CN102334203B - 发光器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于制造发光器件的方法。该方法包括形成镓氧化物层；在镓氧化物层上形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层；在第二导电类型半导体层上形成导电衬底；分离所述镓氧化物层；以及在所述第一导电类型半导体层上形成第一电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光器件的制造方法。
背景技术
由于其高的热稳定性和宽的带隙能量而使氮化物半导体已经在光学器件和高功率电子器件领域吸引了很多的关注。具体地，使用氮化物半导体的蓝光发光器件(LED)、绿光LED以及UV LED已经被商业化并且正在得到广泛的使用。
近年来，商业化的氮化物半导体LED包括氮化物半导体层，其有机化学地沉积在作为异质衬底的蓝宝石衬底上方。作为氮化物半导体薄膜的具有相同材料的氮化镓(GaN)衬底非常昂贵。因此，难以在商业上利用GaN衬底。近年来，广泛使用的蓝宝石衬底具有电绝缘特性。因此，形成在蓝宝石衬底上的氮化物半导体LED具有其中阴极和阳极金属焊盘形成在衬底的一个方向上的横向型结构。
通常，横向型LED结构具有其中发光层的一部分应该被蚀刻以形成负电极的限制。此外，由于电极设置在衬底的一侧上，因此当注入电流时，电流没有均匀地注入到发光层中。电流的这样的不均匀注入劣化了电子可靠性和发光效率。
发明内容
[技术问题]
实施例提供了一种用于制造其中能够有效地将氮化物半导体薄膜与衬底分离的发光器件的方法。
[技术方案]
在一个实施例中，一种用于制造发光器件(LED)的方法包括：形成镓氧化物层；在镓氧化物层上形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层；在第二导电类型半导体层上形成第二电极层；以及分离镓氧化物层。
在另一实施例中，一种用于制造发光器件(LED)的方法包括：形成镓氧化物层；在镓氧化物层上形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层；在第二导电类型半导体层上形成非导电衬底；分离镓氧化物层在第一导电类型半导体层上形成导电衬底；以及分离非导电衬底。
在又一实施例中，一种用于制造发光器件(LED)的方法包括：形成镓氧化物层；在镓氧化物层上形成氮化物半导体层；分离镓氧化物层。
[有益效果]
根据用于制造根据实施例的LED的制造方法，可以有效地分离氮化物半导体的薄膜。
此外，在用于制造根据实施例的LED的方法中，由于使用镓氧化物的晶体材料的固有的解理特性而没有使用激光、化学湿法溶液或者机械抛光来分离薄膜，因此可以制造具有经济的、简化的并且批量生产特性的高质量氮化物半导体薄膜。
此外，使用用于制造根据实施例的LED的方法而制造的氮化物半导体LED可以极大地有助于实现具有高功率、高效率以及高可靠性的垂直型氮化物半导体LED。
附图说明
图1是根据第一实施例的发光器件(LED)的截面图。
图2至图5是根据第一实施例的用于制造LED的方法的截面图。
图6是根据第二实施例的发光器件(LED)的截面图。
图7至图10是根据第二实施例的用于制造LED的方法的截面图。
图11至图12是根据第三实施例的用于制造LED的方法的截面图。
具体实施方式
在实施例的描述中，将理解的是，当层(或膜)被称为在另一层或者衬底“上”时，其能够直接地在另一层或者衬底上，或者也可以存在插入层。此外，将理解的是，当层被称为在另一层“下”时，其能够直接地在另一层下，并且也可以存在一个或多个插入层。此外，将理解的是，当层被称为在另一层“上”或者“下”时，将基于附图进行关于在每层“上”和“下”的参考。
在附图中，为了描述的方便和清楚起见，每层的厚度或者尺寸被夸大、省略或者示意性示出。此外，每个元件的尺寸没有完全反映实际尺寸。
(第一实施例)
图1是根据第一实施例的发光器件(LED)的截面图。
根据第一实施例的发光器件(LED)可以包括第二电极层140；设置在第二电极层140上的第二导电类型半导体层130；有源层120；以及第一导电类型半导体层110。第一实施例可以包括设置在第一导电类型半导体层110上的粗糙部分R，但是不限于此。
镓氧化物(Ga2O3)具有大约4.8eV的能量带隙。此外，镓氧化物是透明的并且具有优异的导电性。诸如铝(Al)以及铟(In)的电子可以与镓氧化物混合，以容易地调整镓氧化物的物理和化学性质以及带隙。镓氧化物具有单斜结构。因此，其可以在镓氧化物衬底上生长优异的氮化物半导体薄膜。
