半导体发光元件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体发光元件，其包括半导体基板及设置于其上的多层外延结构。半导体基板具有垂直半导体基板的上表面的既定晶格方向，使半导体基板的上表面具有至少两种晶面，其中既定晶格方向包含自［１００］朝向［０↓［１↓［１］］］或［０↓［１↑［１］］］、或自［［１］↓００］朝向［０１１］或［０↓［１１］］倾斜的角度。多层外延结构设置于半导体基板上，具有与多层外延结构的上表面垂直的该既定晶格方向，其中多层外延结构的上表面为粗化表面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体发光元件制造技术，尤其涉及一种可提升光取出效率(extraction efficiency)的。
技术介绍
现今的半导体发光元件，例如发光二极管(light-emitting diode，LED)，因具备质轻、尺寸小、低耗电等特性，加上其发光效率不断的提升，已成为近年来受重视的光源之一。发光二极管是一种将电能转换成光能的发光元件，其结构基本上为半导体p-n二极管，在p-n接面两端施加偏压通入电流以后，利用电子与空穴的结合而发光。为了使发光二极管具有较高的可靠度及较低的能源消耗，必须提升其发光效率。一般而言，发光二极管的发光效率又称为元件的外部量子效率(externalquantum efficiency)，为元件内部量子效率(internal quantum efficiency)与光取出效率的乘积。所谓内部量子效率为元件的电光转换效率，其取决于元件的材料特性与品质。另外，光取出效率则取决于元件的结构、光吸收及折射率。传统上，利用提高外延品质或改变外延结构，使电能不易转成热能，以提高内部量子效率。然而，为了进一步提升发光二极管的发光效率，提升元件的光取出效率便成为另一重要的考虑因素。过去有人建议将元件外部形状粗化(roughing)，以利于光的反射与散射，进而提升元件的光取出效率，例如以自然光刻(natural lithography)使元件表面粗化。此技术是利用随机排列的聚苯乙烯(polystyrene)球体作为光刻掩模，进行元件表面的离子束蚀刻(ion beam etching)。但上述方式容易造成元件表面粗化不均匀或损害内部的发光层(active layer)晶体结构，降低元件的光输出功率。另一种方式为以公知的湿蚀刻技术进行元件的表面粗化，此技术是在未经过特殊晶面选择的基板上进行发光元件外延层的成长，在元件表面以金属作为光刻掩模，选择合适的蚀刻溶剂(etchant)进行元件表面蚀刻。然而，由于湿蚀刻为各向同性蚀刻(isotropic etching)，其横向及纵向的蚀刻速率大致相同。因此蚀刻溶剂在蚀刻外延层时不但会在纵向进行蚀刻，也会有横向的蚀刻效果，使得光刻掩模图形无法有效转移至发光元件表面，而影响表面粗化程度。此外，离子束蚀刻及湿蚀刻都需要一道形成光刻掩模的步骤，在工艺上也较为复杂。然而，元件表面的粗化程度正比于元件的光取出效率，因此有必要寻求一种新的半导体发光元件的制作方法，以增加元件表面粗化程度，进而提升元件的光取出效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种半导体发光元件及其制作方法，利用外延层在不同晶面有不同的蚀刻速率特性，而在既定的晶格方向成长外延层并蚀刻之，以形成表面具有较佳粗化程度以及规则且稳定的粗化形貌的外延层，进而提升半导体发光元件的光取出效率。根据上述目的，本专利技术提供一种半导体发光元件，其包括半导体基板及设置于其上的多层外延结构。半导体基板具有与其上表面垂直的既定晶格方向，其中该既定晶格方向包含以III-族原子为其单位晶胞(unit cell)的000位置为原点，自朝向或倾斜的角度、或自朝向或 倾斜的角度，使半导体基板的上表面具有至少两种晶面，且此二晶面的晶面方向不同。成长于此半导体基板上的多层外延结构的上表面因此亦与此既定晶格方向垂直，其中多层外延结构的上表面为经粗化的表面。又根据上述的目的，本专利技术提供一种半导体发光元件的制造方法提供半导体基板，其具有垂直半导体基板的上表面的既定晶格方向，其中该既定晶格方向包含自朝向或倾斜的角度、或自朝向或 倾斜的角度，使半导体基板的上表面具有至少两种晶面，且此二晶面的晶面方向不同，在半导体基板上形成多层外延结构，通过蚀刻以粗化半导体基板上的多层外延结构上表面。