CN101661985A - 一种垂直结构氮化镓基发光二极管制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，在垂直结构氮化镓基发光二极管的制作过程中，采用n型GaN基材料作为极性接触外延层，极性接触外延层呈现氮极性，去除临时生长衬底，其表面又呈现为镓极性；基于上述基础，在极性接触外延层上制作n型欧姆接触电极，即n型欧姆接触系形成于镓极性面的n型GaN基材料上，因此可以获得热稳定性良好的n型欧姆接触，从而规避了氮极性面上欧姆接触的热稳定性不佳的问题；采用本发明制作工艺的垂直结构发光二极管，其n型欧姆接触具备较好的热稳定性，其工作电压不随外界温度的变化而变化，保持了发光二极管的发光效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管制作方法，特别是一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法。
背景技术
近年来，为了提高氮化镓(GaN)基发光二极管的发光功率和效率，发展了基于衬底转移的垂直结构芯片技术，例如在蓝宝石衬底上外延沉积GaN基发光材料，然后把发光材料层通过晶圆键合技术或电镀技术黏结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；或者在SiC或者Si衬底上外延沉积GaN基发光材料，然后把发光材料层通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把SiC或者Si衬底用化学腐蚀方法去除。这样一方面可以通过在GaN基发光材料和基板之间加一个反射层，另一方面由于GaN基材料的氮极性面容易通过光化学腐蚀方法获取粗糙的出光面，以上两方面使垂直结构GaN基发光二极管具有更高的出光效率，同时衬底转移后的基板具有优良的导热特性，因此转移到散热基板上的垂直结构GaN基发光二极管在大电流应用上具有较大的优势。
传统的GaN基材料以蓝宝石作为生长衬底，在外延过程中其生长面通常会表现出极性，包括氮极性和镓极性，目前已研究出多种控制和改变GaN基材料生长极性的方法，如中国专利ZL01137373.3和CN1832112，然而由于氮极性面的稳定性相对较差，所以一般生长面都选择镓极性面，因此相应地，与衬底接触的一面则表现为氮极性面。对于衬底转移的垂直结构芯片，去除生长衬底后暴露出的GaN基外延层表面通常表现为氮极性，而氮极性面的欧姆接触特性与镓极性面存在极大差异，以GaN为例，其镓极性面的n型欧姆接触电极一般采用Ti基或者Cr基，且这类接触具备较好的温度稳定性和抗热冲击能力；然而，同样的电极材料应用于氮极性面，虽然初始时间，不管是Ti基或者是Cr基金属材料都与n型GaN形成欧姆特性接触，但经过150℃或者更高的温度后，其接触特性即快速地劣化为肖特基接触，引起发光二极管的正向工作电压升高，严重制约了垂直结构发光二极管的光效和可靠性。关于其形成原因的探讨较具有代表性的有：Hyunsoo Kim等人(Appl.Phys.Lett.，93，192106，2008)认为是氮空位与表面镓空位以及C、O原子反应导致表面氮空位减少；Ho Won Jang等人(Appl.Phys.Lett.，94，182108，2009)认为是体内的氮原子向表面扩散补偿了氮空位导致表面氮空位减少。然而到目前为止，仍未见关于氮极性面GaN基材料上n型欧姆接触热稳定性问题的解决方案。
发明内容
为解决上述因氮极性面GaN基材料上欧姆接触电极易受温度影响裂化导致垂直结构GaN基发光二极管光效降低和可靠性变差之问题，本发明旨在提供一种垂直结构GaN基发光二极管的制作方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，包括步骤：
1)提供一临时衬底，在其上依次外延生长一极性接触外延层和一发光层以形成外延片，所述极性接触外延层为n型GaN基材料并且其生长面表现为氮极性，所述发光层依次包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)提供一永久衬底，将其与上述外延片通过一金属叠层进行粘结；
3)去除临时衬底，并暴露出极性接触外延层的镓极性面；
4)在上述极性接触外延层的镓极性面上制作一n型欧姆接触电极；
5)蚀刻去掉除n型欧姆接触电极覆盖区域之外的极性接触外延层，暴露出n型GaN基外延层；
6)采用湿法蚀刻方式对n型GaN基外延层进行处理以形成粗糙表面。
在本发明当中，临时衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓或氮化铝；永久衬底的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo或Ni；n型欧姆接触电极的材料选自Cr、Ti、Al、Au、Pt、Ni、Ge、Si或前述的任意组合之一；极性接触外延层的形成方式选用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)或前述方式的任意组合之一；去除临时衬底的方式选用激光剥离、湿法腐蚀、研磨或前述方式的任意组合之一；对n型GaN基外延层进行湿法蚀刻所采用的溶液呈碱性。
本发明工艺中，极性接触外延层是本发明的创新之处，本发明采用n型GaN基材料作为极性接触外延层，可以通过特定的方法控制使其在外延生长过程中呈现氮极性，而去除临时生长衬底后，其表面又呈现为镓极性；基于上述基础，在极性接触外延层上制作n型欧姆接触电极，即n型欧姆接触系形成于镓极性面的n型GaN基材料上，因此可以获得热稳定性良好的n型欧姆接触。另外，湿法蚀刻对镓极性面的GaN基材料的粗化效果不佳，所以在制作过程当中，将除接触区域以外的极性接触外延层去除，以使得湿法粗化能够在氮极性面的GaN基材料上制作，从而得到更好的粗化效果和取光效率。