具体地，具有单斜晶体结构的镓氧化物具有作为材料的适合特性的、相对于(100)或者(001)晶面的解理特性。该解理特性表示使用特定的晶面作为边界来将结晶材料分裂成多个部分的性质。在其中原子以特定规则堆叠的晶体结构中，当特定结晶原子面之间的面对面耦合力比其他结晶原子面之间的面对面耦合力极其弱时，沿着相应的晶面发生解理。该晶体解理可以容易地在与结晶学上相同的解理表面相平行的任何方向上发生。
根据用于制造根据该实施例的LED的方法，由于使用镓氧化物的晶体材料的固有解理特性来分离薄膜，因此可以制造具有经济的、简化的以及批量生产特性的高质量氮化物半导体薄膜。
此外，使用用于制造根据该实施例的LED的方法而制造的氮化物半导体LED可以极大地有助于实现具有高功率、高效率以及高可靠性的垂直型氮化物半导体LED。
在下文中，将参考图2至5来描述根据第一实施例的用于制造LED的方法。
如图2中所示，制备第一衬底100。具有可以形成氮化物半导体(AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1))薄膜的结晶结构的衬底可以基础地用作第一衬底100。例如，第一衬底100可以由蓝宝石、Si和SiC或者镓氧化物(Ga2O3)、GaN以及AlN或者其他金属氧化物来形成，但是不限于此。
第一衬底100的制备可以包括使用化学湿法清洗或者氧气、氮气或者其混合气体在高温下清洗第一衬底100的表面。
在第一衬底100上形成使用具有解理特性的(100)或者(001)晶面作为生长表面的镓氧化物层105。可以使用薄膜沉积方法来沉积镓氧化物层105的薄膜。例如，可以使用化学气相沉积或者溅射作为薄膜沉积方法。
在其中其表面具有诸如(100)或者(001)晶面的结晶解理特性的镓氧化物单晶衬底的情况下，可以不沉积镓氧化物层105的薄膜。
可以在第一衬底100上沉积镓金属，然后在高温下对其进行热氧化以形成镓氧化物层105的薄膜。沉积在第一衬底100上的镓氧化物薄膜可以在氧气气氛下、在高温下进行热处理以改进晶体质量。基于Ga2O3来形成镓氧化物层105。此外，镓氧化物层105可以由其中Al和In或者其他元素在保持结晶解理特性的范围内彼此混合的混合物或者化合物来形成。
在镓氧化物层105上形成包括第一导电类型半导体层110、有源层120以及第二导电类型半导体层130的氮化物半导体层。
第一导电类型半导体层110能够是N型半导体层或者P型半导体层。此外，第二导电类型半导体层130能够是P型半导体层或者N型半导体层。第一导电类型的第二半导体层110能够形成在导电类型半导体层130上，由此发光结构能够为NPN型或者PNP型。
镓氧化物层105或者镓氧化物衬底上的氮化物半导体层的形成可以进一步包括使用氨气在高温下对镓氧化物层105的表面执行氮化工艺。当执行氮化工艺时，供应氮原子的氨气可以设置为与诸如氢气、氮气或者氧气的载气进行混合的混合气体。
可以执行高温氮化工艺，以在镓氧化物层105的表面上形成镓氮氧化物层(未示出)。镓氮氧化物层可以用作之后要生长的氮化物半导体层的缓冲层，并且使得可以在镓氧化物层105上形成高质量氮化物半导体层。这时，能够通过将诸如硅烷气体的含硅气体供应给注入到腔室中的气体来改进镓氮氧化物层的电传导性。
其后，在镓氧化物层105上形成第一导电类型半导体层110。例如，可以使用化学气相沉积(CVD)工艺、分子束外延(MBE)工艺、溅射工艺或者氢化物气相外延(HVPE)沉积工艺来形成第一导电类型半导体层110。此外，可以将包含诸如三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)气体、氮气(N2)气体、氢气(H2)气体以及硅(Si)的N型杂质的硅烷气体(SiH4)注入到腔室中以形成第一导电类型半导体层110。
第一导电类型半导体层110可以由GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaP、InGaP、AlInGaP以及InP中的一种或多种来形成。
有源层120形成在第一导电类型半导体层110上。有源层120用作其中通过第一导电类型半导体层110注入的电子与通过第二导电类型半导体层130注入的空穴复合，以发射具有由有源层(发光层)材料的固有能带而确定的能量的光。
有源层120可以具有单量子阱结构、多量子阱结构、量子线结构以及量子点结构中的至少一种结构。例如，在有源层120中，注入三甲基镓(TMGa)气体、氨气(NH3)气体、氮气(N2)气体以及三甲基铟(TMIn)气体，以形成多量子阱结构，但是不限于此。
有源层120可以具有InGaN/GaN结构、InGaN/InGaN结构、AlGaN/GaN结构、InAlGaN/GaN结构、GaAs/AlGaAs(InGaAs)结构以及GaP/AlGaP(InGaP)结构中的一种或多种结构。
