CN102651431A - 制造GaN粉末的方法及氮化物基发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用在GaN基发光器件制造期间产生的GaN蚀刻产物制造GaN粉末的方法及氮化物基发光器件。该方法包括：收集在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物；清洁被收集的GaN蚀刻产物；加热被清洁的GaN蚀刻产物以将铟(In)组分从GaN蚀刻产物中除去；和将除去其中铟组分的GaN蚀刻产物研磨成粉末。本发明还公开一种利用GaN粉末的氮化物基发光器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造氮化镓(GaN)粉末的技术和制造氮化物基(nitride-based)发光器件的技术。
背景技术
发光器件是一种基于器件中的电子和空穴复合而出现的发光现象的半导体器件。
例如，诸如GaN发光器件的氮化物基发光器件被广泛应用。氮化物基发光器件由于其高的带隙能量可以实现多种颜色。此外，氮化物基发光器件展现出良好的热稳定性。
可以根据其中n电极和p电极的排列将氮化物基发光器件划分为横向型和垂直型。在横向型结构中，n电极和p电极一般为顶部-顶部排列，而在垂直型结构中，n电极和p电极一般为顶部-底部排列。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种利用在GaN基(GaN-based)发光器件制造期间产生的GaN蚀刻产物来容易地制造GaN粉末的方法。
本发明的另一个方面是提供一种利用由GaN蚀刻产物制造的GaN粉末的氮化物基发光器件。
根据本发明的一个方面，一种制造GaN粉末的方法包括：收集在GaN基发光器件蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物；清洁被收集的GaN蚀刻产物；加热被清洁的GaN蚀刻产物以从GaN蚀刻产物中除去铟(In)组分；和将除去铟组分的GaN蚀刻产物研磨成粉末。
根据本发明的另一个方面，一种氮化物基发光器件，包括：生长基底；在生长基底上的由GaN粉末形成的GaN粉末层；和形成在GaN粉末层上且具有在其间叠置的多个氮化物层的发光结构。这里，通过清洁、加热和研磨在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物来制备GaN粉末。
根据本发明的又一个方面，一种氮化物基发光器件，包括：生长基底；在生长基底上的由GaN粉末形成的GaN粉末层；在GaN粉末层上的p型氮化物层；在p型氮化物层上的发光活性层；和在发光活性层上的n型ZnO层。这里，通过清洁、加热和研磨在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物来制备GaN粉末。
附图说明
结合附图通过以下实施例的详细描述，本发明的上述及其他方面、特征和优点将变得显而易见。
图1是常规的横向型氮化物基发光器件的剖面视图；
图2示出将要在横向型氮化物基发光器件制造期间被蚀刻的区域；
图3是根据本发明示例性实施例的制造GaN粉末的方法的示意性流程图；
图4是根据本发明的利用GaN粉末的氮化物基发光器件的一个示例性实施例的剖面视图；和
图5是根据本发明的利用GaN粉末的氮化物基发光器件的另一示例性实施例的剖面视图。
具体实施方式
现在参考附图来详细描述本发明的示例性实施例。
应该理解，当提到诸如层、膜、区或者基底的一个元件位于另一元件之上时，其可以直接在另一元件上或者还可以存在插入元件。相比较，当提到一个元件直接位于另一元件上时，则不存在插入元件。
图1是常规的横向型氮化物基发光器件的剖面视图，其中GaN用作氮化物。
参考图1，横向型氮化物基发光器件包括从发光器件的底部叠置的生长基底110、缓冲层120、u-GaN层130、n-GaN层140、发光活性层150和p-GaN层160。此外，该发光器件包括n-GaN层140上的n-电极170和p-GaN层160上的p-电极180。
