CN102651440A - 氮化物基发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有反向p-n结构的氮化物基发光器件及其制造方法，其中在生长基底上首先形成p型氮化物层。该发光器件包括：生长基底；形成于生长基底上的用于氮化物生长的粉末型籽晶层；形成在用于氮化物生长的籽晶层上的p型氮化物层；形成在p型氮化物层上的发光活性层；以及形成在发光活性层上的n型ZnO层。首先在生长层上形成p型氮化物层，然后在其上形成具有相对较低生长温度的n型ZnO层来取代n型氮化物层，由此提供优异的结晶性和高亮度。

Description

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。
通常，氮化物基发光器件包括从器件的底部顺序形成的生长基底、缓冲层、未掺杂氮化物层、n型氮化物层、发光活性层、以及p型氮化物层。
在氮化物基发光器件的制造中，最后生长P型氮化物层。典型地，在1000℃或以上的高温下生长p型氮化物层以确保高晶体质量是公知的现有技术。
然而，当在高温下形成p型氮化物层时，对p型氮化物层下方的发光活性层存在很大影响。特别地，存在由于来自发光活性层的铟组分等的蒸发而导致的组成不均匀的问题。因此，在常规的发光器件制造方法中，在相对较低的温度下生长p型氮化物层，由此导致晶体质量的恶化。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种氮化物基发光器件，其中，在生长基底上首先形成p型氮化物层。
本发明的另一个方面是提供一种制造氮化物基发光器件的方法，其中，在生长基底上首先形成p型氮化物层，以提高晶体质量同时最小化对发光活性层的影响。
根据本发明的一个方面，一种氮化物基发光器件，包括：生长基底；形成在生长基底上的用于氮化物生长的粉末型籽晶层；形成在用于氮化物生长的籽晶层上的p型氮化物层；形成在p型氮化物层上的发光活性层；和形成在发光活性层上的n型ZnO层。
这里，用于氮化物生长的籽晶层可以由GaN粉末构成。或者，用于氮化物生长的籽晶层可以由蓝宝石粉末构成。或者，用于氮化物生长的籽晶层可以由硅石粉末构成。
生长基底可以是p型硅基底。
根据本发明的另一个方面，一种制造氮化物基发光器件的方法，包括：在生长基底上利用粉末形成用于氮化物生长的籽晶层；在用于氮化物生长的籽晶层上形成缓冲层；在用于氮化物生长的籽晶层上形成p型氮化物层；在p型氮化物层上形成发光活性层；以及在发光活性层上形成n型ZnO层。
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是根据本发明示例性实施例的氮化物基发光器件的示意性剖面图；
图2是根据本发明示例性实施例的氮化物基发光器件的示意性剖面图，该器件包括作为生长基底的p型硅基底；
图3是根据本发明示例性实施例的制造氮化物基发光器件方法的示意性流程图。
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是根据本发明示例性实施例的氮化物基发光器件的示意性剖面图。
参考图1，氮化物基发光器件包括：生长基底110、用于氮化物生长的籽晶层120、p型氮化物层130、发光活性层140、以及n型ZnO层150。
在该实施例中，生长基底110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110可以为诸如单晶硅基底、多晶硅基底等的硅基底。
用于氮化物生长的籽晶层120为形成在生长基底110上的粉末型籽晶层，且其用作用于氮化物层生长的籽晶。这里，术语“粉末型”指的是由粉末形成的材料。
此外，相对于将要生长的氮化物层而言，用于氮化物生长的籽晶层120减少晶格失配(mismatch)，由此降低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，由于硅基底与氮化物层之间非常大的晶格常数差，因而位错密度在硅基底上的氮化物层生长期间增高很大程度，由此导致发光器件的发光效率的恶化。然而，当在硅基底上形成用于氮化物生长的籽晶层，然后将氮化物层形成在用于氮化物生长的籽晶层上时，由于减轻了氮化物层与基底之间的晶格失配，由此降低了由于氮化物层生长期间的晶格失配所导致的位错密度。
这种用于氮化物生长的籽晶层120可以由GaN粉末、蓝宝石粉末或硅石粉末组成，其可以减轻相对于氮化物的晶格失配。
例如，当在用作籽晶层的GaN粉末上生长GaN粉末时，在其之间会发生晶格匹配，由此最小化GaN层生长期间的位错发生。此外，当在GaN粉末上生长GaN时，将氮化物层首先在垂直方向上生长且然后再水平方向上生长，由此，能够获得平坦的氮化物层的生长。
可以通过旋涂等来将GaN、蓝宝石或者硅石粉末贴附或固定于生长基底110上。
