专利名称：一种垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法，尤其是一种采用 Zn1^xMgxO (0<11<0.5 )缓冲层薄膜和 Zni_yMgy0( 0<y<0.5 )外延层薄膜作为GaN基材料生长过渡层的制备方法。
背景技术：
GaN发光二极管在照明、显示、科研等领域具有重要的应用前景和商业价值。特别是在大尺寸屏幕的背光单元和取代传统荧光灯、白炽灯的固态照明系统中，大功率半导体发光二极管具有重大的潜力，但是在技术上仍有一些问题。目前绝大多数GaN基外延材料主要生长在蓝宝石衬底上。GaN基半导体与蓝宝石衬底之间具有较大的晶格失配和热失配，导致外延材料的缺陷密度较大。同时，由于蓝宝石导电性能差，普通的GaN发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在η型 GaN层中横向流动不等的距离，存在电流的阻塞产生热量；而蓝宝石衬底导热性能差，限制了 GaN基器件的发光效率。为了解决上述问题，近年来发展了缓冲层技术、横向外延生长技术(EL0G)、图案化蓝宝石衬底技术(PSS)等晶体生长技术和垂直结构的器件设计，显著的提高了 GaN基发光二极管的性能。同时也带来了一些新的问题，主要是精细加工带来成本提高，工艺复杂化等因素严重影响了上述新技术的工业化应用。传统垂直结构GaN基发光二极管制造的主要步骤有反光接触层沉积；外延层刻蚀；金属焊料沉积；外延片与基板键合；去除蓝宝石衬底；n SGaN粗化；钝化层保护；电极制作，要经历多次光刻。对于相同的器件结构而言，工艺越复杂，成本越高，成品率越低，可靠性也会较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种工艺简单的垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法， 以提高GaN基发光二极管的光电性能并降低成本，提高成品率。本发明的垂直结构的GaN基发光二极管依次包括η型接触电极、GaN缓冲层、η型 GaN外延层、GaN/InGaN多量子阱发光层、ρ型GaN外延层、金属层和导热、导电的基板。其制备步骤如下
(1)利用金属有机化学气相沉积方法，在衬底上依次生长ZrvxMgxO缓冲层和ZrvyMgyO 外延层构成复合衬底，O马<0.5,所说的衬底为蓝宝石片、单晶硅片或碳化硅片；
(2)利用金属有机化学气相沉积方法，在上述复合衬底上依次生长GaN缓冲层、η型GaN 外延层、GaN/InGaN多量子阱发光层和ρ型GaN外延层；
(3)利用直流溅射法在ρ型GaN外延层上沉积第一金属层；
(4)利用直流溅射法在导热、导电的基板上沉积第二金属层；
(5)将第一金属层与第二金属层压焊熔合形成金属层，使ρ型GaN外延层与导热、导电的基板通过金属层键合；(6)通过化学腐蚀剥离衬底、ZrvxMgxO缓冲层和ZrvyMgyO外延层；
(7)在GaN缓冲层上通过勻胶、光刻制作电极窗口，蒸镀与GaN缓冲层接触的金属薄膜作为η型接触电极。 本发明中，化学腐蚀用的腐蚀剂可采用氨水溶液。本发明具有以下特点
(1)使用了缓冲层材料Zni_xMgx0(0<χ<0.5 )和ZrvyMgyO外延层(虹鲜0.5)，不但有利用于提高GaN基材料的晶体质量，而且便于后续的化学腐蚀；
(2)本发明简化了生产流程，有利于保障发光二极管的可靠性，并回收衬底，节省生产成本。
图1为垂直结构的GaN基发光二极管示意图。图2为垂直结构的GaN基发光二极管制作过程的部分流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明。参照图1，本发明的垂直结构的GaN基发光二极管依次包括η型接触电极29、GaN 缓冲层23、η型GaN外延层24、GaN/InGaN多量子阱发光层25、ρ型GaN外延层26、金属层 27和导热、导电的基板28。垂直结构的GaN基发光二极管的制备，结合图2叙述如下 实施例1
1)将经过清洗的抛光蓝宝石衬底20放入金属有机化学气相沉积装置的腔体内，抽真空，以H2 (纯度尝99. 9999%)为载气，在250 °C，二乙基锌(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm， 二茂镁(纯度3 99. 9999%)流量0 sccm，氧气(纯度3 99. 999%)流量10 sccm，气压0. 01 Torr,生长厚度为0. 1微米的ZnO缓冲层21 ；
