CN101651175A - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光元件及其制造方法。根据本发明的半导体发光元件包含一基板、一缓冲层、一多层结构及一欧姆电极结构。该缓冲层是选择性地形成于该基板的一上表面上，并使该基板的该上表面部分外露。该多层结构是形成以覆盖该缓冲层及该基板的外露的该上表面。该多层结构还包含一发光区。该缓冲层辅助该多层结构的一最底层侧向磊晶及垂直磊晶。该欧姆电极结构是形成于该多层结构上。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件，特别是涉及一种能够提升外部量子效率及具有良好的磊晶品质的半导体发光元件。
背景技术
现今半导体发光元件(例如，发光二极体)的应用领域已甚为广泛，例如照明以及遥控领域等，皆见到半导体发光元件被广泛地应用。为了让半导体发光元件尽可能地确保较高的功能可靠性以及较低的能源消耗，因此对于半导体发光元件皆须要求其本身的外部量子效率(external quantum efficiency)。
理论上，一半导体发光元件的外部量子效率与其本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)及光取出效率(light-extraction efficiency)有关。所谓的内部量子效率是由材料特性及品质所决定。至于光取出效率则是意谓着从元件内部发出至周围空气或是封装的环氧树脂内的辐射比例。光取出效率是取决于当辐射离开元件内部时所发生的损耗。造成上述损耗的主要原因之一由于形成元件的表面层的半导体材料具有高折射系数(refraction coefficient)，导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)而无法发射出去。
请参阅图1。为提升半导体发光元件的外部量子效率，具有图案化表面10的基板1已经公开并用于制造半导体发光元件。图1显示了已知的具有图案化表面10的蓝宝石基板1的示意图。图案化表面10可用以散射由半导体发光元件射出的光线以降低全反射，进一步提升半导体发光元件的外部量子效率。
此外，半导体材料层(例如，氮化镓)可通过不错的横向磊晶方式形成于图案化表面10的蓝宝石基板1上。然而，氮化镓却不容易直接于图案化表面10的蓝宝石基板1上成长，即垂直磊晶的效果不佳。因此，于图案化表面10的蓝宝石基板1上成长的氮化镓半导体材料层的品质仍有待改善。
在现有技术中，半导体发光元件的半导体材料层与一般的基板之间可通过形成一缓冲层以改善半导体材料层的品质。因此，若该缓冲层的设计可以类比于具有图案化表面10的基板1，该缓冲层将具有提升半导体发光元件的外部量子效率的附加功能。
因此，本发明的主要目的在于提供一种能够提升外部量子效率及具有良好的磊晶品质的半导体发光元件，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种半导体发光元件及其制造方法。
根据本发明的一具体实施例，该半导体发光元件包含一基板(substrate)、一缓冲层(buffer layer)、一多层结构(multi-layer structure)及一欧姆电极结构(ohmic electrode structure)。
该缓冲层是选择性地形成于该基板的一上表面上，致使该基板的该上表面部分外露。该多层结构的形成以覆盖该缓冲层及该基板外露的该上表面。该多层结构还包含一发光区(light-emitting region)。该缓冲层辅助该多层结构的一最底层(bottom-most layer)侧向磊晶及垂直磊晶。该欧姆电极结构是形成于该多层结构上。
根据本发明的另一具体实施例为一种制造供一半导体发光元件的方法。
该方法首先制备一基板。接着，该方法选择性形成一缓冲层于该基板的一上表面上，致使该基板的该上表面部分外露。然后，该方法形成一多层结构以覆盖该缓冲层及该基板的外露的该上表面。该多层结构包含一发光区并且该缓冲层辅助该多层结构的一最底层侧向磊晶及垂直磊晶。最后，该方法形成一欧姆电极结构于该多层结构上。
相比现有技术，根据本发明的半导体发光元件选择性地形成缓冲层于基板的表面上。缓冲层可用以散射由半导体发光元件射出的光线以降低全反射，进一步提升半导体发光元件的外部量子效率。此外，缓冲层亦可以提供良好的侧向磊晶及垂直磊晶，以提高半导体发光元件的磊晶品质。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1显示了现有的具有图案化表面的蓝宝石基板的示意图。
图2显示了根据本发明的一具体实施例的一半导体发光元件。
图3A至图3I显示了根据本发明的另一具体实施例的制造一半导体发光元件的方法的截面视图。
具体实施方式
请参阅图2，图2是绘示根据本发明的一具体实施例的一半导体发光元件2。
如图2所示，该半导体发光元件2包含一基板20、一缓冲层22、一多层结构24及一欧姆电极结构26。
于实际应用中，该基板20可以是蓝宝石(sapphire)、硅(Si)、SiC、GaN、ZnO、ScAlMgO4、YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)、SrCu2O2、LiGaO2、LiAlO2、GaAs或其他类似基材。
该缓冲层22可以选择性地形成于该基板20的一上表面200上，从而使该基板20的该上表面200部分外露。该多层结构24的形成覆盖该缓冲层22及该基板20外露的该上表面200。该多层结构24还包含一发光区242。该缓冲层22可以辅助该多层结构24的一最底层240侧向磊晶及垂直磊晶。于一具体实施例中，该最底层240可以是氮化镓(GaN)。该欧姆电极结构26形成于该多层结构24上。
于实际应用中，该缓冲层22可以是氧化锌(ZnO)、氧化锌镁(MgxZn1-xO)、氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)，其中0＜x≤1。该缓冲层22的厚度范围从10nm至500nm。
若该缓冲层22是氧化锌，该氧化锌缓冲层22的原料可由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物和一ZnEt2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
