一種氮化鎵基垂直結構led外延結構及製造方法
2023-06-09 11:12:46 2
專利名稱：一種氮化鎵基垂直結構led外延結構及製造方法
技術領域：
本發明屬於半導體發光二極體技術領域，具體涉及一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構及製造方法。
背景技術：
以化合物半導體材料氮化鎵(GaN)為基礎的半導體發光二極體(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)自上世紀90年代初實現藍光發光實用化以來，技術和市場發展迅猛， 市場廣應用廣闊，效率也得到大幅度提升。LED器件的基礎是半導體P-N結，以及在P-N結間的量子阱多層結構組成的載流子複合區即發光區。最常用的外延生長襯底是C-平面的藍寶石(A1203)單晶襯底，最常用的外延工具是有機金屬汽相外延(MOCVD)設備，在襯底上逐層生長，並對各層的摻雜類型、濃度、組分、結構和厚度等進行精確控制。器件然後經過半導體製作工藝完成對晶片的分隔、 電極的製作、表面和側面的鈍化，以及出光表面的織構化等步驟。LED器件在正向偏壓作用下向量子阱發光區注入非平衡載流子(電子和空穴)，並在量子阱區內輻射複合產生特定波長的光子，透過LED的表面和側面出射發光。平面型LED是將N型和P型電極製作在LED晶片的同一側表面的兩端，依靠電流從一側沿水平方向流過LED的發光區，由另一側的電極收集。由於電子橫向注入是從一個電極出發到另一個電極，導致途中電流密度的空間不均勻分布，因此發光不均勻，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，限制了 LED晶片的最大尺寸以及器件的發光效率。隨著LED在固態照明市場的推進，亟需製造一種單晶片高亮度、高效率和高可靠性的LED晶片。幾個基本的要求是(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)能夠實現數毫米乃至釐米尺寸的大晶片。採用去除外延生長襯底的垂直結構 LED晶片能夠解決(1)和(2)兩個問題。國際上目前流行的垂直結構LED晶片是通過雷射剝離技術將紫外雷射照射在特定的外延生長襯底和外延層界面，導致界面局域的強烈光吸收，界面附近的GaN材料在極高溫度下分解成原子狀態的( 和氣體狀態的氮，分區逐域次步進掃描雷射束斑實現整個襯底和外延層的分離(美國加利福尼亞大學伯克利分校Nathan W. Cheung等，美國專利號US6071795)。由此可以將LED的兩個電極分別放在在LED薄膜的兩側，形成垂直結構LED晶片，電流垂直於LED薄膜表面流過器件，在LED的量子阱發光區產生光子複合。但是，上述辦法未能在本質上解決上述的第三個問題，即為數毫米乃至釐米尺寸的大晶片提供可靠的解決方案。其主要原因是受到外延結構的限制，在雷射剝離工藝中產生機械應力的界面就是雷射剝離的界面。雷射剝離工藝依賴高功率的紫外雷射束脈衝照射在局域的襯底和外延層界面產生瞬間到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重複，才能實現整個襯底從外延片上的剝離。其中每一次剝離過程都是一個剝離區與周邊未剝離區產生局域巨大應力和剪切變的過程，並且由於雷射脈衝引起的次聲波損傷，特別是在晶片尺寸1毫米以上時大量的應力集中在晶片內部，會在後續製程中顯露出來。特別對器件的漏電流影響顯著，隨LED工作時間增加漏電流明顯上升，可靠性隨之下降，對照明系統產生不良的影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構及製造方法，以克服現有技術存在電流擁塞、散熱效果差、剝離過程中產生應力和損傷的問題。本發明提供一種採用ZnO作為起始緩衝層的氮化鎵基LED外延結構及其製造方法。利用該結構可以製成大尺寸、垂直結構的LED晶片器件，解決電流擁塞問題和散熱瓶頸問題，實現低成本、批量生產。同時採用此結構可以優化LED外延層的晶格質量，降低缺陷態密度，提高LED的光提取效率。該發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)緩衝層。利用該ZnO層在化學腐蝕中易腐蝕而作為腐蝕犧牲層的原理，使藍寶石襯底和LED薄膜在器件製作過程中自然分離。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為
