氮化镓基垂直结构发光二极管及其制造方法与流程

1.本发明涉及发光二极管领域，尤其是涉及一种氮化镓基垂直结构发光二极管及其制造方法。


背景技术：

2.随着新兴的可穿戴和便携技术的蓬勃发展，微米级尺寸的led芯片（micro led）由于其在显示、可见光通信和生物医学等领域的应用前景，获得了巨大的关注与研究。led芯片尺寸从现有的mm级别，缩小到百分之一的10μm以下级别即为micro led。通过芯片制造和封装工艺形成微型化led阵列，每个micro led为一个发光源，并能够实现控制每个发光像素的寻址，单独驱动发光，形成自发光显示。micro led显示具有纳秒(ns)级别高速响应性能，无机材料的稳定特性，高光效，高可靠性，高色纯度和对比度，可透明等优异的性能，这些特性的综合是液晶显示（lcd）和有机led（oled）所无法达到的。
3.micro led作为下一代显示技术的首选方案，为了抑制micro led侧面出光导致的光损失和相邻像素间的光串扰现象，增加正面出光比例，需要尽可能地减薄器件厚度。垂直结构薄膜芯片，由于没有透明衬底的侧面出光，芯片法向出光更多，为micro led首选技术方案之一。当ingan芯片尺寸进一步缩小至2μm~10μm尺度时，基于通常3~4μm的gan外延膜厚度的芯片侧壁出光与法向出光的比例急剧增加，导致正面出光比例下降，芯片光串扰大。为解决此问题，显而易见的解决方案是，采用干法icp或者湿法腐蚀的方法，将led外延层进行减薄，实现薄外延层芯片的制造。但是，此方法存在减薄过程中，产生应力集中，芯片强度下降，而致芯片产生裂纹，器件性能和良率下降等问题。另一种显而易见的解决方案是生长薄外延层，芯片制造过程中不对外延层进行明显的厚度减薄，从而保证芯片的强度和器件性能，但此方法也存在缓冲层上难以制备欧姆接触电极的问题。
4.要获得低阻欧姆接触，必须有低的接触势垒高度、高的掺杂浓度，或两者兼有。对于gan基led器件，aln缓冲层为常用的必要功能层。而aln是一种超宽禁带材料，具有高的接触势垒高度；且aln n型掺杂剂的电离能也很高，难以实现重掺杂，即使在外延生长过程中，对aln层进行n型掺杂，也将导致后续生长的外延层缺陷增多，晶体质量变差，至今尚鲜有在aln上成功制备欧姆接触的报道。因此，存在外延层不去除aln缓冲层的发光二极管制造的必要需求。


