发光二极管及其制造方法、集成发光二极管、以及显示器的制作方法

专利名称：发光二极管及其制造方法、集成发光二极管、以及显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管和发光二极管的制造方法，并且还涉及集成发光 二极管和集成发光二极管的制造方法。如上所述，本发明还涉及生长氮化物 基III-IV族化合物半导体的方法以及光源单元装置(cell unit )、发光二极管 背光装置(backlight)、发光二极管显示器和使用发光二极管的电子器件。更 特别地，本发明涉及使用氮化物基III-V族化合物半导体的发光二极管以及 多种使用该发光二极管的器件或者装置。
背景技术：
在诸如蓝宝石衬底的不同类型衬底上外延式生长GaN半导体的情况下， 会发生由于晶格常数或热膨胀系数之间的很大差异而引起的高密度晶体缺 陷，尤其是穿透位错(threading dislocation )。为了避免这种情况，到目前为止， 一种利用选择性侧向生长的位错密度 减小技术被广泛地使用。根据这种技术，在蓝宝石衬底或者其它衬底上外延 生长GaN半导体，然后将衬底从晶体生长装置上去除。由Si02等制成的生 长掩模在GaN半导体层上形成，接着将衬底返回到晶体生长装置，其中通 过利用生长掩模使GaN半导体再次外延式生长。虽然这种技术保证了位错密度在上部GaN半导体层中缩减，但是需要 两次外延式生长周期，进而引起成本增加。为了克服这个问题，已经提出了一种方法，其中要预先对不同的衬底进 行处理，以提供一种图案化的齿状(indented)表面，GaN半导体在经过如 此处理的衬底上外延式生长(例如参见Report of Mitsubishi Cable Industries,LTD., No.98, October, 2001, entitled "Developments of High-power UY LED Using ALEPS Technique，，以及日本专利特开No. 2004-6931和2004-6937 )。这 种方法在图36A至36C中示意性示出。如图36A所示，c蓝宝石衬底101 被处理过，以在其一个主表面上提供一种图案化的齿状表面。参考标记101a 表示凹进部分，参考标记101b表示突起部分。这些凹进部分101a和突起部 分101b沿着蓝宝石衬底的<1-100>方向延伸。接着，例如，经过图36B和 36C的步骤，GaN半导体102在蓝宝石衬底101上生长。在图36C中，虚线 表示生长过程中的生长界面。这种方法的特点在图36C中示出，例如，间隙 103在蓝宝石衬底101和GaN半导体层102之间于每个凹进部分101a中形 成。图37示意性示出了 一种在根据这种方法生长的GaN半导体层102上的 晶体缺陷分布。如图37所示，在每个突起部分101b之上的GaN半导体层 102在与突起部分101b上表面的交界面垂直的方向上发生穿透位错104，形 成高缺陷密度区105。另一方面，位于凹进部分101a之上、且在相邻的高缺 陷密度区105之间的部分是低缺陷密度区106。注意，在图36C中，位于在蓝宝石衬底101凹进部分101a内形成的间 隙103之下的GaN半导体层102的掩埋形态的形状是矩形。这个掩埋形态 某些情况下也可以是三角形的。这种情况下，掩埋在凹进部分101a之中的 GaN半导体层102与从突起部分101b开始横向生长的GaN半导体层102相 接触，进而形成间隙，比如矩形掩埋形态的情况。为了参考，图38A到38D示出了在凹进部分101a和突起部分101b的 延伸方向与蓝宝石衬底101的<1-100〉方向成直角相交叉的<11-20>方向的情 况下，GaN半导体层102是如何生长的。图39A到39F示意性地显示了相关技术中的另一种生长方法，与前面提 到的方法不同(例如参见日本专利特开No. 2003-318441 )。如图39A所示， 利用制造为具有图案化的齿状表面的蓝宝石衬底，经过图39B到39F示出的 步骤，在衬底上生长GaN半导体层102。根据本方法所述，形成GaN半导 体层102,但在蓝宝石表面101和GaN半导体层102之间没有形成间隙。发明内容如上所述，利用图36A 36C所示相关技术中的生长方法，在蓝宝石衬 底101和GaN半导体层102之间形成间隙103 。根据发明人进行的试验结果，通过在GaN半导体层102上生长GaN半导体层形成发光二极管结构时 出现一个问题，即这种发光二极管的发光效率低。可以按照下面考虑发光 二极管一旦工作，有源层发出的光反复地在间隙103反射，进而吸收光而导 致光提取效率的恶化。另一方面，利用图39A 39F所示相关技术中的另一种生长方法，其中 提出在蓝宝石衬底101和GaN半导体层102之间没有形成间隙。然而， 将GaN半导体层102的位错密度减小到与图36A ~ 36C所示相关技术中生长 方法的位错密度相似的程度是困难的。这导致了如下事实，当通过在具有高 位错密度的GaN半导体层102上生长GaN半导体层而使用发光二极管结构 时，这些GaN半导体层也会增加位错密度，进而引起发光效率的降低。需要提供一种发光二极管，通过解决上面讨论的诸如间隙形成问题，该 发光二极管在光提取效率上得到显著改善，并极大地提高了发光二极管氮化 物基III-V族化合物半导体层的结晶度，从而产生了非常高的发光效率，可 以通过一种外延生长法，以低成本制造制造这种发光二极管，并且还需要提 供一种制造上述类型二极管的方法。还需要提供一种具有上述优点的集成发光二极管和制造该集成发光二 极管的方法。此外，还需要提供一种生长氮化物基III-V族化合物半导体的方法，这 种氮化物基m-v族化合物适用于制造这种发光二极管或者集成发光二极管。此外，还需要提供多种高性能器件，例如使用上述发光二极管的光源单 元装置、发光二极管背光装置、发光二极管显示器和其它电子器件。 通过下面参照附图的描述，本发明的其它特点将变得明显。 下面，将对本发明的若干实施例进行概述。根据本发明的第一实施例，其提供了一种制造发光二极管的方法，该方 法包括步骤是提供在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底，通过 在截面上形成将凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，生长第一氮化物 基III-V族化合物半导体层，从而掩埋凹口部分；在衬底上从第一氮化物基 III-V族化合物半导体层，横向生长第二氮化物基III-V族化合物半导体层； 在第二氮化物基III-V族化合物半导体层上依次生长具有第一导电类型的第三氮化物基m-v族化合物半导体层、有源层和具有第二导电类型的第四氮化物基iii-v族化合物半导体层。第 一氮化物基iii-v族化合物半导体层和第二氮化物基ni-v族化合物半 导体层可以是p、 n和i中的任意一种类型，也可以是同一种导电类型或者是 彼此不同的导电类型。此外，不同类型的两个或多个部分可以混合在第一氮 化物基ni-v族化合物半导体层和第二氮化物基in-v族化合物半导体层中。典型地，当第一氮化物基in-v族化合物半导体层生长时，在沿与衬底 的一个主表面相垂直的方向上，从衬底凹口部分底面的界面发生位错。当该 位错到达第一氮化物基ni-v族化合物半导体层的斜面或者其附近时，其中 该半导体层处于形成截面为三角形的状态，其弯曲以沿与所述一个主表面平 行的方向远离三角形部分。同样典型地，当分别形成第一氮化物基in-v族 化合物半导体层和第二氮化物基ni-v族化合物半导体层时，在衬底凹口部 分的底面上，形成具有第一宽度的第一凹点，在衬底凹口部分相对侧形成具 有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。如上面提出的方式，通过 生长的第 一 氮化物基in-v族化合物半导体层和第二氮化物基ni-v族化合物 半导体层的反射形成这些第一和第二凹点。典型地，凹口部分和突起部分应该被交替地设置在衬底的 一个表面上。形成的凹口部分可以以条带状的方式 沿一个方向延伸，或者以条带状的方式在第一方向和第二方向上延伸，其至 少相互交叉，进而提供两维图案，在这里突起部分是三角形、四角形、五角 形、六角形或者其它角被截去或修圆的形状或者是圓形、椭圆形、点等形状。 在一个优选实施例中，突起部分是六角平面形状，并且这样的突起部分以蜂房形式在两维上排列，凹口部分可以环绕每个突起部分。这可以使其在360度的全方向上高效地从有源层提取光。作为选择，凹口部分具有六角平面形 状，凹口部分在二维上以蜂房的形式排列，突起部分环绕每个凹口部分。例 如，在衬底的凹口部分呈带状的时候，这个凹口部分沿第一氮化物基m-v 族化合物半导体层的<1-100>方向延伸。凹口部分的截面可以具有多种形状， 例如长方形、倒转梯形等等，并且侧壁可以包括平坦面，不过也可包括具有 微小斜率的曲面，角部可以是圆的。从改善光提取效率的角度出发，优选的是凹口部分的截面是倒转梯形。在这种情况下，从使第二氮化物基iii-v族化合物半导体层的位错密度最小的角度出发，优选的是当凹口部分的深度 为d,凹口部分的底面宽度为wg，第一氮化物基ni-v族化合物半导体层的倾斜面(截面为三角形)和衬底一个主表面之间构成的角度为a时，d、 Wg和a由关系2d> Wgtana确定。因为a通常为常数，d和Wg由不等式确定。 如果d太大，凹口部分内部的起始气体不能按照要求供应，因此阻止了从凹 口部分的底部形成第一氮化物基III-V族化合物半导体层。相反，如果d太 小，第一氮化物基III-V族化合物半导体层不仅生长在衬底的凹口部分也生 长在其相对侧(通常是突起部分)的部分。从防止形成这种结构的角度出发， 通常，选择d的范围是0.5|am<d<5pm,优选d在1.0士0.2pm的范围内。 Wg通常在0.5 ~ 5|tmi的范围内，优选在2±0.5|tmi的范围内。尽管基本是任 意选择突起部分的上表面宽度Wt，但是突起部分是用于横向生长第二氮化 物基III-V族化合物半导体层的区域，因此更大的宽度可形成具有减小位错 密度部分的更大区域。Wt通常的范围是1 ~ 1000pm，优选在4士2pm的范围 内。为了在衬底的凹口部分生长第一氮化物基III-V族化合物半导体层，可 以在凹口部分的相对侧的衬底上形成非晶层(amorphous layer )。非晶层将是生长掩模。这是因为在生长时不可能在非晶层上成核。例如，为了非晶化可 以对单个晶体衬底的表面层进行离子注入或者通过任意一种膜生长方法在衬底上以形成非晶层。非晶层由非晶硅U-Si)膜构成，例如，非晶硅膜包 括Si02膜，SiN膜(不仅包括Si3N4膜还包括那些通过等离子化学气相淀积 (CVD )形成的具有不同组分的膜)以及SiON (包括O和N之间的比例发 生变化以及折射率和侧面形状符合预期设计的情况)，并且非晶层通常是绝 缘膜。此外，可以在每个凹口部分相对侧的衬底上，依次形成第一非晶层、 第二非晶层和第三非晶层，其被用作第一氮化物基III-V族化合物半导体层 生长时的生长掩模。在这种情况下，第二非晶层应该是相对例如第一和第三 非晶层能够被选^^性蚀刻的非晶层。在横向生长第二氮化物基III-V族化合物半导体层后，可能有下面的过 程，其中，移去除第二氮化物基III-V族化合物半导体层每个凹口部分之上 的部分以外的部分，接着在留下的凹口部分上的第二氮化物基III-V族化合物半导体层上横向生长第三氮化物基m-v族化合物半导体层，然后在第三 氮化物基in-v族化合物半导体层上依次生长有源层和第四氮化物基ni-v族 化合物半导体层。作为选择，在横向生长第二氮化物基m-v族化合物半导 体层后，可能有另 一个过程，在该过程中，可以移去除位于第二氮化物基in-v 族化合物半导体层每个凹口部分上的部分以外的部分，接着在留下的凹口部分上的第二氮化物基m-v族化合物半导体层上横向生长第五氮化物基III-V族化合物半导体层，然后在第五氮化物基III-V族化合物半导体层上依次生长第三氮化物基in-v族化合物半导体层、有源层和第四氮化物基ni-v族化 合物半导体层。形成的第三氮化物基in-v族化合物半导体层具有第一导电类型的电 极，其与第三氮化物基ni-v族化合物半导体层电连接或者接触。同样地， 具有第二导电类型的电极在与第四层电连接的状态下形成在第四氮化物基in-v族化合物半导体层上。衬底可以由多种材料构成。对于由与氮化物基in-v族化合物半导体层不同类型材料构成的衬底，例如，特别提到的是由蓝宝石(具有c、 a、 r面 以及空闲面，off face )、 SiC(包括6H， 4H和3C )、 Si、 ZnC、 ZnO、 LiMgO、 GaAs、 MgAl204等构成的衬底。