专利名称：一种发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种为固态光源的发光器件。
背景技术：
固态光源，例如发光二极管(LED)和激光二极管，与白炽灯或荧光灯相比具有非常大的优势。固态光源通常比传统的白炽灯或荧光灯的效率更高且产热更少。当发光二级管 (LED)或激光二极管被置于红、绿、蓝元件列时，它们可作白光源或多彩显示。尽管固态发光具有某些优势，但传统的用于固态发光的半导体结构和设备价格相对昂贵。固态发光器件的高成本部分归因于其相对复杂和耗时的生产エ艺。根据图I所示，一种先有技术的LED结构100包含ー个基板105，例如蓝宝石基板。 缓冲层110位于基板105上。缓冲层110主要作为ー个润湿层，以促进蓝宝石基板光滑且均匀覆盖。缓冲层110通常是经金属有机化学蒸汽沉淀(MOCVD)法形成的ー个薄的非结晶层。 有n型掺杂的III-V族化合物层120位于缓冲层110上。所述有n型掺杂的III-V族化合物层120通常是由氮化镓(GaN)组成。氮化铟镓(InGaN)的量子阱层130位于有n型掺杂的III-V族化合物层120上。ー个活性III-V族化合物层140形成于氮化铟镓(InGaN)的量子阱层130上。有p型掺杂的III-V族化合物层150形成于活性III-V族化合物层140 上。P电极160 (正极)形成于有p型杂质的III-V族化合物层150上。n电极170 (负极) 形成于有n型杂质的III-V族化合物层120上。GaN晶体在不同的晶体方向上具有不同的导电性。(0001)晶面垂直于c轴，与其他平面相比具有最高的电极性。(1-100)晶面垂直于m轴，是非极性的。其他GaN晶面，例如(1-101),都是半极性的，其电极性小于(0001)晶面。GaN晶体的不同晶面，也具有不同的光学性质。非极性(1_100)晶面的内部量子效率(IQE)最高；而半极性晶面，例如(0001)平面的量子效率稍低。极性的(0001)晶面的量子效率最低。在发光器件中，需要从非极性或半极性晶面产生发光，从而获得较高的光强度。早期的GaN LED在蓝宝石、碳化硅或尖晶石基板(图I中的105)上成形。最近，试图在LiAlO2基板上生长具有非极性发光面的GaN发光器件。尽管这些LED结构的光发射是光谱稳定且极化的，但由于在LiAlO2基板上生长的过程中，GaN晶体内会产生很多瑕疵， 其发光强度较低。
发明内容
本发明公开了ー种利用非极性和半极性GaN晶体表面作为量子阱基底的发光器件，其发光效率和光发射强度较传统的GaN LED有所提高。该发光器件的发射光也是高度极化，对很多显示器来说是非常有用的。本发明公开的器件还具有某些优点，包含能为GaN单晶体提供非常低的缺陷密度，来提高器件的可靠性和使用寿命；可特制成不同的形状尺寸，以适合不同的应用；并且它们能装配在硅基底上，与多种微电子设备兼容。一方面，本发明涉及一种发光器件，其包含ー个具有(111)晶面的硅基底和ー个位于(111)晶面上的GaN晶体结构，其中所述GaN晶体结构包含一个非极性平面，ー个平行于该非极性平面的第一表面，和位于第一表面上的发光层。该发光层具有至少ー个含GaN的量子讲。另ー方面，本发明涉及一种发光器件，其包含ー个以(100)晶面作为硅上表面的硅基底，在上表面位置开设有一个凹槽，并将凹槽的一部分限定为硅基底的(111)晶面。GaN 晶体结构位于(111)晶面上，GaN晶体结构具有一个非极性平面，ー个第一表面平行于该非极性平面。位于GaN晶体结构的第一表面上的发光层，该发光层具有至少ー个含GaN的量子阱。这些发光器件的装置可包含如下所述的ー个或多个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)晶面的ー侧边缘为边界。第一表面还基本垂直于GaN晶体结构(1-100)方向的m轴。GaN晶体结构还可以具有一个半极性平面，和一个平行于该半极性平面的第二表面。GaN晶体结构可以包含一个极性平面和ー个平行于该极性平面的第三表面。GaN晶体结构也可以包含一个半极性平面，和ー个平行于该非极性平面的第二表面，其中GaN晶体结构可以包含一个极性平面和ー个平行于该极性平面的第三表面,第二表面位于第一表面与第三表面之间。第一表面和第二表面以约142°到约162° 之间的某一角度相互交叉截取。第二表面与第三表面以约108°到约128°之间的某一角度相互交叉截取。GaN晶体结构可以掺杂其他物质而具备导电性，发光器件中还进一歩包含位于发光层上的一个上电极层，当有电场施加到GaN晶体结构与上电极层之间的发光层时，该发光层将发光。