CN105355728B - 一种发光表面有周期性图案的高光效倒装led的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光表面有周期性图案的高光效倒装LED的制作方法，涉及LED生产技术领域，本发明通过在硅衬底上蒸镀AlN，然后刻蚀出图形，再在图形上生长氮化物材料，最终做成倒装的LED器件且剥离掉硅衬底，使背发射LED芯片达到了提高出光效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及LED生产技术领域，特别是氮化物LED 外延/芯片制备技术领域。
背景技术
LED 因具有体积小，寿命长，功耗低，亮度高，易集成等诸多优点，被认为是21世纪最有前景的发光器件。
目前的氮化物LED 外延制备，大部分均采用异质外延的技术，即在蓝宝石（或者碳化硅、硅等）衬底上外延生长氮化物材料，特别是图形化的蓝宝石基底，已在各制造厂商广泛应用。
由于蓝宝石基底不导电，硬度大等特有的材料性质，给后续LED芯片的制备带来了困难，同时由于图形化的蓝宝石基底价格相对昂贵，不利于制造成本的降低。
硅衬底由于其尺寸大，易于加工，可导电且价格低廉，被认为是替代蓝宝石衬底的优选材料，目前Si 上外延氮化物LED一般采用两种方法：
一种在平面Si 上设计复杂的缓冲层结构，譬如高温AlN 缓冲层，低温AlN 缓冲层，变组分的AlGaN 缓冲层以及由这些缓冲层构成的多层复合结构过渡层，复杂的过渡层之后再生长N型电子供给层，发光有源层和P型空穴供给层。虽然经过了复杂的缓冲层设计，但由于Si 衬底与氮化物材料之间的热失配和晶格失配，随着外延厚度的积累，外延表面仍很容易产生龟裂线，且位错密度高，晶体质量不足以满足器件制作需求。
另外一种方案是在图案化的Si 衬底上生长氮化物材料，此种方法可制得晶体质量较优秀的氮化物LED 器件，然而光提取效率仍然低下。
因此，就目前技术由于硅衬底材料与氮化物材料具有相对更大的晶格失配和热失配，使得硅衬底上外延氮化物技术变得复杂。同时由于硅衬底材料会吸收氮化物有源层发射的光，硅上外延氮化物材料的技术一直难以得到各制造厂商的应用。硅衬底上生长出的氮化物材料器件的性能没有竞争力。
发明内容
本发明目的是提出一种生产成本低、能克服现有技术以硅为衬底缺陷的发光表面有周期性图案的高光效倒装LED的制作方法。
本发明包括在Si衬底上制作外延层，并制作电极，然后将具有电极的器件倒装在永久基板上，并去除Si衬底。本发明的特点是：
先在Si衬底上蒸镀AlN薄膜，并在AlN薄膜上刻蚀出周期性图形，所述周期性图形的凹槽部分为Si 衬底，凸起部分为AlN薄膜，然后再制作外延层；所述外延层中的合并层中具有孔洞，各孔洞一一对应于所述具有周期性图形的凹槽部分；在去除Si衬底时，采用由等体积的HF、HNO3和CH3COOH混合组成的溶液，露出AlN薄膜和AlGaN层交替的周期图形表面。
本发明通过在硅衬底上蒸镀AlN，然后刻蚀出图形，再在图形上生长氮化物材料，最终做成倒装的LED器件且剥离掉硅衬底，可达到如下目的：
1、在硅衬底上预先生长AlN 薄膜，可节约MOCVD 硅上缓冲层的生长时间，提高产能，同时可提高后续MOCVD 外延氮化物材料的晶体质量；
2、在生长了AlN 薄膜的硅基底上刻蚀图案后，可减小后续生长应力积累，提高外延晶体质量，同时还无需复杂的缓冲层生长工艺；
3、在图案化衬底上生长氮化物材料，通过外延工艺的控制，可形成孔洞，截断位错线，提高晶体质量，同时孔洞还有助于提高出光效率；
4、剥离掉硅衬底，做成倒装的LED 器件，可避免硅衬底的吸光，实现背面出光；
5、剥离掉硅衬底之后，在出光表面上可同时还原出之前的周期图案，大大提高背发射的出光效率。
因此，本发明通过工艺改进，使背发射LED 芯片达到了提高出光效率的效果。
进一步地，本发明所述AlN薄膜的厚度为10～200 nm。
所述周期性图形为条状图形，凹槽部分和凸起部分分别为平行的条状，并且凹槽部分和凸起部分相隔排列，凹槽部分的宽度为500nm～5000nm，凸起部分的宽度为500nm～5000nm。
所述周期性图形为点阵图形，凹槽部分等间距地布置在凸起部分中，凹槽部分的长度与宽度相同，凹槽部分的长度与宽度为500nm ～5000nm，相邻的凹槽部分的间距为500nm～5000nm。
