CN102651435A - 利用图案化晶格缓冲层的氮化物基发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种制造氮化物基发光器件的方法，其中，形成图案化的晶格缓冲层以最小化氮化物层的生长时的位错密度并形成空隙以提高发光器件的亮度。该方法包括：在基板上沉积具有纤锌矿晶格结构的材料以形成沉积层；在沉积层的表面上形成蚀刻图案以形成图案化的晶格缓冲层；和在图案化的晶格缓冲层上生长氮化物层。在氮化物层的生长期间，去除图案化的晶格缓冲层以在氮化物层的去除图案化的晶格缓冲层的部分处形成空隙。还公开一种由此制造的氮化物基发光器件。

Description

利用图案化晶格缓冲层的氮化物基发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于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电极的布置将氮化物基发光器件划分为横向型和垂直型。横向型结构通常具有n电极和p电极的顶-顶(top-top)布置，而垂直型结构通常具有n电极和p电极的顶-底(top-bottom)布置。
发明内容
本发明的一个技术方案是提供一种制造氮化物基发光器件的方法，其中，形成图案化的晶格缓冲层以最小化氮化物层的生长时的位错的产生，并形成空隙以提高发光器件的亮度。
本发明的另一个技术方案是提供一种氮化物基发光器件，其包括图案化的晶格缓冲层以提高氮化物的结晶度和发光器件的亮度。
根据本发明的一个技术方案，一种制造氮化物基发光器件的方法，包括：在基板上沉积具有纤锌矿晶格结构的材料以形成沉积层；在沉积层的表面上形成蚀刻图案以形成图案化的晶格缓冲层；和在图案化的晶格结构层上生长氮化物层，其中，生长氮化物层包括除去图案化的晶格缓冲层以在氮化物层的除去图案化的晶格缓冲层的部分处形成空隙。
沉积层可以由ZnO形成。
图案化的晶格缓冲层可以通过光刻和蚀刻来形成。
根据本发明的另一技术方案，一种氮化物基发光器件，包括：基板；形成于基板上的缓冲层；和形成于缓冲层上且具有多个氮化物层的发光结构。这里，在基板与缓冲层之间形成空隙。
附图说明
结合附图根据下述实施例的详细描述，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是根据本发明的一个示例性实施例的制造利用图案化的晶格缓冲层的氮化物基发光器件的方法的示意性流程图；
图2是在根据本发明实施例的方法中具有形成于基板上的纤锌矿晶格结构的沉积层的一个示例的剖视图；
图3是在根据本发明实施例的方法中沉积于沉积层上的光致抗蚀剂的一个示例的剖视图；
图4是在根据本发明实施例的方法中的光致抗蚀剂图案的一个示例的剖视图；
图5是在根据本发明实施例的方法中经受蚀刻的沉积层的一个示例的剖视图；
图6是在根据本发明实施例的方法中通过除去光致抗蚀剂图案而形成的图案化的晶格缓冲层的一个示例的剖视图；
图7是在根据本发明实施例的方法中在图案化的晶格缓冲层上生长氮化物层期间形成的空隙的一个示例的剖视图；
图8是根据本发明的一个示例性实施例的利用图案化的晶格缓冲层的氮化物基发光器件的剖视图；和
图9是根据本发明的另一示例性实施例的利用图案化的晶格缓冲层的氮化物激发港期间的剖视图。
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、区或者基板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是根据本发明的一个示例性实施例的制造利用图案化的晶格缓冲层的氮化物基发光器件的方法的示意性流程图。
参考图1，制造氮化物基发光器件的方法包括：在操作S10中形成沉积层；在操作S20中形成图案化的晶格缓冲层；以及在操作S30中生长氮化物层。
首先，如图2所示，在操作S10中，将能够形成晶格缓冲层的材料沉积在基板110上以形成沉积层120。
在该实施例中，基板110可以为例如在氮化物基发光器件制造中被广泛用作生长基板的蓝宝石基板或硅基板的任意基板。
可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来形成沉积层120。选择地，可以通过溅射来形成沉积层120。当沉积层通过MOCVD形成时，能够改善沉积层的质量。另一方面，当沉积层通过溅射形成时，能够提高沉积层的生长速率。
用于晶格缓冲层的材料可以具有纤锌矿晶格结构。
通常，用于发光器件的氮化物为具有纤锌矿晶格结构的GaN。因此，当晶格缓冲层具有纤锌矿晶格结构时，可以缓解基板与氮化物层之间的晶格失配。
当基板与氮化物之间存在大的晶格常数差时，生长于基板上的氮化物层中的位错缺陷增高至很大的程度。由于位错密度增高，所氮化物层的结晶度降低，由此导致发光器件的亮度降低。
因此，当缓解晶格失配时，会降低氮化物层生长期间的位错密度。结果，所制造的发光器件具有提高的结晶度和亮度。
ZnO可以用作具有纤锌矿晶格结构的材料。ZnO具有像GaN那样的纤锌矿晶格结构。此外，ZnO具有和
Figure BDA0000070328300000032
的晶格常数，其与GaN的晶格常数(
Figure BDA0000070328300000033
和)相似。
因此，当在ZnO上生长GaN时，可以获得晶格匹配，由此最小化在GaN层生长期间的GaN层中的位错密度。
