镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片及其制备方法与流程

技术领域

本发明涉及垂直结构LED芯片领域，特别涉及镓酸锂(LiGaO₂)衬底上的垂直结构非极性LED芯片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管 ( LED ) 作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。

目前，产业化的LED大多采用蓝宝石作为衬底，但由于蓝宝石本身不导电，因此制备的LED芯片其电流流动方向为水平方向，即水平结构LED。水平结构LED因其工序简单，产业规模已形成，得到了广泛的应用。然而因电流在水平方向受到瓶颈抑制效应，导致水平结构LED光效很难被提高。相应的垂直结构则很好的解决了电流分布问题，当前已有的垂直结构为蓝宝石衬底为基础的垂直结构。然而蓝宝石衬底垂直结构LED芯片需要经过激光剥离衬底，不仅成本增加，而且工序复杂，往往会导致良品率降低。并且其应用也往往受到各种专利限制。因此急需寻找一种新型衬底制备LED垂直结构芯片。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片及其制备方法，具有制备工艺简单，满足垂直结构电流分布的优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

首先在镓酸锂衬底上生长LED外延片，包括生长在镓酸锂衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜。所述镓酸锂衬底衬底以(100) 面为外延面。所述GaN缓冲层的厚度为30~90 nm；所述非掺杂GaN层的厚度为100~300 nm；所述n型掺杂GaN薄膜的厚度为1~3 μm；所述InGaN/GaN量子阱为 1~10个周期的 InGaN阱层/ GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3~7 nm；GaN垒层的厚度为1~5 nm；所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为100~300 nm。

接着，在LED外延片表面通过匀胶、光刻、显影、清洗等步骤依次制备电极图案，使用电子束蒸发设备，在外延片上表面依次沉积电极金属。随后使用电镀铜衬底转移技术将LED外延片转移至铜衬底上。接着使用一定浓度HCl溶液将原有镓酸锂衬底剥离。等离子体增强化学气相沉积方法制备二氧化硅(SiO₂)保护层，其后再次通过匀胶、光刻、显影步骤将电极对应部分暴露出来，通过化学腐蚀方法，将电极上的SiO₂腐蚀掉，最终形成完整的垂直结构LED芯片。

上述镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片的制备方法，包括如下步骤：

（1）在镓酸锂衬底上生长LED外延片，包括生长在镓酸锂衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜；

（2）将步骤（1）所得LED外延片依次置于丙酮、乙醇溶液、去离子水中超声，拿出后经去离子水清洗，清洗后用高纯氮气吹干；

（3）对清洗后的LED外延片涂抹光刻胶，随后将涂有光刻胶的外延片放置在光刻机中进行曝光，最后将曝光后的外延片浸泡在显影液中；

（4）对LED外延片进行电极制备：将步骤（3）所得涂有光刻胶的LED外延片放入电子束蒸发的设备中，对蒸发腔体抽真空，随后依次蒸镀电极金属，蒸镀结束后，对LED芯片进行退火；

（5）对LED外延片进行衬底转移：对制备好电极的外延片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声，拿出后经去离子水清洗，随后放入硫酸中进行样品活化，随后将外延片放入硫酸铜溶液中进行电镀；

（6）使用HCl溶液对原有镓酸锂衬底进行腐蚀剥离；

（7）使用等离子体增强化学气相沉积方法制备二氧化硅保护层：在步骤（6）所得LED芯片表面沉积SiO₂保护层，随后使用匀胶、曝光、显影等步骤，在LED芯片表面制备掩模板，将电极图案上的SiO₂暴露出来；

（8）使用湿法刻蚀的方法，将暴露出来的SiO₂刻蚀掉，最后将LED芯片放入去胶液中浸泡，得镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片。

优选的，步骤（1）所述镓酸锂衬底以(100) 面为外延面；所述GaN缓冲层的厚度为30~90 nm；所述非掺杂GaN层的厚度为100~300 nm；所述n型掺杂GaN薄膜的厚度为1~3 μm；所述InGaN/GaN量子阱为 1~10个周期的 InGaN阱层/ GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3~7 nm，GaN垒层的厚度为1~5 nm；所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为100~300 nm。

优选的，步骤（2）和步骤（5）所述超声的时间均为5~15分钟

优选的，步骤（3）所述光刻胶的厚度为0.1~1微米；所述曝光的时间为0.1秒~1秒；所述浸泡的时间为150~250分钟。

优选的，步骤（4）所述抽真空至1~5×10^-5Pa；所述退火的温度为300℃~500℃，退火的时间为150~250分钟。

优选的，步骤（5）所述硫酸的浓度为10~30 wt%；所述硫酸铜溶液的浓度为100-200 g/l；所述电镀的时间4-6 h。

优选的，步骤（6）所述HCl溶液的浓度为10~50 wt%%；所述腐蚀的时间为1-3h。

优选的，步骤（7）在LED芯片表面沉积SiO₂保护层，真空度为1~5×10^-5Pa，沉积时间50~150分钟。

优选的，步骤（8）所述浸泡的时间100~300分钟。

由以上所述的制备方法制得的镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明使用镓酸锂作为衬底，相较于蓝宝石衬底，镓酸锂具有良好的导电性，利于制备垂直结构LED芯片。

