CN106601881A - ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED - Google Patents
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Abstract
一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，以纳米图形化(PSS)蓝宝石作为外延基底，使用MOCVD方法生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，以ZnO外延层作为高品质导电衬底，后续生长GaN紫外LED外延，LED芯片经剥离和转移后，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED。新型的垂直结构型GaN紫外LED，可降低器件成本，并提高GaN紫外LED的出光效率。形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，剥离工艺简单，成本低，有利于实现柔性衬底的照明工程。
Description
技术领域
本发明涉及LED的制备，具体涉及一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED结构及其制备工艺流程，属于半导体照明技术领域。
背景技术
紫外LED发光效率的提高一直是人们关注的热点。要提高发光效率，发展功率型紫外LED器件是大势所趋，其中垂直结构芯片是目前功率型LED采用的主流技术路线。对于制造LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题，功率型器件对衬底材料的导电性和导热性能提出了更高要求。
用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
Si和SiC衬底可以有效解决散热问题，并可提高白光LED出光效率，但两者由于带隙小而不适用于紫外LED的研发。GaN单晶材料虽然是最理想的衬底，但制备大尺寸GaN体单晶非常困难，对设备和工艺要求苛刻。虽然可利用氢化气相外延在蓝宝石基底上制备低位错密度GaN，并通过激光剥离将衬底移除形成自支撑衬底，但剥离较难实现，易造成外延膜碎裂和翘曲，成品率低，这也是此类产品价格昂贵的原因之一，因此无法实现大规模产业化。
与以上材料相比，ZnO材料具有非常独特的优势。ZnO具有和GaN晶格失配度小、结晶性能好、缺陷密度低、界面特性好、导热性好且稳定、导电性好、光学性能好、机械性能好等优点。目前日本京波公司和美国Cermet制备的2英寸的ZnO单晶中Li、Na等杂质浓度高达1016cm-3，因无法掺杂导致导电性差，价格较为昂贵，并且对我国在大尺寸衬底上进行封锁。国内中科院福建物构所和上海光机所等单位目前能制备1英寸左右ZnO单晶，但晶体质量和尺寸仍和国外有一定差距，这使得ZnO体单晶和自支撑GaN衬底相比无优势可言，因此难以大规模应用。
发明内容
本发明目的是，提出一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED及其制备方法，ZnO单晶薄膜比GaN更易从蓝宝石基底上剥离，可避免紫外激光剥离的应力释放导致的外延层碎裂和翘曲的问题，蓝宝石基ZnO导电衬底具有表面平整度高、与GaN外延晶格匹配好、杂质浓度低、导电性可控、紫外透光性好、剥离工艺简单和成本节约等优点。
本发明技术方案：ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，以纳米图形化蓝宝石(PSS)作为外延基底，使用MOCVD等方法先后生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，以ZnO外延层作为高品质导电衬底，在ZnO高温外延层上后续生长GaN紫外LED外延，LED芯片经剥离和转移后，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED。ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层均为单晶结构，低温缓冲层厚度约为200-400nm，高温外延层厚度约为2-4μm。ZnO和GaN相似的晶体结构和晶格常数，以ZnO单晶层作为GaN基LED的衬底材料，可实现良好的晶格匹配，并可大大减小GaN缓冲层厚度，降低成本。利用ZnO外延过程中Al的扩散，可以形成高电导层，从而作为和n-GaN接触的电子传导层，且导电性可控。利用ZnO的介电常数介于GaN和空气之间，该结构可提高LED的出光效率。利用垂直于ZnO的位错，采用湿法腐蚀形成表面织构的粗糙表面，提高LED的出光效率。该结构中LED芯片可通过简易的化学腐蚀方法实现无应变剥离和自支撑转移，这种倒装结构的LED可转移至金属和柔性衬底上，从而实现基于柔性衬底的照明工程。
本发明方法的步骤如下：(1)以PSS蓝宝石为基底，使用MOCVD等工艺生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，形成ZnO导电协变衬底，在此衬底上生长GaN紫外LED外延；(2)使用化学腐蚀方法实现自蓝宝石基底上对ZnO协变衬底GaN紫外LED芯片的剥离；(3)剥离后倒装结构的LED芯片可转移至金属和柔性衬底上，形成垂直结构型GaN紫外LED。