优选地，使用由这些材料构成的六角形或者 立方体衬底，更优选的是六角形村底。作为选择，也可以使用由氮化物基III-V 族化合物半导体构成的衬底，例如GaN、 InAlGaN、 A1N等等。那些通过在 由与氮化物基III-V族化合物半导体不同类型的材料构成的衬底上生长氮化物基m-v族化合物半导体层并在氮化物基in-v族化合物半导体层形成凹口 部分得到的衬底也可以作为选择。此外，可以使用另一种类型的衬底，其中形成衬底的组成材料与氮化物基III-V族化合物半导体不同，在该衬底上具有一层，在类型上构成该层的材料与氮化物基in-v族化合物半导体不同， 该层作为至少由一种材料构成的层叠多晶或者非晶层，接着将该层部分图案 化到衬底的深度，这样就形成了齿状图案表面。注意如果需要，可以移去衬底。最一般地，被用作第一到第五氮化物基m-v族化合物半导体层以及有 源层的氮化物基ni-v族化合物半导体层由表达式为AlxByGa卜x.y-zInzAsuN.u-vPv的半导体构成，其中0《x《1、 0<y《l、 0《z《l、 0《u《l, 0<v《l,并且0《x + y+z〈1 JL0<u + v<l。 4尤选;也，4是到的表达 式是AlxByGa,—x.y.zInzN,其中0《x《l，0《y《l，0《z《1,并且0《x + y+z<l 。 更加优选地，半导体层由AlxGa!-x -zInzN构成，其中0《x《1、 0《z《l。具 体实例包括GaN、 InN、 A1N、 AlGaN、 InGaN、 AlGalnN等等。将被掩埋在 衬底凹口部分的第一氮化物基III-V族化合物半导体层优选由GaN、 InxGai.xN、 AlxGa,.xN、 AlxIriyGa!.x.yN构成，在IrixGa^N中，0<x<0.5;在AlxGa^N中，0<x<0.5;在AlxInyGa!.x.yN中，0<x<0.5、 0<y<0.2。第一导电 类型可以是n型或p型的，相应地，第二导电类型可以是p型或n型的。为了生长构成第一到第五氮化物基III-V族化合物半导体层和有源层的 氮化物基III-V族化合物半导体层，例如，可以使用金属-有机化学气相淀 淀法(MOCVD)、氢化物或者卣化物气相外延法(HVPE)、分子束外延法 (MBE)和其它许多外延法。根据本发明的第二个实施例，其提供了一种发光二极管，该发光二极管 包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在村底上且在 凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基ni-V族化合物半导体层；以及在 第六氮化物基m-v族化合物半导体层上生长的具有第一导电类型的第三氮化物基in-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化 物基m-v族化合物半导体层。在该发光二极管中，在第六氮化物基m-v族 化合物半导体层中，在沿与一主表面相垂直的方向上，从与凹口部分底面之 间的界面发生位错，该位错可以到达或者接近以凹口部分底面作为底边的三 角形的倾斜面，并且沿与一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第三个实施例，其提供了一种发光二极管，该发光二极管包括在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且没有 在凹口部分中形成间隙的第六氮化物基III-V族化合物半导体层；以及在第六氮化物基ni-v族化合物半导体层上生长的具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化物基m-v族化合物半导体层。在该发光二极管中，衬底可以在凹口部分的底面上形成具有第一宽度的第一凹点(pit),并在凹口部分的相对侧形成具有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。根据本发明的第二、第三以及后面出现的第五、第六、第八到第十七实 施例，第六氮化物基ni-v族化合物半导体层分别与第一实施例中的第一氮 化物基ni-v族化合物半导体层和第二氮化物基ni-v族化合物半导体层相对应。应该注意除了在个别实施例中另外声明或者另外需要外，与第一实施 例相关的所有说明对于本发明的第二 、第三实施例以及后面出现的第四到第 十八实施例同样是成立的。根据本发明的第四实施例，提供了一种制造集成发光二极管的方法，该集成发光二极管中集成了多个发光二极管，该方法包括以下步骤通过在截 面上形成将凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，在衬底的一个主表面 上的至少一个凹口部分上生长第一氮化物基iii-v族化合物半导体层，从而掩埋凹口部分；在衬底上从第一氮化物基iii-v族化合物半导体层，横向生 长第二氮化物基ni-v族化合物半导体层；在第二氮化物基iii-v族化合物半 导体层上依次生长具有第一导电类型的第三氮化物基iii-v族化合物半导体层、有源层、第四氮化物基in-v族化合物半导体层。根据本发明的第五实施例，提供了一种集成发光二极管，其中，集成发光二极管中集成了多个发光二极管，其至少一个发光二极管包括在一个主 表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基ni-v族化合物半导体层；以及在第六氮化物基ni-v 族化合物半导体层上形成的具有第一导电类型的第三氮化物基m-v族化合 物半导体层、有源层和具有第二导电类型的第四氮化物基iii-v族化合物半 导体层。在该发光二极管中，在第六氮化物基ni-v族化合物半导体层中， 在沿与 一个主表面相垂直的方向上，从与凹口部分底面之间的界面发生位 错，该位错到达或者接近以凹口部分底面作为底边的三角形的倾斜面，并且 向沿与 一主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第六实施例，提供了一种集成发光二极管，其中，集成发光二极管中集成了多个发光二极管，至少一个发光二极管包括在一个主表 面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成 间隙的第六氮化物基iii-v族化合物半导体层；以及在第六氮化物基iii-v族 化合物半导体层上生长的具有第一导电类型的第三氮化物基iii-v族化合物 半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化物基iii-v族化合物半 导体层。在该发光二极管中，在衬底凹口部分的底面上，可以形成具有第一 宽度的第一凹点，在衬底凹口部分相对侧形成具有第二宽度的第二凹点，第 二宽度比第一宽度大。在本发明的第四到第六实施例中，集成发光二极管能够应用在多个领域 中。典型的用途是发光二极管背光装置，例如液晶显示器、发光二极管照明 设备、发光二极管显示器等等。集成发光二极管关于二极管的排列结构和方 式是任意的。例如，发光二极管能够以二维阵列的方式排列，或者带状发光 二极管以一行或者多行排列。集成发光二极管的形式包括这样一种形式，其中根据一种所谓的半导体制造技术对具有半导体层堆叠结构的晶片进行切块处理(block processed )，以提供电路图案和集成且多个精细(microfmely) 排列的各个发光二极管，或者包括这样的形式，其中在电路图案上将预先分 成微片(microchipped )的各个发光二极管进行精细地多个排列。此外，这 些发光二极管可以独立驱动或者同时驱动。可选择地，可以对在随意设置区 域内的一组发光二极管分块(即区域驱动)进行独立驱动。根据本发明的第七实施例，提供了 一种生长氮化物基III-V族化合物半 导体层的方法，该方法包括步骤提供在其一个主表面上具有至少一个凹口 部分的衬底，并通过在截面上形成将凹口部分的底面作为底边的三角形的状 态，生长第一氮化物基III-V族化合物半导体层，从而掩埋凹口部分；以及 在衬底上从第一氮化物基III-V族化合物半导体层，横向生长第二氮化物基 III-V族化合物半导体层。二极管和集成发光二极管的制造上，而且还可以应用在各种半导体器件的制造上。根据本发明的第八实施例，提供一种用于生长氮化物基III-V族化合物 半导体的衬底，其包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底； 以及生长在衬底上且在凹口部分上没有形成间隙的第六氮化物基III-V族化 合物半导体层。在该衬底上，在第六氮化物基III-V族化合物半导体层中， 沿与一个主表面相垂直的方向上，从与凹口部分底面之间的界面发生位错， 该位错到达或者接近以凹口部分底面作为底边的三角形的倾斜面，并且沿与 所述一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第九实施例，提供一种用于生长氮化物基m-v族化合物半导体的衬底，其包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底； 以及生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V族化 合物半导体层。衬底可以在凹口部分的底面上形成具有第一宽度的第一凹 点，在凹口部分相对侧可以形成具有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。根据本发明的第十实施例，提供了一种光源单元装置，其包括印刷电路 板和形成在印刷电路板上的多个单元(cell),每个单元包括至少一个红色发 光二极管、至少一个绿色发光二极管、至少一个蓝色发光二极管。在光源单元装置中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管中的至少一个二极管可以包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基in-v族化合物半导体层；以及在第六氮化物基m-v族化合物半导体层上生长的具有第一导电 类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化物基in-v族化合物半导体层。在第六氮化物基m-v族化合物 半导体层中，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上，从与凹口部分底面之 间的界面发生位错，该位错到达或者接近以凹口部分底面作为底边的三角形 的倾斜面，并且沿与一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第十一实施例，提供了一种发光二极管背光装置，其包括 排列成图案的多个红色发光二极管、多个绿色发光二极管和多个蓝色发光二 极管。在发光二极管中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬 底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V族化合物半导体层；以及在第六氮化物基in-v族化合物半导体层上形成的具有 第一导电类型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以及具有第 二导电类型的第四氮化物基m-v族化合物半导体层。在第六氮化物基ni-v 族化合物半导体层中，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上，从与凹口部 分底面之间的界面发生位错，该位错到达或者接近以凹口部分底面作为底边 的三角形的倾斜面，并且沿与所述一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第十二实施例，提供了一种发光二极管背光装置，其包括 排列成图案的红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，每一种 二极管在数目上都是多个，其中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口 部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基m-v族化合物半导体层；以及在第六氮化物基in-v族化合物半导体层上形 成的具有第一导电类型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以 及具有第二导电类型的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中，衬底 在凹口部分的底面上形成具有第一宽度的第一凹点，在凹口部分相对侧形成具有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。