專利名稱：發(fā)光二極管元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光二極管元件。
背景技術(shù)：
近年來，由以氮化鎵(GaN)為代表的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體元件的研究開發(fā)正在盛行。由包括氮化鋁(AlN)、GaN、氮化銦QnN)以及它們的混合晶體(mixed crystal) 的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光元件，通過控制其膜的組成，在從紫外或藍(lán)色至紅外線區(qū)域為止的范圍廣泛的波長區(qū)域中發(fā)光。作為其應(yīng)用例，使用氮化物半導(dǎo)體的可見(光譜) 區(qū)發(fā)光二極管已經(jīng)商品化(例如非專利文件1)。圖13表示現(xiàn)有例涉及的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光二極管元件的截面結(jié)構(gòu)。如圖13所示，現(xiàn)有的發(fā)光二極管元件，包括由GaN構(gòu)成的低溫生長緩沖層102、n型GaN包覆層103、由Inx^vxN構(gòu)成的量子阱層104、由ρ型GaN構(gòu)成的ρ型包覆層105和由ρ型GaN 構(gòu)成的P型接觸層106，它們在主面的面方位為(0001)面的藍(lán)寶石基板101的主面上依次生長。在P型接觸層106上形成有ρ側(cè)電極107，在η型GaN層103的選擇性露出的區(qū)域上形成有η側(cè)電極108。根據(jù)該現(xiàn)有例，為了抑制由起因于晶格缺陷或穿透位錯(threading dislocation)的非發(fā)光躍遷引起的載流子再結(jié)合，必須制作結(jié)晶中的缺陷非常少的氮化物半導(dǎo)體薄膜。因此，由于使用藍(lán)寶石基板等單晶基板，所以存在成本高的問題。為了解決這個問題，提出了如下方法使用石墨作為基板，通過脈沖濺射法在石墨上制作多晶的氮化物半導(dǎo)體薄膜(專利文獻(xiàn)1)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2009-200207號公報非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1 :Shuji Nakamura et. al. , Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34 (1995) L. 1332-L. 133
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題然而，通過脈沖濺射法在石墨上制作的GaN薄膜為多晶體，因此缺陷較多，不適合發(fā)光二極管和電子設(shè)備。此外，眾所周知通過濺射法制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜在成膜時因放電等離子體而受到較大的損傷，因此在薄膜的結(jié)晶內(nèi)含有非常多的缺陷。因此，專利文獻(xiàn) 1的利用脈沖濺射法制作氮化物半導(dǎo)體的方法，具有難以制作在制作發(fā)光二極管元件時不可缺少的P型GaN的較大的問題。本發(fā)明是為了解決該問題而完成的，其目的在于以作為非單晶基板的石墨為基板，通過最適于半導(dǎo)體元件制造的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporDeposition =MOCVD)法，提供低成本且高性能的氮化物發(fā)光二極管元件。用于解決課題的方法本發(fā)明的方法是一種制造發(fā)光二極管方法，包括下述的工序(a) 工序(e)通過對石墨基板的表面進(jìn)行氧灰化(處理)，在上述石墨基板的表面形成具有20nm以上60nm以下的厚度的無定形碳層的工序(a)；在上述無定形碳層上通過MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)形成AlN層的工序(b)；在上述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層的工序(c)；在上述η型包覆層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層的工序(d)；和在上述量子阱層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層的工序(e)。根據(jù)某個實施方式，還具有在形成η型包覆層之前，在上述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層的工序。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包括多重量子阱層。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包括多重量子阱層。本發(fā)明的基板，包括石墨基板；在上述石墨基板上形成的具有20nm以上60nm以下的厚度的無定形碳層；和在上述無定形碳層上形成的AlN層。本發(fā)明的另一方法是一種制造基板的方法，包括下述的工序(a)和工序(b)通過對石墨基板的表面進(jìn)行氧灰化(處理)，在上述石墨基板的表面形成具有20nm以上60nm以下的厚度的無定形碳層的工序(a)；和在上述無定形碳層上通過MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)形成AlN層的工序(b)。