CN1983657B - 制造具有纳米结构的衬底的方法、发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造具有纳米结构的衬底的方法、使用该结构的发光器件及其制造方法，其中用于生长发光器件的衬底形成有纳米结块，并且通过使用该结块作为掩模而蚀刻衬底，以允许在衬底上形成纳米结构，从而能够生长晶体缺陷减少、可靠性提高、质量好的发光结构，并且其中发光结构以纳米结构形成，以提高光提取效率。
Description
本发明要求于2005年12月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2005-0123861的优先权，并在此援引其公开的内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有纳米结构的衬底的方法、发光器件及其制造方法。
背景技术
普通发光二极管(LED)是应用于各种产品的单波光源，这些产品例如但是不限于背光、信号光、通常的照明用途以及全色显示器。基于氮化镓(GaN)和ZnO的材料具有较宽的直接跃迁型能带间隙，正在对这些材料进行大量的研究和开发，并在最近将它们商业化为紫外(UV)、蓝和绿波长范围的光源。
同时，在LED内部产生的光发出到LED外部，但遗憾的是，在LED内部产生的一些光在超过临界角时因两种材料、诸如LED和空气之间的界面的反射而陷于LED内部。换言之，以超过临界角到达表面的光将不会穿过表面，而将经历全内反射(TIR)。
换言之，现有构造的LED具有光提取效率下降的缺点，并且已经作出许多努力来改善这个缺点。
如图1所示，在第一材料(10)和第二材料(20)之间出现的陷于LED内的光由等式n1*sinθ1＝n2*sinθ2定义的Snell定律来说明，发生，其中n1是第一材料的折射率，而n2是第二材料的折射率，θ1是入射角，而θ2是折射角。
根据Snell定律的等式，以比临界角小的角入射到第一和第二材料(10，20)之间的界面的光穿过界面并发出到LED之外，但是角度大于临界角的光从两种材料之间的界面完全反射入LED并且陷于LED内部，经历TIR。
有若干方法可改善光提取效率，下面说明它们中的一些。
在一种用于改进光提取效率的方法中，LED芯片被磨削成半球状。换言之，发光器件的发光表面的形状为半球，其中发光层位于中心。从半球状发光器件的作用区中的一点发出的光以近正入射与半球界面交叉。于是，减少了全内反射。然而，这种技术尽管是最好的光学选择，但是这种技术单调乏味且浪费材料。另外，在磨削过程期间引入的缺陷可能牺牲发光器件的可靠性和性能。
在另一种方法中，发光器件被封装(密封)在具有圆顶或半球状表面的材料中，尽管这很难制造。
在另一方法中，公开了具有微孔腔结构或共振腔结构的发光器件。但是这种方法需要在制造过程期间对于结构层的厚度的非常精确的可控性以及可复制性，并且如果要从半导体将光有效地提取至空气，这种方法具有发光器件的发射波长应精确匹配制造的孔腔模式的缺点。另一个缺点是，如果温度或操作电流增加，则发光器件的发射波长变化，从而显著减少了光提取率。
最近开发了一种更受欢迎的方法作为减少TIR及改进整体光提取率的手段，这就是表面微造型。表面微造型技术是使内部产生的光人工地发出的发光器件芯片的表面粗糙或者是包括发光表面的周期性图案。表面微造型技术实际应用于制造LED。
另外，还有一种已开发并实际应用的方法，即在生长用于LED的发光结构之前，在类似蓝宝石的生长衬底的生长表面上形成图案，例如带、圈和透镜，并且执行LED结构的生长，以将生长的发光结构的晶格缺陷最小化并提高质量，由此可以改进LED的光提取效率。
已知的用于提高来自发光器件的光提取效率的表面粗糙及图案化衬底的方法可以单独使用，或者与已知的技术例如芯片形状改变技术和环氧树脂封装联合使用以便显著地提高光提取效率。
同时，表面微造型和图案化衬底技术通常是通过光刻法来实现的，即通过使用掩模曝光以及显影、干法蚀刻或湿法蚀刻处理，在绝缘层上形成光致抗蚀剂(PR)图案。
尽管现在正在开发以微米精度图案形成的衬底并将其应用于产品，但是趋势是需要纳米精度图案的实施及开发，以提高光提取效率。
为了实现纳米精度图案，通常使用精确的光刻技术，诸如电子束光刻、激光全息照相和深紫外步进机，但是存在产量低、系统成本高以及大规模生产能力差的缺点。于是，纳米级精度的制造技术需要在制造过程中实施简单、产量高以及价格低。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造具有纳米结构的衬底的方法、一种发光器件及其制造方法，其中用于生长发光器件(LED)的衬底形成有纳米结块，并且通过使用该结块作为掩模而蚀刻衬底，以允许在衬底上形成纳米结构，从而能够生长晶体缺陷少、可靠性高和质量好的发光结构，并且其中发光结构以纳米结构形成，以提高光提取效率。
