一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法
2023-06-14 18:40:01 1
專利名稱：一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法
技術領域：
本發明涉及GaN基半導體發光器件的製造方法，尤其是一種基於無掩模轉 移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法。
背景技術：
隨著GaN基發光二極體(LED)的應用越來越廣泛，新一代綠色環保型固體 照明光源已成為人們期待的目標。要推動LED迸入普通照明市場領域，當前最 大的兩個技術障礙是光效和熱沉。 一方面，由於GaN基半導體是一塊具有高折 射率係數(!^2.5)的平板材料，可以作為非常高效地波導，將波導中激發的光束 縛在其中，使得只有很少部分( 4W)左右的光能夠從GaN基外延表面逃逸出來， 即取光效率低，為了從LED波導中提取光，發展了光子晶體技術，即如果波導 具有尺寸合適的亞波長通孔陣列，那麼沒有光可以通過該波導，所有的光都只 能通過垂直于波導屏幕的方向射出，用光子晶體的"語言"來說，在波導中存 在一個"光帶隙"。另一方面，目前大多數的氮化鎵(GaN)基外延材料主要是 生長在藍寶石襯底上，但由於藍寶石導電性能差，普通的GaN基發光器件採用 橫向結構，即兩個電極在器件的同一側，電流在N-GaN層中橫向流動不等的距 離，存在電流堵塞，產生熱量；而且，藍寶石襯底的導熱性能差。為了解決這 個問題，近年來發展了雷射剝離(Laser Lift-off ， LLO)藍寶石技術，例如 在藍寶石襯底上通過M0CVD沉積GaN基薄膜，然後把GaN基薄膜接合到熱沉體 材上，再把藍寶石襯底用雷射剝離方法去除，將器件做成垂直結 構。因此，綜合這兩方面考慮，近來發展的技術是將GaN基薄膜轉移到熱沉體材上，然後在 出光面上製作光子晶體，其解決了熱沉的問題，但是光效的提高仍然有限。由 於GaN基半導體材料與藍寶石襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，導致GaN 基外延材料的缺陷密度較大(108-10 nT2)，使得大部分的電輸入轉換為非輻射復 合，即內量子效率低。
發明內容
為同時提高GaN基LED的內量子效率、取光效率及解決熱沉的問題，本發 明創新地提出一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法。
本發明是這樣子實現的， 一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜 LED的製造方法，其步驟是
1) 在藍寶石襯底上沉積Si02掩模層；
2) 在Si02掩模層上光刻並製作出周期性分布的圓孔，圓孔區域裸露出藍寶 石襯底，即在藍寶石襯底上形成二維光子晶體；
3) 採用MOCVD方法在具有二維光子晶體結構的藍寶石襯底上依次生長無摻 雜GaN材料及具有N型GaN基半導體層，有源層及P型GaN基半導體層 的GaN基外延；
4) 在P型GaN基半導體表面沉積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基外延接合到熱沉體材上；
7) 將藍寶石襯底去除，裸露出Si02掩模層及無摻雜GaN材料共存的界面；
8) 採用幹法蝕刻同時去除裸露區域的無摻雜GaN材料層及Si02掩模層，蝕 刻到N型GaN基半導體層，利用GaN材料與Si02掩模不同的蝕刻比，無掩模形成周期性分布的圓孔，圓孔區域裸露出N型GaN基半導體，即在N 型GaN基半導體層上形成二維光子晶體；圓孔與圓孔之間突起的部分是 無摻雜GaN材料；
9) 在具有二維光子晶體結構的出光面的中心區域沉積N型歐姆接觸電極；
10) 在熱沉體材背面沉積背電極；
11) 經過劃片處理或切斷處理的過程形成GaN基垂直發光二極體晶片。 本發明中，Si02掩模層厚度是50nm 1000nm;無摻雜GaN材料首先填滿周
期性分布的圓孔區域，無摻雜GaN材料的厚度為l微米 6微；P型歐姆接觸及 反射金屬層優選Ag，厚度為50nm 200nin;熱沉體材的製備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu或MoCu; GaN基外延和熱沉體材的接合方式可以採用鍵合或電 鍍；藍寶石襯底去除方式可以採用雷射剝離、研磨、溼法腐蝕或前述任意兩種 的結合；無摻雜GaN材料層及Si02掩模層是按照6:1的蝕刻比例同時被蝕刻去 除；在步驟8)後可繼續對GaN出光面進行光輔助化學腐蝕以進一步提高出光效 率。