一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，其特徵在於至少包括以下步驟
1)在外延生長襯底上製備ZnO緩衝層；
2)在生長好ZnO緩衝層的襯底上以MOCVD設備生長非本徵摻雜的GaN緩衝層；
3)繼續在MOCVD設備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層、周期性多層發光區-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摻雜進行載流子激活。上述外延生長襯底是經過圖形化的襯底或平面襯底。上述第2)步中GaN緩衝層的生長首先控制反應室溫度在500°C以下生長低溫GaN 緩衝層，然後再生長高溫GaN緩衝層厚度為0. 5微米到5微米。上述第4)步激活的溫度範圍在400°C到600°C之間。一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構，其特徵在於包括一外延生長襯底；
一 ZnO緩衝層，位於該外延生長襯底上；
一 GaN緩衝層，位於該ZnO緩衝層上；
一 N型GaN層，位於該GaN緩衝層上；
一周期性多層發光區-量子阱，位於該N型GaN層上；
一電子阻擋層，位於該發光區上；
一 P型GaN層的外延結構，位於該電子阻擋層上。上述ZnO緩衝層的單層厚度在100納米到100微米之間。本發明的優點是充分利用ZnO薄膜的化學腐蝕兼容型，襯底剝離時不需要複雜的紫外雷射剝離工藝和昂貴的紫外雷射剝離設備，是一種無損傷無機械分離的簡單可行的襯底剝離技術和工藝製造方法，設備要求低，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，不但可用於製作小尺寸(若干微米)的LED晶片，更是為大尺寸(毫米或釐米)的LED晶片打開了技術和製造途徑。其中外延結構可以利用預先製作好的圖形襯底， 這樣經溼法化學腐蝕ZnO後在N-型GaN表面自動生成有利於提高光提取效率的織構化圖形。
下面結合附圖和實施例對本專利進一步說明。圖1是本發明含ZnO緩衝層的平面襯底上的LED外延結構示意圖。圖2是本發明含ZnO緩衝層的圖形化襯底上的LED外延結構示意圖。圖3是本發明用化學腐蝕方法進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緩衝層， 202-P-面金屬擴散阻擋層和鍵合層，13-GaN緩衝層，203-導熱基板，14-N-型摻雜Si的GaN 層，15-周期性多層發光區-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。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。在具體的器件設計和製造中，本發明提出的LED結構將根據應用領域和工藝製程實施的需要，對其部分結構和尺寸在一定範圍內作出修改，對材料的選取進行變通。實施例1
(1)首先在外延生長襯底11上製備ZnO緩衝層12，其襯底選用經過圖形化的藍寶石襯底。參見圖2，使用圖形化藍寶石襯底的ZnO緩衝層生長結構見圖2。在襯底上通過光刻或掩模版的方式定義圖形，用溼法腐蝕或幹法刻蝕形成亞微米至數微米的周期性表面凸凹微結構，微結構的側面是準非極性晶面或非極性晶面，也可以是曲面。在此襯底上澱積ZnO 的分子層結構，澱積的工具可以是雷射輔助分子束外延、雷射濺射，或氧化物汽相外延。澱積的ZnO薄膜可以是非晶、多晶、或單晶結構。ZnO的厚度控制在0. 1微米至100微米。(2)繼續將生長好ZnO薄膜的襯底在金屬有機汽相外延(MOCVD)設備中生長非本徵摻雜的GaN緩衝層13。首先控制反應室溫度在500°C以下，生長低溫GaN緩衝層13，同時對ZnO薄膜起到覆蓋和保護作用，防止ZnO在過高溫度下表面分解。然後再生長高溫GaN 緩衝層厚度為0. 5微米到5微米。