CN1917245B

CN1917245B - 氮化物基发光器件及其制造方法

Info

Publication number: CN1917245B
Application number: CN2006101592505A
Authority: CN
Inventors: 宋俊午
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Display Co Ltd
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: JP2007049159A; KR20050086390A; CN1917245A; KR100720101B1; US7820463B2; JP4764283B2; TWI361500B; US20080305567A1; US20070034891A1; TW200715618A; US7427785B2

Abstract

本发明提供了一种氮化物基发光器件及其制造方法，该发光器件包括：n型覆层；p型覆层；介于n型覆层和p型覆层之间的有源层；以及与p型覆层或n型覆层接触并且包括第一膜的欧姆接触层，其中第一膜包括具有一维纳米结构的透明导电氧化锌，其中一维纳米结构为纳米柱、纳米棒和纳米线中的至少一种。

Description

氮化物基发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光器件及其制造方法，尤其涉及一种顶部发射氮化物基发光器件及其制造方法。

背景技术

通常，顶部发射氮化物基发光器件包括p型氮化物基覆层、n型氮化物基覆层以及介于其间的氮化物基有源层。在氮化物基发光器件中，有源层中产生的光通过n型或p型覆层发射出去。

P型氮化物基覆层的空穴浓度低，从而表面电阻高。为了补偿高的表面电阻，建议使用包括镍(Ni)薄膜和金(Au)薄膜的欧姆接触层。

然而，当光通过p型覆层时，发光器件因Ni-Au薄膜的透射率差而具有较低的发光效率，并且因为Ni-Au薄膜的厚度薄而热性能不稳定。

因此，引入透明导电氧化物如氧化铟锡(ITO)和氧化锌(ZnO)作为欧姆接触层的材料。

然而，ITO或ZnO在界面上形成肖特基接触而导致很大的电压降并且具有很大的表面电阻，使得发光器件的工作电压增加。

与此同时，提出一种通过n型氮化物基覆层发光的结构。该结构包括位于有源层下方的反射p型欧姆接触层和沿着在有源层上具有很小接触面积的电极焊盘的n型欧姆接触层，从而可以提高发光效率并且可以容易地将发光器件工作期间产生的热散发出去。然而，在上述发光器件中n型氮化物基覆层的表面因发光器件在工作期间产生的热而易于被氧化，由此降低了发光器件的可靠性。因此，引入了很难被氧化的透明导电材料作为用于n型氮化物基覆层的欧姆接触层材料。

公知的透明导电材料的例子包括透明导电氧化物如ITO、In₂O、SnO₂和ZnO以及透明导电氮化物如氮化钛(TiN)。

然而，当通过包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积如溅射、电子束沉积和热沉积的常规技术沉积上述透明导电氧化物和氮化物时，沉积得到的薄膜具有很大的表面电阻。此外，透光导电氧化物和氮化物具有很小且难以调整的功函数，因此形成高接触势垒和电阻。

而且，透明导电薄膜对有源层中产生的光具有很强的反射和吸收，并且折射率比空气和二维平坦界面的高，由此进一步降低了发光器件的发光效率。

发明内容

根据本发明代表性实施例的发光器件包括：n型覆层；p型覆层；介于n型覆层和p型覆层之间的有源层；以及与p型覆层或n型覆层接触并且包括第一膜的欧姆接触层，该第一膜包括具有一维纳米结构的透明导电氧化锌，其中一维纳米结构为纳米柱、纳米棒和纳米线中的至少一种。

n型覆层、p型覆层和有源层可以包括氮，尤其是可以包含第III族氮化物基化合物如具有Al_xIn_yGa_zN的化合物，其中x、y和z为整数。

第一膜还可以包括附加组分，该附加组分包括铝(Al)、铬(Cr)、硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、镉(Cd)、镧(La)及其氧化物中的至少一种。附加组分的量可以为大约0.1重量百分比到大约49重量百分比。

第一膜的厚度可以等于或大于大约10纳米。

欧姆接触层还可以包括设置在第一膜和p型覆层或n型覆层之间的第二膜，第二膜包含包括Ni、Pd、Pt、Rh、Zn、In、Sn、Ag和Au的金属、包括ITO、SnO₂、ZnO、In₂O₃、Ga₂O₃、RhO₂、NiO、CoO、PdO、PtO、CuAlO₂、CdO和CuGaO₂的透明导电氧化物以及包括TiN、TaN和SiN_x的透明导电氮化物中的至少一种。

