CN1447990A - 半导体发光器件及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

提供一种细微芯片结构的半导体发光器件，该结构具有良好的晶体特性和控制的衬底螺纹位错，能够不增加步骤地制备这种结构。半导体发光器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的晶面(例如S面)，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述晶面的第二导电类型层。半导体发光器件可选的具有平行于倾斜晶面的反射面。具有与衬底主平面平行的晶体层具有良好的晶体特性。此外，由于倾斜，晶体层防止了衬底螺纹位错，并有助于器件小型化和器件隔离。

Description

半导体发光器件及其制造工艺
技术领域
本发明涉及由依次设置的第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层组成的双异质结结构的半导体发光器件，还涉及该器件的制造工艺。特别是，本发明涉及发光区由氮化物半导体晶体层形成的半导体发光器件，还涉及该器件的制造工艺。
背景技术
已知的半导体发光器件由顺序形成在蓝宝石衬底的整个表面上的低温缓冲层、掺杂硅的GaN的n侧接触层、掺杂硅的GaN的n侧覆盖层、掺杂硅的InGaN的有源层、掺Mg的InGaN的p侧覆盖层、以及掺Mg的GaN的p侧接触层组成。能够大量得到的这种结构的商业产品为能够发出从450nm到530nm波长范围的蓝光和绿光LED(发光二极管)。
在蓝宝石衬底上生长氮化镓晶片为常见的做法。用于该目的的蓝宝石衬底通常为具有C面为主平面的蓝宝石衬底。因此，形成在主平面上的氮化镓层也具有C面，平行于衬底主平面形成的有源层与将有源层夹在其间的覆盖层不可避免地平行于C面。由于衬底的主平面的光滑度，具有基于衬底的主平面顺序形成的晶体层的半导体发光器件具有形成电极需要的光滑表面。
在蓝宝石衬底上生长氮化镓的不足之处在于由于两者之间的晶格不匹配，位错会密集地存在于晶体中。消除生长晶体中缺陷的一种方式是在衬底上形成低温缓冲层。日本专利特许公开No.Hei 10-312971公开了结合外延横向附晶生长(ELO)以减少晶体缺陷。
此外，日本专利特许公开No.Hei 10-321910公开了一种半导体发光器件，特点在于在形成于衬底上的六角棱柱结构中，发光区垂直于衬底的主平面延伸，由此它的(10-10)或(1-100)m侧平面垂直于衬底的主平面。垂直于衬底主平面的有源层能有效地抑制缺陷和由于与衬底晶格不匹配造成的位错，并减少由于热膨胀系数不同造成的应力。
此外，日本专利特许公开No.Hei 8-255929公开了一种制造发光器件的工艺，所述工艺由以下步骤组成：在衬底上形成一种导电类型的氮化镓化合物半导体；用掩模覆盖部分层；通过选择性生长在未覆盖的部分上形成氮化镓化合物半导体层(包括另一种导电类型)；以及形成p电极和n电极。
如日本专利特许公开No.Hei 10-321910中公开的，垂直于衬底的主平面形成六角棱柱结构的技术要求通过HVPE(氢化物汽相外延)得到的膜之后需要进行干腐蚀以得到(10-10)或(1-101)m侧平面。遗憾的是，干腐蚀不可避免地损伤了晶面。换句话说，尽管氮干腐蚀能有效地抑制衬底的螺纹位错，但它使晶体特性退化。此外，干腐蚀需要额外的步骤。
现已知在蓝宝石衬底的C+面上选择性生长得到具有由(1-101)面或S面环绕的尖峰的晶体层(参见日本专利No.2830814，说明书的第9段)。如此得到的层对于将形成其上的电极来说不够平坦；因此，从来没有用于电子器件和发光器件。它仅用做用于进一步选择性生长的晶体结构的下层。
具有表面平行于衬底主平面的任何器件需要平坦的表面以得到良好的晶体性质。由此，通常水平地铺设电极构成器件。这种结构的不足之处在于水平地铺设电极使工艺变成非常困难且花费时间的工作，需要使用切片机将微小的晶片相互分离同时不切伤水平铺设的电极。此外，蓝宝石衬底和氮化物(例如GaN)很硬，很难切割，切片时需要约20μm的切割余量。这使得很难切割微小的芯片。顺便提及，其中衬底的主平面为C+面并且平行于衬底的主平面形成氮化镓的有源层的发光器件存在的问题是在C+面中从镓原子到氮原子仅有一个键，因此氮原子容易脱离C+面的晶面，这使得很难使有效的V/III比更大。该问题妨碍了构成发光器件的晶体性能提高。
在日本专利特许公开No.Hei 8-255929中公开的技术具有使用选择性生长不必需要腐蚀例如反应离子腐蚀的优点。然而，由于掩模层除去之后，在它的附近产生大的台阶，因此很难形成准确地形成n电极。在日本专利特许公开No.Hei 8-255929中公开的发光器件中，平行于衬底主平面形成有源层的不足之处在于有源层的端部暴露到空气，结果是有源层被氧化并退化。
期望的是LED器件能用做大显示(例如投影显示)的光源。为此，对于LED器件来说，具有较高的亮度、较好的可靠性以及较低的价格很重要。LED器件的亮度受两种因素决定：取决于有源层的晶体性质的内部量子效率，以及为脱离器件的光与器件中产生的光的比值的发光(emergence)效率。
发光二极管具有典型结构显示在图1中的发光区。发光区的主要部分包括InGaN的有源层400、第一导电层401和第二导电层402(将所述有源层400夹在其间)以及与有源层400相对的第二导电层402上的反射膜403(也起电极的作用)，反射膜403和第二导电层402之间的界面起反射面的作用。有源层400产生的部分光直接从第一导电层401中的光出射窗口405射出，朝向第二导电层402的部分光被反射面404反射，反射光射向第一导电层401中的光出射窗口405。
以上提到的常规结构的发光二极管的不足之处在于由于在器件和外部之间的界面、器件和透明基片之间的界面、或透明基片和外部之间的界面发生的全反射，由有源层400产生的光，无论效率如何，都不能从器件引出(extracted)。换句话说，以小于临界角的角度入射到界面的光发生全反射。(临界角取决于形成界面的两种材料的折射率)。在具有图1所示相互平行的反射面404和光出射窗口405的表面发射型发光二极管中，在小于临界角的角度受到全反射的光在反射面404和光出射窗口405之间受到连续的全反射。因此，这种光不能引出作为有效的输出。
一种提高发光效率的可能方式是在器件中形成改变光通路的凸起或斜面，由此凸起或斜面起允许有效地发光的反射面的作用。然而，该技术还没有应用到用于蓝光或绿光LED的GaN半导体。目前，不可能在极小的区域中形成复杂的形状。
表面发射型的发光器件的一个例子部分显示在图2中。它是在蓝宝石的生长衬底500上形成的。在衬底500上顺序形成氮化镓半导体的第一导电层501、氮化镓半导体的有源层502、以及氮化镓半导体的第二导电层503，它们都平行于衬底的主平面。部分除去有源层502和第二导电层503，由此形成底部穿入第一导电层501的开口506。在开口506中形成第一电极504，由此它连接到第一导电层501。在第二导电层503上形成连接到它的第二电极。
一种满足用于大显示的光源要求的简单方式是根据需要的亮度增加器件尺寸。然而，光设计限制了发光区的尺寸，在制备具有高亮度和大发光区的器件时存在困难。此外，器件中的有源区也受到光出射窗口和用于有效注入电流的电极的布局限制。因此，目前通过注入多于实际器件中规定的电流可以满足高亮度的要求。然而增加电流注入损害了器件的可靠性。
另一方面，期望减少发光二极管的器件尺寸并通过提高成品率减少制造成本。非常需要减少阵列形式的LED构成用于显示的各象素的区域的尺寸。然而，尺寸减少导致单位面积的负载增加，与以上提到的高亮度和高稳定性的要求相矛盾。
此外，如果器件尺寸减小到小于几十微米以下，那么用于有源区的区域大大地受电极504和505(图2所示)以及器件隔离槽限制。导电层503和501接触电极505和504的区域应尽可能大以保持低电阻。然而，电极增大减小了从有源区发出光的面积，导致了亮度减少。
本发明就是为了解决以上提到的技术问题。本发明的目的是提供一种细微结构的半导体发光器件，该结构具有良好的晶体特性和控制的衬底螺纹位错，能够制备这种结构同时不增加步骤。本发明的另一目的是提供一种制造具有良好晶体特性的细微结构的半导体发光器件，同时不需要附加的步骤。本发明的再一目的是提供一种半导体发光器件及其制造工艺，具有用于有效发光和高亮度的特殊形状的细微结构。
本发明的又一目的是提供一种半导体发光器件，能够以电极附近的台阶减少并且能防止有源层退化的方式制备而不需要附加的步骤，同时可以控制衬底螺纹位错并且晶体特性良好。本发明的还一目的是提供一种制造半导体发光器件的工艺，能够以电极附近的台阶减少并且能防止有源层退化的方式制备，不需要附加的步骤，同时晶体特性良好。本发明的另一目的是提供一种半导体发光器件，保持良好的可靠性同时有源层(光产生区)上的负载最小，由于提高了发光效率能够获得高亮度。
发明内容
本发明的第一目的在于一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于晶体层上的倾斜晶面形成的第二导电类型层。
具有倾斜晶片的晶体层具有例如纤锌矿晶体结构。它由氮化物半导体形成。它可以通过掩模层中的开口通过选择性生长形成，或者由形成在衬底上用于生长的下层选择性生长形成。此时，衬底的主平面可以是C面。
根据本发明，以上提到的多个半导体发光器件排列成阵列以形成图象显示单元(其中每个器件作为一个象素)或发光系统。
根据本发明，通过包括以下步骤的工艺制造半导体发光器件：在衬底上形成具有开口的掩模层或籽晶层；通过掩模层中的开口或由籽晶层选择性生长形成晶体层，晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面；在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于倾斜晶面的第二导电类型层。
具有倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体层抑制了衬底的螺纹位错。通过选择性生长容易出现倾斜于衬底主平面的晶面的事实得到了良好的晶体，同时不需要增加如腐蚀等的步骤。
由氮化镓(GaN)形成晶体层的优点在于由于此时由氮原子到镓原子的键合数量大于使用C+面形成晶体层时的键合数量，因此有效的V/III比增加。这样可以形成具有良好晶体特性的有源层，由此得到性能提高的半导体发光器件。
本发明的第二目的在于一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面，或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面形成的第二导电类型层。
晶体层具有S面或基本上等效于S面的平面，构成了近似六棱锥的侧面。此外，形成晶体层使C+面或基本上等效于C+面的平面构成六角棱柱体的顶部。此时，衬底的主平面可以为C+面。
根据本发明，以上提到的多个半导体发光器件排列成阵列以形成图象显示单元(其中每个器件作为一个象素)或发光系统。
根据本发明，通过包括以下步骤的工艺制造半导体发光器件：在衬底上形成具有开口的掩模层；通过掩模层中的开口选择性生长形成晶体层，晶体层具有S面或基本上等效于S面的平面；在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面的第二导电类型层。
半导体发光器件具有第一导电类型层、有源层、以及平行于S面或基本上等效于S面的平面的第二导电类型层。该结构基于就形成电极的观点而言与将S面看作选择性晶体生长的未完成阶段的常规观念不同的新观念。倾斜于衬底的S面由于它的横向生长抑制了衬底的螺纹位错。此外，通过选择性生长容易出现S面的事实得到了良好的晶体，同时不需要增加如腐蚀等的步骤。
当晶体层由S面上的氮化镓(GaN)形成时，由于S面上由氮原子到镓原子的键合数量大于使用C+面上的键合数量，因此有效的V/III比增加。由此可以形成性能提高的半导体发光器件。
本发明的第三方案在于一种半导体发光器件，包括通过选择性生长形成具有倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；形成在晶体生长层上并根据以预定数量注入的电流发光的有源层；以及近似平行于倾斜晶面形成的并反射部分从有源层发出的光的反射面。
根据本发明，通过包括以下步骤的工艺制造半导体发光器件：在用于生长的衬底上通过选择性生长形成具有倾斜于用于生长的衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；然后形成有源层和近似平行于以上提到的倾斜晶面的反射面。
由有源层产生的光被近似平行于与用于生长的衬底主平面倾斜的倾斜晶面的反射面反射。由于反射面近似平行于倾斜晶体层，因此反射面倾斜于用于生长的衬底主平面。因此如果近似平行于用于生长的衬底主平面形成发光窗口，受到发光窗口全反射的光被反射平面反射，同时它沿倾斜的晶面前进。以此方式，光通路改变以利于发光。选择性生长允许与用于生长的衬底倾斜的倾斜晶体层自身形成；因此可以避免如腐蚀等的微处理。
本发明的第四方案在于一种半导体发光器件，包括衬底、形成在衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于第二生长层的晶面第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，这些层的部分或全部覆盖开口周围的掩模层。
第一和第二生长层具有纤锌矿晶体结构。它们可以由氮化物半导体形成。第二生长层的晶面倾斜于衬底的主平面。此时，衬底的主平面可以是C面。
本发明的第四方案还在于一种半导体发光器件，包括衬底、形成在衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于第二生长层的晶面第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，这些层形成得整个覆盖第二生长层。
本发明的第四方案还在于一种半导体发光器件，包括衬底、形成在衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，平行于第二生长层的晶面形成，由此它们的端部直接接触掩模层。
根据本发明，以上提到的多个半导体发光器件排列成阵列以形成图象显示单元(其中每个器件作为一个象素)或发光系统。
根据本发明，通过包括以下步骤的工艺制造半导体发光器件：在衬底上形成第一生长层；在第一生长层上形成具有开口的掩模层；通过掩模层中形成的开口借助选择性生长形成第二生长层；以及形成第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，第二导电类型的覆盖层平行于第二生长层的晶面并延伸到开口周围的掩模层。
通过第一导电类型的覆盖层、有源层、以及平行于第二生长层的晶面并覆盖开口周围的掩模层的第二导电类型的覆盖层构成的半导体发光器件的优点在于在包括第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层和衬底或第一生长层之间存在掩模层。开口周围的掩模层减小了台阶，由此提高了随后的电极微处理工艺需要的精确度。此外，第二生长层的选择性生长使它容易形成与衬底主平面倾斜的倾斜晶面。因此可以抑制衬底的螺纹位错并得到良好的晶体，同时不需要增加如腐蚀等的步骤。
本发明的第五方案在于一种半导体发光器件，包括位于第一导电层和第二导电层之间的有源层，且通过选择性生长不平行于用于生长的衬底主平面形成有源层，有源层的面积大于在用于生长的衬底上选择性生长时使用的窗口面积，或者大于通过在法线方向将选择性生长晶体层投影(project)到用于生长的衬底得到的投影面积。
根据本发明，有源层的面积可以大于或等于通过在法线方向将选择性生长的晶体层投影到用于生长的衬底上得到的投影面积以及其中第一或第二导电类型层中的至少一层和它的电极相互接触的面积的总和。
有源层位于第一导电类型层和第二导电类型层之间，当电流穿过这两层注入时，有源层发光。由于有源层的面积大于在用于生长的衬底上选择性生长时使用的窗口面积，或者大于选择性生长层的投影面积，可以减小注入到有源层内电流的局部电流密度。此外，有源层的面积可以大于投影面积和电极面积的总和，由此可以进一步减小注入到有源层内电流的电流密度。
附图说明
图1示出了半导体发光器件结构的一个例子的剖面图。
图2示出了半导体发光器件结构的另一个例子的剖面图。
图3示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图4示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中形成掺硅GaN的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图5示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中形成用于晶体生长的窗口的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图6示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中形成有源层等的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图7示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图8示出了在本发明例1的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图9示出了本发明例1的半导体发光器件结构的剖面图。
