一种垂直结构氮化物led的制备方法

专利名称：一种垂直结构氮化物led的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别指为了实现氮化镓基垂直 结构LED外延材料的生长而设计的一种生长方法，可以结合 M0CVD和HVPE并通过氮化物的自剥离来实现。
背景技术：
氮化物多元系材料的光谱从0 . 7 ev到6 . 2 ev，可以用于 带间发光，颜色覆盖从红外到紫外波长，在光电子应用方面，如 蓝光、绿光、紫外光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD) 等方面具有巨大的应用前景。氮化物LED大量应用于显示器、照 明、指示灯、广告牌、交通灯等，在农业中作为加速光合成光源， 在医疗中作为诊断和治疗的工具；氮化物蓝紫光LD正成为统领 下一代DVD存储技术的Blue Ray的核心元器件，具有广阔的市 场前景。特别是近年来人们对于发光二极管应用于通用照明的预 期越来越高，使得氮化物基LED的发展日益迅猛。但是要真正实 现氮化物基LED的通用照明或者称为半导体照明，还必须在大幅 降低氮化物LED的生产成本的同时提高氮化物LED的性能，主要
4是流明效率、散热性能以及寿命等方面。
目前人们公认垂直结构的氮化物LED可以具有非常好的电
流扩展性能和散热性能，从而可能实现更高的流明效率和更长的
寿命。现有的实现氮化物垂直结构LED的方法主要有四种第一
种是使用最广泛、性能最好的蓝宝石衬底异质外延，由于蓝宝石
衬底不导电需要去除蓝宝石才能够制作垂直结构的LED，现在比 较通用的办法是在异质外延后通过激光剥离除去衬底，主要问题 在于激光剥离设备比较昂贵，同时剥离工艺也比较复杂，需要通 过至少一次的键合工艺实现氮化物薄膜的转移，存在着成品率不 高的问题；第二种是蓝宝石或者SiC等衬底上异质外延后通过机 械研磨的方式除去衬底，这种方法的问题在于衬底往往硬度较 大，研磨费时费工，成本较高；第三种方法就是在导电衬底上直 接外延氮化物材料，比如金属衬底或者低阻的Si等衬底，其问 题在于外延晶体质量差，尚无很成熟的工艺发展起来；第四种就 是使用牺牲层，通过去除牺牲层实现衬底的剥离，该方法同样需 要将氮化物材料转移到其它支撑衬底上去，而且横向去除衬底和 外延层之间的牺牲层也大大降低了该方法的时间效率和成品率， 因而并没有在实际生产中得到使用。
基于HVPE方法生长氮化物的高速率和高质量，HVPE被人们 用于生长氮化物的衬底和模板。由于氮化物衬底生产效率等的问 题，氮化物衬底成本居高不下，大大限制了其用于LED的可能性 尤其是成本极其重要的通用照明领域。HVPE生长氮化物模板是可行的LED生长衬底之一，但是同样面临原始衬底如蓝宝石等的 去除问题使得HVPE氮化物模板用于于LED生长的进展缓慢。
自剥离技术已经成功的应用于HVPE法制备氮化镓同质衬 底，日立电缆使用自剥离方法获得3英寸的氮化镓衬底并且保持 了很高的成品率。但是目前为止尚没有研究人员或者公司使用自 剥离方法来生长垂直结构的氮化镓LED。其原因主要在于M0CVD 生长的氮化物LED即使可以自剥离也由于厚度过薄而无法实现 自支撑；使用HVPE厚膜模板用于LED制备的往往不具备自剥离 的辅助剥离层，而是氮化物和衬底形成强键合无法自剥离。
本发明正是基于对以上方法的分析，结合HVPE高速生长氮 化物、MOCVD生长精确控制LED结构以及弱键合实现的自剥离， 生长可以自支撑的氮化物LED结构材料并用于垂直结构LED的制 备，完全能够满足通用照明高性能、低成本和高成品率的大规模 生产要求，将有助于半导体照明走向通用照明。
本发明特别适用于HVPE和MOCVD结合的设备如MOHVPE或者 SHMOCVD上来实现一次性外延生长氮化镓基垂直结构LED外延材 料，具有工艺路线简单，成品率高，材料性能好等优点，是实现 氮化物垂直结构LED的低成本、高性能和高成品率的有效解决方 案。当然也可用于HVPE和MOCVD的多次外延组合来实现相同的 垂直结构LED
发明内容
本发明的目的是提供一种垂直结构氮化物LED的制备方法， 解决为实现高性能、高成品率和低成本的垂直结构氮化物LED 中的剥离工艺难题，特别适合通过结合了 HVPE和M0CVD的 MOHVPE或者SHMOCVD设备来生长自剥离的氮化物LED外延材料 来实现；当然也可以利用MOCVD和HVPE设备分别进行相关的生 长最终实现相同的材料结构和器件工艺。
为达到上面的目的，本发明提供一种垂直结构氮化物LED 的制备方法，其特征在于，包括如下步骤.-
步骤l:取一生长氮化物的衬底；
步骤2 :在衬底上生长辅助剥离层，该剥离层使得衬底和后 续外延材料之间的键合相对较弱，能够通过升降温或者外力作用 实现衬底与外延层的自动分离；
步骤3 :在辅助剥离层上，采用MOCVD方法生长氮化物成核
层，保证氮化物的高质量；
