专利名称：GaN基发光器件制作方法及其器件结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓基发光二极管(LED)、激光二极管(LD)的制作方法，目的是为了降低器件热阻，并提高器件的各项性能指标。本发明属于氮化镓基发光器件的制作技术领域。
背景技术：
基于宽禁带半导体材料的发光器件一直是半导体光电子学领域和电子器件领域研究和开发的重点。以基于III-V族氮化物材料大功率蓝光LED为代表的半导体照明光源具有环保、节能、耐候性好以及寿命长等优点，必将引起照明光源市场的一场革命，最终可能取代传统照明光源。同时，基于GaN材料的短波长激光二极管(LD)由于其在光存储方面的优势，业已引起光存储方式的革命。但就目前情况来看，GaN基LD成本居高不下大功率LED在民用照明市场尚难于广泛取代传统照明。研究表明，包括大注入电流下器件的热量耗散问题等诸多因素影响着上述问题的解决。特别是对LED而言，发光效率等方面的因素显得非常突出。
由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高激活能，因此，对制作LED和LD而言，很难获得高空穴浓度的p型GaN层，在大注入电流条件下，热特别容易在p型区域中产生。这个热量势必通过整个结构才能在热沉上消散。尽管如此，因为GaN基发光器件和电子器件温度一般低于200℃，热辐射非常弱，所以不能依靠热辐射来散热，这就意味着GaN基发光器件的散热途径主要是热传导和热对流。众所周知，III族氮化物具有两个基本的性质(见参考文献H.Mokoc.Nitride semiconductors and devices.BerlinSpringer，1999)第一，熔点极高。AlN的熔点为3000K以上，GaN的熔点为2000K以上，InN的熔点也在1200K以上；第二，氮气的平衡压非常高。以上两个性质决定了难于获得高质量、大面积体单晶氮化物，所以III族氮化物只能通过异质外延技术获得。到目前为止，以蓝宝石(Sapphire)为衬底的外延生长技术最为成熟(见参考文献S.Nakamura，S.Pearton，and G.Fasol，The Blue Laser DiodeThe Complete Story，Berlin，Springer，2000)。
蓝宝石具有价格低和大面积材料的易获取性等优点，但其有两方面的不利之处第一，极低的热导率；第二，晶格常数与热膨胀系数和GaN材料不匹配。前者导致器件的热阻(热阻定义为器件与周围环境的温差与相应的耗散热功率的比值)增加，产生严重的自加热效应，因此在大注入电流下芯片本身的温度非常高，不仅使包括LED和LD发光效率等在内的器件性能恶化，而且使器件失效率呈指数规律增加。后者一方面导致GaN外延层中特别高的缺陷密度(位错密度一般在1010cm-2以上)，另一方面导致GaN中存在强烈的双轴压应力，特别是在芯片本身的温度变化时由于热膨胀系数的差别会在GaN中引入额外的热应力(T.Kozawa，T.Kachi，H.Kano，H.Nagase，N.Koide，and K.Manabe，Thermal Stress in GaN EpitaxyLayers Grown on Sapphire Substrates，J.Appl.Phys.1995 77(9)4389-4392)。因此，两者均对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。
为降低大注入电流下芯片的热阻，从而降低芯片本身的温度，通常采用的方法是利用倒装焊技术将GaN基外延片与高热导率的热沉材料进行焊接，通过高热导率材料的高效热传导降低芯片本身的温度(D.A.Steigerwald，J.C.Bhat，D.Collins，R.M.Fletcher，M.O.Holcomb，et al，Illumination With Solid State Lighting Technology，IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2002 8(2)310-320)。其次，将蓝宝石衬底与GaN外延层剥离开来也是降低器件热阻的非常有效的方法，常采用的技术激光剥离技术(Laser Lift-off)利用高功率密度的紫外激光束辐照GaN与蓝宝石的界面，从而实现GaN与蓝宝石的分离(T.Fujii，Y.Gao，R.Sharma，E.L.Hu，S.P.Denbaars，and S.Nakamura，Increase in the ExtractionEfficiency of GaN-based Light-emitting Diodes Via Surface Roughning.Appl.Phys.Lett.，2004 84(6)855-857)。
