铟镓铝氮半导体发光器件及其制备方法

专利名称：铟镓铝氮半导体发光器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光器件的制造。更具体而言，本发明涉及一种基于铟镓铝氮 (InGaAlN)薄膜发光器件的制造方法，铟镓铝氮薄膜最初在硅(Si)衬底上生长且随后被转 移至新衬底上。
背景技术：
铟镓铝氮(InGaAlN，或InxGayAlh_yN，0≤χ≤1，0≤y≤1)半导体发光器件，特 别是发光二极管(LED)，已经被广泛地应用于诸如全彩大屏幕显示，交通灯，显示背光源和 照明等多种应用中。一般来说，InGaAlN材料在蓝宝石衬底上外延生长且一般被制成横向电极结构的 LED。这种器件常常效率低且散热能力弱。此外，由于这些器件中的P型导电层常常吸收一 定量的光，因而对横向电极发光器件的光电特性产生不良影响。另外，蓝宝石的高成本和制 备困难，使其难以实现低成本的大规模LED生产。Si衬底价廉且制备容易，所以基于在Si衬底上外延生长的InGaAlN薄膜来制备 LED很经济。然而，横向电极结构LED存在一些问题，如芯片面积利用率低、Si衬底和P型 电极吸收光等。虽然可以在Si衬底的背面粘附电极以制造垂直电极LED，从而增加芯片面 积利用率，但是光吸收问题仍然没有得到解决。此外，InGaAlN外延薄膜中AlN缓冲层的存 在常常导致LED更高的工作电压。可以结合湿法刻蚀和晶片邦定技术，将在Si衬底生长的InGaAlN外延薄膜转移至 新的、低电阻的金属衬底上，然后利用被转移的薄膜制备垂直电极LED。这种方法包括压焊 新金属衬底至InGaAlN外延薄膜上和湿法刻蚀Si衬底。这样一种方法可以提高LED的发 光效率，增加芯片面积利用率并且降低其串联电阻。然而，虽然湿法刻蚀过程自身是简单的 一步操作，但前提是金属衬底和压焊金属层都耐Si刻蚀剂的腐蚀。否则，需要耐Si刻蚀液 腐蚀的保护金属层。但是，耐Si刻蚀液腐蚀的金属往往价格昂贵。因此，使用湿法刻蚀和 晶片邦定相结合的方法可能成本高且复杂。此外，湿法刻蚀去除Si衬底会阻碍P面钝化层 的实现，从而限制了 LED的性能。

发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种铟镓铝氮半导体发光器件的生产 方法，该方法在不使用湿法刻蚀的情况下，达到去除Si衬底的目的。本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铟镓铝氮半导体发光器件，该器 件在去Si衬底的过程中没有使用湿法刻蚀工艺，形成的压焊金属层和金属衬底均无需具 有耐Si刻蚀剂的性能要求。为了解决本发明的第一个技术问题，本发明的一个实施例提供一种铟镓铝氮半导 体发光器件的制备方法。该方法包括在硅生长衬底上外延生长铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜，其中所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜包括P型掺杂层，N型掺杂层以及多量子阱发光层； 在所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜上形成金属衬底； 机械研磨所述硅生长衬底，将所述硅生长衬底厚度减薄至2 50 μ m ；以及应用干法刻蚀技术蚀刻掉所述已减薄的硅生长衬底，由此完成铟镓铝氮多量子阱 半导体发光薄膜从所述硅生长衬底至所述金属衬底的转移。为了解决本发明的第二个技术问题，本发明的一个实施例提供一种铟镓铝氮半导 体发光器件。该器件包括金属衬底，位于金属衬底上的InGaAlN多量子阱(MQW)半导体发光 薄膜，位于P型掺杂层和金属衬底之间的P型欧姆接触金属层，以及与N型掺杂层相连的N 型电极。InGaAlN MQW半导体发光薄膜包括P型掺杂层，位于P型掺杂层上的N型掺杂层， 以及位于N型掺杂层和P型掺杂层之间的MQW发光层。此外，InGaAlN MQW半导体发光薄 膜在Si生长衬底上外延生长，随后用下面两步操作去除Si生长衬底机械研磨Si生长衬 底，使其厚度减薄至2 50 μ m，然后利用干法刻蚀技术蚀刻掉已减薄的Si生长衬底。位于 P型掺杂层和金属衬底之间的P型欧姆接触金属层；以及与N型掺杂层相连的N型电极。在该实施例的一个变型中，干法刻蚀技术包括选择性离子反应刻蚀法(RIE)，且 InGaAlN MQff半导体发光薄膜和金属衬底都耐RIE腐蚀。在该实施例的一个变型中，Si生长衬底的电阻大于100 Ω · m，且其生长平面和晶 体平面的偏斜小于1°在该实施例的一个变型中，对Si生长衬底预先图形化而形成沟槽和台面；沟槽 的深度和厚度都大于3 μ m ；台面尺寸大于100X 100 μ m2 ；沟槽的截面图形包括正方形， 矩形，梯形，椭圆形，半椭圆形，圆形，半圆形，以及其他不规则图形；台面的图形包括正方 形，矩形，菱形，三角形，以及其他不规则图形；沟槽的形成是通过下列技术中的一或多种来 完成的离子刻蚀，化学刻蚀，机械切割，以及激光切割。