CN100386890C - 一种GaN基发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于氮化镓基发光器件制作领域的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是通过刻蚀深槽将管芯上的发光区分割成2个以上小尺寸的发光区，以提高器件的发光效率以及器件的热稳定性和寿命。也可通过倒装焊技术将本发明所设计的管芯焊接在热导率较高的热沉材料和激光剥离技术将衬底材料剥离。本发明将外延层与衬底材料之间或外延层与热沉材料之间由于热膨胀系数失配所引入的热应变控制在极低的水平，对GaN基材料特性的不会产生不利的影响，因此，提高了器件的发光效率和器件的热稳定性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种大注入电流下氮化镓基发光二极管(LED)制作方法，目的是为了避免外延材料与衬底或热沉之间由于热膨胀系数失配所带来的弊端，从而提高器件的发光效率和可靠性。本发明属于氮化镓基发光二极管的制作技术领域。
背景技术
基于宽禁带半导体材料的发光器件一直是半导体光电子学领域研究和开发的重点。特别是以基于III-V族氮化物材料大功率蓝光LED为代表的半导体照明光源具有环保、节能、耐候性好以及寿命长等优点，必将引起照明光源市场的一场革命，最终可能取代传统照明光源。但就目前情况来看，大功率LED在民用照明市场广泛取代传统照明尚存在技术和价格等方面的诸多问题，而在这些问题之中，首要的就是大注入电流下器件的效率和热稳定性问题。
由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高激活能，因此，很难获得高空穴浓度的p型GaN层，在大注入电流条件下，热特别容易在p型区域中产生。这个热量势必通过整个结构才能在热沉上消散。尽管如此，因为LED器件温度一般低于200℃，热辐射非常弱，所以不能依靠热辐射来散热，这就意味着LED的散热途径主要是热传导和热对流。众所周知，III族氮化物具有两个基本的性质(见参考文献H.Mokoc.Nitridesemiconductors and devices.Berlin：Springer，1999)：第一，熔点极高。AlN的熔点为3000K以上，GaN的熔点为2000K以上，InN的熔点也在1200K以上；第二，氮气的平衡压非常高。以上两个性质决定了难于获得高质量、大面积体单晶氮化物，所以III族氮化物只能通过异质外延技术获得。到目前为止，以蓝宝石(Sapphire)为衬底的外延生长技术最为成熟(见参考文献S.Nakamura，S.Pearton，and G.Fasol，The Blue Laser Diode：The Complete Story，Berlin，Springer，2000)。
蓝宝石具有价格低和大面积材料的易获取性等优点，但其有两方面的不利之处：第一，极低的热导率；第二，晶格常数与热膨胀系数和GaN材料不匹配。前者导致器件的热阻(热阻定义为器件的温差与相应的耗散热功率的比值)增加，产生严重的自加热效应，因此在大注入电流下芯片本身的温度非常高，统计资料表明，元件温度每上升2℃，可靠性下降10％。当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。后者一方面导致GaN外延层中特别高的缺陷密度(位错密度一般在1010cm-2以上)，另一方面导致GaN中存在强烈的双轴压应力，特别是在芯片本身的温度变化时由于热膨胀系数的差别会在GaN中引入额外的热应力(T.Kozawa，T.Kachi，H.Kano，H.Nagase，N.Koide，and K.Manabe，Thermal Stress in GaN EpitaxyLayers Grown on Sapphire Substrates，J.Appl.Phys.1995 77(9)：4389-4392)。因此，两者均对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。
根据热力学原理，热膨胀系数失配对芯片应变的影响随着芯片尺寸的增加而线性增加。所以，温度变化时，当芯片内的发光区在任何一个方向上尺度较大时，都会在对应的发光区引入较大的形变，容易导致发光区高密度缺陷的产生，更严重的情况下会使芯片龟裂。因此，热膨胀系数失配严重影响器件的发光效率和稳定性(B.J.Zhang，T.Egawa，H.Ishikawa，Y.Liu，T.Jimbo，Thermal Stability of InGaN multiple-quantum-well light-emittingdiodes on an AlN/Sapphire Template，J.Appl.Phys.，2004 95(6)：3170-3172)。
