CN102867893A - 一种提高GaN衬底使用效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高GaN衬底使用效率的方法，包括如下步骤：1）使用GaN衬底以及气相沉积方法进行制造LED发光二极管外延，在外延生长开始时，外延一层1～50nm的InGaN异质材料层；2）继续外延n型掺杂的GaN缓冲层；并完成后续整个LED结构的外延生长；3）使用晶圆金属键合的方式进行高反射率的导电基板Si片或Cu片与外延表面的键合成一体；4）通过激光剥离的方式，将原GaN衬底在InGaN异质材料层中剥离，外延层与导电基板形成高出光的倒装式LED芯片结构；5）GaN衬底再作为外延衬底重复投入使用。本发明解决了现有技术的难点，提供了一种节约成本、调高效率的高亮度发光二极管的制造方法，相比传统的LED芯片，本发明制造的LED芯片发光亮度至少提高15%。

Description

一种提高GaN衬底使用效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高GaN衬底使用效率的方法。

背景技术

 发光二极管LED作为一种新型的光源，凭借其具有体积小、省电、绿色环保等优势，已被广泛使用于显示器背光源模块、通讯、计算机、交通标志及照明等消费市场，大有取代传统光源的趋势，但目前因为发光亮度不够、制造成本偏高等因素，尚未能广泛适用于照明市场。为了解决上述问题，业内人士都在不断的寻找着如何提高发光亮度的方法。发光二极管是一种半导体元件，主要是由III-V族元素化合物半导体材料所构成。因为这种半导体材料具有将电能转换为光的特性，所以对这种半导体材料施加电流时，其内部的电子会与空穴结合，并将过剩的能量以光的形式释出，而达成发光的效果。

以目前的氮化镓（GaN）基发光二极管而言，通常是使用蓝宝石衬底（Sapphire）为外延衬底。但是，正是由于蓝宝石与GaN为两种晶格常数差别比较大的材料，使得在蓝宝石中制造发光二极管需外延一层缓冲材料，而此缓冲材料会吸光造成亮度损失；另外，蓝宝石材料为绝缘材料，在芯片制造方面需制造单面双电极结构，使得出光面积进一步缩小从而影响出光效率。另外还有使用GaN材料制作的衬底上进行LED的外延，这种方式的外延避免了使用蓝宝石衬底的缺点，但是GaN衬底的制作成本高昂，从而提高了整个LED的制造成本，因而不大适合作为现阶段大规模量产的衬底耗材。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种易于工业化实现、LED出光率高的提高GaN衬底使用效率的方法。

 为达到以上目的，本发明提供了一种提高GaN衬底使用效率的方法,包括如下步骤:

1)  使用气相沉积方法在GaN衬底上外延一层InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层；

2)  在所述的InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层上继续外延生长n型掺杂层与后续LED外延结构层；

3)  将完成外延后的基于GaN衬底的LED外延片与高反射率的导电基板进行金属键合从而形成一个整体的晶圆片；

4)  将键合后的晶圆片进行激光剥离操作，将GaN衬底经由InGaN异质材料层或InGaN/GaN的超晶格结构层从整个晶圆片中剥离,剥离后分别形成可再次重复投入使用的GaN的衬底片和键合的高出光倒装式的LED芯片结构。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤1）中，所述的InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层的厚度为5～50nm。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤1）中，InGaN材料的In组分范围在10%～50%。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤3）中, 将外延片的p型表面接触层与导电基板的键合面进行键合。

本发明的进一步改进在于，所述的导电基板包括Si片或Cu片。

由于采用了以上技术方案，原有的GaN衬底没有受到破坏可以用于循环的LED外延生产；另一方面外延后的垂直方式的LED晶圆也因为有上下都能导电的结构而更加有利于芯片的制作从而形成更加高出光效率的LED芯片，所以本发明在降低外延成本的同时，也使LED外延芯片的亮度得到整体的提升。

附图说明

附图1为根据本发明LED的经过沉积后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下结合本发明的具体实施例说明高效发光二极管的制造方法。

参见附图1所示，本发明提供了一种高效发光二极管的制造方法，包括如下步骤：

1)  使用有机金属气相沉积仪器，首先将GaN衬底送入反应腔在通有氮气和氨气环境氛围下升温至600～860℃，压力设定在200～500torr，待温度及氛围稳定后通入有机金属源TEGa（三乙基镓）或TMGa（三甲基镓），以及TMIn（三甲基铟），其TEGa/TMGa和TMIn的摩尔比的范围为：1:1至20:1；持续在GaN衬底的表面上形成5nm～50nm厚的InGaN材料薄膜或InGaN/GaN超晶格结构层，InGaN材料的In组分范围在10%～50%;

2) 在InGaN材料薄膜或InGaN/GaN超晶格结构层之上，继续使用气相沉积的方式，外延GaN基发光二极管的结构，其主要材料依次为：n型GaN层、MQW发光层、p型GaN层；之后经过氮气氛围退火后，完成整个外延片的气相沉积过程;

3) 将完成外延后的基于GaN衬底的LED外延片与高反射率的导电衬底进行金属键合，方式是外延片的p型表面接触层与导电衬底的键合面进行键合从而形成一个整体的晶圆片，导电基板包括Si片或Cu片;

4) 将键合后的晶圆片进行激光剥离操作，将原GaN衬底经由InGaN异质材料层或InGaN/GaN的超晶格结构层从整个晶圆片中剥离，一分为二从而形成了一片可再次重复投入使用的GaN的衬底片和一片p型与导电材料键合的高出光倒装式的LED外延片。

衬底是一种透光度好但制备困难、成本高昂的衬底；目前主流的制备方式是液相氢化物外延，其外延速率是10～50微米/小时，如需制备400微米厚度的GaN衬底需要很长的时间，从而耗费大量的能源和材料。由本发明所述方式，便可以将GaN衬底投入循环的使用状态，理论上可以实现GaN基LED外延片衬底的零运行成本的使用。

另一方面，经过激光剥离后的与其他金属键合的GaN基LED外延片，因为其共金接触面对光具有高反射性，且其正面为n型GaN层更加容易于制作具有更高发光面积的LED芯片，从而有效提高出光效率，由实验数据，相比传统的LED芯片，发光亮度至少提高15%。

通过上述实施方式，不难看出本发明是一种方法简单、出光率高的高出光率发光二极管制造方法。该种方法可以实现GaN衬底的产业化，剥离后的GaN衬底只要经过非常简单的工艺处理便可以重新使用，生长出来的外延片GaN体缺陷密度低于10^-7。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高GaN衬底使用效率的方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)使用气相沉积方法在GaN衬底上外延一层InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层；

2)在所述的InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层上继续外延生长n型掺杂层与后续LED外延结构层；

3)将完成外延后的基于GaN衬底的LED外延片与高反射率的导电基板进行金属键合从而形成一个整体的晶圆片；

4)将键合后的晶圆片进行激光剥离操作，将GaN衬底经由InGaN异质材料层或InGaN/GaN的超晶格结构层从整个晶圆片中剥离,剥离后分别形成可再次重复投入使用的GaN的衬底片和键合的高出光倒装式的LED芯片结构。

2.根据权利要求1所述的提高GaN衬底使用效率的方法，其特征在于:所述的步骤1）中，所述的InGaN异质材料层或InGaN/GaN超晶格结构层的厚度为5～50nm。

3.根据权利要求1或2 所述的提高GaN衬底使用效率的方法，其特征在于:所述的步骤1）中，InGaN材料的In组分范围在10%～50%。

4.根据权利要求1所述的提高GaN衬底使用效率的方法，其特征在于: 所述的步骤3）中, 将外延片的p型表面接触层与导电基板的键合面进行键合。

5.根据权利要求4所述的提高GaN衬底使用效率的方法，其特征在于:所述的导电基板包括Si片或Cu片。

Images