步骤4:在氮化物成核层上，采用HVPE方法生长一层氮化
镓厚层材料，以便后续的外延材料可以自我支撑；
步骤5 :在氮化镓厚层材料上，采用MOCVD方法生长多量子
阱LED结构层，形成氮化物LED的发光层，其中p型氮化物的制
备可以通过HVPE来实现；
步骤6 :剥离衬底和辅助剥离层以及部分氮化物成核层，得
到垂直结构的氮化物LED外延片；
步骤6:在多量子阱LED结构层上制作上电极；
7步骤7:在与外延层相连的氮化物成核层下面制作一下电 极，完成垂直结构氮化物LED的制备。
其中所述的衬底是蓝宝石或硅或碳化硅。
其中所述的辅助剥离层为金属或者介质材料，包括Ti、 Al、 Ni、 Cr、 Au、 W 、 Si02、 SiN、 TiN或者Ti02。
其中多量子阱LED结构层具有p型氮化物层，采用HVPE的
方法可以实现更高的P型掺杂效率和载流子浓度。
其中氮化镓厚层材料需要至少1 0 以上以便能够具有自 支撑的强度。
本发明一种垂直结构氮化物LED的制备方法的有益效果是
1 )在氮化镓基外延材料衬底上形成辅助剥离层，该辅助剥 离层可以为金属或者介质材料，包括Ti、 Al、 Ni、 Cr、 Au、 W、 Si02 、 SiN、 TiN或者Ti02 ，其目的在于形成衬底和外延层之间 的弱键合以便方便的自剥离而无需激光剥离或者机械研磨或者 腐蚀等相对复杂的工艺；
2 )利用MOCVD模式生长成核层，保证氮化物从开始即具有 较高的质量；
3)利用HVPE的高生长速率和高效率，生长厚度足以实现 外延材料自支撑的厚层氮化物材料；
4 )利用M0CVD高精度控制的技术特点，获得LED器件结构， 其中为了 P型氮化物的高掺杂，可以使用HVPE生长高p掺的氮 化物层；5 )通过氮化镓和衬底的辅助剥离层实现氮化镓和衬底的自 剥离，从而实现垂直结构的氮化物LED外延片；
6 )通过去除部分不导电的成核层、制备上电极、制备下电
极等相应的工艺手段，实现垂直结构的氮化物LED的制造。


为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施案例及附图
对本发明作一详细的描述，其中
图1是本发明的实施例的制备方法流程图； 图2是可自剥离垂直结构LED材料结构图； 图3是垂直结构LED结构示意图。
具体实施例方式
请参阅图1所示，同时请结合参阅图2和图3 ，本发明的实 施案例的制备方法流程图示意图，我们选择蓝宝石衬底为例但是 本发明并不局限于蓝宝石衬底，其他衬底同祥适用，后面的关键 步骤也不仅仅局限于本实施例的描述，而要覆盖权利要求书包含 的范围。
首先通过沉积、生长或者适当的工艺过程在衬底1Q(步骤 S 1 )上形成金属或者介质的辅助剥离层2 0 (步骤S2)，比如
TiN的网状织构薄层、金属织构薄膜等，其主要作用在于形成衬 底1 Q和氮化物成核层3 Q之间的弱键合以实现衬底1 0和氮化物成核层3 0的自剥离，同时形成织构也是很好的横向外延结
构，有助于提高氮化物外延的晶体质量；所述的衬底1 0是蓝宝 石或硅或碳化硅；所述的辅助剥离层2 O为金属或者介质材料， 包括Ti、 Al、 Ni、 Cr、 Au、 W 、 Si02、 SiN、 TiN或者TiO2;
其次利用M0CVD生长高质量的氮化物成核层3 0 (步骤S 3)，使用通用的两步法可以得到晶体质量远高于HVPE的成核 层；
接着利用HVPE的高速率高效率生长氮化镓厚层材料4 0 (步骤S4)，该厚层材料需要有足够的厚度以自支撑自剥离后 的氮化物外延结构而无需将氮化物外延结构再键合到任何其他 衬底上，其厚度至少在l 0 pm以上，同时其它人的实验还证实
氮化物的晶体质量随着厚度的增加是逐渐增加的，但是厚度也不 是越厚越好，还需要折衷考虑生产效率和厚膜的物理特性，以不 产生太大的样品翘曲和裂纹等为宜；
然后利用M0CVD精确可控的生长在氮化镓厚层材料4 0上 实现多量子阱LED结构层5 0 (步骤S 5 )的生长，多量子阱LED 结构层5 0的p型层可以利用HVPE高p掺效率和高载流子浓度
的特点进行制备；
再然后就利用衬底和氮化物之间弱键合的辅助剥离层2 0 ，
通过升降温或者很小的外力实现衬底1 0和氮化物成核层3 0 的分离(步骤S6)，衬底1 Q可以通过再次处理重复使用进一 步节约LED制造成本；
10最后通过去除外延片上部分不导电的氮化物成核层3 0 ，制
备上电极6 0和下电极7 0的工艺步骤(步骤S7 )，获得垂直 结构氮化物LED器件的制备，从而实现氮化物LED的潜在性能优势。
再请参阅图2 、图3和图1所述的一种垂直结构氮化物LED 的制备方法，其特征在于首先需要在氮化镓基外延材料衬底1 0上形成辅助剥离层2 0 ,该剥离层2 Q使得衬底1 0和氮化物 外延材料之间的键合相对较弱，能够通过适当的升降温或者很小 的外力作用下自动分离。