附图说明图1A至图1B绘示出根据本专利技术实施例的半导体发光元件制造方法剖面示意图。图1C绘示出多层外延结构上表面的放大图。图1D是多层外延结构上表面SEM上视图。图2绘示出图1A及图1B中半导体基底的局部放大剖面示意图。图3A及3B分别绘示出立方晶体结构的局部晶面示意图。附图标记说明100～半导体基板；101～多层外延结构；102～n型半导体层；104～发光层；106～p型半导体层；108～蚀刻；110～上电极；112～下电极；d～粗化深度；S1～半导体基底的上表面；S2、S3～多层外延结构的上表面；～既定晶格方向。具体实施例方式请参照图1B，其绘示出根据本专利技术实施例的半导体发光元件剖面示意图。半导体发光元件，例如发光二极管(LED)，包括半导体基板100、多层外延结构101、以及上下电极110及112。在本实施例中，半导体基板100供后续形成多层外延结构101用，其材料包括III-V族半导体材料，例如磷化砷镓(GaAsP)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)或其他类似的材料。多层外延结构101设置于半导体基板100上，其包括n型半导体层102、p型半导体层106、以及介于半导体层102及106之间的有源层(active layer)104。在其他实施例中，n型半导体层102与p型半导体层106的位置配置可以互换。亦即，p型半导体层106位于多层外延结构101的底层而n型半导体层102位于多层外延结构101的顶层。在本实施例中，n型半导体层102与p型半导体层106作为LED的被覆层(cladding layer)，其材料包括III-V族半导体材料，例如磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)或其他公知的三元或四元III-V族半导体材料。有源层104的材料可为0.5In0.5P或其他可与n型半导体层102与p型半导体层106匹配使用的材料。上下电极110及112分别设置于多层外延结构101的上表面S3以及半导体基板100的下表面。请特别参照图2，其绘示出图1A及图lB中半导体基板100的局部放大剖面示意图。半导体基板100具有既定晶格方向，实质上垂直于半导体基板100的上表面S1，使半导体基板100的上表面S1露出至少两种晶面，例如(100)及(001)晶面，而呈现不平坦的粗糙表面。在本实施例中，既定晶格方向为自朝向或倾斜的角度，其中倾斜角度在6至55度的范围，而较佳的倾斜角度为15度。在其他实施例中，既定晶格方向亦可为自朝向或 倾斜的角度。同样地，倾斜角度在6至55度的范围，而较佳的倾斜角度为15度。请同时特别参照图1B，多层外延结构101同样具有既定晶格方向与多层外延结构101的上表面S3垂直，使多层外延结构101的上表面S3与半导体基板100的上表面S1具有大致相同的表面形貌(topography)。需注意的是多层外延结构101的上表面S3所呈现的粗化程度大于半导体基板100的上表面S1，其将于本文稍后说明。以下配合图1A至1B说明本专利技术实施例的半导体发光元件制造方法。首先，请参照图1A，提供半导体基板100，其具有垂直于半导体基板100的上表面S1的既定晶格方向，使半导体基板100的上表面S1具有至少两种晶面，例如(100)及(001)晶面，而呈现不平坦的粗糙表面，如图2所示。接着，请参照图3A，其绘示出立方晶体结构的局部晶面示意图。在本实施例中，半导体基板100的既定晶格方向为朝向或为朝向倾斜角度θ，其中倾斜角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体发光元件，包括：半导体基板，具有上表面，且具有垂直于该上表面的既定晶格方向，其中该既定晶格方向包含自［１００］朝向［０↓［１↓［１］］］、［１００］朝向［０↓［１↑［１］］］、［［１］↓００］朝向［０１１］、或［［１］↓０ ０］朝向［０↓［１１］］倾斜的角度，使该上表面包含至少二晶面，且此二晶面的晶面方向不同；以及多层外延结构，设置于该半导体基板上，其中该多层外延结构具有上表面，该上表面为粗化表面且与该既定晶格方向垂直。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚儒，徐大正，金明达，陈彦文，骆武聪，李仲渊，谢明勋，
申请(专利权)人：晶元光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]