图10示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图11示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中选择性除去的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图12示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中形成晶体层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图13示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中形成有源层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图14示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图15示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图16示出了本发明例2的半导体发光器件结构的剖面图。
图17示出了在本发明例2的半导体发光器件的制造中以改进方式分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图18示出了在本发明例3的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图19示出了在本发明例3的半导体发光器件的制造中形成晶体层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图20示出了在本发明例3的半导体发光器件的制造中形成有源层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图21示出了在本发明例3的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图22示出了在本发明例3的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图23示出了本发明例3的半导体发光器件的剖面图。
图24示出了在本发明例4的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图25示出了在本发明例4的半导体发光器件的制造中形成晶体层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图26示出了在本发明例4的半导体发光器件的制造中形成有源层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图27示出了在本发明例4的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图28示出了在本发明例4的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图29示出了本发明例4的半导体发光器件的剖面图。
图30示出了在本发明例5的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图31示出了在本发明例5的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图32示出了本发明例5的半导体发光器件的剖面图。
图33示出了在本发明例6的半导体发光器件的制造中形成p电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图34示出了在本发明例6的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图35示出了在本发明例6的半导体发光器件的制造中形成n电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图36示出了以改进方式形成n电极的步骤图。
图36A示出了激光磨蚀步骤的示意性剖面图。
图36B示出了RIE步骤的示意性剖面图。
图36C示出了形成n电极步骤的示意性剖面图。
图37示出了本发明例6的半导体发光器件的剖面图。
图38示出了在本发明例6的半导体发光器件另一结构的后视透视图。
图39示出了在本发明例6的改进半导体发光器件的制造中形成透明电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图40示出了本发明例6的改进半导体发光器件的剖面图。
图41示出了在本发明例7的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图42示出了在本发明例7的半导体发光器件的制造中形成有源层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图43示出了在本发明例7的改进半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图44示出了本发明例7的半导体发光器件的剖面图。
图45示出了在本发明例8的半导体发光器件的制造中形成掩模的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图46示出了在本发明例8的半导体发光器件的制造中形成晶体层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图47示出了在本发明例8的半导体发光器件的制造中形成有源层的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图48示出了在本发明例8的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图49示出了在本发明例8的半导体发光器件的制造中分离器件的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图50示出了本发明例8的半导体发光器件的剖面图。
图51示出了在本发明例8的改进半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图52示出了本发明例8的改进半导体发光器件的剖面图。
图53示出了在本发明例9的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤图。(A)是剖面图，(B)是透视图。
图54示出了利用本发明例10的半导体发光器件的装置的部分透视图。
图55示出了本发明例11的半导体发光器件结构的剖面图。
图56示出了本发明例11的半导体发光器件的剖面图。该图示出了窗口区的面积W1。
图57示出了本发明例11的半导体发光器件的剖面图。该图示出了晶体生长层的投影面积W2。
图58示出了本发明例12的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以条纹图形形成晶体生长层。
图59示出了本发明例13的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以伸长的四角柱的图形形成晶体生长层。
图60示出了本发明例14的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以四角柱的图形形成晶体生长层。
图61示出了本发明例15的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以六棱锥的图形形成晶体生长层。
图62示出了本发明例16的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以六角棱柱体的图形形成晶体生长层。
图63示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成用于生长的下层的步骤透视图。
图64示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成窗口区的步骤透视图。
图65示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成晶体生长层的步骤透视图。
图66示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成第二导电类型层的步骤透视图。
图67示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成接触区的步骤透视图。
图68示出了在本发明例17的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤透视图。
图69示出了本发明例18的半导体发光器件的剖面图。
图70示出了本发明例19的半导体发光器件结构的剖面图。
图71示出了本发明例19的半导体发光器件的重要部分的剖面图。
图72示出了在本发明的各例中的半导体发光器件的制造中计算标准使用的晶体生长层的模型的透视图。
图73示出了在本发明的各例中的半导体发光器件的制造中计算角度相关性使用的模型的透视图。
图74示出了由以上提到的计算得到的角度与发光效率的关系图。
图75示出了在本发明的各例中的半导体发光器件的制造中计算高度相关性使用的模型图。
图76示出了由以上提到的计算得到的高度与发光效率的关系图。
图77示出了本发明例20的半导体发光器件结构的剖面图。该结构的特征在于以条纹图形形成晶体生长层。
图78示出了本发明例21的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以伸长的四角柱的图形形成晶体生长层。
图79示出了本发明例22的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以四角柱的图形形成晶体生长层。
图80示出了本发明例23的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以六棱锥的图形形成晶体生长层。
图81示出了本发明例24的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以六角棱柱体的图形形成晶体生长层。
图82示出了本发明例25的半导体发光器件结构的透视图。该结构的特征在于以六棱锥和四角柱的混合图形形成晶体生长层。
图83示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成用于生长的下层的步骤透视图。
图84示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成窗口区的步骤透视图。
图85示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成晶体生长层的步骤透视图。
图86示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成第二导电类型层的步骤透视图。
图87示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成接触区的步骤透视图。
图88示出了在本发明例25的半导体发光器件的制造中形成电极的步骤透视图。
图89示出了本发明例26的半导体发光器件的剖面图。
具体实施方式
下面参考附图详细地介绍根据本发明的半导体发光器件。
[半导体发光器件1]
根据本发明的第一半导体发光器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。
在本发明中使用的衬底不必特别限定，只要它能形成具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面的晶体层。可以使用多种材料。它们包括例如，蓝宝石(具有A面、R面、或C面的Al2O3)、SiC(包括6H、4H和3C)、GaN、Si、ZnS、ZnO、AlN、LiMgO、GaAs、MgAl2O4以及InAlGaN。在这些例子中，优选六角晶体或立方晶体基衬底，前者更优选。可以使用主平面为C面的蓝宝石衬底。(C面为用做半导体的氮化镓(GaN)基化合物通常生长的平面)。作为衬底主平面的C面具有倾斜角度为5或6度的平面取向。存在衬底自身不是发光器件组成部分的情况。在这种情况中，衬底仅用于支撑器件部分，并且完成器件之前要除去。
形成在衬底上的晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面。不必特别限定该晶体层，只要它允许发光区(以后将提到)形成其上，发光区由第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层组成，并且平行于与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面。希望使用纤锌矿晶体结构作为晶体层。晶体层可以由基于III族的化合物半导体、基于BeMgZnCdS的化合物半导体、或基于BeMgZnCdO的化合物半导体形成。也可以由基于氮化镓(GaN)的化合物半导体、基于氮化铝(AlN)的化合物半导体、基于氮化铟(InN)的化合物半导体、基于氮化镓铟(InGaN)的化合物半导体、或基于氮化镓铝(AlGaN)的化合物半导体形成。其中优选氮化物半导体，例如基于氮化镓的化合物半导体。顺便提及，在本发明中，InGaN、AlGaN、GaN等不意味着仅为三元或二元混合晶体的氮化物半导体。例如InGaN含有不影响InGaN功能的微量Al和其它杂质。这种化合物半导体在本发明的范围内。基本上等效于S面或(11-22)面的平面包括具有与S面或(11-22)面倾斜5到6度的平面取向的平面。
可以通过多种化学汽相淀积生长晶体层，例如金属有机化学汽相淀积(MOCVD或MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氢化物汽相外延(HVPE)。在这些方法中，MOCVD最优选，是由于它能很快地得到具有良好晶体特性的晶体层。MOCVD法通常使用烷基金属化合物，例如TMG(三甲基镓)或TEG(三乙基镓)作为Ga源、TMA(三甲基铝)或TEA(三乙基铝)作为Al源、以及TMI(三甲基铟)或TEI(三乙基铟)作为In源。也可以使用氨气或肼气作为氮源。也可以使用其它气体作为杂质源。这些气体包括用于Si的硅烷气体、用于Ge的锗烷(germane)气体、用于Mg的Cp2Mg(环戊二烯合镁)、以及用于Zn的DEZ(二乙基锌)。通常通过将气体送入加热到600℃以上的衬底表面进行MOVPE，由此通过外延生长气体分解得到基于InAlGaN的化合物半导体。
希望的是，在用于生长的下层形成在衬底上之后，形成晶体层。用于生长的下层可以是氮化镓层或氮化铝层。也可以是低温缓冲层和高温缓冲层的组合、或缓冲层和籽晶层(起籽晶的作用)的组合。和晶体层中一样，用于生长的下层也可以通过化学汽相淀积形成，例如金属有机化学汽相淀积(MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氢化物汽相外延(HVPE)。由低温缓冲层生长晶体层产生多晶易于沉积在掩模上的问题。通过形成籽晶层然后在其上生长与衬底不同的平面可以解决该问题。以此方式可以生长具有良好晶体特性的晶体。当选择性生长用于晶体生长时，如果不存在籽晶层，那么不需要由缓冲层生长晶体。缓冲层的选择性生长导致从不需要晶体生长的部分生长晶体。因此，籽晶层使晶体选择性地生长在需要晶体生长的区域中。缓冲层往往减轻了衬底和氮化物半导体之间的晶格不匹配。因此，存在如果衬底具有接近于氮化物半导体的晶格常数那么不形成缓冲层的情况。例如，存在AlN缓冲层形成在SiC上同时不降低温度或者AlN或GaN缓冲层形成在Si衬底上同时不降低温度的情况。以此方式，可以形成良好质量的GaN。如果衬底为GaN，那么没有任何缓冲层的结构也可以接受。
根据本发明，使用选择性生长形成与衬底主平面倾斜的倾斜晶面。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面取决于使用的衬底的主平面。当衬底的主平面为纤锌矿晶体结构的(0001)面[C面]时，可以选择以下晶面：(1-100)面[M面]、(1-101)面[S面]、(11-20)面[A面]、(1-102)面[R面]、(1-123)面[N面]、以及(11-22)面(包括它们的等效面)。在这些平面中，优选S面和(11-22)面(或它们的等效面)。等效的晶面包括如上所述具有5到6度倾斜的平面取向的那些晶面。具体地，S面为在C+面上进行选择性生长时得到的稳定晶面。该晶面是相对较容易得到的晶面，它的晶面指数(index)为六角晶体系中的(1-101)。与包括C+面和C-面的C面一样，S面包括S+面和S-面。在本说明书中，S+面生长在C+面GaN上，如不特别说明，它被称做S面。顺便提及，对于S面，S+面很稳定。C+面的平面指数为(0001)。当由以上提到的基于氮化镓的化合物半导体形成晶体层时，S面上从Ga到N的键合数量为2或3。该数量比C面上的小。由于实际上在C+面上不能得到C-面，因此S面上的键合数量最大。例如，当氮化物生长在具有C面作为主平面的蓝宝石衬底上时，纤锌矿结构的氮化物具有C+面；然而，如果使用选择性生长，那么可以形成S面。在平行于C面的平面上，N的键(自身容易断开)与Ga的一个键结合，而在倾斜的S面上，它与至少一个键结合。这使得有效的V/III比增加，由此提高了叠层结构的晶体特性。此外，在与衬底的取向不同的方向中生长使从衬底延伸的位错偏移(bend)，由此有利地减少了缺陷。
在本发明的半导体发光器件中，晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面。晶体层可以下面方式形成：S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六棱锥的侧面、或者S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六角棱柱体的侧面、以及C面(或基本上与其等效的任何其它面)构成所述近似六角棱柱体的顶面。近似六棱锥或近似六角棱柱体不必为严格的六角形。它可以包括具有一个或更多缺少面的六角体。在优选实施例中，倾斜晶面为六角形，近似对称地设置。“近似对称”包含完全对称和稍微不对称。晶体层的晶面之间的边缘不必为直线。此外，近似六棱锥或近似六角棱柱体可以是拉长形。
