CN110931606A - 垂直型发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种垂直型发光二极管及其制造方法。该方法包括：在生长衬底的一侧主表面上生长第一缓冲层，第一缓冲层的材料为GaN、InGaN以及AlInGaN中的任意一种或组合；在第一缓冲层上生长第二缓冲层，其中第二缓冲层为AlGaN以及AlN中的任意一种或组合；在第二缓冲层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，发光外延层包括与第二缓冲层接触的n型AlGaN半导体层；以第一缓冲层作为剥离牺牲层，以从第一缓冲层和生长衬底的接触面剥离生长衬底；去除第二缓冲层以外露n型AlGaN半导体层。通过上述方式，第一缓冲层作为牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，能够在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管领域，特别是一种垂直型发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(lightemittingdiode，LED)是将电能转换为光的固态元件，LED具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率LED可以实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
目前，紫外(UV)LED通常采用AlGaN材料体系的发光外延层，尤其是深紫外(UVC)LED外延生长过程中一般是先在衬底上生长一层AlN缓冲层，然后再生产AlGaN材料。然而，由于AlN的禁带宽度达到了6.2eV，因此难以通过常规的剥离方式从衬底上剥离，因此目前紫外LED普遍采用倒装结构，无法避免衬底以及AlN缓冲层的吸光问题，导致出光效率低下。
发明内容
本申请提供一种垂直型发光二极管及其制造方法，能够在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。进一步，提供了一种利用剥离后的发光外延层形成的垂直型发光二极管。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供了一种垂直型紫外发光二极管的制造方法，包括：提供生长衬底；在生长衬底的一侧主表面上生长第一缓冲层，其中第一缓冲层的材料为GaN、InGaN以及AlInGaN中的任意一种或组合；在第一缓冲层上生长第二缓冲层，其中第二缓冲层为GaN、AlGaN以及AlN中的任意一种或组合；在第二缓冲层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，其中发光外延层包括与第二缓冲层接触的n型AlGaN半导体层；在发光外延层远离第二缓冲层的一侧键合转移衬底；以第一缓冲层作为剥离牺牲层，去除第一缓冲层，以从第一缓冲层和生长衬底的接触面剥离生长衬底；去除第二缓冲层，以外露n型AlGaN半导体层。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供了一种垂直型紫外发光二极管，包括：转移衬底；发光外延层，发光外延层基于AlGaN材料体系，并键合于转移衬底的一侧主表面上；第一电极，形成于发光外延层远离转移衬底的一侧；第二电极，形成于转移衬底远离发光外延层的一侧。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请通过在生长衬底上形成第一缓冲层和第二缓冲层的双层缓冲层，其中第一缓冲层的材料为GaN、InGaN以及AlInGaN中的任意一种或组合，第二缓冲层为AlGaN以及AlN中的任意一种或组合，利用含铝元素的第二缓冲层缓冲生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，利用含镓元素的第一缓冲层作为剥离牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，进而在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。其中：
图1是根据本申请第一实施例的垂直型发光二极管的制备方法的流程示意图；
图2是图1所示的流程示意图的各制程阶段的垂直型发光二极管的结构示意图；
图3是根据本申请第二实施例的垂直型发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1和图2所示，本申请的垂直型紫外发光二极管的制造方法包括以下步骤：
S1：提供生长衬底10；
其中，生长衬底10可以采用例如蓝宝石、SiC、AlN或其他适当材料。
S2：在生长衬底10的一侧主表面上生长第一缓冲层11。
第一缓冲层11的材料可以为InGaN、GaN、AlInGaN中的任意一种或组合。在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在生长衬底10的一侧主表面上生长第一缓冲层11，且后续工艺中，在第一缓冲层11上生长第二缓冲层12。
其中，在第一缓冲层11的材料包含GaN时，例如，第一缓冲层11为GaN层、GaN/InGaN复合层、GaN/AlInGaN复合层或者GaN/InGaN/AlInGaN复合层时，第一缓冲层11的厚度可以在0.01-5微米之间，例如，第一缓冲层11的厚度可以为0.01微米、1微米或5微米。
在第一缓冲层11的材料为InGaN、AlInGaN中的任意一种或组合时，第一缓冲层11的厚度可以在0.01-0.1微米之间，例如，第一缓冲层11的厚度可以为0.01微米、0.05微米或0.1微米。
