半导体发光器件及其制造方法

专利名称：半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用氮化物化合物半导体的半导体发光器件及其制造 方法。
背景技术：
近年来，在各种技术领域中，已经普遍使用利用光的技术，并且半 导体发光器件例如GaN型蓝光LED已经被用作发光器件。
虽然这种半导体发光器件可以使用光透射衬底例如由蓝宝石或碳 化硅制成的衬底，但是考虑到降低成本也可以使用硅(Si)衬底。但是， 硅衬底不能透射光。因此，从有源区发射并到达硅衬底的光不能够穿过 硅衬底，而是被吸收成为热等。
因此，在从有源区发射的光中，能够提取方向向上(即，朝向硅衬 底的对侧)的光单元(light element),但是方向向下(即，朝向珪衬底) 的光单元如上所述被吸收，并因此不能够被提取。
因此，当使用硅衬底时，输出信号的功率仅是使用光透射衬底时获 得的功率的1/4至1/5。
考虑到该问题，已经披露了 一种具有衬底和在衬底的一个主表面上 提供的发光部的结构，其中在所述的一个主表面的至少一部分中提供凹 陷部，在凹陷部中提供导电层，并且从发光部发射的光被导电层反射(参 见，例如，专利文件1:日本未审查专利申请，第一次公开No. 2006-237467)。根据所披露的结构，由于从发光部发射的光被导电层反 射，因此可减少被硅衬底吸收的光单元。此外，当反射光的方向向上时， 可提高上侧的光提取效率。
根据专利文件l中显示半导体发光器件结构的图，有源层的中心部
和在凹陷部中提供的导电层之间在水平方向上的距离似乎不那么大。但 是，半导体发光器件的实际剖面结构具有薄片形式。因此，和方向直接 向上的光路相比较，从有源层的中心部到导电层(提供在有源层的一侧 上)之间的光路在平面视图上非常大。
因此，在上述传统的半导体发光器件中，从有源层的中心部发射至 其侧面的光在到达凹陷部中的导电层(为了向上反射光)之前，也就是 在向导电层传播的过程中，可能被消耗成为热。
而且，在上述传统的半导体发光器件中，当光在凹陷部中被反射时， 光的部分光能在导电层和硅衬底之间的边界处被吸收，并且所吸收的能 量被转化为热。
此外，关于在专利文件l中披露的半导体发光器件，当用导电层填 充凹陷部(提供在硅衬底的主表面之一的至少一部分中)时，用于导电 层的材料应具有(i)对硅衬底的相对优良的粘附力，和(ii)与硅衬底 的表面相比更高的反射率。此外，利用导电层填充凹陷部的嵌入过程也 是必须的。因此，总的制造成本增加。

发明内容
根据以上背景，本发明的目的是提供一种半导体发光器件及其制造 方法，以便获得更大量的向上发射的光，即，与传统的器件相比更高的 光提取效率，由此降低制造成本。
因此，本发明提供一种半导体发光器件，包括 具有两个主表面的衬底；和
有源层形成部，该有源层形成部由化合物半导体材料制成，该有源 层形成部形成在所述主表面中的一个主表面上并且包括有源层，其中 从有源层形成部的上表面形成穿过有源层的多个孔； 在有源层和衬底之间设置各自对应于各个孔的多个中空部；和 在平面视图上，各中空部的面积大于对应的孔的面积，并且铺展在有 源层形成部的下表面上，从而暴露出在平面视图上与中空部交叠的有源层 形成部的下表面的部分。
在典型实施例中，每个中空部连接对应的孔； 在有源层形成部的上表面上提供衬垫电极(pad electrode);并且 在平面视图中，相邻的中空部在从衬垫电极向离开衬垫电极一侧的
各个方向上彼此连接。
典型地，衬底不能够透射从有源层发射的光。
在优选实施例中，在有源层形成部的上表面上提供衬垫电极；以及 在平面视图中，与半导体发光器件的外周区域相比，在衬垫电极附 近的中空部的密度更高。
典型地，衬底是硅衬底；以及
利用氮化物化合物半导体制成有源层形成部。
在另一个优选实施方式中，在有源层形成部的下表面中的暴露部分 上，形成具有多重交替峰-谷形式的第一不平坦图案。
在这种情况下，可以
在有源层形成部的上表面上设置透明电极；以及
所述透明电极具有包括具有多重交替峰-谷形式的第二不平坦图案 的表面，其中在平面视图中，和第一不平坦图案相比，第二不平坦图案 的多重交替峰-谷形式的每个峰和其相邻谷之间的宽度较小。
在另一个优选实施方式中，衬垫电极形成在有源层形成部的上表面 上，并且在平面视图中基本上位于半导体发光器件的中心；
在衬垫电极下方形成保护元件，用于保护半导体发光器件免受可能 击穿该器件的高压；以及
在保护元件的周围形成有源层形成部。
本发明还提供一种制造半导体发光器件的方法，包括 第一步，在衬底的两个主表面中的一个主表面上形成包括有源层的 有源层形成部；
第二步，形成穿过有源层的孔；以及
第三步，利用蚀刻剂从衬底的两个主表面中的所述一个主表面的一 部分蚀刻村底，在有源层形成部和衬底之间的形成中空部，其中所述部 分由于在第二步中形成的孔而暴露。
在优选实施例中，该方法还包括
第四步，在有源层形成部的下表面上形成具有多重交替峰-谷形式 的第一不平坦图案，其通过在第三步中形成的中空部而暴露。
在另一个优选实施例中，该方法还包括 在有源层形成部的上表面上形成透明电极的步骤，其中
在相对于透明电极的边界面上，形成了具有多重交替峰-谷形式的 第二不平坦图案，其中在平面视图中，与第一不平坦图案相比，第二不 平坦图案的多重交替峰-谷形式中的每个波峰和其相邻波谷之间的距离 较小。
