CN101005110A - 采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法 - Google Patents

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王曦
陈静
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武爱民
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Abstract

本发明涉及一种采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法。本发明采用扩散键合形式的金属键合工艺使在蓝宝石上生长制作的氮化镓发光二极管键合到低阻硅片上并实现欧姆接触。本发明通过采用扩散键合形式的金属键合工艺实现硅基氮化镓发光二极管的制作，具有键合工艺稳定、器件良率高、面积小且充分利用发光层的材料、衬底导电且导热性好的优点。

Description

采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法
技术领域
本发明涉及一种采用以扩散键合形式的金属键合实现氮化镓发光二极管(LED)垂直结构的方法，具体地说是采用以扩散键合形式的金属键合工艺实现外延氮化镓LED器件从蓝宝石衬底到硅、铜或者其它理想衬底的转移，属于光电子材料与器件领域。
背景技术
氮化镓是一种具有宽带隙(3.4电子伏特)的半导体材料。利用GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质可以开发许多新的光电应用产品。目前，GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有很好的发展前景。相关的商业专利已经有20多项，涉足GaN半导体器件商业开发和制造的企业也越来越多。其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前半导体器件制造行业最为感兴趣和关注的三个GaN器件市场。
由于氮化镓材料本身的性质，如：高的熔化温度和制备时氮气较高的饱和蒸汽压，很难获得质量良好的氮化镓单晶衬底，使得同质外延大面积的氮化镓单晶很困难。在氮化镓外延工艺中，具有同氮化镓晶格失配和热失配相对较小的蓝宝石(Al2O3)衬底占据了绝对的主导地位。但蓝宝石衬底热导率低，器件面临的散热问题比较严重，尤其是大功率器件，高发热量使器件工作时的温度明显升高，严重影响了器件性能。而且蓝宝石电阻率高，对于LED器件无法实现垂直结构，增大了管芯面积，降低发光效率。这都在一定程度上阻碍了高性能LED器件的持续发展。
传统的以蓝宝石为衬底的GaN基LED一般为横向结构，即LED的两个电极在器件的同一侧。电流在通过n-GaN时，产生热量。由于蓝宝石衬底导热性能差，在大电流条件下会引起器件的退化，不利于大功率LED的工作。同时，横向结构GaN基LED还具有电流堵塞、电流分布不均匀、不能充分利用发光层材料等缺点。而通过采用金属键合工艺实现衬底转移，可以将在蓝宝石衬底上制作的氮化镓基LED器件转移到其它导热、导电性能强的衬底上，如硅和铜衬底，制作垂直结构的GaN基LED，从而有效提高LED的发光效率和可靠性。在国外一些文献中，采用钯-铟、金-硅、金-锗等以共晶键合形式的金属键合及有机导电胶作为键合层。但根据我们的实验结果，以共晶键合形式的金属键合在直径大于两尺寸的的氮化镓外延层和理想衬底的键合中，很难获得高质量的完全键合的合金层，因此在大规模生产时，产品的良率不高。而在相同的键合工艺条件下，以扩散键合形式的金属键合则具有更高质量的键合界面。在我们的超声键合界面测试结果中，金-金、铝-铝等以扩散键合形式的金属键合的键合面积明显大于采用金-硅、铝-硅等以共晶键合形式的金属键合。更值得一提的是，本发明中包括的的金-金扩散键合在相同的工艺条件下可以达到100％的键合面积。
LED器件和理想衬底之间键合界面的质量和性质将最终决定LED器件的良率和发光效率，所以本发明集中在通过以扩散键合形式的金属键合包括金-金、铝-铝、铜-金、金-银等具有高扩散系数的金属键合层把在蓝宝石上制作的GaN发光二极管(LED)键合到低阻硅片或其它金属衬底(Cu)上，并形成欧姆接触，然后激光剥离蓝宝石衬底，实现垂直结构的GaN基LED。同时比较了以扩散键合形式的金属键合和以共晶键合形式的金属键合对LED器件总体工艺、器件良率和器件发光效率的影响，优化出适合工业化生产的最佳工艺路线。
发明内容
本发明目的在于提供一种采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，也即提供了一种实现衬底转移以制作氮化镓基垂直结构LED的工艺方法。通过这种以扩散键合形式的金属键合工艺可以将在蓝宝石上生长的GaN基LED器件转移到具有良好导热和导电的衬底上，如Si和和Cu等金属衬底上。采用本发明中所提出的以扩散键合形式的金属键合工艺来连接LED器件和理想的衬底同国际学术界报道和背景技术中提及的以共晶形式的金属键合工艺相比，具有工艺要求低，键合面积大且牢固，键合界面层导电和导热性能好的优点。而通过以扩散键合形式金属键合工艺步骤制作的氮化镓基垂直结构LED同传统的以蓝宝石为衬底的横向结构LED相比具有电流密度大且分布均匀、衬底与器件间电阻小、衬底良好的散热性、充分利用发光层的材料以得到高的发光效率和器件可靠性。