若该缓冲层22是氧化锌镁，该氧化锌镁缓冲层22的原料可由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物、一ZnEt2先驱物、一MgCp2先驱物和一Mg(thd)2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
若该缓冲层22是氮化铝，该氮化铝缓冲层22的原料可由一AlCl3先驱物、一AlMe3先驱物、一AlEt3先驱物、一Me3N:AlH3先驱物和一Me2EtN:AlH3先驱物中的任一种先驱物及一NH3先驱物组成。
若该缓冲层22是氧化铝，该氧化铝缓冲层22的原料可由一AlCl3先驱物、一AlBr3先驱物、一AlMe3先驱物和一AlEt3先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
于一具体实施例中，该缓冲层22可以通过一原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)制程、一电浆增强原子层沉积(plasma-enhanced ALD)制程或一电浆辅助原子层沉积(plasma-assisted ALD)制程形成，该缓冲层22还可由原子层沉积制程和电浆增强原子层沉积制程或原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
于实际应用中，该缓冲层22的形成可以在一介于室温至1200℃之间的制程温度下执行。该缓冲层22于形成后，可以进一步于一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火。
于另一具体实施例中，该缓冲层22还可以通过一选择性蚀刻制程形成。
请参阅图3A至图3I，图3A至图3I显示了根据本发明的另一具体实施例的制 造一半导体发光元件2的方法的截面视图。
首先，如图3A所示，该方法制备一基板20。
接着，如图3B所示，于一具体实施例中，该方法可以通过一原子层沉积制程形成一缓冲层22于该基板20的一上表面200上。然后，如图3C所示，该方法可以选择性地形成蚀刻阻抗层(例如，光阻)于该缓冲层22的表面上并且执行一选择性蚀刻制程于该缓冲层22的表面上。之后，如图3D所示，该方法可以选择性形成该缓冲层22于该基板20的该上表面200上，致使该基板20的该上表面200部分外露。
于另一具体实施例中，如图3E所示，该方法可以先选择性地形成蚀刻阻抗层(例如，光阻)于该基板20的表面200上。然后，如图3F所示，该方法可以通过一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程形成该缓冲层22于该基板20的该上表面200上，该缓冲层22还可由原子层沉积制程和电浆增强原子层沉积制程或原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。之后，如图3G所示，该方法可以通过一剥离法(lift-off method)将蚀刻阻抗层移除，以选择性地形成该缓冲层22于该基板20的该上表面200上，致使该基板20的该上表面200部分外露。
接着，如图3H所示，该方法形成一多层结构24以覆盖该缓冲层22及该基板20的外露的该上表面200，其中该多层结构24包含一发光区242。该缓冲层22可以辅助该多层结构24的一最底层240侧向磊晶及垂直磊晶。最后，如图3I所示，该方法可以选择性地蚀刻该多层结构24并形成欧姆电极结构26于该多层结构24上。
相比现有技术，根据本发明的半导体发光元件选择性地形成缓冲层于基板的表面上。缓冲层可用以散射由半导体发光元件射出的光线以降低全反射，进一步提升半导体发光元件的外部量子效率。此外，缓冲层亦可以提供良好的侧向磊晶及垂直磊晶，以提高半导体发光元件的磊晶品质。
通过以上优选实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的优选实施例来对本发明的目的加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的目的内。因此，本发明所申请的专利范围的目的应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。
Claims (26)
1.一种半导体发光元件，包含：
一基板；
一缓冲层，该缓冲层是选择性地形成于该基板的一上表面上并使该基板的该上表面部分外露；
一多层结构，该多层结构的形成覆盖了该缓冲层及该基板外露的该上表面，该多层结构包含一发光区，其中该缓冲层辅助该多层结构的一最底层侧向磊晶及垂直磊晶；以及
一欧姆电极结构，该欧姆电极结构形成于该多层结构上。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层是由氧化锌、氧化锌镁、氮化铝以及氧化铝中的其中一种材料形成。
3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，该最底层是由氮化镓所形成。
4.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层的厚度范围从10nm至500nm。
5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层由一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程形成，该缓冲层还可由原子层沉积制程和电浆增强原子层沉积制程或原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
6.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层还通过一选择性蚀刻制程形成。
7.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层的形成在一介于室温至1200℃之间的制程温度下执行。
