TWI509831B - 三族氮化物半導體發光元件及其製造方法 - Google Patents

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Description

三族氮化物半導體發光元件及其製造方法
本發明涉及III族氮化物半導體發光元件及其製造方法。尤其，本發明涉及III族氮化物半導體發光元件(其中平坦半導體層係形成在具有不平坦形狀的藍寶石基板上)及其製造方法。
在III族氮化物半導體發光元件中，光線可能在半導體層與空氣層(atmospheric layer)之間的界面處反射回半導體層側。GaN的折射率為2.3(藍光LED)，而空氣為1，故兩者有很大差異。為了改善光線擷取效率，主要表面上具有不平坦形狀的藍寶石基板可用於III族氮化物半導體發光元件。在這類半導體發光元件中，光線藉由不平坦形狀而散射，因此光線擷取效率很高。
日本公開專利公報第2011-129718號揭露了具有基板之III族氮化物半導體發光元件，該基板設有凸部。在基板與n型半導體層之間的界面處或在p型電極與空氣層之間的界面處全反射、並且橫向傳播之光線係藉由凸部而散射，從而改善光線擷取效率。
本案發明人發現當半導體層係藉由例如有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)之氣相磊晶而形成時，則可能出現以下問題。
如圖1所示，當藍寶石基板不具有不平坦形狀時，原料氣體幾乎均勻地噴佈到藍寶石基板的整個表面。相反地，如所圖2示，當藍寶石基板具有不平坦形狀時，原料氣體進入不平坦形狀的凹部。因此，在 各凹部的區域R1中，原料氣體的濃度較藍寶石基板不具有不平坦形狀時更高。
當原料氣體的濃度很高時，半導體層容易傾斜地生長在不平坦形狀的斜面上之緩衝層上。尤其當傾向於藍寶石的a面(a-plane)之{1,1,-2,x}面存在於斜面上時，半導體層便容易生長在此斜面上。這是因為GaN容易生長在{1,1,-2,0}面上。基板的斜面上之半導體的生長程度有時較基板的主要表面上之半導體的生長程度更高。尤其當底部面積在藍寶石基板上很小時，斜面上之半導體的生長程度明顯很高。生長在斜面上之半導體層的晶體方向不同於生長在底面上之半導體層的晶體方向。當這些具有不同的生長模式的半導體層合併時，合併後之生長層的表面很難是平坦的。此外，合併後之生長層的結晶性(crystallinity)劣化。
當不平坦形狀以高密度(即相鄰凸部的頂部之節距寬度(pitch width)很小)形成時，光線擷取效率受到改善。然而，節距寬度愈小，則基底層的表面愈難是平坦的。
本發明已被完成以解決由本案發明人親自發現之前述問題。因此，本發明之目標為提供III族氮化物半導體發光元件(其中平坦半導體層係生長在設有不平坦形狀的基板上)及其製造方法。
在本發明之第一實施態樣中，提供一製造III族氮化物半導體發光元件的方法，該方法包含：藍寶石基板製備步驟，製備在主要表面上具有不平坦形狀的藍寶石基板，緩衝層形成步驟，在藍寶石基板之不平坦形狀上形成低溫緩衝層，以及半導體層形成步驟，在低溫緩衝層上生長由III族氮化物半導體所形成之半導體層。該半導體層形成步驟包括藉由供應下列至少二類氣體而在低溫緩衝層上形成第一半導體層：一包含III族元素之原料氣體和一包含V族元素之原 料氣體，以滿足下列方程式。
1000≦Y/(2×R)≦1200
R=S/K
0.1≦R<0.5
Y：該包含V族元素之原料氣體對該包含III族元素之原料氣體的分壓比率
R：平坦面對藍寶石基板的總面積之面積比率
S：在藍寶石基板的主要表面側之平坦面的面積
K：藍寶石基板的總面積。
在製造III族氮化物半導體發光元件的方法中，供應至藍寶石基板的不平坦形狀之包含V族元素的原料氣體之供應量受到抑制。因此，在形成於藍寶石基板之斜面上的低溫緩衝層上之半導體層的生長可受到抑制。因此，平坦半導體層可形成在具有不平坦形狀的藍寶石基板上。
本發明之第二實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中在第一半導體層的形成中，形成至少部份填入藍寶石基板之不平坦形狀的高度之填入層，作為第一半導體層。
本發明之第三實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中第一半導體層部份覆蓋藍寶石基板之不平坦形狀的高度，而且不覆蓋不平坦形狀的高度之其餘部份。
本發明之第四實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中第一半導體層覆蓋藍寶石基板之不平坦形狀的整個高度。