将生长好的ZnO缓冲层21在800°C原位退火30分钟，然后在400 °C，二乙基锌(纯度 ^ 99. 9999%)流量5 sccm,氧气(纯度尝99. 999%)流量为10 sccm,气压为0. 01 Torr,生长厚度为0. 5微米的ZnO外延层22 ；
2)采用金属有机化学气相沉积法，按传统生产工艺依次生长GaN缓冲层23、n型GaN外延层24、GaN/InGaN多量子阱发光层25和ρ型GaN外延层26 ；
以H2 (纯度会99. 9999%),N2 (纯度会99. 9999%)作为载气，整个生长压力控制在50-780 Torr，生长步骤如下将步骤1)的复合衬底加热到500 °C，三甲基镓(纯度3 99. 9999%)流量5 sccm，氨气(纯度尝99. 9999%)流量500 sccm,生长厚度为10 nm的GaN缓冲层23 ；然后升温至1000 °C，三甲基镓(纯度会99. 9999%)流量10 sccm，氨气(纯度会99. 9999%)流量 500 sccm，硅烷(纯度尝99. 9999%，浓度为100 ppm，H2稀释)流量为1 sccm生长η型GaN外延层24;降温至850 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%) 流量500 sccm,三甲基铟(纯度尝99. 9999%)流量2 sccm生长以生长GaN/InGaN多量子阱层25;升温至1000 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量10 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%) 流量500 sccm, 二茂镁(纯度尝99. 9999%)流量1 sccm以生长ρ型GaN层26，在N2气氛下800 °C退火30分钟；
3)利用直流溅射方法，在ρ型GaN外延层沈上沉积第一金属层，溅射靶材采用金属银靶(纯度尝99. 99%)，本底真空度为1X10—3 Pa，充入氩气(纯度3 99. 9999%)达到1 Pa,加热温度为200 0C ；
4)利用直流溅射在导热、导电的基板观上沉积第二金属层，溅射靶材采用金属银靶 (纯度尝99. 99%)，本底真空度为IXKT3 Pa，充入氩气(纯度尝99. 9999%)达到1 Ρει，加热温度为200 V ；
5)将第一金属层与第二金属层压焊熔合形成金属层27，ρ型GaN外延层沈与导热、导电的基板观通过金属层27键合；
6)用氨水溶液腐蚀剥离衬底2071^1^0缓冲层21和ZrvyIfeyO外延层22，由于ZnMgO 薄膜容易被氨水溶解，最终可以获得GaN缓冲层23暴露的表面；
7)在GaN缓冲层23上通过勻胶、光刻等传统工艺制作电极窗口，蒸镀与GaN缓冲层23 接触的金属薄膜作为η型接触电极四，蒸镀靶材采用金属钛靶(纯度3 99. 99%)和金属金靶 (纯度3 99. 99%)，本底真空度为1Χ10—3 Pa，加热温度为200 °C，蒸镀结束后利用丙酮浸泡 10分钟，去除残留的光刻胶，得到如图1所示的垂直结构的GaN基发光二极管。 实施例2
1)将经过清洗的抛光单晶硅片20放入金属有机化学气相沉积系统的腔体内，抽真空， 以H2 (纯度尝99. 9999%)为载气，在250 °C，二乙基锌(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm，二茂镁(纯度会99. 9999%)流量50 sccm，氧气(纯度会99. 999%)流量10 sccm，气压0. 01 Torr, 生长厚度为0. 1微米的Zn0.25Mg0.250缓冲层21 ；
将生长好的Sia25M^l25O缓冲层21在800°C原位退火30分钟，然后在400 °C，二乙基锌(纯度圣99. 9999%)流量5 sccm, 二茂镁(纯度圣99. 9999%)流量50 sccm,氧气(纯度 ^ 99. 999%)流量为10 sccm,气压为0. 01 Torr,生长厚度为0. 5微米的Zn。. 50外延层 22 ；
2)采用金属有机化学气相沉积法，按传统生产工艺依次生长GaN缓冲层23、n型GaN外延层24、GaN/InGaN多量子阱发光层25和ρ型GaN外延层沈；
