CN106299065B - 基板、其制造方法及利用其的发光二极管 - Google Patents

基板、其制造方法及利用其的发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氮化镓基板领域，提供了一种基板、其制造方法及利用其的发光二极管，具体地，提供了一种氮化镓基板、其制造方法及利用制成的氮化镓基板的双面发光二极管。氮化镓基板包括具有Ga‑polar面的第一表面和具有N‑polar面的第二表面。在第二表面上包括形成为Semi‑polar的突出部。在第一表面上可以形成一发光体，且通过突出部的表面可以形成另一个发光体。本发明的氮化镓基板具有能够得到高品位的发光体的优点。并且，以所形成的氮化镓基板为中心在两面上能够形成发光体，由此，可以得到实现各种颜色、具有高亮度的发光二极管。

Description

基板、其制造方法及利用其的发光二极管
技术领域
本发明涉及一种基板、基板的制造方法及利用其形成的发光二极管，更具体地，涉及氮化镓基板和形成在氮化镓基板上的多结结构的发光二极管。
背景技术
发光二极管由化合物半导体构成，而化合物半导体大部分通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)工艺而制成。在所使用的MOCVD工艺中，作为金属前驱体采用金属和有机物的结合材料。并且，优选地，化合物半导体由单晶构成，通过形成单晶来可以确保高亮度和优良的热稳定性。尤其，当在执行发光操作的活性层内部结晶状态出现缺点时，造成亮度不稳定，在高操作电流下亮度下降或发生过热等问题被暴露。因此，在发光二极管的制造工序中，使化合物半导体由单晶形成是非常重要的。
并且，即使使用MOCVD工艺，也所形成的化合物半导体层因布置在下部的叠层结构的结晶性和结晶取向而受到影响。例如，当在由氮化镓形成的n型半导体层上部形成以氮化镓为基底材料的活性层时，若在n型半导体层上存在转位(dislocation)或点缺陷(pointdefect)，则形成在其上部的活性层也出现转位或缺陷。
并且，所形成的化合物半导体层因作为结晶生长的基础的基板的结晶取向和晶格常数而受到影响。即，优选地，基板具有与化合物半导体层的结晶结构相同的结晶结构，晶格常数差越小，形成品质更好的化合物半导体层。
作为在制造氮化镓类发光二极管时可使用的基板，可以列举蓝宝石、硅或氮化镓等。
蓝宝石为在发光二极管的制造工序中最常用的基板。其结晶结构为六方晶系结构，因此具有有利于生长氮化镓类发光二极管的优点，基板的制造工序比较简单，确保价格竞争力。但，由于非导体的特性，难以散热，并且造成因与氮化镓之间的晶格常数差而所发生的结晶结构的缺陷。
硅被广泛用来半导体基板，其散热特性与蓝宝石相比更优异。然而，在硅的情况下，其结晶结构为面心立方结构，从而其结晶结构与氮化镓的结晶结构不同。因此，在硅基板上形成氮化镓单晶的过程具有技术上的困难，且需要介入多个缓冲层。
氮化镓基板由半导体材料构成，因此存在由于优良的导热系数而散热特性卓越、其上部可容易形成氮化镓发光层、能够制造高品质的发光二极管的优点。然而，通过通常的基板制造工序无法制成氮化镓基板。并且，氮化镓基板的制造费用较高，因此产业上的应用非常有限。
因此，相关领域技术人员就一直在研究容易制造氮化镓基板并通过MOCVD工艺可制造发光二极管的技术，该技术可以说是产业波及效应很大的技术。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的第一个技术目的在于提供一种氮化镓基板。
本发明的第二个技术目的在于提供一种氮化镓基板的制造方法。
并且，本发明的第三个技术目的在于提供一种利用通过达到所述第一个技术目的而获得的氮化镓基板的双面发光二极管。
用于解决问题的方案