在该实施例的一个变型中，发光器件还包括位于ρ-型掺杂层和金属衬底之间的 下列几层P面钝化层，粘接金属层，以及扩散阻挡层。在该实施例的一个变型中，P型欧姆接触金属层包括多种下列材料Pt，Pt合金， Pd，Pd合金，Rh，Rh合金，Ni合金，以及ΙΤ0。在该实施例的一个变型中，N型电极包括欧姆接触层，且欧姆接触层包括下列材料 中的至少一种Au/Ge/Ni合金，Au/Si合金，Au/Si/Ni合金，TiN合金，以及Ti/Al合金。在该实施例的一个变型中，InGaAlN MQff半导体发光薄膜的发光表面的氮极性面。在该实施例的一个变型中，金属衬底包括一层或多层金属，其包括下列材料中的 一或多种Cu，Ag，Al，Fe，Mo，W, V, Co，Ni，Zn，以及 Ti。在该实施例的一个变型中，金属衬底是利用下列技术的一或多种来形成的电镀， 化学镀，离子镀，热蒸发，磁控溅射沉积，以及电子束蒸发。在该实施例的一个变型中，发光器件还包括位于InGaAlN MQff半导体发光薄膜和 金属衬底之间的压焊金属层，可以帮助金属衬底和InGaAlN MQW半导体发光薄膜之间实现 压焊。在该实施例的另一变型中，压焊金属层包括金属或金属合金，其包括下列材料中 的一或多种Sn，Pb，Ag，Cu，Au，In，以及 Sb。在该实施例的另一变型中，InGaAlN MQff半导体发光薄膜包括AlN缓冲层；GaN插入层；N型掺杂GaN层；MQW发光层；以及P型掺杂GaN层。在该实施例的一个变型中，发光器件进一步包括钝化层，其覆盖InGaAlN MQW半导 体发光薄膜的侧壁，和/或P型掺杂层的部分底表面，和/或N型掺杂层的部分上表面。在该实施例的另一变型中，钝化层包括氧化硅(SiOx),氮化硅(SiNx),氧化铝 (Al2O3)，以及氮氧化硅(SiOxNy)中的至少一种。在该实施例的一个变型中，对未被N型电极覆盖的发光器件的部分上表面进行表 面粗化处理。 在该实施例的另一变型中，表面粗化处理可直接在InGaAlN MQff半导体发光薄膜 的表面上进行或是在沉积在InGaAlN MQW半导体发光薄膜表面上的透明膜上进行。本发明的有益效果相比现有技术，本发明先将对生长衬底硅衬底进行研磨减薄，然后再用干法刻蚀 掉剩下的硅衬底，这种方式完全不涉及湿法刻蚀，这对转移衬底金属衬底和欧姆接触层没 有任何腐蚀效应，这样在使用转移衬底的时候，可以放心使用金属衬底，而不必担心被腐蚀 的问题了。


图IA图示了根据本发明一个实施例的具有沟槽和台面的预先图形化的部分生长 衬底的横截面。图IB图示了根据本发明一个实施例的预先图形化的生长衬底的横截面。图2图示了本发明一个实施例的在预先图形化衬底上的多层InGaAlN薄膜的横截面。图3图示说明根据本发明一个实施例的制造垂直电极发光器件的步骤。图4A-4K图示了根据本发明一个实施例的单个垂直电极发光器件的横截面。图5图示说明根据本发明一个实施例的利用晶片邦定技术制造垂直电极发光器 件的步骤。在图形中，相同引用的数字代表相同的图形部分。
具体实施例方式给出以下描述使得本领域技术人员能使用和制造本发明，且这些描述是在特定应 用及其需求的背景下提供的。公开实施例的多种变型对于那些本领域技术人员来说是显而 易见的，且在不偏离本发明精神实质和范围的前提下，这里所限定的一般原理也可用于其 他实施例和应用中。因此，本发明并不限于所给出的实施例，而是与权利要求的最大范围一致。本发明实施例提供一种基于外延InGaAlN薄膜的垂直电极发光器件。通过机械减 薄Si衬底并随后刻蚀掉剩余的Si衬底，将在Si衬底上外延生长的InGaAlN薄膜转移至金 属衬底上。这种技术能够降低制造成本并简化制造过程。用这种方法制备的垂直电极发光 器件的可靠性和效率都得到提高。在Si衬底上外延生长为了在常规大面积衬底(如Si晶片)上生长无裂纹多层InGaAlN薄膜，以促进高质量、低成本、短波长LED的大规模生产，介绍一种生长方法，其包括预先图形化衬底形成 沟槽和台面。预先图形化衬底形成沟槽和台面能有效地释放多层薄膜中由于衬底表面与多 层薄膜之间晶格常数和热膨胀系数不匹配所导致的应力。图IA图示了根据本发明一个实施例的利用光刻和等离子刻蚀技术而刻蚀出图形 的部分衬底的顶视图。正方形台面100和沟槽102都是刻蚀得到的结果。图IB图示了沿着 图IA中的水平线AA’的预先图形化衬底的横截面，更加清楚地图示了台面和沟槽的结构。 正如图IB所示，沟槽104的侧壁有效地形成了独立台面结构如台面106，部分台面108以及 110的侧壁。每个台面限定一个独立的表面区域用于生长各自的半导体器件。沟槽104的 宽度和深度都大于3 μ m，且台面106的尺寸大于100 μ m2。沟槽104的最佳宽度和深度分 别为10 μ m和20 μ m。台面106的通常尺寸有200 μ m2，300 μ m2，以及400 μ m2。应用注意的是，可以应用不同的光刻和刻蚀技术在半导体衬底上形成沟槽和台 面。