CN110120448B - 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法 - Google Patents

一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110120448B
CN110120448B CN201910375275.6A CN201910375275A CN110120448B CN 110120448 B CN110120448 B CN 110120448B CN 201910375275 A CN201910375275 A CN 201910375275A CN 110120448 B CN110120448 B CN 110120448B
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
temperature
growth
led
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910375275.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110120448A (zh
Inventor
龙浩
冯笑杰
田梦飞
张保平
应磊莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN201910375275.6A priority Critical patent/CN110120448B/zh
Publication of CN110120448A publication Critical patent/CN110120448A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110120448B publication Critical patent/CN110120448B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Abstract

一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，涉及半导体发光二极管器件。在衬底上形成过渡层；采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在过渡层上生长LED外延片；采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；对沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。可有效改善LED的散热性能，有利于提高LED器件的可靠性。金属具有较好的导热性能，进而实现高可靠性的LED工作，延长LED的寿命。

Description

一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管(LED)器件，尤其是涉及一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法。
背景技术
氮化物半导体作为一种宽禁带直接带隙半导体，其发光覆盖整个可见光段。在半导体照明、微显示等方面具有广阔的应用前景。
目前，商业化的氮化物LED器件绝大多数采用蓝宝石衬底，因为蓝宝石衬底本身的导热性较差，大功率发光器件的效率不能得到明显的提升，所以为了提高大功率LED的散热性能，解决传统平面器件效率等问题，人们提出了垂直结构。该技术路线主要是用激光剥离、电镀或键合工艺将器件从现有衬底转移到导热导电性能更好的衬底上。激光剥离技术的主要原理是利用外延层对紫外激光的吸收，当紫外激光透过蓝宝石衬底照射到氮化物半导体界面后，氮化物半导体会吸收激光能量而分解，从而分离外延层与衬底。由于GaN在此过程中高温(900～1000℃)分解为金属Ga和氮气，并产生一个冲击波，这会使激光剥离后的器件产生损伤，增大器件的漏电流，影响器件光提取效率、性能和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供不仅可以提高三族氮化物材料晶体质量和LED器件性能，同时可以有效降低垂直结构LED器件激光剥离阈值，减小激光剥离工艺对半导体外延层及器件损伤的一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法。
本发明包括如下步骤：
1)在衬底上形成过渡层；
在步骤1)中，所述在衬底上形成过渡层的具体方法可为：
1.1在衬底上采用光刻、电子束曝光、纳米压印技术形成掩膜，或在衬底上覆盖金属荫罩，再采用磁控溅射、真空蒸镀或图形化电镀等，沉积金属或合金，形成厚度为10～150nm的金属掩膜(金属层)；
1.2采用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，所述低温GaN缓冲层和高温GaN层的总厚度为10～600nm，其中，低温GaN缓冲层具有降低位错密度和调控应力的作用，并在GaN与衬底分离时作为牺牲层；分子束外延的生长温度为：生长低温缓冲层MBE的温度为380～450℃，MOCVD的温度为500～600℃；生长高温层MBE的温度为700～900℃，MOCVD的温度为900～1100℃。
所述衬底可采用可实现GaN生长的材料，所述可实现GaN生长的材料可选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、AlN衬底、LiAlO2衬底等；衬底的直径尺寸可为2～10英寸。
