[發明專利]ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED

有效

• 申請號: 201710093149.2
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106601881B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 葉建東;張彥芳;沈洋;卞岳;任芳芳;朱順明;湯琨;顧書林
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02;H01L33/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一種ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED，以納米圖形化(PSS)藍寶石作為外延基底，使用MOCVD方法生長ZnO低溫緩沖層和ZnO高溫外延層，以ZnO外延層作為高品質導電襯底，后續生長GaN紫外LED外延，LED芯片經剝離和轉移后，形成ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED。新型的垂直結構型GaN紫外LED，可降低器件成本，并提高GaN紫外LED的出光效率。形成ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED，剝離工藝簡單，成本低，有利于實現柔性襯底的照明工程。

技術領域

本發明涉及LED的制備，具體涉及一種ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED結構及其制備工藝流程，屬于半導體照明技術領域。

背景技術

紫外LED發光效率的提高一直是人們關注的熱點。要提高發光效率，發展功率型紫外LED器件是大勢所趨，其中垂直結構芯片是目前功率型LED采用的主流技術路線。對于制造LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題，功率型器件對襯底材料的導電性和導熱性能提出了更高要求。

用于GaN生長最普遍的襯底是Al₂O₃，其優點是化學穩定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

Si和SiC襯底可以有效解決散熱問題，并可提高白光LED出光效率，但兩者由于帶隙小而不適用于紫外LED的研發。GaN單晶材料雖然是最理想的襯底，但制備大尺寸GaN體單晶非常困難，對設備和工藝要求苛刻。雖然可利用氫化氣相外延在藍寶石基底上制備低位錯密度GaN，并通過激光剝離將襯底移除形成自支撐襯底，但剝離較難實現，易造成外延膜碎裂和翹曲，成品率低，這也是此類產品價格昂貴的原因之一，因此無法實現大規模產業化。

與以上材料相比，ZnO材料具有非常獨特的優勢。ZnO具有和GaN晶格失配度小、結晶性能好、缺陷密度低、界面特性好、導熱性好且穩定、導電性好、光學性能好、機械性能好等優點。目前日本京波公司和美國Cermet制備的2英寸的ZnO單晶中Li、Na等雜質濃度高達10¹⁶cm^-3，因無法摻雜導致導電性差，價格較為昂貴，并且對我國在大尺寸襯底上進行封鎖。國內中科院福建物構所和上海光機所等單位目前能制備1英寸左右ZnO單晶，但晶體質量和尺寸仍和國外有一定差距，這使得ZnO體單晶和自支撐GaN襯底相比無優勢可言，因此難以大規模應用。

發明內容

本發明目的是，提出一種ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED及其制備方法，ZnO單晶薄膜比GaN更易從藍寶石基底上剝離，可避免紫外激光剝離的應力釋放導致的外延層碎裂和翹曲的問題，藍寶石基ZnO導電襯底具有表面平整度高、與GaN外延晶格匹配好、雜質濃度低、導電性可控、紫外透光性好、剝離工藝簡單和成本節約等優點。

本發明技術方案：ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED，其特征在于，以納米圖形化藍寶石(PSS)作為外延基底，使用MOCVD等方法先后生長ZnO低溫緩沖層和ZnO高溫外延層，以ZnO外延層作為高品質導電襯底，在ZnO高溫外延層上后續生長GaN紫外LED外延，LED芯片經剝離和轉移后，形成ZnO導電協變襯底垂直結構型GaN紫外LED。ZnO低溫緩沖層和ZnO高溫外延層均為單晶結構，低溫緩沖層厚度約為200-400nm，高溫外延層厚度約為2-4μm。ZnO和GaN相似的晶體結構和晶格常數，以ZnO單晶層作為GaN基LED的襯底材料，可實現良好的晶格匹配，并可大大減小GaN緩沖層厚度，降低成本。利用ZnO外延過程中Al的擴散，可以形成高電導層，從而作為和n-GaN接觸的電子傳導層，且導電性可控。利用ZnO的介電常數介于GaN和空氣之間，該結構可提高LED的出光效率。利用垂直于ZnO的位錯，采用濕法腐蝕形成表面織構的粗糙表面，提高LED的出光效率。該結構中LED芯片可通過簡易的化學腐蝕方法實現無應變剝離和自支撐轉移，這種倒裝結構的LED可轉移至金屬和柔性襯底上，從而實現基于柔性襯底的照明工程。