在图1中示出的横向型氮化物基发光器件中，必须将n-GaN层140暴露以形成n-电极170。
图2示出将要在横向型氮化物基发光器件制造期间被蚀刻的区域。为了暴露n-GaN层140，通过蚀刻除去p-GaN层160、发光活性层150和n-GaN层140的一些区域210，如图2中所示。可以通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻等来执行蚀刻。
在本发明中，在制造GaN粉末的方法中使用在GaN基发光器件制造期间产生的蚀刻产物。
图3是根据本发明示例性实施例的制造GaN粉末的方法的示意性流程图。
参考图3，制造GaN粉末的方法，包括：在操作S310中收集GaN蚀刻产物；在操作S320中清洁GaN蚀刻产物；在操作S330中从GaN蚀刻产物中除去铟(In)组分；和在操作S340中研磨GaN蚀刻产物。
在操作S310中，利用分离器或过滤器来收集GaN基发光器件制造期间产生的GaN蚀刻产物。
在操作S320中，从GaN蚀刻产物中清除出杂质。
可以通过各种方式清洁GaN蚀刻产物。例如，通过利用丙酮或甲醇的超声波清洗工艺来清洁GaN蚀刻产物。该工艺提供优异的清洁效率。
接着，在操作S330中，从GaN蚀刻产物中除去铟(In)组分。由于在发光活性层中通常含有铟组分，所以要将铟组分从GaN蚀刻产物中除去以提高GaN粉末的纯度。可以通过加热GaN蚀刻产物来执行铟组分的除去。
可以在900-1250℃的温度下执行加热。如果加热温度小于900℃，则会花大量时间来实现铟组分的完全除去。另外，如果加热温度超过1250℃，则由于用于除去铟组分的器件结构变得复杂而存在问题。
然后，在操作S340中，将被除去其中铟组分的GaN蚀刻产物研磨以制造GaN粉末。
这里，可以利用球磨机等进行研磨。此外，可以如此执行研磨以便于所制造的GaN粉末具有10nm～1μm的平均颗粒尺寸。考虑到用于下述利用GaN粉末的氮化物基发光器件的GaN粉末的优选平均颗粒尺寸在10nm～1μm的范围内，来决定GaN粉末的该平均颗粒尺寸。
如上所述，在本发明的该实施例中，利用在GaN基发光器件制造期间形成的GaN产物来制造GaN粉末。因此，能够通过简单的收集、清洁、铟去除以及研磨GaN蚀刻产物来制造高纯度的GaN粉末。
所制作的GaN粉末可以用于氮化物基发光器件的晶格缓冲层。
图4是根据本发明的利用GaN粉末的氮化物基发光器件的一个示例性实施例的剖面视图。
参考图4，根据该实施例的氮化物基发光器件包括生长基底410、GaN粉末层420和发光结构430、450、460、470。
在该实施例中，生长基底410可以为在氮化物基发光器件制造中被广泛用作生长基底的蓝宝石基底。另外，在该实施例中，生长基底410可以为诸如单晶硅基底、多晶硅基底等的硅基底。
在生长基底410上形成由GaN粉末组成的GaN粉末层420。
这里，可以通过清洁、加热和研磨在GaN基发光器件制造期间产生的GaN蚀刻产物来制备GaN粉末。
GaN粉末层420用以通过减小由于氮化物层与生长基底之间的晶格常数的差导致的晶格失配(mismatch)，来减小氮化物层生长期间的位错密度(dislocation density)。
例如，当使用硅基底作为生长基底时，在硅基底与氮化物层之间存在非常大的晶格常数差。结果，当在硅基底上生长氮化物层时，位错密度变得非常高，由此导致了发光器件的低发光效率。
由于在生长基底上形成GaN粉末层，且然后在GaN粉末层上生长氮化物层，所以可以减轻晶格失配以减小氮化物生长期间的位错。
此外，当在GaN粉末层上生长氮化物层时，氮化物层首先在垂直方向上生长，然后在水平方向上生长，由此氮化物层能够平坦生长。
可以通过旋涂器等来将GaN粉末贴附或固定于生长基底410。
为了使得粉末容易地被贴附或固定于生长基底410，生长基底410可以包含具有凸起和凹陷的不平坦表面。可以将表面不平坦形成为特定或任意图案。可以通过诸如蚀刻等各种方法来形成生长基底410的表面不平坦。
当生长基底410具有不平坦表面，可以容易地将GaN粉末贴附或固定到生长基底410的表面凹陷处。
接着，将更加详细地描述形成GaN粉末层420的方法。