发光器件还可以包括：与欧姆接触层接触的第一电极焊盘；以及与p型覆层或n型覆层电连接并且与第一电极焊盘分开的第二电极焊盘。

发光器件还可以包括：基底；设置在基底上的粘合层；设置在粘合层上并且设置在p型覆层或n型覆层下方的反射层；以及与欧姆接触层接触的电极焊盘。

根据本发明代表性实施例的发光器件制造方法包括：在基底上形成n型覆层、有源层、p型覆层；形成欧姆接触层的透明导电氧化锌膜，该氧化锌膜具有纳米结构；以及对氧化锌膜进行热处理。

氧化锌膜的形成可以包括：沉淀氧化锌二维薄膜；然后在包括氢气的氛围下对二维薄膜进行蚀刻和再生。

氧化锌膜可以包括铝(Al)、铬(Cr)、硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、镉(Cd)、镧(La)及其氧化物中的至少一种。

该方法还可以包括：在氧化锌膜下方形成欧姆夹层，其中欧姆夹层包含包括Ni、Pd、Pt、Rh、Zn、In、Sn、Ag、Au、Cd、Mg、Be、Mo、V、Cu、Ti、Ir、Ru、W、Co、Mn和La的金属、包括ITO、SnO₂、ZnO、In₂O₃、Ga₂O₃、RhO₂、NiO、CoO、PdO、PtO、CuAlO₂、CdO和CuGaO₂的透明导电氧化物和包括TiN、TaN和SiN_x的透明导电氮化物中的至少一种。

该方法还可以包括：在形成欧姆夹层之后和形成氧化锌膜之前进行热处理。在形成氧化锌膜之前的热处理是在等于或低于大约800℃的温度下在真空中或在氧气(O₂)、氮气(N₂)、氩气(Ar)、氢气(H₂)或空气氛围中进行的。

该方法还可以包括：在等于或低于大约800℃的温度下使用如氧气(O₂)、氮气(N₂)、氢气(H₂)或氩气(Ar)的离子在氧化锌膜上进行等离子体处理。

附图说明

图1为根据本发明代表性实施例的具有MESA结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图；

图2为根据本发明代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图；

图3为根据本发明另一个代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图；

图4为根据本发明另一个代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图；

图5A、图5B和图5C示出生长得到的用于形成图1到图4中示出的欧姆接触层的具有一维纳米结构的氧化锌(ZnO)的几种形状；

图6A、图6B、图6C和图6D示出形成图1到图4中示出的欧姆接触层的具有一维纳米结构的氧化锌(ZnO)蚀刻形成的各种形状。

具体实施方式

此后参考附图对本发明进行更全面的描述，附图中示出了本发明的优选实施方案。然而，本发明可以以不同的形式实施并且应当不被构成为限制在这里提出的实施方案。在附图中，为了清楚放大了层、膜、面板、区域等的厚度。自始至终相同的附图标记表示相同的部件。应当理解当部件如层、膜、区域或基底被称作位于另一个部件之“上“时，它可以直接位于另一部件之上或者也可以存在中间部件。反之，当部件被称作“直接”位于另一个部件之“上”时，就不存在中间部件。

现在，参考图1、图2、图3和图4对根据本发明的发光器件进行详细描述。

图1为根据本发明代表性实施例的具有MESA结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图。

参考图1，在基底110上顺序形成氮化物基缓冲层120、n型氮化物基覆层130、氮化物基有源层140、p型氮化物基覆层150以及欧姆接触层160。在欧姆接触层160的侧边形成P型电极焊盘170并且在n型覆层130的侧边形成n型电极焊盘180。

基底110可以由绝缘材料如蓝宝石(Al₂O₃)构成，并且可以省略氮化物基缓冲层120。

从缓冲层120到p型覆层150中的每一层基本上都包括第III族氮化物基化合物，例如具有Al_xIn_yGa_zN的化合物(其中x、y和z为整数)。n型覆层130还包括n型掺杂剂和第III族氮化物基化合物，并且p型覆层150还可以包括p型掺杂剂和第III族氮化物基化合物。有源层140发光并且可以是单晶的。有源层140可以具有单层结构或多量子阱(MQW)结构。