本发明的另一个目的是提供一种制造具有纳米结构的衬底的方法、一种发光器件及其制造方法，其中使用简单的热处理来形成纳米结块，并且用该纳米结块作掩模来蚀刻衬底，以允许简单且低成本地在衬底上形成纳米结构。
在一个一般的方面中，制造具有纳米结构的衬底的方法包括：在衬底上形成保护膜；在保护膜上形成包括金属的薄膜层；对包括金属的薄膜层执行热处理；在保护膜上形成多个纳米结块；用多个纳米结块作掩模来蚀刻保护膜；除去多个纳米结块；用蚀刻的保护膜作掩模来蚀刻衬底顶面，以在衬底上形成多个纳米结构；以及除去保护膜。
在另一个一般的方面中，制造发光器件的方法包括：在衬底上形成多个纳米结构；在多个纳米结构上形成发光结构，该发光结构包括具有第一极性的第一半导体层、活性层和具有与第一半导体层的第一极性相反的极性的第二半导体层；在发光结构上形成支架；从发光结构除去衬底；除去支架；在发光结构的第一半导体层的底面上形成第一电极；以及在第二半导体层上形成第二电极。
在再一个一般的方面中，发光器件包括：第一半导体层，具有多个纳米结构和第一极性；在第一半导体层的顶面上形成的活性层；在活性层的顶面上形成的第二半导体层，具有与第一极性相反的极性；在第一半导体层的底面上形成的第一电极；以及在第二半导体层的顶面上形成的第二电极。
附图说明
图1是显示根据现有技术在两种不同材料之间的界面折射的光的示意图；
图2是根据本发明制造的形成有纳米结构的衬底的示例性实施例的示意性透视图；
图3是根据本发明制造的形成有纳米结构的衬底的另一示例性实施例的示意性透视图；
图4a～4g是根据本发明的形成有纳米结构的衬底的制造方法的截面图；
图5是根据本发明的形成有纳米结构的衬底的示例性SEM(扫描电子显微镜)图；
图6是据本发明的采用形成有纳米结构的衬底的发光器件的实施例的截面图；
图7a～7e是根据本发明的制造发光器件的方法的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明优选实施例。
图2是根据本发明制造的形成有纳米结构的衬底的示例性实施例的示意性透视图，其中衬底(100)在其顶面形成有多个纳米杆(105)，并且该多个纳米杆(105)包括纳米结构。
每个纳米杆(105)的尺寸为10nm～2000nm，并且，尽管图2中示出纳米杆是规则的，但是纳米杆可以不规则排列。
图3是根据本发明制造的形成有纳米结构的衬底的另一示例性实施例的示意性透视图，其中衬底(100)在其顶面形成有多个槽(135)，并且该多个槽(135)也是纳米结构的。
图4a～4g是说明根据本发明形成有纳米结构的衬底的制造方法的截面图，其中衬底(100)在其顶面形成有保护膜(110)，如图4a所示，并且衬底(100)优选地是蓝宝石衬底。优选地，保护膜(110)是SiO2或SiN，它们是易于通过干法蚀刻或湿法蚀刻形成图案且易于在随后的过程中除去的材料。
同时，沉积在衬底(100)上的保护膜(110)的厚度优选地是300nm。随后，在保护膜(110)顶面形成有包括金属的薄膜层(120)(图4b)。此时，包括金属的薄膜层(120)不仅可以是包括非常少量金属的薄膜层，而且可以是仅包括金属的薄膜层。
优选地，包括金属的薄膜层(120)通过电子束蒸发方法而形成具有厚度为几纳米到几十纳米的金属。保护膜(110)不仅阻止包括蒸发的金属的薄膜层(120)扩散入衬底(100)或与其反应，而且还将热处理期间制造的每个结块的大小控制在纳米级别。
参考图4c，包括金属的薄膜层随后被热处理，以允许在保护膜(110)上形成多个结块(125)，它们每一个都是纳米大小。此时，优选地包括金属的薄膜层的热处理通过快速热处理设备(诸如快速热处理装置或炉)而在100℃～2,000℃范围中进行。
同时，利用包括金属的薄膜层的厚度、热处理期间的温度或者保护膜的厚度，可以控制每一结块(125)的大小。优选地，在保护膜(110)顶面上形成的多个结块(125)的每一个的宽度都被控制在10nm～2,000nm范围内。
多个结块(125)可以不规则地形成在保护膜(110)上，即，聚集成一团或者各自连结的若干团。于是，每一个的尺寸以及它们之间的具体距离无需以预定的数值来形成。
随后，使用该多个结块(125)作为掩模蚀刻保护膜(110)(图4d)。优选地，通过执行反应离子刻蚀(RIE)处理蚀刻保护膜(110)。很显然，可以利用除了RIE刻蚀处理之外的多种其它干法蚀刻处理来蚀刻保护膜(110)。