实际上，通过使用选择性除去部分用于生长的下层、或者使用用于生长的下层上掩模层中或者用于生长的下层形成之前形成的掩模层中选择性制成的开口完成选择性生长。例如，当用于生长的下层由缓冲层和籽晶层组成时，缓冲层上的籽晶层被分为分散的小区，每个直径约10μm。晶体由这些小区域生长，由此形成具有S面的晶体层。例如，细微分开的籽晶层相互间隔开排列，由此可以将完成的发光器件分开。各小区可以具有任何形状，例如条、格、圆形、方形、六角形、三角形、矩形以及菱形，以及它们的变形。通过在用于生长的下层上形成掩模层并且在掩模层中选择性地形成开口(窗口区)也可以完成选择性生长。掩模层例如可以为氧化硅层或氮化硅层。如果掩模层或籽晶层中的窗口区形成为拉长形，那么可以形成以上提到的拉长形的近似六棱锥或近似六角棱柱体。
如果用于选择性生长的掩模层中的窗口区为直径约10μm的圆形(或一侧面与1-100方向或11-20方向重合的六角形)，那么可以容易地形成约为窗口区两倍大的选择性生长区。此外，与衬底不同方向的S面产生偏移或隔离位错的效果。这有助于减少位错密度。
本发明人对生长的六角棱柱体上的阴极发光观察显示，S面具有良好的晶体特性，在发光效率方面比C+面优越。在700-800℃下生长InGaN有源层使氨分解变慢，因此需要更多的氮种类(species)。用AFM观察显示表面具有规则的台阶适合于InGaN吸收(uptake)。还发现用AFM观察到的掺镁层的生长表面通常处于较差状态，由于S面得到改善，并且掺杂条件显著不同。用显微光致发光绘图(具有约0.5-1μm的分辨能力)观察显示由选择性生长形成的S面是均匀的。(通过通常工艺形成在C+面上的S面具有约1μm间距的不规则之处。)此外，用SEM观察表明侧面比C+面更平滑。
如果使用掩模进行选择性生长以使晶体仅生长在掩模的开口上，那么晶体不会在横向中生长。此时可以使用微通道外延使晶体在横向中生长，在窗口区之外延伸。现已知通过微通道外延在横向中的生长容易避免螺旋位错，因此减少了位错。以此方式在横向中的生长得到增大的光产生区，并有助于均匀的电流流动和减少电流密度。
根据本发明的半导体发光器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。第一导电类型层为p型或n型覆盖层，第二导电类型层为相反类型的覆盖层。例如，如果构成S面的晶体层由基于掺硅的氮化镓化合物半导体层形成，那么n型覆盖层由掺硅的氮化镓化合物半导体形成。在该覆盖层上形成InGaN有源层。在该有源层上形成基于掺镁的氮化镓化合物半导体的p型覆盖层。以此方式得到需要的双异质结结构。另一可能的结构是InGaN有源层夹在两个InGaN层之间。有源层可以是单体层结构。此外，它可以是单量子阱(SQW)结构、双量子阱(DQW)结构、或多量子阱(MQW)结构。如果需要的话，量子阱结构可以使用用于分开量子阱的势垒层。具有InGaN有源层的发光器件容易制造，并具有良好的发光特性。而且，InGaN层容易结晶化并在氮原子自身很难断开的S面上具有良好的晶体特性。这增加了发光效率。顺便提及，即使没有被掺杂由于晶体中产生的氮空穴，氮化物化合物半导体易于变成n型。然而，在晶体生长期间如果掺有普通的施主杂质(例如，Si、Ge和Se)，那么可以有意制成具有所需载流子密度的n型。此外，通过用受主杂质(例如，Mg、Zn、C、Be、Ca和Ba)掺杂可以将氮化物半导体制成p型。为了得到具有高载流子密度的p型，用受主杂质掺杂之后，需要在惰性气氛中(例如氮气和氩气)在400℃以上对它进行退火。也可以用激光束、微波、或光照射激活。
第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层平行于与衬底主平面倾斜的倾斜晶面。形成倾斜晶面之后通过晶体生长容易形成它们。当晶体层形成近似六棱锥或六角棱柱体并且倾斜晶面为S面时，光产生区(由第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层组成)可以整个或部分地形成在S面上。当为近似六角棱柱体时，第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层也可以形成在它的平行于衬底主平面的顶面上。通过倾斜S面发光的优点在于光从半导体发出由于倾斜面不会多次反射。(对于平行平面，由于多次反射，光减弱。)如果第一导电类型层由与构成S面的晶体层使用的相同材料构成，第一导电类型层(或覆盖层)可以具有相同的导电类型。也可以通过构成S面的晶体层形成之后连续地控制密度形成第一导电类型层。作为另一个例子，结构可以是构成S面的部分晶体层作为第一导电类型层。此外，当晶面不垂直于衬底时，提高了光发射。
通过提供倾斜的晶面，本发明的半导体发光器件提高了发光效率并具有良好的晶体特性。如果电流仅注入到具有良好晶体特性的S面，由于它对In良好的吸收，因此发光效率增加。基本上平行于S面的有源层的面积大于通过将有源层投影到衬底的主平面或用于生长的下层得到的面积。具有大面积的有源层增加了器件的发射表面。这导致电流密度减少。此外，具有大面积的有源层减少亮度饱和，因此增加了发射效率。
当为六棱锥形式的晶体层时，特别是顶点附近S面的台阶状态较差，顶点处的发光效率低。原因在于以下面方式构成六棱锥：它的每个侧面由从它的中心向顶点、左边缘、右边缘以及基底延伸的四个部分组成，朝顶点延伸的部分起伏最大，不规则的生长容易发生在顶点的附近。通过比较，在朝两个边缘延伸的两个部分中，台阶几乎平直和致密，并且处于非常好的生长状态。在朝基底延伸的部分中，台阶轻微起伏，但晶体生长没有象朝顶点延伸的部分中那样起伏。由此，在根据本发明的半导体发光器件中，可以以电流密度在顶点附近比在周围低的方式将电流注入到有源层内。在顶点附近实现低电流密度的结构为电极形成在斜面，但不形成在顶点处，或者在顶点处形成电极之前形成电流阻断区。
在晶体层和第二导电类型层上分别形成电极。为了减少接触电阻，电极形成在预先形成的接触层上。这些电极可以通过汽相淀积形成。需要精确的汽相淀积以避免由于p电极和n电极接触晶体层和在掩模下形成的籽晶层而发生的短路。
可以通过将本发明的多个半导体发光器件设置成阵列构成图象显示单元或发光系统。如果对应于三基色的器件排列成能够扫描的阵列，那么由于使用S面电极具有较小的面积，因此所得显示将具有小面积。
[半导体发光器件2]
根据本发明的半导体发光器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜S晶面(或基本上与其等效的晶面)，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于形成在所述晶体层上的所述S面或基本上与其等效的晶面的第二导电类型层。在本发明中使用的衬底不必特别限定，只要它能形成具有S面或与其等效的晶面(以后将提到)的晶体层。可以是与以上提到的半导体发光器件1使用的相同材料。
形成在衬底上的晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜S晶面(或基本上与其等效的晶面)。该晶体层可以由得到发光区的任何材料形成，发光区由第一导电类型层、有源层、以及平行于S面或与其等效的晶面(以后将提到)的第二导电类型层组成。可以使用与以上提到的半导体发光器件1中示例的相同材料。生长晶体层和用于生长晶体层的下层的方法也可以与以上提到的半导体发光器件1使用的相同方法。顺便提及，基本上与S面等效的晶面具有朝S面倾斜5到6度角度的晶面取向。
在本发明中，可以选择性生长形成S面或基本上与其等效的晶面。S面为在C+面上进行选择性生长时得到的稳定晶面。该晶面也是相对较容易得到的晶面，它的晶面指数为六角晶体系中的(1-101)。与包括C+面和C-面的C面一样，S面包括S+面和S-面。在该例子中，S+面生长在C+面GaN上，如不特别说明，它被称做S面。
根据本发明，构成半导体发光器件以使晶体层具有至少S面或基本上与其等效的晶面。晶体层可以是S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六棱锥的侧面、或者S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六角棱柱体的侧面、以及C面(或基本上与其等效的任何其它面)构成所述近似六角棱柱体的顶面。近似六棱锥或近似六角棱柱体不必为严格的六角形。它可以包括具有一个或更多缺少面的六角体，或具有边缘不平直的六角体。近似六棱锥或近似六角棱柱体可以是拉长形。选择性生长的方法可以是与以上提到的半导体发光器件1使用的相同方法。
根据本发明的半导体发光器件具有第一导电类型层、有源层、以及平行于形成在晶体层上的S面或基本上与其等效的晶面的第二导电类型层。第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层与半导体发光器件1的以前部分中介绍的相同。
第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层平行于S面或基本上与其等效的晶面。通过在已形成S面的位置处通过连续的晶体生长可以容易地形成这些层。当晶体层形成近似六棱锥或六角棱柱体并且倾斜晶面为S面时，光产生区(由第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层组成)可以整个或部分地形成在S面上。当为近似六角棱柱体时，第一导电类型层、有源层以及第二导电类型层也可以形成在它的平行于衬底主平面的顶面上。通过倾斜S面发光的优点在于光从半导体发出由于倾斜面不会多次反射。(对于平行平面，由于多次反射光减弱。)如果第一导电类型层由与构成S面的晶体层使用的相同材料构成，第一导电类型层(或覆盖层)可以具有相同的导电类型。也可以通过构成S面的晶体层形成之后连续地控制密度形成第一导电类型层。作为另一个例子，结构可以是构成S面的部分晶体层作为第一导电类型层。
通过提供倾斜的晶面，本发明的半导体发光器件提高了发光效率并具有良好的晶体特性。如果电流仅注入到具有良好晶体特性的S面，由于它对In良好的吸收，因此发光效率增加。基本上平行于S面的有源层的面积大于通过将有源层投影到衬底的主平面或用于生长的下层得到的面积。具有大面积的有源层增加了器件的发射表面。这导致电流密度减少。此外，具有大面积的有源层减少亮度饱和，因此增加了发射效率。
当为六棱锥形式的晶体层时，特别是顶点附近S面的台阶状态较差，顶点处的发光效率低。原因在于以下面方式构成六棱锥：它的每个侧面由从它的中心向顶点、左边缘、右边缘以及基底延伸的四个部分组成，朝顶点延伸的部分起伏最大，不规则的生长容易发生在顶点的附近。通过比较，在朝两个边缘延伸的两个部分中，台阶几乎平直和致密，并且处于非常好的生长状态。在朝基底延伸的部分中，台阶轻微起伏，但晶体生长没有象朝顶点延伸的部分中那样起伏。由此，在根据本发明的半导体发光器件中，可以以电流密度在顶点附近比在周围低的方式将电流注入到有源层内。在顶点附近实现低电流密度的结构为电极形成在斜面，但不形成在顶点处，或者在顶点处形成电极之前形成电流阻断区。
在晶体层和第二导电类型层上分别形成电极。为了减少接触电阻，电极形成在预先形成的接触层上。这些电极可以通过汽相淀积形成。需要精确的汽相淀积以避免由于p电极和n电极接触晶体层和在掩模下形成的籽晶层而发生的短路。
可以通过将本发明的多个半导体发光器件设置成阵列构成图象显示单元或发光系统。如果对应于三基色的器件排列成能够扫描的阵列，那么由于使用S面电极具有较小的面积，因此所得显示将具有小面积。
[半导体发光器件3]
根据本发明的半导体发光器件包括具有通过选择性生长形成并倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；形成在所述晶体生长层上并根据以预定数量注入的电流发光的有源层；以及近似平行于所述倾斜晶面形成并反射部分从有源层发出的光的反射面。以上介绍半导体发光器件1使用的相同概念同样适用于衬底和晶体层、形成晶体层的选择性生长方法、以及第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层的基本构成。
根据本发明的半导体发光器件中的反射面不必具体限定它的结构，只要它能基本上反射有源层产生所有光或者尽管有些轻微的光传输但它能够有效地反射。该反射面近似(至少部分地)平行于倾斜晶面。“近似平行于倾斜晶面”意味着反射面基本上平行或稍微倾斜。反射面可以是单个面或两个或多个平行于倾斜晶面的面组成，倾斜晶面能够反射有源层产生的光。构成反射面使它们在倾斜晶面的法线方向中重叠。在本发明的半导体发光器件中，晶面自身作为反射面。晶面作为反射面减少了散射并使发光效率提高。此外，晶面作为反射面时，可以在每个半导体层(例如有源层)形成之后形成作为电极的金属膜。此时，电极构成反射膜。形成在有源层的电极用做反射膜时，如果有源层叠置在倾斜的晶体层上，那么也可以与晶体生长层形状一致地形成电极，形成反射膜不需要如腐蚀的制造工艺。
例如，平行于以上提到的倾斜晶面的反射面可以由以小于180°的角度相互面对的至少两个反射面构成。以小于180°的角度相互面对的两个或多个反射面可以是两个或多个直接相互面对的面，或者以其它的角度相互面对且反射面或晶面插入其间的面。例如，形成其中具有S面作为侧面的六棱锥结构的晶体生长层的器件时，在六棱锥的顶部它们以约60°的角度相对。
在晶体生长层或第一导电类型层以及第二导电类型层上分别形成电极。为了减少接触电阻，电极可以形成在以前形成的接触层上。这些电极可以通过汽相淀积形成。需要精确的汽相淀积以避免由于p电极和n电极接触晶体层和在掩模下形成的籽晶层而发生的短路。如果本发明中的基本结构应用到发光二极管，那么电极可以分别形成在第一和第二导电层上。根据需要结构允许光从正面或背面发出。换句话说，如果使用透明衬底，那么结构允许光从背面发出，或者如果使用透明电极，那么结构允许光从正面发出。
本发明的半导体发光器件的一个特点在于发出的光部分被反射面反射，反射面平行于通过选择性生长形成的倾斜晶面。反射提高了发光效率，由此使半导体发光器件的亮度提高。由于作为反射面基础的倾斜晶面可以容易地通过选择性生长形成，通过自身形成可以得到反射面，同时不需要如腐蚀的附加步骤。
本发明的半导体发光器件的另一个特点在于如果有源层通过选择性生长形成在与用于生长的衬底倾斜的面上，那么有源层具有较大的面积。当限制器件尺寸时，当器件中的有源层具有较大的有效面积时，对于相同的亮度，每单元面积的电流注入密度可以减少。因此，对于相同的亮度，具有较大有效面积的器件可靠性提高，对于有源层上相同的负载来说，亮度增加。特别是，如果有源区的总面积和选择性生长的区域在用于生长的衬底中占据的面积之间的差异大于与至少一个电极接触需要的面积时，那么受接触区限制的那部分有源层被补偿。因此，由于形成在倾斜晶面上的有源层，本发明的半导体发光器件即使根据需要尺寸减少很多但也不容易产生电流集中的情况。
顺便提及，通过将本发明的多个半导体发光器件设置成阵列可以构成图象显示单元或系统。如果对应于三基色的器件排列成能够扫描的阵列，那么由于使用S面电极具有较小的面积，因此所得显示将具有小面积。
[半导体发光器件4]
根据本发明的半导体发光器件包括衬底、形成在衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于所述第二生长层的晶面第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，这些层的部分或全部覆盖开口周围的掩模层。在本发明中使用的衬底不必特别限定，只要它能形成具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面的晶体层。可以是与以上提到的半导体发光器件1到3使用的相同材料。
在该衬底上形成生长层，生长层由第一生长层(设置在以后提到掩模层的下面)和形成并从掩模层中的开口生长的第二生长层组成。这些第一和第二生长层为第一导电类型，但不必具体限定，只要它们能使发光区(由第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层组成)形成在平行于第二生长层晶面的面上。第一和第二生长层可以由化合物半导体形成，优选纤锌矿结构。
生长层可以由基于III族的化合物半导体、基于BeMgZnCdS的化合物半导体、或基于BeMgZnCdO的化合物半导体形成。也可以由基于氮化镓(GaN)的化合物半导体、基于氮化铝(AlN)的化合物半导体、基于氮化铟(InN)的化合物半导体、基于氮化镓铟(InGaN)的化合物半导体、或基于氮化镓铝(AlGaN)的化合物半导体形成。其中优选氮化物半导体，例如基于氮化镓的化合物半导体。顺便提及，在本发明中，InGaN、AlGaN、GaN等不意味着仅为三元或二元混合晶体的氮化物半导体。例如InGaN含有不影响InGaN功能的微量Al和其它杂质。这种化合物在本发明的范围内。在本说明书中，“氯化物”是指由B、Al、Ga、In和Ta中的任何一个作为III族元素并且主要为N作为V族元素组成的化合物。然而，在本说明书中“氧化物”也包括通过引入微量的As和P减少带隙的化合物。
可以通过多种化学汽相淀积形成晶体层，例如金属有机化学汽相淀积(MOCVD或MOVPE)、分子束外延(MBE)、以及氢化物汽相外延(HVPE)。在这些方法中，MOCVD最优选，是由于它能很快地得到具有良好晶体特性的晶体层。MOCVD法通常使用烷基金属化合物，例如TMG(三甲基镓)或TEG(三乙基镓)作为Ga源、TMA(三甲基铝)或TEA(三乙基铝)作为Al源、以及TMI(三甲基铟)或TEI(三乙基铟)作为In源。也可以使用氨气或肼气作为氮源。也可以使用其它气体作为杂质源。这些气体包括用于Si的硅烷气体、用于Ge的锗烷气体、用于Mg的Cp2Mg(环戊二烯合镁)、以及用于Zn的DEZ(二乙基锌)。通常通过将气体送入加热到600℃以上的衬底表面进行MOVPE，由此通过外延生长气体分解得到基于InAlGaN的化合物半导体。
