[发明专利]利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料和器件领域，尤其是涉及一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法

背景技术

氮化镓(GaN)为基础的III族氮化物是研制短波长发光二极管器件(LED)最常用的半导体材料，由于其同质衬底难于制备且价格昂贵，GaN单晶材料和LED器件结构的制备主要是通过异质外延方式利用异质衬底制备。蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)和硅(Si)是制备GaN和GaN基LED器件结构材料最常用的三种衬底材料。随着近年来室内外通用照明、大屏幕户外屏、高清液晶电视和显示器背光及特种照明等众多领域对长寿命、超高亮度的大功率LED器件需求的持续增长，如何利用这三种衬底制备得到更低成本的大功率GaN基LED器件，则成为近年来LED器件研究开发的一个重要方向。其中，Si具尺寸大、晶体质量高、价格低、导电和导热性能好及器件工艺成熟等优点，被认为是研制大尺寸、低成本垂直结构大功率GaN基LED器件比较理想的衬底材料。然而，由于Si衬底对可见光具有很强吸收作用，且常常采用透明且导电性差的氮化铝(AlN)作为阻挡层和缓冲层，不适合直接利用Si衬底制备具有上下电极的垂直结构大功率GaN基LED器件。为了提高发光效率和出光效率，近年来利用Si衬底制备GaN基LED器件取得较好的研究进展，除了先制备AlN阻挡层(或缓冲层)以克服Si衬底GaN材料制备生长中的复杂表面界面化学问题，还要设计制备用于调控Si和GaN之间大的晶格失配应力和大的热失配应力且工艺复杂的应力调控结构，以起到降低位错密度和避免裂纹产生的效果。此外，为进一步提高出光效率，还要将制备有反射／欧姆金属层的GaN基LED器件结构倒装键合到另一导电导热性能好的键合衬底上，并将用于材料制备生长的Si衬底剥离去除后制备上下电极，最后切割、分选和封装得到垂直结构GaN基LED器件。

现有利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法存在如下技术问题：(1)设计制备的应力调控结构层工艺复杂，难以提高材料制备效率和降低成本。现有方法引入的复杂应力调控结构，包括但不限于铝镓氮(AlGaN)缓冲层、低温AlN插入层、低温铟铝镓氮(InAlGaN)插入层、GaN／AlGaN超晶格、非晶Si_xN_y插入层、硅衬底表面刻槽及Si衬底掩模图形侧向外延等中的一种或多种的组合；(2)利用机械研磨结合化学腐蚀工艺去除硅衬底，难以提高器件制备效率和良率。由于Si衬底对可见光不透明且具有很强的吸收作用，不能采用类似蓝宝石衬底氮化镓基LED器件那样的激光剥离工艺。即利用高功率可见光激光透过透明的蓝宝石衬底，仅烧蚀蓝宝石衬底与GaN之间界面处包含高密度缺陷和位错的GaN材料就可将GaN基LED器件结构从蓝宝石衬底上剥离掉。机械研磨结合化学腐蚀工艺虽然剥离成本相比激光剥离工艺较低，但剥离效率和良率比较难控制。一方面是因为Si和AlN的化学腐蚀工艺和腐蚀难度不同；另一方面，化学腐蚀工艺难以避免不对GaN基LED器件结构、反射／欧姆金属层、金属键合层及键合衬底中各个结构及部位造成化学腐蚀损伤，进而影响器件良率的提高。此外，剥离掉的Si衬底已完全损毁不能再用，这也就难以体现Si衬底的大尺寸和低成本优势。尽管自2011年起就先后有直径6英寸和8英寸的大面积Si衬底GaN基LED外延片材料的研究报道，且其Si衬底剥离后倒装制备的白光LED器件发光效率已达160lm／W。但由于存在上述技术问题，致使这些Si衬底GaN基LED器件制备技术至今一直未能广泛商业化生产和推广。

发明内容

本发明的目的是针对现有利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的技术不足，提供一种工艺简单、成本低廉且与现有材料和器件工艺兼容的利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法。

本发明提供一种利用硅衬底制备垂直结构氮化镓基发光二极管器件的方法，包含如下步骤：

步骤1：将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内；

步骤2：在硅衬底表面上先制备一阻挡层；

步骤3：在阻挡层上制备一包含铟组分的薄III族氮化物合金层和低温薄氮化镓层的应力调控结构层；

步骤4：将硅衬底加热温度升高，利用升温退火，将应力调控结构层中包含有铟组分的薄III族氮化物合金层中的铟组分加热分解和完全析出，进而变成多孔薄III族氮物弱键合层，低温薄氮化镓层结晶质量提高则变成高温薄氮化镓单晶模板层；

步骤5：在升温退火后的应力调控结构层上制备一氮化镓基发光二极管器件结构层；