發光二極體、集成發光二極體、其製法、生長方法、光源單元裝置、背光裝置、顯示器和電子器件的製作方法
2023-05-15 12:32:31
專利名稱：發光二極體、集成發光二極體、其製法、生長方法、光源單元裝置、背光裝置、顯示器和電子器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體和發光二極體的製造方法，並且還涉及集成發光二極體和集成發光二極體的製造方法。如上所述，本發明還涉及生長氮化物基III-IV族化合物半導體的方法以及光源單元裝置(cell unit)、發光二極體背光裝置(backlight)、發光二極體顯示器和使用發光二極體的電子器件。更特別地，本發明涉及使用氮化物基III-V族化合物半導體的發光二極體以及多種使用該發光二極體的器件或者裝置。
背景技術：
在諸如藍寶石襯底的不同類型襯底上外延式生長GaN半導體的情況下，會發生由於晶格常數或熱膨脹係數之間的很大差異而引起的高密度晶體缺陷，尤其是穿透位錯(threading dislocation)。
為了避免這種情況，到目前為止，一種利用選擇性側向生長的位錯密度減小技術被廣泛地使用。根據這種技術，在藍寶石襯底或者其它襯底上外延生長GaN半導體，然後將襯底從晶體生長裝置上去除。由SiO2等製成的生長掩模在GaN半導體層上形成，接著將襯底返回到晶體生長裝置，其中通過利用生長掩模使GaN半導體再次外延式生長。
雖然這種技術保證了位錯密度在上部GaN半導體層中縮減，但是需要兩次外延式生長周期，進而引起成本增加。
為了克服這個問題，已經提出了一種方法，其中要預先對不同的襯底進行處理，以提供一種圖案化的齒狀(indented)表面，GaN半導體在經過如此處理的襯底上外延式生長(例如參見Report of Mitsubishi Cable Industries，LTD.，No.98，October，2001，entitled「Developments of High-power UV LEDUsing A LEPS Technique」以及日本專利特開No.2004-6931和2004-6937)。這種方法在圖36A至36C中示意性示出。如圖36A所示，c藍寶石襯底101被處理過，以在其一個主表面上提供一種圖案化的齒狀表面。參考標記101a表示凹進部分，參考標記101b表示突起部分。這些凹進部分101a和突起部分101b沿著藍寶石襯底的1-100方向延伸。接著，例如，經過圖36B和36C的步驟，GaN半導體102在藍寶石襯底101上生長。在圖36C中，虛線表示生長過程中的生長界面。這種方法的特點在圖36C中示出，例如，間隙103在藍寶石襯底101和GaN半導體層102之間於每個凹進部分101a中形成。圖37示意性示出了一種在根據這種方法生長的GaN半導體層102上的晶體缺陷分布。如圖37所示，在每個突起部分101b之上的GaN半導體層102在與突起部分101b上表面的交界面垂直的方向上發生穿透位錯104，形成高缺陷密度區105。另一方面，位於凹進部分101a之上、且在相鄰的高缺陷密度區105之間的部分是低缺陷密度區106。
注意，在圖36C中，位於在藍寶石襯底101凹進部分101a內形成的間隙103之下的GaN半導體層102的掩埋形態的形狀是矩形。這個掩埋形態某些情況下也可以是三角形的。這種情況下，掩埋在凹進部分101a之中的GaN半導體層102與從突起部分101b開始橫向生長的GaN半導體層102相接觸，進而形成間隙，比如矩形掩埋形態的情況。
為了參考，圖38A到38D示出了在凹進部分101a和突起部分101b的延伸方向與藍寶石襯底101的1-100方向成直角相交叉的11-20方向的情況下，GaN半導體層102是如何生長的。
圖39A到39F示意性地顯示了相關技術中的另一種生長方法，與前面提到的方法不同(例如參見日本專利特開No.2003-318441)。如圖39A所示，利用製造為具有圖案化的齒狀表面的藍寶石襯底，經過圖39B到39F示出的步驟，在襯底上生長GaN半導體層102。根據本方法所述，形成GaN半導體層102，但在藍寶石表面101和GaN半導體層102之間沒有形成間隙。
發明內容
如上所述，利用圖36A～36C所示相關技術中的生長方法，在藍寶石襯底101和GaN半導體層102之間形成間隙103。根據發明人進行的試驗結果，通過在GaN半導體層102上生長GaN半導體層形成發光二極體結構時出現一個問題，即這種發光二極體的發光效率低。可以按照下面考慮發光二極體一旦工作，有源層發出的光反覆地在間隙103反射，進而吸收光而導致光提取效率的惡化。
另一方面，利用圖39A～39F所示相關技術中的另一種生長方法，其中提出在藍寶石襯底101和GaN半導體層102之間沒有形成間隙。然而，將GaN半導體層102的位錯密度減小到與圖36A～36C所示相關技術中生長方法的位錯密度相似的程度是困難的。這導致了如下事實，當通過在具有高位錯密度的GaN半導體層102上生長GaN半導體層而使用發光二極體結構時，這些GaN半導體層也會增加位錯密度，進而引起發光效率的降低。
需要提供一種發光二極體，通過解決上面討論的諸如間隙形成問題，該發光二極體在光提取效率上得到顯著改善，並極大地提高了發光二極體氮化物基III-V族化合物半導體層的結晶度，從而產生了非常高的發光效率，可以通過一種外延生長法，以低成本製造製造這種發光二極體，並且還需要提供一種製造上述類型二極體的方法。
還需要提供一種具有上述優點的集成發光二極體和製造該集成發光二極體的方法。
此外，還需要提供一種生長氮化物基III-V族化合物半導體的方法，這種氮化物基III-V族化合物適用於製造這種發光二極體或者集成發光二極體。
此外，還需要提供多種高性能器件，例如使用上述發光二極體的光源單元裝置、發光二極體背光裝置、發光二極體顯示器和其它電子器件。
通過下面參照附圖的描述，本發明的其它特點將變得明顯。
下面，將對本發明的若干實施例進行概述。
根據本發明的第一實施例，其提供了一種製造發光二極體的方法，該方法包括步驟是提供在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底，通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，從而掩埋凹口部分；在襯底上從第一氮化物基III-V族化合物半導體層，橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層；在第二氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層可以是p、n和i中的任意一種類型，也可以是同一種導電類型或者是彼此不同的導電類型。此外，不同類型的兩個或多個部分可以混合在第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層中。
典型地，當第一氮化物基III-V族化合物半導體層生長時，在沿與襯底的一個主表面相垂直的方向上，從襯底凹口部分底面的界面發生位錯。當該位錯到達第一氮化物基III-V族化合物半導體層的斜面或者其附近時，其中該半導體層處於形成截面為三角形的狀態，其彎曲以沿與所述一個主表面平行的方向遠離三角形部分。同樣典型地，當分別形成第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層時，在襯底凹口部分的底面上，形成具有第一寬度的第一凹點，在襯底凹口部分相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。如上面提出的方式，通過生長的第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層的反射形成這些第一和第二凹點。典型地，凹口部分和突起部分應該被交替地設置在襯底的一個表面上。形成的凹口部分可以以條帶狀的方式沿一個方向延伸，或者以條帶狀的方式在第一方向和第二方向上延伸，其至少相互交叉，進而提供兩維圖案，在這裡突起部分是三角形、四角形、五角形、六角形或者其它角被截去或修圓的形狀或者是圓形、橢圓形、點等形狀。在一個優選實施例中，突起部分是六角平面形狀，並且這樣的突起部分以蜂房形式在兩維上排列，凹口部分可以環繞每個突起部分。這可以使其在360度的全方向上高效地從有源層提取光。作為選擇，凹口部分具有六角平面形狀，凹口部分在二維上以蜂房的形式排列，突起部分環繞每個凹口部分。例如，在襯底的凹口部分呈帶狀的時候，這個凹口部分沿第一氮化物基III-V族化合物半導體層的1-100方向延伸。凹口部分的截面可以具有多種形狀，例如長方形、倒轉梯形等等，並且側壁可以包括平坦面，不過也可包括具有微小斜率的曲面，角部可以是圓的。從改善光提取效率的角度出發，優選的是凹口部分的截面是倒轉梯形。在這種情況下，從使第二氮化物基III-V族化合物半導體層的位錯密度最小的角度出發，優選的是當凹口部分的深度為d，凹口部分的底面寬度為Wg，第一氮化物基III-V族化合物半導體層的傾斜面(截面為三角形)和襯底一個主表面之間構成的角度為α時，d、Wg和α由關係2d≥Wg tanα確定。因為α通常為常數，d和Wg由不等式確定。如果d太大，凹口部分內部的起始氣體不能按照要求供應，因此阻止了從凹口部分的底部形成第一氮化物基III-V族化合物半導體層。相反，如果d太小，第一氮化物基III-V族化合物半導體層不僅生長在襯底的凹口部分也生長在其相對側(通常是突起部分)的部分。從防止形成這種結構的角度出發，通常，選擇d的範圍是0.5μm＜d＜5μm，優選d在1.0±0.2μm的範圍內。Wg通常在0.5～5μm的範圍內，優選在2±0.5μm的範圍內。儘管基本是任意選擇突起部分的上表面寬度Wt，但是突起部分是用於橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層的區域，因此更大的寬度可形成具有減小位錯密度部分的更大區域。Wt通常的範圍是1～1000μm，優選在4±2μm的範圍內。
為了在襯底的凹口部分生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，可以在凹口部分的相對側的襯底上形成非晶層(amorphous layer)。非晶層將是生長掩模。這是因為在生長時不可能在非晶層上成核。例如，為了非晶化可以對單個晶體襯底的表面層進行離子注入或者通過任意一種膜生長方法在襯底上以形成非晶層。非晶層由非晶矽(a-Si)膜構成，例如，非晶矽膜包括SiO2膜，SiN膜(不僅包括Si3N4膜還包括那些通過等離子化學氣相澱積(CVD)形成的具有不同組分的膜)以及SiON(包括O和N之間的比例發生變化以及折射率和側面形狀符合預期設計的情況)，並且非晶層通常是絕緣膜。此外，可以在每個凹口部分相對側的襯底上，依次形成第一非晶層、第二非晶層和第三非晶層，其被用作第一氮化物基III-V族化合物半導體層生長時的生長掩模。在這種情況下，第二非晶層應該是相對例如第一和第三非晶層能夠被選擇性蝕刻的非晶層。
在橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層後，可能有下面的過程，其中，移去除第二氮化物基III-V族化合物半導體層每個凹口部分之上的部分以外的部分，接著在留下的凹口部分上的第二氮化物基III-V族化合物半導體層上橫向生長第三氮化物基III-V族化合物半導體層，然後在第三氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長有源層和第四氮化物基III-V族化合物半導體層。作為選擇，在橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層後，可能有另一個過程，在該過程中，可以移去除位於第二氮化物基III-V族化合物半導體層每個凹口部分上的部分以外的部分，接著在留下的凹口部分上的第二氮化物基III-V族化合物半導體層上橫向生長第五氮化物基III-V族化合物半導體層，然後在第五氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
形成的第三氮化物基III-V族化合物半導體層具有第一導電類型的電極，其與第三氮化物基III-V族化合物半導體層電連接或者接觸。同樣地，具有第二導電類型的電極在與第四層電連接的狀態下形成在第四氮化物基III-V族化合物半導體層上。
襯底可以由多種材料構成。對於由與氮化物基III-V族化合物半導體層不同類型材料構成的襯底，例如，特別提到的是由藍寶石(具有c、a、r面以及空閒面，off face)、SiC(包括6H，4H和3C)、Si、ZnC、ZnO、LiMgO、GaAs、MgAl2O4等構成的襯底。優選地，使用由這些材料構成的六角形或者立方體襯底，更優選的是六角形襯底。作為選擇，也可以使用由氮化物基III-V族化合物半導體構成的襯底，例如GaN、InAlGaN、AlN等等。那些通過在由與氮化物基III-V族化合物半導體不同類型的材料構成的襯底上生長氮化物基III-V族化合物半導體層並在氮化物基III-V族化合物半導體層形成凹口部分得到的襯底也可以作為選擇。此外，可以使用另一種類型的襯底，其中形成襯底的組成材料與氮化物基III-V族化合物半導體不同，在該襯底上具有一層，在類型上構成該層的材料與氮化物基III-V族化合物半導體不同，該層作為至少由一種材料構成的層疊多晶或者非晶層，接著將該層部分圖案化到襯底的深度，這樣就形成了齒狀圖案表面。
注意如果需要，可以移去襯底。
最一般地，被用作第一到第五氮化物基III-V族化合物半導體層以及有源層的氮化物基III-V族化合物半導體層由表達式為AlxByGa1-x-y-zInzAsuN1-u-vPv的半導體構成，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤u≤1，0≤v≤1，並且0≤x+y+z＜1且0≤u+v＜1。優選地，提到的表達式是AlxByGa1-x-y-zInzN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，並且0≤x+y+z＜1。更加優選地，半導體層由AlxGa1-x-zInzN構成，其中0≤x≤1、0≤z≤1。具體實例包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInN等等。將被掩埋在襯底凹口部分的第一氮化物基III-V族化合物半導體層優選由GaN、InxGa1-xN、AlxGa1-xN、AlxInyGa1-x-yN構成，在InxGa1-xN中，0＜x＜0.5；在AlxGa1-xN中，0＜x＜0.5；在AlxInyGa1-x-yN中，0＜x＜0.5、0＜y＜0.2。第一導電類型可以是n型或p型的，相應地，第二導電類型可以是p型或n型的。
為了生長構成第一到第五氮化物基III-V族化合物半導體層和有源層的氮化物基III-V族化合物半導體層，例如，可以使用金屬-有機化學氣相澱澱法(MOCVD)、氫化物或者滷化物氣相外延法(HVPE)、分子束外延法(MBE)和其它許多外延法。
根據本發明的第二個實施例，其提供了一種發光二極體，該發光二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上生長的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在該發光二極體中，在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與一主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯可以到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第三個實施例，其提供了一種發光二極體，該發光二極體包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且沒有在凹口部分中形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上生長的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在該發光二極體中，襯底可以在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點(pit)，並在凹口部分的相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
根據本發明的第二、第三以及後面出現的第五、第六、第八到第十七實施例，第六氮化物基III-V族化合物半導體層分別與第一實施例中的第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層相對應。
應該注意除了在個別實施例中另外聲明或者另外需要外，與第一實施例相關的所有說明對於本發明的第二、第三實施例以及後面出現的第四到第十八實施例同樣是成立的。
根據本發明的第四實施例，提供了一種製造集成發光二極體的方法，該集成發光二極體中集成了多個發光二極體，該方法包括以下步驟通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，在襯底的一個主表面上的至少一個凹口部分上生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，從而掩埋凹口部分；在襯底上從第一氮化物基III-V族化合物半導體層，橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層；在第二氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層、第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
根據本發明的第五實施例，提供了一種集成發光二極體，其中，集成發光二極體中集成了多個發光二極體，其至少一個發光二極體包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在該發光二極體中，在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且向沿與一主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第六實施例，提供了一種集成發光二極體，其中，集成發光二極體中集成了多個發光二極體，至少一個發光二極體包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上生長的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在該發光二極體中，在襯底凹口部分的底面上，可以形成具有第一寬度的第一凹點，在襯底凹口部分相對例形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
在本發明的第四到第六實施例中，集成發光二極體能夠應用在多個領域中。典型的用途是發光二極體背光裝置，例如液晶顯示器、發光二極體照明設備、發光二極體顯示器等等。集成發光二極體關於二極體的排列結構和方式是任意的。例如，發光二極體能夠以二維陣列的方式排列，或者帶狀發光二極體以一行或者多行排列。集成發光二極體的形式包括這樣一種形式，其中根據一種所謂的半導體製造技術對具有半導體層堆疊結構的晶片進行切塊處理(block processed)，以提供電路圖案和集成且多個精細(microfinely)排列的各個發光二極體，或者包括這樣的形式，其中在電路圖案上將預先分成微片(microchipped)的各個發光二極體進行精細地多個排列。此外，這些發光二極體可以獨立驅動或者同時驅動。可選擇地，可以對在隨意設置區域內的一組發光二極體分塊(即區域驅動)進行獨立驅動。
根據本發明的第七實施例，提供了一種生長氮化物基III-V族化合物半導體層的方法，該方法包括步驟提供在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底，並通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，從而掩埋凹口部分；以及在襯底上從第一氮化物基III-V族化合物半導體層，橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層。
這種氮化物基III-V族化合物半導體層的生長方法不僅可以應用在發光二極體和集成發光二極體的製造上，而且還可以應用在各種半導體器件的製造上。
根據本發明的第八實施例，提供一種用於生長氮化物基III-V族化合物半導體的襯底，其包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；以及生長在襯底上且在凹口部分上沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層。在該襯底上，在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，沿與一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第九實施例，提供一種用於生長氮化物基III-V族化合物半導體的襯底，其包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；以及生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層。襯底可以在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點，在凹口部分相對側可以形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