同样应注意的是，除了形成图IA中所示的正方形台面100，通过改变沟槽102的图案可 以形成其他可选的几何图案。这些可选几何图案中的一些可包括但不限于三角形，矩形， 平行四边形，六边形，圆形或其他图形。此外，沟槽104的截面图形可包括但不限于梯形， 倒梯形，矩形，正方形，半圆形，半椭圆形以及这些图形的组合。制备预先图形化的衬底后，应用各种生长技术在其上外延生长InGaAlN多层半导 体薄膜，这些生长技术中可包括金属有机化学汽相沉积(MOCVD)。图2图示了根据本发明一 个实施例的在预先图形化衬底200上MOCVD生长的InGaAlN外延薄膜的横截面。外延薄膜 包括缓冲层202，N型掺杂GaN层204，MQW有源层206，以及P型掺杂GaN层208。预先图形 化的衬底200可以是电阻大于100 Ω 的Si衬底。在一个实施例中，预先图形化衬底是 Si(Ill)衬底，且InGaAlN外延薄膜的生长方向和Si(Ill)方向之间的角度小于1°。在一个实施例中，外延薄膜可通过依次沉积AlN缓冲层202，N型掺杂GaN层204，铟镓氮(InGaN)/氮化镓(GaN)MQW有源层206，P型掺杂GaN层208，以及可选的2nm厚InGaN 覆盖层(图2中未示出)来形成。缓冲层202可包括AlN和GaN的交替层，且在缓冲层202中GaN可以是化学计量 的也可以是非化学计量的。N型掺杂层204可以是Si掺杂GaN层，而P型掺杂层208可以 是Mg掺杂GaN层。MQW有源层206可以是掺杂的也可以是未掺杂的。可选的InGaN覆盖层 的厚度可小于5nm。在P型掺杂层上沉积这种覆盖层的目的是利用表面张力，该表面张力是 由InGaN覆盖层施加在P型掺杂GaN层上。这种张力改变了 P型掺杂GaN层表面上的极化 电场，反过来增大了表面空穴浓度，进而改善P型掺杂层的欧姆接触特性。这种InGaN层同 样可选择掺杂Mg且可被视为P型掺杂层的一部分。同样可选择在N型掺杂层内生长一层 Si掺杂InGaN层，以提高器件的反向偏压特性。在一个实施例中，InGaAlN外延薄膜的生长包括下列步骤。首先，将Si (111)衬底 置于充满H2的MOCVD腔内。腔内压力为IOOtorr且温度保持在1200°C。20min后，将腔内 温度降至910°C且压力升至250torr。接下来，把三甲基铝((CH3)3Al)气体注入腔内大约20s 以沉积Al薄层。沉积的Al进一步在910°C的温度下重结晶大约20s以形成Al种子层。Al 种子层形成后，依次形成AlN缓冲层和成分梯度变化的AlGaN过渡层。然后，非化学计量的 GaN缓冲层首先在室内温度升至1150°C下形成，并在温度降至910°C时进行重结晶。然后， 在温度升至1150°C下生长Si掺杂GaN层，随后在950°C的温度下生长可选择掺杂的GaN薄层。这种薄GaN层可防止空穴从MQW扩散至N型掺杂层内。MQW具有五个周期的垒和阱。阱的厚度大约是3nm，而垒的厚度大约是9nm。MQW前 三个周期的垒掺杂Si，而MQW前三个周期的阱轻度掺杂Si。第四和第五周期的垒和阱都不 掺杂Si，且第五个MQW周期的垒掺有Mg。MQff生长后，形成Mg掺杂的ρ-型GaN层和InGaN 隧道层。为了简化制造过程，可以在所有的缓冲层内掺杂预定数量的Si，使AlN缓冲层和 AlGaN过渡层都导电。因此，随后可直接在缓冲层202的表面上沉积N型欧姆接触电极。否 贝U，需要部分刻蚀缓冲层202以暴露N型掺杂层。
利用金属沉积制备垂盲电极LED图3图示说明了根据本发明的一个实施例制造单个垂直电极发光器件的过程。在步骤3A中，在预先图形化的衬底300上生长缓冲层302，N型掺杂GaN层304， MQff层306，以及P型掺杂GaN层308后，沉积P面钝化层310。在沉积P面钝化层310前， 为了激活P型掺杂剂，可在大约760°C的温度下对外延薄膜进行热退火处理。P面钝化层 310可包括下列材料中的一种或多种SiNx，SiOx，SiOxNy以及A1203。应注意的是，如果是用 SiNx或SiOx形成P面钝化层310，那么在沉积钝化层期间，硅烷和H2载气的存在会钝化在P 型层表面的P型掺杂剂，也就是Mg离子，因而降低它的空穴浓度。因此，可以选择在沉积P 面钝化层310后，在760°C左右进行退火处理以激活Mg离子。在步骤3B中，在P面钝化层310上沉积P型欧姆接触金属层312，P面钝化层进行 图形化和部分刻蚀以使金属层312直接接触P型层308。因为某些金属材料会吸收氢原子， 同样可以先沉积P型欧姆接触金属层312，再进行上述的退火，这样一来退火处理可以实现 激活Mg离子和形成欧姆接触的双重目的。在本发明的一个实施例中，先不对外延薄膜进行 退火，而是在P面钝化层310形成之后，蒸镀一层Pt以形成P型欧姆接触金属层312，然后 再进行退火处理。在本发明一个实施例中，在大约550°C温度下和N2 O2 = 4 1的气氛 中进行退火大约10分钟。