本發明之第五實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中半導體層形成步驟包括：在第一半導體層上形成n型半導體層、在n型半導體層上形成發光層、以及在發光層上形成p型半導體層。
本發明之第六實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中在第一半導體層的形成中，第一半導體層的生長溫度較n型半導體層的生長溫度低20℃至80℃的範圍內。
本發明之第七實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中在n型半導體層的形成中，n型半導體層的生長溫度為從1000℃至1200℃。
本發明之第八實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中藍寶石基板之不平坦形狀具有0.5μm至3.0μm的高度。
本發明之第九實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中介於藍寶石基板之不平坦形狀的底面與不平坦形狀的最斜面之間的角度為從40°至60°。
本發明之第十實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中在第一半導體層的形成中，第一半導體層的生長速度為從200Å/min至2000Å/min。
本發明之第十一實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中藍寶石基板之不平坦形狀具有複數凸部，該等凸部係設置成遍及該不平坦形狀的整個表面之蜂巢結構。
本發明之第十二實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中凸部具有選自由截頂圓錐形、六角截頂角錐形、圓錐形、以及六角角錐形所組成之群組其中至少一者。
本發明之第十三實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中連接相鄰凸部之線條係在a軸(a-axis)方向上。
本發明之第十四實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中藍寶石基板具有c面(c-plane)主要表面。
本發明之第十五實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件之製造方法的具體實施例，其中氨係作為該包含III族元素之原料氣體，且至少三甲基鎵(trimethylgallium)係作為該包含V族元素之原料氣體。
在本發明之第十六實施態樣中，提供了III族氮化物半導體發光元件，其包含：一藍寶石基板，設有不平坦形狀，該不平坦形狀具有 至少一斜面；一低溫緩衝層，沿著不平坦形狀而形成在藍寶石基板上；一第一半導體層，形成在低溫緩衝層上，並且至少部份填入不平坦形狀的高度；一n型半導體層，形成在第一半導體層上；一發光層，形成在n型半導體層上；以及一p型半導體層，形成在發光層上；其中在主要表面側之平坦面面積S對藍寶石基板的總面積K之面積比率R為10%或更高，但低於50%。第一半導體層具有生長在不平坦形狀之斜面上的斜面生長層。斜面生長層具有0.05μm至0.5μm的厚度。
該III族氮化物半導體發光元件包含具有更細密之不平坦形狀的藍寶石基板、及第一半導體層。藉由不平坦形狀的凸部及凹部而使光線充分散射，且光線擷取效率很高。在藍寶石基板之不平坦形狀的斜面上，半導體層的生長速度很慢。因此，藍寶石基板的主要表面上之半導體層的生長不被藍寶石基板之不平坦形狀的斜面上之半導體層的生長所約束。第一半導體層上方之半導體層的生長模式很穩定。因此，第一半導體層上方的半導體層具有良好晶體品質。
本發明之第十七實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件的具體實施例，其中n型電極係形成為與n型半導體層接觸，且n型半導體層包含與n型電極接觸之n型接觸層。
本發明之第十八實施態樣涉及III族氮化物半導體發光元件的具體實施例，其中n型電極係形成為與n型半導體層接觸，且第一半導體層包括與n型電極接觸之n型接觸層。
本發明實現了提供III族氮化物半導體發光元件(其中平坦半導體層係生長在具有不平坦形狀的藍寶石基板上)及其製造方法。
100‧‧‧發光元件
110‧‧‧藍寶石基板
111‧‧‧不平坦形狀
