基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED_严嘉彬.pdf

第 44 卷 第 2 期2023年 2 月Vol.44 No.2Feb.,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外 LED严嘉彬*，孙志航，房力，王林宁，王永进*（南京邮电大学 彼得格林贝格尔研究中心，江苏 南京210003）摘要：AlGaN 基深紫外（Deep ultraviolet，DUV）发光二极管（Lightemitting diode，LED）可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合，在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景。针对现阶段 DUV LED 外量子效率较低的问题，本文提出了一种超薄垂直结构的 DUV LED 方案。该方案基于蓝宝石硅晶圆键合和物理减薄工艺实现了高质量 DUV LED 外延层从蓝宝石衬底到高导热硅基板的转移，并采用转移后亚微米厚度的超薄外延层制备出垂直结构的 AlGaN DUV LED。器件的出光面在减薄工艺后无需特殊的化学处理便可实现纳米级的粗化，配合超薄外延层结构具备显著的失谐微腔效应，有助于破坏高阶波导模式，从而增加 TM 波的出光并提升器件的出光效率。测试表明，转移后的外延层厚度约为 710 nm，制备出的 DUV LED 发光光谱峰值波长约为 271 nm。该垂直结构 DUV LED 制备方案为实现高效 DUV 光源提供了可行路径。关键词：深紫外发光二极管；外延层转移；晶圆键合；减薄工艺中图分类号：TN383 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220305An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer TransferYAN Jiabin*，SUN Zhihang，FANG Li，WANG Linning，WANG Yongjin*（Peter Grnberg Research Centre，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）*Corresponding Authors，E-mail：；Abstract：AlGaN-based deep ultraviolet（DUV）light-emitting diodes（LEDs）are deemed as the alternative of traditional mercury lamp used for sterilization，water purification，phototherapy，polymer curing，sensing，and non-line-of-sight communication，which own broad application prospects in biological，environmental，industrial，medical，and military fields.To improve the low external quantum efficiency of DUV LEDs，this work proposes a DUV LED scheme with ultra-thin vertical structure.Based on the sapphire-silicon wafer bonding and physical thinning processes，high-quality DUV LED epitaxial layers are transferred from sapphire substrate to high thermal conductivity silicon substrate.Subsequently the fabrication of DUV LED is successfully realized using the ultra-thin epitaxial layers.The light-emitting surface of the device can be roughened at the nanometer level without special chemical treatment after the thinning process.The combination of rough surface and ultra-thin epitaxial layers have serious detuned micro-cavity effect，which helps to destroy the high-order waveguide mode，thereby increasing the light extraction efficiency.The measured thickness of the epitaxial layers after transfer is about 710 nm.The peak wavelength of the fabricated DUV LED electroluminescent spectrum is about 271 nm.The vertical DUV LED fabrication scheme provides a feasible path for realizing a high-efficiency DUV light source.Key words：DUV LED；epilayer transfer；wafer bonding；thinning process文章编号：1000-7032（2023）02-0321-07收稿日期：20220824；修订日期：20220910基金项目：国家自然科学基金（62004103）；江苏省自然科学基金（20KJB510019）；江苏省双创博士基金（CZ002SC20021）Supported