CN102651433A - 使用硅基底的氮化物基发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用硅基底的氮化物基发光器件及其制造方法。所述氮化物基发光器件包括硅(Si)基底、形成在所述硅基底上的用于氮化物生长的籽晶层、以及形成在所述籽晶层上并堆叠有多层氮化物层的发光结构。所述用于氮化物生长的籽晶层包括GaN粉末，从而使由氮化物层和硅基底之间的晶格常数之差所导致的位错的发生最小化。

Description

使用硅基底的氮化物基发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造氮化物基发光器件的技术。
背景技术
发光器件是一种基于该器件中的电子和空穴复合时所产生的发光现象的半导体器件。
例如，诸如GaN发光器件等氮化物基发光器件得到了广泛的应用。氮化物基发光器件由于其带隙能量高的缘故可以实现各种颜色。此外，氮化物基发光器件呈现出优异的热稳定性。
氮化物基发光器件根据其内部n电极和p电极的排列可以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。
在有关技术中，当制造氮化物基发光器件时，一般采用蓝宝石基底作为生长基底。
然而，蓝宝石基底具有负面的热学特性。因此，如果采用蓝宝石基底作为生长基底，会发生晶片弯曲，其中，在高温下生长氮化物时，所述基底会弯曲。
此外，如果采用蓝宝石基底作为生长基底，那么，由于其绝缘特性之故，很难制造垂直型发光器件。
另一方面，硅基底比蓝宝石基底便宜很多，并且具有优异的热学和电学特性。然而，在制造氮化物基发光器件时，不常采用硅基底作为生长基底。这是因为，当在硅基底上生长氮化物层时，由于硅基底和氮化物层之间的晶格常数的差异很大，在生长的氮化物层中会产生很多位错。这些位错对氮化物基发光器件的电学特性有不利的影响。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种使用硅基底作为生长基底的氮化物基发光器件。
本发明的另一方面提供了一种氮化物基发光器件的制造方法，该氮化物基发光器件在使用硅基底作为生长基底的同时能够使氮化物生长期间的位错产生最小化。
根据本发明的一个方面，一种氮化物基发光器件包括：硅基底；形成在所述硅基底上的用于氮化物生长的籽晶层；以及形成在所述籽晶层上并堆叠有多层氮化物层的发光结构。这里，所述籽晶层包括GaN粉末。
所述硅基底可以是n型硅基底。
根据本发明的另一方面，一种氮化物基发光器件的制造方法包括：在硅基底上形成用于氮化物生长的籽晶层；以及在所述籽晶层上顺序地形成多层氮化物层以形成发光结构。
所述用于氮化物生长的籽晶层可以包括GaN粉末。
附图说明
从结合附图对下面的实施例进行的详细描述中，可以很明显看到本发明的上述及其它方面、特征和优点：
图1是本发明的一个示例性实施例所述的氮化物基发光器件的示意剖面图；以及
图2是本发明的一个示例性实施例所述的氮化物基发光器件的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明的示例性实施例。
应该明白，当一个元素(诸如层、膜、区域或基底)被称作在另一元素“之上”时，可以是该元素直接在所述另一元素之上，也可以是存在插入的元素。相反，当一个元素被称作“直接”在另一元素“之上”时，则不存在插入的元素。
图1是本发明的一个示例性实施例所述的氮化物基发光器件的示意剖面图。
参看图1，所述氮化物基发光器件包括硅基底110、用于氮化物生长的籽晶层120、以及发光结构130。
硅基底110可以是晶向为100、111或110的单晶硅基底。或者，硅基底110可以是多晶硅基底。
与蓝宝石基底相比，硅基底具有成本低、热学和电学特性优异的优点。
然而，当在硅基底上生长氮化物层时，由于硅基底和氮化物层之间的晶格常数相差很大，因此会产生许多位错。这些位错导致发光器件的发光效能降低。
因此，根据本发明，当在硅基底110上生长氮化物层时，首先在硅基底110上生长用于氮化物生长的籽晶层120，然后再在其上生长氮化物层，从而使位错的产生最小化。
籽晶层120形成在硅基底110的上面一侧，并用作氮化物生长的籽晶。
用于氮化物生长的籽晶层120可以包括一种材料，该材料能与在其上生长的氮化物层晶格匹配。由于GaN通常被用于氮化物基发光器件，因此，籽晶层120可以有利地包括GaN粉末。
当使用GaN粉末作籽晶生长GaN层时，可以使GaN层生长期间因晶格失配而引起的位错的产生最小化。另外，当在GaN粉末层上生长氮化物层时，氮化物层开始时沿垂直方向生长，然后沿水平方向生长，由此能够生长出平坦的氮化物层。
所述GaN粉末可以通过旋涂等方法附着或固定在硅基底110上。