例如，当使用氮化镓(GaN)化合物时，氮化物基缓冲层120可以由GaN构成，n型覆层130可以由掺杂有n型掺杂剂如Si、Ge、Se或Te的GaN构成。有源层140可以具有InGaN和GaN的MQW结构或者AlGaN和GaN的MQW结构，而p型覆层150可以由掺杂有p型掺杂剂如Mg、Zn、Ca、Sr或Ba的GaN构成。

n型覆层130包括较厚部分和较薄部分。有源层140、p型覆层150和欧姆接触层160设置在n型覆层130中较厚部分上，而n型电极焊盘180设置在其较薄部分上。这种结构可以通过顺序沉积n型覆层130、有源层140、p型覆层150和欧姆接触层160，然后对它们进行蚀刻而得到。

n型欧姆接触层(未示出)可以介于n型覆层130和n型电极焊盘180之间。n型欧姆接触层可以具有各种结构，例如钛薄膜和铝薄膜的顺序沉积结构。

p型电极焊盘170可以具有Ni薄膜和Au薄膜的顺序沉积结构，或者Ag薄膜和Au薄膜的顺序沉积结构。

欧姆接触层160包括下层膜160p、中间膜160q和上层膜160r。下层膜160p和中间膜160q中的至少一个可以省略。

上层膜160r包括一维纳米结构如纳米柱、纳米棒或纳米线。

上层膜160r可以由透明导电氧化锌(ZnO)构成。虽然上层膜160r可以只包括锌和氧化物，但是上层膜160r还可以包括用于调整氧化锌的电子浓度、能量带隙或折射率的附加组分。附加组分可以是金属或其氧化物。金属的例子为铝(Al)、铬(Cr)、硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、镉(Cd)和镧(La)。即，上层膜160r可以包括上述金属及其氧化物中的至少一种作为附加组分。

附加组分的量可以为大约0.1重量百分比到大约49重量百分比。

上层膜160r的厚度可以等于或大于大约10纳米。

上层膜160r可以直接生长成具有一维纳米结构。然而，上层膜160r可以通过沉积氧化锌的二维薄膜，然后在包括氢气(H₂)的氛围下通过进行热处理对二维薄膜进行蚀刻和再生而形成。

下层膜160p和中间膜160q可以是欧姆接触层，用于提高p型氮化物基覆层150和上层膜160r之间的欧姆接触特性。

下层膜160p和中间膜160q都可以由包括Ni、Pd、Pt、Rh、Zn、In、Sn、Ag、Au、Cd、Mg、Be、Mo、V、Cu、Ti、Ir、Ru、W、Co和Mn的金属、包括ITO、SnO₂、ZnO、In₂O₃、Ga₂O₃、RhO₂、NiO、CoO、PdO、PtO、CuAlO₂、CdO和CuGaO₂的透明导电氧化物和包括TiN、TaN和SiN_x的透明导电氮化物中的至少一种构成。

当形成欧姆接触层160时，在沉积下层膜160p和中间膜160q之后，以及沉积上层膜160r之前或之后，可以在等于或低于大约800℃的温度下并且在真空或在各种气体如氧气(O₂)、氮气(N₂)、氩气(Ar)、氢气(H₂)或空气的氛围下进行热处理。热处理可以提高欧姆接触层160的透光率和导电率。此外，通过使用如氧气(O₂)、氮气(N₂)、氢气(H₂)或氩气(Ar)的离子进行等离子体处理，提高上层膜160r的光学特性和电特性。

各层可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)形成。

CVD的例子包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)。

PVD的例子包括蒸镀、激光沉积和溅射。蒸镀的例子为热蒸镀和电子束蒸镀。激光沉积可以使用具有高能量的激光束。溅射使用如氧气(O₂)、氮气(N₂)、氢气(H₂)或氩气(Ar)的离子，溅射可以使用两个或以上的溅射枪，其称为联合溅射。