为了使得粉末容易地被贴附或固定于生长基底110上，生长基底110可以具有形成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110的表面不平坦。
当生长基底110具有不平坦表面，可以容易地将GaN、蓝宝石或硅石粉末贴附或固定到生长基底110的不平坦表面的凹陷处。
涂敷到用于氮化物生长的籽晶层上的诸如GaN粉末等的粉末可以具有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。如果粉末的平均颗粒尺寸小于10nm，则或过度地增加粉末的制造成本，由此导致氮化物基发光器件的制造成本提高。
下面，在用于氮化物生长的籽晶层120上形成p型氮化物层130。通过掺杂诸如镁(Mg)等的p型杂质来形成p型氮化物层130以确保p型电特性。
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，在较低的生长温度下生长p型氮化物层以抑制在p型氮化物层形成期间p型杂质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，在该实施例中，在发光活性层140之前形成p型氮化物层130，由此确保了p型氮化物层的高晶体质量。
在p型氮化物层130上形成发光活性层140。发光活性层140可以具有多量子阱(MQW)结构。例如，发光活性层140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。
在发光活性层140中，穿越n型ZnO层150的电子与穿越p型氮化物层130的空穴复合以产生光。
n型ZnO层150形成于发光活性层140上，并且展现出与p型氮化物层130的电特性相反的电特性。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150中。
如上所述，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140的影响来提高晶体质量。因此，可适用于本发明的n型ZnO层150可以替代在大约1200℃的高温下生长的n型GaN。
此外，与使用n型GaN层的情况相比，n型ZnO层150的应用导致亮度更进一步提高。
同样地，在本发明的实施例中，首先将p型氮化物层130形成在生长基底上，且然后将n型ZnO层150形成在发光活性层上。
图2是根据本发明示例性实施例的氮化物基发光器件的示意性剖面图，该器件包括作为生长基底的p型硅基底。
如图2中所示，根据本发明实施例的氮化物基发光器件可以采用p型硅基底作为生长基底。当采用p型硅基底时，可以将p型层形成为发光活性层下面的各层。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，参考图1，发光结构还可以包括在籽晶层120与p型氮化物层130之间的缓冲层160。缓冲层160用于减轻在氮化物层生长期间对生长基底产生的应力，缓冲层160为异质材料。这种缓冲层160可以由诸如AlN、ZrN、GaN等氮化物材料构成。
缓冲层160可以为p型缓冲层。用于缓冲层160的氮化物可以具有高的电阻抗。然而，如果缓冲层160为p型缓冲层，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，当缓冲层160为p型层且采用p型硅基底作为生长基底110时，空穴容易从p型硅基底移动到发光活性层140中，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160为p型缓冲层时，缓冲层160中诸如镁(Mg)的杂质扩散到生长基底110中。在这种情况下，所述基底展现出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110，也不需要除去蓝宝石基底。
图3是根据本发明示例性实施例的制造氮化物基发光器件的方法的示意性流程图。
参考图3，制造氮化物基发光器件的方法包括：在操作S310中形成用于氮化物生长的籽晶层；在操作S320中形成缓冲层；在操作S330中形成p型氮化物层；在操作S340中形成发光活性层；以及在操作S350中形成n型ZnO层。
在操作S310中，将用于氮化物生长的籽晶层形成在诸如硅基底或蓝宝石基底的生长基底上。
在该操作中，可以利用GaN粉末、蓝宝石粉末或硅石粉末来形成用于氮化物生长的籽晶层。
可以根据下述方法利用这些粉末形成用于氮化物生长的籽晶层。
首先，利用旋涂器等将GaN粉末等涂敷到生长基底上。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粉末贴附或固定于其上。
