CN101937952A - 一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，在临时衬底上面自下而上依次生长由n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层构成的GaN基发光外延层；将永久衬底与GaN基发光外延层通过金属层形成粘合；去除临时衬底暴露出n型GaN基外延层；在n型GaN基外延层上制作接触电极；采用紫外脉冲激光照射，造成n型GaN基外延层表层吸收并热分解，产生瞬间高温通过热传导形成的温度场空间分布使部分区域的接触电极与n型GaN基外延层形成合金欧姆接触。本发明姆接触合金形成并不影响键合界面，解决了传统合金工艺的缺陷。本发明的n型欧姆接触具备低阻和高稳定性，其工作电压不受外界温度影响，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，特别是一种薄膜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（LED）的发光效率和散热性能，业界陆续推出了基于衬底转移的薄膜（Thin-film）芯片技术。在薄膜GaN基芯片制作过程中， n型GaN基外延层在衬底转移后其表面一般呈氮极性，虽然可以在氮极性面的n型GaN基外延层之上获得非合金的欧姆接触，但非合金的接触电极存在热稳定性差和黏附不牢等诸多问题。现有的技术一般通过快速热退火或者高温炉管熔合的方式，使得接触电极与n型GaN基外延层之间形成合金接触，以解决上述问题。然而，热退火或者熔合过程会破坏薄膜GaN基LED芯片结构，这是因为薄膜芯片必须经过衬底转移，而衬底转移一般是通过金属键合或者电镀金属衬底得到，由于金属与氮化镓的热膨胀系数存在较大差异，所以无论是键合界面还是电镀衬底都无法承受热退火或者熔合过程中的高温。虽然可以通过降低制程温度制作合金欧姆接触，但其接触电阻较大且热稳定性也达不到要求。
发明内容
为解决上述现有技术在氮极性面n-GaN基材料上制作热稳定良好的欧姆接触电极所存的问题，本发明旨在提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法。
本发明是这样子实现的，一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1) 提供一临时衬底，在其上生长GaN基发光外延层，自下而上依次包括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GaN基发光外延层通过金属层形成粘合；
3) 去除临时衬底，暴露出n型GaN基外延层；
4) 在n型GaN基外延层上制作接触电极；
5) 采用紫外脉冲激光照射，造成n型GaN基外延层表层吸收并热分解，从而产生瞬间900℃以上高温，通过热传导形成的温度场空间分布使得部分区域的接触电极与n型GaN基外延层形成合金并获得欧姆接触。
上述GaN基发光外延层的厚度大于5微米。
上述去除临时衬底后暴露出n型GaN基外延层呈氮极性面。
上述接触电极材料包含钛、铝或者铬。
上述激光能量密度介于阈值的1倍到2倍之间。
上述激光照射后，对n型GaN基外延层采用酸性或者碱性溶液进行清洗以去除表面氧化物。
上述n型GaN基外延层去除表面氧化物后，采用紫外脉冲激光多次照射接触电极与n型GaN基外延层形成合金欧姆接触。。
本发明第5）步骤为本发明的创新之处，采用上述方案，即通过紫外脉冲激光照射GaN基外延层表面，可以造成吸收深度（一般不超过100nm）内GaN外延层热分解，并在脉宽内产生瞬间900℃以上的高温。有限的热量通过热传导在外延层中形成一瞬态温度场分布。通过理论计算，可以得出在激光能量高于阈值条件下，以某个吸收点为中心，半径至少1微米以内的空间区域温度介于500～900℃，而这个温度区间刚好是常用的热退火或者熔合形成合金的条件，处于这个空间区域内的接触电极和外延层则因此间接地形成合金并获得欧姆接触。由于接触电极的线条宽度一般是几个微米，所以为了使得大部分的接触电极和外延层形成合金，可以通过提高激光能量密度，从而扩大满足合金条件的温度分布空间半径；采用2倍于阈值的激光能量密度进行照射，可以得到以吸收点为中心处于500～900℃区间的空间半径约为2微米。氮化镓基外延发光层的厚度在5微米以上，也就是说键合界面（或者电镀衬底）距离激光吸收层5微米以上，如此的距离完全可以确保键合界面（或者电镀衬底）区域附近的温度几乎不发生大的变化，所以这样的过程对于经过衬底转移的薄膜芯片结构不会造成不利影响。另外，表面吸收层的GaN基外延层分解后会形成Ga氧化物残留在表面，可以采用酸性或者碱性溶液进行清洗去除。为了得到更为优化的欧姆接触，可以根据需要进行多次紫外脉冲激光照射，但必须在照射前进行清洗以去除表面氧化物。
本发明的有益效果是：在薄膜氮化镓基发光二极管的制作过程中，采用紫外脉冲激光照射间接性辅助欧姆接触合金形成且不影响键合界面（或者电镀衬底），从而解决了热退火或者高温熔合等合金工艺的缺陷。采用本发明制作工艺的薄膜发光二极管，其n型欧姆接触具备低阻和高稳定性，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1～图5是本发明优选实施例的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作过程的截面示意图。
图中部件标识如下。
100：蓝宝石衬底。
101：缓冲层。
102：n-GaN层。
103：MQW。
104：p-GaN层。
105：Ag反射镜。
106：Ti/Pt/Au。
200：Si衬底。
201：Ti/Pt。
202：AuSn合金层。
301：n电极。
302：p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。
一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其制作步骤如下：
如图1所示，外延生长GaN基发光层材料，包括在蓝宝石衬底100上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长缓冲层101、n-GaN层102、多量子阱（MQW）有源层103、p-GaN层104，发光层总厚度达8微米。
如图2所示，在p-GaN层104上蒸镀一200nm厚的Ag反射镜105，Ag反射镜105不仅起反射作用而且还能与p-GaN层104形成欧姆接触，接着在Ag反射镜105上镀Ti/Pt/Au金属层106，厚度为50/50/500nm；取一Si片200作为永久衬底，在Si衬底200上蒸镀Ti/Pt金属层201，厚度为50/100nm，接着蒸镀一2微米厚的AuSn（80：20）合金层202；将Ti/Pt/Au金属层106和AuSn合金层202贴合在一起，加温加压，使得外延片和Si衬底200形成键合。
如图3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，脉宽30ns，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n-GaN层102，并且n-GaN层102表面呈氮极性。
如图4所示，在氮极性面n-GaN层102上制作n电极301，材料选用Ti/Al/Pt/Au，厚度50/200/50/1500nm；同样选用248nm KrF准分子激光器照射n-GaN层102表面，激光能量密度设定800-1000mJ/cm2，照射造成n-GaN层102表层20nm左右厚度热分解，并且产生瞬间900～1500℃的高温吸收带；与此同时接触电极则不吸收激光，但其下方距离吸收带半径2微米的空间范围内形成一500～900℃的温度场分布。处于该温度场分布的n电极301与其下方的n-GaN层102形成了合金并获得良好的欧姆接触。激光照射后，采用AZ400碱性显影溶液对n-GaN层102的表面进行清洗，去除激光照射所形成的氧化物。重复激光照射和清洗步骤2～3次，以得到所需要的最佳欧姆接触效果。
如图5所示，在Si衬底200的背面蒸镀p电极302，材料选用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm。
Claims (7)
1.一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1) 提供一临时衬底，在其上生长GaN基发光外延层，自下而上依次包括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GaN基发光外延层通过金属层形成粘合；
3) 去除临时衬底，暴露出n型GaN基外延层；
4) 在n型GaN基外延层上制作接触电极；
5) 采用紫外脉冲激光照射，造成n型GaN基外延层表层吸收并热分解，从而产生瞬间900℃以上高温，通过热传导形成的温度场空间分布使得部分区域的接触电极与n型GaN基外延层形成合金并获得欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：GaN基发光外延层的厚度大于5微米。
3.根据权利要求1所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：去除临时衬底后暴露出n型GaN基外延层呈氮极性面。
4.根据权利要求1所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：接触电极材料包含钛、铝或者铬。
5.根据权利要求1所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：激光能量密度介于阈值的1倍到2倍之间。
6.根据权利要求1所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：激光照射后，对n型GaN基外延层采用酸性或者碱性溶液进行清洗以去除表面氧化物。
7.根据权利要求6所述的薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征是：n型GaN基外延层去除表面氧化物后，采用紫外脉冲激光多次照射接触电极与n型GaN基外延层形成合金欧姆接触。
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