專利名稱:氮化物基發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物基發(fā)光器件，尤其涉及一種具有高功率和長(zhǎng)壽命的氮化物基發(fā)光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
諸如發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光器件基本上是半導(dǎo)體PN結(jié)二極管。硅PN結(jié)扮演了電子信息革命的領(lǐng)導(dǎo)角色，而III-V族化合物半導(dǎo)體的PN結(jié)則扮演了光革命的領(lǐng)導(dǎo)角色。III-V族化合物半導(dǎo)體是通過(guò)組合元素周期表上的III族和V族元素制成的。它具有發(fā)光效率幾乎接近100％的優(yōu)勢(shì)。這一發(fā)光效率比硅高近一千倍。于是，從材料開(kāi)發(fā)的初始階段開(kāi)始，LED就廣泛使用在諸如二極管激光器的發(fā)光器件中，并且扮演著光革命的領(lǐng)導(dǎo)角色。此外，由于LED具有高的電子運(yùn)動(dòng)速度并能夠在高溫下工作，因此，它們被廣泛用在高速高功率電子器件中。尤其是，將幾種III族和V族元素彼此混合，從而能夠制造出具有各種材料組分和特性的半導(dǎo)體。
作為L(zhǎng)ED的基本特性，在可見(jiàn)光區(qū)在LED中使用發(fā)光強(qiáng)度(單位坎德拉(cd))，在非可見(jiàn)光區(qū)中使用輻射通量(單位瓦)。發(fā)光強(qiáng)度由每單位立體角的光速表示，而亮度由每單位面積的發(fā)光強(qiáng)度表示。使用光度計(jì)測(cè)量亮度。輻射通量表示從LED的所有波長(zhǎng)輻射的全部功率，由每單位時(shí)間輻射的能量表示。
決定可見(jiàn)光LED性能的主要因素是由每瓦特流明(1m/W)表示的發(fā)光效率。這一因素對(duì)應(yīng)于考慮到人眼的亮度因素時(shí)的壁上插座效率(wall-plugefficiency)(光輸出/輸入的電功率的量)。LED的發(fā)光效率可以主要由三個(gè)因素決定，諸如內(nèi)量子效率、引出效率和工作電壓。目前正在開(kāi)展對(duì)于改善發(fā)光效率的研究。
通常，常規(guī)LED具有藍(lán)寶石/n-GaN/MQW/p-GaN的結(jié)構(gòu)。不過(guò)，在這種LED中，由于制造技術(shù)的制約，缺陷的密度高。于是，在解決當(dāng)前的技術(shù)目的時(shí)存在限制，即，第一個(gè)目的是提高M(jìn)QW層的內(nèi)量子效率，第二個(gè)目的是制造高功率的LED。具體而言，在高功率LED中，由于缺陷，導(dǎo)致漏電流大，這提高了器件的驅(qū)動(dòng)電壓并減少了器件的壽命。
韓國(guó)專利申請(qǐng)No.10-2005-0081139披露了一種具有納米棒(nano rod)陣列結(jié)構(gòu)的LED及其制造方法，該結(jié)構(gòu)具有InGaN量子阱。在此，由于LED具有藍(lán)寶石/n-GaN/MQW/p-GaN的結(jié)構(gòu)，因此曾為改善上述問(wèn)題而做出過(guò)工作。不過(guò)，制造納米棒的方法很復(fù)雜，在產(chǎn)業(yè)中實(shí)際使用這種技術(shù)并不容易。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種高功率和長(zhǎng)壽命的氮化物基發(fā)光器件及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種氮化物基發(fā)光器件，該氮化物基發(fā)光器件包括形成于單晶晶片上的n覆層；多孔層，該多孔層通過(guò)在HCl和NH3的混合氣體氣氛下從所述n覆層的頂表面處理其直到預(yù)定深度而形成；以及依次形成于所述多孔層上的有源層和p覆層。
所述多孔層可以形成至1-10μm的厚度。
所述單晶晶片可以為Si、GaAs、SiC、GaN和藍(lán)寶石襯底之一。所述n覆層可以為n-GaN層，且所述p覆層可以為p-GaN層。所述有源層可以具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，例如GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaNMQW結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造氮化物基發(fā)光器件的方法，所述方法包括在單晶晶片上形成n覆層；在HCl和NH3的混合氣體氣氛下從所述n覆層的頂表面處理其至預(yù)定深度，以形成多孔層；以及在所述多孔層上依次形成有源層和p覆層。
所述表面處理可以在950-1200℃的溫度下執(zhí)行，例如，在1065℃的溫度下執(zhí)行。所述表面處理可以在鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)系統(tǒng)中執(zhí)行。在這種情況下，HCl和NH3的混合比可以為1∶10。所述混合氣體還可以包括載氣，所述載氣包括N2、Ar和H2中至少一種。在這種情況下，HCl、NH3和所述載氣的混合比可以為1∶10∶80。
所述多孔層可以形成為1-10μm的厚度。
