CN102651436A - 利用纤锌矿粉末的氮化物基发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种利用诸如ZnO粉末的具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末的氮化物基发光器件。该氮化物基发光器件包括：生长基板；形成于生长基板上的晶格缓冲层；和形成于晶格缓冲层上且其中具有叠置的多层氮化物层的发光结构，其中，晶格缓冲层由具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末形成。晶格缓冲层由ZnO粉末形成，由此最小化在氮化物层生长期间由于氮化物层与生长基板之间的晶格常数差导致的位错发生。还提供一种制造该氮化物基发光器件的方法。
Description
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。
在现有技术中，在制造氮化物基发光器件时，通常使用蓝宝石基板作为生长基板。
然而，蓝宝石基板具有负的热特性(negative thermal characteristics)。因此，当使用蓝宝石基板作为生长基板时，会发生其中基板在高温下的氮化物生长期间弯曲的晶片弯曲。
此外，如果使用蓝宝石基板作为生长基板，那么由于其绝缘特性，很难制造垂直型发光器件。
另一方面，生长基板比蓝宝石基板便宜得多且具有优良的热和电特性。然而，在氮化物基发光器件的制造中，不经常采用生长基板作为生长基板。这是因为，当在生长基板上生长氮化物层时，由于生长基板与氮化物层之间大的晶格常数差，而在生长氮化物中产生许多位错。这种位错对氮化物基发光器件的电特性具有不利的影响。
发明内容
本发明的一个技术方案是提供一种氮化物基发光器件及其制造方法，其可以通过抑制在生长基板上的氮化物层生长期间的位错的发生来提高结晶度和亮度。
根据本发明的一个技术方案，氮化物基发光器件包括：生长基板；形成于生长基板上的晶格缓冲层；和形成于晶格缓冲层上且其中具有叠置的多层氮化物层的发光结构。这里，晶格缓冲层由具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末形成。
晶格缓冲层可以由ZnO粉末形成。
根据本发明的另一个技术方案，一种制造氮化物基发光器件的方法，包括：在生长基板上利用具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末形成晶格缓冲层；和通过在晶格缓冲层上依序生长多层氮化物层来形成发光结构。
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案、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氮化物基发光器件的示意性剖视图；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的制造氮化物基发光器件的方法的流程图；和
图3是示出在氮化物层生长期间通过蚀刻ZnO层形成的气孔的扫描电子显微镜(SEM)图像。
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氮化物基发光器件的示意性剖视图。
参考图1，氮化物基发光器件包括生长基板110、晶格缓冲层120和发光结构130。
在该实施例中，生长基板110可以为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。另外，在该实施例中，生长基板110可以为诸如单晶硅基板、多晶硅基板等的硅基板。
通常，当在生长基板上生长氮化物层时，由于生长基板与氮化物层之间的晶格失配而产生许多位错。该位错导致氮化物基发光器件的发光效率降低。
因此，根据本发明，首先将晶格缓冲层120生长于生长基板110上，然后在其上生长氮化物层，以最小化这种晶格失配。
晶格缓冲层120形成于生长基板110上。晶格缓冲层120可以由缓解与将要在其上生长的氮化物层的晶格失配的材料形成，由此抑制在氮化物层生长期间的位错发生。结果，能够提高在生长基板上生长的氮化物层的结晶度。
例如，当使用硅基板作为生长基板时，由于硅基板与氮化物层之间的大的晶格常数差，在氮化物层在硅基板上生长期间位错密度增高至很大程度，由此导致发光效率的降低。然而，当在硅层上形成晶格缓冲层，然后在晶格缓冲层上形成氮化物层时，会缓解氮化物层与基板之间的晶格失配，由此降低由于氮化物层生长期间的晶格失配导致的位错密度。
晶格缓冲层120可以由具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末形成。
更为优选地，晶格缓冲层可以用ZnO粉末形成。
例如，广泛用于制造氮化物基发光器件的GaN具有纤锌矿晶格结构和
和
的晶格常数。
ZnO也具有像GaN一样的纤锌矿晶格结构。此外，ZnO具有
和
的晶格常数，以至于ZnO具有与GaN非常相似的晶格结构。
因此，当在ZnO粉末上生长GaN时，在其之间会发生晶格匹配，由此最小化位错的发生。此外，当在ZnO粉末上生长GaN时，GaN首先在垂直方向上生长，然后在水平方向上生长，由此能够获得平坦的GaN层的生长。
可以通过旋涂或类似方法来将ZnO粉末贴附或固定于生长基板110。
为了使ZnO粉末可以容易地贴附或固定于生长基板110，生长基板110可以具有形成有突起和凹陷的不平坦表面。可以将表面的不平坦部分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板110的表面的不平坦部分。
当生长基板110具有不平坦的表面时，可以容易地将ZnO粉末贴附或固定到生长基板110上的凹陷。
