CN101673792B - 一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体,改善蓝宝石衬底上GaN基外延的晶格质量,提高GaN基LED外延的内量子效率,将GaN基薄膜转移到热沉体材上后,利用GaN材料与SiO 2掩模不同的蚀刻比,将二维光子晶体结构无掩模转移到GaN基薄膜的出光面上,提高GaN基LED的取光效率,即本发明的GaN基薄膜LED具有较高的光效及良好的热沉。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基半导体发光器件的制造方法,尤其是一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法。
背景技术
随着GaN基发光二极管(LED)的应用越来越广泛,新一代绿色环保型固体照明光源已成为人们期待的目标。要推动LED进入普通照明市场领域,当前最大的两个技术障碍是光效和热沉。一方面,由于GaN基半导体是一块具有高折射率系数(n=2.5)的平板材料,可以作为非常高效地波导,将波导中激发的光束缚在其中,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,为了从LED波导中提取光,发展了光子晶体技术,即如果波导具有尺寸合适的亚波长通孔阵列,那么没有光可以通过该波导,所有的光都只能通过垂直于波导屏幕的方向射出,用光子晶体的“语言”来说,在波导中存在一个“光带隙”。另一方面,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。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基薄膜接合到热沉体材上,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。因此,综合这两方面考虑,近来发展的技术是将GaN基薄膜转移到热沉体材上,然后在出光面上制作光子晶体,其解决了热沉的问题,但是光效的提高仍然有限。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,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,即内量子效率低。
发明内容
为同时提高GaN基LED的内量子效率、取光效率及解决热沉的问题,本发明创新地提出一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法。
本发明是这样子实现的,一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其步骤是:
1)在蓝宝石衬底上沉积SiO2掩模层;
2)在SiO2掩模层上光刻并制作出周期性分布的圆孔,圆孔区域裸露出蓝宝石衬底,即在蓝宝石衬底上形成二维光子晶体;
3)采用MOCVD方法在具有二维光子晶体结构的蓝宝石衬底上依次生长无掺杂GaN材料及具有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基外延接合到热沉体材上;
7)将蓝宝石衬底去除,裸露出SiO2掩模层及无掺杂GaN材料共存的界面;
8)采用干法蚀刻同时去除裸露区域的无掺杂GaN材料层及SiO2掩模层,蚀刻到N型GaN基半导体层,利用GaN材料与SiO2掩模不同的蚀刻比,无掩模形成周期性分布的圆孔,圆孔区域裸露出N型GaN基半导体,即在N型GaN基半导体层上形成二维光子晶体;圆孔与圆孔之间突起的部分是无掺杂GaN材料;
9)在具有二维光子晶体结构的出光面的中心区域沉积N型欧姆接触电极;
10)在热沉体材背面沉积背电极;
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。
本发明中,SiO2掩模层厚度是50nm~1000nm;无掺杂GaN材料首先填满周期性分布的圆孔区域,无掺杂GaN材料的厚度为1微米~6微;P型欧姆接触及反射金属层的材料为Ag,厚度为50nm~200nm;热沉体材的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo、WCu或MoCu;GaN基外延和热沉体材的接合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;无掺杂GaN材料层及SiO2掩模层是按照6∶1的蚀刻比例同时被蚀刻去除;在步骤8)后可继续对GaN出光面进行光辅助化学腐蚀以进一步提高出光效率。
在本发明工艺中,步骤2)和步骤8)是本发明的关键之处。其中,通过步骤2)在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体然后再继续生长GaN基LED外延,可以利用横向外延的原理降低蓝宝石衬底上生长GaN基LED外延的位错密度,改善GaN基LED外延的晶格质量,提高GaN基LED的内量子敬率;而且利用等离子干法蚀刻(以氯气为主要刻蚀气体)GaN材料与SiO2掩模不同的蚀刻比(6∶1),通过步骤8)在出光面上无掩模形成二维光子晶体,即将原二维光子晶体结构无掩模转移到薄膜GaN基LED的出光面上,以此提高GaN基LED的取光效率,同时为后续制备N型欧姆接触电极准备好外延接触面,这就是本发明的创新之处。而且此时的薄膜GaN基外延已经转移到热沉体材上,解决了散热问题;因此,采用本发明方法制造的GaN基薄膜LED具有巨大的应用潜力。
本发明的有益效果是:通过制作光子晶体结构提高GaN基LED外延的内量子效率及通过无掩模转移光子晶体结构提高GaN基LED的取光效率;即采用本发明方法制造的GaN基薄膜LED具有较高的发光效率及热沉。
附图说明
图1a至图1i是本发明优选实施例的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED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
210:SiO2掩模层
220:二维光子晶体
230:无掩模转制的二维光子晶体
110:无掺杂GaN材料
120:N-GaN
130:InGaN/GaN MQW