以H2 (纯度会99. 9999%),N2 (纯度会99. 9999%)作为载气，整个生长压力控制在50-780 Torr，生长步骤如下将步骤1)的复合衬底加热到500 °C，三甲基镓(纯度3 99. 9999%)流量5 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%)流量500 sccm,生长厚度为10 nm的GaN缓冲层23 ； 然后升温至1000 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量10 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%) 流量500 sccm,硅烷(纯度尝99. 9999%，浓度为100 ppm，H2稀释)流量为1 sccm生长η 型GaN外延层M ；降温至850 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm,氨气(纯度 ^ 99. 9999%)流量500 sccm,三甲基铟(纯度尝99. 9999%)流量2 sccm生长以生长GaN/ InGaN多量子阱层25 ；升温至1000 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量10 sccm,氨气 (纯度尝99. 9999%)流量500 sccm, 二茂镁(纯度尝99. 9999%)流量1 sccm以生长ρ型GaN 层沈；在队气氛下800 °C退火30分钟；
3)利用直流溅射方法，在ρ型GaN外延层沈上沉积第一金属层，溅射靶材采用金属银靶(纯度尝99. 99%)，本底真空度为1X10—3 Pa，充入氩气(纯度3 99. 9999%)达到1 Pa,加热温度为200 0C ；4)利用直流溅射在导热、导电的基板28上沉积第二金属层，溅射靶材采用金属银靶 (纯度尝99. 99%)，本底真空度为IXlO-3 Pa，充入氩气(纯度尝99. 9999%)达到1 Pa，加热温度为200 V ；
5)将第一金属层与第二金属层压焊熔合形成金属层27，p型GaN外延层26与导热、导电的基板28通过金属层27键合；
6)用氨水溶液腐蚀剥离衬底20、Zni_xMgx0缓冲层21和ZrvyMgyO外延层22，由于ZnMgO 薄膜容易被氨水溶解，最终可以获得GaN缓冲层23暴露的表面；
7)在GaN缓冲层23上通过勻胶、光刻等传统工艺制作电极窗口，蒸镀与GaN缓冲层23 接触的金属薄膜作为η型接触电极29，蒸镀靶材采用金属钛靶(纯度3 99. 99%)和金属金靶 (纯度尝99. 99%)，本底真空度为1Χ10—3 Pa，加热温度为200 °C，蒸镀结束后利用丙酮浸泡 10分钟，去除残留的光刻胶，得到如图1所示的垂直结构的GaN基发光二极管。 实施例3
1)将经过清洗的抛光碳化硅片20放入金属有机化学气相沉积系统的腔体内，抽真空， 以H2 (纯度尝99. 9999%)为载气，在250 °C，二乙基锌(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm，二茂镁(纯度尝99. 9999%)流量100 sccm，氧气(纯度尝99. 999%)流量10 sccm，气压0. 01 Torr, 生长厚度为0. 1微米的Zna5Mga5O缓冲层21 ；
将生长好的Zna5Mga5O缓冲层21在800°C原位退火30分钟，然后在400 °C，二乙基锌(纯度圣99. 9999%)流量5 sccm, 二茂镁(纯度圣99. 9999%)流量100 sccm氧气(纯度 ^ 99. 999%)流量为10 sccm,气压为0. 01 Torr,生长厚度为0. 5微米的Zn。. 5MgQ. 50外延层 22 ；
2)采用金属有机化学气相沉积法，按传统生产工艺依次生长GaN缓冲层23、n型GaN外延层24、GaN/InGaN多量子阱发光层25和ρ型GaN外延层26，
以H2 (纯度会99. 9999%),N2 (纯度会99. 9999%)作为载气，整个生长压力控制在50-780 Torr，生长步骤如下将步骤1)的复合衬底加热到500 °C，三甲基镓(纯度3 99. 9999%)流量5 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%)流量500 sccm,生长厚度为10 nm的GaN缓冲层23 ； 然后升温至1000 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量10 sccm,氨气(纯度尝99. 9999%) 流量500 sccm,硅烷(纯度尝99. 9999%，浓度为100 ppm，H2稀释)流量为1 sccm生长η 型GaN外延层24 ；降温至850 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量5 sccm,氨气(纯度 ^ 99. 9999%)流量500 sccm,三甲基铟(纯度尝99. 9999%)流量2 sccm生长以生长GaN/ InGaN多量子阱层25 ；升温至1000 °C，三甲基镓(纯度尝99. 9999%)流量10 sccm,氨气 (纯度尝99. 9999%)流量500 sccm, 二茂镁(纯度尝99. 9999%)流量1 sccm以生长ρ型GaN 层26 ；在N2气氛下800 °C退火30分钟；
