CN105591004B

CN105591004B - 基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法

Info

Publication number: CN105591004B
Application number: CN201610187818.8A
Authority: CN
Inventors: 张丽旸; 程凯
Original assignee: Enkris Semiconductor Inc
Current assignee: Wuxi Jingzhan Semiconductor Co ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: TWI751143B; WO2017167190A1; TW201735400A; CN105591004A; US20190148586A1; US10964843B2

Abstract

本发明公开了一种基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法，所述LED外延片包括：图形化Si衬底、生长在图形化Si衬底上的Al₂O₃涂层；在Al₂O₃涂层上依次生长出成核层、第一缓冲层、第一插入层、第二缓冲层、第二插入层、n‑GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p‑GaN层、与n‑GaN层电连接的n电极、以及与p‑GaN层电连接的p电极。本发明更适用于制备大尺寸的LED外延片，且晶体质量提高，LED管芯的光提取效率提升。

Description

基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及LED外延技术领域，特别是涉及一种基于图形化Si衬底的 LED外延片及其制备方法。

背景技术

GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料(AlN、GaN、InN以及由它们组成的三元或四元合金材料)室温下带隙可以从0.7～6.2eV范围内连续可调，颜色覆盖了整个可见光波段和一部分红外、紫外波段，在激光器(LD)、发光二极管 (LED)、全光谱太阳能电池和探测器等光电子器件方面具有广泛的应用和发展。1989年，Akasaki、Amono第一次成功制备出p-n结GaN蓝光发光二极管；到1994年，日本日亚公司的Nakamura等实现了InGaN/GaN异质结蓝光 LED的产业化后，GaN基LED光电子器件广泛应用于背光、照明、显示等领域。

近20年来，科研人员针对于GaN外延生长技术不断的探索及改进，但是由于生长GaN外延层最理想的同质衬底GaN体材料很难制备(因为GaN熔点很高(2800℃)和平衡蒸气压(4.5GPa)很大)；因此，GaN的外延生长多在异质衬底上进行。目前生长GaN基器件材料最常使用的衬底是蓝宝石、SiC 和Si。这三种衬底中，蓝宝石衬底以其低廉的价格和稳定的质量，以及图形化蓝宝石衬底的使用带来出光效率的大幅提升，使其成为目前LED行业的主流技术。但是，蓝宝石导热率较低，器件散热困难，这也严重制约着蓝宝石衬底大功率LED的发展。SiC衬底具有优良的热导率(4.49W/cm·K)，且与 GaN的晶格失配仅3.5％，但其价格昂贵、衬底尺寸较小，就造成成本难以下降，只能在高端应用中使用。而Si衬底具有价格低廉、尺寸大、晶体质量高、导热率高等优点，而且Si基器件技术十分成熟，Si器件工艺可以成熟的对器件进行剪薄、倒装、封装等步骤，提高器件工作的可靠性。但是，在Si衬底上外延生长GaN最主要的问题是其GaN-on-Si外延膜当中存在较大的应力导致表面龟裂问题。另外，在Si衬底上生长GaN外延材料时，如果不做处理， Si衬底会在氨气(NH3)的氛围下与Ga原子反应(被称为回熔反应)，造成大量的表面缺陷，无法制成器件。为了解决这个问题，需要对MOCVD反应腔进行仔细的清洗，去除Ga原子的背景，并且在生长GaN材料之前需要先生长AlN成核层，从而避免回熔反应。

LED效率的提高除了提高生长的GaN外延膜的晶体质量，改进内量子效应以外，还需要对出光效率进行优化。LED出光效率的改进有两种主要途径，一种是LED外延片表面粗化技术，增大了表面的出光量；另一种是在图形蓝宝石衬底(Patterned SapphireSubstrate，PSS)上制备LED外延片，利用底面图形衬底增加底部反射出光。对于传统的Si衬底上的LED，需要进行倒装工艺并对Si衬底进行完全的剥离，因为Si材料在蓝光波长是完全不透光的。在 Si衬底剥离之后，需要对背面的AlN成核层进行粗化，这样才能够提高出光效率。在N面的AlN成核层上进行表面粗化，可以通过干法或者湿法的工艺进行，但是制作工艺都是相对来说比较困难的，AlN的干法刻蚀速度较慢，湿法刻蚀需要较高的温度。