（2）本发明使用镓酸锂作为衬底，相较于蓝宝石激光剥离衬底，制备的垂直结构LED芯片，使用电镀铜方式进行衬底转移。大幅降低了LED芯片制造成本。

（3）本发明采用与GaN晶格失配和热失配度低的镓酸锂作为衬底，能够有效的减少热应力，减少位错的形成，制备出高质量GaN薄膜，有利提高载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率。

附图说明

图1是实施例1制备的LED芯片的截面示意图。

图2是实施例1制备的LED芯片的低温和室温光致发光光谱图(PL)。

图3是实施例1制备的LED芯片的电流-光功率图谱(L-I)。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用脉冲激光沉积工艺，在镓酸锂衬底上生长LED外延片，包括生长在镓酸锂衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂Si的GaN薄膜，其掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂Mg的GaN薄膜，其掺杂浓度为1.0×10¹⁷cm^-3。所述镓酸锂衬底以(100) 面为外延面。所述GaN缓冲层的厚度为30 nm；所述非掺杂GaN层的厚度为100nm；所述n型掺杂Si的GaN薄膜的厚度为1 μm；所述InGaN/GaN量子阱为 10个周期的 InGaN阱层/ GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3 nm，GaN垒层的厚度为1nm；所述p型掺杂Mg的GaN薄膜的厚度为100 nm。

（2）将LED外延片依次置于丙酮中超声5分钟，无水乙醇中超声5分钟，去离子水中超声5分钟，拿出后经去离子水清洗，清洗后用高纯氮气吹干。

（3）对清洗后的LED外延片涂抹正性光刻胶，其型号为RZJ304，光刻胶的厚度为0.1微米，随后将涂有光刻胶的外延片放置在光刻机中进行曝光，曝光时间为0.1秒，最后将曝光后的外延片浸泡在正性显影液中，其型号为RZX3038。浸泡时间为150分钟。

（4）对LED外延片进行电极制备：将涂有光刻胶的LED外延片放入电子束蒸发的设备中，对蒸发腔体抽真空至1×10^-5Pa，随后并依次蒸镀电极金属Cr/Pt/Au，蒸镀结束后，对LED芯片进行退火，退火温度300℃，退火时间150分钟。

（5）对LED外延片进行衬底转移：对制备好电极的外延片依次置于丙酮中超声5分钟，无水乙醇中超声5分钟，去离子水中超声5分钟，拿出后经去离子水清洗，随后放入浓度为10wt% H₂SO₄进行样品活化20分钟。随后将外延片放入100 g/l硫酸铜溶液中进行电镀，电镀时间6 h。

（6）使用浓度为10 wt%的HCl溶液对原有镓酸锂衬底进行腐蚀剥离，腐蚀时间为3h。

（7）使用等离子体增强化学气相沉积方法制备二氧化硅(SiO₂)保护层：在LED芯片表面沉积SiO₂保护层，真空度为1×10^-5Pa，沉积时间50分钟，随后使用匀胶、曝光、显影步骤，在LED芯片表面制备掩模板，将电极图案上的SiO₂暴露出来的。

（8）使用湿法刻蚀的方法，将暴露出来的SiO₂刻蚀掉，最后将LED芯片放入去胶液中浸泡。浸泡时间100分钟。

如图1所示，本实施例制备的镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片，包括金属铜衬底1，在铜衬底1上的p电极层2，在p电极层2上的p-GaN薄膜层3，在p-GaN薄膜层3上的InGaN/GaN量子阱4，在InGaN/GaN量子阱4上的n-GaN薄膜层5，在n-GaN薄膜层5上的n电极和SiO₂保护层6。如图2所示，本实施例制备的LED芯片具有非常好的光学性能，其低温PL谱的半峰宽为20 nm，室温PL谱的半峰宽为21 nm。图3是LED的L-I图谱，350 mA下，光功率为720 mW。

实施例2

镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用脉冲激光沉积工艺，在镓酸锂衬底上生长LED外延片，包括生长在镓酸锂衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂Si的GaN薄膜，其掺杂浓度为3.0×10¹⁹cm^-3，生长在n型掺杂Si的GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂Mg的GaN薄膜，其掺杂浓度为3.0×10¹⁷cm^-3。所述镓酸锂衬底以(100) 面为外延面。所述GaN缓冲层的厚度为60 nm；所述非掺杂GaN层的厚度为200nm；所述n型掺杂Si的GaN薄膜的厚度为2 μm；所述InGaN/GaN量子阱为 7个周期的 InGaN阱层/ GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为5nm；GaN垒层的厚度为3nm；所述p型掺杂Mg的GaN薄膜的厚度为200 nm。