可以在氢气氛下蚀刻ZnO。因此，期望ZnO的沉积在诸如氮气、氩气、氦气等惰性气体气氛下进行，而取代氢气氛。此外，本领域中公知，与在任何其他气氛下相比，在氢气氛下生长的氮化物层具有较好的结晶质量。然而，当在氢气氛下生长时，由ZnO形成的晶格缓冲层会被氢气蚀刻。
有利地，可以在惰性气体气氛下生长诸如缓冲层的第一氮化物层，并且可以在氢气氛下形成额外的氮化物层。
接着，在操作S20中，在沉积层的表面上形成蚀刻图案以形成图案化的晶格缓冲层。
图案化的晶格缓冲层可以通过光刻和蚀刻来形成。图3至图6示出通过光刻和蚀刻形成图案化的晶格缓冲层的一个示例。
首先，如图3所示，在沉积层120上形成光致抗蚀剂130。然后，如图4所示，将光致抗蚀剂曝光并显影以形成光致抗蚀剂图案130a。
然后，如图5所示，将沉积层120上由致抗蚀剂图案130a暴露的区域蚀刻以形成图案化的沉积层120a。图案化的沉积层120a成为本发明的图案化的晶格缓冲层。
接着，如图6所示，除去剩余的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的去除可以利用丙酮、甲醇等来执行且可以包括利用去离子水的DI漂洗工艺。
接着，在操作S30，在图案化的晶格缓冲层120a上生长例如GaN层的氮化物层140(图6)。可以通过具有纤维矿晶格结构的晶格缓冲层120a以低位错密度生长诸如GaN层的氮化物层。
此时，在氮化物层生长期间，去除图案化的晶格缓冲层120a以形成空隙120b，如图7所示。在该操作中，晶格缓冲层120a可以被全部或部分去除。空隙150用作不规则的反射层，由此提高氮化物基发光器件的亮度。
为了形成空隙120b，氮化物层可以在氢气氛下生长。例如，ZnO容易被氢气蚀刻。因此，当晶格缓冲层120a由ZnO形成且氮化物层在氢气氛下生长时，由于氮化物层生长期间的ZnO蚀刻，可以容易地形成空隙。
当然，当在生长氮化物层的初始阶段利用氢气时，由于晶格缓冲层的蚀刻，很难在氮化物生长的初始阶段获得晶格缓解效应，以至于增高生长的氮化物层中的位错密度。因此，有利地，在氮化物生长的初始阶段利用氮气生长氮化物层以确保晶格缓解效应，然后使用氢气以去除由ZnO或其类似物组成的晶格缓冲层。
通过图2至图7所示的过程制造的氮化物基发光器件包括：基板；空隙；和氮化物基发光结构。氮化物基发光结构可以通过在基板上叠置多层氮化物层来形成。
图8是根据本发明的一个示例性实施例的利用图案化的晶格缓冲层的氮化物基发光器件的剖视图。
参考图8，氮化物基发光器件包括：基板810；缓冲层820；未掺杂的氮化物层840；n型氮化物层850；发光活性层860和p型氮化物层870。
在图8的实施例中，空隙830形成于基板810与缓冲层820之间。如上所述，空隙830可以通过去除图案化的晶格缓冲层来形成。
在图8的实施例中，缓冲层820可以由诸如AlN、ZrN、GaN等的氮化物形成。
接着，在缓冲层820上形成未掺杂的氮化物层840以促进晶格匹配。根据需要，可以省略未掺杂的氮化物层840。如果基板810为未掺杂的硅基板或蓝宝石基板，则可以使用未掺杂的氮化物层。
接着，在未掺杂的氮化物层840上形成n型氮化物层850。如果没有形成未掺杂的氮化物层840，则在缓冲层820上形成n型氮化物层850。N型氮化物层850通过掺入诸如硅(Si)的n型杂质来形成，由此展现出n型氮化物层的电特性。
接着，在n型氮化物层850上形成发光活性层860。发光活性层860可以具有多量子阱(MQW)结构。例如，发光活性层860具有包含相互交替叠层的InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)和GaN的结构。
然后，p型氮化物层870形成于发光活性层860上，并展现出与n型氮化物层132的电特性相反的电特性。为此，p型GaN层870可以通过将诸如Mg之类的p型杂质掺入GaN层中来形成。
在图8的实施例中，可以采用n型硅基板作为基板810。当采用n型硅基板时，可以将n型半导体层形成为发光活性层860下面的各层。此外，当采用n型硅基板时，硅基板可以用作n电极。因此，即使在垂直型发光器件的制造中，也可以省略用于去除生长基板的剥离过程和形成n电极的过程。
因此，当采用n型硅基板时，不仅能够容易地制造横向型发光器件还能够容易地制造具有相对较宽的发光面积的垂直型发光器件。
此外，当使用n型硅基板作为基板810时，基板在高温下的氮化物生长期间经受轻微的弓曲，由此能够使氮化物层在高温下均匀生长。
缓冲层820也可以为n型氮化物层。用于缓冲层820的氮化物通常具有高电阻。然而，如果缓冲层820为n型缓冲层，则缓冲层具有低电阻。
此外，如果使用n型硅基板作为基板810且缓冲层820为n型缓冲层，则注入n型硅基板中的电子可以容易地到达发光活性层870而不受势垒的影响。因此，能够进一步提高发光器件的工作效率。
图9是根据本发明的另一示例性实施例的利用图案化的晶格缓冲层的氮化物基发光器件的剖视图。
参考图9，氮化物基发光器件包括：基板910；缓冲层920；p型氮化物层940；发光活性层950；和n型ZnO层960。
在图9的实施例中，空隙930形成于基板910与缓冲层920之间。如上所述，空隙930可以通过去除图案化的晶格缓冲层来形成。
在图9的实施例中，基板910、缓冲层920、空隙930和发光结构的各层与上述实施例相同，因此在这里省略其详细说明。
参考图9，首先将p型氮化物层940形成在基板910上，且然后将发光活性层950形成在p型氮化物层940上。