所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于 结合了 HVPE禾口 M0CVD生长模式，可以是在MOHVPE或者S誦CVD 中依次使用MOCVD模式生长氮化物成核层3 0 ， HVPE模式生长 氮化镓厚层材料4 0 ，MOCVD模式生长多量子阱LED结构层5 0 。
所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于 结合了 HVPE和MOCVD生长模式，可以是MOCVD外延炉生长氮化 物成核层3 0，然后取出在HVPE外延炉中二次外延氮化镓厚层 材料4 0 ，最后再次进入MOCVD中三次外延多量子阱LED结构层 5 0 。
所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于， 多量子阱LED结构层的p型氮化物层可以通过MOCVD或者HVPE 方法来实现，以期望实现更高的P型掺杂效率和载流子浓度。
所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于，氮化镓厚层材料4 0需要具有足够的厚度以实现自剥离后的外 延材料能够有足够的强度实现自支撑。
实现本发明最好能够结合HVPE和M0CVD，实现M0HVPE或者 是SHM0CVD的方式进行，能够利用HVPE高速生长和M0CVD精确 的生长控制，通过插入辅助剥离层， 一次性生长出可用于直接制 备垂直结构氮化物LED的外延材料，实现高效率、低成本和高性 能的有机结合。其次也可以分别利用M0CVD和HVPE进行多次外 延获得相同的材料结构并通过相同的工艺获得垂直结构氮化物 LED 7 0 。
通过本方法可以有效的实现垂直结构氮化物LED的高效率、 低成本和高性能，为氮化物LED进入通用照明领域奠定基础。
权利要求
1. 一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一生长氮化物的衬底；步骤2在衬底上生长辅助剥离层，该剥离层使得衬底和后续外延材料之间的键合相对较弱，能够通过升降温或者外力作用实现衬底与外延层的自动分离；步骤3在辅助剥离层上，采用MOCVD方法生长氮化物成核层，保证氮化物的高质量；步骤4在氮化物成核层上，采用HVPE方法生长一层氮化镓厚层材料，以便后续的外延材料可以自我支撑；步骤5在氮化镓厚层材料上，采用MOCVD方法生长多量子阱LED结构层，形成氮化物LED的发光层，其中p型氮化物的制备可以通过HVPE来实现；步骤6剥离衬底和辅助剥离层以及部分氮化物成核层，得到垂直结构的氮化物LED外延片；步骤6在多量子阱LED结构层上制作上电极；步骤7在与外延层相连的氮化物成核层下面制作一下电极，完成垂直结构氮化物LED的制备。
2 、根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石或硅或碳化硅。
3 、根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化物LED的制备方法，其特征在于，其中所述的辅助剥离层为金属或者介质材料，包括Ti、 Al、 Ni、 Cr、 Au、 W 、 Si02、 SiN、 TiN或者TiO2。
4 、根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化物LED的制备 方法，其特征在于，其中多量子阱LED结构层具有p型氮化物层， 采用HVPE的方法可以实现更高的p型掺杂效率和载流子浓度。
5 、根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化物LED的制备 方法，其特征在于，其中氮化镓厚层材料需要至少1 0 jam以上 以便能够具有自支撑的强度。
全文摘要
一种垂直结构氮化物LED的制备方法，包括取一生长氮化物的衬底；在衬底上生长辅助剥离层，该剥离层使得衬底和后续外延材料之间的键合相对较弱；在辅助剥离层上，采用MOCVD方法生长氮化物成核层，保证氮化物的高质量；在氮化物成核层上生长一层氮化镓厚层材料；在氮化镓厚层材料上，采用MOCVD方法生长多量子阱LED结构层，形成氮化物LED的发光层，其中p型氮化物的制备可以通过HVPE来实现；剥离衬底和辅助剥离层以及部分氮化物成核层，得到垂直结构的氮化物LED外延片；在多量子阱LED结构层上制作上电极；在与外延层相连的氮化物成核层下面制作一下电极，完成垂直结构氮化物LED的制备。
文档编号H01L33/00GK101546799SQ20081010280
公开日2009年9月30日 申请日期2008年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者曾一平, 李晋闽, 段瑞飞, 王军喜, 王国宏 申请人:中国科学院半导体研究所