发光器件还可以进ー步包含ー层位于娃基底的(111)晶面与GaN晶体结构之间的反射层。发光器件还可以进ー步包含位于反射层与硅基底的(111)晶面之间的缓冲层。硅基底还可以包含一个位于(100)晶面的上表面和ー个位于该上表面的凹槽， 这个凹槽的一部分被限定为硅基底的(111)晶面。这个凹槽可以是细长沟、倒金字塔，或截短的倒金字塔的形状。量子阱可由InGaN与GaN形成。另外，在一方面，本发明还涉及ー种发光器件，其包含ー个具有(111)晶面的硅基底和一个位于(111)晶面上的GaN晶体结构，其中所述GaN晶体结构包含ー个第一表面，第一平面平行于该GaN晶体结构的半极性平面；ー个第二平面，第二平面平行于该GaN晶体结构的极性平面；以及发光层，发光层包含具有至少ー个含InGaN/GaN或含AlGaN/GaN的量子讲，量子讲位于GaN晶体结构的第一表面上。在另一方面，发光器件包含ー个以(100)晶面作为娃上表面的娃基底,在该娃上表面开设有一个凹槽，并将凹槽的一部分限定为(111)晶面。还包含位于其中ー个(111)晶面上的GaN晶体结构，其具有平行于该GaN晶体结构的半极性面的ー个第一表面，和沿该GaN 晶体结构的极性面的ー个第二表面。至少具有ー个含InGaN量子阱的发光层，位于GaN晶体结构的第一表面上。这些发光器件的装置可包含如下所述的ー个或多个部分。第一表面可以相对于 GaN晶体结构的m轴形成ー个在52°到72°之间的夹角。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°之间的ー个角度与硅基底的(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晶体结构的c轴。第一表面与第ニ表面能够以108°到128°之间的某一角度相互交叉截取。GaN晶体结构可以掺杂其他物质,并作为发光层的下电极层。发光器件在发光层上还包含ー个上电极层，其中所述发光层能够在施加的电场穿过GaN晶体结构与上电极层之间时发光。GaN晶体结构可以通过掺杂形成n型的电学特性，例如是通过掺杂硅来实现。该发光器件还可以进ー步包含位于硅基底的(111)晶面与GaN晶体结构之间的ー层反射层。 该反射层可以包含硅掺杂的AlGaN或硅掺杂的A1N。发光器件还可以进ー步包含位于反射层与硅基底的(111)晶面之间的缓冲层。缓冲层可包含硅掺杂的A1N。硅基底还包含ー个 (100)晶面和一个以该(100)晶面作为上表面及位于该上表面上的凹槽，这个凹槽的一部分被定义为(111)晶面。这个凹槽可以是沟槽、倒金字塔，或截短的倒金字塔的形状。量子阱可以由InGaN和GaN，或者AlGaN和GaN形成。
所附图示作为对本发明具体的说明实施例进行描述的一部分，与描述一起用于对发明原理进行解释。图I是先有技术中LED结构的横截面图。图2是本发明的一个实施例中GaN发光器件的横截面图。图3是图2所示发光器件的多层结构横截面的图解说明。图4A与图4B所示的截面图详细描述了图2所示的Si (111)晶面上GaN晶体的生长。图5A是图2、图3和图4B所示发光器件的横截面立体图。图5B是图5A所示的发光器件的立体图。图6A描述了从半极性和极性GaN晶面看的光发射方向。图6B是在发光过程中，图2、图3和图5B所示发光器件的照片。图7是形成于同一个基底上的，将与图5A和5B中所示的发光器件类似的若干个发光器件排列后的立体图。图8是与图7所示发光器件具有不同形状尺寸的一种发光器件的立体图。图9是形成于同一个基底上的，将与图8所示发光器件类似的若干个发光器件排列后的立体图。图IOA到图IOC所示的截面图详细描述了本发明的另ー个实施例中GaN晶体的生长。图11是本发明的另ー个实施例中GaN发光器件的横截面图。图12A是图11所示发光器件的横截面立体图。图12B是图12A所示的发光器件的立体图。图13是形成于同ー个基底上的，将与图11、图12A和图12B中所示的发光器件类似的若干个发光器件排列后的立体图。图14是与图11、图12A和图12B所示发光器件具有不同形状尺寸的一种发光器件的立体图。图15是形成于同一个基底上的，将与图14所示发光器件类似的若干个发光器件排列后的立体图。
在各个附图中，类似的部件使用了类似的标注及数字来表示。