除了 Pt，可用于P型欧姆接触层312的材料，包括但不限于Pt/ Au合金，Pt/Rh合金，NiO/Au，氧化铟锡(ITO)，Pt和Au的交替层，Pt和Rh的交替层，Pt， Rh及Au的交替层，Pt/Rh/Au合金，Pt/Ag合金，Cu/Ag/Pt合金，以及Ti/Ag/Pt合金等。为了增大垂直电极的光提取效率，可以通过先形成透明层并接着沉积相邻的反射 金属层的方式来形成P型欧姆接触层。透明层可包括前述小于200 A厚的欧姆接触金属层， 或导电氧化物层如NiO/Au，ΙΤ0，以及它们组合的导电氧化层。导电氧化层的厚度可大于或 小于200A。反射金属层可通过沉积Ag或Al薄层来形成，也可以应用高反射合金来形成。可 选择在欧姆接触层和反射金属层之间加入扩散阻挡层。扩散阻挡层对光高度透明。此外， 扩散阻挡层包括物理性质和化学性质稳定的材料，因此能有效防止由反射金属层对欧姆接 触层带来的任何破坏性效果。在一个实施例中，扩散阻挡层包括氮化钛层。为了减少P型 欧姆接触层对光的吸收，可以用欧姆接触垫的不连续阵列来形成P型欧姆接触层。在这种 情况下，P型欧姆接触层只覆盖P面掺杂层的一小部分表面，而其他部分直接与反射金属层 或扩散阻挡层接触。同样可以使扩散阻挡层不连续。应注意的是，本发明实施例中的P型 欧姆接触层包括欧姆接触层，可选择的扩散阻挡层，以及可选择的反射层。为了增大随后沉积的金属衬底与外延薄膜之间的粘接强度，在欧姆接触层与金属 衬底之间需要粘接层。例如，金属衬底可以是电镀Cu，而P型欧姆接触层312可以是Pt层， 而电镀Cu和Pt层之间的粘接不甚理想。因此，就需要在Pt层上沉积Ti层，在Ti层上沉积Ni或Ag层。Ti可与Pt形成良好的粘接，而Ni或Ag可与Ti和Cu形成良好的粘接，从 而在Cu衬底与外延薄膜之间产生牢固粘接。在步骤3C中，在P型欧姆接触层312上沉积 粘接层314和316。取决于之后沉积的金属衬底的种类，粘接层314和316可包括不同的金 属或非金属材料。在步骤3D中，在外延薄膜上沉积金属衬底318。应注意的是，在沉积金属衬底318 时，预先图形化衬底300上的沟槽被填满。沉积金属衬底318可以有多种方法，这些方法包 括但不限于电镀，离子镀，磁控溅射沉积，热蒸发，热喷涂，化学镀以及它们的组合。金属衬 底318可以是高导热金属，如电镀Cu和Ag，或容易机械切割的金属如W，Mo和Cr。为了同 时满足金属衬底的导热和机械切割性能，有时可在金属衬底上镀上合金层。可应用多种技 术镀上合金层，如化学镀，离子镀，以及电镀。在步骤3E中，可以用标准的Si晶片减薄技术将Si (111)衬底320机械减薄至2 50ymo在步骤3F中，应用反应离子刻蚀(RIE)技术去除剩余的Si (111)衬底320。因此， 外延薄膜与Si (111)衬底320分离并被转移至金属衬底318上。刻蚀气体需要能够选择性 刻蚀Si，同时使InGaAlN薄膜和金属衬底保持完好。去除Si (111)衬底320后，填充在沟槽 内的金属现在突出于外延薄膜的表面而形成金属突起物322。然后去除金属突起物322。在操作3Η中，去除生长在分隔台面上的每个多层结构的边缘，以保证整体更高的 材料质量。边缘去除可利用RIE技术和/或湿法刻蚀技术来实现。用于RIE的气体可包括 氯气或其他熟知的GaN刻蚀气体。用于湿法刻蚀的化学溶液可包括H3P04，NaOH和Κ0Η。紫 外线同样也可用于湿法刻蚀过程中。用于选择性刻蚀的掩膜材料可包括光阻材料，和/或 金属，和/或熟知的InGaAlN钝化材料。在步骤31中，在每个多层结构的侧壁和上表面的边缘沉积侧壁钝化层324。用于 形成侧壁钝化层324的材料可包括但不限于下列材料中的一或几种Si0x，SiNx，Al203，聚酰 亚胺以及其他熟知的半导体钝化材料。在步骤3K中，先对GaN缓冲层302进行表面粗化处理。表面粗化期间，在GaN缓 冲层302的表面上形成表面粗化图形。表面粗化图形包括但不限于六棱锥，六棱柱，圆柱， 圆锥，环形，以及其他图案。表面粗化图形可利用下列方法中的至少一种形成光电化学刻 蚀和电感耦合等离子(ICP)刻蚀。用于ICP刻蚀的刻蚀液可包括但不限于H3P04，KOH和 NaOH。再在表面粗化图形上形成N型欧姆电极328。用于形成N型欧姆电极328的可选材 料包括但不限于Au/Ge/Ni合金，Au/Si合金，氮化钛，含Ti或Al的合金，以及它们的组合。 不管与N型掺杂层接触的N型电极328是哪种金属类型，N电极328的上部金属层包括Ti/ Au合金或是Ni/Au合金，这两种合金都可方便地用于随后的电极引线压焊。在步骤3L中，通过分割多层薄膜和金属衬底形成单个LED器件，如LED 330。能用 于分割金属衬底的技术包括但不限于激光切割，机械切割，以及机械劈裂。可以应用化学 刻蚀技术从两面刻蚀，也可以应用化学刻蚀和激光切割技术的组合。图4A图示了根据本发明的一个实施例的单个LED 400的横截面。LED 400包括 金属衬底402，P型欧姆接触金属层404，P面钝化层406，P型掺杂层408，有源层410，N型 掺杂层412，具有表面粗化图形的缓冲层414，侧壁钝化层416，以及N型欧姆电极418。LED 400的结构及其制造过程与图3中所示的LED 330相同，除了在LED 400中，金属衬底402 和P 型欧姆接触金属层404之间没有粘接层。
