CN104362238A - 高亮度led外延材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高亮度LED外延材料的制备方法，采用液相外延的方法在GaAs衬底片表面生长一层较厚N型的镓铝砷材料，再在镓铝砷材料表面采用MOCVD方法生长LED发光层，最后将吸光的GaAs衬底去除，LED发光层和镓铝砷层在一起形成独立的LED外延结构。本发明由于采用了较厚的GaAlAs材料作为LED外延生长的基板，使得LED发光层得到较好保护，在去除GaAs衬底后可直接使用，改善了在GaAs衬底转移时出现的碎片、暗裂、脱落等问题。同时，GaAlAs材料有利于光均匀射出，提升了LED外延材料外量子效率及亮度，对LED的发光均匀性具有良好的改善效果，其具有简化流程、节省成本、成品率高、性能可靠的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法。
技术背景
液相外延技术（LPE）是将晶片浸渍于饱和溶液中，通过降温来降低溶液溶解度，使释出的溶质在作为衬底的晶片表面完成外延层生长的一种技术，广泛应用于GaAs、GaAlAs、GaP、InP、GaAsP等半导体材料的生长。液相外延技术具有生长设备简单，外延缺陷少，生长速度快，成本低、安全可靠等优点，在发光二极管、激光二极管、太阳能电池、微波器件等材料领域占有重要位置。
当前采用LPE技术在GaAs衬底片表面生长GaAs同质或GaAlAs异质外延层，从而制作出可发红外光或红光的LED外延材料是十分成熟的一种LED外延技术，在市场上使用广泛。然而，液相外延技术主要的缺点在于只能完成晶格结构相近材料的外延生长，如GaAs生长GaAlAs材料；同时，采用LPE方法由于生长速度较快，缺乏对薄层外延结构的精确控制手段，在产业化制程中，一般无法控制5um以下厚度的外延结构。
镓铝砷（GaAlAs）是砷化铝（AlAs）和砷化镓（GaAs）的固溶体，由于砷化铝和砷化镓的晶格常数非常接近，故在GaAs基板无需很厚的过渡层即可获得高质量的GaAlAs晶体；当前，采用液相外延可很容易在GaAs基板上生长出高质量的GAAlAs晶体，通过掺杂碲或硅等可形成N-GaAlAs。
金属有机气相外延技术（MOCVD）是在汽相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术，主要通过将载流气体通入有机金属反应源的容器，将反应源以蒸气的形式带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜生长。MOCVD工艺具有以下几个方面的优点：1、用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气源的流量和通断时间来控制外延材料的组分、掺杂浓度、厚度等，可完成薄层和超薄层的外延结构生长，特别适用于具有超薄层量子阱发光结构的高亮度LED外延的生长；2、掺杂调整较灵活，由于反应室中气体流速较快，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行改变，减小记忆效应的发生，有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。由于MOCVD的外延晶体生长过程是以热解化学反应的方式进行的，因此原则上只要控制好反应源气流比例就可以较方便地控制晶体结构中的掺杂比例，实现对外延材料内部结构的精细调整，目前，采用GaAs晶片作为衬底，通过调整量子阱中Ga、Al、In、P元素比例及其结构，较好地实现了从570nm—850nm范围的发光，是目前高亮度LED外延材料的主要生长工艺之一。
然而，由于MOCVD技术所采用的金属有机化合物和氢化物源价格较为昂贵，且生长速度慢，导致采用MOCVD技术的LED外延层结构一般都很薄，目前采用ＭＯＣＶＤ方法生长的ＬＥＤ外延的整体厚度基本上在１０ｕｍ以内。
