CN1996626B - 氮化物基发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种高功率和长寿命的氮化物基发光器件及其制造方法。该氮化物基发光器件包括：形成于单晶晶片上的n覆层；通过在HCl和NH3的混合气体气氛下从顶表面处理该n覆层至预定深度而形成的多孔层；以及依次形成于所述多孔层上的有源层和p覆层。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化物基发光器件，尤其涉及一种具有高功率和长寿命的氮化物基发光器件及其制造方法。
背景技术
诸如发光二极管(LED)的发光器件基本上是半导体PN结二极管。硅PN结扮演了电子信息革命的领导角色，而III-V族化合物半导体的PN结则扮演了光革命的领导角色。III-V族化合物半导体是通过组合元素周期表上的III族和V族元素制成的。它具有发光效率几乎接近100％的优势。这一发光效率比硅高近一千倍。于是，从材料开发的初始阶段开始，LED就广泛使用在诸如二极管激光器的发光器件中，并且扮演着光革命的领导角色。此外，由于LED具有高的电子运动速度并能够在高温下工作，因此，它们被广泛用在高速高功率电子器件中。尤其是，将几种III族和V族元素彼此混合，从而能够制造出具有各种材料组分和特性的半导体。
作为LED的基本特性，在可见光区在LED中使用发光强度(单位：坎德拉(cd))，在非可见光区中使用辐射通量(单位：瓦)。发光强度由每单位立体角的光速表示，而亮度由每单位面积的发光强度表示。使用光度计测量亮度。辐射通量表示从LED的所有波长辐射的全部功率，由每单位时间辐射的能量表示。
决定可见光LED性能的主要因素是由每瓦特流明(lm/W)表示的发光效率。这一因素对应于考虑到人眼的亮度因素时的壁上插座效率(wall-plugefficiency)(光输出/输入的电功率的量)。LED的发光效率可以主要由三个因素决定，诸如内量子效率、引出效率和工作电压。目前正在开展对于改善发光效率的研究。
通常，常规LED具有蓝宝石/n-GaN/MQW/p-GaN的结构。不过，在这种LED中，由于制造技术的制约，缺陷的密度高。于是，在解决当前的技术目的时存在限制，即，第一个目的是提高MQW层的内量子效率，第二个 目的是制造高功率的LED。具体而言，在高功率LED中，由于缺陷，导致漏电流大，这提高了器件的驱动电压并减少了器件的寿命。
韩国专利申请No.10-2005-0081139披露了一种具有纳米棒(nano rod)阵列结构的LED及其制造方法，该结构具有InGaN量子阱。在此，由于LED具有蓝宝石/n-GaN/MQW/p-GaN的结构，因此曾为改善上述问题而做出过工作。不过，制造纳米棒的方法很复杂，在产业中实际使用这种技术并不容易。
发明内容
本发明提供了一种高功率和长寿命的氮化物基发光器件及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供了一种氮化物基发光器件，该氮化物基发光器件包括：形成于单晶晶片上的n覆层；多孔层，该多孔层通过在HCl和NH3的混合气体气氛下从所述n覆层的顶表面处理其直到预定深度而形成；以及依次形成于所述多孔层上的有源层和p覆层。
所述多孔层可以形成至1-10μm的厚度。
所述单晶晶片可以为Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。所述n覆层可以为n-GaN层，且所述p覆层可以为p-GaN层。所述有源层可以具有多量子阱(MQW)结构，例如GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaNMQW结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造氮化物基发光器件的方法，所述方法包括：在单晶晶片上形成n覆层；在HCl和NH3的混合气体气氛下从所述n覆层的顶表面处理其至预定深度，以形成多孔层；以及在所述多孔层上依次形成有源层和p覆层。
所述表面处理可以在950-1200℃的温度下执行，例如，在1065℃的温度下执行。所述表面处理可以在卤化物或氢化物气相外延(HVPE)***中执行。在这种情况下，HCl和NH3的混合比可以为1:10。所述混合气体还可以包括载气，所述载气包括N2、Ar和H2中至少一种。在这种情况下，HCl、NH3和所述载气的混合比可以为1:10:80。
所述多孔层可以形成为1-10μm的厚度。
所述单晶晶片可以为Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。所述n覆层可以为n-GaN层，且所述p覆层可以为p-GaN层。所述有源层可以具有多量子阱(MQW)结构，例如GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW结构。
所述n覆层、所述有源层和所述p覆层可以使用气相淀积形成。所述气相淀积可以是卤化物或氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)之一。
根据具有以上结构的本发明，能够获得高功率和长寿命的氮化物基发光器件。
附图说明
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的上述和其他方面将变得更明了，附图中：
图1为根据本发明实施例的氮化物基发光器件的示意性截面图；
图2A到2G为流程图，示出了制造图1所示的氮化物基发光器件的方法；以及
图3为截面扫描电子显微镜(SEM)照片，示出了在本发明的<试验例>中制造的多孔GaN层。
具体实施方式