根據本發明的第十實施例，提供了一種光源單元裝置，其包括印刷電路板和形成在印刷電路板上的多個單元(cell)，每個單元包括至少一個紅色發光二極體、至少一個綠色發光二極體、至少一個藍色發光二極體。在光源單元裝置中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體可以包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上生長的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第十一實施例，提供了一種發光二極體背光裝置，其包括排列成圖案的多個紅色發光二極體、多個綠色發光二極體和多個藍色發光二極體。在發光二極體中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第十二實施例，提供了一種發光二極體背光裝置，其包括排列成圖案的紅色發光二極體、綠色發光二極體和藍色發光二極體，每一種二極體在數目上都是多個，其中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中，襯底在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點，在凹口部分相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
根據本發明的第十三實施例，提供了一種發光二極體照明設備，其包括排列成圖案的紅色發光二極體、綠色發光二極體和藍色發光二極體，每種二極體在數目上都是多個，其中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中，在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第十四實施例，提供了一種發光二極體照明設備，其包括排列成圖案的紅色發光二極體、綠色發光二極體和藍色發光二極體，每一種二極體在數目上都是多個，其中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中襯底在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點，在凹口部分相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
根據本發明的第十五實施例，提供了一種發光二極體顯示器，其包括排列成圖案的紅色發光二極體、綠色發光二極體和藍色發光二極體，每一種二極體在數目上都是多個，其中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第十六實施例，提供了一種發光二極體顯示器，其包括排列成圖案的紅色發光二極體、綠色發光二極體和藍色發光二極體，每一種二極體在數目上都是多個，其中，紅色發光二極體、綠色發光二極體、藍色發光二極體中的至少一個二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中，襯底在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點，在凹口部分相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
在根據本發明的第十到第十六實施例中，例如，紅色發光二極體可以是使用AlGaInP半導體的發光二極體。
根據本發明的第十七實施例，提供一種包括至少一個發光二極體的電子設備，該至少一個發光二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
根據本發明的第十八實施例，提供了一種包括至少一個發光二極體的電子設備，該至少一個發光二極體包括在其一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中，襯底在凹口部分的底面上形成具有第一寬度的第一凹點，在凹口部分相對側形成具有第二寬度的第二凹點，第二寬度比第一寬度大。
在本發明的第十七和第十八實施例中，除了發光二極體背光裝置(例如用於液晶顯示器等的背光裝置)、發光二極體照明設備、發光二極體顯示器等外，電子設備還包括使用發光二極體作為光源的投影儀、背投電視、光柵光閥(GLV)等。通常，電子設備基本可以是任意類型，只要電子設備至少具有一個發光二極體用於顯示、照明、光通信、光傳輸等，其可以包括可攜式和臺式。除了上面描述的實例，具體實例還包括手機、行動裝置、機器人、個人電腦、車載設備、各種家用電子產品、發光二極體光通信設備、發光二極體光傳輸設備等。電子設備還包括兩種或者更多類型的發光二極體組合，在波長範圍上，發光二極體能夠發出不同波長的光，波長範圍包括遠紅外波長範圍、紅外波長範圍、紅色波長範圍、黃色波長範圍、綠色波長範圍、藍色波長範圍、紫色波長範圍、紫外波長範圍等。特別地，發光二極體器件具有能夠發出不同波長範圍可見光的兩個或多個發光二極體，可見光的波長範圍在紅色波長範圍、黃色波長範圍、綠色波長範圍、藍色波長範圍和紫色波長範圍中選擇。將這些發光二極體發出的兩種或多種光進行混合得到自然光或者白色光。此外，作為光源，使用能夠發光的發光二極體，該光的波長是藍色波長範圍、紫色波長範圍、紫外波長範圍的至少一種波長範圍內，這種發光二極體發出的光照射螢光體，螢光體激發後獲得的光被混合得到自然光或者白色光。
根據本發明的第十九實施例，提供了一種製造電子器件的方法，該方法包括步驟提供在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底，；通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，在凹口部分上生長第一層，並掩埋凹口部分；以及在襯底上從第一氮化物基化合物半導體層，橫向生長第二層。
根據本發明的第二十實施例，提供了一種電子器件，該電子器件包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；生長在襯底上且在凹口部分中沒有形成間隙的第三層，其中，在第三層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達或者接近以凹口部分底面作為底邊的三角形的傾斜面，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
在本發明的第十九和第二十實施例中，除了氮化物基III-V族化合物半導體外，第一到第三層可以是具有纖維鋅礦(wurtzit)結構的其它類型半導體或者更一般地是諸如ZnO、α-ZnS、α-CdS、α-CdSe等六方晶體(hexagonalcrystal)結構以及具有其它晶體結構的多種半導體。使用這些半導體的半導體器件包括發光器件、光接收器件；發光器件例如有普通發光二極體、中間次能帶躍遷(量子級聯，quantum cascade)發光二極體、普通半導體雷射器、中間次能帶躍遷(量子級聯)半導體雷射器等，光接收器件例如有光電二極體、傳感器、太陽能電池、電子躍遷器件，典型的電子躍遷器件是電晶體，該電晶體包括諸如高電子遷移率電晶體的場效應電晶體(FET)和諸如異質結雙極電晶體(HBT)的雙極電晶體。可以單個或者多個地將這些器件安裝在同一個襯底或者晶片上。如果需要，可以將這些器件排列成能夠獨立驅動的方式。在同一襯底上，使用集成發光器件和電子躍遷器件可以構成光電子集成電路(OEIC)。根據需要，可以形成光線路。此外，當使用至少一個發光器件(發光二極體或者半導體雷射器)來允許光發射時，可以進行照明通信或者光通信。在這種情況下，可以使用不同波長範圍的多個光束進行照明通信(lighting communication)或者光通信。
除了這些半導體器件(例如發光器件、光接收器件、電子躍遷器件等)外，電子器件包括壓電器件、熱電器件、光器件(例如使用非線性光學晶體的二階諧波發生器、包括鐵電器件的電介質器件)和超導器件等。就此而論，第一到第三層的材料可以包括上面所述的多種半導體，特別是壓電器件和熱電器件、光器件、電介質器件和超導器件，並且可以使用諸如具有六方晶體結構的氧化物的多種材料。
當利用這些包括發光二極體或者半導體雷射器的電子器件時，可以提供發光二極體背光裝置、發光二極體照明器件、發光二極體顯示器、使用發光二極體或者半導體雷射器作為光源的投影儀或者背投電視和諸如光柵光閥的電子設備。
對於本發明的第十九和第二十實施例，如第一到第十八實施例中的這些應用也同樣適用於第十九和第二十實施例。
如上文所述，根據本發明的實施例，從襯底凹口部分的底部，開始生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層。在生長期間，通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，形成了第一氮化物基III-V族化合物半導體層，進而掩埋凹口部分，該層在凹口部分沒有形成間隙。此後，從第一氮化物基III-V族化合物半導體層上橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層。在這個階段，在第一氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與襯底的一個主表面相垂直的方向上，從與襯底凹口部分底面之間的界面發生位錯。該位錯到達第一氮化物基III-V族化合物半導體層的傾斜面或者接近第一氮化物基III-V族化合物半導體層的傾斜面，在這種情況下，當第二氮化物基III-V族化合物半導體層生長時，位錯沿與襯底的所述一個主表面平行的方向彎曲。當第二氮化物基III-V族化合物半導體層生長到令人滿意的厚度時，在與襯底所述一個主表面平行的位錯上方的部分變成位錯密度非常小的一個區域。根據該方法，可以利用外延生長技術，生長第一到第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
更一般地講，當將第一氮化物基III-V族化合物半導體層僅僅作為第一層、第二氮化物基III-V族化合物半導體層僅僅作為第二層時，也可以取得相似的結果。
根據本發明的實施例，在第一氮化物基III-V族化合物半導體層和第二氮化物基III-V族化合物半導體層以及襯底之間沒有形成空間或者間隙，光提取效率能夠得到明顯改善。因為第二氮化物基III-V族化合物半導體層的結晶度變得良好，所以可以顯著改善在第二層上生長的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和第四氮化物基III-V族化合物半導體層的結晶度。最後，得到具有光發射效率非常高的發光二極體。此外，因為發光二極體可以由一次外延形成，所以製造成本低。因此，能夠實現高性能光源單元裝置、發光二極體背光裝置、發光二極體照明設備和發光二極體顯示器的製造以及使用光發射效率高的發光二極體的各種類型的電子設備。
更一般地，當將第一氮化物基III-V族化合物半導體層作為第一層、第二氮化物基III-V族化合物半導體層作為第二層時，可以取得相似的結果。
下面通過例子並結合說明本發明優選實施例的附圖進行描述，本發明上面和其它的特點、優勢將變得顯而易見。
圖1A到圖1F分別是說明根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法的截面圖。
圖2是平面圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，在藍寶石襯底上形成凹口部分和突起部分的平面形狀的例子。
圖3是示意圖，其顯示了如何從根據本發明的第一實施例獲得的GaN發光二極體提取光。
圖4是示意圖，其顯示了藍寶石襯底，該藍寶石襯底用於在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中。