根据本发明，在有源层形成部下方设置有中空部，在从有源层发射 的光中，朝向有源层形成部下方的光单元到达中空部和由于中空部而暴 露的有源层形成部之间的边界面。由于有源层形成部的折射率不同于空 气的折射率(空气的折射率较小)，因此光被上述边界面反射，并且光 的方向转变为相对于半导体发光器件的向上方向或横向(即，平行于衬 底的表面)。因此，可以防止光被衬底吸收，并由此有效地使光的方向 朝向器件的上侧。因此，同传统的器件相比，所提取光的强度可较大。
而且，根据本发明，当横向传播的部分光到达在有源层形成部中形 成的孔和有源层形成部相应的侧面之间的边界面时，所述光由于有源层 形成部和空气之间的的折射率差异而被边界面反射，类似于有源层形成 部和中空部之间的边界面。
而且，在本发明中，当被有源层形成部和中空部之间的边界面反射
的边界面时，所述光被边界面反射并能够有效地使其方向朝向半导体发 光器件的上侧。
因此，在本发明中，根据上述在有源层形成部的暴露表面和中空部
边界面上的反射，可减少方向向下或朝向侧面的光，并可增加方向向上 的光的量，从而有效地从半导体发光器件的上侧提取光，因此，和传统 的实例相比，可以增加从半导体发光器件发射的光的强度。


图l是表示作为根据本发明的第一实施方案的半导体发光器件的剖面结构的示意图，(沿图4中的线A-A)。
图2是_表示第一实施方案中的半导体发光器件的平面视图结构的示意图。
图3是表示第一实施方案中的半导体发光器件的另一个平面视图结构 的示意图。
图4是表示第一实施方案中的半导体发光器件的另一个平面视图结构 的示意图。
图5是表示第一 (或第二)实施方案中的图1的区域S中的有源层形 成部2和中空部11的详细剖面结构。
图6是表示第一实施方案中的半导体发光器件的第二不平坦图案21 布置的示意图。
图7pl表示第一实施方案中的半导体发光器件的剖面结构(沿图4中 线B-B)的示意图。
图8A~8F是用于说明第一实施方案的半导体发光器件的制造方法的 示意图。
图9A是表示作为根据本发明的第二实施方案的复合半导体器件的剖 面结构的示意图，以及图9B是图9A中的部件500的放大图。
图IO是表示第二实施方案中的复合半导体器件的等效电路的示意图。
具体实施例方式
本发明涉及一种发光元件，其具有衬底和在衬底上表面上形成的有 源层形成部，其中(i)从有源层形成部的上表面形成多个穿过有源层 形成部的孔，和(ii)在衬底和包括用于发光的有源层的有源层形成部 之间形成多个中空部，每个中空部对应于每个孔。在从有源层发射的光 中，方向向下的光单元被每个中空部和有源层形成部之间的边界面或/ 和每个孔和有源层形成部之间的边界面反射，由此有效地从半导体发光 器件的上侧提取光(由有源层发射的光)，并因此提高光强度。
在下文中，将参考附图描述根据本发明的实施方案。
第一实施方案
下面，将说明本发明的第一实施方案。图2~4是表示当从上方观察 器件时本发明实施方案中的半导体发光器件结构的平面图。图l是表示 沿图4中的线A-A的半导体发光器件的剖面结构的图。在此，图1~4是 以容易理解的方式表示该结构的示意图，并且图1中的每个结构元件的尺 寸和图4中相应的元件的尺寸并不精确对应。
在图1中，本发明的半导体发光器件包括(i)具有主表面la (即， 两个主表面中的一个主表面)和主表面lb (即，另一主表面)的导电 衬底l，其中在主表面la上形成中空部ll， (ii)具有发光功能的有源 层形成部2， (iii)第一电极3， (iv)第二电极4， (v)村垫电极9,和 (vi)孔10。有源层形成部2包括第一覆盖层5、第二覆盖层6和有源 层7。在图1的半导体发光器件中，没有显示保护膜。
导电衬底1不透射来自有源层7发射的光，并且该衬底是包括硅作 为结构元件的硅衬底。亦即，导电衬底可使用硅(Si)或碳化硅(SiC) 形成并具有导电性。导电衬底1用作(i)通过外延生长在其上沉积有 源层形成部2 (包括緩冲层12 )的基底，(ii)用于半导体发光器件的电 流通道，和(iii)用于支持有源层形成部2、第一电极3等的部件。
为了降低电阻率，导电衬底l可由硅材料制成，对该硅材料进行掺 杂以使其具有相对高的杂质浓度。例如，导电衬底1可以是包括3族元 素如硼(B)的硅衬底，具有约5xl018 ~ 5xl019cm-3的P-型杂质浓度， 并且还具有0.0001 ~ O.Oin'cm的电阻率。在另一个实施例中，导电衬 底1可以是包括5族元素如磷(P)的N-型导电衬底。
导电衬底1具有主表面la和lb,并且主表面la可以是相对于利用 晶体指数表示的晶面方向的[lll]表面。当导电衬底1用作用于形成有源 层形成部2的基底时，即用于支持半导体发光器件时，优选衬底的厚度 可以是200 500nm。
在导电衬底l的主表面la中，形成凹陷部lla，每个凹陷部lla从 主表面la向导电衬底l的内部(即，朝向主表面lb)弯曲并凹陷。下 面，当从主表面la的上侧以平面视图观察半导体发光器件时，形成凹 陷部lla的区域称为"区域A"，并且不形成凹陷部lla的其余区域称为 "区域D"。尽管将在下面详细描述形成凹陷部lla的方法，但在导电衬 底1的主表面la上形成有源层形成部2之后，蚀刻有源层形成部2以 形成孔(或沟槽)10，并且对通过孔10暴露的主表面la实施各向同性 蚀刻，由此形成凹陷部lla。