而在Si衬底上制作图形结构就相对比较成熟，而且更为简便。但是在图形化Si衬底上直接制备GaN LED结构时，通常需要使用AlN成核层来避免 Si和Ga原子之间的刻蚀反应(meltback etching)。但是，AlN沉积在Si衬底上时，可以附着到图形化Si衬底的各个方向无法制备单晶的GaN外延材料。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种具有优异的电学和光学性能的基于图形化具有Al₂O₃涂层的Si衬底的LED外延片及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于图形化Si衬底的LED外延片，所述LED外延片包括：

图形化Si衬底；

Al₂O₃涂层，生长于所述图形化Si衬底上的；以及

外延层，生长于所述Al₂O₃涂层上。

作为本发明的进一步改进，所述Si衬底为图形化Si(111)晶面或Si(100) 晶面或Si(110)晶面，掺杂类型为n型或p型。

作为本发明的进一步改进，所述外延层包括：GaN或AlGaN成核层，生长于所述Al₂O₃涂层上。

作为本发明的进一步改进，所述外延层包括：在所述成核层上依次生长第一GaN缓冲层及发光结构层。

作为本发明的进一步改进，所述外延层还包括位于第一GaN缓冲层和发光结构层之间的应力缓冲层。

相应地，一种基于图形化Si衬底的LED外延片的制备方法，所述制备方法包括：

S1、在Si衬底上刻蚀图形化结构，制作图形化Si衬底；

S2、在所述图形化Si衬底上生长Al2O3涂层；

S3、在所述Al₂O₃涂层上生长外延层.

作为本发明的进一步改进，外延层包括GaN或AlGaN成核层，生长于 Al₂O₃涂层上。

作为本发明的进一步改进，所述外延层还包括第一缓冲层及发光结构层依次生长于所述GaN或AlGaN成核层上，且所述制备方法还包括：

制备与n-GaN层电连接的n电极、以及与p-GaN层电连接的p电极；

利用Al2O3涂层作为阻挡层，用湿法刻蚀的方法将图形化Si衬底刻蚀掉，露出图形化的Al2O3涂层。

作为本发明的进一步改进，所述制备方法还包括：在所述GaN或AlGaN 成核层上生长第一GaN缓冲层后，生长应力缓冲层，然后再外延生长发光结构层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体为：

在图形化Si衬底上先镀上一层Al层，再通入氧等离子体形成Al₂O₃涂层。

本发明的有益效果是：

1、本发明的核心内容是在具有Al₂O₃涂层的图形化Si衬底上制备高质量的LED外延材料和器件。由前面的介绍可知，为了避免回熔反应，在Si衬底上制备的LED器件结构必须先生长AlN作为成核层，再在其上生长GaN外延层，但是AlN在Si衬底上生长时没有选择性，可在侧壁、顶部、底部同时生长，而且其生长模式倾向于柱状生长模式，造成晶向不统一，无法生长平整的GaN单晶外延薄膜。另外，在没有Al₂O₃涂层的图形化Si衬底上生长时会产生AlN晶壁的问题，导致其上的GaN层产生间隙或者需较厚的GaN层才能完全合并；而且AlN成核层可以在任意的晶面上生长，用AlN作为成核层甚至可能制成多晶的外延膜。而若以Al₂O₃作为涂层就能有效的保护Si衬底，避免了回熔反应，可直接采用GaN成核层实现单晶生长。GaN的生长速度是在(0002)方向最快，其他方向的生长速度会受到(0002)方向生长的抑制，从而解决GaN晶粒之间不能有效合并的问题。以此可以制备出大尺寸Si衬底 GaN基LED外延片，为发展大功率Si衬底GaN基LED器件和降低LED价格提供了保证。

2、本发明采用的是图形化硅衬底，图形化硅衬底与目前LED产业中使用的图形化蓝宝石衬底相比更容易在Si衬底上制作出各类图形，而且图形的大小和样式选择也较蓝宝石衬底更多；此外，图形化Si衬底还有如下优点：一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面有源区发出的光，经GaN 和衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。与平片结构的Si衬底LED相比，采用图形化Si衬底可以降低背面粗化工艺的难度，因为采用图形化Si衬底，可以把图形转移到外延结构当中，无需在GaN外延膜中再进行粗化。