所述过渡层可采用熔点大于1000℃的金属与低温GaN缓冲层材料共同组成，过渡层厚度为50～600nm；所述金属可选自钨、铂、铬、金、银、铁、镍、铝、钛、锰、钼、铜等。金属掩膜(金属层)的厚度可为10～150nm，金属掩膜图形可为长条矩形，正方形或圆形等，金属掩膜图形的尺寸为100nm～500μm，所述金属掩膜图形的尺寸包括圆形的直径、矩形的长或宽等，金属掩膜图形在衬底上呈周期性或无序排列，金属图形之间的间隔为100nm～500μm。
2)采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片；所述外延生长技术包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合，所述其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合包括但不限于先用MOCVD生长高温GaN，再利用MBE技术实时监测生长量子阱，最后再用MOCVD技术生长p型GaN；所述LED外延片包括但不限于高温非掺杂GaN薄膜、n型GaN层、量子阱结构和p型GaN层；
在步骤2)中，所述采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片的具体方法可为：
2.1在过渡层上继续生长厚度在500nm～10μm的高温GaN薄膜，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；在生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数，如：不同时期不同生长技术采用不同的反应室温度、压力和气体流量等。
2.2在高温GaN层上生长厚度为500nm～3μm的n型GaN，采用硅元素掺杂，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃，在上述生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数。
2.3在n型GaN层上生长1～20个周期的量子阱结构，每一个量子阱周期包含一个阱区和一个垒区，其中，所述阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，采用MOCVD生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；所述垒区为本征半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂半导体，厚度为5～50nm，采用MOCVD生长垒区的温度为700～1020℃，压力为100～450Torr；
2.4在量子阱上生长厚度为150～500nm的p型GaN，可采用Mg等元素掺杂，采用MOCVD生长温度为900～1050℃，压力为100～450Torr。
3)采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积(CVD)、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；
在步骤3)中，所述10～200nm的ITO薄膜的退火温度可为300～600℃。
4)对步骤3)沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。
在步骤4)中，所述制备正装LED的方法可为：利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀等手段刻蚀出n型GaN层，再利用磁控溅射等方法沉积n电极和p电极，最后利用激光划片等方法将器件分离；
所述制备垂直结构LED的方法可为：采用衬底转移技术和分离技术，将原衬底与LED外延层剥离，并进行机械研磨、化学抛光，采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或激光划片进行器件分离和采用磁控溅射或电子束蒸发等手段进行电极生长；衬底转移技术包括：采用磁控溅射和电镀、键合或其他技术，在所述ITO层上制备厚度超过200μm的金属衬底、金属复合衬底或其他衬底，所述金属衬底为Cu、Ni等，所述金属复合衬底为Cr-Au-Cu等，所述其他衬底为Si等，所述衬底具有支撑作用，并较原衬底具有更好的导电和导热特性；原衬底分离技术包括：激光剥离技术、化学机械抛光、加热处理或自分离技术。其中，激光剥离技术可采用波长小于365nm的紫外激光器(如248nm的KrF脉冲激光器)，对完成衬底转移的LED，从原衬底方向进行照射并实现分离；机械化学抛光可采用机械研磨和可腐蚀原有衬底而不会对其他部分造成影响的溶液(如KOH腐蚀Si衬底)去除原有衬底；加热处理可采用500～750℃进行局部加热，从而使过渡层分解。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优势和效果：
1)本发明是一种简单、实用并且低成本的改善晶体质量的技术。研究表明，选用金属衬底掩膜与非晶GaN结合的过渡层可以有效降低位错密度，改善晶体质量，从而提高LED的发光效率。并且金属掩膜衬底价格低廉、方法成熟、可实现大规模量产。
2)本发明可以有效改善LED的散热性能，有利于提高LED器件的可靠性。由于金属具有较好的导热性能，可以帮助LED在工作过程中的热量传递，进而实现高可靠性的LED工作，延长LED的寿命；