圖5是示意圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，如何在藍寶石襯底上生長GaN層。
圖6是示意圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，在藍寶石襯底上生長的GaN中晶體缺陷的分布。
圖7是照片，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，在藍寶石襯底上生長的GaN層的平面陰極發光圖像。
圖8A和8B是示意圖，其分別說明了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，通過對藍寶石襯底上生長的GaN層進行TEM觀察而得到的位錯行為。
圖9是示意圖，其說明了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，在藍寶石襯底上生長的GaN層中位錯密度的估計結果。
圖10A和10B是顯微照片，其分別顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，生長在藍寶石襯底上的GaN層界面的截面TEM觀察結果。
圖11是示意圖，其說明了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，在藍寶石襯底上生長GaN層時的凹點的形成。
圖12A到12C是顯微照片，其分別顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，生長在藍寶石襯底上的GaN層界面的截面TEM觀察結果。
圖13A和13B是示意圖，其分別說明了圖12B和12C中GaN層的厚度分布。
圖14是示意圖，其顯示了根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的跟蹤仿真結果。
圖15是示意圖，其說明了用於對根據本發明第一實施例製造的GaN發光二極體的光提取效率進行改善的優化條件。
圖16是曲線圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造的GaN發光二極體中，使用的藍寶石襯底傾斜表面的面積比的仿真結果。
圖17是曲線圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，使用的藍寶石襯底傾斜表面的面積比的仿真結果。
圖18是曲線圖，其顯示了在根據本發明第一實施例製造GaN發光二極體的方法中，使用的藍寶石襯底的傾斜表面的面積比的仿真結果。
圖19是示意圖，其說明了根據本發明第一實施例製造的GaN發光二極體的有源層的表面平坦性。
圖20是示意圖，其說明了根據本發明第一實施例製造的GaN發光二極體的有源層的表面平坦性。
圖21A到21E是截面圖，其分別說明了根據本發明第二實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖22A到22G是截面圖，其分別說明了根據本發明第三實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖23A到23F是截面圖，其分別說明了根據本發明第四實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖24A到24G是截面圖，其分別說明了根據本發明第五實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖25A到25G是截面圖，其分別說明了根據本發明第六實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖26A到26B是截面圖，其分別說明了根據本發明第七實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖27A到27J是截面圖，其分別說明了根據本發明第八實施例製造GaN發光二極體的方法。
圖28A到28C是截面圖，其分別說明了根據本發明第九實施例製造GaN發光二極體背光的方法。
圖29A和29B是透視圖，其分別說明了根據本發明第九實施例的方法。
圖30是透視圖，其說明了根據本發明第十實施例製造發光二極體背光裝置的方法。
圖31是透視圖，其說明了根據本發明第十一實施例製造集成發光二極體的方法。
圖32是截面圖，其顯示了集成發光二極體，該集成發光二極體根據本發明第十一實施例製造，並安裝在基座(submount)上。
圖33A和33B分別是顯示根據本發明第十二實施例的光源單元裝置的平面圖和光源單元裝置的單元的放大圖。
圖34A和34B分別是顯示根據本發明第十二實施例的光源單元裝置的具體實例的平面圖。
圖35是平面圖，其顯示了一實例，該實例是根據本發明第十二實施例的光源單元裝置的另一單元的排列。
圖36A到36C分別是說明在齒狀襯底上生長GaN半導體層的相關方法的截面圖。
圖37是截面圖，其說明了圖36中所示相關方法的問題。
圖38A到38D是分別說明在齒狀襯底上生長GaN半導體層的另一相關方法的截面圖。
圖39A到39F是分別說明在齒狀襯底上生長GaN半導體襯底的另一相關方法的截面圖。
具體實施例方式
下文參考附圖描述本發明的實施方式。注意，附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
圖1A到1F按照步驟順序，示出了根據本發明第一實施例的製造GaN發光二極體的方法。
第一實施例中，如圖1A所示，提供了一在其一個主表面上具有齒狀圖案的藍寶石襯底11。參考標記11a表示凹口部分或凹槽，參考標記11b表示突起部分或突起。在這種情況下，凹口部分11a具有倒梯形截面。例如，藍寶石襯底11的主表面是c-面，凹口部分11a是沿藍寶石襯底11的1-100方向延伸的條形形狀。雖然凹口部分11a和突起部分11b的平面形狀可以分別是在上文中分別列舉過的形狀，但是優選的例子在圖2中示出。在這種情況下，如圖2所示，每個突起部分11b平面上是六邊形，並且這些突起部分被成形為二維形狀，形成蜂窩狀。凹口部分11a圍繞各個突起11b形成。六邊形突起部分11b在六邊形相對邊之間有一定距離，例如3.8到4.2μm，優選4μm。相鄰六邊形突起11b之間的距離被設定，例如為1.3到1.7μm，優選1.5μm，但並不是限制性的。典型地，虛線的方向(也就是最相近的突起部分11b的中心連接線的方向)與下文中將要描述的GaN層的m軸平行。藍寶石襯底11的表面鋸齒可以根據許多方法實現，這些方法包括反應離子蝕刻(RIE)法、噴粉技術、噴砂技術等。這些凹口部分11a和突起部分11b的尺寸將在下文詳細描述。
然後，利用像熱清潔(thermal cleaning)的方法來清潔藍寶石襯底11的表面，然後在藍寶石襯底11上根據已知工序在生長溫度例如約550℃下，例如生長GaN緩衝層(未示出)。接著，利用一種例如為MOCVD的方法，外延式生長GaN。在這個階段，如圖1B所示，這種生長是從凹口部分11a的底面處開始的，GaN層12按照這樣方式生長，以形成截面為等腰三角形，其底部作為底邊，相對於藍寶石襯底11主表面傾斜的面作為斜側面。例如，GaN層12沿1-100方向延伸，其傾斜側的面或者表面為(1-101)面。這種GaN層12可以是無摻雜的，也可以是摻雜有n型或p型雜質的。GaN層12的生長條件將在下文描述。
接著，繼續GaN層12的生長，同時始終保持傾斜面的表面方向，凹口部分11a其中被全部填充，如圖1C所示。圖1C中，虛線表示生長過程中的生長界面(下文同)。
然後，當生長繼續，同時設定橫向生長為主的條件時，GaN層12在突起部分11b之上分布的同時其厚度增加，如圖1D所示。最後，從相鄰凹口部分11a中生長出來的GaN層12在突起部分11b上方相互接觸。
之後，如圖1E所示，GaN層12橫向生長，使得GaN層12的表面形成與藍寶石襯底11的主表面平行的平坦表面。這樣生長的GaN層12在凹口部分11a之上具有非常低的位錯密度。
下面，如圖1F所示，例如n型GaInN層13、n型GaN層14、n型GaInN層15、有源層16、p型GaInN層17、p型AlInN層18、p型GaN層19和p型GaInN層20依次在GaN層12上外延式生長。有源層16具有，例如GaInN基多層量子阱(MQW)結構(例如GaInN量子阱層和GaN勢壘層交替層疊)。有源層16的In組份是根據發光二極體的發射波長來選擇的，例如405nm發射波長時接近(up to)11％、450nm波長時接近18％，520nm波長時接近24％。
之後，為了激活p型GaInN層17、p型AlInN層18、p型GaN層19和p型GaInN層20中的p型雜質，在混合氣體氣氛中進行熱處理，這種混合氣體例如是550到750℃(例如650℃)或者580到620℃(例如600℃)溫度下的N2和O2(組分例如為99％的N2和1％的O2)。在O2與N2混合時，這種激活更容易發生。熱處理的時間範圍，例如，從五分鐘到兩小時，或者40分鐘到兩小時。通常，這個時間範圍是10到60分鐘。將熱處理的溫度抑制到相對較低的值的原因是為了防止有源層16在熱處理期間劣化。
用於生長GaN半導體層的起始材料包括，例如，作為Ga材料的三乙基鎵((C2H5)3Ga，TEG)或三甲基鎵((CH3)3Ga，TMG)，作為Al材料的三甲基鋁((CH3)3Al，TMA)，作為In材料的三甲基銦((CH3)3In，TMI)和作為N材料的銨(NH3)。摻雜劑包括，例如作為n型摻雜劑的矽烷(SiH4)和作為p型摻雜劑的雙(甲基環戊二烯)鎂(bis(methylcyclopentadiene)magnesium，(CH3C5H4)2Mg)、雙(乙基環戊二烯基)鎂(bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium，(C2H5C5H4)2Mg)或者雙(環戊二烯基)鎂(bis(cyclopentadienyl)magnesium，(C5H5)2Mg)。
用於生長GaN半導體層的運載氣體，例如可以採用H2。
接下來，要從MOCVD裝置中除去藍寶石襯底11，其中GaN半導體襯底已經以前面描述的方式形成在該襯底上。
之後，在p型GaInN層20上形成p側電極21。用於p側電極21的材料由具有高反射率的歐姆金屬組成，並且優選為Ag或Pd/Ag。注意，p側電極21可以在n型GaInN層13、n型GaN層14、n型GaInN層15、有源層16、p型GaInN層17、p型AlInN層18、p型GaN層19和p型GaInN層20外延式生長之後再形成，但是要早於用於激活p型GaInN層17、p型AlInN層18、p型GaN層19和p型GaInN層20中的p型雜質的熱處理。
接著，例如根據RIE法、噴粉法、噴砂法等，n型GaN層14、n型GaInN層15、有源層16、p型GaInN層17、p型AlInN層18、p型GaN層19和p型GaInN層20按照所需形式圖案化，從而形成臺部分22。
然後，在n型GaInN層13上在與臺部分22相鄰的部分處形成n側電極23。n側電極23是一種具有例如為Ti/Pt/Au結構的電極。
接著，如果有必要，其上已形成有如上所述的發光二極體結構的藍寶石襯底11，可以從其背側進行剪切或研磨，以減小其厚度，隨後刻劃藍寶石襯底11並形成條。之後，該條被刻劃成晶片。
