WO2006125396A1 - Dispositif electroluminescent a gain et son procede de fabrication - Google Patents

Description

铟镓铝氮发光器件及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种铟镓铝氮 （

) 发光器件 及其制造方法。

背景技术：

铟镓铝氮 （In_xGa_yAl^N， 0<=χ<=1, 0<=y<=l ) 是制备短波长发光器件的 优选材料体系之一。近年来，已经用铟镓铝氮材料制造出许多新颖的发光器件， 如蓝色、 绿色、 紫外和白色发光二极管、 紫色半导体激光器等等。 在现有技术 中， 绝大部分铟镓铝氮发光器件产品都是使用蓝宝石衬底制备的。现在这种技 术已经公开， 例如日本专利 （JP2737053 ) 中给出了一种在蓝宝石衬底上制备 氮化镓发光器件的方法。然而由于蓝宝石是绝缘材料， 因此蓝宝石衬底上制备 的铟镓铝氮发光器件的两个电极必须制作在芯片的同一侧，这样导致芯片制作 工艺较为复杂， 而且增加了封装难度， 导致合格率下降， 可靠性降低， 成本增 力口。 而且蓝宝石的热导率低， 如果要制造大功率器件， 则有散热困难的问题。 一种解决方案是使用碳化硅衬底生长氮化镓材料， 因为碳化硅可以导电， 而且 热导率高，因此从技术上讲，可以很好地解决上述问题。美国专利（US5686738 ) 中公开了一种在碳化硅衬底上制备铟镓铝氮发光器件的方法。但是，碳化硅衬 底非常昂贵，用于生长铟镓铝氮材料将使产品成本很高。 因此从生产成本来考 虑， 碳化硅衬底也不利于推广使用。另一种解决方案是在硅衬底上生长铟镓铝 氮材料。 由于硅是成熟的半导体材料，其成本低廉，加工工艺成熟， 热导率高， 因此使用硅衬底制造铟镓铝氮发光器件不仅可以制成上下电极的结构，还可以 使成本大大降低。但是由于硅的带隙很窄， 对可见光强烈吸收， 因此直接制作 在硅衬底上的铟镓铝氮发光器件由于衬底的吸收而出光效率很低。现有技术中 再一个解决方案是把蓝宝石上生长的铟镓铝氮材料粘接到一种导电衬底上，然 后再去除蓝宝石衬底， 这样就可以制成上下电极的芯片。然而由于蓝宝石非常 坚硬， 又极耐酸碱腐蚀， 去除蓝宝石衬底非常困难。 虽然发展出了激光剥离技 术， 但是目前合格率、 生产效率都比较低， 而且激光剥离过程对铟镓铝氮材料 也有一定的破坏， 因此该方法难以用于规模化生产。

发明内容：

本发明的一个目的在于提供一种铟镓铝氮发光器件， 这种器件设置有上 下电极结构， 以降低成本、 提高发 光效率。本发明的另一个目的在于提供一 种制造上述设置有上下电极机构的铟镓铝氮发光器件的方法，使用硅衬底进行 铟镓铝氮叠层生长， 然后粘接到另外一个导电衬底上， 利用较为低廉而容易去 除的硅衬底材料制造铟镓铝氮发光器件， 简化制造方法并降低制造成本。

本发明的铟镓铝氮发光器件其结构包括一个设置有主面和背面的导电衬 底，在所述导电衬底主面上设有一粘接金属叠层，粘接金属叠层上为光反射层， 在所述光反射层上设置有至少包含一个 P 型层和一个 N 型层的铟镓铝氮 ( In.Ga.AL-^N, 0<=χ<=1, 0<=y<=l ) 半导体叠层， 且该 P型铟镓铝氮层与所 述的光反射层直接接触；在所述的铟镓铝氮半导体层上和所述导电衬底背面分 别设置有一欧姆电极。