根据本发明的第十三实施例，提供了一种发光二极管照明设备，其包括排列成图案的红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，每种二 极管在数目上都是多个，其中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发 光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V 族化合物半导体层；以及在第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的 具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层以及具 有第二导电类型的第四氮化物基III-V族化合物半导体层，其中，在第六氮 化物基m-v族化合物半导体层中，在沿与一个主表面相垂直的方向上，从与凹口部分底面之间的界面发生位错，该位错到达或者接近以凹口部分底面 作为底边的三角形的倾斜面，并且沿与一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第十四实施例，提供了一种发光二极管照明设备，其包括 排列成图案的红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，每一种 二极管在数目上都是多个，其中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口 部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 III-V族化合物半导体层；以及在第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的具有第一导电类型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以 及具有第二导电类型的第四氮化物基in-v族化合物半导体层，其中衬底在 凹口部分的底面上形成具有第 一宽度的第 一 凹点，在凹口部分相对侧形成具 有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。根据本发明的第十五实施例，提供了一种发光二极管显示器，其包括排 列成图案的红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，每一种二 极管在数目上都是多个，其中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部 分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V 族化合物半导体层；以及在第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的 具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层以及具 有第二导电类型的第四氮化物基III-V族化合物半导体层，其中在第六氮化 物基III-V族化合物半导体层中，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上， 从与凹口部分底面之间的界面发生位错，该位错到达或者接近以凹口部分底 面作为底边的三角形的倾斜面，并且沿与所述一个主表面平行的方向弯曲。根据本发明的第十六实施例，提供了一种发光二极管显示器，其包括排 列成图案的红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，每一种二 极管在数目上都是多个，其中，红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发 光二极管中的至少一个二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V 族化合物半导体层；以及在第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的 具有第一导电类型的第三氮化物基m-V族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中，衬底在凹 口部分的底面上形成具有第一宽度的第一凹点，在凹口部分相对侧形成具有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。在根据本发明的第十到第十六实施例中，例如，红色发光二极管可以是使用AlGalnP半导体的发光二极管。根据本发明的第十七实施例，提供一种包括至少一个发光二极管的电子 设备，该至少一个发光二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口部 分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V族化合物半导体层；以及在第六氮化物基ni-v族化合物半导体层上形成的 具有第一导电类型的第三氮化物基m-v族化合物半导体层、有源层以及具 有第二导电类型的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中在第六氮化 物基in-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上， 从与凹口部分底面之间的界面发生位错，该位错到达或者接近以凹口部分底 面作为底边的三角形的倾斜面，并且沿与所述一个主表面平行的方向弯曲。 根据本发明的第十八实施例，提供了 一种包括至少一个发光二极管的电子设备，该至少一个发光二极管包括在其一个主表面上具有至少一个凹口 部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 III-V族化合物半导体层；以及在第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形 成的具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型的第四氮化物基in-v族化合物半导体层，其中，衬底 在凹口部分的底面上形成具有第一宽度的第一凹点，在凹口部分相对侧形成具有第二宽度的第二凹点，第二宽度比第一宽度大。在本发明的第十七和第十八实施例中，除了发光二极管背光装置(例如 用于液晶显示器等的背光装置)、发光二极管照明设备、发光二极管显示器等外，电子设备还包括使用发光二极管作为光源的投影仪、背投电视、光栅 光阀(GLV)等。通常，电子设备基本可以是任意类型，只要电子设备至少 具有一个发光二极管用于显示、照明、光通信、光传输等，其可以包括便携 式和台式。除了上面描述的实例，具体实例还包括手机、移动设备、机器人、 个人电脑、车载设备、各种家用电子产品、发光二极管光通信设备、发光二 极管光传输设备等。电子设备还包括两种或者更多类型的发光二极管组合， 在波长范围上，发光二极管能够发出不同波长的光，波长范围包括远红外波 长范围、红外波长范围、红色波长范围、黄色波长范围、绿色波长范围、蓝 色波长范围、紫色波长范围、紫外波长范围等。特别地，发光二极管器件具 有能够发出不同波长范围可见光的两个或多个发光二极管，可见光的波长范 围在红色波长范围、黄色波长范围、绿色波长范围、蓝色波长范围和紫色波 长范围中选择。将这些发光二极管发出的两种或多种光进行混合得到自然光 或者白色光。此外，作为光源，使用能够发光的发光二极管，该光的波长是 蓝色波长范围、紫色波长范围、紫外波长范围的至少一种波长范围内，这种 发光二极管发出的光照射荧光体，荧光体激发后获得的光被混合得到自然光 或者白色光。根据本发明的第十九实施例，提供了一种制造电子器件的方法，该方法包括步骤提供在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底，；通过在截 面上形成将凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，在凹口部分上生长第 一层，并掩埋凹口部分；以及在衬底上从第一氮化物基化合物半导体层，横 向生长第二层。根据本发明的第二十实施例，提供了一种电子器件，该电子器件包括 在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；生长在衬底上且在凹口部分 中没有形成间隙的第三层，其中，在第三层中，在沿与所述一个主表面相垂 直的方向上，从与凹口部分底面之间的界面发生位错，该位错到达或者接近 以凹口部分底面作为底边的三角形的倾斜面，并且沿与所述一个主表面平行 的方向弯曲。在本发明的第十九和第二十实施例中，除了氮化物基III-V族化合物半 导体外，第一到第三层可以是具有纤维锌矿(wurtzit)结构的其它类型半导 体或者更一般地是诸如ZnO、 a-ZnS、 ot-CdS、 a-CdSe等六方晶体(hexagonal crystal)结构以及具有其它晶体结构的多种半导体。使用这些半导体的半导体器件包括发光器件、光接收器件；发光器件例如有普通发光二极管、中间次能带跃迁(量子级联，quantum cascade )发光二极管、普通半导体激光器、 中间次能带跃迁(量子级联)半导体激光器等，光接收器件例如有光电二极 管、传感器、太阳能电池、电子跃迁器件，典型的电子跃迁器件是晶体管， 该晶体管包括诸如高电子迁移率晶体管的场效应晶体管(FET)和诸如异质 结双极晶体管(HBT)的双极晶体管。可以单个或者多个地将这些器件安装 在同一个衬底或者芯片上。如果需要，可以将这些器件排列成能够独立驱动 的方式。在同一衬底上，使用集成发光器件和电子跃迁器件可以构成光电子 集成电路(OEIC)。根据需要，可以形成光线路。此外，当使用至少一个发 光器件(发光二极管或者半导体激光器)来允许光发射时，可以进行照明通 信或者光通信。在这种情况下，可以使用不同波长范围的多个光束进行照明 通信(lighting communication )或者光通信。除了这些半导体器件(例如发光器件、光接收器件、电子跃迁器件等) 外，电子器件包括压电器件、热电器件、光器件(例如使用非线性光学晶体 的二阶谐波发生器、包括铁电器件的电介质器件)和超导器件等。就此而论， 第 一到第三层的材料可以包括上面所述的多种半导体，特别是压电器件和热 电器件、光器件、电介质器件和超导器件，并且可以使用诸如具有六方晶体 结构的氧化物的多种材料。当利用这些包括发光二极管或者半导体激光器的电子器件时，可以提供 发光二极管背光装置、发光二极管照明器件、发光二极管显示器、使用发光 二极管或者半导体激光器作为光源的投影仪或者背投电视和诸如光栅光阀 的电子设备。对于本发明的第十九和第二十实施例，如第 一到第十八实施例中的这些 应用也同样适用于第十九和第二十实施例。如上文所述，根据本发明的实施例，从衬底凹口部分的底部，开始生长 第一氮化物基III-V族化合物半导体层。在生长期间，通过在截面上形成将 凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，形成了第一氮化物基III-V族化 合物半导体层，进而掩埋凹口部分，该层在凹口部分没有形成间隙。此后，从第 一氮化物基m-v族化合物半导体层上横向生长第二氮化物基in-v族化 合物半导体层。在这个阶段，在第一氮化物基ni-v族化合物半导体层中， 在沿与衬底的一个主表面相垂直的方向上，从与村底凹口部分底面之间的界面发生位错。该位错到达第一氮化物基III-V族化合物半导体层的倾斜面或 者接近第一氮化物基III-V族化合物半导体层的倾斜面，在这种情况下，当第二氮化物基m-v族化合物半导体层生长时，位错沿与衬底的所述一个主表面平行的方向弯曲。当第二氮化物基in-v族化合物半导体层生长到令人 满意的厚度时，在与衬底所述一个主表面平行的位错上方的部分变成位错密 度非常小的一个区域。根据该方法，可以利用外延生长技术，生长第一到第 四氮化物基ni-v族化合物半导体层。更一般地讲，当将第一氮化物基ni-v族化合物半导体层仅仅作为第一 层、第二氮化物基m-v族化合物半导体层仅仅作为第二层时，也可以取得 相似的结果。根据本发明的实施例，在第一氮化物基m-v族化合物半导体层和第二 氮化物基ni-v族化合物半导体层以及衬底之间没有形成空间或者间隙，光 提取效率能够得到明显改善。因为第二氮化物基m-v族化合物半导体层的 结晶度变得良好，所以可以显著改善在第二层上生长的第三氮化物基ni-v 族化合物半导体层、有源层和第四氮化物基ni-v族化合物半导体层的结晶 度。最后，得到具有光发射效率非常高的发光二极管。此外，因为发光二极 管可以由一次外延形成，所以制造成本低。因此，能够实现高性能光源单元 装置、发光二极管背光装置、发光二极管照明设备和发光二极管显示器的制 造以及使用光发射效率高的发光二极管的各种类型的电子设备。更一般地，当将第一氮化物基ni-v族化合物半导体层作为第一层、第 二氮化物基ni-v族化合物半导体层作为第二层时，可以取得相似的结果。面和其它的特点、优势将变得显而易见。