3、在整个LED器件结构中加入应力缓冲层，解决了由于GaN外延层在降温时受到Si衬底带来的张应力引起的外延层表面龟裂问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1～11为本发明一具体实施方式中图形化Si衬底的LED器件制备方法工艺流程图，其中：

图1为Si(111)衬底示意图；

图2为在Si(111)衬底上制作图形化Si衬底的示意图；

图3为在图形化Si衬底上生长Al₂O₃涂层步骤的示意图；

图4a和图4b为在Al₂O₃涂层上外延生长成核层的示意图；

图5a和图5b为在成核层上外延生长第一缓冲层的示意图；

图6为在第一缓冲层上外延生长应力缓冲层的示意图；

图7为在应力缓冲层上外延生长发光结构的示意图；

图8为在发光结构上沉积焊接面金属层的示意图；

图9为通过焊接镜面金属层将LED外延片转移到Si(100)基板上的示意图；

图10为在Si(100)基板上制作欧姆接触p电极，在n-GaN层上制作欧姆接触n电极的示意图；

图11为用去除图形化Si衬底的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参照图1～图11所示，本实施方式中基于图形化Si衬底的LED外延片的制备方法具体包括以下步骤：

(1)、准备平板Si衬底(如图1所示)，先在平板Si衬底(参图1所示) 上刻蚀图形化结构，制备出图形化Si衬底1(Patterned silicon substrate，PSS)。本案较佳地可以选择用干法刻蚀法刻蚀图形化结构。

所述Si衬底为Si(111)晶面或Si(100)晶面或Si(110)晶面，掺杂类型为 n型或p型。

本案对在Si衬底刻蚀的图形化结构不作特别限制，可根据设计需求制作相应的图形化结构，

参照图2所示的截面图和俯视图，可以在硅衬底制作的图形化结构很丰富，这里只列举一些常做的图形化结构，然而本案不以此为限。

图形化Si衬底一方面可以有效减少GaN外延材料中的位错密度，提高外延层晶体质量，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED 的寿命；另一方面有源区发出的光，经GaN和Al₂O₃涂层界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从Al₂O₃涂层出射的几率，从而提高了光的提取效率。

(2)、参照图3所示，采用分子束外延生长法(MBE)生长Al₂O₃涂层，具体是：在图形化Si衬底1上先镀上一层厚度为1～200nm的Al层，再通入氧等离子体形成Al₂O₃涂层。

为了避免回熔反应，在Si衬底上制备的LED器件结构必须先生长AlN 作为成核层，再在其上生长GaN外延层，但是AlN生长模式倾向于柱状生长模式，在没有Al₂O₃涂层的图形化Si衬底上生长时会产生AlN晶壁的问题，导致其上的GaN层产生间隙或者需较厚的GaN层才能完全合并；而且AlN 成核层可以在任意的晶面上生长，用AlN作为成核层甚至可能制成多晶的外延膜。而若以Al₂O₃作为涂层就能有效的保护Si衬底，避免了回熔反应，可直接采用GaN成核层实现单晶生长。GaN的生长速度是在(0002)方向最快，其他方向的生长速度会受到(0002)方向生长的抑制，从而解决GaN晶粒之间不能有效合并的问题。以此可以制备出大尺寸Si衬底GaN基LED外延片，为发展大功率Si衬底GaN基LED器件和降低LED价格提供了保证。

(3)、参照图4a和4b所示，在Al₂O₃涂层上生长出一层成核层3。图4a 所示的是：当Si衬底上的图形化结构的凹槽的宽度较大时，其凹槽的内壁和底部都可以生长成核层3。但是，如果当Si衬底上的图形化结构的凹槽的宽度较小时，以致原子无法进入时，则如图4b所示，无法在凹槽的内壁和底部生长成核层3。

