半导体发光器件及其制造工艺制造技术

提供一种细微芯片结构的半导体发光器件，该结构具有良好的晶体特性和控制的衬底螺纹位错，能够不增加步骤地制备这种结构。半导体发光器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的晶面（例如Ｓ面），还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述晶面的第二导电类型层。半导体发光器件可选的具有平行于倾斜晶面的反射面。具有与衬底主平面平行的晶体层具有良好的晶体特性。此外，由于倾斜，晶体层防止了衬底螺纹位错，并有助于器件小型化和器件隔离。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由依次设置的第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层组成的双异质结结构的半导体发光器件，还涉及该器件的制造工艺。特别是，本专利技术涉及发光区由氮化物半导体晶体层形成的半导体发光器件，还涉及该器件的制造工艺。
技术介绍
已知的半导体发光器件由顺序形成在蓝宝石衬底的整个表面上的低温缓冲层、掺杂硅的GaN的n侧接触层、掺杂硅的GaN的n侧覆盖层、掺杂硅的InGaN的有源层、掺Mg的InGaN的p侧覆盖层、以及掺Mg的GaN的p侧接触层组成。能够大量得到的这种结构的商业产品为能够发出从450nm到530nm波长范围的蓝光和绿光LED(发光二极管)。在蓝宝石衬底上生长氮化镓晶片为常见的做法。用于该目的的蓝宝石衬底通常为具有C面为主平面的蓝宝石衬底。因此，形成在主平面上的氮化镓层也具有C面，平行于衬底主平面形成的有源层与将有源层夹在其间的覆盖层不可避免地平行于C面。由于衬底的主平面的光滑度，具有基于衬底的主平面顺序形成的晶体层的半导体发光器件具有形成电极需要的光滑表面。在蓝宝石衬底上生长氮化镓的不足之处在于由于两者之间的晶格不匹配，位错会密集地存在于晶体中。消除生长晶体中缺陷的一种方式是在衬底上形成低温缓冲层。日本专利特许公开No.Hei 10-312971公开了结合外延横向附晶生长(ELO)以减少晶体缺陷。此外，日本专利特许公开No.Hei 10-321910公开了一种半导体发光器件，特点在于在形成于衬底上的六角棱柱结构中，发光区垂直于衬底的主平面延伸，由此它的(10-10)或(1-100)m侧平面垂直于衬底的主平面。垂直于衬底主平面的有源层能有效地抑制缺陷和由于与衬底晶格不匹配造成的位错，并减少由于热膨胀系数不同造成的应力。此外，日本专利特许公开No.Hei 8-255929公开了一种制造发光器件的工艺，所述工艺由以下步骤组成在衬底上形成一种导电类型的氮化镓化合物半导体；用掩模覆盖部分层；通过选择性生长在未覆盖的部分上形成氮化镓化合物半导体层(包括另一种导电类型)；以及形成p电极和n电极。如日本专利特许公开No.Hei 10-321910中公开的，垂直于衬底的主平面形成六角棱柱结构的技术要求通过HVPE(氢化物汽相外延)得到的膜之后需要进行干腐蚀以得到(10-10)或(1-101)m侧平面。遗憾的是，干腐蚀不可避免地损伤了晶面。换句话说，尽管氮干腐蚀能有效地抑制衬底的螺纹位错，但它使晶体特性退化。此外，干腐蚀需要额外的步骤。现已知在蓝宝石衬底的C+面上选择性生长得到具有由(1-101)面或S面环绕的尖峰的晶体层(参见日本专利No.2830814，说明书的第9段)。如此得到的层对于将形成其上的电极来说不够平坦；因此，从来没有用于电子器件和发光器件。它仅用做用于进一步选择性生长的晶体结构的下层。具有表面平行于衬底主平面的任何器件需要平坦的表面以得到良好的晶体性质。由此，通常水平地铺设电极构成器件。这种结构的不足之处在于水平地铺设电极使工艺变成非常困难且花费时间的工作，需要使用切片机将微小的晶片相互分离同时不切伤水平铺设的电极。此外，蓝宝石衬底和氮化物(例如GaN)很硬，很难切割，切片时需要约20μm的切割余量。这使得很难切割微小的芯片。顺便提及，其中衬底的主平面为C+面并且平行于衬底的主平面形成氮化镓的有源层的发光器件存在的问题是在C+面中从镓原子到氮原子仅有一个键，因此氮原子容易脱离C+面的晶面，这使得很难使有效的V/III比更大。该问题妨碍了构成发光器件的晶体性能提高。在日本专利特许公开No.Hei 8-255929中公开的技术具有使用选择性生长不必需要腐蚀例如反应离子腐蚀的优点。然而，由于掩模层除去之后，在它的附近产生大的台阶，因此很难形成准确地形成n电极。在日本专利特许公开No.Hei 8-255929中公开的发光器件中，平行于衬底主平面形成有源层的不足之处在于有源层的端部暴露到空气，结果是有源层被氧化并退化。期望的是LED器件能用做大显示(例如投影显示)的光源。为此，对于LED器件来说，具有较高的亮度、较好的可靠性以及较低的价格很重要。LED器件的亮度受两种因素决定取决于有源层的晶体性质的内部量子效率，以及为脱离器件的光与器件中产生的光的比值的发光(emergence)效率。发光二极管具有典型结构显示在图1中的发光区。发光区的主要部分包括InGaN的有源层400、第一导电层401和第二导电层402(将所述有源层400夹在其间)以及与有源层400相对的第二导电层402上的反射膜403(也起电极的作用)，反射膜403和第二导电层402之间的界面起反射面的作用。有源层400产生的部分光直接从第一导电层401中的光出射窗口405射出，朝向第二导电层402的部分光被反射面404反射，反射光射向第一导电层401中的光出射窗口405。