专利名称：发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及发光元件，具体涉及通过在具有衬底保护层的氧化镓衬底上生长晶体所形成的发光元件。而且，本发明还涉及发光元件的制造方法。
背景技术：
通常，已知发光元件包含由SiC构成的衬底和形成在衬底上的n-型层和p-型层的叠层，所述层由GaN构成(例如，称作专利文件1的JP-A-2002-255692)。
另一方面，为了得到包含透过紫外部分光的衬底的发光元件，因而可以提供透过可见光部分至紫外光部分的无色透明导电材料，可以使用所述导电材料作为衬底来形成垂直电极结构并且衬底侧表面可用作透光表面，从而开发包含氧化镓衬底的发光元件和形成在衬底上的发光元件(例如，称作专利文件2的JP-A-2004-56098)。
然而，专利文件1所示的发光元件在生长外延层例如GaN层的过程中使用NH3作为氮源和使用氢气作为载气，使得氧化镓衬底特别是Ga2O3衬底的背面被氢气蚀刻，导致透过性下降和衬底的平坦性劣化。
在氢气的蚀刻侵蚀下，可以观察到高温热处理(例如1100℃下处理)所致损伤和低温热处理(例如650℃下热处理)所致损伤。利用SEM观察由于损伤所致的蚀刻痕迹，辨认出具体是(010)面和(100)面容易被蚀刻。然而，即使将外延生长面分配为(001)面，蚀刻也将使衬底背面中的微细划痕变大，因而难以在生长晶体的同时而不在衬底背面侧产生蚀刻痕迹。
因此，为了在通过在氧化镓衬底上生长GaN等所形成的发光元件中从衬底背面透出输出光，要求透过抛光过程使衬底背面平坦化，此外在发光元件的制造过程中，衬底背面不平坦对各化合物半导体的生长过程产生不利影响。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种形成在氧化镓衬底上的发光元件，所述氧化镓衬底不受化合物半导体生长过程中所用氢气的蚀刻侵蚀的影响并且具有良好的平坦性和透明性。
本发明的另一目的是提供一种制造发光器件的方法。
(1)根据本发明的一个实施方案，发光元件包含氧化镓衬底，在其正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和衬底保护层，其形成在所述氧化镓衬底的背面上。
在上述实施方案(1)中，可以进行以下改进和变化。
(i)所述衬底保护层具有导电性，从而起到电极的作用。
(ii)所述氧化镓衬底包括Ga2O3衬底。
(iii)所述衬底保护层包含选自TiN、W、WSi、BP、Al2O3、Mo、Ta、GaN和AlN的材料。
(2)根据本发明另一实施方案，一种发光元件的方法包括以下步骤在氧化镓衬底的背面上形成衬底保护层；在氧化镓衬底的正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和组装发光元件，以形成用于发光元件部分的电连接。
在上述实施方案(2)中，可以进行以下改进和变化。
(iv)所述氧化镓衬底包括Ga2O3衬底。
(v)所述衬底保护层包含选自TiN、W、WSi、BP、Al2O3、Mo、Ta、GaN和AlN的材料。
(vi)所述组装步骤包括移除衬底保护层的步骤。
(vii)所述衬底保护层包含非导电材料。
(viii)所述衬底保护层包含Al2O3或AlN。
在上述实施方案(1)和(2)中，可以进行以下改进和变化。
(ix)发光元件还包含在其上安装发光元件的基台，其中所述基台包含齐纳(Zener)二极管。
(x)所述组装步骤包括将发光元件安装在包含齐纳二极管的基台上的步骤。
本发明的优点根据本发明，可以提供一种形成在氧化镓衬底上的发光元件和制造该发光元件的方法，所述氧化镓衬底不受化合物半导体生长过程中所用氢气的蚀刻侵蚀的影响并且具有良好的平坦性和透明性。
以下将参考
根据本发明的优选实施方案，其中图1是表示作为用来形成发光元件的生长衬底的氧化镓衬底的截面图；图2是表示MOCVD方法的示意方块图和表示MOCVD装置的主要部分的截面图；图3是表示在根据本发明的第一优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图；图4是表示在根据本发明的第二优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图；图5是表示在根据本发明的第三优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图；和图6是表示在根据本发明的第四优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图。
具体实施例方式
第一实施方案氧化镓衬底的组成图1是表示作为用来形成发光元件的生长衬底的氧化镓衬底的截面图。作为氧化镓衬底的实例，可以引用Ga2O3衬底，尤其是β-Ga2O3衬底。下文中，将说明使用Ga2O3衬底作为氧化镓衬底的情况。