将参考附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清晰夸大了层和区域的厚度。
图1为根据本发明实施例的氮化物基发光器件的示意性截面图。参考图1，该氮化物基发光器件包括依次形成于单晶晶片10上的n覆层20、多孔层22、有源层30和p覆层40。n电极50和p电极60分别形成于n覆层20的被蚀刻表面和p覆层40上。
单晶晶片10可以是Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。n覆层20可以由n-GaN基III-V族氮化物半导体层形成，例如n-GaN层或n-GaN/AlGaN层。p覆层40可以由p-GaN基III-V族氮化物半导体层形成，例如，p-GaN层或p-GaN/AlGaN层。由于n覆层20和p覆层40的结构和材料及其形成方法是本领域公知的，因此将省略其详细描述。
在HCl和NH3的混合气体气氛中从其顶表面将n覆层20处理至预定深度，由此形成多孔层22。多孔层22由多个凸起柱形成。从实验上讲，当多孔层22形成1-10μm的厚度时，氮化物基发光器件的光功率特性是最佳的。 将在稍后介绍的制造氮化物基发光器件的方法中详细描述形成多孔层22的方法。
有源层30可以由GaN基III-V族氮化物半导体层形成，其例如是nxAlyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1且0≤x+y＜1)、InGaN层或AlGaN层。在此，有源层30可以具有多量子阱(MQW)或单量子阱之一种结构。有源层30的结构不限制本发明的技术范围。例如，有源层30可以具有GaN/InGaN/GaNMQW或GaN/AlGaN/GaN MQW结构。
在具有以上结构的氮化物基发光器件中，如果在n电极50和p电极60之间施加预定的电压，就分别从n覆层20和p覆层40向有源层30中注入电子和空穴，电子和空穴在有源层30中复合，从而能够从有源层30输出光。
根据本发明，将n-GaN层20的表面处理至预定厚度，由此形成多孔层22。在进行该工艺期间，能够除去n-GaN层20中所包括的大量缺陷，例如，刃型位错。于是，能够在低缺陷密度的多孔层22上形成MQW层，由此制得具有改善的电特性的氮化物基发光器件，其漏电流减小且内量子效率提高。
根据本发明的当前实施例，有源层30由形成于多孔层22的每个凸出柱上且排列成一条线的多个点(dot)形成。不过，根据本发明的另一实施例，这些点也可以彼此连续地连接。具体而言，在形成有源层30时，调节垂直生长(下文称为GV)速度和横向生长(下文称为GL)速度的相对大小，从而能够控制有源层30的形状。于是，在不限制本发明的技术范围的范围内，可以将有源层30形成多种形状。
图2A到2G为流程图，示出了制造图1所示的氮化物基发光器件的方法。
参考图2A，使用同种堆叠方法，例如在GaN衬底上生长GaN基晶体层，或者使用异种堆叠方法，例如在蓝宝石衬底上生长GaN基晶体，在诸如Si、GaAs、SiC、GaN或蓝宝石衬底的已制备单晶晶片10上形成n覆层20。n覆层20可以由n-GaN基III-V族氮化物半导体层，例如n-GaN层或n-GaN/AlGaN层形成。n覆层20可以使用气相淀积形成，例如卤化物或氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)。由于这些方法是本领域公知的，因此将省略它们的详细描述。
参考图2B和2C，在HCl和NH3的混合气体气氛中从其顶表面处理n 覆层20至预定深度，由此形成多孔层22。在此，可以由多个凸出柱形成多孔层22至1-10μm的厚度。在这种情况下，将HCl和NH3的混合比控制在1:10。该混合气体还可以包括载气，该载气包括N2、Ar和H2中的至少一种。此时，可以将HCl、NH3和载气的混合比控制在1:10:80。可以在950-1200℃的温度，例如1065℃下执行表面处理。表面处理可以在反应室中，例如在HVPE***中进行。
在执行形成多孔层22的工艺期间，能够除去n-GaN层20中所包括的大量缺陷，例如，刃型位错。具体而言，HCl和NH3的混合气体气氛可以充当一种气相蚀刻剂。此时，n-GaN层20中的缺陷区首先被蚀刻并能够变成多孔形状。
参考图2D和2E，在多孔层22上依次形成有源层30和p覆层40。在此，可以使用诸如HVPE、MOCVD或MBE的气相淀积形成有源层30和p覆层40。
有源层30可以由GaN基III-V族氮化物半导体层InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1，0≤y<1且0≤x+y<1)形成，其例如是InGaN层或AlGaN层。在此，有源层30可以是多量子阱(MQW)或单量子阱中的一种结构。有源层30的结构不限制本发明的技术范围。例如，有源层30可以由GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW形成。
根据本发明的当前实施例，有源层30由形成于多孔层22的每个凸出柱上且排列成一条线的多个点形成。不过，根据本发明的另一实施例，这些点也可以彼此连续连接。具体而言，在形成有源层30时，调节垂直生长(下文称为GV)速度和横向生长(下文称为GL)速度的相对大小，从而能够控制有源层30的形状。这里，可以通过调节GaN基III-V族源材料的相对组分比，即三甲基镓(TMGa)和NH3的相对组分比来控制速度GV和GL。由于这是本领域公知的事实，因此将省略其详细描述。
p覆层40可以由p-GaN基III-V族氮化物半导体层形成，例如p-GaN层或p-GaN/AlGaN层。类似地，控制p覆层40的速度GV和GL，从而使p覆层40能够连续地连接到有源层30。