一种制备上述发光器件的方法， 包含以下步骤- a) 在一个硅 （111 ) 生长衬底上形成至少包含一个 N型层和一个 P型层 的铟镓铝氮 （In_xGa_yAl^N， 0<=χ<-1 , 0<=y<=l ) 半导体叠层， 其中所述的铟 镓铝氮半导体叠层 （22— 26) 典型结构中包括氮化铝缓冲层 （22)、 N型氮化 镓层 （24)、 氮化镓 /铟镓氮多量子阱 （25)、 P型氮化镓层 （26)， 最外层为 P 型层 （26); 在氮化铝缓冲层 （22) 和 N型氮化镓层 （24) 之间还可以有一未 掺杂的氮化镓层 （23)， 氮化铝缓冲层可以掺杂也可以不掺；

b ) 在所述的铟镓铝氮半导体层表面依次形成光反射层和粘接金属叠层； c ) 把一个导电的粘接衬底的主面与所述粘接金属叠层粘接；

d) 把所述的硅 （111 ) 生长衬底以及氮化铝缓冲层、 未掺杂的氮化镓层 去除以暴露 N型铟镓铝氮层；

e)在所述 N型铟镓铝氮层表面和所述的粘接衬底背面上分别形成一个欧 姆电极。

本发明的铟镓铝氮发光器件具有稳定的上下电极结构， 从而简化了芯片 制作工艺， 降低了封装难度， 提髙了产品合格率及工作可靠性， 降低了制作成 本。本发明的铟镓铝氮发光器件制造方法， 在硅衬底上生长发光器件所需要的 铟镓铝氮叠层， 由于硅衬底既可以实现高质量的铟镓铝氮材料生长， 又很容易 去除， 而且价格便宜。 因此本方法既可以实现规模化生产， 又具有成本低的优 点。

附图说明：

图 1是本发明上下电极铟镓铝氮发光器件的剖面结构示意图。

图 2是本发明中在硅衬底上生 长的铟镓铝氮叠层及反射层和粘接层剖 面结构示意图。

图 3是本发明中导电衬底及金属粘接层剖面结构示意图。

图 4是图 2中的铟镓铝氮外延片和图 3中的导电衬底粘接后得到的基片 剖面结构示意图。

图 5是图 4所示的基片去除生长衬底并制作引线电极后得到的发光器件 剖面结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

在图 1一 5中的数字标号含义如下：

11是导电衬底， 12是粘接层， 13是反射层， 14是铟镓铝氮半导体叠层， 15、 16为电极， 21是硅 （111 ) 衬底， 22是氮化铝缓冲层， 23是未掺杂的氮 化镓层， 24是 N型氮化镓层， 25是氮化镓 /铟镓氮多量子阱， 26是 P型氮化 镓层， 27是反射层， 28是粘接层， 31是衬底， 32是欧姆接触层， 33是粘接 层， Cl、 C2为电极。

如图 1所示： 本发明的铟镓铝氮发光器件包含一个导电衬底 11, 在衬底 上依次设置有一粘接金属层 12和一光反射层 13， 所述光反射层 13上为铟镓 铝氮半导体叠层 14，该铟镓铝氮叠层 14中最下层为 P型层，最上层为 N型层， 且该叠层铟镓铝氮材料上表面为氮面，在铟镓铝氮叠层 14上和导电衬底 11背 面各有一个欧姆电极 15、 16。 '