其中，第一缓冲层11可以为GaN组分均匀层、InGaN组分均匀层或AlInGaN组分均匀层。或者，第一缓冲层11可以为GaN组分渐变层、InGaN组分渐变层或AlInGaN组分渐变层。例如，在第一缓冲层11中，镓元素的含量在朝向生长衬底10的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铝元素的含量在朝向第二缓冲层12的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铟元素的含量在朝向第二缓冲层12的一侧逐渐增加或逐渐减少。
或者，第一缓冲层11可以为GaN层、GaN/InGaN层或AlInGaN层组成的双层结构，其中GaN层、GaN/InGaN层或AlInGaN层的位置顺序在此不做限定。
优选地，第一缓冲层11与生长衬底10的接触面的材料为GaN。
S3：在第一缓冲层11上生长第二缓冲层12。
在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在第一缓冲层11上生长第二缓冲层12。第二缓冲层12厚度可以在0.05-5微米之间，例如，第二缓冲层12的厚度可以为0.05微米、1.0微米或5微米。
其中，第二缓冲层12可以为AlN组分均匀层或GaN/AlGaN/AlN组分均匀层。或者，第二缓冲层12可以为AlN组分渐变层或GaN/AlGaN/AlN组分渐变层，例如，在第二缓冲层12中，铝元素的含量在朝向发光外延层13的一侧逐渐增加或逐渐减少。或者，第二缓冲层12可以为AlN层以及AlGaN/AlN层组成的双层结构，其中AlN层以及AlGaN/AlN层的位置顺序在此不做限定。
S4：在第二缓冲层12上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层13。
具体来说，在本步骤中，可以采用MOCVD或MBE方法在第二缓冲层12上依次生长n型AlGaN半导体层131、AlGaN量子阱层132以及p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层133。
n型AlGaN半导体层131具体可以为Si、Ge及Sn中至少一种的AlGaN半导体层；p型GaN半导体层133具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的GaN半导体层。
优选地，第二缓冲层12与发光外延层13的接触面的材料为AlN材料。
S5：在发光外延层13远离第二缓冲层12的一侧键合转移衬底20。
具体来说，转移衬底20可以采用例如Si、Ge、Cu、CuW等导电材料。在本步骤中，可以首先在发光外延层13远离第二缓冲层12的一侧形成反射镜层(未图示)，并对反射镜层进行图案化，以形成反射镜图案16，再采用热蒸镀、电子束蒸镀和磁控溅射蒸镀等方法在反射镜图案16及反射镜图案16所外露的发光外延层13上形成第一金属键合层15。进一步采用热蒸镀、电子束蒸镀和磁控溅射蒸镀等方法在转移衬底20的一侧主表面上形成第二金属键合层17。最后，通过键合工艺将第一金属键合层15和第二金属键合层17进行键合。上述第一金属键合层15和第二金属键合层17的材料可以为In、Cu、Au、Ni、Ti、Sn中的至少一种或其合金，在此不做限定。
S6：以第一缓冲层11作为剥离牺牲层，去除第一缓冲层11，以从第一缓冲层11和生长衬底10的接触面剥离生长衬底10。
在本步骤中，可通过干蚀刻、湿蚀刻、激光剥离或其它适合的技术实现第一缓冲层11和生长衬底10之间的剥离。具体来说，在第一缓冲层11为GaN缓冲层时，GaN的禁带宽度为3.4eV，采用第一缓冲层11做为剥离牺牲层，利用激光可以轻易地实现第一缓冲层11和生长衬底10之间的剥离。
S7：去除第二缓冲层12，以外露n型AlGaN半导体层131。
由于在垂直型发光二极管结构中，n型电极和p型电极位于发光外延层的两侧，并分别与n型半导体层和p型半导体层接触。第一缓冲层和第二缓冲层作为绝缘性材料，因此需要进行去除。具体来说，可通过干法蚀刻、湿法蚀刻或其组合的方式将第一缓冲层11和第二缓冲层12去除。
经过上述方法可以得到如图2最后一步所示的转移衬底20和发光外延层13的键合结构。在上述键合结构基础上进一步进行芯片图案化工艺、绝缘工艺以及电极工艺即可形成如图3所示的垂直型紫外发光二极管。
其中，芯片图案化工艺包括从发光外延层13远离转移衬底20的一侧(即，n型AlGaN半导体层131所在一侧)对发光外延层13进行图案化，以形成发光台面结构100。具体来说，可以通过掩膜和蚀刻工艺对发光外延层13蚀刻，进而形成发光台面结构100。在本实施例中，以第一金属键合层15作为蚀刻阻挡层来控制蚀刻深度，进而使得发光台面结构100外围的第一金属键合层15外露。上述蚀刻工艺可以包括干式蚀刻、湿式蚀刻或其组合。
绝缘工艺包括采用溅射、喷涂、ALD或PECVD沉积工艺在发光台面结构100的侧壁以及发光台面结构100所外露的区域(在本实施例中，为外露的第一金属键合层15)上形成绝缘层30。其中，绝缘层30可采用氮化铝、二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、布拉格反射层DBR、硅胶、树脂或丙烯酸之其一制成。
电极工艺包括在n型AlGaN半导体层131远离AlGaN量子阱层132的一侧形成第一电极50，在转移衬底20远离发光外延层13的一侧形成第二电极40。进一步，第一电极50为点状电极或条状电极，以使得经反射镜图案16所反射的光线在第一电极50的外围输出。第二电极40为面电极，以提高p型AlGaN半导体层133内的电流均匀性。
进一步，从发光外延层13远离转移衬底20的一侧(即，n型AlGaN半导体层131远离转移衬底20的一侧)进行粗化处理，以形成粗化结构1311。粗化结构1311的作用是减少n型AlGaN半导体层131的镜面反射，提高出光效率。
值得注意的是，上述各流程步骤的执行顺序可以根据实际需要进行调整。
