專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法，特別是一種基于襯底剝離 的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基化合物半導(dǎo)體是目前商業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)、綠光和紫外光發(fā)光二 極管的重要材料。傳統(tǒng)的GaN基材料主要是外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，但藍(lán)寶 石襯底的導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致GaN基發(fā)光二極管器件的可靠性降低。對(duì)此問(wèn)題 較好的解決方法是剝離藍(lán)寶石襯底。
現(xiàn)有剝離藍(lán)寶石襯底的方法主要有兩種激光剝離法(Laser Lift-Off， LLO)和濕法蝕刻犧牲層剝離法。
激光剝離法是采用紫外脈沖激光透過(guò)藍(lán)寶石襯底背面照射GaN基外延層和 藍(lán)寶石襯底界面，使得界面附近一定厚度范圍內(nèi)的GaN基外延層發(fā)生熱分解， 從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底與GaN基外延層的分離。激光剝離法是目前普遍采用的襯 底剝離技術(shù)，但該方法在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，導(dǎo)致外延層損傷、破裂并 且形成粗糙的剝離界面。
濕法蝕刻犧牲層剝離法是指通過(guò)濕法蝕刻外延層與藍(lán)寶石襯底之間的犧牲 層實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底與外延層的分離。傳統(tǒng)的濕法蝕刻犧牲層一般在生長(zhǎng)GaN基 外延層之前，先在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一非GaN基材料系的犧牲層(同時(shí)作為緩 沖層)，然后在芯片制作過(guò)程中，使用特定的溶液蝕刻該犧牲層，而對(duì)于GaN基外延層則不發(fā)生蝕刻，通過(guò)選擇性蝕刻犧牲層即可實(shí)現(xiàn)GaN基外延層與藍(lán)寶石 襯底的分離。采用該方法可以獲得無(wú)損傷的剝離效果及平滑的界面，較激光剝 離法更加優(yōu)越。目前己知的犧牲層材料有TiN(中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710003186. 6) 和CrN (J-S Ha， S. W. Lee， H-J Lee， et al., The Fabrication of Vertical Light-Emitting Diodes Using Chemical Lift-Off Process, IEEE Photon. Technol. Lett. ， Vol. 20， No, 3， ppl75-177， 2008)。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的濕法 蝕刻犧牲層剝離法，由于所采用的犧牲層與GaN基外延層屬于不同材料系，即 互為異質(zhì)，當(dāng)以該犧牲層作為緩沖層并在其上生長(zhǎng)GaN基外延層時(shí)，異質(zhì)緩沖 層會(huì)導(dǎo)致晶體質(zhì)量變差，對(duì)于發(fā)光器件，更會(huì)降低其內(nèi)量子效率，從而導(dǎo)致發(fā) 光效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法，以GaN 基材料作為濕法蝕刻犧牲層并同時(shí)作為發(fā)光層材料外延生長(zhǎng)的緩沖層，通過(guò)采 用同質(zhì)犧牲層(緩沖層)，制作出基于濕法蝕刻犧牲層剝離襯底的氮化鎵基發(fā)光 器件，同時(shí)，保持較高的發(fā)光層晶體質(zhì)量。
本發(fā)明解決其問(wèn)題所提出的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作 方法，包括步驟-
1) 以藍(lán)寶石作為外延生長(zhǎng)襯底，在其上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、濕法蝕刻停 止層、發(fā)光層，其中，緩沖層為未摻雜的GaN基材料，濕法蝕刻停止層 為p型GaN基材料，發(fā)光層依次至少包括n型GaN基外延層、有源層和p 型GaN基外延層；
2) 定義發(fā)光臺(tái)面區(qū)域和切割道區(qū)域，并采用干法蝕刻去除切割道區(qū)域上的p型GaN基外延層、有源層以及部分的n型GaN基外延層，暴露出n型GaN 基外延層；
3) 在發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的p型GaN基外延層上制作一多層金屬組合，多層金屬 組合覆蓋P型GaN基外延層；
4) 采用光輔助電化學(xué)蝕刻去除切割道區(qū)域的n型GaN基外延層，并且使得
蝕刻停止于濕法蝕刻停止層；
5) 制作一濕法蝕刻保護(hù)層，使其完全覆蓋發(fā)光層側(cè)壁；
6) 采用干法蝕刻去除切割道區(qū)域上的濕法蝕刻停止層和緩沖層；
7) 制作一永久性襯底，使其與發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的多層金屬組合實(shí)現(xiàn)接合；
8) 采用光輔助電化學(xué)蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的緩沖層，使得藍(lán)寶石襯底和 發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的外延層實(shí)現(xiàn)分離；
