CN102064256B - 制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法 - Google Patents

制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法，其制作步骤是：首先以硅片为基础衬底层，再通过在硅片上制作由超薄碳化层、阻挡种子层和立方碳化硅外延层形成的器件的缓冲层，继而在缓冲层沉积GaN形成GaN结构层，之后在GaN结构层上粘接镀有银或镁的铝板或镍板形成欧姆接触，刻蚀掉硅后最终构成的具有自支撑结构的GaN蓝光LED器件。本发明技术的实施应用使LEDs晶片的直径得到增加(最大可到12吋)，大大地降低了LED芯片材料的生产成本和加工费用，既可有效地得到高质量的GaN沉积层，又可作为极为化学稳定的阻挡层刻蚀硅，也为LED管芯的改革、光的提取以及高温应力的消除创造了机会。

Description

制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法
技术领域
本发明属于半导体器件的制作技术领域，涉及一种制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法。
背景技术
近几年以来，低价格、清洁、对于能源利用效率大的固态光源LEDs技术受到非常关注。LEDs由于具有低能耗和长寿命等特点而正在成为传统光源的替代者。氮化镓(GaN)，由于它优秀的发光特性而被首先使用。GaN通常被外延生长在像蓝宝石、4H/6H-SiC这样的非同类型的衬底上，而蓝宝石、4H/6H-SiC的特性却都不是很理想。例如：蓝宝石衬底虽然价格相对较低和晶圆直径较大，但它的热传导性较低，使工作时产生的热量排除困难；另外，由于它的绝缘特性，在制作(管芯)产品的电接触线路设计过程中，必须过多的使用管芯前端面积，因此降低了管芯可以用来发光的面积，又使产品制作工艺复杂化。使用4H/6H-SiC衬底,令人遗憾的是它目前的价格过于昂贵,而从现实情况看价格大约需要下降到$10～20/cm2才易为市场接受；使用4H/6H-SiC衬底的另外一个不利因素是获取一个高质量、大直径的晶圆非常困难，因为它是采用原始种子晶体升华方法生长晶圆片，片子尺寸小，兼之成晶时间长，成晶温度也极高。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种适应未来固态光源LEDs高亮度、高效技术要求且价格低廉的以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件以及一种制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法。
为实现上述发明目的而提供的以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件是一种以直径为50mm～300mm的(111)晶面或(100)晶面的硅片为基础衬底层，继而通过在硅片上设制立方碳化硅外延层形成缓冲层，在缓冲层沉积GaN形成GaN结构层，在GaN结构层上粘接镀有银或镁的铝板或镍板形成欧姆接触，刻蚀掉硅后构成的具有自支撑结构的LED器件。
制作该GaN蓝光LED器件的方法包括下述的工艺步骤：
(1)根据器件要求选择作为整个器件基础衬底层的直径为50mm～300mm的(111)晶面或(100)晶面的n型或p型硅片；
(2)通过用C3H6或C3H8将硅表面碳化的方法在基础衬底层上制作一层厚度在一到两个原子层的超薄碳化层(Ultrathin CarbonisedFilm)，通过并行外延沉积方法在超薄碳化层上制作一层厚度在10～20nm的n型或p型阻挡种子层(Barrier-Seed Layer 3C-SiC)，通过轮换外延沉积方法在阻挡种子层上外延生长出一层厚度在50nm～1μm的立方碳化硅外延层(3C-SiC Epitaxial Layers)，超薄碳化层、n型或p型阻挡种子层和立方碳化硅外延层形成器件的缓冲层；
(3)在外延生长的立方碳化硅外延层上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在1～5μm的氮化镓硅掺杂外延层(GaN:Si MOCVDLayers)，在氮化镓硅掺杂外延层上通过MOCVD方法制作多层量子阱(Multi-quantum Well)，在量子阱上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在0.1～1μm的氮化铝镓镁掺杂外延层(AlGaN:Mg MOCVDLayers)，在氮化铝镓镁掺杂外延层上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在0.1～2μm的氮化镓镁掺杂外延层(GaN:Mg MOCVD Layers)，通过溅射或电镀方法在氮化镓镁掺杂外延层上覆设一层与镀银或镁的铝板或镍板(Al(Ni)sheet with Ag(Mg)Plating)，铝板或镍板与GaN结构层粘接形成欧姆接触；利用3C-SiC作为阻挡层，用硅的刻蚀液(含氟化氢和硝酸的各向同性刻蚀液)把硅去掉，刻蚀掉硅后，在3C-SiC上镀透明电极，在透明电极上溅射金或镍等其它金属并刻蚀成电极图案，利用铝板或镍板作为支撑形成LED；
(4)由基础衬底层、缓冲层和GaN结构层形成以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件。
与现有技术相比，本发明采用Si为衬底以及3C-SiC为缓冲层的多层加工LEDs的处理技术，沉积GaN在大直径(达到300mm)的3C-SiC/Si衬底上，制作出高亮度、高效率的LEDs基本单元。这种新的技术使LEDs晶片的直径得到增加，最大可到12吋，大大地降低了LED芯片材料的生产成本和加工费用，既可有效地得到高质量的GaN沉积层，又可作为极为化学稳定的阻挡层刻蚀硅，或者为将来进一步提供和硅集成提供便利，为LED管芯的改革、光的提取以及高温的消除创造了机会。
附图说明
图1是本发明所述器件的整体结构剖面图。
图2～图11是为以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件制作方法的工艺流程图，其中：
图2为在(111)晶面或(100)晶面的n型或p型硅片上制作超薄碳化层步骤的示意图；
图3为在超薄碳化层上制作阻挡种子层步骤的示意图；
图4为在阻挡种子层上制作立方碳化硅外延层步骤的示意图；
图5为在立方碳化硅外延层上外延生长出的氮化镓硅掺杂外延层步骤的示意图；
图6为在氮化镓硅掺杂外延层上制作多层量子阱并在量子阱上外延生长氮化铝镓镁掺杂外延层步骤的示意图；
图7为在氮化铝镓镁掺杂外延层上外延生长氮化镓镁掺杂外延层步骤的示意图；
图8为在氮化镓镁掺杂外延层上覆设镀银或镁的铝板或镍板步骤的示意图；
图9为用硅的刻蚀液去除硅步骤的示意图；
图10为在3C-SiC上镀透明电极ITO步骤的示意图；
图11为在ITO上溅射金或其他金属并刻蚀成电极图案步骤的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的结构和制作方法做进一步说明。
参见附图，本发明所述的以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件自下而上包括基础衬底层、缓冲层和GaN结构层，其中基础衬底层采用直径50mm～300mm的硅片，缓冲层为在硅片上外延生长的立方碳化硅外延层，GaN结构层为外延生长在缓冲层上的GaN沉积层。
用于制作该GaN蓝光LED器件的方法的一个具体制作实施例如下所述。该实施例为制作基于六英寸硅片的GaN蓝光LED器件的工艺步骤。
第一步，选择(111)晶面的六英寸n型硅片作为基础衬底层；
第二步，在750℃至950℃温度温度环境内，通过用丙烯(C3H6)将硅表面碳化的方法从而在上述硅片表面形成厚度为两个原子层的超薄碳化层(Ultrathin Carbonised Film)；
第三步，在1000℃温度下,通过并行外延沉积方法在超薄碳化层上沉积一层厚度在15nm的n型阻挡种子层(Barrier-Seed Layer3C-SiC)；
第四步，在1000℃温度下,通过轮换外延沉积方法在n型阻挡种子层上外延生长出一层厚度为1μm的立方碳化硅外延层(3C-SiCEpitaxial Layers)；上述的超薄碳化层、n型阻挡种子层和立方碳化硅外延层形成器件的缓冲层；
第五步，在1000℃温度下,在外延生长的立方碳化硅外延层上通过常规MOCVD方法外延生长出一层厚度为3μm的氮化镓硅掺杂外延层(GaN:Si MOCVD Layers)；
第六步，在外延生长的立方碳化硅外延层上，在750℃温度下，通过常规MOCVD方法在氮化镓硅掺杂外延层上制作五层量子阱(FivePeriod Multi-quantum Well)，在量子阱上通过常规MOCVD方法外延生长出一层厚度为0.2μm的氮化铝镓镁掺杂外延层(AlGaN:MgMOCVD Layers)；
第七步，在900℃温度下,通过常规MOCVD方法在氮化铝镓镁掺杂外延层上外延生长出1μm镁掺杂氮化镓沉积层(GaN:Mg MOCVDLayers)；
第八步，利用3C-SiC作为阻挡层，利用铝板或镍板上作为支撑，用硅的刻蚀液把硅去掉，所用的硅的刻蚀液为含氟化氢和硝酸的各向同性刻蚀液，例如用Microchemicals公司的AFN549产品；
第九步，在超薄碳化层上镀100nm透明电极(ITO:Indium TinOxide氧化铟锡)，再在透明电极上溅射金并形成电极图案；
第十步，在铝板或镍板一端引出电极，在电极图案另一端也引出电极，制成以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件。