目前对GaN与衬底材料之间热膨胀系数失配而引入应变的问题的解决方案主要集中在降低大注入电流下芯片的热阻，从而降低芯片本身的温度。通常采用的方法是利用倒装焊技术将GaN基外延片与高热导率的热沉材料进行焊接，通过高热导率材料的高效热传导降低芯片本身的温度(D.A.Steigerwald，J.C.Bhat，D.Collins，R.M.Fletcher，M.O.Holcomb，et al，Illumination With Solid State Lighting Technology，IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2002 8(2)：310-320)。其次，将蓝宝石衬底与GaN外延层剥离开来也是消除热应力的非常有效的方法，常采用的技术激光剥离技术(Laser Lift-off)：利用高功率密度的紫外激光束辐照GaN与蓝宝石的界面，从而实现GaN与蓝宝石的分离(T.Fujii，Y.Gao，R.Sharma，E.L.Hu，S.P.Denbaars，and S.Nakamura，Increase in the ExtractionEfficiency of GaN-based Light-emitting Diodes Via Surface Roughning.Appl.Phys.Lett.，2004 84(6)：855-857)。
然而，目前难于找到与GaN的热膨胀系数相匹配的高热导率的热沉材料。即使利用上述两种方法，由于通常GaN外延材料的刻蚀深度很浅(大约500nm)，而整个GaN外延层的厚度为4500nm，因此，当温度发生变化时，在GaN外延材料与热沉之间仍然存在着严重的热应力，对器件的发光效率和热稳定性非常不利。
发明内容
本发明是为了解决降低衬底或热沉材料与外延芯片之间由于热膨胀系数失配所导致的热应变，而提高器件在大注入电流条件下的发光效率和稳定性问题而完成的，其目的是提供一种大注入电流下获得高发光效率、稳定可靠的GaN基发光二极管的制作技术。
本发明提出的一种氮化镓基发光二极管的制作技术，其特征在于：所述方法在芯片内通过干法或湿法刻蚀深槽使得原有发光区被分隔为至少2个发光区域，从而获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。
在上述制作方法中，所述芯片内不同的发光区之间的深槽的深度大于或等于为获得欧姆接触而暴露出来的n型区时刻蚀的深度；所述刻蚀深槽的宽度为0.0001μm-100μm；所述刻蚀深槽侧壁与衬底之间的角度为0.001°-179.999°；所述刻蚀深槽的长度等于或小于其所包围的被分割后的各发光区的周长；所述刻蚀深槽具有任意形状。
在上述制作方法中，所述发光二极管的周长尺寸为1μm-100,000μm；所述芯片内被分割后的各发光区的面积为1μm2-1000,000μm2；所述有效发光面积占整个器件表面积的1％-99.9％；所述各个发光区具有任意图形结构。
在上述制作方法中，所述GaN基发光二极管的p电极和n电极在衬底或热沉的同一侧面上；所述GaN基发光二极管的p电极和n电极位于外延芯片相反的表面上。
在上述制作方法中，所述外延芯片的衬底材料包括蓝宝石，SiC，硅，氧化物材料，ZnS以及砷化镓衬底；所述氧化物材料为氧化镁，氧化锌，铝酸镁，铝酸锂。
在上述制作方法中，所述方法通过将发光区实现隔离的芯片通过外延的上表面或下表面将整个器件焊接或粘贴在热导率大于衬底材料热导率的导热材料上。
在上述制作方法中，通过将所述外延采用的衬底材料全部或部分除去，以暴露外延材料的下表面。
在上述制作方法中，在所述外延材料的下表面或上表面上沉积一定厚度的折射率介于2.5-1之间的材料，有效提高器件的发光效率。
在上述制作方法中，将所述外延材料的下表面或上表面粗糙化。
在上述制作方法中，在暴露出的所述外延材料的下表面上制作电极。
在本发明中，管芯由2个以上小尺寸的发光区组成，而这些小尺寸的发光区之间是通过刻蚀深槽而实现隔离的。根据热力学原理，对于热膨胀系数失配的两种材料，当材料的尺度较小时，温度变化所引入的热应变相对较小，因此对材料特性的影响相对较弱，提高了器件的热稳定性。其次，本发明设计的管芯有2个以上小发光区组成，一个小发光区的失效不会影响到其他发光区的特性，因此不会对整个器件的特性造成致命的影响，从而提高了器件的寿命。另一方面，即使采用倒装焊技术将本发明设计的管芯将热导率高的热沉材料焊接在一起，热沉材料与GaN外延材料之间的热膨胀系数失配对材料和器件的特性也不会产生影响。实验结果表明，应用本发明的所提出的制作技术，可以获得稳定、可靠的GaN基发光二极管。
附图说明