图1A到图1F分别是说明根据本发明第一实施例制造GaN发光二极管 的方法的截面图。图2是平面图，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，在蓝宝石衬底上形成凹口部分和突起部分的平面形状的例子。图3是示意图，其显示了如何从根据本发明的第一实施例获得的GaN 发光二极管提取光。图4是示意图，其显示了蓝宝石衬底，该蓝宝石衬底用于在根据本发明第 一 实施例制造GaN发光二极管的方法中。图5是示意图，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，如何在蓝宝石 一于底上生长GaN层。图6是示意图，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，在蓝宝石衬底上生长的GaN中晶体缺陷的分布。图7是照片，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极管 的方法中，在蓝宝石衬底上生长的GaN层的平面阴极发光图像。图8A和8B是示意图，其分别说明了在^^艮据本发明第一实施例制造GaN 发光二极管的方法中，通过对蓝宝石衬底上生长的GaN层进行TEM观察而 得到的位错行为。图9是示意图，其说明了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，在蓝宝石衬底上生长的GaN层中位错密度的估计结果。图IOA和IOB是显微照片，其分别显示了在根据本发明第一实施例制 造GaN发光二极管的方法中，生长在蓝宝石衬底上的GaN层界面的截面 ''EM观察结果。图ll是示意图，其说明了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，在蓝宝石衬底上生长GaN层时的凹点的形成。图12A到12C是显微照片，其分别显示了在根据本发明第一实施例制 造GaN发光二极管的方法中，生长在蓝宝石衬底上的GaN层界面的截面 TEM观察结果。图13A和13B是示意图，其分别说明了图12B和12C中GaN层的厚度分布。图14是示意图，其显示了根据本发明第一实施例制造GaN发光二极管的跟踪仿真结果。图15是示意图，其说明了用于对根据本发明第一实施例制造的GaN发 光二极管的光提取效率进行改善的优化条件。图16是曲线图，其显示了在根据本发明第一实施例制造的GaN发光二 极管中，使用的蓝宝石衬底倾斜表面的面积比的仿真结果。图17是曲线图，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，使用的蓝宝石衬底倾斜表面的面积比的仿真结果。图18是曲线图，其显示了在根据本发明第一实施例制造GaN发光二极 管的方法中，使用的蓝宝石村底的倾斜表面的面积比的仿真结果。图19是示意图，其说明了根据本发明第一实施例制造的GaN发光二极 管的有源层的表面平坦性。图20是示意图，其说明了根据本发明第一实施例制造的GaN发光二极 管的有源层的表面平坦性。图21A到21E是截面图，其分别说明了根据本发明第二实施例制造GaN 发光二极管的方法。图22A到22G是截面图，其分别说明了根据本发明第三实施例制造GaN 发光二极管的方法。图23A到23F是截面图，其分别说明了根据本发明第四实施例制造GaN 发光二极管的方法。图24A到24G是截面图，其分别说明了根据本发明第五实施例制造GaN 发光二极管的方法。图25A到25G是截面图，其分别说明了根据本发明第六实施例制造GaN 发光二极管的方法。图26A到26B是截面图，其分别说明了根据本发明第七实施例制造GaN 发光二极管的方法。图27A到27J是截面图，其分别说明了才艮据本发明第八实施例制造GaN 发光二极管的方法。图28A到28C是截面图，其分别说明了根据本发明第九实施例制造GaN 发光二极管背光的方法。图29A和29B是透视图，其分别说明了根据本发明第九实施例的方法。图30是透视图，其说明了根据本发明第十实施例制造发光二极管背光 装置的方法。图31是透视图，其说明了根据本发明第十一实施例制造集成发光二极管的方法。图32是截面图，其显示了集成发光二极管，该集成发光二极管根据本 发明第十一实施例制造，并安装在基座(submount)上。图33A和33B分别是显示根据本发明第十二实施例的光源单元装置的 平面图和光源单元装置的单元的放大图。图34A和34B分别是显示根据本发明第十二实施例的光源单元装置的 具体实例的平面图。图35是平面图，其显示了一实例，该实例是才艮据本发明第十二实施例 的光源单元装置的另一单元的排列。图36A到36C分别是说明在齿状衬底上生长GaN半导体层的相关方法的截面图。图37是截面图，其说明了图36中所示相关方法的问题。图38A到38D是分别说明在齿状衬底上生长GaN半导体层的另一相关方法的截面图。图39A到39F是分别说明在齿状衬底上生长GaN半导体衬底的另 一相关方法的截面图。
具体实施方式
下文参考附图描述本发明的实施方式。注意，附图中相同的附图标记表 示相同的部件。图1A到1F按照步骤顺序，示出了才艮据本发明第一实施例的制造GaN 发光二极管的方法。第一实施例中，如图1A所示，提供了一在其一个主表面上具有齿状图 案的蓝宝石衬底ll。参考标记lla表示凹口部分或凹槽，参考标记llb表示 突起部分或突起。在这种情况下，凹口部分lla具有倒梯形截面。例如，蓝 宝石衬底11的主表面是c -面，凹口部分lla是沿蓝宝石衬底11的<1-100> 方向延伸的条形形状。虽然凹口部分lla和突起部分lib的平面形状可以分 别是在上文中分别列举过的形状，但是优选的例子在图2中示出。在这种情 况下，如图2所示，每个突起部分llb平面上是六边形，并且这些突起部分 被成形为二维形状，形成蜂窝状。凹口部分lla围绕各个突起llb形成。六 边形突起部分lib在六边形相对边之间有一定距离，例如3.8到4.2nm，优 选4)im。相邻六边形突起lib之间的距离被设定，例如为1.3到1.7pm，优 选1.5inm,但并不是限制性的。典型地，虛线的方向(也就是最相近的突起 部分lib的中心连接线的方向)与下文中将要描述的GaN层的m轴平行。 蓝宝石衬底11的表面锯齿可以根据许多方法实现，这些方法包括反应离子 蚀刻(RIE)法、喷粉技术、喷砂技术等。这些凹口部分lla和突起部分li的尺寸将在下文详细描述。然后，利用像热清洁(thermal cleaning )的方法来清洁蓝宝石衬底11的 表面，然后在蓝宝石衬底11上根据已知工序在生长温度例如约550° C下， 例如生长GaN緩沖层(未示出)。接着，利用一种例如为MOCVD的方法， 外延式生长GaN。在这个阶段，如图1B所示，这种生长是从凹口部分lla 的底面处开始的，GaN层12按照这样方式生长，以形成截面为等腰三角形， 其底部作为底边，相对于蓝宝石衬底11主表面倾斜的面作为斜侧面。例如， GaN层12沿<1-100>方向延伸，其倾斜侧的面或者表面为(1-101)面。这种 GaN层12可以是无掺杂的，也可以是掺杂有n型或p型杂质的。GaN层12 的生长条件将在下文描述。接着，继续GaN层12的生长，同时始终保持倾斜面的表面方向，凹口 部分lla其中被全部填充，如图1C所示。图1C中，虚线表示生长过程中的 生长界面(下文同)。然后，当生长继续，同时设定横向生长为主的条件时，GaN层12在突 起部分llb之上分布的同时其厚度增加，如图1D所示。最后，从相邻凹口 部分lla中生长出来的GaN层12在突起部分llb上方相互接触。之后，如图1E所示，GaN层12横向生长，使得GaN层12的表面形成 与蓝宝石衬底11的主表面平行的平坦表面。这样生长的GaN层12在凹口 部分lla之上具有非常低的位错密度。下面，如图1F所示，例如n型GalnN层13、 n型GaN层14、 n型GalnN 层15、有源层16、 p型GalnN层17、 p型AlInN层18、 p型GaN层19和p 型GalnN层20依次在GaN层12上外延式生长。有源层16具有，例如GalnN 基多层量子阱(MQW)结构(例如GalnN量子阱层和GaN势垒层交替层叠)。 有源层16的In组份是根据发光二极管的发射波长来选^^的，例如405nm发 射波长时接近(up to) 11%、 450nm波长时4妻近18%， 520nm波长时接近 24 % 。之后，为了激活p型GalnN层17、 p型AlInN层18、 p型GaN层19和 p型GalnN层20中的p型杂质，在混合气体气氛中进行热处理，这种混合 气体例如是550到750° C (例如650° C )或者580到620° C (例如600° C ) 温度下的N2和02 (组分例如为99 %的N2和1 %的02 )。在02与N2混合时， 这种激活更容易发生。热处理的时间范围，例如，从五分钟到两小时，或者40分钟到两小时。通常，这个时间范围是IO到60分钟。将热处理的温度抑 制到相对较低的值的原因是为了防止有源层16在热处理期间劣化。用于生长GaN半导体层的起始材料包括，例如，作为Ga材料的三乙基 镓((C2H5) 3Ga， TEG)或三曱基镓((CH3) 3Ga， TMG)，作为Al材料的 三曱基铝((CH3) 3A1， TMA),作为In材料的三曱基铟((CH3) 3In, TMI) 和作为N材料的铵(NH3 )。掺杂剂包括，例如作为n型掺杂剂的硅烷(SiH4) 和作为 p 型掺杂剂的双(曱基环戊二烯)镁 (bis(methylcyclopentadiene)magnesium， ( CH3C5H4) 2Mg )、双(乙基环戊二 蜂基)镁(bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium， ( C2H5C5H4 ) 2Mg )或者双 (环戊二烯基)镇(bis(cyclopentadienyl)magnesium, ( C5H5) 2Mg )。用于生长GaN半导体层的运载气体，例如可以釆用H2。接下来，要从MOCVD装置中除去蓝宝石衬底11，其中GaN半导体衬 底已经以前面描述的方式形成在该衬底上。之后，在p型GalnN层20上形成p侧电极21。用于p侧电极21的材 料由具有高反射率的欧姆金属组成，并且优选为Ag或Pd/Ag。注意，p侧电 极21可以在n型GalnN层13、 n型GaN层14、 n型GalnN层15、有源层 16、 p型GalnN层17、 p型AlInN层18、 p型GaN层19和p型GalnN层 20外延式生长之后再形成，但是要早于用于激活p型GalnN层17、p型AlInN 层18、 p型GaN层19和p型GalnN层20中的p型杂质的热处理。接着，例如根据RJE法、喷粉法、喷砂法等，n型GaN层14、 n型GalnN 层15、有源层16、 p型GalnN层17、 p型AlInN层18、 p型GaN层19和p 型GalnN层20按照所需形式图案化，从而形成台部分22。然后，在n型GalnN层13上在与台部分22相邻的部分处形成n侧电极 23 。 n侧电极23是一种具有例如为Ti/Pt/Au结构的电极。