在所得的GaN發光二極體中，如圖3所示，通過在p側電極21和n側電極23之間施加正向電壓以在其間傳送電流來進行光發射，光透過藍寶石襯底11被提取到外部。圖3中，如圖所示光是朝著上面射出，因此藍寶石襯底11是被設置在最上面的。對有源層16的In組份的恰當選擇可以保證發射出紅色至紫外線光，尤其是藍光、綠光或紅光。就此而論，有源層16產生的朝向藍寶石襯底11的光分量在凹口部分11a中在藍寶石襯底11和GaN層12之間的界面處發生折射，之後經過藍寶石襯底11射到外部。另一方面，有源層16產生的朝向p側電極21的光分量在p側電極21處發生反射，並朝著藍寶石襯底11，穿過藍寶石襯底11射到外部。注意，圖3中示出的光是在構成發光二極體的GaN半導體層的折射率取GaN的折射率，即2.438，藍寶石襯底11的折射率採用1.785，空氣的折射率採用1的情況下的光。
在第一實施例中，為了使GaN層12的穿透位錯密度最小化，凹口部分11a的寬度Wg、深度d、圖1B中示出的狀態下的GaN層12傾斜面與藍寶石襯底11主表面之間的角度α滿足下列不等式(參見圖4)2d≥Wgtanα例如，當Wg＝2.1μm，α＝59度時，d≥1.75μm。同樣，在Wg＝2μm，α＝59度的情況下，d≥1.66μm，在Wg＝1.5μm，α＝59度的情況下，d≥1.245μm，在Wg＝1.2μm，α＝59度的情況下，d≥0.966μm。任何情況下，優選d＜5μm。
在圖1B和1C示出的步驟中生長GaN層12的階段，用於生長的起始材料V/III之間的比例設定為較高的值，例如在13000+2000範圍內，並且生長溫度設定為較低的值，例如在1050±50℃。這保證了GaN層12的生長，以用來完全掩住凹口部分11a，同時允許相對於襯底11主表面傾斜的面出現在傾斜表面上，如圖1B和1C所示。在這種條件下，在突起部分11b上幾乎未生長GaN層12。GaN層12的生長是在例如為1.0到2.0大氣壓下，優選大約1.6大氣壓下進行的。這使得橫向生長受到抑制，並容易選擇在凹口部分11a中發生GaN層的生長。生長速度的一般範圍是從1.0到5.0μm/小時，優選大約3.0μm/小時。初始氣體的流量，例如，TMG為20SCCM，NH3為20SLM。另一方面，圖1D和1E中示出步驟中的GaN層12的生長(橫向生長)是按照下列方式進行的起始材料V/III之間的比例設定為較低的值，例如在5000±2000範圍內，生長溫度設定為較高的值，例如在1150±50℃。如果生長溫度高於上面的範圍，獲得的GaN層12在其表面上容易變得粗糙。另一方面，如果溫度較低，在GaN層12相互連接的位置處容易出現凹坑。初始氣體的流量，例如是，TMG為40SCCM，NH3為20SLM。以這種方式，GaN層12像圖1D和1E所示的那樣橫向生長，以獲得了平坦的表面。在GaN層12和藍寶石襯底11之間沒有間隙或者空洞出現。
圖5示意性示出了初始氣體在GaN層12生長過程中是如何流動、如何在藍寶石襯底11之上擴散的。這個生長過程的最重要之處在於在生長的初始階段、在藍寶石襯底11的突起部分11b(臺階部分)處不生長GaN層12，但是在凹口部分11a上開始生長GaN層12。其原因如下考慮。通常，當TMG被用作Ga的起始材料且NH3被用作N的起始材料時，通過NH3和Ga之間的直接反應生長GaN，該反應由下面的反應式表示
在反應期間，產生了H2氣體。這個H2氣體對晶體生長有反作用，即蝕刻作用。在圖1B和1C示出的步驟中，在相關技術中，利用不是在使用的平坦襯底上進行GaN生長的條件，即增強蝕刻作用、不易產生生長的條件(增加V/III值的條件)，突起部分11b處的生長受到抑制。關於這一點，在凹口部分11a內這種蝕刻作用是減輕的，因此產生了晶體生長。為了改善生長中晶體的表面平坦度，在相關技術中，通常在增加橫向生長程度(或者在更高的溫度下)的條件下，生長晶體。根據第一實施例，為了通過沿與藍寶石襯底11主表面平行的方向彎曲穿透位錯並且在早期階段採用GaN層12掩埋凹口部分11a來減少穿透位錯的數量，則在低於上文相關技術中提到的溫度(例如1050±50℃)下進行生長。
圖6示意性地示出了通過透射電子顯微鏡(TEM)確定的GaN層12的晶體缺陷分布結果。圖7示出了GaN層12表面的平面陰極發光(planarcathode luminescence)(CL)圖像。從圖6中可以看出，儘管在從相鄰凹口部分11a生長的GaN層12的相互關聯部分處位錯密度變高，但是在包括凹口部分11a上方部分的其它部分處的位錯密度變低。例如，在凹口部分的深度d＝1μm、底表面的寬度Wg＝2μm、突起部分11b的上表面寬度Wt＝2μm的情況下，在這個低位錯密度部分處，位錯密度為1×107/cm2。因此，與採用不進行表面鋸齒化的藍寶石襯底11的情況相比，位錯密度降低了一個或者兩個數量級。也可以看出，在與凹口部分11a側壁垂直的方向上，沒有發生位錯。圖7示出的平面陰極發光圖與圖6中結果非常一致。
圖6中，與凹口部分11a處的藍寶石襯底11相接觸的GaN層12的位錯密度高、且結晶度差的區域的平均厚度，是與突起部分11b處的藍寶石襯底11接觸的GaN層12的位錯密度高、結晶度差的區域的平均厚度的1.5倍。這個結果反映了GaN層12在突起部分11b上的橫向生長。
圖8A和8B示意性示出了GaN層12生長過程中的位錯行為，如在TEM分析結果所發現的那樣。圖8A是截面圖，圖8B是與圖8A中示出的截面圖相對應的平面圖。總的來說，位錯可以被分成兩類。
第一類位錯((a+c)位錯類型)如下所示。圖8A和8B中，從與凹口部分11a底部之間的界面上產生位錯(1)，位錯(1)在利用底部作為底邊的等腰三角形斜邊的面(a)上、沿水平方向(即沿平行於藍寶石襯底11主表面的方向)彎曲。位錯(1)繼續延伸到凹口部分11a的側壁，且在該處消失。從與凹口部分11a底部之間的界面處發生位錯(2)，在表面(a)處沿水平方向彎曲，並延伸到突起部分11b的中心附近。然後，位錯(2)在與突起部分11b中心相聯的表面(c)處朝著上方(沿垂直於藍寶石襯底11主表面的方向)彎曲，再在相聯部分處沿垂直方向上升，進而在突起部分11b的中心處形成了穿透位錯。這種(a+c)型穿透位錯具有1/311-23的伯格斯矢量，並且集中在突起部分11a的中心處。
下面說明第二類位錯(a型位錯)。如圖8A和8B所示，從與凹口部分11a底部之間的界面發生位錯(3)，再在面(d)的附近沿水平方向彎曲，然後繼續延伸到凹口部分11a的側壁，最後消失。注意沿水平方向的彎曲未必一定出現在面(d)。與位錯(3)的機制相似，位錯(4)沿水平方向彎曲，延伸到突起部分11b的中心附近，並在突起部分11b的中心相關聯部分處沿垂直方向上升，從而在突起部分11b的中心處形成了穿透位錯。與位錯(2)的差異之處在於沿水平方向上的延伸。與位錯(3)的機制類似，位錯(5)沿水平方向彎曲並延伸到突起部分11b的中心附近，在該處順勢(incidentally)垂直延伸。位錯(5)在突起部分11b的中心處引起穿透位錯。這種a型穿透位錯具有1/311-20的伯格斯矢量。
除了(a+c)型位錯和a型位錯之外，在突起部分11b中心的相聯部分處，觀察到了GaN層12表面上新產生的穿透位錯(既有(a+c)型位錯也有a型位錯)。
下面，說明GaN層12中位錯密度的估計結果。如圖9所示，凹口部分11a的側壁與藍寶石襯底11主表面之間的角度用γ表示，突起部分11b上生長的連接面與藍寶石襯底11主表面之間的角度用β表示，GaN層12上的高密度缺陷區的比率如下表示R＝cotβ((Wg/2)tanα-d)/(1/2)(Wt+Wg+dcotγ)這種情況下，位錯密度被估計為Winitial×(R+U(1-R))，其中U表示提升到GaN層12表面上的a型位錯(c位錯)的頻率並且按經驗為大約1/10到1/100。例如，當α和β接近59度，γ接近於67度，Wg接近2.1μm，Wt接近2μm，d接近1μm時，R接近0.195，於是Winitial接近3×108/cm2。當U接1/50時，位錯密度接近於6.3×107/cm2。
圖10A和10B中，示出了藍寶石襯底11與GaN層12之間的界面附近的截面TEM照片。圖11示出了附近區域的截面圖。圖10A對應於在圖11中表示的突起部分11b上用虛線圍繞出的區域，圖10B對應於在圖11中表示的凹口部分11a上用虛線圍繞出的區域。如圖10A和10B所示，在藍寶石襯底11和GaN層12之間的界面上，在藍寶石襯底11側觀察的凹點形狀在凹口部分11a和突起部分11b之間是不同的。如圖11特別示出的，當凹口部分11a中形成的凹點13的寬度用Pg表示、突起部分11b上形成的凹點14的寬度用Pt表示時，Pt＞Pg，典型的Pt＞1.2Pg。在突起部分11b上形成的凹點14的寬度Pt大於在凹口部分11a中所形成凹點13的寬度Pg的原因在於GaN層12在生長的初始階段沒有在突起部分11b上生長，這樣突起部分11b暴露於具有蝕刻作用的NH3中很長時間。在相關技術的方法中，這種情況不會發生。
圖12A示出了藍寶石襯底11的凹口部分11a和突起部分11b附近區域的截面TEM照片(暗場像，dark field image)，圖12B是圖12A中示出的突起部分11b的上表面附近區域的放大截面TEM照片，圖12C是圖12B中示出的凹口部分11a的底部表面附近區域的放大圖，其中每個圖中的黑色部分表示藍寶石襯底11。圖13A示意性示出了圖12B中示出的突起部分11b的上表面附近區域的橫截面，GaN層12中突起部分11b之上結晶度較差的那部分區域的厚度接近於37nm。圖13B示意性示出了圖12C中示出凹口部分11a底表面附近區域橫截面，GaN層12中凹口部分11a之上結晶度較差的那部分區域的厚度範圍接近於從18nm到56nm。從上面看出，凹口部分11a和突起部分11b上的GaN層12的結晶度差的區域的厚度彼此是不同的。這是因為GaN層12在突起部分11b之上橫向生長。在相關技術的方法中，沒有表現出明顯的差異。
在圖14中，示出了一個例子，該例子是對從GaN發光二極體(綠色發光二極體)向外的提取光進行仿真(跟蹤仿真)得到的結果(數據用■表示)。圖14中，假設在藍寶石襯底11上取20μm×20μm的尺寸範圍的情況下，橫坐標表示凹口部分11a側壁處傾斜面的面積S，也表示面積S相對於400μm2的比例(傾斜面的面積比)，縱坐標表示光提取效率η。從圖14中看出，為了提高光提取的效率η，傾斜面的面S要增加到儘可能大的程度。圖14中，示出了凹口部分11a沿三個方向(例如在結晶學上彼此等價的三個1-100方向)以60度間隔形成在藍寶石襯底11上的情況下類似的仿真結果。在這種情況下，突起部分11a的平面形狀形成為三角形狀。結果表明，在凹口部分11a沿三個方向以60度間隔形成的情況下，光提取效率η要大於凹口部分11a沿一個方向以條紋形式延伸形成的情況下的光提取效率。
參考圖15，再次考慮使傾斜表面的面積S最大化以提高光提取效率η。假設圖15中沿凹口部分11a延伸方向的單位長度部分，在一個周期上，藍寶石襯底11的凹口部分11a和突起部分11b所佔用面積用(Wt+Wg)+d/tanγ表示，側壁傾斜面的面積用d/sinγ表示。因此，為了提高光提取效率η，使傾斜面面積的比例(d/sinγ)/((Wt+Wg)+d/tanγ)最大化是有效的。
圖16示出了假設d＝1μm和Wt+Wg＝4μm、凹口部分11a的側壁與藍寶石襯底11主表面之間的角度γ改變時，傾斜表面面積比(粗實線表示的數據)的變化情況。在圖16中，由細實線表示的數據表示傾斜面面積比的微分值。從圖16中，在γ＝69度時，傾斜面面積比例為0.24。
