发光二极管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，具体为一种具有良好η型欧姆接触的垂直发光二极管其及制作方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着衬底转移技术的成熟，垂直结构芯片技术越来越多地被业界应用，其一般在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底剥离去除。此种技术因为较高的光萃取效率、电流扩展能力及导热能力，有效的提高了GaN基LED芯片的发光效率，特别是在高电流密度大功率应用领域体现出越来越明显的优势。
[0003]然而，在前述垂直结构芯片技术中，衬底剥离后暴露的GaN薄膜表面一般为氮极性面，而氮极性和镓极性面的金半欧姆接触特性相差极大，常规Ti/Al金属电极可以与镓极性GaN形成非常稳定的欧姆接触，但是与氮极性GaN很难获得稳定的欧姆接触，失效后正向工作电压升高，严重恶化了垂直GaN芯片的性能稳定性。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供了一种具有良好η型欧姆接触的垂直发光二极管及其制作方法，以克服现有垂直芯片存在的η面GaN欧姆接触电极稳定性差而导致芯片电压可靠性问题。
[0005]本发明首先提供了一种用于垂直芯片的LED外延结构，包括:衬底，具有相对的上、下表面，所述上表面的部分区域被氮化;η型氮化物层，形成于所述衬底的上表面，具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底被氮化的区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差;η型恢复层，形成于η型氮化物层上，其上表面为相连的镓极性表面;有源层，形成于所述η型恢复层上;P型层，形成于所述有源层上。
[0006]本发明同时提供了一种垂直LED芯片，自下而上依次包括:导电基板、P型氮化物层、有源层、η型恢复层、η型氮化物层和η电极。其中，所述η型氮化物层具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，所述η型恢复层邻近所述η型氮化物层的一侧表面具有与所述η型氮化物层一致的混合极性，远离所述η型氮化物层接触的一侧表面为相连的镓极性表面。
[0007]优选地，在前述LED外延结构中，所述衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10?200nmo
[0008]优选地，在前LED外延结构及芯片中，所述η型氮化物层的氮极性的晶体和镓极性的晶体交替排列；所述η型恢复层的厚度为0.3?Ιμπι，掺杂浓度为2el7cm—3?5el8cm—3;所述η型氮化物层的上表面至少有一半为镓极性表面。
[0009]本发明还提供了一种垂直LED芯片的制作方法，包括步骤:I)提供一具有相对的上、下表面的衬底，氮化所述上表面的部分区域;2)在所述衬底的上表面上生长η型氮化物层，其具有氮极性的晶体和镓极性的晶体，其中所述氮极性的晶体生长于所述衬底的被氮化区域上方，且所述氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差;3)在所述η型氮化物层上生长η型恢复层，其上表面为相连的镓极性表面;4)在所述η型恢复层依次生长有源层和P型氮化物层，构成LED外延结构;5)提供一导电基板，将其与前述LED外延结构之P型氮化物层一侧表面连结;6)移除所述LED外延结构的衬底，露出η型氮化物层的表面，在其上制作η电极。
[0010]优选地，所述步骤I)中，衬底上表面被氮化的区域为周期性排列的条状或者块状图案，图案的尺寸为10?200nmo
[0011]优选地，所述步骤3)中，通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高镓极性区域侧向外延能力，在完成时形成镓极性表面相连。
[0012]优选地，所述步骤3)中，生长温度为1100?1150°C、压力为100?150torr，生长速率Slym /h以下。
[0013]在一些实施例中，所述步骤6)中，移除衬底露出外延结构的表面，采用湿法蚀刻该露出的表面，在η型氮化物层的表面形成具有高度差的表面。
