CN101075653A - 准垂直混合式N型高掺杂GaN LED倒装芯片制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片的制备方法，在蓝宝石生长衬底上生长GaN成核层，在GaN成核层上生长非故意掺杂GaN缓冲层，接着生长高掺杂N型GaN欧姆接触层、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层、P型AlGaN调制掺杂层和P型GaN欧姆接触层。然后，用ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)蚀刻，小部分蚀刻P型GaN欧姆接触层和有源层，露出N型高掺杂层。最后将外延片倒扣焊接在硅衬底上。本发明有效改善了电流分布，使发光层的材料得以充分应用，增大了电流密度，降低了LED电阻，产生的热量减少，出光效率提高，使热源分布和发光强度更加均匀，提高了大功率LED倒装芯片的电流密度、电流分布均匀性及散热能力。有效地改善了倒装芯片的质量和性能。

Description

准垂直混合式N型高掺杂GaN LED倒装芯片制备工艺

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造工艺方法，特别是涉及一种准垂直混合式N型高掺杂GaNLED芯片的制备方法。

背景技术

大功率高亮度发光二极管(LED)具有取代白炽灯的巨大前途。工业上，产生白光的途径之一是利用荧光粉覆盖蓝光LED。蓝宝石晶片被作为生长衬底生长氮化镓基LED。该LED的两个电极在氮化镓外延层的同一侧，电流拥塞(current crowding)，电流分布不均匀和不能充分利用发光层材料是此结构LED面临的问题。另外，蓝宝石衬底的导热性能低，这种结构的LED芯片热阻较大。因此，大功率氮化镓基LED急需解决下述问题：(1)散热效率低；(2)成本高；(3)出光效率和发光功率仍需提高。这些问题在很大程度上取决于LED的结构和生长衬底。

氮化镓基LED有两种基本结构，其中一种是上面提到的横向结构(lateral)，两个电极在氮化镓外延层/蓝宝石生长衬底的同一侧。另一基本结构是垂直结构(vertical)。垂直结构的氮化镓基LED的两个电极分别在氮化镓外延层的两侧。相对于横向结构LED，垂直结构的氮化镓基LED的电流分布均匀，充分应用发光层的材料，电流密度大，工作电压降低，电阻降低，产生的热量减少，出光效率提高，而且，使用具有高热导率的支持衬底的垂直结构氮化镓基LED还有导热性能好的优点。但，垂直结构的氮化镓基LED的制作一般涉及剥离生长衬底，即用激光剥离法或丰田法或机械研磨、抛光法分离蓝宝石生长衬底和氮化镓基外延层，工艺十分复杂。为了要得到高效率以提升亮度，P-层和N-层半导体的电流分布(Currentspreading)非常重要，而P-GaN和N-GaN都需对于其材料电流的横向分布能力做改善才能有效提高效率。垂直结构的氮化镓基LED芯片制作过程中如何设计芯片的结构、完善制作工艺，改善P、N-GaN对其材料电流的横向分布能力，降低芯片的正向电压，改善芯片散热问题，提高垂直结构芯片的质量，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。大功率芯片的电压高，主要因素是电阻高包括外延本身、电极设计和制作，倒装焊接工艺而决定的。在额定工作条件下，电阻高会使得LED产生的热量过大，进而导致器件的结温过高、器件的出光效率下降、可靠性降低。

发明内容

1、要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供一种准垂直混合式N型高掺杂GaNLED芯片的制备方法，它可使大功率LED倒装芯片电流分布均匀，使LED的电流密度增大，使LED的电阻降低，产生的热量减少，出光效率提升，从而提高芯片的质量和性能。

2、技术方案

本发明所要解决的技术问题是提供一种准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片，它可有效改善电流分布和P-GaN和N-GaN层对于其材料电流的横向分布能力，使发光层的材料得以充分应用，使热源分布和发光强度更加均匀。提高大功率LED倒装芯片的电流密度、电流分布均匀性及散热能力，并降低LED的电阻；为此本发明还要提供一种制作该芯片的工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片为倒装芯片，由P-N电极N型高掺杂外延片和带有反射层的硅衬底组成；