圖17示出了假設γ＝67度、Wt+Wg＝4μm、凹口部分11a的深度d變化時，傾斜面面積比(用粗實線表示的數據)的變化情況。圖17中，用細實線表示的數據表示的是與傾斜面面積比的微分值。從圖17中，在GaN層12的位錯密度變低(例如d＝1.66μm、α＝59度、Wg＝2μm)的這種有利條件下，傾斜面面積比為0.24。相反，例如d＝1μm時，傾斜面面積比為0.18。
圖18示出了γ＝67度、Wt+Wg＝7μm的凹口部分11a的深度d變化時，傾斜面面積比(用粗實線表示的數據)的變化情況。圖18中，用細實線表示的數據表示的是傾斜面面積比的微分值。從圖18中，在GaN層12的位錯密度變低(例如d＝1.66μm、α＝59度、Wg＝2μm)的這種有利條件下，傾斜面面積比為0.18。相反，例如d＝1μm時，傾斜面面積比為0.12。
接著，考慮有源層16附近區域的生長表面的情況。通常，當生長層存在穿透缺陷時，會產生生長凹點，進而引起生長表面的平坦度惡化，如圖19所示。更高的穿透位錯密度造成惡化程度的增加。如果有源層16中存在穿透位錯，那麼在平面內部的組份和厚度發生波動，進而引起平面內發射波長的不均勻性以及發生諸如反相邊界缺陷(antiphase boundary defect)的平面晶體缺陷，因此造成發射效率的降低(即降低了的內部量子效率)。另一方面，根據本發明的第一實施例，GaN層12上的穿透位錯密度如前文提到的那樣可以明顯地降低，因此，生長在其上的有源層16的穿透位錯密度會同樣很低。因此，由於穿透位錯引起的發射效率降低的會非常小，進而獲得了比相關技術中更高的發射效率。
GaN層12的穿透位錯集中在藍寶石襯底11突起部分11b的中心附近，並且根據突起部分11b的陣列是規則排列的。因此，有源層16的穿透位錯是相應地規則排列的。這樣，與穿透位錯隨機排列的情況相比，在形成平坦面的區域中，有源層16部分的面積顯著增加，因此改進了發射效率。
此外，例如，在有源層16中In成分高並且生長表面粗糙的地方，容易出現新的晶體缺陷，在該晶體缺陷處諸如反相界面缺陷的平面晶體缺陷和位錯結合，進而導致發射效率降低。相反，根據第一實施例，如上所述，對有源層表面的平坦度進行顯著改善，這樣就抑制了晶體缺陷的出現，也不會發生發射效率降低。
為了改善有源層16生長表面的平坦度、降低晶體缺陷的數量，用AlGaN製成有源層16的勢壘層是有效的。
如上所述，根據第一實施例，在藍寶石襯底11和GaN層12之間沒有形成間隙，可以防止由於間隙導致的光提取效率降低。GaN層12中的穿透位錯集中在藍寶石襯底11的突起部分11b的中心附近，同時其它部分的位錯密度小到約107/cm2，因此，與使用受到圖案化刻痕的襯底的相關技術相比，顯著地降低了位錯密度。因而，顯著地改善了其上生長的諸如GaN層12和有源層16的GaN半導體層的結晶度，進而極大地減少非發射中心的數量。這樣，可以得到具有很高發射效率的GaN發光二極體。此外，外延生長的一個周期足以製造GaN發光二極體並且不需要生長掩模，這樣製造過程變得簡單並且能夠以低成本製造GaN發光二極體。
下面，我們將描述本發明的第二個實施例。
在第二實施例中，如圖21A所示，從平坦的藍寶石襯底11的整個表面上對其進行離子注入，進而使藍寶石襯底11的表面層非晶化，從而形成非晶層31。選取的用於離子注入的原子、能量以及劑量要足以使藍寶石襯底11非晶化。例如，用於離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，如果將Si作為離子注入的原子，那麼用於離子注入的能量範圍為10～30千電子伏(KeV)，它的劑量為1×1018/cm2或者以上。
接著，如圖21B所示，形成有非晶層31的藍寶石襯底11發生圖案刻痕，形成凹口部分11a和突起部分11b，類似於第一實施例。
然後，如圖21C到21E所示，在藍寶石襯底11上生長GaN層12，類似於第一實施例，其中在突起部分11b上已經形成非晶層31。
接著，進行生長n-型GaInN層13的步驟和隨後的步驟以提供類似於第一實施例的GaN發光二極體。
根據第二實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
現在描述本發明的第三實施例。
在第三實施例中，如圖22A和22B所示，GaN層32外延生長在已經發生圖案化刻痕的藍寶石襯底上，類似於第一實施例。
接著，如圖22C所示，利用RIE法對GaN層32進行回蝕，只在藍寶石襯底11的凹口部分11a的底部留下薄薄的GaN層32。
其後，如圖22D所示，在藍寶石襯底11的整個表面上對其進行離子注入，由此對藍寶石襯底11突起部分11b的表面層非晶化，以形成非晶層31。同時，也對GaN層32進行非晶化。選取的用於離子注入的原子、能量以及劑量要足以使GaN層32非晶化。例如，用於離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，如果將Si作為離子注入的原子，那麼用於離子注入的能量範圍為10～30千電子伏(KeV)，它的劑量為1×1018/cm2或者以上。
接著，如圖22E到22G所示，類似於第一實施例，在藍寶石襯底11上生長GaN層12；在這裡，如上所述，在突起部分11b上已經形成非晶層31並且凹口部分11a的底部已經形成非晶GaN層32。注意在加熱到GaN層12的生長溫度期間，非晶GaN層32結晶。
接著，進行生長n-型GaInN層的步驟和隨後的步驟以提供GaN發光二極體，類似於第一實施例。
根據第三實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
描述本發明的第四實施例。
在第四實施例中，例如使用真空沉積法、濺射法、化學氣相澱積(CVD)等方法，在平坦藍寶石襯底11的整個表面上形成SiN膜33作為非晶層，如圖23A所示。例如，這個SiN膜33的厚度在1nm或者以上。
接著，如圖23B所示，例如使用RIE法、噴粉法、噴砂法等，其上已經形成有SiN膜33的藍寶石襯底11被圖案化刻痕，以形成凹口部分11a和突起部分11b，如在第一實施例中那樣。
接著，如圖23C所示，在例如大約550℃的低溫下生長GaN層34。例如，GaN層34的厚度為200nm或者小於200nm。GaN層34分別生長在藍寶石襯底11的每個凹口部分11a的底部，以及生長在SiN膜33上，其中該SiN膜33形成在每個突起部分11b上。
接著，如圖23D到23F所示，類似於第一實施例，在藍寶石襯底11上生長GaN層12；其中，藍寶石襯底的突起部分11b上已經形成SiN膜33並且凹口部分11a的底部已經形成GaN層34。在加熱到GaN層12的生長溫度期間，GaN層34結晶。因此在結晶的GaN層34上生長了GaN層12；另一方面，在加熱到生長溫度期間，SiN膜33上的GaN層34蒸發了。
接著，進行生長n-型GaInN層13的步驟和隨後的步驟以提供GaN發光二極體，類似於第一實施例。
根據第四實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
描述本發明的第五實施例。
在第五實施例中，如圖24A所示，例如通過真空沉積法、濺射法、化學氣相澱積(CVD)等方法，在平坦藍寶石襯底11的整個表面上依次形成SiN膜35、SiO2膜36以及SiN膜37。例如，SiN膜35、37的厚度是1nm或者以上，SiO2膜36的厚度是10nm或者以上。
接著，如圖24B所示，例如使用RIE法、噴粉法、噴砂法等，已經形成有SiN膜35、SiO2膜36和SiN膜37的藍寶石襯底11被圖案化刻痕，以形成凹口部分11a和突起部分11b，類似於第一實施例。
如圖24C所示，利用溼蝕刻，例如，使用氫氟酸基的蝕刻劑，只對SiO2膜36進行蝕刻，蝕刻後，其側面沿水平方向輕微退後。
接著，如圖24D所示，類似於第一實施例，生長GaN層12。如上所述，因為SiO2薄膜36的側壁在水平方向退後，所以阻止了在SiO2薄膜36的側壁上沉積GaN層12。
接著，如圖24E所示，利用溼蝕刻，例如，具有氟化氫的酸性蝕刻劑，將SiO2膜36全部去掉，結果將生長在其上方的SiN膜37和GaN層34也被去掉(剝離)。
接著，如圖24F和24G所示，類似於第一實施例橫向生長GaN層12。
如第一實施例，進行生長n-型GaInN層13的步驟和隨後的步驟以提供GaN發光二極體。
根據第五實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
接著，描述本發明的第六實施例。
在第六實施例中，如圖25A到25D所示，在被圖案化刻痕的藍寶石襯底11上生長GaN層12，類似於第一實施例。
如圖25E所示，利用RIE等方法，GaN層12被圖案化，有選擇地去掉突起部分11b上穿透位錯集中的部分，進而允許突起部分11b的表面在那裡暴露。
如圖25F和25G所示，從凹口部分11a上剩下的GaN層12橫向生長GaN層37。
其後，進行生長n-型GaInN層13的步驟和隨後的步驟以提供GaN發光二極體，類似於第一實施例。
根據第六實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
接著，描述本發明的第七實施例。
在第七實施例中，如圖26A所示，在平坦的藍寶石襯底11上生長GaN層38。
如圖26B所示，將GaN層38圖案化刻痕，以形成凹口部分38a和突起部分38b，類似於第一實施例中的藍寶石襯底11的凹口部分11a和突起部分11b。
接著，如第一實施例，在被圖案化刻痕的GaN層38上生長GaN層12。
接著，以與第一實施例相同的方式進行生長n-型GaInN層13的步驟和隨後的步驟，以提供GaN發光二極體。
根據第七實施例，可以得到與第一實施例相似的優點。
接著，描述本發明的第八實施例。
在第八實施例中，重複第一實施例，直到形成p側電極21，其隨後的步驟不同。為了形成p側電極21，優選使用某種防止電極材料(例如Ag等)擴散的技術，並插入含有鈀(Pd)的層。作為選擇，為了防止出現失敗，例如，在p側電極21中，例如由於應力，Au或者Sn從形成在上述層上的含Au或者Sn的層(焊接層、凸塊等)擴散或者由於加熱而出現失敗，可以通過在電極上形成高熔點金屬層來使用本質上無晶界和非晶的阻擋金屬層，高熔點金屬層例如Ti、W或者它們的合金或者這些金屬的每一種的氮化物(例如TiN、WN、TiWN等)。插入含Pd層的技術是眾所周知的，例如在金屬電鍍領域中的含Pd層的插入，並且在矽基電子器件的Al布線技術中，阻擋金屬材料是眾所周知的。
更具體地，如圖27A所示，在形成p側電極21後，例如，通過提升(lift)法形成覆蓋在p側電極21上的Ni膜41。接著，儘管在圖中未示出，例如，形成一個Pd膜以覆蓋在Ni膜41上。接著形成金屬氮化物膜，例如TiN、WN、TiWN等，其覆蓋在Pd膜上，如果需要，再形成覆蓋在氮化物膜上的Ti膜、W膜、Mo膜或者它們構成的合金膜。代替形成Ni膜41，可以形成Pd膜來覆蓋p側電極21，然後形成覆蓋在Pd膜上的TiN、WN、TiWN膜等，如果需要，再形成覆蓋在膜上的Ti膜、W膜、Mo膜或者它們構成的合金膜。
接著，如圖27B所示，利用光刻法，形成給定圖案的抗蝕劑圖案42來覆蓋Ni膜41和包括Pd膜的上方層。
然後，如圖27C所示，例如，將抗蝕劑圖案42用作掩模通過RIE法來執行蝕刻，以形成臺部分22，其中臺部分的截面的形狀是梯形。例如，將臺面部分22和藍寶石襯底11主表面之間形成的角度設置為大約35度。如果需要，在臺面部分22的傾斜面上，形成λ/4電介質薄膜，其中λ是發射波長。