8.如权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，该缓冲层于形成后，是进一步于一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火。
9.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该氧化锌缓冲层的原料由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物和一ZnEt2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
10.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该氧化锌镁缓冲层的原料由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物、一ZnEt2先驱物、一MgCp2先驱物和一Mg(thd)2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
11.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该氮化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一AlMe3先驱物、一AlEt3先驱物、一Me3N:AlH3先驱物和一Me2EtN:AlH3先驱物中的任一种先驱物及一NH3先驱物组成。
12.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该氧化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一AlBr3先驱物、一AlMe3先驱物和一AlEt3先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种组成。
13.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该基板是一sapphire基板、一Si基板、一SiC基板、一GaN基板、一ZnO基板、一ScAlMgO4基板、一YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)基板、一SrCu2O2基板、一LiGaO2基板、一LiAlO2基板和一GaAs基板中的任一种基板。
14.一种制造一半导体发光元件的方法，该方法包含下列步骤：
制备一基板；
选择性形成一缓冲层于该基板的一上表面上，使该基板的该上表面部分外露；
形成一多层结构以覆盖该缓冲层及该基板的外露的该上表面，该多层结构包含一发光区并且该缓冲层辅助该多层结构的一最底层侧向磊晶及垂直磊晶；以及
形成一欧姆电极结构于该多层结构上。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该缓冲层由氧化锌、氧化锌镁、氮化铝以及氧化铝中其中一种材料形成。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该最底层是由氮化镓所形成。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该缓冲层的厚度范围从10nm至500nm。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该缓冲层由一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程形成，该缓冲层还可由原子层沉积制程和电浆增强原子层沉积制程或原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该缓冲层还通过一选择性蚀刻制程形成。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该缓冲层的形成在一介于室温至1200℃之间的制程温度下执行。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该缓冲层于形成后，进一步于一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该氧化锌缓冲层的原料由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物和一ZnEt2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该氧化锌镁缓冲层的原料由一ZnCl2先驱物、一ZnMe2先驱物、一ZnEt2先驱物、一MgCp2先驱物和一Mg(thd)2先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该氮化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一AlMe3先驱物、一AlEt3先驱物、一Me3N:AlH3先驱物和一Me2EtN:AlH3先驱物中的任一种先驱物及一NH3先驱物组成。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该氧化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一AlBr3先驱物、一AlMe3先驱物和一AlEt3先驱物中的任一种先驱物及一H2O先驱物、一O3先驱物、一O2电浆和一氧自由基中的任一种先驱物组成。
26.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该基板为一sapphire基板、一Si基板、一SiC基板、一GaN基板、一ZnO基板、一ScAlMgO4基板、一YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)基板、一SrCu2O2基板、一LiGaO2基板、一LiAlO2基板和一GaAs基板中的任一种基板。
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