有益效果：本发明提出的一种在技术成熟的大尺寸、大失配蓝宝石基底上制备ZnO单晶薄膜，将晶格和热失配的缺陷局域在导电协变衬底内，为后续GaN紫外LED芯片提供原子级平整度的高品质衬底，同时可灵活改变材料导电性及其紫外透光波段，在紫外LED的研发和应用领域具有独特优势。由于ZnO单晶薄膜比GaN更易从蓝宝石基底上剥离，采用纳米图形化蓝宝石(PSS)作为外延衬底，可使用简易的化学腐蚀的方法从蓝宝石基底上无应变剥离LED芯片，与自支撑GaN衬底剥离技术相比，该结构可避免紫外激光剥离的应力释放导致的外延层碎裂和翘曲的问题，与现有ZnO单晶衬底技术相比，本发明提出的蓝宝石基ZnO导电衬底具有表面平整度高、杂质浓度低、导电性可控、紫外透光性好、剥离工艺简单和成本节约等优点。蓝宝石基ZnO导电协变衬底结构的LED芯片可通过简易的化学腐蚀方法实现无应变剥离和自支撑转移，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，剥离工艺简单，成本低，有利于实现柔性衬底的照明工程。
附图说明
图1是本发明所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED的工艺流程。
图1中，(1)ZnO衬底GaN紫外LED外延——(2)化学腐蚀无应变剥离——(3)紫外LED垂直结构
图2是紫外LED垂直结构示意图，图中下层是衬底。
具体实施方式
本发明提出了ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED结构，下面通过具体工艺步骤进一步描述本发明：
(1)以PSS蓝宝石为基底，使用MOCVD等工艺生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，形成ZnO导电协变衬底，在此衬底上生长GaN紫外LED外延，ZnO低温缓冲层的优化生长温度约为450-480℃，ZnO高温外延层的生长温度在850-1000℃；
(2)使用稀释的HCl水溶液，通过化学腐蚀方法实现自蓝宝石基底上对ZnO协变衬底GaN紫外LED芯片的剥离；
(3)剥离后倒装结构的LED芯片可转移至金属和柔性衬底上，形成垂直结构型GaN紫外LED。
本发明提出的ZnO导电协变衬底垂直结构型紫外LED，与以Si、SiC和GaN单晶为衬底的紫外LED相比，降低了器件成本，提高了GaN紫外LED的出光效率，并可通过简易化学腐蚀的方法实现LED芯片的无应变剥离和自支撑转移，有利于实现柔性衬底的照片工作，具有良好的应用前景。本发明以纳米图形化(PSS)蓝宝石作为外延基底，使用MOCVD等方法生长ZnO低温缓冲层和高温外延层，以ZnO外延层作为高品质的导电协变衬底，后续生长GaN紫外LED外延。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明。本发明并不局限于上述实施方式，如果这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (7)
1.ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，以纳米图形化(PSS)蓝宝石作为外延基底，使用MOCVD方法生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，以ZnO外延层作为高品质导电衬底，后续生长GaN紫外LED外延，LED芯片经剥离和转移后，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED。
2.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层均为单晶结构，低温缓冲层厚度约为200-400nm，高温外延层厚度约为2-4μm。ZnO和GaN具有相似的晶体结构和晶格常数，以ZnO单晶层作为GaN基LED的衬底材料，可实现良好的晶格匹配，并可大大减小GaN缓冲层厚度，降低成本。
3.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，利用ZnO外延过程中Al的扩散，可以形成高电导层，从而作为和n型GaN接触的电子传导层，且导电性可控。
4.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，利用ZnO的介电常数介于GaN和空气之间，该结构可提高LED的出光效率。
5.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，利用垂直于ZnO的位错，采用湿法腐蚀形成表面织构的粗糙表面，提高LED的出光效率。
6.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，该结构中LED芯片可通过简易化学腐蚀的方法实现无应变剥离和自支撑转移，这种倒装结构的LED可转移至金属和柔性衬底上，从而实现基于柔性衬底的照明工程。
7.根据权利要求1所述的ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED的制备方法，具体实现步骤为：
(1)以PSS蓝宝石为基底，使用MOCVD等工艺生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，形成ZnO导电协变衬底，在此衬底上生长GaN紫外LED外延；
(2)使用化学腐蚀方法实现自蓝宝石基底上对ZnO协变衬底GaN紫外LED芯片的剥离；
(3)剥离后倒装结构的LED芯片可转移至金属和柔性衬底上，形成垂直结构型GaN紫外LED。
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