然而，上述两种方法一方面需要价格昂贵的设备，因此增加了器件制作的成本；另一方面增加了技术难度，对提高器件制作的成品率非常不利。本发明提出了新型的GaN基发光器件结构，既降低了热阻又提高了包括LED的发光效率等在内的器件各项性能指标。
发明内容
本发明是为了解决由于蓝宝石衬底的极低热导率而引起的GaN基发光器件的高热阻问题，并提高包括LED发光效率等在内的器件各项性能指标而完成的，其目的是提供新型GaN基发光器件的制作技术。
本发明所述的制作方法，包括材料外延、刻蚀和制备接触电极，其特征在于通过利用干法刻蚀或湿法刻蚀将衬底腐蚀出需要的图形以形成槽孔，并填充上反射率高、热导率远大于衬底热导率的材料以有效降低GaN基发光器件的热阻，并提高其发光效率。
通过利用干法刻蚀或湿法刻蚀将衬底腐蚀出需要的图形以形成槽孔，然后把与所述槽孔对应的缓冲层、或缓冲层和位于缓冲层之上的临近的一个外延层刻蚀掉，最后填充上反射率高、热导率远大于衬底热导率的材料以有效降低GaN基发光器件的热阻，并提高其发光效率。
所述槽孔分布在所述衬底的任一位置，呈周期排列或无规则排列，它的深度小于或等于所述衬底的厚度、缓冲层厚度和位于缓冲层之上的临近的一个外延层厚度三项之和，并且各个槽孔的深度是任意的。
所述槽孔图形在平面上沿任一方向的尺寸在0.1微米-100,000微米之间。
所述槽孔的形状为任意形状。
目前常用的制作GaN基发光器件的材料实在蓝宝石衬底上外延获得的。在本发明中，通过采用湿法或干法刻蚀等手段将蓝宝石衬底或部分外延层的某些区域去除掉以形成槽孔，之后在这些区域填充进热导率大于蓝宝石热导率的材料，在蓝宝石衬底上形成高效的散热途径，降低了器件的热阻，提高了器件的各项性能指标；另一方面，若采用高反射率的填充材料，由于GaN材料与反射材料之间的距离缩短，可以巨大地提高LED器件的光提取效率。此项工艺技术与目前GaN基发光器件的制作技术兼容，不需要复杂的设备和增加复杂的制作工艺，因此制作成本得到了降低。实验结果表明，应用本发明的所提出的新型结构，可以获得制作成本低，器件热阻小，性能更加优良的GaN基发光器件。
图1为本发明实施例l的GaN基LED的断面图。
图2为本发明实施例2的GaN基LED的断面图。
图3为本发明实施例3中GaN基LED的断面图。
图4为本发明实施例4中GaN基LD的断面图。
图5为本发明实施例5中GaN基LD的断面图。
图6为本发明实施例6中GaN基LD的断面图。
具体实施例方式
本发明是按照如下技术方案实现的本发明证明，在大注入电流条件下，由于蓝宝石衬底的热导率极低，GaN基发光二极管和激光二极管结温上升很快，导致在短时间内发光效率下降甚至失效。
目前，常采用的GaN基发光二极管外延结构如图1所示。其中，1为蓝宝石，作为外延生长GaN材料的衬底，2为在第一电极接触层3与蓝宝石1之间形成的缓冲层，3为第一电极接触层材料，上面依次外延生长InxGayAl1-x-yN/InuGavAl1-u-v。GaN多量子阱有源区4和第二电极接触层材料5，缓冲层2、第一电极接触层3、有源区4、第二电极接触层5可通称外延层，其总厚度约为4500nm。在制作LED的过程中，通常先采用刻蚀工艺将部分外延材料的第二电极接触层5和有源区4刻蚀掉，以暴露第一电极接触层3，这种工艺刻蚀的深度很浅(在500nm左右)。然后分别在第一电极接触层和第二电极接触层之上制作第一接触电极6和第二接触电极7，完成管芯的制作工艺。由于蓝宝石衬底本身的热导率较低，导致当器件在大注入电流条件下工作时，芯片的温度上升很大。加上在外延层中引入较大的热应变，严重恶化了GaN基材料的特性，从而影响了器件的发光效率和热稳定性。
本发明进一步证明，如果在蓝宝石衬底1、缓冲层2、第一电极接触层3中的某些区域制作槽孔，并在其中填充热导率大于蓝宝石热导率的材料8如铝(Al)，如图1中的材料8，则可以消除蓝宝石衬底1低热导率的弊端，有效降低器件热阻，从而可以大大提高器件的各项性能指标。特别是对LED而言，由于GaN材料与反射材料之间的距离缩短，可以巨大地提高LED器件的光提取效率。另一方面，由于此项制作技术与目前的制作工艺兼容，不需要昂贵的设备，因此制作成本可以保持在较低的水平。
本发明所公开的方法适用于所有基于蓝宝石衬底和其他低热导率衬底衬底上的GaN发光器件和电子器件的制作技术。
下面通过实施例对本发明做进一步说明实施例1本发明所公开的基于氮化镓材料的新型发光二极管基本结构如图1所示1为蓝宝石衬底电极，2为缓冲层，3为第一电极接触层，4为有源区，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二接触电极，8为在蓝宝石中填充的Al材料。
通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，并填充上用8表示的反射率高、热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