3)本发明可以降低激光剥离的阈值能量，减小激光剥离技术对LED外延片的损伤，有利于LED与原有衬底的分离，提高LED的发光特性。由于金属/蓝宝石界面对紫外光具有强烈的吸收，并且金属具有良好的导电导热特性，有利于热量向GaN的集中，从而对过渡层具有很好的局部加热能力，一定程度上减小了冲击波对LED器件的伤害。
附图说明
图1为金属掩膜与低温GaN和高温GaN形成过渡层示意图；
图2为本发明制备LED的流程示意图。
图3为具体实施例3的微米圆柱LED外延片示意图。
在图中，各标记为：1—衬底；2—金属掩膜；3—低温GaN和高温GaN外延层。
具体实施方式
下面结合通过实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明实施例包括如下步骤：
1)在衬底上形成过渡层，具体方法为：
1.1在衬底上采用光刻、电子束曝光、纳米压印技术形成掩膜，或在衬底上覆盖金属荫罩，再采用磁控溅射、真空蒸镀或图形化电镀等，沉积金属或合金，形成厚度为10～150nm的金属掩膜(金属层)；
1.2采用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，所述低温GaN缓冲层和高温GaN层的总厚度为10～600nm，其中，低温GaN缓冲层具有降低位错密度和调控应力的作用，并在GaN与衬底分离时作为牺牲层；分子束外延的生长温度为：生长低温缓冲层MBE的温度为380～450℃，MOCVD的温度为500～600℃；生长高温层MBE的温度为700～900℃，MOCVD的温度为900～1100℃。
所述衬底采用可实现GaN生长的材料，所述可实现GaN生长的材料可选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、AlN衬底、LiAlO2衬底等；衬底的尺寸可为2～10英寸。
所述过渡层采用熔点大于1000℃的金属与低温GaN缓冲层材料共同组成，过渡层厚度为50～600nm；所述金属选自钨、铂、铬、金、银、铁、镍、铝、钛、锰、钼、铜等，。金属掩膜(金属层)的厚度可为10～150nm，金属掩膜图形可为长条矩形，正方形或圆形等，金属掩膜图形的尺寸(如：圆形的直径、矩形的长或宽等)为100nm～500μm，金属掩膜图形在衬底上呈周期性或无序排列，金属图形之间的间隔为100nm～500μm(如图1)。
2)采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片，具体方法为：
2.1在过渡层上继续生长厚度在500nm～10μm的高温GaN薄膜，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；在生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数，如：不同时期不同生长技术采用不同的反应室温度、压力和气体流量等。
2.2在高温GaN层上生长厚度为500nm～3μm的n型GaN，采用硅元素掺杂，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃，在上述生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数。
2.3在n型GaN层上生长1～20个周期的量子阱结构，每一个量子阱周期包含一个阱区和一个垒区，其中，所述阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，采用MOCVD生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；所述垒区为本征半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂半导体，厚度为5～50nm，采用MOCVD生长垒区的温度为700～1020℃，压力为100～450Torr；
2.4在量子阱上生长厚度为150～500nm的p型GaN，可采用Mg等元素掺杂，采用MOCVD生长温度为900～1050℃，压力为100～450Torr。
所述外延生长技术包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合，所述其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合包括先用MOCVD生长高温GaN，再利用MBE技术实时监测生长量子阱，最后再用MOCVD技术生长p型GaN。
所述LED外延片包括但不限于高温非掺杂GaN薄膜、n型GaN层、量子阱结构和p型GaN层。
3)采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积(CVD)、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；所述10～200nm的ITO薄膜的退火温度为300～600℃。
4)对步骤3)沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。所述制备正装LED的方法为：利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀等手段刻蚀出n型GaN层，再利用磁控溅射等方法沉积n电极和p电极，最后利用激光划片等方法将器件分离；