所述單晶晶片可以為Si、GaAs、SiC、GaN和藍(lán)寶石襯底之一。所述n覆層可以為n-GaN層，且所述p覆層可以為p-GaN層。所述有源層可以具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，例如GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaNMQW結(jié)構(gòu)。
所述n覆層、所述有源層和所述p覆層可以使用氣相淀積形成。所述氣相淀積可以是鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)或分子束外延(MBE)之一。
根據(jù)具有以上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明，能夠獲得高功率和長(zhǎng)壽命的氮化物基發(fā)光器件。
通過(guò)參考附圖詳細(xì)描述其示范性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他方面將變得更明了，附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物基發(fā)光器件的示意性截面圖；圖2A到2G為流程圖，示出了制造圖1所示的氮化物基發(fā)光器件的方法；以及圖3為截面掃描電子顯微鏡(SEM)照片，示出了在本發(fā)明的<試驗(yàn)例>中制造的多孔GaN層。
具體實(shí)施方式將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在附圖中，為了清晰夸大了層和區(qū)域的厚度。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物基發(fā)光器件的示意性截面圖。參考圖1，該氮化物基發(fā)光器件包括依次形成于單晶晶片10上的n覆層20、多孔層22、有源層30和p覆層40。n電極50和p電極60分別形成于n覆層20的被蝕刻表面和p覆層40上。
單晶晶片10可以是Si、GaAs、SiC、GaN和藍(lán)寶石襯底之一。n覆層20可以由n-GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成，例如n-GaN層或n-GaN/AlGaN層。p覆層40可以由p-GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成，例如，p-GaN層或p-GaN/AlGaN層。由于n覆層20和p覆層40的結(jié)構(gòu)和材料及其形成方法是本領(lǐng)域公知的，因此將省略其詳細(xì)描述。
在HCl和NH3的混合氣體氣氛中從其頂表面將n覆層20處理至預(yù)定深度，由此形成多孔層22。多孔層22由多個(gè)凸起柱形成。從實(shí)驗(yàn)上講，當(dāng)多孔層22形成1-10μm的厚度時(shí)，氮化物基發(fā)光器件的光功率特性是最佳的。將在稍后介紹的制造氮化物基發(fā)光器件的方法中詳細(xì)描述形成多孔層22的方法。
有源層30可以由GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成，其例如是InxAlyGa1-x-yN(0≤x＜1，≤y＜1且0≤x+y＜1)、InGaN層或AlGaN層。在此，有源層30可以具有多量子阱(MQW)或單量子阱之一種結(jié)構(gòu)。有源層30的結(jié)構(gòu)不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。例如，有源層30可以具有GaN/InGaN/GaNMQW或GaN/AlGaN/GaN MQW結(jié)構(gòu)。
在具有以上結(jié)構(gòu)的氮化物基發(fā)光器件中，如果在n電極50和p電極60之間施加預(yù)定的電壓，就分別從n覆層20和p覆層40向有源層30中注入電子和空穴，電子和空穴在有源層30中復(fù)合，從而能夠從有源層30輸出光。
根據(jù)本發(fā)明，將n-GaN層20的表面處理至預(yù)定厚度，由此形成多孔層22。在進(jìn)行該工藝期間，能夠除去n-GaN層20中所包括的大量缺陷，例如，刃型位錯(cuò)。于是，能夠在低缺陷密度的多孔層22上形成MQW層，由此制得具有改善的電特性的氮化物基發(fā)光器件，其漏電流減小且內(nèi)量子效率提高。
根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，有源層30由形成于多孔層22的每個(gè)凸出柱上且排列成一條線的多個(gè)點(diǎn)(dot)形成。不過(guò)，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，這些點(diǎn)也可以彼此連續(xù)地連接。具體而言，在形成有源層30時(shí)，調(diào)節(jié)垂直生長(zhǎng)(下文稱為Gv)速度和橫向生長(zhǎng)(下文稱為GL)速度的相對(duì)大小，從而能夠控制有源層30的形狀。于是，在不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍的范圍內(nèi)，可以將有源層30形成多種形狀。
圖2A到2G為流程圖，示出了制造圖1所示的氮化物基發(fā)光器件的方法。
參考圖2A，使用同種堆疊方法，例如在GaN襯底上生長(zhǎng)GaN基晶體層，或者使用異種堆疊方法，例如在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基晶體，在諸如Si、GaAs、SiC、GaN或藍(lán)寶石襯底的已制備單晶晶片10上形成n覆層20。n覆層20可以由n-GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層，例如n-GaN層或n-GaN/AlGaN層形成。n覆層20可以使用氣相淀積形成，例如鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)或分子束外延(MBE)。由于這些方法是本領(lǐng)域公知的，因此將省略它們的詳細(xì)描述。
參考圖2B和2C，在HCl和NH3的混合氣體氣氛中從其頂表面處理n覆層20至預(yù)定深度，由此形成多孔層22。在此，可以由多個(gè)凸出柱形成多孔層22至1-10μm的厚度。在這種情況下，將HCl和NH3的混合比控制在1∶10。該混合氣體還可以包括載氣，該載氣包括N2、Ar和H2中的至少一種。此時(shí)，可以將HCl、NH3和載氣的混合比控制在1∶10∶80?？梢栽?50-1200℃的溫度，例如1065℃下執(zhí)行表面處理。表面處理可以在反應(yīng)室中，例如在HVPE系統(tǒng)中進(jìn)行。
在執(zhí)行形成多孔層22的工藝期間，能夠除去n-GaN層20中所包括的大量缺陷，例如，刃型位錯(cuò)。具體而言，HCl和NH3的混合氣體氣氛可以充當(dāng)一種氣相蝕刻劑。此時(shí)，n-GaN層20中的缺陷區(qū)首先被蝕刻并能夠變成多孔形狀。
參考圖2D和2E，在多孔層22上依次形成有源層30和p覆層40。在此，可以使用諸如HVPE、MOCVD或MBE的氣相淀積形成有源層30和p覆層40。
有源層30可以由GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層InxAlyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1且0≤x+y＜1)形成，其例如是InGaN層或AlGaN層。在此，有源層30可以是多量子阱(MQW)或單量子阱中的一種結(jié)構(gòu)。有源層30的結(jié)構(gòu)不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。例如，有源層30可以由GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW形成。
根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，有源層30由形成于多孔層22的每個(gè)凸出柱上且排列成一條線的多個(gè)點(diǎn)形成。不過(guò)，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，這些點(diǎn)也可以彼此連續(xù)連接。具體而言，在形成有源層30時(shí)，調(diào)節(jié)垂直生長(zhǎng)(下文稱為Gv)速度和橫向生長(zhǎng)(下文稱為GL)速度的相對(duì)大小，從而能夠控制有源層30的形狀。這里，可以通過(guò)調(diào)節(jié)GaN基III-V族源材料的相對(duì)組分比，即三甲基鎵(TMGa)和NH3的相對(duì)組分比來(lái)控制速度Gv和GL。由于這是本領(lǐng)域公知的事實(shí)，因此將省略其詳細(xì)描述。
p覆層40可以由p-GaN基III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成，例如p-GaN層或p-GaN/AlGaN層。類似地，控制p覆層40的速度Gv和GL，從而使p覆層40能夠連續(xù)地連接到有源層30。
參考圖2F和2G，首先，蝕刻p覆層40的頂表面直到n覆層20的預(yù)定深度，由此在n覆層20上形成被蝕刻表面。接著，在n覆層20的被蝕刻表面和p覆層40上由導(dǎo)電材料，例如Ag、Au或氧化銦錫(ITO)形成n電極50和p電極60。可以使用上述工藝制造根據(jù)本發(fā)明的氮化物基發(fā)光器件。
<實(shí)驗(yàn)例制造具有n-GaN/多孔GaN/MQW/p-GaN結(jié)構(gòu)的LED>
為了形成多孔GaN層，在HVPE系統(tǒng)中固定GaN襯底，然后，將系統(tǒng)溫度升至1065℃。接著，向HVPE系統(tǒng)中注入100sccm的HCl氣體、1000sccm的NH3氣體，和8000sccm的N2氣體。將HVPE系統(tǒng)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至常壓。在這樣的條件下形成多孔GaN層。此時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)諸如溫度、氣體流量和工藝時(shí)間的工藝參數(shù)，控制多孔GaN層的厚度或者多孔GaN層中空氣間隙。之后，將堆疊結(jié)構(gòu)置入MOCVD反應(yīng)室中并在多孔GaN層上生長(zhǎng)MQW層和p-GaN層。在生長(zhǎng)MQW層時(shí)，垂直生長(zhǎng)速度高于橫向生長(zhǎng)速度。并且，在生長(zhǎng)p-GaN層時(shí)，橫向生長(zhǎng)速度高于垂直生長(zhǎng)速度，使得p-GaN層彼此連接并彼此粘附。然后，通過(guò)執(zhí)行形成電極的工藝形成n電極和p電極，從而使用以上工藝制造了LED。圖3為截面掃描電子顯微鏡(SEM)照片，示出了在本發(fā)明的<試驗(yàn)例>中制造的多孔GaN層。
