CN101241964A - 一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件及其制造方法，采用合成分隔法分离各单元GaN基发光器件，结合干法蚀刻去除部分GaN基外延层和激光划开GaN基外延层的方法，可以保证各单元GaN基发光器件间的绝对分隔，降低激光剥离过程裂缝的产生率，又可以保护器件的性能在激光隔离过程不受破坏；在各单元GaN基发光器件间预留区域作为激光剥离牺牲区，并与单元发光器件作隔离，避免在激光剥离过程中激光束交叠照射产生的裂缝延伸并破坏其发光器件，提高激光剥离后发光器件的成品率；激光剥离牺牲区被一金属环裹绕，激光剥离后，牺牲区中的外延层残骸可以容易随金属环的蚀刻而被一并去除。

Description

一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种GaN基半导体发光器件及其制造方法，特别是一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件及其制造方法。

背景技术

目前大多数的GaN基外延主要是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石导电性能差，普通的GaN基发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在N-GaN层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞，产生热量；另外，蓝宝石衬底的导热性能低，因此限制了GaN基器件的发光功率及效率。

将蓝宝石去除将发光器件做成垂直结构可以有效解决散热、出光以及抗静电等问题，目前，较受推崇的当属采用激光剥离蓝宝石衬底(LLO，LaserLift-off)方法。为防止激光剥离过程导致外延裂缝的产生，需要在剥离前将各单元GaN基发光器件彼此隔开，现在一般的做法是按一定的间隔干法蚀刻去除GaN基外延层或采用激光划开GaN外延层的方式形成多个独立分隔的单元GaN基发光器件。然而，这样的做法有存在如下问题：首先，GaN基外延层总厚度一般在4-10μm之间，若单纯通过干法蚀刻去除全部GaN基外延层，则存在蚀刻工艺实现困难及重复性差等缺点，而且很难判断GaN基外延层是否完全去除干净，因此很难实现各单元GaN基发光器件的绝对分隔，导致激光剥离过程裂缝的产生率将会很高；其次，若单纯采用激光划开GaN外延层形成分隔的多个GaN基发光器件，虽然容易实现绝对的隔离，但会引入因激光导致的GaN基发光器件电学和光学性能的退化；另外，在激光剥离蓝宝石衬底过程中，激光是采取扫描照射的方式，激光束交叠照射区域容易产生裂缝，此处的裂缝和损伤将有可能延伸并破坏其发光器件。

发明内容

为解决上述问题，降低激光剥离过程裂缝的发生率和保护发光器件的性能，本发明旨在提出一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件及其制造方法。

本发明解决上述问题采用一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件的制造方法，包括下列步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长具有N半导体层、活性层和P半导体层结构的GaN基外延膜；

2)采用合成分隔法分离各单元GaN基发光器件，即采用干法蚀刻按预定的间隔去除部分GaN基外延层，在蓝宝石衬底上形成两种不同尺寸的多个单元GaN基发光区，其中，较大尺寸区域保留作为发光器件，较小尺寸区域作为激光剥离牺牲区，牺牲区尺寸在40～200μm之间，干蚀刻形成的凹槽深度在0.5～2μm之间，凹槽宽度在5～20μm之间，在激光剥离牺牲区用激光并列先后按一定的间隔划开两道，隔离激光剥离牺牲区，并分隔各单元GaN基发光器件，激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光；采用合成分隔法最主要的目的是可以保证各单元GaN基发光器件间的绝对分隔，降低激光剥离过程裂缝的产生率，另一方面，在各单元GaN基发光器件间预留区域作为激光剥离牺牲区，并与单元发光器件作隔离，目的是完全保护发光器件，即避免在激光剥离过程中，激光束交叠照射产生的裂缝延伸并破坏其发光器件。

3)在P半导体层顶部形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，厚度在80-300nm之间，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，可以通过高温退火改善金属膜与P半导体层的欧姆接触特性和附着力，至此，在激光剥离牺牲区形成金属环裹绕；这个设计的作用是在后续激光剥离激光剥离牺牲区的GaN外延残骸可以很容易随金属环的蚀刻而被去除。

4)在凹槽内沉积钝化膜，填平凹槽，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度在0.5～2μm之间；

