CN102593279B - 制造发光二极管的方法和由此制造的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制造发光二极管的方法及通过该方法制造的发光二极管。该方法包括：在第一反应室中在基底上顺序地生长第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层；将其上生长有第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层的基底转移至第二反应室；在第二反应室中在未掺杂氮化物半导体层上生长附加第一导电类型氮化物半导体层；在附加第一导电类型氮化物半导体层上生长有源层；以及在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。

Description

制造发光二极管的方法和由此制造的发光二极管
本申请要求于2011年1月5日提交到韩国知识产权局的第10-2011-0000916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
本发明涉及一种制造发光二极管的方法以及由此制造的发光二极管。
背景技术
发光二极管(LED)是这样一种半导体装置，当将电流施加至LED时，LED能够因在p-n结处发生电子-空穴复合而发射各种颜色的光。这样的LED优于基于灯丝的发光装置之处在于：LED的寿命长、电源供给低、初始操作特性优异且抗震性高。这些因素不断地增加对LED的需求。具体地讲，近来在蓝/短波长区域中能够发光的III族氮化物半导体受到许多关注。
构成使用III族氮化物半导体的发光装置的氮化物半导体晶体生长在蓝宝石基底或SiC基底上。为了生长半导体晶体，通过化学气相沉积工艺在基底上沉积多个气态源。半导体层的质量(结晶度、掺杂均匀性等)会极大地影响半导体发光装置的发光性能和可靠性。这里，半导体层的质量可以取决于用于半导体薄膜生长的气相沉积设备的结构、内环境和使用条件。因此，该技术领域内需要通过使气相沉积工艺最优化来改善半导体层质量的方法。
发明内容
本发明的一方面提供了一种制造发光二极管(LED)的方法，在该方法中，系统的操作能力和生产率可以得到提高，同时，通过该方法获得的半导体层的结晶度可以得到改善。
根据本发明的一方面，提供了一种制造发光二极管的方法，该方法包括：在第一反应室中在基底上顺序地生长第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层；将其上生长有第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层的基底转移至第二反应室；在第二反应室中在未掺杂氮化物半导体层上生长附加第一导电类型氮化物半导体层；在附加第一导电类型氮化物半导体层上生长有源层；以及在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
在将基底转移至第二反应室的过程中，未掺杂氮化物半导体层的部分可以暴露到空气。
可以在第二反应室中执行有源层和第二导电类型氮化物半导体层的生长。
可以在第二反应室中执行有源层的生长。生长第二导电类型氮化物半导体层可以包括：将其上生长有有源层的基底转移至第三反应室；以及在第三反应室中在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
生长有源层可以包括：将其上生长有附加第一导电类型氮化物半导体层的基底转移至第三反应室；以及在第三反应室中在附加第一导电类型氮化物半导体层上生长有源层。
生长第二导电类型氮化物半导体层可以包括：将其上生长有有源层的基底转移至第四反应室；以及在第四反应室中在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
第一导电类型氮化物半导体层和附加第一导电类型氮化物半导体层可以由相同的材料形成。
第一导电类型氮化物半导体层和附加第一导电类型氮化物半导体层可以由n型GaN形成，未掺杂氮化物半导体层可以由未掺杂GaN形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种发光二极管，该发光二极管包括：第一导电类型氮化物半导体层和第二导电类型氮化物半导体层；有源层，设置在第一导电类型氮化物半导体层和第二导电类型氮化物半导体层之间；以及未掺杂氮化物半导体层，设置在第一导电类型氮化物半导体层内以沿厚度方向将第一导电类型氮化物半导体层分成两个区域。
