[发明专利]GaN 单晶生长方法、GaN 基板制备方法、GaN 系元件制备方法以及GaN 系元件

说明书

本申请是申请日为2006年03月31日、申请号为200680010759.1、发明名称为“GaN单晶生长方法、GaN基板制备方法、GaN系元件制备方法以及GaN系元件”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及GaN自支撑基板或GaN模板(template)基板的制备和使用该GaN模板基板制备包括发光二极管、激光二极管等发光元件或电子元件的GaN系元件的制备方法，尤其涉及通过使用了金属缓冲层的GaN单晶生长方法来制备高效率发光元件等元件。

背景技术

日本的日亚化学、美国的Lumi LED公司在使用了GaN系化合物半导体的青色、白色发光二极管(Light Emitting Diodes)、激光二极管的开发和商品化的领域中一直领先。最近，提出了用于应用到家庭用日光灯、LCD(Liquid Crystal Display)背光等照明领域的各种高辉度发光元件结构，并开始商品化。GaN系物质逐渐充分展示出其不仅作为光元件还作为高电力、高温电子元件的可能性。目前，可使用MOCVD生长方法，在蓝宝石基板上生长优质的GaN晶体。

作为其主要核心技术，可列举出低温缓冲层的开发。使用MOCVD生长方法，在蓝宝石基板上以400～700℃的低温生长温度范围，生长出非晶质或多晶状态的AlN、GaN的缓冲层，然后以1000℃以上的高温使优质的GaN进行晶体生长，这已成为可能。即，低温缓冲层的技术开发成为目前发光元件实现商品化的主要技术。

但是，基于现有GaN系的发光元件的重要课题在于高效率、高功率、在紫外线区域的短波长化。GaN系的薄膜生长根据生长目的，可通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、HVPE(Hydride Vapor Epitaxy)等方法进行薄膜、厚膜生长，使用这样的方法实现了光元件或电子元件。尤其HVPE生长法，主要被用到以100μm/hr以上的高生长速度在蓝宝石基板上生长GaN厚膜，并用激光剥离法将基板和GaN厚膜分离的自支撑GaN基板制作中。目前，在GaN系光元件或电子元件的制备中，作为用于晶体生长的基板，主要使用蓝宝石或SiC。但是，由于大的晶格失配和热膨胀系数的差异，因而位错密度(dislocation density)为10¹⁰/cm²左右的大的缺陷密度导致元件特性劣化和耐化学特性而引起元件加工等方面的很多问题。为了减少位错密度，使用各种缓冲层，并用LEO(lateral epitaxial overgrowth，横向外延)、悬挂外延(Pendeo-epitaxy)方法(参照非专利文献1)等选择生长、横向生长技术，可生长低缺陷薄膜。但是，这样的生长技术，在生长前需要多个工序来制备基板，因此会导致生产成本增加，另外在再现性和收率上也存在问题。

具体描述用于制备青色高辉度、高功率发光二极管的现有技术。目前，在绝缘体蓝宝石基板上制备GaN系发光二极管时，主要使用如图1所示的在薄膜上部方向发出光的TOP发光LED方式。但是，最近作为替代，采用如图2(a)所示的在蓝宝石基板方向发出光的LED芯片方式(LED-chip方式或倒装芯片方式)，可实现发光功率比现有的TOP发光LED方式提高2倍左右。另外，使用具有高的传导性的次黏着基台(Submount)110并与产生热的薄膜接近地进行封装工序成为可能，可得到良好的放热效果。功率提高的理由是因为光不会受到LED上部金属电极的物理限制。另外，如图2(b)所示，通过次黏着基台110的镜面涂层(mirror-coating)180，可得到进一步提高的发光效率。

最近，如图3所示，提出了一种将通过MOCVD法在蓝宝石基板120上生长薄膜得到的LED结构(图3(a))和Si基板190用金属接合层182接合(图3(b))，并使用激光剥离(laser lift-off)技术而将蓝宝石基板120和薄膜分离(图3(c))，制作具有上下电极的新的LED结构(图3(d))。

作为高功率、高效率发光二极管的其它方法，还有如图4所示，使用微细加工过的蓝宝石基板(patterned substrate)122的方法。该方法是通过形成在蓝宝石基板122上的微细加工图案，使发光元件的活性层发出的光产生漫反射，抑制光透过蓝宝石基板而增加表面放出的光的量，从而提高元件的发光效率。