根据在有源层7下方形成的并且均凹向导电衬底1的内部的凹陷部 lla，在有源层形成部2和导电衬底1之间形成中空部11。亦即，由于 有源层形成部2的下部也存在于形成中空部11的区域内，因此在平面 视图中有源层形成部2的下表面与中空部11相交叠的部分被暴露出来。
在此，有源层形成部2的折射率不同于空气的折射率。因此，在从 有源层7发射的光中，从有源层7向下传播的光单元被暴露的有源层形 成部2的下表面和中空部11之间的第一边界面反射。该反射光方向向 上或方向为向上和横向。因此，可防止发射的光被导电衬底1吸收，并 提高半导体发光器件的光提取效率。
另外，在导电衬底1的主表面la上，通过CVD (化学气相沉积) 等方法利用氮化物化合物半导体(即，不同于导电衬底l的材料)形成 有源层形成部2。
有源层形成部2具有通过至少堆叠具有第一导电类型的第一覆盖层 5、有源层7和具有第二导电类型的第二覆盖层6形成的双异质结构， 其中第二导电类型不同于第一导电类型。
第一覆盖层5由满足AlaMbGai-a-bN的氮化物化合物半导体制成。 优选地，它由n-型氮化物化合物半导体例如GaN制成。在上述氮化物 化合物半导体的化学式中，M表示至少一种选自In(铟)和B(硼) 的元素，并且"a，，和"b，，满足"0^aSl"， "0^b$l"，以及"0^(a+b)^l"。
有源层7形成在第一覆盖层5的上表面上并且由满足AlJiiyGaLx-yN 的氮化物化合物半导体制成，其中O^x^l, 0￡y^l，和0^(x+y)^1。
在图l中，有源层7具有单层形式。然而，实际上，优选有源层7 具有已知的多量子阱(MQW)结构。有源层7可包括用于确定导电类 型的P-型或N-型杂质。
第二覆盖层6形成在有源层7的上表面上并由满足AlhMkGa^kN 的氮化物化合物半导体制成，其中0^h^1, Olk^l,和0^(h+k)^1。优选 地，第二覆盖层6包括P-型杂质并且可以由GaN制成。
在上述的有源层形成部2中，当在第一覆盖层5和笫二覆盖层6之 间施加正向电压时，在有源层7中发生载流子复合，因而从有源层7发 射光。当使用IiixGa^xN (其中0$xS0.2 )形成有源层7时，从有源层7 发射具有约470nm波长的光。
此外，在第一覆盖层5和导电衬底1之间可形成緩冲层12。在图1 中，緩沖层12是单层。然而，实际上，第一 (类型)层沉积在底部， 并且第二(类型)层和第一层交替堆叠，以形成单或多对的第一和第二 层。优选地，第一层由包括A1的氮化物化合物半导体制成。
当导电衬底l是硅衬底时，优选第一层由A1N制成，A1N的晶格常 数接近于单晶硅的晶格常数，并且可以在硅衬底的上表面上相对厚地沉 积作为氮化物化合物半导体。而且，优选第一层的厚度为可以产生隧道 效应的0.5 ~ 5nm。
提供第二层，其用于在与第一层1结合时进一步提高緩冲层12的 緩沖功能。优选地，用于形成第二层的材料不包括A1，或包括比第一层 少的A1。第二层可由GaN制成。
第一电极3形成在第二覆盖层6的几乎全部上表面上并且是透明电 极，第一电极3能够透射从有源层7发射的光并且具有低电阻。
优选地，通过形成厚度约为100nm的ITO (氧化铟锡)层来提供第 一电极3，其中通过将少量(即，百分之几)的二氧化锡(Sn02)混合 到氧化铟(ln203)中来形成ITO。
当第二覆盖层6由P-型半导体制成时，第一电极3可由下述元素之 一 (即，金属)或包括下述元素之一的合金制成镍(Ni)、铂(Pt)、 钇(Pd )、铑(Rh )、金(Au )、铱(Ir )、钌(Ru )和锇(Os )。当第 二覆盖层6由N-型半导体制成时，第一电极3可由下述元素之一 (即， 金属)或包括下述元素之一的合金制成铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)、 铬(Cr)等。
第二电极4形成在几乎整个导电衬底1的主表面lb上，并利用金 属例如(i)金(Au )、 ( ii)金(Au )和锗(Ge )、 ( iii)金(Au )、锗(Ge ) 和镍(Ni)等通过真空蒸发形成。第二电极4与导电衬底1机械和电连 接。尽管第二电极4形成在导电衬底1的主表面lb上，但是如果主表 面la和lb彼此具有相反的功能，那么第二电极4也可形成在主表面 la上。在这种情况下，有源层形成部2和中空部11形成在主表面lb 的侧面上。
用于将半导体发光器件连接到外部设备的衬垫电极9形成在第一电 极3的几乎中心处并由金(Au)或铝(Al)制成。当在平面视图上观察 半导体发光器件时，村塾电极9不是形成在整个第一电极3上，因此第 一电极3的一部分暴露在村垫电极9的外部。衬垫电极9必须具有一定 厚度，在该厚度下衬垫电极9不会被用于连接外部连接金属线的接合工 艺所损伤。例如，厚度为100nm 100fim。因此，衬垫电极9不透射从有源层7发射的光。即使衬垫电极9具有透射少量光的能力，但是在与 用于外部连接的金属线连接时，衬垫电极9也难以透射光。
除上述结构外，也可以在有源层形成部2和第 一 电极3之间提供已 知的电流扩散层或接触层。此外，可以在有源层7和第一层3之间形成 已知的电流阻挡层，即直接在衬垫电极9下方形成。此外，各个导电类 型的导电衬底l、第一覆盖层5、有源层7和第二覆盖层6可改变为与 本发明实施方案相反的类型。