接着，如果有必要，其上已形成有如上所述的发光二极管结构的蓝宝石 衬底ll，可以从其背侧进行剪切或研磨，以减小其厚度，随后刻划蓝宝石衬 底11并形成条。之后，该条被刻划成芯片。在所得的GaN发光二极管中，如图3所示，通过在p侧电极21和n侧 电极23之间施加正向电压以在其间传送电流来进行光发射，光透过蓝宝石 衬底11被提取到外部。图3中，如图所示光是朝着上面射出，因此蓝宝石 衬底11是被设置在最上面的。对有源层16的In组份的恰当选择可以保证发射出红色至紫外线光，尤其是蓝光、绿光或红光。就此而论，有源层16产生的朝向蓝宝石衬底11的光分量在凹口部分lla中在蓝宝石衬底11和GaN 层12之间的界面处发生折射，之后经过蓝宝石衬底11射到外部。另一方面， 有源层16产生的朝向p侧电极21的光分量在p侧电极21处发生反射，并 朝着蓝宝石衬底ll,穿过蓝宝石衬底11射到外部。注意，图3中示出的光 是在构成发光二极管的GaN半导体层的折射率取GaN的折射率，即2.438, 蓝宝石衬底11的折射率采用1.785,空气的折射率釆用1的情况下的光。在第一实施例中，为了使GaN层12的穿透位错密度最小化，凹口部分 lla的宽度Wg、深度d、图1B中示出的状态下的GaN层12倾斜面与蓝宝 石衬底11主表面之间的角度cc满足下列不等式(参见图4)2d ^ Wgtana例如，当Wg=2.1(im, 01 = 59度时，d^l.75|im。同样，在Wg=2|im， a =59度的情况下，1.66pm,在Wg=1.5pm， a = 59度的情况下，1.245pm, 在Wg二1.2(im, a-59度的情况下，d^0.966(am。任何情况下，优选d〈5jam。在图1B和1C示出的步骤中生长GaN层12的阶段，用于生长的起始材 料V/III之间的比例设定为较高的值，例如在13000±2000范围内，并且生长 温度设定为较低的值，例如在1050士50。C。这保证了 GaN层12的生长，以 用来完全掩住凹口部分lla,同时允许相对于衬底11主表面倾斜的面出现在 倾斜表面上，如图1B和1C所示。在这种条件下，在突起部分llb上几乎未 生长GaN层12。 GaN层12的生长是在例如为l.O到2.0大气压下，优选大 约1.6大气压下进行的。这使得横向生长受到抑制，并容易选择在凹口部分 lla中发生GaN层的生长。生长速度的一般范围是从1.0到5.0jum/小时，优 选大约3.(Vm/小时。初始气体的流量，例如，TMG为20SCCM, NH3为20 SLM。另一方面，图1D和1E中示出步骤中的GaN层12的生长(横向生长) 是按照下列方式进行的起始材料V/III之间的比例设定为较低的值，例如 在5000士2000范围内，生长温度设定为较高的值，例如在1150士50。C。如果 生长温度高于上面的范围，获得的GaN层12在其表面上容易变得粗糙。另 一方面，如果温度较低，在GaN层12相互连接的位置处容易出现凹坑。初 始气体的流量，例如是，TMG为40SCCM, NH3为20 SLM。以这种方式， GaN层12像图1D和1E所示的那样横向生长，以获得了平坦的表面。在 GaN层12和蓝宝石衬底11之间没有间隙或者空洞出现。图5示意性示出了初始气体在GaN层12生长过程中是如何流动、如何 在蓝宝石衬底11之上扩散的。这个生长过程的最重要之处在于在生长的 初始阶段、在蓝宝石衬底ll的突起部分llb (台阶部分)处不生长GaN层 12，但是在凹口部分lla上开始生长GaN层12。其原因如下考虑。通常， 当TMG被用作Ga的起始材料且NH3被用作N的起始材料时，通过NH3和 Ga之间的直接反应生长GaN，该反应由下面的反应式表示Ga(CH3)3 (气体)+ 3/2H2 (气体)—Ga (气体)+ 3CH4 (气体)NH3 (气体)—(1 i) NH3 (气体)+ a/2N2 (气体)+ 3a/2H2 (气体)Ga (气体)+ NH3 (气体)=GaN (固体)+ 3/2H2 (气体)在反应期间，产生了H2气体。这个H2气体对晶体生长有反作用，即蚀刻作用。在图1B和1C示出的步骤中，在相关技术中，利用不是在使用的 平坦衬底上进行GaN生长的条件，即增强蚀刻作用、不易产生生长的条件 (增加v/m值的条件)，突起部分llb处的生长受到抑制。关于这一点，在 凹口部分lla内这种蚀刻作用是减轻的，因此产生了晶体生长。为了改善生 长中晶体的表面平坦度，在相关技术中，通常在增加横向生长程度(或者在 更高的温度下)的条件下，生长晶体。根据第一实施例，为了通过沿与蓝宝 石衬底11主表面平行的方向弯曲穿透位错并且在早期阶段采用GaN层12 掩埋凹口部分lla来减少穿透位错的数量，则在低于上文相关技术中提到的 温度(例如1050±50°C )下进行生长。图6示意性地示出了通过透射电子显微镜(TEM)确定的GaN层12的 晶体缺陷分布结果。图7示出了 GaN层12表面的平面阴极发光(planar cathode luminescence ) ( CL )图像。从图6中可以看出，尽管在从相邻凹口 部分lla生长的GaN层12的相互关联部分处位错密度变高，但是在包括凹 口部分lla上方部分的其它部分处的位错密度变低。例如，在凹口部分的深 度c^lpm、底表面的宽度Wg=2(im、突起部分1 lb的上表面宽度Wt = 2jim 的情况下，在这个低位错密度部分处，位错密度为1 x 107/cm2。因此，与采 用不进行表面锯齿化的蓝宝石衬底11的情况相比，位错密度降低了一个或 者两个数量级。也可以看出，在与凹口部分lla侧壁垂直的方向上，没有发 生位错。图7示出的平面阴极发光图与图6中结果非常一致。图6中，与凹口部分lla处的蓝宝石衬底11相接触的GaN层12的位错 密度高、且结晶度差的区域的平均厚度，是与突起部分llb处的蓝宝石衬底11接触的GaN层12的位错密度高、结晶度差的区域的平均厚度的1.5倍。 这个结果反映了 GaN层12在突起部分llb上的横向生长。图8A和8B示意性示出了 GaN层12生长过程中的位错行为，如在TEM 分析结果所发现的那样。图8A是截面图，图8B是与图8A中示出的截面图 相对应的平面图。总的来说，位错可以被分成两类。第一类位错((a+c)位错类型)如下所示。图8A和8B中，从与凹口 部分lla底部之间的界面上产生位错(1 ),位错(1 )在利用底部作为底边 的等腰三角形斜边的面(a)上、沿水平方向(即沿平行于蓝宝石衬底11主 表面的方向)弯曲。位错(1)继续延伸到凹口部分lla的侧壁，且在该处 消失。从与凹口部分lla底部之间的界面处发生位错(2),在表面(a)处 沿水平方向弯曲，并延伸到突起部分lib的中心附近。然后，位错(2)在 与突起部分lib中心相联的表面(c)处朝着上方(沿垂直于蓝宝石衬底11 主表面的方向)弯曲，再在相联部分处沿垂直方向上升，进而在突起部分lib 的中心处形成了穿透位错。这种(a+c)型穿透位错具有1/3<11-23>的伯格 斯矢量，并且集中在突起部分lla的中心处。下面说明第二类位错(a型位错)。如图8A和8B所示，从与凹口部分 lla底部之间的界面发生位错(3)，再在面(d)的附近沿水平方向弯曲，然 后继续延伸到凹口部分lla的侧壁，最后消失。注意沿水平方向的弯曲未 必一定出现在面(d)。与位错(3)的机制相似，位错(4)沿水平方向弯曲， 延伸到突起部分lib的中心附近，并在突起部分lib的中心相关联部分处沿 垂直方向上升，从而在突起部分llb的中心处形成了穿透位错。与位错(2) 的差异之处在于沿水平方向上的延伸。与位错(3)的机制类似，位错(5) 沿水平方向弯曲并延伸到突起部分lib的中心附近，在该处顺势 (incidentally )垂直延伸。位错(5 )在突起部分lib的中心处引起穿透位错。 这种a型穿透位错具有1/3<11-20>的伯格斯矢量。除了 (a+c)型位错和a型位错之外，在突起部分lib中心的相联部分 处，观察到了 GaN层12表面上新产生的穿透位错(既有(a+c)型位错也 有a型位错)。下面，说明GaN层12中位错密度的估计结果。如图9所示，凹口部分 lla的侧壁与蓝宝石衬底11主表面之间的角度用y表示，突起部分llb上生 长的连接面与蓝宝石衬底11主表面之间的角度用卩表示，GaN层12上的高密度缺陷区的比率如下表示R = cot卩((Wg/2) tana - d) / (1/2) (Wt + Wg + dcoty )这种情况下，位错密度被估计为Winitia|x (R + U(l-R)),其中U表 示提升到GaN层12表面上的a型位错(c位错)的频率并且按经验为大约 1/10到1/100。例如，当a和卩接近59度，y接近于67度，Wg接近2.1pm， Wt接近2pm, d接近lpm时，R接近0.195，于是\￥刚3|接近3 x 108/cm2。 当U接近1/50时，位错密度接近于6.3 x 107/cm2。图IOA和10B中，示出了蓝宝石村底11与GaN层12之间的界面附近 的截面TEM照片。图11示出了附近区域的截面图。图IOA对应于在图11 中表示的突起部分llb上用虛线围绕出的区域，图IOB对应于在图11中表 示的凹口部分lla上用虚线围绕出的区域。如图IOA和10B所示，在蓝宝石 衬底11和GaN层12之间的界面上，在蓝宝石衬底11侧观察的凹点形状在 凹口部分lla和突起部分lib之间是不同的。如图ll特别示出的，当凹口 部分lla中形成的凹点13的宽度用Pg表示、突起部分llb上形成的凹点14 的宽度用Pt表示时，Pt>Pg，典型的Pt〉1.2Pg。在突起部分llb上形成的凹 点]4的宽度Pt大于在凹口部分lla中所形成凹点13的宽度Pg的原因在于 GaN层12在生长的初始阶段没有在突起部分llb上生长，这样突起部分lib 暴露于具有蚀刻作用的NH3中很长时间。在相关技术的方法中，这种情况不 会发生。图12A示出了蓝宝石衬底11的凹口部分lla和突起部分lib附近区域 的截面TEM照片(暗场像，dark field image),图12B是图12A中示出的突 起部分llb的上表面附近区域的放大截面TEM照片，图12C是图12B中示 出的凹口部分1 la的底部表面附近区域的放大图，其中每个图中的黑色部分 表示蓝宝石衬底11。图13A示意性示出了图12B中示出的突起部分lib的 上表面附近区域的横截面，GaN层12中突起部分llb之上结晶度较差的那 部分区域的厚度接近于37nm。图13B示意性示出了图12C中示出凹口部分 lla底表面附近区域横截面，GaN层12中凹口部分lla之上结晶度较差的那 部分区域的厚度范围接近于从18nm到56nm。从上面看出，凹口部分lla 和突起部分llb上的GaN层12的结晶度差的区域的厚度彼此是不同的。这 是因为GaN层12在突起部分llb之上横向生长。在相关技术的方法中，没 有表现出明显的差异。在图14中，示出了一个例子，该例子是对从GaN发光二极管(绿色发 光二极管)向外的提取光进行仿真(跟踪仿真)得到的结果(数据用國表示)。图14中，假设在蓝宝石衬底11上取20nmx20pm的尺寸范围的情况下，横 坐标表示凹口部分lla侧壁处倾斜面的面积S,也表示面积S相对于400pm2 的比例(倾斜面的面积比)，纵坐标表示光提取效率ri。从图14中看出，为 了提高光提取的效率ri，倾斜面的面S要增加到尽可能大的程度。图14中， 示出了凹口部分lla沿三个方向(例如在结晶学上彼此等价的三个<1-100 > 方向)以60度间隔形成在蓝宝石村底11上的情况下类似的仿真结果。在这 种情况下，突起部分lla的平面形状形成为三角形状。结果表明，在凹口部 分lla沿三个方向以60度间隔形成的情况下，光提取效率T]要大于凹口部 分lla沿一个方向以条紋形式延伸形成的情况下的光提取效率。参考图15，再次考虑使倾斜表面的面积S最大化以提高光提取效率Ti。 假设图15中沿凹口部分lla延伸方向的单位长度部分，在一个周期上，蓝 宝石衬底11的凹口部分1 la和突起部分1 lb所占用面积用(Wt + Wg ) + d/tany 表示，侧壁倾斜面的面积用d/sinY表示。因此，为了提高光提取效率Ti，使 倾斜面面积的比例(d/siny ) /( ( Wt + Wg) + d/tany)最大化是有效的。图16示出了假设d二l(im和Wt +Wg=4^im、凹口部分lla的侧壁与蓝宝 石衬底11主表面之间的角度y改变时，倾斜表面面积比(粗实线表示的数 据)的变化情况。在图16中，由细实线表示的数据表示倾斜面面积比的微 分值。从图16中，在丫 = 69度时，倾斜面面积比例为0.24。