(3)繼續生長高溫N-型摻雜Si的GaN層14、周期性多層發光區-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-型摻雜可以是連續摻雜，也可以是脈衝式摻雜。在N-型摻雜層內，可以埋有薄層的AWaN層用以增強LED的抗靜電性能，也可以在多量子阱發光區加入空穴阻擋結構。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構。(4)在氮氣環境中對該LED外延結構的P-型摻雜進行載流子激活。可以在MOCVD 反應室內完成，也可以在外延片取出後使用其他的退火爐完成。激活的溫度範圍在400°C到 600°C之間。參見圖3，使用圖形化襯底的LED薄膜在隨後的器件製作工藝中，具有襯底圖形的 ZnO緩衝層可以在液體化學試劑中被腐蝕，實現襯底與LED薄膜的分離，暴露出和襯底圖形具有同樣特徵和周期性的N-型GaN圖形表面。該表面在器件工藝中可以作為表面織構化形成光提取增強圖形的基礎，而無需重新製作表面織構化圖形。
實施例2
(1)首先在外延生長襯底11上製備ZnO緩衝層12，其襯底選用平面的藍寶石襯底。 參見圖1，首先在ZnO外延技術中使用三維優先的生長模式進行自組織生長，在襯底上形成高密度的直徑為數納米至亞微米的柱狀ZnO納米線結構。該納米線的高度和柱間距相當。 然後切換到橫向生長優先的模式，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結構完全填平。(2)繼續將生長好ZnO薄膜的襯底在金屬有機汽相外延(MOCVD)設備中生長非本徵摻雜的GaN緩衝層13。首先控制反應室溫度在500°C以下，生長低溫GaN緩衝層13，同時對ZnO薄膜起到覆蓋和保護作用，防止ZnO在過高溫度下表面分解。然後再生長高溫GaN 緩衝層厚度為0. 5微米到5微米。(3)繼續生長高溫N-型摻雜Si的GaN層14、周期性多層發光區-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-型摻雜可以是連續摻雜，也可以是脈衝式摻雜。在N-型摻雜層內，可以埋有薄層的AWaN層用以增強LED的抗靜電性能，也可以在多量子阱發光區加入空穴阻擋結構。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構。(4)在氮氣環境中對該LED外延結構的P-型摻雜進行載流子激活。可以在MOCVD 反應室內完成，也可以在外延片取出後使用其他的退火爐完成。激活的溫度範圍在400°C到 600°C之間。如圖3所示，使用平面襯底的LED薄膜在隨後的器件製作工藝中，三維柱狀結構和二維平面結構的ZnO緩衝層可以在液體化學試劑中被腐蝕，實現襯底與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現，通過刻蝕晶片溝槽的工藝達到化學腐蝕的目的。該表面經過器件工藝進行表面織構化形成光提取增強圖形。如圖3所示，使用平面襯底的LED薄膜在隨後的器件製作工藝中，三維柱狀結構和二維平面結構的ZnO緩衝層可以在液體化學試劑中被腐蝕，實現襯底與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現，通過刻蝕晶片溝槽的工藝達到化學腐蝕的目的。該表面經過器件工藝進行表面織構化形成光提取增強圖形。參見圖1-圖2，為本發明所述的氮化鎵基垂直結構LED外延結構，其包括 一外延生長襯底11 ；
一 ZnO緩衝層12，位於該外延生長襯底11上；
一 GaN緩衝層13，位於該ZnO緩衝層12上；
一 N型GaN層14，位於該GaN緩衝層13上；
一周期性多層發光區-量子阱15，位於該N型GaN層上14 ；
一電子阻擋層16，位於該發光區15上；
一 P型GaN層15的外延結構，位於該電子阻擋層上。所述ZnO緩衝層的單層厚度在100納米到100微米之間。其中圖1所示為本發明含ZnO緩衝層的平面襯底上的LED外延結構示意圖。圖2所示為本發明含ZnO緩衝層的圖形化襯底上的LED外延結構示意圖。所述ZnO緩衝層可以預先通過分子束外延、雷射濺射、或有機金屬汽相外延等工藝完成，也可以和LED薄膜結構同時生長。