区别于现有技术的情况，本申请通过在生长衬底上形成第一缓冲层和第二缓冲层的双层缓冲层，其中第一缓冲层的材料为GaN、InGaN以及AlInGaN中的任意一种或组合，第二缓冲层为AlGaN以及AlN中的任意一种或组合，利用含铝元素的第二缓冲层缓冲生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，利用含镓元素的第一缓冲层作为剥离牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，进而在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。
以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (12)
1.一种垂直型紫外发光二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供生长衬底；
在所述生长衬底的一侧主表面上生长第一缓冲层，其中所述第一缓冲层的材料为GaN、InGaN以及AlInGaN中的任意一种或组合；
在所述第一缓冲层上生长第二缓冲层，其中所述第二缓冲层为AlGaN以及AlN中的任意一种或组合；
在所述第二缓冲层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，其中所述发光外延层包括与所述第二缓冲层接触的n型AlGaN半导体层；
在所述发光外延层远离所述第二缓冲层的一侧键合转移衬底；
以所述第一缓冲层作为剥离牺牲层，去除所述第一缓冲层，以从所述第一缓冲层和所述生长衬底的接触面剥离所述生长衬底；
去除所述第二缓冲层，以外露所述n型AlGaN半导体层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层分别为组分均匀的单层结构、组分渐变的单层结构或组分不同的至少两层结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一缓冲层中，镓元素的含量在朝向所述生长衬底的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铝元素的含量在朝向所述第二缓冲层的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铟元素的含量在朝向所述第二缓冲层的一侧逐渐增加或逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二缓冲层中，铝元素的含量在朝向所述发光外延层的一侧逐渐增加或逐渐减少。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一缓冲层与所述生长衬底的接触面的材料为GaN，所述第二缓冲层与所述发光外延层的接触面的材料为AlN。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第二缓冲层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层的步骤包括：
在所述第二缓冲层上依次生长n型AlGaN半导体层、AlGaN量子阱层以及p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在所述n型AlGaN半导体层远离所述AlGaN量子阱层的一侧形成第一电极；
在所述转移衬底远离所述发光外延层的一侧形成第二电极；其中所述第一电极为点状电极或条状电极，所述第二电极为面电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述发光外延层远离所述第二缓冲层的一侧键合转移衬底的步骤包括：
在所述发光外延层远离所述第二缓冲层的一侧形成反射镜层，并对所述反射镜层进行图案化，以形成反射镜图案；
在所述反射镜图案及所述反射镜图案所外露的所述发光外延层上形成第一金属键合层；
在所述转移衬底的一侧主表面上形成第二金属键合层；
将所述第一金属键合层和所述第二金属键合层进行键合。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的步骤之后，进一步包括：
从所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧对所述发光外延层进行图案化，以形成发光台面结构；
在所述发光台面结构的侧壁以及所述发光台面结构所外露的区域上形成绝缘层。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的步骤之后，进一步包括：
对从所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧进行粗化处理，以形成粗化结构。
11.一种垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述垂直型紫外发光二极管包括：
转移衬底；
发光外延层，所述发光外延层基于AlGaN材料体系，并键合于所述转移衬底的一侧主表面上；
第一电极，形成于所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧；
第二电极，形成于所述转移衬底远离所述发光外延层的一侧。
12.根据权利要求11所述的垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述发光外延层包括远离所述转移衬底设置的n型AlGaN半导体层，所述垂直型紫外发光二极管进一步局部覆盖所述n型AlGaN半导体层的n型GaN接触层，所述第二电极形成于所述n型GaN接触层远离所述n型AlGaN半导体层的一侧。
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