CN102751411A

CN102751411A - 垂直发光二极管及其制作方法

Info

Publication number: CN102751411A
Application number: CN2012102707249A
Authority: CN
Inventors: 潘群峰
Original assignee: Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明公开了一种垂直发光二极管及其制作方法。该LED结构包括：永久基板；p型GaN基外延层，位于所述永久基板之上；发光层，位于所述p型GaN基外延层之上；中间层，位于所述发光层之上，其材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1,0≤y<1），禁带宽度介于GaN与发光层之间；n型GaN基外延层，位于所述中间层之上；n电极，位于n型GaN基外延层之上；空隙结构，形成于所述n型GaN基外延层与所述中间层之间，并且在垂直投影面上的位置与n电极对应。

Description

垂直发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管及其制作方法，更为具体地，涉及一种垂直氮化镓基发光二极管及其制作方法。

背景技术

近年来，垂直薄膜结构GaN基发光二极管（LED）已成为研究开发的新热点。与常规结构比较，垂直结构LED通过衬底转移，形成电极上下分布，电流垂直注入，解决了常规结构GaN基LED器件中因电极水平分布、电流横向注入导致的诸如散热不佳，电流分布不均、可靠性差等一系列问题。

垂直结构LED芯片的n电极位于出光面顶部，其存在会遮挡并吸收有源层发出的光。为了尽量避免n电极对于发光的遮挡和吸收，通常在垂直芯片的内部引入电流阻挡层以限制或者大幅减少n电极下方有源层的发光。例如，在p型外延层与p型接触金属层之间插入绝缘材料（如氧化硅、氮化硅等）作为电流阻挡层，其大小和位置与n电极大致相当，这样可以大大改善n电极的挡光和吸光。然而，用作电流阻挡层的氧化硅或者氮化硅等绝缘材料与p型接触金属层的黏附度不佳，会影响晶圆键合的牢固度，从而造成衬底剥离良率降低并影响可靠性。

发明内容

本发明的主要目的是提供垂直发光二极管及其制作方法，通过激光辐照热分解在n型氮化镓基外延层与发光层之间形成空隙作为电流阻挡层，同时，引入中间层作为热分解材料层并起到保护发光层的作用。

根据实现上述目的的垂直发光二极管，其结构包括：永久基板；p型GaN基外延层，位于所述永久基板之上；发光层，位于所述p型GaN基外延层之上；中间层，位于所述发光层之上，其材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），禁带宽度介于GaN与发光层之间；n型GaN基外延层，位于所述中间层之上；n电极，位于n型GaN基外延层之上；空隙结构，形成于所述n型GaN基外延层与所述中间层之间，并且在垂直投影面上的位置与n电极对应。

根据实现上述目的的垂直发光二极管的制作方法，包括步骤：1）在一永久基板上形成外延层，其至上而下包括n型GaN基外延层、中间层、发光层和p型GaN基外延层，并且所述中间层材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），且其禁带宽度介于GaN与发光层之间；2）采用激光照射部分n型GaN基外延层，激光照射造成辐照区的中间层表层热分解，在n型GaN基外延层与发光层之间形成空隙结构；3）在n型GaN基外延层上制作n电极，其在垂直投影面的位置与空隙结构对应。

本发明采用激光辐照热分解方式在n型GaN基外延层与发光层之间形成具有电流阻挡作用的空隙，同时，通过在n型GaN基外延层与发光层之间引入中间层可以有效地保护发光层，而中间层本身就是提供空隙形成的热分解层。本发明在垂直GaN基发光二极管的n端引入空隙电流阻挡层，可以有效避免p端设计绝缘介质阻挡层对于衬底键合和剥离的不利影响，并具有更高的可靠性。

在本发明当中，中间层优选n型AlInGaN；永久基板材料选自硅、铜、镍、钴、钼、陶瓷、蓝宝石、氮化镓及其组合；临时衬底材料选自蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅、氧化锌及其组合；去除临时衬底的方式包括激光剥离、研磨和湿法腐蚀。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明优选实施例的垂直发光二极管结构示意图。