将参考图2~4说明在平面视图中本发明实施方案的半导体发光器 件的结构。
如上所述，在平面视图中，从有源层形成部2的上表面、穿过有源 层7、在有源层形成部2中形成多个孔IO,并且通过形成在导电衬底l 中的凹陷部lla形成中空部11,以连接孔IO。
各中空部11由有源层形成部2的下表面和相应的凹陷部lla的底部 形成，并且布置在有源层形成部2和导电衬底1之间。如图2 4中每 一幅所示，在平面视图中，其中心和相应的孔10重合的每个中空部11 包围孔10，并且有源层形成部2的下表面的一部分与凹陷部lla的外部 区域相交叠。亦即，每个中空部11的宽度大于相应的孔10，并且中空 部11可靠地包含孔10的区域。因此，在平面视图中，与各凹陷部lla 相交叠的有源层形成部2的下表面区域通过相应的中空部11暴露出来。
如图2所示，在平面视图中，相邻的中空部ll可彼此接触。在这种 情况下，由于有源层形成部2和空气之间的折射率不同，因此从有源层 7向下发射的光容易被有源层形成部下表面中的暴露部分R (即，有源 层形成部2和中空部11之间的边界面)所反射。因此，相对于从有源 层7发射的光，光提取效率得到提高，由此也提高了半导体发光器件的 发光效率。
对于已知的半导体发光器件，当在衬垫电极9和第二电极4之间施 加正向电压时，紧邻衬垫电极9下方流动的电流的通道很短，并且与衬 垫电极9的距离越大，电流通道就越长。因此，与衬垫电极9的距离越 大，发光效率就越低。
在衬垫电极9周围形成中空部11的情况下，当中空部11沿着环绕 衬垫电极9的方向(即，周向)彼此接触时，从半导体发光器件上侧观
察到的光形成环状条紋(图案)。与此相反，当中空部ll沿着从衬垫电
极9朝向远离其的侧面的方向(即，径向)彼此接触时，这种环状条紋 图案不显著。
另一方面，如图3所示，在衬垫电极9附近的中空部11的密度可高 于布置在有源层形成部2的周边部分上的中空部11的密度。当衬垫电 极9连接外部配线时，衬垫电极9的厚度应该大，因此衬垫电极9不透 射光。当衬垫电极9附近的中空部11的密度高于布置在有源层形成部2 的周边(即，外部)部分的中空部ll的密度时，在紧接衬垫电极9下 方的区域附近的电流通道可更窄，使得与传统结构相比，在衬垫电极9 附近流动的电流可更小，并且在远离衬垫电极9的区域中流动的电流可 更大。
此外，当在紧接衬垫电极9下方发射的光在有源层形成部2和中空 部11之间的边界面处被反射时，由导电衬底1吸收的光的量可以更小。 此外，当被衬垫电极9阻挡的光进一步被中空部11反射时，光可被提 取到半导体发光器件的外部，从而提高半导体发光器件的发光效率。在 此，在平面视图中，每个孔10的宽度(即，直径)为200nm 100nm， 优选1 ~ 3阿。
另一方面，如图4所示，可以在从半导体发光器件的中心到周缘的 径向上，形成和布置提供有孔10和中空部11的区域和没有提供孔10 和中空部ll的区域，从而防止半导体发光器件的机械强度降低。
下面，将描述半导体发光器件的发光强度的改进，这种改进通过形 成孔10 (穿过有源层7 )和中空部11 (有源层形成部2下方)以及在有 源层形成部2(也就是，緩冲层12)的下表面中形成暴露部分R (即， 有源层形成部2的下表面和中空部ll之间的边界面)来提供。
对于有源层形成部2下方的部分，当在对应于孔10的位置处形成 冲空部11时，从有源层7向下发射(即，朝向导电衬底l)的光的一部 分到达暴露部分R(其通过中空部11暴露在有源层形成部2的下表面) 和中空部ll(即，空气)之间的边界面。
由于有源层形成部2和空气的折射率彼此不同，当来自有源层7的 光到达上述边界面时，至少部分光能够被反射并且方向向上(即，朝向 有源层形成部2的上部)或朝向侧面(即，横向)。
当使用GaN制成有源层形成部2，以及由InxGa"N (其中0<x< 0.2)形成有源层7时，从有源层7发射的光具有约470nm波长。在此， GaN具有约2.5的折射率，空气的折射率为1.0，并且当导电衬底为硅 衬底时，它具有约4.5的折射率。因此，对比从GaN(即，有源层形成 部2)发射至GaN和空气(即，中空部ll)之间的边界面的光和从GaN 发射至GaN和导电衬底1之间的边界面的光，通过GaN和空气之间的 边界面更容易进行反射。
此外，作为导电衬底1的硅衬底必须用作半导体发光器件的基底， 并因此具有相当大的厚度(200~500nm)。因此，硅衬底不能透射光。 并且其将入射光转变为热，从而吸收能量。
当形成中空部11以暴露出有源层形成部2的部分下表面以及在有源 层形成部2的下表面和空气之间形成边界面时，从上方到达该下表面的 部分光能够以期望的方式被反射，由此改变光的方向，即，改变至相对 的方向(即，向上)或横向。
此外，在有源层形成部2中，具有发光功能的部分是薄的(即，具 有小的厚度)并且与小的厚度相比具有较大的长度。因此，如果在有源 层形成部2的外周提供光反射部(如在传统技术中那样)，那么在平面 视图中，从有源层形成部2的中心发射的光应该透射通过长通道，以将 光提取到外部。光在每次折射时，会消耗能量，从而降低了相对于从有 源层7发射的光的光提取效率。
相反，在本发明实施方案的半导体发光器件中，可以通过下面的步 骤(l) ~ (3)提高相对于从有源层7发射的光的光吸收效率。
