CN102403428B - Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法。III族氮化物纳米棒发光装置包括：基底；绝缘膜，形成在基底上并且包括暴露部分基底且具有不同直径的多个开口；以及第一导电III族氮化物纳米棒，具有不同的直径，第一导电III族氮化物纳米棒分别形成在所述多个开口中，其中，每个第一导电III族氮化物纳米棒具有顺序地形成在其表面上的有源层和第二导电半导体层。
Description
本申请要求于2010年9月14日提交到韩国知识产权局的第10-2010-0090117号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物纳米棒发光装置，更具体地讲，涉及一种III族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法。
背景技术
通常，由III族-N合金(例如，GaN)制成的纳米棒在新的半导体装置构造(诸如纳米尺寸的光电装置)领域具有潜力。例如，GaN纳米棒可以对在腐蚀性条件下或高温条件下工作的装置赋予化学稳定性、大的能带隙和高熔点的优点。此外，GaN和相关合金的较大的能带隙可以允许制造在可见范围内具有优点的光源，以应用到显示器和照明装置中。此外，单个纳米棒的独特几何形状可以具有在光子转移装置的领域中提供新的范例的潜力。
发明内容
本发明的一方面提供了一种通过在同一基底上生长具有不同直径的III族氮化物纳米棒而能够发射各种波长的光的III族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供了一种III族氮化物纳米棒发光装置，所述III族氮化物纳米棒发光装置包括：基底；绝缘膜，形成在基底上并且包括暴露部分基底且具有不同直径的多个开口；以及第一导电III族氮化物纳米棒，具有不同的直径，第一导电III族氮化物纳米棒分别形成在所述多个开口中，其中，每个第一导电III族氮化物纳米棒具有顺序地形成在其表面上的有源层和第二导电半导体层。
绝缘膜可以包括多个组，每个组具有相同直径的多个开口，并且所述多个组具有不同的直径。
有源层可以包括至少一对量子阻挡层和量子阱层。
量子阻挡层可以由AlyGa1-yN形成(0≤y≤1)，量子阱层可以由InxGa1-xN(0≤x≤1)形成。
形成在具有较大直径的第一导电III族氮化物纳米棒上的有源层的铟(In)含量可以小于形成在具有较小直径的第一导电III族氮化物纳米棒上的有源层的铟(In)含量。
包括具有不同直径的第一导电III族氮化物纳米棒的发光装置可以发射不同波长的光。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造III族氮化物纳米棒发光装置的方法，所述方法包括以下步骤：在基底上形成暴露部分基底且具有不同直径的多个开口的绝缘膜；在开口中生长具有不同直径的第一导电III族氮化物纳米棒；以及在每个第一导电III族氮化物纳米棒的表面上顺序地形成有源层和第二导电半导体层。
第一导电III族氮化物纳米棒可以具有形成为比开口的直径大10％至20％的直径。
有源层可以包括由AlyGa1-yN(0≤y≤1)形成的量子阻挡层和由GaN形成量子阱层。
形成在具有较大直径的第一导电III族氮化物纳米棒上的有源层的铟(In)含量可以小于形成在具有较小直径的第一导电III族氮化物纳米棒上的有源层的铟含量。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上面和其他方面、特征和其他优点将被更清楚地理解，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的包括具有不同直径的多个III族氮化物纳米棒的III族氮化物纳米棒发光装置的剖视图；
图2A至图2C是示出根据本发明实施例的在基底上形成包括具有不同直径的多个开口的绝缘膜的工艺的视图；
图3是包括形成在其中的具有不同直径的多个开口的绝缘膜的平面图；
图4A至图4C示出了根据本发明示例性实施例的III族氮化物纳米棒发光装置的制造工艺，其中，纳米棒设置在包括具有不同直径的多个开口的绝缘膜中；
图5A至图5C是根据本发明示例性实施例的已经完成了第一导电III族氮化物纳米棒的生长的扫描电子显微镜(SEM)的显微照片；
图6是示出根据本发明示例性实施例的包括具有不同直径的发光结构的III族氮化物纳米棒发光装置的PL性质的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完全的，并且这些实施例将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。虽然本领域技术人员通过添加、修改或删除元件可以容易地设计包括本发明教导的许多其他变型实施例，但这样的实施例会落入本发明的范围。
在整个说明书中，相同或等同元件由相同的标号表示。
图1是根据本发明示例性实施例的包括具有不同直径的多个III族氮化物纳米棒的III族氮化物纳米棒发光装置的剖视图。参照图1，III族氮化物纳米棒发光装置可以包括基底、缓冲层、绝缘膜和分别包括III族氮化物纳米棒的多个发光结构。