接著，如圖27D所示，在n型GaInN層13上，形成n側電極23。
接著，如圖27E所示，在襯底的整個表面上，形成SiO2膜43，該膜作為鈍化膜。在製造中，考慮與下面層的附著力、耐用性、耐腐蝕性的場合中，可以使用SiN膜或者SiON膜代替SiO2膜43。
如圖27F所示，為了減少其厚度，對SiO2膜43進行回蝕，之後在臺部分22的傾斜部分的SiO2膜43上，形成作為反射膜的Al膜44。這個Al膜44用於將從有源層16產生的光反射到藍寶石襯底11一側，進而提高光提取效率。這樣形成Al膜44，使其在一端與n側電極23接觸。這是因為在Al膜44和n側電極23之間沒有形成間隙，以便增強光反射。接著，再次形成SiO2膜43，其厚度足以形成鈍化膜。
如圖27G所示，利用蝕刻，將Ni膜41和n側電極23上面的SiO2膜43部分去掉，以形成開口45、46，進而使Ni膜41和n側電極23在這些部分處暴露。
接著，如圖27H所示，在開口45處的Ni膜41上形成焊盤電極47，在開口處46的n側電極23上形成焊盤電極48。
如圖27I所示，凸塊掩模材料49形成在襯底的整個表面上，之後通過蝕刻焊盤電極48上方的部分將凸塊掩模材料49去掉以形成開口50，在開口50處暴露焊盤電極48。
接著，如圖27J所示，利用凸塊掩模材料49，在焊盤電極48上，形成Au凸塊51，隨後將凸塊掩模材料49去掉。其後，再在襯底的整個表面上形成凸塊掩模材料(未示出)，通過蝕刻，將位於焊盤電極47上方的凸塊掩模材料49去掉以形成開口，在該開口處暴露焊盤電極47。在焊盤電極47上形成Au凸塊52。
如果需要，對已經以上面提出的方式形成有發光二極體結構的藍寶石襯底11從其背面進行切割或者研磨，以減少襯底的厚度，然後對藍寶石襯底11劃線，形成條。然後，將條刻劃成晶片。
注意如圖27A到27J說明的電極堆疊結構只是一個例子。特別地，在各個電極層多個堆疊的時候，需要通過改善由Ag電極等形成的p側電極21和其它金屬層之間的附著力、應力耐久性和抗破裂性能來得到高反射性，並使接觸電阻低、保持Ag電極等的品質等，同時考慮對出現的應力和相鄰金屬層之間的擴散進行抑制，該應力是由於各個金屬層之間的熱膨脹係數不同而隨器件溫度升高而出現的。因此，如果需要，可以利用上面所述的矽電子器件的Al布線技術。
描述本發明的第九實施例。
在第九實施例中，說明了發光二極體背光裝置的製造方法，其中，除了根據第一實施例的方法得到的GaN藍色發光二極體和GaN綠色發光二極體外，出於這個目的，還用到單獨提供的AlGaInP紅色發光二極體。
根據本發明第一實施例的方法，在藍寶石襯底11上形成GaN藍色發光二極體結構，凸塊(未示出)分別形成在p側電極21和n側電極23上，接著進行晶片切割得到倒裝晶片方式的GaN藍色發光二極體。同樣地，得到倒裝晶片方式的GaN綠色發光二極體。另一方面，對於AlGaInP紅色發光二極體，AlGaInP紅色發光二極體一般以晶片的方式使用，其通過在n型GaAs襯底上形成一AlGaInP半導體層進而提供一二極體結構而得到，在該二極體結構上形成p側電極，而在n型GaAs襯底的背面形成n側電極。
這些AlGaInP紅色發光二極體晶片、GaN綠色發光二極體和GaN藍色發光二極體分別安裝在由AlN等構成的基座上，接著以將基座向下翻轉的方式安裝在襯底上，例如Al襯底，這個狀態如圖28A所示。在圖28A中，標記61表示襯底。同樣地，62表示基座，63是AlGaInP紅色發光二極體晶片，64是GaN綠色發光二極體晶片，65是GaN藍色發光二極體晶片。這些AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64和GaN藍色發光二極體晶片65分別具有例如350μm見方的晶片尺寸。這些AlGaInP紅色發光二極體晶片63這樣安裝，以至於n側電極在基座62上，GaN綠色發光二極體晶片64和GaN藍色發光二極體晶片65分別以這種方式安裝，即p側電極和n側電極經過凸塊設置在基座62上。安裝有AlGaInP紅色發光二極體晶片63的基座62具有給定圖案的引出電極(未示出)用於在其上方的n側電極。AlGaInP紅色發光二極體晶片63的n側電極安裝在引出電極的指定部分。為了連接，將AlGaInP紅色發光二極體晶片63的p側電極和設置在襯底21上的給定焊盤電極66分別與線67連接。同樣地，線(未示出)分別與位於一端的引出電極和設置在襯底61上的另一個焊盤電極相連，以確保它們之間的連接。安裝GaN綠色發光二極體晶片64的子安裝架62分別具有與p側電極對應的引出電極和與n側電極對應的引出電極(都沒有示出)，該引出電極都以期望的圖案形成。GaN綠色發光二極體晶片64的p側電極和n側電極分別通過凸塊安裝在p側電極的引出電極和n側電極的引出電極的給定部分。與GaN綠色發光二極體晶片64的p側電極對應的引出電極和位於襯底61上的焊盤電極的一端分別與一條線(未示出)連接，與n側電極對應的引出電極和位於襯底61上的焊盤電極的一端分別與一條線(未示出)連接。GaN藍色發光二極體晶片65與此相同。
注意可以不使用基座62，在這種情況下，AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65分別直接安裝在具有良好發射性能的任一印刷電路板上，因此總體上降低了發光二極體背光裝置的成本。
在實踐中，這些AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65以裝置單元(unit cell)的方式提供，所需數量的單元以給定的圖案在襯底61上排列。這種方式的一個例子如圖29A所示。接著，如圖28B所示，利用透明樹脂68將裝置單元封裝，進而將單元覆蓋。然後將透明樹脂68硬化。通過硬化，透明樹脂68凝固，由此樹脂發生微小收縮(圖28C)。利用這種方法，得到發光二極體背光裝置，其中，AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65以裝置單元的方式提供，具體如圖29B所示，這些單元在襯底61上排列成陣列。在這種情況下，透明樹脂68與GaN綠色發光二極體晶片64和GaN藍色發光二極體晶片65的藍寶石襯底的背面接觸，這樣，其折射率的差異比藍寶石襯底11的背面直接與空氣接觸的情況下的小。最終，導致通過藍寶石襯底11傳送而洩漏到外部的光更不可能在藍寶石襯底11的背面反射，因此提高了光提取效率。
這種類型的發光二極體背光裝置適於應用為例如液晶屏的背光裝置。
接著，描述本發明的第十實施例。
在第十實施例中，所需數量的裝置單元在襯底61上以與第九實施例中相同的給定圖案排列，這些裝置單元包括AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65。然後，如圖30所示，適合AlGaInP紅色發光二極體晶片63(即，對於二極體晶片發射波長的光具有更高的透明度)的透明樹脂69將AlGaInP發光二極體晶片63封裝，以將AlGaInP紅色發光二極體晶片63覆蓋。同樣地，適合GaN綠色發光二極體晶片64的透明樹脂70對GaN發光二極體晶片64進行封裝，以覆蓋GaN綠色發光二極體晶片64。適合GaN藍色發光二極體晶片65的透明樹脂71對GaN藍色發光二極體晶片65進行封裝，以覆蓋GaN藍色發光二極體晶片65。然後將透明樹脂69～71硬化。通過硬化，透明樹脂69～71凝固，並且凝固的結果是發生微小收縮。利用這種方法，可以得到發光二極體背光裝置，其具有多個單元，並且每個單元由AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65構成，並且這些單元在襯底61上排列成陣列。在這種情況下，透明樹脂70、71與GaN綠色發光二極體晶片64和GaN藍色發光二極體晶片65的藍寶石襯底11的背面接觸，這樣，其折射率的差異比藍寶石襯底11的背面直接與空氣接觸的情況下的小。最終，導致通過藍寶石襯底11傳送而洩漏到外部的光更不可能在藍寶石襯底11的背面反射的事實，因此提高了光提取效率。
這種類型的發光二極體背光裝置適於應用為例如液晶屏的背光裝置。
接著，描述本發明的第十一實施例。
在第十一實施例中，根據本發明第一實施例的方法，在藍寶石襯底11上形成GaN發光二極體結構，並且凸塊(未示出)分別形成在p側電極21和n側電極23上。然後，將藍寶石襯底11刻劃成具有給定大小的正方形部件。這樣，如圖31所示，能夠得到具有帶狀發射部分的集成發光二極體。在這種情況下，形成的n側電極23圍繞帶狀臺面部分22。如圖32所示，集成GaN發光二極體安裝在由AlN等構成的基座69上。基座69具有以給定圖案形成的與p側電極對應的引出電極和與n側電極對應的引出電極(都未示出)，焊料凸塊70、71形成在引出電極上。安裝集成GaN發光二極體以使p側電極21放在焊料70上，n側電極23放在焊料71上，然後熔化焊料70、71進行連接。
接著，描述本發明的第十二實施例。
在第十二實施例中，說明了光源單元裝置(cell unit)的製造，除了在第一實施例的步驟中得到的GaN藍色發光二極體、GaN綠色發光二極體外，還使用了單獨製造的AlGaInP紅色發光二極體。
如圖33A所示，所需數量的單元81在印刷電路板82上以給定的圖案排列，每個單元包括AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65，每種二極體的數量至少是1，並且這些二極體以給定的圖案排列。在這個例子中，單個單元81包括一個AlGaInP紅色發光二極體晶片63、一個GaN綠色發光二極體晶片64和一個GaN藍色發光二極體晶片65，它們位於三角形的頂點。圖33B顯示了放大的單元81。在各個單元81中，AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65之間的距離a例如是4mm，但是並不限於這個距離。單元81的距離b例如是30mm，但是並不限於此。對於印刷電路板82，可以使用FR4(阻燃劑類型4)襯底、金屬芯襯底等，但是並不限制，也可以使用具有輻射(radiation)性能的其它類型的印刷電路板襯底。類似於第九實施例，將透明樹脂68密封以覆蓋每個單元81。作為選擇，類似於第十實施例，將透明樹脂69密封以覆蓋AlGaInP紅色發光二極體晶片63，將透明樹脂70密封以覆蓋GaN綠色發光二極體晶片64，將透明樹脂71密封來覆蓋GaN藍色發光二極體晶片65。利用這種方式，得到光源單元裝置，其中單元81在印刷電路板82上排列，每個單元81由AlGaInP紅色發光二極體晶片63、GaN綠色發光二極體晶片64、GaN藍色發光二極體晶片65構成。
單元81在印刷電路板82上排列的具體例子如圖34A和34B所示。圖34A所示的例子是4×3兩維單元81陣列，圖34B所示的例子是6×2兩維單元81陣列。
圖35顯示了單元81的其它類型陣列的例子。在這個例子中，單元81包括一個AlGaInP紅色發光二極體晶片63、兩個GaN綠色發光二極體晶片64和一個GaN藍色發光二極體晶片65，它們例如被排列在正方形的頂點。兩個GaN綠色發光二極體晶片64排列在正方形一個對角線的兩端，AlGaInP紅色發光二極體晶片63和GaN藍色發光二極體晶片65排列在正方形另一個對角線的兩端。
