利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法
【专利摘要】一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，包含：在硅衬底表面上先制备一阻挡层及包含铟组分的薄III族氮化物合金层和低温薄氮化镓层的应力调控结构层；将硅衬底加热，将包含有铟组分的薄III族氮化物合金层中的铟组分加热分解和完全析出，变成高温薄氮化镓单晶模板层；制备一氮化镓基发光二极管器件结构层；降温，在多孔薄III族氮化物弱键合层处自分离；制备一反射／欧姆金属层；键合一键合衬底；利用机械力，剥离；制备第一欧姆电极层；制备第二欧姆电极层；切割、分选和封装后，制备得到垂直结构氮化镓基发光二极管器件。
【专利说明】利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料和器件领域，尤其是涉及一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)为基础的III族氮化物是研制短波长发光二极管器件(LED)最常用的半导体材料，由于其同质衬底难于制备且价格昂贵，GaN单晶材料和LED器件结构的制备主要是通过异质外延方式利用异质衬底制备。蓝宝石(Al2O3)、碳化娃(SiC)和娃(Si)是制备GaN和GaN基LED器件结构材料最常用的三种衬底材料。随着近年来室内外通用照明、大屏幕户外屏、高清液晶电视和显示器背光及特种照明等众多领域对长寿命、超高亮度的大功率LED器件需求的持续增长，如何利用这三种衬底制备得到更低成本的大功率GaN基LED器件，则成为近年来LED器件研究开发的一个重要方向。其中，Si具尺寸大、晶体质量高、价格低、导电和导热性能好及器件工艺成熟等优点，被认为是研制大尺寸、低成本垂直结构大功率GaN基LED器件比较理想的衬底材料。然而，由于Si衬底对可见光具有很强吸收作用，且常常采用透明且导电性差的氮化铝(AlN)作为阻挡层和缓冲层，不适合直接利用Si衬底制备具有上下电极的垂直结构大功率GaN基LED器件。为了提高发光效率和出光效率，近年来利用Si衬底制备GaN基LED器件取得较好的研究进展，除了先制备AlN阻挡层(或缓冲层)以克服Si衬底GaN材料制备生长中的复杂表面界面化学问题，还要设计制备用于调控Si和GaN之间大的晶格失配应力和大的热失配应力且工艺复杂的应力调控结构，以起到降低位错密度和避免裂纹产生的效果。此外，为进一步提高出光效率，还要将制备有反射/欧姆金属层的GaN基LED器件结构倒装键合到另一导电导热性能好的键合衬底上，并将用于材料制备生长的Si衬底剥离去除后制备上下电极，最后切割、分选和封装得到垂直结构GaN基LED器件。
[0003]现有利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法存在如下技术问题:(1)设计制备的应力调控结构层工艺复杂，难以提高材料制备效率和降低成本。现有方法引入的复杂应力调控结构，包括但不限于铝镓氮(AlGaN)缓冲层、低温AlN插入层、低温铟铝镓氮(InAlGaN)插入层、GaN / AlGaN超晶格、非晶SixNy插入层、硅衬底表面刻槽及Si衬底掩模图形侧向外延等中的一种或多种的组合；(2)利用机械研磨结合化学腐蚀工艺去除硅衬底，难以提高器件制备效率和良率。由于Si衬底对可见光不透明且具有很强的吸收作用，不能采用类似蓝宝石衬底氮化镓基LED器件那样的激光剥离工艺。即利用高功率可见光激光透过透明的蓝宝石衬底，仅烧蚀蓝宝石衬底与GaN之间界面处包含高密度缺陷和位错的GaN材料就可将GaN基LED器件结构从蓝宝石衬底上剥离掉。机械研磨结合化学腐蚀工艺虽然剥离成本相比激光剥离工艺较低，但剥离效率和良率比较难控制。一方面是因为Si和AlN的化学腐蚀工艺和腐蚀难度不同；另一方面，化学腐蚀工艺难以避免不对GaN基LED器件结构、反射/欧姆金属层、金属键合层及键合衬底中各个结构及部位造成化学腐蚀损伤，进而影响器件良率的提高。此外，剥离掉的Si衬底已完全损毁不能再用，这也就难以体现Si衬底的大尺寸和低成本优势。尽管自2011年起就先后有直径6英寸和8英寸的大面积Si衬底GaN基LED外延片材料的研究报道，且其Si衬底剥离后倒装制备的白光LED器件发光效率已达1601m / W。但由于存在上述技术问题，致使这些Si衬底GaN基LED器件制备技术至今一直未能广泛商业化生产和推广。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的技术不足，提供一种工艺简单、成本低廉且与现有材料和器件工艺兼容的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法。
