CN101452988A - 一种薄膜型led制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜型LED制备方法，属于半导体芯片制备技术领域。本发明通过在外延层上激光划片得到锲型凹槽，然后利用反应离子刻蚀得到侧面倾斜的P型梯形台面，接着在该梯形台面上制备p型欧姆接触和反射电极，在除电极外的其余部分制备绝缘钝化层，然后在整个LED外延层和基板上均匀涂上适量的、高导热率、膨胀系数和弹性模量匹配的导电银胶，高温键合后激光剥离蓝宝石衬底，清洁表面，在表面形成n电极，对电极以外的出光表面进行粗化处理，减薄基板至所需厚度并在其背部制备欧姆接触和共晶焊垫。最后进行激光划片，裂片，得到薄膜型LED芯片。本发明可减少激光剥离带来的芯片破裂，增加芯片侧面光的出射，同时增加粘接强度，提高芯片出光效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜型LED，尤其涉及一种通过激光剥离蓝宝石衬底，把GaN基LED外延薄膜转移到导热衬底上的LED制备方法，属于半导体芯片制备技术领域。
背景技术
在传统的正装LED制备方法中，通常在蓝宝石衬底上生长GaN基LED，由于蓝宝石的绝缘和导热性能较差，LED芯片正负电极均要在芯片上制备，同时得到的芯片工作温度偏高。解决上述问题的一个主要方法是通过激光剥离(LLO)方法去除蓝宝石衬底。为了达到这个目的，首先要将LED电极做好，然后把外延层键合到一导热、导电的半导体晶片或金属基板或陶瓷基板上，接着通过激光照射蓝宝石分解界面处的GaN，从而实现蓝宝石衬底的剥离。
为了能得到完整的芯片，一般情况下要将芯片在蓝宝石以上区域彼此分离开来，以保证剥离时应力释放不致影响相邻的区域。为了进一步保护芯片的完整性，在这些分离的槽中填充一些材料，这些材料包括感光树脂，聚酰亚胺等，保证GaN分解时产生的气体不会通过槽中的空隙对芯片造成裂缝。另外一方面，这些材料还能够提供较为平整的表面，为外延层键合或电镀提供条件。
因为银胶的导热、导电性较好，同时具有柔性，常常作为键合外延层和基板的粘接材料。但是，平面化的工艺很少使用导电银胶，因为侧面的银胶填充很容易导致LED正负电极的短路或漏电。银胶的耐热性能低，不利于剥离后氮面接触的制备。若能利用银胶同时作为粘接材料和平面化材料，并使用低温的氮面接触工艺，将大大降低激光剥离工艺难度，提高薄膜LED制备的成品率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种通过激光剥离方法制备薄膜型LED的方法，以减少激光剥离带来的芯片的破裂，增加芯片侧面光的出射，同时增加粘接强度，提高芯片出光效率和可靠性。
本发明通过在外延层上激光划片得到锲型凹槽，然后利用反应离子刻蚀得到侧面倾斜的P型梯形台面，接着在该梯形台面上制备p型欧姆接触和反射电极，在除电极外的其余部分制备绝缘钝化层，然后在整个LED外延层和基板上均匀涂上适量的、高导热率、膨胀系数和弹性模量匹配的导电银胶，高温键合后激光剥离蓝宝石衬底，清洁表面，在表面形成n电极，对电极以外的出光表面进行粗化处理，减薄基板至所需厚度并在其背部制备欧姆接触和共晶焊垫。最后进行激光划片，裂片，得到薄膜型LED芯片。
具体来说，本发明包括下列步骤：
a)在蓝宝石衬底(1)上生长GaN基LED外延层(2)；并在所述外延层(2)上进行激光划片，划片深度超过外延层(2)的厚度；
b)在外延层(2)上通过反应离子刻蚀形成梯形台面(21)，并在其上形成p型欧姆接触(31)和反射电极(32)；在外延层(2)上除所述反射电极(32)以外的区域形成钝化保护层(4)；
c)在基板(5)上形成欧姆接触(6)，并通过导电银胶(7)将所述外延层(2)粘合至所述欧姆接触(6)；
d)激光剥离衬底(1)，去除镓滴，清洁表面，去除非掺GaN层，得到n接触层表面(22)；
e)在表面(22)上形成和反射电极(32)对应的n电极(8)，并对表面(22)进行粗化，得到锥形结构(9)；