所述制备垂直结构LED的方法为：采用衬底转移技术和分离技术，将原衬底与LED外延层剥离，并进行机械研磨、化学抛光，采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或激光划片进行器件分离和采用磁控溅射或电子束蒸发等手段进行电极生长；衬底转移技术包括：采用磁控溅射和电镀、键合或其他技术，在所述ITO层或LED外延片的p型GaN层上制备厚度超过200μm的金属衬底、金属复合衬底或其他导热性好的衬底，所述金属衬底为Cu、N等，所述金属复合衬底为Cr-Au-Cu等，所述其他导热性好的衬底为Si等衬底。所述衬底具有支撑作用，并较原衬底具有更好的导电和导热特性；衬底分离技术包括：激光剥离技术、化学机械抛光、加热处理或自分离技术。其中，激光剥离技术可采用波长小于365nm的紫外激光器(如248nm的KrF脉冲激光器)，对完成衬底转移的LED，从原衬底方向进行照射并实现分离；机械化学抛光可采用机械研磨和可腐蚀原有衬底而不会对其他部分造成影响的溶液(如KOH腐蚀Si衬底)去除原有衬底；加热处理可采用500～750℃进行局部加热，从而使过渡层分解。
以下给出具体实施例。
实施例1：正装c面LED的制备，参见图2。
1、衬底可为蓝宝石、碳化硅、Si等衬底。使用光刻技术，在衬底上形成开口尺寸在1～500μm，占空比(无光刻胶：有光刻胶)为1︰(10～1)的图形化光刻胶，图形可为：长条矩形，正六边形或圆形等，单层图形的排列方式可以是等周期排列也可是无序排列；再使用磁控溅射技术在该衬底上沉积熔点大于1000℃的金属，厚度在10～150nm。该图形化金属层可以是单层也可以多层，每层的图形方向和沉积厚度可以根据需要进行设计。金属沉积结束后，采用丙酮或其他可以去除光刻胶且不伤害外延片的溶液，和超声清洗的方法将光刻胶去除。本实施例选用c面蓝宝石衬底，选用等周期长条矩形，开口尺寸1μm，占空比1︰5，100nm厚的单层Cr金属图形化掩膜，选用丙酮去除光刻胶。
2、采用MBE、MOCVD技术，在上述金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层过渡层，总厚度在10～600nm。本实施例中采用100nm低温GaN层，100nm高温GaN层。MBE生长低温缓冲层温度为380～450℃，生长高温层温度为700～900℃；MOCVD生长低温缓冲层温度为500～600℃；生长高温层温度为900～1100℃，本实施例中采用MBE生长技术，低温层采用400℃，高温层采用800℃。
3、采用MOCVD生长技术生长LED外延结构。生长过程中的载气为氮气和氢气。
首先在高温条件下生长非掺杂GaN(u-GaN)层，厚度在500nm～10μm。高温非掺杂GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例中，采用生长温度1040℃，压力300Torr，生长厚度为3μm的高温GaN层。
然后在高温条件下生长n型GaN层，厚度在500nm～3μm。其中，n型掺杂采用硅元素掺杂，掺杂浓度在，n型GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度1020℃，压力300Torr，生长厚度为2μm的n型GaN层。
随后在n型GaN层上生长InGaN/GaN量子阱结构，周期在1～20个周期，阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；垒区为本征GaN半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂GaN，厚度为5～50nm，生长垒区的温度范围在700～1020℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，5个周期的多量子阱结构，阱区采用15％In组分的InGaN，厚度为5nm，生长温度为700℃，压力为300Torr；垒区采用本征GaN材料，厚度为15nm，生长温度为900℃，压力为300Torr。
最后在高温条件下生长p型GaN层，厚度在150～500nm。其中，p型掺杂采用镁元素掺杂，掺杂浓度在，p型GaN层的生长温度范围在900～1050℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度900℃，压力为100Torr，厚度200nm。
4、采用磁控溅射技术在LED外延片上沉积ITO薄膜，并进行退火，厚度在10～200nm，退火温度在300～600℃。本实施例采用，厚度60nm，退火温度530℃。
5、利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀出n型GaN台面，器件大小为100μm×100μm～1mm×1mm，再利用光刻和磁控溅射技术，分别在p型GaN和n型GaN表面沉积n电极和p电极，电极材料为Cr/Au、Ni/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度在10～500nm。本实施例采用，器件大小300μm×300μm，电极材料Cr/Au，总厚度180nm，其中Cr 30nm，Au 150nm。
6、对上述样品进行激光划片，制备成300μm×300μm大小的芯片，再进行封装，制备LED。
实施例2：c面垂直结构LED的制备：