以上提到的常规结构的发光二极管的不足之处在于由于在器件和外部之间的界面、器件和透明基片之间的界面、或透明基片和外部之间的界面发生的全反射，由有源层400产生的光，无论效率如何，都不能从器件引出(extracted)。换句话说，以小于临界角的角度入射到界面的光发生全反射。(临界角取决于形成界面的两种材料的折射率)。在具有图1所示相互平行的反射面404和光出射窗口405的表面发射型发光二极管中，在小于临界角的角度受到全反射的光在反射面404和光出射窗口405之间受到连续的全反射。因此，这种光不能引出作为有效的输出。一种提高发光效率的可能方式是在器件中形成改变光通路的凸起或斜面，由此凸起或斜面起允许有效地发光的反射面的作用。然而，该技术还没有应用到用于蓝光或绿光LED的GaN半导体。目前，不可能在极小的区域中形成复杂的形状。表面发射型的发光器件的一个例子部分显示在图2中。它是在蓝宝石的生长衬底500上形成的。在衬底500上顺序形成氮化镓半导体的第一导电层501、氮化镓半导体的有源层502、以及氮化镓半导体的第二导电层503，它们都平行于衬底的主平面。部分除去有源层502和第二导电层503，由此形成底部穿入第一导电层501的开口506。在开口506中形成第一电极504，由此它连接到第一导电层501。在第二导电层503上形成连接到它的第二电极。一种满足用于大显示的光源要求的简单方式是根据需要的亮度增加器件尺寸。然而，光设计限制了发光区的尺寸，在制备具有高亮度和大发光区的器件时存在困难。此外，器件中的有源区也受到光出射窗口和用于有效注入电流的电极的布局限制。因此，目前通过注入多于实际器件中规定的电流可以满足高亮度的要求。然而增加电流注入损害了器件的可靠性。另一方面，期望减少发光二极管的器件尺寸并通过提高成品率减少制造成本。非常需要减少阵列形式的LED构成用于显示的各象素的区域的尺寸。然而，尺寸减少导致单位面积的负载增加，与以上提到的高亮度和高稳定性的要求相矛盾。此外，如果器件尺寸减小到小于几十微米以下，那么用于有源区的区域大大地受电极504和505(图2所示)以及器件隔离槽限制。导电层503和501接触电极505和504的区域应尽可能大以保持低电阻。然而，电极增大减小了从有源区发出光的面积，导致了亮度减少。本专利技术就是为了解决以上提到的技术问题。本专利技术的目的是提供一种细微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体发光器件，包括一个衬底和形成其上的一个晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的一个倾斜晶面，所述器件还包括一个第一导电类型的层、一个有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面地形成的一个第二导电类型的层。

【技术特征摘要】
JP 2000-7-18 218034/00;JP 2000-7-18 217663/00;JP 21.一种半导体发光器件，包括一个衬底和形成其上的一个晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的一个倾斜晶面，所述器件还包括一个第一导电类型的层、一个有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面地形成的一个第二导电类型的层。2.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有纤锌矿晶体结构。3.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层为氮化物半导体。4.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长晶体层形成在衬底上，用于生长的下层介于其间。5.根据权利要求4中限定的半导体发光器件，其中通过选择性除去用于生长的下层进行选择性生长。6.根据权利要求4中限定的半导体发光器件，其中通过在掩模层中选择性形成的开口进行选择性生长。7.根据权利要求6中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长形成晶体层，由此它从掩模层中的开口横向地延伸。8.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中衬底的主平面为C面。9.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中倾斜的晶面包括至少S面和(11-22)面之一。10.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中电流仅注入到倾斜晶体层内。11.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中有源层由InGaN形成。12.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中倾斜的晶面近似六边形地对称。13.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有作为C面的平坦面，C面在近似中央部分与衬底主平面上的晶体层的侧面相对。14.一种图象显示单元，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。15.一种发光系统，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。