首先，利用旋涂器等将GaN粉末涂敷到生长基底上。然后，在例如CVD室的腔室中，将生长基底在氨气气氛下加热到大约800-1200℃的温度，以便于将GaN粉末贴附到生长基底。在这种情况下，可以将生长基底轻微蚀刻以形成不平坦表面。生长基底的表面不平坦促进了GaN粉末贴附或固定于其上。
或者，利用包含GaN粉末的溶液，通过将所述溶液旋涂到生长基底上并干燥该生长基底来形成GaN粉末层。这里，可以利用诸如丙酮、甲醇、乙二醇等各种溶剂来制备含有GaN粉末的溶液。
可以选择上述方法的任意一种或两种一起使用来形成利用GaN粉末的GaN粉末层。例如，通过在生长基底上旋涂含有GaN粉末的溶液并干燥该生长基底，随后在腔室中加热生长基底来形成GaN粉末层。
GaN粉末可以具有10nm～1μm的平均颗粒尺寸。粉末的平均颗粒尺寸越小，抑制氮化物生长期间的位错发生的效果越好。如果GaN粉末的平均颗粒尺寸超出1μm，则抑制位错发生的效果不够充分，导致所制造的氮化物基发光器件的低发光效率。如果GaN粉末的平均颗粒尺寸小于10nm，则会过度地增加GaN粉末的制造成本，由此导致氮化物基发光器件的制造成本提高。
然后，在GaN粉末层420上形成发光结构430-470。
通过叠置多层氮化物层来形成发光结构。更具体地，发光结构包括第一导电型氮化物层450、发光活性层460和第二导电型氮化物层470。
可以将第一导电型氮化物层450形成在GaN粉末层420上。
第一导电型氮化物层450根据其中掺杂的杂质展现出n型层或p型层的特性。例如，如果通过在氮化物层掺杂诸如硅(Si)的n型杂质来形成第一导电型氮化物层450，则第一导电型氮化物层450展现出n型半导体的特性。另一方面，如果通过在氮化物层掺杂诸如镁(Mg)的p型杂质来形成第一导电型氮化物层450，则第一导电型氮化物层450展现出p型层的特性。
将发光活性层460形成在第一导电型氮化物层450上。发光活性层460可以具有多量子阱(MQW)结构。例如，发光活性层460具有使InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)和GaN交替地互相叠置的结构。
在发光活性层460中，穿越n型氮化物层的电子与穿越p型氮化物层的空穴复合以产生光。
第二导电型氮化物层470形成于发光活性层460上并展现出与第一导电型氮化物层450相反的电特性。
例如，如果第一导电型氮化物层450为n型GaN层，则第二导电型氮化物层470为p型GaN层。N型GaN层可以通过将Si掺杂到GaN层中来形成，而p型GaN层可以通过将Mg掺杂到GaN层中来形成。
同样，如果第一导电型氮化物层450为n型GaN层而第二导电型氮化物层470为p型GaN层，则可以采用n型硅基底作为生长基底410。当采用n型硅基底时，可以将n型层形成为发光活性层460下面的各层。此外，当采用n型硅基底时，硅基底可以用作n电极，由此免除了除去基底的工艺和形成n电极的工艺。因此，当采用n型硅基底时，不仅能够容易地制造横向性发光器件，还能够容易地制造具有相对较宽的发光面积以容易实现具有高亮度发光的垂直型发光器件。
此外，当使用n型硅基底作为生长基底时，n型硅基底在高温下的氮化物生长期间经受轻微的弓曲，由此使得氮化物层均匀地生长。
图4中示出的发光结构还可以在GaN粉末层420上包括缓冲层430。在这种情况下，第一导电型氮化物层450形成在缓冲层430上。
缓冲层430用于减轻在作为异质材料的氮化物层生长期间对生长基底产生的应力。缓冲层430可以由诸如AlN、ZrN、GaN等的氮化物材料形成。
如果第一导电型氮化物层450为n型氮化物层，则缓冲层430也可以为n型缓冲层。用于缓冲层430的氮化物通常具有高的电阻抗。然而，如果缓冲层430为n型氮化物层，则缓冲层具有低的电阻抗。因此，能够提高氮化物基发光器件的工作效率。
特别地，当使用n型硅基底作为生长基底410时，由于注入生长基底410中的电子可以容易地到达发光活性层而不受势垒的影响，则能够进一步提高发光器件的工作效率。
此外，可以在缓冲层430上形成未掺杂的氮化物层440以进一步促进晶格匹配。在这种情况下，在未掺杂的氮化物层440上形成第一导电型氮化物层450。可以使用具有未掺杂基底的未掺杂氮化物层440。