采用GaAs晶片作为衬底，通过MOCVD方法生长LED外延材料的是高亮度LED材料的主要生长工艺之一。然后，由于GaAs是一种不透光的材料，使得以LED外延材料的所发生的光大部分被内部GaAs吸收，一方面大大降低了LED材料的外量子效率，另一方面内吸收的光能转达为热能，降低了材料的稳定性能。
当前，为了减少LED材料GaAs对光的内部吸收，提高LED的外量子效率，广泛采取了在保留LED发光层的同时去除GaAs衬底的方法，同时，由于MOCVD外延制作的LED外延层厚度较薄（一般在10um以下），在后期的LED芯片制作时无法操作，为了提升LED材料的使用性能，在将LED外延材料的GaAs衬底的去除的同时需要再将此LED发光层转移、粘合到具有光反射层的硅晶片上。
采用先剥离吸光的GaAs衬底，然后再转移、粘合到其它晶片的方面制作的LED，虽然可以避免GaAs材料对LED发光的内部吸收，大幅度地提升LED的外量子效率，提升LED发光强度；但在转移、粘合的过程中，一方面需要使用昂贵的金、铂以制作二者之间的粘合材料，提升了制作成本；另一方面，在粘合过程中，必须通过加热、加压的方式实现LED发光外延层与转移晶片之间的良好粘合，但要在此过程中，使仅有10um以下厚度的LED外延层与被转移的晶片之间实现良好粘合，不出现脱落、变形、损伤、破裂，是十分困难的事情，目前此一过程也是影响产品的良品率的关键过程。
最后，由于粘合后的LED发光层下面是具有反射光性质的金属层，同时LED发光外延层厚度很薄，这样虽然光可以射出，但光主要从LED芯片上表面射出，侧面出光很少，导致采用衬底转移方法制作的LED的存在正面很亮而侧面角度偏暗的出光不均现象。
发明内容
本发明的目的就是提供一种高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，采用该方法制备的ＬＥＤ外延材料性能可靠，并具有侧面发光好、发光均匀，不需要使用额外的稀贵金属，生产成本低。
本发明的高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，首先采用液相外延的方法在GaAs衬底片表面生长一层较厚的N型的镓铝砷材料，然后在镓铝砷材料表面采用MOCVD方法生长LED发光层，最后将吸光的GaAs衬底去除，LED发光层和镓铝砷层在一起形成独立的LED外延结构。
本发明的高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，具体步骤是：
1、取N型GaAs衬底片，按H2SO4：H2O：H2O2=5：1：1 的比例配制清洗液，将晶片放置在石英花栏中，并加入42-45℃的清洗液中浸泡2-3分钟中，然后取出冲去离子水，氮气吹干；
2、将清洗好的砷化镓晶片放入LPE外延炉中，生长GaAlAs层，厚度为100um-160um，完成生长后取出，放入石英水槽中，充入温度55-63℃的热去离子水，擦拭表面去除表面残留镓液，冲去离子水，氮气吹干，放入干燥箱备用；
3、按HF：H2O=25：1配制腐蚀液A，按H2SO4：H2O：H2O2=3：1：1的比例配制腐蚀液B，将以上完成GaAlAs层生长的晶片放置在石英花栏中，先放入腐蚀液A中浸泡23-26秒，取出冲水，然后将其放入腐蚀液B中浸泡110-120秒，取出冲水，再将清洗好的晶片放入MOCVD外延炉中，完成LED发光结构的生长；
4、将完成以上过程的晶片取出，用砂轮式减薄机对晶片背面的GaAs衬底层进行减薄至GaAs衬底厚度余量10-20um；
5、将完成进行GaAs层减薄的晶片用光阻胶对P面进行保护，按NH4OH：H2O：H2O2=6：1：1配制腐蚀液C，将晶片放入腐蚀液C中，利用腐蚀液对GaAlAs和GaAs的选择性腐蚀去除残余的GaAs层，裸露出GaAlAs层，再用丙酮去除P面光阻保护胶层，冲水后氮气吹干，即得所需的具有LED外延片。
本发明的高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，适用于基于砷化镓衬底材料的LED发光材料的制备，其与现有技术相比的有益效果：
