专利名称：一种氮化镓基垂直结构led外延结构及制造方法
技术领域：
本发明属于半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法。
背景技术：
以化合物半导体材料氮化镓(GaN)为基础的半导体发光二极管(Light Emitting Diode,以下简称LED)自上世纪90年代初实现蓝光发光实用化以来，技术和市场发展迅猛， 市场广应用广阔，效率也得到大幅度提升。LED器件的基础是半导体P-N结，以及在P-N结间的量子阱多层结构组成的载流子复合区即发光区。最常用的外延生长衬底是C-平面的蓝宝石(A1203)单晶衬底，最常用的外延工具是有机金属汽相外延(MOCVD)设备，在衬底上逐层生长，并对各层的掺杂类型、浓度、组分、结构和厚度等进行精确控制。器件然后经过半导体制作工艺完成对芯片的分隔、 电极的制作、表面和侧面的钝化，以及出光表面的织构化等步骤。LED器件在正向偏压作用下向量子阱发光区注入非平衡载流子(电子和空穴)，并在量子阱区内辐射复合产生特定波长的光子，透过LED的表面和侧面出射发光。平面型LED是将N型和P型电极制作在LED芯片的同一侧表面的两端，依靠电流从一侧沿水平方向流过LED的发光区，由另一侧的电极收集。由于电子横向注入是从一个电极出发到另一个电极，导致途中电流密度的空间不均勻分布，因此发光不均勻，热场分布也不均勻，无法使器件整体上处在光效最佳工作点，限制了 LED芯片的最大尺寸以及器件的发光效率。随着LED在固态照明市场的推进，亟需制造一种单芯片高亮度、高效率和高可靠性的LED芯片。几个基本的要求是(1)最佳的散热解决方案；(2)最佳的电流场和热场分布方案；(3)能够实现数毫米乃至厘米尺寸的大芯片。采用去除外延生长衬底的垂直结构 LED芯片能够解决(1)和(2)两个问题。国际上目前流行的垂直结构LED芯片是通过激光剥离技术将紫外激光照射在特定的外延生长衬底和外延层界面，导致界面局域的强烈光吸收，界面附近的GaN材料在极高温度下分解成原子状态的( 和气体状态的氮，分区逐域次步进扫描激光束斑实现整个衬底和外延层的分离(美国加利福尼亚大学伯克利分校Nathan W. Cheung等，美国专利号US6071795)。由此可以将LED的两个电极分别放在在LED薄膜的两侧，形成垂直结构LED芯片，电流垂直于LED薄膜表面流过器件，在LED的量子阱发光区产生光子复合。但是，上述办法未能在本质上解决上述的第三个问题，即为数毫米乃至厘米尺寸的大芯片提供可靠的解决方案。其主要原因是受到外延结构的限制，在激光剥离工艺中产生机械应力的界面就是激光剥离的界面。激光剥离工艺依赖高功率的紫外激光束脉冲照射在局域的衬底和外延层界面产生瞬间到1300C以上高温来分解GaN材料。这一过程逐次在外延片纵横方向上步进重复，才能实现整个衬底从外延片上的剥离。其中每一次剥离过程都是一个剥离区与周边未剥离区产生局域巨大应力和剪切变的过程，并且由于激光脉冲引起的次声波损伤，特别是在芯片尺寸1毫米以上时大量的应力集中在芯片内部，会在后续制程中显露出来。特别对器件的漏电流影响显著，随LED工作时间增加漏电流明显上升，可靠性随之下降，对照明系统产生不良的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法，以克服现有技术存在电流拥塞、散热效果差、剥离过程中产生应力和损伤的问题。本发明提供一种采用ZnO作为起始缓冲层的氮化镓基LED外延结构及其制造方法。利用该结构可以制成大尺寸、垂直结构的LED芯片器件，解决电流拥塞问题和散热瓶颈问题，实现低成本、批量生产。同时采用此结构可以优化LED外延层的晶格质量，降低缺陷态密度，提高LED的光提取效率。该发明是在图形化衬底或平面衬底上生长三维和二维氧化锌(ZnO)缓冲层。利用该ZnO层在化学腐蚀中易腐蚀而作为腐蚀牺牲层的原理，使蓝宝石衬底和LED薄膜在器件制作过程中自然分离。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为