P-N电极N型高掺杂外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的高掺杂N-GaN层，在N-GaN层上形成的P-GaN层和(MQWs)有源层(有源层位于N-GaN层和P-GaN层之间)；然后，用干法或湿法蚀刻，小部分蚀刻P型GaN层和有源层，露出N型高掺杂层；由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N电极，在P-N电极之间生长的钝化层；

所述带有反射层的硅衬底包括在本征半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上形成的金属反射层；

所述P-N电极外延片和带有反射层的硅衬底进行倒装焊接形成大功率LED倒装芯片。

所述N型高掺杂层为Al，In，Ga，N，In或Si高掺杂GaN欧姆接触层，掺杂量级为8×10¹⁸～1×10²⁰/cm³；其厚度为0.05～0.5μm。

所述准垂直混合式N型高掺杂GaN LED的N电极是用干法或湿法蚀刻，从P型GaN欧姆接触层小部分位置处一直垂直刻蚀到高掺杂N型GaN欧姆接触层而形成。

本发明所述的准垂直混合式N型高掺杂氮化镓基LED芯片制作工艺方法包括如下步骤：

首先制作P-N电极N型高掺杂外延片，并包括如下步骤：在蓝宝石衬底上采用ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，形成P-GaN层和发光层，并使P-GaN层和发光层与其下面的高掺杂N-GaN层形成电接触，刻蚀时用光刻胶或SiO₂作掩膜；由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束蒸发分别形成引出的P-N电极；在P-N电极之间采用PECVD(等离子增强化学汽相淀积)生长一层70nm-120nm的SiO₂钝化层；

然后制作带有反射层的硅衬底，包括如下步骤：在本征半导体硅衬底上利用PECVD淀积一层P-N电极的电学隔离层，该电学隔离层为SiO₂或Si₃N₄绝缘层，厚度为50nm-100nm，然后用磁控溅射或电子束蒸发一层厚度为200nm-300nm的金属反射层，该金属反射层采用TiAl(钛铝)或TiAg(钛银)；

最后，将制作好的P-N电极外延片分割成1000μm×1000μm的器件，将制作好的带反射层的硅衬底分割成1400μm×1200μm的器件，将两者用Die Bond(倒装焊接)和Wire Bond(金丝焊接)设备进行倒装焊接在一起。

由于N型高掺杂层的高导电率可使电流不拥挤在其周围而能均勻将电流横向分布传播至整个元件，电流得以准垂直自下流上经过P型层和活性层，然后经N型高掺杂层横向流至N电极，发光层的材料得以充分应用，增大电流密度，降低LED工作电压和电阻，产生的热量减少，出光效率提高，有效地改善了电流分布，使热源分布和发光强度更加均匀。因此，采用本发明的方法可使LED倒装芯片电流分布均匀，使LED的电流密度增大，使LED的电阻降低，产生的热量减少，出光效率提升，从而提高芯片的质量和性能。

附图说明

图1现有技术倒装芯片结构示意图

图2本发明准垂直混合式N型高掺杂GaNLED芯片结构示意图

图3有N型高掺杂层和无N型高掺杂层的倒装芯片的P-I特性。

图4倒装芯片的体电阻与N型GaN掺杂层的掺杂浓度的关系曲线。

具体实施方式

现有技术倒装芯片结构示意图如图1所示，主要包括蓝宝石衬底、N型GaN层、有源层(MQW)、P型GaN层和硅衬底。

如图2所示，本发明的准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片为倒装芯片，由P-N电极N型高掺杂外延片和带有反射层的硅衬底组成；

P-N电极N型高掺杂外延片包括蓝宝石衬底，蓝宝石衬底具有热导系数低和绝缘的特性。在蓝宝石衬底上形成的高掺杂N-GaN层，在N-GaN层上形成的P-GaN层和(MQWs)有源层(有源层位于N-GaN层和P-GaN层之间)；然后，用干法或湿法蚀刻，小部分蚀刻P型GaN层和有源层，露出N型高掺杂层；由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N电极，在P-N电极之间生长的钝化层；