111a‧‧‧底面
112‧‧‧凸部
112a‧‧‧頂面
112b‧‧‧斜面
120‧‧‧低溫緩衝層
121‧‧‧平坦面
122‧‧‧頂面
123‧‧‧斜面
130‧‧‧基底層
131‧‧‧平坦面生長層
131a‧‧‧表面
132‧‧‧平坦面生長層
133‧‧‧斜面生長層
140‧‧‧n型半導體層
141‧‧‧凹入部
150‧‧‧發光層
160‧‧‧p型半導體層
170‧‧‧透光電極
200‧‧‧發光元件
201‧‧‧光線擷取面
210‧‧‧藍寶石基板
300‧‧‧半導體發光裝置
330‧‧‧填入層
340‧‧‧n型半導體層
h‧‧‧高度
N1、N2、N3‧‧‧n型焊墊電極
P1、P2、P3‧‧‧p型焊墊電極
R1‧‧‧區域
t1‧‧‧厚度
W1‧‧‧節距寬度
W2‧‧‧寬度
W3‧‧‧間距
θ‧‧‧角度
隨著本發明的各種其他目標、特徵、及許多伴隨的優點在考量結合隨附圖式時參照以下較佳實施例之詳細描述而變得更好理解，其將會被立即瞭解，其中：圖1係顯示原料氣體噴佈在不具有不平坦形狀的平坦藍寶石基板上之情況的概略圖； 圖2係顯示原料氣體噴佈在具有不平坦形狀的藍寶石基板上之情況的概略圖；圖3顯示根據一實施例之半導體發光元件的示意結構；圖4顯示根據該實施例之半導體發光元件的藍寶石基板；圖5係根據該實施例之半導體發光元件的基底層附近之示意橫剖面圖；圖6係顯示根據該實施例之製造發光元件之製程的概略圖(第1部份)；圖7係顯示根據該實施例之製造發光元件之製程的概略圖(第2部份)；圖8係顯示根據該實施例之製造發光元件之製程的概略圖(第3部份)；圖9係顯示根據該實施例之製造發光元件之製程的概略圖(第4部份)；圖10係顯示根據該實施例之製造發光元件之製程的概略圖(第5部份)；圖11係顯示根據範例在藍寶石基板上之半導體層生長的顯微照片；圖12係顯示根據比較範例在藍寶石基板上之半導體層生長的顯微照片；圖13顯示根據修改之半導體發光元件的示意結構(第1部份)；以及圖14顯示根據修改之半導體發光元件的示意結構(第2部份)。
接著將藉由以其中製造半導體發光元件的情況作為範例，並參考圖式來敘述本發明之具體實施例。然而，本發明並不限於這些實施例。不用多說，形成以下所述發光元件之層和電極的結構僅作為範例，並且可與下述之實施例所示範者不同。圖式中示意性顯示之各層的厚度並未反應其實際值。
1.半導體發光元件
圖3顯示根據本實施例之發光元件100的示意結構。發光元件100為面朝上型(face-up type)半導體發光元件。發光元件100包含由III族氮化物半導體所形成之複數半導體層。如圖3所示，發光元件100包含藍寶石基板110、低溫緩衝層120、基底層130、n型半導體層140、發光層150、p型半導體層160、透光電極170、n型焊墊電極N1、以及p型焊墊電極P1。
藍寶石基板110係用以在其主要表面上經由MOCVD來形成半導體層之生長基板。不平坦形狀111係形成在藍寶石基板110的主要表面上。不平坦形狀111將在稍後加以敘述。
低溫緩衝層120係形成在藍寶石基板110的不平坦形狀111上。低溫緩衝層120係沿著不平坦形狀111而形成為不平坦形狀。採用低溫緩衝層120以便在藍寶石基板110中以高密度形成結晶核。低溫緩衝層120係由例如AlN或GaN之材料所製成。低溫緩衝層120具有10Å至1000Å的厚度。
基底層130係形成在低溫緩衝層120上。基底層130係部份填入藍寶石基板110之不平坦形狀111的高度之第一半導體層。因此，基底層130覆蓋了不平坦形狀111的底面和一部分斜面。基底層130未覆蓋不平坦形狀111的斜面之其餘部份和頂部。實際上，在基底層130與藍寶石基板110之間有低溫緩衝層120。至少在基底層130之n型半導體層140側、相對於藍寶石基板110的一部分表面131a是平坦的。基底層130為GaN層。
n型半導體層140係形成在基底層130上。n型半導體層140包含n型接觸層、n型ESD層、及n型超晶格層，其相繼形成在基底層130上。在n型半導體層140之藍寶石基板110側的表面具有某種程度的不平坦形狀。亦即，n型半導體層140填入基底層130的表面上之某種程度的不平坦形狀。相反地，相對於藍寶石基板110側之n型半導體層140的表面(亦即，在發光層150側的表面)是平坦的。n型接觸層係與n型電極N1接觸。這些都僅為範例，而且可採用其他沉積結構。
發光層150係形成在n型半導體層上。發光層150透過電子與電洞的再結合而發出光線。發光層150係形成在n型半導體層140上。發光層包含井層及阻障層。