9) 采用干法蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的濕法蝕刻停止層，暴露出n型GaN基 外延層；
10) 制作電極，包括分別在永久性襯底上制作一正電極，在n型GaN基外延 層之上制作一負(fù)電極。
在本發(fā)明中，步驟4)和8)采用了光輔助電化學(xué)(PEC)蝕刻工藝，即借 助能量大于半導(dǎo)體材料帶隙的光源進(jìn)行照射，在堿性溶液中氧化并蝕刻該半導(dǎo) 體材料。利用PEC蝕刻工藝可在無(wú)外加偏壓的條件下以較快的速率蝕刻未摻雜 或者n型GaN基材料，但無(wú)法蝕刻p型GaN基材料；因此，可以利用無(wú)外加偏 壓條件下PEC工藝對(duì)不同導(dǎo)電性GaN基材料的選擇性蝕刻，選擇p型GaN基材 料作為濕法蝕刻停止層。利用步驟2)和4)將發(fā)光層側(cè)壁完全暴露出，從而使 得步驟5)中濕法蝕刻保護(hù)層能夠完全覆蓋側(cè)壁。濕法蝕刻停止層和濕法蝕刻保 護(hù)層將發(fā)光層完全隔離保護(hù)，避免其在步驟8)中被蝕刻。步驟6)為步驟8)中的PEC蝕刻提供了蝕刻窗曰，即緩沖層(犧牲層)的側(cè)壁，蝕刻溶^t正是通 過(guò)對(duì)緩沖層(犧牲層)側(cè)壁的滲透蝕刻實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底的剝離。
在本發(fā)明中，濕法蝕刻停止層為低摻雜的P型GaN基材料，摻雜濃度低于 1018Cm3;多層金屬組合具有高反射率、能夠與p型GaN基外延層形成良好接觸， 且具有抗堿性蝕刻的性質(zhì)，其最表層金屬材料選自Pt、 Au、 Ni或Cr; PEC蝕刻 GaN基材料的光源選用波長(zhǎng)小于365nm的紫外光，蝕刻溶液選自K0H、 NaOH或 NH40H;濕法蝕刻保護(hù)層為具有抗堿性蝕刻的絕緣性材料，選自氧化鋁、氧化鋯、 氮化鋁、BCB或聚酰亞胺；永久性襯底可以采用電鍍或者鍵合方式制作，其材料 其材料選自Cu、 Ni、 Si、 Ge、 Mo或GaAs。
本發(fā)明的有益效果是濕法蝕刻犧牲層(緩沖層)采用與發(fā)光層同質(zhì)的材
料可以保證外延生長(zhǎng)發(fā)光層獲得較高的晶體質(zhì)量，從而得到較高發(fā)光效率的基 于襯底剝離的發(fā)光器件。


圖1 圖10是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件
的制作過(guò)程的示意圖中1:藍(lán)寶石襯底
3:低摻p-GaN層
5:多量子阱層
7: Ag/Ni/Au多層金屬組合
9: Si襯底 11:負(fù)電極
2: u-GaN層 4: n-GaN層 6: p-GaN層 8: Am層
10:正電極
20-發(fā)光層
100:發(fā)光臺(tái)面區(qū)域
200:切割道區(qū)域
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1 10所示的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法，其
制作步驟如下
如圖1所示，在藍(lán)寶石襯底1上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)依次 外延生長(zhǎng)u-GaN層2、低摻p-GaN層3、 n-GaN層4、多量子阱層5、 p-GaN層6， 其中n-GaN層4、多量子阱層5和p-GaN層6組成發(fā)光層20;
按照?qǐng)D2b所示的平面俯視圖對(duì)外延層進(jìn)行定義，采用光刻定義出發(fā)光臺(tái)面 區(qū)域100和切割道區(qū)域200，并如附圖2a所示，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 干法蝕刻去除切割道區(qū)域200上的p-GaN層6、多量子阱層5以及部分的n-GaN 層4，暴露出n-GaN層4;
如圖3所示，在發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100的p-GaN層6上制作一 Ag/Ni/Au多層金 屬組合7，厚度為120/50/1000nm,多層金屬組合7基本覆蓋發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100， 但相對(duì)于發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100做一定寬度的內(nèi)縮，露出臺(tái)面邊緣部分；
如圖4所示，采用PEC工藝蝕刻去除切割道區(qū)域200上的n-GaN層4，具體 工藝條件包括"采用輻射范圍在280 350nm的汞燈照射外延層表面，功率密 度為50mW/cm2，蝕刻液采用2摩爾/升的KOH溶液，溫度為室溫"，PEC蝕刻持續(xù) 時(shí)間30分鐘，最終蝕刻停止在低摻p-GaN層3上；
如圖5所示，在發(fā)光層20的側(cè)壁上和發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100邊緣部分的p-GaN 層6上沉積一層AL03層8，厚度為200nm;
如圖6所示，采用ICP干法蝕刻去除切割道區(qū)域200上的低摻p-GaN層3 和u-GaN層2;如圖7所示，利用晶圓共晶鍵合技術(shù)，將Si襯底9接合到多層金屬組合7 之上；
如圖8所示，采用PEC工藝蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100上的u-GaN層2，具 體工藝條件包括"采用輻射范圍在280 350nm的汞燈透過(guò)藍(lán)寶石背面照射到 u-GaN層2上，功率密度為50mW/cm2，蝕刻液采用2摩爾/升的KOH溶液，溫度 為室溫"，PEC蝕刻持續(xù)時(shí)間4小時(shí)，最終使得藍(lán)寶石襯底1和發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100 的外延層實(shí)現(xiàn)分離，實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底的濕法剝離；
