CN101807648B - 引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管及其制作方法，在常规氮化镓基发光二极管芯片结构的基础上，通过扩散键合和衬底去除，引入一表面粗化的氮极性面氮化镓外延层，解决了现有化学湿法外延表面粗化技术存在的一系列问题和局限性，提升了发光二极管的取光效率，并且保持芯片原有的电学性能不变，得到与常规氮化镓基发光二极管相当的制造成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管及其制造方法，更为具体的是一种结合引入式粗化氮极性面外延层的氮化镓基发光二极管及其制作方法，可以提高氮化镓基发光二极管芯片的取光效率。
背景技术
近年来，以氮化镓基宽带隙半导体材料为代表的半导体照明技术的发展引起全世界范围内的广泛关注。随着外延和芯片工艺技术的不断改进，氮化镓基发光二极管的发光效率得到不断提升。然而，要真正意义上普及半导体照明，仍然需要在现有的光效水平上继续提高。发光二极管的光效主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。由于氮化镓基半导体材料的折射率与空气或者封装材料(如环氧树脂)的差异较大，因此在芯片内部存在严重的全反射，大部分的光被限制在芯片内部并最终被吸收，这极大限制了芯片的取光效率。为了抑制全反射从而提高芯片取光效率，诸如表面粗化、光子晶体、高折射率透明层等方法被运用到芯片结构当中并得到较好的效果。这其中，化学湿法外延表面粗化由于制作相对简单、成本较低且效率提升幅度较高是目前常用的粗化工艺。根据外延层表面极性的不同可以将化学湿法外延表面粗化分为镓极性面粗化和氮极性面粗化两种。镓极性面粗化可以在一定程度上提升取光效率，但是其在制作过程中会产生电学性能劣化问题。例如，粗化镓极性面p型外延层会引起表面损伤并降低p型载流子浓度，从而限制发光效率的提升幅度并可能引起漏电；粗化镓极性面n型外延层也会影响电流扩展从而使得工作电压升高。
相对于镓极性面粗化存在的问题，氮极性面粗化不但不影响电学性能，而且由于其粗化后的形貌呈纳米尺度的六角锥体结构，所以其粗化的效果远优于镓极性面粗化，可以较大幅度的提升取光效率。但是受限于外延生长工艺技术，现有的外延片表面呈镓极性面，所以无法对其进行氮极性面粗化，实际上，氮极性面粗化通常是应用于基于衬底剥离的薄膜氮化镓芯片工艺，但是薄膜芯片存在制作工艺复杂，成品低等问题，因此量产上成本较高。
发明内容
针对上述镓极性面粗化及氮极性面粗化无法应用于常规氮化镓基发光二极管芯片的问题，本发明旨在提供一种引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管及其制作方法，包括在常规氮化镓基发光二极管芯片结构的基础上，通过扩散键合和衬底去除，引入一表面粗化的氮极性面氮化镓外延层，在确保大幅度提升芯片取光效率的前提下，既能保持芯片原有的电学性能不变，同时也能得到与常规氮化镓基发光二极管相当的制造成品率。
实现上述目的的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管，其特征在于：
一永久衬底；
一缓冲层形成于永久衬底之上；
一n型氮化镓基外延层形成于缓冲层之上；
一有源层形成于n型氮化镓基外延层部分区域之上；
一p型氮化镓基外延层形成于有源层之上；
一透明导电层形成于p型氮化镓基外延层之上，其材料为氧化铟锡；
一键合外延层形成于透明导电层的部分区域之上，其材料为氮化铟镓，键合外延层氮化铟镓的带隙大于有源层的带隙；
一粗化外延层形成于键合外延层之上，其材料为氮化镓且表面呈氮极性，粗化外延层的表面形貌呈现六角锥体分布；
一n电极形成于n型氮化镓基外延层的另一部分区域之上；
一p电极形成于透明导电层的另一部分区域之上。
上述引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其步骤包括：
1)制作第一外延片，包括在永久衬底上依次外延生长缓冲层、n型氮化镓基外延层、有源层和p型氮化镓基外延层；
2)在p型氮化镓基外延层上制作一透明导电层，其材料为氧化铟锡；
3)制作第二外延片，包括在临时衬底上依次外延生长成核层、可粗化外延层和键合外延层，并且，所述可粗化外延层材料为氮化镓，所述键合外延层材料为氮化铟镓，键合外延层氮化铟镓的带隙大于有源层的带隙；
4)将第一外延片和第二外延片相互贴合成晶圆对，并使得透明导电层与键合外延层相互接触，通过加温加压使得晶圆对形成键合；
5)去除临时衬底和成核层，暴露出可粗化外延层；
6)蚀刻部分区域的可粗化外延层、键合外延层、透明导电层、p型氮化镓基外延层和有源层，暴露出其下的n型氮化镓基外延层；蚀刻另一部分区域的可粗化外延层和键合外延层，暴露出其下的透明导电层；
7)在暴露出的n型氮化镓基外延层和透明导电层之上分别制作n电极和p电极；
8)表面粗化，包括采用碱性蚀刻液处理可粗化外延层，使其形成粗化外延层，粗化外延层的表面形貌呈现六角锥体分布。
在本发明中，永久衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝或氧化锌；临时衬底材料也可选自蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝或氧化锌，然而出于简化制作工艺考虑，优选硅衬底作为永久衬底和临时衬底；考虑到成本因素，制作第二外延片的方式优选氢化物气相外延(HVPE)；为了避免键合外延层吸收有源层发出的光，必须限定氮化铟镓的组分，使其带隙大于有源层的带隙；为了优化粗化形貌，可粗化外延层氮化镓的掺杂类型优选n型；表面粗化过程中可以加入紫外光辅助照射或者采用加热等方式缩短工艺时间；不管采用何种工艺条件，实施表面粗化工艺后形成的粗化外延层表面应呈现六角锥体分布。
本发明成功地将氮极性面粗化应用于常规氮化镓基发光二极管，解决了现有化学湿法外延表面粗化技术存在的一系列问题和局限性，在提高取光效率的同时，保持了发光二极管原有的电学性能及制造成品率。
附图说明
图1为本发明引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的截面结构图；
图2a～2g为本发明氮化镓基发光二极管制作过程的截面示意图；
图3为本发明实例的氮化镓基发光二极管的表面形貌图。
图中标识如下：
100 蓝宝石衬底
101 缓冲层
102 u-GaN层
103 n-GaN层
104 多量子阱有源层
105 p-AlGaN限制层
106 p-GaN层
120 ITO层
130 p电极
140 n电极
200 Si衬底
201 成核层
202 可粗化n-GaN层
202’ 粗化n-GaN层
203 In0.2Ga0.8N键合层
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。
如图1所示的一种引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管结构的截面示意图，其结构包括：一蓝宝石衬底100；缓冲层101形成于蓝宝石衬底100之上；u-GaN层102形成于缓冲层101之上；n-GaN层103形成于缓冲层102之上；多量子阱有源层104形成于n-GaN层103的部分区域之上；p-AlGaN限制层105形成于多量子阱有源层104之上p-GaN层106形成于p-AlGaN限制层105之上；ITO透明导电层120形成于p-GaN层106之上；键合层203形成于ITO层120的部分区域之上，其材料为In0.2Ga0.8N；氮极性面粗化n-GaN层202’形成于键合层203之上；p电极130形成于ITO层120的另一部分区域之上，其材料为Cr/Pt/Au；n电极140形成于n-GaN层103的另一部分区域之上，其材料为Cr/Pt/Au。
按照图1所示的优选实施例的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法为：
如图2a所示，制作第一外延片10，即以蓝宝石100为衬底，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在其上依次生长缓冲层101、u-GaN层102、n-GaN层103、多量子阱有源层104、p-AlGaN限制层105和p-GaN层106。采用电子束蒸发在p-GaN层106之上蒸镀一层氧化铟锡(ITO)作为透明导电层120，厚度2500埃，铟锡比例9∶1。
如图2b所示，制作第二外延片20，即以硅200为衬底，采用氢化物气相外延(HVPE)方法在其上依次生长成核层201、可粗化n-GaN层202和In0.2Ga0.8N键合层203。
如图2c所示，将第一外延片10和第二外延片20相互贴合成晶圆对，并使得ITO层120与In0.2Ga0.8N键合层203相互接触，然后在650℃高温、8000N压力的条件下使得晶圆对形成键合；
如图2d所示，采用湿法蚀刻去除硅衬底200，选择硝酸和氢氟酸混合溶液为蚀刻液进行衬底去除。去除硅衬底200后，接着采用干法等离子体蚀刻去除成核层201，并完全暴露出可粗化n-GaN层202；