p型半導體層160係形成在發光層150上。p型半導體層160包含p型被覆層及p型接觸層，其相繼沉積在發光層150上。這些都僅為範例，而且可採用其他沉積結構。
透光電極170係形成在p型半導體層160上。透光電極170係與p型半導體層160的p型接觸層呈歐姆接觸。透光電極170係由ITO所製成。除了ITO以外，還可使用例如ICO、IZO、ZnO、Ti02、NbTi02、及TaTi02之透光導電氧化物。
p型電極P1係形成在透光電極170上的p型焊墊電極。p型電極P1係藉由在透光電極170上相繼形成V膜及Al膜而形成。選擇性地，p型電極P1可藉由相繼形成Ti膜及Al膜、或Ti膜及Au膜而形成。
n型電極N1係形成在n型半導體層140之n型接觸層上的n型焊墊電極。n型電極N1係與n型接觸層呈歐姆接觸。n型電極N1係藉由在n型接觸層上相繼形成V膜及Al膜而形成。選擇性地，n型電極N1可藉由相繼形成Ti膜及Al膜、或Ti膜及Au膜而形成。
2.藍寶石基板上的不平坦形狀
圖4顯示藍寶石基板110的放大橫剖面圖。如圖4所示，藍寶石基板110的主要表面具有不平坦形狀111。藍寶石基板110具有底面111a及凸部112。各凸部112具有截頂圓錐形狀，其包含頂面112a及斜面112b。凸部112係設置成遍及藍寶石基板110之不平坦形狀111整個表面的蜂巢結構。
凸部112的高度h(即底面111a與頂面112a之間的距離)為從0.5μm至3.0μm。介於斜面112b與底面111之間的角度θ為從40°至60°。相鄰凸部112的中心之間的距離(即節距寬度W1)為從1.0μm至3.0μm。凸部112的寬度W2(於底面111a的位準處)為從2μm至4μm。相鄰凸部112之間的間距W3(於底面111a的位準處)為從0.1μm至1μm。
形成在藍寶石基板110上之低溫緩衝層120將底面111a、頂面112a、及斜面112b覆蓋。基底層130生長在形成於底面111a、頂面112a、及斜面112b上的低溫緩衝層120之上。因此，平坦半導體層係形成在形成於底面111a及頂面112a上的低溫緩衝層120之上。相反地，半導體層傾斜地生長在形成於斜面112b上的低溫緩衝層120之上。因此，生長在斜面112b上的半導體層不是平坦的。
因此，最好能抑制半導體層在斜面112b上的生長，並且促進半導體層在底面111a及頂面112a上的生長。
3.原料氣體的分壓
本實施例之特徵為所供應之原料氣體的分壓係根據藍寶石基板110的平坦部份之面積比率而加以調整。可例如藉由使用質流控制器來調整原料氣體的供應量。氣體分壓可藉由氣體的供應量而輕易計算出來。在描述本實施例之原料氣體的分壓之前，先敘述用於不具有不平坦形狀的習知基板之原料氣體的分壓。
3-1.不具有不平坦形狀的基板(習知的)
首先，敘述使用不具有不平坦形狀之基板的情況。在此情況下，以滿足下列方程式的分壓比率Y將原料氣體供應至MOCVD加熱爐。
1000≦Y≦1200……(1)
Y=PR1/PR2
Y：包含V族元素之原料氣體對包含III族元素之原料氣體的分壓比率
PR1：氨氣(包含V族元素之原料氣體)的分壓
PR2：三甲基鎵(包含III族元素之原料氣體)的分壓分壓比率係按照在將氣體供應至MOCVD加熱爐之供應閥處的氣體供應量之測量值而加以計算。
當半導體層形成在不具有不平坦形狀的基板上時，便可採用方程式(1)的條件。其可亦用於具有不平坦形狀且具有大面積比率(R>0.5)的基板，此面積比率為底面及頂面對藍寶石基板的總面積之總和。
3-2.具有不平坦形狀的基板(本實施例)
在本實施例中，以滿足下列方程式的分壓比率Y將原料氣體供應至MOCVD加熱爐。
1000≦Y/(2×R)≦1200……(2)
Y=PR1/PR2
0.1≦R<0.5
R=S/K
Y：包含V族元素之原料氣體對包含III族元素之原料氣體的分壓比率
R：平坦面對藍寶石基板的總面積之面積比率
S：在藍寶石基板的主要表面側之平坦面的面積
K：藍寶石基板的總面積
PR1：氨氣(包含V族元素之原料氣體)的分壓
PR2：三甲基鎵(包含III族元素之原料氣體)的分壓
於此，面積K為藍寶石基板110的總表面積，亦即面積K與不具有不平坦形狀之藍寶石基板110的主要表面面積相同。面積S為藍寶石基板110之平坦面的面積。於此，平坦面包括藍寶石基板110的主要表面、以及具有相對於主要表面為10°或更小之角度的表面。亦即，面積S為主要表面、與其平行之表面、以及稍微與其傾斜之表面的總面積。因此，如圖4所示，藍寶石基板110的平坦面面積S為底面111a的面積和頂面112a的面積之總和。面積比率R為底面111a和頂面112a的總面積對藍寶石基板110的總面積K之面積比率。