f)对基板(5)进行磨片至所需的厚度，在其表面形成欧姆接触(101)和共晶焊垫(102)；
g)在表面(22)进行激光划片，并作裂片处理，获得薄膜型LED。
优选地，步骤a)所述划片在外延层(2)上形成的凹槽的侧壁和衬底(1)之间的倾角在70°-85°的范围内；
优选地，步骤b)所述梯形台面(21)的底部到达n-GaN层，其高度在0.6-2μm之间，台面的底角在65°-85°的范围内；所述欧姆接触(31)的成分为ITO或Ni/Au，所述反射电极(32)的成分为Ti/Ag/Ti/Au或Ni/Ag/Ti/Au，Ag金属反射镜包括连接层Ti或Ni与透明电极相连，以及上面的盖帽层Ti/Au；所述钝化保护层(4)的厚度在0.5微米-2微米范围内；
优选地，步骤c)所述欧姆接触(6)的成分为Al/Ti/Au；外延层(2)通过导电银胶(7)与欧姆接触(6)粘合，从而实现外延层(2)和基板(5)的间接粘接。导电银胶(7)优选具有较高的导热率和导电率，和外延层(2)与基板(5)粘接强度高，且剪切模量较小。导电银胶(7)通过真空键合设备，在适当的温度、压力、时间下，对外延层(2)与欧姆接触(6)进行晶片粘接。Ag颗粒通过倾斜的侧壁将对光子进行反射，其反射率取决于银的颗粒度、含量以及固化的条件。
优选地，步骤d)通过激光剥离的方法去除蓝宝石衬底(1)，激光剥离的方法优选为：使用KrF准分子激光器或YAG固体激光器对蓝宝石衬底面进行扫描，熔化衬底(1)和外延层(2)之间的界面处的GaN，从而剥离掉蓝宝石衬底(1)，使用KrF准分子激光器使用逐片扫描的方式，而YAG固体激光器则是用小光斑连续扫描的方式；
步骤d)优选通过下述方法清洁所述衬底(1)和所述外延层(2)之间的界面：先用稀盐酸清除界面上的镓滴，盐酸:水的体积比例不大于1:1；接着使用基于N2，BCl3，Ar气等离子体干法刻蚀进行氮面表面处理，得到清洁的表面，最后利用反应离子刻蚀去除非掺GaN层，得到n接触层表面(22)。
优选地，步骤e)所述n电极(8)的成分为Pd/Ti/Al或Cr/Pt/Au或Ti/Al/Ni/Au等；优选通过热磷酸溶液进行表面(22)的粗化。
优选地，步骤f)所述欧姆接触(101)的成分为Al/Ti/Au，所述共晶焊垫(102)的成分为AuSn合金，SnAgCu合金，PdIn合金等，共晶焊垫(102)的厚度为2-5微米之间。
优选地，步骤g)所述激光划片在n-GaN面进行，优化划片条件，划片凹槽侧面的倾角大于80度，划片深度到达基板(5)内部10微米以上。
更具体来说，本发明方法具有下述重点：
(1)本发明采用激光划片，通过调整激光光斑大小、脉冲能量、宽度、周期等参数，可以调节外延层表面划槽的宽度与侧壁的倾角，从而使得下面步骤中的钝化保护层能够很好的保护侧壁不受银胶影响，同时能够保证银胶在划槽内的填充，确保平面化的效果。
(2)利用反应离子刻蚀去除PN结区边沿的激光辐照后的GaN，可消除出光和漏电的不良影响。这是因为激光划片会熔融边沿的GaN，从而在侧面形成非辐射复合的缺陷以及在PN结区形成导电的微通道，从而降低芯片的发光效率和增加反向漏电流。
(3)利用反应离子刻蚀得到倾斜的p型梯形台面，可增加侧面出光向表面反射。
(4)基于Ag的反射层包括反射电极上的Ag金属以及侧面的导电银胶中的Ag颗粒。Ag金属反射镜包括连接层Ti或Ni与透明电极相连，以及上面的盖帽层Ti/Au。而Ag颗粒的反射率取决于银的颗粒度、含量以及固化的条件。本方法可通过Ag的反射增加芯片的出光效率。
(5)通过梯形台面的倾斜侧面和激光划片凹槽的倾斜侧面，增加了钝化绝缘层在侧面的保护作用，从而为导电银胶平面化工艺创造条件。
(6)通过高导热率、膨胀系数和弹性模量匹配的导电银胶增加导热效率，同时柔性连接，减小剥离后应力所带来的损伤。
(7)通过对键合转移基板和LED外延层的双面银胶涂敷和预加热工艺，保证表面银胶中混入的气泡去除。同时调整键合的温度，压力和时间，保证银胶的厚度、应力和固化效果。
