CN101494267B - 一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，以GaN基材料作为湿法蚀刻牺牲层并同时作为发光层材料外延生长的缓冲层，通过采用同质牺牲层(缓冲层)，制作出基于湿法蚀刻牺牲层剥离衬底的氮化镓基发光器件，同时，保持较高的发光层晶体质量。本发明的有益效果是：湿法蚀刻牺牲层(缓冲层)采用与发光层同质的材料可以保证外延生长发光层获得较高的晶体质量，从而得到较高发光效率的基于衬底剥离的发光器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光器件的制作方法，特别是一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基化合物半导体是目前商业化生产蓝、绿光和紫外光发光二极管的重要材料。传统的GaN基材料主要是外延生长在蓝宝石衬底上，但蓝宝石衬底的导热性能较差，导致GaN基发光二极管器件的可靠性降低。对此问题较好的解决方法是剥离蓝宝石衬底。
现有剥离蓝宝石衬底的方法主要有两种：激光剥离法(Laser Lift-Off，LLO)和湿法蚀刻牺牲层剥离法。
激光剥离法是采用紫外脉冲激光透过蓝宝石衬底背面照射GaN基外延层和蓝宝石衬底界面，使得界面附近一定厚度范围内的GaN基外延层发生热分解，从而实现蓝宝石衬底与GaN基外延层的分离。激光剥离法是目前普遍采用的衬底剥离技术，但该方法在应用过程中会产生热冲击，导致外延层损伤、破裂并且形成粗糙的剥离界面。
湿法蚀刻牺牲层剥离法是指通过湿法蚀刻外延层与蓝宝石衬底之间的牺牲层实现蓝宝石衬底与外延层的分离。传统的湿法蚀刻牺牲层一般在生长GaN基外延层之前，先在蓝宝石衬底上生长一非GaN基材料系的牺牲层(同时作为缓冲层)，然后在芯片制作过程中，使用特定的溶液蚀刻该牺牲层，而对于GaN基外延层则不发生蚀刻，通过选择性蚀刻牺牲层即可实现GaN基外延层与蓝宝石衬底的分离。采用该方法可以获得无损伤的剥离效果及平滑的界面，较激光剥离法更加优越。目前已知的牺牲层材料有TiN(中国专利申请号200710003186.6)和CrN(J-S Ha，S.W.Lee，H-J Lee，et al.，The Fabrication of VerticalLight-Emitting Diodes Using Chemical Lift-Off Process，IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.20，No.3，pp175-177，2008)。然而，对于传统的湿法蚀刻牺牲层剥离法，由于所采用的牺牲层与GaN基外延层属于不同材料系，即互为异质，当以该牺牲层作为缓冲层并在其上生长GaN基外延层时，异质缓冲层会导致晶体质量变差，对于发光器件，更会降低其内量子效率，从而导致发光效率降低。
发明内容
本发明旨在提出一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，以GaN基材料作为湿法蚀刻牺牲层并同时作为发光层材料外延生长的缓冲层，通过采用同质牺牲层(缓冲层)，制作出基于湿法蚀刻牺牲层剥离衬底的氮化镓基发光器件，同时，保持较高的发光层晶体质量。
本发明解决其问题所提出的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，包括步骤：
1)以蓝宝石作为外延生长衬底，在其上依次外延生长缓冲层、湿法蚀刻停止层、发光层，其中，缓冲层为未掺杂的GaN基材料，湿法蚀刻停止层为p型GaN基材料，发光层依次至少包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)定义发光台面区域和切割道区域，并采用干法蚀刻去除切割道区域上的p型GaN基外延层、有源层以及部分的n型GaN基外延层，暴露出n型GaN基外延层；
3)在发光台面区域的p型GaN基外延层上制作一多层金属组合，多层金属组合覆盖p型GaN基外延层；
4)采用光辅助电化学蚀刻去除切割道区域的n型GaN基外延层，并且使得蚀刻停止于湿法蚀刻停止层；
5)制作一湿法蚀刻保护层，使其完全覆盖发光层侧壁；
6)采用干法蚀刻去除切割道区域上的湿法蚀刻停止层和缓冲层；