其后，第二导电类型半导体层130形成在有源层120上。例如，包含诸如三甲基镓(TMGa)气体、氨气(NH3)气体、氮气(N2)气体以及镁(Mg)的p型杂质的双(乙基环戊二烯基)镁(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}可以注入到腔室中，以形成第二导电类型半导体层130的p型GaN层，但是不限于此。
第二电极层140可以形成在第二导电类型半导体层130上。
第二电极层140可以包括欧姆层142、反射层(未示出)、附着层(未示出)和第二衬底144。第二电极层140可以由钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)以及钨(W)中的至少一种形成。
例如，第二电极层140可以包括欧姆层142。这时，可以多层堆叠单金属或者金属合金以改进电子空穴注入的效率。欧姆层142可以由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-GaZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ni、Pt、Cr、Ti以及Ag中的至少一种来形成，但是不限于此。
此外，第二电极层140可以包括反射层(未示出)或者附着层(未示出)。例如，第二电极层140可以包括包含Al、Ag或者包含Al或者Ag的合金的金属层。诸如Al或者Ag的材料可以有效地反射在有源层处产生的光以改进LED的光提取效率。此外，例如，当第二电极层140包括附着层时，反射层可以用作附着层，或者附着层可以使用Ni或者Au来形成。
第二电极层140可以包括第二衬底144。第二衬底144可以由具有良好的导电性质的金属、金属合金或者导电半导体材料来形成以有效率地注入载流子。例如，第二衬底144可以由铜(Cu)、Cu合金、Si、钼(Mo)、SiGe、Ge、GaN以及SiC中的一种或多种来形成。第二衬底144可以使用电化学金属沉积方法或者使用共晶金属的结合方法来形成。
如图3中所示，使用快速热处理设备，将样品的温度增加至大约200℃至大约900℃，然后，再次快速地冷却样品。冷却速度可以超过至少每分钟50℃。镓氧化物层105可以具有大约8.2×10-6/℃/℃至大约8.5×10-6/℃的热膨胀系数，并且镓氮化物材料可以具有大约5.7×10-6/℃的热膨胀系数。因此，由于材料之间的热膨胀系数差异而导致快速热处理引起镓氧化物层105与作为氮化物半导体的第一导电类型半导体层110之间的界面上的应力。这样的应力引起薄膜沿着设置在界面上的镓氧化物层105的解理面而分离。
当热处理温度大于大约900℃时，氮化物半导体薄膜的质量可能变坏，并且第二电极层140可能塌陷。当热处理温度小于200℃时，应力非常小，从而可能难以有效地引起薄膜分离。当使用上述方法来分离第一衬底100时，暴露作为电子传输层氮化物半导体薄膜的第一导电类型半导体层110。
如图4中所示，可以使用图案掩模作为蚀刻掩模对暴露的第一导电类型半导体层110执行湿法蚀刻工艺，以形成表面粗糙部分R。由于通过氮气对第一导电类型半导体层110进行极化，因此可以执行湿法蚀刻工艺以在第一导电类型半导体层110的表面上形成粗糙部分R。粗糙部分R可以有效地改进LED的光提取性能。
如图5中所示，去除图案掩模310。第一电极150可以形成在暴露的第一导电类型半导体层110上以制造LED。这时，对暴露的第一导电类型半导体层110的表面执行湿法蚀刻，以形成第一电极150。由于在暴露的第一导电类型半导体层110的表面上剩余的镓氧化物材料可以减小欧姆特性，因此，可以执行酸清洗工艺，以去除剩余的镓氧化物材料。
根据用于制造根据该实施例的LED的方法，提供了一种用于有效地将氮化物半导体薄膜与衬底分离的方法。
此外，根据用于制造根据该实施例的LED的方法，由于使用镓氧化物的晶体材料的固有的解理特性来分离薄膜，因此可以制造具有经济的、简化的以及批量生产特性的高质量氮化物半导体薄膜。
此外，使用根据该实施例的用于制造LED的方法而制造的氮化物半导体LED可以极大地有助于实现具有高功率、高效率以及高可靠性的垂直型氮化物半导体LED。
(第二实施例)
图6是根据第二实施例的发光器件(LED)的截面图。
在根据第二实施例的LED中，第一导电类型半导体层110、有源层120以及第二导电类型半导体层130可以设置在导电衬底200上。在下面的制造方法中将描述未描述的附图标记。
第二实施例可以采用第一实施例的技术特征。
将参考图7至图10来描述根据第二实施例的用于制造LED的方法。
与第一实施例类似，并且在图7中镓氧化物层105形成在第一衬底100上。第一导电类型半导体层110、有源层120以及第二导电类型半导体层130形成在镓氧化物层105上。
