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CN111968907A - 一种氮极性ⅲ族氮化物粗化方法 - Google Patents

一种氮极性ⅲ族氮化物粗化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，方法包括在硅衬底上生长Ⅲ族氮化物叠层，接着在氮化物叠层上制备包括高反射金属的金属叠层，在基板的正反面制备金属叠层，并采用晶圆热压键合方法将所述制备金属叠层的Ⅲ族氮化物叠层与基板键合在一起，之后用湿法腐蚀的方法去除所述硅衬底，露出氮极性Ⅲ族氮化物叠层的缓冲层AlN，从基板的上方对所述的Ⅲ族氮化物叠层表面进行干法刻蚀，采用氧等离子体对干法刻蚀后的表面进行处理，然后对该表面进行湿法粗化。本发明具有先进行表面处理再进行粗化、在不增加外延成本的情况下得到均匀的氮极性Ⅲ族氮化物粗化表面、工艺简单、最终提高产品可靠性的优点。

Description

一种氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其是涉及一种氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物半导体材料，包括化合物（例如GaN、InN和AlN）以及合金化合物（例如AlGaN、InGaN和AlGaInN），因其具有直接带隙、高吸收系数、抗辐射特性、连续可调的禁带宽度等优秀的光电特性而被广泛地用于制造诸如发光二极管和激光二极管之类的发光器件以及太阳能电池之类的光电器件。氮化物发光二极管因其发光效率的逐步提高而已广泛应用于当今社会的诸多领域，包括显示、照明、装饰以及指示用灯等。但因为半导体材料折射率较大（GaN为2.5左右），导致半导体发光二极管的光提取效率低。对于GaN基LED，GaN半导体材料与空气界面的临界角约为23º，因此GaN基LED的光提取效率非常低（约为4%），这大大限制了GaN基LED的应用。
为了提高取光效率，表面粗化技术是一种非常简单有效的方法。传统的同侧结构通常是对镓极性面（镓面）进行粗化，但p型氮化物存在空穴浓度低以及很难腐蚀等原因，其粗化效果差。而氮极性面的氮化物较容易腐蚀，现采用比较多的方法是把氮化物外延层转移到一基板上，去除原生长衬底，对露出的氮极性氮化物进行腐蚀粗化。然而对表面进行粗化时，通常存在过粗化或粗化不均匀的问题，粗化后表面颗粒大小不一，而且存在光秃位置，如图1所示，影响器件的可靠性。现有的去除衬底的方法有两种，一是激光剥离，即激光从蓝宝石侧入射，通过熔化蓝宝石与氮化物之间的缓冲层来剥离原生长衬底，为减少激光剥离对外延层带来的影响，外延层就要求比较厚，所以外延成本相对较高；另一种是通过湿法腐蚀的方法去除原生长衬底，该方法对外延层基本没影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种先进行表面处理再进行湿法粗化、在不增加外延成本的情况下得到均匀的氮极性Ⅲ族氮化物粗化表面、工艺简单、最终提高产品可靠性的粗化方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，包括如下步骤：
A、在硅衬底上生长至少包括缓冲层的Ⅲ族氮化物叠层；
B、在氮化物叠层上制备包括高反射金属的第一金属叠层；
C、提供永久基板，在所述永久基板的正反面蒸镀第二金属叠层及第三金属叠层；
D、采用晶圆热压键合方法将所述制备第一金属叠层的Ⅲ族氮化物叠层与基板正面的第二金属叠层键合在一起，之后用湿法腐蚀的方法去除所述硅衬底，裸露出氮极性Ⅲ族氮化物叠层的缓冲层；
E、从基板的上方对所述的氮极性Ⅲ族氮化物叠层的缓冲层进行表面处理；
F、对步骤E经过表面处理的氮极性Ⅲ族氮化物叠层的表面进行湿法粗化；
其特征是：
步骤A中所述的缓冲层为AlN；步骤E中所述的表面处理包括干法刻蚀及表面氧等离子体处理。
所述的Ⅲ族氮化物叠层由AlxGayIn(1-x-y)N材料组成, 其中0≤x≤1, 0≤y≤1。
进一步地，步骤A中所述的AlN缓冲层厚度为600--2000Å。
进一步地，所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
进一步地，步骤E中所述的AlN缓冲层的刻蚀厚度不小于300 Å。Ⅲ族氮化物叠层一般在高温下生长，Si/AlN 界面会形成SixNy，且Si也易在AlN缓冲层中扩散，形成约300 Å的高掺层。这种刻蚀处理有利于减少后续粗化过程中SixNy或过多杂质对粗化造成的影响，改善粗化均匀性。
进一步地，步骤E中所述的AlN缓冲层的刻蚀后的剩余厚度不小于200 Å。经过干法刻蚀后，氮化物表面形成大量氮空位，若表面为AlN，则为富Al状态，表面为GaN，则为富Ga状态。因为Al的金属活泼性大于Ga，所以Al比Ga更易形成氧化物，所述AlN缓冲层刻蚀后的剩余厚度进一步优选为600--1000Å。
