[发明专利]半导体发光元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体发光元件制造技术，尤其涉及一种可提升光取出效率(extraction efficiency)的半导体发光元件及其制造方法。

背景技术

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(intemal 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。

发明内容

有鉴于此，本发明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，本发明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(0，0，0)位置为原点，自[100]朝向[011]或[011]倾斜的角度、或自[100]朝向[011]或[011]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，本发明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[100]朝向[011]或[011]倾斜的角度、或自[100]朝向[011]或[011]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绘示出根据本发明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；