第一生长层可以是氮化镓层或氮化铝层。也可以是低温缓冲层和高温缓冲层的组合、或缓冲层和籽晶层(起籽晶的作用)的组合。由低温缓冲层生长晶体层产生多晶易于沉积在掩模上的问题。通过形成籽晶层然后在其上生长与衬底不同的平面可以解决该问题。以此方式可以生长具有良好晶体特性的晶体。当采用选择性生长用于晶体生长时，如果不存在籽晶层，那么需要由缓冲层生长晶体。缓冲层的选择性生长导致从不需要晶体生长的部分生长晶体。因此，籽晶层使晶体选择性地生长在需要晶体生长的区域中。缓冲层往往减轻了衬底和氮化物半导体之间的晶格不匹配。因此，存在如果衬底具有接近于氮化物半导体的晶格常数那么不形成缓冲层的情况。例如，存在AlN缓冲层形成在SiC上同时不降低温度或者AlN或GaN缓冲层形成在Si衬底上同时不降低温度的情况。以此方式，可以形成良好质量的GaN。如果衬底为GaN，那么没有任何缓冲层的结构也可以接受。
根据本发明，通过选择性生长形成第二生长层，因此可以得到与衬底主平面倾斜的倾斜晶面。通常，根据选择的衬底的主平面，当衬底的主平面为纤锌矿晶体结构的(0001)面[C面]时，可以选择以下晶面形成倾斜晶面：(1-100)面[M面]、(1-101)面[S面]、(11-20)面[A面]、(1-102)面[R面]、(1-123)面[N面]、以及(11-22)面(包括它们的等效面)。在这些平面中，优选S面和(11-22)面(或它们的等效面)。等效的晶面包括如上所述具有5到6度倾斜的平面取向的那些晶面。具体地，S面为在C+面上进行选择性生长时得到的稳定晶面。该晶面也是相对较容易得到的晶面，它的晶面指数(index)为六角晶体系中的(1-101)。与包括C+面和C-面的C面一样，S面包括S+面和S-面。在本说明书中，S+面生长在C+面GaN上，如不特别说明，它被称做S面。顺便提及，对于S面，S+面很稳定。
当由以上提到的基于氮化镓的化合物半导体形成晶体层时，S面或S+面上从Ga到N的键合数量为2或3。该数量比C面上的小。由于实际上在C+面上不能得到C-面，因此S面上的键合数量最大。例如，当氮化物生长在具有C面作为主平面的蓝宝石衬底上时，纤锌矿结构的氮化物具有C+面；然而，如果使用选择性生长，那么可以形成S面。在平行于C面的平面上，N的键(自身容易断开)与Ga的一个键结合，而在倾斜的S面上，它与至少一个键结合。这使得有效的V/III比增加，由此提高了叠层结构的晶体特性。此外，在与衬底的取向不同的方向中生长使从衬底延伸的位错偏移，由此有利地减少了缺陷。
根据本发明，构成半导体发光器件以使通过选择性生长的第二生长层与衬底的主平面倾斜。第二生长层可以是：S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六棱锥的侧面、或者S面(或基本上与其等效的任何其它面)构成近似六角棱柱体的侧面、以及C面(或基本上与其等效的任何其它面)构成所述近似六角棱柱体的顶面。近似六棱锥或近似六角棱柱体不必为严格的六角形。它可以包括具有一个或更多缺少面的六角体。晶体层的晶面之间的边缘不必为直线。此外，近似六棱锥或近似六角棱柱体可以是拉长形。
实际上，使用形成在第一生长层上掩模层中选择性制成的开口实现选择性生长。掩模层中的开口可以具有任何形状，例如圆形、方形、六角形、三角形、矩形、菱形、条、格以及它们的变形。掩模层可以由例如氧化硅层和氮化硅层的介质材料形成。掩模层具有从0.1到5μm(优选0.1到1.0μm)范围的厚度，由此减小有源层和电极附近的台阶。如果掩模层中的开口(窗口)为拉长形，那么可以形成拉长形的近似六棱锥或六角棱柱体。
如果用于选择性生长的掩模层中的窗口区为直径约10μm的圆形(或一侧面与1-100方向或11-20方向重合的六角形)，那么可以容易地形成约为窗口区两倍大的选择性生长区。此外，与衬底不同方向的S面产生偏移或隔离位错的效果。这有助于减少位错密度。
本发明人对生长的六角棱柱体上的阴极发光观察显示形成为第二生长层的S面具有良好的晶体特性，在发光效率方面比C+面优越。在700-800℃下生长InGaN有源层使氨分解变慢，因此需要更多的氮种类。用AFM观察显示表面具有规则的台阶适合于InGaN吸收。还发现由于S面得到改善，并且掺杂条件显著不同，掺镁层具有良好的表面状态。(通常，当用AFM观察时，掺镁层表面处于较差状态)。用显微光致发光绘图(具有约0.5-1μm的分辨能力)观察显示由选择性生长形成的S面是均匀的。(通过通常工艺形成在C+面上的S面具有约1μm间距的不规则之处。)此外，用SEM观察表明面的斜面比C+面更平滑。
如果使用掩模进行选择性生长以使晶体仅生长在掩模的开口上，那么晶体不会在横向中生长。此时可以使用微通道外延使晶体在横向中生长，在窗口区之外延伸。现已知通过微通道外延在横向中的生长容易避免螺旋位错，因此减少了位错。以此方式在横向中的生长得到增大的光产生区，并有助于均匀的电流流动和减少电流密度。
根据本发明的半导体发光器件具有第一导电类型的覆盖层、有源层、以及平行于第二生长层的晶面形成的第二导电类型的覆盖层。第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层与以前部分对半导体发光器件1介绍的相同。
在根据本发明的半导体发光器件中，第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层整个或部分地延伸到开口周围的掩模层。掩模层部分未除去的结构优点在于横向生长部分下的支撑不会消失。掩模层整个未除去的结构的优点在于减小了由于选择性生长造成的台阶，掩模层用作第一生长层的支撑层，由此即使衬底被激光照射剥离，由于n和p电极分开，防止了短路。
根据本发明的另一个半导体发光器件为第二生长层整个被第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层覆盖。由于选择性生长第二生长层呈现倾斜的晶面，因此可以容易地形成该结构。换句话说，形成平行于衬底主平面的有源层时，端部暴露到空气；然而，也可以利用倾斜的晶面覆盖端部。由于第二生长层被完全覆盖，因此已能保护有源层不受到氧化和其它退化。此外，产生了增加发光面积的效果。
根据本发明的再一半导体发光器件为第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层的每个端部直接接触掩模层。由于选择性生长第二生长层呈现倾斜的晶面，因此可以容易地形成该结构。由于端部直接接触掩模层并覆盖有源层等，因此已能保护有源层不受到氧化和其它退化。此外，产生了增加发光面积的效果。
由于晶面具有良好的晶体特性，因此本发明的半导体发光器件提高了发光效率。如果电流仅注入到具有良好晶体特性的S面，由于能良好地吸收In，因此可以增加发光效率。基本上平行于S面的有源层的面积大于有源层投影在衬底或第一生长层上得到的面积。具有大面积的有源层增加了器件的发光表面。这导致电流密度减少。此外，大面积有源层的亮度饱和度减小，因此增加了发光效率。
在第二生长层和第二导电类型的覆盖层上分别形成电极。为了减小接触电阻，电极形成在已形成的接触层上。这些电极可以通过汽相淀积形成。需要精确的汽相淀积以避免由于p电极和n电极接触晶体层和在掩模下形成的第一生长层而发生的短路。
可以通过将本发明的多个半导体发光器件设置成阵列构成图象显示单元或发光系统。如果对应于三基色的器件排列成能够扫描的阵列，那么由于使用S面电极具有较小的面积，因此所得显示将具有小面积。
[半导体发光器件5]
根据本发明的半导体发光器件包括第一导电类型层和第二导电类型层以及位于所述层之间的有源层，有源层通过选择性生长形成且不平行于用于生长的衬底主平面，所述有源层的面积大于在衬底上选择性生长时使用的窗口区面积，或者大于通过在法线方向将选择性生长晶体层投影到用于生长的衬底得到的投影面积。以上介绍的半导体发光器件1中使用的相同概念同样适用于衬底和晶体层、形成晶体层的方法、以及第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层的基本构成。
本发明的半导体发光器件基本上构成为有源层通过选择性生长形成为倾斜面。为了得到最佳效果，需要使基本的器件尺寸等于晶体生长层的厚度，或最大约50μm。器件尺寸越小，结构越好。然而，基本结构适用于任何器件，不必考虑尺寸，只要它一维或两维地排列在单个器件中。特别是，当具有高电阻的第一导电层需要用于电极的高密度接触或者第二导电层需要尽可能大的接触面积时，本发明的半导体发光器件显示出很有效。
在本发明的半导体发光器件中，有源层位于第一导电类型层和第二导电类型层之间，有源层不平行于用于生长的衬底主平面。第一导电类型层为p或n型覆盖层，第二导电类型层为相反类型的覆盖层。例如，如果具有C面的晶体层由基于掺硅的氮化镓化合物半导体层形成，那么半导体发光器件采用双异质结结构，该结构由顺序叠置形成的基于掺硅的氮化镓化合物半导体的n覆盖层、InGaN的有源层、以及基于掺镁的氮化镓化合物半导体的p型覆盖层组成。另一可能的结构为InGaN的有源层位于两个AlGaN层之间。有源层可以是单体层结构。此外，它可以是单量子阱(SQW)结构、双量子阱(DQW)结构、或多量子阱(MQW)结构。如果需要的话，量子阱结构可以使用用于分开量子阱的势垒层。具有InGaN有源层的发光器件容易制造，并具有良好的发光特性。此外，InGaN层容易结晶化并在氮原子自身很难断开的S面上具有良好的晶体特性。这增加了发光效率。顺便提及，即使没有被掺杂由于晶体中产生的氮空穴，氮化物化合物半导体易于变成n型。然而，在晶体生长期间如果掺有普通的施主杂质(例如，Si、Ge和Se)，那么可以有意制成具有所需载流子密度的n型。此外，通过用受主杂质(例如，Mg、Zn、C、Be、Ca和Ba)掺杂可以将氮化物半导体制成p型。
第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层形成在与用于形成生长的衬底的主平面倾斜的晶体生长层上。通过晶体生长从而形成倾斜晶面可以容易地形成不平行于用于生长的衬底主平面的有源层。如果有源层形成在从脊线朝两侧延伸的晶面上，那么所得有源层具有弯曲部分。晶体生长层形成近似六棱锥或六角棱柱体并且倾斜晶体生长表面为S面时，发光区(由第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层组成)可以整个或部分地形成在S面上。
当为近似六角棱柱体时，可以也在平行于衬底主平面的面上，例如C面上形成第一导电类型层、有源层、以及第二导电类型层。由倾斜S面发光的优点为由于倾斜面光从半导体发出同时没有多次反射。(当为平行面时，由于多次反射光减弱。)如果第一导电类型层由与构成S面的晶体层使用的相同材料构成，第一导电类型层(或覆盖层)可以具有相同的导电类型。也可以通过构成S面的晶体层形成之后连续地控制密度形成。作为另一个例子，结构可以是构成S面的部分晶体层作为第一导电类型层。
由于倾斜晶面具有良好的晶体特性，本发明的半导体发光器件提高了发光效率。如果电流仅注入到具有良好晶体特性的S面，由于它对In良好的吸收，因此发光效率增加。基本上平行于S面的有源层的面积大于通过将有源层投影到衬底的主平面或用于生长的下层得到的面积。具有大面积的有源层增加了器件的发射表面。这导致电流密度减少。此外，具有大面积的有源层亮度饱和度降低，因此增加了发射效率。
在晶体生长层或第一导电类型层以及第二导电类型层上分别形成电极。为了减少接触电阻，电极可以形成在以前形成的接触层上。这些电极可以通过汽相淀积形成。需要精确的汽相淀积以避免由于p电极和n电极接触晶体层和在掩模下形成籽晶层而发生的短路。如果本发明中的基本结构应用到发光二极管，那么电极可以分别形成在第一和第二导电层上。根据需要结构允许光从正面或背面发出。换句话说，如果使用透明衬底，那么结构允许光从背面发出，或者如果使用透明电极，那么结构允许光从正面发出。
本发明的半导体发光器件的一个特点在于如果有源层通过选择性生长形成在与用于生长的衬底不平行的面上，那么有源层具有较大的面积。当限制器件尺寸时，当器件中的有源层具有较大的有效面积时，对于相同的亮度，每单元面积的电流注入密度可以减少。因此，对于相同的亮度，具有较大有效面积的器件可靠性提高，对于有源层上相同的负载来说，亮度增加。特别是，如果有源区的总面积和选择性生长的区域在用于生长的衬底中占据的面积之间的差异大于与至少一个电极接触需要的面积时，那么受接触区限制的那部分有源层被补偿。因此，本发明的半导体发光器件即使根据需要尺寸减少很多但也不容易产生电流集中的情况。
现在，让我们假设晶体生长层呈现具有三角形剖面的脊形，晶体生长层的倾斜面与衬底的主平面倾斜θ角。应该理解有源层的有效面积比在法线方向将有源层的整个区域投影到用于生长的衬底得到的投影面积大1/cosθ倍(最大)。如果通过选择性生长形成晶体生长层(多棱锥形以及具有三角形剖面的脊形)然后在其上形成不平行于衬底的有源层，那么有效面积有必要变大。顺便提及，投影面积等于衬底的主平面上占据的面积，也等于如果光在衬底的法线方向中投射到衬底的主平面形成的晶体生长层的阴影面积。
此外，如果不用于晶体生长的区域最小，那么有源层的面积可以制得大于用于生长的衬底面积，有源层可以由生长抑制膜(例如掩模层)与相邻层隔开，并生长到最大程度，以使相邻的稳定面不相互接触。然而，在图18所示的发光器件中，由单个生长获得的最大面积等于用于生长使用的衬底面积。添加电极和器件隔离槽之后，有源层的有效面积进一步减少。因此，即使有源层的总面积不大于用于生长的衬底面积，也可以得到满意的效果。
如果有源层的面积制得大于在用于生长的衬底上选择性生长时使用的窗口区面积、或者大于在衬底的法线方向将选择性生长得到的晶体生长层投影到衬底得到的投影面积时，那么可以减少注入到有源层内的电流密度，由此提高了器件的可靠性。此外，如果有源层的有效面积大于选择性生长区朝用于生长的衬底法线方向的投影面积与至少一个电极和导电层的接触面积的总和，可以减少注入到有源层内的电流密度，由此提高了器件的可靠性。特别是，如果有源层的总面积与选择性生长区朝用于生长的衬底法线方向的投影面积的差异大于与至少一个电极接触需要的面积，那么受接触区限制的那部分有源层被补偿。
下面考虑例如30μm2的发光二极管器件的制造。第一电极接触下面导电层(为第一导电层)的区域约20μm×5μm，设置有源层用于选择性生长的区域最大约20μm2。因此，通过使有源层的总面积大于或等于500μm2，那么可以得到本发明的器件结构。实际上，如果四角锥(45°斜角以及20μm的底边)形成在用于选择性生长的区域中并且有源层均匀地形成其上，那么有源层的总面积为20μm×20μm/cos45°＝566μm2。这意味着有源层的有效面积与接触区相比相当大。此外，显然如果斜角更大，效果更好。鉴于用于纤锌矿结构的(0001)面的稳定(1-101)面约62°，用于闪锌矿的(001)面的稳定(111)面约54.7°，通过使用于有源层的区域扩大，本发明获得了满意的可靠性。
可以通过将本发明的多个半导体发光器件设置成阵列构成图象显示单元或发光系统。如果对应于三基色的器件排列成能够扫描的阵列，那么由于使用S面电极具有较小的面积，因此所得显示将具有小面积。
实例
下面参考例子更详细地介绍本发明。每个例子对应于每个单独的制造工艺，由制造工艺得到的每个器件为具有本发明中限定结构的半导体发光器件。首先介绍制造工艺，然后介绍由制造工艺得到的器件。可以对半导体发光器件进行各种修改和变化同时不脱离本发明的精神和范围。下面的各例不是为了限制本发明的范围。
例1
该例展示了具有通过选择性生长直接形成在蓝宝石衬底上的晶体层(具有作为倾斜晶面的S面)的半导体发光器件。下面参考图3到9介绍它的制造工艺和结构。
蓝宝石衬底10具有C+面作为它的主平面11。在蓝宝石衬底10的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层12(100-500nm厚)。在掩模层12中通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀形成开口13(约100μm)(图3)。在本例中，开口13近似为矩形，但根据要制备的发光器件的特性，开口的尺寸可以改变。
然后，以两个阶段进行选择性生长。首先，在500℃的低温生长薄GaN层或低温缓冲层(20-30nm厚)。其次，生长温度升高到约1000℃，由此形成掺硅GaN层14，如图4所示。掺硅GaN层14生长在掩模层12的开口13中，但它在横向方向中逐渐增大，同时保持在1000℃氢气氛中。
在掺硅GaN层14上再次形成掩模层15，其中随后通过光刻和腐蚀形成近似圆形的开口16(图5)。掺硅GaN层14能够穿过开口16进一步生长直到掺硅GaN层17生长成六棱锥形。六棱锥形的晶体层表面由S(1-101)面覆盖。如果生长时间不充分或者使用了不同的生长条件，那么掺硅GaN层17将呈现六角棱柱体形，其中顶面为平行于衬底主平面的C+面。然而，在本例中，生长掺硅GaN层17直到呈现六棱锥形。经过充分的生长时间之后，掺硅GaN层17的六棱锥的侧面由S面覆盖。需要将开口16与相邻的开口充分隔开。
在掺硅GaN层17生长为六棱锥形之后，继续生长直到六棱锥变成约15-20μm宽(一边约7.5-10μm长)。六棱锥的高度约10-16μm，约为六棱锥边长的1.6倍。该尺寸仅为示例性的，等于或小于10μm的宽度可以接受。掺硅GaN层17进一步生长。之后，在降低的生长温度下生长InGaN层18。InGaN层18的厚度约0.5-3nm。然后，增加生长温度生长掺镁GaN层19，如图6所示。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱层)的情况，或者存在由作为引导层的GaN或InGaN的多层结构的另一种情况。此时，需要在InGaN层上直接生长AlGaN层。
之后，对部分外延生长层进行腐蚀直到露出掺硅GaN层14。在除去部分21中通过汽相淀积形成n电极20(Ti/Al/Pt/Au)。在预先形成的六棱锥的最外层上通过汽相淀积形成p电极22(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(图7)。精确地进行这些汽相淀积以防止p电极和n电极接触掺硅GaN层17(六棱锥形)和掺硅GaN层14形成在掩模层下，由此不会引起短路。之后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件(图8)。以此方式，完成本例中的发光器件。
