專利名稱：一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)led外延結(jié)構(gòu)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)及制造方法。
背景技術(shù)：
以化合物半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)自上世紀(jì)90年代初實(shí)現(xiàn)藍(lán)光發(fā)光實(shí)用化以來，技術(shù)和市場發(fā)展迅猛， 市場廣應(yīng)用廣闊，效率也得到大幅度提升。LED器件的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體P-N結(jié)，以及在P-N結(jié)間的量子阱多層結(jié)構(gòu)組成的載流子復(fù)合區(qū)即發(fā)光區(qū)。最常用的外延生長襯底是C-平面的藍(lán)寶石(A1203)單晶襯底，最常用的外延工具是有機(jī)金屬汽相外延(MOCVD)設(shè)備，在襯底上逐層生長，并對各層的摻雜類型、濃度、組分、結(jié)構(gòu)和厚度等進(jìn)行精確控制。器件然后經(jīng)過半導(dǎo)體制作工藝完成對芯片的分隔、 電極的制作、表面和側(cè)面的鈍化，以及出光表面的織構(gòu)化等步驟。LED器件在正向偏壓作用下向量子阱發(fā)光區(qū)注入非平衡載流子(電子和空穴)，并在量子阱區(qū)內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生特定波長的光子，透過LED的表面和側(cè)面出射發(fā)光。平面型LED是將N型和P型電極制作在LED芯片的同一側(cè)表面的兩端，依靠電流從一側(cè)沿水平方向流過LED的發(fā)光區(qū)，由另一側(cè)的電極收集。由于電子橫向注入是從一個(gè)電極出發(fā)到另一個(gè)電極，導(dǎo)致途中電流密度的空間不均勻分布，因此發(fā)光不均勻，熱場分布也不均勻，無法使器件整體上處在光效最佳工作點(diǎn)，限制了 LED芯片的最大尺寸以及器件的發(fā)光效率。隨著LED在固態(tài)照明市場的推進(jìn)，亟需制造一種單芯片高亮度、高效率和高可靠性的LED芯片。幾個(gè)基本的要求是(1)最佳的散熱解決方案；(2)最佳的電流場和熱場分布方案；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)毫米乃至厘米尺寸的大芯片。采用去除外延生長襯底的垂直結(jié)構(gòu) LED芯片能夠解決(1)和(2)兩個(gè)問題。國際上目前流行的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片是通過激光剝離技術(shù)將紫外激光照射在特定的外延生長襯底和外延層界面，導(dǎo)致界面局域的強(qiáng)烈光吸收，界面附近的GaN材料在極高溫度下分解成原子狀態(tài)的( 和氣體狀態(tài)的氮，分區(qū)逐域次步進(jìn)掃描激光束斑實(shí)現(xiàn)整個(gè)襯底和外延層的分離(美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Nathan W. Cheung等，美國專利號(hào)US6071795)。由此可以將LED的兩個(gè)電極分別放在在LED薄膜的兩側(cè)，形成垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，電流垂直于LED薄膜表面流過器件，在LED的量子阱發(fā)光區(qū)產(chǎn)生光子復(fù)合。但是，上述辦法未能在本質(zhì)上解決上述的第三個(gè)問題，即為數(shù)毫米乃至厘米尺寸的大芯片提供可靠的解決方案。其主要原因是受到外延結(jié)構(gòu)的限制，在激光剝離工藝中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的界面就是激光剝離的界面。激光剝離工藝依賴高功率的紫外激光束脈沖照射在局域的襯底和外延層界面產(chǎn)生瞬間到1300C以上高溫來分解GaN材料。這一過程逐次在外延片縱橫方向上步進(jìn)重復(fù)，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)襯底從外延片上的剝離。其中每一次剝離過程都是一個(gè)剝離區(qū)與周邊未剝離區(qū)產(chǎn)生局域巨大應(yīng)力和剪切變的過程，并且由于激光脈沖引起的次聲波損傷，特別是在芯片尺寸1毫米以上時(shí)大量的應(yīng)力集中在芯片內(nèi)部，會(huì)在后續(xù)制程中顯露出來。特別對器件的漏電流影響顯著，隨LED工作時(shí)間增加漏電流明顯上升，可靠性隨之下降，對照明系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)及制造方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在電流擁塞、散熱效果差、剝離過程中產(chǎn)生應(yīng)力和損傷的問題。本發(fā)明提供一種采用ZnO作為起始緩沖層的氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法。