專利名稱：一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管制作方法，特別是一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光 二極管的制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，為了提高氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管的發(fā)光功率和效率，發(fā)展了 基于襯底轉(zhuǎn)移的垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)，例如在藍寶石襯底上外延沉積GaN基發(fā)光 材料，然后把發(fā)光材料層通過晶圓鍵合技術(shù)或電鍍技術(shù)黏結(jié)到半導體或金屬基 板上，再把藍寶石襯底用激光剝離方法去除；或者在SiC或者Si襯底上外延沉 積GaN基發(fā)光材料，然后把發(fā)光材料層通過晶圓鍵合技術(shù)或電鍍技術(shù)黏結(jié)到半 導體或金屬基板上，再把SiC或者Si襯底用化學腐蝕方法去除。這樣一方面可 以通過在GaN基發(fā)光材料和基板之間加一個反射層，另一方面由于GaN基材料 的氮極性面容易通過光化學腐蝕方法獲取粗糙的出光面，以上兩方面使垂直結(jié) 構(gòu)GaN基發(fā)光二極管具有更高的出光效率，同時襯底轉(zhuǎn)移后的基板具有優(yōu)良的 導熱特性，因此轉(zhuǎn)移到散熱基板上的垂直結(jié)構(gòu)GaN基發(fā)光二極管在大電流應(yīng)用 上具有較大的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的GaN基材料以藍寶石作為生長襯底，在外延過程中其生長面通常會 表現(xiàn)出極性，包括氮極性和鎵極性，目前已研究出多種控制和改變GaN基材料 生長極性的方法，如中國專利ZL01137373.3和CN1832112，然而由于氮極性面 的穩(wěn)定性相對較差，所以一般生長面都選擇鎵極性面，因此相應(yīng)地，與襯底接觸的一面則表現(xiàn)為氮極性面。對于襯底轉(zhuǎn)移的垂直結(jié)構(gòu)芯片，去除生長襯底后
暴露出的GaN基外延層表面通常表現(xiàn)為氮極性，而氮極性面的歐姆接觸特性與 鎵極性面存在極大差異，以GaN為例，其鎵極性面的n型歐姆接觸電極一般采 用Ti基或者Cr基，且這類接觸具備較好的溫度穩(wěn)定性和抗熱沖擊能力；然而， 同樣的電極材料應(yīng)用于氮極性面，雖然初始時間，不管是Ti基或者是Cr基金 屬材料都與n型GaN形成歐姆特性接觸，但經(jīng)過15(TC或者更高的溫度后，其接 觸特性即快速地劣化為肖特基接觸，引起發(fā)光二極管的正向工作電壓升高，嚴 重制約了垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的光效和可靠性。關(guān)于其形成原因的探討較具有 代表性的有Hyunsoo Kim等人(Appl. Phys. Lett. ， 93， 192106， 2008)認為 是氮空位與表面鎵空位以及C、 0原子反應(yīng)導致表面氮空位減少；Ho Won Jang 等人(Appl. Phys. Lett., 94, 182108， 2009)認為是體內(nèi)的氮原子向表面擴散 補償了氮空位導致表面氮空位減少。然而到目前為止，仍未見關(guān)于氮極性面GaN 基材料上n型歐姆接觸熱穩(wěn)定性問題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述因氮極性面GaN基材料上歐姆接觸電極易受溫度影響裂化導致 垂直結(jié)構(gòu)GaN基發(fā)光二極管光效降低和可靠性變差之問題，本發(fā)明旨在提供一 種垂直結(jié)構(gòu)GaN基發(fā)光二極管的制作方法。
本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是 一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二 極管的制作方法，包括步驟
1)提供一臨時襯底，在其上依次外延生長一極性接觸外延層和一發(fā)光層以 形成外延片，所述極性接觸外延層為n型GaN基材料并且其生長面表現(xiàn) 為氮極性，所述發(fā)光層依次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；
2) 提供一永久襯底，將其與上述外延片通過一金屬疊層進行粘結(jié)；
