CN110459659A - 发光二极管外延片及其制造方法、制造芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法、制造芯片的方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管外延片包括依次层叠的衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色。本发明通过在衬底和原本呈现白色的AlN纯净物之间增设Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中，整体呈现灰色或者黑色，有利于吸收激光，实现衬底与外延片的分离，进而制造出垂直结构的芯片。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法、制造芯片的方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。深紫外(英文：Deep Ultra Violet，简称：DUV)LED是指发光中心波长短于290nm的LED。DUV LED与低压泵灯相比，具有无泵、体积小、寿命长、功耗低等优点，在消毒杀菌领域具有广阔的应用前景。而且随着《水俣公约》的生效，含泵灯管的生产和使用会在2020年前停止，DUV LED的需求迫在眉睫。
外延片是LED制造过程中的初级成品。现有的LED外延片包括依次层叠的衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底用于为外延材料提供生长表面，缓冲层用于为外延生长提供模板，N型半导体层用于提供复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的复合发光，P型半导体层用于提供复合发光的空穴。在DUV LED外延片中，N型半导体层、有源层和P型半导体层均采用Al组分含量较高的AlGaN层，以发出中心波长短于290nm的光线；同时缓冲层采用AlN层，以生长出Al组分含量较高的AlGaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
芯片是LED的核心组件。垂直结构的LED芯片具有最佳的散热效率、出光效率和电流扩展性，而且能够最大限度的减少芯片制造过程中的发光面积损失。制造垂直结构的LED芯片时，需要先将LED外延片固定连接到导电基板上，再采用激光剥离技术从LED外延片上去除衬底。激光剥离技术是利用激光从衬底一侧辐照LED外延片，激光的光子能量大于衬底材料的禁带宽度且小于外延材料的禁带宽度，靠近衬底的缓冲层吸收激光而发生热分解，生成氮气和金属，氮气膨胀产生的作用力将衬底与LED外延片分离，而残留在衬底和LED外延片上的金属可以通过盐酸去除。由于激光的波长一般为266nm，光子能量只能达到4.66eV，而DUV LED外延片的缓冲层采用的AlN的禁带宽度可以达到6.2eV，大于激光的光子能量，因此激光很难被DUV LED外延片的缓冲层吸收，无法利用激光剥离技术实现DUV LED外延片的衬底分离，制造垂直结构的DUV LED芯片。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法、制造芯片的方法，有利于DUV LED外延片的缓冲层吸收激光，实现DUV LED外延片的衬底分离，从而制造出垂直结构的DUV LED芯片。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括依次层叠的衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色。
可选地，所述Al单质和所述AlN化合物的摩尔比为0.02～0.1。
可选地，所述第一缓冲层的厚度为10nm～100nm。
进一步地，所述第二缓冲层的厚度为1μm～10μm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上形成第一缓冲层，所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；
在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色；
在所述第二缓冲层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
在本发明实施例一种可能的实现方式中，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第一阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入TMAl和NH3，生成AlN化合物，所述AlN化合物沉积在所述衬底上；
在第二阶段，停止向所述MOCVD反应室内通入NH3，持续向所述MOCVD反应室内通入TMAl，生成Al单质，所述Al单质混在所述AlN化合物中；
交替进行所述第一阶段和所述第二阶段，形成所述缓冲层。
在本发明实施例另一种可能的实现方式中，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第三阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入第一流量的TMAl和第二流量的NH3，生成Al化合物，所述AlN化合物沉积在所述衬底上；
在第四阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入所述第一流量的TMAl和第三流量的NH3，生成Al单质，所述Al单质混在所述AlN化合物中，所述第三流量小于所述第二流量；
交替进行所述第三阶段和所述第四阶段，形成所述缓冲层。
在本发明实施例又一种可能的实现方式中，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入物理气相沉积PVD反应室内；
持续向所述PVD反应室内通入第四流量的N2和Ar，Ar形成等离子体轰击Al靶材，与N2形成的等离子体反应，生成Al单质和AlN化合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中沉积在所述衬底上。
又一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片制造芯片的方法，所述方法包括：
提供一发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括依次层叠的衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色；
将所述P型半导体层固定到导电基板上；
采用激光从衬底一侧照射所述发光二极管外延片，激光被呈现灰色或者黑色的第一缓冲层吸收，AlN化合物在激光的作用下热分解生成Al单质和N2，N2膨胀产生的作用力将所述衬底从所述发光二极管外延片上分离。
可选地，所述方法还包括：