参考图2F和2G，首先，蚀刻p覆层40的顶表面直到n覆层20的预定深度，由此在n覆层20上形成被蚀刻表面。接着，在n覆层20的被蚀刻表面和p覆层40上由导电材料，例如Ag、Au或氧化铟锡(ITO)形成n电极 50和p电极60。可以使用上述工艺制造根据本发明的氮化物基发光器件。
<实验例：制造具有n-GaN/多孔GaN/MQW/p-GaN结构的LED>
为了形成多孔GaN层，在HVPE***中固定GaN衬底，然后，将***温度升至1065℃。接着，向HVPE***中注入100sccm的HCl气体、1000sccm的NH3气体，和8000sccm的N2气体。将HVPE***的压强调节至常压。在这样的条件下形成多孔GaN层。此时，通过调节诸如温度、气体流量和工艺时间的工艺参数，控制多孔GaN层的厚度或者多孔GaN层中空气间隙。之后，将堆叠结构置入MOCVD反应室中并在多孔GaN层上生长MQW层和p-GaN层。在生长MQW层时，垂直生长速度高于横向生长速度。并且，在生长p-GaN层时，横向生长速度高于垂直生长速度，使得p-GaN层彼此连接并彼此粘附。然后，通过执行形成电极的工艺形成n电极和p电极，从而使用以上工艺制造了LED。图3为截面扫描电子显微镜(SEM)照片，示出了在本发明的<试验例>中制造的多孔GaN层。
根据具有以上结构的本发明，能够获得高功率和长寿命的氮化物基发光器件。在该氮化物基发光器件中，将n覆层的预定厚度，例如n-GaN层的表面处理至预定厚度，从而获得多孔层。在执行该处理时，能够除去n-GaN层中所包括的大量缺陷。
于是，能够在缺陷密度低的多孔层上形成MQW层，从而能够制造电特性得以改善的氮化物基发光器件，其漏电流减小且内量子效率提高。照此，能够改善氮化物基发光器件的制造产率。
此外，制造氮化物基发光器件的方法可以简单而容易，且可以降低制造成本。于是，根据本发明，能够以低成本制造高质量的氮化物基发光器件。
尽管已经参考其示范性实施例具体展示和描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，在不背离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中做出多种形式和细节上的变化。
Claims (20)
1.一种氮化物基发光器件，包括：
形成于单晶晶片上的n覆层；
多孔层，该多孔层具有多个突起柱，并通过在HCl和NH3的气体气氛下从所述n覆层的顶表面处理其直到预定深度而形成；以及
依次形成于所述多孔层上的有源层和p覆层，
其中，所述有源层由形成于所述多孔层的每个突起柱上且排列成一条线的多个点形成。
2.如权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中所述多孔层形成至1-10μm的厚度。
3.如权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中所述单晶晶片为Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。
4.如权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中所述n覆层为n-GaN层，且所述p覆层为p-GaN层。
5.如权利要求1所述的氮化物基发光器件，其中所述有源层具有多量子阱结构。
6.如权利要求5所述的氮化物基发光器件，其中所述有源层具有GaN/InGaN/GaN MQW或GaN/AlGaN/GaN MQW结构。
7.一种制造氮化物基发光器件的方法，所述方法包括：
在单晶晶片上形成n覆层；
通过在HCl和NH3的气体气氛下从所述n覆层的顶表面处理其至预定深度来形成具有多个突起柱的多孔层；以及
在所述多孔层上依次形成有源层和p覆层，
其中，所述有源层由形成于所述多孔层的每个突起柱上且排列成一条线的多个点形成。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述表面处理在950-1200℃的温度下执行。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述表面处理在1065℃的温度下执行。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述表面处理在卤化物或氢化物气相外延***中执行。
11.如权利要求7所述的方法，其中HCl和NH3的混合比为1∶10。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述混合气体还包括载气，所述载气包括N2、Ar和H2中至少一种。
13.如权利要求12所述的方法，其中HCl、NH3和所述载气的混合比为1∶10∶80。
14.如权利要求7所述的方法，其中所述多孔层形成为1-10μm的厚度。
15.如权利要求7所述的方法，其中所述单晶晶片为Si、GaAs、SiC、GaN和蓝宝石衬底之一。
16.如权利要求7所述的方法，其中所述n覆层为n-GaN层，且所述p覆层为p-GaN层。
17.如权利要求7所述的方法，其中所述有源层具有多量子阱结构。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述有源层具有GaN/InGaN/GaNMQW或GaN/A1GaN/GaN MQW结构。
19.如权利要求7所述的方法，其中所述n覆层、所述有源层和所述p覆层是使用气相淀积形成的。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述气相淀积为卤化物或氢化物气相外延、金属有机化学气相淀积或分子束外延之一。
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