换言之，根据这样说明的制造方法的蚀刻处理的优点在于，与实现纳米单位尺寸的方法，诸如包括现有的光刻法、电子束光刻、激光全息照相、深紫外步进机的光刻法技术相比，它容易且可以以较少的制造成本获得高产量。然后除去多个结块(125)(图4e)。多个结块可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻处理而除去。然后，使用蚀刻的保护膜(115)作为掩模蚀刻衬底(100)的顶面，以在衬底(100)的顶面上形成多个纳米杆(105)(图4f)。
此时，衬底(100)上形成的多个纳米杆(105)中的每一个的宽度都被控制在10nm～2,000nm范围内，与结块相同。同样，可以利用RIE方法或其它干法蚀刻方法蚀刻衬底(100)。
同时，由于延长通过蚀刻衬底(100)的顶面形成的多个纳米杆(105)有利于对光的折射和反射，所以衬底越深，光的折射和反射就越有效。
然而，最好恰当地调整和蚀刻衬底(100)的深度，以不影响衬底的支持力。最后，除去保护膜(115)(图4g)，这结束了形成有多个作为一种纳米结构的纳米杆的衬底的制造。
在上述处理中，如果结块的聚集状态得到控制，那么在衬底上可以形成纳米槽(或纳米杆)的结构或者纳米杆与纳米槽的混合结构。换言之，如果形成结块以允许其某些部分连结至其它部分，那么在未连结的结块的部分就形成了空间，并且暴露于该空间的衬底可以被蚀刻以在其上形成多个槽。
于是，发光器件外延层在形成有纳米结构、例如纳米杆和纳米槽的衬底上的生长具有以下优点：可以减小晶体缺陷，并且可以实现具有改进的内部量子效率和可靠性的高质量的发光器件。另一个优点是，来自衬底的折射和反射可以得到提高，从而增加光提取效率和光输出。
尽管上面根据本发明的示例性实施例仅仅说明了形成有纳米结构的衬底的制造方法，其中保护膜形成在衬底上，包括金属的薄膜层形成在保护膜上，并且之后进行热处理以形成纳米结块，但是形成有纳米结构的衬底也可以以与上述示例性实施例相反的顺序制造，其中首先执行热处理以通过形成包括金属的薄膜层而形成纳米结块，然后这样形成的结块被用作掩模。
图5是根据本发明的形成有纳米结构的衬底的示例性SEM(扫描电子显微镜)图，其中在衬底(100)的顶面形成有纳米杆(105)，并且衬底(100)优选地是蓝宝石衬底。
图6是据本发明的采用形成有纳米结构的衬底的发光器件的实施例的截面图，其中形成有纳米结构的衬底用于形成水平发光器件，一电极设置在该发光器件的顶面。
发光器件是发光结构，其包括：其上形成有多个纳米结构的衬底；衬底上形成的且具有第一极性的第一半导体层；活性层；和具有与第一极性相反的极性的第二半导体层，其中第一极性优选地是n型。
该发光结构包括：在衬底上形成的且在其上部以预定深度蚀刻的n型半导体层；在n型半导体的除了蚀刻的上部之外的其余部分形成的活性层；和在活性层上形成的p型半导体层，其中n型和p型半导体优选的是GaN(氮化镓)半导体层。
进一步参考图6，该发光器件包括：其上形成有纳米杆(205)的衬底(200)；在衬底(200)上形成的且其上部被部分除去的n型GaN层(210)；在未除去的n型GaN层上形成的活性层(220)；在活性层(220)上形成的p型GaN层(230)；在除去的n型GaN层上形成的第一电极(240)；和在p型GaN层(230)上形成的第二电极(250)，其中在n型GaN层(210)下面形成有多个纳米杆状的槽，它们每一个的宽度都优选地在10nm～2000nm范围内。
图7a～7e是说明根据本发明制造发光器件的方法的截面图，其中将说明用于制造垂直发光器件的方法，该方法能够使用形成有纳米结构的衬底在发光结构上形成纳米结构。
换言之，具有在发光结构的第二半导体层的顶面上或者在发光结构的第一半导体层的底面上的纳米结构的发光器件包括：具有第一极性的第一半导体层；活性层；和具有与第一极性相反的极性的第二半导体层，从而能够增加光提取效率。
更具体地，多个纳米结构首先形成在衬底(300)上(图7a)，其中纳米结构是纳米杆(305)，并且以如图4a～4g所示的相同方法形成该多个纳米结构。
随后，在具有多个纳米结构的衬底(300)上形成发光器件(370)，其包括：具有第一极性的第一半导体层(310)；活性层(320)；和具有与第一极性相反的极性的第二半导体层(330)(图7b)。然后在发光结构(370)上形成支架(340)(图7c)。这样形成支架(340)以便在随后的处理中要分离衬底(300)时支持发光结构(370)。