(1) 在有源层形成部2的下方提供中空部11,使得从有源层7向下发 射、即朝向导电衬底1的部分光被有源层形成部的2的暴露下表面(通 过中空部ll暴露)和空气之间的边界面R所反射。因此，可将光的方 向改变为向上或横向(相对于半导体发光器件)，从而抑制在导电衬底1 处的吸收。
(2) 对于上述步骤(1),方向为横向的一部分光被有源层形成部2的 侧面(通过相应的孔10形成)和空气之间的边界面所反射，该边界面 类似于有源层形成部2的下表面和空气之间的边界面。
(3) 通过上述步骤(2)反射的光随后通过改变光的前进方向而向上传 播。亦即，可以容易地获得向上传播的光。因此，可防止从有源层7发 射的光的能量通过几次重复反射而被消耗，从而提高光的提取效率。
优选地，在有源层形成部2的暴露下表面(对应于上边界面R)上 形成第一不平坦图案20 (即，由交替布置的峰部分和谷部分组成的多重 峰-谷形式)。第一不平坦图案20包括大量的凹槽，每个凹槽可以具有 倒金字塔或倒圆锥的形式，并且具有相对于导电衬底1的主表面la的 倾斜表面。所提供的凹槽不必具有相同的尺寸，并且在相邻的凹槽之间 可以存在间隙(即，不存在凹槽的区域)。
将参考图5说明通过在边界面R处形成的第一不平坦图案20获得 的效果。图5是图1中的S区域的放大图，并且是表示第一不平坦图案 20的形式(其具、有凹槽，每个凹槽在此具有倒金字塔形式)的示意图。
如图5所示，在从有源层7向下发射的光中，光部分(light portion) 到达区域"(i)"，即不是边界面R而是有源层形成部2和导电衬底1 之间的边界面。所述光部分的一部分被边界面反射，并且其余的光部分 入射到导电衬底l上，转化为热并因此被消耗。
另一方面，到达区域"(ii)"的光部分被边界面R反射，从而改变 其方向。在此过程中，当第一不平坦图案20形成在边界面R上并且具 有相对于导电衬底1的主表面la倾斜的面时，大量的光(从上方入射) 被反射(即，大量的光转向)。结果，方向变为向上方向的光量增加， 从而增加光提取效率，即，和传统器件相比，相对于有源层7发射的光 的光提取效率增加。
另 一方面，以大于或等于相对于相应反射的临界角的入射角入射到 第一电极3 (即透明电极)和有源层形成部2之间的边界面上的光部分 被该边界面反射，因此其不能作为发射光从半导体发光器件发射到外 部。
例如，当第二覆盖层6由GaN制成时，以大于或等于临界角的角 度入射的光由于其折射率不同而被第一电极3和GaN之间的边界面反 射。
因此，优选在第一电极3 (即，透明电极)和第二覆盖层6 (即， 有源层形成部2)之间的边界面处形成由大量凹坑(pit)(见图6)形成 的第二不平坦图案21。
亦即，第一电极3(即，透明电极)的下表面是不平坦的。当该第 二不平坦图案21形成在第一电极3和有源层形成部2之间的边界面处 时，光的入射角可小于上述的临界角，这取决于第二不平坦图案21的 每个侧面的角度。因此，可防止光被第一电极3和有源层形成部2之间 的边界面反射，并因此有效地将光(即从有源层7发射的光)提供到半 导体发光器件的外部。
与布置第一不平坦图案20以反射大量的光不同，重要的是布置第 二不平坦图案21以提供入射光角度小于临界角的到达第一电极3和有 源层形成部2之间的边界面的更大量的光。因此，相对于半球形的第二 不平坦图案21，相邻半球形凹陷部之间的宽度与笫一不平坦图案20相 比应更小，即，相对于峰-谷形式的交替应以较小的间隔重复，并且应 该以高密度形成峰-谷形式的峰部分和谷部分。
如图5所示，在第一电极3处形成的第二不平坦图案21可以仅形 成在第一电极3的下表面处。相反，第二不平坦图案21可以(i)仅在 第一电极3的上表面处，或(ii)在第一电极3的上表面和下表面处形 成。
根据上述结构，如图5中附图标记"(iii)"所示，被中空部ll和有
进一步被相应的孔10的侧面反射，从而进一步改变光的方向并且使所 述光到达第一电极3和有源层形成部2之间的边界面。
当第一电极3和有源层形成部2之间的边界面具有第二不平坦图案 21时，入射角小于临界角的光的量增加，使得入射角小于临界角的更大 量的光可引出至半导体发光器件的外部。
当在衬垫电极9附近的中空部10 (见图3)的密度相对于半导体发 光器件的周边侧(即外侧)较大时，被相应的中空部10侧面反射的光 的量增加，从而减少位于紧邻衬垫电极9的下方并且被衬垫电极9阻挡 的光。
如果中空部11也如图3所示布置，那么在紧邻衬垫电极9的下方向 下发射的光被相应的中空部11和有源层形成部2之间的边界面R所反 射，并且反射的光通过而不被第二不平坦图案21反射。因此，和传统 技术相比，可进一步提高光提取效率。
图l是沿图4中的线A-A的截面图，图7是沿图4中的线B-B的截 面图。如图7所示，沿图4中的线B-B的截面结构中没有孔IO。
下面，参考图8A 8F，将说明本发明实施方案中制造半导体发光 器件的方法。
首先，在导电衬底la的主表面la上，通过已知的MOCVD (金属 有机化学气相沉积)方法形成緩冲层12、第一覆盖层5、有源层7和第 二覆盖层6。
当形成属于緩冲层12的第一緩沖层时，通过以特定的比例将TMA (三甲基铝)和氨注入到反应室中而形成具有特定厚度的A1N层。当形 成也属于緩沖层12的第二緩冲层时，通过以特定的比例注入TMG(三 甲基镓)和氨而形成具有特定厚度的GaN层。
