[发明专利]一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法。

背景技术

以化合物半导体材料氮化镓（GaN）为基础的半导体发光二极管（Light Emitting Diode,以下简称LED）自上世纪90年代初实现蓝光发光实用化以来，技术和市场发展迅猛，市场广应用广阔，效率也得到大幅度提升。

LED器件的基础是半导体P-N结，以及在P-N结间的量子阱多层结构组成的载流子复合区即发光区。最常用的外延生长衬底是c-平面的蓝宝石（Al2O3）单晶衬底，最常用的外延工具是有机金属汽相外延（MOCVD）设备，在衬底上逐层生长，并对各层的掺杂类型、浓度、组分、结构和厚度等进行精确控制。器件然后经过半导体制作工艺完成对芯片的分隔、电极的制作、表面和侧面的钝化，以及出光表面的织构化等步骤。LED器件在正向偏压作用下向量子阱发光区注入非平衡载流子（电子和空穴），并在量子阱区内辐射复合产生特定波长的光子，透过LED的表面和侧面出射发光。

平面型LED是将N型和P型电极制作在LED芯片的同一侧表面的两端，依靠电流从一侧沿水平方向流过LED的发光区，由另一侧的电极收集。由于电子横向注入是从一个电极出发到另一个电极，导致途中电流密度的空间不均匀分布，因此发光不均匀，热场分布也不均匀，无法使器件整体上处在光效最佳工作点，限制了LED芯片的最大尺寸以及器件的发光效率。

随着LED在固态照明市场的推进，亟需制造一种单芯片高亮度、高效率和高可靠性的LED芯片。几个基本的要求是：（1）最佳的散热解决方案；（2）最佳的电流场和热场分布方案；（3）能够实现数毫米乃至厘米尺寸的大芯片。采用去除外延生长衬底的垂直结构LED芯片能够解决（1）和（2）两个问题。国际上目前流行的垂直结构LED芯片是通过激光剥离技术将紫外激光照射在特定的外延生长衬底和外延层界面，导致界面局域的强烈光吸收，界面附近的GaN材料在极高温度下分解成原子状态的Ga和气体状态的氮，分区逐域次步进扫描激光束斑实现整个衬底和外延层的分离（美国加利福尼亚大学伯克利分校Nathan W. Cheung等，美国专利号US6071795）。由此可以将LED的两个电极分别放在在LED 薄膜的两侧，形成垂直结构LED芯片，电流垂直于LED薄膜表面流过器件，在LED的量子阱发光区产生光子复合。

但是，上述办法未能在本质上解决上述的第三个问题，即为数毫米乃至厘米尺寸的大芯片提供可靠的解决方案。其主要原因是受到外延结构的限制，在激光剥离工艺中产生机械应力的界面就是激光剥离的界面。激光剥离工艺依赖高功率的紫外激光束脉冲照射在局域的衬底和外延层界面产生瞬间到1300C以上高温来分解GaN材料。这一过程逐次在外延片纵横方向上步进重复，才能实现整个衬底从外延片上的剥离。其中每一次剥离过程都是一个剥离区与周边未剥离区产生局域巨大应力和剪切变的过程，并且由于激光脉冲引起的次声波损伤，特别是在芯片尺寸1毫米以上时大量的应力集中在芯片内部，会在后续制程中显露出来。特别对器件的漏电流影响显著，随LED工作时间增加漏电流明显上升，可靠性随之下降，对照明系统产生不良的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮化镓基垂直结构LED外延结构及制造方法，以克服现有技术存在电流拥塞、散热效果差、剥离过程中产生应力和损伤的问题。

本发明提供一种采用ZnO作为起始缓冲层的氮化镓基LED外延结构及其制造方法。利用该结构可以制成大尺寸、垂直结构的LED芯片器件，解决电流拥塞问题和散热瓶颈问题，实现低成本、批量生产。同时采用此结构可以优化LED外延层的晶格质量，降低缺陷态密度，提高LED的光提取效率。该发明是在图形化衬底或平面衬底上生长三维和二维氧化锌（ZnO）缓冲层。利用该ZnO层在化学腐蚀中易腐蚀而作为腐蚀牺牲层的原理，使蓝宝石衬底和LED薄膜在器件制作过程中自然分离。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮化镓基垂直结构LED外延结构的制造方法，其特征在于：至少包括以下步骤：

1）在外延生长衬底上制备ZnO缓冲层；

2）在生长好ZnO缓冲层的衬底上以MOCVD设备生长非本征掺杂的GaN缓冲层；

3）继续在MOCVD设备中生长高温N-型掺杂Si的GaN层、周期性多层发光区-量子阱、电子阻挡层、和P-型掺杂Mg的GaN层；

4）对P-型GaN层的Mg掺杂进行载流子激活。

上述外延生长衬底是经过图形化的衬底或平面衬底。