[实用新型]LED半导体元件

说明书

【技术领域】

本实用新型涉及一种LED半导体元件，尤其涉及一种可用以降低内部差排缺陷的LED半导体元件。

【背景技术】

由于III族氮化物半导体材料的发光光谱涵盖可见光到紫外光之间的波长，再加上III族氮化物半导体材料为直接跃迁型半导体，而被广泛应用在发光二极管(LED)或激光二极管(LD)等发光元件上。

目前用来制造较高质量的III族氮化物半导体元件的技术中，通常将III族氮化物半导体层成长在适合却非理想的衬底上，目前此类衬底包含但不限制于蓝宝石、硅、GaAs或碳化硅等异质外延衬底，然而所有异质外延衬底在高质量III族氮化物半导体层的沉积中产生晶格不匹配与热不匹配的挑战；晶格不匹配由晶体中原子的间距差异所造成，热不匹配由不同材料间热膨胀系数的差异所造成。

通常碳化硅材料与GaN系化合物的晶格系数差异约3％左右，蓝宝石材料与GaN系化合物的晶格系数差异约16％左右，而在外延工艺中，此晶格不匹配的情形往往会产生差排问题，即在元件内部存在着纵向(与衬底面垂直的方向)贯穿的线差排缺陷。其中，在III族氮化物半导体元件中通常存在有密度为10⁹cm^-2左右的线差排缺陷情形，如此大量的差排会通过组成相异的III族氮化物半导体各层而转移到元件最上层，最终导致元件异常。

上述种种问题，常使得激光二极管的阈值电流、发光二极管与激光二极管的元件寿命以及元件的可靠度等特性的合格率大大降低。此外，热不匹配也应受到重视。通常在III族氮化物半导体材料生长在衬底后，当样品冷却至室温时，热膨胀(收缩)速率的差异在两种材料间的界面处产生高度的应力，且应力量直接与所沉积的膜层厚度有关，膜层越厚则应力越大。例如蓝宝石比GaN具有更高的热膨胀系数，因此当蓝宝石衬底与GaN层冷却时，界面处的不匹配问题使得GaN受到压应力而蓝宝石受到张应力，且当膜厚超过10微米时，应力等级超过GaN的断裂程度，可能会产生膜层破裂的情形。广泛缺陷(线差排、错位堆迭等)的存在导致元件性能大幅度地恶化并导致操作寿命缩短。

美国专利US6627974，公开一种具有T型结构的氮化物半导体元件，用以抑制在成长氮化物半导体元件中所产生的不利的效应；其详细方法为，在位于衬底上的氮化物半导体层表面，利用化学气相沉积(CVD)、溅镀等方法成长一保护层，再利用黄光光刻工艺使保护层具有特定形状，例如条纹、格纹或岛状结构；随后，氮化物半导体层自保护层的空隙向上与横向成长，并在完全覆盖保护层之前停止，以形成T型结构的氮化物半导体层；之后，在此T型结构上即可继续形成其它的半导体层，以减少半导体间的差排缺陷，其中，该保护层选择使用较不易使氮化物半导体材料成长在其上的材料(SiO_X，Si_XN_Y，TiO_X或ZrO_X)，且因为上述特性而使得两相邻保护层间得以形成T型氮化物半导体结构。然而，此专利所提供的工艺繁琐，且此专利所利用的CVD、溅镀或黄光光刻等工艺，存在污染芯片成长面的可能性。

美国专利US6345063所使用的屏蔽层(patterned mask layer)为氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)，且上述屏蔽层由MOCVD以外的工艺所形成，工艺繁琐，且存在有污染芯片成长面的可能性。此外，此专利提出将InGaN层直接成长在屏蔽层上，如此却不易形成质量良好的外延层。

综合上述先前专利的缺点多数为：工艺繁琐，且需利用额外的工艺来形成缺陷阻碍层，存在有污染芯片成长面的可能性等问题。

有鉴于此，仍有必要开发新的半导体元件结构或新的半导体元件工艺方法，以达到降低半导体元件内部缺陷的目标，并改善工艺的合格率，提升半导体元件的可靠度与寿命，以符合市场需求。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可全程在外延工艺中即可成长的LED半导体元件，其能降低因晶格不匹配所产生的差排问题。

上述技术问题通过以下技术方案实现：

一种LED半导体元件，其特征在于，包含有至少一个半导体层，所述半导体层包括下半导体层和上半导体层，所述下半导体层和所述上半导体层之间包含有生成于下半导体层的上端面的粗化层，所述粗化层包括多个突起，所述粗化层上生成有连续的氮化物材料层，所述突起穿过并突出于所述氮化物材料层；所述氮化物材料层的四周露出于所述粗化层之外。

进一步的方案是，所述下半导体层和所述上半导体层均为GaN半导体层。