基底100为用于生长半导体单晶的生长基底，具体地讲，为用于生长氮化物单晶的生长基底。例如，基底100可以由诸如蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、MgAl2O4、氧化镁(MgO)、铝酸锂(LiAlO2)、LiGaO2、氮化镓(GaN)等的材料制成。蓝宝石是具有Hexa-RhomboR3c对称的晶体，并具有C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面等。在这种情况下，由于C面可以相对便于氮化物薄膜的生长并且在高温下稳定，所以C面可以主要用作用于生长氮化物半导体的基底。
缓冲层110是氮化物半导体层，并且可以由掺杂有杂质的AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)形成的半导体材料制成。例如，氮化镓(GaN)、氮化铝镓(A1GaN)、氮化铟镓(InGaN)等可以用作缓冲层110。根据缓冲层110的需求，缓冲层110可以由n型氮化物半导体层或p型氮化物半导体层形成。硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、碲(Te)等可以用作n型杂质，镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等可以用作p型杂质。
绝缘膜120可以用于防止纳米棒发光装置的n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的接触。考虑到该功能，绝缘膜120可以由氧化硅或氮化硅制成，例如，可以由二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氮化硅(Si3N4)等制成。绝缘膜120的高度可以为例如大约50nm至100nm。绝缘膜120可以包括暴露缓冲层110的部分的多个开口(未示出)。多个开口具有不同的直径并且可以对绝缘膜120图案化。开口意在指定将通过批处理生长的纳米棒的直径、长度、位置。开口可以具有诸如四边形、六边形等以及圆形的各种形状。
在开口中形成分别包括具有不同直径的第一导电III族氮化物纳米棒的多个发光结构165、175和185。发光结构165可以包括第一导电III族氮化物纳米棒160、有源层161和第二导电半导体层162，发光结构175可以包括第一导电III族氮化物纳米棒170、有源层171和第二导电半导体层172，发光结构185可以包括第一导电III族氮化物纳米棒180、有源层181和第二导电半导体层182。
第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180可以由单晶形成，并可以由n-GaN或p-GaN制成。第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的直径与开口的直径基本成比例，并且可以形成为比其中形成有第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的开口的直径大大约10％至20％。可以通过控制用在批处理过程中的时间来调整第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的长度。
可以将有源层161、171和181以与第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的方式相同的方式生长成单晶。有源层161、171和181可以生长成通过电子和电子空穴的发光复合来发射具有预定能量的光。有源层161、171和181可以包括至少一对量子阻挡层和量子阱层。有源层161、171和181可以具有多重量子阱结构。通过示例的方式，量子阻挡层可以由AlyGa1-yN(0≤y≤1)形成，量子阱层可以由InxGa1-xN(0≤x≤1)形成，由此可以根据铟(In)的含量调整带隙能或光发射波长。
第二导电半导体层162、172和182的厚度可以为大约20nm或更大。当第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180为n型半导体时，第二导电半导体层162、172和182可以是p型半导体层。然而，当第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180为p型半导体时，第二导电半导体层162、172和182可以是n型半导体层。
图2A至图2C是示出根据本发明实施例的在基底上形成包括具有不同直径的多个开口的绝缘膜的工艺的视图。
参照图2A，可以在基底100上形成缓冲层110。可以通过诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等的工艺生长缓冲层110。通过示例的方式，在MOCVD设备内的反应器中准备C(0001)面的蓝宝石基底以对蓝宝石基底加热，从而允许在大约1080℃的温度下在基底上沉积缓冲层110(n-GaN半导体层)。
参照图2B至图2C，可以在缓冲层110上形成绝缘膜120。可以在绝缘膜120中形成暴露部分缓冲层110的多个图案化的开口130、140和150。可以通过光刻工艺蚀刻绝缘膜120，在绝缘膜120中形成图案化的开口130、140和150。通过示例的方式，可以以开口130、140和150具有特定的直径W1、W2和W3以及在它们之间具有距离的方式，在绝缘膜120中形成具有不同直径的开口130、140和150。图2C中示出的开口130的直径W1、开口140的直径W2和开口150的直径W3的尺寸符合W1＜W2＜W3的顺序。