[0005]本发明提供一种利用娃衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，包含如下步骤:
[0006]步骤1:将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内；
[0007]步骤2:在硅衬底表面上先制备一阻挡层；
[0008]步骤3:在阻挡层上制备一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和低温薄氮化镓层的应力调控结构层；
[0009]步骤4:将硅衬底加热温度升高，利用升温退火，将应力调控结构层中包含有铟组分的薄III族氮化物合金层中的铟组分加热分解和完全析出，进而变成多孔薄III族氮物弱键合层，低温薄氮化镓层结晶质量提高则变成高温薄氮化镓单晶模板层；
[0010]步骤5:在升温退火后的应力调控结构层上制备一氮化镓基发光二极管器件结构层；
[0011]步骤6:将硅衬底的温度度降到室温，通过调控降温速率，使上面的氮化镓基发光二极管器件结构层沿应力调控结构层升温退火后形成的多孔薄III族氮化物弱键合层处自分离；
[0012]步骤7:将上述制备的材料放入另一生长设备的生长室内，在氮化镓基发光二极管器件结构层4上制备一反射/欧姆金属层；
[0013]步骤8:将上述制备的材料放入到金属键合设备中，在反射/欧姆金属层上面金属键合一键合衬底；
[0014]步骤9:将上述制备的材料整体倒置，利用机械力将倒装到上面且从氮化镓基发光二极管器件结构层上自分离的硅衬底连同阻挡层沿多孔薄III族氮化物弱键合层处剥离去除；
[0015]步骤10:将氮化镓基发光二极管器件结构层的表面粗化，在氮化镓基发光二极管器件结构层上制备第一欧姆电极层；
[0016]步骤11:在键合衬底的下表面上制备第二欧姆电极层；
[0017]步骤12:切割、分选和封装后，制备得到垂直结构氮化镓基发光二极管器件。
[0018]本发明对简化硅衬底氮化镓材料制备工艺和垂直结构氮化镓基发光二极管器件制备的硅衬底剥离工艺具有积极效果，既提高了材料和器件的制备效率，又大幅度降低了材料和器件制备成本。同时，还与现有的氮化镓材料和氮化镓基发光二极管器件制备工艺兼容。因此，具有非常好的实用价值和市场推广前景。【专利附图】
【附图说明】
[0019]为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中:
[0020]图1A为实施例1硅衬底101上制备阻挡层201和应力调控结构层3的示意图，其中应力调控结构层3由一高温薄氮化镓单晶模板层301、一包含铟组分薄III族氮化物合金层302、一低温薄氮化镓层303依次叠加而成；
[0021]图1B为实施例1应力调控结构层3升温退火后的结构示意图，其内部的包含铟组分薄III族氮化物合金层302变成多孔薄III族氮化物弱键合层304，低温薄氮化镓层303变成高温薄氮化镓单晶模板层301 ；
[0022]图1C为实施例1在升温退火后的应力调控结构3上依次制备氮化镓基发光二极管器件结构层4、反射/欧姆金属层501、金属键合键合衬底102的结构示意图。其中，氮化镓基发光二极管器件结构层4由第一类型限制层401、发光层402、第二类型限制层403依次叠加而成；
[0023]图1D为实施例1将图1C的结构倒装并用机械力将硅衬底连同阻挡层201和一高温薄氮化镓单晶模板层301沿多孔薄III族氮化物弱键合层304处从氮化镓基发光二极管器件结构层4上剥离去除的结构示意图；
[0024]图1E为实施例1将倒装的氮化镓基发光二极管器件结构层4的上表面粗化并镀上第一欧姆电极层502和在键合衬底102底面镀上第二欧姆电极层503的结构示意图
[0025]图2A为实施例2硅衬底上制备阻挡层201和应力调控结构层3的示意图，其中应力调控结构层3由一低温薄氮化镓层303、一包含铟组分薄III族氮化物合金层302、一低温薄氮化镓层303依次叠加而成；