1、衬底可为蓝宝石、碳化硅、Si等衬底。使用光刻技术，在衬底上形成开口尺寸在1～500μm，占空比(无光刻胶：有光刻胶)为1︰(10～1)的图形化光刻胶，图形可为：长条矩形，正六边形或圆形等，单层图形的排列方式可以是等周期排列也可是无序排列；再使用磁控溅射技术在该衬底上沉积熔点大于1000℃的金属，厚度在10～150nm。该图形化金属层可以是单层也可以多层，每层的图形方向和沉积厚度可以根据需要进行设计。金属沉积结束后，采用丙酮或其他可以去除光刻胶且不伤害外延片的溶液，和超声清洗的方法将光刻胶去除。本实施例选用c面蓝宝石衬底，选用等周期圆形，开口尺寸100μm，占空比1︰5，100nm厚的单层钨金属图形化掩膜，选用丙酮去除光刻胶。
2、采用MBE、MOCVD技术，在上述金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层过渡层，总厚度在10～600nm。本实施例中采用100nm低温GaN层，100nm高温GaN层。MBE生长低温缓冲层温度为380～450℃，生长高温层温度为700～900℃；MOCVD生长低温缓冲层温度为500～600℃；生长高温层温度为900～1100℃，本实施例中采用MBE生长技术，低温层采用400℃，高温层采用800℃。
3、采用MOCVD生长技术生长LED外延结构。生长过程中的载气为氮气和氢气。
首先在高温条件下生长非掺杂GaN(u-GaN)层，厚度在500nm～10μm。高温非掺杂GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例中，采用生长温度1040℃，压力300Torr，生长厚度为3μm的高温GaN层。
然后在高温条件下生长n型GaN层，厚度在500nm～3μm。其中，n型掺杂采用硅元素掺杂，掺杂浓度在，，n型GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度1020℃，压力300Torr，生长厚度为2μm的n型GaN层。
随后在n型GaN层上生长量子阱结构，周期在1～20个周期，阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；垒区为本征半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂半导体，厚度为5～50nm，生长垒区的温度范围在700～1020℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，5个周期的多量子阱结构，阱区采用15％In组分的InGaN，厚度为5nm，生长温度为700℃，压力为300Torr；垒区采用本征GaN材料，厚度为15nm，生长温度为900℃，压力为300Torr。
最后在高温条件下生长p型GaN层，厚度在150～500nm。其中，p型掺杂采用镁元素掺杂，掺杂浓度在，p型GaN层的生长温度范围在900～1050℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度900℃，压力为100Torr，厚度200nm。
4、采用磁控溅射技术在LED外延片上沉积ITO薄膜，并进行退火，厚度在10～200nm，退火温度在300～600℃。本实施例采用，厚度60nm，退火温度530℃。
5、采用磁控溅射或电子束蒸发等手段进行p电极生长，再采用衬底转移和分离技术，将原衬底与LED外延层剥离，并进行机械研磨、化学抛光。
首先利用光刻和磁控溅射等LED常规制备技术，在ITO表面沉积p型电极，电极材料为Cr/Au、Ni/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度均在10～500nm。本实施例采用，电极材料Cr/Au，总厚度180nm，其中Cr 30nm，Au 150nm。
再采用键合的方法，将p型电极与Cu、Ni、Si、Cu-Mo-Cu金属复合衬底或其他合金进行键合，形成新的具有导电导热和支撑作用的衬底，衬底厚度大于200μm。本实施例采用，厚度为1mm的支撑衬底Si。
再利用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，得到以Si衬底为支撑的垂直结构LED。激光剥离技术可采用准分子激光器(如KrF激光器)、固体紫外激光器(如YAG激光器)对已转移衬底的LED背面照射实现分离。本实施例采用，248nmKrF紫外脉冲激光器。通过金属钨对紫外的强烈吸收，分离LED芯片与蓝宝石衬底。
6、利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀将器件分离，器件尺寸为100μm×100μm～1mm×1mm，再利用光刻、磁控溅射技术在n型GaN表面上沉积n型电极，电极材料为Cr/Au，Ni/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度在10～500nm。本实施例采用，器件尺寸1mm×1mm，电极材料Cr/Au，总厚度180nm，其中Cr 30nm，Au 150nm。
7、对上述样品进行激光划片，制备成1mm×1mm大小的芯片，再进行封装，制备垂直结构LED。
实施例3：微米圆柱LED外延片的制备：
1、衬底可为蓝宝石、碳化硅、Si等衬底。使用光刻技术，在衬底上形成开口尺寸在100nm～10μm，占空比(有光刻胶：无光刻胶)为1︰(10～1)的图形化光刻胶，图形可为：长条矩形，正六边形或圆形等，单层图形的排列方式可以是等周期排列也可是无序排列；再使用磁控溅射技术在该衬底上沉积熔点大于1000℃的金属，厚度在10～150nm，每层的图形方向和沉积厚度可以根据需要进行设计。金属沉积结束后，采用丙酮或其他可以去除光刻胶且不伤害外延片的溶液，和超声清洗的方法将光刻胶去除。本实施例选用c面蓝宝石衬底，选用等周期圆形，开口尺寸1微米，占空比1︰10，150nm厚的Cr/Au金属图形化掩膜，选用丙酮去除光刻胶。
