高亮度led外延材料的制備方法
【專利摘要】一種高亮度LED外延材料的制備方法，采用液相外延的方法在GaAs襯底片表面生長一層較厚N型的鎵鋁砷材料，再在鎵鋁砷材料表面采用MOCVD方法生長LED發(fā)光層，最后將吸光的GaAs襯底去除，LED發(fā)光層和鎵鋁砷層在一起形成獨立的LED外延結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由于采用了較厚的GaAlAs材料作為LED外延生長的基板，使得LED發(fā)光層得到較好保護，在去除GaAs襯底后可直接使用，改善了在GaAs襯底轉(zhuǎn)移時出現(xiàn)的碎片、暗裂、脫落等問題。同時，GaAlAs材料有利于光均勻射出，提升了LED外延材料外量子效率及亮度，對LED的發(fā)光均勻性具有良好的改善效果，其具有簡化流程、節(jié)省成本、成品率高、性能可靠的特點。
【專利說明】高亮度LED外延材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高亮度L E D外延材料的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]液相外延技術(shù)(LPE)是將晶片浸潰于飽和溶液中，通過降溫來降低溶液溶解度，使釋出的溶質(zhì)在作為襯底的晶片表面完成外延層生長的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于GaAs、GaAlAs、GaP,InP,GaAsP等半導(dǎo)體材料的生長。液相外延技術(shù)具有生長設(shè)備簡單，外延缺陷少，生長速度快，成本低、安全可靠等優(yōu)點，在發(fā)光二極管、激光二極管、太陽能電池、微波器件等材料領(lǐng)域占有重要位置。
[0003]當(dāng)前采用LPE技術(shù)在GaAs襯底片表面生長GaAs同質(zhì)或GaAlAs異質(zhì)外延層,從而制作出可發(fā)紅外光或紅光的LED外延材料是十分成熟的一種LED外延技術(shù),在市場上使用廣泛。然而，液相外延技術(shù)主要的缺點在于只能完成晶格結(jié)構(gòu)相近材料的外延生長，如GaAs生長GaAlAs材料；同時，采用LPE方法由于生長速度較快，缺乏對薄層外延結(jié)構(gòu)的精確控制手段，在產(chǎn)業(yè)化制程中，一般無法控制5um以下厚度的外延結(jié)構(gòu)。
[0004]鎵鋁砷(GaAlAs)是砷化鋁(AlAs)和砷化鎵(GaAs)的固溶體，由于砷化鋁和砷化鎵的晶格常數(shù)非常接近，故在GaAs基板無需很厚的過渡層即可獲得高質(zhì)量的GaAlAs晶體；當(dāng)前，采用液相外延可很容易在GaAs基板上生長出高質(zhì)量的GAAlAs晶體，通過摻雜碲或硅等可形成N-GaAlAs。
[0005]金屬有機氣相外延技術(shù)(MOCVD)是在汽相外延生長(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型汽相外延生長技術(shù)，主要通過將載流氣體通入有機金屬反應(yīng)源的容器，將反應(yīng)源以蒸氣的形式帶至反應(yīng)腔中與其它反應(yīng)氣體混合，然后在被加熱的基板上面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)促成薄膜生長。MOCVD工藝具有以下幾個方面的優(yōu)點:1、用于生長化合物半導(dǎo)體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室，因此，可以通過精確控制氣源的流量和通斷時間來控制外延材料的組分、摻雜濃度、厚度等，可完成薄層和超薄層的外延結(jié)構(gòu)生長，特別適用于具有超薄層量子阱發(fā)光結(jié)構(gòu)的高亮度LED外延的生長；2、摻雜調(diào)整較靈活，由于反應(yīng)室中氣體流速較快，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時，可以迅速進行改變，減小記憶效應(yīng)的發(fā)生，有利于獲得陡峭的界面，適于進行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長。