如图2e所示，采用干法等离子体蚀刻部分区域的可粗化n-GaN层202和In0.2Ga0.8N键合层203，暴露出其下的ITO层120；采用干法蚀刻等离子体蚀刻另一部分区域的蚀刻部分区域可粗化n-GaN层202和In0.2Ga0.8N键合层203，接着采用湿法蚀刻去除其下的ITO层120，其后，再采用干法蚀刻等离子体蚀刻去除其下的p-GaN层106、p-AlGaN限制层105和多量子阱有源层104，暴露出n-GaN层103。
如图2f所示，在暴露出的n-GaN层103和ITO层120之上分别制作n电极140和p电极130，电极材料选用Cr/Pt/Au，厚度为500/500/10000埃。
如图2g所示，对可粗化n-GaN层202进行表面粗化，使其形成粗化n-GaN层202’，表面粗化工艺采用60℃的KOH溶液蚀刻5分钟。
图3显示的是粗化n-GaN层202’的表面形貌图，采用扫描电子显微镜(SEM)放大10000倍拍摄得到，从图中可以看出粗化n-GaN层202’表面呈六角锥体分布，锥体的尺寸大小大致在700～1000nm，这样的粗化尺寸与出光的波长较为接近，可大幅度提高发光二极管的取光效率。
Claims (9)
1.引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管，其特征在于：
一永久衬底；
一缓冲层形成于永久衬底之上；
一n型氮化镓基外延层形成于缓冲层之上；
一有源层形成于n型氮化镓基外延层部分区域之上；
一p型氮化镓基外延层形成于有源层之上；
一透明导电层形成于p型氮化镓基外延层之上，其材料为氧化铟锡；
一键合外延层形成于透明导电层的部分区域之上，其材料为氮化铟镓，键合外延层氮化铟镓的带隙大于有源层的带隙；
一粗化外延层形成于键合外延层之上，其材料为氮化镓且表面呈氮极性，粗化外延层的表面形貌呈现六角锥体分布；
一n电极形成于n型氮化镓基外延层的另一部分区域之上；
一p电极形成于透明导电层的另一部分区域之上。
2.如权利要求1所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管，其中的永久衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝或氧化锌。
3.如权利要求1所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管，其中的粗化外延层为n型氮化镓。
4.引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其步骤包括：
1)制作第一外延片，包括在永久衬底上依次外延生长缓冲层、n型氮化镓基外延层、有源层和p型氮化镓基外延层；
2)在p型氮化镓基外延层上制作一透明导电层，其材料为氧化铟锡；
3)制作第二外延片，包括在临时衬底上依次外延生长成核层、可粗化外延层和键合外延层，并且，所述可粗化外延层材料为氮化镓，所述键合外延层材料为氮化铟镓；
4)将第一外延片和第二外延片相互贴合成晶圆对，并使得透明导电层与键合外延层相互接触，通过加温加压使得晶圆对形成键合；
5)去除临时衬底和成核层，暴露出可粗化外延层；
6)蚀刻部分区域的可粗化外延层、键合外延层、透明导电层、p型氮化镓基外延层和有源层，暴露出其下的n型氮化镓基外延层；蚀刻另一部分区域的可粗化外延层和键合外延层，暴露出其下的透明导电层；键合外延层氮化铟镓的带隙大于有源层的带隙；
7)在暴露出的n型氮化镓基外延层和透明导电层之上分别制作n电极和p电极；
8)表面粗化，包括采用碱性蚀刻液处理可粗化外延层，使其形成粗化外延层；粗化外延层的表面形貌呈现六角锥体分布。
5.如权利要求4所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其中的永久衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝或氧化锌。
6.如权利要求4所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其中的临时衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝或氧化锌。
7.如权利要求4所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其中的制作第二外延片的方式优选氢化物气相外延。
8.如权利要求4所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其中的可粗化外延层为n型氮化镓。
9.如权利要求4所述的引入式粗化氮极性面氮化镓基发光二极管的制作方法，其中的表面粗化工艺选用紫外光辅助照射或者加热。
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