基板、其製造方法及利用其的發光二極體與流程
2023-07-11 02:29:31 2
本發明涉及一種基板、基板的製造方法及利用其形成的發光二極體，更具體地，涉及氮化鎵基板和形成在氮化鎵基板上的多結結構的發光二極體。
背景技術：
發光二極體由化合物半導體構成，而化合物半導體大部分通過金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)工藝而製成。在所使用的MOCVD工藝中，作為金屬前驅體採用金屬和有機物的結合材料。並且，優選地，化合物半導體由單晶構成，通過形成單晶來可以確保高亮度和優良的熱穩定性。尤其，當在執行發光操作的活性層內部結晶狀態出現缺點時，造成亮度不穩定，在高操作電流下亮度下降或發生過熱等問題被暴露。因此，在發光二極體的製造工序中，使化合物半導體由單晶形成是非常重要的。
並且，即使使用MOCVD工藝，也所形成的化合物半導體層因布置在下部的疊層結構的結晶性和結晶取向而受到影響。例如，當在由氮化鎵形成的n型半導體層上部形成以氮化鎵為基底材料的活性層時，若在n型半導體層上存在轉位(dislocation)或點缺陷(point defect)，則形成在其上部的活性層也出現轉位或缺陷。
並且，所形成的化合物半導體層因作為結晶生長的基礎的基板的結晶取向和晶格常數而受到影響。即，優選地，基板具有與化合物半導體層的結晶結構相同的結晶結構，晶格常數差越小，形成品質更好的化合物半導體層。
作為在製造氮化鎵類發光二極體時可使用的基板，可以列舉藍寶石、矽或氮化鎵等。
藍寶石為在發光二極體的製造工序中最常用的基板。其結晶結構為六方晶繫結構，因此具有有利於生長氮化鎵類發光二極體的優點，基板的製造工序比較簡單，確保價格競爭力。但，由於非導體的特性，難以散熱，並且造成因與氮化鎵之間的晶格常數差而所發生的結晶結構的缺陷。
矽被廣泛用來半導體基板，其散熱特性與藍寶石相比更優異。然而，在矽的情況下，其結晶結構為面心立方結構，從而其結晶結構與氮化鎵的結晶結構不同。因此，在矽基板上形成氮化鎵單晶的過程具有技術上的困難，且需要介入多個緩衝層。
氮化鎵基板由半導體材料構成，因此存在由於優良的導熱係數而散熱特性卓越、其上部可容易形成氮化鎵發光層、能夠製造高品質的發光二極體的優點。然而，通過通常的基板製造工序無法製成氮化鎵基板。並且，氮化鎵基板的製造費用較高，因此產業上的應用非常有限。
因此，相關領域技術人員就一直在研究容易製造氮化鎵基板並通過MOCVD工藝可製造發光二極體的技術，該技術可以說是產業波及效應很大的技術。
技術實現要素：
發明要解決的問題
本發明的第一個技術目的在於提供一種氮化鎵基板。
本發明的第二個技術目的在於提供一種氮化鎵基板的製造方法。
並且，本發明的第三個技術目的在於提供一種利用通過達到所述第一個技術目的而獲得的氮化鎵基板的雙面發光二極體。
用於解決問題的方案
為了達到所述第一個技術目的，本發明提供一種氮化鎵基板，其包括：第一表面，由在表面上排列有鎵原子的Ga-polar面構成；第二表面，與所述第一表面面對，由在表面上排列有氮原子的N-polar面構成；及突出部，形成在所述第二表面上，呈突出形狀，其表面為Semi-polar面。
為了達到所述第二個技術目的，本發明提供一種氮化鎵基板的製造方法，其包括以下步驟：在生長用基板上形成掩模圖案和氮化鎵杆，所述氮化鎵杆填埋所述掩模圖案之間的隔開空間；將所述氮化鎵杆用作生長的核，以形成遮擋所述掩模圖案的氮化鎵層；去除遮擋的所述掩模圖案；及向通過去除的所述掩模圖案而形成的蝕刻孔供應腐蝕劑，蝕刻所述氮化鎵杆，從而形成突出部，所述突出部通過氮化鎵杆部分殘留在所述氮化鎵層上而成。
為了達到所述第三個技術目的，本發明提供一種雙面發光二極體，其包括：由氮化鎵材質構成的氮化鎵基板；從所述氮化鎵基板在第一方向生長的第一發光體；及從所述氮化鎵基板在與所述第一方向相對的第二方向生長的第二發光體。