(8)KrF准分子激光剥离因为其激光束斑较大，采用逐片剥离的工艺，可消除临近的单元照射相互影响；而YAG固体激光器剥离则采用小光斑，低束斑能量的连续扫描方式，可有效地减少剥离损伤。
(9)激光剥离后的表面为氮面和激光分解的GaN表面，其常规的干法刻蚀条件使得氮面表面形貌差，影响出光和欧姆接触。本发明采用基于N2，BCl3，Ar气等离子体干法刻蚀进行氮面表面处理，得到清洁平整的氮面，有利于出光和氮面接触的制备。
(10)在外延结构中制备出高电导率的接触层，以方便氮面的欧姆接触的制备，从而降低对银胶耐温的要求，使得本工艺得以顺利实现。
(11)利用热磷酸溶液的腐蚀，可以得到粗化的表面，同时不对钝化保护层，银胶等构成影响。
(12)采用高导电率的硅片，同时最后研磨硅片，保证低温欧姆接触工艺的实现，同时降低垂直电极结构的串联电阻。在工艺上厚硅片满足了键合的需要。另外蒸镀SnAgCu合金作为键合金属有效地降低芯片共晶焊的温度，避免芯片在封装中的损伤。
和现有技术相比，本发明具有以下几个方面的优点：
(1)提高器件的可靠性，降低激光剥离衬底造成的损伤。银胶由银粉和树脂混合而成，具有一定的柔性，可以有效弛豫激光剥离产生的应力；银胶和钝化保护层一起作为平面化的材料，有效降低芯片的裂纹；由于倾斜的侧面，钝化膜有效地阻止了银胶引起的漏电；采用合适的激光剥离工艺，进一步降低芯片剥离过程中的损伤；
(2)增加出光效率。基于Ag的反射层包括欧姆电极上的Ag金属反射层以及倾斜侧面的导电银胶中的Ag颗粒，通过Ag的反射增加芯片的出光效率；氮面的处理和出光表面粗化，有利地增加了光的出射；同时接触层和n型GaN电极图形的设计，有效地提高电流扩展均匀性，减少电极面积，增加出光；
(3)降低工作电压，减小漏电流。使用n型接触层及短周期超晶格增加电流扩展效率，降低接触电阻，另外采用高电导率的硅片和低温欧姆接触，降低LED工作电压；通过倾斜的侧面和厚的钝化层保证了对银胶的隔离效果，减少漏电，通过反应离子刻蚀手段消除激光划片造成的漏电和对出光的影响；通过优化外延层键合条件和激光剥离条件，减少应力残余和应力释放的影响，减少漏电；
(4)减少芯片的热阻。通过高导热率的银胶和转移衬底，有效地降低了热阻；同时力学参数的匹配，提高了材料界面的稳定性，保证热流畅通；通过优化的外延层键合工艺，极大减少键合界面的气泡产生；使用共晶焊接层，减低热阻。
附图说明
图1-7是本发明实施例制备方法过程中的状态示意图，其中：
图1表示激光划片后的状态示意图；
图2表示反应离子刻蚀形成梯形台面的状态示意图；
图3表示p型欧姆接触上形成反射电极和钝化保护层后的状态示意图；
图4表示经导电银胶粘合外延层和硅基板后的状态示意图；
图5表示激光剥离衬底并清洁表面后的状态示意图；
图6表示在表面上形成n电极和锥形结构后的状态示意图；
图7表示形成基板欧姆接触和共晶焊垫后的状态示意图。
图8是本发明实施例制得的薄膜型LED的结构示意图，其中：
图8a是剖面图，图8b是俯视图。
具体实施方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述本发明的最佳实施例。
本实施例制备方法包括下列步骤：
(1)如图1所示，在厚度为350-450微米的蓝宝石衬底1上生长n型接触层的厚GaN基LED外延层2，其厚度为4-10微米；在外延层2上进行激光划片，划片周期为所需的LED芯片的尺寸，划片深度大于其厚度，划片形成的凹槽的侧壁和衬底1之间形成一定的角度，角度范围为70-85°；
(2)如图2所示，使用反应离子刻蚀在外延层2表面形成梯形台面21，梯形台面21位于两个划片凹槽中间的位置，台面的底部到达n-GaN层，厚度在0.6-2μm之间，侧壁的倾角在65-85°之间；
(3)如图3所示，在梯形台面21上蒸镀ITO(230nm)或Ni(5nm)/Au(5nm)，500度合金化后得到p型GaN低电阻欧姆接触31；