其中导电衬底 11的材料可以是任何半导体或金属材料，但考虑到电导率、 导热性能、 加工工艺、 成本等因素， 一般优选硅等成熟的半导体和诸如铜、 不 锈钢、 银、 金、 可伐 （可伐是一种铁钴镍合金）等常见金属材料。 由于铟镓铝 氮材料与导电衬底 11难以直接粘接， 因此在衬底 11和铟镓铝氮层 14之间需 要一个粘接层 12。该粘接层 12不仅需要有良好的黏附性， 也需要能与衬底 11 形成良好的欧姆接触， 还需要在后续加工过程中不会被破坏或被损伤。该粘接 层 12可以为一层也可以为多层。 由于导电衬底 11的载流子浓度很高， 对于与 其接触的粘接层 12金属的选择范围可以很宽， 一般只要求黏附性、稳定性好。 为了实现稳定可靠的粘接， 金属粘接层应设置有较低的熔点， 可以选择如金、 锌、 铟、 锡、 钯等， 以及它们的合金。 考虑到金属层之间相互扩散对欧姆接触 的影响以及在加工过程中的稳定性， 粘接金属优选为金和金的合金， 如金锌、 金锡等合金。 由于镍、 金等粘接金属反光性能较差， 对铟镓铝氮叠层 14发出的光反射 效率较低， 将导致器件出光效率下降， 因此在粘接金属层 12和铟镓铝氮叠层 14之间插入一光反射层 13。如前所述， 本发明的器件铟镓铝氮叠层 14中最下 层为 P型层， 因此光反射层 13还必须能与 P型铟镓铝氮材料形成良好的欧姆 接触。 在本发明中， 该反射层 13为铂， 因为铂不仅能与 P型铟镓铝氮材料形 成良好的欧姆接触， 也对可见光有很高的反射率， 同时还有稳定性好等优点。 要实现电注入发光， 铟镓铝氮叠层 14中至少包含一个 N型层和一个 P型层。 为了提高发光效率，在 N型层和 P型层之间一般需要加入双异质结或多量子阱 等微结构， 或采用任何公开技术中铟镓铝氮薄膜的叠层结构。发光层 14中铟、 镓、 铝的组分分别可以在 0-1之间改变， 以调节器件发光波长。

如前所述， 本发明的器件中铟镓铝氮叠层 14的上表面是氮面。 氮面铟镓 铝氮材料的一个特点是能够用化学腐蚀法来减薄，因此不必使用 ICP刻蚀机等 昂贵设备。 此外也可以方便地对该表面层进行粗化， 以提高出光效率。

铟镓铝氮叠层 14上的欧姆电极 15可以选用钛、 铝等小功函金属和金锗 镍合金等。 如果掺杂浓度足够高， 则原则上选择任何金属都可以。 本发明的优 选方案使用金锗镍合金作为 N型欧姆电极 15， 因为该电极 15设置有很好的稳 定性， 抗蚀性和抗氧化性。导电衬底 11背面的电极 16则需要根据衬底材料相 应选择， 由于该导电衬底设置有很高的载流子浓度， 所以原则上可以是任何金 属， 一般优选常用的金、 镍 /金、 钛 /金等电极。

一种制备上述发光器件的方法， 包含以下步骤：

首先在一块硅 （111 ) 衬底 21上生长发光器件所需要的铟镓铝氮叠层 22 一 26，生长方法可以是任何公开的铟镓铝氮材料生长技术，例如化学气相沉积、 分子束外延等。 铟镓铝氮叠层 22-26的生长顺序可以是任意公开文献公布的 方案。 优选方案的生长顺序为： 氮化铝缓冲层 22、 未掺杂氮化镓层 23、 掺硅 氮化镓层 （N型层） 24、 氮化镓 /铟镓氮多量子阱 25、 掺镁氮化镓层 （P型层） 26。 为了释放硅衬底 21和铟镓铝氮材料之间由于晶格失配和热失配而导致的 巨大应力， 在生长前需要先在硅衬底表面刻出一些沟槽以增加自由面， 防止铟 镓铝氮薄膜出现裂纹。

铟镓铝氮材料生长完成后， 对其进行热退火， 以激活 P型杂质。然后在 P 型氮化镓层形成一层光反射层 27， 同时该层也是欧姆接触层， 该层材料优选 为铂。 为了改善欧姆接触性能， 该 电极层一般需要热退火使之合金化。接下 来在光反射层上形成一层金属粘接层 28。 该粘接层原则上可以是任何金属， 但为了容易实现粘接， 一般选择熔点不高的金属， 优选为低熔点的金合金， 如 金 -锌、 金-锡等、 金-铟等， 当然也可以是纯金。 粘接层 28可以是一层也可以 是多层。 反射层 27和粘接金属层 28也可以一次形成， 然后再进行合金。