图3是包括形成在其中的具有不同直径的多个开口的绝缘膜的平面图。参照图3，绝缘膜120可以包括多个组，每个组包括具有相同直径的多个开口，多个组可以具有不同的直径。开口130、140和150意在指定将通过批处理生长的纳米棒的直径、长度和位置。开口130、140和150可以具有诸如四边形、六边形等以及圆形的各种形状。
图4A至图4C示出了根据本发明示例性实施例的III族氮化物纳米棒发光装置的制造工艺，其中，纳米棒设置在包括具有不同直径的多个开口的绝缘膜中。
参照图4A，可以在由绝缘膜120的多个开口暴露的缓冲层110上将各个第一导电III族氮化物纳米棒生长成绝缘膜120的高度。在该工艺中，通过示例的方式，在将装备有基底100的反应器内的温度可以维持在大约900℃至1100℃，并且以大约10sccm至大约200sccm喷射镓源(三甲基镓，TMGa)和以15000sccm至20000sccm喷射氨气(NH3)的同时，可以将各个第一导电III族氮化物纳米棒沉积成绝缘膜120的高度，即，在大约1000℃至1100℃的温度下大约1分钟至5分钟内沉积成大约50nm至大约100nm。
在将第一导电III族氮化物纳米棒生长成绝缘膜120的高度之后，可以将镓源TMGa的流速减小至大约50sccm至大约150sccm，可以将氨气(NH3)的流速减小至大约500sccm至大约5000sccm，并且可以在大约900℃至大约1100℃生长第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180。此时，可以将反应器的内压维持到大约70毫巴至大约200毫巴。
已经在基底100上完成生长的第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的各个直径符合W4＜W5＜W6的顺序。然而，第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的各个高度符合H1＞H2＞H3的顺序。因此，它们的直径和高度可以成反比。
图5A至图5C是根据本发明示例性实施例的已经完成了第一导电III族氮化物纳米棒的生长的扫描电子显微镜(SEM)的显微照片。参照图5A至图5C，在第一导电III族氮化物纳米棒的直径的尺寸符合图5A＜图5B＜图5C的顺序的同时，第一导电III族氮化物纳米棒的高度符合图5A＞图5B＞图5C的顺序。可以通过控制用在批处理过程中的时间来调整第一导电III族氮化物纳米棒的长度。
根据本发明的示例性实施例，当绝缘膜的图案化的开口的直径在大约100nm至大约180nm的范围内时，生长的第一导电III族氮化物纳米棒的直径在大约120nm至大约200nm的范围内。当绝缘膜的图案化的开口的直径在大约180nm至大约250nm的范围内时，生长的第一导电III族氮化物纳米棒的直径在大约200nm至大约280nm的范围内。当绝缘膜的图案化的开口的直径在大约250nm至大约400nm的范围内时，生长的第一导电III族氮化物纳米棒的直径在大约280nm至大约450nm的范围内。因此，可以确定第一导电III族氮化物纳米棒的直径可以基本与图案化的开口的直径成比例，并且纳米棒的直径可以形成为比图案化的开口的直径大大约10％至大约20％。
参照图4B，在形成在基底100上方的第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的表面上形成有源层161、171和181，其中，缓冲层110和绝缘膜120顺序地堆叠在基底100上。在示例性实施例中，可以在比第一导电III族氮化物纳米棒160、170和180的形成温度低大约100℃至大约300℃的温度下执行有源层161、171和181的形成。
参照图4C，可以在有源层161、171和181上形成第二导电半导体层162、172和182，以覆盖有源层161、171和181的整个表面。
图6是示出根据本发明示例性实施例的包括具有不同直径的发光结构的III族氮化物纳米棒发光装置的PL性质的曲线图。在形成具有不同直径的n-GaN纳米棒之后，在纳米棒上形成具有五对InGaN/GaN的有源层，然后在有源层上形成p-GaN层，从而形成纳米棒发光结构。具有不同的直径并且在相同的生长条件下生长的纳米棒发光结构的PL性质在图6中被示出。参照图6，在具有较大直径的纳米棒发光结构51情况下，表明发射波长比具有较小直径的纳米棒发光结构52的发射波长短。因此，可以证明包含在具有较大直径的纳米棒发光结构的有源层中的In的含量小于具有较小直径的纳米棒发光结构的含量。结果，可以看到，随着纳米棒直径减小，包含在在相同条件下生长的纳米棒发光结构中的In含量可以增加。可以证明，随着图案的直径在200nm至400nm的范围内改变，PL波长的改变范围可以在420nm至480nm的范围内变化。
如上所提出的，根据本发明的示例性实施例，提供了一种通过在同一基底上生长具有不同直径的III族氮化物纳米棒而能够发射各种波长的光的III族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法。