本發(fā)明的發(fā)光二極管，包括石墨基板；在上述石墨基板上形成的無定形碳層；在上述無定形碳層上形成的AlN層；在上述AlN層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層；在上述η型包覆層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層；在上述量子阱層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層；與上述P型包覆層電連接的P側(cè)電極；和與上述η型包覆層電連接的η側(cè)電極，其中，上述無定形碳層具有20nm以上60nm以下的厚度。根據(jù)某個實施方式，夾在上述AlN層與上述η型包覆層之間的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包 括多重量子阱層。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包括多重量子阱層。本發(fā)明的另一方法是一種使用發(fā)光二極管發(fā)出光的方法，包括下述的工序(a)和工序(b)準(zhǔn)備發(fā)光二極管的工序(a)，其中，上述發(fā)光二極管包括石墨基板；在上述石墨基板上形成的無定形碳層；在上述無定形碳層上形成的AlN層；在上述AlN層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層；在上述η型包覆層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層；在上述量子阱層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層；與上述P型包覆層電連接的P側(cè)電極；和與上述η型包覆層電連接的η側(cè)電極，其中，上述無定形碳層具有20nm 以上60nm以下的厚度；以及，對上述ρ側(cè)電極和η側(cè)電極之間施加電壓，從上述量子阱層發(fā)出光的工序(b)。
根據(jù)某個實施方式，還具有在形成η型包覆層之前，在上述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層的工序。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，ρ側(cè)電極是透明的。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包括多重量子阱層。根據(jù)某個實施方式，上述量子阱層包括多重量子阱層。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管元件，在石墨基板上設(shè)置無定形碳層，在上述無定形碳層上通過MOCVD法使AlN的c軸取向膜生長，由此能夠在石墨基板上通過MOCVD法直接制作發(fā)光二極管元件，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本且具有優(yōu)良特性的發(fā)光二極管。


圖1是本發(fā)明的實施方式1的發(fā)光二極管元件的截面結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的實施方式1的發(fā)光二極管元件的制造方法的工序順序的截面結(jié)構(gòu)圖。圖3(a)是表示在本發(fā)明的實施方式1的未進(jìn)行表面處理的石墨基板上通過MOCVD 堆積了 AlN時的表面SEM觀察圖像的顯微鏡照片，(b)是表示在設(shè)置有無定形碳層的石墨基板上通過MOCVD堆積了 AlN時的表面SEM觀察圖像的顯微鏡照片。圖4(a)是表示本發(fā)明的實施方式1的石墨基板和AlN層界面附近的截面TEM觀察圖像的顯微鏡照片，(b)是表示高分辨率TEM的晶格圖像的顯微鏡照片。圖5是表示在本發(fā)明的實施方式1的石墨基板上制作的GaN薄膜的光致發(fā)光測定結(jié)果的圖表。圖6是表示在本發(fā)明的實施方式1的石墨基板上制作的發(fā)光二極管元件的光致發(fā)光測定結(jié)果的圖表。圖7是表示在本發(fā)明的實施方式1的石墨基板上制作的發(fā)光二極管元件的I-V特性的圖表。圖8表示在本發(fā)明的實施方式1的石墨基板上制作的發(fā)光二極管元件的點亮狀態(tài)觀察圖像的顯微鏡照片。圖9是本發(fā)明的實施方式2的發(fā)光二極管元件的截面結(jié)構(gòu)圖。圖10是表示在本發(fā)明的實施方式2的ρ型GaN薄膜上通過疊層合成而生長的SiO 薄膜的表面SEM觀察圖像的顯微鏡照片。圖11是表示在本發(fā)明的實施方式2的ρ型GaN薄膜上通過疊層合成而生長的ZnO 薄膜的XRD搖擺曲線的圖表。圖12是表示本發(fā)明的實施方式2的發(fā)光二極管元件的I-V特性的圖表。圖13表示現(xiàn)有的發(fā)光二極管元件的截面結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施方式。(實施方式1)