图4B图示了根据本发明一个实施例的单个LED 420的横截面。LED 420的结构及 其制造过程与图4A中所示的LED 400相似，不同之处是，在LED 420中，金属衬底422包括 多个金属层，如层424-428。金属衬底422的多层结构使得能够应用选择性化学刻蚀来分割 金属衬底，从而实现单个LED。多层金属衬底422的选择可包括但不限于三层衬底，如Cu/ Ag/Cu，Ag/Cu/Ag，Ni/Cu/Ag以及Cu/W/Cr ；双层衬底以及四层衬底。图4C图示了根据本发明一个实施例的单个LED430的横截面。LED 430的结构及 其制造过程与图4B中所示的LED 420相似，不同之处是，在LED 430中，沉积N面钝化层 432用于覆盖未被N型欧姆电极418覆盖的部分发光表面。此外，对N面钝化层432进 行表 面粗化处理，即在N面钝化层432的表面上形成表面粗化图案434。同样可以先在发光表面 上沉积抗反射(AR)涂覆层，再对AR涂覆层进行表面粗化处理，以增强发光效率。图4D图示了根据本发明一个实施例的单个LED 440的横截面。LED 440的结构及 其制造过程与图4C中所示的LED 430相似，不同之处是，LED 440不包括P面钝化层406， 因此，P型欧姆接触金属层442直接在P型掺杂层408上沉积。P面钝化层不是必须的，因 为也可以用离子注入或氢钝化来钝化外延薄膜的边缘。图4E图示了根据本发明一个实施例的单个LED 450的横截面视图。LED 450的结 构及其制造过程与图4D中所示的LED 440相似，不同之处是，LED 450包括单层的金属衬 底402，粘接层452，以及互补的P型欧姆接触金属层454。互补的P型欧姆接触金属层454 是通过去除部分P型欧姆接触层442而形成的。结果，N型欧姆电极418和P型欧姆接触 金属454实质上形成彼此互补。因为大部分载流子复合现在发生在有源层上，在这里向上 的光传播没有被上电极阻挡，所以利用互补垂直电极能增大光提取效率。除了去除P型欧 姆接触层442中的部分金属接触以形成互补区域外，同样可以应用离子注入或氢钝化来形 成互补区域。图4F图示了根据本发明一个实施例的单个LED 460的横截面。LED 460的结构 及其制造过程与图4C中所示的LED 430相似，不同之处是，LED 460包括单层的金属衬底 402，且N面钝化层462覆盖除N型欧姆电极418外的外延多层结构的表面。N面钝化层462 不进行表面粗化处理。图4G图示了根据本发明一个实施例的单个LED 470的横截面。LED 470的结构及 其制造过程与图4C中所示的LED 430相同，不同之处是，LED470包括双层金属衬底472，其 包括金属衬底474和476。此外，在LED470中，在缓冲层478中只对未被N型欧姆电极418 覆盖的部分进行表面粗化处理。图4H图示了根据本发明一个实施例的单个LED 480的横截面。LED 480及其制造 过程与图4A中所示的LED 400相似，不同之处是，在LED 480中，P型欧姆接触金属层482 包括对应N型欧姆电极418图形的电极互补区域484。此外，LED 480包括三层金属衬底 422。图41图示了根据本发明一个实施例的单个LED 490横截面。LED 490的结构及其 制造过程与图4G中所示的LED 470相似，不同之处是，在LED 490中，N型欧姆电极418是 在缓冲层492被部分刻蚀后形成的。结果，N型欧姆电极418直接与N型掺杂层412接触， 因此降低了器件的偏压。此外，缓冲层492可以是未掺杂的，使InGaAlN发光器件具有更好 的晶体质量，不进行表面粗化处理。
图4J图示了根据本发明一个实施例的单个LED 493的横截面。LED 493的结构 及其制造过程与图4A中所示的LED 400相似，不同之处是，在LED 493中，P型欧姆接触层 494包括与N型欧姆电极418图形相对应的电极互补区域495，且电极互补区域495填充的 材料与P面钝化层406中的钝化材料相同。图4K图示了根据本发明一个实施例的单个LED 496的横截面。LED 496的结构 及其制造过程与图4A中所示的LED 400相似，不同之处是，在LED 496中，P面钝化层497 在p-n结的被刻蚀的截面上形成，并覆盖P型掺杂层408、有源层410以及N型掺杂层412 的被刻蚀侧壁。因此，P面钝化层497钝化了 p-n结。此外，P型欧姆接触层498包括与N 型欧姆接触电极418图形相对应的电极互补区域495，且电极互补区域495填充的材料与P 面钝化层497中的钝化材料相同。 利用晶片邦定制备垂盲电极LED除了在外延薄膜上沉积金属衬底外，同样也可以利用晶片邦定技术将外延薄膜转 移至新的衬底上。图5图示说明了根据本发明的一个实施例利用晶片邦定技术制备垂直电 极发光器件的过程。