[发明专利]ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED

说明书

一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，以纳米图形化(PSS)蓝宝石作为外延基底，使用MOCVD方法生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，以ZnO外延层作为高品质导电衬底，后续生长GaN紫外LED外延，LED芯片经剥离和转移后，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED。新型的垂直结构型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导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，剥离工艺简单，成本低，有利于实现柔性衬底的照明工程。

技术领域

本发明涉及LED的制备，具体涉及一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED结构及其制备工艺流程，属于半导体照明技术领域。

背景技术

紫外LED发光效率的提高一直是人们关注的热点。要提高发光效率，发展功率型紫外LED器件是大势所趋，其中垂直结构芯片是目前功率型LED采用的主流技术路线。对于制造LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题，功率型器件对衬底材料的导电性和导热性能提出了更高要求。

用于GaN生长最普遍的衬底是Al₂O₃，其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

Si和SiC衬底可以有效解决散热问题，并可提高白光LED出光效率，但两者由于带隙小而不适用于紫外LED的研发。GaN单晶材料虽然是最理想的衬底，但制备大尺寸GaN体单晶非常困难，对设备和工艺要求苛刻。虽然可利用氢化气相外延在蓝宝石基底上制备低位错密度GaN，并通过激光剥离将衬底移除形成自支撑衬底，但剥离较难实现，易造成外延膜碎裂和翘曲，成品率低，这也是此类产品价格昂贵的原因之一，因此无法实现大规模产业化。

与以上材料相比，ZnO材料具有非常独特的优势。ZnO具有和GaN晶格失配度小、结晶性能好、缺陷密度低、界面特性好、导热性好且稳定、导电性好、光学性能好、机械性能好等优点。目前日本京波公司和美国Cermet制备的2英寸的ZnO单晶中Li、Na等杂质浓度高达10¹⁶cm^-3，因无法掺杂导致导电性差，价格较为昂贵，并且对我国在大尺寸衬底上进行封锁。国内中科院福建物构所和上海光机所等单位目前能制备1英寸左右ZnO单晶，但晶体质量和尺寸仍和国外有一定差距，这使得ZnO体单晶和自支撑GaN衬底相比无优势可言，因此难以大规模应用。

发明内容

本发明目的是，提出一种ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED及其制备方法，ZnO单晶薄膜比GaN更易从蓝宝石基底上剥离，可避免紫外激光剥离的应力释放导致的外延层碎裂和翘曲的问题，蓝宝石基ZnO导电衬底具有表面平整度高、与GaN外延晶格匹配好、杂质浓度低、导电性可控、紫外透光性好、剥离工艺简单和成本节约等优点。

本发明技术方案：ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED，其特征在于，以纳米图形化蓝宝石(PSS)作为外延基底，使用MOCVD等方法先后生长ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层，以ZnO外延层作为高品质导电衬底，在ZnO高温外延层上后续生长GaN紫外LED外延，LED芯片经剥离和转移后，形成ZnO导电协变衬底垂直结构型GaN紫外LED。ZnO低温缓冲层和ZnO高温外延层均为单晶结构，低温缓冲层厚度约为200-400nm，高温外延层厚度约为2-4μm。ZnO和GaN相似的晶体结构和晶格常数，以ZnO单晶层作为GaN基LED的衬底材料，可实现良好的晶格匹配，并可大大减小GaN缓冲层厚度，降低成本。利用ZnO外延过程中Al的扩散，可以形成高电导层，从而作为和n-GaN接触的电子传导层，且导电性可控。利用ZnO的介电常数介于GaN和空气之间，该结构可提高LED的出光效率。利用垂直于ZnO的位错，采用湿法腐蚀形成表面织构的粗糙表面，提高LED的出光效率。该结构中LED芯片可通过简易的化学腐蚀方法实现无应变剥离和自支撑转移，这种倒装结构的LED可转移至金属和柔性衬底上，从而实现基于柔性衬底的照明工程。