3) 去除臨時襯底，并暴露出極性接觸外延層的鎵極性面；
4) 在上述極性接觸外延層的鎵極性面上制作一 n型歐姆接觸電極；
5) 蝕刻去掉除ri型歐姆接觸電極覆蓋區(qū)域之外的極性接觸外延層，暴露出 n型GaN基外延層；
6) 采用濕法蝕刻方式對n型GaN基外延層進行處理以形成粗糙表面。
在本發(fā)明當中，臨時襯底材料選自藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鎵 或氮化鋁；永久襯底的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo或Ni; n型歐姆接 觸電極的材料選自Cr、 Ti、 Al、 Au、 Pt、 Ni、 Ge、 Si或前述的任意組合之一； 極性接觸外延層的形成方式選用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延 (MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)或前述方式的任意組合之一；去除臨時襯底 的方式選用激光剝離、濕法腐蝕、研磨或前述方式的任意組合之一；對n型GaN 基外延層進行濕法蝕刻所采用的溶液呈堿性。
本發(fā)明工藝中，極性接觸外延層是本發(fā)明的創(chuàng)新之處，本發(fā)明采用n型GaN 基材料作為極性接觸外延層，可以通過特定的方法控制使其在外延生長過程中 呈現(xiàn)氮極性，而去除臨時生長襯底后，其表面又呈現(xiàn)為鎵極性；基于上述基礎(chǔ)， 在極性接觸外延層上制作n型歐姆接觸電極，即n型歐姆接觸系形成于鎵極性 面的n型GaN基材料上，因此可以獲得熱穩(wěn)定性良好的n型歐姆接觸。另外， 濕法蝕刻對鎵極性面的GaN基材料的粗化效果不佳，所以在制作過程當中，將 除接觸區(qū)域以外的極性接觸外延層去除，以使得濕法粗化能夠在氮極性面的GaN 基材料上制作，從而得到更好的粗化效果和取光效率。
本發(fā)明的有益效果是在垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作過程中，通過將n型歐姆接觸電極形成于鎵極性面n型GaN基外延層之上，從而規(guī)避了氮 極性面上歐姆接觸的熱穩(wěn)定性不佳的問題；采用本發(fā)明制作工藝的垂直結(jié)構(gòu)發(fā) 光二極管，其n型歐姆接觸具備較好的熱穩(wěn)定性，其工作電壓不隨外界溫度的 變化而變化，保持了發(fā)光二極管的發(fā)光效率和可靠性。


圖la 圖le是本發(fā)明優(yōu)選實施例的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作過 程的截面示意附圖中部件標識如下
跳藍寶石襯底
101:緩沖層
跳極性接觸層
跳n-GaN層
104:MQW
跳P-GaN層
110:外延片
200:Si襯底
210:金屬疊層
211:Ag反射鏡
212:AuSn合金層
221:P電極
222:n電極
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟如下 如圖la所示，制作外延片110，包括在藍寶石襯底100上采用金屬有機化 學氣相沉積(M0CVD)和氫化物氣相外延(HVPE)組合的方式依次外延生長緩沖 層101、極性接觸層102、 n-GaN層103、多量子阱(MQW)有源層104、 p-GaN 層105，其中極性接觸層102為氮極性面n-GaN，而n-GaN層103的生長面則表 現(xiàn)為鎵極性。
如圖lb所示，在p-GaN層105上蒸鍍一 100nm厚的Ag反射鏡211, Ag反 射鏡211不僅起反射作用而且還能與p-GaN層105歐姆接觸的作用；取一 Si襯 底200作為永久襯底，在Si襯底200上蒸鍍一 2微米厚的AuSn (80: 20)合金 層212;將蒸鍍有Ag反射鏡211的外延片110倒裝在蒸鍍有AuSri合金層212的 Si襯底200上，使得Ag反射鏡211和AuSn合金層212相互接合在一起，兩者 形成金屬疊層210,外延片110和Si襯底即通過金屬疊層210形成粘結(jié)。
如圖lc所示，采用激光剝離的方式去除藍寶石襯底100，選用248nm KrF 準分子激光器，激光能量密度設(shè)定800-lOOOmJ/cm2;藍寶石襯底去除后，接著 采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方式干蝕刻去除緩沖層101，并暴露出極性接觸 層102，此時的極性接觸層n-GaN表現(xiàn)為鎵極性面。