图17示出了假设y = 67度、Wt + Wg=4nm、凹口部分lla的深度d变化 时，倾斜面面积比(用粗实线表示的数据)的变化情况。图17中，用细实 线表示的数据表示的是与倾斜面面积比的微分值。从图17中，在GaN层12 的位错密度变低(例如d=1.66(im、 a = 59度、Wg = 2|im )的这种有利条件下， 倾存斗面面积比为0.24。相反，例如d:lnm时，倾4牛面面积比为0.18。图18示出了 y = 67度、Wt + Wg=7|am的凹口部分lla的深度d变化时， 倾斜面面积比(用粗实线表示的数据)的变化情况。图18中，用细实线表 示的数据表示的是倾斜面面积比的微分值。从图18中，在GaN层12的位 错密度变低(例如d^.66(im、 a-59度、Wg = 2pm)的这种有利条件下，倾 斜面面积比为0.18。相反，例如d:l(im时，倾斜面面积比为0.12。接着，考虑有源层16附近区域的生长表面的情况。通常，当生长层存在穿透缺陷时，会产生生长凹点，进而引起生长表面的平坦度恶化，如图19 所示。更高的穿透位错密度造成恶化程度的增加。如果有源层16中存在穿 透位错，那么在平面内部的组份和厚度发生波动，进而引起平面内发射波长的不均匀性以及发生诸如反相边界缺陷(antiphase boundary defect)的平面 晶体缺陷，因此造成发射效率的降低(即降低了的内部量子效率)。另一方 面，根据本发明的第一实施例，GaN层12上的穿透位错密度如前文提到的 那样可以明显地降低，因此，生长在其上的有源层16的穿透位错密度会同 样很低。因此，由于穿透位错引起的发射效率降低的会非常小，进而获得了 比相关技术中更高的发射效率。GaN层12的穿透位错集中在蓝宝石衬底11突起部分lib的中心附近， 并且根据突起部分lib的阵列是规则排列的。因此，有源层16的穿透位错 是相应地规则排列的。这样，与穿透位错随机排列的情况相比，在形成平坦 面的区域中，有源层16部分的面积显著增加，因此改进了发射效率。此外，例如，在有源层16中In成分高并且生长表面粗糙的地方，容易 出现新的晶体缺陷，在该晶体缺陷处诸如反相界面缺陷的平面晶体缺陷和位 错结合，进而导致发射效率降低。相反，根据第一实施例，如上所述，对有 源层表面的平坦度进行显著改善，这样就抑制了晶体缺陷的出现，也不会发 生发射效率降低。为了改善有源层16生长表面的平坦度、降低晶体缺陷的数量，用AlGaN 制成有源层16的势垒层是有效的。如上所述，根据第一实施例，在蓝宝石衬底11和GaN层12之间没有 形成间隙，可以防止由于间隙导致的光提取效率降低。GaN层12中的穿透 位错集中在蓝宝石衬底11的突起部分lib的中心附近，同时其它部分的位 错密度小到约107/cm2,因此，与使用受到图案化刻痕的衬底的相关技术相 比，显著地降低了位错密度。因而，显著地改善了其上生长的诸如GaN层 12和有源层16的GaN半导体层的结晶度，进而极大地减少非发射中心的数 量。这样，可以得到具有很高发射效率的GaN发光二极管。此外，外延生 长的一个周期足以制造GaN发光二极管并且不需要生长掩模，这样制造过 程变得简单并且能够以低成本制造GaN发光二极管。下面，我们将描述本发明的第二个实施例。在第二实施例中，如图21A所示，从平坦的蓝宝石衬底11的整个表面上对其进行离子注入，进而使蓝宝石衬底11的表面层非晶化，从而形成非 晶层31。选取的用于离子注入的原子、能量以及剂量要足以使蓝宝石衬底ll非晶化。例如，用于离子注入的原子包括惰性原子，例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe等，以及Si、 H、 N、 Ga等。例如，如果将Si作为离子注入的原子， 那么用于离子注入的能量范围为10~30千电子伏(KeV)，它的剂量为lx 10'8/cm2或者以上。接着，如图21B所示，形成有非晶层31的蓝宝石衬底ll发生图案刻痕， 形成凹口部分lla和突起部分llb，类似于第一实施例。然后，如图21C到21E所示，在蓝宝石衬底11上生长GaN层12,类 似于第一实施例，其中在突起部分11b上已经形成非晶层31。接着，进行生长n-型GalnN层13的步骤和随后的步骤以提供类似于第 一实施例的GaN发光二极管。根据第二实施例，可以得到与第一实施例相似的优点。现在描述本发明的第三实施例。在第三实施例中，如图22A和22B所示，GaN层32外延生长在已经发 生图案化刻痕的蓝宝石衬底上，类似于第一实施例。接着，如图22C所示，利用RIE法对GaN层32进行回蚀，只在蓝宝石 衬底11的凹口部分lla的底部留下薄薄的GaN层32。其后，如图22D所示，在蓝宝石衬底11的整个表面上对其进行离子注 入，由此对蓝宝石衬底ll突起部分llb的表面层非晶化，以形成非晶层31。 同时，也对GaN层32进行非晶化。选取的用于离子注入的原子、能量以及 剂量要足以使GaN层32非晶化。例如，用于离子注入的原子包括惰性原子， 例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe等，以及Si、 H、 N、 Ga等。例如，如果将Si 作为离子注入的原子，那么用于离子注入的能量范围为10~30千电子伏 (KeV)，它的剂量为1 x 10,cn^或者以上。接着，如图22E到22G所示，类似于第一实施例，在蓝宝石衬底ll上 生长GaN层12;在这里，如上所述，在突起部分lib上已经形成非晶层31 并且凹口部分lla的底部已经形成非晶GaN层32。注意在加热到GaN层 12的生长温度期间，非晶GaN层32结晶。接着，进行生长n-型GalnN层的步骤和随后的步骤以提供GaN发光二 极管，类似于第一实施例。根据第三实施例，可以得到与第 一 实施例相似的优点。 描述本发明的第四实施例。在第四实施例中，例如使用真空沉积法、溅射法、化学气相淀积(CVD)等方法，在平坦蓝宝石衬底11的整个表面上形成SiN膜33作为非晶层，如 图23A所示。例如，这个SiN膜33的厚度在lnm或者以上。接着，如图23B所示，例如使用RIE法、喷粉法、喷砂法等，其上已经 形成有SiN膜33的蓝宝石衬底11被图案化刻痕，以形成凹口部分lla和突 起部分llb，如在第一实施例中那样。接着，如图23C所示，在例如大约550。C的低温下生长GaN层34。例 如，GaN层34的厚度为200nm或者小于200nm。 GaN层34分别生长在蓝 宝石衬底11的每个凹口部分lla的底部，以及生长在SiN膜33上，其中该 SiN膜33形成在每个突起部分lib上。接着，如图23D到23F所示，类似于第一实施例，在蓝宝石衬底ll上 生长GaN层12;其中，蓝宝石衬底的突起部分lib上已经形成SiN膜33并 且凹口部分lla的底部已经形成GaN层34。在加热到GaN层12的生长温 度期间，GaN层34结晶。因此在结晶的GaN层34上生长了 GaN层12;另 一方面，在加热到生长温度期间，SiN膜33上的GaN层34蒸发了。接着，进行生长n-型GalnN层13的步骤和随后的步骤以提供GaN发光 二极管，类似于第一实施例。根据第四实施例，可以得到与第一实施例相似的优点。描述本发明的第五实施例。在第五实施例中，如图24A所示，例如通过真空沉积法、溅射法、化学 气相淀积(CVD)等方法，在平坦蓝宝石衬底11的整个表面上依次形成SiN 膜35、 SiCM莫36以及SiN膜37。例如，SiN膜35、 37的厚度是lnm或者 以上，Si02膜36的厚度是1 Onm或者以上。接着，如图24B所示，例如使用RIE法、喷粉法、喷砂法等，已经形成 有SiN膜35、 Si02膜36和SiN膜37的蓝宝石衬底ll被图案化刻痕，以形 成凹口部分lla和突起部分lib,类似于第一实施例。如图24C所示，利用湿蚀刻，例如，使用氢氟酸基的蚀刻剂，只对Si02 膜36进行蚀刻，蚀刻后，其侧面沿水平方向轻微退后。接着，如图24D所示，类似于第一实施例，生长GaN层12。如上所述，因为Si02薄膜36的侧壁在水平方向退后，所以阻止了在Si02薄膜36的侧 壁上沉积GaN层12。接着，如图24E所示，利用湿蚀刻，例如，具有氟化氢的酸性蚀刻剂， 将Si02膜36全部去掉，结果将生长在其上方的SiN膜37和GaN层34也被去掉(剥离)。接着，如图24F和24G所示，类似于第一实施例横向生长GaN层12。 如第一实施例，进行生长n-型GalnN层13的步骤和随后的步骤以提供 GaN发光二极管。根据第五实施例，可以得到与第 一 实施例相似的优点。 接着，描述本发明的第六实施例。在第六实施例中，如图25A到25D所示，在被图案化刻痕的蓝宝石衬 底11上生长GaN层12,类似于第一实施例。如图25E所示，利用RIE等方法，GaN层12被图案化，有选择地去掉 突起部分llb上穿透位错集中的部分，进而允许突起部分llb的表面在那里暴露。如图25F和25G所示，从凹口部分lla上剩下的GaN层12横向生长 GaN层37。其后，进行生长n-型GalnN层13的步骤和随后的步骤以提供GaN发光 二极管，类似于第一实施例。根据第六实施例，可以得到与第 一 实施例相似的优点。 接着，描述本发明的第七实施例。在第七实施例中，如图26A所示，在平坦的蓝宝石衬底11上生长GaN 层38。如图26B所示，将GaN层38图案化刻痕，以形成凹口部分38a和突起 部分38b，类似于第一实施例中的蓝宝石衬底11的凹口部分lla和突起部分 lb。接着，如第一实施例，在被图案化刻痕的GaN层38上生长GaN层12。 接着，以与第一实施例相同的方式进行生长n-型GalnN层13的步骤和 随后的步骤，以提供GaN发光二极管。根据第七实施例，可以得到与第一实施例相似的优点。 接着，描述本发明的第八实施例。在第八实施例中，重复第一实施例，直到形成p侧电极21,其随后的步骤不同。为了形成p侧电极21，优选使用某种防止电极材料(例如Ag等)扩散的技术，并插入含有钯(Pd)的层。作为选择，为了防止出现失败，例如，在p侧电极21中，例如由于应力，Au或者Sn从形成在上述层上的含 Au或者Sn的层(焊接层、凸块等)扩散或者由于加热而出现失败，可以通 过在电极上形成高熔点金属层来使用本质上无晶界和非晶的阻挡金属层，高 熔点金属层例如Ti、 W或者它们的合金或者这些金属的每一种的氮化物(例 如TiN、 WN、 TiWN等)。插入含Pd层的技术是众所周知的，例如在金属 电镀领域中的含Pd层的插入，并且在硅基电子器件的Al布线技术中，阻挡 金属材料是众所周知的。更具体地，如图27A所示，在形成p侧电极21后，例如，通过提升(lift) 法形成覆盖在p侧电极21上的Ni膜41。接着，尽管在图中未示出，例如， 形成一个Pd膜以覆盖在Ni膜41上。接着形成金属氮化物膜，例如TiN、 WN、 TiWN等，其覆盖在Pd膜上，如果需要，再形成覆盖在氮化物膜上的 Ti膜、W膜、Mo膜或者它们构成的合金膜。代替形成Ni膜41，可以形成 Pd膜来覆盖p侧电极21,然后形成覆盖在Pd膜上的TiN、 WN、 TiWN膜 等，如果需要，再形成覆盖在膜上的Ti膜、W膜、Mo膜或者它们构成的合 金膜。接着，如图27B所示，利用光刻法，形成给定图案的抗蚀剂图案42来 覆盖Ni膜41和包括Pd膜的上方层。然后，如图27C所示，例如，将抗蚀剂图案42用作掩模通过RIE法来 执行蚀刻，以形成台部分22，其中台部分的截面的形状是梯形。例如，将台 面部分22和蓝宝石衬底11主表面之间形成的角度设置为大约35度。如果 需要，在台面部分22的倾斜面上，形成电介质薄膜，其中X是发射波长。接着，如图27D所示，在n型GalnN层13上，形成n侧电极23。接着，如图27E所示，在衬底的整个表面上，形成Si02膜43,该膜作 为钝化膜。在制造中，考虑与下面层的附着力、耐用性、耐腐蚀性的场合中， 可以使用SiN膜或者SiON膜代替Si02膜43。如图27F所示，为了减少其厚度，对Si02膜43进行回蚀，之后在台部 分22的倾斜部分的Si02膜43上，形成作为反射膜的Al膜44。这个Al膜 44用于将从有源层16产生的光反射到蓝宝石衬底11 一侧，进而提高光提取效率。这样形成A1膜44,使其在一端与n侧电极23接触。这是因为在A1 膜44和n侧电极23之间没有形成间隙，以便增强光反射。接着，再次形成 Si02膜43，其厚度足以形成钝化膜。如图27G所示，利用蚀刻，将Ni膜41和n侧电极23上面的Si02膜43 部分去掉，以形成开口 45、 46，进而使Ni膜41和n侧电极23在这些部分 处暴露。