[发明专利]半导体发光装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置，特别涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

于蓝宝石基板上形成氮化镓磊晶层是制造发光二极管（LED）的常用工艺技术。然而，氮化镓磊晶层与蓝宝石基板两者之间的晶格常数与热膨胀系数（CTE）存在有极大差异，因此，会于氮化镓磊晶层内产生高密度的线差排缺陷（threading dislocation），其密度大约为10⁸~10¹⁰cm^-3。此种高密度线差排缺陷会大大限制了发光二极管的发光效率。

发光二极管结构中的主动层及其他层会吸收光，因此会影响到发光二极管的发光效率。此外，发光二极管所使用的半导体材质具有高折射系数，会使发光二极管所产生的光受到局限（trapped）。如图1所示，从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时，如果光的入射角大于逃逸角锥（escape cone，如图标斜线区域）之临界角（critical angle）α_c时，则会产生全内反射（total internal reflection）。对于高折射系数之半导体而言，其临界角非常小。举例而言，当折射系数为3.3时，其全内反射角只有17°，所以从主动区所发射的大部分光线，将被局限于半导体内部，且这些被局限的光有可能会被较厚的基板所吸收。此外，基板内的电子与空穴对还会因基板质量不良或效率较低，因而产生非辐射复回（recombine non-radiatively），进而降低发光二极管的发光效率。所以如何从半导体之主动区有效萃取光源，进而增加光萃取效率，乃发光二极管制造的一个重要目标。

增加发光二极管之光萃取效率的常用方法之一，是在磊晶前先进行蓝宝石基板的蚀刻图案化，以形成图案化蓝宝石基板（pattern sapphire substrate，PSS）。通过基板表面几何形状之变化，可以改变发光二极管的散射机制，将散射光导引至发光二极管内部，进而由逃逸角锥中射出，因而增加光萃取效率（light extraction efficiency）。

一般是使用各种蚀刻技术以加工蓝宝石基板，以改善内部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)和光萃取效率。然而，由于蓝宝石基板非常坚硬，进行蚀刻易损害蓝宝石表面，使得线差排由基板逐渐延伸到顶端的氮化镓磊晶层，因而影响到发光二极管之磊晶质量。此外，在成长磊晶层于图案化蓝宝石基板时，易磊晶于图案化蓝宝石基板的倾斜面上，若倾斜面与平面上的磊晶速率不同时，容易导致磊晶效果的降低。

因此，亟需提出一种新颖的半导体发光装置及其制造方法，使得工艺较容易且更能控制磊晶的成长。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例提出一种半导体发光装置及其制造方法，用以减少线差排缺陷，增加光线的逃逸角锥，改善内部量子效率(IQE)和/或光萃取效率。

根据本发明实施例，半导体发光装置包含基板、图案化层、第一掺杂层、发光层及第二掺杂层。基板具有第一表面。图案化层形成于基板上，具有第二表面，其与第一表面之间形成一角度。第一掺杂层形成于基板及图案化层上，发光层形成于第一掺杂层上，第二掺杂层形成于发光层上，且第一掺杂层、发光层及第二掺杂层延伸平行于第一表面。

其中所述第一表面为所述基板的顶面，且所述第二表面为所述图案化层的侧面，其中所述第二表面倾斜于所述第一表面。

其中所述基板的材质为砷化镓、锗表面形成锗化硅、硅表面形成碳化硅、铝表面形成氧化铝、氮化镓、氮化铟、氮化铝、氧化锌、蓝宝石、玻璃、石英或其组合。

其中所述第一表面为C相平面、M相平面或A相平面。

其中所述第一表面为C相平面，且所述第二表面为R相平面；或是所述一表面为M相平面，且所述第二表面为C相平面；或是所述第一表面为A相平面，且所述第二表面为R相平面或N相平面。

其中所述图案化层具有一空隙，以暴露出部分所述基板的表面。

其中所述图案化层包含多个角锥体、多个圆锥体和/或多个火山形体。

其中所述图案化层的材质异于所述基板的材质。

其中所述图案化层的材质为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或其组合。

其中所述图案化层及所述基板的材质使得所述第一掺杂层容易形成于所述第一表面，但是不容易形成于所述第二表面。

其中所述第一掺杂层、所述发光层及所述第二掺杂层的材质包含三族氮化物。

其中所述发光层包含单一量子阱或多重量子阱。

其中所述发光层包含超晶格结构。