一種發光器件的制作方法

專利名稱：一種發光器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種為固態光源的發光器件。
背景技術：
固態光源，例如發光二極管(LED)和激光二極管，與白熾燈或熒光燈相比具有非常大的優勢。固態光源通常比傳統的白熾燈或熒光燈的效率更高且產熱更少。當發光二級管 (LED)或激光二極管被置于紅、綠、藍元件列時，它們可作白光源或多彩顯示。盡管固態發光具有某些優勢，但傳統的用于固態發光的半導體結構和設備價格相對昂貴。固態發光器件的高成本部分歸因于其相對復雜和耗時的生產エ藝。根據圖I所示，一種先有技術的LED結構100包含ー個基板105，例如藍寶石基板。 緩沖層110位于基板105上。緩沖層110主要作為ー個潤濕層，以促進藍寶石基板光滑且均勻覆蓋。緩沖層110通常是經金屬有機化學蒸汽沉淀(MOCVD)法形成的ー個薄的非結晶層。 有n型摻雜的III-V族化合物層120位于緩沖層110上。所述有n型摻雜的III-V族化合物層120通常是由氮化鎵(GaN)組成。氮化銦鎵(InGaN)的量子阱層130位于有n型摻雜的III-V族化合物層120上。ー個活性III-V族化合物層140形成于氮化銦鎵(InGaN)的量子阱層130上。有p型摻雜的III-V族化合物層150形成于活性III-V族化合物層140 上。P電極160 (正極)形成于有p型雜質的III-V族化合物層150上。n電極170 (負極) 形成于有n型雜質的III-V族化合物層120上。GaN晶體在不同的晶體方向上具有不同的導電性。(0001)晶面垂直于c軸，與其他平面相比具有最高的電極性。(1-100)晶面垂直于m軸，是非極性的。其他GaN晶面，例如(1-101),都是半極性的，其電極性小于(0001)晶面。GaN晶體的不同晶面，也具有不同的光學性質。非極性(1_100)晶面的內部量子效率(IQE)最高；而半極性晶面，例如(0001)平面的量子效率稍低。極性的(0001)晶面的量子效率最低。在發光器件中，需要從非極性或半極性晶面產生發光，從而獲得較高的光強度。早期的GaN LED在藍寶石、碳化硅或尖晶石基板(圖I中的105)上成形。最近，試圖在LiAlO2基板上生長具有非極性發光面的GaN發光器件。盡管這些LED結構的光發射是光譜穩定且極化的，但由于在LiAlO2基板上生長的過程中，GaN晶體內會產生很多瑕疵， 其發光強度較低。

發明內容
本發明公開了ー種利用非極性和半極性GaN晶體表面作為量子阱基底的發光器件，其發光效率和光發射強度較傳統的GaN LED有所提高。該發光器件的發射光也是高度極化，對很多顯示器來說是非常有用的。本發明公開的器件還具有某些優點，包含能為GaN單晶體提供非常低的缺陷密度，來提高器件的可靠性和使用壽命；可特制成不同的形狀尺寸，以適合不同的應用；并且它們能裝配在硅基底上，與多種微電子設備兼容。一方面，本發明涉及一種發光器件，其包含ー個具有(111)晶面的硅基底和ー個位于(111)晶面上的GaN晶體結構，其中所述GaN晶體結構包含一個非極性平面，ー個平行于該非極性平面的第一表面，和位于第一表面上的發光層。該發光層具有至少ー個含GaN的量子講。另ー方面，本發明涉及一種發光器件，其包含ー個以(100)晶面作為硅上表面的硅基底，在上表面位置開設有一個凹槽，并將凹槽的一部分限定為硅基底的(111)晶面。GaN 晶體結構位于(111)晶面上，GaN晶體結構具有一個非極性平面，ー個第一表面平行于該非極性平面。位于GaN晶體結構的第一表面上的發光層，該發光層具有至少ー個含GaN的量子阱。這些發光器件的裝置可包含如下所述的ー個或多個部分第一表面基本垂直于硅基底的(111)晶面。第一表面以硅基底的(111)晶面的ー側邊緣為邊界。第一表面還基本垂直于GaN晶體結構(1-100)方向的m軸。GaN晶體結構還可以具有一個半極性平面，和一個平行于該半極性平面的第二表面。GaN晶體結構可以包含一個極性平面和ー個平行于該極性平面的第三表面。GaN晶體結構也可以包含一個半極性平面，和ー個平行于該非極性平面的第二表面，其中GaN晶體結構可以包含一個極性平面和ー個平行于該極性平面的第三表面,第二表面位于第一表面與第三表面之間。第一表面和第二表面以約142°到約162° 之間的某一角度相互交叉截取。第二表面與第三表面以約108°到約128°之間的某一角度相互交叉截取。GaN晶體結構可以摻雜其他物質而具備導電性，發光器件中還進一歩包含位于發光層上的一個上電極層，當有電場施加到GaN晶體結構與上電極層之間的發光層時，該發光層將發光。