[0026]图2B为实施例2应力调控结构层3升温退火后的结构示意图，其内部的包含铟组分薄III族氮化物合金层302变成多孔薄III族氮化物弱键合层304，低温薄氮化镓层303变成高温薄氮化镓单晶模板层301 ；
[0027]图2C为实施例2在升温退火后应力调控结构3上依次制备氮化镓基发光二极管器件结构层4、反射/欧姆金属层501、金属键合键合衬底102的结构示意图。其中，氮化镓基发光二极管器件结构层4由第一类型限制层401、发光层402、第二类型限制层403依次叠加而成；
[0028]图2D为实施例2将图2C的结构倒装并用机械力将硅衬底连同阻挡层201和一高温薄氮化镓单晶模板层301沿多孔薄III族氮化物弱键合层304处从氮化镓基发光二极管器件结构层4上剥离去除的结构示意图；
[0029]图2E为实施例2将倒装的氮化镓基发光二极管器件结构层4的上表面粗化并镀上第一欧姆电极层502和在键合衬底102底面镀上第二欧姆电极层503的结构示意图
[0030]图3A为实施例3硅衬底上制备阻挡层201和应力调控结构层3的示意图，其中应力调控结构层3由一包含铟组分薄III族氮化物合金层302、一低温薄氮化镓层303依次叠加而成；
[0031]图3B为实施例3应力调控结构层3升温退火后的结构示意图，其内部的包含铟组分薄III族氮化物合金层302变成多孔薄III族氮化物弱键合层304，低温薄氮化镓层303变成高温薄氮化镓单晶模板层301 ；[0032]图3C为实施例3在升温退火后应力调控结构3上依次制备氮化镓基发光二极管器件结构层4、反射/欧姆金属层501、金属键合键合衬底102的结构示意图。其中，氮化镓基发光二极管器件结构层4由第一类型限制层401、发光层402、第二类型限制层403依次叠加而成；
[0033]图3D为实施例3将图3C的结构倒装并用机械力将硅衬底连同阻挡层201沿多孔薄III族氮化物弱键合层304处从氮化镓基发光二极管器件结构层4上剥离去除的结构示意图；
[0034]图3E为实施例3将倒装的氮化镓基发光二极管器件结构层4的上表面粗化并镀上第一欧姆电极层502和在键合衬底102底面镀上第二欧姆电极层503的结构示意图
【具体实施方式】
[0035]请参阅图1A-E所示，为本发明的第一实施例，本发明提供一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件制备方法，其特征在于，包含如下步骤:
[0036]步骤1:将一用于支撑和材料生长的硅衬底101置入金属有机物化学气相沉积材料生长设备的生长室内；
[0037]步骤2:在硅衬底101表面上先制备一阻挡层201，所述的阻挡层201是由与硅和氮化镓材料之间有很好晶格匹配关系，且在800°C至1200°C温度范围具有良好热、化学稳定性的材料构成， 包括但不限于氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆、氮化铪、碳化硅、金刚石、硼化锆中的一种或几种材料的组合；
[0038]步骤3:在阻挡层上制备一包含有铟组分的薄III族氮化物合金层302的应力调控结构层3。所述的应力调控结构层3由一高温薄氮化镓单晶模板层301、一包含铟组分的薄III族氮化物合金层302、一低温薄氮化镓层303的三层结构依次叠加而成，或由一低温薄氮化镓层303、一包含铟组分的薄III族氮化物合金层302、一低温薄氮化镓层303的三层结构依次叠加而成，或由一包含铟组分的薄III族氮化物合金层302和一低温薄氮化镓层303的二层结构依次叠加而成。其中，所述的包含铟组分的薄III族氮化物合金层302仅限于InxGai_xN、InxAlhN、InxAlyGa1^yN中的一种，铟组分浓度x的数值为0.05至0.95，厚度为5至500nm，生长温度450°C至950°C;所述的低温薄氮化镓层303的厚度10至500nm，制备生长温度不高于包含铟组分的薄III族氮化物合金层302的生长温度；所述的高温薄氮化镓单晶模板层301的厚度10至500nm，制备生长温度高于包含铟组分的薄III族氮化物合金层302的生长温度至少100至600°C ；
[0039]步骤4:将衬底加热温度升高，通过调控升温速度和幅度，利用升温退火，将应力调控结构层3中包含有铟组分的薄III族氮化物合金层302中的铟组分加热分解和完全析出进而变成多孔薄III族氮物弱键合层304，低温薄氮化镓层303结晶质量提高则变成高温薄氮化镓单晶模板层301 ；