为了达到所述第一个技术目的，本发明提供一种氮化镓基板，其包括：第一表面，由在表面上排列有镓原子的Ga-polar面构成；第二表面，与所述第一表面面对，由在表面上排列有氮原子的N-polar面构成；及突出部，形成在所述第二表面上，呈突出形状，其表面为Semi-polar面。
为了达到所述第二个技术目的，本发明提供一种氮化镓基板的制造方法，其包括以下步骤：在生长用基板上形成掩模图案和氮化镓杆，所述氮化镓杆填埋所述掩模图案之间的隔开空间；将所述氮化镓杆用作生长的核，以形成遮挡所述掩模图案的氮化镓层；去除遮挡的所述掩模图案；及向通过去除的所述掩模图案而形成的蚀刻孔供应腐蚀剂，蚀刻所述氮化镓杆，从而形成突出部，所述突出部通过氮化镓杆部分残留在所述氮化镓层上而成。
为了达到所述第三个技术目的，本发明提供一种双面发光二极管，其包括：由氮化镓材质构成的氮化镓基板；从所述氮化镓基板在第一方向生长的第一发光体；及从所述氮化镓基板在与所述第一方向相对的第二方向生长的第二发光体。
发明的效果
根据上述本发明，可以得到第一表面具有Ga-polar面，第二表面具有N-polar面，形成在第二表面上的突出部具有Semi-polar面的氮化镓基板。氮化镓基板由半导体材质构成，因此有利于向外部放出在其上形成的发光体所产生的热。并且，即使在其上部形成基于氮化镓的发光体，也其结晶的取向性和晶格常数实质上相同，从而可以获得高品质的单晶。因此，具有能够得到高品位的发光体的优点。
并且，以所形成的氮化镓基板为中心在两面上能够形成发光体，由此，可以得到实现各种颜色、具有高亮度的发光二极管。
附图说明
图1为示出根据本发明的第一实施例的氮化镓基板的截面图；
图2为示出根据本发明的第一实施例的氮化镓的结晶结构的示意图；
图3至图6为用于说明根据本发明的第一实施例的氮化镓基板的制造方法的截面图；
图7为示出根据本发明的第一实施例形成在氮化镓杆上的氮化镓层的附图；
图8为示出根据本发明的第一实施例形成的氮化镓基板的附图；
图9为示出根据本发明的第二实施例的双面发光二极管的截面图。
附图标记说明
100:氮化镓基板 110:第一表面
120:第二表面 130:突出部
200:第一发光体 300:第二发光体
具体实施方式
本发明可以进行多种变更，可以具有多种形态，通过附图显示特定实施例并在本文中进行详细说明。但是，本发明并非限定于特定的公开形态，应当理解为包括属于本发明的思想及技术方案的所有变更、均等物以及代替物。在说明各个附图时对类似的构成要素使用了类似的附图标记。
若无另行定义，包括技术或科学用语在内的所有用语，表示和本发明所属技术领域的普通技术人员的通常理解相同的意思。通常使用的事先定义过的用语，应解释为与相关技术的文章脉络的意思相一致的意思，若本发明中无明确定义，不得解释为理想或过度形式性的意思。
下面，结合附图对本发明的优选实施例进行更详细的说明。
第一实施例
图1为示出根据本发明的第一实施例的氮化镓基板的截面图。
参照图1，氮化镓基板100的第一表面110为Ga-polar面，第二表面120为N-polar面。并且，在第二表面120上形成有突出部130，突出部130为Semi-polar面。
通常，对六方晶系结晶结构采用结晶面指数(a1，a2，-(a1+a2)，c)的形式进行表记。并且，垂直于c轴的表面被称为极性(polar)面，与c轴平行的表面被称为非极性(nonpolar)面，不垂直于c轴且与c轴不平行的表面被称为半极性(Semi-polar)面。
Ga-polar面是指在氮化镓的结晶结构中出现镓原子的极性面，而N-polar面是指在氮化镓的结晶结构中出现氮原子的极性面。并且，在氮化镓的结晶结构中，Semi-polar面不是(0001)面，而是指在六方晶系结构上倾斜形成的表面。例如，Semi-polar面的例子可以为(11-22)、(11-2-3)、(10-13)、(11-20)、(1-100)、(-1-123)或(10-12)等。