在图1中示出的发光器件中，有源层140中产出的光通过p型覆层150发射出去，并且该发光器件可以用于小发光区域、低容量和低亮度。

图2为根据本发明代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图。

图2中示出的发光器件的层状结构与图1中示出的层状结构相似。

即，在基底210上顺序形成氮化物基缓冲层220、n型氮化物基覆层230、氮化物基有源层240、p型氮化物基覆层250以及欧姆接触层260。

与图1中示出的发光器件不同，图2中示出的发光器件的基底210可以由导电碳化硅(SiC)构成。n型电极焊盘280相对于基底210设置在缓冲层230的相反侧并且覆盖基底210的整个表面。p型电极焊盘270形成在欧姆接触层260上并且设置在欧姆接触层260的中间附近。

n型电极焊盘280为欧姆电极焊盘，并且可以由反射率高的金属如铝、铑或银构成。n型电极焊盘280可以具有各种层状结构。

n型覆层130具有均匀的厚度，因此不需要蚀刻。

因为图2中示出的发光器件使用导电基底210，所以该发光器件的散热良好并且该发光器件可以用于大面积、大容量和高亮度。

图1中示出的发光器件的许多特征都可以应用到图2中的发光器件中。

图3为根据本发明另一个代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图。

图3中示出的发光器件的层状结构与图2中示出的层状结构相似。

即，在基底310上顺序形成n型氮化物基覆层330、氮化物基有源层340、p型氮化物基覆层350、欧姆接触层360以及p型电极焊盘370。

与图2中示出的发光器件不同，图3中示出的发光器件不包括n型电极焊盘，并且包括粘合层320来代替包括缓冲层220。基底310可以由导电半导体、金属等构成。

在粘合层320和n型覆层330之间形成反射层390，并且反射层390对有源层340发出的光进行反射。

当制造图3中示出的发光器件时，在由蓝宝石等构成的绝缘基底(未示出)上形成包括反射层390、n型氮化物基覆层330、氮化物基有源层340、p型氮化物基覆层350、欧姆接触层360和p型电极焊盘370中的至少之一的结构。使用激光剥离(laser lift off)使该结构与绝缘基底分隔开，并且通过粘合层320将该结构粘接在导电基底310上。

图3中示出的发光器件也具有优异的散热并且可以用于大面积、大容量和高亮度。

图2中示出的发光器件的许多特征都可以应用到图3中的发光器件中。

图4为根据本发明另一个代表性实施例的具有竖向结构的氮化物基顶部发光型发光器件的截面图。

图4中示出的发光器件的层状结构与图3中示出的层状结构相似。

即，在基底410上顺序形成粘合层420和反射层490，并且在其上形成n型氮化物基覆层430、氮化物基有源层440、p型氮化物基覆层450以及欧姆接触层460。

然而，与图3中示出的位置相比较，图4中示出的发光器件中n型氮化物基覆层430和p型氮化物基覆层450的相对位置调换。此外，形成n型电极焊盘480来代替p型电极焊盘370。

图3中示出的发光器件的许多特征都可以应用到图4中的发光器件中。

包括上述纳米结构欧姆接触层的发光器件改进了欧姆接触层的界面特性，从而显示出得到改进的电流-电压特性并且增大了发光效率。

图5A、图5B和图5C示出生长得到的用于形成图1到图4中示出的欧姆接触层的具有一维纳米结构的氧化锌(ZnO)的几种形状。

在不同的工艺条件即不同的温度和不同的工艺时间下形成图5A、图5B和图5C示出的氧化锌。

图6A、图6B、图6C和图6D示出对形成图1到图4中示出的欧姆接触层的具有一维纳米结构的氧化锌(ZnO)进行蚀刻形成的各种形状。

图6A示出沉积氧化锌(ZnO)形成的二维薄膜。图6B、图6C和图6D示出通过在氢气(H₂)氛围下对图6A示出的氧化锌薄膜进行蚀刻制得的氧化锌，根据工艺温度和进行蚀刻的工艺时间，氧化锌薄膜具有略微不同的形状。

