一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法

摘要

本发明公开的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长无掺杂GaN材料层，将无掺杂GaN材料层各向异性蚀刻后再继续生长LED外延发光材料，经过蚀刻后，无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面，一方面，释放部分的LED外延应力，改善了LED外延晶格质量，提高了内量子效率；另一方面，蓝宝石衬底去除后，其不连续的接合界面自然倒转成为粗糙的出光面，提高了LED器件的取光效率。因此，采用本发明方法制造的GaN基垂直结构发光二极管，具有较高的发光效率，尤其适合于大电流驱动应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基半导体发光器件的制造方法，尤其是一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法。

背景技术

由于蓝宝石衬底易制造、价格低，因此目前大多数的氮化镓(GaN)基外延材料主要是生长在蓝宝石衬底上。但是，以蓝宝石为生长衬底的GaN基外延有以下几个方面缺点：1、GaN基半导体材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，导致GaN基外延材料的缺陷密度较大(10⁸-10¹⁰cm^-2)，使得大部分的电输入转换为非辐射复合。为了解决这个问题，近年来发展了横向外延生长(ELOG)、图案化蓝宝石衬底(PSS)等技术，这些技术的共同特点是要求较高的光刻及显影精度，对设备要求高，而且一致性难控制。2、GaN基半导体材料本身折射率较大(n＝2.5)，使得只有很少部分(≈4％)左右的光能够从GaN基外延表面逃逸出来，即取光效率低，为了解决这个问题，近年来发展了P型GaN外延层生长过程通过破坏其生长秩序实现表面粗化的技术，但是由于P型GaN基外延电阻率相对较高，P型GaN基外延相对较薄(≈300nm)，使得粗化较浅，对GaN基外延表面取光效率的提升受到限制，另外，粗化的一致性也较难控制影响其普及。3、由于蓝宝石导电性能差，普通的GaN基发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在N-GaN层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞，产生热量；而且，蓝宝石衬底的导热性能差，限制了GaN基器件的发光效率。为了解决这个问题，近年来发展了激光剥离(Laser Lift-off，LLO)蓝宝石技术，例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术焊接到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除，将器件做成垂直结构。可以看到，如上所述，近年来发展了多种技术从以上所述一个或两个方面提高GaN基外延的发光效率，但是，截至目前为止，未出现一种可以综合并有效解决以上三个问题的技术方案。

发明内容

为综合解决上述以蓝宝石为生长衬底的GaN基外延的高密度缺陷、取光效率低以及蓝宝石衬底绝缘低导热的缺点导致GaN基发光器件的效率低的问题，本发明创新地提出一种倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法。

本发明实现上述目的所提出的技术方案是一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法，包括步骤：

1)采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长无掺杂GaN材料层，厚度为1微米～3微米；

2)采用高温熔融的碱性腐蚀液各向异性蚀刻无掺杂GaN材料层，在无掺杂GaN材料层各向异性蚀刻出若干倒六角菱柱状沟槽，腐蚀液沿着沟槽向下腐蚀无掺杂GaN材料直至底部裸露出蓝宝石衬底，至此形成的倒六角菱柱状沟槽的开口直径为1微米～3微米，并且无掺杂GaN材料底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面；

3)在经过各向异性蚀刻后的无掺杂GaN材料层上采用MOCVD方法横向外延生长GaN填平层，GaN填平层材料先填充倒六角菱柱状沟槽上半部分，然后再继续向上生长直至生成平整的面；接着在GaN填平层上继续生长具有N型GaN基半导体层，有源层及P型GaN基半导体层的GaN基外延；

4)在P型GaN基半导体表面沉积P型欧姆接触及反射金属层；

5)在P型欧姆接触及反射金属层上沉积焊接金属，包含Au或者Au的合金；

6)通过焊接金属将GaN基外延倒焊到散热衬底上；

7)将蓝宝石衬底去除，裸露出表面具有六角菱柱状微结构分布的无掺杂GaN材料层；

8)采用干法蚀刻依次去除中心区域的无掺杂GaN材料层及GaN填平层，直至暴露出N型GaN基半导体层；

9)在暴露的N型GaN基半导体层上沉积N型欧姆接触电极；

10)在散热衬底背面沉积背电极；

11)经过划片处理或切断处理的过程形成GaN基垂直发光二极管芯片。

本发明工艺中，碱性化学溶液选自NaOH、KOH或前述二者的混合溶液，溶液温度控制在250℃到450℃之间；化学蚀刻时外加波长小于365nm的紫外光进行照射，GaN填平层可以是无掺杂的GaN材料，GaN填平层的厚度为1微米～3微米；P型欧姆接触及反射金属层优选Ag，厚度是70nm～200nm；散热衬底的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu、Mo、WCu或MoCu；倒焊方式可以采用键合或电镀；蓝宝石衬底去除方式可以采用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或前述任意两种的结合。