第一覆盖层5、有源层7和第二覆盖层6相继堆叠在緩冲层12上。
在第二覆盖层6的整个表面上，通过真空蒸发、溅射或CVD方 法沉积ITO层(用作第一电极3)，其与第二覆盖层6—起形成低电阻 (即，欧姆)接触。在如上所述形成第一电极3之后，实施退火(见图 8A)。在此，在形成电极3之后通过气相沉积来沉积用于形成衬垫电极 9的金属层，然后实施退火。
接着，为了形成凹陷部lla,预先在用作衬垫电极9的层上选择 性地形成由Si02制成的氧化物膜41，使得在对应于每个凹陷部lla中 心的区域处形成开口 (见图8B),然后利用氧化物膜41作为蚀刻掩模， 通过反应性离子蚀刻(RIE)实施干法蚀刻。因此，形成各自具有U-型截面的孔IO,其穿过衬垫电极9、第一电极3、有源层形成部2和緩 冲层12而到达导电衬底1的主表面la。每个孔10的宽度是200nm~ 100nm，优选l 3fim。在每个孔10的底部，暴露出导电衬底l的表面 (见图8C)。
下一步，移除氧化物膜41，并且通过蚀刻使衬垫电极9成形以具 有特定形状(在本实施方案中，使其定位于器件的中心部分)。接着， 选择性地形成由SK)2制成的氧化物膜42。因此，暴露出对应于每个孔 10的底面的导电衬底1的表面，同时用氧化物膜42覆盖每个孔10的侧 面、暴露的衬塾电极9和暴露的第一电极3 (见图8D)。
下一步，利用蚀刻剂(例如，在导电衬底1为硅衬底的情况下为氟
化氢(HF )和硝酸(HN03)的混合液体)蚀刻由于形成孔10而暴露的导 电村底1的表面。因此，形成中空部lla,每个中空部lla在基本相同的 方向上从导电衬底1的各暴露部分(其通过形成相应的孔10而暴露，并用 作扩展中心)向导电衬底1的内部扩展。亦即，也在紧邻有源层形成部2 的下方形成各凹陷部lla (见图8E)。因此，每个孔10和中空部11彼此 连接，并在有源层形成部2的下表面和相应的中空部11之间形成各边界面 R。
下一步，相对子緩冲层12的表面(或当不提供緩冲层12时的有源 层形成部2:在下面的说明中这种可替代条件也是有效的)，接触中空部11 并面对相应的凹陷部lla的各区域，即由于各凹陷部lla而暴露并因此成 为中空部11的上表面的緩冲层12的部分下表面具有粗糙表面，该^J^ 面具有由交替布置的峰部分和谷部分组成的峰-谷形式14(即，第一不平 坦图案20 )。
如果有源层形成部2下方的边界面R是平坦的，那么除非相对于中 空部ll(即，空气)的入射角大于或等于特定的临界角，否则不反射从有 源层形成部2向下发射的光。然而，在本实施方案的半导体发光器件中， 由于在有源层形成部2的下表面形成多重峰-谷形式14，因此可增加通过 偏转而反射的光的量，并因此提高光提取效率。
为了形成多重峰-谷形式14，在形成边界面R后，利用蚀刻剂实施 蚀刻，所述蚀刻剂为加热至70。C的磷酸(H3P04)或氢氧化钾(KOH)溶 液。由于形成氧化物膜42的Si02的蚀刻速度低于形成緩冲层12 (或有源 层形成部2(即，发光部))的III-V化合物半导体的蚀刻速度，因此氧化 物膜42没有被蚀刻。但是，在由于凹陷部lla而暴露的III-V化合物半导 体层的表面上(即，緩沖层12或有源层形成部2)形成多重峰-谷形式14 (见图8F)。
接着，移除衬垫电极9上的氧化物膜42，由此形成本实施方案的半 导体发光器件。
在上述结构中，当在第一电极3和第二覆盖层6之间的边界面上形 成第二不平坦图案21时，在如图8A所示过程中，形成由III-V化合物半 导体制成的膜作为第二覆盖层6。在第二覆盖层6的上表面上，沉积作为 聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的组合的高聚物材料，以具有与第二不平坦 图案21的高度相对应的厚度，并且接着在预定温度(例如，约250°C )下
加热本发明器件。
接着利用氧等离子体蚀刻聚曱基丙烯酸甲酯，从而以点线形式保留 自组织的聚苯乙烯的固化区域。
当利用聚苯乙烯的固化区域来蚀刻暴露的第二覆盖层6直至特定厚 度时，提供在其上形成有精细不平坦闺案的第二覆盖层6。在具有第二不 平坦图案21的该第二覆盖层6上，形成用作第一电极3的膜。
在本实施方案中，由于第一不平坦图案20形成在每个中空部11 和有源层形成部2之间的边界面R处，因此该处的光的方向角度改变， 从而增加入射角不超过相对于第一电极3和有源层形成部2之间的边界 面的临界角的光的量。因此，可减少由第一电极3和有源层形成部2之 间的边界面反射的光的量，由此增加输出到半导体发光器件的外部的光 的量。因此，更加有效地从半导体发光器件提取从有源层7发射的光。
即，根据第一实施方案，相对于传统器件，可提高发光效率。
第二实施方案
将参考图9A和9B说明本发明的第二实施方案的半导体发光器件 的结构。图9A是表示第二实施方案的半导体发光器件的剖面结构图， 图9B是图9A中500部分的放大图。在图9A和9B中，类似于第一实 施方案中的部件以相同的附图标记表示，在此省略其说明。更具体而言， 除了导电衬底1的部分和紧邻衬垫电极9下方形成的保护元件的部分之 外，第二实施方案具有和第一实施方案类似的结构。由于保护元件形成 区域被衬垫电极9所覆盖，因此平面视图中的结构类似于在图2~4中 所示的结构。