在Ga2O3衬底1的一个表面上，通过CVD方法、溅射方法等形成衬底保护层。优选衬底保护层由具有1200℃耐热性的材料构成，可以引用的所述材料实例是TiN、W、WSi、BP、Al2O3、Mo、Ta、GaN和AlN。在这些材料中，更优选具有导电性的TiN、W、WSi和BP。在本实施方案中，将具有导电性的TiN用作衬底保护层2。此外，优选衬底保护层2具有至少一定厚度以便不出现针孔，例如优选厚度为500-5000。
图2是表示MOCVD方法的示意方块图和表示MOCVD装置的主要部分的截面图。MOCVD装置100包括连接包括真空泵和排气装置(未示出)的排气部分106的反应室101、安装Ga2O3衬底1的基座102、加热基座102的加热器103、转动基座102并使其在垂直方向上移动的控制轴104、与Ga2O3衬底1倾斜或齐平地供应材料气的石英喷嘴105和产生各种材料气的气体发生器，例如TMG(三甲基镓)气体发生器111、TMA(三甲基铝)气体发生器112和TMI(三甲基铟)气体发生器113。此外，根据需要，可以增加或减少一些气体发生器。可以使用NH3作为氮源并且可以采用氢气作为载气。当形成GaN膜时使用TMG和NH3，当形成AlGaN膜时使用TMA、TMG和NH3，当形成InGaN膜时使用TMI、TMG和NH3。所述膜通过MOCVD方法形成如下。首先，将Ga2O3衬底1固定在基座102上，将放置衬底保护层2的表面朝向下侧，而将形成所述膜的表面朝向上侧，接着将Ga2O3衬底1安置在反应室101中。
LED元件的组成图3是表示在根据本发明的第一优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图。
LED元件10包括具有n一型导电性的Ga2O3衬底1。LED元件10还包含顺序层叠在Ga2O3衬底1上的Si掺杂的n+-GaN层12、Si掺杂的n-GaN层13、包含InGaN/GaN多量子阱结构的MQW(多量子阱)14、Mg掺杂的p-AlGaN层15、Mg掺杂的p+-AlGaN层16和由ITO(氧化铟锡)构成的p-电极17。而且，LED元件10还包含位于Ga2O3衬底1下表面上的衬底保护层2。
n+-GaN层12和p+-AlGaN层16通过在1100℃的生长温度下、使用N2作为载气、将NH3和三甲基镓(TMG)气体供应到放置Ga2O3衬底1的反应器中而形成。对于n+-GaN层12，将掺杂剂单硅烷(SiH4)用作Si材料来赋予n-型导电性，而对于p+-AlGaN层16，将掺杂剂环戊二烯镁(Cp2Mg)用作Mg材料来赋予p-型导电性。n-GaN层13和p-AlGaN层15通过在上述材料外还将三甲基铝(TMA)气体供应到反应器中而形成。
MQW 14通过在1100℃的生长温度下、使用H2作为载气、将三甲基铟(TMI)和三甲基镓(TMG)气体供应到反应器中而形成。当形成InGaN时，供应TMI气体和TMG气体，而当形成GaN时，供应TMG气体。
LED元件的制造过程首先，在MOCVD装置100中，将Ga2O3衬底1安装在基座102上，将放置衬底保护层2的表面朝向下侧。
形成GaN接着，在升温至预定温度(400℃)之后，开始供应N2。随后，反应器中的温度开始上升，在1100℃停止升温，而后保持温度并供应60sccm的TMG气体，从而形成1μm厚的n+-GaN层12。然后，停止供应N2并且供应H2。
接着，顺序形成n+-GaN层12、n-GaN层13、MQW 14、p-AlGaN层15、p+-AlGaN层16和p-电极17。
通过切片方法等，将根据上述方法形成在Ga2O3衬底1上的多个发光元件切割成单个发光元件，从而生产载片(bear chip)。
此外，已经说明了包含MQW结构的发光元件，但是本发明同样还可以应用于异质结结构、双异质结结构和单量子阱结构。
组装发光元件根据以下方法，将从Ga2O3衬底1上切割下的各载片组装成发光器件。
将包含Ga2O3衬底1、外延层21和p-电极17的发光元件安装在包含引线针脚31的基台30上，所述引线针脚31插入并通过导电金属糊连接电路基板等。基台30由n-型硅衬底构成，以便用作齐纳二极管来保护LED元件10不受静电影响。包含导电材料的衬底保护层2电连接至形成在基台30上的p-型半导体层30a。p-电极17利用接合导线22、通过接合部20电连接至基台30。根据上述方法，可以将发光元件单元安装至电路板等上。
第一实施方案的优点根据第一优选实施方案，Ga2O3衬底1不受用于Ga2O3衬底1外延生长过程中的氢气蚀刻侵蚀的影响，使得保持良好的平坦性和实现高透明性，从而可以提供包含Ga2O3衬底1的发光元件和制造该元件的方法。
此外，衬底保护层2由具有导电性和能够用作n-电极的材料构成，由此执行两种功能，从而能够提供具有高生产率和低成本的发光元件。而且，Ga2O3衬底1的透明性得到保持，使得可以采用从衬底背面透出发光元件的输出光的组成。
第二实施方案图4是表示在根据本发明的第二优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图。