由于MOCVD的外延晶體生長過程是以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進行的，因此原則上只要控制好反應(yīng)源氣流比例就可以較方便地控制晶體結(jié)構(gòu)中的摻雜比例，實現(xiàn)對外延材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)整，目前，采用GaAs晶片作為襯底，通過調(diào)整量子阱中Ga、Al、In、P元素比例及其結(jié)構(gòu)，較好地實現(xiàn)了從570nm — 850nm范圍的發(fā)光，是目前高亮度LED外延材料的主要生長工藝之一O
[0006]然而，由于MOCVD技術(shù)所采用的金屬有機化合物和氫化物源價格較為昂貴，且生長速度慢，導(dǎo)致采用MOCVD技術(shù)的LED外延層結(jié)構(gòu)一般都很薄，目前采用MOCVD方法生長的LED外延的整體厚度基本上在I O um以內(nèi)。
[0007]采用GaAs晶片作為襯底，通過MOCVD方法生長LED外延材料的是高亮度LED材料的主要生長工藝之一。然后，由于GaAs是一種不透光的材料,使得以LED外延材料的所發(fā)生的光大部分被內(nèi)部GaAs吸收,一方面大大降低了 LED材料的外量子效率,另一方面內(nèi)吸收的光能轉(zhuǎn)達為熱能，降低了材料的穩(wěn)定性能。
[0008]當(dāng)前，為了減少LED材料GaAs對光的內(nèi)部吸收，提高LED的外量子效率，廣泛采取了在保留LED發(fā)光層的同時去除GaAs襯底的方法，同時，由于MOCVD外延制作的LED外延層厚度較薄(一般在1um以下)，在后期的LED芯片制作時無法操作，為了提升LED材料的使用性能，在將LED外延材料的GaAs襯底的去除的同時需要再將此LED發(fā)光層轉(zhuǎn)移、粘合到具有光反射層的硅晶片上。
[0009]采用先剝離吸光的GaAs襯底，然后再轉(zhuǎn)移、粘合到其它晶片的方面制作的LED，雖然可以避免GaAs材料對LED發(fā)光的內(nèi)部吸收，大幅度地提升LED的外量子效率，提升LED發(fā)光強度；但在轉(zhuǎn)移、粘合的過程中，一方面需要使用昂貴的金、鉬以制作二者之間的粘合材料，提升了制作成本；另一方面，在粘合過程中，必須通過加熱、加壓的方式實現(xiàn)LED發(fā)光外延層與轉(zhuǎn)移晶片之間的良好粘合，但要在此過程中，使僅有1um以下厚度的LED外延層與被轉(zhuǎn)移的晶片之間實現(xiàn)良好粘合，不出現(xiàn)脫落、變形、損傷、破裂，是十分困難的事情，目前此一過程也是影響產(chǎn)品的良品率的關(guān)鍵過程。
[0010]最后，由于粘合后的LED發(fā)光層下面是具有反射光性質(zhì)的金屬層，同時LED發(fā)光外延層厚度很薄，這樣雖然光可以射出，但光主要從LED芯片上表面射出，側(cè)面出光很少，導(dǎo)致采用襯底轉(zhuǎn)移方法制作的LED的存在正面很亮而側(cè)面角度偏暗的出光不均現(xiàn)象。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的就是提供一種高亮度L E D外延材料的制備方法，采用該方法制備的L E D外延材料性能可靠，并具有側(cè)面發(fā)光好、發(fā)光均勻，不需要使用額外的稀貴金屬，生產(chǎn)成本低。
[0012]本發(fā)明的高亮度L E D外延材料的制備方法，首先采用液相外延的方法在GaAs襯底片表面生長一層較厚的N型的鎵鋁砷材料，然后在鎵鋁砷材料表面采用MOCVD方法生長LED發(fā)光層，最后將吸光的GaAs襯底去除，LED發(fā)光層和鎵鋁砷層在一起形成獨立的LED外延結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的高亮度LED外延材料的制備方法，具體步驟是:
1、取N型GaAs襯底片，按H2SO4=H2O:H202=5:1:1的比例配制清洗液，將晶片放置在石英花欄中，并加入42-45°C的清洗液中浸泡2-3分鐘中，然后取出沖去離子水，氮氣吹干；
2、將清洗好的砷化鎵晶片放入LPE外延爐中，生長GaAlAs層，厚度為100um-160um，完成生長后取出，放入石英水槽中，充入溫度55-63°C的熱去離子水，擦拭表面去除表面殘留鎵液，沖去離子水，氮氣吹干，放入干燥箱備用；
3、按HF:H20=25:1配制腐蝕液A，按H2SO4 =H2O:H202=3:1:1的比例配制腐蝕液B，將以上完成GaAlAs層生長的晶片放置在石英花欄中，先放入腐蝕液A中浸泡23-26秒，取出沖水，然后將其放入腐蝕液B中浸泡110-120秒，取出沖水，再將清洗好的晶片放入MOCVD外延爐中，完成LED發(fā)光結(jié)構(gòu)的生長；
4、將完成以上過程的晶片取出，用砂輪式減薄機對晶片背面的GaAs襯底層進行減薄至GaAs襯底厚度余量10_20um ； 5、將完成進行GaAs層減薄的晶片用光阻膠對P面進行保護，按NH4OH =H2O:H202=6:1:1配制腐蝕液C，將晶片放入腐蝕液C中，利用腐蝕液對GaAlAs和GaAs的選擇性腐蝕去除殘余的GaAs層，裸露出GaAlAs層，再用丙酮去除P面光阻保護膠層，沖水后氮氣吹干，即得所需的具有LED外延片。
[0014]本發(fā)明的高亮度LED外延材料的制備方法，適用于基于砷化鎵襯底材料的LED發(fā)光材料的制備，其與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
1、利用液相外延的方式在GaAs襯底片表面生長了一層較厚的N型的鎵鋁砷層，然后再在鎵鋁砷材料表面采用MOCVD方法生長LED發(fā)光層，最后將吸光的GaAs襯底去除，在去除吸光的GaAs材料的同時使得LED發(fā)光層和鎵鋁砷層在一起形成了獨立的LED外延結(jié)構(gòu)，并利用鎵鋁砷層對LED發(fā)光層提供保護，不需要常規(guī)的襯底轉(zhuǎn)移、粘合等操作，避免了常規(guī)工藝在襯底轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生脫落，變形、損傷，破裂等問題，提升了產(chǎn)品的良品率，簡化了操作流程；
2、由于GaAlAs對LED內(nèi)部發(fā)光具有透光性，有可效使得LED發(fā)光層的光發(fā)射出來，提升LED外量子效率；
3、采用本方法制作的LED具有較好的側(cè)面發(fā)光性能，發(fā)光均勻，避免了常規(guī)方法所制作LED發(fā)光不均勻的問題；
4、本制作方法不需要復(fù)雜的襯底轉(zhuǎn)移、粘合過程，不需要使用額外的稀貴金屬，節(jié)約生產(chǎn)成本。

【具體實施方式】
[0015]為了更好地了解本發(fā)明的內(nèi)容及操作過程，將在以下描述中提出詳盡的步驟，其中一些LED芯片制作過程中的通用細(xì)節(jié)未進行詳細(xì)的描述。
[0016]實施例1:
1、取一直徑為2寸N型GaAs襯底片，晶向100、厚度300um,按H2SO4=H2O:H202=5:1:1的比例配制清洗液，將晶片放置在石英花欄中，并放入45°C的清洗液中浸泡2分鐘中，然后取出沖去離子水，氮氣吹干；
2、將清洗好的砷化鎵晶片放入LPE外延爐中，生長GaAlAs層，其方法為:配制好液相外延生長所需的混合液，在混合液中通過調(diào)整Al摻雜的含量使得GagAlxAs層中X值為0.4，在混合液中加入硅材料實現(xiàn)N型摻雜；從850°C開始緩慢降溫生長得到N-GaAlAs層，通過控制降溫速率及降溫區(qū)間使得GaAlAs層100um-120um，完成生長后取出，放入石英水槽中，充入溫度60°C的熱去離子水，擦拭表面去除表面殘留鎵液，沖去離子水，10分鐘后氮氣吹干，放入干燥箱備用；
3、按HF:H20=25:1配制腐蝕液A，按H2SO4 =H2O:H202=3:1:1的比例配制腐蝕液B ;將以上完成GaAlAs層生長的晶片放置在石英花欄中，先放入腐蝕液A中浸泡25秒，取出沖水，然后將其放入腐蝕液B中浸泡2分鐘,取出沖水；
4、將清洗好的晶片放入MOCVD外延爐中，依次完成N型GaInP緩沖層、AlGaInP量子阱、P-GaP(I)保護層的生長，通過量子阱中各成份控制，使發(fā)光波長在620nm左右，完成紅光LED發(fā)光結(jié)構(gòu)的生長；
5、將完成以上動作的晶片取出，用砂輪式減薄機對晶片背面的GaAs襯底層進行減薄至GaAs襯底厚度余量10_20um ；
6、將完成進行GaAs層減薄的晶片用光阻膠對P面進行保護，按NH4OH =H2O:H202=6:1:1配制腐蝕液C，將晶片放入腐蝕液C中，輕微晃動，利用腐蝕液對GaAlAs和GaAs的選擇性腐蝕去除殘余的GaAs層，裸露出GaAlAs層；用丙酮去除P面光阻保護膠層，沖水后氮氣吹干即得所需的具有LED外延片。
[0017]實施例2:
1、取一直徑為3寸N型GaAs襯底片，晶向100，厚度300um,按H2SO4=H2O:H202=5:1:1的比例配制清洗液，將晶片放置在石英花欄中，并放入45°C的清洗液中浸泡2分鐘中，然后取出沖去離子水，氮氣吹干；
2、將清洗好的砷化鎵晶片放入LPE外延爐中，生長GaAlAs層，其方法為:配制好液相外延生長所需的混合液，在混合液中通過調(diào)整Al摻雜的含量使得GagAlxAs層中X值O。25，在混合液中加入碲材料實現(xiàn)N型摻雜；從900°C開始緩慢降溫生長得到N-GaAlAs層，通過控制降溫速率及降溫區(qū)間使得GaAlAs層約120um-160um，完成生長后取出，放入石英水槽中，充入溫度60°C的熱去離子水，擦拭表面去除表面殘留鎵液，沖去離子水，10分鐘后氮氣吹干，放入干燥箱備用；
3、按HF:H20=25:1配制腐蝕液A，按H2SO4 =H2O:H202=3:1:1的比例配制腐蝕液B，將以上完成GaAlAs層生長的晶片放置在石英花欄中，首先放入腐蝕液A中浸泡25秒，取出沖水，然后將其放入腐蝕液B中浸泡2分鐘,取出沖水；
4、將放入清洗好的晶片放入MOCVD外延爐中，依次完成N型GaInP緩沖層、GaAlInP量子阱、P-GaP保護層的生長，通過量子阱中各成份控制，使發(fā)光波長在850nm左右，完成紅外光LED發(fā)光結(jié)構(gòu)的生長；
5、將完成以上動作的晶片取出，用砂輪式減薄機對晶片背面的GaAs襯底層進行減薄至GaAs襯底厚度余量10_20um ；
6、將完成進行GaAs層減薄的晶片用光阻膠對P面進行保護，按NH4OH=H2O:H202=6:1:1配制腐蝕液C，將晶片放入腐蝕液C中，輕微晃動，利用腐蝕液對GaAlAs和GaAs的選擇性腐蝕去除殘余的GaAs層，裸露出GaAlAs層，用丙酮去除P面光阻保護膠層，沖水后氮氣吹干即得所需的具有LED外延片。
【權(quán)利要求】
1.一種高亮度L E D外延材料的制備方法，其特征在于:首先采用液相外延的方法在GaAs襯底片表面生長一層N型的鎵鋁砷材料，然后在鎵鋁砷材料表面采用MOCVD方法生長LED發(fā)光層，最后將吸光的GaAs襯底去除，LED發(fā)光層和鎵鋁砷層在一起形成獨立的LED外延結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的高亮度LE D外延材料的制備方法，其特征在于:具體步驟是: (1)、取N型GaAs襯底片，按H2SO4=H2O:H202=5:1:1的比例配制清洗液，將晶片放置在石英花欄中，并加入42-45°C的清洗液中浸泡2-3分鐘中，然后取出沖去離子水，氮氣吹干； (2)、將清洗好的砷化鎵晶片放入LPE外延爐中，生長GaAlAs層，厚度為100um-160um，完成生長后取出，放入石英水槽中，充入溫度55-63°C的熱去離子水，擦拭表面去除表面殘留鎵液，沖去離子水，氮氣吹干，放入干燥箱備用； (3)、按HF:H20=25:1配制腐蝕液么，按H2SO4 =H2O:H202=3:1:1的比例配制腐蝕液B，將以上完成GaAlAs層生長的晶片放置在石英花欄中，先放入腐蝕液A中浸泡23-26秒，取出沖水，然后將其放入腐蝕液B中浸泡110-120秒，取出沖水，再將清洗好的晶片放入MOCVD外延爐中，完成LED發(fā)光結(jié)構(gòu)的生長； (4)、將完成以上過程的晶片取出，用砂輪式減薄機對晶片背面的GaAs襯底層進行減薄至GaAs襯底厚度余量10_20um ； (5)、將完成進行GaAs層減薄的晶片用光阻膠對P面進行保護，按NH4OH=H2O:H202=6:1:I配制腐蝕液C，將晶片放入腐蝕液C中，利用腐蝕液對GaAlAs和GaAs的選擇性腐蝕去除殘余的GaAs層，裸露出GaAlAs層，再用丙酮去除P面光阻保護膠層，沖水后氮氣吹干，即得所需的具有LED外延片。
【文檔編號】H01L33/32GK104362238SQ201410574435
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】葉建青, 萬金平, 劉芳嬌, 黃琦艷 申請人:江西聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司