用于晶格缓冲层120的ZnO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生成的效果越好。如果ZnO粉末的平均颗粒尺寸超出1μm，则抑制位错生成的效果不够充分，导致所制造的氮化物基发光器件的低发光效率。如果ZnO粉末的平均颗粒尺寸小于10nm，则会过度地增加ZnO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。
接着，在晶格缓冲层120上形成发光结构130。
通过一层接一层地叠置多层氮化物层来形成发光结构130。
更为具体地，发光结构130包括第一导电型氮化物层131、发光活性层132和第二导电型氮化物层133。
第一导电型氮化物层131形成在晶格缓冲层120上。
第一导电型氮化物层131可以根据其中掺杂的杂质展现出n型或p型半导体的特性。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131，则第一导电型氮化物层131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131，则第一导电型氮化物层131展现出p型半导体的特性。
将发光活性层132形成在第一导电型氮化物层131上。发光活性层132可以具有多量子阱(MQW)结构。例如，发光活性层132可以具有包含相互交替叠层的InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)和GaN的结构。
在发光活性层132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133形成于发光活性层132上并展现出与第一导电型氮化物层131相反的电特性。
例如，如果第一导电型氮化物层131为n型GaN层，则第二导电型氮化物层133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，则可以采用n型硅基板作为生长基板110。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132下面的各层。此外，当采用n型硅基板时，生长基板可以用作n电极。因此，即使在制造垂直型发光器件时，也能够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高亮度发光的垂直型发光器件。
此外，当使用n型硅基板作为生长基板时，生长基板在高温下的氮化物生长期间经受轻微的弯曲，由此能够实现氮化物层的均匀生长。
发光结构130还可以包括晶格缓冲层120上的缓冲层134。在这种情况下，第一导电型氮化物层131形成在缓冲层134上。
缓冲层134用于缓解在氮化物层生长期间生长基板上产生的应力，其为异质材料(hetero-material)。缓冲层134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131为n型氮化物层，则缓冲层134也可以为n型缓冲层。用于缓冲层134的氮化物通常具有高的电阻。然而，如果缓冲层134为n型缓冲层，则缓冲层具有低的电阻。因此，能够提高氮化物基发光器件的工作效率。
同时，ZnO展现出n型层的电特性。当使用n型硅基板作为生长基板110且缓冲层134和第一导电型氮化物层131为n型层时，注入到硅基板中的电子可以容易地到达发光活性层132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。
此外，可以在缓冲层134上形成未掺杂的氮化物层135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135上形成第一导电型氮化物层131。未掺杂的氮化物层135优选使用未掺杂的基板。
图2是根据本发明的一个示例性实施例的制造氮化物基发光器件的方法的流程图。
参考图2，制造氮化物基发光器件的方法包括在操作S210中形成晶格缓冲层和在操作S220中形成发光结构。
在操作S210中，利用具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末在诸如硅基板或蓝宝石基板的生长基板上形成晶格缓冲层。
这里，晶格缓冲层可以由ZnO粉末形成。
这里，通过将ZnO沉积在诸如硅基板或蓝宝石基板上，更为优选地，沉积在由与生长基板相同的材料制成的基板上；并将沉积ZnO的基板粉碎成粉末，来制备ZnO粉末。ZnO的沉积可以通过MOCVD或者溅射来执行。在这种情况下，由于ZnO不仅含有纯的ZnO组分，还含有基板的组分，所以可以改善ZnO粉末与生长基板的粘附性。
可以按照下述方式来利用ZnO粉末形成晶格缓冲层。
首先，利用旋涂器等将ZnO粉末涂敷到生长基板上。然后，在例如CVD腔室的腔室中，将生长基板在氮气氛下加热到大约500-800℃，以便于将ZnO粉末贴附到生长基板。由于ZnO粉末在过高的加热温度下会被蚀刻，所以有利地，在800℃或更低的温度下执行该过程。在这种情况下，可以将生长基板轻微蚀刻以形成不平坦表面。如上所述，生长基板的表面不平坦促进粉末贴附或固定于其上。
或者，利用含ZnO粉末的溶液，通过将溶液旋涂到生长基板上并干燥生长基板来形成晶格缓冲层。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ZnO粉末的溶液。
可以选择性地使用上述方法的任意一种或两种一起使用来形成晶格缓冲层。例如，通过在生长基板上旋涂含有ZnO粉末的溶液并干燥生长基板，随后在腔室中加热生长基板来形成晶格缓冲层。
接着，在形成发光结构的操作中，通过在晶格缓冲层上依序生长多层氮化物层来形成发光结构。