140:P-GaN
310:P型欧姆接触及反射金属膜
320:上焊接金属
330:下焊接金属
340:N型欧姆接触电极
350:背电极
400:热沉体材
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其工艺步骤如下:
第一步骤:如图1a所示,在蓝宝石衬底100上化学气相沉积200nm的SiO2掩模层210;
第二步骤:如图1b所示,采用电子束曝光技术在SiO2掩模层210上光刻形成二维光子晶体220的图案,光子晶体的周期是300nm,圆孔的直径是200nm,采用干法蚀刻去除圆孔区域的SiO2掩模层210,裸露出蓝宝石衬底100,即在蓝宝石衬底100上形成二维光子晶体220;
第三步骤:如图1c所示,采用MOCVD方法在具有二维光子晶体结构220的蓝宝石衬底100上依次生长无掺杂GaN材料110及具有N-GaN 120、有源层InGaN/GaN MQW 130及P-GaN 140的LED外延;无掺杂GaN材料首先填满周期性分布的圆孔区域,其中无掺杂GaN材料110的厚度是1000nm;
第四、五步骤:如图1d所示,采用电子束蒸发在p-GaN 140表面上依次沉积P型欧姆接触及反射金属膜310及上焊接金属320;P型欧姆接触及反射金属膜310选用Ag,厚度150nm;上焊接金属320选用Ti/Au,厚度为30/1000nm;
第六步骤:如图1e所示,取一Si衬底作为热沉体材400,在其上电子束蒸发下焊接金属层330,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热沉400上,键合温度280℃,压力5000N;
第七步骤:如图1f所示,采用248nm 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浸泡10min去除表面的 Ga颗粒,裸露出SiO2掩模层210及无掺杂GaN材料110共存的界面;
第八步骤:如图1g所示,采用干法蚀刻同时去除裸露区域的无掺杂GaN材料层110及SiO2掩模层,蚀刻到N-GaN 120,利用GaN材料与SiO2掩模210不同的蚀刻比,GaN材料与SiO2掩模蚀刻比6∶1,无掩模形成周期性分布的圆孔(二维光子晶体)230,圆孔区域裸露出N-GaN 120,圆孔与圆孔之间突起的部分是无掺杂GaN材料110,可以对GaN出光面进行光辅助化学腐蚀以进一步提高出光效率;
第九、十步骤:如图1h所示,采用电子束蒸发在出光面的中心区域沉积N型欧姆接触电极340,N型欧姆接触电极340与圆孔分布的N-GaN形成微接触;在Si热沉400背面上电子束蒸发背电极350,均选用Cr/Au;
第十一步骤:如图1i所示,经过切割形成具有光子晶体结构的GaN基薄膜发光二极管,至此完成本发明的工艺。
Claims (10)
1.一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其步骤是:
1)在蓝宝石衬底上沉积SiO2掩模层;
2)在SiO2掩模层上光刻并制作出周期性分布的圆孔,圆孔区域裸露出蓝宝石衬底,即在蓝宝石衬底上形成二维光子晶体;
3)采用MOCVD方法在具有二维光子晶体结构的蓝宝石衬底上依次生长无掺杂GaN材料及具有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基外延接合到热沉体材上;
7)将蓝宝石衬底去除,裸露出SiO2掩模层及无掺杂GaN材料共存的界面;
8)采用干法蚀刻同时去除裸露区域的无掺杂GaN材料层及SiO2掩模层,蚀刻到N型GaN基半导体层,利用GaN材料与SiO2掩模不同的蚀刻比,无掩模形成周期性分布的圆孔,圆孔区域裸露出N型GaN基半导体,即在N型GaN基半导体层上形成二维光子晶体;圆孔与圆孔之间突起的部分是无掺杂GaN材料;
9)在具有二维光子晶体结构的出光面的中心区域沉积N型欧姆接触电极;
10)在热沉体材背面沉积背电极;
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所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:SiO2掩模层厚度是50nm~1000nm。
3.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:无掺杂GaN材料首先填满周期性分布的圆孔区域。
4.如权利要求1或3所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:无掺杂GaN材料的厚度为1微米~6微米。
5.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:P型欧姆接触及反射金属层的材料为Ag,厚度为50nm~200nm。
6.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:热沉体材的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo、WCu或MoCu。
7.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:GaN基外延和热沉体材的接合方式可以采用键合或电镀。
8.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于: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。
9.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法,其特征在于:无掺杂GaN材料层及SiO2掩模层是按照6∶1的蚀刻比例同时被蚀刻去除。
10.如权利要求1所述的一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜的制造方法,其特征在于:在步骤8)后可继续对GaN出光面进行光辅助化学腐蚀以进一步提高出光效率。
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