并且，所述突出部130可以相互隔开一定距离并具有规律的排列。
图2为示出根据本发明的第一实施例的氮化镓的结晶结构的示意图。
参照图2，在具有六方晶系结晶结构的氮化镓的上部出现露出镓原子的Ga-polar面。并且，在结晶结构的下部出现露出氮原子的N-polar面。在图2中的所述结晶结构中，若使切面倾斜而形成同时露出氮原子和镓原子的表面，则该表面属于Semi-polar面。例如，Semi-polar面的例子可以包括(11-22)、(11-2-3)、(10-13)、(11-20)、(1-100)、(-1-123)或(10-12)等。
N-polar面的表面能比Ga-polar面的表面能更低，由此保持相对稳定的状态，从而通过反应的结晶生长速度与Ga-polar面相比更慢。并且，Semi-polar面与N-polar面和Ga-polar面相比化学性质不稳定，因此，被外部的腐蚀剂蚀刻得较快。
图3至图6为用于说明根据本发明的第一实施例的氮化镓基板的制造方法的截面图。
参照图3，在生长用基板10上形成掩模图案20，在掩模图案20之间的隔开空间形成氮化镓杆30。
优选地，生长用基板10的材质为蓝宝石或氮化镓。并且，所述生长用基板10可以为物理上独立的基板，也可以为形成在其他基板上的特定膜质。
优选地，掩模图案20由硅氧化物、硅氮化物构成，只要是在MOCVD工艺温度下可以保持形状的材料，即可使用任何材料。掩模图案20形成在生长用基板10上。掩模图案20的形成方法如下：在生长用基板10上形成掩模层后，通过通常的光刻工艺在掩模层上部形成光致抗蚀图案，将光致抗蚀图案用作蚀刻掩模来进行蚀刻，从而形成掩模图案20。通过掩模层的蚀刻工艺，可以将各别掩模图案20的上部的宽度形成为大于下部的宽度。即，通过产生底切形状的蚀刻能够形成掩模图案20。
在掩模图案20之间的隔开空间形成氮化镓杆30。氮化镓杆30可以形成为填埋在掩模图案20之间的隔开空间。氮化镓杆30可以通过将生长用基板10用作种子层并使用通常的MOCVD工艺来形成。
另外，所述氮化镓杆30和掩模图案20可以通过不同的工艺形成。例如，基于生长用基板10先形成氮化镓层。对所形成的氮化镓层进行选择性蚀刻来露出生长用基板的一部分，从而形成氮化镓杆30。然后，用硅氮化物或硅氧化物等填埋在氮化镓杆30之间的隔开空间，从而可以形成掩模图案20。
并且，优选地，通过MOCVD工艺等形成或通过蚀刻形成的氮化镓杆30的侧表面为Semi-polar面。
参照图4，将所形成的氮化镓杆用作生长的核，以进行第二次生长。第二次生长可以采用水平生长性比垂直生长性更优异的外延横向过生长(Epitaxial Lateral Over-Growth；ELOG)法。并且，可以使用有利于形成厚膜的氢化物气相外延(Hydride VaporPhase Epitaxy；HVPE)生长法。
尤其，HVPE生长法非常有利于形成氮化镓的厚膜。当利用HVPE生长法时，可以将生长温度设定为800℃至1100℃，且可以将供应到HVPE反应器的NH3气体对GaCl气体的比率设定为1:1至10:1的范围。
由此，在氮化镓杆30的上部形成遮挡掩模图案20的氮化镓层40。所述氮化镓层40的最高层成为在表面上形成镓原子的Ga-polar面。并且，根据外延横向过生长的机制，与掩模图案20的上部表面相接的氮化镓层40的最下部成为在表面上形成氮原子的N-polar面。
并且，根据制造形式，第二次生长与如图3所示的氮化镓杆的生长可以实现为一体。
即，通过在掩模图案20之间的隔开空间并基于生长用基板10可以形成氮化镓杆30，通过连续工艺在氮化镓杆30的上部可以形成遮挡掩模图案20的氮化镓层40。