(4)如图3所示，在p型欧姆接触31上蒸镀Ti(10nm)/Ag(200nm)/Ti(20nm)/Au(200nm)或Ni(10nm)/Ag(200nm)/Ti(20nm)/Au(200nm)，250度合金后得到反射电极32，其对发光具有较高的反射率并与欧姆接触31具有较好的黏附性；
(5)如图3所示，使用PECVD方法在外延层2上形成厚0.5-2微米的钝化保护层4，并利用光刻胶和腐蚀剂反刻出反射电极32的图形，使得外延层2表面的其他地方，包括划槽内均形成厚的钝化保护层4；
(6)如图4所示，在厚度400-550微米的硅片5上蒸镀Al(20nm)/Ti(50nm)/Au(200nm)，500度合金得到欧姆接触6；用高导热率、膨胀系数和弹性模量匹配的导电银胶7对上述LED外延层2和欧姆接触6进行真空键合；可适当调整键合方式，温度，压力和时间，以减少键合层应力和孔洞的发生；
(7)如图5所示，用KrF准分子激光器或YAG固体激光器对蓝宝石衬底1和外延层2之间的界面进行适当能量的照射，剥离掉蓝宝石衬底1，得到n面向上的通过导电胶体转移衬底的LED。
(8)如图5所示，用HCl:H2O体积比不大于1:1的溶液清洗去除界面上的Ga滴，接着使用基于N2，BCl3，Ar气等离子体干法刻蚀进行表面处理，得到清洁的表面，并利用反应离子刻蚀去除1-3微米非掺GaN层；或者使用化学机械抛光(CMP)去除剥离表面和非掺GaN层。
(9)如图6所示，在表面22蒸镀金属Pd(20nm)/Ti(20nm)/Al(60nm)或Cr(20nm)/Pt(30nm)/Au(1200nm)或Ti(20nm)/Al(100nm)/Ni(20nm)/Au(300nm)等，250度低温合金，得到n电极8。
(10)如图6所示，对电极8进行掩模，剩余部分利用热磷酸溶液对表面22进行粗化，溶液温度为80-200度，得到表面22上的锥形结构9，锥形的侧面是优化的出光面，可以显著降低全反射。
(11)如图7所示，进行硅片5的磨片，将其厚度减薄到100-150微米，抛光后蒸镀电极Al(20nm)/Ti(50nm)/Au(200nm)，低温合金，得到低电阻欧姆接触101，然后蒸镀Sn0.965Ag0.03Cu0.005，低温合金，得到共晶焊垫102，厚度在2-6μm之间。
(12)如图7所示，对上述外延层从表面22开始进行激光划片，划片深度达到硅片内部10微米以上，划片形成的凹槽的侧面倾角大于80度，然后进行裂片处理，把芯片单元分开。
根据本实施例方法制得的薄膜型LED芯片的结构如图8a，8b所示，前者是芯片结构的剖面图，后者是芯片结构的俯视图。
Si导热基板5的电导率一般小于0.001Ωcm，厚度一般在100μm左右，下表面为接触电极101和共晶焊垫102，上表面为接触电极6。在基板5和芯片之间是导电银胶7，导电银胶还包围着芯片部分的侧面。芯片的反射电极32与导电银胶7相连。钝化保护层4(厚度：0.5-2μm)与导电银胶7相连，同时还保护着梯形台面21以及芯片的侧面。芯片电极包括P型的欧姆接触层31ITO或Ni/Au，反射电极层32为Ti/Ag/Ti/Au或Ni/Ag/Ti/Au等。P型接触以下梯形台面21是p-GaN，电子阻挡层，有源区，n-GaN层，梯形台面21以下结构包括n-GaN层，短周期超晶格，低阻接触层等，n型欧姆电极8(Pd/Ti/Al或Cr/Pt/Au或Ti/Al/Ni/Au等)，在非电极区还包括锥形结构9。
其平面结构为：Si基板5是1mm的方块单元，其上共晶焊垫102与基板尺寸相同，芯片的出光面22的尺寸为0.99mm的方块单元，基板和间隙间填充约0.5-2μm的钝化保护层4，p型GaN21尺寸为0.92mm，p型欧姆接触31和反射电极32尺寸为0.90mm，钝化保护层4的形状为内0.90mm外1.00mm的方环形，n型电极8的结构是直径0.8mm和0.5mm同心圆环，线宽分别为10μm和15μm，正方形的对角线与圆环相交，在对角线的同一边有两个100μm的焊盘相连。出光面22上制备出锥形的出光结构9。
