一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法技术

一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，涉及半导体发光二极管器件。在衬底上形成过渡层；采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在过渡层上生长LED外延片；采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；对沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。可有效改善LED的散热性能，有利于提高LED器件的可靠性。金属具有较好的导热性能，进而实现高可靠性的LED工作，延长LED的寿命。

A Fabrication Method of Nitride LED Based on Metal Mask Substrate

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法
本专利技术涉及半导体发光二极管(LED)器件，尤其是涉及一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法。
技术介绍
氮化物半导体作为一种宽禁带直接带隙半导体，其发光覆盖整个可见光段。在半导体照明、微显示等方面具有广阔的应用前景。目前，商业化的氮化物LED器件绝大多数采用蓝宝石衬底，因为蓝宝石衬底本身的导热性较差，大功率发光器件的效率不能得到明显的提升，所以为了提高大功率LED的散热性能，解决传统平面器件效率等问题，人们提出了垂直结构。该技术路线主要是用激光剥离、电镀或键合工艺将器件从现有衬底转移到导热导电性能更好的衬底上。激光剥离技术的主要原理是利用外延层对紫外激光的吸收，当紫外激光透过蓝宝石衬底照射到氮化物半导体界面后，氮化物半导体会吸收激光能量而分解，从而分离外延层与衬底。由于GaN在此过程中高温(900～1000℃)分解为金属Ga和氮气，并产生一个冲击波，这会使激光剥离后的器件产生损伤，增大器件的漏电流，影响器件光提取效率、性能和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供不仅可以提高三族氮化物材料晶体质量和LED器件性能，同时可以有效降低垂直结构LED器件激光剥离阈值，减小激光剥离工艺对半导体外延层及器件损伤的一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法。本专利技术包括如下步骤：1)在衬底上形成过渡层；在步骤1)中，所述在衬底上形成过渡层的具体方法可为：1.1在衬底上采用光刻、电子束曝光、纳米压印技术形成掩膜，或在衬底上覆盖金属荫罩，再采用磁控溅射、真空蒸镀或图形化电镀等，沉积金属或合金，形成厚度为10～150nm的金属掩膜(金属层)；1.2采用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，所述低温GaN缓冲层和高温GaN层的总厚度为10～600nm，其中，低温GaN缓冲层具有降低位错密度和调控应力的作用，并在GaN与衬底分离时作为牺牲层；分子束外延的生长温度为：生长低温缓冲层MBE的温度为380～450℃，MOCVD的温度为500～600℃；生长高温层MBE的温度为700～900℃，MOCVD的温度为900～1100℃。所述衬底可采用可实现GaN生长的材料，所述可实现GaN生长的材料可选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、AlN衬底、LiAlO2衬底等；衬底的直径尺寸可为2～10英寸。所述过渡层可采用熔点大于1000℃的金属与低温GaN缓冲层材料共同组成，过渡层厚度为50～600nm；所述金属可选自钨、铂、铬、金、银、铁、镍、铝、钛、锰、钼、铜等。金属掩膜(金属层)的厚度可为10～150nm，金属掩膜图形可为长条矩形，正方形或圆形等，金属掩膜图形的尺寸为100nm～500μm，所述金属掩膜图形的尺寸包括圆形的直径、矩形的长或宽等，金属掩膜图形在衬底上呈周期性或无序排列，金属图形之间的间隔为100nm～500μm。2)采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片；所述外延生长技术包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合，所述其他可以调整生长参数和改变生长结构的技术的组合包括但不限于先用MOCVD生长高温GaN，再利用MBE技术实时监测生长量子阱，最后再用MOCVD技术生长p型GaN；所述LED外延片包括但不限于高温非掺杂GaN薄膜、n型GaN层、量子阱结构和p型GaN层；在步骤2)中，所述采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片的具体方法可为：2.1在过渡层上继续生长厚度在500nm～10μm的高温GaN薄膜，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；在生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数，如：不同时期不同生长技术采用不同的反应室温度、压力和气体流量等。2.2在高温GaN层上生长厚度为500nm～3μm的n型GaN，采用硅元素掺杂，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃，在上述生长过程中，也可根据需要采用组合生长技术，配合适当的生长参数。2.3在n型GaN层上生长1～20个周期的量子阱结构，每一个量子阱周期包含一个阱区和一个垒区，其中，所述阱区为In组分含量在5％～30％的InGaN材料，厚度为1～10nm，采用MOCVD生长阱区的温度范围在650～800℃，压力范围在250～450Torr；所述垒区为本征半导体，或掺杂浓度为的n型掺杂半导体，厚度为5～50nm，采用MOCVD生长垒区的温度为700～1020℃，压力为100～450Torr；2.4在量子阱上生长厚度为150～500nm的p型GaN，可采用Mg等元素掺杂，采用MOCVD生长温度为900～1050℃，压力为100～450Torr。