CN101335311A - 氮化镓基led大功率芯片的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基LED大功率芯片的制备工艺，其采用两步干法刻蚀工艺，包括：第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，刻蚀出N－GaN层；第二步，在第一步刻蚀完成后，通入BCl3和N2的混合气体作刻蚀气体，刻蚀掉0.05～0.15um厚的N－GaN层。本发明的制备工艺还包括在衬底背面依次蒸镀三层金属膜，先镀一与蓝宝石衬底黏附性好的第一金属膜，接着镀一金属反射的第二金属膜，最后蒸镀一保护金属的第三金属膜。通过上述工艺制备的氮化镓基LED大功率芯片出光率提升约30％，1000小时内的光强衰减降低约10％，且开启电压变小，同一衬底上的制备的氮化镓基LED芯片具有更好的均匀性和稳定性。本发明可应用于氮化镓基LED制备过程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基LED芯片的制备工艺，特别涉及一种氮化镓基LED大功率芯片的制备工艺。
背景技术
氮化镓基LED是目前应用较多的半导体发光二极管。常见的一种大功率氮化镓基发光二极管的结构包括(见图1)：蓝宝石(Al2O3)衬底、缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源层(MQW)、P-AlGaN层、P-GaN层、P型欧姆接触层、透明电极层、N电极和P电极。其工艺实现步骤为：MOCVD法外延生长半导体发光二极管晶片，包括GaN缓冲层到P型接触层；蒸镀法淀积透明电极层，然后进行透明电极熔合处理；干法刻蚀N-GaN台阶；蒸镀法淀积多层金属膜，采用剥离法制得P电极和N电极，然后进行金属熔合处理，获得欧姆接触；沉积钝化层，而后芯片衬底减薄；最后在减薄后LED芯片背面沉积金属反射膜。需要说明的是，未制备电极前的氮化镓基外延片称为晶片，制备电极后称芯片。
现有的干法刻蚀N-GaN台阶工艺中，采用氯气和氩气的混合气体作为刻蚀气体，利用氯离子进行化学反应刻蚀和氩等离子体的轰击作用去除氮化镓，其造成的缺点是：一是等离子体轰击材料时会破坏表面晶格；二是氮化镓晶格中，氮原子的原子量和结合能比镓原子的要弱，故在轰击过程中氮原子更容易离开晶格，由此造成刻蚀后的氮化镓表面氮原子的缺失，造成表面为非化学计量比的氮化镓膜；三是刻蚀后的刻蚀产物聚集在氮化镓材料表面难以及时去除而造成污染，严重时导致刻蚀出的N区表面发黑，影响了氮化镓材料的光电性能，不利于电流在接触表面和芯片内部的扩散，引起局部电流密度集中而发热，从而降低芯片的发光效率。在现有工艺制备的产品中，测试结构表现为电压跨度大，区域和散点电压高，出光不均匀的不良电学和光学特性。同时，现有大功率芯片产品中，局部热量过高、性能不稳定、寿命相对短，生产产量无法提升。故改变刻蚀工艺以改善产品性能是很有必要的。在减薄后LED芯片背面沉积金属反射膜膜以提升散热性和出光率是一种常用的方法，但是直接蒸镀金属反射膜会出现金属反射层易脱落，表面被氧化等不良性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种氮化镓基LED大功率芯片的制备工艺，通过该工艺制备的氮化镓基LED大功率芯片电流分布均匀，出光率高且性能稳定。
为解决上述技术问题，本发明的氮化镓基LED大功率芯片的制备工艺中，干法刻蚀N-GaN台阶分两步进行，第一步采用氯气和氩气的混合气体作刻蚀气体进行主刻蚀，刻出N-GaN层；第二步，在第一步刻蚀完成后，在刻蚀腔体中通入BCl3和N2的混合气体作刻蚀气体，刻蚀掉0.05～0.15um厚的N-GaN层。上述刻蚀工艺中，第一步采用的氯气和氩气流量比可为3∶2，第二步采用的BCl3和N2流量比为1∶3。
本发明还在减薄后LED芯片背面依次蒸镀三层金属膜，先镀一与蓝宝石衬底黏附性好的第一金属膜，接着镀一金属反射的第二金属膜，最后蒸镀一作保护层的第三金属膜。
本发明的刻蚀工艺，通过第一步刻蚀出N-GaN层，通过第二步刻蚀，即采用BCl3和N2混合气体作刻蚀气体，其中BCl3电离为BCl2和Cl，可去除N-GaN层表面第一步刻蚀残留的刻蚀产物，降低表面粗糙度；而氮离子可与表面化学计量层中富余的镓反应，补充氮化镓表面缺失的氮元素；根据氯、氮、镓等离子的化学反应平衡作用，有利于减少晶格损伤，可以得到平坦、均匀台阶，修复材料的光电性能。此外，通过在芯片背面依次镀三层金属膜的方法，改善了蓝宝石与金属的接触界面，使反射金属膜能牢固的黏附在芯片背面，同时又采用在用作反射的金属表面镀钛或铬层以保护金属不被氧化或污染。采用本发明制备的氮化镓基大功率芯片，开启电压变小，出光率提升约30％，1000小时内的光强衰减降低约10％，而且同一衬底上的制备的氮化镓基LED芯片具有更好的均匀性和稳定性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是常见的氮化镓基LED芯片的结构示意图；
图2是本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
