的侧面145照射一具有适当能量的电磁波；所述电磁波的 能量通常需大于等于被蚀刻的氮化物半导体材料的能隙，也即所述电磁波能 够被所述氮化物半导体材料吸收。可以理解的是，由于对被蚀刻区域照射适 当能量的电磁波可加速蚀刻速率，因此可采用对被蚀刻区域照射适当能量的 电磁波来降低湿法蚀刻工艺的蚀刻温度。
需要指明的是，所述化学蚀刻溶液并不限于酸性蚀刻溶液，其还可采用 包含有氢氧化钾的碱性蚀刻溶液，同样可以达到相同或类似的蚀刻效果。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如变更基底22 的种类，多层磊晶膜结构24的结构、蚀刻溶液的组分以及蚀刻温度等以用 于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。