發光器件還可以進ー步包含ー層位于娃基底的(111)晶面與GaN晶體結構之間的反射層。發光器件還可以進ー步包含位于反射層與硅基底的(111)晶面之間的緩沖層。硅基底還可以包含一個位于(100)晶面的上表面和ー個位于該上表面的凹槽， 這個凹槽的一部分被限定為硅基底的(111)晶面。這個凹槽可以是細長溝、倒金字塔，或截短的倒金字塔的形狀。量子阱可由InGaN與GaN形成。另外，在一方面，本發明還涉及ー種發光器件，其包含ー個具有(111)晶面的硅基底和一個位于(111)晶面上的GaN晶體結構，其中所述GaN晶體結構包含ー個第一表面，第一平面平行于該GaN晶體結構的半極性平面；ー個第二平面，第二平面平行于該GaN晶體結構的極性平面；以及發光層，發光層包含具有至少ー個含InGaN/GaN或含AlGaN/GaN的量子講，量子講位于GaN晶體結構的第一表面上。在另一方面，發光器件包含ー個以(100)晶面作為娃上表面的娃基底,在該娃上表面開設有一個凹槽，并將凹槽的一部分限定為(111)晶面。還包含位于其中ー個(111)晶面上的GaN晶體結構，其具有平行于該GaN晶體結構的半極性面的ー個第一表面，和沿該GaN 晶體結構的極性面的ー個第二表面。至少具有ー個含InGaN量子阱的發光層，位于GaN晶體結構的第一表面上。這些發光器件的裝置可包含如下所述的ー個或多個部分。第一表面可以相對于 GaN晶體結構的m軸形成ー個在52°到72°之間的夾角。第一表面可基本平行于(1_101) GaN晶面。第一表面可以用52°到72°之間的ー個角度與硅基底的(111)晶面交叉截取。 第二表面可以基本平行于(0001) GaN晶面，并垂直于GaN晶體結構的c軸。第一表面與第ニ表面能夠以108°到128°之間的某一角度相互交叉截取。GaN晶體結構可以摻雜其他物質,并作為發光層的下電極層。發光器件在發光層上還包含ー個上電極層，其中所述發光層能夠在施加的電場穿過GaN晶體結構與上電極層之間時發光。GaN晶體結構可以通過摻雜形成n型的電學特性，例如是通過摻雜硅來實現。該發光器件還可以進ー步包含位于硅基底的(111)晶面與GaN晶體結構之間的ー層反射層。 該反射層可以包含硅摻雜的AlGaN或硅摻雜的A1N。發光器件還可以進ー步包含位于反射層與硅基底的(111)晶面之間的緩沖層。緩沖層可包含硅摻雜的A1N。硅基底還包含ー個 (100)晶面和一個以該(100)晶面作為上表面及位于該上表面上的凹槽，這個凹槽的一部分被定義為(111)晶面。這個凹槽可以是溝槽、倒金字塔，或截短的倒金字塔的形狀。量子阱可以由InGaN和GaN，或者AlGaN和GaN形成。


所附圖示作為對本發明具體的說明實施例進行描述的一部分，與描述一起用于對發明原理進行解釋。圖I是先有技術中LED結構的橫截面圖。圖2是本發明的一個實施例中GaN發光器件的橫截面圖。圖3是圖2所示發光器件的多層結構橫截面的圖解說明。圖4A與圖4B所示的截面圖詳細描述了圖2所示的Si (111)晶面上GaN晶體的生長。圖5A是圖2、圖3和圖4B所示發光器件的橫截面立體圖。圖5B是圖5A所示的發光器件的立體圖。圖6A描述了從半極性和極性GaN晶面看的光發射方向。圖6B是在發光過程中，圖2、圖3和圖5B所示發光器件的照片。圖7是形成于同一個基底上的，將與圖5A和5B中所示的發光器件類似的若干個發光器件排列后的立體圖。圖8是與圖7所示發光器件具有不同形狀尺寸的一種發光器件的立體圖。圖9是形成于同一個基底上的，將與圖8所示發光器件類似的若干個發光器件排列后的立體圖。圖IOA到圖IOC所示的截面圖詳細描述了本發明的另ー個實施例中GaN晶體的生長。圖11是本發明的另ー個實施例中GaN發光器件的橫截面圖。圖12A是圖11所示發光器件的橫截面立體圖。圖12B是圖12A所示的發光器件的立體圖。圖13是形成于同ー個基底上的，將與圖11、圖12A和圖12B中所示的發光器件類似的若干個發光器件排列后的立體圖。圖14是與圖11、圖12A和圖12B所示發光器件具有不同形狀尺寸的一種發光器件的立體圖。圖15是形成于同一個基底上的，將與圖14所示發光器件類似的若干個發光器件排列后的立體圖。
在各個附圖中，類似的部件使用了類似的標注及數字來表示。