图5是根据本发明的利用GaN粉末的氮化物基发光器件的另一个实施例的剖面视图。
参考图5，根据该实施例的氮化物基发光器件包括生长基底510、GaN粉末层520、p型氮化物层540、发光活性层550和n型ZnO层560。
在图5示出的实施例中，生长基底510和GaN粉末层520与图4中示出的生长基底410和GaN粉末层420相同，且因此在这里省略其详细描述。
P型氮化物层540形成在GaN粉末层520上。通过掺杂诸如镁(Mg)的p型杂质来形成p型氮化物层540以确保p型层的电特性。
常规地，在制造氮化物基发光器件的方法中，在形成发光活性层之后，在最后阶段形成p型氮化物层。这里，在降低的生长温度下生长p型氮化物层以抑制p型杂质在p型氮化物层形成期间对发光活性层的影响。结果p型氮化物层的晶体质量被恶化，导致发光效率的恶化。
然而，在图5中示出的实施例中，在发光活性层550之前形成p型氮化物层540，由此确保p型氮化物层的高晶体质量。
发光活性层550形成在p型氮化物层540上。发光活性层550可以具有多量子阱(MQW)结构。例如，发光活性层550可以具有使InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)和GaN交替地互相叠置的结构或者使InxZn1-xO(0.1≤x≤0.3)和ZnO交替地互相叠置的结构。
n型ZnO层560形成在发光活性层550上，且展现出与p型氮化物层540的电特性相反的n型层的电特性。虽然ZnO为n型材料，但是与利用n型杂质形成的n型层的电特性相比，ZnO具有不显著的电特性，且可以仅充当电流路径。因此，可以将诸如硅(Si)的n型杂质掺杂到n型ZnO层560中。
ZnO具有基本上与GaN的晶体结构相同的纤维锌矿晶体结构。另外，由于ZnO可以在大约700-800℃的温度下生长，所以能够通过最小化ZnO生长期间对发光活性层550的影响来提高晶体质量。因此，该实施例的n型ZnO层560可以替代在大约1200℃的高温下生长的n型GaN层。
此外，与使用n型GaN层的情况相比，n型ZnO层560的应用导致亮度进一步提高。
同样地，在图5的实施例中，首先将p型氮化物层540形成在生长基底510上，然后将n型ZnO层560形成在发光活性层550上。
此时，可以采用p型硅基底作为生长基底510。当采用p型硅基底时，可以将p型层形成为发光活性层550下面的各层。此外，当采用p型硅基底时，甚至在垂直发光器件的制造中，硅基底可以用作p电极，由此免除除去基底的工艺和形成p电极的工艺。
因此，当采用p型硅基底时，不仅能够容易地制造横向型发光器件，还可以容易地制造具有相对较宽的发光面积以容易实现具有高亮度的发光的垂直型发光器件。
另一方面，图5中示出的发光结构还可以包括在GaN粉末层520与p型氮化物层540之间的氮化物缓冲层530。
特别地，当缓冲层530为p型层且采用p型硅基底作为生长基底510时，空穴可以从p型硅基底510穿越到发光活性层550，而没有势垒影响，由此进一步提高发光器件的工作效率。
此外，当缓冲层530为p型缓冲层时，缓冲层530中诸如镁(Mg)的杂质可以移动到生长基底510中。在这种情况下，该基底展现出p型层的电特性。因此，与常规的垂直型发光器件的制造不同，即使使用具有绝缘特性的蓝宝石基底作为生长基底510，也不需要除去蓝宝石基底。
如上所述，在根据该实施例的制造氮化物基发光器件的方法中，GaN粉末层由GaN粉末形成，由此最小化由于硅基底与氮化物层之间的晶格失配的差在氮化物层的生长期间引起位错的产生。因此，能够提高所制造的氮化物基发光器件的光提取效率(light extraction efficiency)。
同样，根据该实施例，GaN粉末制造方法采用在GaN基发光器件制造期间产生的GaN蚀刻产物，以便于通过简单的工艺制备昂贵的GaN粉末。
此外，根据该实施例，氮化物基发光器件包括利用由通过GaN蚀刻产物制备的GaN粉末形成的GaN层，因此最小化由于硅基底与氮化物层之间的晶格常数的差在氮化物生长期间引起的位错的产生。