當方程式(2)中的R為0.5時，則方程式(2)與方程式(1)一致。舉例而言，當R為0.25時，則方程式(2)如下：500≦Y≦600在平常條件下，氨氣對三甲基鎵的分壓比率Y約為方程式(1)的一半，亦即氨氣的供應量相對小。
4.基底層 4-1.基底層的平坦度
在本實施例中，當在低溫緩衝層120上形成基底層130時，包含V族元素之原料氣體對包含III族元素之原料氣體的分壓比率Y係根據平坦面(底面111a和頂面112a)對藍寶石基板的總面積110之面積比率而降低。因此，如稍後所述般，基底層130主要可形成在藍寶石基板110之底面111a上。
4-2.橫剖面形狀
圖5係根據本實施例之半導體發光元件100的藍寶石基板110及基底層130附近的示意橫剖面圖。如此之橫剖面可例如藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)(並且在一些情況下，藉由掃描式電子顯微鏡(SEM))而觀測到。
如圖5所示，基底層130包含平坦面生長層131和132、以及斜面生長層133。平坦面生長層131係生長在低溫緩衝層120的平坦面121上之半導體層。平坦面生長層132係生長在低溫緩衝層120的頂面122上之半導體層。斜面生長層133係生長在低溫緩衝層120的斜面123上之半導體層。生長在平坦面121上的平坦面生長層131和生長在頂面122上的平坦面生長層132具有相同晶體方向。因此，當n型半導體層形成在這些半導體層上時，該等半導體層容易合併成一平坦層。不用多說，當沒有頂面122時，半導體層不生長在頂面上。
如圖5所示，平坦面生長層131的生長是最主要的，並且斜面生長層133的厚度受到抑制。在本實施例中，斜面生長層133的厚度t1夠薄。於此，斜面生長層133的厚度t1即為斜面生長層133的最厚部份之厚度。厚度t1係以垂直於斜面112b之方向來測量，如圖5中所示。斜面生長層133的厚度t1為從0.05μm至0.5μm。
4-3.斜面上之半導體層的生長
在本實施例中，平坦面生長層131的生長是最主要的，並且斜面生長層133的厚度受到抑制。這是因為原料氣體係以滿足前述之方程式(2)的 條件來供應。
如圖2所示般，當採用方程式(1)來取代方程式(2)時，達到過飽和狀態，其中大量供應包含N原子(V族元素)之氨。如此過度供應氨促使AlN及藍寶石在低溫緩衝層120之斜面123上的氮化。因此，易於生長半導體層之生長晶核便形成在斜面123上。當氨的分壓為高(即包含V族元素之原料氣體對包含III族元素之原料氣體的分壓比率Y為高)時，則促進了原料的遷移。其結果為半導體容易生長在斜面123上。因此，這被認為藉由抑制氨的供應量而可使半導體層在斜面123上的生長受到抑制。
5.製造半導體發光元件的方法
將敘述根據本實施例之製造發光元件100的方法。前述之各個半導體層係經由利用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)之磊晶生長來形成。製造發光元件100的方法包含下列步驟：形成n型半導體層、在n型半導體層上形成發光層、以及在發光層上形成p型半導體層。
5-1.藍寶石基板製備步驟
首先，將藍寶石基板的c面(c-plane)進行處理，以形成不平坦形狀111。具體而言，形成一光阻作為遮罩。然後，執行乾蝕刻以製備在其主要表面上具有不平坦形狀111之藍寶石基板110。便可獲得其上已形成不平坦形狀111之藍寶石基板110。
5-2.低溫緩衝層形成步驟
接著，將藍寶石基板110置於MOCVD加熱爐內部。之後，藉由MOCVD形成半導體層。在用H2 清理之後，低溫緩衝層120便形成在藍寶石基板110的不平坦形狀111上。因此，如圖6所示，低溫緩衝層120係形成在藍寶石基板110的底面111a、頂面112a、及斜面112b上。低溫緩衝層120夠薄而不至於填滿藍寶石基板110的不平坦形狀111。
在MOCVD中所採用之載體氣體為氫(H2 )、氮(N2 )、或 氫和氮的氣體混合物(H2 +N2 )。氨氣(NH3 )係作為氮源。三甲基鎵(Ga(CH3 )3 ，以下稱為「TMG」)係作為Ga源。三甲基銦(trimethylindium)(In(CH3 )3 ，以下稱為「TMI」)係作為In源。三甲基鋁(trimethylaluminum)(Al(CH3 )3 ，以下稱為「TMA」)係作為Al源。甲矽烷(SiH4 )係作為n型摻質氣體。環戊二烯基鎂(cyclopentadienylmagnesium)(Mg(C5 H5 )2 )係作為p型摻質氣體。
