專利名稱：引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制造方法，更為具體的是一種結合引入 式粗化氮極性面外延層的氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作方法，可以提高氮化鎵基發(fā)光二極 管芯片的取光效率。
背景技術：
近年來，以氮化鎵基寬帶隙半導體材料為代表的半導體照明技術的發(fā)展引起全世 界范圍內的廣泛關注。隨著外延和芯片工藝技術的不斷改進，氮化鎵基發(fā)光二極管的發(fā)光 效率得到不斷提升。然而，要真正意義上普及半導體照明，仍然需要在現(xiàn)有的光效水平上繼 續(xù)提高。發(fā)光二極管的光效主要取決于內量子效率和取光效率，前者由發(fā)光材料本身的外 延晶體質量決定，而后者則由芯片結構、出光界面形貌、封裝材料的折射率等因素決定。由 于氮化鎵基半導體材料的折射率與空氣或者封裝材料(如環(huán)氧樹脂)的差異較大，因此在 芯片內部存在嚴重的全反射，大部分的光被限制在芯片內部并最終被吸收，這極大限制了 芯片的取光效率。為了抑制全反射從而提高芯片取光效率，諸如表面粗化、光子晶體、高折 射率透明層等方法被運用到芯片結構當中并得到較好的效果。這其中，化學濕法外延表面 粗化由于制作相對簡單、成本較低且效率提升幅度較高是目前常用的粗化工藝。根據(jù)外延 層表面極性的不同可以將化學濕法外延表面粗化分為鎵極性面粗化和氮極性面粗化兩種。 鎵極性面粗化可以在一定程度上提升取光效率，但是其在制作過程中會產生電學性能劣化 問題。例如，粗化鎵極性面P型外延層會引起表面損傷并降低P型載流子濃度，從而限制發(fā) 光效率的提升幅度并可能引起漏電；粗化鎵極性面η型外延層也會影響電流擴展從而使得 工作電壓升高。相對于鎵極性面粗化存在的問題，氮極性面粗化不但不影響電學性能，而且由于 其粗化后的形貌呈納米尺度的六角錐體結構，所以其粗化的效果遠優(yōu)于鎵極性面粗化，可 以較大幅度的提升取光效率。但是受限于外延生長工藝技術，現(xiàn)有的外延片表面呈鎵極性 面，所以無法對其進行氮極性面粗化，實際上，氮極性面粗化通常是應用于基于襯底剝離的 薄膜氮化鎵芯片工藝，但是薄膜芯片存在制作工藝復雜，成品低等問題，因此量產上成本較 尚ο

發(fā)明內容
針對上述鎵極性面粗化及氮極性面粗化無法應用于常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯 片的問題，本發(fā)明旨在提供一種引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作方法， 包括在常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯片結構的基礎上，通過擴散鍵合和襯底去除，引入一表 面粗化的氮極性面氮化鎵外延層，在確保大幅度提升芯片取光效率的前提下，既能保持芯 片原有的電學性能不變，同時也能得到與常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管相當?shù)闹圃斐善仿?。實現(xiàn)上述目的的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于一7戈久襯底；
一緩沖層形成于永久襯底之上；一 η型氮化鎵基外延層形成于緩沖層之上；一有源層形成于η型氮化鎵基外延層部分區(qū)域之上；一 ρ型氮化鎵基外延層形成于有源層之上；一透明導電層形成于ρ型氮化鎵基外延層之上，其材料為氧化銦錫；一鍵合外延層形成于透明導電層的部分區(qū)域之上，其材料為氮化銦鎵；一粗化外延層形成于鍵合外延層之上，其材料為氮化鎵且表面呈氮極性；一 η電極形成于η型氮化鎵基外延層的另一部分區(qū)域之上；一 ρ電極形成于透明導電層的另一部分區(qū)域之上。上述引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其步驟包括1)制作第一外延片，包括在永久襯底上依次外延生長緩沖層、η型氮化鎵基外延層、有源層和P型氮化鎵基外延層；2)在ρ型氮化鎵基外延層上制作一透明導電層，其材料為氧化銦錫；3)制作第二外延片，包括在臨時襯底上依次外延生長成核層、可粗化外延層和鍵合外延層，并且，所述可粗化外延層材料為氮化鎵，所述鍵合外延層材料為氮化銦鎵；4)將第一外延片和第二外延片相互貼合成晶圓對，并使得透明導電層與鍵合外延層相互接觸，通過加溫加壓使得晶圓對形成鍵合；5)去除臨時襯底和成核層，暴露出可粗化外延層；6)蝕刻部分區(qū)域的可粗化外延層、鍵合外延層、透明導電層、ρ型氮化鎵基外延層 和有源層，暴露出其下的η型氮化鎵基外延層；蝕刻另一部分區(qū)域的可粗化外延層和鍵合 外延層，暴露出其下的透明導電層；7)在暴露出的η型氮化鎵基外延層和透明導電層之上分別制作η電極和P電極；8)表面粗化，包括采用堿性蝕刻液處理可粗化外延層，使其形成粗化外延層。在本發(fā)明中，永久襯底材料選自藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁或氧化鋅；臨 時襯底材料也可選自藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁或氧化鋅，然而出于簡化制作工藝 考慮，優(yōu)選硅襯底作為永久襯底和臨時襯底；考慮到成本因素，制作第二外延片的方式優(yōu)選 氫化物氣相外延(HVPE)；為了避免鍵合外延層吸收有源層發(fā)出的光，必須限定氮化銦鎵的 組分，使其帶隙大于有源層的帶隙；為了優(yōu)化粗化形貌，可粗化外延層氮化鎵的摻雜類型優(yōu) 選η型；表面粗化過程中可以加入紫外光輔助照射或者采用加熱等方式縮短工藝時間；不 管采用何種工藝條件，實施表面粗化工藝后形成的粗化外延層表面應呈現(xiàn)六角錐體分布。本發(fā)明成功地將氮極性面粗化應用于常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管，解決了現(xiàn)有化學 濕法外延表面粗化技術存在的一系列問題和局限性，在提高取光效率的同時，保持了發(fā)光 二極管原有的電學性能及制造成品率。


圖1為本發(fā)明引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的截面結構圖；圖2a 2g為本發(fā)明氮化鎵基發(fā)光二極管制作過程的截面示意圖；圖3為本發(fā)明實例的氮化鎵基發(fā)光二極管的表面形貌圖。圖中標識如下
100藍寶石襯底101緩沖層102u-GaN 層103n-GaN層
104多量子阱有源層105p-AlGaN 限制層106p-GaN 層120IT0 層130p 電極140η 電極200Si 襯底201成核層202 可粗化 n-GaN 層202，粗化 n-GaN 層203Ina2Gaa8N 鍵合層
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1所示的一種引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管結構的截面示意圖， 其結構包括一藍寶石襯底100 ；緩沖層101形成于藍寶石襯底100之上；U-GaN層102形 成于緩沖層101之上；n-GaN層103形成于緩沖層102之上；多量子阱有源層104形成于 n-GaN層103的部分區(qū)域之上；p-AlGaN限制層105形成于多量子阱有源層104之上；p_GaN 層106形成于p-AlGaN限制層105之上；ITO透明導電層120形成于p_GaN層106之上；鍵 合層203形成于ITO層120的部分區(qū)域之上，其材料為Ina2Gaa8N ；氮極性面粗化n_GaN層 202’形成于鍵合層203之上；ρ電極130形成于ITO層120的另一部分區(qū)域之上，其材料為 Cr/Pt/Au ；η電極140形成于n-GaN層103的另一部分區(qū)域之上，其材料為Cr/Pt/Au。按照圖1所示的優(yōu)選實施例的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作 方法為如圖2a所示，制作第一外延片10，即以藍寶石100為襯底，采用金屬有機化學氣相 沉積(MOCVD)方法在其上依次生長緩沖層101、U-GaN層102、n_GaN層103、多量子阱有源 層104、p-AlGaN限制層105和ρ-GaN層106。采用電子束蒸發(fā)在p_GaN層106之上蒸鍍一 層氧化銦錫(ITO)作為透明導電層120，厚度2500埃，銦錫比例9 1。如圖2b所示，制作第二外延片20，即以硅200為襯底，采用氫化物氣相外延 (HVPE)方法在其上依次生長成核層201、可粗化n-GaN層202和Ina2Gaa8N鍵合層203。如圖2c所示，將第一外延片10和第二外延片20相互貼合成晶圓對，并使得ITO 層120與Ina 2Ga0.8N鍵合層203相互接觸，然后在650°C高溫、8000N壓力的條件下使得晶圓 對形成鍵合；如圖2d所示，采用濕法蝕刻去除硅襯底200，選擇硝酸和氫氟酸混合溶液為蝕刻 液進行襯底去除。去除硅襯底200后，接著采用干法等離子體蝕刻去除成核層201，并完全暴露出可粗化n-GaN層202 ；如圖2e所示，采用干法等離子體蝕刻部分區(qū)域的可粗化n-GaN層202和Ina2Gaa8N 鍵合層203，暴露出其下的ITO層120 ；采用于法蝕刻等離子體蝕刻另一部分區(qū)域的蝕刻部 分區(qū)域可粗化n-GaN層202和Ina2Gaa8N鍵合層203，接著采用濕法蝕刻去除其下的ITO層 120，其后，再采用干法蝕刻等離子體蝕刻去除其下的p-GaN層106、p-AlGaN限制層105和 多量子阱有源層104，暴露出n-GaN層103。如圖2f所示，在暴露出的n-GaN層103和ITO層120之上分別制作η電極140禾口 P電極130，電極材料選用Cr/Pt/Au，厚度為500/500/10000埃。如圖2g所示，對可粗化n-GaN層202進行表面粗化，使其形成粗化n_GaN層202，， 表面粗化工藝采用60°C的KOH溶液蝕刻5分鐘。圖3顯示的是粗化n-GaN層202’的表面形貌圖，采用掃描電子顯微鏡(SEM)放大 10000倍拍攝得到，從圖中可以看出粗化n-GaN層202’表面呈六角錐體分布，錐體的尺寸大 小大致在700 lOOOnm，這樣的粗化尺寸與出光的波長較為接近，可大幅度提高發(fā)光二極 管的取光效率。
權利要求
引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于一永久襯底；一緩沖層形成于永久襯底之上；一n型氮化鎵基外延層形成于緩沖層之上；一有源層形成于n型氮化鎵基外延層部分區(qū)域之上；一p型氮化鎵基外延層形成于有源層之上；一透明導電層形成于p型氮化鎵基外延層之上，其材料為氧化銦錫；一鍵合外延層形成于透明導電層的部分區(qū)域之上，其材料為氮化銦鎵；一粗化外延層形成于鍵合外延層之上，其材料為氮化鎵且表面呈氮極性；一n電極形成于n型氮化鎵基外延層的另一部分區(qū)域之上；一p電極形成于透明導電層的另一部分區(qū)域之上。
2.如權利要求1所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其中的永久襯底材 料選自藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁或氧化鋅。
3.如權利要求1所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其中的鍵合外延層 氮化銦鎵的帶隙大于有源層的帶隙。
4.如權利要求1所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其中的粗化外延層 為n型氮化鎵。
5.如權利要求1所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管，其中的粗化外延層 的表面形貌呈現(xiàn)六角錐體分布。
6.引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其步驟包括1)制作第一外延片，包括在永久襯底上依次外延生長緩沖層、n型氮化鎵基外延層、有 源層和P型氮化鎵基外延層；2)在p型氮化鎵基外延層上制作一透明導電層，其材料為氧化銦錫；3)制作第二外延片，包括在臨時襯底上依次外延生長成核層、可粗化外延層和鍵合外 延層，并且，所述可粗化外延層材料為氮化鎵，所述鍵合外延層材料為氮化銦鎵；4)將第一外延片和第二外延片相互貼合成晶圓對，并使得透明導電層與鍵合外延層相 互接觸，通過加溫加壓使得晶圓對形成鍵合；5)去除臨時襯底和成核層，暴露出可粗化外延層；6)蝕刻部分區(qū)域的可粗化外延層、鍵合外延層、透明導電層、p型氮化鎵基外延層和有 源層，暴露出其下的n型氮化鎵基外延層；蝕刻另一部分區(qū)域的可粗化外延層和鍵合外延 層，暴露出其下的透明導電層；7)在暴露出的n型氮化鎵基外延層和透明導電層之上分別制作n電極和p電極；8)表面粗化，包括采用堿性蝕刻液處理可粗化外延層，使其形成粗化外延層。
7.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其中的 永久襯底材料選自藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁或氧化鋅。
8.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其中的 臨時襯底材料選自藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁或氧化鋅。
9.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其中的 制作第二外延片的方式優(yōu)選氫化物氣相外延。
10.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其中 的可粗化外延層為η型氮化鎵。
11.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其中 的鍵合外延層氮化銦鎵的帶隙大于有源層的帶隙。
12.如權利要求6所述的引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管的制 作方法，其中 的表面粗化工藝選用紫外光輔助照射或者加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種引入式粗化氮極性面氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作方法，在常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯片結構的基礎上，通過擴散鍵合和襯底去除，引入一表面粗化的氮極性面氮化鎵外延層，解決了現(xiàn)有化學濕法外延表面粗化技術存在的一系列問題和局限性，提升了發(fā)光二極管的取光效率，并且保持芯片原有的電學性能不變，得到與常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管相當?shù)闹圃斐善仿省?br> 文檔編號H01L33/22GK101807648SQ20101013156
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權日2010年3月19日
發(fā)明者吳志強, 林雪嬌, 潘群峰 申請人:廈門市三安光電科技有限公司