本发明中所提及的扩散键合，主要是指具有高的原子扩散系数的同一种金属或两种金属间在真空条件下，750°以下(远低于金属的熔点温度)通过金属原子的互扩散而形成稳定且致密的键合界面层如Au-Au和Al-Al等金属。键合工艺后，还可以通过在高于键合温度的氮气保护退火加固，以进一步提高键合强度和界面金属的均匀分布。
本发明中所提及的共晶键合，主要是指氮化镓外延层上所形成的金属层和理想衬底表面金属层在键合工艺过程中将反应形成一种金属间化合物而成为键合界面。这两种金属层在一定温度下以共晶形式形成合金。共晶转变是指合金熔融冷却时，由一个液相同时转变为两个固相的转变。
综上所述，本发明以扩散键合形式的金属键合工艺实现衬底转移，制作氮化镓基垂直结构LED，其特征在于具体的工艺步骤是：
1、在A衬底表面上依次外延出氮化镓缓冲层、n型氮化镓、发光量子阱层(AlInGaN)、p型氮化镓
2、在p型氮化镓层上热蒸发或溅射金属层作欧姆接触和反射层
3、在反射层上和B衬底上热蒸发或溅射具有高原子扩散系数的金属层做为键合界面层。
4、选择最佳的以扩散键合形式金属键合工艺，先键合，后退火加固。
5、剥离原先的A衬底。
6、做电极，形成器件。
其中衬底A的材料为蓝宝石、铌酸锂或其它适合生长高质量GaN的衬底材料。衬底B的材料为硅、铜或其它导热性和导电性好的衬底。，步骤1中的氮化镓外延薄膜采用分子束外延、金属有机物气相外延或者氢化物气相外延的方法。步骤2和3中的键合金属材料为金、铜、铝等具有高的原子扩散系数的金属。金属层在A衬底和B衬底上键合界面的厚度在0.1-10μm之间。在生长键合金属层前要先制作和P型氮化镓层的欧姆接触和反射层，一般欧姆接触层为金属铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、镍(Ni)等金属。反射层为铝(Al)、银(Ag)等金属。步骤4中，采用金属键合为以金属互扩散形式的键合方式：金-金(Au-Au)、铜-铜(Cu-Cu)、铝-铝(Al-Al)、铜-金(Cu-Au)，键合在250℃-700℃，真空度在104-10-3Pa或采用惰性气体保护，键合压强在0-50kg/cm2。键合后可辅助退火加固提高键合界面的均匀性和质量，退火温度高于键合时的温度，时间不少于15分钟，采用N2和惰性气体作为保护气体。步骤5中，采用氟化氪(KrF)激光发生器来剥离衬底或采用选择性化学腐蚀A衬底然后化学机械抛光的方法去除A衬底。对于剥离蓝宝石衬底，通常采用激光剥离的方法。
步骤④键合后可采用超声、SEM或划片后I-V电阻测试等方法检测键合界面的质量。
本方法通过以扩散键合形式的金属键合工艺，把在蓝宝石等衬底上生长的氮化镓LED器件转移到具有良好导电和导热性能的理想衬底上，实现了垂直结构LED的制作，同时避免了由于横向结构LED的电流分布不均匀效应。此工艺方法比已有文献报道的以共晶键合形式的金属键合工艺具有质量更好的键合界面(键合面积大，键合层熔点高)，这将有助于提高在大规模生产中垂直结构LED器件的良率，从而推动氮化镓基垂直结构LED的产业化。
附图说明
图1将在蓝宝石上生长的氮化镓基LED结构通过金属介质层键合到导电衬底上，如硅衬底。图2通过激光剥离方法将蓝宝石衬底与LED器件分离。图3采用金属键合方法制作的氮化镓基垂直结构LED的示意图。图4采用超声测试方法，检测键合界面质量情况，(a)铝-铝扩散键合界面(b)680℃退火加固后的铝-铝扩散键合界面(c)铝-硅共晶键合界面(d).680℃退火加固后的铝-硅共晶键合界面(e)金-金扩散键合界面(f)金-硅共晶键合界面采用扫描电镜检测键合界面质量情况。图5扫描电镜从键合层侧面观察界面情况
具体实施方式
下列实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1：
MOCVD在蓝宝石衬底上依次外延出氮化镓缓冲层、n型氮化镓、发光量子井层(AlInGaN)、p型氮化镓
2.  在p型氮化镓层上热蒸发或溅射金属层Ni/Au/Al作欧姆接触和反射层，Ni层和Au层厚度为100，Al层为1500。
3.反射层上和Si衬底上热蒸发或溅射Cr/Au作为键合界面层，Cr层做为黏附层使Au层能够和硅片紧密连接，并且阻止Au和衬底Si的反应。一般采用表面平整度度良好的硅片作为衬底，这样可以在Au层很薄的情况下得到较好的键合质量。一般Au-Au扩散键合中Au层的厚度在0.5μ左右(金属层太薄或太厚会导致表面平整度下降而降低键合质量)。采用德国Suss公司生产的型号为SB6键合机键合。键合条件为：真空5×10-3pa，加热500℃，压力为4bar，键合时间40分钟。
4.采用超声和扫描电镜测试方法，检测键合界面的质量，如图4、5所示。