利用該結(jié)構(gòu)可以制成大尺寸、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片器件，解決電流擁塞問題和散熱瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)低成本、批量生產(chǎn)。同時(shí)采用此結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化LED外延層的晶格質(zhì)量，降低缺陷態(tài)密度，提高LED的光提取效率。該發(fā)明是在圖形化襯底或平面襯底上生長三維和二維氧化鋅(ZnO)緩沖層。利用該ZnO層在化學(xué)腐蝕中易腐蝕而作為腐蝕犧牲層的原理，使藍(lán)寶石襯底和LED薄膜在器件制作過程中自然分離。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于至少包括以下步驟
1)在外延生長襯底上制備ZnO緩沖層；
2)在生長好ZnO緩沖層的襯底上以MOCVD設(shè)備生長非本征摻雜的GaN緩沖層；
3)繼續(xù)在MOCVD設(shè)備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層、周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱、 電子阻擋層、和P-型摻雜Mg的GaN層；
4)對P-型GaN層的Mg摻雜進(jìn)行載流子激活。上述外延生長襯底是經(jīng)過圖形化的襯底或平面襯底。上述第2)步中GaN緩沖層的生長首先控制反應(yīng)室溫度在500°C以下生長低溫GaN 緩沖層，然后再生長高溫GaN緩沖層厚度為0. 5微米到5微米。上述第4)步激活的溫度范圍在400°C到600°C之間。一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一外延生長襯底；
一 ZnO緩沖層，位于該外延生長襯底上；
一 GaN緩沖層，位于該ZnO緩沖層上；
一 N型GaN層，位于該GaN緩沖層上；
一周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱，位于該N型GaN層上；
一電子阻擋層，位于該發(fā)光區(qū)上；
一 P型GaN層的外延結(jié)構(gòu)，位于該電子阻擋層上。上述ZnO緩沖層的單層厚度在100納米到100微米之間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是充分利用ZnO薄膜的化學(xué)腐蝕兼容型，襯底剝離時(shí)不需要復(fù)雜的紫外激光剝離工藝和昂貴的紫外激光剝離設(shè)備，是一種無損傷無機(jī)械分離的簡單可行的襯底剝離技術(shù)和工藝制造方法，設(shè)備要求低，可批量處理外延片，避免了對LED器件漏電流和可靠性的不良影響，不但可用于制作小尺寸(若干微米)的LED芯片，更是為大尺寸(毫米或厘米)的LED芯片打開了技術(shù)和制造途徑。其中外延結(jié)構(gòu)可以利用預(yù)先制作好的圖形襯底， 這樣經(jīng)濕法化學(xué)腐蝕ZnO后在N-型GaN表面自動(dòng)生成有利于提高光提取效率的織構(gòu)化圖形。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明含ZnO緩沖層的平面襯底上的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明含ZnO緩沖層的圖形化襯底上的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明用化學(xué)腐蝕方法進(jìn)行襯底剝離的橫截面示意圖。其中，11-外延生長襯底，201-P-面反光鏡和歐姆接觸金屬層，12-ZnO緩沖層， 202-P-面金屬擴(kuò)散阻擋層和鍵合層，13-GaN緩沖層，203-導(dǎo)熱基板，14-N-型摻雜Si的GaN 層，15-周期性多層發(fā)光區(qū)-量子講，16-電子阻擋層，17-P-型摻雜Mg的GaN層，18-量子阱的勢壘層，19-量子阱的勢阱層，20-LED薄膜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。在具體的器件設(shè)計(jì)和制造中，本發(fā)明提出的LED結(jié)構(gòu)將根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和工藝制程實(shí)施的需要，對其部分結(jié)構(gòu)和尺寸在一定范圍內(nèi)作出修改，對材料的選取進(jìn)行變通。實(shí)施例1
(1)首先在外延生長襯底11上制備ZnO緩沖層12，其襯底選用經(jīng)過圖形化的藍(lán)寶石襯底。參見圖2，使用圖形化藍(lán)寶石襯底的ZnO緩沖層生長結(jié)構(gòu)見圖2。在襯底上通過光刻或掩模版的方式定義圖形，用濕法腐蝕或干法刻蝕形成亞微米至數(shù)微米的周期性表面凸凹微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的側(cè)面是準(zhǔn)非極性晶面或非極性晶面，也可以是曲面。在此襯底上淀積ZnO 的分子層結(jié)構(gòu)，淀積的工具可以是激光輔助分子束外延、激光濺射，或氧化物汽相外延。淀積的ZnO薄膜可以是非晶、多晶、或單晶結(jié)構(gòu)。ZnO的厚度控制在0. 1微米至100微米。(2)繼續(xù)將生長好ZnO薄膜的襯底在金屬有機(jī)汽相外延(MOCVD)設(shè)備中生長非本征摻雜的GaN緩沖層13。