由以上提到的工艺制造的发光器件具有图9所示的结构。它主要由主平面为C+面的蓝宝石衬底10、作为籽晶层的掺硅GaN层14、以及作为晶体层的掺硅GaN层17组成。掺硅GaN层17具有与衬底的主平面倾斜的倾斜S面。InGaN层18(作为有源层)平行于S面。在InGaN层18上形成掺镁GaN层19作为覆盖层。p电极22形成在掺镁GaN层19上。n电极20形成在六棱锥侧面部分的开口区域中，并通过掺硅GaN层14连接到掺硅GaN层17。
本例中具有如上构造的发光器件具有以下优点：由于与衬底主平面倾斜的S面，从氮原子到镓原子的键数量增加，从而增加了有效的V/III比。因此，所得发光器件性能提高。此外，衬底主平面为C+面并且由此S面与衬底主平面不同的事实导致从衬底延伸的位错弯曲并且缺陷减少的可能性。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面防止了多次反射，由此使产生的光更有效地发出。
例2
该例展示了具有形成在籽晶层上与蓝宝石衬底隔离的晶体层(具有与衬底主平面倾斜的S面)的半导体发光器件。下面参考图10到17介绍它的制造工艺和结构。
在主平面为C+面的蓝宝石衬底30上在500℃的低温下形成AlN或GaN缓冲层。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层31。在掺硅GaN层31的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀除去掩模层，仅留下圆形掩模部分32(直径约10μm)如图10所示。进行腐蚀露出蓝宝石衬底30的主平面，如图11所示。由此，留下与掩模层32形状一致的圆柱形掺硅GaN层31。
然后，除去掩模部分32并再次进行晶体生长。即，以约1000℃的升高温度生长掺硅GaN层33。掺硅GaN层33生长在留下未腐蚀的掺硅GaN层31上。继续生长之后，掺硅GaN层33形成由与衬底主平面倾斜的S面环绕的六棱锥。该六棱锥的生长与生长时间成正比。GaN层31应与相邻的GaN层31充分隔开，以便完全生长的GaN层33不影响相邻层，完成的器件相互隔开充分的余量。
和例1中一样，六棱锥生长到宽度约15-20μm(一边约7.5-10μm长)并且高度约10-16μm，约为六棱锥边长的1.6倍的程度。该尺寸仅为示例性的，等于或小于10μm的宽度可以接受。由倾斜的S面环绕的六棱锥如图12所示形成之后，生长掺硅GaN层，然后在较低的生长温度下生长InGaN层34。然后，随着生长温度增加，生长掺镁GaN层35，如图13所示。InGaN层34的厚度约0.5-3nm。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱层)的情况，或者存在由作为引导层的GaN或InGaN的多层结构的另一种情况。此时，需要在InGaN层上直接生长Al GaN层。
在接近衬底的边处部分除去InGaN层34(作为有源层)和掺镁GaN层35(作为p型覆盖层)，以便部分露出掺硅GaN层33。在接近衬底的除去部分中，通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Al电极(作为n电极36)。在六棱锥的最外表面上通过汽相淀积形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作为p电极37)(图14)。和例1中一样，精确地进行这些汽相淀积以防止各电极相互接触，由此不会引起短路。
形成电极36和37之后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件，如图15所示。以此方式，完成本例中的发光器件。
由以上提到的工艺制造的发光器件具有图16所示的结构。它主要由主平面为C+面的蓝宝石衬底30以及作为晶体层的掺硅GaN层33组成。掺硅GaN层33具有与衬底的主平面倾斜的倾斜S面。InGaN层34(作为有源层)平行于S面。在InGaN层34上形成掺镁GaN层35作为覆盖层。p电极37形成在掺镁GaN层35上。n电极36形成在六棱锥的S面上衬底附近的开口区域中，并直接连接到掺硅GaN层33。
与例1中的发光器件类似，本例中具有以上结构的发光器件具有以下优点：由于与衬底主平面倾斜的S面，从氮原子到镓原子的键数量增加，从而增加了有效的V/III比。因此，所得发光器件性能提高。此外，衬底主平面为C+面并且由此S面与衬底主平面不同的事实导致从衬底延伸的位错弯曲并且缺陷减少的可能性。与衬底主平面倾斜的倾斜S面防止了多次反射，由此使产生的光更有效地发出。
顺便提及，在本例中，首先腐蚀掺硅GaN层，以便露出蓝宝石衬底30。然而，以在掺硅GaN层中形成充分高台阶的方式进行腐蚀。在由此形成的掺硅GaN层上(作为籽晶层)生长容易得到需要的六棱锥。以此方式制备的器件显示在图17中。台阶39形成在蓝宝石衬底30上形成的掺硅GaN层38中。六棱锥形作为晶体层的掺硅GaN层由投影部分生长。在掺硅GaN层上形成InGaN层34(作为有源层)、掺镁GaN层35(作为p型覆盖层)、p电极37以及n电极36。从InGaN层34中释放出具有需要波长的光。
例3
该例展示了其中在用于选择性掩模的窗口区内形成六棱锥形晶体层(具有与衬底主平面倾斜的S面)的半导体发光器件。下面参考图18到23介绍它的制造工艺和结构。
在主平面为C+面的蓝宝石衬底40上在500℃的低温下形成AlN或GaN。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层41。在掺硅GaN层41的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀在掩模层42中形成圆形开口(直径约10μm)作为窗口区43，如图18所示。根据发光器件的需要改变开口的尺寸。
然后，在1000℃的生长温度下再次生长掺硅GaN层44。在开始时，掺硅GaN层44从圆形窗口区43开始生长。生长一段时间之后，它呈现由S面或(1-101)面环绕的六棱锥形。在不同的生长条件下呈现六角棱柱体形。充分地控制生长条件，生长掺硅GaN层44直到六棱锥(由S面覆盖)几乎填满选择性掩模中的窗口区。随着生长温度降低，生长InGaN层45(作为有源层)。然后，在升高的生长温度下生长掺镁GaN层46(作为p型覆盖层)，如图20所示。InGaN层45的厚度约0.5-3nm。和以上提到的例1和2中一样，存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱层)的情况，或者存在由作为引导层的GaN或InGaN的多层结构的另一种情况。此时，需要在InGaN层上直接生长Al GaN层。优选进行选择性生长，以便选择性掩模的窗口区43被横向方向中延伸的整个晶体层填充。以此方式可以制成均匀尺寸的各发光器件。
随后，部分开口掩模层以便露出GaN层41。在除去部分47中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Al电极(作为n电极48)。在六棱锥的最外表面上通过汽相淀积形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作为p电极49)(图21)。精确地进行这些汽相淀积。然后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件，如图22所示。以此方式，完成本例中的发光器件。
由以上提到的工艺制造的发光器件具有图23所示的结构。它主要由主平面为C+面的蓝宝石衬底40以及生长在蓝宝石衬底40上的掺硅GaN层44(作为晶体层)组成，掺硅GaN层41(作为籽晶层)位于两者之间。掺硅GaN层44具有由与衬底的主平面倾斜的倾斜S面覆盖的表面。InGaN层45(作为有源层)平行于S面。在InGaN层45上形成掺镁GaN层46作为覆盖层。p电极49形成在掺镁GaN层46上。n电极48形成在六棱锥附近的开口区域47中，并通过掺硅GaN层41连接到掺硅GaN层44。
与例1和2中类似，本例中具有以上结构的发光器件具有以下优点：由于与衬底主平面倾斜的S面，从氮原子到镓原子的键数量增加，从而增加了有效的V/III比。因此，所得发光器件性能提高。此外，衬底主平面为C+面并且由此S面与衬底主平面不同的事实导致从衬底延伸的位错弯曲并且缺陷减少的可能性。此外，在本例中，选择性生长被窗口区43限制，因此容易均匀地控制各器件的尺寸。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面防止了多次反射，由此使产生的光更有效地发出。
例4
该例展示了其中晶体层生长在比窗口区或选择性掩模大的六棱锥形中的半导体发光器件。下面参考图24到29介绍它的制造工艺和结构。
在主平面为C+面的蓝宝石衬底50上通过以上提到的例子中的相同方式形成低温缓冲层。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层51作为第一生长层。在掺硅GaN层51的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层52(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀在掩模层52中形成圆形开口(直径约10μm)作为窗口区53，如图24所示。一边的方向垂直于(1-100)。根据发光器件的需要改变开口的尺寸。
然后，在1000℃的生长温度下再次生长掺硅GaN层54。在开始时，掺硅GaN层54从圆形窗口区53开始生长。生长一段时间之后，它呈现由S面或(1-101)面环绕的六棱锥形。如果生长时间不充分，它会呈现六角棱柱体形。掺硅GaN层54生长成六棱锥形之后，继续生长直到六棱锥边为约20μm宽(一边约10μm长)。六棱锥的高度约为六棱锥边长的1.6倍的程度。然后，所得的掺硅GaN层54为六棱锥的底部超出了窗口区域53约16μm，如图25所示。六棱锥的约20μm的宽度仅为示例性的，约10μm的宽度可以接受。
进一步生长掺硅GaN层。随着生长温度降低，生长InGaN层55(作为有源层)。然后，在升高的生长温度下生长掺镁GaN层56(作为p型覆盖层)，如图26所示。InGaN层55的厚度约0.5-3nm。存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱(或多量子阱层)的情况，或者存在形成由作为引导层的GaN或InGaN的多层结构的另一种情况。此时，需要在InGaN层上直接生长Al GaN层。在该阶段中，GaN层15和掺镁GaN层56在窗口区35周围的掩模层52中延伸，由此整个覆盖掺硅GaN层54作为第二生长层。由此，InGaN层55(作为有源层)和掺镁GaN层56没有端部。这防止了有源层退化。
随后，部分开口掩模层以便露出GaN层51。在除去部分57中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Al电极(作为n电极58)。在六棱锥的最外表面上通过汽相淀积形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作为p电极59)(图27)。精确地进行这些汽相淀积。然后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件，如图28所示。以此方式，完成本例中的发光器件。
由以上提到的工艺制造的发光器件具有图29所示的结构。它主要由主平面为C+面的蓝宝石衬底50以及生长在蓝宝石衬底50上的掺硅GaN层54(作为晶体层)组成，掺硅GaN层51(作为籽晶层)位于两者之间。掺硅GaN层54具有由与衬底的主平面倾斜的倾斜S面覆盖的表面。它也具有面积大于窗口区53的基底。
该器件具有平行于S面的InGaN层55(作为有源层)。在InGaN层55上形成掺镁GaN层56作为覆盖层。p电极59形成在掺镁GaN层56上。n电极58形成在六棱锥附近的开口区域57中，并通过掺硅GaN层51连接到掺硅GaN层54。
具有以上提到结构的本例中的半导体发光器件特征在于掺硅GaN层54、InGaN层55、以及掺镁GaN层56整个或部分地环绕在窗口区53周围的掩模层52上。这种结构(掩模剩余部分未除去)的优点在于横向生长部分由没有消失的支撑物(support)固定。此外，由于选择性生长结构未除去的掩模层52减小了台阶，即使通过激光照射剥离衬底时，掩膜层52还起用于第一生长层51的支撑层的作用。这有助于确定地将n电极58和p电极59分开，由此防止了短路。
该器件结构的特征在于掺硅GaN层54整个由InGaN层55和掺镁GaN层56覆盖，由此层55和56的端部直接接触掩模层。换句话说，它们覆盖有源层，它们的端部直接接触掩模层52。这产生了保护有源层不受到氧化和其它退化的效果并增加了发光面积。
本例中具有以上结构的发光器件具有以下优点：由于与衬底主平面倾斜的S面，从氮原子到镓原子的键数量增加，从而增加了有效的V/III比。因此，所得发光器件性能提高。此外，衬底主平面为C+面并且由此S面与衬底主平面不同的事实导致从衬底延伸的位错弯曲并且缺陷减少的可能性。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面防止了多次反射，由此使产生的光更有效地发出。具有大面积的有源层使电流均匀地注入，而不存在电流集中，也使电流密度减少。
例5
该例展示了其中p电极不形成在具有S面的晶体层的六棱锥的顶部，其中晶体层生长为比选择性掩模大的半导体发光器件。下面参考图30到32介绍它的制造工艺和结构。
在主平面为C+面的蓝宝石衬底50上通过以上提到的例子，特别是例4中的相同方式形成低温缓冲层。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层51作为第一生长层。在掺硅GaN层51的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层52(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀在掩模层52中形成圆形开口(直径约10μm)作为窗口区。一边的方向垂直于(1-100)。根据发光器件的需要改变开口的尺寸。
然后，在1000℃的生长温度下再次生长掺硅GaN层54。在开始时，掺硅GaN层54从圆形窗口区53开始生长。生长一段时间之后，它呈现由S面或(1-101)面环绕的六棱锥形。如果生长时间不充分，它会呈现六角棱柱体形。掺硅GaN层54生长成六棱锥形之后，继续生长直到六棱锥边为约20μm宽(一边约10μm长)。六棱锥的高度约为六棱锥边长的1.6倍的程度。然后，所得的掺硅GaN层54为六棱锥的底部超出了窗口区域53约16μm。六棱锥的约20μm的宽度仅为示例性的，约10μm的宽度可以接受。
进一步生长掺硅GaN层。随着生长温度降低，生长InGaN层55(作为有源层)。然后，在升高的温度下生长掺镁GaN层56(作为p型覆盖层)。InGaN层55和掺镁GaN层56与例4中的相同。在该阶段中，GaN层55和掺镁GaN层56在窗口区53周围的掩模层52中延伸，由此整个覆盖掺硅GaN层54作为第二生长层。以此方式生长的InGaN层55(作为有源层)和掺镁GaN层56没有端部。这防止了有源层退化。
随后，部分开口掩模层以便露出衬底50上的GaN层51。在除去部分57中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Al电极(作为n电极61)。在六棱锥上已生长的S面的最外表面上通过汽相淀积形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)(作为p电极62)(图30)。形成p电极62的部分是用AFM观察发现具有充分台阶的部分。一般来说，由AFM发现的台阶表示在六棱锥的顶部附近中晶体特性较差。这是p电极62形成在除顶部和它的附近之外的部分上的原因。应该精确地进行形成p电极62和n电极61的气相淀积以防止它们接触掺硅GaN层54(作为有源层)和掺硅GaN层51(形成在掩模层下)，从而引起短路。然后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件(图31)。以此方式，完成本例中的发光器件。器件显示在图32中。
具有以上提到结构的本例中的半导体发光器件特征在于掺硅GaN层54、InGaN层55、以及掺镁GaN层56整个或部分地环绕在窗口区53周围的掩模层52上。这种结构(掩模剩余部分未除去)的优点在于横向生长部分由没有消失的支撑物固定。此外，由于选择性生长结构未除去的掩模层52减小了台阶，且确定地将n电极58和p电极59分开，由此防止了短路。
该器件结构的特征还在于掺硅GaN层54整个由InGaN层55和掺镁GaN层56覆盖，由此层55和56的端部直接接触掩模层。换句话说，它们覆盖有源层，它们的端部直接接触掩模层52。这产生了保护有源层不受到氧化和其它退化的效果并增加了发光面积。
另一优点在于以顶部附近的电流密度低于周围侧面的电流密度的方式将电流注入到有源层内，并且晶体特性较差的部分被排除在发光区之外，由此提高了整体的发光效率。
例6
该例展示了其中n电极形成在衬底背面的半导体发光器件。下面参考图33到39介绍它的制造工艺和结构。
在主平面为C+面的蓝宝石衬底50上通过以上提到的例子中的相同方式形成低温缓冲层。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层51作为第一生长层。在掺硅GaN层51的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层52(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀在掩模层52中形成圆形开口(直径约10μm)作为窗口区。一边的方向垂直于(1-100)。根据发光器件的需要改变开口的尺寸。
然后，在1000℃的生长温度下再次生长掺硅GaN层54。在开始时，掺硅GaN层54从圆形开口开始生长。生长一段时间之后，它呈现由S面或(1-101)面环绕的六棱锥形。如果生长时间不充分，它会呈现六角棱柱体形。掺硅GaN层54生长成六棱锥形之后，继续生长直到六棱锥的底部超出了窗口区域约16μm。