3)采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积(CVD)、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；在步骤3)中，所述10～200nm的ITO薄膜的退火温度可为300～600℃。4)对步骤3)沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。在步骤4)中，所述制备正装LED的方法可为：利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀等手段刻蚀出n型GaN层，再利用磁控溅射等方法沉积n电极和p电极，最后利用激光划片等方法将器件分离；所述制备垂直结构LED的方法可为：采用衬底转移技术和分离技术，将原衬底与LED外延层剥离，并进行机械研磨、化学抛光，采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或激光划片进行器件分离和采用磁控溅射或电子束蒸发等手段进行电极生长；衬底转移技术包括：采用磁控溅射和电镀、键合或其他技术，在所述ITO层上制备厚度超过200μm的金属衬底、金属复合衬底或其他衬底，所述金属衬底为Cu、Ni等，所述金属复合衬底为Cr-Au-Cu等，所述其他衬底为Si等，所述衬底具有支撑作用，并较原衬底具有更好的导电和导热特性；原衬底分离技术包括：激光剥离技术、化学机械抛光、加热处理或自分离技术。其中，激光剥离技术可采用波长小于365nm的紫外激光器(如248nm的KrF脉冲激光器)，对完成衬底转移的LED，从原衬底方向进行照射并实现分离；机械化学抛光可采用机械研磨和可腐蚀原有衬底而不会对其他部分造成影响的溶液(如KOH腐蚀Si衬底)去除原有衬底；加热处理可采用500～750℃进行局部加热，从而使过渡层分解。与现有技术相比，本专利技术具有如下技术优势和效果：1)本专利技术是一种简单、实用并且低成本的改善晶体质量的技术。研究表明，选用金属衬底掩膜与非晶GaN结合的过渡层可以有效降低位错密度，改善晶体质量，从而提高LED的发光效率。并且金属掩膜衬底价格低廉、方法成熟、可实现大规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于包括如下步骤：1)在衬底上形成过渡层；2)采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片；3)采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；所述10～200nm的ITO薄膜的退火温度为300～600℃；4)对步骤3)沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于包括如下步骤：1)在衬底上形成过渡层；2)采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片；3)采用沉积技术在上述LED外延片上沉积厚度在10～200nm的ITO，并进行退火；所述沉积技术包括磁控溅射技术、化学气相沉积、真空蒸镀和脉冲激光沉积技术；所述10～200nm的ITO薄膜的退火温度为300～600℃；4)对步骤3)沉积好ITO的LED外延片，进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备正装LED；或在转移衬底后，采用激光剥离等分离技术将外延片与原衬底分离，再进行光刻、刻蚀、生长电极和封装等工艺，即制备垂直结构LED。2.如权利要求1所述一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述在衬底上形成过渡层的具体方法为：1.1在衬底上采用光刻、电子束曝光、纳米压印技术形成掩膜，或在衬底上覆盖金属荫罩，再采用磁控溅射、真空蒸镀或图形化电镀，沉积金属或合金，形成厚度为10～150nm的金属掩膜；1.2采用分子束外延、金属有机化学气相沉积，在金属掩膜衬底上生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，所述低温GaN缓冲层和高温GaN层的总厚度为10～600nm，其中，低温GaN缓冲层具有降低位错密度和调控应力的作用，并在GaN与衬底分离时作为牺牲层；分子束外延的生长温度为：生长低温缓冲层MBE的温度为380～450℃，MOCVD的温度为500～600℃；生长高温层MBE的温度为700～900℃，MOCVD的温度为900～1100℃。3.如权利要求1所述一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述衬底采用实现GaN生长的材料，所述实现GaN生长的材料选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、AlN衬底、LiAlO2衬底；衬底的直径尺寸为2～10英寸；所述过渡层采用熔点大于1000℃的金属与低温GaN缓冲层材料共同组成，过渡层厚度为50～600nm；所述金属选自钨、铂、铬、金、银、铁、镍、铝、钛、锰、钼、铜；金属掩膜的厚度可为10～150nm，金属掩膜图形可为长条矩形，正方形或圆形，金属掩膜图形的尺寸为100nm～500μm，所述金属掩膜图形的尺寸包括圆形的直径、矩形的长或宽，金属掩膜图形在衬底上呈周期性或无序排列，金属图形之间的间隔为100nm～500μm。4.如权利要求1所述一种基于金属掩膜衬底的氮化物LED制作方法，其特征在于在步骤2)中，所述采用单一外延生长技术或各种外延生长技术的组合在步骤1)的过渡层上生长LED外延片的具体方法为：2.1在过渡层上继续生长厚度在500nm～10μm的高温GaN薄膜，生长条件为：MOCVD的生长温度为1000～1100℃，压力为50～700Torr；MBE的生长温度为700～900℃；2.2在高温GaN层上生长厚度为500nm～3μm的n型GaN，采用硅元素掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙浩，冯笑杰，田梦飞，张保平，应磊莹，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35