by National Natural Science Foundation of China（62004103）；The Natural Science Foundation of Jiangsu Province（BK20200743）；The Foundation of Jiangsu Provincial DoubleInnovation Doctor Program（CZ002SC20021）第 44 卷发光学报1引言AlGaN 基深紫外（DUV）发光二极管（LED）与传统的 DUV 光源汞灯相比，具有体积小、电路需求低、无汞安全以及可靠性高的优势，通过调整 AlGaN 材料中的 Al 组分，其谱线范围可覆盖整个深紫外波段（200280 nm），可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合，在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景1-5。随着 水俣公约 的生效，缔约国自 2020 年 起 禁 止 生 产 及 进 出 口 含 汞 产 品，DUV LED 面临快速增长的良好机遇，未来市场潜力强劲。然而，现阶段 DUV LED 的外量子效率远低于可见光波段的 LED6-8，例如商用的 AlGaN DUV LED 性能普遍低于 10%，而商用的蓝光 LED 效率已经可达 80%以上，并且随着波长的缩短这个问题尤为突出，极大地限制了 DUV LED 的应用。外量子效率由内量子效率和光提取效率两个因子决定，通过改进外延层结构和材料质量，目前已 经 可 以 生 长 出 内 量 子 效 率 高 于 60%的 DUV LED 外延片9，因而极低的光提取效率成为制约DUV LED 提升的关键。DUV LED 光提取效率面临的挑战主要包括 P型 GaN 接触层和电极对深紫外光的吸收、半导体/空气界面的高折射率差造成的严重全内反射以及 TM 模式为主导的光偏振。采用垂直结构是提升 DUV LED 外量子效率的有效途径10，与传统的平面结构相比具有以下优势：垂直结构 LED 散热性能优异，器件可靠性高；电流无横向流动、分布均匀，可避免电流拥挤和局部高温，开启电压较低；无需平台刻蚀，器件有源区面积更大；在 N 型外延层上更易制作出有助于提升出光效率的微纳结构。DUV LED 的衬底材料包括 AlN 同质衬底材料以及碳化硅、蓝宝石等异质衬底材料11-13，其中蓝宝衬底因具有成本低和工艺成熟等优势成为了DUV LED 的主流衬底材料。然而，利用蓝宝石衬底的 AlGaN 外延片来实现高效的垂直结构 DUV LED 极具挑战，其关键环节在于蓝宝石衬底的去除。由于高质量的 DUV LED 外延层通常采用 AlN 模板层，若将广泛用于可见光波段的激光剥离技术直接移植到深紫外器件，则在剥离过程中会产生铝金属颗粒沉积并最终引起外延片碎裂。虽然有相关的报道来解决 DUV LED 外延片的蓝宝石剥离问题14-15，但是这些工作基本都是通过在外延层中引入便于激光去除的 GaN 或者超晶格实现剥离，无疑会引起外延层的质量劣化或者增大工艺优化复杂度16。因此，要实现垂直结构的DUV LED，亟待开发出一种有效的蓝宝石去除工艺。针对上述问题，本文创新性地利用先进的晶圆键合工艺和蓝宝石减薄技术来进行蓝宝石衬底的去除和外延层的可靠转移，并基于硅衬底上的超薄外延层制备出 DUV LED器件。2实验2.1器件制备本文使用的 DUV LED 外延片采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法生长于 2 英寸蓝宝石衬底上，蓝宝石的晶向为，MOCVD 的 Al、Ga和 N 源分别是三甲基铝、三甲基镓和氨气，Si 和 Mg 掺杂剂源分别是四乙基硅烷和双环戊二烯基镁。在蓝宝石上方的外延层依次为 AlN模板层、AlGaN 缓 冲 层、N 型 Al0.55Ga0.45N 层、N 型 Al0.65Ga0.35N 层（Si:1.01019 cm3）、多量子阱层、电 子 扩 散 阻 挡 层（Mg:1.01019 cm3）、P 型 Al0.57Ga0.43N 层（Mg:3.01019 cm3）以及 P 型 GaN 欧姆接触层（Mg:1.01020 cm3），如图 1（a）所示。DUV LED 的制备工艺流程如图 1（b）（k）所示。为了实现外延层从蓝宝石衬底到硅片的可靠转移，首先要进行蓝宝石外延片与硅片的键合。在外延片 P 型 GaN 上方通过电子束蒸发（Electron beam evaporation,EBE）均匀沉积 Ni/Au 金属层，一方面与 P 型 GaN 形成欧姆接触作为电极层，另一方面作为深紫外的反射层；硅片选用 2 英寸的低阻双抛硅片，有利于降低器件的寄生电阻和开启电压，并于硅片的键合表面上沉积一层较厚的键合金属铟，接着与蓝宝石外延片进行键合，如图1（c）、（d）所示。晶圆键合的质量对于后续工艺能否成功转移外延层十分关键，要求键合晶片结合紧密，具有一定的键合强度，无气泡或局部脱落，同时键合引入的应力要控制在较低水平，避免键合晶片翘曲以及应力释放引发的外延层破裂。下一步，采用减薄机（AM Technology HRG-150）对蓝宝石衬底进行高速减薄，将蓝宝石的厚度从 400 m 减薄至 100 m 左右，如图 1（e）所示。接着，对蓝宝石衬底进行激光划片，如图 1（f）所示，划片的网格间距为 1 cm，该步骤的主要目的是通过划槽分割提前无损地释放键合晶片的应力，防止后322第 2 期严嘉彬，等：基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外 LED续研磨工艺中外延片因应力过大而破损或脱落。随后，通过研磨（AM TechnologyAL-380F）将蓝宝石从 100 m 减薄到 30 m，如图 1（g）所示。为保证外延层在减薄过程中厚度的均匀性，再将 2 寸晶圆分割成 1 cm 1 cm 的小尺寸晶圆进行随后的减薄，如图 1（h）、（i）所示。具体