Claims (1)

1.一种制作以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件的方法，其特征在于包括下述的工艺步骤：
(1)根据器件要求选择作为整个器件基础衬底层的直径为50mm～300mm的(111)晶面或(100)晶面的n型或p型硅片；
(2)通过用C3H6或C3H8将硅表面碳化的方法在基础衬底层上制作一层厚度在一到两个原子层的超薄碳化层，通过并行外延沉积方法在超薄碳化层上制作一层厚度在10～20nm的n型或p型阻挡种子层，通过轮换外延沉积方法在阻挡种子层上外延生长出一层厚度在50nm～1μm的立方碳化硅外延层，超薄碳化层、n型或p型阻挡种子层和立方碳化硅外延层形成器件的缓冲层；
(3)在外延生长的立方碳化硅外延层上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在1～5μm的氮化镓硅掺杂外延层，在氮化镓硅掺杂外延层上通过MOCVD方法制作多层量子阱，在量子阱上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在0.1～1μm的氮化铝镓镁掺杂外延层，在氮化铝镓镁掺杂外延层上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在0.1～2μm的氮化镓镁掺杂外延层，通过溅射或电镀方法在氮化镓镁掺杂外延层上覆设一层与镀银或镁的铝板或镍板，铝板或镍板与GaN结构层粘接形成欧姆接触；利用3C-SiC作为阻挡层，用硅的刻蚀液把硅去掉，刻蚀掉硅后，在3C-SiC上镀透明电极，在透明电极上溅射金或镍并刻蚀成电极图案，利用铝板或镍板作为支撑形成LED；
(4)由基础衬底层、缓冲层和GaN结构层形成以3C-SiC-Si为衬底的GaN蓝光LED器件。
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