本实施方案涉及包括半导体发光器件和用于保护所述器件的保护 元件的复合半导体器件。具有使用化合物半导体的有源层形成部2的发 光元件具有相对小的静电击穿电阻。因此，例如，当施加的浪涌电压高 于100V时，可能击穿发光元件。因此，为了保护半导体发光元件免受 静电影响，可将例如二极管或电容器的保护元件和发光元件一起安装在 相同的封装中。
在图9A中，在导电衬底1中掺杂具有第一导电型的杂质(用于 形成p-型半导体)。在有源层形成部2中形成凹陷部30，以暴露出部分 导电衬底1。从暴露的导电衬底1的表面掺杂具有第二导电型的杂质(用
于形成n-型半导体)，从而形成半导体区域40 (即，杂质扩散区域)作 为具有不同于导电衬底1的导电类型的杂质区域。
本实施方案的复合半导体器件包括作为发光元件的发光二极管和 作为保护元件的肖特基势垒二极管。在图9A中的发光元件中形成区域 200中，通过有源层形成部2、第一电极3和第二电极4形成的部件可 称为发光元件(部件)。另一方面，在图9A中的保护元件形成区域IOO 中，通过半导体区域40和导电衬底1之间接触形成的pn 二极管可以称 为保护元件。
导电衬底1用作发光元件和保护元件的(电)流流动通道。即， 在导电衬底l中心的半导体区域40用作pn 二极管的主要部分，并且也 用作其电流通道。导电衬底1的发光元件形成区域200用作发光元件的 电流通道，其中在所述发光元件形成区域200中形成用于包围半导体区 域40的发光元件。
此外，在凹陷部30的侧面上形成绝缘膜50，由于该绝缘膜50使 得接触半导体区域40的第一电极3的第二部分3a不与有源层形成部2 电接触。此外，绝缘膜50的底表面的一部分是打开的，因此凹陷部30 的一部分用作接触区域。即，形成接触孔以暴露半导体区域40的上表 面的至少一部分。因此，第一电极3的第二部分3a与半导体区域40电 接触。
半导体区域40的暴露部分和第一电极3的第二部分3a形成低电 阻(即，欧姆)连接。
为了电连接第一电极3的第二部分3a和第一部分3b (其对应于 第一实施方案中的第一电极3)，形成第二部分3a，使得在平面视图中 它大于(即，向外扩展超过)绝缘膜50。
在凹陷部30内形成衬垫电极9。在第二实施方案中的发光元件的 结构中，利用导电衬底l和半导体区域40的pn结，在紧邻衬垫电极9 下方形成保护元件形成区域IOO以改进发光元件的静电电阻。此外，第 二实施方案具有复合半导体器件的结构，其中(i)在发光元件形成区 域200中，相对于有源层形成部2形成孔10和相应的中空部11，以改 变光前进方向，使得它们从蜂窝形式的衬垫电极9向外传播，并且(ii) 在半导体器件的中心提供保护元件形成区域100。
当形成第二实施方案的发光元件时，可同时形成孔10和凹陷部30。
作为利用导电衬底1和半导体区域40来形成pn结作为保护元件 的替代方案，即作为形成半导体区域40的替代方案，可以在第一电极3 的第二部分3a接触导电衬底1的区域中，即在第一电极3的第二部分 3a和导电衬底1之间形成肖特基电极用于在导电衬底1上形成肖特基接 触(见图9A)。
这种用于形成肖特基接触的肖特基电极，即肖特基接触金属层可 以利用钛(Ti)、铂(Pt)、铬(Cr)、铝(A1)、钐(Sm)、硅化铂(PtSi )、 硅化钯(Pd2Si)等形成，并利用穿过绝缘膜50形成的接触孔与导电衬 底l的表面一起形成肖特基接触。如上所述，利用导电衬底l和肖特基 电极形成肖特基势垒二极管作为保护元件。
在平面视图中，在第一电极3的第二部分3a的内部形成衬垫电极 9(即，焊盘(bonding pad))，以便具有比有源层形成部2更小的表面 积。衬垫电极9由金属制成，可以连接由铝(Al)或金(Au)制成的外 部连接金属线。此外，衬垫电极9连接第一电极3的第二部分3a，并且 还通过第一电极3的第二部分3a连接半导体区域40 (或上述肖特基电 极)。此外，衬垫电极9 (焊盘)通过第一电极3的第一部分3b和第二 部分3a连接有源层形成部2。
在平面视图中，即，当在垂直于导电衬底1的主表面la的方向观 察时，衬垫电极9覆盖至少有源层形成部2的内部和至少保护元件形成 区域100的一部分，并且不覆盖有源层形成部2的外部。当提供上述肖 特基电极时，形成衬垫电极9使得第一电极1的第二部分3a连接上述 肖特基电极。
在平面视图中，保护元件形成区域100布置在衬垫电极9内部。 然而，即使在平面视图中保护元件形成区域100突出到衬垫电极9的外 部，也不降低保护元件的功能。
和第一实施方案类似，利用金属层并在导电衬底1的主表面lb 的整个表面上形成第二电极4。亦即，第二电极4在保护元件形成区域 100和发光元件形成区域200中与导电衬底1的下表面一起形成肖特基接触。
衬垫电极9用作发光元件的外部连接电极，同时也具有将pn结 二极管(或肖特基势垒二极管的肖特基电极)的半导体区域40连接到 发光元件的功能。第二电极4用作发光元件和保护元件的电极。因此， 图9所示的复合半导体器件用作包括发光二极管61作为发光元件和肖 特基势垒二极管62作为保护元件的反向并联连接电路(见图10)。
当施加到发光二极管61的过载反向电压(即，浪涌电压)高于预 定值时，肖特基势垒二极管62导电。因此，发光二极管61的电压限于 肖特基势垒二极管62的正向电压，并且保护发光二极管61免受由于静 电等产生的过载反向电压。