[0040]步骤5:在升温退火后的应力调控结构层3上制备一氮化镓基发光二极管器件结构4，所述的氮化镓基发光二极管器件结构层4是由第一类型限制层401、发光层402、第二类型限制层403依次叠加而成；所述的发光层402由GaN、InGaN, AlGaN, InAlN, InAlGaN,GaN / InGaN 多量子阱、GaN / AlGaN 多量子阱、GaN / InAlN 多量子阱、GaN / InAlGaN 多量子阱、AlGaN / InGaN多量子阱、AlGaN / InAlN多量子阱、AlGaN / InAlGaN多量子阱、InGaN / InAlN 多量子阱、InGaN / InAlGaN 多量子阱、InAlN / InAlGaN 多量子阱、GaN 量子点、InGaN量子点、AlGaN量子点、InAlN量子点、InAlGaN量子点中的一种或多种材料组合构成；所述的第一类型限制层401是由η型的GaN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN中的一种或几种材料组合叠加构成，层厚不低于I μ m ;所述的第二类型限制层403是由p型的GaN、InGaN、AlGaN、InAIN、InAlGaN中的一种或几种材料组合叠加构成；
[0041]步骤6:将衬底加热温度由较高的制备生长温度750至950°C降到室温，通过调控降温速率使上面的氮化镓基发光二极管器件结构层4沿应力调控结构层3升温退火后形成的多孔薄III族氮化物弱键合层304处从硅衬底101上自分离；
[0042]步骤7:将步骤I至6利用金属有机物化学气相沉积制备的材料取出放入另一磁控溅射材料生长设备的生长室内，在氮化镓基发光二极管器件结构层4上制备一反射/欧姆金属层501。所述的反射/欧姆金属层501是由对蓝光、绿光、黄光、紫光、紫外光、白光中的一种或多种光具有高反射率的金属材料构成，包括但不限于金属银、金属铝、金属金、金属铜、金属铁、金属镍、金属钛中的一种或多种材料组合；
[0043]步骤8:将步骤I至7制备的材料取出放入到金属键合设备中，在反射/欧姆金属层501上面金属键合一用于导电、导热和起支撑作用的键合衬底102。所述的键合衬底102是由具有良好导电和导热性能的材料构成，包括但不限于硅、碳化硅、金属铜、金属铝、金属铁、不锈钢中的一种或多种材料组合；
[0044]步骤9:将步骤I至8制备的材料整体倒置，利用机械力将倒装到上面且从氮化镓基发光二极管器件结构层4上自分离的硅衬底101连同阻挡层201沿多孔薄III族氮化物弱键合层304处剥离去除；
[0045]步骤10:将倒装且去除硅衬底101和阻挡层201的氮化镓基发光二极管器件结构层4的表面粗化后制备第一欧姆电极层502，所述的第一欧姆电极层502是由对蓝光、绿光、黄光、紫光、紫外光、白光中的一种或多种光具有高透射率且具有良好导电性能的材料构成，包括但不限于ΙΤ0、氧化锌、石墨烯、透明导电聚合物中的一种或多种材料组合；
[0046]步骤11:在键合衬底102的下表面上制备第二欧姆电极层503 ；
[0047]步骤12:将步骤I至11制备得到的材料切割、分选和封装，最后制备得到垂直结构氮化镓基发光二极管器件。
[0048]本发明的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件方法。具有如下特点和有益效果:
[0049](I)相比已有的硅衬底氮化镓材料制备方法。本发明的特点是通过先设计制备具有合适厚度且包含铟组分薄III族氮化物合金层和具有合适厚度和生长温度的低温薄氮化镓层的多层应力调控结构层，再采用升温退火工艺将包含铟组分薄III族氮化物合金层自分解变成一多孔薄III族氮化物弱键合层、将低温薄氮化镓层变成高温薄氮化镓单晶模板层，这样仅通过调控薄III族氮化物合金层的铟组分浓度和层厚就可实现其上高温薄氮化镓单晶模板层与硅衬底和阻挡层之间解耦合程度的调控。此多孔薄III族氮化物弱键合层更重要的作用是:1.用于后续氮化镓发光二极管器件结构层制备生长过程产生的晶格失配应力和热膨胀系数差异引起的热应力的调控；2.用于材料制备生长完成后的大幅度降温过程因硅衬底和氮化镓材料之间热膨胀系数差异大所产生的大热应力的调控，而且通过调控多孔薄III族氮化物的解耦合程度，能将降温过程产生的热应力先集中在多孔薄III族氮化物弱键合层处释放，进而造成上面的氮化镓基发光二极管器件结构层从硅衬底上自分离。