为了使GaN粉末容易地附着或固定在硅基底110上，硅基底110可以具有形成有凸起和凹陷的不平表面。所述表面不平可以形成为特定或随机图案。硅基底110的表面不平可以通过诸如刻蚀等各种方法来形成。
当硅基底110具有不平的表面时，GaN粉末可以容易地附着或固定在硅基底110上的凹陷处。
GaN粉末可以具有10nm-1μm的平均颗粒尺寸。所述粉末的平均颗粒尺寸越小，氮化物生长期间抑制位错产生的效果就越好。如果GaN粉末的平均颗粒尺寸超过1μm，那么抑制位错产生的效果就不充分，从而导致制造出的氮化物基发光器件的发光效率低。如果GaN粉末的平均颗粒尺寸小于10nm，那么GaN粉末的制造成本就过度地增加，从而导致氮化物基发光器件的制造成本增加。
接着，在用于氮化物生长的籽晶层120上形成发光结构130。
发光结构130通过将多层氮化物层一层在另一层上地堆叠起来而形成。
更具体地说，发光结构130包括第一导电型氮化物层131、发光有源层132以及第二导电型氮化物层133。
第一导电型氮化物层131形成在籽晶层120上。
第一导电型氮化物层131根据在其中掺杂的杂质可以呈现出n型层或p型层的特性。例如，如果第一导电型氮化物层131通过将诸如硅(Si)的n型杂质掺杂到氮化物层中来形成，那么，第一导电型氮化物层131就会呈现n型半导体的特性。另一方面，如果第一导电型氮化物层131通过将诸如镁(Mg)的p型杂质掺杂到氮化物层中来形成，那么，第一导电型氮化物层131就会呈现p型半导体的特性。
发光有源层132形成在第一导电型氮化物层131上。发光有源层132可以具有多量子阱(multiple quantum well，MQW)结构。例如，发光有源层132可以具有InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)和GaN一层在另一层上交替堆叠的结构。
在发光有源层132中，穿过n型氮化物层的电子与穿过p型氮化物层的空穴复合来产生光。
第二导电型氮化物层133形成在发光有源层132上并呈现出与第一导电型氮化物层131的电学特性相反的电学特性。
例如，如果第一导电型氮化物层131为n型GaN层，那么，第二导电型氮化物层133可以为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。
这样，如果第一导电型氮化物层131为n型GaN层，而第二导电型氮化物层133为p型GaN层，那么，可以采用n型硅基底作为硅基底110。当采用n型硅基底时，在发光有源层132之下可以形成n型层作为各个层。另外，当采用n型硅基底时，所述硅基底可以用作n电极，从而取消了形成n电极的过程。因此，当对该n型硅基底掺杂时，不仅可以容易地制造横向型发光器件，而且可以容易地制造具有较宽广的发光区域从而容易实现高亮度光发射的垂直型发光器件。
另外，当使用n型硅基底作为生长基底时，在高温下生长氮化物期间，所述硅基底产生不显著的弯曲，从而可以使氮化物层均匀地生长。
发光结构130在籽晶层120上可以进一步包括缓冲层134。在这种情形中，第一导电型氮化物层131形成在缓冲层134上。
缓冲层134用来消除在生长基底上生长作为异质材料(hetero-material)的氮化物层时所产生的应力。缓冲层134可以包括诸如AlN、ZrN、GaN等氮化物材料。
如果第一导电型氮化物层131为n型氮化物层，那么，缓冲层134也可以为n型氮化物层。用于缓冲层134的氮化物一般具有高电阻。然而，如果缓冲层134为n型氮化物层，那么，该缓冲层具有低电阻。因此，可以提高所述氮化物基发光器件的工作效率。
具体说，当硅基底110也具有n型电学特性时，由于注入硅基底110中的电子能够容易地到达发光有源层132而不受势垒的阻碍，因此可以进一步提高所述发光器件的工作效率。
此外，在缓冲层134上可以形成未掺杂氮化物层135以进一步便于晶格匹配。在这种情形中，第一导电型氮化物层131形成在未掺杂氮化物层135上。未掺杂氮化物层135可以与未掺杂基底一起使用。
图2是本发明的一个示例性实施例所述的氮化物基发光器件的制造方法的流程图。
参看图2，所述氮化物基发光器件的制造方法包括形成用于氮化物生长的籽晶层的操作S210以及形成发光结构的操作S220。
在操作S210中，在硅基底上形成用于氮化物生长的籽晶层。
这里，所述用于氮化物生长的籽晶层可以包括GaN粉末。
所述用于氮化物生长的籽晶层可以以下述方式使用GaN粉末来形成。
首先，使用旋涂机或类似物在硅基底上涂覆GaN粉末。然后，在一个腔(例如，CVD腔)中在氨气氛中将所述硅基底加热到约800-1200℃，使得所述GaN粉末附着到硅基底上。在这种情形中，可以对所述硅基底进行轻微的刻蚀以形成不平的表面。所述硅基底的表面不平性有助于所述GaN粉末附着或固定在其上。
或者，通过使用含有GaN粉末的溶液、将该溶液旋涂在所述硅基底上并将所述基底干燥来形成所述用于氮化物生长的籽晶层。这里，包含GaN粉末的溶液可以使用各种溶剂(诸如，丙酮、甲醇、乙二醇等)来制备。