2、采用MBE、MOCVD技术，在上述金属掩膜衬底上生长图形化低温GaN缓冲层和高温GaN层过渡层，总厚度在10～600nm。本实施例中采用100nm低温GaN层，100nm高温GaN层。MBE生长低温缓冲层温度为380～450℃，生长高温层温度为700～900℃；MOCVD生长低温缓冲层温度为500～600℃；生长高温层温度为900～1100℃，本实施例中采用MBE生长技术，低温层采用400℃，高温层采用800℃。
3、采用MOCVD生长技术生长微米圆柱LED外延结构。生长过程中的载气为氮气和氢气。
首先在高温条件下生长非掺杂GaN(u-GaN)层，厚度在500nm～10μm。高温非掺杂GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例中，采用生长温度1040℃，压力300Torr，生长厚度为3μm的高温GaN层。
然后在高温条件下生长n型GaN层，厚度在500nm～3μm。其中，n型掺杂采用硅元素掺杂，掺杂浓度在，，n型GaN层的生长温度范围在1000～1100℃，压力范围在50～700Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度1020℃，压力300Torr，生长厚度为2μm的n型GaN层。
随后在n型GaN层上生长InGaN/GaN量子阱结构，周期在1～20个周期，阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；垒区为本征GaN半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂GaN半导体，厚度为5～50nm，生长垒区的温度范围在700～1020℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，5个周期的多量子阱结构，阱区采用15％In组分的InGaN，厚度为5nm，生长温度为700℃，压力为300Torr；垒区采用本征GaN材料，厚度为15nm，生长温度为900℃，压力为300Torr。
最后在高温条件下生长p型GaN层，厚度在150～500nm。其中，p型掺杂采用镁元素掺杂，掺杂浓度在，p型GaN层的生长温度范围在900～1050℃，压力范围在100～450Torr。本实施例采用，掺杂浓度，生长温度900℃，压力为100Torr，厚度200nm。如图3所示。

Claims (3)

1.一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在衬底上形成过渡层，具体方法为：
1.1在衬底上采用光刻、电子束曝光、纳米压印技术形成掩膜，或在衬底上覆盖金属荫罩，再采用磁控溅射、真空蒸镀或图形化电镀，沉积金属或合金，形成厚度为10～150nm的金属掩膜；
1.2采用分子束外延、金属有机化学气相沉积，在金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，所述低温GaN缓冲层和高温GaN层的总厚度为10～600nm，其中，低温GaN缓冲层具有降低位错密度和调控应力的作用，并在GaN与衬底分离时作为牺牲层；生长条件为：生长低温缓冲层MBE的温度为380～450℃，MOCVD的温度为500～600℃；生长高温层MBE的温度为700～900℃，MOCVD的温度为900～1100℃；
所述衬底采用实现GaN生长的材料，所述实现GaN生长的材料选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、AlN衬底、LiAlO2衬底；衬底的直径尺寸为2～10英寸；
所述金属掩膜采用熔点大于1000℃的金属，过渡层厚度为50～600nm；所述金属选自钨、铂、铬、金、银、铁、镍、铝、钛、锰、钼、铜；金属掩膜的厚度为10～150nm，金属掩膜图形为长条矩形，正方形或圆形，金属掩膜图形的尺寸为100nm～500μm，所述金属掩膜图形的尺寸包括圆形的直径、矩形的长或宽，金属掩膜图形在衬底上呈周期性或无序排列，金属图形之间的间隔为100nm～500μm；
2）采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1）的过渡层上生长LED外延片，具体方法为：
2.1在过渡层上继续生长厚度在500nm～10μm的高温GaN薄膜，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；
2.2在高温GaN薄膜上生长厚度为500nm～3μm的n型GaN，采用硅元素掺杂，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；
2.3在n型GaN层上生长1～20个周期的量子阱结构，每一个量子阱周期包含一个阱区和一个垒区，其中，所述阱区为In组分含量在5%～30%的InGaN材料，厚度为1～10nm，采用MOCVD生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；所述垒区为本征半导体，或n型掺杂半导体，厚度为5～50nm，采用MOCVD生长垒区的温度为700～1020℃，压力为100～450Torr；
2.4在量子阱上生长厚度为150～500nm的p型GaN，采用Mg元素掺杂，采用MOCVD生长温度为900～1050℃，压力为100～450Torr；
3）采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；所述10~200nm的ITO薄膜的退火温度为300～600℃；