本發明在外延生長襯底上以氧化鋅ZnO緩衝層為起始層，按順序繼續生長GaN緩衝層、N-型GaN層、發光區、P-型GaN層等。對襯底的光學性質沒有限制，可以選用任何化學性質穩定的襯底材料，無需雷射光源，無需複雜的設備。在圖形化的外延生長襯底上生長的ZnO緩衝層以及在平面襯底上生長的ZnO納米結構可以為後續外延層提供晶格匹配的生長緩衝層，有效降低氮化鎵基LED外延結構的缺陷態密度，並且可以在垂直結構LED晶片製作工藝中通過溼法化學腐蝕完全去除襯底，實現LED薄膜和外延生長襯底的無損分離。該方法製備的垂直結構LED晶片解決了平面結構晶片的電流不均勻分布，以及散熱不利的現象，從而大幅度提高工作電流密度和可靠性，使用本發明時晶片的大小不再取決於傳統的雷射剝離工藝的雷射束斑尺寸，而是可以根據設計選定，通過晶片臺階刻蝕的溝槽界定，擺脫了對大尺寸晶片的限制，為製作大尺寸垂直結構LED晶片提供了可靠的外延技術。
權利要求
1.一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，其特徵在於至少包括以下步驟1)在外延生長襯底(11)上製備ZnO緩衝層(12)；2)在生長好ZnO緩衝層(12)的襯底上以MOCVD設備生長非本徵摻雜的GaN緩衝層 (13)；3)繼續在MOCVD設備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層(14)、周期性多層發光區-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摻雜進行載流子激活。
2.根據權利要求1所述的一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，其特徵在於所述外延生長襯底(11)是經過圖形化的襯底或平面襯底。
3.根據權利要求1或2所述的一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，其特徵在於所述第2)步中GaN緩衝層(13)的生長首先控制反應室溫度在500°C以下生長低溫 GaN緩衝層，然後再生長高溫GaN緩衝層厚度為0. 5微米到5微米。
4.根據權利要求3所述的一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，其特徵在於所上述第4)步激活的溫度範圍在400°C到600°C之間。
5.一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構，其特徵在於包括一外延生長襯底(11)；一 ZnO緩衝層(12 )，位於該外延生長襯底(11)上；一 GaN緩衝層(13)，位於該ZnO緩衝層(12)上;一 N型GaN層(14)，位於該GaN緩衝層(13)上；一周期性多層發光區-量子阱(15)，位於該N型GaN層上(14)；一電子阻擋層(16)，位於該發光區(15)上；一 P型GaN層(15)的外延結構，位於該電子阻擋層(16)上。
6.根據權利要求5所述的一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構，其特徵在於所述SiO 緩衝層(12)的單層厚度在100納米到100微米之間。
全文摘要
本發明涉及一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構及製造方法。本發明採用的技術方案為一種氮化鎵基垂直結構LED外延結構的製造方法，至少包括以下步驟1)在外延生長襯底上製備ZnO緩衝層；2)在生長好ZnO緩衝層的襯底上以MOCVD設備生長非本徵摻雜的GaN緩衝層；3)繼續在MOCVD設備中生長高溫N-型摻雜Si的GaN層、周期性多層發光區-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摻雜進行載流子激。本發明的優點是襯底剝離時不需要複雜的紫外雷射剝離工藝和昂貴的紫外雷射剝離設備，是無損傷無機械分離的襯底剝離技術，設備要求低，可批量處理外延片。
文檔編號H01L33/02GK102214748SQ20111016505
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者雲峰 申請人:雲峰