为了改进纳米结构氧化锌的光学特性和电特性，优选在等于或低于大约800℃的温度下使用氧气(O₂)、氮气(N₂)、氢气(H₂)的离子对氧化锌进行等离子体处理。

虽然上面已经对本发明的优选实施方案进行了说明，但是应当清楚地理解，其中教导的基本发明概念的许多变化和/或改动都将落在附带的权利要求所限定的本发明的精神和范围内。

本申请要求2005年8月9日提交的韩国专利申请10-2005-0072527的优先权，在此结合其整个内容作为参考。

Claims

1.一种发光器件，包括：

n型覆层；

p型覆层；

介于n型覆层和p型覆层之间的有源层；以及

与p型覆层或n型覆层接触并且包括第一膜的欧姆接触层，其中第一膜包括具有一维纳米结构的透明导电氧化锌，

其中一维纳米结构为纳米柱、纳米棒和纳米线中的至少一种。

2.根据权利要求1的发光器件，其中n型覆层、p型覆层和有源层包含氮。

3.根据权利要求2的发光器件，其中n型覆层、p型覆层和有源层包含第III族氮化物基化合物。

4.根据权利要求3的发光器件，其中n型覆层、p型覆层和有源层包含具有Al_xIn_yGa_zN的化合物，其中x、y和z为整数。

5.根据权利要求1的发光器件，其中第一膜还包含附加组分，该附加组分包括铝(Al)、铬(Cr)、硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、镉(Cd)、镧(La)及其氧化物中的至少一种。

6.根据权利要求5的发光器件，其中附加组分的量为0.1重量百分比到49重量百分比。

7.根据权利要求1的发光器件，其中第一膜的厚度等于或大于10纳米。

8.根据权利要求1的发光器件，其中欧姆接触层还包括设置在第一膜和p型覆层或n型覆层之间的第二膜，第二膜包含包括Ni、Pd、Pt、Rh、Zn、In、Sn、Ag和Au的金属、包括ITO、SnO₂、ZnO、In₂O₃、Ga₂O₃、RhO₂、NiO、CoO、PdO、PtO、CuAlO₂、CdO和CuGaO₂的透明导电氧化物以及包括TiN、TaN和SiN_x的透明导电氮化物中的至少一种。

9.根据权利要求1的发光器件，还包括：

与欧姆接触层接触的第一电极焊盘；以及

与p型覆层或n型覆层电连接并且与第一电极焊盘分开的第二电极焊盘。

10.根据权利要求1的发光器件，还包括：

基底；

设置在基底上的粘合层；

设置在粘合层上并且设置在p型覆层或n型覆层下方的反射层；以及

与欧姆接触层接触的电极焊盘。

11.一种发光器件的制造方法，该方法包括：

在基底上形成n型覆层、有源层和p型覆层；

形成欧姆接触层的透明导电氧化锌膜，该氧化锌膜具有纳米结构；以及

对氧化锌膜进行热处理。

12.根据权利要求11的方法，其中氧化锌膜的形成包括：

沉积氧化锌二维薄膜；以及

在包括氢气的氛围下对二维薄膜进行蚀刻，然后再生。

13.根据权利要求11的方法，其中氧化锌膜包括铝(Al)、铬(Cr)、硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、镉(Cd)、镧(La)及其氧化物中的至少一种。

14.根据权利要求11的方法，还包括：

在氧化锌膜下方形成欧姆夹层，

其中欧姆夹层包含包括Ni、Pd、Pt、Rh、Zn、In、Sn、Ag、Au、Cd、Mg、Be、Mo、V、Cu、Ti、Ir、Ru、W、Co、Mn和La的金属、包括ITO、SnO₂、ZnO、In₂O₃、Ga₂O₃、RhO₂、NiO、CoO、PdO、PtO、CuAlO₂、CdO和CuGaO₂的透明导电氧化物以及包括TiN、TaN和SiN_x的透明导电氮化物中的至少一种。

15.根据权利要求14的方法，还包括：

在形成欧姆夹层之后和形成氧化锌膜之前进行热处理。

16.根据权利要求15的方法，其中在形成氧化锌膜之前的热处理是在等于或低于800℃的温度下在真空或氧气(O₂)、氮气(N₂)、氩气(Ar)、氢气(H₂)或空气氛围中进行的。

17.根据权利要求11的方法，还包括：在等于或低于800℃的温度下使用如氧气(O₂)、氮气(N₂)、氢气(H₂)或氩气(Ar)离子在氧化锌膜上进行等离子体处理。