第一导电类型氮化物半导体层可以由n型GaN形成，未掺杂氮化物半导体层可以由未掺杂GaN形成。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的以上和其他方面、特征和其他优点将被更清楚地理解，在附图中：
图1至图5是示出根据本发明示例性实施例的制造发光二极管(LED)的方法的示意性剖视图；以及
图6和图7是示出根据本发明另一示例性实施例的制造发光二极管(LED)的方法的示意性剖视图。
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被解释为局限于这里提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完全的，并且这些实施例将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在附图中，为了清楚起见可以夸大形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用来代表相同或相似的组件。
图1至图5是示出根据本发明示例性实施例的制造发光二极管(LED)的方法的示意性剖视图。如图1中所示，在基底101上生长第一导电类型氮化物半导体层102。在第一反应室201中进行该操作。可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)等来执行第一导电类型氮化物半导体层102的生长。在这种情况下，虽然未具体地示出，但第一反应室201可以具有包括基座和气流通路的结构，其中，基底101设置在基座内，源气体通过气流通路前进。
设置基底101用于半导体层的生长，可以使用由蓝宝石、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2、LiGaO2、GaN、Si等形成基底。蓝宝石基底由具有Hexa-RhomboR3c对称性的晶体形成，并且沿C轴具有的晶格常数以及沿A轴具有的晶格常数。蓝宝石基底的取向面包括C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面等。具体地讲，由于C面便于氮化物膜的生长且在高温下稳定，所以主要将C面用作用于氮化物生长的基底。
第一导电类型氮化物半导体层102可以由具有AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1)的组分式且掺杂有诸如Si等n型杂质的半导体材料形成。然而，本发明不限于此。例如，第一导电类型氮化物半导体层102可以由n型GaN形成。虽然未示出，但在生长第一导电类型氮化物半导体层102之前可以生长诸如未掺杂半导体层的缓冲层，从而可以将第一导电类型氮化物半导体层102的晶体特性的劣化最小化。
接下来，如图2中所示，在第一导电类型氮化物半导体层102上生长未掺杂氮化物半导体层103，该操作也是在第一反应室201中进行。根据本实施例，在使用两个或更多的反应室来生长构成发光二极管的半导体层的情况下，第一导电类型氮化物半导体层102在基底在反应室之间的转移过程中会暴露到空气，由此，第一导电类型氮化物半导体层102的表面会被污染而导致质量劣化。例如，在Si掺杂GaN层暴露到空气的情况下，在Si掺杂GaN层的表面上会生成硅的氧化物。在本实施例中，在基底转移之前，在第一反应室201中在第一导电类型氮化物半导体层102上生长未掺杂氮化物半导体层103，然后，将如下面所描述的，在未掺杂氮化物半导体层103上生长附加第一导电类型氮化物半导体层104(见图3)。因此，在基底101的转移过程中可以保护第一导电类型氮化物半导体层102，从而将不期望的氧化物的产生最小化。在这种情况下，通过示例的方式，未掺杂氮化物半导体层103可以由未掺杂GaN形成。同时，术语“未掺杂”指如下状态：具有其自身掺杂浓度的氮化物半导体未被故意掺杂。
接下来，如图3中所示，在第二反应室202中在未掺杂氮化物半导体层103上生长附加第一导电类型氮化物半导体层104。为了实现该操作，将其上生长有第一导电类型氮化物半导体层102和未掺杂氮化物半导体层103的基底101从第一反应室201转移至第二反应室202。转移基底101的方法不受具体的限制，可以手动或通过使用装载闭锁室(load lock chamber)执行转移工艺。在本实施例中提出的方法会在如下情况下有用：在基底暴露到空气的状态下执行转移工艺。在这种情况下，如上所述，未掺杂氮化物半导体层103可以将可以由在转移工艺过程中由暴露到空气导致的对第一导电类型氮化物半导体层102的损坏最小化。附加第一导电类型氮化物半导体层104可以由具有AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1)的组分式且掺杂有诸如Si等n型杂质的半导体材料形成，但不限于此。附加第一导电类型氮化物半导体层104可以由与第一导电类型氮化物半导体层102的材料相同的材料形成，它可以由例如n型GaN形成。