在本發明工藝中，步驟2)和步驟8)是本發明的關鍵之處。其中，通過步 驟2)在藍寶石襯底上製作二維光子晶體然後再繼續生長GaN基LED外延，可以 利用橫向外延的原理降低藍寶石襯底上生長GaN基LED外延的位錯密度，改善 GaN基LED外延的晶格質量，提高GaN基LED的內量子效率；而且利用等離子幹 法蝕刻(以氯氣為主要刻蝕氣體)GaN材料與Si02掩模不同的蝕刻比(6:l)，通 過步驟8)在出光面上無掩模形成二維光子晶體，即將原二維光子晶體結構無掩 模轉移到薄膜GaN基LED的出光面上，以此提高GaN基LED的取光效率，同時 為後續製備N型歐姆接觸電極準備好外延接觸面，這就是本發明的創新之處。 而且此時的薄膜GaN基外延已經轉移到熱沉體材上，解決了散熱問題；因此，採用本發明方法製造的GaN基薄膜LED具有巨大的應用潛力。
.本發明的有益效果是通過製作光子晶體結構提高GaN基LED外延的內量 子效率及通過無掩模轉移光子晶體結構提高GaN基LED的取光效率；即採用本 發明方法製造的GaN基薄膜LED具有較高的發光效率及熱沉。
圖la至圖li是本發明優選實施例的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的 GaN基薄膜LED的製造過程的截面示意圖； 圖中部件標識如下-100:藍寶石襯底 210: Si02掩模層 220: 二維光子晶體 230:無掩模轉制的二維光子晶體 110:無摻雜GaN材料 120: N-GaN 130: InGaN/GaN MQW 140: P-GaN
310: P型歐姆接觸及反射金屬膜
320:上焊接金屬
330:下焊接金屬
340: N型歐姆接觸電極
350:背電極
400:熱沉體材
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對發明進一步說明。
一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法，其工藝步驟如下
第一步驟如圖la所示，在藍寶石襯底100上化學氣相沉積200rnn的Si02掩模層210;
第二步驟如圖lb所示，採用電子束曝光技術在Si02掩模層210上光刻形成二維光子晶體220的圖案，光子晶體的周期是300腦，圓孔的直徑是200rnn,採用幹法蝕刻去除圓孔區域的Si02掩模層210，裸露出藍寶石襯底100，即在藍寶石襯底100上形成二維光子晶體220;
第三步驟如圖lc所示，採用MOCVD方法在具有二維光子晶體結構220的藍寶石襯底100上依次生長無摻雜GaN材料110及具有N-GaN 120、有源層InGaN/GaN MQW 130及P-GaN 140的LED外延；無摻雜GaN材料首先填滿周期性分布的圓孔區域，其中無摻雜GaN材料110的厚度是lOOOnm;
第四、五步驟如圖ld所示，採用電子束蒸發在p-GaN 140表面上依次沉積P型歐姆接觸及反射金屬膜310及上焊接金屬320; P型歐姆接觸及反射金屬膜310選用Ag，厚度150nm;上焊接金屬320選用Ti/Au，厚度為30/lOOOmn;
第六步驟如圖le所示，取一 Si襯底作為熱沉體材400，在其上電子束蒸發下焊接金屬層330，材料選用Ti/AuSn，厚度為50/1000nm，其中AuSn比例為8(h20;採用共晶鍵合方式將GaN外延連接到Si熱沉400上，鍵合溫度280"，壓力5000N;
第七步驟如圖lf所示，採用248nm KrF準分子雷射剝離去除藍寶石襯底100，雷射能量密度約1000mJ/cm2，採用HC1:H20二1:1浸泡10min去除表面的Ga顆粒，裸露出Si02掩模層210及無摻雜GaN材料110共存的界面；
第八步驟如圖lg所示，採用幹法蝕刻同時去除裸露區域的無摻雜GaN材料層110及Si02掩模層，蝕刻到N-GaN 120，利用GaN材料與Si02掩模210不同的蝕刻比，GaN材料與Si02掩模蝕刻比6:1,無掩模形成周期性分布的圓孔(二維光子晶體)230，圓孔區域裸露出N-GaN 120，圓孔與圓孔之間突起的部分是無摻雜GaN材料110，可以對GaN出光面進行光輔助化學腐蝕以進一步提高出光效率；