本发明通过对氮极性Ⅲ族氮化物叠层表面的干法刻蚀及氧等离子体处理，使表面形成氧化铝，在湿法粗化过程中得到均匀的粗化形貌。
本发明通过湿法腐蚀去除衬底的方法获得氮极性Ⅲ族氮化物叠层，采用对氮极性Ⅲ族氮化物叠层表面的AlN层进行干法刻蚀及氧等离子体处理，在表面形成氧化铝，改善粗化过程中粗化不均匀的现象，因此本发明具有在不增加外延成本的情况下得到均匀的氮极性Ⅲ族氮化物粗化表面、工艺简单、成本低的优点，解决了氮极性Ⅲ族氮化物粗化过程中存在的粗化不均匀或过粗化的问题，最终提高了产品的可靠性。本发明技术可用于发光二极管、太阳能电池等领域。
附图说明
图1 为未经氧等离子体处理的氮极性Ⅲ族氮化物表面粗化形貌的结构示意图；
图2 为本发明硅衬底上Ⅲ族氮化物叠层的结构示意图；
图3 为本发明氮极性Ⅲ族氮化物叠层器件的结构示意图；
图4 为使用本发明后氮极性Ⅲ族氮化物表面粗化形貌的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
实施例1：
图3示出了使用根据本发明一个实施例而制造的氮极性Ⅲ族氮化物半导体发光二极管（LED）器件断面示意图。具体实施步骤如下：
1、采用MOCVD方法在硅衬底100上，依次生长由AlN缓冲层101、n型GaN 102、GaN/InGaN多量子阱有源层（MQW）103和 p型GaN 104 组成的氮化物叠层，如图2所示，AlN缓冲层的厚度为600--2000Å；
2、采用电子束蒸发的方法在p型GaN 104上依次蒸镀高反射金属200、键合用金属叠层201；所述高反射金属200的材料为Ni/Ag或Ag，厚度为0.05--0.5μm，所述键合用金属叠层201的材料为Cr、Pt、Ti、Au的组合，厚度为0.5--2.5μm；
3、提供基板300，采用电子束蒸发的方法在所述基板300的正反面依次蒸镀键合金属叠层301、保护金属叠层302；所述基板为Si，SiC及Cu中的一种，所述基板正面键合金属叠层301的材料为Cr、Pt、Au、Cu、In的组合，厚度为1--5.5μm，所述基板背面保护金属叠层302的材料为Cr、Pt、Au、Cu的组合，厚度为1--12μm；
4、采用晶圆热压键合方法将所述蒸镀金属叠层的Ⅲ族氮化物叠层与蒸镀金属的基板正面键合在一起，之后采用湿法腐蚀的方法去除所述硅衬底100，露出氮极性Ⅲ族氮化物叠层的AlN缓冲层101；
6、从基板的上方对所述的氮极性Ⅲ族氮化物叠层的AlN缓冲层101进行干法刻蚀，刻蚀厚度不小于300 Å，对经过干法刻蚀的氮极性Ⅲ族氮化物叠层表面的AlN缓冲层101进行氧等离子体处理；
7、对经过氧等离子体处理的氮极性Ⅲ族氮化物叠层用KOH溶液进行湿法粗化，得到粗化颗粒均匀的表面形貌（如图4所示）。
实施例2：
图3示出了使用根据本发明一个实施例而制造的氮极性Ⅲ族氮化物半导体太阳能电池器件断面示意图。相比实施例1的区别在于上述步骤1中的GaN/InGaN多量子阱有源层（MQW）变更为本征InGaN。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，包括如下步骤：
A、在硅衬底上生长至少包括缓冲层的Ⅲ族氮化物叠层；
B、在氮化物叠层上制备包括高反射金属的第一金属叠层；
C、提供永久基板，在所述永久基板的正反面蒸镀第二金属叠层及第三金属叠层；
D、采用晶圆热压键合方法将所述制备第一金属叠层的Ⅲ族氮化物叠层与基板正面的第二金属叠层键合在一起，之后用湿法腐蚀的方法去除所述硅衬底，裸露出氮极性Ⅲ族氮化物叠层的缓冲层；
E、从基板的上方对所述的氮极性Ⅲ族氮化物叠层的缓冲层进行表面处理；
F、对步骤E经过表面处理的氮极性Ⅲ族氮化物叠层的表面进行湿法粗化；
其特征在于：
步骤A中所述的缓冲层为AlN；步骤E中所述的表面处理包括干法刻蚀及表面氧等离子体处理。
2.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：所述的Ⅲ族氮化物叠层由AlxGayIn(1-x-y)N材料组成, 其中0≤x≤1, 0≤y≤1。
3.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：步骤A中所述的AlN缓冲层厚度为600--2000Å。
4.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
5.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：步骤E中所述的AlN缓冲层的刻蚀厚度不小于300 Å。
6.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：步骤E中所述的AlN缓冲层的刻蚀后的剩余厚度不小于200 Å。
7.根据权利要求1所述的氮极性Ⅲ族氮化物粗化方法，其特征在于：所述AlN缓冲层刻蚀后的剩余厚度为600--1000Å。
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