硅基GaN蓝光LED外延材料制作垂直结构LED的工艺的制作方法

本发明涉及硅基GaN蓝光LED外延材料制作垂直结构LED的工艺。

背景技术：

在第一代半导体Si材料上生长第三代半导体Ga N材料是一项富有挑战性的研究工作，受到了国内外广泛关注。可是，Si和Ga N之间存在巨大的晶格失配使GaN外延层产生大量的失配位错，巨大的热失配引起外延层降温过程中龟裂，Si衬底与活性N很容易形成无定形的Si_xN_y，不利于单晶GaN膜的外延生长。直到最近几年在Si衬底上生长GaN LED外延膜才取得了明显的进展。但目前Si衬底上生长的GaN LED的光电性能，与在蓝宝石衬底或碳化硅衬底上生长的Ga N LED比较，还有明显差距。其原因除了外延材料的晶体质量有差距外，还有以下两方面的重要原因：(i)Si衬底吸收有源区发出的光，使器件出光效率变低。(ii)Si衬底和Ga N外延层之间存在禁带宽度大的Al N缓冲层，如果做成同侧结构LED，会降低芯片利用率，且透明电极也会吸收掉一部分光；如果做成负电极在Si衬底上的垂直结构LED，工作电压会偏大。采用外延片焊接技术把Si衬底上生长的GaN LED外延膜通过金属黏结层转移到新的低阻衬底上，去除原吸收衬底和缓冲层，将GaN基LED做成N型层出光的垂直结构LED,将可以改善出光效率、提高芯片利用率和降低LED的串连电阻。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种硅基GaN蓝光LED外延材料制作垂直结构LED的工艺，采用外延片焊接技术把Si衬底上生长的GaN LED外延膜转移到了新的衬底上，获得了N型层出光的垂直结LED，并对Si衬底上生长的Ga N基同侧结构LED和用外延片焊接技术获得的垂直结构LED的光学性能、电学性能和结构性能进行了比较研究。

根据上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种硅基GaN蓝光LED外延材料制作垂直结构LED的工艺，包括如下步骤：

(i)硅基GaN蓝光LED外延材料的P型面和新的Si衬底材料分别制作欧姆接触电极，之后分别蒸发Au作为压焊金属层；(ii)将外延片和新的衬底压焊在一起；(iii)用酸去除Si(111)生长衬底，然后用ICP刻蚀掉AlN缓冲层；(ⅳ)制作LED的n型欧姆接触电极；(ⅴ)划片和封装。

作为优选地，所述硅基GaN蓝光LED外延材料是用生产型MOCVD系统在2英吋Si(111)衬底上生长的。

本发明采用外延片压焊和湿法剥离技术将Si(111)衬底上生长的GaN LED外延膜转移到新的Si衬底上，制作了垂直结构LE。该LED的光电性能与不采用外延片焊接技术而直接做成同侧结构的LED相比，具有更优越的电学性能，更高的光输出功率。垂直结构LED在20m A正向电流时，光输出功率为2.8mW，是相同芯片面积的同侧结构LED的3.7倍。垂直结构LED中的Ga N层受到更小的张应力,In Ga N层受到更大的压应力。垂直结构LED的输出功率明显增加的原因，可能不是因为芯片内量子效率的提高，而是因为芯片外量子效率的提高。

附图说明

图1为硅衬底上生长的GaN基LED外延材料在3种不同情况下的X光三晶衍射图谱；

图2为硅衬底上垂直结构和同侧结构GaN MQW LED芯片在正向电流20mA时的电致发光谱；

图3为硅衬底上垂直结构和同侧结构GaN LED光输出功率和正向电压随正向电流的变化。

具体实施方式

为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将对本发明作进一步的说明。

一种硅基GaN蓝光LED外延材料制作垂直结构LED的工艺，包括如下步骤：

(i)硅基GaN蓝光LED外延材料的P型面和新的Si衬底材料分别制作欧姆接触电极，之后分别蒸发Au作为压焊金属层；(ii)将外延片和新的衬底压焊在一起；(iii)用酸去除Si(111)生长衬底，然后用ICP刻蚀掉AlN缓冲层；(ⅳ)制作LED的n型欧姆接触电极；(ⅴ)划片和封装。

作为优选地，所述硅基GaN蓝光LED外延材料是用生产型MOCVD系统在2英吋Si(111)衬底上生长的。

本发明采用外延片压焊和湿法剥离技术将Si(111)衬底上生长的GaN LED外延膜转移到新的Si衬底上，制作了垂直结构LE。该LED的光电性能与不采用外延片焊接技术而直接做成同侧结构的LED相比，具有更优越的电学性能，更高的光输出功率。垂直结构LED在20m A正向电流时，光输出功率为2.8mW，是相同芯片面积的同侧结构LED的3.7倍。垂直结构LED中的Ga N层受到更小的张应力,In Ga N层受到更大的压应力。垂直结构LED的输出功率明显增加的原因，可能不是因为芯片内量子效率的提高，而是因为芯片外量子效率的提高。

本发明中GaN基MQW LED外延材料是用生产型MOCVD系统在2英吋Si(111)衬底上生长的，外延材料结构和生长过程已有报道。

制作垂直结构LED的基本工艺过程为：(ⅰ)外延材料的P型面和新的Si衬底材料分别制作欧姆接触电极,之后分别蒸发Au作为压焊金属层；(ⅱ)将外延片和新的衬底压焊在一起；(ⅲ)用酸去除Si(111)生长衬底,然后用ICP刻蚀掉Al N缓冲层；(ⅳ)制作LED的n型欧姆接触电极；(ⅴ)划片和封装。同侧结构的LED外延生长工艺和垂直结构的相同,器件结构已有报道。两种结构LED的芯片面积均为240μm×240μm,采用环氧树脂Φ5子弹头形式封装。为了比较同侧结构和垂直结构LED的应变状况,本文制作了无缓冲层的自由支撑的GaN LED薄膜作为参照,制作方法是：将原位生长的外延片用酸去除Si(111)衬底，然后用ICP刻蚀掉Al N缓冲层。

所有性能测试均在室温下进行。图1的XRD结果测试仪器为英国Bede公司生产的D1三轴晶系统。图2致发光谱测试仪器为国产WDP500-D光栅单色仪，图3的测试仪器为国产PMS-50光电性能测试仪。

从图3可看出，垂直结构LED芯片的峰值波长相对同侧结构LED芯片的峰值波长发生了红移。发生红移的原因可归结为两种LED所受的应力不同，使In GaN量子阱发光层的极化场发生了变化。由于量子阱中In GaN的晶格常数大于GaN的晶格常数以及

In GaN的热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数，所以原位生长的In Ga N MQW LED薄膜各In GaN层受到的是压应力。In GaN材料中存在自发极化场和由于应变引起的压电极化场，在受压应力的情况下，自发极化场和压电极化场方向相反，自发极化场指向N面，电极化场指向Ga面。GaN基材料中稍有应变时压电极化场就比自极化场大得多，在极化场中起主要作用，且各阱层、各垒层、N型层和P型层等层与层之间的极化电场互不影响.In Ga N MQW LED的发光波长取决于阱层的组分、厚度及阱层的压应力大小。本文外延片焊接是在300℃完成的，它引起量子阱的组分和厚度发生变化的可能性很小，故可以认为引起波长发生变化的主要原因是极化场的大小。图1的XRD结果表明垂直结构LED中的GaN与同侧结构LED中的GaN比较，受到的张应力小，则相应的垂直结构LED的In Ga N受到的压应力更大，它的极化电场越强。因而在垂直结构LED中，由极化场导致的量子限制Stark效应(PQCSE)相应的增强，它导致量子阱能带倾斜程度相应增强，这是垂直结构LED较同侧结构LED的发光波长峰值红移的重要原因。用外延片焊接和激光剥离技术将蓝宝石衬底上生长的GaN基外延薄膜转移到新衬底上，对于GaN单层材料转移后由于压应力的减小PL谱的峰值波长会发生红移，但是对于GaNMQW LED薄膜转移前后电致发光峰位的移动，蓝移、红移和不移动均有报道。峰位移动不确定的原因可能是激光剥离工艺参数较难控制，它容易使量子阱的组分和结构发生变化。图3垂直结构和同侧结构GaN LED用环氧树脂封装后的光输出功率和正向电压随正向电流的变化。垂直结构和同侧结构LED的开启电压均在2.5V左右。正向通20mA电流时，垂直结构LED的工作电压是3.65V，同侧结构LED的工作电压是3.45V。正向通60m A电流时，垂直结构LED的工作电压是3.85V，同侧结构LED的工作电压是4.21V。随着正向电流从40m A增加到160m A，垂直结构LED的工作电压变化很小，而同侧结构LED的工作电压明显升高。当电流增加到110m A时，同侧结构LED即工作失效，而垂直结构LED在200m A时才工作失效。造成同侧结构LED和垂直结构LED的I-V特性曲线明显不同的原因可归结为它们的串连电阻不同。图2的I-V曲线可以看出垂直结构LED的串连电阻明显低于同侧结构LED的串连电阻。于同侧结构LED，串联电阻一般认为由4部分组成：N型层的侧向电阻、透明导电电极的电阻、P型层的纵向电阻和P型层的接触电阻。用外延片焊接技术获得的垂直结构LED，由于电流垂直注入并且P型欧姆接触层通过厚的金属黏结层和Si衬底相连，从而使得垂直结构LED的串连电阻比同侧结构小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。