CN105489726A - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED外延、芯片结构及其制作方法，其中芯片自下而上依次包括：导电基板、p型氮化物层、有源层、n型恢复层、n型氮化物层和n电极，其特征在于：所述n型氮化物层具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，所述n型恢复层邻近所述n型氮化物层的一侧表面具有与所述n型氮化物层一致的混合极性，远离所述n型氮化物层接触的一侧表面为相连的镓极性表面。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体为一种具有良好n 型欧姆接触的垂直发光二极管其及制作方法。
背景技术
近年来，随着衬底转移技术的成熟，垂直结构芯片技术越来越多地被业界应用，其一般在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底剥离去除。此种技术因为较高的光萃取效率、电流扩展能力及导热能力，有效的提高了GaN基LED芯片的发光效率，特别是在高电流密度大功率应用领域体现出越来越明显的优势。
然而，在前述垂直结构芯片技术中，衬底剥离后暴露的GaN薄膜表面一般为氮极性面，而氮极性和镓极性面的金半欧姆接触特性相差极大，常规Ti/Al 金属电极可以与镓极性GaN形成非常稳定的欧姆接触，但是与氮极性GaN很难获得稳定的欧姆接触，失效后正向工作电压升高，严重恶化了垂直GaN 芯片的性能稳定性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种具有良好n 型欧姆接触的垂直发光二极管及其制作方法，以克服现有垂直芯片存在的n面GaN 欧姆接触电极稳定性差而导致芯片电压可靠性问题。
本发明首先提供了一种用于垂直芯片的LED外延结构，包括：衬底，具有相对的上、下表面，所述上表面的部分区域被氮化；n型氮化物层，形成于所述衬底的上表面，具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底被氮化的区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差；n型恢复层，形成于n型氮化物层上，其上表面为相连的镓极性表面；有源层，形成于所述n型恢复层上；p型层，形成于所述有源层上。
本发明同时提供了一种垂直LED芯片，自下而上依次包括：导电基板、p型氮化物层、有源层、n型恢复层、n型氮化物层和n电极。其中，所述n型氮化物层具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，所述n型恢复层邻近所述n型氮化物层的一侧表面具有与所述n型氮化物层一致的混合极性，远离所述n型氮化物层接触的一侧表面为相连的镓极性表面。
优选地，在前述LED外延结构中，所述衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10~200nm。
优选地，在前LED外延结构及芯片中，所述n型氮化物层的氮极性的晶体和镓极性的晶体交替排列；所述n型恢复层的厚度为0.3~1μm，掺杂浓度为2e17cm-3~5e18cm-3；所述n型氮化物层的上表面至少有一半为镓极性表面。
本发明还提供了一种垂直LED芯片的制作方法，包括步骤：1）提供一具有相对的上、下表面的衬底，氮化所述上表面的部分区域；2）在所述衬底的上表面上生长n型氮化物层，其具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底的被氮化区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差；3）在所述n型氮化物层上生长n型恢复层，其上表面为相连的镓极性表面；4）在所述n型恢复层依次生长有源层和p型氮化物层，构成LED外延结构；5）提供一导电基板，将其与前述LED外延结构之p型氮化物层一侧表面连结；6）移除所述LED外延结构的衬底，露出n型氮化物层的表面，在其上制作n电极。
优选地，所述步骤1）中，衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10~200nm。
优选地，所述步骤3）中，通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高镓极性区域侧向外延能力，在完成时形成镓极性表面相连。
优选地，所述步骤3）中，生长温度为1100~1150℃、压力为100~150torr，生长速率为1μm /h以下。