當單個或多個設置這種類型的光源裝置時，發光二極體背光裝置可適用為例如液晶屏的背光裝置。
在上文中，已經詳細地說明了本發明的實施例，但不應該將本發明理解為只限制於這些實施例。根據本發明技術原理進行的多種變化都是可能的。
例如，在本發明的第一到第十二實施例中說明的數值、材料、結構、形狀、襯底、起始材料、工藝以及凹口部分11a的延伸方向僅僅只是例子。如果需要，可以使用與先前描述不同的數值、材料、結構、形狀、襯底、起始材料、工藝等。
並且，在本發明的第一到第十二實施例中，例如，p型GaN半導體層和n型GaN半導體層的導電類型可以對換。此外，例如，SiC襯底、Si襯底以及其它類型的襯底也可以代替藍寶石襯底11。
凹口部分11a的延伸方向可以不是GaN層12的1-100方向，而是GaN層12的11-20方向。
如果需要，可以將第一到第十二實施例中的兩個或者多個組合。
本領域的技術人員應該理解在權利要求或者等價要求的範圍內，根據設計需要和其它因素，可以出現多種改進、組合、子組合以及改變。
本發明包含的主題與2005年5月16日在日本專利局提交的日本專利申請JP 2005-142462和2006年4月6日在日本專利局提交的日本專利申請JP2006-105647有關，其內容作為參考被引入於本文中。
權利要求
1.一種製造發光二極體的方法，包括如下步驟提供在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底，通過在截面上形成將所述凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，由此掩埋所述凹口部分；在所述襯底上從所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
2.根據權利要求1的方法，其中，在生長所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層期間，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以所述凹口部分的底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，由此該位錯沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
3.根據權利要求1的方法，其中，當分別生長所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層和所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層時，在所述凹口部分的底面處在所述襯底中形成具有第一寬度的第一凹點，在所述凹口部分的相對側在所述襯底中形成具有第二寬度的第二凹點，所述第二寬度比所述第一寬度大。
4.根據權利要求1的方法，其中，所述凹口部分在截面上是倒轉的梯形。
5.根據權利要求4的方法，其中，設所述凹口部分的深度為d，所述凹口部分的底面寬度為Wg，在截面為三角形的狀態的所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層的斜面和所述襯底的所述一個主表面之間構成的角度為α時，如此決定d、Wg和α，使之滿足關係2d≥Wgtanα。
6.根據權利要求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。
7.根據權利要求1的方法，其中，所述凹口部分沿一個方向延伸。
8.根據權利要求1的方法，其中，所述至少一個凹口部分在數量上是多個，且所述多個凹口部分沿相互交叉的第一和第二方向延伸。
9.根據權利要求1的方法，其中所述突起部分在平面上是六角形，並且多個該突起部分排列成兩維蜂房形式，且形成的所述凹口部分環繞每個突起部分。
10.根據權利要求1的方法，其中所述襯底是這樣的氮化物基III-V族化合物半導體層生長在材料與氮化物基III-V族化合物半導體層不同的襯底上，且所述凹口部分形成於所述氮化物基III-V族半導體層上。
11.根據權利要求1的方法，其中，所述襯底在所述凹口部分的相對側上具有非晶層。
12.根據權利要求11的方法，其中，通過對所述襯底的表面層進行離子注入和對所述表面層進行非晶化形成所述非晶層。
13.根據權利要求11的方法，其中所述非晶層由形成在所述襯底上的絕緣膜構成。
14.根據權利要求1的方法，其中，在所述凹口部分的相對側的襯底上，依次形成第一非晶層、第二非晶層和第三非晶層，並且所述第二非晶層使所述第一非晶層和所述第三非晶層被有選擇地蝕刻。
15.根據權利要求1的方法，其中，在橫向生長所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層後，移去除所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層凹口部分之上的部分以外的部分，在所述凹口部分上留下的所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層上橫向生長所述第三氮化物基III-V族化合物半導體層，並在所述第三氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長所述有源層和所述第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
16.根據權利要求1的方法，其中，在橫向生長所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層後，移去除所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層凹口部分之上的部分以外的部分，在所述凹口部分上留下的所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層上橫向生長第五氮化物基III-V族化合物半導體層，並在所述第五氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長所述第三氮化物基III-V族化合物半導體層、所述有源層和所述第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
17.一種製造集成發光二極體的方法，其包括以下步驟在襯底的一個主表面上的至少一個凹口部分中生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，使所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層在截面上形成將所述凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，從而掩埋凹口部分；在所述襯底上從所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第二氮化物基III-V族化合物半導體層上依次生長具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層和第四氮化物基III-V族化合物半導體層。
18.一種發光二極體，其包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
19.一種發光二極體，其包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述襯底中在所述凹口部分的底部形成具有第一寬度的第一凹點，在所述襯底中在所述凹口部分的底部形成具有第二寬度的第二凹點，所述第二寬度比所述第一寬度大。
20.一種集成有多個發光二極體的集成發光二極體，至少一個發光二極體包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
21.一種生長氮化物基III-V族化合物半導體層的方法，其包括以下步驟提供襯底，該襯底在一個主表面上具有至少一個凹口部分，通過在截面上形成將所述凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，生長第一氮化物基III-V族化合物半導體層，並掩埋所述凹口部分；以及在所述襯底上從所述第一氮化物基III-V族化合物半導體層橫向生長第二氮化物基III-V族化合物半導體層。
22.一種光源單元裝置，其包括印刷電路板和形成在所述印刷電路板上的多個單元，每個單元包括至少一個紅色發光二極體、至少一個綠色發光二極體和至少一個藍色發光二極體，其中所述紅色發光二極體、所述綠色發光二極體和所述藍色發光二極體中的至少一個包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
23.一種發光二極體背光裝置，其包括排列成圖案的多個紅色發光二極體、多個綠色發光二極體和多個藍色發光二極體，其中，所述紅色發光二極體、所述綠色發光二極體和所述藍色發光二極體中的至少一個包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並且沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
24.一種發光二極體顯示器，其包括排列成圖案的多個紅色發光二極體、多個綠色發光二極體和多個藍色發光二極體，其中，所述紅色發光二極體、所述綠色發光二極體和所述藍色發光二極體中的至少一個包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
25.一種具有至少一個發光二極體的電子器件，至少一個發光二極體包括在一個主表面上具有至少一個凹口部分的襯底；在所述襯底上生長且在所述凹口部分中沒有形成間隙的第六氮化物基III-V族化合物半導體層；以及在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層上形成的具有第一導電類型的第三氮化物基III-V族化合物半導體層、有源層以及具有第二導電類型的第四氮化物基III-V族化合物半導體層，其中在所述第六氮化物基III-V族化合物半導體層中，在沿與所述一個主表面相垂直的方向上，從與所述凹口部分底面之間的界面發生位錯，該位錯到達以凹口部分底面作為底邊的三角形的斜面或其附近，並沿與所述一個主表面平行的方向彎曲。
全文摘要
一種製造發光二極體的方法，其包括步驟提供一襯底，該襯底在其一個主表面上具有至少一個凹口部分，並且通過在截面上形成將凹口部分的底面作為底邊的三角形的狀態，生長第一氮化物基III－V族化合物半導體層，從而掩埋凹口部分；在襯底上從第一氮化物基III－V族化合物半導體層，橫向生長第二氮化物基III－V族化合物半導體層；在第二氮化物基III－V族化合物半導體層上依次生長具有第一導電類型的第三氮化物基III－V族化合物半導體層、有源層和具有第二導電類型的第四氮化物基III－V族化合物半導體層。
文檔編號H01L21/02GK1874022SQ20061009984
公開日2006年12月6日 申請日期2006年5月16日 優先權日2005年5月16日
發明者大前曉, 富谷茂隆, 前田勇樹, 鹽見治典, 網隆明, 宮嶋孝夫, 簗嶋克典, 丹下貴志, 安田淳 申請人:索尼株式會社