同时，在本实施例中，使用两个或更多的反应室来生长构成发光结构的半导体层，从而实现减小在半导体层生长过程中缺陷发生所消耗的处理成本和时间。具体地讲，在单独的第一反应室201和第二反应室202中同时生长构成发光结构的半导体层的情况下，例如，在单独的第一反应室201和第二反应室202中同时生长第一导电类型氮化物半导体层102、第二导电类型氮化物半导体层106和有源层105的情况下，使用单个的第一反应室201和第二反应室202的时间周期相对长，并且与在本实施例中描述的分开生长半导体层相比，发生缺陷所消耗的处理时间和源气体量相对高。此外，由于通过单个沉积设备在相对短的时间周期内完成了初始生长工艺，所以可以灵活地实施在后续生长工艺之前的沉积设备的维修和维护。在这种情况下，第一反应室201和第二反应室202可以采用同一沉积工艺，但是可以为不同的沉积设备。即，第一反应室201和第二反应室202二者均可以为MOCVD设备，或者第一反应室201可以为HVPE设备而第二反应室202可以为MOCVD设备。此外，即使在第一反应室201和第二反应室202为MOCVD设备的情况下，它们的结构也可以不同。例如，第一反应室201可以允许反应气体沿相对于基座的垂直方向注入，然而，第二反应室202可以允许反应气体沿与基座平行的方向注入。
除了上述优点之外，由于构成发光结构的单个半导体层的诸如生长温度、源气体气氛等的条件不同，所以将多个反应室201和202设计成维持其中单独的半导体层的生长条件，从而便于单独的半导体层的处理并减小单独的半导体层的劣化。在生长条件被恒定地维持的反应室201和202中通过分开地生长半导体层来生长发光结构的情况下，可以提高各个半导体层的晶体质量和掺杂特性。例如，在第一导电类型氮化物半导体层102包括n型GaN的情况下，在大约1000℃至1300℃生长第一导电类型氮化物半导体层102。在第二导电类型氮化物半导体层106包括p型GaN的情况下，在大约700℃至1100℃的相对低的温度下生长第二导电类型氮化物半导体层106，并且使用其内的生长温度和源气体气氛适合于第二导电类型氮化物半导体层106的第二反应室202，从而改善了第二导电类型氮化物半导体层106的质量。考虑到在第二反应室202中生长附加第一导电类型氮化物半导体层104，所以在第二反应室202中恒定地维持生长条件会有困难。因此，如将在下面的实施例中所描述的，可以使用附加反应室。
然后，如图4中所示，在附加第一导电类型氮化物半导体层104上生长有源层105和第二导电类型氮化物半导体层106。可以在第二反应室202中进行该操作而无需转移基底101，或者可以在分开的室中执行该操作以维持其中的适合于单独半导体层的生长条件。有源层105可以设置在第一导电类型氮化物半导体层104和第二导电类型氮化物半导体层106之间，可以通过电子-空穴复合发射具有预定能量水平的光，并且可以具有其中量子阱层和量子势垒层交替堆叠的多量子阱(MQW)结构。例如，MQW结构可以是AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1、0≤y≤1且0≤x+y≤1)的多层结构并且例如可以使用InGaN/GaN结构。在这种情况下，可以通过使用诸如MOCVD等的工艺以与第一导电类型氮化物半导体层102和104的方式相同的方式来生长有源层105。第二导电类型氮化物半导体层106可以由具有AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1)的组分式且掺杂有诸如Mg、Zn等杂质的p型氮化物半导体材料形成。例如，第二导电类型氮化物半导体层106可以由p型GaN形成。
然后，如图5中所示，在完成第二导电类型氮化物半导体层106的生长之后，在第一导电类型氮化物半导体层102的通过部分除去发光结构而暴露的暴露表面和第二导电类型氮化物半导体层106上分别形成第一电极107和第二电极108。在考虑到光反射特性、欧姆接触特性等的情况下，可以通过本领域已知材料的沉积、溅射等来形成第一电极107和第二电极108。如图5中示出的电极107和108的形状仅仅是示例性的。可以在发光结构上的不同位置处形成电极107和108。例如，在没有蚀刻发光结构的情况下，可以在第一导电类型氮化物半导体层102的在除去基底101之后被暴露的表面上形成电极。通过上述方法制造的发光二极管具有如下结构：未掺杂氮化物半导体层103设置在第一导电类型氮化物半导体层102和104之间，从而沿它们的厚度方向将第一导电类型氮化物半导体层102和104分成两个区域。