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的最后阶段形成p型氮化物层。这里，在较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型氮化物层的结晶质量被降低，导致发光效率的降低。
然而，在该实施例中，在发光活性层950之前形成p型氮化物层940，由此确保p型氮化物层的高结晶质量。
n型ZnO层960形成于发光活性层950上且展现出与p型氮化物层940相反的电特性，即，n型电特性。n型ZnO层960可以通过将诸如硅(Si)的n型杂质掺入ZnO层来形成。
如上所述，ZnO具有与GaN基本相同的纤锌矿晶格结构。另外，由于ZnO甚至可以在大约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950的影响来提高结晶质量。因此，适用于本发明的n型ZnO层960可以替代在大约1200℃的高温下生长的n型GaN层。
此外，在图9的实施例中，可以采用p型硅基板作为生长基板910。当采用p型硅基板时，可以将p型层形成为发光活性层950下面的各层。此外，当采用p型硅基板作为基板910时，硅基板可以用作p电极。这里，缓冲层920也可以由p型层形成。
另一方面，当缓冲层920为p型缓冲层时，缓冲层920中的诸如镁(Mg)的杂质扩散到生长基板910中。在这种情况下，基板910展现出p型层的电特性。因此，与常规垂直型发光器件的制造不同，即使将具有绝缘特性的蓝宝石基板用作基板910，也不需要去除蓝宝石基板。
如上所述，在根据实施例的制造氮化物基发光器件的方法中，使用具有纤锌矿晶格结构的图案化的晶格缓冲层。结果，能够降低在氮化物层生长期间由于晶格常数差所导致的位错密度。此外，在该方法中，在氮化物层生长期间形成空隙。因此，根据实施例的方法，可以提高由此制造的氮化物基发光器件的亮度。
同样地，根据本发明的实施例，在制造氮化物基发光器件的方法中使用具有纤锌矿晶格结构和表面图案的晶格缓冲层。结果，该方法可以在氮化物层生长期间降低位错密度并形成空隙。
因此，通过该方法制造的氮化物基发光器件可以具有优良的结晶度并通过空隙展现出提高的亮度。
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，这些实施例仅以示例的方式给出，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改进、变型和修改。因此，本发明的范围应当仅由所附的权利要求及其等同物来限定。

Claims (14)

1.一种氮化物基发光器件，包含基板上的缓冲层和发光结构，所述氮化物基发光器件包括：
基板；
形成于所述基板上的缓冲层；以及
形成于所述缓冲层上且具有多层氮化物层的发光结构，
其中，空隙形成于所述基板与所述缓冲层之间。
2.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中，所述发光结构包括：
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。
3.根据权利要求2所述的氮化物基发光器件，其中，所述基板为n型硅基板。
4.根据权利要求3所述的氮化物基发光器件，其中，所述缓冲层为n型缓冲层。
5.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中，所述发光结构包括：
形成于所述缓冲层上的p型氮化物层；
形成于所述p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n型ZnO层。
6.根据权利要求5所述的氮化物基发光器件，其中，所述基板为p型硅基板。
7.根据权利要求6所述的氮化物基发光器件，其中，所述缓冲层为p型缓冲层。
8.一种制造氮化物基发光器件的方法，所述氮化物基发光器件包含基板上的缓冲层和发光结构，所述方法包括：
在基板上沉积具有纤锌矿晶格结构的材料以形成沉积层；
在所述沉积层的表面上形成蚀刻图案以形成图案化的晶格缓冲层；以及
在所述图案化的晶格缓冲层上生长多层氮化物层，以形成缓冲层和发光结构，
其中，生长所述多层氮化物层包括去除所述图案化的晶格缓冲层以在所述多层氮化物层的去除了所述图案化的晶格缓冲层的部分处形成空隙。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述沉积层由ZnO形成。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述沉积层通过MOCVD形成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述沉积层通过溅射形成。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，生长所述多层氮化物层首先在氮气氛下执行，然后在氢气氛下执行。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基板为硅基板或蓝宝石基板。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述图案化的晶格缓冲层通过光刻和蚀刻来形成。
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