技术实现要素：

5.为了解决在aln缓冲层上难以制备欧姆接触电极的问题，本发明的第一个目的在于提供一种氮化镓基垂直结构发光二极管，它在保证器件具备良好的n型欧姆接触特性的同时，实现了具有超薄外延层的氮化镓基垂直结构发光二极管的制造。
6.本发明的第二个目的在于提供一种具有超薄外延层的氮化镓基垂直结构发光二极管的制造方法。
7.本发明的第一个目的是这样实现的：
一种氮化镓基垂直结构发光二极管，从下至上依次包括：支撑基板、键合金属层、p型电极、p型半导体层、量子阱发光层、n型半导体层、缓冲层及n型电极；其特征在于：所述缓冲层具有贯穿的v型孔洞结构；n型半导体完全填充缓冲层的v型孔洞；n型电极与v型孔洞内的n型半导体接触，形成欧姆接触。
8.所述缓冲层为具有v型孔洞的al
x
ga
(1-x)
n单层或多层结构，其中0.3≤x≤1，厚度为500
å
~5000
å
，v型孔洞的密度为1
×
107~1
×
10
10
/cm
²
。
9.所述n型半导体层的材料为掺杂si元素的al
x
ga
(1-x)
n单层或多层结构，其中0≤x≤0.6，厚度为0.1μm~2μm，si浓度为1
×
10
18
/cm
³
~1
×
10
20
/cm
³
。
10.所述支撑基板为si基板。
11.本发明的第二个目的是这样实现的：一种氮化镓基垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：a、在衬底上依次生长具有v型孔洞的缓冲层、n型半导体层、量子阱发光层和p型半导体层；b、在所述p型半导体层的表面形成p型电极和键合金属层；c、将具有p型电极和键合金属层的外延片键合至支撑基板上；d、去除衬底；e、蚀刻一定厚度的缓冲层，暴露缓冲层的v型孔洞内的n型半导体层；f、在所述已暴露v型孔洞内的n型半导体层的缓冲层的表面蒸镀欧姆接触金属形成n型电极。
12.在步骤e中，所述缓冲层被蚀刻的厚度为缓冲层总厚度的0%~80%。
13.本发明提供的一种氮化镓基垂直结构发光二极管，特点是：缓冲层具有贯穿的v型孔洞结构；n型半导体完全填充缓冲层的v型孔洞；n型电极与v型孔洞内的n型半导体接触，形成欧姆接触。在si衬底上生长具有v型孔洞贯穿的缓冲层，然后生长高掺杂的n型半导体层，并且缓冲层的v型孔洞被n型半导体完全填充，该结构的组合保证了器件良好的n型欧姆接触特性的同时，保留了高强度的缓冲层，可实现具有超薄外延层的氮化镓基垂直结构发光二极管的制造。
附图说明
14.图1为常规氮化镓基垂直结构发光二极管的外延结构示意图，图中：10-衬底，20-缓冲层，30-n型半导体层，40-量子阱发光层，50-p型半导体层；图2为常规氮化镓基垂直结构发光二极管的芯片结构示意图，图中：60-支撑基板，70-键合金属层，80-p型电极，50-p型半导体层，40-量子阱发光层，30-n型半导体层，90-n型电极；图3为本发明的氮化镓基垂直结构发光二极管的外延结构示意图，图中：101-衬底，102-缓冲层，103-n型半导体层，104-量子阱发光层，105-p型半导体层；图4为本发明的氮化镓基垂直结构发光二极管生长缓冲层后的外延结构示意图，图中：101-衬底，102-缓冲层；图5为本发明的氮化镓基垂直结构发光二极管生长n型半导体层后的外延结构示意图，图中：101-衬底，102-缓冲层，103-n型半导体层；
图6为本发明的氮化镓基垂直结构发光二极管在芯片制造工艺中蚀刻一定厚度缓冲层后的芯片结构示意图，图中：201-支撑基板，301-键合金属层，401-p型电极，105-p型半导体层，104-量子阱发光层，103-n型半导体层，102-缓冲层；图7为本发明的氮化镓基垂直结构发光二极管的芯片结构示意图，图中：201-支撑基板，301-键合金属层，401-p型电极，105-p型半导体层，104-量子阱发光层，103-n型半导体层，102-缓冲层，501-n型电极。
具体实施方式
15.下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
16.如图3所示，为本发明实施例提供的氮化镓基垂直结构发光二极管的外延结构，包括：101-衬底，102-缓冲层，103-n型半导体层，104-量子阱发光层，105-p型半导体层。
17.如图7所示，为本发明实施例提供的氮化镓基垂直结构发光二极管的芯片结构，其包括：201-支撑基板，301-键合金属层，401-p型电极，105-p型半导体层，104-量子阱发光层，103-n型半导体层，102-缓冲层，501-n型电极。
18.缓冲层102为具有贯穿v型孔洞的多孔al
x
ga
(1-x)
n结构，v型孔洞是通过控制材料生长条件形成的从截面看为v字型的坑，如图4所示，其中0.3≤x≤1，缓冲层102的厚度为2000
å
，v型孔洞的密度为 2
×
108/cm
²
。
19.n型半导体层103的材料为掺杂si元素的al
x
ga
(1-x)
n单层或多层结构，其中0≤x≤0.6，厚度为1μm，si浓度为5
×
10
18
/cm
³
，并完全填充缓冲层102的v型孔洞，如图5所示。
20.n型电极501与缓冲层102中v型孔洞内的n型半导体层103接触，形成欧姆接触，如图7所示，该结构的组合保证了器件良好的n型欧姆接触特性的同时，保留了高强度的缓冲层，可实现具有超薄外延层的氮化镓基垂直结构发光二极管的制造。
21.一种氮化镓基垂直结构发光二极管的制造方法，包括以下步骤：（1）首先采用常规的mocvd生长方法制备氮化镓基垂直结构发光二极管的外延材料，提供衬底101，衬底101的材料可以为si、sic、al2o3中的一种，在衬底101上依次外延生长具有v型孔洞的缓冲层102，n型半导体层103，量子阱发光层104，p型半导体层105，如图3所示；（2）在p型半导体层105上蒸镀ag金属反射层，厚度为1nm-1000nm，完成p型电极401的制备；（3）然后在p型电极401上制作键合金属层301，将具有p型电极401和键合金属层301的外延片键合至支撑基板201上，基板201的材料为si；（4）然后将衬底101去除，再采用干法icp刻蚀或者湿法腐蚀的方法蚀刻50%厚度的缓冲层102，暴露缓冲层102的v型孔洞内的n型半导体层103，如图6所示；（5）对已经蚀刻了一定厚度的缓冲层102进行粗化，粗化区域不包括待制备的n型电极501区域；（6）采用电子束蒸发台在所述已暴露v型孔洞内的n型半导体层103的缓冲层102表面蒸镀欧姆接触金属形成n型电极501，n型电极501的材料是altiau、crptau中的一种，厚度为1000-3000nm；如图7所示。
22.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。