在所述衬底从所述发光二极管外延片上分离之后，采用刻蚀技术去除所述第二缓冲层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底和原本呈现白色的AlN纯净物之间增设Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中，整体呈现灰色或者黑色，有利于吸收激光，使得激光的能量积累，引起AlN热分解生单质Al和氮气，氮气膨胀产生的作用力将衬底从外延片上分离，实现垂直结构的DUV LED芯片的制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一缓冲层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的第二缓冲层的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片制造芯片的方法的流程图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片。图1为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图。参见图1，该发光二极管外延片包括依次层叠的衬底10、第一缓冲层20、第二缓冲层30、N型半导体层40、有源层50和P型半导体层60。
图2为本发明实施例提供的第一缓冲层的结构示意图。参见图2，第一缓冲层20为Al单质21和AlN化合物22的混合物，Al单质21混在AlN化合物22中，使第一缓冲层20呈现灰色或者黑色。
图3为本发明实施例提供的第二缓冲层的结构示意图。参见图3，第二缓冲层30为AlN化合物22的纯净物，使第二缓冲层30呈现白色。
本发明实施例通过在衬底和原本呈现白色的AlN纯净物之间增设Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中，整体呈现灰色或者黑色，有利于吸收激光，使得激光的能量积累，引起AlN热分解生单质Al和氮气，氮气膨胀产生的作用力将衬底从外延片上分离，实现垂直结构的DUV LED芯片的制造。而且Al单质和AlN化合物的混合物上形成有AlN纯净物，不会影响到后续外延材料的生长。
可选地，Al单质21和AlN化合物22的摩尔比可以为0.02～0.1，一方面可以在AlN化合物中混入一定量的Al单质，整体可以呈现灰色或者黑色，有利于吸收激光实现衬底与外延片的分离；另一方面可以避免AlN化合物中混入过量的Al单质而造成缓冲层的质量太差，影响外延片的晶体质量。
可选地，第一缓冲层20的厚度可以为10nm～100nm，如15nm、20nm、30nm。一方面第一缓冲层具有一定的厚度，可以吸收激光实现衬底与外延片的分离；另一方面可以避免第一缓冲层过厚而影响外延片的晶体质量。
进一步地，第二缓冲层30的厚度可以为1μm～10μm，以保证后续外延材料的生长。
可选地，衬底10可以为蓝宝石衬底。N型半导体层40可以为N型掺杂的AlGaN层，N型半导体层40的厚度可以为1μm～3μm，N型半导体层40中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为5×1018～1×1020。有源层50可以由交替层叠的多个AlGaN势垒和多个AlGaN势阱构成，AlGaN势阱中Al组分的含量低于AlGaN势垒中Al组分的含量；AlGaN势垒的厚度可以分别为5nm～15nm，AlGaN势阱的厚度可以为1nm～3nm；AlGaN势垒的数量与AlGaN势阱的数量相同，AlGaN势阱的数量可以为3个～6个。P型半导体层60可以为掺杂Mg的AlGaN，P型半导体层60的厚度可以为50～500nm，P型半导体层60中Mg的掺杂浓度可以为5×1018～2×1020。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括成核层70，成核层70设置在衬底10和第一缓冲层20之间，以利于外延材料的生长。
进一步地，成核层70可以为AlN层，成核层70的厚度可以为10～50nm。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层80，电子阻挡层80设置在有源层50和P型半导体层60之间，以避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合。
进一步地，电子阻挡层80可以为掺杂Mg的AlGaN，电子阻挡层80的厚度可以为10～60nm，电子阻挡层80中Mg的掺杂浓度可以为1e18～5e19。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于制造图1所示的发光二极管外延片。图4为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。参见图4，该制造方法包括：
步骤101：在衬底上形成第一缓冲层。
在本实施例中，第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中，使第一缓冲层呈现灰色或者黑色。
在本实施例的一种实现方式中，该步骤101可以包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第一阶段，持续向MOCVD反应室内通入TMAl和NH3，生成AlN化合物，AlN化合物沉积在衬底上；
在第二阶段，停止向MOCVD反应室内通入NH3，持续向MOCVD反应室内通入TMAl，生成Al单质，Al单质混在AlN化合物中；
交替进行第一阶段和第二阶段，形成缓冲层。
可选地，第一阶段的时长可以为5s～50s，第二阶段的时长可以为5s～20s。
可选地，第一阶段和第二阶段通入的TMAl的流量可以为100μmol/min～300μmol/min，通入的NH3的流量可以为0.1mol/min～0.3mol/min。
可选地，第一阶段和第二阶段的数量可以为30个～200个周期。
示例性地，TMAl的流量与NH3的流量之比为200，第一阶段的时长和第二阶段的时长为5s，可以得到呈现黑色的第一缓冲层。
在本实施例的另一种实现方式中，该步骤101可以包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第三阶段，持续向MOCVD反应室内通入第一流量的TMAl和第二流量的NH3，生成Al化合物，AlN化合物沉积在衬底上；
在第四阶段，持续向MOCVD反应室内通入第一流量的TMAl和第三流量的NH3，生成Al单质，Al单质混在AlN化合物中，第三流量小于第二流量；
交替进行第三阶段和第四阶段，形成缓冲层。
可选地，第三阶段的时长可以为5s～50s，第四阶段的时长可以为10s～30s。
可选地，第一流量可以为100μmol/min～300μmol/min，第二流量可以为0.1mol/min～0.3mol/min，第三流量可以为0.01mol/min～0.03mol/min。
可选地，第三阶段和第四阶段的数量可以为30个～200个周期。
在本实施例的又一种实现方式中，该步骤101可以包括：
将衬底放入物理气相沉积PVD反应室内；
持续向PVD反应室内通入第四流量的N2和Ar，Ar形成等离子体轰击Al靶材，与N2形成的等离子体反应，在衬底上形成Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中。