在本发明工艺中，步骤2)是本发明的关键之处，利用GaN半导体材料能被碱性溶液各向异性蚀刻的特点，将GaN材料蚀刻成若干倒六角菱柱状沟槽。采用步骤2)所述的方法具有以下几个方面的优点：第一、由于GaN基半导体材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，因此在蓝宝石衬底上生长GaN基半导体，会产生压应力。而采用高温熔融的碱性溶液蚀刻，GaN材料首先被蚀刻出很多倒六角菱柱状沟槽，腐蚀液沿着沟槽向下继续腐蚀GaN材料直至底部裸露出蓝宝石衬底，至此，GaN缓冲层底部部分区域脱离蓝宝石衬底，即无掺杂GaN材料底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面，使得蓝宝石衬底上GaN缓冲层的压应力得以部分释放，联合步骤3)利用横向外延生长技术降低GaN基外延的位错密度，提高GaN基LED外延的晶格质量，即提高GaN基外延的内量子效率；第二、步骤2)所采用的方法无需采用任何掩模及光刻技术，因此成本低且容易实现；第三、步骤3)生长填平层材料只填充倒菱柱状沟槽上半部分，使得无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间仍然是不连续的接合界面，通过步骤7)将蓝宝石衬底去除后，此不连续的界面自然倒转成为粗糙的出光面，配合步骤4)在P型外延底端制造的反射层，提高GaN基外延表面的取光效率；而且将器件做成垂直结构可以有效解决散热、抗静电等问题。

本发明的有益效果是：将无掺杂GaN材料层各项异性蚀刻后再继续生长LED外延发光材料，经过蚀刻后，无掺杂GaN材料层底部与蓝宝石之间形成不连续的接合界面，一方面，释放部分的LED外延应力，改善了LED外延晶格质量，提高了内量子效率；另一方面，蓝宝石衬底去除后，其不连续的接合界面自然倒转成为粗糙的出光面，提高了LED器件的取光效率。因此，采用本发明方法制造的GaN基垂直结构发光二极管，具有较高的发光效率，尤其适合于大电流驱动应用。

附图说明

图1a至图1i是本发明优选实施例的一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造过程的截面示意图；

图中部件标识如下：

100：蓝宝石衬底

110a：无掺杂GaN材料层

110b：蚀刻后的无掺杂GaN材料层；

120：GaN填平层

130：GaN基LED外延

210：P型欧姆接触及反射金属膜

220：上焊接金属

230：下焊接金属

240：N型欧姆接触电极

250：背电极

300：散热衬底

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种基于倒转粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管的制造方法，其工艺实施如下：

如图1a所示，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底100上外延生长2微米厚度的无掺杂GaN材料层110a；

如图1b所示，将步骤1制备的晶片浸在高温熔融的KOH溶液中，KOH溶液的温度加热到280℃，蚀刻时间持续10min，无掺杂GaN材料层110a在高温熔融的KOH溶液中被各向异性蚀刻形成若干倒六角菱柱状沟槽，六角菱柱状沟槽的开口直径介于1微米到3微米之间，蚀刻后的无掺杂GaN材料层110b底部与蓝宝石衬底100之间形成不连续的接合界面；

如图1c所示，采用MOCVD方法在蚀刻后的无掺杂GaN材料层110b表面上横向外延生长GaN填平层120，GaN填平层120材料先填充倒六角菱柱状沟槽上半部分，然后再继续向上生长直至生成平整的面，GaN填平层120的厚度3微米；接着在GaN填平层120上继续生长具有N型GaN基半导体层，有源层及P型GaN基半导体层的GaN基LED外延130；

如图1d所示，采用电子束蒸发在p-GaN表面上依次沉积欧姆接触及反射金属膜210及上焊接金属220，欧姆接触及反射金属膜210选用Ag，厚度1500nm；上焊接金属选用Ti/Au，厚度为30/1000nm；

如图1e所示，取一Si衬底作为散热衬底300，在其上电子束蒸发下焊接金属层230，材料选用Ti/AuSn，厚度为50/1000nm，其中AuSn比例为80∶20；采用共晶键合方式将GaN外延连接到Si基板(即散热衬底300)上，键合温度280℃，压力5000N；

如图1f所示，采用波长为248nm的KrF准分子激光剥离去除蓝宝石衬底100，激光能量密度约1000mJ/cm²，采用HCl∶H20＝1∶1 10min去除表面的Ga颗粒，裸露出表面具有六角菱柱状微结构分布的无掺杂GaN材料层110b；

如图1g所示，采用干法蚀刻依次去除单元器件中心区域的无掺杂GaN材料层110b及GaN填平层120，直至露出n型GaN基半导体层；

如图1h所示，采用电子束蒸发在露出的n型GaN基半导体表面上形成N型欧姆接触电极240；在Si基板300背面上电子束蒸发背电极250，均选用Cr/Au；

如图1i所示，经过切割得到具有粗糙面的GaN基垂直结构发光二极管。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。