4）对步骤3）沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装工艺，即制备垂直结构LED；
所述制备正装LED的方法为：利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀手段刻蚀出n型GaN层，再利用磁控溅射方法沉积n电极和p电极，最后利用激光划片方法将器件分离；
所述制备垂直结构LED的方法为：采用衬底转移技术和分离技术，将原衬底与LED外延层剥离，并进行机械研磨、化学抛光，采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或激光划片进行器件分离和采用磁控溅射或电子束蒸发手段进行电极生长；
所述衬底转移技术包括：采用磁控溅射和电镀、键合，在所述ITO层上制备厚度超过200μm的金属衬底、金属复合衬底或其他衬底，所述金属衬底为Cu、Ni衬底，所述金属复合衬底为Cr-Au-Cu衬底，所述其他衬底为Si衬底；
衬底分离技术包括：激光剥离技术、化学机械抛光、加热处理或自分离技术，其中，激光剥离技术采用波长小于365nm的紫外激光器，对完成衬底转移的LED，从原衬底方向进行照射并实现分离；化学机械抛光采用机械研磨和可腐蚀原有衬底而不会对其他部分造成影响的溶液去除原有衬底；加热处理采用500～750℃进行局部加热，从而使过渡层分解。
2.如权利要求1所述一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于在步骤2）中，所述外延生长技术包括分子束外延、金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延或其他调整生长参数和改变生长结构的技术的组合，所述其他调整生长参数和改变生长结构的技术的组合包括先用MOCVD生长高温GaN，再利用MBE技术实时监测生长量子阱，最后再用MOCVD技术生长p型GaN。
3.如权利要求1所述一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于在步骤2）中，所述LED外延片包括高温非掺杂GaN薄膜、n型GaN层、量子阱结构和p型GaN层。
CN201910375275.6A 2019-05-07 2019-05-07 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法 Active CN110120448B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910375275.6A CN110120448B (zh) 2019-05-07 2019-05-07 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910375275.6A CN110120448B (zh) 2019-05-07 2019-05-07 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110120448A CN110120448A (zh) 2019-08-13
CN110120448B true CN110120448B (zh) 2021-05-25

Family

ID=67520388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910375275.6A Active CN110120448B (zh) 2019-05-07 2019-05-07 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110120448B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021088786A1 (en) * 2019-11-04 2021-05-14 The University Of Hong Kong Spectral red-shifting of light-emitting diodes by indium tin oxide deposition and annealing
CN112382644B (zh) * 2020-11-10 2022-11-15 北京创盈光电医疗科技有限公司 一种micro LED芯片的光疗仪治疗头的制备方法
CN113421953B (zh) * 2021-06-24 2022-12-13 马鞍山杰生半导体有限公司 深紫外发光二极管及其制作方法
CN114823324B (zh) * 2022-06-23 2022-09-16 华灿光电(苏州）有限公司 用于减小划道宽度的发光二极管芯片的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101071794A (zh) * 2003-05-08 2007-11-14 住友电气工业株式会社 Iii－v族晶体及其生产方法
CN102244162A (zh) * 2011-07-14 2011-11-16 北京燕园中镓半导体工程研发中心有限公司 一种发光二极管的制备方法
CN102244167A (zh) * 2011-07-28 2011-11-16 北京大学 一种单芯片白光led的制备方法
CN108807631A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 五邑大学 一种双镜面结构的led外延片及其制备方法