一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于至少包括以下步骤
1)在外延生长衬底上制备ZnO缓冲层；
2)在生长好ZnO缓冲层的衬底上以MOCVD设备生长非本征掺杂的GaN缓冲层；
3)继续在MOCVD设备中生长高温N-型掺杂Si的GaN层、周期性多层发光区-量子阱、 电子阻挡层、和P-型掺杂Mg的GaN层；
4)对P-型GaN层的Mg掺杂进行载流子激活。上述外延生长衬底是经过图形化的衬底或平面衬底。上述第2)步中GaN缓冲层的生长首先控制反应室温度在500°C以下生长低温GaN 缓冲层，然后再生长高温GaN缓冲层厚度为0. 5微米到5微米。上述第4)步激活的温度范围在400°C到600°C之间。一种氮化镓基垂直结构LED外延结构，其特征在于包括一外延生长衬底；
一 ZnO缓冲层，位于该外延生长衬底上；
一 GaN缓冲层，位于该ZnO缓冲层上；
一 N型GaN层，位于该GaN缓冲层上；
一周期性多层发光区-量子阱，位于该N型GaN层上；
一电子阻挡层，位于该发光区上；
一 P型GaN层的外延结构，位于该电子阻挡层上。上述ZnO缓冲层的单层厚度在100纳米到100微米之间。本发明的优点是充分利用ZnO薄膜的化学腐蚀兼容型，衬底剥离时不需要复杂的紫外激光剥离工艺和昂贵的紫外激光剥离设备，是一种无损伤无机械分离的简单可行的衬底剥离技术和工艺制造方法，设备要求低，可批量处理外延片，避免了对LED器件漏电流和可靠性的不良影响，不但可用于制作小尺寸(若干微米)的LED芯片，更是为大尺寸(毫米或厘米)的LED芯片打开了技术和制造途径。其中外延结构可以利用预先制作好的图形衬底， 这样经湿法化学腐蚀ZnO后在N-型GaN表面自动生成有利于提高光提取效率的织构化图形。
下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。图1是本发明含ZnO缓冲层的平面衬底上的LED外延结构示意图。图2是本发明含ZnO缓冲层的图形化衬底上的LED外延结构示意图。图3是本发明用化学腐蚀方法进行衬底剥离的横截面示意图。其中，11-外延生长衬底，201-P-面反光镜和欧姆接触金属层，12-ZnO缓冲层， 202-P-面金属扩散阻挡层和键合层，13-GaN缓冲层，203-导热基板，14-N-型掺杂Si的GaN 层，15-周期性多层发光区-量子讲，16-电子阻挡层，17-P-型掺杂Mg的GaN层，18-量子阱的势垒层，19-量子阱的势阱层，20-LED薄膜。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。实施例1
(1)首先在外延生长衬底11上制备ZnO缓冲层12，其衬底选用经过图形化的蓝宝石衬底。参见图2，使用图形化蓝宝石衬底的ZnO缓冲层生长结构见图2。在衬底上通过光刻或掩模版的方式定义图形，用湿法腐蚀或干法刻蚀形成亚微米至数微米的周期性表面凸凹微结构，微结构的侧面是准非极性晶面或非极性晶面，也可以是曲面。在此衬底上淀积ZnO 的分子层结构，淀积的工具可以是激光辅助分子束外延、激光溅射，或氧化物汽相外延。淀积的ZnO薄膜可以是非晶、多晶、或单晶结构。ZnO的厚度控制在0. 1微米至100微米。(2)继续将生长好ZnO薄膜的衬底在金属有机汽相外延(MOCVD)设备中生长非本征掺杂的GaN缓冲层13。首先控制反应室温度在500°C以下，生长低温GaN缓冲层13，同时对ZnO薄膜起到覆盖和保护作用，防止ZnO在过高温度下表面分解。然后再生长高温GaN 缓冲层厚度为0. 5微米到5微米。(3)继续生长高温N-型掺杂Si的GaN层14、周期性多层发光区-量子阱15、电子阻挡层16、和P-型掺杂Mg的GaN层17。