可选地，第四流量可以为60sccm，可以得到呈现黑色的第一缓冲层。示例性地，PVD设备可以为iTops A330机型。
采用三种实现方式，都能得到呈现黑色或者灰色的第一缓冲层。
进一步地，第一缓冲层的生长温度可以为1050℃～1250℃，生长压力可以为30mbar～200mbar。
步骤102：在第一缓冲层上形成第二缓冲层。
在本实施例中，第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使第二缓冲层呈现白色。
可选地，第二缓冲层的生长温度可以为1200℃～1400℃，生长压力可以为30mbar～200mbar。
步骤103：在第二缓冲层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
可选地，N型半导体层的生长温度可以为1050℃～1200℃，生长压力可以为30mbar～200mbar；有源层的生长温度可以为950℃～1100℃，生长压力可以为30mbar～200mbar；P型半导体层的生长温度可以为900℃～1100℃，生长压力可以为50mbar～200mbar。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片制造芯片的方法，特别适用于采用图1所示的发光二极管外延片制造芯片。图5为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片制造芯片的方法的流程图。参见图5，该方法包括：
步骤201：提供一发光二极管外延片。
在本实施例中，该发光二极管外延片包括依次层叠的衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层。第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，Al单质混在AlN化合物中，使第一缓冲层呈现灰色或者黑色。第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使第二缓冲层呈现白色。
步骤202：将P型半导体层固定到导电基板上。
可选地，在步骤202之前，该方法还可以包括：
在P型半导体层设置P型电极。
示例性地，P型电极可以为Ni/Au电极。
步骤203：采用激光从衬底一侧照射发光二极管外延片，激光被呈现灰色或者黑色的第一缓冲层吸收，AlN化合物在激光的作用下热分解生成Al单质和N2，N2膨胀产生的作用力将衬底从发光二极管外延片上分离。
示例性地，激光的波长可以为266nm。
步骤204：采用刻蚀技术去除第二缓冲层。
可选地，在步骤204之后，该方法还可以包括：
在N型半导体层上设置N型电极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括依次层叠的衬底(10)、第一缓冲层(20)、第二缓冲层(30)、N型半导体层(40)、有源层(50)和P型半导体层(60)；所述第一缓冲层(20)为Al单质(21)和AlN化合物(22)的混合物，所述Al单质(21)混在所述AlN化合物(22)中，使所述第一缓冲层(20)呈现灰色或者黑色；所述第二缓冲层(30)为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层(30)呈现白色。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Al单质(21)和所述AlN化合物(22)的摩尔比为0.02～0.1。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一缓冲层(20)的厚度为10nm～100nm。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二缓冲层(30)的厚度为1μm～10μm。
5.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底上形成第一缓冲层，所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；
在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色；
在所述第二缓冲层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第一阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入TMAl和NH3，生成AlN化合物，所述AlN化合物沉积在所述衬底上；
在第二阶段，停止向所述MOCVD反应室内通入NH3，持续向所述MOCVD反应室内通入TMAl，生成Al单质，所述Al单质混在所述AlN化合物中；
交替进行所述第一阶段和所述第二阶段，形成所述缓冲层。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室内；
在第三阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入第一流量的TMAl和第二流量的NH3，生成Al化合物，所述AlN化合物沉积在所述衬底上；
在第四阶段，持续向所述MOCVD反应室内通入所述第一流量的TMAl和第三流量的NH3，生成Al单质，所述Al单质混在所述AlN化合物中，所述第三流量小于所述第二流量；
交替进行所述第三阶段和所述第四阶段，形成所述缓冲层。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在衬底上形成第一缓冲层，包括：
将衬底放入物理气相沉积PVD反应室内；
持续向所述PVD反应室内通入第四流量的N2和Ar，Ar形成等离子体轰击Al靶材，与N2形成的等离子体反应，生成Al单质和AlN化合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中沉积在所述衬底上。
9.一种发光二极管外延片制造芯片的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括依次层叠的衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；所述第一缓冲层为Al单质和AlN化合物的混合物，所述Al单质混在所述AlN化合物中，使所述第一缓冲层呈现灰色或者黑色；所述第二缓冲层为AlN化合物的纯净物，使所述第二缓冲层呈现白色；
将所述P型半导体层固定到导电基板上；
采用激光从衬底一侧照射所述发光二极管外延片，激光被呈现灰色或者黑色的第一缓冲层吸收，AlN化合物在激光的作用下热分解生成Al单质和N2，N2膨胀产生的作用力将所述衬底从所述发光二极管外延片上分离。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述衬底从所述发光二极管外延片上分离之后，采用刻蚀技术去除所述第二缓冲层。
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