7)制作一永久性衬底，使其与发光台面区域的多层金属组合实现接合；
8)采用光辅助电化学蚀刻去除发光台面区域的缓冲层，使得蓝宝石衬底和发光台面区域的外延层实现分离；
9)采用干法蚀刻去除发光台面区域的湿法蚀刻停止层，暴露出n型GaN基外延层；
10)制作电极，包括分别在永久性衬底上制作一正电极，在n型GaN基外延层之上制作一负电极。
在本发明中，步骤4)和8)采用了光辅助电化学(PEC)蚀刻工艺，即借助能量大于半导体材料带隙的光源进行照射，在碱性溶液中氧化并蚀刻该半导体材料。利用PEC蚀刻工艺可在无外加偏压的条件下以较快的速率蚀刻未掺杂或者n型GaN基材料，但无法蚀刻p型GaN基材料；因此，可以利用无外加偏压条件下PEC工艺对不同导电性GaN基材料的选择性蚀刻，选择p型GaN基材料作为湿法蚀刻停止层。利用步骤2)和4)将发光层侧壁完全暴露出，从而使得步骤5)中湿法蚀刻保护层能够完全覆盖侧壁。湿法蚀刻停止层和湿法蚀刻保护层将发光层完全隔离保护，避免其在步骤8)中被蚀刻。步骤6)为步骤8)中的PEC蚀刻提供了蚀刻窗口，即缓冲层(牺牲层)的侧壁，蚀刻溶液正是通过对缓冲层(牺牲层)侧壁的渗透蚀刻实现蓝宝石衬底的剥离。
在本发明中，湿法蚀刻停止层为低掺杂的p型GaN基材料，掺杂浓度低于1018cm-3；多层金属组合具有高反射率、能够与p型GaN基外延层形成良好接触，且具有抗碱性蚀刻的性质，其最表层金属材料选自Pt、Au、Ni或Cr；PEC蚀刻GaN基材料的光源选用波长小于365nm的紫外光，蚀刻溶液选自KOH、NaOH或NH4OH；湿法蚀刻保护层为具有抗碱性蚀刻的绝缘性材料，选自氧化铝、氧化锆、氮化铝、苯并环丁烯树脂或聚酰亚胺；永久性衬底可以采用电镀或者键合方式制作，其材料其材料选自Cu、Ni、Si、Ge、Mo或GaAs。
本发明的有益效果是：湿法蚀刻牺牲层(缓冲层)采用与发光层同质的材料可以保证外延生长发光层获得较高的晶体质量，从而得到较高发光效率的基于衬底剥离的发光器件。
附图说明
图1～图10是本发明优选实施例的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作过程的示意图；
图中：1：蓝宝石衬底 2：u-GaN层
3：低掺p-GaN层 4：n-GaN层
5：多量子阱层 6：p-GaN层
7：Ag/Ni/Au多层金属组合 8：Al2O3层
9：Si衬底 10：正电极
11：负电极 20：发光层
100：发光台面区域 200：切割道区域
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1～10所示的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其制作步骤如下：
如图1所示，在蓝宝石衬底1上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)依次外延生长u-GaN层2、低掺p-GaN层3、n-GaN层4、多量子阱层5、p-GaN层6，其中n-GaN层4、多量子阱层5和p-GaN层6组成发光层20；
按照图2b所示的平面俯视图对外延层进行定义，采用光刻定义出发光台面区域100和切割道区域200，并如附图2a所示，采用感应耦合等离子体(ICP)干法蚀刻去除切割道区域200上的p-GaN层6、多量子阱层5以及部分的n-GaN层4，暴露出n-GaN层4；
如图3所示，在发光台面区域100的p-GaN层6上制作一Ag/Ni/Au多层金属组合7，厚度为120/50/1000nm，多层金属组合7基本覆盖发光台面区域100，但相对于发光台面区域100做一定宽度的内缩，露出台面边缘部分；
如图4所示，采用PEC工艺蚀刻去除切割道区域200上的n-GaN层4，具体工艺条件包括：“采用辐射范围在280～350nm的汞灯照射外延层表面，功率密度为50mW/cm2，蚀刻液采用2摩尔/升的KOH溶液，温度为室温”，PEC蚀刻持续时间30分钟，最终蚀刻停止在低掺p-GaN层3上；
如图5所示，在发光层20的侧壁上和发光台面区域100边缘部分的p-GaN层6上沉积一层Al2O3层8，厚度为200nm；
如图6所示，采用ICP干法蚀刻去除切割道区域200上的低掺p-GaN层3和u-GaN层2；
如图7所示，利用晶圆共晶键合技术，将Si衬底9接合到多层金属组合7之上；