同时，在上述的实施例中，使用两个反应室201和202分开地生长半导体层。然而，如果需要，则可以增加反应室的数量。
图6和图7是示出根据本发明另一示例性实施例的制造发光二极管(LED)的方法的示意性剖视图。不同于前述实施例，在图6的实施例的情况下，在第二反应室202中生长附加第一导电类型氮化物半导体层104和有源层105之后，将基底101转移至第三反应室203。可以通过装载闭锁室在真空状态下执行该转移工艺，从而有源层105不会被损坏。在基底101转移至第三反应室203之后，在有源层105上另外地生长第二导电类型氮化物半导体层106。如在本实施例中所描述的，可以在指定的室(即，第三反应室203)中分开地生长第二导电类型氮化物半导体层106，在该指定的室中维持了适合于第二导电类型氮化物半导体层106的生长温度和源气体气氛，因此，可以改善第二导电类型氮化物半导体层106的晶体特性，同时可以提高处理效率。
根据图7的实施例，也可以在指定的室中生长有源层105。因此，预计可以改善有源层105的结晶度，这对发光效率具有巨大影响。即，在第二反应室202中生长附加第一导电类型氮化物半导体层104之后，将基底101转移至第三反应室203并在第三反应室203中生长有源层105。然后，将基底101转移至第四反应室204并在第四反应室204中生长第二导电类型氮化物半导体层106。在图7的实施例中，可以通过装载闭锁室在真空状态下执行基底101至第三反应室203的转移，从而附加第一导电类型氮化物半导体层104不会被损坏。
如上所述，在根据本发明示例性实施例的制造发光二极管的方法中，系统的操作能力和生产率可以得到提高。此外，通过该方法获得的半导体层的结晶度可以得到改善。具体地讲，在使用两个或多个的反应室来生长构成发光二极管的半导体层的情况下，在基底的转移过程中可以将半导体层的污染最小化。
虽然已结合示例性实施例示出和描述了本发明，对本领域技术人员明显的将是，在不脱离本发明的由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以做出变型和改变。

Claims (8)

1.一种制造发光二极管的方法，所述方法包括：
在第一反应室中在基底上顺序地生长第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层；
将其上生长有第一导电类型氮化物半导体层和未掺杂氮化物半导体层的基底转移至第二反应室；
在第二反应室中在未掺杂氮化物半导体层上生长附加第一导电类型氮化物半导体层；
在附加第一导电类型氮化物半导体层上生长有源层；以及
在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在将基底转移至第二反应室的过程中，未掺杂氮化物半导体层的部分暴露到空气。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在第二反应室中执行有源层和第二导电类型氮化物半导体层的生长。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在第二反应室中执行有源层的生长，并且生长第二导电类型氮化物半导体层包括：
将其上生长有有源层的基底转移至第三反应室；以及
在第三反应室中在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
5.如权利要求1所述的方法，其中，生长有源层包括：
将其上生长有附加第一导电类型氮化物半导体层的基底转移至第三反应室；以及
在第三反应室中在附加第一导电类型氮化物半导体层上生长有源层。
6.如权利要求5所述的方法，其中，生长第二导电类型氮化物半导体层包括：
将其上生长有有源层的基底转移至第四反应室；以及
在第四反应室中在有源层上生长第二导电类型氮化物半导体层。
7.如权利要求1所述的方法，其中，第一导电类型氮化物半导体层和附加第一导电类型氮化物半导体层由相同的材料形成。
8.如权利要求1所述的方法，其中，第一导电类型氮化物半导体层和附加第一导电类型氮化物半导体层由n型GaN形成，未掺杂氮化物半导体层由未掺杂GaN形成。
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