参照图5，通过第一蚀刻去除掩模图案。在第一蚀刻中所使用的腐蚀剂优选为HF溶液。然而，在图5中选择腐蚀剂时，只要是在掩模图案和氮化镓之间具有蚀刻选择性的材料，即可使用任何材料。即，能够选择性地去除掩模图案的溶液可以用作腐蚀剂。通过第一蚀刻去除掩模图案后，氮化镓杆30和氮化镓层40残留在生长用基板10上。并且，通过所去除的掩模图案，形成由生长用基板10、氮化镓杆30及氮化镓层40定义的蚀刻孔。
参照图6，通过第二蚀刻形成基板100。第二蚀刻通过向图5中的蚀刻孔供应腐蚀剂来实现。所用的腐蚀剂优选为KOH，KOH的浓度可为1mol/L至5mol/L。如果KOH的浓度低于1mol/L，就无法顺利地实现刻蚀。并且，如果KOH的浓度高于5mol/L，由于急剧的蚀刻而出现导致氮化镓层的蚀刻的副作用。并且，KOH的蚀刻温度优选为60℃至120℃。如果蚀刻温度低于60℃，就由于低温度而无法顺利地实现蚀刻，如果蚀刻温度高于120℃，因蚀刻温度接近KOH溶液的沸点而浓度的控制性和工艺重复性降低。
第二蚀刻集中于氮化镓杆。在图5中形成的蚀刻孔由生长用基板10、氮化镓杆30及氮化镓层40定义。并且，露出在蚀刻孔的氮化镓层40的表面为N-polar面，因此化学性质非常稳定。并且，当生长用基板10由氮化镓材质构成时，露出在蚀刻孔的生长用基板10的表面为Ga-polar面，其与N-polar面相比化学性质不稳定，但与具有角部且表面露出在Semi-polar面的氮化镓杆30相比化学性质相对稳定。
氮化镓杆30的侧表面具有Semi-polar面。并且，与氮化镓层40相接的表面出现化学性质最不稳定的角部，第二蚀刻集中发生在氮化镓层40和氮化镓杆30相接的角部，沿着化学性质最不稳定的Semi-polar面进行蚀刻。
并且，在本实施例中，可以省略第一蚀刻工艺。即，通过第二蚀刻工艺，即利用KOH的蚀刻去除掩模图案后，可以连续去除氮化镓杆。
通过上述工艺可以制得氮化镓基板100。所制成的氮化镓基板100的第一表面110成为比较平滑的表面，根据生长结果，成为Ga-polar面。并且，根据生长结果，与第一表面110面对的第二表面120成为N-polar面。在第二表面120上形成具有突出形状的突出部130，突出部130是通过蚀刻氮化镓杆而形成的，因此其具有氮化镓杆构成物的一部分残留的形状。并且，随着进行蚀刻开放的突出部130的表面成为Semi-polar面。
并且，尽管经过第二蚀刻工艺，分离的生长用基板也没有受损，仍然在随后的工艺中可以用作用于生长结晶的生长用基板。
通过本实施例所形成的氮化镓基板100的第一表面110形成为平滑的Ga-polar面，与此面对的第二表面120成为N-polar面，在第二表面120上形成突出部130。突出部130的表面成为Semi-polar面。在Semi-polar面上也容易实现结晶生长，因此，通过Ga-polar面和Semi-polar面可以实现薄膜的生长。因此，所形成的氮化镓基板100得到可实现双面生长的结构。
并且，在本实施例中所形成的氮化镓基板的突出部为在制造过程中氮化镓杆经过部分蚀刻后残留的结果。因此，突出部应被理解为起到在氮化镓基板上形成第一表面和第二表面的生长的核的作用。
图7为示出根据本发明的第一实施例形成在氮化镓杆上的氮化镓层的附图。
参照图7，生长用基板为氮化镓单晶。并且，在由氮化镓构成的生长用基板上形成硅氧化物材质的掩模图案。在掩模图案之间的隔开距离为10um至15um，掩模图案形成为底切形状，即，在掩模图案的下部之间的隔开距离形成为大于在掩模图案的上部之间的隔开距离。
并且，氮化镓杆形成在掩模图案的隔开空间。氮化镓杆通过在30torr的压力下利用H2载体并通过引入镓和氮的前驱体而制成。作为镓前驱体，以100sccm的流量引入TMGa，作为氮前驱体，以8000sccm的流量引入NH3。将沉积时间设定为40分钟。
