專利名稱：一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)光二極管的外延片及其制造方法， 特別涉及一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片及其制造方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵發(fā)光二極管(GaN LED)作為實現(xiàn)固態(tài)照明的核心器件，自問世以來其技術(shù)發(fā)展很快，但是為了快速推廣固態(tài)照明的應(yīng)用，仍然需要在大幅度降低生產(chǎn)成本同時提高 GaN LED的性能。自從美國的旭明光電(SemiLEDs)推出基于激光剝離技術(shù)而實現(xiàn)的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片以來，目前已證明垂直結(jié)構(gòu)LED芯片具有非常優(yōu)秀的電流擴展特性、優(yōu)良的散熱效果、良好的抗靜電能力，以及很高的外量子效率，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的流明效率和更可靠、更長的器件壽命。目前主要有四種方法能夠?qū)崿F(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)GaN LED技術(shù)。第一種方法是kmiLEDs提出的激光剝離藍寶石法，但因其所需的激光剝離設(shè)備十分昂貴，而且工藝復(fù)雜、控制困難， 導(dǎo)致良品率不高。第二種方法是使用機械研磨方式去除藍寶石或是碳化硅(SiC)襯底，但是SiC襯底的硬度十分大，而又由于外延層很薄，導(dǎo)致機械研磨剝離過程的良率不高，而且成本昂貴。第三種方法是先使用機械研磨法使藍寶石、Si (硅)或是SiC襯底減薄，然后對襯底進行打洞，深入到N型GaN，制造電極實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)器件。該方法雖然避開了前兩種完全剝離技術(shù)所引起的工藝難度大、成本高的問題，但是因仍保留一部分襯底，導(dǎo)致出光效率并不能充分體現(xiàn)出垂直結(jié)構(gòu)的特點，整體而言性價比不高。第四種是有文獻報道的用所謂外延犧牲層(比如金屬或是其它介質(zhì)材料)來生長GaN。但是根據(jù)GaN的材料生長特性，要求外延犧牲層具有非常好的晶格匹配和熱化學(xué)穩(wěn)定性，因此如何選擇合適的外延犧牲層材料以及制造工藝，是當(dāng)前研究的熱點前沿。綜上所述，現(xiàn)有垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管及其制造方法需要改進，而垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的關(guān)鍵又在于垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是提供一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片，包括襯底，以及順序覆著在襯底一側(cè)的ZnO 緩沖層、GaN成核層、高溫GaN層、N型GaN層、MQff發(fā)光層和P型GaN層；所述ZnO緩沖層的厚度為50至5000nm ；ZnO緩沖層的材料為未參雜的SiO，或者摻入了金屬feuAlJn中任意一種或者兩種，或者Ga、Al、In三種的SiO。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是相應(yīng)的提供一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管外延片的制造方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，包括如下步驟
51)、選取襯底并在襯底上生長緩沖層選擇藍寶石片、硅片、碳化硅片、石英玻璃片中的一種作為襯底，并利用外延設(shè)備在所選襯底的一側(cè)表面生長出一層ZnO薄膜作為緩沖層；
52)、緩沖層預(yù)處理對緩沖層進行預(yù)處理，為后續(xù)GaN外延生長打好基礎(chǔ)；
53)、生長GaN成核層在緩沖層的外側(cè)生長出GaN成核層，為后續(xù)高溫GaN層外延生長提供基礎(chǔ)；
