专利名称：形成低温生长缓冲层的方法、发光元件及其制造方法和发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及由半导体材料制造的发光元件和利用该发光元件的发光器件。具体地，本发明涉及即使是在H2气氛中形成低温生长缓冲层时Ga2O3衬底也不会劣化的形成低温生长缓冲层的方法、利用所形成的低温生长缓冲层制造具有具备优异结晶质量的GaN的发光元件的方法、发光元件以及使用该发光元件的发光器件。
背景技术：
已知GaN基半导体为用于蓝色或短波长发光区域的发光元件的材料。具体地，发射紫外光的发光元件估计将用于例如基于环境考虑而希望是无汞的荧光灯、提供清洁环境的光催化剂、用于高容量记录介质如DVD(数字通用碟片)的光源。期望该发光元件具有更短的波长。
GaN具有非常高的熔点和氮平衡蒸气压。因此，难以制造高质量和大面积的块状单晶GaN衬底。因而，已经采用的GaN生长方法是将蓝宝石(Al2O3)衬底用作底层衬底，在其上形成缓冲层以减少与GaN的晶格失配，在其上生长GaN基半导体。然而，利用该GaN基半导体的发光元件的局限性在于其电极结构将水平安置。此外，在将该发光元件应用于各种用途时，希望其寿命和其安装处理简易性得到进一步提高。
在这些情况下，近来提出将透明材料β-Ga2O3用作衬底，其能够透过紫外光并能够制成块状单晶(参见，例如Japanese Journal of Applied Physics，Vol.44，No.1，2005pp.L7-L8，以下称为相关文件1)。
相关文件1公开了一种发光元件，其中于600℃下在β-Ga2O3衬底上形成低温生长GaN缓冲层，并且于1070℃下在其上生长GaN。
然而，相关文件1的发光元件的问题在于β-Ga2O3会在形成低温生长GaN缓冲层的过程中热分解，因此难以在后续过程中在其上生长高质量的GaN基半导体层。
众所周知，GaN缓冲层是在H2气氛中形成在β-Ga2O3衬底上。本发明人确实发现当在高于600℃的温度下、H2气氛中形成缓冲层时，β-Ga2O3衬底表面劣化变黑。
发明内容
本发明的目的是提供形成低温生长缓冲层的方法，其中即使是在H2气氛中形成低温生长缓冲层时Ga2O3衬底也不会劣化。
本发明的另一目的是提供利用所形成的低温生长缓冲层制造具有结晶质量优异的GaN的发光元件的方法、发光元件以及使用该发光元件的发光器件。
(1)根据本发明的一个方面，形成低温生长缓冲层的方法包括以下步骤将Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
(2)根据本发明的一个方面，形成低温生长缓冲层的方法包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；将经过酸洗的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
(3)根据本发明的一个方面，形成低温生长缓冲层的方法包括以下步骤氮化Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
(4)根据本发明的一个方面，形成低温生长缓冲层的方法包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；氮化经过酸洗的Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
在上述发明(1)-(4)中，可以进行以下改进和变化。
(i)在750℃-850℃的温度范围内进行所述氮化步骤；(ii)所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
(5)根据本发明的另一方面，制造发光元件的方法包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；氮化经过酸洗的Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层；在低温生长缓冲层上形成第一GaN层，同时在MOCVD设备中提供N2气氛；和在第一GaN层上形成第二GaN层，同时在MOCVD设备中提供H2气氛。
在上述发明(5)中，可以进行以下改进和变化。
(iii)在750℃-850℃的温度范围内进行所述氮化步骤；(iv)所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
(6)根据本发明的另一方面，发光元件包括
导电第一层，包含镓氧化物；第二层，包含在防止第一层热分解的生长条件下形成的AlxGa1-xN(0≤x≤1)；和第三层，包含形成在第二层上的GaN基半导体。