具体实施例方式參考图2,发光器件200包含ー个娃基底210,其具有一个位于(100)晶面的上表面201、一个至少有一部分被限定为(111)晶面202的凹槽220、位于表面202上的缓冲与反射层230、一个位于缓冲与反射层230上的有掺杂的GaN晶体结构240,以及发光层；发光层进一歩包含位于有掺杂的GaN晶体结构240上的量子阱层250，以及ー层位于量子阱层 250上的有掺杂的GaN层260。有掺杂的GaN晶体结构240与有掺杂的GaN层260具有导电性，能够分别作为量子讲层250的下电极与上电极。形成在上表面201上的ー个电极层 205，与有掺杂的GaN层260电性连接。发光器件200内的凹槽220形成于硅基底210的(100)晶面(S卩，上表面201)。在形成于该上表面201的ー个SiN掩模(未显不)上，可具有正方形的或长方形的开ロ。这些开ロ每ー侧的面积可以从10多微米到几毫米不等。所述开ロ可以通过刻蚀方法形成，例如是使用已在2008年7月21日由Shaoher. Pan登记备案的名为“发光器件”的美国专利申请12/177，144中提出的刻蚀方法来实现，在此将其所公开的内容以引用的方式结合在本文中。通过在SiN掩模的开ロ位置蚀刻，来形成具有(111)晶面202的凹槽220。(111)晶面202相对于硅基底210的(100)晶面(S卩，上表面201)呈54. 7°角。将如图2所示的缓冲与反射层230在图3中表示。參见图3，这些层次包含ー层第一缓冲层231、ー层第二缓冲层232和ー层反射层235。參见图3和表I,第一缓冲层231 也称作高温缓冲层，包含硅掺杂的A1N。厚度为30nm、高温硅掺杂AlN的第一缓冲层231， 通过在介于1120°C至1170°C之间的温度和大约为25mbar的压カ下保持15分钟，来沉积到基底210 (如图2所示)的(111)晶面202上。在这ー过程中，(100)晶面(S卩，上表面201) 被掩模层遮挡，因而AlN的第一缓冲层231仅沉积在基底210的(111)晶面202上，而不会沉积到区域下方的电极205。IOnm厚的第二缓冲层232也称作低温缓冲层，也包含硅掺杂的A1N。第二缓冲层232通过在755°C这ー较低的温度和大约50mbar的压カ下保持5分钟，来沉积到第一缓冲层231上。400nm厚的反射层235包含掺杂有硅的AlGaN，其通过在介于1220°C至1030°C之间的温度和大约25mbar的压カ下保持15分钟，来沉积到第二缓冲层232上。在其他的一些实施例(图中未示出)中，也可以将反射层设置在第一缓冲层与硅基底之间；或者，反射层本身就可以同时起到缓冲层的作用，则不需要另外设置独立的第一缓冲层或第二缓冲层。在这些实施例中，可以通过与上述类似的方法，来沉积反射层(和缓冲层)；具体沉积的厚度则可以根据实际的应用需要设定。表I发光器件中不同层次的材料组成和形成条件
权利要求
1.一种发光器件，其特征在于，包含一个具有(111)晶面的娃基底；一个位于所述硅基底的(111)晶面上的GaN晶体结构，所述GaN晶体结构具有一个非极性平面，和平行于该非极性平面的一个第一表面；以及，位于所述第一表面上的若干个发光层，所述发光层具有至少一个包含GaN的量子阱。
2.如权利要求I所述的发光器件，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.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述第一表面以硅基底的所述(111)晶面的一侧边缘为边界。
4.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述第一表面基本垂直于在所述GaN晶体结构的(1-100)方向配置的一个m轴。
5.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述GaN晶体结构还包含一个半极性平面，和一个平行于该半极性平面的第二表面。
6.如权利要求5所述的发光器件，其特征在于，所述GaN晶体结构还包含一个极性平面，和一个平行于该极性平面的第三表面。
7.如权利要求6所述的发光器件，其特征在于，所述第二表面位于所述第一表面与第二表面之间。
8.如权利要求7所述的发光器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面以142°到 162°之间的一个角度相互交叉截取。
9.如权利要求7所述的发光器件，其特征在于，所述第二表面和第三表面以108°到 128°之间的一个角度相互交叉截取。