然后，衬底(300)与发光结构(370)分离。衬底(300)的分离通过现有的LLO(激光剥离)处理而执行。
最后，除去支架(340)，并且在发光结构(370)的第一半导体层(310)下形成第一电极(350)，在第二半导体层(360)上形成第二电极(360)(图7e)。
上述处理的结束改进了垂直发光器件的制造，并且在第一半导体层(310)下面形成有纳米结构，由此提高了光提取效率和光输出。
另外，垂直型发光器件包括：第一半导体层(310)，具有第一极性并且在其底面形成有多个纳米结构；在第一半导体层(310)的顶面上形成的活性层(320)；在活性层(320)的顶面上形成且具有与第一极性相反的极性的第二半导体层(330)；在第一半导体层(310)的底面上形成的第一电极(350)；和在第二半导体层(330)的顶面上形成的第二电极(360)。
此时，第一电极(350)可以形成在第一半导体层(310)的底面的部分或整个区域，同样，第二电极(360)可以形成在第二半导体层(330)的顶面的部分或整个区域。
这些电极的设计可以自由改变，以进一步提高发光器件的光特性。
另外，电极的主要任务是向活性层提供空穴和电子，并且可以在第一电极(350)和第一半导体层(310)之间或者第二电极(360)和第二半导体层(330)之间插入附加的层，以提高发光器件的性能。
例如，第二电极可以由反射欧姆电极和金属层构成，其中反射欧姆电极可以形成在第二半导体层(330)的顶面上。
如果反射欧姆电极形成在第二半导体层(330)的顶面的整个区域，那么射向垂直发光器件中的第二半导体层(330)的顶面的光从反射欧姆电极反射，以发出到第一半导体层(310)的底面，从而由活性层(320)产生的光的大部分被发出到第一半导体层(310)的底面。
进一步，可以以这样的方式实现该结构，即，第二电极(360)由反射欧姆电极和金属层构成，其中反射欧姆电极形成在第二半导体层(330)的顶面上，并且金属层在其上形成有支架。
于是，用于制造这样构造的垂直发光器件的方法包括：在发光结构上形成反射欧姆电极和金属层；在金属层上形成支架；除去衬底；以及在发光结构的表面上形成另一电极。于是，经过制造处理的垂直发光器件保留支架。
尽管已经参考示例性实施例特别显示并说明了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以在形式和细节上作出多种改变，而不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神及范围。
上述根据本发明的制造具有纳米结构的衬底的方法、发光器件及其制造方法的优点在于，用于生长发光器件(LED)的衬底形成有纳米结块，并且通过将结块用作掩模蚀刻衬底以允许纳米结构形成在衬底上，从而能够生长晶体缺陷减少、可靠性提高、高质量的发光结构，并且发光结构形成有纳米结构，以便能够提高光提取效率。
另一个优点是，结块是使用简单的热处理工艺形成的，并且衬底是通过将结块用作掩模而蚀刻的，从而能够简单且低成本地在衬底上形成纳米结构。
Claims (7)
1.一种制造具有纳米杆结构的衬底以增强发光器件的光提取效率的方法，包括：
在用于形成发光器件的外延层的所述衬底上形成保护膜；
在所述保护膜上形成包括金属的薄膜层；
对所述包括金属的薄膜层执行热处理；
在所述保护膜上形成多个纳米结块；
用所述多个纳米结块作掩模来蚀刻所述保护膜；
除去所述多个纳米结块；
用所述蚀刻的保护膜作掩模来蚀刻所述衬底的顶面，以在所述衬底上形成多个纳米杆结构；以及
除去所述保护膜，其中所述纳米杆结构对应于所述纳米结块。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述包括金属的薄膜层的热处理是由快速热处理装置或炉执行的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个纳米结块中每一个的宽度在10nm～2,000nm的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述包括金属的薄膜层的热处理是在100℃～2,000℃的范围内进行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护膜和所述衬底是通过执行反应离子刻蚀(RIE)处理而被蚀刻的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护膜是SiO2或SiN。
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