进一步生长掺硅GaN层。随着生长温度降低，生长InGaN层55(作为有源层)。然后，在升高的生长温度下生长掺镁GaN层56(作为p型覆盖层)。InGaN层55和掺镁GaN层56与例4中的相同。在该阶段中，GaN层55和掺镁GaN层56在窗口区周围的掩模层52上延伸，由此整个覆盖掺硅GaN层54作为第二生长层。以此方式生长的InGaN层55(作为有源层)和掺镁GaN层56没有端部。这防止了有源层退化。
如图33所示，在形成n电极之前，在掺镁GaN层56的最外层形成p电极71。通过RIE或划片形成到达蓝宝石衬底50主平面的分离槽72。各器件在蓝宝石衬底50上相互分离(图34)。构成器件的部分通过受激准分子激光器与蓝宝石衬底50相互分离。通过腐蚀除去例如其余的Ga。通过汽相淀积在器件的背面上形成Ti/Al/Pt/Au电极。该电极作为n电极73，如图35所示。
图36示出了在背面上形成n电极的另一方法。该方法使用覆盖有粘接剂层78和树脂层79的第二蓝宝石衬底77。图33所示的器件嵌在树脂层79中。之后，通过激光磨蚀除去蓝宝石衬底50，如图36A所示。受激准分子激光器(波长248nm)可以用于该目的。
除去残留在表面上其余的Ga。在已除去蓝宝石衬底50的衬底上形成掩模M(例如Ni掩模)，如图36B所示。各器件用基于氯的气体通过RIE相互隔开。除去掩模M，Ti/Pt/Au或Ti/Au的电极76形成在器件的背面。
图37示出了完成的半导体发光器件的剖面图。n电极73应该靠近角设置，以便它不会阻断光。图38示出了完成的半导体发光器件的另一个例子的背面。应该注意n电极74具有作为第二生长层的掺硅GaN层54的六边形底部重合的六边形开口75。该结构允许产生的光有效地发出。
该例可以修改为n电极为透明电极。图39示出了例如使用受激准分子激光器从衬底上除去对应于器件的区域并且透明电极76形成在器件的背面的发光器件。顺便提及，器件具有与图37所示相同的结构。即，留在掺硅GaN层51上的掩模层52具有六棱锥由其生长的窗口区，由掺硅GaN层54、InGaN层55、以及掺镁GaN层56组成，p电极71形成在最外层上。透明电极76通过剥离技术由ITO(氧化铟锡)形成在衬底已从该处剥离的掺硅GaN层51上。
图40示出了具有透明电极76的完成的半导体发光器件的剖面图。透明电极76透过由夹在掺硅GaN层54和掺镁GaN层56之间的InGaN层55(作为有源层)产生光。该结构(留下掩模层52)的优点在于横向生长部分由没有消失的支撑物固定。此外，由于选择性生长结构掩模层52减小了台阶，也使p电极71和透明电极76分开，即使通过例如激光照射剥离衬底时，由此防止了短路。此外，有源层产生的光穿过透明电极76，使光通路不需包围电极。这样的优点为容易制造并提高了发光效率。(该结构允许光从掺硅GaN层51背面发出，也允许已由倾斜晶面反射的光发出)。由于p电极71设置得靠近六棱锥的顶部，因此可以在掺硅GaN层51的背面较大的面积上形成透明电极76。这减少了透明电极76的接触电阻，避免了需要制造用于n电极引线(lead)的掩模。因此，可以容易制造本例中的器件。
例7
该例展示了其中通过选择性生长由延长窗口区制造的半导体发光器件。下面参考图41到44介绍它的制造工艺和结构。
首先，在500℃的低温下，在主平面为C+面的蓝宝石衬底80上形成AlN或GaN低温缓冲层，如图41所示。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层81。在掺硅GaN层81的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层52(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀，在掩模层82中形成窗口区83(或10μm×50μm的矩形开口)。开口的长边与(1-100)对准。然后，随着温度升高到1000℃，再次进行晶体生长形成掺硅GaN层84。掺硅GaN层84在掩模层中的窗口区开始生长，但连续生长之后它呈现船形底部的形状，如图42所示。六棱锥的表面由S面或(11-22)覆盖。
当经过充分的时间之后，顶部C面变得几乎平坦或消失时，进一步生长掺硅GaN层。随着生长温度降低，生长InGaN层85(作为有源层)。然后，随着生长温度再次升高，生长掺镁GaN层86(作为p型覆盖层)。InGaN层85的厚度约0.5-3nm。和以上提到的例1和2中的一样，存在形成(Al)GaN/InGaN的量子阱层(或多量子阱层)作为有源层的情况，或者存在由作为引导层的GaN或InGaN形成多层结构的另一种情况。此时，需要在InGaN层上直接生长AlGaN层。
之后，对部分掩膜层开口以便露出掺硅GaN层81。在除去部分中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Au的n电极87。在先前的生长层的最外层上通过汽相淀积形成(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)的p电极88(图43)。精确地进行这些汽相淀积。之后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件。以此方式，完成本例中的发光器件。
通过以上提到的工艺制备的发光器件具有图44所示的结构。特征在于掺硅GaN层84具有S面以及(11-22)面。该结构允许有源区形成在大面积上。结果是电流均匀地流动，不存在电流集中和电流密度减小。
例8
该例展示了其中晶体层是比选择性掩模或窗口区大的六角棱柱体的半导体发光器件。下面参考图45到50介绍它的制造工艺和结构。
首先，和以上提到的例子中的一样，在主平面为C+面的蓝宝石衬底90上形成低温缓冲层。然后，温度升高到1000℃，形成掺硅GaN层91。在掺硅GaN层91的整个表面上形成SiO2或SiN的掩模层92(100-500nm厚)。通过光刻并用基于氢氟酸的化合物腐蚀，在掩模层92中形成窗口区93(或直径约10μm的圆形开口)如图45所示。开口的尺寸取决于需要的发光器件。
然后，随着温度升高到1000℃，再次进行晶体生长形成掺硅GaN层94。掺硅GaN层94在圆形窗口区93生长，继续生长之后，它呈现侧面为S面或(1-101)面的六棱锥形，它的顶面为平行衬底主平面的C面。进行晶体生长充分的时间长度以使掺硅GaN层94呈现顶部C面平坦的六角棱柱体(图46)。该棱柱体的形成时间比以上提到的六棱锥体的形成时间短。
继续掺硅GaN的生长。随着温度降低，生长InGaN层95(作为有源层)。然后，随着温度再次升高，生长掺镁GaN层96(作为p型覆盖层)，如图47所示。InGaN层95的厚度约0.5-3nm。和以上提到的例子中一样，存在形成量子阱层或多量子阱层，或者形成引导层的情况。
之后，掩模层部分开口以便露出掺硅GaN层91。在除去部分97中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Au的n电极98。在预先形成的六棱锥的最外层上通过汽相淀积形成(Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au)的p电极99(图48)。精确地进行这些汽相淀积。之后，通过RIE(反应离子腐蚀)或划片分离各发光器件，如图49所示。以此方式，完成本例中的发光器件。
通过以上提到的工艺制备的发光器件具有图50所示的结构。特征在于蓝宝石衬底90具有C+面作为它的主平面，形成其上的掺硅GaN层94呈现具有平坦顶部的六角棱柱体。六角棱柱体不存在晶体特性较差的顶部。因此该结构防止了发光特性的损失。此外，在较短时间中形成六角棱柱体的事实对工艺来说也是希望的。
由于选择性生长，具有在窗口区93周围的掩模层92上延伸的整个或部分掺硅GaN层94、InGaN层95以及掺镁GaN层96的结构减小了台阶，将n电极98与p电极99确定无疑地分离，由此防止了短路。其中InGaN层95以及掺镁GaN层96的端部直接接触掩模层92的另一结构也是可能的。因此，所有的端部直接接触掩模层92，由此覆盖了有源层。这产生了保护有源层不受到氧化和其它退化并增加了发光面积的效果。
图51和52示出了六角棱柱体结构的半导体发光器件的另一结构。图51示出了形成器件电极的工艺图。图51和52中所示的半导体发光器件为图50所示半导体发光器件的改型例。特征在于用准分子激光器通过照射除去蓝宝石衬底90，n电极98b形成在掺硅GaN层91的背面。在具有平坦顶部的六角棱柱体形的生长层上，为窗口区周围掩模层92上延伸的整个或部分掺硅GaN层94、InGaN层95以及掺镁GaN层96。在它们的最外层上形成p电极99。
图51和52所示结构的特征在于n电极98b形成在发出光的掩模层92的窗口区外的掺硅GaN层91的背面。该结构的优点为半导体发光器件的尺寸减小，不需要通过在掩模层92中开口形成接触区。这有助于制造和减小尺寸。同样在六角棱柱体的半导体发光器件中，n电极98b可以由ITO膜的透明电极代替，由此接触面积增加并且制造工艺简单。
例9
该例展示了其中以衬底的表面占据了较大面积的方式形成p电极的半导体发光器件。下面参考图53介绍它的制造工艺和结构。
本例中的工艺与例6的中的工艺相同直到生长掺镁GaN层56。因此，到该阶段为止涉及的部分采用了相同的参考数字，但省略了它们的介绍。在蓝宝石衬底50上的掩模层52中形成开口。该开口接近于衬底的一侧。在该开口中通过汽相淀积形成Ti/Al/Pt/Au的n电极100。该n电极100提供到由多个六棱锥组成的区域的电流。通过汽相淀积形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的p电极101。覆盖较大面积的p电极101允许每个器件发出强光。如果施加相同的电位，那么这些器件起发光系统的作用，或者如果p电极101被施加独立的信号，这些器件起图象显示单元的作用。此外，如果这些器件设置地对应于三基色，那么构成了多色或全色图象显示单元。此时，图象显示单元或发光系统仅由以上提到的器件或者由以上提到的器件和以不同方式制备的其它器件的混合物构成。
整个或部分掺硅GaN层54、InGaN层55以及掺镁GaN层56延伸到窗口区53周围的掩模层52。由于选择性生长剩余未除去的掩模减小了台阶，也将n电极100和p电极101相互确定无疑地隔开，由此防止了短路。其中InGaN层55以及掺镁GaN层56的端部直接接触掩模层52的另一结构也是可能的。该结构的优点为直接接触掩模层52的各层端部覆盖了有源层，由此保护有源层不受到氧化和其它退化。另一优点是增加了发光面积的效果。
例10
该例展示了在以上提到的各例中得到的设置得以适合简单的矩阵驱动的半导体发光器件构成的图象显示单元或发光系统，如图54所示。以线形地提供发红色的区域、发蓝色的区域以及发绿色的区域的方式在衬底120上设置每个半导体发光器件。通过连接到各p电极124的各线126R、126G以及126B向它们提供电流。n电极122为公共电极。如果需要，形成选择性晶体管以单独地控制象素。掩模层125留在衬底120上，由此它减小了它下面的掺硅GaN层121的台阶。
在用于红色、蓝色和绿色的每行中的半导体发光器件具有能够分别发出第一、第二和第三波长的有源层。如果线126R、126G以及126B被施加独立的信号，那么器件起用于两维图象的图象显示单元的作用。如果线126R、126G以及126B被施加相同的信号，那么器件起发光系统的作用。
顺便提及，以上例子中的工艺由在蓝宝石衬底上形成低温缓冲层、生长GaN层、形成选择性掩模、以及进行选择性生长组成。修改工艺以在约900℃直接在Si上形成GaN层，或者在1000℃在Si上形成AlN层(5nm厚)，然后生长GaN，或者使用GaN衬底并随后形成选择性掩模。
例11
该例展示了一种半导体发光器件，其中在用于生长的衬底131上，具有C(0001)面，(例如，蓝宝石衬底)由MOCVD或MOVPE生长的n型GaN层132(作为用于生长的下层)以及掩模层133(作为氧化硅、氮化硅或钨的生长抑制膜)。
在掩模层133中形成为六边形开口的窗口区。在窗口区134中通过选择性生长形成晶体生长层135(具有三角形截面)。晶体生长层135为例如n型GaN层或AlGaN层，并具有近似正三角形的截面。当从上面看时为六边形。它从整体上呈现六棱锥形。
晶体生长层135具有与衬底的主平面倾斜的侧面(为S面或它的等效面)。在晶体生长层135上为例如浓度可控的n型覆盖层。在n型覆盖层上形成有源层136和第二导电层137(作为p型覆盖层)。形成有源层136和第二导电层137以覆盖晶体生长层135的S面。沿通过选择性生长形成的晶体生长层135的S面生长有源层，它不平行于衬底131的主平面。第二导电层137为p型GaN层或AlGaN层。AlGaN层可以形成在有源层136上。
在第二导电层137上形成为Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的多层金属膜形式的第二电极139(作为p电极)。在掩模层133的开口中形成例如为Ti/Al/Pt/Au的多层金属膜形式的第一电极138(作为n电极)。通过汽相淀积或剥离技术等形成第一电极138和第二电极139。
本例中的半导体发光器件的优点在于有源层具有较大的面积以减少注入到有源层136内的电流密度。特别是，由于有源层136沿晶体生长层135的S面延伸，因此有源层136的面积S不是十分大，不平行于用于生长的衬底131的主平面。有源层136的面积S大于S1和S2的总和，其中S2为第一电极138的面积，S1为投影到衬底主平面的晶体生长层135的面积，如图55所示。
在本例中的器件为30μm2的发光二极管的情况下，S2的面积约20μm×5μm或100μm，S1的面积最大约20μm×20μm或400μm。(S2为第一电极接触作为第一导电层的下导电层的区域，S1为有源层的投影区。)另一方面，通过选择性生长形成的晶体生长层135为基底为20μm2并且侧面的角度为45°的四角锥，均匀地形成在侧面上的有源层136的总面积为20μm×20μm/cos45°＝566μm2。换句话说，当有源层形成在六棱锥(约62°的角度)的S面上时，有源层的面积S增加。
图56和57示出了当有源层136的面积S增加以减轻亮度饱和时，它比窗口区133(图56)的面积W1或在法线方向投影到衬底中主平面的晶体生长层的面积W2大(图57)。当有源层136沿晶体生长层135的S面延伸并且不平行于衬底131的主平面时，有源层136的面积S变得大于面积W1或投影面积W2。换句话说，有源层136具有足够的面积。这有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
如图55所示构成的发光器件具有以下优点：除了有源层面积增加产生的效果之外，与衬底主平面倾斜的S面增加了从氮原子到镓原子的键合数量，由此增加了有效的V/III比。因此，所得发光器件提高了性能。此外，存在从衬底延伸出的位错弯曲和缺陷减少的可能性。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面防止了多次反射，由此使产生的光有效地发出。有源层136相互隔开类似于岛屿的结构避免了需要腐蚀有源层136。这消除了对有源层的损伤。另一优点在于不存在电极减少了有源层136的有效面积的可能性。
例12
该例展示了如图58所示条形晶体生长层154形成在衬底150上的半导体发光器件。半导体发光器件由用于生长的衬底150、用于生长的下层151、掩模层152、以及形成在掩模层152窗口区中的条形晶体生长层154。晶体生长层154具有为S面的侧面156。有源层155也延伸地形成在倾斜面156上，由此有源层155的面积大于晶体生长层154的投影面积。这样有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例13
该例展示了如图59所示延长的四棱柱形晶体生长层164形成在衬底160上的半导体发光器件。半导体发光器件由用于生长的衬底160、用于生长的下层161、掩模层162、以及形成在掩模层162窗口区中的条形和延长的四棱柱形的晶体生长层164组成。晶体生长层164具有为S面的侧面163S。纵向方向中端部的面164为(11-22)面。晶体生长层164的顶面163C为与衬底主平面等同的C面。没有示出的有源层在倾斜的侧面163S、面164以及顶面163C上延伸，由此有源层的面积大于晶体生长层164的投影面积。这样有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例14
该例展示了如图60所示为四棱柱形的晶体生长层174形成在用于生长的衬底170上的半导体发光器件。半导体发光器件由用于生长的衬底170、用于生长的下层171、掩模层172、以及形成在掩模层172窗口区中的条形和延长的四棱柱形的晶体生长层164组成。四棱柱形设置成矩阵形。晶体生长层174具有为S面的倾斜侧面173S以及为(11-22)面的其它侧面174。晶体层173的顶面173C为与衬底主平面等同的C面。没有示出的有源层在倾斜的侧面173S、面174以及顶面173C上延伸，由此有源层的面积大于晶体生长层173的投影面积。这样有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例15
该例展示了如图61所示为六棱锥形的晶体生长层183形成在用于生长的衬底180上的半导体发光器件。半导体发光器件由用于生长的衬底180、用于生长的下层181、掩模层182、以及形成在掩模层182窗口区中六棱锥形的晶体生长层183组成。六棱锥设置成矩阵形。晶体生长层183具有为S面的倾斜侧面。没有示出的有源层在倾斜的S面上延伸，由此有源层的面积大于晶体生长层183的投影面积，它的截面显示在图54中。这样有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例16
该例展示了如图62所示为六棱柱体形的晶体生长层193形成在用于生长的衬底190上的半导体发光器件。半导体发光器件由用于生长的衬底190、用于生长的下层191、掩模层192、以及形成在掩模层192窗口区中六棱柱形的晶体生长层193组成。六棱柱体设置成矩阵形。晶体生长层193具有为S面的倾斜侧面193S，也具有与衬底主平面等同的C面顶面193C。六棱柱的底部为M面或低位置处的(1-100)面。没有示出的有源层在倾斜的S面和C面上延伸，由此有源层的面积大于晶体生长层193的投影面积，它的截面显示在图54中。这样有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例17
