CN101661984B - 一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法 - Google Patents
一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长无掺杂GaN材料层,将无掺杂GaN材料层各向异性蚀刻后再继续生长LED外延发光材料,经过蚀刻后,无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面,一方面,释放部分的LED外延应力,改善了LED外延晶格质量,提高了内量子效率;另一方面,蓝宝石衬底去除后,其不连续的接合界面自然倒转成为粗糙的出光面,提高了LED器件的取光效率。因此,采用本发明方法制造的GaN基垂直结构发光二极管,具有较高的发光效率,尤其适合于大电流驱动应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基半导体发光器件的制造方法,尤其是一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法。
背景技术
由于蓝宝石衬底易制造、价格低,因此目前大多数的氮化镓(GaN)基外延材料主要是生长在蓝宝石衬底上。但是,以蓝宝石为生长衬底的GaN基外延有以下几个方面缺点:1、GaN基半导体材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配,导致GaN基外延材料的缺陷密度较大(108-1010cm-2),使得大部分的电输入转换为非辐射复合。为了解决这个问题,近年来发展了横向外延生长(ELOG)、图案化蓝宝石衬底(PSS)等技术,这些技术的共同特点是要求较高的光刻及显影精度,对设备要求高,而且一致性难控制。2、GaN基半导体材料本身折射率较大(n=2.5),使得只有很少部分(≈4%)左右的光能够从GaN基外延表面逃逸出来,即取光效率低,为了解决这个问题,近年来发展了P型GaN外延层生长过程通过破坏其生长秩序实现表面粗化的技术,但是由于P型GaN基外延电阻率相对较高,P型GaN基外延相对较薄(≈300nm),使得粗化较浅,对GaN基外延表面取光效率的提升受到限制,另外,粗化的一致性也较难控制影响其普及。3、由于蓝宝石导电性能差,普通的GaN基发光器件采用横向结构,即两个电极在器件的同一侧,电流在N-GaN层中横向流动不等的距离,存在电流堵塞,产生热量;而且,蓝宝石衬底的导热性能差,限制了GaN基器件的发光 效率。为了解决这个问题,近年来发展了激光剥离(Laser Lift-off,LLO)蓝宝石技术,例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜,然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术焊接到半导体或金属基板上,再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除,将器件做成垂直结构。可以看到,如上所述,近年来发展了多种技术从以上所述一个或两个方面提高GaN基外延的发光效率,但是,截至目前为止,未出现一种可以综合并有效解决以上三个问题的技术方案。
发明内容
为综合解决上述以蓝宝石为生长衬底的GaN基外延的高密度缺陷、取光效率低以及蓝宝石衬底绝缘低导热的缺点导致GaN基发光器件的效率低的问题,本发明创新地提出一种倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法。
本发明实现上述目的所提出的技术方案是一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,包括步骤:
1)采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长无掺杂GaN材料层,厚度为1微米~3微米;
2)采用高温熔融的碱性腐蚀液各向异性蚀刻无掺杂GaN材料层,在无掺杂GaN材料层各向异性蚀刻出若干倒六角菱柱状沟槽,腐蚀液沿着沟槽向下腐蚀无掺杂GaN材料直至底部裸露出蓝宝石衬底,至此形成的倒六角菱柱状沟槽的开口直径为1微米~3微米,并且无掺杂GaN材料底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面;
3)在经过各向异性蚀刻后的无掺杂GaN材料层上采用MOCVD方法横向外延生长GaN填平层,GaN填平层材料先填充倒六角菱柱状沟槽上半部分,然后 再继续向上生长直至生成平整的面;接着在GaN填平层上继续生长具有N型GaN基半导体层,有源层及P型GaN基半导体层的GaN基外延;
4)在P型GaN基半导体表面沉积P型欧姆接触及反射金属层;
5)在P型欧姆接触及反射金属层上沉积焊接金属,包含Au或者Au的合金;
6)通过焊接金属将GaN基外延倒焊到散热衬底上;
7)将蓝宝石衬底去除,裸露出表面具有六角菱柱状微结构分布的无掺杂GaN材料层;