与此同时， 在另一块导电衬底 31上首先形成一欧姆接触层 32。例如选用 硅衬底， 则欧姆接触层可根据硅衬底的导电类型和导电率等情况选择镍、 金、 铂、 钛等金属单层或多层。 然后在欧姆接触层 32上形成金属粘接层 33， 该粘 接层 33金属的选择条件同前述氮化镓上的粘接层 28。 而如果导电衬底 31本 身是熔点较低的金属， 则不需要再额外制作欧姆接触层 32和粘接层 33。 如果 欧姆接触层 32选择的是金等熔点不高的金属， 则欧姆接触层也可以直接作为 粘接层 33。 上述金属层的形成方法可以是电子束蒸发、 磁控溅射， 或任何常 见的金属镀膜方法。 粘接层 33制作完成后， 通过一种方法使铟镓铝氮薄膜上 的粘接层 28和导电衬底 31对接起来，优选的方法为在一定的温度下加压一段 时间。

粘接完成后， 把生长铟镓铝氮薄膜的硅衬底 21去除。 去除硅衬底 21的 方法可以是机械磨片、干法刻蚀、 化学腐蚀以及这些方法的组合。优选的方法 为使用氢氟酸、 硝酸和醋酸的混合溶液对其腐蚀。

去除硅衬底 21以后， 就得到暴露的铟镓铝氮材料， 由于生长时一般需要 生长氮化铝缓冲层 22和未掺杂的氮化镓层 23， 这些层不利于欧姆接触， 因此 先要去除这些层， 以暴露设置有高载流子浓度的 N型层 24， 然后在上面形成 欧姆接触。去除氮化铝缓冲层 22和未掺杂的氮化镓层 23的方法可以是反应离 子刻蚀、 ICP刻蚀等干法刻蚀方法， 也可以用浓磷酸或强碱腐蚀。 接着在 N型 氮化镓层 24形成欧姆电极 Cl。 然后在导电衬底 31背面形成另一个欧姆电极 C2, 这样就得到本发明所述的具有上下电极的铟镓铝氮发光器件。

下面用 3个实施例对本发明的方法进行进一步的说明。

实施例 1:

如图 2所示， 在一块 2英寸的硅 （111 ) 衬底 21上， 用化学气相沉积法 依次生长氮化铝缓冲层 22、 未掺杂氮化镓层 23、 惨硅 N型氮化镓层 24、 5个 周期的氮化镓 /铟镓氮多量子阱 25、 惨镁 P型氮化镓层 26。 生长完成后， 把外 延片在 70CTC氮气氛围下退火 30分钟以激活镁杂质。接着用电子束蒸发法在 P 型层上依次蒸镀 50 纳米的铂 27、 1000纳米厚的金 28。然后，如图 3所示， 在另一块硅 （111 ) 衬底 31上蒸镀 100纳米的镍 32、 1000纳米的金 33。 蒸发 完成后把长有铟镓铝氮薄膜的外延片和只蒸有镍 /金的硅（111 )衬底对粘起来， 并且在 300°C下加 600公斤力，使之粘接牢固，这样就得到如图 4所示的结构。 然后再把粘接好的衬底放入硝酸 /醋酸 /氢氟酸的混合溶液中腐蚀，直到生长铟 镓铝氮薄膜的硅衬底被完全去除。腐蚀前先要在衬底 31背面做上一层镍 /金保 护膜。 腐蚀后， 铟镓铝氮薄膜暴露出来， 最外层是氮化铝缓冲层 22， 接着把 该基片放入浓磷酸中腐蚀直到氮化铝缓冲层 22和未掺杂氮化镓层 23被完全去 除。 然后在 N型氮化镓层 24上蒸镀 100纳米厚的金锗镍合金， 并且把基片在 300Ό氮气氛围下下合金 3分钟。然后在金锗镍电极上再蒸发 1000纳米厚的金， 经光刻形成直径为 100微米的电极 Cl， 然后在衬底 31后面光刻形成电极 C2。 把基片切割成 1000微米 X 1000微米大小的芯片， 再引线封装就得到图 5所示 的本发明的发光器件。