接着，如图27H所示，在开口 45处的Ni膜41上形成焊盘电极47，在 开口处46的n侧电极23上形成焊盘电极48。如图27I所示，凸块掩模材料49形成在衬底的整个表面上，之后通过 蚀刻焊盘电极48上方的部分将凸块掩模材料49去掉以形成开口 50，在开口 50处暴露焊盘电极48。接着，如图27J所示，利用凸块掩模材料49，在焊盘电极48上，形成 Au凸块51，随后将凸块掩模材料49去掉。其后，再在衬底的整个表面上形 成凸块掩模材料(未示出)，通过蚀刻，将位于焊盘电极47上方的凸块掩模 材料49去掉以形成开口，在该开口处暴露焊盘电极47。在焊盘电极47上形 成Au凸块52。如果需要，对已经以上面提出的方式形成有发光二极管结构的蓝宝石衬 底11从其背面进行切割或者研磨，以减少衬底的厚度，然后对蓝宝石衬底 ll划线，形成条。然后，将条刻划成芯片。注意如图27A到27J说明的电极堆叠结构只是一个例子。特别地，在 各个电极层多个堆叠的时候，需要通过改善由Ag电极等形成的p侧电极21 和其它金属层之间的附着力、应力耐久性和抗破裂性能来得到高反射性，并 使接触电阻低、保持Ag电极等的品质等，同时考虑对出现的应力和相邻金 属层之间的扩散进行抑制，该应力是由于各个金属层之间的热膨胀系数不同 而随器件温度升高而出现的。因此，如果需要，可以利用上面所述的硅电子 器件的Al布线技术。描述本发明的第九实施例。在第九实施例中，说明了发光二极管背光装置的制造方法，其中，除了 根据第一实施例的方法得到的GaN蓝色发光二极管和GaN绿色发光二极管 外，出于这个目的，还用到单独提供的AlGalnP红色发光二极管。根据本发明第一实施例的方法，在蓝宝石衬底11上形成GaN蓝色发光二极管结构，凸块(未示出)分别形成在p侧电极21和n侧电极23上，接 着进行芯片切割得到倒装芯片方式的GaN蓝色发光二极管。同样地，得到 倒装芯片方式的GaN绿色发光二极管。另一方面，对于AlGalnP红色发光 二极管，AlGalnP红色发光二极管一般以芯片的方式使用，其通过在n型 GaAs衬底上形成一 AlGalnP半导体层进而提供一二极管结构而得到，在该 二极管结构上形成p侧电极，而在n型GaAs衬底的背面形成n侧电极。这些AlGalnP红色发光二极管芯片、GaN绿色发光二极管和GaN蓝色 发光二极管分别安装在由AIN等构成的基座上，接着以将基座向下翻转的方 式安装在衬底上，例如A1衬底，这个状态如图28A所示。在图28A中，标 记61表示衬底。同样地，62表示基座，63是AlGalnP红色发光二极管芯片， 64是GaN绿色发光二极管芯片，65是GaN蓝色发光二极管芯片。这些 AlGalnP红色发光二极管芯片63 、 GaN绿色发光二极管芯片64和GaN蓝色 发光二极管芯片65分别具有例如350pm见方的芯片尺寸。这些AlGalnP红 色发光二极管芯片63这样安装，以至于n侧电极在基座62上，GaN绿色发 光二极管芯片64和GaN蓝色发光二极管芯片65分别以这种方式安装，即p 侧电极和n侧电极经过凸块设置在基座62上。安装有AlGalnP红色发光二 极管芯片63的基座62具有给定图案的引出电极(未示出)用于在其上方的 n侧电极。AlGalnP红色发光二极管芯片63的n侧电极安装在引出电极的指 定部分。为了连接，将AlGalnP红色发光二极管芯片63的p侧电极和设置 在衬底21上的给定焊盘电极66分别与线67连接。同样地，线(未示出) 分别与位于一端的引出电极和设置在衬底61上的另一个焊盘电极相连，以 确保它们之间的连接。安装GaN绿色发光二极管芯片64的子安装架62分 别具有与p侧电极对应的引出电极和与n侧电极对应的引出电极(都没有示 出)，该引出电极都以期望的图案形成。GaN绿色发光二极管芯片64的p侧 电极和n侧电极分别通过凸块安装在p侧电极的引出电极和n侧电极的引出 电极的给定部分。与GaN绿色发光二极管芯片64的p侧电极对应的引出电 极和位于衬底61上的焊盘电极的一端分别与一条线(未示出)连接，与n 侧电极对应的引出电极和位于衬底61上的焊盘电极的一端分别与一条线(未 示出)连接。GaN蓝色发光二极管芯片65与此相同。注意可以不使用基座62，在这种情况下，AlGalnP红色发光二极管芯 片63、 GaN绿色发光二极管芯片64、 GaN蓝色发光二极管芯片65分别直接安装在具有良好发射性能的任一印刷电路板上，因此总体上降低了发光二极 管背光装置的成本。在实践中，这些AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色发光二极 管芯片64、 GaN蓝色发光二极管芯片65以装置单元(unit cell)的方式提供， 所需数量的单元以给定的图案在衬底61上排列。这种方式的一个例子如图 29A所示。接着，如图28B所示，利用透明树脂68将装置单元封装，进而 将单元覆盖。然后将透明树脂68硬化。通过硬化，透明树脂68凝固，由此 树脂发生微小收缩(图28C)。利用这种方法，得到发光二极管背光装置，其 中，AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色发光二极管芯片64、 GaN 蓝色发光二极管芯片65以装置单元的方式提供，具体如图29B所示，这些 单元在衬底61上排列成阵列。在这种情况下，透明树脂68与GaN绿色发 光二极管芯片64和GaN蓝色发光二极管芯片65的蓝宝石衬底的背面接触， 这样，其折射率的差异比蓝宝石衬底11的背面直接与空气接触的情况下的 小。最终，导致通过蓝宝石衬底11传送而泄漏到外部的光更不可能在蓝宝 石衬底ll的背面反射，因此提高了光提取效率。这种类型的发光二极管背光装置适于应用为例如液晶屏的背光装置。接着，描述本发明的第十实施例。在第十实施例中，所需数量的装置单元在衬底61上以与第九实施例中 相同的给定图案排列，这些装置单元包括AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色发光二极管芯片64、 GaN蓝色发光二极管芯片65。然后，如图30 所示，适合AlGalnP红色发光二极管芯片63 (即，对于二极管芯片发射波 长的光具有更高的透明度)的透明树脂69将AlGalnP发光二极管芯片63封 装，以将AlGalnP红色发光二极管芯片63覆盖。同样地，适合GaN绿色发 光二极管芯片64的透明树脂70对GaN发光二极管芯片64进行封装，以覆 盖GaN绿色发光二极管芯片64。适合GaN蓝色发光二极管芯片65的透明 树脂71对GaN蓝色发光二极管芯片65进行封装，以覆盖GaN蓝色发光二 极管芯片65。然后将透明树脂69~71硬化。通过硬化，透明树脂69-71 凝固，并且凝固的结果是发生微小收缩。利用这种方法，可以得到发光二极 管背光装置，其具有多个单元，并且每个单元由AlGalnP红色发光二极管芯 片63、 GaN绿色发光二极管芯片64、 GaN蓝色发光二极管芯片65构成，并 且这些单元在衬底61上排列成阵列。在这种情况下，透明树脂70、 71与GaN绿色发光二极管芯片64和GaN蓝色发光二极管芯片65的蓝宝石衬底 11的背面接触，这样，其折射率的差异比蓝宝石衬底11的背面直接与空气 接触的情况下的小。最终，导致通过蓝宝石衬底11传送而泄漏到外部的光 更不可能在蓝宝石衬底11的背面反射的事实，因此提高了光提取效率。这种类型的发光二极管背光装置适于应用为例如液晶屏的背光装置。接着，描述本发明的第十一实施例。在第十一实施例中，根据本发明第一实施例的方法，在蓝宝石村底11 上形成GaN发光二极管结构，并且凸块(未示出)分别形成在p侧电极21 和n侧电极23上。然后，将蓝宝石衬底11刻划成具有给定大小的正方形部 件。这样，如图31所示，能够得到具有带状发射部分的集成发光二极管。 在这种情况下，形成的n侧电极23围绕带状台面部分22。如图32所示，集 成GaN发光二极管安装在由A1N等构成的基座69上。基座69具有以给定 图案形成的与p侧电极对应的引出电极和与n侧电极对应的引出电极(都未 示出)，焊料凸块70、 71形成在引出电极上。安装集成GaN发光二极管以 使p侧电极21放在焊料70上，n侧电极23放在焊料71上，然后熔化焊料 70、 71进4亍连4妄。接着，描述本发明的第十二实施例。在第十二实施例中，说明了光源单元装置(cell unit)的制造，除了在第 一实施例的步骤中得到的GaN蓝色发光二极管、GaN绿色发光二极管外， 还使用了单独制造的AlGalnP红色发光二极管。如图33A所示，所需数量的单元81在印刷电路板82上以给定的图案排 列，每个单元包括AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色发光二极管 芯片64、 GaN蓝色发光二极管芯片65，每种二极管的数量至少是1 ，并且 这些二极管以给定的图案排列。在这个例子中，单个单元81包括一个 AlGalnP红色发光二极管芯片63、 一个GaN绿色发光二极管芯片64和一个 GaN蓝色发光二极管芯片65，它们位于三角形的顶点。图33B显示了放大 的单元81。在各个单元81中，AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色 发光二极管芯片64、GaN蓝色发光二极管芯片65之间的距离a例如是4mm， 但是并不限于这个距离。单元81的距离b例如是30mm,但是并不限于此。 对于印刷电路板82，可以使用FR4 (阻燃剂类型4)衬底、金属芯衬底等， 但是并不限制，也可以使用具有辐射(radiation)性能的其它类型的印刷电路板衬底。类似于第九实施例，将透明树脂68密封以覆盖每个单元81。作为选择，类似于第十实施例，将透明树脂69密封以覆盖AlGalnP红色发光 二极管芯片63,将透明树脂70密封以覆盖GaN绿色发光二极管芯片64, 将透明树脂71密封来覆盖GaN蓝色发光二极管芯片65。利用这种方式，得 到光源单元装置，其中单元81在印刷电路板82上排列，每个单元81由 AlGalnP红色发光二极管芯片63、 GaN绿色发光二极管芯片64、 GaN蓝色 发光二极管芯片65构成。单元81在印刷电路板82上排列的具体例子如图34A和34B所示。图 34A所示的例子是4x3两维单元81阵列，图34B所示的例子是6x2两维 单元81阵列。图35显示了单元81的其它类型阵列的例子。在这个例子中，单元81 包括一个AlGalnP红色发光二极管芯片63、两个GaN绿色发光二极管芯片 64和一个GaN蓝色发光二极管芯片65，它们例如被排列在正方形的顶点。 两个GaN绿色发光二极管芯片64排列在正方形一个对角线的两端，AlGalnP 红色发光二极管芯片63和GaN蓝色发光二极管芯片65排列在正方形另一 个对角线的两端。当单个或多个设置这种类型的光源装置时，发光二极管背光装置可适用 为例如液晶屏的背光装置。在上文中，已经详细地说明了本发明的实施例，但不应该将本发明理解 为只限制于这些实施例。根据本发明技术原理进行的多种变化都是可能的。例如，在本发明的第一到第十二实施例中说明的数值、材料、结构、形 状、衬底、起始材料、工艺以及凹口部分lla的延伸方向仅仅只是例子。如 果需要，可以使用与先前描述不同的数值、材料、结构、形状、衬底、起始 材料、工艺等。并且，在本发明的第一到第十二实施例中，例如，p型GaN半导体层和 n型GaN半导体层的导电类型可以对换。此外，例如，SiC衬底、Si衬底以 及其它类型的衬底也可以代替蓝宝石衬底11 。凹口部分lla的延伸方向可以不是GaN层12的<1-100>方向，而是GaN 层12的<11-20>方向。如果需要，可以将第一到第十二实施例中的两个或者多个组合。本领域的技术人员应该理解在权利要求或者等价要求的范围内，根据设计需要和其它因素，可以出现多种改进、组合、子组合以及改变。本发明包含的主题与2005年5月16日在日本专利局提交的日本专利申 请JP 2005-142462和2006年4月6日在日本专利局提交的日本专利申请JP 2006-105647有关，其内容作为参考被引入于本文中。
权利要求
1.一种制造发光二极管的方法，包括如下步骤提供在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底，通过在截面上形成将所述凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，生长第一氮化物基III-V族化合物半导体层，由此掩埋所述凹口部分；在所述衬底上从所述第一氮化物基III-V族化合物半导体层横向生长第二氮化物基III-V族化合物半导体层；以及在所述第二氮化物基III-V族化合物半导体层上依次生长具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层和具有第二导电类型的第四氮化物基III-V族化合物半导体层。