以上两种图形的凹槽宽度和高度影响后续外延生长让AlGaN外延层合并成一个平面的时间以及空洞的大小，太小的凹槽宽度和高度无法在AlGaN合并层中形成孔洞，且位错密度较大，太大的凹槽宽度，将会加长AlGaN外延合并成一个平面的时间，影响整个外延制程周期。
以上两种图形的所述凹槽部分的刻蚀深度为500nm～5000nm。
凸起部分的宽度影响后续外延层的位错密度，太大的凸起宽度将使得凸起部分中心位置的位错线无法延伸至空洞处被截断，而直接延伸到后续的外延生长层中。
在制作外延层的合并层时，以三甲基铝为铝源，以三甲基镓为镓源，采用50mbar～500mbar的低压和500～10000的高Ⅴ/Ⅲ生长直至外延表面形成一个平整的表面。通过低压和高Ⅴ/Ⅲ的外延生长条件，可促进外延横向生长，缩短外延层合并成一个平面层的时间，减少整个外延材料的生长时间，提高生产效率。
更进一步地，三甲基镓的流量恒定不变，三甲基铝的流量随着合并层外延生长时间的延长而逐渐变小，并且三甲基铝的流量与合并层的外延生长时间成线性关系，且通入三甲基铝的时间小于整个合并层生长时间的一半。通过三甲基铝流量的线性变化，可生长出Al组分渐变的AlGaN层，避免从AlN层到GaN层外延材料组分的突变。通入三甲基铝源的时间小于整个合并层生长时间的一半，可以有效避免太厚的AlGaN层延长整个外延层的合并时间。
在制作外延层的第一N 型GaN层时，以N型掺杂，掺杂浓度为：5×1017～5×1018，采用200mbar～600mbar高压和1000℃～1400℃高温生长形成厚度为100～1000 nm的第一N型GaN层。在生长外延合并层后，在外延合并处将会产生一定数量的位错线并随着材料外延往上延伸。通过第一N型GaN层的高压高温生长，可很大程度上减少位错线的延伸，提高后续外延晶体质量。
同时高温高压外延生长完第一N型GaN层后，还生长有AlGaN缺陷阻隔层，该AlGaN层可截断位错线，减少位错线往上延伸。
附图说明
图1为本发明在Si衬底材料上形成的外延片的结构示意图。
图2为本发明产品结构示意图。
图3为本发明在AlN薄膜上刻蚀出的条状图形示意图。
图4为本发明在AlN薄膜上刻蚀出的点阵图形示意图。
图5为外延生长合并层时的Al流量变化控制图。
具体实施方式
一种高光效的倒装LED 制备步骤：
1、采用物理气相沉积（PVD）技术，在Si衬底材料1的一面蒸镀10～200 nm 厚的AlN薄膜2。如图1所示。
2、在AlN薄膜2上刻蚀出具有周期性结构的图案，其中凹槽部分②露出Si 衬底材料1，凸起部分①保留AlN层2。
该周期性结构的图案可为图3或者图4中的任意一种。
图3为条状图形，凹槽部分②和凸起部分①分别为平行的条状，并且凹槽部分②和凸起部分①相隔排列，凹槽部分②的宽度为500nm～5000nm，凸起部分①的宽度为500nm～5000nm，其中凹槽部分②的刻蚀深度为500nm～5000nm。
图4为点阵图形，凹槽部分②等间距地布置在凸起部分①中，凹槽部分②的长度与宽度相同，凹槽部分②的长度与宽度为500nm～5000nm，相邻的凹槽部分②的间距为500nm～5000nm，其中凹槽部分②的刻蚀深度为500nm～5000nm。
3、将刻蚀好图形结构的材料放入MOCVD 反应腔继续外延生长，如图1所示，主要包括以下步骤：
1）外延包含有渐变组分AlXGa1-XN材料的合并层4，直至整个晶片外延材料合并成一个平面。特别地，以三甲基铝（TMAL） 为Al源，三甲基镓（TMGa） 为Ga源，采用低压(50mbar～500 mbar)高Ⅴ/Ⅲ（500～10000）生长。其中，三甲基镓流量保持恒定不变， Al组分通过三甲基铝流量控制，三甲基铝流量变化方式为渐变式，三甲基铝的流量随着合并层外延生长时间的延长逐渐变小，AlXGa1-XN组分渐变层的Al组分满足X<0.8，并且三甲基铝（TMAL）的流量与合并层的外延生长时间成线性关系。
如图5所示，纵坐标为TMAL 流量，横坐标为合并层外延生长时间，且通入三甲基铝的时间t1小于整个合并层生长时间t2的一半，即t1＜（1/2）×t2。
该步骤可在合并层4内形成孔洞3，达到截断位错线，提高晶体质量的效果，同时孔洞3还有助于提高出光效率。
2）外延第一N 型GaN层5，特别地，第一N 型GaN 层5采用高压(200mbar～600mbar)高温（1000℃～1400℃）生长，厚度100～1000 nm，并且进行N型掺杂，掺杂浓度为：5×1017-5×1018。