5)在金属反射层上沉积多层金属膜，此多层金属层的作用主要是保护反射金属膜；

6)通过粘接材料将GaN基外延连接到支撑部件上，支撑部件具有良好的导热和导电性能，支撑部件由GaAs、Ge、Si，Cu其中任一材料制成；

7)通过LLO方法将蓝宝石衬底与GaN基发光器件分离；

8)通过化学蚀刻将激光剥离牺牲区的金属环去除，随之对应区域的氮化物半导体材料残骸也一起除去；

9)清洁并蚀刻去除顶部部分GaN半导体层，去除凹槽对应位置的N层半导体材料；

10)沉积钝化膜，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度在80～500nm之间；

11)通过光刻将N电极位置的钝化膜蚀刻去除，在钝化膜开孔的位置沉积N电极金属，在支撑部件底部沉积P电极金属；

12)最后，经过划片处理或切断处理的过程形成垂直结构GaN基发光芯片。

依照上述本发明方法制造的一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件，其特征在于：

——提供具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜；

——在P半导体层上形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，厚度为80～300nm；

——钝化层包裹在外延侧壁及除N电极区域除外的N层半导体表面上，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度是100～500nm；

——在反射金属膜上形成多层金属层；

——在多层金属层上形成粘接材料层；

——粘接材料层的上面与支撑部件连接，支撑部件由GaAs、Ge、Si，Cu其中任一材料制成；

——在N半导体层上形成N电极；在支撑部件底部形成P电极。

本发明的有益效果是：采用合成分隔法分离各单元GaN基发光器件，结合干法蚀刻去除部分GaN基外延层和激光划开GaN基外延层的方法，可以保证各单元GaN基发光器件间的绝对分隔，降低激光剥离过程裂缝的产生率，又可以保护器件的性能在激光隔离过程不受破坏；在各单元GaN基发光器件间预留区域作为激光剥离牺牲区，并与单元发光器件作隔离，避免在激光剥离过程中激光束交叠照射产生的裂缝延伸并破坏其发光器件，提高激光剥离后发光器件的成品率；激光剥离牺牲区被一金属环裹绕，激光剥离后，牺牲区中的外延层残骸可以容易随金属环的蚀刻而被一并去除。

附图说明

图1a至图11为本发明实施例的发光器件制造过程的截面示意图；

图2为本发明制造方法制得的发光器件的截面示意图；

图中：

100：蓝宝石衬底；         111、112：单元GaN基发光区；

112a：激光剥离牺牲区；    113：凹槽；

120：金属反射膜；         130：钝化膜；

140：多层金属膜；         150：粘接材料层；

200：支撑部件；           160：N电极；

210：P电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件的制造方法，其步骤如下：

第一步：首先，如图1a所示，在蓝宝石衬底100上异质外延生长氮化物半导体外延膜110，此外延膜110具有N-GaN层、活性层和P-GaN层。

第二步：先采用干法蚀刻按预定的间隔去除部分GaN基外延层，在蓝宝石衬底100的外延膜110上形成两种不同大小尺寸的多个单元GaN基发光区111和112，如图1b所示，单元GaN基发光区111宽度尺寸在300μm以上，单元GaN基发光区112宽度尺寸为40～200μm，干蚀刻形成的凹槽113深度为0.5～2μm，凹槽113宽度为5～20μm。

第三步：接着用激光在单元GaN基发光区112区域并列先后按一定的间隔划开两道，完全分隔单元GaN基发光区111，如图1c所示，采用的激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光，至此完成应用合成分隔法完全分离各单元GaN基发光器件111，单元GaN基发光区112作为激光束交叠照射的牺牲区。

在发光器件111表面以及作为激光剥离牺牲区单元GaN基发光区112上沉积欧姆接触及反射金属膜120，如图1d所示，其反射金属膜120材料优选Ag，厚度为80～300nm，也可以是包括Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Pt和Rh中的一种合金制成，通过高温退火改善反射金属膜120与单元GaN基发光器件111的欧姆接触特性和附着力，同时也在激光剥离牺牲区112形成金属环，并在后续112区域半导体残骸的去除时一并去除。

第四步：在凹槽113内沉积钝化膜130，填平凹槽113，形成一个高度一致的平面，如图1e所示，钝化层材料包含SiO₂、Si₃N₄等绝缘材料，0.5～2μm之间。

第五步：随后在图1e形成的平面上沉积多层金属膜材料140，如图1f所示，其中多层金属膜140至少包括金属粘附层，阻挡层和浸润层，粘附层材料可以是Ti、Cr、Al等，阻挡层材料可以是Ni、Pt、TiW(N)等，浸润层材料优选Au，此多层金属膜140主要是起到保护反射金属膜120的作用。

第六步：如图1g所示，通过粘接材料150将GaN基外延粘接到支撑部件200上，支撑部件200具有良好的导热和导电性能，支撑部件200可由GaAs、Ge、Si、Cu等材料制备。