[0050](2)本发明相比现有的硅衬底氮化镓材料制备方法，简化了应力调控结构层的设计和制备工艺，利于提高材料制备生长效率和质量；
[0051](3)本发明相比现有的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件方法，不用机械研磨结合化学腐蚀工艺就能够很容易地剥离去除用于支撑和材料制备生长的硅衬底，既简化了硅衬底剥离工艺，又利于提高器件的制备效率和良率；
[0052](4)本发明相比现有的利用蓝宝石和碳化硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件方法，能够实现氮化镓基发光二极管器件大面积低成本制备，且不用激光剥离就能够很容易的去除衬底。衬底剥离工艺的简化，既对器件制备效率和良率提高极为有利，还降低了成本。
[0053]下面介绍利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件方法。应该理解，以下描述的制备方法仅为利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的具体实例。本领域的工程技术人员可以在本发明指导下根据需要及其他因素做出改变。
[0054]实施例1:
[0055]请参阅图1A-E，本发明利用硅衬底制备垂直结构蓝光氮化镓基发光二极管器件的工艺流程如下:
[0056]步骤1:将一用于支撑和材料生长的硅(111)衬底101置入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)材料生长设备的生长室内；
[0057]步骤2:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在硅(111)衬底101表面上，先以1000至1200°C的制备生长 温度制备一厚度5nm至500nm的高温氮化铝阻挡层201 ；
[0058]步骤3:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在高温氮化铝阻挡层上，依次以1000至1200°C的生长温度制备一 5nm至500nm厚的高温薄氮化镓单晶模板层301，以550°C至850°C的低温制备一 5nm至500nm厚且铟(In)组分浓度x为0.05至0.75的薄铟镓氮(InxGa1^xN)合金层302,以与InxGa1J^相同的生长温度制备一 5nm至500nm厚的低温薄氮化镓层303，由此得到拥有三层结构的应力调控结构层3。
[0059]步骤4:将衬底加热温度由低温氮化镓的生长温度550°C至850°C的低温升到1000°C至1200°C的高温，通过升温退火将应力调控结构层3中的薄铟镓氮(InxGahN)合金层302中的铟组分加热分解和完全析出，由此变成多孔氮化镓弱键合层304，而低温薄氮化镓层经升温退火后则变成高温薄氮化镓单晶模板层301，由此得到包含多孔氮化镓弱键合层304的新三层结构的应力调控结构层3 ；
[0060]步骤5:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在升温退火后的应力调控结构层3上，依次以1000至1100°C的衬底加热温度制备一厚度Ιμπι至5μπι厚的η型氮化镓第一类型限制层401、以750至1050°C的衬底加热温度温制备一 3至10个周期GaN / InGaN多量子阱蓝光发光层402、以750至950°C的衬底加热温度制备一厚度5nm至1000nm的p型氮化镓第二类型限制层403，得到多层结构蓝光氮化镓基发光二极管器件结构层4 ；
[0061]步骤6:将衬底加热温度由较高的750°C至950°C的高温，以5至50°C /分钟的降温速率降到室温，并使上面的蓝光氮化镓基发光二极管器件结构层4沿应力调控结构层3升温退火后形成的多孔氮化镓弱键合层304处自分离；[0062]步骤7:将步骤I至6制备的材料由金属有机物化学气相沉积生长室取出，然后放入另一磁控溅射设备的生长室内，在蓝光氮化镓基发光二极管器件结构层4上制备一对蓝光具有高反射率的金属银铝合金(Ag / Al)反射/欧姆层501 ；
[0063]步骤8:将步骤I至7制备的材料取出放入到金属键合设备中，在金属银铝合金反射/欧姆层501上面金属键合一用于导电、导热和起支撑作用且双面抛光的硅键合衬底102 ；