图2~7是本发明优选实施例的垂直发光二极管制作步骤示意图。

图中部件符号说明：

100：蓝宝石衬底

101：缓冲层

102：u-GaN层

103：n-GaN层

104：中间层

105：MQW层

106：p-GaN层

110：空隙结构

200：硅基板

210：p反射电极

220：金属叠层

230：p电极

240A：n电极焊盘

240B：n电极扩展条

300：Ni掩膜

310：激光辐照区。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的LED结构及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明的核心思想在于：提供一种具有电流阻挡效应的垂直发光二极管及其制作方法，通过激光辐照热分解在n型GaN基外延层与发光层之间形成激光烧蚀区作为电流阻挡层，以改善电流分布，减小电极吸光。同时引入中间层作为热分解材料层并起到保护发光层的作用。

下面各实施例公开了一种具有电流阻挡效应的垂直发光二极管及其制作方法，该LED结构包括：永久基板；p型GaN基外延层，位于永久基板之上；发光层，位于p型GaN基外延层之上；中间层，所述发光层之上，其材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），禁带宽度介于GaN与发光层之间；n型GaN基外延层，位于中间层之上；n电极，位于n型GaN基外延层之上；空隙结构，形成于n型GaN基外延层与所述中间层之间，并且在垂直投影面上的位置与n电极对应。

进一步，结合上述LED结构，本发明还提供了一种制造方法，包括以下步骤：1）在一永久基板上形成外延层，其至上而下包括n型GaN基外延层、中间层、发光层和p型GaN基外延层，并且所述中间层材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），且其禁带宽度介于GaN与发光层之间； 2）采用激光照射部分n型GaN基外延层，激光照射造成辐照区的中间层表层热分解，在n型GaN基外延层与发光层之间形成空隙结构；3）在n型GaN基外延层上制作n电极，其在垂直投影面的位置与空隙结构对应。

在一些实施例中，永久基板材料选自硅、铜、镍、钴、钼、陶瓷、蓝宝石、永久基板材料选自硅、铜、镍、钴、钼、陶瓷、蓝宝石、氮化镓、氧化锌、氮化铝或其组合。

在一些优先实施例中，n电极在垂直投影面的位置及大小与辐照区相当或者相同。

在一些实施例中，一种具有电流阻挡效应的垂直LED可以通过下面方法制备：提供临时衬底，在其上依次外延生长n型GaN基外延层、中间层、发光层和p型GaN基外延层，并且所述中间层材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），且其禁带宽度介于GaN与发光层之间；提供永久基板，将其与上述临时衬底之外延层通过金属叠层进行粘结键合；去除临时衬底，并暴露出n型GaN基外延层；采用光刻定义辐照区和非辐照区，非辐照区覆盖掩膜；采用激光照射辐照区，激光光子能量介于GaN与中间层禁带宽度之间，激光照射造成辐照区的中间层表层热分解，并在n型GaN基外延层和中间层形成空隙；制作n电极，并使得n电极在垂直投影面的位置及大小与辐照区相当或者相同。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示的一种垂直发光二极管芯片结构，包括硅基板200、n-GaN层103、中间层104、多量子阱有源层(MQW)105、p-GaN层106、空隙结构110、p反射电极210、金属叠层220、p电极230、n电极焊盘240A和n电极扩展条。

其中，硅基板200具有两个主表面，正面和背面；金属叠层220形成于硅基板200的正面之上，其结构为Cr/Pt/Au/Pt/Cr，厚度50/50/1000/50/50nm；p反射电极210形成于金属叠层220之上，其材料为Ag，厚度200nm；p-GaN层106形成于p反射电极210之上；多量子阱有源层105形成于p-GaN层106之上，其发光主波长为460nm；中间层104形成于多量子阱有源层105之上，且中间层材料为Al_0.05In_0.25Ga_0.7N，且其禁带宽度约为3.24eV；n-GaN层103形成于中间层104之上；n电极包括两个部分：n电极焊盘240A和n电极扩展条240B形成于n-GaN层103之上；p电极230形成于硅衬底200的背面；在与n电极焊盘240A和n电极扩展条240B垂直投影面的对应位置上，还包含空隙结构110形成于n-GaN层103和InGaN中间层104之间，并且空隙结构大小与n电极焊盘240A和n电极扩展条240B相仿。

附图2~7是上述结构的垂直发光二极管的制作步骤示意图，具体包括：

第一步：在蓝宝石衬底100上生长GaN基外延层，依次包括；缓冲层101、u-GaN层102、n-GaN层103、Al_0.05In_0.25Ga_0.7N中间层104、多量子阱有源层105和p-GaN层106，其中，多量子阱有源层105的发光主波长为460nm，而InGaN中间层104禁带宽度对应发光波长为400nm。

第二步：在p-GaN层106上制作p反射电极210，反射电极材料选择Ag，厚度200nm，键合硅基板200与蓝宝石衬底100，使得硅基板200的正面与p反射电极210通过金属叠层220粘结键合，其中金属叠层220材料为Cr/Pt/Au/Pt/Cr，厚度50/50/1000/50/50nm。

第三步：采用激光剥离方式去除蓝宝石衬底100。

第四步：采用干法或者湿法蚀刻去除缓冲层101和u-GaN层102，从而暴露出n-GaN层103。

第五步：在n-GaN层103上镀一层Ni作为掩膜300，厚度20nm，采用光刻定义辐照区310，蚀刻去除辐照区上的Ni掩膜300；采用高能脉冲激光照射辐照区300，激光波长为380nm，激光穿透n-GaN层103照射造成辐照区300的中间层104表层热分解，并在n-GaN层103和中间层104之间形成空隙结构110。

第六步：制作n电极焊盘240A和n电极扩展条240B，并使得n电极焊盘240A和n电极扩展条240B在垂直投影面的位置及大小与辐照区300大致相当。

Claims

1.垂直发光二极管，包括：

永久基板；

p型GaN基外延层，位于所述永久基板之上；

发光层，位于所述p型GaN基外延层之上；

中间层，位于所述发光层之上，其材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），禁带宽度介于GaN与发光层之间；

n型GaN基外延层，位于所述中间层之上；

n电极，位于n型GaN基外延层之上；

空隙结构，形成于所述n型GaN基外延层与所述中间层之间，并且在垂直投影面上的位置与n电极对应。

2.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述中间层的导电性为n型。

3.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述空隙结构通过中间层材料热分解形成。

4.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述永久基板材料选自硅、铜、镍、钴、钼、陶瓷、蓝宝石、氮化镓或其组合。

5.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述空隙结构在垂直投影面上的位置和大小与n电极相当或相同。

6.垂直发光二极管的制作方法，包括步骤：

1）在一永久基板上形成外延层，其至上而下包括n型GaN基外延层、中间层、发光层和p型GaN基外延层，并且所述中间层材料为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x<1, 0≤y<1），且其禁带宽度介于GaN与发光层之间；

2）采用激光照射部分n型GaN基外延层，激光照射造成辐照区的中间层表层热分解，在n型GaN基外延层与发光层之间形成空隙结构；

3）在n型GaN基外延层上制作n电极，其在垂直投影面的位置与空隙结构对应。

7.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤1）包括：提供临时衬底，在其上依次外延生长n型GaN基外延层、发光层和p型GaN基外延层；提供永久基板，将其与上述外延层粘结键合；去除临时衬底，并暴露出n型GaN基外延层。

8.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤2）包括：在n型GaN基外延层之上定义辐照区，采用激光照射辐照区，激光光子能量介于GaN与中间层禁带宽度之间，激光照射造成辐照区的中间层表层热分解，并在n型GaN基外延层和中间层形成空隙结构。

9.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述n电极在垂直投影面的位置及大小与辐照区相当或者相同。

10.根据权利要求5所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述永久基板材料选自硅、铜、镍、钴、钼、陶瓷、蓝宝石、氮化镓或其组合。