發明的效果
根據上述本發明，可以得到第一表面具有Ga-polar面，第二表面具有N-polar面，形成在第二表面上的突出部具有Semi-polar面的氮化鎵基板。氮化鎵基板由半導體材質構成，因此有利於向外部放出在其上形成的發光體所產生的熱。並且，即使在其上部形成基於氮化鎵的發光體，也其結晶的取向性和晶格常數實質上相同，從而可以獲得高品質的單晶。因此，具有能夠得到高品位的發光體的優點。
並且，以所形成的氮化鎵基板為中心在兩面上能夠形成發光體，由此，可以得到實現各種顏色、具有高亮度的發光二極體。
附圖說明
圖1為示出根據本發明的第一實施例的氮化鎵基板的截面圖；
圖2為示出根據本發明的第一實施例的氮化鎵的結晶結構的示意圖；
圖3至圖6為用於說明根據本發明的第一實施例的氮化鎵基板的製造方法的截面圖；
圖7為示出根據本發明的第一實施例形成在氮化鎵杆上的氮化鎵層的附圖；
圖8為示出根據本發明的第一實施例形成的氮化鎵基板的附圖；
圖9為示出根據本發明的第二實施例的雙面發光二極體的截面圖。
附圖標記說明
100:氮化鎵基板 110:第一表面
120:第二表面 130:突出部
200:第一發光體 300:第二發光體
具體實施方式
本發明可以進行多種變更，可以具有多種形態，通過附圖顯示特定實施例並在本文中進行詳細說明。但是，本發明並非限定於特定的公開形態，應當理解為包括屬於本發明的思想及技術方案的所有變更、均等物以及代替物。在說明各個附圖時對類似的構成要素使用了類似的附圖標記。
若無另行定義，包括技術或科學用語在內的所有用語，表示和本發明所屬技術領域的普通技術人員的通常理解相同的意思。通常使用的事先定義過的用語，應解釋為與相關技術的文章脈絡的意思相一致的意思，若本發明中無明確定義，不得解釋為理想或過度形式性的意思。
下面，結合附圖對本發明的優選實施例進行更詳細的說明。
第一實施例
圖1為示出根據本發明的第一實施例的氮化鎵基板的截面圖。
參照圖1，氮化鎵基板100的第一表面110為Ga-polar面，第二表面120為N-polar面。並且，在第二表面120上形成有突出部130，突出部130為Semi-polar面。
通常，對六方晶繫結晶結構採用結晶面指數(a1，a2，-(a1+a2)，c)的形式進行表記。並且，垂直於c軸的表面被稱為極性(polar)面，與c軸平行的表面被稱為非極性(nonpolar)面，不垂直於c軸且與c軸不平行的表面被稱為半極性(Semi-polar)面。
Ga-polar面是指在氮化鎵的結晶結構中出現鎵原子的極性面，而N-polar面是指在氮化鎵的結晶結構中出現氮原子的極性面。並且，在氮化鎵的結晶結構中，Semi-polar面不是(0001)面，而是指在六方晶繫結構上傾斜形成的表面。例如，Semi-polar面的例子可以為(11-22)、(11-2-3)、(10-13)、(11-20)、(1-100)、(-1-123)或(10-12)等。
並且，所述突出部130可以相互隔開一定距離並具有規律的排列。
圖2為示出根據本發明的第一實施例的氮化鎵的結晶結構的示意圖。
參照圖2，在具有六方晶繫結晶結構的氮化鎵的上部出現露出鎵原子的Ga-polar面。並且，在結晶結構的下部出現露出氮原子的N-polar面。在圖2中的所述結晶結構中，若使切面傾斜而形成同時露出氮原子和鎵原子的表面，則該表面屬於Semi-polar面。例如，Semi-polar面的例子可以包括(11-22)、(11-2-3)、(10-13)、(11-20)、(1-100)、(-1-123)或(10-12)等。
N-polar面的表面能比Ga-polar面的表面能更低，由此保持相對穩定的狀態，從而通過反應的結晶生長速度與Ga-polar面相比更慢。並且，Semi-polar面與N-polar面和Ga-polar面相比化學性質不穩定，因此，被外部的腐蝕劑蝕刻得較快。
圖3至圖6為用於說明根據本發明的第一實施例的氮化鎵基板的製造方法的截面圖。
參照圖3，在生長用基板10上形成掩模圖案20，在掩模圖案20之間的隔開空間形成氮化鎵杆30。
優選地，生長用基板10的材質為藍寶石或氮化鎵。並且，所述生長用基板10可以為物理上獨立的基板，也可以為形成在其他基板上的特定膜質。
優選地，掩模圖案20由矽氧化物、矽氮化物構成，只要是在MOCVD工藝溫度下可以保持形狀的材料，即可使用任何材料。掩模圖案20形成在生長用基板10上。掩模圖案20的形成方法如下：在生長用基板10上形成掩模層後，通過通常的光刻工藝在掩模層上部形成光致抗蝕圖案，將光致抗蝕圖案用作蝕刻掩模來進行蝕刻，從而形成掩模圖案20。通過掩模層的蝕刻工藝，可以將各別掩模圖案20的上部的寬度形成為大於下部的寬度。即，通過產生底切形狀的蝕刻能夠形成掩模圖案20。
在掩模圖案20之間的隔開空間形成氮化鎵杆30。氮化鎵杆30可以形成為填埋在掩模圖案20之間的隔開空間。氮化鎵杆30可以通過將生長用基板10用作種子層並使用通常的MOCVD工藝來形成。
另外，所述氮化鎵杆30和掩模圖案20可以通過不同的工藝形成。例如，基於生長用基板10先形成氮化鎵層。對所形成的氮化鎵層進行選擇性蝕刻來露出生長用基板的一部分，從而形成氮化鎵杆30。然後，用矽氮化物或矽氧化物等填埋在氮化鎵杆30之間的隔開空間，從而可以形成掩模圖案20。
並且，優選地，通過MOCVD工藝等形成或通過蝕刻形成的氮化鎵杆30的側表面為Semi-polar面。
參照圖4，將所形成的氮化鎵杆用作生長的核，以進行第二次生長。第二次生長可以採用水平生長性比垂直生長性更優異的外延橫向過生長(Epitaxial Lateral Over-Growth；ELOG)法。並且，可以使用有利於形成厚膜的氫化物氣相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy；HVPE)生長法。
尤其，HVPE生長法非常有利於形成氮化鎵的厚膜。當利用HVPE生長法時，可以將生長溫度設定為800℃至1100℃，且可以將供應到HVPE反應器的NH3氣體對GaCl氣體的比率設定為1:1至10:1的範圍。
由此，在氮化鎵杆30的上部形成遮擋掩模圖案20的氮化鎵層40。所述氮化鎵層40的最高層成為在表面上形成鎵原子的Ga-polar面。並且，根據外延橫向過生長的機制，與掩模圖案20的上部表面相接的氮化鎵層40的最下部成為在表面上形成氮原子的N-polar面。
並且，根據製造形式，第二次生長與如圖3所示的氮化鎵杆的生長可以實現為一體。
即，通過在掩模圖案20之間的隔開空間並基於生長用基板10可以形成氮化鎵杆30，通過連續工藝在氮化鎵杆30的上部可以形成遮擋掩模圖案20的氮化鎵層40。
參照圖5，通過第一蝕刻去除掩模圖案。在第一蝕刻中所使用的腐蝕劑優選為HF溶液。然而，在圖5中選擇腐蝕劑時，只要是在掩模圖案和氮化鎵之間具有蝕刻選擇性的材料，即可使用任何材料。即，能夠選擇性地去除掩模圖案的溶液可以用作腐蝕劑。通過第一蝕刻去除掩模圖案後，氮化鎵杆30和氮化鎵層40殘留在生長用基板10上。並且，通過所去除的掩模圖案，形成由生長用基板10、氮化鎵杆30及氮化鎵層40定義的蝕刻孔。
參照圖6，通過第二蝕刻形成基板100。第二蝕刻通過向圖5中的蝕刻孔供應腐蝕劑來實現。所用的腐蝕劑優選為KOH，KOH的濃度可為1M至5M。如果KOH的濃度低於1M，就無法順利地實現刻蝕。並且，如果KOH的濃度高於5M，由於急劇的蝕刻而出現導致氮化鎵層的蝕刻的副作用。並且，KOH的蝕刻溫度優選為60℃至120℃。如果蝕刻溫度低於60℃，就由於低溫度而無法順利地實現蝕刻，如果蝕刻溫度高於120℃，因蝕刻溫度接近KOH溶液的沸點而濃度的控制性和工藝重複性降低。
第二蝕刻集中於氮化鎵杆。在圖5中形成的蝕刻孔由生長用基板10、氮化鎵杆30及氮化鎵層40定義。並且，露出在蝕刻孔的氮化鎵層40的表面為N-polar面，因此化學性質非常穩定。並且，當生長用基板10由氮化鎵材質構成時，露出在蝕刻孔的生長用基板10的表面為Ga-polar面，其與N-polar面相比化學性質不穩定，但與具有角部且表面露出在Semi-polar面的氮化鎵杆30相比化學性質相對穩定。
氮化鎵杆30的側表面具有Semi-polar面。並且，與氮化鎵層40相接的表面出現化學性質最不穩定的角部，第二蝕刻集中發生在氮化鎵層40和氮化鎵杆30相接的角部，沿著化學性質最不穩定的Semi-polar面進行蝕刻。
並且，在本實施例中，可以省略第一蝕刻工藝。即，通過第二蝕刻工藝，即利用KOH的蝕刻去除掩模圖案後，可以連續去除氮化鎵杆。
通過上述工藝可以製得氮化鎵基板100。所製成的氮化鎵基板100的第一表面110成為比較平滑的表面，根據生長結果，成為Ga-polar面。並且，根據生長結果，與第一表面110面對的第二表面120成為N-polar面。在第二表面120上形成具有突出形狀的突出部130，突出部130是通過蝕刻氮化鎵杆而形成的，因此其具有氮化鎵杆構成物的一部分殘留的形狀。並且，隨著進行蝕刻開放的突出部130的表面成為Semi-polar面。
並且，儘管經過第二蝕刻工藝，分離的生長用基板也沒有受損，仍然在隨後的工藝中可以用作用於生長結晶的生長用基板。
通過本實施例所形成的氮化鎵基板100的第一表面110形成為平滑的Ga-polar面，與此面對的第二表面120成為N-polar面，在第二表面120上形成突出部130。突出部130的表面成為Semi-polar面。在Semi-polar面上也容易實現結晶生長，因此，通過Ga-polar面和Semi-polar面可以實現薄膜的生長。因此，所形成的氮化鎵基板100得到可實現雙面生長的結構。
並且，在本實施例中所形成的氮化鎵基板的突出部為在製造過程中氮化鎵杆經過部分蝕刻後殘留的結果。因此，突出部應被理解為起到在氮化鎵基板上形成第一表面和第二表面的生長的核的作用。
圖7為示出根據本發明的第一實施例形成在氮化鎵杆上的氮化鎵層的附圖。
參照圖7，生長用基板為氮化鎵單晶。並且，在由氮化鎵構成的生長用基板上形成矽氧化物材質的掩模圖案。在掩模圖案之間的隔開距離為10um至15um，掩模圖案形成為底切形狀，即，在掩模圖案的下部之間的隔開距離形成為大於在掩模圖案的上部之間的隔開距離。
並且，氮化鎵杆形成在掩模圖案的隔開空間。氮化鎵杆通過在30torr的壓力下利用H2載體並通過引入鎵和氮的前驅體而製成。作為鎵前驅體，以100sccm的流量引入TMGa，作為氮前驅體，以8000sccm的流量引入NH3。將沉積時間設定為40分鐘。
接著，基於所形成的氮化鎵杆形成氮化鎵層。氮化鎵層在100torr的壓力下利用H2載氣並通過引入鎵和氮的前驅體而製成。作為鎵前驅體，以100sccm的流量引入TMGa，作為氮前驅體，以8000sccm的流量引入NH3。沉積時間為20分鐘。
並且，利用HF溶液進行第一次蝕刻工藝。通過第一次蝕刻工藝去除掩模圖案，且形成蝕刻孔。
圖8為示出根據本發明的第一實施例形成的氮化鎵基板的附圖。
參照圖8，對在圖7中所形成的氮化鎵杆引入KOH溶液，對氮化鎵杆進行蝕刻。氮化鎵杆與氮化鎵層相接的部分被集中蝕刻，Semi-polar面形成在其表面。並且，在圖7中形成在掩模圖案上部的氮化鎵層成為N-polar面。
第二實施例
圖9為示出根據本發明的第二實施例的雙面發光二極體的截面圖。
參照圖9，本實施例的雙面發光二極體包括：在氮化鎵基板100上沿第一方向形成的第一發光體200；及沿與第一方向相對的第二方向形成的第二發光體300。第一發光體200和第二發光體300基於氮化鎵基板100形成。