设定用于启动电传导的肖特基势垒二极管62的正向电压低于或 等于发光二极管61的容许最大反向电压，即，低于可击穿发光二极管 61的电压。优选地，用于启动电传导的肖特基势垒二极管62的正向电 压高于在正常状态下施加到发光二极管61的反向电压，并低于可击穿 发光二极管61的电压。
根据上述结构，除了通过第一实施方案获得的效果外，第二实施 方案的半导体发光器件可形成保护元件，用于改进器件静电电阻而不减 少用于光提取的区域。因此，可提供包括保护元件的小尺寸发光元件 (即，复合半导体器件)。
虽然上文已经说明并阐述了本发明的优选实施方案，但是应该理解， 这些实施方案是本发明的示例，不能认为另一对本发明的限制。在不背离本 发明的范围的情况下，可进行各种添加、省略、替代和其它的^奮改。因此， 不能认为本发明受到前述描述的限制，本发明仅受所附权利要求的范围限 制。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包括具有两个主表面的衬底；和由化合物半导体材料制成的有源层形成部，其形成在所述主表面中的一个主表面上并包括有源层，其中从所述有源层形成部的上表面形成穿过所述有源层的多个孔；在所述有源层和所述衬底之间设置多个中空部，每个所述中空部对应于每个孔；和在平面视图中，每个所述中空部的面积大于对应的孔的面积，并且铺展在所述有源层形成部的下表面上，从而暴露出在平面视图中与所述中空部交叠的所述有源层形成部的下表面的部分。
2. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中 每个中空部连接对应的孔；在所述有源层形成部的上表面上设置有衬垫电极； 在平面视图中，相邻的所述中空部在从衬垫电极朝向离开所述衬垫电极 一侧的各个方向上彼此接触。
3. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中所述衬底不透射从所 述有源层发射的光。
4. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中 在所述有源层形成部的上表面上设置有衬垫电极；和 在平面视图中，与所述半导体发光器件的周边区域相比，在所述衬垫电极附近的所述中空部的密度较高。
5. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中 所述衬底为珪衬底；和利用氮化物化合物半导体制成所述有源层形成部。
6. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中 在所述有源层形成部的下表面中的暴露部分上，形成有具有多重交替峰-谷形式的第一不平坦图案。
7. 根据权利要求6所述的半导体发光器件，其中 在所述有源层形成部的上表面上设置有透明电极；和所述透明电极具有包括具有多重交替峰-谷形式的第二不平坦图案 的表面，其中在平面视图中，与所述第一不平坦图案相比，所述第二不 平坦图案的多重交替峰-谷形式中的每个峰和与其相邻的谷之间的宽度 较小。
8. 根据权利要求l所述的半导体发光器件，其中 在平面视图中，衬塾电极形成在所述有源层形成部的上表面上，并且基本位于所述半导体发光器件的中心处；在所述衬垫电极下方形成有保护元件，用于保护所述半导体发光器 件免受可击穿所述器件的高电压；和在所述保护元件周围形成所述有源层形成部。
9. 一种制造半导体发光器件的方法，包括第一步，在衬底的两个主表面中的一个主表面上形成包括有源层的 有源层形成部；第二步，形成穿过所述有源层的孔；和第三步，利用蚀刻剂蚀刻所述衬底的两个主表面的所述一个主表面 的一部分，在所述有源层形成部和衬底之间形成中空部，其中所述部分 由于在第二步中形成的孔而暴露。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括第四步，在所述有源层形成部的下表面上形成具有多重交替峰-谷形 式的第一不平坦图案，所述有源层形成部的下表面由于在第三步中形成 的所述中空部而暴露。
11. 根据权利要求9所述的方法，还包括 在所述有源层形成部的上表面上形成透明电极的步骤，其中 在相对于所述透明电极的边界面上，形成具有多重交替峰-谷形式的第二不平坦图案，其中在平面视图中，与所述第一不平坦图案相比，在所述第二不平坦图案中的多重交替峰-谷形式中的每个峰和与其相邻的谷之间的间隔较小。
全文摘要
本发明涉及一种半导体发光器件及其制造方法，该半导体发光器件包括具有两个主表面的衬底；和由化合物半导体材料制成的有源层形成部，该有源层形成部形成在所述主表面中的一个主表面上并且包括有源层。从所述有源层形成部的上表面形成穿过有源层的多个孔；在所述有源层和所述衬底之间提供对应于各个孔的多个中空部；和在平面视图上，各中空部的面积大于对应的孔的面积，并且铺展在所述有源层形成部的下表面上，从而暴露出在平面视图上覆盖所述中空部的所述有源层形成部的下表面的部分。
文档编号H01L33/22GK101197410SQ200710168199
公开日2008年6月11日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年12月4日
发明者多田善纪, 田嶋未来雄 申请人:三垦电气株式会社