圖1是本發(fā)明的實施方式1的發(fā)光二極管元件的截面結(jié)構(gòu)圖。對與圖13相同的結(jié)構(gòu)要素使用相同的附圖標(biāo)記，省略說明。在圖 1中，1為石墨基板，2為通過氧灰化(oxygen ashing)處理使石墨基板1的表面無定形化而成的無定形碳層。3為在無定形碳層上通過MOCVD制作而成的AlN層。在ρ型接觸層106上，形成有例如疊層了 ITO(銦錫氧化物)或鎳(Ni)和金(Au) 的作為透明電極的P側(cè)電極107。此外，在η型GaN層103的η型基板1的相反一側(cè)的面上，形成有例如包括鈦(Ti)和鋁(Al)的疊層膜的η側(cè)電極108。以下，參照附圖，對這樣構(gòu)成的發(fā)光二極管元件的制造方法進(jìn)行說明。圖2(a) 圖2(d)表示本發(fā)明的第一實施方式的發(fā)光二極管元件的制造方法的工序順序的截面結(jié)構(gòu)。在第一實施方式中，使用MOCVD法作為III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶生長法。作為鎵源，例如列舉三甲基鎵(TMG)。作為鋁源，例如列舉三甲基鋁(TMA)。作為銦源，例如列舉三甲基銦(ΤΜΙ)。作為V族源(氮源)，例如列舉氨(ΝΗ3)。作為η型摻雜物的原料，例如列舉含有硅(Si)的硅烷(Silane) (SiH4)。作為ρ型摻雜物的原料，例如列舉含有鎂的二茂鎂 (CP2Mg)。首先，如圖2(a)所示，通過氧灰化法對石墨基板1的表面進(jìn)行改質(zhì)，即使其無定形化，形成無定形碳層2。接著，如圖2(b)所示，使用MOCVD法，在石墨基板1的無定形碳層 2上，在960°C左右的高溫下，使AlN層3生長。接著，如圖2(c)所示，例如在500°C左右的溫度下通過低溫生長使由GaN構(gòu)成的低溫生長緩沖層102生長。進(jìn)而，如圖2(d)所示，在 900°C左右的高溫下依次使由η型GaN構(gòu)成的η型包覆層103、由IrixGai_xN和GaN構(gòu)成的多重量子阱層104、由ρ型GaN構(gòu)成的ρ型包覆層105和由ρ型GaN構(gòu)成的ρ型接觸層106生長。由此，在石墨基板1的表面設(shè)置通過氧灰化處理而被無定形化的無定形碳層2，并在其上通過MOCVD形成AlN層3，由此能夠制作非常致密的c軸取向的AlN層3。從而，盡管使用并非單晶基板的石墨作為基板，也能夠制作穿透位錯少的高品質(zhì)的GaN薄膜，由此， 能夠直接在石墨基板上制作GaN發(fā)光二極管元件。(實施例1)圖3(a)表示在未通過氧灰化進(jìn)行表面處理的石墨基板1上，通過MOCVD而堆積了 AlN后的表面SEM觀察圖像。圖3(b)表示在通過氧灰化進(jìn)行表面處理而設(shè)置了 20nm的無定形碳層2的石墨基板上，通過MOCVD形成了具有20nm厚度的AlN層3后的表面SEM觀察圖像。如圖3(a)明確所示，在未通過氧灰化進(jìn)行表面處理的石墨基板1上，不形成AlN 薄膜，而僅堆積樹狀結(jié)晶形態(tài)的微晶。另一方面，如圖3(b)明確所示，在表面設(shè)置有無定形碳層2的石墨基板1上，形成有致密的AlN薄膜。圖4(a)表示在表面設(shè)置有厚度為20nm的無定形碳層2的石墨基板1上，通過 MOCVD使具有20nm厚度的AlN層3、具有1 μ m厚度的GaN低溫生長緩沖層102和具有200nm 厚度的η型GaN包覆層103生長時的截面TEM觀察圖像。圖4(b)表示高分辨率TEM的石墨界面附近的晶格圖像觀察結(jié)果。從圖4(a)和圖4(b)可知，在無定形碳表面形成有AlN的致密的結(jié)晶，并且GaN的良好的結(jié)晶在其上生長。從TEM觀察圖像求出的位錯密度較低，具體而言為2X109cm_2。該位錯密度是與在藍(lán)寶石基板上使用GaN低溫生長緩沖層而生長的GaN薄膜相同程度的位錯密度，即使是作為非單晶基板的石墨，通過在表面設(shè)置無定形碳層2，也能夠形成結(jié)晶性非常好的氮化物薄膜。圖5表示在設(shè)置有厚度為20nm的無定形碳層2的石墨基板1上，通過MOCVD使具有20nm厚度的AlN層3、具有1 μ m厚度的GaN低溫生長緩沖層102和具有200nm厚度的η 型GaN包覆層103生長之后的光致發(fā)光(PL)測定結(jié)果。作為PL測定時的激勵光源，使用 He-Cd激光器。從圖5可以明確，在3. 4eV附近觀察到來自η型GaN包覆層103的發(fā)光峰，其半值寬度為42meV，非常陡峭。表1表示在設(shè)置有厚度為20nm的無定形碳層的石墨基板和未設(shè)置無定形碳層的石墨基板上，分別使具有20nm厚度的AlN層3、具有1 μ m厚度的GaN低溫生長緩沖層102 和具有200nm厚度的η型GaN包覆層103生長之后的PL發(fā)光峰的半值寬度。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于 包括下述的工序(a) 工序(e)通過對石墨基板的表面進(jìn)行氧灰化，在所述石墨基板的表面形成具有20nm以上60nm 以下的厚度的無定形碳層的工序(a)；在所述無定形碳層上通過MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)形成AlN層的工序(b)； 在所述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層的工序(c)； 在所述η型包覆層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層的工序(d)；和在所述量子阱層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層的工序(e)。
2.如權(quán)利要求1所述的制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于，還具有在形成η型包覆層之前，在所述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層的工序。