其中的N-型和P-型掺杂可以是连续掺杂，也可以是脉冲式掺杂。在N-型掺杂层内，可以埋有薄层的AWaN层用以增强LED的抗静电性能，也可以在多量子阱发光区加入空穴阻挡结构。另外，电子阻挡层和P-型掺杂层都可以是组分渐变的多层结构。(4)在氮气环境中对该LED外延结构的P-型掺杂进行载流子激活。可以在MOCVD 反应室内完成，也可以在外延片取出后使用其他的退火炉完成。激活的温度范围在400°C到 600°C之间。参见图3，使用图形化衬底的LED薄膜在随后的器件制作工艺中，具有衬底图形的 ZnO缓冲层可以在液体化学试剂中被腐蚀，实现衬底与LED薄膜的分离，暴露出和衬底图形具有同样特征和周期性的N-型GaN图形表面。该表面在器件工艺中可以作为表面织构化形成光提取增强图形的基础，而无需重新制作表面织构化图形。
实施例2
(1)首先在外延生长衬底11上制备ZnO缓冲层12，其衬底选用平面的蓝宝石衬底。 参见图1，首先在ZnO外延技术中使用三维优先的生长模式进行自组织生长，在衬底上形成高密度的直径为数纳米至亚微米的柱状ZnO纳米线结构。该纳米线的高度和柱间距相当。 然后切换到横向生长优先的模式，生长厚度为1微米至10微米的ZnO薄膜直至表面平整， 所有的柱状ZnO结构完全填平。(2)继续将生长好ZnO薄膜的衬底在金属有机汽相外延(MOCVD)设备中生长非本征掺杂的GaN缓冲层13。首先控制反应室温度在500°C以下，生长低温GaN缓冲层13，同时对ZnO薄膜起到覆盖和保护作用，防止ZnO在过高温度下表面分解。然后再生长高温GaN 缓冲层厚度为0. 5微米到5微米。(3)继续生长高温N-型掺杂Si的GaN层14、周期性多层发光区-量子阱15、电子阻挡层16、和P-型掺杂Mg的GaN层17。其中的N-型和P-型掺杂可以是连续掺杂，也可以是脉冲式掺杂。在N-型掺杂层内，可以埋有薄层的AWaN层用以增强LED的抗静电性能，也可以在多量子阱发光区加入空穴阻挡结构。另外，电子阻挡层和P-型掺杂层都可以是组分渐变的多层结构。(4)在氮气环境中对该LED外延结构的P-型掺杂进行载流子激活。可以在MOCVD 反应室内完成，也可以在外延片取出后使用其他的退火炉完成。激活的温度范围在400°C到 600°C之间。如图3所示，使用平面衬底的LED薄膜在随后的器件制作工艺中，三维柱状结构和二维平面结构的ZnO缓冲层可以在液体化学试剂中被腐蚀，实现衬底与LED薄膜的分离，暴露出平整的N-型GaN表面。ZnO牺牲层通过外延生长实现，通过刻蚀芯片沟槽的工艺达到化学腐蚀的目的。该表面经过器件工艺进行表面织构化形成光提取增强图形。如图3所示，使用平面衬底的LED薄膜在随后的器件制作工艺中，三维柱状结构和二维平面结构的ZnO缓冲层可以在液体化学试剂中被腐蚀，实现衬底与LED薄膜的分离，暴露出平整的N-型GaN表面。ZnO牺牲层通过外延生长实现，通过刻蚀芯片沟槽的工艺达到化学腐蚀的目的。该表面经过器件工艺进行表面织构化形成光提取增强图形。参见图1-图2，为本发明所述的氮化镓基垂直结构LED外延结构，其包括 一外延生长衬底11 ；
一 ZnO缓冲层12，位于该外延生长衬底11上；
一 GaN缓冲层13，位于该ZnO缓冲层12上；
一 N型GaN层14，位于该GaN缓冲层13上；
一周期性多层发光区-量子阱15，位于该N型GaN层上14 ；
一电子阻挡层16，位于该发光区15上；
一 P型GaN层15的外延结构，位于该电子阻挡层上。所述ZnO缓冲层的单层厚度在100纳米到100微米之间。其中图1所示为本发明含ZnO缓冲层的平面衬底上的LED外延结构示意图。图2所示为本发明含ZnO缓冲层的图形化衬底上的LED外延结构示意图。所述ZnO缓冲层可以预先通过分子束外延、激光溅射、或有机金属汽相外延等工艺完成，也可以和LED薄膜结构同时生长。