该例展示了如图55所示的半导体发光器件的制造工艺。下面参考图63到68介绍工艺。
在用于生长的衬底200(例如蓝宝石衬底)上通过MOCVD等形成n型GaN层201(作为用于生长的下层)，如图63所示。n型GaN层201最初不必为n型；然而，只要它的最上表面为n型就可以。例如通过用硅掺杂形成需要的n型GaN层201。
在n型GaN层201的整个表面上通过CVD等形成掩模层202，如图64所示。掩模层202为氧化硅膜、氮化硅膜或钨膜等，作为生长抑制膜。部分除去掩模层202形成多个对应于形成器件区的六边形窗口区203。
进行选择性生长以在窗口区203中形成n型(Al)GaN层204作为晶体生长层，如图65所示。该n型(Al)GaN层204也起覆盖层的作用，它呈现近似六棱锥形。倾斜的侧面为S面。
在倾斜的侧面上形成InGaN层205(作为有源层)和p型(Al)GaN层206，如图66所示。作为有源层的InGaN层205在作为晶体生长层的(Al)GaN层204的S面上广泛地延伸，不平行于用于生长的衬底的主平面。有源层的面积S大于窗口区203的面积以及晶体生长层的投影面积。可以在InGaN层205上形成AlGaN层。
当在掩模层上生长多晶GaN等时，通过腐蚀除去不需要的部分。部分或整个地除去掩模层202形成n侧接触区207，如图67所示。通过汽相淀积等形成Ni/Pt/Au或Ni(Pd)/Pt/Au的p电极209。通过剥离技术在接触区207中形成Ti/Al/Pt/Au的n电极78(图68)。合金化之后，完成衬底上的器件。
各器件的基本结构很小以致很难将它们相互隔开。然而，仅需要通过划片或解离等将它们分成组，每组由一维或两维排列的器件组成。每组中的各器件的内部基本结构可以或不必单独驱动。如W.S.Wong等人在APL-75-10，1360-2中报道的，如果穿过蓝宝石衬底对蓝宝石衬底/GaN界面进行UV激光磨蚀，那么在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体可以从蓝宝石衬底上剥离。如果在激光磨蚀之前或之后通过腐蚀除去第一生长膜(第一导电膜)，那么可以形成具有本发明基本结构的单个半导体发光器件。
如上所述，本例中的工艺具有以下优点：通过选择性生长可以形成S面，并且有源层可以形成在侧面为S面的晶体生长层上。由此可以得到大面积的有源层。
例18
本例展示了具有图69所示结构的半导体发光器件。器件包括用于生长的衬底210、第二生长层211、第一导电层211(覆盖第二生长层211)、有源层213、以及第二导电层219。虽然没有掩模层和窗口区，但通过选择性生长可以将有源层213的面积制得比晶体生长层的投影面积大。这有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。换句话说，即使不使用任何生长抑制膜(例如掩模层)，如果通过腐蚀进行微制造(例如，表面不规则处形成在用于生长的衬底上或已生长的晶体膜上)，那么也可以形成稳定的面并产生与通过形成生长抑制膜得到的相同效果。
顺便提及，根据本发明，最希望六边形开口作为生长六棱锥的窗口区。然而，由于即使为圆形开口通过自身最终形成稳定的面，那么开口的形状或开口边界的方向可以是任意的。本发明也适用于通过自身形成如纤锌矿晶体中除(1-101)面的(11-22)面以及(1-100)面的稳定面的结构。
目前，红LED通常由闪锌矿结构的AlGaInP化合物制成。该化合物相对于(001)衬底具有稳定的面，例如(011)面、(111)面以及(11-1)面。如果在充分的条件下生长，那么可以形成稳定的面和其上的有源层。
例19
该例展示了以下面方式形成的图70所示的半导体发光器件。在例如具有C(0001)面的蓝宝石衬底的用于生长的衬底221上通过MOCVD或MOVPE形成下层222(为n型GaN层)。
在用于生长的下层222上形成作为生长抑制膜的掩模层223，例如氧化硅、氮化硅以及钨膜。在掩模层223中形成为六边形开口的窗口区224。在该窗口区224中通过选择性生长形成具有三角形截面的晶体生长层225。该晶体生长层225为n型GaN层或AlGaN层，并具有近似正三角形的截面。当从上面看时为六边形，整体上呈六棱锥形。
晶体生长层225具有与衬底主平面倾斜的晶面(S面或与其等效的面)。在晶体生长层225上通过调节晶体生长层225最外部分的浓度形成n型覆盖层。在n型覆盖层上形成有源层226和第二导电层227(作为p型覆盖层)。有源层226和第二导电层227(作为p型覆盖层)形成得覆盖晶体生长层225的S面。沿通过选择性生长形成的晶体生长层225上生长有源层226，它不平行于用于生长的衬底的主平面。第二导电层227为p型GaN层或AlGaN层。AlGaN间隙层可以形成在有源层226上。在本例中，第二导电层227的表面变成随后将形成的第二电极的界面，该界面作为有源层226产生的光的反射面240。
在第二导电层227上形成Ni/Pt/Au多层金属膜形式的第二电极(图70中未示出，作为p电极)。在掩模层的开口中形成Ti/Al/Pt/Au的多层金属膜形式的第一电极，作为n电极。可以通过汽相淀积或剥离技术形成第一和第二电极。
本例中的半导体发光器件的特点在于通过选择性生长形成的平行于倾斜晶面的反射面240反射之后，其中产生的部分光发射出。由于反射提高了发光效率，因此半导体发光器件增加了亮度。此外，反射面240形成在通过选择性生长自然容易形成的倾斜晶面上，同时不必需要额外的腐蚀。
图71示出了半导体发光器件的主要部分的剖面图。器件具有用受激准分子激光器照射背面除去的用于生长的衬底，由此用于生长的下层222的底部作为发光窗口228。用于生长的下层222为掺硅GaN层，连接到n电极(未示出)。如图70所示，由有源层226产生的光前进到被反射面240反射的第二导电层227，它最终从发光窗口228发射出。由有源层226产生的光也前进到发光窗口228。此时，光经历全反射，并指向反射面240。反射光沿基于反射角与入射角的关系改变的光通路前进，如果入射角小于临界角，那么从发光窗口228发射出。
下面更详细地介绍反射机理。器件中的折射率大于外部的折射率；因此与界面有大入射角的光受到了全反射。全反射的条件如下。
φc＝sin-1(n1/n2)
(其中，φc代表到界面的临界入射角，n1和n2分别表示外部和内部的折射率。当n1＝1并且n2＝2.4时，φc为24.6°。)
当半导体发光器件如图1所示构成时，由有源层产生的部分光被窗口区全反射，并且该部分的光反复经历全反射，并且没有从窗口发射出。本例不存在这种情况，是由于反射面240倾斜由此已经受全反射的那部分光被反射面再次反射，并沿全反射未涉及的不同光通路返回。由此光从窗口发出。因此提高了发光效率并增加了亮度。因此，本例中的半导体发光器件提高了发光效率并且亮度高。
图72到76示出了反射面的模拟结果。图72示出了计算标准使用的晶体生长层的模型的透视图。图73示出了计算角度相关性使用的模型图。图74示出了角度与发光效率的关系图。图75示出了计算高度相关性使用的模型。图76示出了高度与发光效率的关系图。
模拟基于假设晶体生长层在它的顶部具有平坦的C面并且也具有平行于用于生长的衬底主平面的有源层。就发光效率而言，这种假设与实际的本质上不同。基于以下假设模拟了角度相关性，如图73所示。蓝宝石衬底具有n＝1.65的折射率。有源层为20μm宽，在衬底上形成有5μm厚。晶体生长层具有n＝2.4的折射率。反射面具有70％的反射率，并形成在10μm的高度处。基于这种假设，计算反射面反射的反射角。结果显示在图74中。应该注意在50°到90°的范围内获得发光效率提高，较好的结果在50°附近。
基于以下假设模拟高度相关性，如图75所示。蓝宝石衬底具有n＝1.65的折射率。有源层为20μm宽，在衬底上形成有d/2μm。晶体生长层具有n＝2.4的折射率。反射面具有70％的反射率。反射面(S面)形成为62°。结果显示在图76中。应该注意随着高度d增加，发光效率提高。图74和76中显示的模拟结果提示随着侧面的角度θ减小并随着高宽比(器件的高度d与宽度的比值)增加，发光效率提高。换句话说，随着器件尺寸减小，晶体生长需要的时间越短，器件越小，效果越显著。
本例中的半导体发光器件的特征在于被平行于倾斜晶面的反射面反射之后，其中产生的部分光发射出。由于通过反射面240的反射提高了发光效率，因此半导体发光器件增加了亮度。此外，反射面240形成在通过选择性生长自身容易形成的倾斜晶面上，同时不必需要额外的腐蚀。
如图70所示构成的发光器件具有以下优点：除了有源层面积增加产生的效果之外，与衬底主平面倾斜的S面增加了从氮原子到镓原子的键合数，由此增加了V/III比。因此所得发光器件的性能提高。此外，存在从衬底延伸的位错弯曲并且缺陷减少的可能性。与衬底主平面倾斜的倾斜晶面防止了多次反射，由此使产生的光更有效地发出。其中有源层226象岛一样相互隔离的结构避免了需要腐蚀有源层226。这消除了对有源层的损伤。另一优点在于不存在电极减小有源层226有效面积的可能性。
例20
该例展示了用于生长的衬底250上的晶体生长层254呈现条形的半导体发光器件，如图77所示。器件包括用于生长的衬底250、用于生长的下层251、掩模层252、在掩模层252的窗口区中形成的晶体生长层254。晶体生长层254具有作为S面的倾斜侧面256，其上形成有有源层255。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此，半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例21
该例展示了用于生长的衬底260上的晶体生长层264呈现延长的棱柱形的半导体发光器件，如图78所示。器件包括用于生长的衬底260、用于生长的下层261、掩模层262、在掩模层262的窗口区中形成的晶体生长层264。晶体生长层264具有作为S面的倾斜侧面263S、作为(11-22)面的纵向端面264、作为C面(与衬底主平面等同)的顶面263C。有源层(未示出)形成在倾斜的侧面263S、端面264以及顶面263C上。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此，半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例22
该例展示了用于生长的衬底270上的晶体生长层274呈现四棱柱形的半导体发光器件，如图79所示。器件包括用于生长的衬底270、形成其上用于生长的下层271、掩模层272、在掩模层272的窗口区中形成的晶体生长层273。四棱柱体排列为矩阵形。晶体生长层273(四角的平截头棱锥体形)具有作为S面的倾斜侧面273S、作为(11-22)面的另一倾斜面274、作为C面(与衬底主平面等同)的顶面273C。有源层(未示出)形成在倾斜的侧面273S、另一面274以及顶面273C上。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此，半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例23
该例展示了用于生长的衬底280上的晶体生长层283呈现六棱锥形的半导体发光器件，如图80所示。器件包括用于生长的衬底280、形成其上用于生长的下层281、掩模层282、在掩模层282的窗口区中形成的晶体生长层283。六棱锥体排列为矩阵形。晶体生长层283(六棱锥形)具有作为S面的倾斜侧面。六棱锥具有如图69所示的截面。有源层(未示出)形成在倾斜的S面上。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此，半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例24
该例展示了用于生长的衬底290上的晶体生长层293呈现六棱柱形的半导体发光器件，如图81所示。器件包括用于生长的衬底290、形成其上用于生长的下层291、掩模层292、在掩模层292的窗口区中形成的晶体生长层293。六棱柱排列为矩阵形。晶体生长层293(六棱柱形)具有作为S面的倾斜侧面293S以及作为与衬底主平面等同的C面的顶面293C。六棱柱的基底为M面或(1-100)面，形成得低。六棱柱具有如图69所示的截面。有源层(未示出)形成在倾斜的S面和C面上。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例25
该例展示了用于生长的衬底295上的晶体生长层298和299分别呈现六棱锥和四棱柱形的半导体发光器件，如图82所示。器件包括用于生长的衬底295、形成其上用于生长的下层296、掩模层297、在掩模层297的窗口区中形成的晶体生长层298和299。晶体生长层298呈现六棱锥形，晶体生长层299呈现棱柱形。六棱锥和四棱柱排列成矩阵形，它们线性交替地排列。晶体生长层299(四棱柱形)具有作为S面的倾斜侧面299S、作为(11-22)面的另一倾斜面229Z、以及与衬底主平面等同的C面的顶面299C。晶体生长层298(六棱锥形)具有作为S面的倾斜侧面298S。六棱锥具有如图69所示的截面。有源层(未示出)形成在倾斜的S面和C面上。器件产生的光被平行于S面的反射面反射，提高了发光效率。因此半导体发光器件具有高亮度，通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体生长层。由此，器件有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
例26
该例展示了制造以上提到的发光器件的制造工艺。下面参考图83到88介绍工艺。
首先，在通过MOCVD在用于生长的衬底例如蓝宝石衬底上形成n型GaN层301作为用于生长的下层，如图83所示。n型GaN层301最初不必为n型；然而，只要它的最上表面为n型就可以。例如通过用硅掺杂形成需要的n型GaN层301。
然后，在n型GaN层301的整个表面上通过CVD等形成作为生长抑制膜的掩模层302，掩模层302例如为氧化硅膜、氮化硅膜或钨膜等。在掩模层302中形成其中形成有器件的六边形窗口区303，如图84所示。
随后，进行选择性生长以在窗口区303中形成n型(Al)GaN层304(作为晶体生长层)。该n型(Al)GaN层304也起覆盖层的作用，它呈现近似六棱锥形。倾斜的侧面为S面。
在倾斜的侧面上形成InGaN层305(作为有源层)和p型(Al)GaN层306，如图86所示。作为有源层的InGaN层305在作为晶体生长层的(Al)GaN层304的S面上广泛地延伸，不平行于用于生长的衬底的主平面。有源层的面积S大于窗口区303的面积以及晶体生长层的投影面积，由足够宽大的面积形成。可以在InGaN层305上形成AlGaN帽盖层。p型(Al)GaN层306的倾斜晶面作为反射面。
当在掩模层上生长多晶GaN时，通过腐蚀除去不需要的部分。部分或整个地除去掩模层302以形成n侧接触区307，如图87所示。通过汽相淀积等形成Ni/Pt/Au的p电极309。通过剥离技术等在接触区307中形成Ti/Al/Pt/Au的n电极308(图88)。合金化之后，完成衬底上的器件。由于p电极309形成在作为反射面的p型(Al)GaN层306上，它也可以作为反射膜和光屏蔽膜。
各器件很小，以致很难将它们相互隔开。然而，仅需要通过划片或解离等将它们分成组，每组由一维或两维排列的器件组成。每组中的各器件的内部基本结构可以或不必单独驱动。如W.S.Wong等人在APL-75-10，1360-2中报道的，如果穿过蓝宝石衬底对蓝宝石衬底/GaN界面进行UV激光磨蚀，那么在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体可以从蓝宝石衬底上剥离。如果在激光磨蚀之前或之后通过腐蚀除去第一生长膜(第一导电膜)，那么可以形成具有本发明基本结构的单个半导体发光器件。
如上所述，本例中的工艺具有以下优点：通过选择性生长可以形成S面，并且有源层可以形成在侧面为S面的晶体生长层上。由此可以通过自身形成反射面。器件产生的光被平行于选择性生长形成的倾斜晶的反射面部分反射。该反射提高了发光效率，因此半导体发光器件具有高亮度。
例27
该例展示了具有图89所示结构的半导体发光器件。器件包括用于生长的衬底310、部分形成其上的第二生长层311、第一导电层311(覆盖第二生长层311)、有源层311、第二导电层319。虽然没有掩模层和窗口区，但有源层311的面积大于晶体生长层的投影面积。这有效地减轻了亮度饱和并提高了器件可靠性。
换句话说，即使不使用任何生长抑制膜(例如掩模层)，如果通过腐蚀进行微制造(例如，表面不规则处形成在用于生长的衬底上或已生长的晶体膜上)，那么也可以形成稳定的面并产生与通过形成生长抑制膜得到的相同效果。
顺便提及，根据本发明，最希望六边形开口作为生长六棱锥的窗口区。然而，由于即使为圆形开口通过自身最终形成稳定的面，那么开口的形状或开口边界的方向可以是任意的。本发明也适用于通过自身形成如纤锌矿晶体中除(1-101)面的(11-22)面以及(1-100)面的稳定面的结构。
目前，红LED通常由闪锌矿结构的AlGaInP化合物制成。该化合物相对于(001)衬底具有稳定的面，例如(001)面和(111)面。如果在充分的条件下生长，那么可以形成稳定的面和其上的有源层。
根据本发明的半导体发光器件及其制造工艺的优点，在于通过利用与衬底主平面倾斜的倾斜晶面可以增加有效的V/III比。这使得构成化合物晶体的更多原子被替代(taken up)并降低了发光的波动。此外可以抑制氮原子的游离并提高了晶体特性，由此降低了点缺陷的密度。这防止了当向发光器件提供强电流时，亮度饱和。与衬底主平面倾斜的晶面防止了多次反射，因此使产生的光有效地发出。
选择性生长形成作为倾斜晶面(例如S面)的晶体层得到小范围内的小型器件。由此可以致密地排列器件或通过划片将器件相互隔开。由选择性生长得到的部分稳定面在原子尺度上平坦；亮度没有波动，并允许窄半宽度的光发射。因此，该面可适用于半导体发光二极管以及半导体激光器。