根據(jù)具有以上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明，能夠獲得高功率和長(zhǎng)壽命的氮化物基發(fā)光器件。在該氮化物基發(fā)光器件中，將n覆層的預(yù)定厚度，例如n-GaN層的表面處理至預(yù)定厚度，從而獲得多孔層。在執(zhí)行該處理時(shí)，能夠除去n-GaN層中所包括的大量缺陷。
于是，能夠在缺陷密度低的多孔層上形成MQW層，從而能夠制造電特性得以改善的氮化物基發(fā)光器件，其漏電流減小且內(nèi)量子效率提高。照此，能夠改善氮化物基發(fā)光器件的制造產(chǎn)率。
此外，制造氮化物基發(fā)光器件的方法可以簡(jiǎn)單而容易，且可以降低制造成本。于是，根據(jù)本發(fā)明，能夠以低成本制造高質(zhì)量的氮化物基發(fā)光器件。
盡管已經(jīng)參考其示范性實(shí)施例具體展示和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離由權(quán)利要求
所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在其中做出多種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種氮化物基發(fā)光器件，包括形成于單晶晶片上的n覆層；多孔層，該多孔層通過(guò)在HCl和NH3的混合氣體氣氛下從所述n覆層的頂表面處理其直到預(yù)定深度而形成；以及依次形成于所述多孔層上的有源層和p覆層。
2.如權(quán)利要求
1所述的氮化物基發(fā)光器件，其中所述多孔層形成至1-10μm的厚度。
3.如權(quán)利要求
1所述的氮化物基發(fā)光器件，其中所述單晶晶片為Si、GaAs、SiC、GaN和藍(lán)寶石襯底之一。
4.如權(quán)利要求
1所述的氮化物基發(fā)光器件，其中所述n覆層為n-GaN層，且所述p覆層為p-GaN層。
5.如權(quán)利要求
1所述的氮化物基發(fā)光器件，其中所述有源層具有多量子阱結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求
5所述的氮化物基發(fā)光器件，其中所述有源層具有GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW結(jié)構(gòu)。
7.一種制造氮化物基發(fā)光器件的方法，所述方法包括在單晶晶片上形成n覆層；在HCl和NH3的混合氣體氣氛下從所述n覆層的頂表面處理其至預(yù)定深度，以形成多孔層；以及在所述多孔層上依次形成有源層和p覆層。
8.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述表面處理在950-1200℃的溫度下執(zhí)行。
9.如權(quán)利要求
8所述的方法，其中所述表面處理在1065℃的溫度下執(zhí)行。
10.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述表面處理在鹵化物或氫化物氣相外延系統(tǒng)中執(zhí)行。
11.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中HCl和NH3的混合比為1∶10。
12.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述混合氣體還包括載氣，所述載氣包括N2、Ar和H2中至少一種。
13.如權(quán)利要求
12所述的方法，其中HCl、NH3和所述載氣的混合比為1∶10∶80。
14.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述多孔層形成為1-10μm的厚度。
15.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述單晶晶片為Si、GaAs、SiC、GaN和藍(lán)寶石襯底之一。
16.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述n覆層為n-GaN層，且所述p覆層為p-GaN層。
17.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述有源層具有多量子阱結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求
17所述的方法，其中所述有源層具有GaN/InGaN/GaNMQW或GaN/AlGaN/GaN MQW結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述n覆層、所述有源層和所述p覆層是使用氣相淀積形成的。
20.如權(quán)利要求
19所述的方法，其中所述氣相淀積為鹵化物或氫化物氣相外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積或分子束外延之一。
專利摘要
提供了一種高功率和長(zhǎng)壽命的氮化物基發(fā)光器件及其制造方法。該氮化物基發(fā)光器件包括形成于單晶晶片上的n覆層；通過(guò)在HCl和NH
文檔編號(hào)H01L33/32GK1996626SQ200610081818
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年5月12日
發(fā)明者樸性秀 申請(qǐng)人:三星康寧株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan