CN102969410A

CN102969410A - 制备GaN厚膜垂直结构LED的方法

Info

Publication number: CN102969410A
Application number: CN2012105052145A
Authority: CN
Inventors: 羊建坤; 魏同波; 胡强; 霍自强; 段瑞飞; 王军喜
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明提供了一种制备GaN厚膜垂直结构LED的方法。该方法包括：在衬底的抛光面制备掩模图形，该掩模图形将衬底的抛光面分割为若干个分离的区域，得到图形化的衬底；在图像化的衬底上沉积n型掺杂的GaN厚膜，该GaN厚膜的厚度应当大于掩膜图形的厚度；以及在GaN厚膜上外延生长多周期量子阱LED。本发明通过GaN厚膜分块生长，释放了由晶格失配和热失配引起的应力，解决了二次外延中衬底开裂问题，降低了衬底的翘曲度，有利于后续的激光剥离衬底和芯片制作工艺。

Description

制备GaN厚膜垂直结构LED的方法

技术领域

本发明涉及半导体发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)领域，尤其涉及一种制备GaN厚膜垂直结构LED的方法。

背景技术

铝氮(AlN)、镓氮(GaN)、铟氮(InN)及其合金都是直接带隙材料，室温下禁带宽度从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)的范围内连续可调，是制作蓝色、绿色以及紫外发光器件的理想材料。GaN基LEDs器件体积小、寿命长、高效、不存在汞等有害物质，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明光源的革命。

垂直结构LED具有非常好的电流扩展性能和散热性能，从而可能实现更高流明效率和更长的寿命。目前，已经采用多种方法在c面蓝宝石上成功制备了垂直结构LED，较为常用的是激光剥离蓝宝石衬底。

目前，GaN基发光器件通常在异质衬底如蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)衬底上外延，由于晶格失配和热失配，在有源区产生大量位错，通常在10⁸～10¹⁰cm^-2，降低了LED的辐射复合效率，恶化了器件性能。另一方面，蓝宝石衬底的导热性差，当注入电流增加，LED的外量子效率由于结热而降低。

为了克服异质外延带来的问题，采用高质量的GaN同质衬底是一种有效途径。然而，目前GaN同质衬底成本高、尺寸小，难以满足市场化需求。另一种可行途径是采用HVPE法生长GaN厚膜，HVPE法生长GaN速度快、成本低且质量高，位错密度大大降低至10⁶cm^-2。

然而，在GaN厚膜上制备垂直结构LED时，由于前期制备的GaN厚膜上应力释放不彻底，非常容易在二次外延中开裂，此外，由于GaN厚膜与蓝宝石衬底晶格失配和热失配引起衬底翘曲，给后续芯片工艺带来很大困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种制备厚膜GaN垂直结构LED的方法，以尽可能的释放前期制备GaN厚膜上的应力。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种制备GaN厚膜垂直结构LED的方法。该方法包括：在衬底的抛光面制备掩模图形，该掩模图形将衬底的抛光面分割为若干个分离的区域，得到图形化的衬底；在图像化的衬底上沉积n型掺杂的GaN厚膜，该GaN厚膜的厚度应当大于掩膜图形的厚度；以及在GaN厚膜上外延生长多周期量子阱LED。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明制备GaN厚膜垂直结构LED的方法具有以下有益效果：

(1)通过GaN厚膜分块生长，释放了由晶格失配和热失配引起的应力，解决了二次外延中衬底开裂问题，降低了衬底的翘曲度，有利于后续的激光剥离衬底和芯片制作工艺；

(2)GaN厚膜中应力降低，降低了InGaN/GaN基LED量子阱中极化电场，从而能增加阱宽，提高LED的发光效率；

(3)GaN厚膜垂直结构LED外延从n-GaN开始，节省了MOCVD外延的时间，降低了生产成本；

(4)GaN厚膜垂直结构LED上电极直接制作在n-GaN上，不需要去除传统垂直结构LED的不导电层；

(5)GaN厚膜作为准同质外延材料，与异质外延GaN相比，位错降低，有利于降低InGaN/GaN基LED量子阱中缺陷，从而提高LED内量子效率。

附图说明

图1为根据本发明实施例制备GaN厚膜垂直结构LED方法的流程图；

图2为图1所示方法中进行衬底分割步骤后衬底正面的示意图；

图3为依照图1所示方法制备的GaN厚膜垂直结构LED的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10：图形化的蓝宝石衬底； 20：n型掺杂的GaN厚膜；

30：n-GaN层； 40：InGaN/GaN多周期量子阱；

50：p-GaN层； 60：钨铜基板；

70：上电极； 80：下电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备厚膜垂直结构LED的方法。如图1所示，本实施例包括：

步骤A，取双面抛光的蓝宝石衬底或将单面抛光的蓝宝石衬底的背面也同样抛光；

对衬底背面进行抛光的目的在于后期通过激光剥离蓝宝石衬底。如果不抛光的话，则粗糙的表面使激光散射，不利于后期剥离。而通过抛光，可以增强界面对激光的吸收，从而更加容易的剥离蓝宝石衬底。

本实施例中，选择2inch蓝宝石衬底为例进行说明。但是本发明并不局限蓝宝石衬底，其他衬底，如SiC和Si衬底，同样适用于本发明。此外，衬底的尺寸也可以按照需要进行选择，如3inch、4inch同样适用。

步骤B，在双面抛光的蓝宝石衬底的其中一面制备SiO₂的掩模图形，该掩模图形将蓝宝石衬底的正面分割为若干个分离的区域，从而得到图形化的蓝宝石衬底10；

本步骤中，掩模图形的材料除了采用SiO₂之外，还可以采用金属钨(W)、TiN等，其高度应当介于100nm至500nm之间，线条宽度介于40μm至100μm之间。此外，上述各分离区域的面积一般不超过1mm²，该分离区域可以是不均匀分布的，但优选是均匀分布的。

以均匀分布的分离区域为例，分离区域可以是各种形状，例如是：椭圆形、圆形、长方形或正方形。图2为图1所示方式中掩模图形将衬底正面分割为均匀分布正方形后，衬底正面的示意图。在图2所示的蓝宝石衬底中，掩模材料为SiO₂，掩模高度为500nm，掩膜线宽为60μm。

本步骤又可以分为如下的子步骤：

子步骤B1，在蓝宝石衬底上沉积SiO₂薄膜，其厚度为500nm；

子步骤B2，在沉积的SiO₂的薄膜上旋涂光刻胶；

子步骤B3，紫外光刻，在光刻胶上形成光刻胶掩模图形；

子步骤B4，利用ICP技术对具有光刻胶掩模图形的衬底进行刻蚀，将无光刻胶掩膜图形覆盖部分的SiO₂薄膜去除；

子步骤B5，将残留的光刻胶去除，得到图形化的蓝宝石衬底10。

通过在本步骤采用掩膜对衬底材料分割成各种形状的图形，目的是释放GaN厚膜应力和降低其翘曲。

步骤C，在图像化的蓝宝石衬底10上采用HVPE法沉积30μm的n型掺杂的GaN厚膜20，该GaN厚膜20的厚度大于掩膜图形的厚度；

本步骤中，GaN厚膜的厚度在1μm以上，优选为20μm以上。n型掺杂源为硅烷(SiH₄)等，GaN中载流子浓度需要达到10¹⁸cm^-3以上。

通过GaN厚膜分块生长，释放了由晶格失配和热失配引起的应力，解决了二次外延中衬底开裂问题，降低了衬底的翘曲度，有利于后续的激光剥离衬底和芯片制作工艺。GaN厚膜中应力降低，降低了InGaN/GaN基LED量子阱中极化电场，从而能增加阱宽，提高LED的发光效率。

同时，GaN厚膜作为准同质外延材料，与异质外延GaN相比，位错降低，有利于降低InGaN/GaN基LED量子阱中缺陷，从而提高LED内量子效率。

步骤D，在GaN厚膜20上采用MOCVD方法外延生长InGaN/GaN多周期量子阱LED，从而实现厚膜垂直结构LED；

本步骤中，生长InGaN/GaN多量子阱LED结构采用的为现有技术中方法。以最为通用的一种方法为例，该步骤D又可以分为：

子步骤D1，采用MOCVD方法生长1μm的n-GaN层30；

子步骤D2，采用MOCVD方法依次生长5个周期的InGaN/GaN多周期量子阱40；

子步骤D3，采用MOCVD方法生长160nm的p-GaN层50，从而完成InGaN/GaN多量子阱LED结构的制备。

本步骤中，GaN厚膜垂直结构LED外延从1μm的n-GaN开始，节省了MOCVD外延的时间，降低了生产成本；

步骤E，将该多量子阱LED结构键合至钨铜基板60上，采用激光剥离衬底；

本步骤中，除了采用上述的钨铜基板之外，还可以采用软铜等其他金属基板，均视实际的生产情况而定。

步骤F：在n-GaN厚膜上制作上电极70，在与外延层相连的金属基板上制作下电极80，完成GaN厚膜垂直结构LED上下电极的制备。

本步骤中，GaN厚膜垂直结构LED上电极直接制作在n-GaN上，不需要去除传统垂直结构LED的不导电层。

至此，本实施例制备厚膜垂直结构LED方法介绍完毕。

本发明提供了一种GaN厚膜垂直结构LED的制备方法，通过对衬底分块生长及掺杂工艺，生长了高质量低应力的n-GaN厚膜，降低MOCVD外延时间，从而降低LED制备成本，同时解决了厚膜GaN垂直结构LED制备中衬底应力释放、翘曲及剥离等难题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备GaN厚膜垂直结构LED的方法，其特征在于，包括：

在衬底的抛光面制备掩模图形，得到图形化的衬底，所述掩模图形将所述衬底的抛光面分割为若干个分离的区域；

在所述图像化的衬底上沉积n型掺杂的GaN厚膜，该GaN厚膜的厚度应当大于掩膜图形的厚度；以及

在所述GaN厚膜上外延生长多周期量子阱LED。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底的抛光面制备掩模图形的步骤中，所述分离区域的面积小于1mm²。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述掩模图形的线条宽度介于40μm至100μm之间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述掩膜图形为均匀分布的正方形格子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底的抛光面制备掩模图形的步骤中，所述掩膜图形的厚度介于100nm至500nm之间；

所述在图像化的衬底上沉积n型掺杂的GaN厚膜的步骤中，所述GaN厚膜的厚度在1μm以上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述n型掺杂的GaN厚膜中，n型掺杂的掺杂源为硅烷，GaN中载流子浓度大于10¹⁸cm^-3。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在GaN厚膜上外延生长多周期量子阱LED的步骤之后还包括：

将所述多量子阱LED键合至金属基板上，采用激光剥离衬底；以及

在所述n-GaN厚膜上制作上电极，在与所述多量子阱LED键合的金属基板上制作下电极。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在衬底的抛光面制备掩模图形的步骤中，所述衬底为双面抛光的衬底。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底的材料选自于以下群组其中之一：蓝宝石、SiC和Si。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述掩膜图形的材料选自于以下群组其中之一：SiO₂、金属钨和TiN。