实施例 2:

用一块 2英寸的硅 （111 )衬底， 先在表面用光刻和 ICP刻蚀的方法形成 纵横交错深度为 10微米的沟槽， 以使表面分割成许多边长为 350微米 X 350 微米的正方形台面。 然后用化学气相沉积法在衬底上依次生长氮化铝缓冲层、 未掺杂氮化镓层、 掺硅 N型氮化镓层、 5个周期的铝镓氮 /铟镓氮多量子阱、 掺镁 P型氮化镓层。 生长完成后， 把外延片在 76(TC氮气氛围下退火 20分钟 以激活镁杂质。 接着用电子束蒸发法在 P型层上依次蒸镀 100纳米的铂、 500 纳米厚的金、 200 纳米厚的金锌合金。 然后在一块硅 （100) 衬底正反两面上 都蒸镀 50纳米的铂、 500纳米的金、 100纳米厚的金铟合金。蒸发完成后把长 有铟镓铝氮薄膜的外延片和只蒸有金属层的硅（100 )衬底对粘起来，在 260°C 下加 800公斤力， 使之粘接牢固。 然后用 ICP刻蚀把硅 （111 ) 衬底刻除直至 铟镓铝氮薄膜暴露出来， 此时最外层是氮化铝缓冲层。接着用 ICP刻蚀方法把 氮化铝缓冲层和未糁杂氮化镓层被完全刻除。 然后在 N型氮化镓层上蒸鍍 50 纳米厚的钛、 100纳米厚的铝， 并且把基片在 500°C氮气氛围合金 3分钟。 然 后在钛 /铝电极上再蒸发 10纳米厚的钛和 1200纳米厚的金， 经光刻形成边长 为 100微米的正方形电极。沿着前述生长前预先形成的沟槽切开基片， 就得到 一颗颗独立的发光芯片，然后就可以进行引线封装并得到本发明所述的发光器 件。

实施例 3 : 在一块 2英寸的硅 （111 )衬底上， 用化学气相沉积法依次生长氮化铝缓 冲层、 未掺杂氮化镓层、 掺硅 N型氮化镓层、 5个周期的铟镓铝氮 /铟镓氮多 量子阱、 掺镁 P型氣化镓层。 生长完成后， 把外延片在 70CTC氮气氛围下退火 30分钟以激活镁杂质。 接着用电子束蒸发法在 P型层上依次蒸镀 5纳米的铂、 5纳米厚的镍、 10纳米厚的金， 并在 550Ό氮氧混合气中合金 3分钟。 然后再 蒸镀 500纳米厚的金。在一块抛光好的铜衬底上蒸 500纳米的金锡合金。蒸发 完成后把外延片和镀有金锡的铜衬底对粘起来，并且在 300°C下加 500公斤力， 使之粘接牢固。然后用 ICP刻蚀把硅衬底完全去除。接着把氮化铝缓冲层和未 掺杂氮化镓层完全去除。然后在 N型氮化镓层上蒸镀 100纳米厚的金锗镍合金， 并且把基片在 300°C氮气氛围下下合金 3分钟。然后在金锗镍电极上再蒸发 100 纳米厚的金， 经光刻形成直径为 80微米的电极。把基片切割成 200微米 X 200 微米的芯片并引线封装就得到本发明的发光器件。

Claims

权利要求

1、 一种铟镓铝氮 （InxGayAl^N, 0<=χ<=1 , 0<=y<=l ) 发光器件， 其特征 在于： 其结构包括一个设置有主面和背面的导电衬底 （11 )， 在所述导电衬底 主面上设有一粘接金属叠层（12)， 粘接金属叠层上为光反射层（13)， 在所述 光反射层 （13 ) 上设置有至少包含一个 P 型层和一个 N 型层的铟镓铝氮