3.如權(quán)利要求1所述的制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
4.如權(quán)利要求2所述的制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
5.如權(quán)利要求1所述的制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
6.如權(quán)利要求4所述的制造發(fā)光二極管的方法，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
7.一種基板，其特征在于，包括 石墨基板；在所述石墨基板上形成的具有20nm以上60nm以下的厚度的無定形碳層；和在所述無定形碳層上形成的AlN層。
8.—種制造基板的方法，其特征在于 包括下述的工序(a)和工序(b)通過對石墨基板的表面進(jìn)行氧灰化，在所述石墨基板的表面形成具有20nm以上60nm 以下的厚度的無定形碳層的工序(a)；和在所述無定形碳層上通過MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)形成AlN層的工序(b)。
9.一種發(fā)光二極管，其特征在于，包括石墨基板；在所述石墨基板上形成的無定形碳層；在所述無定形碳層上形成的AlN層；在所述AlN層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層；在所述η型包覆層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層；在所述量子阱層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層；與所述P型包覆層電連接的P側(cè)電極；和與所述η型包覆層電連接的η側(cè)電極，其中，所述無定形碳層具有20nm以上60nm以下的厚度。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于，還具有夾在所述AlN層與所述η型包覆層之間的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層。
11.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
12.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光二極管，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
13.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
14.如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
15.一種使用發(fā)光二極管來發(fā)出光的方法，其特征在于 包括下述的工序(a)和工序(b)準(zhǔn)備發(fā)光二極管的工序(a)，其中， 所述發(fā)光二極管包括 石墨基板；在所述石墨基板上形成的無定形碳層；在所述無定形碳層上形成的AlN層；在所述AlN層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的η型包覆層；在所述η型包覆層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層；在所述量子阱層上形成的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的P型包覆層；與所述P型包覆層電連接的P側(cè)電極；和與所述η型包覆層電連接的η側(cè)電極，其中，所述無定形碳層具有20nm以上60nm以下的厚度；以及對所述P側(cè)電極和η側(cè)電極之間施加電壓，從所述量子阱層發(fā)出光的工序(b)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還具有在形成η型包覆層之前，在所述AlN層上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層的工序。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于 P側(cè)電極是透明的。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于 所述量子阱層包括多重量子阱層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管及其制造方法。在石墨基板上設(shè)置無定形碳層，在無定形碳層上通過MOCVD法使AlN的c軸取向膜生長之后，在AlN層上形成GaN的低溫生長緩沖層，在低溫生長緩沖層上形成n型GaN包覆層，在n型GaN包覆層上形成由InxGa1-xN和GaN構(gòu)成的多重量子阱層，在多重量子阱層上形成p型GaN包覆層，在p型GaN包覆層上形成p型GaN接觸層，相對于AlN層在其上形成的低溫生長緩沖層、n型GaN包覆層、多重量子阱層、p型GaN包覆層具有外延生長的結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L33/16GK102326266SQ201080008170
公開日2012年1月18日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者伊藤彰宏, 濱田貴裕, 長尾宣明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社