在一些实施例中，所述步骤6）中，移除衬底露出外延结构的表面，采用湿法蚀刻该露出的表面，在n型氮化物层的表面形成具有高度差的表面。
在本发明中的LED外延结构中，由于事先对衬底进行部分区域的氮化处理，其后续生长的n型氮化物层具有与衬底氮化工艺同规则的混合极性，同时由于氮极性生长速率稍慢于镓极性，所以表面的氮极性和镓极性区域呈现规则的高度差，在后续进行垂直芯片工艺中剥离衬底后，裸露的n型氮化物层表面氮极性与镓极性混合排列，在该n型氮化物层上制作n 型欧姆接触电极时可直接使用成熟的Ti/Al 金属电极，解决氮极性面欧姆接触稳定性的问题，保证薄膜GaN 基发光器件的电压可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1 是根据本发明实施的一种用于垂直结构的LED外延结构剖视图示意图。
图2 是根据本发明实施的一种具有良好n型欧姆接触的垂直LED芯片的剖面示意图。
图3是根据本发明实施的一种制作垂直LED芯片的流程图。
图4~图12为根据本发明实施的一种制作垂直LED芯片的过程示意图。
图13~图14为根据本发明实施的另一种制作垂直LED芯片的部分过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选的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，可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。
图1是根据本发明实施的一种用于垂直结构的LED外延结构剖视图示意图。
参看图1，一种LED外延结构，从下到上依次包括：衬底1、u型氮化物层2、n型氮化物层3、n型恢复层4、n型超晶格结构层5、有源层6、p型氮化物层7和p型接触层8。
其中，衬底1的优选蓝宝石，其表面结构为平面结构。衬底1的上表面作局部氮化处理，其中被氮化区域为条状或者块状，请参考图4和5所示图案，其中黑色代表衬底表面已被氮化，黑白色条状或块状交替代表衬底表面有无实施氮化的区域交替。关于氮化区域和无氮化区域的面积比例，主要考虑两大因素：第一，氮化面积不宜过小，使得n型氮化物层具有足够大的镓极性表面积用于制作n型欧姆接触电极；第二，氮化面积不宜过大，否则难以生长氮化物层。综合考虑前面两大因素，其较佳的取值为3：7~7：3，最佳值为1:1。
非故意掺杂氮化物层（简称u型氮化物层）2形成衬底1的表面上，其一般包括20~50nm的低温缓冲层、1~2μm的3D氮化物层和1~2μm的2D氮化物层。u型氮化物层2由镓极性和氮极***替排列的氮化物层构成。氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，其中氮极性的氮化物层位于衬底被氮化的区域上方。
n型氮化物层3形成于u型氮化物层2的表面上，同样由镓极性和氮极***替排列的氮化物层构成，可以为掺杂有Si、Ge、Se、或者Te的GaN层或者AlGaN层，厚度1.5~4μm。由于氮极性氮化物生长速率稍慢于镓极性氮化物，因此氮极性和镓极性区域的表面高度差加大。
n型恢复层4形成于n型氮化物层3的表面上，可选用掺Si氮化镓材料，在生长过程中通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高镓极性区域侧向外延能力，从而时形成Ga极性表面相连的上表面。较佳的，n型恢复层4的厚度为0.3~1μm，掺杂浓度为2E17cm-3~5E18cm-3。
n型超晶格结构层5形成于n型恢复层的表面上，可以为包含II、III、或者IV族元素的氮化碳或者氮化物的多层结构，诸如InGaN/GaN、AlGaN/GaN、InGaN/GaN/AlGaN、或者AlGaN/GaN/InGaN等。
有源层6形成于n型超晶格层5的表面上，可以为多量子阱结构，以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层，其中阱层的膜厚为18Å～30Å，势垒层的膜厚为80Å～200Å。
p型氮化物层7形成于有源层6的表面之上，厚度为50~150nm。可在p型氮化物层7与有源层6间***一由掺杂了Mg的氮化铝铟镓层作为电子阻挡层，厚度为10~30nm。
p型接触层8形成于p型氮化层7的表面上，采用重掺杂p型氮化镓，厚度为5~10nm。
图2 是根据本发明实施的一种具有良好n型欧姆接触的垂直LED芯片的剖面示意图。
参看图2，前述图1所示的LED外延结构倒装黏合至导电基板9的表面上，并去除衬底1和u型氮化物层2，裸露的n型氮化物层3表面氮极性与镓极性混合排列，n型欧姆接触电极10制作在n型氮化物层3的表面上，其直接Ti/Al 金属电极。