3)利用直流溅射方法，在ρ型GaN外延层26上沉积第一金属层，溅射靶材采用金属银靶(纯度尝99. 99%)，本底真空度为1X10—3 Pa，充入氩气(纯度3 99. 9999%)达到1 Pa,加热温度为200 0C ；
4)利用直流溅射在导热、导电的基板28上沉积第二金属层，溅射靶材采用金属银靶 (纯度尝99. 99%)，本底真空度为IXlO-3 Pa，充入氩气(纯度尝99. 9999%)达到1 Pa，加热温度为200 V ；
5)将第一金属层与第二金属层压焊熔合形成金属层27，p型GaN外延层26与导热、导电的基板观通过金属层27键合；
6)用氨水溶液腐蚀剥离衬底2071^1^0缓冲层21和ZrvyIfeyO外延层22，由于ZnMgO 薄膜容易被氨水溶解，最终可以获得GaN缓冲层23暴露的表面；
7)在GaN缓冲层23上通过勻胶、光刻等传统工艺制作电极窗口，蒸镀与GaN缓冲层23 接触的金属薄膜作为η型接触电极四，蒸镀靶材采用金属钛靶(纯度3 99. 99%)和金属金靶 (纯度3 99. 99%)，本底真空度为1Χ10—3 Pa，加热温度为200 °C，蒸镀结束后利用丙酮浸泡 10分钟，去除残留的光刻胶，得到如图1所示的垂直结构的GaN基发光二极管。
权利要求
1.一种垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法，该垂直结构的GaN基发光二极管依次包括η型接触电极(29)、GaN缓冲层(23)、η型GaN外延层(24)、GaN/InGaN多量子阱发光层(25)、ρ型GaN外延层(26)、金属层(27)和导热、导电的基板(28)，其特征是制备步骤如下(1)利用金属有机化学气相沉积方法，在衬底(20)上依次生长SvxIfexO缓冲层(21) 和SvyIfeyO外延层(22) 构成复合衬底， 0<x<0.5, (Ky切.5,所说的衬底为蓝宝石片、单晶硅片或碳化硅片；(2)利用金属有机化学气相沉积方法，在上述复合衬底上依次生长GaN缓冲层(23)、η 型GaN外延层(24)、GaN/InGaN多量子阱发光层(25)和ρ型GaN外延层(26)；(3)利用直流溅射法在ρ型GaN外延层(26)上沉积第一金属层；(4)利用直流溅射法在导热、导电的基板(28)上沉积第二金属层；(5)将第一金属层与第二金属层压焊熔合形成金属层(27)，使ρ型GaN外延层(26)与导热、导电的基板(28)通过金属层(27)键合；(6 )通过化学腐蚀剥离衬底(20 )、SvxMgxO缓冲层(21)和SvyMgyO外延层(22 )；(7)在GaN缓冲层(23)上通过勻胶、光刻制作电极窗口，蒸镀与GaN缓冲层(23)接触的金属薄膜作为η型接触电极(29 )。
2.根据权利要求1所述的垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于化学腐蚀用的腐蚀剂是氨水溶液。
全文摘要
本发明涉及垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法，步骤包括用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石片、单晶硅片或碳化硅片衬底上依次生长Zn1-xMgxO缓冲层和Zn1-yMgyO外延层构成复合衬底，0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，在复合衬底上依次生长GaN缓冲层、n型GaN外延层、GaN/InGaN多量子阱发光层和p型GaN外延层；用直流溅射法在p型GaN外延层和导电、导热基板上分别沉积金属层；将上述两金属层压焊熔合，使p型GaN外延层与基板通过金属层键合；用化学腐蚀剥离衬底、Zn1-xMgxO缓冲层和Zn1-yMgyO外延层；通过光刻工艺，蒸镀n型接触电极。本发明可以获得大功率、高亮度的发光器件，生产成本低。
文档编号H01L33/06GK102157650SQ201110033849
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者卢洋藩, 叶志镇, 吴科伟, 汪雷, 黄靖云 申请人:浙江大学