CN101404312A - 一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件及其制备方法，采用干法蚀刻去除部分GaN外延层和激光划开GaN外延层的方法，实现GaN基单元发光器件之间的绝对分隔；钝化膜包裹发光器件侧壁，保证器件与深度补偿膜的绝对电阻断；通过在相互分隔的各单元GaN基发光器件形成的凹槽中沉积深度补偿膜，沉积厚度与两侧台面齐平，形成高度一致的平面，实现GaN基发光器件与支撑部件的无缝隙式键合，降低激光剥离过程裂缝的发生率，提高成品率；且深度补偿膜是具有高反射率的金属材料，保留在发光器件的侧壁部分，可以减少发光器件侧壁的光损失，提高器件的发光效率，并有助于发光器件散热。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基半导体光电器件，特别是一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件及其制备方法。
背景技术
目前大多数的GaN基外延主要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层中横向流动距离不等，存在电流堵塞并产生热量的问题；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；将蓝宝石去除并把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，Laser Lift-off)方法；在激光剥离去除蓝宝石衬底之前，首先必须将GaN基外延膜粘接到另外一种支撑部件上，一种广泛被研究的方法是采用晶片键合(wafer-bonding)的方式将GaN基外延膜粘接到具有高导电和导热性能的GaAs、Ge、Si等支撑部件上，但目前采用晶片键合技术制造垂直结构GaN基发光二极管的成品率还比较低，因此大多数厂家还停留在研发阶段。而其中影响成品率最主要的原因是：为防止激光剥离过程导致外延裂缝的产生，普遍的做法是按一定的间隔去除GaN基外延层，这样各单元GaN基发光器件间形成凹槽，GaN基发光器件和支撑部件键合界面存在空隙而无法紧密粘接，在激光剥离过程中，受激光冲击波的影响，GaN基发光器件容易脱离支撑部件或产生裂缝，致使成品率降低。
发明内容
为解决上述GaN基发光器件与支撑部件键合不良的问题，提高激光剥离后的成品率，本发明旨在提出一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，包括具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜；在P半导体层下形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，厚度是50～500nm；在反射金属膜下形成多层金属膜；在多层金属层膜上形成共晶焊料层；共晶焊料层与支撑部件键合；在N半导体层上形成N电极材料层；在支撑部件底部形成P电极材料层；其特征在于：GaN基发光器件侧壁包裹钝化膜，保证器件与深度补偿膜的绝对电阻断，钝化膜厚度为50～500nm；钝化膜外围和多层金属空隙中填充满高反射金属材料，厚度为0.5～2μm，实现GaN基发光器件与支撑部件的无缝隙式键合，降低激光剥离过程裂缝的发生率，提高成品率；同时发光器件侧壁的高反射率金属材料可减少器件的光损失，提高器件的发光效率并有助于发光器件散热。
本发明的反射金属膜材料还可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh所形成的任一种合金制成；共晶焊料层是AuSn、Sn、AuGe或AuSi低熔点合金材料；支撑部件由GaAs、Ge、Si其中任一材料制成；钝化膜材料为SiO2或Si3N4绝缘材料；高反射金属材料优选金属Al，也可以由Ag、Au、Cu、Pt、Pd和Rh中的一种金属制成。
一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件的制备方法，其制备步骤如下：
(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)结合采用干法蚀刻去除部分GaN外延层和激光划开GaN外延层的合成分隔法按预定的间隔分离形成GaN基单元发光器件，形成的凹槽深度为0.5～2μm，宽度是20～200μm，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厚度是50～500nm，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，可以通过高温退火达到欧姆接触特性并增强其与P半导体层的附着力；
(4)在凹槽内壁和除金属反射层的台面边缘包裹钝化膜，钝化膜材料是SiO2或Si3N4等绝缘材料，钝化膜厚度是50～500nm，钝化膜的高度与上述金属反射层齐平；
(5)在凹槽内沉积深度补偿膜，沉积高度与金属反射层齐平，深度补偿膜是具有高反射率的金属材料，优选Al，也可以是由Ag、Au、Cu、Pt、Pd和Rh中的一种金属制成，厚度是0.5～2μm；
(6)在金属反射层、钝化膜和深度补偿膜顶部覆盖多层金属膜，此多层金属膜的作用主要起到阻挡和保护上述金属反射层的作用；
(7)在厚金属膜上形成共晶焊料层，共晶焊料层共晶焊料层是AuSn、Sn、AuGe或AuSi低熔点合金材料；
(8)通过共晶过程将GaN基外延键合到支撑部件上，支撑部件具有良好的导热和导电性能，支撑部件由GaAs、Ge、Si其中任一材料制成，共晶温度为200～500℃，共晶压力是1000～20000N，至此实现激光剥离蓝宝石衬底前GaN基外延无缝隙的键合到支撑部件上；