或者，利用包含GaN粉末等的溶液，通过将溶液旋涂到生长基底上并干燥生长基底来形成用于氮化物生长的籽晶层。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用于氮化物生长的籽晶层。例如，通过在生长基底上旋涂并干燥含有GaN粉末等的溶液，随后在腔室中加热生长基底来形成用于氮化物生长的籽晶层。
随后，通过形成缓冲层的操作S320、形成p型氮化物层的操作S330以及形成发光活性层的操作S340，在籽晶层上顺序生长多个氮化物层，以形成发光结构。
在操作S350中，在氮(N2)、氦(He)、氧(O2)等的气氛下，在大约700-800℃的低温下，在发光活性层上生长n型ZnO层。
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，在生长基底上形成p型氮化物层，随后在发光活性层上形成可以在相对较低温度下生长的n型ZnO层。结果，能够提高p型氮化物层的晶体质量同时最小化在n型ZnO层生长期间对发光活性层的影响。
此外，在根据该实施例的制造氮化物基发光器件的方法中，利用GaN粉末、蓝宝石粉末或硅石粉末来形成用于氮化物生长的籽晶层，由此最小化在氮化物层的生长期间由于硅基底与氮化物层之间的晶格常数差导致的位错密度。
同样地，在根据该实施例的制造氮化物基发光器件的方法中，首先，在生长基底上形成p型氮化物层，由此提高p型氮化物层的晶体质量。此外，根据该实施例，由于在发光活性层上形成能够在相对较低温度下生长的n型ZnO层，所以能够减小对发光活性层的影响。
此外，在根据本发明的实施例的方法中，使用GaN粉末、蓝宝石粉末或硅石粉末来形成用于氮化物生长的籽晶层，由此最小化在氮化物层生长期间由于氮化物层与硅基底之间的晶格常数差导致的位错缺陷。
另外，在根据本发明的实施例的方法中，使用p型硅基底，由此有利于垂直型发光器件的制造，而不需要除去基底的工艺。
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，可以进行各种修正、改变和改造。因此，本发明的范围应当仅由所附的权利要求及其等同形式来限制。

Claims (16)

1.一种包括在p型氮化物层与n型ZnO层之间的发光活性层的氮化物基发光器件，其特征在于包括：
生长基底；
粉末型籽晶层，所述粉末型籽晶层形成于所述生长基底上用于氮化物生长；
p型氮化物层，所述p型氮化物层形成于用于氮化物生长的籽晶层上；
发光活性层，所述发光活性层形成于该p型氮化物层上；以及
n型ZnO层，所述n型ZnO层形成于该发光活性层上。
2.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含GaN粉末。
3.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含蓝宝石粉末。
4.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含硅石粉末。
5.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：生长基底为硅基底或蓝宝石基底。
6.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：生长基底为p型硅基底。
7.根据权利要求1的氮化物基发光器件，其特征在于：生长基底具有不平坦表面。
8.根据权利要求1的氮化物基发光器件，进一步包括：在用于氮化物生长的籽晶层与p型氮化物层之间的氮化物缓冲层。
9.根据权利要求8的氮化物基发光器件，其特征在于：所述缓冲层包含p型氮化物。
10.一种制造包括在p型氮化物层与n型ZnO层之间的发光活性层的氮化物基发光器件的方法，其特征在于包括：
利用粉末在生长基底上形成用于氮化物生长的籽晶层；
在用于氮化物生长的籽晶层上形成缓冲层；
在用于氮化物生长的籽晶层上形成p型氮化物层；
在p型氮化物层上形成发光活性层；以及
在发光活性层上形成n型ZnO层。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含GaN粉末。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含蓝宝石粉末。
13.根据权利要求10的方法，其特征在于：用于氮化物生长的籽晶层包含硅石粉末。
14.根据权利要求10的方法，其特征在于：形成用于氮化物生长的籽晶层包括将粉末放置在所述生长基底上，并加热该生长基底以使得将所述粉末贴附到该生长基底上。
15.根据权利要求10的方法，其特征在于：形成用于氮化物生长的籽晶层包括利用旋涂器将含有所述粉末的溶液涂敷到所述生长基底上，并干燥所述生长基底。
16.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述缓冲层包含p型氮化物。
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