10.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述GaN晶体结构中是有掺杂的，并且，所述GaN晶体结构具有导电性；所述发光器件进一步包含一个位于所述发光层上的上电极层，所述发光层位于所述GaN晶体结构与所述上电极层之间，当施加有穿过所述发光层的电场时，该发光层发光。
11.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件进一步包含有位于所述硅基底的(111)晶面与所述GaN晶体结构之间的反射层。
12.如权利要求11所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件进一步包含有位于所述反射层与所述硅基底的(111)晶面之间的缓冲层。
13.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述硅基底进一步包含一个位于该娃基底的(100)晶面的上表面；一个形成于所述上表面的凹槽，所述凹槽的一部分被限定为硅基底的所述(111)晶面。
14.如权利要求13所述的发光器件，其特征在于，所述凹槽的形状是沟槽形、倒金字塔形，或截短的倒金字塔形。
15.如权利要求I所述的发光器件，其特征在于，所述量子阱包含若干个InGaN层及GaN 层。
16.一种发光器件，其特征在于，包含一个娃基底，其进一步包含一个位于所述娃基底的(100)晶面的上表面,所述上表面具有一个凹槽，该凹槽的一部分被限定为娃基底的(111)晶面；一个GaN晶体结构,位于其中一个所述(111)晶面上,所述GaN晶体结构包含一个非极性平面，和一个平行于该非极性平面的第一表面；以及，位于所述第一表面上的若干个发光层，所述发光层具有至少一个包含GaN的量子阱。
17.如权利要求16所述的发光器件，其特征在于，所述凹槽的形状是沟槽形、倒金字塔形，或截短的倒金字塔形。
18.如权利要求16所述的发光器件，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.如权利要求16所述的发光器件，其特征在于，所述第一表面以硅基底的所述(111) 晶面的一侧边缘为边界。
20.如权利要求16所述的发光器件，其特征在于，所述GaN晶体结构还包含一个半极性平面，和一个平行于该半极性平面的第二表面；所述GaN晶体结构还包含一个极性平面，和一个平行于该极性平面的第三表面；所述第二表面位于所述第一表面与第三表面之间。
21.如权利要求20所述的发光器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面以142°到 162°之间的一个角度相互交叉截取。
22.如权利要求20所述的发光器件，其特征在于，所述第二表面和第三表面以108°到 128°之间的一个角度相互交叉截取。
23.如权利要求16所述的发光器件，其特征在于，所述GaN晶体结构中是有掺杂的，并且，所述GaN晶体结构具有导电性；所述发光器件进一步包含一个位于所述发光层上的上电极层，所述发光层位于所述GaN晶体结构与所述上电极层之间，当施加有穿过所述发光层的电场时，该发光层发光。
24.如权利要求16所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件进一步包含有位于所述硅基底的其中一个(111)晶面与所述GaN晶体结构之间的反射层。
25.如权利要求24所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件进一步包含有位于所述反射层与所述硅基底的其中一个(111)晶面之间的缓冲层。
全文摘要
本发明涉及一种发光器件，其包含具有一个以(100)晶面作为上表面的硅基底。在该上表面具有一个凹槽，凹槽的一部分被限定为硅基底的(111)晶面。该发光器件包含位于硅基底的其中一个(111)晶面上的GaN晶体结构；该GaN晶体结构包含一个非极性平面，及沿该非极性平面设置的第一表面。该发光器件还包含发光层，其位于GaN晶体结构的第一表面上。发光层具有至少一个含GaN的量子阱。该发光器件利用非极性和半极性GaN晶体表面作为量子阱基底，提高了发光效率和光发射强度，且发射光高度极化，并能为GaN单晶体提供非常低的缺陷密度，以提高器件的可靠性和使用寿命。
文档编号H01L33/20GK102593298SQ201210067680
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者潘小和, 陈杰 申请人:矽光光电科技(上海)有限公司