根据第二优选实施方案的发光元件10在组成上与第一优选实施方案的不同之处在于p-侧和n-侧相对于基台30的垂直位置上的方向与第一优选实施方案相反。亦即，根据以下方法将从Ga2O3衬底1切割下来的各载片组装成发光器件。将p-电极17通过导电金属糊等安装在基台30上。由具有导电性的TiN构成的衬底保护层2可用作n-电极，从而通过接合电极19和接合部20、利用接合导线22电连接至形成在基台30上的p-型半导体层30a。根据上述方法，可以将发光元件单元安装至电路板等上。
第三实施方案图5是表示在根据本发明的第三优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图。
根据第三优选实施方案的发光元件10在组成上与第一优选实施方案的不同之处在于使用非导电材料AlN作为衬底保护层2。外延层21通过与第一优选实施方案相同的MOCVD方法形成，之后，通过移除方法例如抛光方法、CMP(化学机械抛光)方法、蚀刻方法来移除衬底保护层2。
移除衬底保护层2之后，在外延层21的两个表面上利用光刻技术形成图案，并且通过气相沉积方法形成p-电极17和n-电极18。
通过切片方法等，将根据上述方法形成在Ga2O3衬底1上的发光元件切割成单个发光元件，从而生产载片。
组装发光元件根据以下方法，将从Ga2O3衬底1上切割下的各载片组装成发光器件。
将包含Ga2O3衬底1、外延层21、p-电极17和n-电极18的发光元件安装在包含引线针脚31的基台30上，所述引线针脚31插入并通过导电金属糊等连接电路基板等。基台30由n-型硅衬底构成，以便用作齐纳二极管来保护LED元件10不受静电影响。n-电极18电连接至形成在基台30上的p-电极17。P-电极17通过接合电极19和接合部20、利用接合导线22电连接至基台30。根据上述方法，可以将发光元件单元安装至电路板等上。
第三实施方案的优点根据第三优选实施方案，除了第一优选实施方案的优点之外，还可以将非导电材料用作衬底保护层2，从而可以拓宽材料的选择范围并且可以减少制造过程中的限制。
第四实施方案图6是表示在根据本发明的第四优选实施方案中作为发光元件的LED的截面图。
根据第四优选实施方案的发光元件10在组成上与第三优选实施方案的不同之处在于p-侧和n-侧相对于基台30的垂直位置上的方向与第三优选实施方案相反。亦即，根据以下方法将从Ga2O3衬底1切割下来的各载片组装成发光器件。将p-电极17通过导电金属糊等安装在基台30上。将n-电极18通过接合电极19和接合部20、利用接合导线22电连接至形成在基台30上的p-型半导体层30a。根据上述方法，可以将发光元件单元安装至电路板等上。
虽然本发明已经相对于特定实施方案进行了完整和清楚的说明，但是所附权利要求并不限于此，而是包括本领域技术人员可得到的基本落入本文所提出的基本教导中的所有更改和替换结构。
权利要求
1.一种发光元件，包含氧化镓衬底，在其正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和衬底保护层，其形成在所述氧化镓衬底的背面上。
2.根据权利要求1的发光元件，其中所述衬底保护层具有导电性，从而起到电极的作用。
3.根据权利要求1的发光元件，其中所述氧化镓衬底包括Ga2O3衬底。
4.根据权利要求1的发光元件，其中所述衬底保护层包含选自TiN、W、WSi、BP、Al2O3、Mo、Ta、GaN和AIN的材料。
5.一种制造发光元件的方法，包括以下步骤在氧化镓衬底的背面上形成衬底保护层；在氧化镓衬底的正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和组装发光元件，以形成用于发光元件部分的电连接。
6.根据权利要求5的方法，其中所述氧化镓衬底包括Ga2O3衬底。
7.根据权利要求5的方法，其中所述衬底保护层包含选自TiN、W、WSi、BP、Al2O3、Mo、Ta、GaN和AIN的材料。
8.根据权利要求5的方法，其中所述组装步骤包括移除衬底保护层的步骤。
9.根据权利要求8的方法，其中所述衬底保护层包含非导电材料。
10.根据权利要求9的方法，其中所述衬底保护层包含Al2O3或AIN。
11.根据权利要求1的发光元件，还包含基台，在其上安装发光元件，其中所述基台包含齐纳二极管。
12.根据权利要求5的方法，其中所述组装步骤包括将发光元件安装在包含齐纳二极管的基台上的步骤。
全文摘要
一种发光元件，包含氧化镓衬底，在其正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和衬底保护层，其形成在所述氧化镓衬底的背面上。一种制造发光元件的方法，包括以下步骤在氧化镓衬底的背面上形成衬底保护层；在氧化镓衬底的正面上生长包括发光元件部分的半导体材料晶体；和组装发光元件，以形成用于发光元件部分的电连接。
文档编号H01L33/32GK1983653SQ200610167238
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月12日 优先权日2005年12月14日
发明者池本由平, 平田宏治, 青木和夫 申请人:丰田合成株式会社