具體實施例方式參考圖2,發光器件200包含ー個娃基底210,其具有一個位于(100)晶面的上表面201、一個至少有一部分被限定為(111)晶面202的凹槽220、位于表面202上的緩沖與反射層230、一個位于緩沖與反射層230上的有摻雜的GaN晶體結構240,以及發光層；發光層進一歩包含位于有摻雜的GaN晶體結構240上的量子阱層250，以及ー層位于量子阱層 250上的有摻雜的GaN層260。有摻雜的GaN晶體結構240與有摻雜的GaN層260具有導電性，能夠分別作為量子講層250的下電極與上電極。形成在上表面201上的ー個電極層 205，與有摻雜的GaN層260電性連接。發光器件200內的凹槽220形成于硅基底210的(100)晶面(S卩，上表面201)。在形成于該上表面201的ー個SiN掩模(未顯不)上，可具有正方形的或長方形的開ロ。這些開ロ每ー側的面積可以從10多微米到幾毫米不等。所述開ロ可以通過刻蝕方法形成，例如是使用已在2008年7月21日由Shaoher. Pan登記備案的名為“發光器件”的美國專利申請12/177，144中提出的刻蝕方法來實現，在此將其所公開的內容以引用的方式結合在本文中。通過在SiN掩模的開ロ位置蝕刻，來形成具有(111)晶面202的凹槽220。(111)晶面202相對于硅基底210的(100)晶面(S卩，上表面201)呈54. 7°角。將如圖2所示的緩沖與反射層230在圖3中表示。參見圖3，這些層次包含ー層第一緩沖層231、ー層第二緩沖層232和ー層反射層235。參見圖3和表I,第一緩沖層231 也稱作高溫緩沖層，包含硅摻雜的A1N。厚度為30nm、高溫硅摻雜AlN的第一緩沖層231， 通過在介于1120°C至1170°C之間的溫度和大約為25mbar的壓カ下保持15分鐘，來沉積到基底210 (如圖2所示)的(111)晶面202上。在這ー過程中，(100)晶面(S卩，上表面201) 被掩模層遮擋，因而AlN的第一緩沖層231僅沉積在基底210的(111)晶面202上，而不會沉積到區域下方的電極205。IOnm厚的第二緩沖層232也稱作低溫緩沖層，也包含硅摻雜的A1N。第二緩沖層232通過在755°C這ー較低的溫度和大約50mbar的壓カ下保持5分鐘，來沉積到第一緩沖層231上。400nm厚的反射層235包含摻雜有硅的AlGaN，其通過在介于1220°C至1030°C之間的溫度和大約25mbar的壓カ下保持15分鐘，來沉積到第二緩沖層232上。在其他的一些實施例(圖中未示出)中，也可以將反射層設置在第一緩沖層與硅基底之間；或者，反射層本身就可以同時起到緩沖層的作用，則不需要另外設置獨立的第一緩沖層或第二緩沖層。在這些實施例中，可以通過與上述類似的方法，來沉積反射層(和緩沖層)；具體沉積的厚度則可以根據實際的應用需要設定。表I發光器件中不同層次的材料組成和形成條件
權利要求
1.一種發光器件，其特征在于，包含一個具有(111)晶面的娃基底；一個位于所述硅基底的(111)晶面上的GaN晶體結構，所述GaN晶體結構具有一個非極性平面，和平行于該非極性平面的一個第一表面；以及，位于所述第一表面上的若干個發光層，所述發光層具有至少一個包含GaN的量子阱。
2.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面基本垂直于硅基底的所述(111)晶面。
3.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面以硅基底的所述(111)晶面的一側邊緣為邊界。
4.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面基本垂直于在所述GaN晶體結構的(1-100)方向配置的一個m軸。
5.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述GaN晶體結構還包含一個半極性平面，和一個平行于該半極性平面的第二表面。
6.如權利要求5所述的發光器件，其特征在于，所述GaN晶體結構還包含一個極性平面，和一個平行于該極性平面的第三表面。
7.如權利要求6所述的發光器件，其特征在于，所述第二表面位于所述第一表面與第二表面之間。
8.如權利要求7所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面以142°到 162°之間的一個角度相互交叉截取。
9.如權利要求7所述的發光器件，其特征在于，所述第二表面和第三表面以108°到 128°之間的一個角度相互交叉截取。
10.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述GaN晶體結構中是有摻雜的，并且，所述GaN晶體結構具有導電性；所述發光器件進一步包含一個位于所述發光層上的上電極層，所述發光層位于所述GaN晶體結構與所述上電極層之間，當施加有穿過所述發光層的電場時，該發光層發光。
11.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述發光器件進一步包含有位于所述硅基底的(111)晶面與所述GaN晶體結構之間的反射層。
12.如權利要求11所述的發光器件，其特征在于，所述發光器件進一步包含有位于所述反射層與所述硅基底的(111)晶面之間的緩沖層。
13.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述硅基底進一步包含一個位于該娃基底的(100)晶面的上表面；一個形成于所述上表面的凹槽，所述凹槽的一部分被限定為硅基底的所述(111)晶面。
14.如權利要求13所述的發光器件，其特征在于，所述凹槽的形狀是溝槽形、倒金字塔形，或截短的倒金字塔形。
15.如權利要求I所述的發光器件，其特征在于，所述量子阱包含若干個InGaN層及GaN 層。
16.一種發光器件，其特征在于，包含一個娃基底，其進一步包含一個位于所述娃基底的(100)晶面的上表面,所述上表面具有一個凹槽，該凹槽的一部分被限定為娃基底的(111)晶面；一個GaN晶體結構,位于其中一個所述(111)晶面上,所述GaN晶體結構包含一個非極性平面，和一個平行于該非極性平面的第一表面；以及，位于所述第一表面上的若干個發光層，所述發光層具有至少一個包含GaN的量子阱。
17.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述凹槽的形狀是溝槽形、倒金字塔形，或截短的倒金字塔形。
18.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面基本垂直于所述硅基底的(111)晶面。
19.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面以硅基底的所述(111) 晶面的一側邊緣為邊界。
20.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述GaN晶體結構還包含一個半極性平面，和一個平行于該半極性平面的第二表面；所述GaN晶體結構還包含一個極性平面，和一個平行于該極性平面的第三表面；所述第二表面位于所述第一表面與第三表面之間。
21.如權利要求20所述的發光器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面以142°到 162°之間的一個角度相互交叉截取。
22.如權利要求20所述的發光器件，其特征在于，所述第二表面和第三表面以108°到 128°之間的一個角度相互交叉截取。
23.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述GaN晶體結構中是有摻雜的，并且，所述GaN晶體結構具有導電性；所述發光器件進一步包含一個位于所述發光層上的上電極層，所述發光層位于所述GaN晶體結構與所述上電極層之間，當施加有穿過所述發光層的電場時，該發光層發光。
24.如權利要求16所述的發光器件，其特征在于，所述發光器件進一步包含有位于所述硅基底的其中一個(111)晶面與所述GaN晶體結構之間的反射層。
25.如權利要求24所述的發光器件，其特征在于，所述發光器件進一步包含有位于所述反射層與所述硅基底的其中一個(111)晶面之間的緩沖層。
全文摘要
本發明涉及一種發光器件，其包含具有一個以(100)晶面作為上表面的硅基底。在該上表面具有一個凹槽，凹槽的一部分被限定為硅基底的(111)晶面。該發光器件包含位于硅基底的其中一個(111)晶面上的GaN晶體結構；該GaN晶體結構包含一個非極性平面，及沿該非極性平面設置的第一表面。該發光器件還包含發光層，其位于GaN晶體結構的第一表面上。發光層具有至少一個含GaN的量子阱。該發光器件利用非極性和半極性GaN晶體表面作為量子阱基底，提高了發光效率和光發射強度，且發射光高度極化，并能為GaN單晶體提供非常低的缺陷密度，以提高器件的可靠性和使用壽命。
文檔編號H01L33/20GK102593298SQ201210067680
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優先權日2012年3月15日
發明者潘小和, 陳杰 申請人:矽光光電科技(上海)有限公司