CN108807609A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 五邑大学 金属纳米粒子修饰的图形化衬底led的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101020961B1 (ko) * 2008-05-02 2011-03-09 엘지이노텍 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
US20160211431A1 (en) * 2015-01-21 2016-07-21 Korea Institute Of Science And Technology Heat radiation sheet, light emitting device, and heat radiation back sheet for photovoltaic module, each including boron nitride heat dissipation layer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101071794A (zh) * 2003-05-08 2007-11-14 住友电气工业株式会社 Iii－v族晶体及其生产方法
CN102244162A (zh) * 2011-07-14 2011-11-16 北京燕园中镓半导体工程研发中心有限公司 一种发光二极管的制备方法
CN102244167A (zh) * 2011-07-28 2011-11-16 北京大学 一种单芯片白光led的制备方法
CN108807631A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 五邑大学 一种双镜面结构的led外延片及其制备方法
CN108807609A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 五邑大学 金属纳米粒子修饰的图形化衬底led的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110120448A (zh) 2019-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110120448B (zh) 一种基于金属掩膜衬底的氮化物led制作方法
US9530936B2 (en) Light emitting diode having vertical topology and method of making the same
TWI231077B (en) Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
TWI422068B (zh) 粗化方法及具粗化表面之發光二極體製備方法
CN101661985B (zh) 一种垂直结构氮化镓基发光二极管制作方法
CN101673792B (zh) 一种基于无掩模转移光子晶体结构的GaN基薄膜LED的制造方法
EP2226855B1 (en) Light emitting device
WO2005074046A1 (en) Gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device
CN103681996B (zh) 一种紫外发光二极管及其制备方法
WO2022135304A1 (zh) 纳米图形衬底上生长的AlInGaN紫外发光二极管及其制造方法
KR101316115B1 (ko) 수직형 발광 다이오드 제조방법
CN102334203B (zh) 发光器件的制造方法
CN103996764B (zh) 生长在Ag衬底的LED外延片及其制备方法和应用
JP2008066590A (ja) 化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法
CN101937952A (zh) 一种薄膜氮化镓基发光二极管的制作方法
CN203596359U (zh) 一种紫外发光二极管
CN113838816A (zh) 一种具有金刚石钝化层的氮化镓基二极管器件的制备方法
CN112563380A (zh) Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法
US8319227B2 (en) Light emitting device
KR100838756B1 (ko) 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법
CN114551653B (zh) 一种利用图形化金刚石材料改善Micro-LED通信性能的方法及器件
US8536585B2 (en) Semiconductor light emitting device including anode and cathode having the same metal structure
WO2014034762A1 (ja) 窒化物半導体素子
KR101364719B1 (ko) 수직형 발광 다이오드 제조방법
KR20090063808A (ko) 발광다이오드 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant