CN110993750A - 垂直型发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种垂直型发光二极管及其制造方法。该方法包括：在生长衬底上生长至少第一缓冲层，第一缓冲层的材料为本征GaN、本征InGaN以及本征AlInGaN中的任意一种或组合；在第一缓冲层上生长n型接触层；在n型接触层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，在发光外延层远离n型接触层的一侧键合转移衬底；从第一缓冲层和生长衬底的接触面剥离生长衬底；在保留的n型接触层远离发光外延层的一侧形成第一电极。通过上述方式，第一缓冲层作为牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，在确保AlGaN材料体系的发光外延层生长质量的前提下，有效降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。同时，提高n型AlGaN半导体层的欧姆接触，提高n型AlGaN半导体层的电流扩散。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管领域，特别是一种垂直型发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(lightemittingdiode，LED)是将电能转换为光的固态元件，LED具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率LED可以实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
目前，紫外(UV)LED通常采用AlGaN材料体系的发光外延层，尤其是深紫外(UVC)LED外延在生长过程中一般是先在衬底上生长一层N型GaN层，然后再生产AlGaN材料。然而，由于AlN的禁带宽度达到了6.2eV，因此难以通过常规的剥离方式从衬底上剥离，因此目前紫外LED普遍采用倒装结构，无法避免衬底以及N型GaN层的吸光问题，导致出光效率低下。
此外，n型AlGaN材料的欧姆接触制备困难，导致接触电阻过大，开启电压高，电流扩展困难。
发明内容
本申请提供一种垂直型发光二极管及其制造方法，能够在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。进一步，提供了一种利用剥离后的发光外延层形成的垂直型发光二极管。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供生长衬底；在生长衬底的一侧主表面上生长至少第一缓冲层，其中第一缓冲层的材料为本征GaN、本征InGaN以及本征AlInGaN中的任意一种或组合；在第一缓冲层上生长n型接触层；在n型接触层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，其中发光外延层包括与n型接触层接触的n型AlGaN半导体层；在发光外延层远离n型接触层的一侧键合转移衬底；以第一缓冲层为剥离牺牲层，去除第一剥离层，以从第一缓冲层和生长衬底的接触面剥离生长衬底；图案化n型接触层，以保留部分n型接触层；在保留的n型接触层远离发光外延层的一侧形成第一电极。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供了一种垂直型紫外发光二极管，包括：转移衬底；发光外延层，发光外延层依次设置于转移衬底的一侧主表面上的p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层、AlGaN量子阱层以及n型AlGaN半导体层；n型接触层，局部覆盖于n型AlGaN半导体层远离转移衬底的一侧；第一电极，形成于发光外延层远离转移衬底的一侧；第二电极，形成于转移衬底远离发光外延层的一侧。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请通过在生长衬底上形成至少第一缓冲层和n型接触层的双层缓冲结构，利用该双层缓冲结构生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，并利用第一缓冲层作为剥离牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，进而在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。进一步地，由于在n型AlGaN半导体层和电极之间设有n型接触层，进而提高n型AlGaN半导体层的欧姆接触，降低接触电阻，并提高n型AlGaN半导体层的电流扩散。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是根据本申请第一实施例的垂直型发光二极管的制备方法的流程示意图；
图2是图1所示的流程示意图的各制程阶段的垂直型发光二极管的结构示意图；
图3是根据本申请第二实施例的垂直型发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1和图2所示，本申请的垂直型紫外发光二极管的制造方法包括以下步骤：
S1：提供生长衬底10。
其中，生长衬底10可以采用例如蓝宝石、SiC、AlN或其他适当材料。
S2：在生长衬底10的一侧主表面上生长第一缓冲层11。
第一缓冲层11的材料可以为本征GaN、本征InGaN以及本征AlInGaN中的任意一种或组合。在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在生长衬底10的一侧主表面上生长第一缓冲层11，第一缓冲层11的厚度可以在0.01-5微米之间，例如，第一缓冲层11的厚度可以为0.01微米、1微米或5微米。
其中，在第一缓冲层11的材料包含本征GaN时，例如，第一缓冲层11为本征GaN层、本征GaN/本征InGaN复合层、本征GaN/本征AlInGaN复合层或者本征GaN/本征InGaN/本征AlInGaN复合层时，第一缓冲层11的厚度可以在0.01-5微米之间。
在第一缓冲层11的材料为本征InGaN、本征AlInGaN中的任意一种或组合时，第一缓冲层11的厚度可以在0.01-0.1微米之间。
其中，第一缓冲层11可以为本征GaN组分均匀层、本征InGaN组分均匀层或本征AlInGaN组分均匀层。
或者，第一缓冲层11可以为本征GaN组分渐变层、本征InGaN组分渐变层或本征AlInGaN组分渐变层，例如，在第一缓冲层11中，镓元素的含量在朝向生长衬底10的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铝元素的含量在朝向n型接触层12的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铟元素的含量在朝向n型接触层12的一侧逐渐增加或逐渐减少。
或者，第一缓冲层11可以为本征AlN层、本征AlGaN/AlN层或本征AlInGaN层组成的双层结构，其中本征AlN层、本征AlGaN/AlN层或本征AlInGaN层的位置顺序在此不做限定。
优选地，第一缓冲层11与生长衬底10的接触面的材料为本征GaN。
S3：在第一缓冲层11上生长n型接触层12。
在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，第一缓冲层11上生长n型接触层12。
n型接触层12具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的GaN接触层，n型接触层12的厚度可以在0.01-5微米之间，例如，n型接触层12的厚度可以为0.01微米、1微米或5微米。
S14：在n型接触层12上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层13。其中，发光外延层13包括与n型接触层12接触的n型AlGaN半导体层131。
具体地，在本步骤中，可以采用MOCVD或MBE方法在n型接触层12上依次生长n型AlGaN半导体层131、AlGaN量子阱层132以及p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层133。
n型AlGaN半导体层131具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的AlGaN半导体层；p型GaN半导体层133具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的GaN半导体层。
其中，n型接触层12作用是提高n型AlGaN半导体层131的欧姆接触，降低接触电阻，并提高n型AlGaN半导体层131的电流扩散。
S5：在发光外延层13远离n型接触层12的一侧键合转移衬底20。
具体来说，转移衬底20可以采用例如Si、Ge、Cu、CuW等导电材料。在本步骤中，可以首先在发光外延层13远离AlN缓冲层12的一侧形成反射镜层(未图示)，并对反射镜层进行图案化，以形成反射镜图案16，再采用热蒸镀、电子束蒸镀和磁控溅射蒸镀等方法在反射镜图案16及反射镜图案16所外露的发光外延层13上形成第一金属键合层15。进一步采用热蒸镀、电子束蒸镀和磁控溅射蒸镀等方法在转移衬底20的一侧主表面上形成第二金属键合层17。最后，通过键合工艺将第一金属键合层15和第二金属键合层17进行键合。上述第一金属键合层15和第二金属键合层17的材料可以为In、Cu、Au、Ni、Ti、Sn中的至少一种或其合金，在此不做限定。
S6：以第一缓冲层11为剥离牺牲层，去除第一缓冲层11，以从第一缓冲层11和生长衬底10的接触面剥离生长衬底10。
由于在垂直型发光二极管结构中，n型电极和p型电极位于发光外延层的两侧，并分别与n型半导体层和p型半导体层接触。第一缓冲层11作为绝缘性材料，因此需要进行去除。具体来说，在本步骤中，可通过干法蚀刻、湿法蚀刻或其组合的方式将第一缓冲层11去除。
在本步骤中，可通过干蚀刻、湿蚀刻、激光剥离或其它适合的技术实现第一缓冲层11和生长衬底10之间的剥离。
优选地，第一缓冲层11与生长衬底10的接触面的材料为本征GaN。具体来说，本征GaN的禁带宽度为3.4eV，因此利用激光可以轻易地实现第一缓冲层11和生长衬底10之间的剥离。
S7：图案化n型接触层12，以保留部分n型接触层12。
进一步地，可藉由合适的图案化技术来对生长的n型接触层12进行图案化，以保留第一电极50的待形成区域的部分n型接触层12，例如，图案化技术可以包括干蚀刻、湿蚀刻或其它适合的技术。
经过上述方法可以得到如图2最后一步所示的转移衬底20和发光外延层13的键合结构。
S8：在保留的n型接触层12远离发光外延层13的一侧形成第一电极50。
具体地，n型接触层12的材料为n型GaN或n型InGaN。
在上述键合结构基础上进一步进行芯片图案化工艺、绝缘工艺以及电极工艺即可形成如图3所示的本申请的垂直型紫外发光二极管。
其中，芯片图案化工艺包括从发光外延层13远离转移衬底20的一侧(即，n型AlGaN半导体层131所在一侧)对发光外延层13进行图案化，以形成发光台面结构100。具体来说，可以通过掩膜和蚀刻工艺对发光外延层13蚀刻，进而形成发光台面结构100。在本实施例中，以第一金属键合层15作为蚀刻阻挡层来控制蚀刻深度，进而使得发光台面结构100***的第一金属键合层15外露。上述蚀刻工艺可以包括干式蚀刻、湿式蚀刻或其组合。
绝缘工艺包括采用溅射、喷涂、ALD或PECVD沉积工艺在发光台面结构100的侧壁以及发光台面结构100所外露的区域(在本实施例中，为外露的第一金属键合层15)上形成绝缘层30。其中，绝缘层30可采用氮化铝、二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、布拉格反射层DBR、硅胶、树脂或丙烯酸之其一制成。
电极工艺包括保留的n型接触层12远离远离n型AlGaN半导体层131形成第一电极50，在转移衬底20远离发光外延层13的一侧形成第二电极40。进一步，第一电极50为点状电极或条状电极，以使得经反射镜图案16所反射的光线在第一电极50的***输出。第二电极40为面电极，以提高p型AlGaN半导体层133内的电流均匀性。
进一步，从发光外延层13远离转移衬底20的一侧(即，n型AlGaN半导体层131远离转移衬底20的一侧)进行粗化处理，以形成粗化结构1311。粗化结构1311的作用是减少n型AlGaN半导体层131的镜面反射，提高出光效率。
进一步地，在步骤S2之后，还可以第一缓冲层11上生长第二缓冲层(图未示出)，进而在第二缓冲层上生长n型接触层12。
具体地，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在第一缓冲层11上生长第二缓冲层。第二缓冲层厚度可以在0.01-5微米之间，例如，第二缓冲层的厚度可以为0.01微米、1微米或5微米。
其中，第二缓冲层可以为AlN组分均匀层或AlGaN/AlN组分均匀层。或者，第二缓冲层可以为AlN组分渐变层或AlGaN/AlN组分渐变层，例如，在第二缓冲层中，铝元素的含量在朝向发光外延层的一侧逐渐增加。或者，第二缓冲层可以为AlN层以及AlGaN/AlN层组成的双层结构，其中AlN层以及AlGaN/AlN层的位置顺序在此不做限定。
优选地，第二缓冲层与n型接触层12的接触面的材料为AlN。
值得注意的是，上述各流程步骤的执行顺序可以根据实际需要进行调整。
区别于现有技术的情况，本申请通过在生长衬底上形成至少第一缓冲层和n型接触层的双层缓冲结构，利用该双层缓冲结构生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，并利用第一缓冲层作为剥离牺牲层，帮助完成从生长衬底的接触面剥离生长衬底，进而在确保基于AlGaN材料体系发光外延层的生长质量的前提下，有效地降低该发光外延层从生长衬底的剥离难度。进一步地，由于在n型AlGaN半导体层和电极之间设有n型接触层，进而提高n型AlGaN半导体层的欧姆接触，降低接触电阻，并提高n型AlGaN半导体层的电流扩散。
以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (14)
1.一种垂直型紫外发光二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供生长衬底；
在所述生长衬底的一侧主表面上生长至少第一缓冲层，其中所述第一缓冲层的材料为本征GaN、本征InGaN以及本征AlInGaN中的任意一种或组合；
在所述第一缓冲层上生长n型接触层；
在所述n型接触层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层，其中所述发光外延层包括与所述n型接触层接触的n型AlGaN半导体层；
在所述发光外延层远离所述n型接触层的一侧键合转移衬底；
以所述第一缓冲层为剥离牺牲层，去除所述第一剥离层，以从所述第一缓冲层和所述生长衬底的接触面剥离所述生长衬底；
图案化所述n型接触层，以保留部分所述n型接触层；
在保留的所述n型接触层远离所述发光外延层的一侧形成第一电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一缓冲层为组分均匀的单层结构、组分渐变的单层结构或组分不同的至少两层结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述第一缓冲层中，镓元素的含量在朝向所述生长衬底的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铝元素的含量在朝向所述n型接触层的一侧逐渐增加或逐渐减少，并且/或者铟元素的含量在朝向所述n型接触层的一侧逐渐增加或逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一缓冲层与所述生长衬底的接触面的材料为本征GaN。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n型接触层的材料为n型GaN或n型InGaN。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述n型接触层上生长基于AlGaN材料体系的发光外延层的步骤包括：
所述n型接触层上依次生长所述n型AlGaN半导体层、AlGaN量子阱层以及p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在所述转移衬底远离所述发光外延层的一侧形成第二电极；其中所述第一电极为点状电极或条状电极，所述第二电极为面电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述发光外延层远离所述n型接触层的一侧键合转移衬底的步骤包括：
在所述发光外延层远离所述n型接触层的一侧形成反射镜层，并对所述反射镜层进行图案化，以形成反射镜图案；
在所述反射镜图案及所述反射镜图案所外露的所述发光外延层上形成第一金属键合层；
在所述转移衬底的一侧主表面上形成第二金属键合层；
将所述第一金属键合层和所述第二金属键合层进行键合。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案化所述n型接触层的步骤之后，进一步包括：
从所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧对所述发光外延层进行图案化，以形成发光台面结构；
在所述发光台面结构的侧壁以及所述发光台面结构所外露的区域上形成绝缘层。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案化所述n型接触层的步骤之后，进一步包括：
对从所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧进行粗化处理，以形成粗化结构。
11.一种垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述垂直型紫外发光二极管包括：
转移衬底；
发光外延层，所述发光外延层依次设置于所述转移衬底的一侧主表面上的p型AlGaN半导体层或p型GaN半导体层、AlGaN量子阱层以及n型AlGaN半导体层；
n型接触层，局部覆盖于所述n型AlGaN半导体层远离所述转移衬底的一侧；
第一电极，形成于所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧；
第二电极，形成于所述转移衬底远离所述发光外延层的一侧。
12.根据权利要求11所述的垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述垂直型紫外发光二极管进一步包括设置于所述发光外延层朝向所述转移衬底一侧的反射镜图案、覆盖于所述反射镜图案及所述反射镜图案所外露的所述发光外延层的第一金属键合层、形成于所述转移衬底的一侧主表面上且与所述第二金属键合层。
13.根据权利要求11所述的垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述发光外延层形成发光台面结构，所述垂直型紫外发光二极管进一步包括覆盖于所述发光台面结构的侧壁以及所述发光台面结构所外露的区域上的绝缘层。
14.根据权利要求11所述的垂直型紫外发光二极管，其特征在于，所述发光外延层远离所述转移衬底的一侧形成有粗化结构。
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