接着，基于所形成的氮化镓杆形成氮化镓层。氮化镓层在100torr的压力下利用H2载气并通过引入镓和氮的前驱体而制成。作为镓前驱体，以100sccm的流量引入TMGa，作为氮前驱体，以8000sccm的流量引入NH3。沉积时间为20分钟。
并且，利用HF溶液进行第一次蚀刻工艺。通过第一次蚀刻工艺去除掩模图案，且形成蚀刻孔。
图8为示出根据本发明的第一实施例形成的氮化镓基板的附图。
参照图8，对在图7中所形成的氮化镓杆引入KOH溶液，对氮化镓杆进行蚀刻。氮化镓杆与氮化镓层相接的部分被集中蚀刻，Semi-polar面形成在其表面。并且，在图7中形成在掩模图案上部的氮化镓层成为N-polar面。
第二实施例
图9为示出根据本发明的第二实施例的双面发光二极管的截面图。
参照图9，本实施例的双面发光二极管包括：在氮化镓基板100上沿第一方向形成的第一发光体200；及沿与第一方向相对的第二方向形成的第二发光体300。第一发光体200和第二发光体300基于氮化镓基板100形成。
氮化镓基板100包括第一表面110、第二表面120及突出部130。第一表面110为Ga-polar面，第二表面120为N-polar面，突出部130的表面由Semi-polar面形成。并且，突出部130形成在第二表面120上。
在氮化镓基板100的第一表面110上形成第一发光体200。第一发光体200包括沿第一方向依次形成的第一n型半导体层210、第一活性层220及第一p型半导体层230。上述第一发光体200由基于氮化镓的材料形成。例如，所述第一发光体200可以形成蓝色、红色或绿色的光。为了蓝色的发光，第一活性层220的阻挡层可以由GaN构成，阱层可以由InGaN构成。并且，为了绿色的发光，第一活性层220的阱层可以由InGaN、AlGaN或AlInGaN等构成，且阻挡层可以由GaN构成。即，为了实现发光颜色，通过形成本领域技术人员已知的阱层和阻挡层来可以形成第一活性层220。
并且，第一n型半导体层210和第一p型半导体层230按照通常的发光二极管的制造工序而制成。
尤其，由于氮化镓基板100的第一表面110为Ga-polar面，因此与在氮化镓半导体上新的氮化镓半导体生长相同的机制形成。在Ga-polar面上生长活泼，由此，在其上很容易形成第一n型半导体层210。
并且，在氮化镓基板100的第二方向形成第二发光体300。在第二方向生长的第二发光体300通过将氮化镓基板100的突出部130用作生长的核而制成。分布在氮化镓基板100的第二表面120的N-polar面上无法顺利地实现通过MOCVD工艺的生长。然而，形成在第二表面120上的突出部130的侧表面为Semi-polar面，通过Semi-polar面主动发生生长。因此，以Semi-polar面为中心生长的第二发光体300包括依次形成的第二n型半导体层310、第二活性层320及第二p型半导体层330。
所形成的第二发光体300可以形成各种颜色的光。例如，可以形成蓝色、绿色或红色等的光。这可以由本领域技术人员根据需要来选择。
然而，在本实施例中，构成第二发光体300的第二n型半导体层310基于由氮化镓基板100的Semi-polar面形成的突出部130形成。并且，第二n型半导体层310可以采用有利于侧表面生长的ELOG法而制成。在形成第二型半导体层310之后，通过通常的MOCVD工艺形成第二活性层320和第二p型半导体层330。
因此，以氮化镓基板100为中心，两个发光体200、300形成在两面上。形成在第一表面110上的发光体形成第一颜色的光，形成在第二表面120上的发光体形成第二颜色的光。所形成的第一颜色的光和第二颜色的光可以相同或不同。
如果所形成的第一颜色和第二颜色相互不同，就存在由此能够形成各种颜色的光的优点。并且，如果所形成的第一颜色和第二颜色相同，就可以得到与相同的基板面积的亮度相比更高的亮度。尤其，如果第一颜色和第二颜色的光为蓝色光，就存在能够实现具有高亮度的白色光的优点。