3）在第一N 型GaN 层5上外延一层厚度为10～100nm 的AlyGa1-yN缺陷阻隔层6，其中0.5≥y≥0.1。
4）在AlyGa1-yN缺陷阻隔层6上外延第二N 型AlmInnGa1-m-nN层7，其中1＞m≥0，1＞n≥0，厚度500nm-2000nm，掺杂浓度5×1017-5×1019。
5）在第二N 型AlmInnGa1-m-nN层7上生长多量子阱发光有源层8。
6）在多量子阱发光有源层8上生长P 型空穴供给层9。
至此，外延工艺完成。
4、外延工艺完成后，通过清洗，掩膜，光刻，蒸镀等传统的芯片工序，完成同侧的两个电极10的制作。
5、将芯片倒装键合在永久基板11上，形成倒装器件。如图2所示。
6、将完成上述制作工序的器件置于由等体积的HF、HNO3和CH3COOH混合组成的溶液中，腐蚀掉全部Si衬底材料1，露出AlN-AlGaN交替的周期图形表面。
本发明在Si衬底上蒸镀AlN材料后再制造图案化的衬底，一方面，通过PVD 蒸镀的AlN材料相比采用MOCVD 蒸镀的AlN 材料对后续外延生长晶体质量更为有利，也可节约MOCVD 的生长时间，降低生产成本，另一方面，通过在AlN上制作周期性的图案衬底及后续特殊设计的外延生长工艺，可在外延材料中形成孔洞，制得晶体质量优秀的氮化物材料，特别地，将此材料制作成倒装器件后，通过湿法腐蚀的方法剥离掉Si衬底，可还原出周期性的图案结构，这种具有不同材料组分的周期性图案发射表面，可大幅提升LED光的出射效率。
Claims (6)
1.一种发光表面有周期性图案的高光效倒装LED的制作方法，包括在Si衬底上制作外延层，并制作电极，然后将具有电极的器件倒装在永久基板上，并去除Si衬底；其特征在于先在Si衬底上蒸镀厚度为10～200nm的AlN薄膜，并在AlN薄膜上刻蚀出周期性图形，周期性图形的凹槽部分为Si 衬底，凸起部分为AlN薄膜，所述凹槽部分的刻蚀深度为500nm～5000nm；然后再依次制作由合并层、第一N 型GaN 层、AlyGa1-yN缺陷阻隔层、第二N 型AlmInnGa1-m-nN层、多量子阱发光有源层和P 型空穴供给层构成的外延层，在制作外延层的合并层时，以三甲基铝为铝源，以三甲基镓为镓源，采用50mbar～500mbar的低压和500～10000的高Ⅴ/Ⅲ生长形成表面平整的外延层；所述外延层中的合并层中具有孔洞，各孔洞一一对应于所述具有周期性图形的凹槽部分；在去除Si衬底时，采用由等体积的HF、HNO3和CH3COOH混合组成的溶液，露出AlN薄膜和AlGaN层交替的周期图形表面。
2.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于所述周期性图形为条状图形，凹槽部分和凸起部分分别为平行的条状，并且凹槽部分和凸起部分相隔排列，凹槽部分的宽度为500nm～5000nm，凸起部分的宽度为500nm～5000nm。
3.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于所述周期性图形为点阵图形，凹槽部分等间距地布置在凸起部分中，凹槽部分的长度与宽度相同，凹槽部分的长度与宽度为500nm～5000nm，相邻的凹槽部分的间距为500nm～5000nm。
4.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于三甲基镓的流量恒定不变，三甲基铝的流量随着合并层外延生长时间的延长而逐渐变小，并且三甲基铝的流量与合并层的外延生长时间成线性关系，且通入三甲基铝的时间小于整个合并层生长时间的一半。
5.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于在制作外延层的第一N 型GaN层时，以N型掺杂，掺杂浓度为：5×1017～5×1018，采用200mbar～600mbar高压和1000℃～1400℃高温生长形成厚度为100～1000 nm的第一N 型GaN层。
6.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于在第一N型GaN层上外延一层10～100nm的AlyGa1-yN缺陷阻隔层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |