專利名稱：一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN基半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法，尤其是一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法。
背景技術(shù)：
由于藍(lán)寶石襯底易制造、價格低，因此目前大多數(shù)的氮化鎵(GaN)基外延材料主要是生長在藍(lán)寶石襯底上。但是，以藍(lán)寶石為生長襯底的GaN基外延有以下幾個方面缺點1、 GaN基半導(dǎo)體材料與藍(lán)寶石襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致GaN基外延材料的缺陷密度較大(108-10iecm—2)，使得大部分的電輸入轉(zhuǎn)換為非輻射復(fù)合。為了解決這個問題，近年來發(fā)展了橫向外延生長(ELOG)、圖案化藍(lán)寶石襯底(PSS)等技術(shù)，這些技術(shù)的共同特點是要求較高的光刻及顯影精度，對設(shè)備要求高，而且一致性難控制。2、 GaN基半導(dǎo)體材料本身折射率較大(11=2. 5)，使得只有很少部分("4%)左右的光能夠從GaN基外延表面逃逸出來，即取光效率低，為了解決這個問題，近年來發(fā)展了P型GaN外延層生長過程通過破壞其生長秩序?qū)崿F(xiàn)表面粗化的技術(shù)，但是由于P型GaN基外延電阻率相對較高，P型GaN基外延相對較薄("300mn)，使得粗化較淺，對GaN基外延表面取光效率的提升受到限制，另外，粗化的一致性也較難控制影響其普及。3、由于藍(lán)寶石導(dǎo)電性能差，普通的GaN基發(fā)光器件采用橫向結(jié)構(gòu)，即兩個電極在器件的同一側(cè)，電流在N-GaN層中橫向流動不等的距離，存在電流堵塞，產(chǎn)生熱量；而且，藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能差，限制了 GaN基器件的發(fā)光效率。為了解決這個問題，近年來發(fā)展了激光剝離(Laser Lift-off ， LLO)藍(lán)寶石技術(shù)，例如在藍(lán)寶石襯底上通過MOCVD沉積GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通過晶圓鍵合技術(shù)或電鍍技術(shù)焊接到半導(dǎo)體或金屬基板上，再把藍(lán)寶石襯底用激光剝離方法去除，將器件做成垂直結(jié)構(gòu)?？梢钥吹剑缟纤?，近年來發(fā)展了多種技術(shù)從以上所述一個或兩個方面提高GaN基外延的發(fā)光效率，但是,截至目前為止，未出現(xiàn)一種可以綜合并有效解決以上三個問題的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
為綜合解決上述以藍(lán)寶石為生長襯底的GaN基外延的高密度缺陷、取光效率低以及藍(lán)寶石襯底絕緣低導(dǎo)熱的缺點導(dǎo)致GaN基發(fā)光器件的效率低的問題，本發(fā)明創(chuàng)新地提出一種倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法。
本發(fā)明實現(xiàn)上述目的所提出的技術(shù)方案是一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，包括步驟
1) 采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長無摻雜GaN材料層，厚度為1微米 3微米；
2) 采用高溫熔融的堿性腐蝕液各向異性蝕刻無摻雜GaN材料層，在無摻雜GaN材料層各向異性蝕刻出若干倒六角菱柱狀溝槽，腐蝕液沿著溝槽向下腐蝕無摻雜GaN材料直至底部裸露出藍(lán)寶石襯底，至此形成的倒六角菱柱狀溝槽的開口直徑為1微米 3微米，并且無摻雜GaN材料底部與藍(lán)寶石之間形成不連續(xù)的接合界面；
3) 在經(jīng)過各向異性蝕刻后的無摻雜GaN材料層上采用M0CVD方法橫向外延生長GaN填平層，GaN填平層材料先填充倒六角菱柱狀溝槽上半部分，然后再繼續(xù)向上生長直至生成平整的面；接著在GaN填平層上繼續(xù)生長具有N型GaN基半導(dǎo)體層，有源層及P型GaN基半導(dǎo)體層的GaN基外延；
4) 在P型GaN基半導(dǎo)體表面沉積P型歐姆接觸及反射金屬層；
5) 在P型歐姆接觸及反射金屬層上沉積焊接金屬，包含Au或者Au的合金；
6) 通過焊接金屬將GaN基外延倒焊到散熱襯底上；
7) 將藍(lán)寶石襯底去除，裸露出表面具有六角菱柱狀微結(jié)構(gòu)分布的無摻雜GaN材料層；
8) 采用干法蝕刻依次去除中心區(qū)域的無摻雜GaN材料層及GaN填平層，直至暴露出N型GaN基半導(dǎo)體層；
9) 在暴露的N型GaN基半導(dǎo)體層上沉積N型歐姆接觸電極；
10) 在散熱襯底背面沉積背電極；
11) 經(jīng)過劃片處理或切斷處理的過程形成GaN基垂直發(fā)光二極管芯片。本發(fā)明工藝中，堿性化學(xué)溶液選自NaOH、 KOH或前述二者的混合溶液，溶
液溫度控制在25(TC到45(TC之間；化學(xué)蝕刻時外加波長小于365nm的紫外光進行照射，GaN填平層可以是無摻雜的GaN材料，GaN填平層的厚度為1微米 3微米；P型歐姆接觸及反射金屬層優(yōu)選Ag，厚度是70mn 200mn;散熱襯底的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu或MoCu;倒焊方式可以采用鍵合或電鍍；藍(lán)寶石襯底去除方式可以采用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述任意兩種的結(jié)合。
在本發(fā)明工藝中，步驟2)是本發(fā)明的關(guān)鍵之處，利用GaN半導(dǎo)體材料能被堿性溶液各向異性蝕刻的特點，將GaN材料蝕刻成若干倒六角菱柱狀溝槽。采用步驟2)所述的方法具有以下幾個方面的優(yōu)點第一、由于GaN基半導(dǎo)體材料與藍(lán)寶石襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，因此在藍(lán)寶石襯底上生長GaN基半導(dǎo)體，會產(chǎn)生壓應(yīng)力。而采用高溫熔融的堿性溶液蝕刻，GaN材料首先被蝕刻出很多倒六角菱柱狀溝槽，腐蝕液沿著溝槽向下繼續(xù)腐蝕GaN材料直至底部裸露出藍(lán)寶石襯底，至此，GaN緩沖層底部部分區(qū)域脫離藍(lán)寶石襯底，即無摻雜GaN材料底部與藍(lán)寶石之間形成不連續(xù)的接合界面，使得藍(lán)寶石襯底上GaN緩沖層的壓應(yīng)力得以部分釋放，聯(lián)合步驟3)利用橫向外延生長技術(shù)降低GaN基外延的位錯密度，提高GaN基LED外延的晶格質(zhì)量，即提高GaN基外延的內(nèi)量子效率；第二、步驟2)所采用的方法無需采用任何掩模及光刻技術(shù)，因此成本低且容易實現(xiàn)；第三、步驟3)生長填平層材料只填充倒菱柱狀溝槽上半部分，使得無摻雜GaN材料層底部與藍(lán)寶石之間仍然是不連續(xù)的接合界面，通過步驟7)將藍(lán)寶石襯底去除后，此不連續(xù)的界面自然倒轉(zhuǎn)成為粗糙的出光面，配合步驟4)在P型外延底端制造的反射層，提高GaN基外延表面的取光效率；而且將器件做成垂直結(jié)構(gòu)可以有效解決散熱、抗靜電等問題。
本發(fā)明的有益效果是將無摻雜GaN材料層各項異性蝕刻后再繼續(xù)生長LED外延發(fā)光材料，經(jīng)過蝕刻后，無摻雜GaN材料層底部與藍(lán)寶石之間形成不連續(xù)的接合界面， 一方面，釋放部分的LED外延應(yīng)力，改善了 LED外延晶格質(zhì)量，提高了內(nèi)量子效率；另一方面，藍(lán)寶石襯底去除后，其不連續(xù)的接合界面自然倒轉(zhuǎn)成為粗糙的出光面，提高了 LED器件的取光效率。因此，采用本發(fā)明方法制造的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，具有較高的發(fā)光效率，尤其適合于大電流驅(qū)動應(yīng)用。


圖la至圖li是本發(fā)明優(yōu)選實施例的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造過程的截面示意圖中部件標(biāo)識如下
100:藍(lán)寶石襯底
110a:無摻雜GaN材料層
110b:蝕刻后的無摻雜GaN材料層；
120: GaN填平層
130: GaN基LED外延
210: P型歐姆接觸及反射金屬膜
220:上焊接金屬
230:下焊接金屬
240: N型歐姆接觸電極
250:背電極
300:散熱襯底
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其工藝實施如下.*
如圖la所示，采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底100上外延生長2微米厚度的無摻雜GaN材料層110a;
如圖lb所示，將步驟l制備的晶片浸在高溫熔融的KOH溶液中，KOH溶液的溫度加熱到280°C，蝕刻時間持續(xù)10niin，無摻雜GaN材料層110a在高溫熔融的K0H溶液中被各向異性蝕刻形成若干倒六角菱柱狀溝槽，六角菱柱狀溝槽 的開口直徑介于1微米到3微米之間，蝕刻后的無摻雜GaN材料層110b底部與 藍(lán)寶石襯底100之間形成不連續(xù)的接合界面；
如圖lc所示，采用MOCVD方法在蝕刻后的無摻雜GaN材料層110b表面上 橫向外延生長GaN填平層120， GaN填平層120材料先填充倒六角菱柱狀溝槽上 半部分，然后再繼續(xù)向上生長直至生成平整的面，GaN填平層120的厚度3微米; 接著在GaN填平層120上繼續(xù)生長具有N型GaN基半導(dǎo)體層，有源層及P型GaN 基半導(dǎo)體層的GaN基LED外延130;
如圖Id所示，采用電子束蒸發(fā)在p-GaN表面上依次沉積歐姆接觸及反射金 屬膜210及上焊接金屬220，歐姆接觸及反射金屬膜210選用Ag，厚度1500mn; 上焊接金屬選用Ti/Au，厚度為30/lOOOnm;
如圖le所示，取一 Si襯底作為散熱襯底300,在其上電子束蒸發(fā)下焊接金 屬層230，材料選用Ti/AuSn，厚度為50/1000nm，其中AuSn比例為80:20;采 用共晶鍵合方式將GaN外延連接到Si基板(即散熱襯底300)上，鍵合溫度280 。C，壓力5000N;