氮化鎵基板100包括第一表面110、第二表面120及突出部130。第一表面110為Ga-polar面，第二表面120為N-polar面，突出部130的表面由Semi-polar面形成。並且，突出部130形成在第二表面120上。
在氮化鎵基板100的第一表面110上形成第一發光體200。第一發光體200包括沿第一方向依次形成的第一n型半導體層210、第一活性層220及第一p型半導體層230。上述第一發光體200由基於氮化鎵的材料形成。例如，所述第一發光體200可以形成藍色、紅色或綠色的光。為了藍色的發光，第一活性層220的阻擋層可以由GaN構成，阱層可以由InGaN構成。並且，為了綠色的發光，第一活性層220的阱層可以由InGaN、AlGaN或AlInGaN等構成，且阻擋層可以由GaN構成。即，為了實現發光顏色，通過形成本領域技術人員已知的阱層和阻擋層來可以形成第一活性層220。
並且，第一n型半導體層210和第一p型半導體層230按照通常的發光二極體的製造工序而製成。
尤其，由於氮化鎵基板100的第一表面110為Ga-polar面，因此與在氮化鎵半導體上新的氮化鎵半導體生長相同的機制形成。在Ga-polar面上生長活潑，由此，在其上很容易形成第一n型半導體層210。
並且，在氮化鎵基板100的第二方向形成第二發光體300。在第二方向生長的第二發光體300通過將氮化鎵基板100的突出部130用作生長的核而製成。分布在氮化鎵基板100的第二表面120的N-polar面上無法順利地實現通過MOCVD工藝的生長。然而，形成在第二表面120上的突出部130的側表面為Semi-polar面，通過Semi-polar面主動發生生長。因此，以Semi-polar面為中心生長的第二發光體300包括依次形成的第二n型半導體層310、第二活性層320及第二p型半導體層330。
所形成的第二發光體300可以形成各種顏色的光。例如，可以形成藍色、綠色或紅色等的光。這可以由本領域技術人員根據需要來選擇。
然而，在本實施例中，構成第二發光體300的第二n型半導體層310基於由氮化鎵基板100的Semi-polar面形成的突出部130形成。並且，第二n型半導體層310可以採用有利於側表面生長的ELOG法而製成。在形成第二型半導體層310之後，通過通常的MOCVD工藝形成第二活性層320和第二p型半導體層330。
因此，以氮化鎵基板100為中心，兩個發光體200、300形成在兩面上。形成在第一表面110上的發光體形成第一顏色的光，形成在第二表面120上的發光體形成第二顏色的光。所形成的第一顏色的光和第二顏色的光可以相同或不同。
如果所形成的第一顏色和第二顏色相互不同，就存在由此能夠形成各種顏色的光的優點。並且，如果所形成的第一顏色和第二顏色相同，就可以得到與相同的基板面積的亮度相比更高的亮度。尤其，如果第一顏色和第二顏色的光為藍色光，就存在能夠實現具有高亮度的白色光的優點。
並且，可以通過採用各種方法來形成雙面發光二極體。
例如，在氮化鎵基板100的第一表面110上形成第一發光體200之後，使與第一表面110面對的第二表面120朝向上部，採用通常的MOCVD工藝來可以在第二表面120或突出部130上形成第二發光體300。此外，先在第二表面120或突出部130上形成一個發光體，然後可以在第一表面110上形成另一個發光體。
根據上述本發明，可以得到第一表面具有Ga-polar面，第二表面具有N-polar面，形成在第二表面上的突出部具有Semi-polar面的氮化鎵基板。氮化鎵基板由半導體材質構成，因此非常有利於放出在其上形成的發光體所產生的熱。並且，即使在其上部形成基於氮化鎵的發光體，也其結晶的取向性和晶格常數實質上相同，從而可以獲得高品質的單晶。因此，具有能夠得到高品位的發光體的優點。
並且，以所形成的氮化鎵基板為中心在兩面上能夠形成發光體，由此，可以得到實現各種顏色、具有高亮度的發光二極體。