如圖ld所示，在極性接觸層102的鎵極性面上制作n電極222，材料選用 Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nin;以n電極222作為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子 體(ICP)方式干蝕刻去掉除掩膜下方區(qū)域之外的極性接觸層102并暴露出n-GaN 層103，此時的n-GaN層103表面則表現(xiàn)為氮極性。
如圖le所示，采用光輔助濕法蝕刻工藝對氮極性面的n-GaN層103進行處理，具體工藝條件包括"采用輻射范圍在280 350nrn的汞燈照射n-GaN層103 表面，功率密度為50mW/cni2，蝕刻液采用2摩爾/升的K0H溶液，溫度為室溫"， 蝕刻持續(xù)時間5分鐘，處理后形成粗糙的表面；最后在Si襯底200的背面蒸鍍 p電極221，材料選用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nin。
以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，本技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變化。 因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，包括步驟1)提供一臨時襯底，在其上依次外延生長一極性接觸外延層和一發(fā)光層以形成外延片，所述極性接觸外延層為n型GaN基材料并且其生長面表現(xiàn)為氮極性，所述發(fā)光層依次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；2)提供一永久襯底，將其與上述外延片通過一金屬疊層進行粘結(jié)；3)去除臨時襯底，并暴露出極性接觸外延層的鎵極性面；4)在上述極性接觸外延層的鎵極性面上制作一n型歐姆接觸電極；5)蝕刻去掉除n型歐姆接觸電極覆蓋區(qū)域之外的極性接觸外延層，暴露出n型GaN基外延層；6)采用濕法蝕刻方式對n型GaN基外延層進行處理以形成粗糙表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征 在于臨時襯底材料選自藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鎵或氮化鋁。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征 在于極性接觸外延層的形成方式選用金屬有機化學氣相沉積、分子束外延、 氫化物氣相外延或前述方式的任意組合之一。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征 在于永久襯底的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo或Ni。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征 在于去除臨時襯底的方式選用激光剝離、濕法腐蝕、研磨或前述方式的任 意組合之一。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于n型歐姆接觸電極的材料選自Cr、 Ti、 Al、 Au、 Pt、 Ni、 Ge、 Si或前 述的任意組合之一。
7.如權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征 在于對n型GaN基外延層進行濕法蝕刻所采用的溶液呈堿性。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，在垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作過程中，采用n型GaN基材料作為極性接觸外延層，極性接觸外延層呈現(xiàn)氮極性，去除臨時生長襯底，其表面又呈現(xiàn)為鎵極性；基于上述基礎(chǔ)，在極性接觸外延層上制作n型歐姆接觸電極，即n型歐姆接觸系形成于鎵極性面的n型GaN基材料上，因此可以獲得熱穩(wěn)定性良好的n型歐姆接觸，從而規(guī)避了氮極性面上歐姆接觸的熱穩(wěn)定性不佳的問題；采用本發(fā)明制作工藝的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其n型歐姆接觸具備較好的熱穩(wěn)定性，其工作電壓不隨外界溫度的變化而變化，保持了發(fā)光二極管的發(fā)光效率和可靠性。
文檔編號H01L33/00GK101661985SQ200910018378
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者吳志強, 林雪嬌, 潘群峰 申請人:廈門市三安光電科技有限公司