其后，在第二导电类型半导体层130上形成非导电衬底210。例如，作为临时支撑衬底的非导电衬底210附着到作为空穴注入层的第二导电类型半导体层130。可以使用蓝宝石衬底作为临时支撑衬底。作为临时支撑衬底的非导电衬底210可以使用固定销来物理地固定或者使用聚合物附着材料进行固定。
如图8中所示，使用快速热处理设备，将样品的温度增加至大约200℃至大约900℃，然后，再次快速冷却样品。由于材料之间的热膨胀系数差异而导致快速热处理引起在镓氧化物层105与作为氮化物半导体的第一导电类型半导体层110之间的界面上的应力。这样的应力引起沿着薄膜设置在界面上的镓氧化物层105的(100)或者(001)面分离。结果，可以分离镓氧化物层105，并且可以暴露第一导电类型半导体层。
如图9中所示，第一电极层115可以形成在暴露的第一导电类型半导体层110上。第一电极层115可以包括欧姆层、反射层以及附着层。
导电衬底200形成在第一导电类型半导体层110或者第一电极层115上。导电衬底200可以由具有良好的热传导性的金属或者半导体材料来形成。当形成导电衬底200时，可以使用用于结合的共晶金属。
如图10中所示，可以去除作为临时支撑衬底的非导电衬底210，以在第二导电类型半导体层130上形成第二电极270。
(第三实施例)
图11至图12是根据第三实施例的用于制造LED的方法的截面图。
第三实施例涉及当氮化物半导体层125以单层形成在镓氧化物层105上时将氮化物半导体层125与镓氧化物层105分离的方法。例如，氮化物半导体层125可以是GaN半导体层，但是不限于此。
例如，如图11中所示，氮化物半导体层125可以形成在镓氧化物层105上，作为具有大约70μm的厚度的较厚电子传输单层。可以使用化学气相沉积方法或者氢化物气相外延方法来沉积氮化物半导体层125。
根据第三实施例，当氮化物半导体层125形成为较厚的单层时，可以通过下面的工艺来分离氮化物半导体层125。
例如，如图12中所示，在薄膜生长设备内生长氮化物半导体层125的薄膜。其后，当冷却薄膜生长设备时，快速地冷却薄膜生长设备以将氮化物半导体层125与镓氧化物层105自分离。
镓氧化物层105可以具有大约8.2×10-6/℃/℃至大约8.5×10-6/℃的热膨胀系数，并且镓氮化物材料可以具有大约5.7×10-6/℃的热膨胀系数。因此，当在生长薄膜之后快速地冷却薄膜生长设备时，由于材料之间的热膨胀系数差异而导致在镓氧化物层105和氮化物半导体层125之间的界面上产生应力。这样的应力引起薄膜沿着设置在界面上的镓氧化物层105的解理面分离
这时，氮化物半导体层125可以具有至少大约70μm的厚度。当氮化物半导体层125不具有足够较厚的厚度时，薄膜会自分离。结果，薄膜不会保持其初始形状并且破裂。冷却速度可以超过至少每分钟大约50℃。分离的氮化物半导体层125可以具有导电性，并且可以用作LED的衬底。
根据实施例的LED可以应用于照明系统。照明系统可以包括照明单元和背光单元。另外，照明系统可以应用于交通灯、车辆头灯以及标牌。
在本说明书中对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的任何引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中，在各处出现的这类短语不必都表示相同的实施例。此外，当结合任何实施例来描述特定特征、结构或特性时，都认为结合实施例中的其他实施例实现这样的特征、结构或特性也是本领域技术人员所能够想到的。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例，但是应该理解，本领域的技术人员可以想到多个其他修改和实施例，这将落入本公开原理的精神和范围内。更加具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内的主体组合设置的组成部件和/或布置中，各种变化和修改都是可能的。除了组成部件和/或布置中的变化和修改之外，对于本领域的技术人员来说，替代使用也将是显而易见的。
Claims (16)
1.一种用于制造发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上沉积镓金属；
氧化所述镓金属以形成镓氧化物层，所述镓氧化物层由Ga2O3与Al和In的至少一个的化合物形成；
在所述镓氧化物层上形成发光结构，其中所述发光结构包括第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层；
在所述发光结构上形成第二电极层；以及