54)、生長高溫GaN層在GaN成核層的外側(cè)生長出高溫GaN層；
55)、多量子阱LED全結(jié)構(gòu)的生長在高溫GaN層外側(cè)依次生長出N型GaN層、多量子阱發(fā)光層、P型GaN層制造出垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片。本發(fā)明的有益效果是
采用了本發(fā)明一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法技術(shù)方案生產(chǎn)一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片，利用了 ZnO與GaN的晶格幾乎完全匹配的特性， ZnO作為GaN生長的緩沖層，有效消除GaN成核層生長時的晶向偏轉(zhuǎn)，使生長的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片具有低的位錯密度，能夠獲得質(zhì)量完美的GaN外延薄膜，因而提高了外延材料的質(zhì)量；此外，ZnO是雙性金屬氧化物，易被酸堿腐蝕而自剝離，可大大降低后續(xù)剝離襯底的成本；所以采用本發(fā)明技術(shù)方案垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片的制造方法制造垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片及垂直結(jié)構(gòu)GaN LED芯片，能夠獲得更高的良品率，以及更低的生產(chǎn)成本。
圖1是本發(fā)明具體實施方式
中垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明具體實施方式
中制造垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片的主要步驟流程圖。圖3是本發(fā)明具體實施方式
在藍寶石襯底上生長垂直結(jié)構(gòu)GaN LED XRDRockingCurve 搖擺曲線圖。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
具體實施例方式本具體實施方式
的大致思路為首先選擇襯底，并利用外延設(shè)備在襯底上外延生長出緩沖層；然后再對緩沖層進行預(yù)處理，為后續(xù)GaN外延生長獲得高質(zhì)量材料打好基礎(chǔ)； 最后使用外延設(shè)備進行垂直結(jié)構(gòu)GaN LED全結(jié)構(gòu)的外延生長，從而獲得垂直結(jié)構(gòu)GaN LED 外延片。本具體實施方式
中制造的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片，其結(jié)構(gòu)如圖1所示
垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片包括襯底，以及順序附著在襯底一側(cè)的SiO (氧化鋅)緩沖層、GaN成核層、高溫GaN層、N型GaN層、MQW (Multiple Quantum Well，多量子阱)發(fā)光層和P型GaN層。其中ZnO緩沖層的厚度一般為20至5000nm (納米)；GaN成核層的厚度一般為10 至150nm ；高溫GaN層的厚度一般不小于Ium ；N型GaN層的厚度一般大于2um ；MQff發(fā)光層的厚度一般為14 至 120nm (其中 Quantum Barrier 6 至 l&im，Quantum Well 1 至 3nm， QB+QW的周期數(shù)為2至8個)；P型GaN層的厚度一般為80至lOOOnm)。
本具體實施方式
中具體而言，在(0001)方向藍寶石襯底的一面，緊貼有一層厚度為250nm的ZnO緩沖層；緩沖層的另一側(cè)按照順序排列有45nm的GaN成核層、2um的高溫 GaN層、5um的N型GaN層、72nm的MQW發(fā)光層，MQW發(fā)光層的外層(也就是最外層)是200nm 的P型GaN層。ZnO緩沖層的材料為未參雜的&ι0，或者摻入了金屬fei、Al、In中任意一種或者兩種，或者Ga、Al、In三種的ZnO。制造圖1中垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片的具體步驟如下 1、選取襯底并在襯底上生長緩沖層
首選，選取合適的材料作為外延生長的襯底，具體可選擇藍寶石片、硅片、碳化硅片、石英玻璃片等。本處優(yōu)選(0001)方向的藍寶石片。然后，使用 MOCVD (Metal 至 organic Chemieal Vapor DePosition，金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積)、MBE (molecularbeamepitaxy分子束外延)或是PECVD (等離子增強化學(xué)氣相沉積)方法，生長溫度為300至800攝氏度，壓力小于20torr，載氣為Ar，DEZn為鋅源，高純氧氣為氧源，在襯底上沉積緩沖層。緩沖層的厚度50至5000nm內(nèi)，緩沖層的材料為未參雜或是摻入第三族金屬( (鎵)、A1 (鋁)或h (銦)的&ι0。本處具體而言，將藍寶石片用LP至MOCVD (低壓M0CVD)方法生長出摻入( 金屬的ZnO緩沖層，摻雜的( 所占組分化學(xué)計量比為0. 5至18%?？刂粕L溫度為550攝氏度， 壓力小于20torr (托爾，Itorr相當(dāng)于1毫米汞柱)，載氣為Ar (氬氣)。DEZn (二乙基鋅)為鋅源，高純氧氣為氧源，生長出的ZnO緩沖層厚度為250 nm。2、緩沖層預(yù)處理為后續(xù)GaN外延生長打好基礎(chǔ)。首先必須進行熱化學(xué)預(yù)處理對SiO緩沖層進行熱化學(xué)預(yù)處理，以使后續(xù)的GaN外延生長獲得高質(zhì)量材料。在后續(xù)生長GaN的MOCVD反應(yīng)爐內(nèi)，控制處理溫度大于1000攝氏度，處理壓力小于800mbar (毫巴)，通入氨氣(NH3)、氫氣(H2)或氮氣(N2)中的一種或者三者的任意組合，維持5至180分鐘。本處具體為，取出新鮮生長出ZnO緩沖層的襯底樣品，轉(zhuǎn)移到生長GaN的MOCVD反應(yīng)爐中，轉(zhuǎn)移過程中注意保護樣品不受污染。壓力保持在600mbar，溫度保持在1150攝氏度，在NH3、H2及N2三者混合氣氛下，持續(xù)處理30分鐘。然后還可進一步進行預(yù)氮化處理即在生長GaN成核層前預(yù)先調(diào)整反應(yīng)爐參數(shù)， 將反應(yīng)爐溫度控制在450至650攝氏度、壓力控制在150至650mbar，然后通入作為氮化源材料的NH310至600秒，對ZnO緩沖層進行表面預(yù)氮化處理。預(yù)氮化處理的目的是改變ZnO 緩沖層的表面能態(tài)，讓ZnO緩沖層表面出現(xiàn)一層含氮層，使得后續(xù)生長GaN的時候更加容易生長。本處具體而言，將反應(yīng)爐的溫度控制在530攝氏度，壓力控制在300mbar，N2作為載氣(載氣是輸送氮化源材料的氣體，可以為N2或是H2，但作用會有不同，氮化源材料在本處就是NH3)，持續(xù)120秒，進行GaN生長前的預(yù)氮化處理。3、生長GaN成核層采用高低溫兩段外延生長法，順序生長GaN低溫成核層和GaN 高溫成核層，為后續(xù)高溫GaN層的外延生長提供基礎(chǔ)。首先，生長GaN低溫成核層氮化處理完成后通入TMGa(三甲基鎵)，生長GaN低溫成核層。GaN低溫成核層主要生長條件為N2氣氛下，生長溫度為400至600攝氏度，生長GaN低溫成核層的厚度為75至900nm。然后生長GaN高溫成核層GaN高溫成核層主要生長條件為N2氣氛下，生長溫度為700至900攝氏度，生長GaN高溫成核層的厚度為30至200nm。4、生長高溫GaN層在GaN成核層的外側(cè)生長出高溫GaN層。首先，GaN成核層高溫重結(jié)晶。生長完GaN成核層，在生長高溫GaN厚膜前，需要在N2或H2氣氛下進行重結(jié)晶。重結(jié)晶溫度高于1060攝氏度，載氣為N2或是H2，時間不少于2分鐘。本處具體在N2氣氛下，升溫到1110度使成核層重結(jié)晶，持續(xù)時間150秒，進行GaN
成核層高溫重結(jié)晶。然后，生長高溫GaN層，即在N2氣氛下，在已經(jīng)重結(jié)晶的GaN成核層上進行高溫 GaN的生長。本處具體使用H2為載氣，增加TMGa流量到40sCCm，生長速度為2. lum/hour,持續(xù)生長GaN厚膜1小時，高溫GaN層厚度為2um。5、多量子阱LED全結(jié)構(gòu)的生長即在高溫GaN層外側(cè)依次生長出N型GaN層、MQW 發(fā)光層、P型GaN層，最終形成垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片。首先生長N型GaN層，H2為載氣，SiH4 (硅烷，即四氫化硅)作為N型導(dǎo)電的摻雜劑，生長N型GaN，厚度5um。然后生長MQW發(fā)光層，溫度降到650-850攝氏度范圍內(nèi)，本處優(yōu)選800攝氏度，H2、 N2混合氣氛下，生長MQW發(fā)光層。最后生長P型GaN層，溫度升到850-1000攝氏度范圍內(nèi)，本處優(yōu)選890攝氏度， H2作為載氣，Cp2Mg (二茂鎂)作為P型導(dǎo)電的摻雜劑，生長P型GaN，厚度200nm。由圖3可見，使用本發(fā)明具體實施方式
所獲得的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片樣品的 XRD分析數(shù)據(jù)良好，證明了所獲得的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片樣品質(zhì)量不錯。本發(fā)明的目的是提供一種以ZnO作為緩沖層的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片的制造方法，利用ZnO與GaN的晶格幾乎完全匹配的特性，ZnO作為GaN生長的緩沖層，有效消除GaN 成核層生長時的晶向偏轉(zhuǎn)，使生長的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片具有低的位錯密度，能夠獲得質(zhì)量完美的GaN外延薄膜，因而提高了外延材料的質(zhì)量；此外，ZnO是雙性金屬氧化物，易被酸堿腐蝕而自剝離，可大大降低后續(xù)剝離襯底的成本；所以采用本發(fā)明技術(shù)方案垂直結(jié)構(gòu) GaN LED外延片的制造方法制造垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片及垂直結(jié)構(gòu)GaN LED芯片，能夠獲得更高的良品率，以及更低的生產(chǎn)成本。此外，ZnO緩沖層在NH3、N2、H2及其組合下進行高溫?zé)峄瘜W(xué)預(yù)處理，可使緩沖層的質(zhì)量更穩(wěn)定，在后續(xù)的高溫GaN生長時不被分解，保證了外延GaN的高質(zhì)量。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片，包括襯底，以及順序覆著在襯底一側(cè)的 GaN成核層、高溫GaN層、N型GaN層、MQff發(fā)光層和P型GaN層，其特征在于，所述襯底和 GaN成核層之間還有ZnO緩沖層；所述ZnO緩沖層的厚度為50至5000nm ；ZnO緩沖層的材料為未參雜的&ι0，或者摻入了金屬feuAl、In中任意一種或者兩種，或者feuAl、In三種的 ZnO。
2.一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，包括如下步驟51)、選取襯底并在襯底上生長緩沖層選擇藍寶石片、硅片、碳化硅片、石英玻璃片中的一種作為襯底，并利用外延設(shè)備在所選襯底的一側(cè)表面生長出一層ZnO薄膜作為緩沖層；52)、緩沖層預(yù)處理對緩沖層進行預(yù)處理，為后續(xù)GaN外延生長打好基礎(chǔ)；53)、生長GaN成核層在緩沖層的外側(cè)生長出GaN成核層，為后續(xù)高溫GaN層外延生長提供基礎(chǔ)；54)、生長高溫GaN層在GaN成核層的外側(cè)生長出高溫GaN層；55)、多量子阱LED全結(jié)構(gòu)的生長在高溫GaN層外側(cè)依次生長出N型GaN層、MQW發(fā)光層、P型GaN層，從而制造出垂直結(jié)構(gòu)GaN LED外延片。
3.如權(quán)利要求2所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟Si)中所述在襯底上生長緩沖層，是指使用MOCVD、MBE、PECVD中的任意一種方法，在襯底一側(cè)表面沉積厚度為50至5000nm的ZnO緩沖層；ZnO緩沖層的材料為未參雜的 &ι0，或者摻入了金屬feu Al、In中任意一種或者兩種，或者feu Al、In三種的SiO。
4.如權(quán)利要求3所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟Si)中所述在襯底上沉積ZnO緩沖層是指，用LP至MOCVD方法生長出摻入( 金屬的ZnO緩沖層，摻雜的( 所占組分化學(xué)計量比為0. 5至18% ；生長溫度為300至800攝氏度，壓力小于20torr，載氣為Ar，DEZn為鋅源，高純氧氣為氧源，生長出的ZnO緩沖層厚度為20至5000 nm。
5.如權(quán)利要求4所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟S2)中所述對緩沖層進行預(yù)處理是指對ZnO緩沖層進行熱化學(xué)預(yù)處理，即在后續(xù)生長GaN的MOCVD反應(yīng)爐內(nèi)，控制處理溫度大于1000攝氏度，處理壓力小于800mbar，通入氨氣、氫氣、氮氣中的一種、兩種或者三種的任意組合，維持5至180分鐘。
6.如權(quán)利要求5所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟S2)中所述對緩沖層進行預(yù)處理還包括在熱化學(xué)預(yù)處理后進行的預(yù)氮化處理，即在生長GaN成核層前將反應(yīng)爐溫度控制在450至650攝氏度、壓力控制在150至650mbar， 然后通入氮化源材料10至600秒，對ZnO緩沖層進行表面氮化。
7.如權(quán)利要求2至6中任意一項所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟S3)中所述生長GaN成核層，包括順序生長出GaN低溫成核層和 GaN高溫成核層。
8.如權(quán)利要求7所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，生長GaN低溫成核層，是指對緩沖層進行預(yù)處理完成后，在N2氣氛下，溫度為400至 600攝氏度，通入TMGa生長出厚度為75至900nm的GaN低溫成核層；生長GaN高溫成核層是指，在隊氣氛下，生長溫度為700至900攝氏度，生長出厚度為30至200nm的GaN高溫成核層。
9.如權(quán)利要求2至6中任意一項所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟S4)中所述生長高溫GaN層之前還包括GaN成核層高溫重結(jié)晶， 所述GaN成核層高溫重結(jié)晶是指，在生長GaN成核層之后，在N2或是吐氣氛下進行重結(jié)晶， 重結(jié)晶溫度高于1060攝氏度，載氣為N2或H2,維持時間至少2分鐘；生長高溫GaN層是指， 在N2氣氛下，在已經(jīng)重結(jié)晶的GaN成核層上進行高溫GaN的生長。
10.如權(quán)利要求2至6中任意一項所述的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，步驟Si)中所述選取襯底是指，選擇(0001)方向的藍寶石片作為襯底； 步驟S5)中所述多量子阱LED全結(jié)構(gòu)的生長包括如下步驟 首先，以H2為載氣，SiH4作為N型導(dǎo)電的摻雜劑，生長N型GaN層； 然后，將溫度降到650至850攝氏度范圍內(nèi)，在H2、&混合氣氛下，生長MQW發(fā)光層； 最后，將溫度升到850至1000攝氏度范圍內(nèi)，以H2作為載氣，Cp2Mg作為P型導(dǎo)電的摻雜劑，生長P型GaN層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片及其制造方法；該垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片包括襯底，以及順序覆著在襯底一側(cè)的ZnO緩沖層、GaN成核層、高溫GaN層、N型GaN層、MQW發(fā)光層和P型GaN層；該制造方法包括如下步驟選取襯底并在襯底上生長緩沖層、緩沖層預(yù)處理、生長GaN成核層、生長高溫GaN層、多量子阱LED全結(jié)構(gòu)的生長。采用了本發(fā)明技術(shù)方案的一種垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵發(fā)光二極管的外延片及其制造方法，能夠獲得質(zhì)量完美的GaN外延薄膜，因而提高了外延材料的質(zhì)量；此外，ZnO緩沖層易被酸堿腐蝕而自剝離，可大大降低后續(xù)剝離襯底的成本，因而能夠獲得更高的良品率，以及更低的生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L33/12GK102255020SQ20101024175
公開日2011年11月23日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者江灝, 王孟源, 王鋼, 童存聲, 雷秀錚 申請人:中山大學(xué)佛山研究院, 佛山市中昊光電科技有限公司