1、利用液相外延的方式在GaAs衬底片表面生长了一层较厚的N型的镓铝砷层，然后再在镓铝砷材料表面采用MOCVD方法生长LED发光层，最后将吸光的GaAs衬底去除，在去除吸光的GaAs材料的同时使得LED发光层和镓铝砷层在一起形成了独立的LED外延结构，并利用镓铝砷层对LED发光层提供保护，不需要常规的衬底转移、粘合等操作，避免了常规工艺在衬底转移过程中产生脱落，变形、损伤，破裂等问题，提升了产品的良品率，简化了操作流程；
2、由于GaAlAs对LED内部发光具有透光性，有可效使得LED发光层的光发射出来，提升LED外量子效率；
3、采用本方法制作的LED具有较好的侧面发光性能，发光均匀，避免了常规方法所制作LED发光不均匀的问题；
4、本制作方法不需要复杂的衬底转移、粘合过程，不需要使用额外的稀贵金属，节约生产成本。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的内容及操作过程，将在以下描述中提出详尽的步骤，其中一些LED芯片制作过程中的通用细节未进行详细的描述。
实施例1：
1、取一直径为2寸N型GaAs衬底片，晶向100、厚度300um，按H2SO4：H2O：H2O2=5：1：1 的比例配制清洗液，将晶片放置在石英花栏中，并放入45℃的清洗液中浸泡2分钟中，然后取出冲去离子水，氮气吹干；
2、将清洗好的砷化镓晶片放入LPE外延炉中，生长GaAlAs层，其方法为：配制好液相外延生长所需的混合液，在混合液中通过调整Al掺杂的含量使得Ga1-XAlXAs层中X值为0.4，在混合液中加入硅材料实现N型掺杂；从850℃开始缓慢降温生长得到N-GaAlAs层，通过控制降温速率及降温区间使得GaAlAs层100um-120um，完成生长后取出，放入石英水槽中，充入温度60℃的热去离子水，擦拭表面去除表面残留镓液，冲去离子水，10分钟后氮气吹干，放入干燥箱备用；
3、按HF：H2O=25：1配制腐蚀液A，按H2SO4：H2O：H2O2=3：1：1的比例配制腐蚀液B；将以上完成GaAlAs层生长的晶片放置在石英花栏中，先放入腐蚀液A中浸泡25秒，取出冲水，然后将其放入腐蚀液B中浸泡2分钟，取出冲水；
4、将清洗好的晶片放入MOCVD外延炉中，依次完成N型GaInP缓冲层、AlGaInP量子阱、P-GaP(1)保护层的生长，通过量子阱中各成份控制，使发光波长在620nm左右，完成红光LED发光结构的生长；
5、将完成以上动作的晶片取出，用砂轮式减薄机对晶片背面的GaAs衬底层进行减薄至GaAs衬底厚度余量10-20um；
6、将完成进行GaAs层减薄的晶片用光阻胶对P面进行保护，按NH4OH：H2O：H2O2=6：1：1配制腐蚀液C，将晶片放入腐蚀液C中，轻微晃动，利用腐蚀液对GaAlAs和GaAs的选择性腐蚀去除残余的GaAs层，裸露出GaAlAs层；用丙酮去除P面光阻保护胶层，冲水后氮气吹干即得所需的具有LED外延片。
实施例2：
1、取一直径为3寸N型GaAs衬底片，晶向100，厚度300um，按H2SO4：H2O：H2O2=5：1：1 的比例配制清洗液，将晶片放置在石英花栏中，并放入45℃的清洗液中浸泡2分钟中，然后取出冲去离子水，氮气吹干；
2、将清洗好的砷化镓晶片放入LPE外延炉中，生长GaAlAs层，其方法为：配制好液相外延生长所需的混合液，在混合液中通过调整Al掺杂的含量使得Ga1-XAlXAs层中X值0。25，在混合液中加入碲材料实现N型掺杂；从900℃开始缓慢降温生长得到N-GaAlAs层，通过控制降温速率及降温区间使得GaAlAs层约120um-160um，完成生长后取出，放入石英水槽中，充入温度60℃的热去离子水，擦拭表面去除表面残留镓液，冲去离子水，10分钟后氮气吹干，放入干燥箱备用；
3、按HF：H2O=25：1配制腐蚀液A，按H2SO4：H2O：H2O2=3：1：1的比例配制腐蚀液B，将以上完成GaAlAs层生长的晶片放置在石英花栏中，首先放入腐蚀液A中浸泡25秒，取出冲水，然后将其放入腐蚀液B中浸泡2分钟，取出冲水；