在形成所述第二电极层之后将所述镓氧化物层与所述发光结构分离，
其中，在所述镓氧化物层的分离中，所述第一导电类型半导体层包括第一导电类型GaN半导体层，并且所述镓氧化物层通过由于所述镓氧化物层和所述第一导电类型GaN半导体层之间的热膨胀系数差异而导致的界面应力来分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，分离所述镓氧化物层包括：
在200℃至900℃的温度下，加热所述镓氧化物层；以及
快速地冷却所述镓氧化物层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在分离所述镓氧化物层中，所述镓氧化物层具有8.2×10-6/℃至8.5×10-6/℃的热膨胀系数，并且所述第一导电类型GaN半导体层具有5.7×10-6/℃的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在分离所述镓氧化物层中，所述镓氧化物层沿着(100)或者(001)面被解理。
5.根据权利要求1所述的方法，包括：在分离所述镓氧化物层之后，在所述第一导电类型半导体层上形成表面粗糙部分。
6.根据权利要求1所述的方法，包括：在形成所述发光结构之前，对所述镓氧化物层的表面执行氮化工艺，
其中在执行氮化工艺的期间，进一步包括：将含硅气体供应给载气用于所述氮化工艺。
7.根据权利要求1所述的方法，包括：在分离所述镓氧化物层之后，对暴露的第一导电类型半导体层执行湿法蚀刻工艺。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，快速冷却速度超过每分钟50℃。
9.一种用于制造发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上沉积镓金属；
氧化所述镓金属以形成镓氧化物层，所述镓氧化物层由Ga2O3与Al和In的至少一个的化合物形成；
在所述镓氧化物层的表面上执行氮化工艺以形成镓氮氧化物层，所述镓氮氧化物层被用作缓冲层；
使用含硅气体增加镓氮氧化物层的传导性；
在镓氮氧化物层上形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层；
在所述第二导电类型半导体层上形成非导电衬底；
分离所述镓氧化物层；
在所述第一导电类型半导体层上形成导电衬底；以及
分离所述非导电衬底，
其中，在分离所述镓氧化物层中，所述第一导电类型半导体层包括第一导电类型GaN半导体层，并且通过由于所述镓氧化物层和所述第一导电类型GaN半导体层之间的热膨胀系数差异而导致的界面应力来分离所述镓氧化物层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，分离所述镓氧化物层包括：
在200℃至900℃的温度下，加热所述镓氧化物层；以及
快速地冷却所述镓氧化物层。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在分离所述镓氧化物层中，所述镓氧化物层具有8.2×10-6/℃至8.5×10-6/℃的热膨胀系数，并且所述第一导电类型GaN半导体层具有5.7×10-6/℃的热膨胀系数。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，在分离所述镓氧化物层中，所述镓氧化物层沿着(100)或者(001)面被解理。
13.一种用于制造发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上沉积镓金属；
氧化所述镓金属以形成镓氧化物层，所述镓氧化物层由Ga2O3与Al和In的至少一个的化合物形成；
在所述镓氧化物层上形成氮化物半导体层；
将所述镓氧化物层与所述氮化物半导体层分离，
其中，在所述镓氧化物层的分离中，通过由于所述镓氧化物层和所述氮化物半导体层之间的热膨胀系数差异而导致的界面应力来分离所述镓氧化物层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，分离所述镓氧化物层包括：
在200℃至900℃的温度下，加热所述镓氧化物层；以及
快速地冷却所述镓氧化物层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述氮化物半导体层具有大于70μm的厚度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述氮化物半导体层包括GaN半导体层。
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