[0014]在本发明中的LED外延结构中，由于事先对衬底进行部分区域的氮化处理，其后续生长的η型氮化物层具有与衬底氮化工艺同规则的混合极性，同时由于氮极性生长速率稍慢于镓极性，所以表面的氮极性和镓极性区域呈现规则的高度差，在后续进行垂直芯片工艺中剥离衬底后，裸露的η型氮化物层表面氮极性与镓极性混合排列，在该η型氮化物层上制作η型欧姆接触电极时可直接使用成熟的Ti/Al金属电极，解决氮极性面欧姆接触稳定性的问题，保证薄膜GaN基发光器件的电压可靠性。
[0015]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0016]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
[0017]图1是根据本发明实施的一种用于垂直结构的LED外延结构剖视图示意图。
[0018]图2是根据本发明实施的一种具有良好η型欧姆接触的垂直LED芯片的剖面示意图。
[0019]图3是根据本发明实施的一种制作垂直LED芯片的流程图。
[0020]图4?图12为根据本发明实施的一种制作垂直LED芯片的过程示意图。
[0021]图13?图14为根据本发明实施的另一种制作垂直LED芯片的部分过程示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，可对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。
[0023]图1是根据本发明实施的一种用于垂直结构的LED外延结构剖视图示意图。
[0024]参看图1，一种LED外延结构，从下到上依次包括:衬底l、u型氮化物层2、n型氮化物层3、n型恢复层4、n型超晶格结构层5、有源层6、p型氮化物层7和P型接触层8。
[0025]其中，衬底I的优选蓝宝石，其表面结构为平面结构。衬底I的上表面作局部氮化处理，其中被氮化区域为条状或者块状，请参考图4和5所示图案，其中黑色代表衬底表面已被氮化，黑白色条状或块状交替代表衬底表面有无实施氮化的区域交替。关于氮化区域和无氮化区域的面积比例，主要考虑两大因素:第一，氮化面积不宜过小，使得η型氮化物层具有足够大的镓极性表面积用于制作η型欧姆接触电极;第二，氮化面积不宜过大，否则难以生长氮化物层。综合考虑前面两大因素，其较佳的取值为3:7-7:3,最佳值为1:1。
[0026]非故意掺杂氮化物层(简称u型氮化物层)2形成衬底I的表面上，其一般包括20?50nm的低温缓冲层、I?2μπι的3D氮化物层和I?2μπι的2D氮化物层。u型氮化物层2由镓极性和氮极性交替排列的氮化物层构成。氮极性和镓极性区域的表面呈现高度差，其中氮极性的氮化物层位于衬底被氮化的区域上方。
[0027]η型氮化物层3形成于u型氮化物层2的表面上，同样由镓极性和氮极性交替排列的氮化物层构成，可以为掺杂有S1、Ge、Se、或者Te的GaN层或者AlGaN层，厚度1.5?4μπι。由于氮极性氮化物生长速率稍慢于镓极性氮化物，因此氮极性和镓极性区域的表面高度差加大。
[0028]η型恢复层4形成于η型氮化物层3的表面上，可选用掺Si氮化镓材料，在生长过程中通过控制生长的温度、压力和生长速率，提高镓极性区域侧向外延能力，从而时形成Ga极性表面相连的上表面。较佳的，η型恢复层4的厚度为0.3?Ιμπι，掺杂浓度为2E17cm—3?5E18cm
-3
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[0029]η型超晶格结构层5形成于η型恢复层的表面上，可以为包含I1、II1、或者IV族元素的氮化碳或者氮化物的多层结构，诸如InGaN/GaN、AIGaN/GaN、InGaN/GaN/AIGaN、或者AlGaN/GaN/InGaN 等。
[0030]有源层6形成于η型超晶格层5的表面上，可以为多量子阱结构，以InGaN层作为阱层、GaN层作为势皇层，其中阱层的膜厚为18Α?30Α，势皇层的膜厚为80Α?200Α。
[0031 ] P型氮化物层7形成于有源层6的表面之上，厚度为50?150nm。可在P型氮化物层7与有源层6间插入一由掺杂了 Mg的氮化铝铟镓层作为电子阻挡层，厚度为10~30nm。
[0032]P型接触层8形成于P型氮化层7的表面上，采用重掺杂P型氮化镓，厚度为5?10nm。
[0033]图2是根据本发明实施的一种具有良好η型欧姆接触的垂直LED芯片的剖面示意图。
[0034]参看图2，前述图1所示的LED外延结构倒装黏合至导电基板9的表面上，并去除衬底I和u型氮化物层2，裸露的η型氮化物层3表面氮极性与镓极性混合排列，η型欧姆接触电极10制作在η型氮化物层3的表面上，其直接Ti/Al金属电极。