16.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤在衬底上形成具有开口的掩模层或籽晶层；通过掩模层中的开口或由籽晶层选择性生长形成晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面；在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于倾斜晶面的第二导电类型层。17.根据权利要求16中限定的半导体发光器件的制造工艺，其中衬底主平面为C面。18.根据权利要求16中限定的半导体发光器件的制造工艺，还包括在衬底上形成多个半导体发光器件之后将器件相互隔开的步骤。19.根据权利要求18中限定的半导体发光器件的制造工艺，还包括在每个隔开器件的背面上形成一个电极的步骤。20.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面，或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二导电类型层。21.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有纤锌矿晶体结构。22.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中晶体层为氮化物半导体。23.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长晶体层形成在衬底上，用于生长的下层介于其间。24.根据权利要求23中限定的半导体发光器件，其中通过选择性除去用于生长的下层进行选择性生长。25.根据权利要求23中限定的半导体发光器件，其中通过在掩模层中选择性形成的开口进行选择性生长。26.根据权利要求25中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长形成晶体层，由此它从掩模层中的开口横向地延伸。27.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中衬底的主平面为C+面。28.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中如果S面或基本上等效于S面形成在衬底上的平面为晶体层的一部分，那么仅对S面进行电流注入到有源层内。29.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面构成近似六棱锥体的侧面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于实施例晶体层上所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二导电类型层。30.根据权利要求29中限定的半导体发光器件，其中以顶部附近中的电流密度比侧面低的方式将电流注入到有源层内。31.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面构成近似六棱锥体的侧面，所述晶体层还具有C面或者基本上等效于C面的平面，所述C面或者基本上等效于C面的平面构成了近似六棱柱体的顶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或基本上等效于S面的平面和所述C面或基本上等效于C面的平面形成的第二导电类型层。32.一种图象显示单元，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面形成的第二导电类型层。33.一种发光系统，包括多个排列的半导体发光器件，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面形成的第二导电类型层。34.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤在衬底上形成具有开口的掩模层，通过穿过所述掩模层的开口选择性生长形成具有S面或者基本上等效于S面的平面的掩模层，在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面的第二导电类型层。35.根据权利要求34中限定的半导体发光器件的制造工艺，其中衬底具有C+面作为它的主平面。36.根据权利要求34中限定的半导体器件的制造工艺，其中多个半导体发光器件形成在衬底上，且相互隔开。37.根据权利要求36中限定的半导体器件的制造工艺，其中每个被隔开的半导体发光器件具有形成在它的背面上的电极之一。38.一种半导体发光器件，包括通过选择性生长形成具有倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；形成在晶体生长层上并根据以预定数量注入的电流发光的有源层；以及近似平行于倾斜晶面形成并反射部分从有源层发出的光的反射面。39.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层由具有纤锌矿晶体结构的化合物半...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥山浩之，土居正人，琵琶刚志，大畑丰治，菊谷友志，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]