本发明的有益效果是：在垂直结构氮化镓基发光二极管的制作过程中，通过将n型欧姆接触电极形成于镓极性面n型GaN基外延层之上，从而规避了氮极性面上欧姆接触的热稳定性不佳的问题；采用本发明制作工艺的垂直结构发光二极管，其n型欧姆接触具备较好的热稳定性，其工作电压不随外界温度的变化而变化，保持了发光二极管的发光效率和可靠性。
附图说明
图1a～图1e是本发明优选实施例的垂直结构氮化镓基发光二极管的制作过程的截面示意图；
附图中部件标识如下：
100：蓝宝石衬底
101：缓冲层
102：极性接触层
103：n-GaN层
104：MQW
105：p-GaN层
110：外延片
200：Si衬底
210：金属叠层
211：Ag反射镜
212：AuSn合金层
221：p电极
222：n电极
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。
一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其制作步骤如下：
如图1a所示，制作外延片110，包括在蓝宝石衬底100上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)组合的方式依次外延生长缓冲层101、极性接触层102、n-GaN层103、多量子阱(MQW)有源层104、p-GaN层105，其中极性接触层102为氮极性面n-GaN，而n-GaN层103的生长面则表现为镓极性。
如图1b所示，在p-GaN层105上蒸镀一100nm厚的Ag反射镜211，Ag反射镜211不仅起反射作用而且还能与p-GaN层105欧姆接触的作用；取一Si衬底200作为永久衬底，在Si衬底200上蒸镀一2微米厚的AuSn(80∶20)合金层212；将蒸镀有Ag反射镜211的外延片110倒装在蒸镀有AuSn合金层212的Si衬底200上，使得Ag反射镜211和AuSn合金层212相互接合在一起，两者形成金属叠层210，外延片110和Si衬底即通过金属叠层210形成粘结。
如图1c所示，采用激光剥离的方式去除蓝宝石衬底100，选用248nm KrF准分子激光器，激光能量密度设定800-1000mJ/cm2；蓝宝石衬底去除后，接着采用感应耦合等离子体(ICP)方式干蚀刻去除缓冲层101，并暴露出极性接触层102，此时的极性接触层n-GaN表现为镓极性面。
如图1d所示，在极性接触层102的镓极性面上制作n电极222，材料选用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm；以n电极222作为掩膜，采用感应耦合等离子体(ICP)方式干蚀刻去掉除掩膜下方区域之外的极性接触层102并暴露出n-GaN层103，此时的n-GaN层103表面则表现为氮极性。
如图1e所示，采用光辅助湿法蚀刻工艺对氮极性面的n-GaN层103进行处理，具体工艺条件包括：“采用辐射范围在280～350nm的汞灯照射n-GaN层103表面，功率密度为50mW/cm2，蚀刻液采用2摩尔/升的KOH溶液，温度为室温”，蚀刻持续时间5分钟，处理后形成粗糙的表面；最后在Si衬底200的背面蒸镀p电极221，材料选用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm。
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 (7)
1.一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，包括步骤：
1)提供一临时衬底，在其上依次外延生长一极性接触外延层和一发光层以形成外延片，所述极性接触外延层为n型GaN基材料并且其生长面表现为氮极性，所述发光层依次包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)提供一永久衬底，将其与上述外延片通过一金属叠层进行粘结；
3)去除临时衬底，并暴露出极性接触外延层的镓极性面；
4)在上述极性接触外延层的镓极性面上制作一n型欧姆接触电极；
5)蚀刻去掉除n型欧姆接触电极覆盖区域之外的极性接触外延层，暴露出n型GaN基外延层；
6)采用湿法蚀刻方式对n型GaN基外延层进行处理以形成粗糙表面。
2.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：临时衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓或氮化铝。
3.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：极性接触外延层的形成方式选用金属有机化学气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延或前述方式的任意组合之一。
4.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：永久衬底的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo或Ni。
5.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：去除临时衬底的方式选用激光剥离、湿法腐蚀、研磨或前述方式的任意组合之一。
6.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：n型欧姆接触电极的材料选自Cr、Ti、Al、Au、Pt、Ni、Ge、Si或前述的任意组合之一。
7.如权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：对n型GaN基外延层进行湿法蚀刻所采用的溶液呈碱性。
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