首先控制反應(yīng)室溫度在500°C以下，生長低溫GaN緩沖層13，同時(shí)對ZnO薄膜起到覆蓋和保護(hù)作用，防止ZnO在過高溫度下表面分解。然后再生長高溫GaN 緩沖層厚度為0. 5微米到5微米。(3)繼續(xù)生長高溫N-型摻雜Si的GaN層14、周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱15、電子阻擋層16、和P-型摻雜Mg的GaN層17。其中的N-型和P-型摻雜可以是連續(xù)摻雜，也可以是脈沖式摻雜。在N-型摻雜層內(nèi)，可以埋有薄層的AWaN層用以增強(qiáng)LED的抗靜電性能，也可以在多量子阱發(fā)光區(qū)加入空穴阻擋結(jié)構(gòu)。另外，電子阻擋層和P-型摻雜層都可以是組分漸變的多層結(jié)構(gòu)。(4)在氮?dú)猸h(huán)境中對該LED外延結(jié)構(gòu)的P-型摻雜進(jìn)行載流子激活?？梢栽贛OCVD 反應(yīng)室內(nèi)完成，也可以在外延片取出后使用其他的退火爐完成。激活的溫度范圍在400°C到 600°C之間。參見圖3，使用圖形化襯底的LED薄膜在隨后的器件制作工藝中，具有襯底圖形的 ZnO緩沖層可以在液體化學(xué)試劑中被腐蝕，實(shí)現(xiàn)襯底與LED薄膜的分離，暴露出和襯底圖形具有同樣特征和周期性的N-型GaN圖形表面。該表面在器件工藝中可以作為表面織構(gòu)化形成光提取增強(qiáng)圖形的基礎(chǔ)，而無需重新制作表面織構(gòu)化圖形。
實(shí)施例2
(1)首先在外延生長襯底11上制備ZnO緩沖層12，其襯底選用平面的藍(lán)寶石襯底。 參見圖1，首先在ZnO外延技術(shù)中使用三維優(yōu)先的生長模式進(jìn)行自組織生長，在襯底上形成高密度的直徑為數(shù)納米至亞微米的柱狀ZnO納米線結(jié)構(gòu)。該納米線的高度和柱間距相當(dāng)。 然后切換到橫向生長優(yōu)先的模式，生長厚度為1微米至10微米的ZnO薄膜直至表面平整， 所有的柱狀ZnO結(jié)構(gòu)完全填平。(2)繼續(xù)將生長好ZnO薄膜的襯底在金屬有機(jī)汽相外延(MOCVD)設(shè)備中生長非本征摻雜的GaN緩沖層13。首先控制反應(yīng)室溫度在500°C以下，生長低溫GaN緩沖層13，同時(shí)對ZnO薄膜起到覆蓋和保護(hù)作用，防止ZnO在過高溫度下表面分解。然后再生長高溫GaN 緩沖層厚度為0. 5微米到5微米。(3)繼續(xù)生長高溫N-型摻雜Si的GaN層14、周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱15、電子阻擋層16、和P-型摻雜Mg的GaN層17。其中的N-型和P-型摻雜可以是連續(xù)摻雜，也可以是脈沖式摻雜。在N-型摻雜層內(nèi)，可以埋有薄層的AWaN層用以增強(qiáng)LED的抗靜電性能，也可以在多量子阱發(fā)光區(qū)加入空穴阻擋結(jié)構(gòu)。另外，電子阻擋層和P-型摻雜層都可以是組分漸變的多層結(jié)構(gòu)。(4)在氮?dú)猸h(huán)境中對該LED外延結(jié)構(gòu)的P-型摻雜進(jìn)行載流子激活?？梢栽贛OCVD 反應(yīng)室內(nèi)完成，也可以在外延片取出后使用其他的退火爐完成。激活的溫度范圍在400°C到 600°C之間。如圖3所示，使用平面襯底的LED薄膜在隨后的器件制作工藝中，三維柱狀結(jié)構(gòu)和二維平面結(jié)構(gòu)的ZnO緩沖層可以在液體化學(xué)試劑中被腐蝕，實(shí)現(xiàn)襯底與LED薄膜的分離，暴露出平整的N-型GaN表面。ZnO犧牲層通過外延生長實(shí)現(xiàn)，通過刻蝕芯片溝槽的工藝達(dá)到化學(xué)腐蝕的目的。該表面經(jīng)過器件工藝進(jìn)行表面織構(gòu)化形成光提取增強(qiáng)圖形。如圖3所示，使用平面襯底的LED薄膜在隨后的器件制作工藝中，三維柱狀結(jié)構(gòu)和二維平面結(jié)構(gòu)的ZnO緩沖層可以在液體化學(xué)試劑中被腐蝕，實(shí)現(xiàn)襯底與LED薄膜的分離，暴露出平整的N-型GaN表面。ZnO犧牲層通過外延生長實(shí)現(xiàn)，通過刻蝕芯片溝槽的工藝達(dá)到化學(xué)腐蝕的目的。該表面經(jīng)過器件工藝進(jìn)行表面織構(gòu)化形成光提取增強(qiáng)圖形。參見圖1-圖2，為本發(fā)明所述的氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)，其包括 一外延生長襯底11 ；
一 ZnO緩沖層12，位于該外延生長襯底11上；
一 GaN緩沖層13，位于該ZnO緩沖層12上；
一 N型GaN層14，位于該GaN緩沖層13上；
一周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱15，位于該N型GaN層上14 ；
一電子阻擋層16，位于該發(fā)光區(qū)15上；
一 P型GaN層15的外延結(jié)構(gòu)，位于該電子阻擋層上。所述ZnO緩沖層的單層厚度在100納米到100微米之間。其中圖1所示為本發(fā)明含ZnO緩沖層的平面襯底上的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為本發(fā)明含ZnO緩沖層的圖形化襯底上的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。所述ZnO緩沖層可以預(yù)先通過分子束外延、激光濺射、或有機(jī)金屬汽相外延等工藝完成，也可以和LED薄膜結(jié)構(gòu)同時(shí)生長。