2. 根据权利要求l的方法，其中，在生长所述第一氮化物基III-V族化合物半导体层期间，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上，从与所述凹口 部分底面之间的界面发生位错，该位错到达以所述凹口部分的底面作为底边 的三角形的斜面，由此该位错沿与所述一个主表面平行的方向弯曲。
3. 根据权利要求i的方法，其中，当分别生长所述第一氮化物基m-v 族化合物半导体层和所述第二氮化物基m-v族化合物半导体层时，在所述 凹口部分的底面处在所述衬底中形成具有第一宽度的第一凹点，在所述衬底 的除了所述凹口部分之外的部分中形成具有第二宽度的第二凹点，所述第二 宽度比所述第一宽度大。
4. 根据权利要求i的方法，其中，所述凹口部分在截面上是倒转的梯形。
5. 根据权利要求1的方法，其中，所述主表面有交替排列的所述凹口部分和突起部分。
6. 根据权利要求l的方法，其中，所述凹口部分沿一个方向延伸。
7. 根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个凹口部分在数量上是 多个，且所述多个凹口部分沿相互交叉的第一和第二方向延伸。
8. 根据权利要求5的方法，其中所述突起部分在平面上是六角形，并 且多个该突起部分排列成两维蜂房形式，且形成的所述凹口部分环绕每个突 起部分。
9. 根据权利要求l的方法，其中所述衬底是这样的氮化物基III-V族化合物半导体层生长在材料与氮化物基iii-v族化合物半导体层不同的衬底上，且所述凹口部分形成于所述氮化物基in-v族半导体层上。
10. 根据权利要求i的方法，其中，所述衬底具有在所述衬底的除了所 述凹口部分之外的部分处的非晶层。
11. 根据权利要求io的方法，其中，通过对所述衬底的表面层进行离 子注入和对所述表面层进行非晶化形成所述非晶层。
12. 根据权利要求10的方法，其中所述非晶层由形成在所述衬底上的绝缘膜构成。
13. 根据权利要求l的方法，其中，在所述衬底的除了所述凹口部分之 外的部分上，依次形成第一非晶层、第二非晶层和第三非晶层，并且所述第 二非晶层相对于所述第一非晶层和所述第三非晶层被选择性蚀刻。
14. 根据权利要求l的方法，其中，在横向生长所述第二氮化物基iii-v族化合物半导体层后，除了所述第二氮化物基m-v族化合物半导体层凹口 部分之上的部分以外的部分被去除，在所述凹口部分上留下的所述第二氮化 物基m-v族化合物半导体层上横向生长所述第三氮化物基ni-v族化合物半 导体层，并在所述第三氮化物基ni-v族化合物半导体层上依次生长所述有 源层和所述第四氮化物基m-v族化合物半导体层。
15. 根据权利要求i的方法，其中，在横向生长所述第二氮化物基in-v 族化合物半导体层后，除了所述第二氮化物基iii-v族化合物半导体层凹口 部分之上的部分以外的部分被去除，在所述凹口部分上留下的所述第二氮化 物基m-v族化合物半导体层上横向生长第五氮化物基ni-v族化合物半导体 层，并在所述第五氮化物基in-v族化合物半导体层上依次生长所述第三氮 化物基m-v族化合物半导体层、所述有源层和所述第四氮化物基m-v族化 合物半导体层。
16. —种制造集成发光二极管的方法，其包括以下步骤 在衬底的一个主表面上的至少一个凹口部分中生长第一氮化物基ni-v族化合物半导体层，使所述第一氮化物基m-v族化合物半导体层在截面上形成将所述凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，a^而掩埋凹口部分； 在所述衬底上从所述第一氮化物基iii-v族化合物半导体层横向生长第二氮化物基m-v族化合物半导体层；以及在所述第二氮化物基m-v族化合物半导体层上依次生长具有第一导电类型的第三氮化物基in-v族化合物半导体层、有源层和第四氮化物基iii-v 族化合物半导体层。
17. —种发光二极管，其包括 在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 iii-v族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层上形成的具有第一导电类 型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个 主表面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位错，该位 错到达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并沿与所述一个主表面平 4亍的方向弯曲。
18. —种发光二极管，其包括 在一个主表面上具有至少一个凹口部分的村底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 iii-v族化合物半导体层；以及 在所述第六氮化物基m-v族化合物半导体层上形成的具有第一导电类 型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中在所述衬底中在所述凹口部分的底部形成具有第一宽度的第一凹 点，在所述衬底的除了所述凹口部分之外的部分中形成具有第二宽度的第二 凹点，所述第二宽度比所述第一宽度大。
19. 一种集成有多个发光二极管的集成发光二极管，至少一个发光二极管包括在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 iii-v族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基iii-v族化合物半导体层上形成的具有第一导电类 型的第三氮化物基iii-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基iii-v族化合物半导体层，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半导体层中，在沿与所述一个 主表面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位错，该位 错到达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并沿与所述一个主表面平 ^"的方向弯曲。
20. —种生长氮化物基III-V族化合物半导体层的方法，其包括以下步骤提供衬底，该衬底在一个主表面上具有至少一个凹口部分，通过在截面 上形成将所述凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，生长第一氮化物基m-v族化合物半导体层，并掩埋所述凹口部分；以及在所述衬底上从所述第一氮化物基ni-v族化合物半导体层横向生长第 二氮化物基m-v族化合物半导体层。
21. —种光源单元装置，其包括印刷电路板和形成在所述印刷电路板上 的多个单元，每个单元包括至少一个红色发光二极管、至少一个绿色发光二 极管和至少一个蓝色发光二极管，其中所述红色发光二极管、所述绿色发光二极管和所述蓝色发光二极管中的至少一个包括 在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基m-v族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基in-v族化合物半导体层上形成的具有第一导电类 型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基m-v族化合物半导体层，其中在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个 主表面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位错，该位 错到达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并沿与所述一个主表面平 行的方向弯曲。
22. —种发光二极管背光装置，其包括排列成图案的多个红色发光二极管、多个绿色发光二极管和多个蓝色发 光二极管，其中，所述红色发光二极管、所述绿色发光二极管和所述蓝色发 光二极管中的至少一个包括在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基III-V族化合物半导体层；在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层上形成的具有第一导电类 型的第三氮化物基ni-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基in-v族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个主表 面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位错，该位错到 达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并且沿与所述一个主表面平行的方向弯曲。
23. —种发光二极管显示器，其包括排列成图案的多个红色发光二极管、多个绿色发光二极管和多个蓝色发 光二极管，其中，所述红色发光二极管、所述绿色发光二极管和所述蓝色发 光二极管中的至少 一个包括在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基 III-V族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的具有第一导电类型的第三氮化物基m-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基in-v族化合物半导体层，其中在所述第六氮化物基in-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个 主表面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位4昔，该位 错到达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并沿与所述一个主表面平 行的方向弯曲。
24. —种具有至少一个发光二极管的电子器件，至少一个发光二极管包括在一个主表面上具有至少一个凹口部分的衬底；在所述衬底上生长且在所述凹口部分中没有形成间隙的第六氮化物基m-v族化合物半导体层；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半导体层上形成的具有第一导电类型的第三氮化物基in-v族化合物半导体层、有源层以及具有第二导电类型 的第四氮化物基ni-v族化合物半导体层，其中在所述第六氮化物基ni-v族化合物半导体层中，在沿与所述一个主表面相垂直的方向上，从与所述凹口部分底面之间的界面发生位4晉，该位 错到达以凹口部分底面作为底边的三角形的斜面，并沿与所述一 个主表面 平行的方向弯曲。
全文摘要
一种制造发光二极管的方法，其包括步骤提供一衬底，该衬底在其一个主表面上具有至少一个凹口部分，并且通过在截面上形成将凹口部分的底面作为底边的三角形的状态，生长第一氮化物基III-V族化合物半导体层，从而掩埋凹口部分；在衬底上从第一氮化物基III-V族化合物半导体层，横向生长第二氮化物基III-V族化合物半导体层；在第二氮化物基III-V族化合物半导体层上依次生长具有第一导电类型的第三氮化物基III-V族化合物半导体层、有源层和具有第二导电类型的第四氮化物基III-V族化合物半导体层。
文档编号H01L27/15GK101232067SQ20071018680
公开日2008年7月30日 申请日期2006年5月16日 优先权日2005年5月16日
发明者丹下贵志, 冨谷茂隆, 前田勇树, 大前晓, 安田淳, 宫嶋孝夫, 盐见治典, 簗嶋克典, 网隆明 申请人:索尼株式会社