虽然已经结合示例性实施例示出和描述了本发明，对本领域技术人员将是明显的，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修改和改变。
Claims (11)
1.一种Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置，所述Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置包括：
基底；
绝缘膜，形成在基底上并且包括暴露部分基底且具有不同直径的多个开口；以及
多个第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒，具有不同的直径，并且分别形成在所述多个开口中，
其中，每个第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的一部分形成在开口中，每个第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的暴露于开口之外的另一部分具有顺序地形成在其整个表面上的有源层和第二导电半导体层，以形成具有不同直径的纳米棒发光结构，
其中，具有较大直径的纳米棒发光结构的发射波长比具有较小直径的纳米棒发光结构的发射波长短，
其中，具有较大直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的高度比具有较小直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的高度低。
2.如权利要求1所述的Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置，其中，绝缘膜包括多个组，每个组包括具有相同直径的多个开口，并且所述多个组具有不同的直径。
3.如权利要求1所述的Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置，其中，有源层包括至少一对量子阻挡层和量子阱层。
4.如权利要求3所述的Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置，其中，量子阻挡层由AlyGa1-yN形成，0≤y≤1，量子阱层由InxGa1-xN形成，0≤x≤1。
5.如权利要求3所述的Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置，其中，形成在具有较大直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒上的有源层的铟含量小于形成在具有较小直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒上的有源层的铟含量。
6.一种制造Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置的方法，所述方法包括以下步骤：
在基底上形成包括暴露部分基底且具有不同直径的多个开口的绝缘膜；
在开口中生长具有不同直径的多个第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒，以使第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的一部分形成在开口中，并且另一部分暴露于开口之外；以及
在每个第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的暴露于开口之外的另一部分的整个表面上顺序地形成有源层和第二导电半导体层，以形成具有不同直径的纳米棒发光结构，
其中，具有较大直径的纳米棒发光结构的发射波长比具有较小直径的纳米棒发光结构的发射波长短，
其中，具有较大直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的高度比具有较小直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒的高度低。
7.如权利要求6所述的方法，其中，形成包括所述多个开口的绝缘膜的特征在于：在基底上形成绝缘膜，在绝缘膜中形成每个组包括具有相同直径的多个开口的多个组，所述多个组具有不同的直径。
8.如权利要求6所述的方法，其中，第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒具有形成为比开口的直径大10％至20％的直径。
9.如权利要求6所述的方法，其中，有源层包括至少一对量子阻挡层和量子阱层。
10.如权利要求9所述的方法，其中，量子阻挡层由AlyGa1-yN形成，0≤y≤1，量子阱层由InxGa1-xN形成，0≤x≤1。
11.如权利要求6所述的方法，其中，形成在具有较大直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒上的有源层的铟含量小于形成在具有较小直径的第一导电Ⅲ族氮化物纳米棒上的有源层的铟含量。
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