5-3.基底層形成步驟(第一半導體層形成步驟)
隨後，如圖7所示，將基底層130形成在低溫緩衝層120上。供應氣體以使包含V族元素之原料氣體對包含III族元素之原料氣體的分壓比率Y滿足前述之方程式(2)。基底層形成步驟中的生長溫度較n型半導體層形成步驟中的生長溫度低20℃至80℃的範圍內之任何溫度。基底層的生長速率為從200Å/min至2000Å/min。因此，藍寶石基板110的不平坦形狀111被部份填入，從而形成具有表面131a之基底層130。
5-4. n型半導體層形成步驟
接著，將n型半導體層140形成在平坦基底層130上，然後形成n型接觸層。此步驟中的基板溫度為從1000℃至1200℃。Si濃度為1×1018 /cm3 或更高。如以上所述，n型半導體層140的生長溫度高於基底層130的生長溫度。橫向生長速率在此步驟中很高。因此，被基底層130部份填入之不平坦形狀的其餘部份很容易被n型半導體層140填入。以此方式，將部份剩餘在基底層130中的不平坦形狀填滿。因此，n型半導體層140的頂面是平坦的。可在n型接觸層上形成n型ESD層或n側超晶格層。即使在這個步驟之後的半導體層形成步驟中，仍採用方程式(2)。
5-5.發光層形成步驟
然後，將發光層150形成在n型半導體層140上。將基板溫度調整為700℃至950℃。
5-6. p型半導體層形成步驟
然後，將p型半導體層160形成在發光層150上。例如，將p側超晶格層形成在發光層150上，並於其上形成p型接觸層。將p型接觸層形成時的基板溫度調整為900℃至1050℃。因此，如圖8所示般，上述之半導體層便沉積在藍寶石基板110上。如圖9所示，凹入部141是為了形成n型電極N1而形成。
5-7.透光電極形成步驟
如圖10所示，透光電極170係形成在p型半導體層160的p型接觸層上。
5-8.電極形成步驟
接著，將p型電極P1形成在透光電極170上。半導體層沉積結構係經由雷射放射線或蝕去p型接觸層而部份移除，從而露出n型接觸層。將n型電極N1形成在n型接觸層的露出區域上。可用任何順序來實施p型電極P1的形成和n型電極N1的形成。當電極材料相同時，其可同時實施。
5-9.其他步驟
除了前述之步驟以外，還可執行用來覆蓋裝置之絕緣膜形成、熱處理、及其他步驟。經由執行這些步驟，便完成圖3所示之發光元件100的製造。
從基底層形成步驟到p型半導體層形成步驟的製程係半導體層形成步驟，其中由III族氮化物半導體所製成之該等半導體層係形成在低溫緩衝層120上。
6.實驗 6-1.實驗條件
在實驗中，使用下述藍寶石基板。
節距寬度(W1) 4.0μm
平坦面對藍寶石基板的總面積之面積比率(R)為14%。
低溫緩衝層的材料為AlN。其厚度為100Å。分壓Y在範例中為400，而且在比較範例中為1200。
6-2.範例
圖11係顯示根據本實施例之範例的顯微照片。在圖11中，半導體層的生長在凸部或凹部的側表面上(即形成於斜面112b上之低溫緩衝層120)受到抑制。半導體層的生長在形成於底面111a上之低溫緩衝層120上受到提升。換言之，平坦面上之半導體層的生長是最主要的，而且半導體層的生長在凸部或凹部的側表面上受到抑制。
如以上所述，介於生長在底面111a上的半導體層與生長在斜面112b上的半導體層之間的邊界表面可例如在由穿透式電子顯微鏡(TEM)所拍攝之橫剖面照片中觀測到。
因此，半導體層在形成於斜面112b上之低溫緩衝層120上生長不多。這意謂著可藉由降低包含V族元素之原料氣體的供應量來抑制半導體層在斜面112b上的生長。
6-3.比較範例
圖12係顯示比較範例之顯微照片。在圖12中，半導體層在凸部112的斜面112b側(即形成於斜面112b上的低溫緩衝層120)上充分生長。由於在凸部112的側表面上之半導體層的生長是最主要的，故其上所生長之半導體層(即基底層130上方之層；亦即在藍寶石基板110相對側上之半 導體層)難以具有一平坦面。無法達成平坦基底層130，而且難以在基底層上形成結晶性優異之半導體層。
7.修改 7-1.基底層 7-1-1.基底層的材料
基底層130可由n型GaN形成，來代替GaN。選擇性地，其可由AlGaN或InGaN形成，來代替GaN。其可由Alx Iny Ga(1-X-Y) N(0≦X、0≦Y、X+Y<1)形成。然而，在此情況下，Al成份比率為0.2或更低，且In成份比率為0.2或更低。
7-1-2.基底層之原料氣體
供應三甲基銦或三甲基鋁作為原料氣體。方程式(1)或(2)中之包含III族元素之原料氣體的分壓為這些TMI、TMA、及TMG氣體的總分壓。