（2）将LED外延片依次置于丙酮中超声10分钟，无水乙醇中超声10分钟，去离子水中超声10分钟，拿出后经去离子水清洗，清洗后用高纯氮气吹干。

（3）对清洗后的LED外延片涂抹正性光刻胶，其型号为RZJ304，光刻胶的厚度为0.5微米，随后将涂有光刻机的外延片放置在光刻机中进行曝光，曝光时间为0.5秒，最后将曝光后的外延片浸泡在正性显影液中，其型号为RZX3038。浸泡时间为200分钟。

（4）对LED外延片进行电极制备：将涂有光刻胶的LED外延片放入电子束蒸发的设备中，对蒸发腔体抽真空至3×10^-5Pa，随后并依次蒸镀电极金属Cr/Pt/Au，蒸镀结束后，对LED芯片进行退火，退火温度400℃，退火时间200分钟。

（5）对LED外延片进行衬底转移：对制备好电极的外延片依次置于丙酮中超声10分钟，无水乙醇中超声10分钟，去离子水中超声10分钟，拿出后经去离子水清洗，随后放入浓度为20 wt% H₂SO₄进行样品活化30分钟。随后将外延片放入150 g/l硫酸铜溶液中进行电镀，电镀时间5h。

（6）使用浓度为30 wt%的HCl溶液对原有镓酸锂衬底进行腐蚀剥离，腐蚀时间为2h。

（7）使用等离子体增强化学气相沉积方法制备二氧化硅(SiO₂)保护层：在LED芯片表面沉积SiO₂保护层，真空度为3×10^-5Pa，沉积时间100分钟，随后使用匀胶、曝光、显影步骤，在LED芯片表面制备掩模板，将电极图案上的SiO₂暴露出来的。

（8）使用湿法刻蚀的方法，将暴露出来的SiO₂刻蚀掉，最后将LED芯片放入去胶液中浸泡。浸泡时间200分钟。本实施例制备的LED芯片的性能与实施例1相近，在此不再重述。

实施例3

镓酸锂衬底上的垂直结构非极性LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用脉冲激光沉积工艺，在镓酸锂衬底上生长LED外延片，包括生长在镓酸锂衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂Si的GaN薄膜，其掺杂浓度为5.0×10¹⁹cm^-3，生长在n型掺杂Si的GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂Mg的GaN薄膜，其掺杂浓度为5.0×10¹⁷cm^-3。所述镓酸锂衬底以(100) 面为外延面。所述GaN缓冲层的厚度为90 nm；所述非掺杂GaN层的厚度为300nm；所述n型掺杂Si的GaN薄膜的厚度为3 μm；所述InGaN/GaN量子阱为 7个周期的 InGaN阱层/ GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为7nm；GaN垒层的厚度为5nm；所述p型掺杂Mg的GaN薄膜的厚度为300 nm。

（2）将LED外延片依次置于丙酮中超声15分钟，无水乙醇中超声15分钟，去离子水中超声15分钟，拿出后经去离子水清洗，清洗后用高纯氮气吹干。

（3）对清洗后的LED外延片涂抹正性光刻胶，其型号为RZJ304，光刻胶的厚度为1微米，随后将涂有光刻机的外延片放置在光刻机中进行曝光，曝光时间为1秒，最后将曝光后的外延片浸泡在正性显影液中，其型号为RZX3038。浸泡时间为250分钟。

（4）对LED外延片进行电极制备：将涂有光刻胶的LED外延片放入电子束蒸发的设备中，对蒸发腔体抽真空至5×10^-5Pa，随后并依次蒸镀电极金属Cr/Pt/Au，蒸镀结束后，对LED芯片进行退火，退火温度500℃，退火时间250分钟。

（5）对LED外延片进行衬底转移：对制备好电极的外延片依次置于丙酮中超声15分钟，无水乙醇中超声15分钟，去离子水中超声15分钟，拿出后经去离子水清洗，随后放入浓度为30 wt% H₂SO₄进行样品活化15分钟。随后将外延片放入200 g/l硫酸铜溶液中进行电镀，电镀时间4h。

（6）使用浓度为50 wt%的HCl溶液对原有镓酸锂衬底进行腐蚀剥离，腐蚀时间为1h。

（7）使用等离子体增强化学气相沉积方法制备二氧化硅(SiO₂)保护层：在LED芯片表面沉积SiO₂保护层，真空度为5×10^-5Pa，沉积时间150分钟，随后使用匀胶、曝光、显影步骤，在LED芯片表面制备掩模板，将电极图案上的SiO₂暴露出来的。

（8）使用湿法刻蚀的方法，将暴露出来的SiO₂刻蚀掉，最后将LED芯片放入去胶液中浸泡。浸泡时间300分钟。本实施例制备的LED芯片的性能与实施例1相近，在此不再重述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。