可以有选择地使用上述任一方法或上述两种方法来形成所述用于氮化物生长的籽晶层。例如，可以通过在硅基底上旋涂包含GaN粉末的溶液并将所述基底干燥、然后在腔中对所述硅基底进行加热来形成所述用于氮化物生长的籽晶层。
接着，在形成所述发光结构的操作中，通过在所述用于氮化物生长的籽晶层上顺序地生长多层氮化物层来形成所述发光结构。
通过一层在另一层上顺序地堆叠第一导电型氮化物层、发光有源层以及第二导电型氮化物层来形成所述发光结构。在一些实施例中，在形成所述第一导电型氮化物层之前，进一步形成缓冲层或未掺杂氮化物层。
如上面所说明的，所述实施例中的氮化物基发光器件的制造方法使用硅基底作为生长基底，从而提供了硅基底的各种优点。
另外，在所述实施例中的氮化物基发光器件的制作方法中，使用GaN粉末来形成用于氮化物生长的籽晶层，使得在氮化物生长期间可以使由硅基底与氮化物层之间的晶格常数之差所导致的位错的发生最小化，从而提高所制造出的发光器件的光产生效率(light extraction efficiency)。
这样，在所述实施例所述的氮化物基发光器件的制造方法中，采用硅基底作为生长基底，同时使用GaN粉末来形成用于氮化物生长的籽晶层，从而使由硅基底与氮化物层之间的晶格常数之差所导致的位错的发生最小化，同时保留了硅基底的热学和电学特性。
此外，在所述实施例所述的氮化物基发光器件的制造方法中，可以使用n型硅基底，从而便于制造垂直型发光器件，不需要生长基底的去除过程。
尽管这里描述了一些实施例，但本领域中的技术人员应该明白，这些实施例只通过示例的方法来给出，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修正、变型和更改。所以，本发明的范围应该只由所附权利要求及其等同物来限制。

Claims (12)

1.一种包括形成在基底上的氮化物基发光结构的氮化物基发光器件，其特征在于，包括：
硅基底；
形成在所述硅基底上的用于氮化物生长的籽晶层，所述用于氮化物生长的籽晶层包括GaN粉末；以及
形成在所述籽晶层上并堆叠有多层氮化物层的发光结构。
2.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述GaN粉末具有10nm到1μm的平均颗粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述硅基底具有不平的表面。
4.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述发光结构包括：
形成在所述用于氮化物生长的籽晶层上的第一导电型氮化物层；
形成在所述第一导电型氮化物层上的发光有源层；以及
形成在所述发光有源层上并具有与所述第一导电型氮化物层的导电特性相反的导电特性的第二导电型氮化物层。
5.根据权利要求4所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述第一导电型氮化物层包括n型GaN，而所述第二导电型氮化物层包括p型GaN。
6.根据权利要求5所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述硅基底为n型硅基底。
7.根据权利要求4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用于氮化物生长的籽晶层和所述第一导电型氮化物层之间的缓冲层。
8.根据权利要求7所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述缓冲层包括从AlN、ZrN和GaN中选出的至少一种氮化物。
9.根据权利要求7所述的氮化物基发光器件，其特征在于，所述发光结构还包括在所述缓冲层和所述第一导电型氮化物层之间的未掺杂氮化物层。
10.一种包括形成在基底上的氮化物基发光结构的氮化物基发光器件的制造方法，其特征在于，包括：
在硅基底上形成用于氮化物生长的籽晶层；以及
在所述籽晶层上顺序地形成多层氮化物层以形成发光结构，
所述用于氮化物生长的籽晶层包括GaN粉末。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述用于氮化物生长的籽晶层包括：将GaN粉末置于所述硅基底上，并对所述硅基底加热，以将所述GaN粉末附着在所述硅基底上。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述用于氮化物生长的籽晶层包括：使用旋涂机将包含GaN粉末的溶液涂覆在所述硅基底上，并将所述硅基底干燥。
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