如图8所示，采用PEC工艺蚀刻去除发光台面区域100上的u-GaN层2，具体工艺条件包括：“采用辐射范围在280～350nm的汞灯透过蓝宝石背面照射到u-GaN层2上，功率密度为50mW/cm2，蚀刻液采用2摩尔/升的KOH溶液，温度为室温”，PEC蚀刻持续时间4小时，最终使得蓝宝石衬底1和发光台面区域100的外延层实现分离，实现蓝宝石衬底的湿法剥离；
如图9所示，采用ICP干法蚀刻去除发光台面区域100的低掺p-GaN层3，暴露出n-GaN层4；
如图10所示，在Si衬底9上制作一正电极10，在n-GaN层4之上制作一负电极11，正、负电极材料都选用Cr/Au，厚度50/1000nm。
在本发明实施方案中，外延生长的缓冲层(牺牲层)采用常规的未掺杂的GaN基u-GaN层2，虽然在缓冲层u-GaN层2和发光层20之间插入了蚀刻停止层低掺p-GaN层3，但由于蚀刻停止层本身也是GaN系材料并且p型掺杂浓度很低不会对晶体质量造成影响，因此可以保证发光层的晶体质量与常规外延结构一致，相较于非GaN基材料的异质缓冲层(牺牲层)，同质缓冲层上外延生长的晶体质量更为优越，基于蚀刻该牺牲层实现衬底剥离的发光器件其发光效率更高。
Claims (8)
1.一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，包括步骤：
1)以蓝宝石作为外延生长衬底，在其上依次外延生长缓冲层、湿法蚀刻停止层、发光层，其中，缓冲层为未掺杂的GaN基材料，湿法蚀刻停止层为p型GaN基材料，发光层依次至少包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)定义发光台面区域和切割道区域，并采用干法蚀刻去除切割道区域上的p型GaN基外延层、有源层以及部分的n型GaN基外延层，暴露出n型GaN基外延层；
3)在发光台面区域的p型GaN基外延层上制作一多层金属组合，多层金属组合覆盖p型GaN基外延层；
4)采用光辅助电化学蚀刻去除切割道区域的n型GaN基外延层，并且使得蚀刻停止于湿法蚀刻停止层；
5)制作一湿法蚀刻保护层，使其完全覆盖发光层侧壁；
6)采用干法蚀刻去除切割道区域上的湿法蚀刻停止层和缓冲层；
7)制作一永久性衬底，使其与发光台面区域的多层金属组合实现接合；
8)采用光辅助电化学蚀刻去除发光台面区域的缓冲层，使得蓝宝石衬底和发光台面区域的外延层实现分离；
9)采用干法蚀刻去除发光台面区域的湿法蚀刻停止层，暴露出n型GaN基外延层；
10)制作电极，包括分别在永久性衬底上制作一正电极，在n型GaN基外延层之上制作一负电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：湿法蚀刻停止层为掺杂浓度低于1018cm-3的p型GaN基材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：多层金属组合具有高反射率和抗碱性蚀刻的性质，并与p型GaN基外延层形成良好接触，其最表层金属材料选自Pt、Au、Ni或Cr。
4.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：光辅助电化学蚀刻是在无外加偏压的条件下进行的。
5.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：光辅助电化学蚀刻选用波长小于365nm的紫外光进行照射。
6.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：光辅助电化学蚀刻的蚀刻溶液选自KOH、NaOH或NH4OH。
7.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：湿法蚀刻保护层为具有抗碱性蚀刻的绝缘性材料，选自氧化铝、氧化锆、氮化铝、苯并环丁烯树脂或聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离的氮化镓基发光器件的制作方法，其特征在于：永久性衬底可以采用电镀或者键合方式制作，其材料选自Cu、Ni、Si、Ge、Mo或GaAs。
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