在步骤5A中，与步骤3A相同，在预先图形化的Si (111)衬底500上外延生长缓冲 层502，N型掺杂GaN层504，MQff层506，以及P型掺杂GaN层508。在步骤5B中，在P型掺杂层508上形成P型欧姆接触金属层510，然后沉积压焊金 属层512。压焊金属层512可包括但不限于下列材料中的一或几种Sn，Pb，Ag，Cu，Au，In, Sb，以及它们的合金。压焊金属层512不必耐Si刻蚀液的腐蚀。在步骤5C中，制备新衬底522，其包括新衬底层514，衬底欧姆接触层516和518， 以及衬底压焊金属层520。新衬底层514可包括但不限于金属，Si以及GaAs。新衬底522 可以是单面抛光也可以是双面抛光。如果新衬底522在一面上抛光，那么衬底压焊金属层 520的表面是抛光的。如果新衬底514包含金属，那么衬底欧姆接触层516和518可省略。 新衬底522的厚度变化在8 μ m内。在步骤5D中，将新衬底522与外延薄膜压焊在一起。压焊可在高真空或低真空中 进行，也可以在压力等于或大于一个大气压的腔内进行。腔内气氛可是02，N2, O2和N2的组 合，或是惰性气体。只要压焊层512和520可以焊在一起，不会显著改变P型欧姆接触层的 接触特性和InGaAlN薄膜的性能，压焊也可以在其他条件下进行。在步骤5E中，与步骤3E相同，Si (111)衬底524被机械减薄至2 50 μ m。在步 骤5F中，与步骤3F相同，采用RIE技术去除剩余的Si (111)衬底524。在步骤5G中，与步 骤3K相同，形成N型欧姆电极。在步骤5H中，与步骤3H相同，去除生长在分隔台面上的每 个多层结构的边缘，以保证整体更高的材料质量。在步骤51中，与步骤31相同，在每个多 层结构的侧壁和上表面的边缘上沉积侧壁钝化层528。在步骤5J中，与步骤3L相同，分割 多层薄膜和新衬底，形成单个LED器件，如LED 530。本发明实施例的以上描述只为说明和描述的目的给出，它们并非穷尽性，或是将 本发明限于所公开的形式。因此，许多修改和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。 因此，上述公开并非旨在限制本发明。本发明的范围由其所附权利要求限定。
权利要求
一种制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，该方法包括在硅生长衬底上外延生长铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜，其中所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜包括P型掺杂层，N型掺杂层以及多量子阱发光层；在所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜上形成金属衬底；其特征在于机械研磨所述硅生长衬底，将所述硅生长衬底厚度减薄至2～50μm；以及应用干法刻蚀技术蚀刻掉所述已减薄的硅生长衬底，由此完成铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜从所述硅生长衬底至所述金属衬底的转移。
2.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于所述硅 生长衬底的电阻大于100Ω · cm，且其中所述硅生长衬底的生长平面与晶体平面的偏斜小 于1°。
3.根据权利要求2所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于还包括 使所述硅生长衬底预先图形化，形成沟槽和台面，其中所述沟槽的深度和宽度都大于3 μ m ； 其中所述台面的尺寸大于100 X 100 μ m2 ；其中所述沟槽的截面图形包括正方形、矩形、梯形、椭圆形、半椭圆形、圆形或半圆形 中任一种图形；其中所述台面的图形包括正方形、矩形、菱形或三角形中任一种图形；以及 其中所述沟槽是利用离子刻蚀、化学刻蚀、机械切割或激光切割中任一种或多种方法 加工形成。
4.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于，所述方 法还包括在所述P型掺杂层上部沉积P型欧姆接触金属层；以及沉积一些下列各层P面钝化层， 粘接金属层， 以及扩散阻挡层。
5.根据权利要求4所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于所述P 型欧姆接触金属层包括一些下列材料钼，钼合金，钯，钯合金，铑，铑合金，镍合金，以及氧 化铟锡。
6.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于还包括 在所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的两个对立面上形成P型电极和N型电极，以形 成垂直电极LED。