在上述发明(6)中，可以进行以下改进和变化。
(v)所述第二层在温度范围为350℃-550℃和H2气氛的生长条件下形成。
(vi)所述第三层包含具有第一导电类型的第一半导体层、具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层以及基于经第一半导体层和第二半导体层输入的电流而发光的发光层。
(7)根据本发明的另一方面，发光器件包括发光元件，其包括含镓氧化物的导电第一层、包含在防止第一层热分解的生长条件下形成的AlxGa1-xN(0≤x≤1)的第二层以及包含形成在第二层上的GaN基半导体的第三层；元件安装部分，在其上安装发光元件；和密封部分，其密封发光元件和元件安装部分。
在上述发明(7)中，可以进行以下改进和变化。
(vii)所述元件安装部分包括无机材料衬底。
(viii)所述元件安装部分包括导电金属引线。
<发明优点>
在本发明中，可以通过在防止导电透明的Ga2O3基第一层热分解的生长条件下形成第二AlxGa1-xN(0≤x≤1)层而形成具备良好结晶质量的第三GaN基半导体层。利用这样制得的发光元件，发光器件可具有优异的安装处理性和高可靠性。
以下，将参考
根据本发明的优选实施方案，其中图1是示出根据本发明的第一优选实施方案中的LED元件的示意侧视图；图2是示出第一优选实施方案中LED元件的制造方法的示意性工艺图；图3是示出根据本发明的第二实施方案中的发光器件的示意截面图；和
图4是示出根据本发明的第三实施方案中的发光器件的示意截面图。
具体实施例方式
第一实施方案图1是示出根据本发明的第一优选实施方案中的LED元件的示意侧视图。
利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备制造如下文所述的LED元件1。
LED元件1的组成LED元件1包含位于由β-Ga2O3制造的n型导电衬底10(以下称为Ga2O3衬底10)上在低温生长条件下形成的AlN缓冲层11、Si-掺杂n+-GaN层12、Si-掺杂n-AlGaN层13、InGaN/GaN的MQW(多量子阱)、Mg-掺杂p-AlGaN层15、Mg-掺杂p+-GaN层16和ITO(氧化铟锡)的电流扩展层17。此外，在电流扩展层17的表面上形成p-电极18并且在通过蚀刻从电流扩展层17穿过n-AlGaN层13而部分暴露的n+-GaN层12上形成n-电极19。
利用H2载气在优选400℃-550℃的温度条件下，并且通过将NH3和三甲基铝(TMA)供应至安置有Ga2O3衬底10的反应器中，而形成AlN缓冲层11。
利用N2载气在1050℃的温度条件下，并且通过将NH3和三甲基镓(TMG)、GaN源材料供应至安置有Ga2O3衬底10的反应器中，而形成n+-GaN层12和p+-GaN层16。n+-GaN层12利用Si掺杂剂-甲硅烷(SiH4)而掺杂Si以具有n-型导电性。p+-GaN层16利用Mg掺杂剂-环戊二烯合镁(Cp2Mg)而掺杂Mg以具有p-型导电性。通过将TMA以及上述GaN源材料供应至反应器中而形成n-AlGaN层13和p-AlGaN层15。
利用N2载气在800℃的温度条件下并且通过将NH3、三甲基铟(TMI)和三甲基镓(TMG)供应至反应器中，而形成MQW 14。当形成InGaN时，供应NH3、TMI和TMG。当形成GaN时，供应NH3和TMG。
图2是示出第一优选实施方案中的LED元件的制造方法的示意性工艺图。在图2中，纵轴指温度，横轴指时间。以下将对每一步骤进行说明。
衬底清洁步骤本方法中所用的1cm×2cm见方和350微米厚的Ga2O3衬底10在60℃下用HNO3清洗10分钟，随后在乙醇中超声清洗5分钟，接着在纯水中超声清洗5分钟。
衬底表面的氮化处理步骤接着，将衬底清洁步骤中清洗的Ga2O3衬底10置于MOCVD设备中的基座上。随后，从t1时间开始升温同时将N2供应至反应器中。在达到800℃的t2时间停止升温，并保持该温度。从t3时间开始氮化衬底表面以使其稳定。
AlN缓冲层形成步骤接着，在t4时间停止向反应器供应N2，并开始供应H2。随后，在t5时间停止反应器中的升温。在达到400℃的t6时间，以50sccm供应TMA和NH3，同时保持反应器温度为约400℃。由此，从t7时间开始在Ga2O3衬底10上形成厚100-300埃的AlN缓冲层11。
GaN形成步骤接着，在t8时间停止向反应器供应H2，并开始供应N2。随后，从t9时间开始反应器升温并在达到1050℃的t10时间停止。从t10时间开始，以60sccm供应NH3，同时保持反应器温度为1050℃。由此，在AlN缓冲层11上形成1微米厚的n+-GaN层12。接着，在t11时间，停止向反应器中供应N2并开始供应H2，由此，在AlN缓冲层11上进一步形成2微米厚的n+-GaN层12。在t12时间，停止向反应器中供应H2。