并且，可以通过采用各种方法来形成双面发光二极管。
例如，在氮化镓基板100的第一表面110上形成第一发光体200之后，使与第一表面110面对的第二表面120朝向上部，采用通常的MOCVD工艺来可以在第二表面120或突出部130上形成第二发光体300。此外，先在第二表面120或突出部130上形成一个发光体，然后可以在第一表面110上形成另一个发光体。
根据上述本发明，可以得到第一表面具有Ga-polar面，第二表面具有N-polar面，形成在第二表面上的突出部具有Semi-polar面的氮化镓基板。氮化镓基板由半导体材质构成，因此非常有利于放出在其上形成的发光体所产生的热。并且，即使在其上部形成基于氮化镓的发光体，也其结晶的取向性和晶格常数实质上相同，从而可以获得高品质的单晶。因此，具有能够得到高品位的发光体的优点。
并且，以所形成的氮化镓基板为中心在两面上能够形成发光体，由此，可以得到实现各种颜色、具有高亮度的发光二极管。

Claims (11)

1.一种氮化镓基板，其特征在于，包括：
第一表面，由在表面上排列有镓原子的Ga-极性面构成；
第二表面，与所述第一表面面对，由在表面上排列有氮原子的N-极性面构成；及
突出部，形成在所述第二表面上，呈突出形状，其表面为半极性面；
其中所述突出部是预先设置的，并起到生长的核的作用以形成所述第一和第二表面。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基板，其中，所述镓原子和所述氮原子通过所述半极性面露出在表面上。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基板，其中，相邻的所述突出部相互隔开一定距离。
4.一种氮化镓基板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在生长用基板上形成掩模图案和氮化镓杆，所述氮化镓杆填埋所述掩模图案之间的隔开空间；
将所述氮化镓杆用作生长的核，以形成遮挡所述掩模图案的氮化镓层；
去除遮挡的所述掩模图案；及
向通过去除的所述掩模图案而形成的蚀刻孔供应腐蚀剂，蚀刻所述氮化镓杆，从而形成突出部，所述突出部通过氮化镓杆部分残留在所述氮化镓层上而成。
5.根据权利要求4所述的氮化镓基板的制造方法，其中，
在所述生长用基板上形成掩模图案和氮化镓杆的步骤包括：
在所述生长用基板上形成掩模图案的步骤；及
使填埋所述掩模图案之间的隔开空间的所述氮化镓杆生长的步骤。
6.根据权利要求4所述的氮化镓基板的制造方法，其中，所述氮化镓杆的侧表面具有半极性面。
7.根据权利要求4所述的氮化镓基板的制造方法，其中，所述突出部具有半极性面。
8.根据权利要求4所述的氮化镓基板的制造方法，其中，所述氮化镓层的上部的第一表面为Ga-极性面，与所述第一表面面对并与所述掩模图案相接的第二表面为N-极性面。
9.根据权利要求4所述的氮化镓基板的制造方法，其中，所述腐蚀剂为KOH溶液，所述腐蚀剂的浓度为1mol/L至5mol/L，所述腐蚀剂的温度为60℃至120℃。
10.一种双面发光二极管，其特征在于，包括：
由氮化镓材质构成的氮化镓基板，其中所述氮化镓基板包括：
第一表面，由其上具有镓原子的Ga-极性面构成；
第二表面，由其上具有氮原子的N-极性面构成；和
多个突出部，具有半极性面并形成在所述第二表面上；
在所述第一表面上形成并在第一方向生长的第一发光体；及
在所述多个突出部上形成并在与所述第一方向相对的第二方向生长的第二发光体。
11.根据权利要求10所述的双面发光二极管，其中，
在所述第一表面上形成所述第一发光体，以形成第一颜色的光；
在所述第二表面上形成所述第二发光体，以形成第二颜色的光。
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