本发明的半导体发光器件特点在于从它发出的部分光已被选择性生长平行于倾斜晶面的反射面反射。反射提高了发光效率，因此半导体发光器件具有高亮度。通过选择性生长容易形成作为反射面基底的倾斜晶体层，同时不附加如腐蚀等的额外步骤。此外，平行于晶面的有源层具有大有效面积，减小了电阻、减小了热产生并提高了可靠性。由于大有效面积，有源层具有每单位面积减小的负载，有助于高亮度和高可靠性。对于小型化的器件，这产生了显著的效果。本发明的半导体发光器件的特点在于有源层、导电层、以及电极具有大面积。倾斜的晶面有助于提高发光效率。
根据本发明的半导体发光器件及其制造工艺的特点在于第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层部分或整个延伸到开口周围的掩模层。该结构(掩模层保留)的优点在于横向生长部分被没有消失的支撑物固定。此外，由于选择性生长结构掩模层减小了台阶。即使通过激光照射剥离衬底时，掩模层还起用于第一生长层的支撑层的作用。这有助于确定地将n电极和p电极分开，由此防止了短路。
本发明的半导体发光器件结构可以构成为第一导电类型的覆盖层、有源层以及第二导电类型的覆盖层整个覆盖第二生长层，由此第一导电类型的覆盖层、有源层以及第二导电类型的覆盖层的端部直接接触掩模层。该结构保护了有源层不受到氧化和其它退化并产生增加了发光面积的效果。
本发明的半导体发光器件的优点在于选择性生长形成作为倾斜晶面的晶体层得到小范围内的小型器件。由此可以致密地排列器件或通过划片将器件相互隔开。由选择性生长得到的部分稳定面在原子尺度上平坦；亮度没有波动，并允许窄半宽度的光发射。因此，该面可适用于半导体发光二极管以及半导体激光器。
本发明的半导体发光器件另一优点在于有源层具有大有效面积，减小了电阻、减小了热产生并提高了可靠性。由于大有效面积，有源层具有每单位面积减小的负载，有助于高亮度和高可靠性。对于小型化的器件，这产生了显著的效果。本发明的半导体发光器件的特点在于有源层、导电层、以及电极具有大面积。倾斜的晶面有助于提高发光效率。

Claims (74)

1.一种半导体发光器件，包括一个衬底和形成其上的一个晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的一个倾斜晶面，所述器件还包括一个第一导电类型的层、一个有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面地形成的一个第二导电类型的层。
2.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有纤锌矿晶体结构。
3.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层为氮化物半导体。
4.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长晶体层形成在衬底上，用于生长的下层介于其间。
5.根据权利要求4中限定的半导体发光器件，其中通过选择性除去用于生长的下层进行选择性生长。
6.根据权利要求4中限定的半导体发光器件，其中通过在掩模层中选择性形成的开口进行选择性生长。
7.根据权利要求6中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长形成晶体层，由此它从掩模层中的开口横向地延伸。
8.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中衬底的主平面为C面。
9.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中倾斜的晶面包括至少S面和(11-22)面之一。
10.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中电流仅注入到倾斜晶体层内。
11.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中有源层由InGaN形成。
12.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中倾斜的晶面近似六边形地对称。
13.根据权利要求1中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有作为C面的平坦面，C面在近似中央部分与衬底主平面上的晶体层的侧面相对。
14.一种图象显示单元，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。
15.一种发光系统，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的倾斜晶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上的所述倾斜晶面形成的第二导电类型层。
16.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
在衬底上形成具有开口的掩模层或籽晶层；
通过掩模层中的开口或由籽晶层选择性生长形成晶体层，所述晶体层具有与衬底的主平面倾斜的倾斜晶面；
在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及
平行于倾斜晶面的第二导电类型层。
17.根据权利要求16中限定的半导体发光器件的制造工艺，其中衬底主平面为C面。
18.根据权利要求16中限定的半导体发光器件的制造工艺，还包括在衬底上形成多个半导体发光器件之后将器件相互隔开的步骤。
19.根据权利要求18中限定的半导体发光器件的制造工艺，还包括在每个隔开器件的背面上形成一个电极的步骤。
20.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面，或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二导电类型层。
21.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中晶体层具有纤锌矿晶体结构。
22.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中晶体层为氮化物半导体。
23.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长晶体层形成在衬底上，用于生长的下层介于其间。
24.根据权利要求23中限定的半导体发光器件，其中通过选择性除去用于生长的下层进行选择性生长。
25.根据权利要求23中限定的半导体发光器件，其中通过在掩模层中选择性形成的开口进行选择性生长。
26.根据权利要求25中限定的半导体发光器件，其中通过选择性生长形成晶体层，由此它从掩模层中的开口横向地延伸。
27.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中衬底的主平面为C+面。
28.根据权利要求20中限定的半导体发光器件，其中如果S面或基本上等效于S面形成在衬底上的平面为晶体层的一部分，那么仅对S面进行电流注入到有源层内。
29.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面构成近似六棱锥体的侧面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于实施例晶体层上所述S面或基本上等效于S面的平面形成的第二导电类型层。
30.根据权利要求29中限定的半导体发光器件，其中以顶部附近中的电流密度比侧面低的方式将电流注入到有源层内。
31.一种半导体发光器件，包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，所述S面或者基本上等效于S面的平面构成近似六棱锥体的侧面，所述晶体层还具有C面或者基本上等效于C面的平面，所述C面或者基本上等效于C面的平面构成了近似六棱柱体的顶面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或基本上等效于S面的平面和所述C面或基本上等效于C面的平面形成的第二导电类型层。
32.一种图象显示单元，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面形成的第二导电类型层。
33.一种发光系统，包括多个排列的半导体发光器件，每个器件包括衬底和形成其上的晶体层，所述晶体层具有与衬底主平面倾斜的S面或者基本上等效于S面的平面，还包括第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面形成的第二导电类型层。
34.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
在衬底上形成具有开口的掩模层，通过穿过所述掩模层的开口选择性生长形成具有S面或者基本上等效于S面的平面的掩模层，在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于所述晶体层上所述S面或者基本上与其等效的平面的第二导电类型层。
35.根据权利要求34中限定的半导体发光器件的制造工艺，其中衬底具有C+面作为它的主平面。
36.根据权利要求34中限定的半导体器件的制造工艺，其中多个半导体发光器件形成在衬底上，且相互隔开。
37.根据权利要求36中限定的半导体器件的制造工艺，其中每个被隔开的半导体发光器件具有形成在它的背面上的电极之一。
38.一种半导体发光器件，包括通过选择性生长形成具有倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；形成在晶体生长层上并根据以预定数量注入的电流发光的有源层；以及近似平行于倾斜晶面形成并反射部分从有源层发出的光的反射面。
39.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层由具有纤锌矿晶体结构的化合物半导体形成。
40.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层近似平行于倾斜晶面。
41.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层近似平行于S面或者基本上等效于S面的平面。
42.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中平行于倾斜晶面的反射面具有以小于180°的角度相互面对的两个或多个反射面。
43.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层由氮化物化合物半导体形成。
44.根据权利要求43中限定的半导体发光器件，其中有源层由氮化镓化合物半导体形成。
45.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中有源层含In。
46.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中对于每个器件有源层被隔开。
47.根据权利要求38中限定的半导体发光器件，其中选择性生长开始于已形成在衬底上用于生长的下层。
48.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
通过选择性生长形成具有倾斜于衬底主平面的倾斜晶面的晶体生长层；然后形成有源层；以及近似平行于晶体生长层的倾斜晶面的反射面。
49.一种半导体发光器件，包括衬底、形成在所述衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在所述第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于所述第二生长层的晶面第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，这些层的部分或全部覆盖所述开口周围的掩模层。
50.根据权利要求49限定的半导体发光器件，其中第二生长层的晶面第二为与衬底主平面倾斜的倾斜面。
51.根据权利要求49限定的半导体发光器件，其中第一和第二生长层具有纤锌矿晶体结构。
52.根据权利要求49中限定的半导体器件，其中第二生长层由氮化物半导体形成。
53.根据权利要求49中限定的半导体器件，其中衬底的主平面为C面。
54.一种半导体发光器件，包括衬底、形成在所述衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在所述第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于所述第二生长层晶面的第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，这些层形成得整个覆盖所述第二生长层。
55.一种半导体发光器件，包括衬底、形成在所述衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在所述第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，平行于所述第二生长层的晶面形成，由此它们的端部直接接触所述掩模层。
56.一种图象显示单元，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底、形成在所述衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在所述第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于所述第二生长层的晶面形成的第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，由此它们的部分或整个端部延伸到开口周围的所述掩模层。
57.一种发光系统，包括排列的半导体发光器件以便根据信号发出光，每个器件包括衬底、形成在所述衬底上第一导电类型的第一生长层、形成在所述第一生长层上的掩模层、以及第一导电类型的第二生长层，第二生长层通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成，还包括平行于所述第二生长层的晶面形成的第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，由此它们的部分或整个端部延伸到开口周围的所述掩模。
58.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
在衬底上形成第一生长层；在所述第一生长层上形成具有开口的掩模层；通过所述掩模层中形成的开口借助选择性生长形成第二生长层；以及形成第一导电类型的覆盖层、有源层、以及第二导电类型的覆盖层，第二导电类型的覆盖层平行于所述第二生长层的晶面并延伸到开口周围的所述掩模层。
59.根据权利要求58中限定的半导体发光器件的制造工艺，其中第二生长层的晶面为与衬底的主平面倾斜的倾斜面。
60.一种半导体发光器件，包括位于第一导电层和第二导电层之间的有源层，通过选择性生长不平行于用于生长的衬底主平面形成，所述有源层的面积大于在用于生长的衬底上选择性生长时使用的窗口区，或者大于通过在法线方向将选择性生长晶体层投影到用于生长的衬底得到的投影面积。
61.根据权利要求60中限定的半导体发光器件，其中有源层由具有纤锌矿晶体结构的化合物半导体形成。
62.根据权利要求61中限定的半导体发光器件，其中不平行于用于生长的衬底主平面的有源层平行于S面或者基本上与其等效的平面。
63.根据权利要求62中限定的半导体发光器件，其中形成平行于S面或者基本上与其等效的平面的有源层以使它从掩模层中的开口区横向地延伸。
64.根据权利要求60中限定的半导体发光器件，其中一对电极连接到第一和第二导电层，所述电极能够将电流仅注入到不平行于用于生长的衬底主平面的有源层内。
65.根据权利要求60中限定的半导体器件，其中有源层由氮化物化合物半导体形成。
66.根据权利要求65中限定的半导体器件，其中有源层由氮化镓化合物半导体形成。
67.根据权利要求60中限定的半导体器件，其中有源层含In。
68.根据权利要求60中限定的半导体器件，其中对于每个器件有源层被隔开。
69.根据权利要求60中限定的半导体器件，其中选择性生长开始于已形成在衬底上用于生长的下层。
70.一种半导体发光器件，包括位于第一导电类型层和第二导电类型层之间的有源层，通过选择性生长形成，不平行于用于生长的衬底主平面，在沿它延伸的平面中具有弯曲部分。
71.一种半导体发光器件，包括位于第一导电类型层和第二导电类型层之间的有源层，通过选择性生长形成，不平行于用于生长的衬底主平面，有源层的面积可以大于或等于(朝用于生长的衬底的在法线方向)晶体生长层的投影面积以及其中至少一个导电层接触它的电极的面积的总和。
72.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
在衬底上形成用于生长的下层，在下层上形成具有窗口区的掩模层，通过选择性生长由掩模层形成晶体生长层，以及在晶体生长层的表面上形成第一导电层、有源层、以及第二导电层，所述有源层具有面积大于朝衬底在法线方向投影面积的晶体表面。
73.在权利要求1、20、38、49以及60中限定的半导体发光器件，其中电极形成在衬底已被剥离掉的表面上。
74.一种半导体发光器件的制造工艺，包括以下步骤：
在衬底上形成具有开口的掩模层或籽晶层，通过掩模层中的开口或由籽晶层选择性生长形成晶体层，所述晶体层与衬底的主平面倾斜；在晶体层上形成第一导电类型层、有源层、以及平行于倾斜晶面的第二导电类型层，将它们嵌入形成在第二衬底上的树脂层内，通过激光磨蚀除去所述衬底，将用于每个半导体发光器件的晶体籽晶层和掩模层隔开，以及在已被剥离掉的籽晶层的衬底侧面上形成电极。
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