如圖9所示，采用ICP干法蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域100的低摻p-GaN層3， 暴露出n-GaN層4;
如圖10所示，在Si襯底9上制作一正電極10，在n-GaN層4之上制作一 負(fù)電極ll，正、負(fù)電極材料都選用Cr/Au，厚度50/1000nm。
在本發(fā)明實(shí)施方案中，外延生長(zhǎng)的緩沖層(犧牲層)采用常規(guī)的未摻雜的 GaN基u-GaN層2，雖然在緩沖層u-GaN層2和發(fā)光層20之間插入了蝕刻停止 層低摻P-GaN層3，但由于蝕刻停止層本身也是GaN系材料并且p型摻雜濃度很 低不會(huì)對(duì)晶體質(zhì)量造成影響，因此可以保證發(fā)光層的晶體質(zhì)量與常規(guī)外延結(jié)構(gòu) 一致，相較于非GaN基材料的異質(zhì)緩沖層(犧牲層)，同質(zhì)緩沖層上外延生長(zhǎng)的 晶體質(zhì)量更為優(yōu)越，基于蝕刻該犧牲層實(shí)現(xiàn)襯底剝離的發(fā)光器件其發(fā)光效率更 咼。
權(quán)利要求
1.一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法，包括步驟1)以藍(lán)寶石作為外延生長(zhǎng)襯底，在其上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、濕法蝕刻停止層、發(fā)光層，其中，緩沖層為未摻雜的GaN基材料，濕法蝕刻停止層為p型GaN基材料，發(fā)光層依次至少包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；2)定義發(fā)光臺(tái)面區(qū)域和切割道區(qū)域，并采用于法蝕刻去除切割道區(qū)域上的p型GaN基外延層、有源層以及部分的n型GaN基外延層，暴露出n型GaN基外延層；3)在發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的p型GaN基外延層上制作一多層金屬組合，多層金屬組合覆蓋p型GaN基外延層；4)采用光輔助電化學(xué)蝕刻去除切割道區(qū)域的n型GaN基外延層，并且使得蝕刻停止于濕法蝕刻停止層；5)制作一濕法蝕刻保護(hù)層，使其完全覆蓋發(fā)光層側(cè)壁；6)采用干法蝕刻去除切割道區(qū)域上的濕法蝕刻停止層和緩沖層；7)制作一永久性襯底，使其與發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的多層金屬組合實(shí)現(xiàn)接合；8)采用光輔助電化學(xué)蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的緩沖層，使得藍(lán)寶石襯底和發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的外延層實(shí)現(xiàn)分離；9)采用干法蝕刻去除發(fā)光臺(tái)面區(qū)域的濕法蝕刻停止層，暴露出n型GaN基外延層；10)制作電極，包括分別在永久性襯底上制作一正電極，在n型GaN基外延層之上制作一負(fù)電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于濕法蝕刻停止層為摻雜濃度低于1018cm—3的p型GaN基材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于多層金屬組合具有高反射率和抗堿性蝕刻的性質(zhì)，并與P型GaN 基外延層形成良好接觸，其最表層金屬材料選自Pt、 Au、 Ni或Cr。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于光輔助電化學(xué)蝕刻是在無(wú)外加偏壓的條件下進(jìn)行的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于光輔助電化學(xué)蝕刻選用波長(zhǎng)小于365nm的紫外光進(jìn)行照射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于光輔助電化學(xué)蝕刻的蝕刻溶液選自K0H、 NaOH或MU)H,
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于濕法蝕刻保護(hù)層為具有抗堿性蝕刻的絕緣性材料，選自氧化鋁、 氧化鋯、氮化鋁、BCB或聚酰亞胺。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法， 其特征在于永久性襯底可以采用電鍍或者鍵合方式制作，其材料選自Cu、 Ni、 Si、 Ge、 Mo或GaAs。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的一種基于襯底剝離的氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法，以GaN基材料作為濕法蝕刻犧牲層并同時(shí)作為發(fā)光層材料外延生長(zhǎng)的緩沖層，通過(guò)采用同質(zhì)犧牲層(緩沖層)，制作出基于濕法蝕刻犧牲層剝離襯底的氮化鎵基發(fā)光器件，同時(shí)，保持較高的發(fā)光層晶體質(zhì)量。本發(fā)明的有益效果是濕法蝕刻犧牲層(緩沖層)采用與發(fā)光層同質(zhì)的材料可以保證外延生長(zhǎng)發(fā)光層獲得較高的晶體質(zhì)量，從而得到較高發(fā)光效率的基于襯底剝離的發(fā)光器件。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101494267SQ20081023784
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者潘群峰 申請(qǐng)人:廈門(mén)市三安光電科技有限公司