Claims (9)

1、一种采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于所述的工艺步骤是：
①在A衬底表面上依次外延出氮化镓缓冲层、n型氮化镓、发光量子阱层、p型氮化镓；
②在p型氮化镓层上热蒸发或溅射金属层作欧姆接触和反射层
③在反射层上和B衬底上热蒸发或溅射具有高原子扩散系数的金属层做为键合界面层；
④选择以扩散键合形式的金属键合工艺；
⑤剥离原先的A衬底；
⑥做电极，形成器件；
其中，步骤①所述的衬底A的材料为蓝宝石、铌酸锂或其它适合生长高质量GaN的衬底材料；
步骤③所述的衬底B的材料为硅、铜或其它导热性和导电性好的衬底；
步骤(4)采用金属键合为以金属互扩散形式的键合方式：金-金、铜-铜、铝-铝或铜-金，键合在250℃-700℃，真空度在104-10-3Pa或采用惰性气体保护，键合压强在0-50kg/cm2范围。
2、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于步骤①中氮化镓外延薄膜采用分子束外延、金属有机物气相外延或氢化物气相外延的方法。
3、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于衬底A或B上的键合界面层的厚度为0.1～10μm。
4、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于步骤④键合工艺后可辅助退火加固，退火温度高于键合温度，且采用N2或惰性气体保护。
5、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于步骤⑤中剥离A衬底采用激光剥离或采用选择性化学腐蚀A衬底后再化学机械抛光的方法。
6、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于步骤②中所述的欧姆接触层为Pt、Pd、Au或Ni金属层。
7、按权利要求1所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于步骤②中所述的反射层为Al或Ag。
8、按权利要求4所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于键合后退火加固的时间不少于15分钟。
9、按权利要求1或5所述的采用金属键合工艺实现氮化镓发光二极管垂直结构的方法，其特征在于对于A衬底为蓝宝石时，采用氟化氪激光发生器剥离衬底。
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