图1为本发明刻蚀深槽的结构示意图。
图2为本发明实施例1中GaN基LED的基本结构图。
图3为本发明实施例1中GaN基LED的断面图。
图4为本发明实施例2中GaN基LED的基本结构图。
图5为本发明实施例3中GaN基LED的基本结构图。
图6为本发明实施例4中GaN基LED的基本结构图。
具体实施方式
本发明是按照如下技术方案实现的：
本发明证明，当芯片发光区的尺寸较大时，在大注入电流条件下，GaN基发光二极管芯片表面容易龟裂，导致在短时间内发光强度下降甚至失效，所以器件热稳定性较差。
目前，常采用的GaN基发光二极管外延结构如图1所示。其中，1为蓝宝石，作为外延生长GaN材料的衬底，2为在GaN外延层与蓝宝石之间形成的缓冲层，3为n型GaN材料，上面依次外延生长InGaN/GaN多量子阱有源区4和p型GaN层，外延层的总厚度约为4500nm。在制作LED的过程中，通常先采用刻蚀工艺将部分外延材料的p型GaN层5和有源区4刻蚀掉，以暴露n型GaN层3，这种工艺刻蚀的深度很浅(在500nm左右)。然后在p型GaN层5上制作透明欧姆接触电极和焊盘6，在n型GaN层上制作欧姆接触电极8，完成管芯的制作工艺。常用的叉指状管芯结构图见参考文献(J.J.Wierer，D.A.Steigerwald，M.R.Krames，J.J.OShea，M.J.Ludowise，High-Power AlGaInN Flip-chip Light-emitting Diodes，Appl.Phys.Lett.，2001 78(22)：3379-3381)，整个管芯实际上是一个尺度较大的整体材料。这样的管芯仅包含一个发光区并至少在一个维度上尺度较大，并且整个管芯发光区仅实现了p、n型GaN区之间的电隔离。由于蓝宝石衬底本身的热导率较低，导致当器件在大注入电流条件下工作时，芯片的温度上升很大。考虑到通常为制作n电极而进行的刻蚀深度较小，并且GaN与蓝宝石之间较大的热膨胀系数的较大差异，因此当温度升高时，这种单一发光区的芯片设计将在外延层中引入较大的热应变，严重恶化了GaN基材料的特性，从而影响了器件的发光效率和热稳定性。另一方面，由于仅含一个发光区，一部分发光区的失效必然引起整个器件的稳定性退化。即使利用倒装焊技术或激光剥离技术，虽然可以缓解热应力问题，但是存在于热沉材料与GaN外延层之间的热膨胀系数失配仍然对器件的发光效率和热稳定性以及寿命构成威胁。
本发明进一步证明，如果将管芯的发光区分割成2个以上的尺度较小的发光区，并通过刻蚀图1中所示的深槽7，则可以将衬底或热沉材料施加于发光区的热应力控制在极低的水平上，有效降低热膨胀系数失配对GaN材料光电特性的影响，大大提高器件的发光效率和热稳定性。另一方面，2个以上的发光区也有利于整个器件的稳定，因为单个发光区的失效不会对整个器件的性能造成致命的影响。
本发明所公开的方法适用于所有GaN基发光器件的制作技术。
下面通过实施例对本发明做进一步说明
实施例1
本发明所公开的基于氮化镓材料的井字形小尺寸发光区发光二极管的材料基本结构如图1所示，其发光区图形，如图2所示：1为p电极，2为n电极，3为刻蚀深槽。沿着AA得到的剖面图如图3所示：1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为n型氮化镓，4为有源区，5为p型氮化镓，6为p型电极，7为n型电极，8为刻蚀的深槽。
制作器件时，通过在芯片内不同的小尺度发光区之间刻蚀深槽，其中利用干法刻蚀或湿法腐蚀获得井字图形的深槽，使得各个发光区之间实现隔离，从而降低衬底材料与外延芯片之间由于热膨胀系数失配所导致的热应变，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比叉指状的管芯设计其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
用本发明所公开的深槽的深度直至外延衬底的表面，刻蚀深槽宽度为5μm，刻蚀深槽侧壁平面与衬底之间的角度为160°左右。然后制作n电极和p电极，其中n电极宽度为35μm。
实施例2
本发明所公开的基于氮化镓材料的米字形小尺寸发光区发光二极管的材料基本结构如图1所示，只是其发光区图形，如图4所示：1为p电极，2为n电极，3为刻蚀深槽。制作器件时，通过在芯片内不同的小尺度发光区之间刻蚀深槽，其中利用干法刻蚀或湿法腐蚀获得米字图形隔离的深槽，使得各个发光区之间实现隔离，从而降低衬底材料与外延芯片之间由于热膨胀系数失配所导致的热应力，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计和制作技术的大功率GaN基发光二极管，比叉指状的管芯设计其稳定性要提高至少一个数量级。