7-2.半導體層形成步驟中之原料氣體的分壓
方程式(1)的條件可作為n型半導體層140、發光層150、及p型半導體層160的形成步驟中之原料氣體的分壓。在形成基底層130之後，半導體層幾乎不生長在斜面上。
7-3.覆晶型(flip-chip type)
本實施例係應用在面朝上型半導體發光元件。不用多說，其亦可應用在其他類型的半導體發光裝置，例如圖13所示之具有在基板上之光線擷取面的覆晶型半導體發光元件200。因此，光線擷取面201係位在藍寶石基板210上。其餘結構與圖3相同。
7-4.凸部形狀
在本實施例中，凸部112具有截頂圓錐形狀。其可具有圓錐形、六角角錐形、或六角截頂角錐形。不用多說，其亦可具有其他角錐形或其他截 頂角錐形。即使在此情況下，最斜面與底面之間的角度為從40°至60°。
7-5.凸部的設置
連接凸部112的頂部之線條係較佳地在基底層130的a軸方向上。凸部適合生長在底面111a上。
7-6.填入層
如圖14所示，在半導體發光裝置300中，形成在低溫緩衝層120上的基底層可填滿不平坦形狀111的整個高度。在此情況下，填入層330係形成在低溫緩衝層120上。填入層330可為n型GaN層。在此情況下，填入層330為第一n型半導體層，且n型半導體層340為第二n型半導體層。以此方式，基底層130及填入層330為至少部份填入藍寶石基板110的不平坦形狀111之高度的第一半導體層。填入層330為扮演抑制半導體層在斜面123上生長的角色之層。其餘結構與圖3相同。
7-7.基板中之平坦面的面積比率
在方程式(2)中，面積比率R為10%或更高，但低於50%。如圖2所建議，面積比率R愈小，則供應氣體愈容易累積在區域R1中。因此，面積比率R愈小，則本實施例的效果愈高。藉由改變所供應之氣體的分壓比率而產生的效果很大；亦即，當面積比率R滿足下列方程式時，便獲得更高之功效。
0.1≦R≦0.3
R：平坦面對藍寶石基板的總面積之面積比率此為面積比率從10%至30%的情況。
7-8.凹部的形成
在本實施例中，使用了藍寶石基板110，其中凸部112係設置成在不平坦形狀111中之蜂巢結構。然而，亦可使用具有設置成在不平坦形狀中之蜂巢結構之凹部的藍寶石基板。
7-9.藍寶石基板
在本實施例中，不平坦形狀係形成在具有c面主要表面之藍寶石基板上。然而，除了可使用具有c面主要表面的藍寶石基板以外，還可使用例如具有a面主要表面的藍寶石基板。
8.本實施例之概要
如上文所述，在本實施例的發光元件100中，供應至藍寶石基板110的不平坦形狀111之氨及三甲基鎵的分壓受到調整。亦即，當藍寶石基板110之底面或與其平行之表面的面積夠小時，則減少供應至不平坦形狀111的氨供應量。這抑制了半導體層在藍寶石基板110之斜面上的生長、並填滿藍寶石基板110的不平坦形狀111，從而形成平坦基底層。因此，完成具有優異晶體品質和高光線擷取效率的發光元件100。
由於前述之實施例僅作為範例，故應瞭解到本領域中具有通常技術者可在不偏離本發明之範圍的情況下，實施各種變化及修改。所沉積之本體的沉積結構不必限於所例示之沉積結構。沉積結構等等可被決定。層形成方法並不限於有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)。只要是藉由使用載體氣體來執行半導體晶體生長，便可採用例如氫化物氣相磊晶之任何其他方法。
100‧‧‧發光元件
110‧‧‧藍寶石基板
111‧‧‧不平坦形狀
120‧‧‧低溫緩衝層
130‧‧‧基底層
131a‧‧‧表面
140‧‧‧n型半導體層
150‧‧‧發光層
160‧‧‧p型半導體層
170‧‧‧透光電極
N1‧‧‧n型焊墊電極
P1‧‧‧p型焊墊電極

Claims (18)

  1. 一種製造III族氮化物半導體發光元件的方法，該方法包含：製備在主要表面上具有不平坦形狀之藍寶石基板；在該藍寶石基板的該不平坦形狀上形成低溫緩衝層；以及在該低溫緩衝層上生長一包含III族氮化物半導體之半導體層；其中生長該半導體層之步驟包含藉由供應下列至少二類氣體而在該低溫緩衝層上形成第一半導體層：一包含III族元素之原料氣體和一包含V族元素之原料氣體，以滿足下列方程式：1000≦Y/(2×R)≦1200 R=S/K 0.1≦R<0.5 Y：該包含V族元素之原料氣體對該包含III族元素之原料氣體的分壓比率R：該藍寶石基板的平坦面對該藍寶石基板的總面積之面積比率S：在該藍寶石基板的主要表面側之該平坦面的面積K：該藍寶石基板的總面積。
  2. 如申請專利範圍第1項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中在形成該第一半導體層的步驟中，形成至少部份填入該藍寶石基板之該不平坦形狀的高度之填入層，作為該第一半導體層。
  3. 如申請專利範圍第2項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該第一半導體層部份覆蓋該藍寶石基板之該不平坦形狀的高度，而且不覆蓋該不平坦形狀的高度上之其餘部份。
  4. 如申請專利範圍第2項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該第一半導體層覆蓋該藍寶石基板之該不平坦形狀的整個高度。
  5. 如申請專利範圍第1項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中生長該半導體層的步驟包含： 在該第一半導體層上形成n型半導體層；在該n型半導體層上形成發光層；以及在該發光層上形成p型半導體層。
  6. 如申請專利範圍第5項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該第一半導體層的生長溫度較該第一半導體層以外之該n型半導體層的生長溫度低20℃至80℃之範圍內的任何溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該第一半導體層以外之該n型半導體層的生長溫度為從1000℃至1200℃。
  8. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該藍寶石基板之該不平坦形狀具有0.5μm至3.0μm的高度。
  9. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中介於該藍寶石基板之該不平坦形狀的該底面與該不平坦形狀的最斜面之間的角度為從40°至60°。
  10. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中在形成該第一半導體層的步驟中，該第一半導體層的生長速率為從200Å/min至2000Å/min。
  11. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該藍寶石基板之該不平坦形狀具有複數凸部，該等凸部係設置成遍及該不平坦形狀的整個表面之蜂巢結構。
  12. 如申請專利範圍第11項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該等凸部具有選自由截頂圓錐形、六角截頂角錐形、圓錐形、以及六角角錐形所組成之群組其中至少一者。
  13. 如申請專利範圍第11項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中連接該等相鄰凸部之線條係在a軸方向上。
  14. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中該藍寶石基板具有c面主要表面。
  15. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項之製造III族氮化物半導體發光元件的方法，其中氨係作為該包含III族元素之原料氣體，且至少三甲基鎵係作為該包含V族元素之原料氣體。
  16. 一種III族氮化物半導體發光元件，包含：一藍寶石基板，於主要表面上設有不平坦形狀，該不平坦形狀具有至少一斜面；一低溫緩衝層，沿著該不平坦形狀而形成在該藍寶石基板上；一第一半導體層，形成在該低溫緩衝層上，並且至少部份填入該不平坦形狀的高度；一n型半導體層，形成在該第一半導體層上；一發光層，形成在該n型半導體層上；以及一p型半導體層，形成在該發光層上；其中在該主要表面側之平坦面面積S對該藍寶石基板的總面積K之面積比率R為10%或更高，但低於50%；該第一半導體層具有生長在該不平坦形狀之該斜面上的斜面生長層；且該斜面生長層具有0.05μm至0.5μm的厚度。
  17. 如申請專利範圍第16項之III族氮化物半導體發光元件，其中n型電極係形成為與該n型半導體層接觸，且該n型半導體層包含與該n型電極接觸之n型接觸層。
  18. 如申請專利範圍第16項之III族氮化物半導體發光元件，其中n型電極係形成為與該n型半導體層接觸，且該第一半導體層包括與該n型電極接觸之n型接觸層。
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