通过一层接一层地依序叠置第一导电型氮化物层、发光活性层和第二导电型氮化物层来形成发光结构。在一些实施例中，还可以在形成第一导电型氮化物层之前形成缓冲层或未掺杂的氮化物层。
这里，在用于发光结构的多层氮化物层之中，晶格缓冲层上的第一氮化物层(例如，缓冲层)可以在诸如氦(He)气、氩(Ar)气等惰性气氛下形成。当第一氮化物层在氢气氛下形成时，ZnO粉末会被氢气蚀刻，以至于不能充分地形成缓冲层。
此外，额外的氮化物层可以在氢气氛下形成以具有改善的结晶质量。在这种情况下，由于第一氮化物层已经形成，则即使在氢气氛下在第一氮化物层上形成额外的氮化物层，额外的氮化物层也不受ZnO粉末蚀刻的影响。
此外，除了第一氮化物层之外，当氮化物层在氢气氛下形成时，ZnO粉末的一部分或全部被蚀刻以在生长基板与第一氮化物层之间形成气孔，如图3中示出的实例那样。这种气孔用作不规则的反射层，由此提高氮化物基发光器件的亮度。
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，利用由诸如ZnO粉末的具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末在生长基板上形成晶格缓冲层，然后在其上生长诸如GaN的氮化物层。结果，能够抑制在氮化物层生长期间由于氮化物层与生长基板之间的晶格失配所导致的位错发生。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结晶度和亮度。
这样，在根据本发明实施例的制造氮化物基发光器件的方法中，将诸如ZnO粉末的具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末涂敷在生长基板上，然后在其上生长诸如GaN的氮化物层。结果能够抑制在氮化物层生长期间由于氮化物层与生长基板之间的晶格常数差所导致的位错发生。
此外，根据本发明实施例的制造氮化物基发光器件的方法可以采用n型硅基板作为生长基板。在这种情况下，能够省略在垂直型发光器件的制造中的用于去除生长基板的剥离过程。
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，这些实施例仅是以示例的方式给出，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权利要求及其等同物来限定。
Claims (15)
1.一种氮化物基发光器件，包含在生长基板上的发光结构，所述氮化物基发光器件包括：
生长基板；
形成于所述生长基板上的晶格缓冲层；以及
形成于所述晶格缓冲层上的发光结构，并且该发光结构中具有叠置的多层氮化物层，
晶格缓冲层由具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末形成。
2.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中，所述晶格缓冲层由ZnO粉末形成。
3.根据权利要求2所述的氮化物基发光器件，其中，所述ZnO粉末具有10nm至1μm的平均颗粒尺寸。
4.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中，所述生长基板为硅基板或蓝宝石基板。
5.根据权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中，所述生长基板具有不平坦表面。
6.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：
形成在所述晶格缓冲层上的n型氮化物层；
形成在所述n型氮化物层上的发光活性层；以及
形成在所述发光活性层上的p型氮化物层。
7.根据权利要求6所述的氮化物基发光器件，其中，所述生长基板为n型硅基板。
8.根据权利要求6所述的氮化物基发光器件，其中，所述发光器件还包括在所述晶格缓冲层与所述n型氮化物层之间由氮化物形成的缓冲层。
9.根据权利要求8所述的氮化物基发光器件，其中，所述缓冲层由选自AlN、ZrN和GaN中的至少一种氮化物形成。
10.根据权利要求8所述的氮化物基发光器件，其中，所述缓冲层由n型氮化物形成。
11.根据权利要求8所述的氮化物基发光器件，其中，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。
12.一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在生长基板上的发光结构，所述方法包括：
利用具有纤锌矿晶格结构的材料的粉末在生长基板上形成晶格缓冲层；以及
通过在所述晶格缓冲层上依序形成多层氮化物层来形成发光结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述晶格缓冲层由ZnO粉末形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过在硅基板或蓝宝石基板上沉积ZnO并且将沉积有ZnO的基板粉碎成粉末来制备所述ZnO粉末。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述发光结构包括：
在惰性气氛下，在由所述ZnO粉末形成的所述晶格缓冲层上形成第一氮化物层；以及
在氢气氛下，在所述第一氮化物层上形成额外的多层氮化物层，
在形成所述额外的多层氮化物层时，所述ZnO粉末的一部分或全部被蚀刻以在所述生长基板与所述第一氮化物层之间形成气孔。
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