图2为本发明的制备工艺流程图，其中外延生长氮化镓发光二级管晶片、透明电极层形成、P电极和N电极的制备、钝化层形成及衬底减薄等与现有技术相同。本发明的两步干法刻蚀工艺包括：第一步，采用Cl2和Ar的混合气体进行主刻蚀，刻出N-GaN台阶；第二步，在第一步刻蚀完后，再通BCl3和N2的混合气体到刻蚀腔体中对氮化镓进行刻蚀，刻蚀掉约0.05～0.15um厚的N-GaN层。本实施例中采用感应耦合等离子体反应刻蚀机进行刻蚀，在生长完氮化镓晶片和镀完透明电极后，利用光刻胶形成刻蚀图形后将晶片送入刻蚀腔体中进行两步刻蚀处理。刻蚀过程为：第一步，以氯气(Cl2)和氩气(Ar)作刻蚀气体进行刻蚀，至刻出N-GaN层，两种气体的流量比设为3∶2。本实施例中，N-GaN层厚约3um，其上约有0.6um厚的氮化镓材料，故第一步刻蚀至少要将0.6um厚的氮化镓材料完全刻蚀掉，露出N-GaN层，也可以刻蚀掉一小部分的N-GaN层。一个具体的刻蚀条件是在气体压力0.6Pa，RF功率120W，ICP功率200W的条件下，刻蚀约7分钟，刻蚀掉约为0.7～0.8um厚的氮化镓材料。第二步，在第一步刻蚀结束后，通入BCl3和N2为刻蚀气体进行再刻蚀，两种气体的流量比约为1∶3，刻蚀掉约0.05～0.15um厚的N-GaN层。将刻蚀设备的参数设置为气体压力0.3Pa，RF功率100W，ICP功率150W后，刻蚀约为3分钟。
上述第一步刻蚀为主刻蚀，将较大厚度的需要去除的氮化镓材料除去，刻出一个基本的N-GaN台阶，而第二步中采用的BCl3和N2混合气体，其中BCl3气体可电离为BCl2和Cl，去除N-GaN台阶表面残留的刻蚀产物，进而降低表面粗糙度，氮气可电离为氮离子，其与表面化学计量层中富余的镓反应，以补充缺失的氮元素，可修复因刻蚀而受损的氮化镓表面。
本发明还提供了一种在减薄后LED芯片背面镀金属层的工艺，其包括依次蒸镀三层金属膜：先镀一层与蓝宝石的黏附性好的第一金属膜，可以选用钛、铬、镍中的任一种，厚度可为10～20nm；接着再镀一金属反射的第二金属膜，可以选用铝或者银，厚度可为500～600nm；最后蒸镀一作保护层的第三金属膜，可以选用为钛或者铬，厚度约为20～30nm，以防止金属反射膜被氧化或者被污染。上述每层金属膜的厚度比可为1∶50∶2，制备时蒸镀腔体的温度可设为100～120℃。
利用本发明的工艺制备的氮化镓基大功率LED芯片中，其N电极和P电极的制备是利用金属剥离技术，得到具有对称梳状结构的电极，这种电极结构有利于电流的均匀扩散。
表1为对氮化镓LED芯片测试结果统计表，其中测试数据为对一个蓝宝石衬底上制备的所有LED芯片测试的结果范围值，测试片1和测试2为原有工艺制备的氮化镓基LED芯片，测试片3-7为采用本发明的工艺制备的氮化镓基LED芯片。从表1的数据中可看到，采用本发明的制备的氮化镓基LED芯片的发光亮度提升了30％左右，1000小时内的光强衰减降低约10％，开启电压更低，且在一片衬底上制备的氮化镓基LED芯片的差别不大，具有良好的稳定性。
表1
| 测试片号 | 波长(nm) | 亮度(mcd) | 电压(V) |
| 1 | 460-462 | 1305-1506 | 3.3-3.6 |
| 2 | 461-463 | 1351-1565 | 3.3-3.6 |
| 3 | 459-463 | 1768-2000 | 3.1-3.2 |
| 4 | 461-464 | 1804-1996 | 3.1-3.2 |
| 5 | 458-463 | 1792-1972 | 3.1-3.2 |
| 6 | 463-466 | 1906-2013 | 3.1-3.2 |
| 7 | 460-465 | 1845-2002 | 3.1-3.2 |
| 8 | 462-465 | 1812-1988 | 3.1-3.2 |
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Claims (5)
1、一种氮化镓基LED大功率芯片的制备工艺，该工艺包括在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓基发光二极管晶片、蒸镀透明电极、干法刻蚀N-GaN台阶、P区和N区电极制备、钝化层形成及减薄后LED芯片背面沉积金属层，其特征在于：
所述干法刻蚀N-GaN台阶分两步，第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，刻蚀出N-GaN层；第二步，在第一步刻蚀完成后，通入BCl3和N2的混合气体作刻蚀气体，刻蚀掉0.05～0.15um厚的N-GaN层。
2、按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述第一步中Cl2和Ar的流量比为3∶2，所述第二步中BCl3和N2的流量比为1∶3。
3、按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述减薄后LED芯片背面沉积金属层为依次蒸镀三层金属膜，先镀一与蓝宝石衬底黏附性好的第一金属膜，接着镀一金属反射的第二金属膜，最后蒸镀一保护金属的第三金属膜。
4、按照权利要求3所述的制备工艺，其特征在于：所述第一金属膜的金属为钛、铬、镍中的任一种，所述第二金属膜的金属为铝或银，所述第三金属膜的金属为钛或铬。
5、按照权利要求3或4所述的制备工艺，其特征在于：所述第一金属膜的厚度为10～20nm，第二金属膜的厚度为500～600nm，第三金属膜的厚度为20～30nm。
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