实施例2本发明所公开的基于氮化镓材料的新发光二极管基本结构如图2所示1为蓝宝石衬底电极，2为缓冲层，3为第一电极接触层，4为有源区，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二接触电极，8为在蓝宝石中填充的Al材料。
首先通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，然后将部分缓冲层2刻蚀掉直至露出第一电极接触层3。在制作完第一接触电极6之后，将蓝宝石衬底中填充上反射率高、热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al 8，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
实施例3本发明所公开的基于氮化镓材料的新发光二极管基本结构如图3所示1为蓝宝石衬底电极，2为缓冲层，3为第一电极接触层，4为有源区，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二接触电极，8为在蓝宝石中填充的Al材料。
首先通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，然后将部分缓冲层2和第一电极接触层3腐蚀掉，各个槽孔的腐蚀深度不同。在制作完第一接触电极6之后，将蓝宝石衬底中填充上反射率高、热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al 8，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基发光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
实施例4
本发明所公开的基于氮化镓材料的新型激光二极管基本结构如图4所示1为蓝宝石衬底材料，2为缓冲层，3为第一电极接触层，9为第一导波层，4为有源区，10为第二导波层，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二接触电极，8为在蓝宝石中填充的Al导热材料。
通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，并填充上用8表示的热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基激光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
实施例5本发明所公开的基于氮化镓材料的新型激光二极管基本结构如图5所示1为蓝宝石衬底材料，2为缓冲层，3为第一电极接触层，9为第一导波层，4为有源区，10为第二导波层，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二电极接触，8为在蓝宝石中填充的Al导热材料。
通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，然后将部分缓冲层2刻蚀掉直至露出第一电极接触层3。在制作完第一接触电极6之后，将蓝宝石衬底中填充上用8表示的热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基激光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
实施例6本发明所公开的基于氮化镓材料的新型激光二极管基本结构如图6所示1为蓝宝石衬底材料，2为缓冲层，3为第一电极接触层，9为第一导波层，4为有源区，10为第二导波层，5为第二电极接触层，6和7分别为第一和第二电极接触，8为在蓝宝石中填充的Al导热材料。
通过利用干法刻蚀或湿法腐蚀将蓝宝石衬底1腐蚀出所需要的图形，然后将部分缓冲层2和部分第一电极接触层3刻蚀掉，各个槽孔的腐蚀深度是不同的。在制作完第一接触电极6之后，将蓝宝石衬底中填充上用8表示的热导率远大于蓝宝石热导率的金属材料Al，从而有效降低GaN基LED的热阻，获得在大电流注入下，发光均匀、稳定可靠的GaN基激光二极管。实验证明，利用本实例的芯片设计，比未在蓝宝石衬底上形成槽孔的结构相比，热阻至少降低三倍，发光效率高一倍，且其稳定性指标——寿命要提高至少一个数量级。
权利要求
1.一种GaN基发光器件制作方法，包括材料外延、刻蚀、接触电极制作，其特征在于通过利用干法刻蚀或湿法刻蚀将衬底腐蚀出需要的图形以形成槽孔，并填充上反射率高、热导率远大于衬底热导率的材料以有效降低GaN基发光器件的热阻，提高其发光效率。