用本发明所公开的深槽的深度为外延衬底厚度，刻蚀深槽宽度为80μm，刻蚀深槽侧壁平面与衬底之间的角度为30°左右。然后制作n电极和p电极，其中n电极图形结构可以为方形，尺寸大小80μm×80μm，整个芯片的尺寸为1000μm×1000μm。
实施例3
本发明所公开的GaN基发光二极管如图5所示，1是热沉材料金刚石，2是热沉衬底上p电极，3是焊接电极，4芯片的p电极，5是p型氮化镓，6为有源区，7为n型氮化镓，8为缓冲层，9为ZnO衬底，10是刻蚀的深槽，11芯片的n电极， 12是热沉衬底上n电极。通过在芯片内不同的小尺度发光区之间刻蚀深槽，形成井字形或者米字形的小发光区，使得各个发光区之间实现隔离，同时利用倒装焊技术将GaN基外延片与高热导率的热沉材料1进行焊接，通过高热导率金刚石材料的高效热传导降低芯片本身的温度，从而降低衬底材料与外延芯片之间由于热膨胀系数失配所导致的热应变，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计和制作技术的大功率GaN基发光二极管，比叉指状的管芯设计其稳定性要提高至少一个数量级。
实施例4
本发明所公开的GaN基发光二极管如图6所示，1为Si热沉材料，2热沉上p电极，3焊接电极，4为外延芯片上p电极，5为p型氮化镓，6为有源区，7为n型氮化镓，8为外延芯片n电极，9为刻蚀的深槽。通过在芯片内不同的小尺度发光区之间刻蚀深槽9，形成井字形或者米字形的小发光区，使得各个发光区之间实现隔离，利用倒装焊技术将GaN基外延片与高热导率的热沉材料1进行焊接，通过高热导率Si材料的高效热传导降低芯片本身的温度，并利用激光剥离技术(Laser Lift-off)将蓝宝石衬底与GaN外延层剥离开来，同时将n氮化镓表面粗糙化以提高发光效率，从而降低衬底材料与外延芯片之间由于热膨胀系数失配所导致的热应力，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计和制作技术的大功率GaN基发光二极管，比叉指状的管芯设计其稳定性要提高至少一个数量级，发光功率至少提高两倍。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述方法在芯片内通过干法或湿法刻蚀深槽使得原有发光区被分隔为至少2个发光区域，从而获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述芯片内不同的发光区之间的深槽的深度大于或等于为获得欧姆接触而暴露出来的n型区时刻蚀的深度；所述刻蚀深槽的宽度为0.0001μm-100μm；所述刻蚀深槽侧壁与衬底之间的角度为0.001°-179.999°；所述刻蚀深槽的长度等于或小于其所包围的被分割后的各发光区的周长；所述刻蚀深槽具有任意形状。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述发光二极管的周长尺寸为1μm-100,000μm；所述芯片内被分割后的各发光区的面积为1μm2-1000,000μm2；所述有效发光面积占整个器件表面积的1％-99.9％；所述各个发光区具有任意图形结构。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述GaN基发光二极管的p电极和n电极在衬底或热沉的同一侧面上；所述GaN基发光二极管的p电极和n电极位于外延芯片相反的表面上。
5.根据权利要求1、4所述的制作方法，其特征在于：所述外延芯片的衬底材料包括蓝宝石，SiC，硅，氧化物材料，ZnS以及砷化镓衬底；所述氧化物材料为氧化镁，氧化锌，铝酸镁，铝酸锂。
6.根据权利要求1或4所述的制作方法，其特征在于：所述方法通过将发光区实现隔离的芯片通过外延的上表面或下表面将整个器件焊接或粘贴在热导率大于衬底材料热导率的导热材料上。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：通过将所述外延采用的衬底材料全部或部分除去，以暴露外延材料的下表面。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：在所述外延材料的下表面或上表面上沉积一定厚度的折射率介于2.5-1之间的材料，有效提高器件的发光效率。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：将所述外延材料的上表面或下表面粗糙化。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：在暴露出的所述外延材料的下表面上制作电极。
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