其后，顺序制造n-AlGaN层13、MQW层14、p-AlGaN层15、p+-GaN层16、电流扩展层17、p-电极18和n-电极19。略去对制造这些层的方法的说明。
观察在AlN缓冲层11上这样形成的n+-GaN层12的表面，证实所得GaN具有良好的平坦性。因而，即使是在H2气氛中在Ga2O3衬底10上形成缓冲层时，所述GaN也可以形成有镜面而不被热损坏。此外，证实当在n+-GaN层12上制造如图1所示的GaN基LED结构(发光元件)时，其在输入电流为20mA时发射波长为480nm的蓝光。
第一实施方案的效果在第一实施方案中，通过在H2气氛中和350℃-550℃、优选约400℃的温度下在Ga2O3衬底10上形成AlN缓冲层11，AlN缓冲层11可以稳定形成而不经历H2气氛中的β-Ga2O3热分解。因而，可以在其上形成具有良好结晶质量的n+-GaN层12。
虽然，在第一实施方案中LED元件1包含形成在Ga2O3衬底10上的AlN缓冲层11，但缓冲层11可理想地具有AlxGa1-xN(0≤x≤1)的组成，更理想的是限定为(0＜x≤1)，最理想的是(0.5≤x≤1)。
虽然，在第一实施方案中，氮化处理中的衬底表面温度为800℃，但本发明人发现在氮化处理中在750℃-850℃的温度范围内可以形成具有良好结晶质量的n+-GaN层12。
第二实施方案发光器件20的组成图3是示出根据本发明的第二实施方案中的发光器件的示意截面图。
发光器件20是SMD(表面安装器件)型LED。其包含由Al2O3等构成并具有钨(W)制图案化布线21、22的陶瓷衬底23、为无机材料烧结体并与陶瓷衬底23集成的主体24、其中n-电极和p-电极通过Au导线25电连接至暴露在主体24底部的布线21、22的LED元件1以及含有磷光体26并密封LED元件1的含磷光体的有机硅树脂27。
如第一实施方案所述，LED元件1是面朝上(face-up)型LED元件，该元件的制造方法是在H2气氛中在Ga2O3衬底10上形成AlN缓冲层11并在其上形成包括MQW等的LED结构，从而在工作时发射具有约480nm的中心发射波长的蓝光。
陶瓷衬底23提供有W布线21、22，由其与主体24穿过其侧面到达部分底部的接合面形成。由此，LED元件1可通过焊剂回流等方法安装在所述衬底的底部和侧面。
主体24提供有开口24A，其深度为从其上表面到达布线21、22。开口24A的侧壁24B具有斜面，所形成的斜面允许开口24A的内径得以在光辐射方向上扩大。此外，侧壁24B具有通过Al沉积而在其上形成的反射面(未示出)，以反射从LED元件1发射的光。
含磷光体的有机硅树脂27含有Ce:YAG(钇铝石榴石)磷光体26，从而在被LED元件1所发射的蓝光激发时产生黄光。因而，根据补色关系，当由蓝光激发产生的黄光与来自LED元件1的蓝光混合时产生白光。作为替代方案，当在LED元件1的光提取表面上提供磷光体膜来替代在有机硅树脂中含有磷光体时，可以形成辐射白光的波长转换型发光器件。
第二实施方案的效果在第二实施方案中，当利用第一实施方案所述的LED元件1时可以得到具有良好批量生产率的小型封装LED。虽然，在第二实施方案中使用含磷光体的有机硅树脂27，但也可以使用不含磷光体的有机硅树脂或环氧树脂。而且，其可含有预定量的填料以减少与主体24之间的热膨胀差异。
第三实施方案发光器件20的组成图4是示出根据本发明的第三优选实施方案中的发光器件的示意横截面图。
发光器件20是子弹型LED灯，其中第一实施方案所述的LED元件1安装在Cu合金的引线框上。其包括通过Cu合金材料冲压而形成并具有镀覆在表面上的Ag以具备光反射性的引线框30、31、安装在引线框31上的LED元件1、由Au制成并电连接LED元件1的n-电极和p-电极与引线框30、31的导线25、以及由透明环氧树脂制成以整体密封LED元件1、导线25和引线框30、31的密封树脂32。
引线框31提供有通过冲压形成的杯部31A，LED元件1安装在该杯部上。杯部31A具有倾斜的侧壁31B，使得其内径可以沿光辐射方向而扩大。
LED元件1通过胶粘剂如Ag糊剂固定在杯部31A的底部上，并用透明的涂料树脂33密封，该树脂在导线连接至n-电极和p-电极之后填充至杯部31A中。涂料树脂33可包含磷光体如YAG，从而通过被LED元件1所发射的蓝光激发而产生黄光。
第三实施方案的效果在第三实施方案中，在利用第一实施方案所述的LED元件1时可以得到具有良好的批量生产率的子弹型LED灯。虽然，在第三实施方案中LED元件1固定在引线框31上形成的杯部31A的底部上，但也可固定在没有杯部31A的引线框31上。在此，可以取消利用涂料树脂33的密封步骤。因此，可以降低制造成本。
虽然，为了完全和清楚地公开，已经就具体实施方案描述了本发明，但是，所附的权利要求书并不因此而受限，而是应理解为包括所有可由本领域技术人员所作出的更改和替代结构，这些结构理所当然落在本文所提出的基本教导之内。
权利要求
1.一种形成低温生长缓冲层的方法，包括以下步骤将Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
2.一种形成低温生长缓冲层的方法，包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；将经过酸洗的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
3.一种形成低温生长缓冲层的方法，包括以下步骤氮化Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
4.一种形成低温生长缓冲层的方法，包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；氮化经过酸洗的Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层。
5.根据权利要求3的方法，其中所述氮化步骤在750℃-850℃的温度范围内进行。
6.根据权利要求4的方法，其中所述氮化步骤在750℃-850℃的温度范围内进行。
7.根据权利要求1的方法，其中所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
8.根据权利要求2的方法，其中所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
9.根据权利要求3的方法，其中所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
10.根据权利要求4的方法，其中所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
11.一种制造发光元件的方法，包括以下步骤酸洗Ga2O3衬底；氮化经过酸洗的Ga2O3衬底；将经过氮化的Ga2O3衬底置于MOCVD设备中；在MOCVD设备中提供H2气氛并设定缓冲层生长条件，所述生长条件包括气氛温度为350℃-550℃；和在缓冲层生长条件下，向Ga2O3衬底上供应包含TMG、TMA和NH3中的两种或更多种的源气，以在Ga2O3衬底上形成低温生长缓冲层；在低温生长缓冲层上形成第一GaN层，同时在MOCVD设备中提供N2气氛；和在第一GaN层上形成第二GaN层，同时在MOCVD设备中提供H2气氛。
12.根据权利要求11的方法，其中所述氮化步骤在750℃-850℃的温度范围内进行。
13.根据权利要求11的方法，其中所述低温生长缓冲层包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
14.一种发光元件，包括导电第一层，包含镓氧化物；第二层，包含在防止第一层热分解的生长条件下形成的AlxGa1-xN(0≤x≤1)；和第三层，包含形成在第二层上的GaN基半导体。
15.根据权利要求14的发光元件，其中所述第二层在温度范围为350℃-550℃和H2气氛的生长条件下形成。
16.根据权利要求14的发光元件，其中所述第三层包含具有第一导电类型的第一半导体层、具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层和基于经第一半导体层和第二半导体层输入的电流而发光的发光层。
17.一种发光器件，包括发光元件，其包括含镓氧化物的导电第一层、包含在防止第一层热分解的生长条件下形成的AlxGa1-xN(0≤x≤1)的第二层和包含形成在第二层上的GaN基半导体的第三层；元件安装部分，在其上安装发光元件；和密封部分，其密封发光元件和元件安装部分。
18.根据权利要求17的发光器件，其中所述元件安装部分包含无机材料衬底。
19.根据权利要求17的发光器件，其中所述元件安装部分包含导电金属引线。
全文摘要
一种形成低温生长缓冲层的方法，包括以下步骤将Ga
文档编号C23C16/44GK1841800SQ20061006700
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年3月31日
发明者牛田泰久, 筱田大辅, 山崎大辅, 平田宏治, 池本由平, 柴田直树, 青木和夫, 恩卡纳西翁·安东尼亚·加西亚·比略拉, 岛村清史 申请人:丰田合成株式会社, 株式会社光波