7.根据权利要求6所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中所 述N型电极包括欧姆接触层，并且其中所述欧姆接触层包括下列材料中的至少一种金锗镍合金， 金硅合金， 金硅镍合金， 氮化钛合金，以及 铁招合金ο
8.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的发光表面是氮极性面。
9.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中所述金属衬底包括一层或多层金属，其包括下列材料中的一种或多种铜、银、铝、铁、钼、钨、 钒、钴、镍、锌和钛。
10.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中所 述金属衬底是利用下列方法中的一或多种形成的电镀， 化学镀， 离子镀， 热蒸发，磁控溅射沉积，以及 电子束蒸发。
11.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于还包括 在多层半导体薄膜上沉积用于将所述金属衬底和所述多层半导体薄膜压焊在一起的压焊
12.根据权利要求11所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于所述 压焊金属层包括金属或金属合金，其包括一种或多种下列材料锡、铅、银、铜、金、铟和锑。
13.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于所述铟 镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜包括氮化铝缓冲层； 氮化镓插入层； N型掺杂氮化镓层； 多量子阱发光层；以及 P型掺杂氮化镓层。
14.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于还包括 沉积钝化层，所述钝化层覆盖铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的侧壁，或所述P型掺杂 半导体层的部分底表面、所述N型掺杂半导体层的部分上表面中至少一处。
15.根据权利要求14所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中 钝化层包括下列材料中的至少一种氧化硅； 氮化硅； 氧化铝；以及 氮氧化硅。
16.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中干 法刻蚀技术包括选择性反应离子刻蚀法，且其中铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜和金属 衬底皆耐RIE腐蚀。
17.根据权利要求1所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于还包括 进行表面粗化处理。
18.根据权利要求17所述的制备铟镓铝氮半导体发光器件的方法，其特征在于其中表面粗化处理可直接在铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的表面上进行或是在沉积在铟 镓铝氮多量子阱表面上的透明膜上进行。
19.一种铟镓铝氮半导体发光器件，所述半导体发光器件包括 金属衬底；位于金属衬底上的铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜，其中铟镓铝氮多量子阱半导体 发光薄膜包括P型掺杂层，位于P型掺杂层上的N型掺杂层，以及位于N型掺杂层和P型掺 杂层之间的多量子阱发光层，且其中铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜在硅生长衬底上外 延生长，随后通过下面两步操作将所述硅生长衬底去除机械打磨所述硅生长衬底，使其厚 度减薄至2 50 μ m，再利用干法刻蚀技术蚀刻掉已减薄的硅衬底； 位于P型掺杂层和金属衬底之间的P型欧姆接触金属层；以及 与N型掺杂层相连的N型电极。
20.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于所述干法刻蚀包 括选择性反应离子刻蚀(RIE)法，且其中铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜和金属衬底都 耐RIE工序。
21.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于所述硅生长衬底 的电阻大于100Ω · cm，且其中所述硅生长衬底的生长平面与晶体平面的偏斜小于Γ。