图3是根据本发明实施的一种制作垂直LED芯片的流程图，其包括步骤S100~S600，其中步骤S100~S400为外延工艺，S500~S600为芯片工艺，下面结合图4~12进行详细说明。
步骤S100：提供一平片衬底1，氮化衬底上表面的部分区域。如图4~5所示，其中黑色代表衬底表面已被氮化，黑白色条状或块状交替代表衬底表面有无实施氮化的区域交替。具体为：在衬底表面制作条状或者块状区域掩膜，掩膜图案周期尺寸在10-200nm，通过MOCVD或者其他设备高温条件下通过NH3或其他N源使表面未掩膜区域发生氮化，去除掩膜。
步骤S200：在前述衬底的上表面上生长u型氮化物层、n型氮化物层，其为氮极性与镓极性混合排列，且氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，其中氮极性的晶体生长于衬底的被氮化区域上方，如图6所示。具体为：将衬底放入MOCVD腔内，升温至1100~1150℃，压力降低至100~300torr，通入H2高温处理表面5~10分钟；降温至500~600℃，压力升高至300~500torr，通入氨气和三甲基镓，生长20-50nm的低温缓冲层，然后关闭三甲基镓；升温至1000~1100℃，压力保持300-500torr，在此温度下进行退火处理1~5分钟，然后通入三甲基镓，生长1~2μm的非掺杂氮化镓；继续升温至1050-1150℃，压力降低至200~300torr，生长1~2μm厚的非掺杂氮化镓；降温至1030~1120℃，压力保持在200-300torr，生长1.5~4μm的n型氮化镓，通入甲硅烷进行掺杂。 因为对衬底作区域性氮化处理，所以n型GaN层生长完时外延层会出现与衬底氮化同图案的混合极性，但是因为氮极性生长速率稍慢于镓极性，所以表面的氮极性和镓极性区域呈现规则的高度差。
步骤S300：在n型氮化物层3上形成n型恢复层4，通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高Ga极性区域侧向外延能力，在完成时镓极性表面相连，如图7所示。具体为：升温至1100-1150℃，压力降低至100-150torr以下，生长速率降低至1μm/h以下生长厚度为0.3~1μm的 n型GaN恢复层，Si掺杂浓度为2e17cm-3~5e18cm-3。
步骤S400：在n型恢复层4依次生长n型超晶格结构层5、有源层6、p型氮化物层7和p型接触层8，构成LED外延结构，如图8所示。具体为：首先，降温至750~900℃，压力升高至200~300torr，生长10~30个周期的InGaN/GsN超晶格层，每个周期内InGaN的厚度范围1~3nm，GaN厚度范围2~-10nm；接着，升温至750~900℃，压力保持在200~300torr，生长4~15个周期的InGaN/GaN多量子阱层，每个周期内InGaN的厚度为2~4nm，GaN厚度为5~15nm；接着，升温至800~950℃，压力降低至100~150torr，生长p型AlGaN电子阻挡层；接着，升温至在900~1050℃，压力升高至200~300torr生长p型GaN，厚度为50~150nm；最后，在900~1050℃环境下生长重掺杂p型GaN接触层，厚度为5~10nm。
步骤S500：提供导电基板9，通过晶圆键合技术或电镀技术将前述LED外延结构连结黏结到该导电基板9，如图9所示。具体地，导电基板9可采用Si基板或其他导热性良好的金属基板，采用具有良好的导热性和强的机械结合力结合层进行黏结，诸如Au、Ag、Cu、Pt、Pd、Al 等材料。在一些较佳实施例中，还可在导电基板9与p型接触层8之间设置反射镜***。
步骤S600：移除前述LED外延结构的衬底1，露出n型氮化物层3的表面，在其上制作n电极10，并在导电基板9的背面制作p电极11，如图12所示。具体的，首先采用激光剥离的技术去除衬底1，如图10所示；接着，采用干蚀刻的方式去除u型氮化物层2，裸露出n型氮化物层，如图11所示，裸露的n型氮化物层3表面氮极性与镓极性混合排列，n电极10制作在该n型氮化物层3上，有50%面积接触到镓极性氮化物层上，可直接使用成熟的Ti/Al 金属电极，解决氮极性面欧姆接触稳定性的问题，保证薄膜GaN 基发光器件的电压可靠性。
图13~图14为根据本发明实施的另一种制作垂直LED芯片的部分过程示意图。
在本实施方式中，在步骤S600中，移除衬底1后，采用湿法蚀刻的方式去除u型氮化物层2，由于氮极性区域蚀刻较快，从而加大表面的凸凹高度差，如图13所示，如此一方面可作为取光结构，另一方面增大镓极性区域的侧壁与n电极的接触面积，进一步降低芯片的电压的同时，提升n电极与外延层的粘附力。
尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。
Claims (13)
1.一种用于垂直芯片的LED外延结构，包括：
衬底，具有相对的上、下表面，所述上表面的部分区域被氮化；
n型氮化物层，形成于所述衬底的上表面，具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底被氮化的区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差；
n型恢复层，形成于n型氮化物层上，其上表面为相连的镓极性表面；
有源层，形成于所述n型恢复层上；
p型层，形成于所述有源层上。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于：所述衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10~200nm。
3.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于：所述n型氮化物层的氮极性的晶体和镓极性的晶体交替排列。
4.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于：所述n型恢复层的厚度为0.3~1μm，掺杂浓度为2e17cm-3~5e18cm-3。
5.一种垂直LED芯片，自下而上依次包括：导电基板、p型氮化物层、有源层、n型恢复层、n型氮化物层和n电极，其特征在于：所述n型氮化物层具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，所述n型恢复层邻近所述n型氮化物层的一侧表面具有与所述n型氮化物层一致的混合极性，远离所述n型氮化物层接触的一侧表面为相连的镓极性表面。
6.根据权利要求5所述的一种垂直LED芯片，其特征在于：所述n型氮化物层中，氮极性的晶体和镓极性的晶体交替排列。
7.根据权利要求5所述的一种垂直LED芯片，其特征在于：所述n型氮化物层的上表面至少有一半为镓极性表面。
8.根据权利要求5所述的一种垂直LED芯片，其特征在于：所述n型恢复层的厚度为0.3~1μm，掺杂浓度为2e17cm-3~5e18cm-3。
9.一种垂直LED芯片的制作方法，包括步骤：
1）提供一具有相对的上、下表面的衬底，氮化所述上表面的部分区域；
2）在所述衬底的上表面上生长n型氮化物层，其具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底的被氮化区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差；
3）在所述n型氮化物层上生长n型恢复层，其上表面为相连的镓极性表面；
4）在所述n型恢复层依次生长有源层和p型氮化物层，构成LED外延结构；
5）提供一导电基板，将其与前述LED外延结构之p型氮化物层一侧表面连结；
6）移除所述LED外延结构的衬底，露出n型氮化物层的表面，在其上制作n电极。
10.根据权利要求9所述的垂直LED芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤1）中，衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10~200nm。
11.根据权利要求9所述的垂直LED芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中，通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高镓极性区域侧向外延能力，在完成时形成镓极性表面相连。
12.根据权利要求11所述的垂直LED芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中，生长温度为1100~1150℃、压力为100~150torr，生长速率为1μm/h以下。
13.根据权利要求9所述的垂直LED芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤6）中，移除衬底露出外延结构的表面，采用湿法蚀刻该露出的表面，在n型氮化物层的表面形成具有高度差的表面。
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