本发明在外延生长衬底上以氧化锌ZnO缓冲层为起始层，按顺序继续生长GaN缓冲层、N-型GaN层、发光区、P-型GaN层等。对衬底的光学性质没有限制，可以选用任何化学性质稳定的衬底材料，无需激光光源，无需复杂的设备。在图形化的外延生长衬底上生长的ZnO缓冲层以及在平面衬底上生长的ZnO纳米结构可以为后续外延层提供晶格匹配的生长缓冲层，有效降低氮化镓基LED外延结构的缺陷态密度，并且可以在垂直结构LED芯片制作工艺中通过湿法化学腐蚀完全去除衬底，实现LED薄膜和外延生长衬底的无损分离。该方法制备的垂直结构LED芯片解决了平面结构芯片的电流不均勻分布，以及散热不利的现象，从而大幅度提高工作电流密度和可靠性，使用本发明时芯片的大小不再取决于传统的激光剥离工艺的激光束斑尺寸，而是可以根据设计选定，通过芯片台阶刻蚀的沟槽界定，摆脱了对大尺寸芯片的限制，为制作大尺寸垂直结构LED芯片提供了可靠的外延技术。
权利要求
1.一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于至少包括以下步骤1)在外延生长衬底(11)上制备ZnO缓冲层(12)；2)在生长好ZnO缓冲层(12)的衬底上以MOCVD设备生长非本征掺杂的GaN缓冲层 (13)；3)继续在MOCVD设备中生长高温N-型掺杂Si的GaN层(14)、周期性多层发光区-量子阱(15)、电子阻挡层(16)、和P-型掺杂Mg的GaN层(17)；4)对P-型GaN层的Mg掺杂进行载流子激活。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于所述外延生长衬底(11)是经过图形化的衬底或平面衬底。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于所述第2)步中GaN缓冲层(13)的生长首先控制反应室温度在500°C以下生长低温 GaN缓冲层，然后再生长高温GaN缓冲层厚度为0. 5微米到5微米。
4.根据权利要求3所述的一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于所上述第4)步激活的温度范围在400°C到600°C之间。
5.一种氮化镓基垂直结构LED外延结构，其特征在于包括一外延生长衬底(11)；一 ZnO缓冲层(12 )，位于该外延生长衬底(11)上；一 GaN缓冲层(13)，位于该ZnO缓冲层(12)上;一 N型GaN层(14)，位于该GaN缓冲层(13)上；一周期性多层发光区-量子阱(15)，位于该N型GaN层上(14)；一电子阻挡层(16)，位于该发光区(15)上；一 P型GaN层(15)的外延结构，位于该电子阻挡层(16)上。
6.根据权利要求5所述的一种氮化镓基垂直结构LED外延结构，其特征在于所述SiO 缓冲层(12)的单层厚度在100纳米到100微米之间。
全文摘要
本发明涉及一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法。本发明采用的技术方案为一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，至少包括以下步骤1)在外延生长衬底上制备ZnO缓冲层；2)在生长好ZnO缓冲层的衬底上以MOCVD设备生长非本征掺杂的GaN缓冲层；3)继续在MOCVD设备中生长高温N-型掺杂Si的GaN层、周期性多层发光区-量子阱、电子阻挡层、和P-型掺杂Mg的GaN层；4)对P-型GaN层的Mg掺杂进行载流子激。本发明的优点是衬底剥离时不需要复杂的紫外激光剥离工艺和昂贵的紫外激光剥离设备，是无损伤无机械分离的衬底剥离技术，设备要求低，可批量处理外延片。
文档编号H01L33/02GK102214748SQ20111016505
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者云峰 申请人:云峰