第九、十步驟如圖lh所示，採用電子束蒸發在出光面的中心區域沉積N型歐姆接觸電極340， N型歐姆接觸電極340與圓孔分布的N-GaN形成微接觸；在Si熱沉400背面上電子束蒸發背電極350，均選用Cr/Au;
第十一步驟如圖li所示，經過切割形成具有光子晶體結構的GaN基薄膜發光二極體，至此完成本發明的工藝。
權利要求
1.一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法，其步驟是1)在藍寶石襯底上沉積SiO2掩模層；2)在SiO2掩模層上光刻並製作出周期性分布的圓孔，圓孔區域裸露出藍寶石襯底，即在藍寶石襯底上形成二維光子晶體；3)採用MOCVD方法在具有二維光子晶體結構的藍寶石襯底上依次生長無摻雜GaN材料及具有N型GaN基半導體層，有源層及P型GaN基半導體層的GaN基外延；4)在P型GaN基半導體表面沉積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基外延接合到熱沉體材上；7)將藍寶石襯底去除，裸露出SiO2掩模層及無摻雜GaN材料共存的界面；8)採用幹法蝕刻同時去除裸露區域的無摻雜GaN材料層及SiO2掩模層，蝕刻到N型GaN基半導體層，利用GaN材料與SiO2掩模不同的蝕刻比，無掩模形成周期性分布的圓孔，圓孔區域裸露出N型GaN基半導體，即在N型GaN基半導體層上形成二維光子晶體；圓孔與圓孔之間突起的部分是無摻雜GaN材料；9)在具有二維光子晶體結構的出光面的中心區域沉積N型歐姆接觸電極；10)在熱沉體材背面沉積背電極；11)經過劃片處理或切斷處理的過程形成GaN基垂直發光二極體晶片。
2. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於Si02掩模層厚度是50nm 1000nm。
3. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於無摻雜GaN材料首先填滿周期性分布的圓孔區域。
4. 如權利要求1或3所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED 的製造方法，其特徵在於無摻雜GaN材料的厚度為l微米 6微米。
5. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於P型歐姆接觸及反射金屬層優選Ag，厚度為50nin 200亂
6. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於熱沉體材的製備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu或MoCu。
7. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於GaN基外延和熱沉體材的接合方式可以採用鍵合或 電 鍍。
8. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於藍寶石襯底去除方式可以採用雷射剝離、研磨、溼 法腐蝕或前述任意兩種的結合。
9. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的 製造方法，其特徵在於無摻雜GaN材料層及Si02掩模層是按照6:l的蝕刻 比例同時被蝕刻去除。
10. 如權利要求1所述的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜的制 造方法，其特徵在於在步驟8)後可繼續對GaN出光面進行光輔助化學腐 蝕以進一步提高出光效率。
全文摘要
本發明公開的一種基於無掩模轉移光子晶體結構的GaN基薄膜LED的製造方法，在藍寶石襯底上製作二維光子晶體，改善藍寶石襯底上GaN基外延的晶格質量，提高GaN基LED外延的內量子效率，將GaN基薄膜轉移到熱沉體材上後，利用GaN材料與SiO2掩模不同的蝕刻比，將二維光子晶體結構無掩模轉移到GaN基薄膜的出光面上，提高GaN基LED的取光效率，即本發明的GaN基薄膜LED具有較高的光效及良好的熱沉。
文檔編號H01L33/00GK101673792SQ200910019198
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者葉孟欣, 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