CN101997068B - 一种制备GaN基LED的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备GaN基LED的方法，首先按常规工艺在SiC衬底上生长GaN基LED外延片，清洗去除P-GaN层表面的油脂及氧化层，然后在P-GaN层上制备键合层，键合到Si或Cu衬底上；用机械减磨的方式将SiC衬底的厚度减薄到25μm-35μm范围；然后采用激光切割方式把SiC衬底划切成网格结构，划切深度达到N-GaN层内；再使SiC衬底浸入腐蚀液，腐蚀界面处的N-GaN层，使N-GaN层上分隔成单块的SiC衬底与N-GaN层脱离。本发明简单易实现，整个过程对器件的性能影响小，既保证了SiC衬底生长的GaN晶体质量高的优点，同时使剥离掉SiC衬底后的N-GaN表面又具有粗化效果，使制作的LED器件散热及取光效率得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直结构的GaN基LED的制备方法，属于光电子器件技术领域。
背景技术
二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，在GaN基材料上成功地制备出绿色、蓝色和紫色LED，使得LED白光照明成为可能。从1971年第一只GaN LED管芯到1994年，GaN HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，GaN半导体材料发展十分迅速，市场需求驱动力十分大，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，具有巨大发展空间。
由于GaN在高温生长时氮的理解压很高，很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，目前大部分GaN外延器件还只能在其他衬底上进行异质外延生长。用于生长氮化镓的最普遍的衬底是蓝宝石(Al2O3)，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟，但是存在很多不足，如晶格失配大、导电性能差、机械性能差不易切割、大的热失配等。蓝宝石材料导热性差，在功率型器件大电流工作条件下表现十分突出，这对半导体白光照明用功率芯片及高性能场效应管性能方面有很大的限制。而用于氮化镓生长的SiC衬底因为具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等突出的优点，而越来越多受到关注。
因为SiC材料的折射率(～2.6)比蓝宝石(～1.8)和GaN(～2.3)的折射率都要大，使得SiC衬底的GaN基LED的量子阱有源区复合的光进入到SiC衬底后，受全反射角的限制很大一部分光在SiC里形成波导很难出射。因此，在SiC衬底生长GaN基LED外延薄膜良好晶体质量的前提下，真正做成LED发光器件的出光效果上考虑，除了目前美国科瑞公司的SiC切割成倒梯形芯片外，最佳的设计器件还是需要把SiC衬底去掉。
蓝宝石衬底可以用UV紫外激光剥离工艺去除，但SiC禁带宽度与GaN均非常接近UV激光能量很容易被衬底吸收，不能集中达到SiC与GaN的界面分解GaN层，因此不能通过激光剥离的方式将GaN外延层与SiC衬底分离开来。同时，SiC材料又因为具有优良的高硬度、稳定性好，耐磨抗腐蚀特性，一般酸碱腐蚀液几乎不能腐蚀SiC材料，利用ICP干法刻蚀技术也很难把几十甚至几百微米厚SiC短时间内刻蚀掉，同时ICP干法刻蚀技术的成本昂贵。用机械减磨方式可以较快去除SiC衬底，但由于SiC与GaN材料之间存在应力，不可能通过减磨的方式把SiC衬底完全减磨干净，到达一定减磨厚度极限时GaN外延层会因为应力太大而出现碎裂。中国专利文献CN101345281公开的《一种发光二极管管芯制造方法》和CN101494273公开的《一种发光二极管芯片及其制造方法》提出了一种通过强酸碱腐蚀GaN与蓝宝石界面从而使得芯片形成一定倾角的侧壁结构，可提高芯片的出光效率；该专利提出通过侧壁腐蚀达到侧倾角提高出光的目的，并没有提及用这种方式把衬底除掉，并且该方法也只是用在蓝宝石衬底的GaN结构上，并没有涉及SiC衬底结构。因此，制备出在SiC衬底上生长的高效稳定的GaN基LED器件，去除SiC衬底是制备LED器件的一个难点，也是该类产品走向大市场的技术前提。
发明内容
本发明针对现有的SiC衬底GaN基LED出光效率低、湿法干法均难去除SiC衬底的问题，提供一种SiC衬底剥离去除简单、容易实现、剥离SiC后能够提高LED出光效率的制备GaN基LED的方法。
本发明的制备GaN基LED的方法是：
首先按常规工艺在SiC衬底上生长GaN基LED外延片，该LED外延片的结构自下至上包括SiC衬底、N-GaN层、量子阱有源区和P-GaN层；在生长的SiC衬底GaN基LED外延层上，清洗去除P-GaN层表面的油脂及氧化层，然后在P-GaN层上制备P面欧姆接触层及反射镜层，将P面欧姆接触层和反射镜层形成的键合层键合到一个导电的Si或Cu衬底上；用机械减磨的方式将SiC衬底的厚度减薄到25μm-35μm；然后采用激光切割方式把SiC衬底划切成网格结构，分成一个个小方块，划切深度达到N-GaN层内；再使SiC衬底浸入腐蚀液，腐蚀液通过激光划切缝隙进入SiC衬底与N-GaN层的界面处，腐蚀界面处的N-GaN层，使N-GaN层上分隔成单块的SiC衬底与N-GaN层脱离；最后按常规工艺在N-GaN层上制备出N电极，在Si或Cu衬底上制备出P电极。
本发明采用先减磨后腐蚀的方法去除SiC衬底，简单易实现，整个过程对器件的性能影响小，激光划切耗时短，适合批量规模生产，既保证了SiC衬底生长的GaN晶体质量高的优点，同时使剥离掉SiC衬底后的N-GaN表面又具有粗化效果，使制作的LED器件散热及取光效率得到提高。
附图说明
图1是在SiC衬底上生长的GaN基LED外延片的结构示意图。
图2是在SiC衬底上激光划切成网格状结构的示意图。
图3是在SiC衬底上激光划切后的剖面示意图。
图4是腐蚀掉SiC衬底后的N型GaN表面示意图。
图5是本发明制备的GaN基垂直结构LED的结构示意图。
具体实施方式
本发明的制备GaN基LED的方法，具体包括以下步骤：
(1)在SiC衬底上常规金属有机物化学气相淀积(MOCVD)工艺生长GaN基LED外延片，生长的GaN基LED外延片的结构如图1所示，自上至下依次为SiC衬底、N-GaN层、量子阱有源区和P-GaN层。
(2)通过有机或无机溶剂对P-GaN层表面清洗，并通过酸液去除表面氧化层，在处理后的P-GaN层上依次制作欧姆接触层和反射镜层，欧姆接触层和反射镜层合在一起为键合层。如图1所示，将键合层键合到一个导电的Si或Cu衬底上。
(3)通过常规机械减磨的方式将SiC衬底减薄至25μm-35μm厚，如图1所示；
(4)通过激光划切SiC衬底，使SiC衬底分隔成网格状，每一个方块的边长为10μm-20μm，如图2所示。调节UV355nm激光划片设备的功率、步进及激光焦点，使激光脉冲宽度在10μm左右。划切深度控制在透过SiC层并深至N-GaN层内2μm，如图3所示。
(5)把划切后的外延片浸入到磷酸和硫酸按一定配比制成的腐蚀液中，其中硫酸体积占5％-40％，腐蚀SiC衬底与N-GaN层界面处的N-GaN层，强酸腐蚀液腐蚀GaN能力远大于腐蚀SiC的能力，因此在N-GaN层会出现两侧钻蚀的效果。当相邻两个划痕钻蚀线连在一起时，SiC衬底的每个方块被掀掉，这样就成功去除SiC衬底。腐蚀掉SiC衬底后的N型GaN表面的状况如图4所示，呈现粗化效果，可以提高LED器件的散热及取光效率。
(6)去除SiC衬底后，用浓度5％-40％的KOH溶液中和并粗化N-GaN层，清洗干净表面，按常规工艺制作N面接触电极；在Si或Cu衬底上制备出P电极。
最后制备出的GaN基垂直结构LED的管芯结构如图5所示。
Claims (1)
1.一种制备GaN基LED的方法，其特征是：
首先按常规金属有机物化学气相淀积工艺在SiC衬底上生长GaN基LED外延片，该LED外延片的结构自下至上包括SiC衬底、N-GaN层、量子阱有源区和P-GaN层；在生长的SiC衬底GaN基LED外延层上，清洗去除P-GaN层表面的油脂及氧化层，然后在P-GaN层上制备P面欧姆接触层及反射镜层，将P面欧姆接触层和反射镜层形成的键合层键合到一个导电的Si或Cu衬底上；用机械减磨的方式将SiC衬底的厚度减薄到25μm-35μm；然后采用激光切割方式把SiC衬底划切成网格结构，分成一个个小方块，划切深度达到N-GaN层内；再使SiC衬底浸入腐蚀液，腐蚀液通过激光划切缝隙进入SiC衬底与N-GaN层的界面处，腐蚀界面处的N-GaN层，使N-GaN层上分隔成单块的SiC衬底与N-GaN层脱离；最后按常规的LED上制备N电极和P电极的工艺在N-GaN层上制备出N电极，在Si或Cu衬底上制备出P电极。
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