[發明專利]GaN 單晶生長方法、GaN 基板制備方法、GaN 系元件制備方法以及GaN 系元件

有效

• 申請號: 201210044351.3
• 申請日: 2006-03-31
• 公開（公告）號: CN102634849A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 八百隆文;曺明煥
• 申請（專利權）人: 東北技術使者株式會社;古河機械金屬株式會社;三菱化學株式會社;同和控股(集團)有限公司;株式會社EpiValley;偉方亮有限公司
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B25/02;H01L21/02
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

本申請是申請日為2006年03月31日、申請號為200680010759.1、發明名稱為“GaN單晶生長方法、GaN基板制備方法、GaN系元件制備方法以及GaN系元件”的申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及GaN自支撐基板或GaN模板(template)基板的制備和使用該GaN模板基板制備包括發光二極管、激光二極管等發光元件或電子元件的GaN系元件的制備方法，尤其涉及通過使用了金屬緩沖層的GaN單晶生長方法來制備高效率發光元件等元件。

背景技術

日本的日亞化學、美國的Lumi?LED公司在使用了GaN系化合物半導體的青色、白色發光二極管(Light?Emitting?Diodes)、激光二極管的開發和商品化的領域中一直領先。最近，提出了用于應用到家庭用日光燈、LCD(Liquid?Crystal?Display)背光等照明領域的各種高輝度發光元件結構，并開始商品化。GaN系物質逐漸充分展示出其不僅作為光元件還作為高電力、高溫電子元件的可能性。目前，可使用MOCVD生長方法，在藍寶石基板上生長優質的GaN晶體。

作為其主要核心技術，可列舉出低溫緩沖層的開發。使用MOCVD生長方法，在藍寶石基板上以400～700℃的低溫生長溫度范圍，生長出非晶質或多晶狀態的AlN、GaN的緩沖層，然后以1000℃以上的高溫使優質的GaN進行晶體生長，這已成為可能。即，低溫緩沖層的技術開發成為目前發光元件實現商品化的主要技術。

但是，基于現有GaN系的發光元件的重要課題在于高效率、高功率、在紫外線區域的短波長化。GaN系的薄膜生長根據生長目的，可通過MOCVD(Metal?Organic?Chemical?Vapor?Deposition)、MBE(Molecular?Beam?Epitaxy)、HVPE(Hydride?Vapor?Epitaxy)等方法進行薄膜、厚膜生長，使用這樣的方法實現了光元件或電子元件。尤其HVPE生長法，主要被用到以100μm/hr以上的高生長速度在藍寶石基板上生長GaN厚膜，并用激光剝離法將基板和GaN厚膜分離的自支撐GaN基板制作中。目前，在GaN系光元件或電子元件的制備中，作為用于晶體生長的基板，主要使用藍寶石或SiC。但是，由于大的晶格失配和熱膨脹系數的差異，因而位錯密度(dislocation?density)為10¹⁰/cm²左右的大的缺陷密度導致元件特性劣化和耐化學特性而引起元件加工等方面的很多問題。為了減少位錯密度，使用各種緩沖層，并用LEO(lateral?epitaxial?overgrowth，橫向外延)、懸掛外延(Pendeo-epitaxy)方法(參照非專利文獻1)等選擇生長、橫向生長技術，可生長低缺陷薄膜。但是，這樣的生長技術，在生長前需要多個工序來制備基板，因此會導致生產成本增加，另外在再現性和收率上也存在問題。

具體描述用于制備青色高輝度、高功率發光二極管的現有技術。目前，在絕緣體藍寶石基板上制備GaN系發光二極管時，主要使用如圖1所示的在薄膜上部方向發出光的TOP發光LED方式。但是，最近作為替代，采用如圖2(a)所示的在藍寶石基板方向發出光的LED芯片方式(LED-chip方式或倒裝芯片方式)，可實現發光功率比現有的TOP發光LED方式提高2倍左右。另外，使用具有高的傳導性的次黏著基臺(Submount)110并與產生熱的薄膜接近地進行封裝工序成為可能，可得到良好的放熱效果。功率提高的理由是因為光不會受到LED上部金屬電極的物理限制。另外，如圖2(b)所示，通過次黏著基臺110的鏡面涂層(mirror-coating)180，可得到進一步提高的發光效率。

最近，如圖3所示，提出了一種將通過MOCVD法在藍寶石基板120上生長薄膜得到的LED結構(圖3(a))和Si基板190用金屬接合層182接合(圖3(b))，并使用激光剝離(laser?lift-off)技術而將藍寶石基板120和薄膜分離(圖3(c))，制作具有上下電極的新的LED結構(圖3(d))。

作為高功率、高效率發光二極管的其它方法，還有如圖4所示，使用微細加工過的藍寶石基板(patterned?substrate)122的方法。該方法是通過形成在藍寶石基板122上的微細加工圖案，使發光元件的活性層發出的光產生漫反射，抑制光透過藍寶石基板而增加表面放出的光的量，從而提高元件的發光效率。