22.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于使所述硅生长衬底预先图形化而具有沟槽和台面； 其中所述沟槽的深度和宽度都大于3 μ m ； 其中所述台面的尺寸都大于100 X 100 μ m2 ；其中所述沟槽的截面图形包括正方形，矩形，梯形，椭圆形，半椭圆形，圆形，半圆形以 及其他不规则图形；其中所述台面的图形包括正方形，矩形，菱形，三角形以及其他不规则图形；以及 其中所述沟槽是通过下列技术的至少一种来形成的离子刻蚀，化学刻蚀，机械切割以 及激光切割。
23.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于还包括位于P型 掺杂层和金属衬底之间的数层，其中所述数层包括P面钝化层； 粘接金属层；以及 扩散阻挡层。
24.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于所述P型欧姆接 触层金属层包括一些下列材料钼，钼合金，钯，钯合金，铑，铑合金，镍合金，以及氧化铟锡。
25.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于Ν型电极包括欧姆 接触层，并且其中所述欧姆接触层包括下列材料中的至少一种金锗镍合金， 金硅合金， 金硅镍合金， 氮化钛合金，以及 铁招合金ο
26.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于所述铟镓铝氮多 量子阱半导体发光薄膜的发光表面是氮极性面。
27.根据权利要求19所述的发光器件，其特征在于金属衬底包括一层或多层金属层， 其包括下列材料中的至少一种铜，银，铝，铁钼，钨，钒，钴，镍，锌和钛。
28.根据权利要求19所述的发光器件，其特征在于所述金属衬底是利用下列技术中 的一种或多种来形成的电镀， 化学镀； 离子镀； 执菡发.磁控溅射沉积；以及 电子束蒸发。
29.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于还包括位于铟镓 铝氮多量子阱半导体发光薄膜和金属衬底之间的压焊金属层。
30.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于所述压焊金属层 包括金属或金属合金，其包括下列材料中的一种或多种锡，铅，银，铜，金，铟和锑。
31.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于铟镓铝氮多量子 阱半导体发光薄膜包括氮化铝缓冲层； 氮化镓插入层； N型掺杂氮化镓层； 多量子阱发光层；以及 P型掺杂氮化镓层。
32.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于还包括有钝化层， 其覆盖铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的侧壁、所述P型掺杂半导体层的部分底表面、 所述N型掺杂半导体层的部分上表面中至少任一处位置。
33.根据权利要求32所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于钝化层包括下列 至少一种氧化硅； 氮化硅； 氧化铝；以及 氮氧化硅。
34.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于对未被N型电极 覆盖的发光器件的部分上表面进行过表面粗化处理。
35.根据权利要求19所述的铟镓铝氮半导体发光器件，其特征在于表面粗化处理可 直接在所述铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜的表面上进行或在沉积在所述铟镓铝氮多 量子阱半导体发光薄膜的表面上的透明膜上进行。
全文摘要
本发明提供一种铟镓铝氮半导体发光器件及其制备方法。该器件包括金属衬底；位于金属衬底上的铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜；位于P型掺杂层和金属衬底之间的P型欧姆接触金属层；以及与N型掺杂层相连的N型电极。铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜包括P型掺杂层，位于P型掺杂层上的N型掺杂层，以及位于N型掺杂层和P型掺杂层间的多量子阱发光层。该方法包括铟镓铝氮多量子阱半导体发光薄膜在硅生长衬底上外延生长，随后利用以下两步骤将硅生长衬底去除机械研磨硅生长衬底以减薄衬底至2～50μm，然后应用干法刻蚀技术刻蚀掉已减薄的硅生长衬底。
文档编号H01L21/78GK101840967SQ20091011532
公开日2010年9月22日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者方文卿, 江风益, 熊传兵, 王古平, 王立, 章少华 申请人:晶能光电(江西)有限公司