对于一般倒装芯片元件如图1所示，电流自下流上经过P型层然后至活性层以产生光，接着绕过N型层而局限在N电极周围。对于准垂直混合式N型高掺杂GaN LED元件如图2所示，因N型高掺杂层的高导电率可使电流不拥挤在其周围而能均勻将电流横向分布传播至整个元件，电流得以准垂直自下流上经过P型层和活性层，然后经N型高掺杂层横向流至N电极，发光层的材料得以充分应用，增大电流密度，降低LED工作电压和电阻，产生的热量减少，出光效率提高，有效地改善了电流分布，使热源分布和发光强度更加均匀。图3为两种元件的输出功率-电流特性(P-I)的比较图。对于有N型高掺杂层的元件其光输出在中高电流时(I≥100mA)已有明显改善。前者相对于后者增加了10％～20％。图4为倒装芯片的体电阻与N型GaN掺杂层的掺杂浓度的关系曲线。由图4可见，倒装芯片的体电阻随着N型GaN掺杂层的浓度增加而减少，对于一般的倒装芯片，其掺杂浓度通常＜6×10¹⁸/cm³，如果高掺杂层的掺杂浓度为1×10²⁰/cm³，相应的高掺杂倒装芯片的体电阻与一般的倒装芯片体电阻的比值小于1/2。

下面结合一个具体实施例对本发明所述的大功率LED倒装芯片制作工艺方法进行说明：

如图2所示，本发明准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片主要包括高掺杂N-GaN层，P-GaN层和(MQWs)有源层和硅衬底。

本发明准垂直混合式N型高掺杂GaNLED芯片的制备方法包括如下，在蓝宝石衬底上形成的高掺杂N-GaN层，在高掺杂N-GaN层上形成的P-GaN层和(MQWs)有源层(有源层位于N-GaN层和P-GaN层之间)，以便与N-GaN层形成电接触。然后，用干法或湿法蚀刻，小部分蚀刻P型GaN层和有源层，露出N型高掺杂层。最后将外延片倒扣焊接在硅衬底上。准垂直混合式N型高掺杂GaNLED芯片制备完成后采用芯片测试机进行测试，分析光、电、热参数。

为制备上述准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片，本发明的制备方法，包括以下步骤：运用MOCVD(金属有机化学气相淀积)设备外延生长GaN基N型高掺杂LED结构外延片，衬底为蓝宝石(Al₃O₂)；高掺杂层为Al，In，Ga，N，In或Si高掺杂GaN欧姆接触层，掺杂量级为8×10¹⁸～1×10²⁰/cm²。

采用ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，形成的P-GaN层和发光层，并使P-GaN层和发光层与其下面的高掺杂N-GaN层形成电接触，刻蚀时用光刻胶或SiO₂作掩膜。

之后在P-GaN层上蒸镀一层厚度为200nm-300nm的透明导电薄膜ITO，作为透明导电层。

由P-GaN层和高掺杂N-GaN层采用磁控溅射或电子束蒸发分别蒸镀形成以Ni/Au(镍/金)为金属组合的P-N电极和焊垫。

最后，将制作好的P-N电极外延片分割成1000μm×1000μm的器件，将制作好的带反射层的硅衬底用切割机分割成1500μm×1500μm的器件。将作好电极的P-N电极外延片用激光划片机分割成1000μm×1000μm的器件。将两者用Die Bond(倒装焊接)和Wire Bond(金线焊接)设备进行倒装焊接在一起。

Claims (4)

1、一种准垂直混合式N型高掺杂GaN LED芯片的制备方法包括如下步骤，首先，在蓝宝石衬底上形成的高掺杂N-GaN层，在N-GaN层上形成的P-GaN层和(MQWs)有源层(有源层位于N-GaN层和P-GaN层之间)，以便与N-GaN层形成电接触。然后，ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)，小部分蚀刻P型GaN层和有源层，露出N型高掺杂层。最后将外延片倒扣焊接在硅衬底上。

2、如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述N型高掺杂层为Al，In，Ga，N，In或Si高掺杂GaN欧姆接触层，掺杂量级为8×10¹⁸～1×10²⁰/cm³；其厚度为0.05～0.5μm。

3、所述准垂直混合式N型高掺杂GaN LED被倒扣焊接在高导热性的硅衬底上。

4、所述准垂直混合式N型高掺杂GaN LED的N电极是用干法或湿法蚀刻，小部分刻蚀P型GaN层、露出高掺杂N型GaN层而形成。

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