如圖lf所示，采用波長為248mn的KrF準(zhǔn)分子激光剝離去除藍(lán)寶石襯底 100，激光能量密度約1000mJ/cm2，采用HC1:H20=1:1 10min去除表面的Ga顆 粒，裸露出表面具有六角菱柱狀微結(jié)構(gòu)分布的無摻雜GaN材料層llOb;
如圖lg所示，采用干法蝕刻依次去除單元器件中心區(qū)域的無摻雜GaN材料 層110b及GaN填平層120，直至露出n型GaN基半導(dǎo)體層；
如圖lh所示，采用電子束蒸發(fā)在露出的n型GaN基半導(dǎo)體表面上形成N型 歐姆接觸電極240;在Si基板300背面上電子束蒸發(fā)背電極250，均選用Cr/Au;
如圖li所示，經(jīng)過切割得到具有粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，本技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變化。 因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，包括步驟1)采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長無摻雜GaN材料層，厚度為1微米～3微米；2)采用高溫熔融的堿性腐蝕液各向異性蝕刻無摻雜GaN材料層，在無摻雜GaN材料層各向異性蝕刻出若干倒六角菱柱狀溝槽，腐蝕液沿著溝槽向下腐蝕無摻雜GaN材料直至底部裸露出藍(lán)寶石襯底，至此形成的倒六角菱柱狀溝槽的開口直徑為1微米～3微米，并且無摻雜GaN材料底部與藍(lán)寶石之間形成不連續(xù)的接合界面；3)在經(jīng)過各向異性蝕刻后的無摻雜GaN材料層上采用MOCVD方法橫向外延生長GaN填平層，GaN填平層材料先填充倒六角菱柱狀溝槽上半部分，然后再繼續(xù)向上生長直至生成平整的面；接著在GaN填平層上繼續(xù)生長具有N型GaN基半導(dǎo)體層，有源層及P型GaN基半導(dǎo)體層的GaN基外延；4)在P型GaN基半導(dǎo)體表面沉積P型歐姆接觸及反射金屬層；5)在P型歐姆接觸及反射金屬層上沉積焊接金屬，包含Au或者Au的合金；6)通過焊接金屬將GaN基外延倒焊到散熱襯底上；7)將藍(lán)寶石襯底去除，裸露出表面具有六角菱柱狀微結(jié)構(gòu)分布的無摻雜GaN材料層；8)采用干法蝕刻依次去除中心區(qū)域的無摻雜GaN材料層及GaN填平層，直至暴露出N型GaN基半導(dǎo)體層；9)在暴露的N型GaN基半導(dǎo)體層上沉積N型歐姆接觸電極；10)在散熱襯底背面沉積背電極；11)經(jīng)過劃片處理或切斷處理的過程形成GaN基垂直發(fā)光二極管芯片。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是堿性化學(xué)溶液選自NaOH、 KOH或前述二者的混合溶液， 溶液溫度控制在25(TC到45(TC之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是化學(xué)蝕刻時外加波長小于365nm的紫外光進行照射。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是GaN填平層可以是無摻雜的GaN材料，GaN填平層的厚 度為1微米 3微米。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是:P型歐姆接觸及反射金屬層優(yōu)選Ag，厚度是70nm 200nm。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是散熱襯底的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu 或MoCu。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是倒焊方式可以采用鍵合或電鍍。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制 造方法，其特征是藍(lán)寶石襯底去除方式可以采用激光剝離、研磨、濕法腐 蝕或前述任意兩種的結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種基于倒轉(zhuǎn)粗糙面的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長無摻雜GaN材料層，將無摻雜GaN材料層各向異性蝕刻后再繼續(xù)生長LED外延發(fā)光材料，經(jīng)過蝕刻后，無摻雜GaN材料層底部與藍(lán)寶石之間形成不連續(xù)的接合界面，一方面，釋放部分的LED外延應(yīng)力，改善了LED外延晶格質(zhì)量，提高了內(nèi)量子效率；另一方面，藍(lán)寶石襯底去除后，其不連續(xù)的接合界面自然倒轉(zhuǎn)成為粗糙的出光面，提高了LED器件的取光效率。因此，采用本發(fā)明方法制造的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，具有較高的發(fā)光效率，尤其適合于大電流驅(qū)動應(yīng)用。
文檔編號H01L33/00GK101661984SQ20091001837
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者葉孟欣, 吳志強, 林雪嬌, 潘群峰, 黃慧君 申請人:廈門市三安光電科技有限公司