( InxGayAL— _x— _yN， 0<=χ<=1， 0<=y<-l ) 半导体叠层 （14)， 且该 P型铟镓铝氮层 与所述的光反射层（13)直接接触， 在所述的铟镓铝氮半导体层 （14)上和所 述导电衬底 （11 ) 背面分别设置有一欧姆电极 （15、 16)。

2、 如权利要求 1所述的铟镓铝氮（InxGayAli— _x—_yN， 0<=χ<=1, 0<=y<=l )发 光器件， 其特征在于： 所述的铟镓铝氮半导体层（14)设置有如下晶体学取向 关系： 从铟镓铝氮半导体层（14)指向所述导电衬底的方向为 <0001>晶向， 即 镓面朝下， 氮面朝上。

3、如权利要求 1或 2所述的铟镓铝氮（InxGayA _x— _yN，

发光器件， 其特征在于： 所述的光反射层 （13) 至少包含一个铂层。

4、如权利要求 1或 2所述的铟镓铝氮（InxGayAl -yN,

发光器件， 特征在于： 在铟镓铝氮半导体叠层 （14)上的欧姆电极 （15) 由金 锗镍合金形成。

5、如权利要求 1或 2所述的发光器件，其特征在于：所述的导电衬底（11 ) 由硅、 铜或可伐形成。

6、 一种制备如权利要求 1所述的发光器件的方法， 包含以下步骤： a) 在一个硅 （111 ) 生长衬底 （21 ) 上形成至少包含一个 N型层 （24) 和一个 P型层 （26) 的铟镓铝氮 ( InxGayAU 0〈=x〈=l， 0<=y<=l ) 半导体 叠层 （22— 26)， 其中所述的铟镓铝氮半导体叠层 (22-26 ) 结构中包括氮化 铝缓冲层 （22)、 N型氮化镓层 （24)、 氮化镓 /铟镓氮多量子阱 （25)、 P型氮 化镓层 （26)， 最外层为 P型层 （26); 在氮化铝缓冲层（22) 和 N型氮化镓层

(24) 之间还可以有一未掺杂的氮化镓层 （23)， 氮化铝缓冲层可以掺杂也可 以不掺；

b) 在所述的铟镓铝氮半导体层 （22— 26) 表面依次形成光反射层 （27) 和粘接金属叠层 （28);

c)把一个导电的粘接衬底（31 )的主面与所述粘接金属叠层（28)粘接; d) 把所述的硅 （111 ) 生长衬底 （21 ) 以及氮化铝缓冲层 （22 )、 未掺杂 的氮化镓层 （23) 完全或局部去除以暴露 N型铟镓铝氮层；

e) 在所述 N型铟镓铝氮层 （24) 表面和所述的粘接衬底 （31 ) 背面上分 别形成一个欧姆电极 （Cl、 C2)。

7、如权利要求 6所述的方法， 其特征在于： 在所述的硅（111 )衬底（21 ) 上形成铟镓铝氮半导体层 (22-26)之前先在其生长表面形成沟槽和台面组成 的图形结构。

8、 如权利要求 6或 7所述的方法， 其特征在于： 在与铟镓铝氮薄膜上的 粘接金属叠层粘接前， 所述粘接衬底 （31 ) 主面上先形成一欧姆接触层 （32) 和一金属粘接层 （33)。

9、 如权利要求 6或 7所述的方法， 其特征在于： 去除所述硅（111)生长 衬底 （21 ) 的方法为用硝酸、 氢氟酸和醋酸的混合溶液腐蚀； 去除所述氮化铝 缓冲层 （22)、 未掺杂的氮化镓层 (23 ) 的方法可以是反应离子刻蚀、 ICP 刻 蚀等干法刻蚀方法， 也可以用浓磷酸或强碱腐蚀。