(9)通过LLO方法将蓝宝石衬底与GaN外延膜分离，优选KrF准分子激光器；
(10)清洁并蚀刻去除顶部部分GaN半导体层，并去除前述凹槽对应位置残留的GaN外延层；
(11)在各单元发光器件N半导体层顶部形成N电极，在支撑部件底部形成P电极；
(12)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。
本发明的有益效果是：采用干法蚀刻去除部分GaN外延层和激光划开GaN外延层的方法，实现GaN基单元发光器件之间的绝对分隔；钝化膜包裹发光器件侧壁，保证器件与深度补偿膜的绝对电阻断；通过在相互分隔的各单元GaN基发光器件形成的凹槽中沉积深度补偿膜，沉积厚度与两侧台面齐平，形成高度一致的平面，实现GaN基发光器件与支撑部件的无缝隙式键合，降低激光剥离过程裂缝的发生率，提高成品率；且深度补偿膜是具有高反射率的金属材料，保留在发光器件的侧壁部分，可以减少发光器件侧壁的光损失，提高器件的发光效率，并有助于发光器件散热。
附图说明
图1a至图1n为本发明发光器件制造过程的截面示意图；
图2为本发明方法制得的发光器件截面示意图；
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。
如图2所示的一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，包括具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜110；在P半导体层下形成欧姆接触及金属反射层120，其反射金属膜材料优选Ag，厚度是50～500nm；在反射金属膜下形成多层金属膜150；在多层金属层膜150上形成共晶焊料层160；共晶焊料层160与支撑部件200键合；在N半导体层上形成N电极170材料层；在支撑部件底部形成P电极210材料层；本发明的GaN基发光器件侧壁包裹钝化膜130，保证器件与深度补偿膜140的绝对电阻断，钝化膜130厚度为50～500nm；钝化膜130外围和多层金属空隙中填充满高反射金属材料140，厚度为0.5～2μm，高反射金属材料140也称深度补偿膜，其主要功能是实现GaN基发光器件与支撑部件的无缝隙式键合，降低激光剥离过程裂缝的发生率，提高成品率；同时发光器件侧壁的高反射率金属材料可减少器件的光损失，提高器件的发光效率并有助于发光器件散热。
上述本发明发光器件的制备步骤如下：
第一步：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：采用干法蚀刻以周期性的间隔依次去除P-GaN层、活性层，直至露出N-GaN层，周期性的凹槽111形成，如图1b所示，形成的凹槽深度在0.5～2μm之间，宽度在20～200μm之间，在蓝宝石基底100上形成的每个GaN基半导体单元器件110a都具有N-GaN层、活性层和P-GaN层；
在凹槽111区域以预定的间隔采用激光两道并列划开氮化物外延层分隔各GaN基半导体单元器件110a，如图1c所示，形成凹槽112，至此，氮化物半导体单元器件110a彼此间完全隔开连接在蓝宝石基底100上。
第三步：各GaN基半导体单元器件110a顶部形成欧姆接触及金属反射层120，如图1d所示，其反射金属膜材料120优选Ag，厚度在50～500nm中间，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，通过高温退火改善金属膜120与GaN基半导体单元器件110a的欧姆接触和附着力。
第四步：在凹槽112内壁和除金属反射层120外的台面边缘包裹钝化膜130，如图1e所示，钝化膜130是SiO2或Si3N4绝缘材料，也可采用类似的其他绝缘材料，钝化膜130厚度在50～500nm，钝化膜130的高度与上述金属反射层120齐平。
第五步：在凹槽112内沉积深度补偿膜140，如图1f所示，沉积高度与反射层120齐平，保证GaN基发光器件与支撑部件的紧密无缝隙键合，深度补偿膜140是具有高反射率的金属材料，优选Al，也可以是由包含Ag、Au、Cu、Pt、Pd、Rh中所形成的任一种金属制成，厚度为0.5～2μm，最终保留在发光器件的侧壁部分，可以减少发光器件侧壁的光损失，提高器件的出光效率，还可以有效帮助发光器件散热。
第六步：如图1g所示，在图1f形成的顶部沉积多层金属膜150，多层金属膜150包括粘附层、阻挡层、浸润层等多层金属材料，其中粘附层材料可以是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150主要是起到完全保护反射金属膜120的作用。
第七步：在多层金属膜150顶部沉积用于同支撑部件粘接的焊料160，可由AuSn、Sn、AuGe或AuSi等低熔点共晶材料制得，如图1h所示。
第八步：在共晶温度200～500℃条件下，对蓝宝石衬底100和支撑部件200两面加共晶压力是1000～20000N，支撑部件具有良好的导热和导电性能，支撑部件可由GaAs、Ge或Si制备，在本发明提供的设计方案下，通过焊料160作用将GaN基外延膜无缝隙地键合到支撑部件200上，如图1i所示。
第九步：如图1j所示，蓝宝石衬底100通过激光剥离方法与GaN基发光器件110分离，优选KrF准分子激光器，此时，多个GaN基发光器件110a通过多层金属膜连接并重复形成在支撑部件200上，如图1k所示。
第十步：对GaN基发光器件110a进行清洁，并通过蚀刻将GaN半导体露出的顶部部分去除成为GaN基发光器件110b，并通过光刻去除凹槽内残留的GaN外延，如图11所示。
第十一步：在各单元发光器件N半导体层底部形成N电极170，在支撑部件底部形成P电极210，如图1m所示，N电极170可以是包含Cr、Au、Ti、Al等两种或两种以上的金属组合，例如Cr/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au等，P电极210可以是Au或含Au的合金金属，包含Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au、AuGe、AuBe等金属。
第十二步：最后，如图1n所示，经过如划片处理或切断处理的过程分离开各单元发光器件，形成GaN基发光芯片。
至此完成根据本发明制造的垂直结构GaN基发光器件，如图2所示。
Claims (5)
1.一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，包括具有N半导体层、活性层和P半导体层的GaN基外延膜；在P半导体层下形成欧姆接触及金属反射层，其反射金属膜材料优选Ag，厚度是50～500nm；在反射金属膜下形成多层金属膜；在多层金属层膜上形成共晶焊料层；共晶焊料层与支撑部件键合；在N半导体层上形成N电极材料层；在支撑部件底部形成P电极材料层；其特征在于：GaN基发光器件侧壁包裹钝化膜，保证器件与深度补偿膜的绝对电阻断，钝化膜厚度为50～500nm；钝化膜外围和多层金属空隙中填充满高反射金属材料，厚度为0.5～2μm，实现GaN基发光器件与支撑部件的无缝隙式键合，降低激光剥离过程裂缝的发生率，提高成品率；同时发光器件侧壁的高反射率金属材料可减少器件的光损失，提高器件的发光效率并有助于发光器件散热。
2.根据权利要求1所述的一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，其特征在于：反射金属膜材料还可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh所形成的任一种合金制成；共晶焊料层是AuSn、Sn、AuGe或AuSi低熔点合金材料；支撑部件由GaAs、Ge、Si其中任一材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，其特征在于：钝化膜材料为SiO2或Si3N4绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件，其特征在于：高反射金属材料优选金属Al，也可以由Ag、Au、Cu、Pt、Pd和Rh中的一种金属制成。
5.一种无缝隙式键合过程GaN基发光器件的制备方法，其制备步骤如下：
(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)结合采用干法蚀刻去除部分GaN外延层和激光划开GaN外延层的合成分隔法按预定的间隔分离形成GaN基单元发光器件，形成的凹槽深度为0.5～2μm，宽度是20～200μm，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厚度是50～500nm，也可以由Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd、Rh金属所形成的任一种合金制成，可以通过高温退火达到欧姆接触特性并增强其与P半导体层的附着力；
(4)在凹槽内壁和除金属反射层的台面边缘包裹钝化膜，钝化膜材料是SiO2或Si3N4等绝缘材料，钝化膜厚度是50～500nm，钝化膜的高度与上述金属反射层齐平；
(5)在凹槽内沉积深度补偿膜，沉积高度与金属反射层齐平，深度补偿膜是具有高反射率的金属材料，优选Al，也可以是由Ag、Au、Cu、Pt、Pd和Rh中的一种金属制成，厚度是0.5～2μm；
(6)在金属反射层、钝化膜和深度补偿膜顶部覆盖多层金属膜，此多层金属膜的作用主要起到阻挡和保护上述金属反射层的作用；
(7)在厚金属膜上形成共晶焊料层，共晶焊料层共晶焊料层是AuSn、Sn、AuGe或AuSi低熔点合金材料；
(8)通过共晶过程将GaN基外延键合到支撑部件上，支撑部件具有良好的导热和导电性能，支撑部件由GaAs、Ge、Si其中任一材料制成，共晶温度为200～500℃，共晶压力是1000～20000N，至此实现激光剥离蓝宝石衬底前GaN基外延无缝隙的键合到支撑部件上；
(9)通过LLO方法将蓝宝石衬底与GaN外延膜分离，优选KrF准分子激光器；
(10)清洁并蚀刻去除顶部部分GaN半导体层，并去除前述凹槽对应位置残留的GaN外延层；
(11)在各单元发光器件N半导体层顶部形成N电极，在支撑部件底部形成P电极；
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Assignee: Anhui Sanan Optoelectronics Co.,Ltd. Assignor: XIAMEN SANAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: 2011340000311 Denomination of invention: Non-gap bonding course GaN based illuminating device and its production method Granted publication date: 20091118 License type: Exclusive License Open date: 20090408 Record date: 20110811 |
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