虽然本文中已经描述了一些实施例，但是，本领域技术人员应该理解，这些实施例仅是通过示例性的方式给出，在不脱离本发明的精神和范围内，可以进行各种改进、变型和替代。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其等同形式来限制。
Claims (14)
1.一种制造GaN粉末的方法，其特征在于：利用在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物作为GaN粉末的原材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：
收集在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物；
清洁被收集的GaN蚀刻产物；
加热被清洁的GaN蚀刻产物以将铟组分从GaN蚀刻产物中除去；以及
将除去了铟组分的GaN蚀刻产物研磨成粉末。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：通过利用丙酮或者甲醇的超声波清洗来清洁所述被收集的GaN蚀刻产物。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：通过将GaN蚀刻产物加热到900-1250℃的温度来加热所述被清洁的GaN蚀刻产物。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：研磨GaN蚀刻产物，使得产生的GaN粉末具有10nm～1μm的平均颗粒尺寸。
6.一种包括在生长基底与发光结构之间的GaN粉末层的氮化物基发光器件，其特征在于包括：
生长基底；
GaN粉末层，所述GaN粉末层由在所述生长基底上的GaN粉末形成；以及
发光结构，所述发光结构形成在该GaN粉末层上且其中具有叠置的多层氮化物层，
通过清洁、加热和研磨在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物来制备所述GaN粉末层的GaN粉末。
7.根据权利要求6所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述发光结构包括：形成于所述GaN粉末层上的缓冲层；形成于所述缓冲层上的n型氮化物层；形成于所述n型氮化物层上的发光活性层；以及形成于所述发光活性层上的p型氮化物层。
8.根据权利要求7所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述生长基底为n型硅基底。
9.根据权利要求7所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述缓冲层由n型氮化物形成。
10.根据权利要求7所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述发光结构还包括在所述缓冲层与所述n型氮化物层之间的未掺杂的氮化物层。
11.一种包括在生长基底与p型发光结构之间的GaN粉末层的氮化物基发光器件，其特征在于包括：
生长基底；
GaN粉末层，所述GaN粉末层由在所述生长基底上的GaN粉末形成；
p型氮化物层，所述p型氮化物层形成在该GaN粉末层上；
发光活性层，所述发光活性层形成在该p型氮化物层上；以及
n型ZnO层，所述n型ZnO层形成在该发光活性层上，
通过清洁、加热和研磨在GaN基发光器件的蚀刻期间产生的GaN蚀刻产物来制备所述GaN粉末层的GaN粉末。
12.根据权利要求11所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述生长基底为p型硅基底。
13.根据权利要求11所述的氮化物基发光器件，其特征在于还包括：缓冲层，所述缓冲层在所述GaN粉末层与所述p型氮化物层之间且由氮化物形成。
14.根据权利要求13所述的氮化物基发光器件，其特征在于：所述缓冲层由p型氮化物形成。
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