[0064]步骤9:将步骤I至8制备的材料整体倒置，利用较小的机械力将倒装到上面的硅(111)衬底101连同氮化铝阻挡层201和一高温氮化镓单晶模板层301沿多孔氮化镓弱键合层304处从蓝光氮化镓基发光二极管器件结构层4上剥离去除；
[0065]步骤10:将倒装且去除硅(111)衬底101和氮化铝阻挡层201的蓝光氮化镓基发光二极管器件结构层4的η型氮化镓(η-GaN)层的表面粗化,并制备一对蓝光投射率高的掺铝氧化锌(ZnO:A1)第一欧姆电极层502 ；
[0066]步骤11:在硅键合衬底102的下表面上制备一金属第二欧姆电极层503 ；
[0067]步骤12:将步骤I至11制备的材料切割、分选和封装后，得到垂直结构蓝光氮化镓基发光二极管器件。
[0068]实施例2:
[0069]请参阅图2A-E，本发明利用硅衬底制备垂直结构绿光氮化镓基发光二极管器件的工艺流程如下:
[0070]步骤1:将一用于支撑和材料生长的硅(111)衬底101置入金属有机物化学气相沉积材料生长设备的生长室内；
[0071]步骤2:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在硅(111)衬底101表面上，先以550°C至750°C的制备生长温度制备一厚度5nm至500nm的氮化锆(ZrN)阻挡层201 ；
[0072]步骤3:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在氮化锆阻挡层上，以相同的550°C至750°C的生长温度依次制备5nm至500nm厚的低温薄氮化镓层303, 5nm至500nm厚且铟组分浓度X为0.05至0.75的薄铟镓氮(InxGahN)合金层302, 5nm至500nm厚的低温薄氮化镓层303，由此得到拥有三层结构的应力调控结构层3。
[0073]步骤4:将衬底加热温度由550°C至750°C的低温升到950°C至1100°C的高温，通过升温退火将应力调控结构层3中的薄铟镓氮(InxGahN)合金层302中的铟组分加热分解和完全析出，变成多孔氮化镓弱键合层304，而上下两层的低温薄氮化镓层经升温退火后则变成高温薄氮化镓单晶模板层301，由此得到包含多孔氮化镓弱键合层304的新三层结构的应力调控结构层3 ；
[0074]步骤5:采用金属有机物化学气相沉积工艺，在升温退火后的应力调控结构层3上，依次以950°C至1100°C的衬底加热温度制备一厚度Iym至5μπι厚的η型氮化镓(η-GaN)第一类型限制层401，以750°C至1050°C的衬底加热温度制备一 3到10个周期GaN / InGaN多量子阱绿光发光层402，以750°C至950°C的衬底加热温度制备一厚度5nm至IOOOnm的p型氮化镓第二类型限制层403，得到多层结构绿光氮化镓基发光二极管器件结构层4 ；
[0075]步骤6:将衬底加热温度由较高的750°C至950°C的高温，以5至50°C /分钟的降温速率降到室温，并使上面的氮化镓基发光二极管器件结构层4沿应力调控结构层3升温退火后形成的多孔氮化镓弱键合层304处自分离；
[0076]步骤7:将步骤I至6制备得到的材料由金属有机物化学气相沉积生长室取出，然后放入另一真空蒸发设备的生长室内，在氮化镓基发光二极管器件结构层4上制备一对绿光具有高反射率的金属银铝合金反射/欧姆层501 ；
[0077]步骤8:将步骤I至7制备得到的材料取出放入到金属键合设备中，在金属银铝合金反射/欧姆层501上面金属键合一用于导电、导热和起支撑作用且双面抛光的硅键合衬底 102 ； [0078]步骤9:将步骤I至8制备的材料整体倒置，利用较小的机械力将倒装到上面的硅(111)衬底101连同氮化锆阻挡层201和一高温氮化镓单晶模板层301沿多孔氮化镓弱键合层304处从绿光氮化镓基发光二极管器件结构层4上剥离去除；
[0079]步骤10:将倒装且去除硅(111)衬底101和氮化锆阻挡层201的绿光氮化镓基发光二极管器件结构层4的η型氮化镓层的表面粗化，并制备一对绿光透射率高的ITO第一欧姆电极层502 ；
[0080]步骤11:在硅键合衬底102的下表面上制备一金属第二欧姆电极层503 ；
[0081]步骤12:将步骤I至11制备的材料切割、分选和封装后制备得到垂直结构绿光氮化镓基发光二极管器件。
[0082]实施例3:
[0083]请参阅图3Α-Ε，本发明利用硅衬底制备垂直结构紫外光铝镓氮镓(AlGaN)基发光二极管器件的工艺流程如下:
[0084]步骤1:将一用于支撑和材料生长的硅(111)衬底101置入分子束外延(MBE)设备的生长室内；
[0085]步骤2:采用分子束外延工艺，在硅(111)衬底101表面上，先以550°C至950°C的制备生长温度制备一厚度5nm至200nm的氮化招阻挡层201 ；
[0086]步骤3:采用分子束外延工艺，在氮化铝阻挡层上，以相同的550°C至750°C的生长温度依次制备5nm至200nm厚且铟组分浓度x为0.05至0.75的薄铟铝氮(InxAVxN)合金层302，5nm至200nm厚的低温薄氮化镓层303，由此得到拥有二层结构的应力调控结构层3。
[0087]步骤4:将衬底加热温度由550°C至750°C的低温升到750°C至950°C的高温，通过升温退火将应力调控结构层3中的薄铟铝氮(InxAlhN)合金层302中的铟组分加热分解和完全析出，变成多孔氮化铝弱键合层304，上层低温薄氮化镓层经升温退火后变成高温薄氮化镓单晶模板层301，由此得到包含多孔氮化铝弱键合层304的新二层结构应力调控结构层3;
[0088]步骤5:采用分子束外延工艺，在升温退火后的应力调控结构层3上，依次以750°C至950 °C的衬底加热温度制备一厚度500nm至2000nm厚的η型招镓氮第一类型限制层401，以750°C至950°C的衬底加热温度制备一 3到10个周期且不同Al组分的AlxGa^N /AlyGa1^yN多量子阱紫外光发光层402，以750°C至950°C的衬底加热温度制备一厚度5nm至500nm的p型铝镓氮第二类型限制层403，由此得到多层结构紫外光铝镓氮基发光二极管器件结构层4 ；
[0089]步骤6:将衬底加热温度由较高的750°C至950°C的高温，以5至50°C /分钟的降温速率降到室温，并使上面的紫外光铝镓氮基发光二极管器件结构层4沿应力调控结构层3升温退火后形成的多孔氮化铝弱键合层304处自分离；
[0090]步骤7:将步骤I至6制备得到的材料由分子束外延生长室取出，然后放入另一原子层沉积设备的生长室内，在铝镓氮基发光二极管器件结构层4上制备一对紫外光具有高反射率的金属银和铝合金反射/欧姆层501 ；
[0091]步骤8:将步骤I至7制备得到的材料取出放入到金属键合设备中，在金属银和铝合金反射/欧姆层501上面金属键合一用于导电、导热和起支撑作用的金属铜键合衬底102 ；
[0092]步骤9:将步骤I至8制备得到的材料整体倒置，利用较小机械力将倒装到上面的硅(111)衬底101连同氮化铝阻挡层201沿多孔氮化铝弱键合层304处从紫外光铝镓氮基发光二极管器件结构层4上剥离去除；
[0093]步骤10:将倒装且去除硅(111)衬底101和氮化铝阻挡层201的紫外光铝镓氮基发光二极管器件结构层4的η型铝镓氮层的表面粗化后制备一对紫外光透射率高的掺铝氧化锌第一欧姆电极层502;
[0094]步骤11:在金属铜键合衬底102的下表面上制备一金属第二欧姆电极层503 ；
[0095]步骤12:将步骤I至11制备的材料切割、分选和封装后制备得到垂直结构紫外光
铝镓氮基发光二极管器件。
[0096]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，包含如下步骤: 步骤1:将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内； 步骤2:在硅衬底表面上先制备一阻挡层； 步骤3:在阻挡层上制备一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和低温薄氮化镓层的应力调控结构层； 步骤4:将硅衬底加热温度升高，利用升温退火，将应力调控结构层中包含有铟组分的薄III族氮化物合金层中的铟组分加热分解和完全析出，进而变成多孔薄III族氮物弱键合层，低温薄氮化镓层结晶质量提高则变成高温薄氮化镓单晶模板层； 步骤5:在升温退火后的应力调控结构层上制备一氮化镓基发光二极管器件结构层； 步骤6:将硅衬底的温度度降到室温，通过调控降温速率，使上面的氮化镓基发光二极管器件结构层沿应力调控结构层升温退火后形成的多孔薄III族氮化物弱键合层处自分离； 步骤7:将上述制备的材料放入另一生长设备的生长室内，在氮化镓基发光二极管器件结构层4上制备一反射/欧姆金属层； 步骤8:将上述制备的材料放入到金属键合设备中，在反射/欧姆金属层上面金属键合一键合衬底； 步骤9:将上述制备的材料整体倒置，利用机械力将倒装到上面且从氮化镓基发光二极管器件结构层上自分离的硅衬底连同阻挡层沿多孔薄III族氮化物弱键合层处剥离去除； 步骤10:将氮化镓基发光二极管器`件结构层的表面粗化，在氮化镓基发光二极管器件结构层上制备第一欧姆电极层； 步骤11:在键合衬底的下表面上制备第二欧姆电极层； 步骤12:切割、分选和封装后，制备得到垂直结构氮化镓基发光二极管器件。
2.根据权利要求1所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的应力调控结构层由一高温薄氮化镓单晶模板层、一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和一低温薄氮化镓层的三层结构依次叠加而成，或由一低温薄氮化镓层、一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和一低温薄氮化镓层的三层结构依次叠加而成，或由一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和一低温薄氮化镓层的二层结构依次叠加而成。
3.根据权利要求1或2所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的包含铟组分的薄III族氮化物合金层是InxGai_xN、InxAlhN或InxAlyGai_x_yN中的一种，铟组分浓度X的数值为0.05至0.95，厚度为5至500nm，制备生长温度450°C至950。。。
4.根据权利要求1或2所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的低温薄氮化镓层的厚度10至500nm，制备生长温度等于或低于包含铟组分的薄III族氮化物合金层的制备生长温度。
5.根据权利要求1或2所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的高温薄氮化镓单晶模板层的厚度10至500nm，制备生长温度高于包含铟组分的薄III族氮化物合金层的制备生长温度至少100至600°C。
6.根据权利要求1所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的硅衬底加热温度由低温升至高温的升温速率为10至100°C /分钟，升温幅度为100至600°C，以实现应力调控结构中的包含铟组分的薄III族氮化物合金层中的铟组分被加热分解和完全析出，进而变成多孔的薄III族氮化物弱键合层，同时其中的低温薄氮化镓层经升温退火结晶质量提高变成高温薄氮化镓单晶模板层。
7.根据权利要求1所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的阻挡层的材料为氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆、氮化铪、碳化硅、金刚石或硼化锆中的一种或几种材料的组合。
8.根据权利要求1所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的氮化镓基发光二极管器件结构层是由第一类型限制层、发光层和第二类型限制层依次叠加而成。
9.根据权利要求1或8所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的第一类型限制层的材料为η型的GaN、InGaN、AlGaN、InAlN或InAlGaN中的一种或几种材料组合叠加构成，层厚等于或大于I μ m。
10.根据权利要求1所述的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，其中所述的键合 衬底的材料为硅、碳化硅、金属铜、金属铝、金属铁或不锈钢中的一种或多种材料组合。
【文档编号】H01L33/00GK103633200SQ201310652125
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】杨少延, 冯玉霞, 魏鸿源, 焦春美, 赵桂娟, 汪连山, 刘祥林, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所