8)采用干法蚀刻依次去除中心区域的无掺杂GaN材料层及GaN填平层,直至暴露出N型GaN基半导体层;
9)在暴露的N型GaN基半导体层上沉积N型欧姆接触电极;
10)在散热衬底背面沉积背电极;
11)经过划片处理或切断处理的过程形成GaN基垂直发光二极管芯片。
本发明工艺中,碱性化学溶液选自NaOH、KOH或前述二者的混合溶液,溶液温度控制在250℃到450℃之间;化学蚀刻时外加波长小于365nm的紫外光进行照射,GaN填平层可以是无掺杂的GaN材料,GaN填平层的厚度为1微米~3微米;P型欧姆接触及反射金属层优选Ag,厚度是70nm~200nm;散热衬底的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo、WCu或MoCu;倒焊方式可以采用键合或电镀;蓝宝石衬底去除方式可以采用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或前述任意两种的结合。
在本发明工艺中,步骤2)是本发明的关键之处,利用GaN半导体材料能被碱性溶液各向异性蚀刻的特点,将GaN材料蚀刻成若干倒六角菱柱状沟槽。采用步骤2)所述的方法具有以下几个方面的优点:第一、由于GaN基半导体材料 与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配,因此在蓝宝石衬底上生长GaN基半导体,会产生压应力。而采用高温熔融的碱性溶液蚀刻,GaN材料首先被蚀刻出很多倒六角菱柱状沟槽,腐蚀液沿着沟槽向下继续腐蚀GaN材料直至底部裸露出蓝宝石衬底,至此,GaN缓冲层底部部分区域脱离蓝宝石衬底,即无掺杂GaN材料底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面,使得蓝宝石衬底上GaN缓冲层的压应力得以部分释放,联合步骤3)利用横向外延生长技术降低GaN基外延的位错密度,提高GaN基LED外延的晶格质量,即提高GaN基外延的内量子效率;第二、步骤2)所采用的方法无需采用任何掩模及光刻技术,因此成本低且容易实现;第三、步骤3)生长填平层材料只填充倒菱柱状沟槽上半部分,使得无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间仍然是不连续的接合界面,通过步骤7)将蓝宝石衬底去除后,此不连续的界面自然倒转成为粗糙的出光面,配合步骤4)在P型外延底端制造的反射层,提高GaN基外延表面的取光效率;而且将器件做成垂直结构可以有效解决散热、抗静电等问题。
本发明的有益效果是:将无掺杂GaN材料层各项异性蚀刻后再继续生长LED外延发光材料,经过蚀刻后,无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面,一方面,释放部分的LED外延应力,改善了LED外延晶格质量,提高了内量子效率;另一方面,蓝宝石衬底去除后,其不连续的接合界面自然倒转成为粗糙的出光面,提高了LED器件的取光效率。因此,采用本发明方法制造的GaN基垂直结构发光二极管,具有较高的发光效率,尤其适合于大电流驱动应用。
附图说明
图1a至图1i是本发明优选实施例的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结 构发光二极管的制造过程的截面示意图;
图中部件标识如下:
100:蓝宝石衬底
110a:无掺杂GaN材料层
110b:蚀刻后的无掺杂GaN材料层;
120:GaN填平层
130:GaN基LED外延
210:P型欧姆接触及反射金属膜
220:上焊接金属
230:下焊接金属
240:N型欧姆接触电极
250:背电极
300:散热衬底
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其工艺实施如下:
如图1a所示,采用MOCVD方法在蓝宝石衬底100上外延生长2微米厚度的无掺杂GaN材料层110a;
如图1b所示,将步骤1制备的晶片浸在高温熔融的KOH溶液中,KOH溶液的温度加热到280℃,蚀刻时间持续10min,无掺杂GaN材料层110a在高温熔融的KOH溶液中被各向异性蚀刻形成若干倒六角菱柱状沟槽,六角菱柱状沟槽的开口直径介于1微米到3微米之间,蚀刻后的无掺杂GaN材料层110b底部与蓝宝石衬底100之间形成不连续的接合界面;
如图1c所示,采用MOCVD方法在蚀刻后的无掺杂GaN材料层110b表面上横向外延生长GaN填平层120,GaN填平层120材料先填充倒六角菱柱状沟槽上半部分,然后再继续向上生长直至生成平整的面,GaN填平层120的厚度3微米;接着在GaN填平层120上继续生长具有N型GaN基半导体层,有源层及P型GaN基半导体层的GaN基LED外延130;
如图1d所示,采用电子束蒸发在p-GaN表面上依次沉积欧姆接触及反射金属膜210及上焊接金属220,欧姆接触及反射金属膜210选用Ag,厚度150nm;上焊接金属选用Ti/Au,厚度为30/1000nm;