2.一种GaN基发光器件制作方法，包括材料外延、刻蚀、接触电极制作，其特征在于通过利用干法刻蚀或湿法刻蚀将衬底腐蚀出需要的图形以形成槽孔，然后把与所述槽孔对应的缓冲层、或缓冲层和位于缓冲层之上的临近的一个外延层刻蚀掉，最后填充上反射率高、热导率远大于衬底热导率的材料以有效降低GaN基发光器件的热阻，并提高其发光效率。
3.根据权利要求1或2中任何一项所述的GaN基发光器件制作方法，其特征在于所述槽孔分布在所述衬底的任一位置，呈周期排列或无规则排列，它的深度小于或等于所述衬底的厚度、缓冲层厚度和位于缓冲层之上的临近的一个外延层厚度三项之和，并且各个槽孔的深度是任意的。
4.根据权利要求1或2中任何一项所述的GaN基发光器件制作方法，其特征在于所述槽孔图形在平面上沿任一方向的尺寸在0.1微米-100,000微米之间。
5.根据权利要求1或2中任何一项所述的GaN基发光器件制作方法，其特征在于所述槽孔的形状为任意形状。
6.一种GaN基发光二极管结构，其特征在于它含有蓝宝石衬底(1)；缓冲层(2)，位于蓝宝石衬底(1)之上，该缓冲层(2)由GaN基或AlN基材料构成；第一电极接触层(3)，位于缓冲层之上；有源区(4)，它是外延生长的InxGayAl1-x-yN/InuGavAl1-u-vN(x+y≤1，u+v≤1，x≠u)单量子阱或多量子阱的发光区，位于部分第一电极接触层(3)之上；第二电极接触层(5)，位于有源区之上；第一接触电极(6)，位于第一电极接触层(3)之上；第二接触电极(7)，位于第一电极接触层(5)之上；槽孔，形成在蓝宝石衬底(1)内，并且内填充有热导率远大于蓝宝石衬底(1)的热导率的金属材料(8)。
7.根据权利要求6所述的一种GaN基发光二极管结构，其特征在于所述的有源区(4)位于第一电极接触层(3)之上；所述的第一接触电极(6)，位于缓冲层(2)内与所述蓝宝石衬底(1)中的金属材料(8)对应且连通的位置上，并且与第一电极接触层(3)相连。
8.根据权利要求6所述的一种GaN基发光二极管结构，其特征在于所述的有源区(4)位于第一电极接触层(3)之上；所述的第一接触电极(6)，位于第一电极接触层(3)内与所述蓝宝石衬底(1)和缓冲层(2)中的金属材料(8)对应且连通的位置上。
9.一种GaN基激光二极管结构，其特征在于蓝宝石衬底(1)；缓冲层(2)，位于蓝宝石衬底(1)之上，该缓冲层(2)由GaN基或AlN基材料构成；第一电极接触层(3)，位于缓冲层(2)之上；第一波导层(9)，位于部分第一电极接触层(3)之上；有源区(4)，它是外延生长的InxGayAl1-x-yN/InuGavAl1-u-vN(x+y≤1，u+v≤1，x≠u)单量子阱或多量子阱的发光区，位于第一波导层(9)之上；第二波导层(10)，位于有源区(4)上；第二电极接触层(5)，位于第二波导层(10)之上；第一接触电极(6)，位于第一电极接触层(3)之上；第二接触电极(7)，位于第一电极接触层(5)之上；槽孔，形成在蓝宝石衬底(1)内，并且内填充有热导率远大于蓝宝石衬底(1)的热导率的金属材料(8)。
10.根据权利要求9所述的一种GaN基激光二极管结构，其特征在于所述的第一波导层(9)位于第一电极接触层(3)上；所述的第一接触电极(6)，位于缓冲层(2)内与所述蓝宝石衬底(1)中的金属材料(8)对应且连通的位置上，并且与第一电极接触层(3)相连。
11.根据权利要求9所述的一种GaN基激光二极管结构，其特征在于所述的第一波导层(9)位于第一电极接触层(3)上；所述的第一接触电极(6)，位于第一电极接触层(3)内与所述蓝宝石衬底(1)和缓冲层(2)中的金属材料(8)对应且连通的位置上。
12.根据权利要求6、或9、或12中任何一项所述的发光器件，其特征在于所述槽孔分布在所述衬底的任一位置，呈周期排列或无规则排列，它的深度小于或等于所述衬底的厚度、缓冲层厚度和位于缓冲层之上的临近的一个外延层厚度三项之和，并且各个槽孔的深度是任意的。
13.根据权利要求6、或9中任何一项所述的发光器件，其特征在于所述槽孔图形在衬底平面上沿任一方向的尺寸在0.1微米-100,000微米之间。
14.根据权利要求6、或9中任何一项所述的发光器件，其特征在于所述槽孔的形状为任意形状。
全文摘要
本发明属于氮化镓基发光器件的制作领域，其特征是通过在衬底材料和部分外延层中或仅在衬底材料中形成槽孔，并填充以热导率比衬底材料热导率高的材料来有效降低器件的热阻，从而提高包括LED发光效率等在内的器件各项性能指标。本发明有效消除了衬底材料热导率低或热膨胀系数失配等弊端，可获得高性能的GaN基发光器件。
文档编号H01L33/00GK1707820SQ20051001166
公开日2005年12月14日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者罗毅, 韩彦军 申请人:清华大学