本發(fā)明在外延生長襯底上以氧化鋅ZnO緩沖層為起始層，按順序繼續(xù)生長GaN緩沖層、N-型GaN層、發(fā)光區(qū)、P-型GaN層等。對襯底的光學(xué)性質(zhì)沒有限制，可以選用任何化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的襯底材料，無需激光光源，無需復(fù)雜的設(shè)備。在圖形化的外延生長襯底上生長的ZnO緩沖層以及在平面襯底上生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)可以為后續(xù)外延層提供晶格匹配的生長緩沖層，有效降低氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)的缺陷態(tài)密度，并且可以在垂直結(jié)構(gòu)LED芯片制作工藝中通過濕法化學(xué)腐蝕完全去除襯底，實(shí)現(xiàn)LED薄膜和外延生長襯底的無損分離。該方法制備的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片解決了平面結(jié)構(gòu)芯片的電流不均勻分布，以及散熱不利的現(xiàn)象，從而大幅度提高工作電流密度和可靠性，使用本發(fā)明時(shí)芯片的大小不再取決于傳統(tǒng)的激光剝離工藝的激光束斑尺寸，而是可以根據(jù)設(shè)計(jì)選定，通過芯片臺(tái)階刻蝕的溝槽界定，擺脫了對大尺寸芯片的限制，為制作大尺寸垂直結(jié)構(gòu)LED芯片提供了可靠的外延技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于至少包括以下步驟1)在外延生長襯底(11)上制備ZnO緩沖層(12)；2)在生長好ZnO緩沖層(12)的襯底上以MOCVD設(shè)備生長非本征摻雜的GaN緩沖層 (13)；3)繼續(xù)在MOCVD設(shè)備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層(14)、周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱(15)、電子阻擋層(16)、和P-型摻雜Mg的GaN層(17)；4)對P-型GaN層的Mg摻雜進(jìn)行載流子激活。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述外延生長襯底(11)是經(jīng)過圖形化的襯底或平面襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第2)步中GaN緩沖層(13)的生長首先控制反應(yīng)室溫度在500°C以下生長低溫 GaN緩沖層，然后再生長高溫GaN緩沖層厚度為0. 5微米到5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所上述第4)步激活的溫度范圍在400°C到600°C之間。
5.一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一外延生長襯底(11)；一 ZnO緩沖層(12 )，位于該外延生長襯底(11)上；一 GaN緩沖層(13)，位于該ZnO緩沖層(12)上;一 N型GaN層(14)，位于該GaN緩沖層(13)上；一周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱(15)，位于該N型GaN層上(14)；一電子阻擋層(16)，位于該發(fā)光區(qū)(15)上；一 P型GaN層(15)的外延結(jié)構(gòu)，位于該電子阻擋層(16)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述SiO 緩沖層(12)的單層厚度在100納米到100微米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)及制造方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，至少包括以下步驟1)在外延生長襯底上制備ZnO緩沖層；2)在生長好ZnO緩沖層的襯底上以MOCVD設(shè)備生長非本征摻雜的GaN緩沖層；3)繼續(xù)在MOCVD設(shè)備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層、周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱、電子阻擋層、和P-型摻雜Mg的GaN層；4)對P-型GaN層的Mg摻雜進(jìn)行載流子激。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是襯底剝離時(shí)不需要復(fù)雜的紫外激光剝離工藝和昂貴的紫外激光剝離設(shè)備，是無損傷無機(jī)械分離的襯底剝離技術(shù)，設(shè)備要求低，可批量處理外延片。
文檔編號(hào)H01L33/02GK102214748SQ20111016505
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者云峰 申請人:云峰