如图1e所示,取一Si衬底作为散热衬底300,在其上电子束蒸发下焊接金属层230,材料选用Ti/AuSn,厚度为50/1000nm,其中AuSn比例为80∶20;采用共晶键合方式将GaN外延连接到Si基板(即散热衬底300)上,键合温度280℃,压力5000N;
如图1f所示,采用波长为248nm的KrF准分子激光剥离去除蓝宝石衬底100,激光能量密度约1000mJ/cm2,采用HCl∶H2O=1∶1 10min去除表面的Ga颗粒,裸露出表面具有六角菱柱状微结构分布的无掺杂GaN材料层110b;
如图1g所示,采用干法蚀刻依次去除单元器件中心区域的无掺杂GaN材料层110b及GaN填平层120,直至露出n型GaN基半导体层;
如图1h所示,采用电子束蒸发在露出的n型GaN基半导体表面上形成N型欧姆接触电极240;在Si基板300背面上电子束蒸发背电极250,均选用Cr/Au;
如图1i所示,经过切割得到具有粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管。
以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,本技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变化。因此,所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求限定。
Claims (8)
1.一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,包括步骤:
1)采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长无掺杂GaN材料层,厚度为1微米~3微米;
2)采用高温熔融的碱性腐蚀液各向异性蚀刻无掺杂GaN材料层,在无掺杂GaN材料层各向异性蚀刻出若干倒六角菱柱状沟槽,腐蚀液沿着沟槽向下腐蚀无掺杂GaN材料直至底部裸露出蓝宝石衬底,至此形成的倒六角菱柱状沟槽的开口直径为1微米~3微米,并且无掺杂GaN材料底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面;
3)在经过各向异性蚀刻后的无掺杂GaN材料层上采用MOCVD方法横向外延生长GaN填平层,GaN填平层材料先填充倒六角菱柱状沟槽上半部分,然后再继续向上生长直至生成平整的面;接着在GaN填平层上继续生长具有N型GaN基半导体层,有源层及P型GaN基半导体层的GaN基外延;
4)在P型GaN基半导体表面沉积P型欧姆接触及反射金属层;
5)在P型欧姆接触及反射金属层上沉积焊接金属,包含Au或者Au的合金;
6)通过焊接金属将GaN基外延倒焊到散热衬底上;
7)将蓝宝石衬底去除,裸露出表面具有六角菱柱状微结构分布的无掺杂GaN材料层;
8)采用干法蚀刻依次去除中心区域的无掺杂GaN材料层及GaN填平层,直至暴露出N型GaN基半导体层;
9)在暴露的N型GaN基半导体层上沉积N型欧姆接触电极;
10)在散热衬底背面沉积背电极;
11)经过划片处理或切断处理的过程形成GaN基垂直发光二极管芯片。
2.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:碱性化学溶液选自NaOH、KOH或前述二者的混合溶液,溶液温度控制在250℃到450℃之间。
3.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:化学蚀刻时外加波长小于365nm的紫外光进行照射。
4.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:GaN填平层可以是无掺杂的GaN材料,GaN填平层的厚度为1微米~3微米。
5.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:P型欧姆接触及反射金属层优选Ag,厚度是70nm~200nm。
6.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:散热衬底的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo、WCu或MoCu。
7.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:倒焊方式可以采用键合或电镀。
8.如权利要求1所述的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法,其特征是:蓝宝石衬底去除方式可以采用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或前述任意两种的结合。
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