本案中，成核层3较佳的可为AlGaN或GaN。

(4)、参照图5a和5b所示，在成核层3上通过MOCVD方法外延生长出一层厚度在100～5000nm的第一缓冲层4。第一缓冲层4较佳得为GaN。

图5a对应图4a，当图形化的结构的凹槽较宽时，第一缓冲层4可以生长到凹槽的侧壁和底部。

图5b对应图4b，当图形化的结构的凹槽较窄时，第一GaN缓冲层4无法生长到凹槽的侧壁和底部，且紧靠凹槽口的部分也无法生长第一GaN缓冲层4。

(5)参照图6所示，在第一GaN缓冲层4上通过MOCVD方法外延生长应力缓冲层。应力缓冲层可以起到调节应力的作用。

本案中，较佳地，应力缓冲层由第一插入层5、第二缓冲层6及第二插入层7组成。但是本案并不以此为限，应力缓冲层也可以由3个插入层和2个缓冲层交替组成，或者更多个插入层和更多个缓冲层交替组成的。

本案中，较佳地，第一插入层5和第二插入层7可为AlGaN插入层、AlN 插入层或者超晶格插入层中的任一种。

第一插入层5和第二插入层7的厚度为5-100nm，第二缓冲层6的厚度为 100-5000nm。

(6)参照图7所示，在应力缓冲层上通过MOVCD方法外延生长出发光结构层。本案中，较佳地，发光结构层为1～5μm的n-GaN层8、多层结构的量子阱层9、0.1～2μm的P-GaN层10。

(7)参照图8所示，通过溅射、金属蒸发或电镀的方法在p-GaN层上覆设一层焊接镜面金属层11，此层为镀银或镁的铝板或镍板，铝板或镍板与 p-GaN层粘接形成欧姆接触。

(8)参照图9所示，将此外延层通过焊接金属层转移到新的低阻双面抛光Si基板12上，并采用倒装芯片工艺，以焊接镜面金属层11反光，从Al₂O₃涂层出光。

(9)参照图10所示，在Si基板12上制作欧姆接触的p电极13。

采用干法刻蚀方法从Si基板12开始刻蚀，直至露出n-GaN层8，并在暴露的n-GaN层8上镀透明电极，在透明电极上溅射金或镍并刻蚀成电极图案，形成欧姆接触的n电极14。

(10)参照图11所示，利用Al₂O₃涂层作为阻挡层，用湿法刻蚀的方法把图形化Si衬底1去掉，露出图形化的Al₂O₃涂层，形成LED器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的是图形化硅衬底，图形化硅衬底与目前LED产业中使用的图形化蓝宝石衬底相比更容易在Si衬底上制作出各类图形，而且图形的大小和样式选择也较蓝宝石衬底更多；此外，图形化Si衬底还有如下优点：一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面有源区发出的光，经GaN 和衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。

2、本发明采用在图形化硅衬底上生长Al₂O₃涂层，然后直接生长GaN或 AlGaN成核层，传统Si衬底上的LED器件结构需要先生长AlN作为成核层，再在其上生长GaN外延层，但是AlN生长模式倾向于柱状生长模式，在PSS 衬底上生长时会产生AlN晶壁的问题，导致其上的GaN层产生间隙或者需较厚的GaN层才能完全合并，若以GaN或AlGaN作为成核层就能解决GaN晶粒之间不能有效合并的问题。以此可以制备出大尺寸Si衬底GaN基LED外延片，为发展大功率Si衬底GaN基LED器件和降低LED价格提供了保证。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种基于图形化Si衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S1、在Si衬底上刻蚀图形化结构，制作图形化Si衬底；

S2、在所述图形化Si衬底上生长Al₂O₃涂层；

S3、在所述Al₂O₃涂层上生长外延层；

S4、将图形化Si衬底作为牺牲层，对上述结构进行衬底剥离。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外延层包括：

GaN或AlGaN成核层，生长于所述Al₂O₃涂层上。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述外延层还包括第一缓冲层及发光结构层，依次生长于所述GaN或AlGaN成核层上，且所述制备方法还包括：

利用所述Al₂O₃涂层作为阻挡层，用湿法刻蚀的方法对所述图形化Si衬底的图形部分进行刻蚀，从而使衬底剥离，露出图形化的所述Al₂O₃涂层。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述外延层还包括：

应力缓冲层，位于所述第一缓冲层及所述发光结构层之间。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

在所述图形化Si衬底上先镀上一层Al层，再通入氧等离子体形成所述Al₂O₃涂层。