第七步：如图1h所示，通过激光剥离方法将蓝宝石衬底100剥离，此时，作为激光牺牲区的单元GaN基发光区112的氮化物层因激光交叠照射产生许多裂缝112a。

第八步：蓝宝石剥离后，通过化学蚀刻将112中的沉积的反射膜120去除，如此激光牺牲区中的GaN外延残骸112a也随之一并除去，如图1i所示。

第九步：对GaN半导体单元器件111进行清洁，并通过蚀刻将氮化物半导体露出的顶部部分去除，再蚀刻掉凹槽位置残留的N半导体材料，如图1j所示。

第十步：沉积钝化膜130，钝化膜130材料包含SiO₂、Si₃N₄等绝缘材料，厚度为80～500nm。

第十一步：通过光刻将N电极位置的钝化膜蚀刻去除，在钝化膜开孔的位置沉积N电极160金属，在支撑部件底部沉积P电极210金属，如图1k所示。

第十二步：最后，如图11所示，经过如划片处理或切断处理的过程分离开各氮化物半导体单元器件111，形成垂直结构GaN发光芯片，如图2所示，至此，完成根据本发明制造的激光剥离GaN基发光器件。

如图2所示，依照本发明方法制造的GaN基发光器件，其结构是：

具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜；

在P半导体层上形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，厚度为80～300nm；

钝化层包裹在外延侧壁及除N电极区域除外的N层半导体表面上，钝化层材料为SiO₂、Si₃N₄绝缘材料，厚度是100～500nm；

在反射金属膜上形成多层金属层；

在多层金属层上形成粘接材料层；

粘接材料层的上面与支撑部件连接，支撑部件由GaAs、Ge、Si、Cu等材料制备；

在N半导体层上形成N电极；

在支撑部件底部形成P电极。

本发明的方法在降低激光剥离过程裂缝的发生率和保护发光器件的性能方面具有突出的显著性进步。

Claims (2)

1.一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件的制造方法，包括下列步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长具有N半导体层、活性层和P半导体层结构的GaN基外延膜；

2)采用合成分隔法分离各单元GaN基发光器件，即采用干法蚀刻按预定的间隔去除部分GaN基外延层，在蓝宝石衬底上形成两种不同尺寸的多个单元GaN基发光区，其中，较大尺寸区域保留作为发光器件，较小尺寸区域作为激光剥离牺牲区，牺牲区尺寸在40～200μm之间，干蚀刻形成的凹槽深度在0.5～2μm之间，凹槽宽度在5～20μm之间，在激光剥离牺牲区用激光并列先后按一定的间隔划开两道，隔离激光剥离牺牲区，并分隔各单元GaN基发光器件，激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光；

3)在P半导体层顶部形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，厚度在80-300nm之间，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，可以通过高温退火改善金属膜与P半导体层的欧姆接触特性和附着力，至此，在激光剥离牺牲区形成金属环裹绕；

4)在凹槽内沉积钝化膜，填平凹槽，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度在0.5～2μm之间；

5)在金属反射层上沉积多层金属膜，此多层金属层的作用主要是保护反射金属膜；

6)通过粘接材料将GaN基外延连接到支撑部件上，支撑部件具有良好的导热和导电性能，支撑部件由GaAs、Ge、Si，Cu其中任一材料制成；

7)通过LLO方法将蓝宝石衬底与GaN基发光器件分离；

8)通过化学蚀刻将激光剥离牺牲区的金属环去除，随之对应区域的氮化物半导体材料残骸也一起除去；

9)清洁并蚀刻去除顶部部分GaN半导体层，去除凹槽对应位置的N层半导体材料；

10)沉积钝化膜，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度在80～500nm之间；

11)通过光刻将N电极位置的钝化膜蚀刻去除，在钝化膜开孔的位置沉积N电极金属，在支撑部件底部沉积P电极金属；

12)最后，经过划片处理或切断处理的过程形成垂直结构GaN基发光芯片。

2.一种应用合成分隔法激光剥离GaN基发光器件，其特征在于：

——提供具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜；

——在P半导体层上形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，厚度为80～300nm；

——钝化层包裹在外延侧壁及除N电极区域除外的N层半导体表面上，钝化膜材料是SiO₂或Si₃N₄等绝缘材料，厚度是100～500nm；

——在反射金属膜上形成多层金属层；

——在多层金属层上形成粘接材料层；

——粘接材料层的上面与支撑部件连接，支撑部件由GaAs、Ge、Si，Cu其中任一材料制成；

——在N半导体层上形成N电极；在支撑部件底部形成P电极。

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