4、将放入清洗好的晶片放入MOCVD外延炉中，依次完成N型GaInP缓冲层、GaAlInP量子阱、P-GaP保护层的生长，通过量子阱中各成份控制，使发光波长在850nm左右，完成红外光LED发光结构的生长；
5、将完成以上动作的晶片取出，用砂轮式减薄机对晶片背面的GaAs衬底层进行减薄至GaAs衬底厚度余量10-20um；
6、将完成进行GaAs层减薄的晶片用光阻胶对P面进行保护，按NH4OH：H2O：H2O2=6：1：1配制腐蚀液C，将晶片放入腐蚀液C中，轻微晃动，利用腐蚀液对GaAlAs和GaAs的选择性腐蚀去除残余的GaAs层，裸露出GaAlAs层，用丙酮去除P面光阻保护胶层，冲水后氮气吹干即得所需的具有LED外延片。
Claims (2)
1.一种高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，其特征在于：首先采用液相外延的方法在GaAs衬底片表面生长一层N型的镓铝砷材料，然后在镓铝砷材料表面采用MOCVD方法生长LED发光层，最后将吸光的GaAs衬底去除，LED发光层和镓铝砷层在一起形成独立的LED外延结构。
2.如权利要求1所述的高亮度ＬＥＤ外延材料的制备方法，其特征在于：具体步骤是：
（1）、取N型GaAs衬底片，按H2SO4：H2O：H2O2=5：1：1 的比例配制清洗液，将晶片放置在石英花栏中，并加入42-45℃的清洗液中浸泡2-3分钟中，然后取出冲去离子水，氮气吹干；
（2）、将清洗好的砷化镓晶片放入LPE外延炉中，生长GaAlAs层，厚度为100um-160um，完成生长后取出，放入石英水槽中，充入温度55-63℃的热去离子水，擦拭表面去除表面残留镓液，冲去离子水，氮气吹干，放入干燥箱备用；
（3）、按HF：H2O=25：1配制腐蚀液A，按H2SO4：H2O：H2O2=3：1：1的比例配制腐蚀液B，将以上完成GaAlAs层生长的晶片放置在石英花栏中，先放入腐蚀液A中浸泡23-26秒，取出冲水，然后将其放入腐蚀液B中浸泡110-120秒，取出冲水，再将清洗好的晶片放入MOCVD外延炉中，完成LED发光结构的生长；
（4）、将完成以上过程的晶片取出，用砂轮式减薄机对晶片背面的GaAs衬底层进行减薄至GaAs衬底厚度余量10-20um；
（5）、将完成进行GaAs层减薄的晶片用光阻胶对P面进行保护，按NH4OH：H2O：H2O2=6：1：1配制腐蚀液C，将晶片放入腐蚀液C中，利用腐蚀液对GaAlAs和GaAs的选择性腐蚀去除残余的GaAs层，裸露出GaAlAs层，再用丙酮去除P面光阻保护胶层，冲水后氮气吹干，即得所需的具有LED外延片。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021253234A1 (zh) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 一种去除金属镓的装置、方法及激光剥离系统 |
| CN116137306A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-05-19 | 南昌凯捷半导体科技有限公司 | 一种Micro-LED芯片及其制作方法 |
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2014
- 2014-10-24 CN CN201410574435.7A patent/CN104362238A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| WO2021253234A1 (zh) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 一种去除金属镓的装置、方法及激光剥离系统 |
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