以上平面结构尺寸1mm是大尺寸芯片的典型值，对任意尺寸芯片，其尺寸可在0.2到5mm范围内变动，芯片组成部分的尺寸也可按比例在适当范围内变动。
本实施例方法制得的LED具有以下特点：
(1)利用导电银胶7的粘黏性优良，外延层2和导热硅基板5柔性连接，可以有效弛豫激光剥离产生的应力；
(2)依靠倾斜的侧面上厚钝化层4的保护，银胶7可以作为平面化的填充材料，减少剥离造成的损伤；
(3)倾斜的侧面增加了钝化保护层4沉积的厚度，有效地减少导电银胶7平面化引起的短路或漏电。
(4)侧面上的银胶可以有效地反射侧面的光子到正面出光，提高发光效率。
(5)低电阻率，较薄的厚度保证了硅基板上降落的较小的电压，比较快的热量传导，同时也有利于低温的硅欧姆接触工艺，进一步降低工作电压。
(6)通过梯形台面21以下结构中短周期超晶格和低电阻接触层，可以有效降低LED工作电压，同时降低n型GaN欧姆接触8的合金温度，减少对粘接银胶的不利影响。
(7)通过锥形的粗化出光表面22，有效增加出光效率。
(8)环形电极结构8和外延层中的短周期超晶格和低电阻接触层，有效地增加了电流扩展的效率，并减少电极的面积，提高出光效率。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明说明书及权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1、一种薄膜型LED制备方法，包括下列步骤：
a)在蓝宝石衬底(1)上生长GaN基LED外延层(2)；并在所述外延层(2)上进行激光划片，划片深度超过外延层(2)的厚度；
b)在外延层(2)上通过反应离子刻蚀形成梯形台面(21)，并在其上形成p型欧姆接触(31)和反射电极(32)；在外延层(2)上除所述反射电极(32)以外的区域形成钝化保护层(4)；
c)在基板(5)上形成欧姆接触(6)，并通过导电银胶(7)将所述外延层(2)和所述欧姆接触(6)粘合；
d)激光剥离衬底(1)，去除镓滴，清洁表面，去除非掺GaN层，得到n接触层表面(22)；
e)在所述表面(22)上形成和反射电极(32)对应的n电极(8)，并对表面(22)进行粗化，得到锥形结构(9)；
f)对基板(5)进行磨片至所需的厚度，在其表面形成欧姆接触(101)和共晶焊垫(102)；
g)在表面(22)进行激光划片，并作裂片处理，获得薄膜型LED。
2、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤a)所述划片在外延层(2)上形成的凹槽的侧壁和衬底(1)之间的倾角在70°-85°的范围内。
3、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤b)所述梯形台面(21)的底部到达n-GaN层，其高度在0.6微米到2微米的范围内，其底角在65°-85°的范围内。
4、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤b)所述欧姆接触(31)的成分为ITO或Ni/Au，所述反射电极(32)的成分为Ti/Ag/Ti/Au或Ni/Ag/Ti/Au。
5、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤b)所述钝化保护层(4)的厚度在0.5微米到2微米的范围内。
6、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，导电银胶(7)通过真空键合设备将所述外延层(2)和所述欧姆接触(6)粘合。
7、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤d)通过使用KrF准分子激光器以逐片扫描的方式，或通过YAG固体激光器以小光斑连续扫描的方式，扫描所述衬底(1)的表面，以熔化所述衬底(1)和所述外延层(2)之间的界面处的GaN，而剥离所述衬底(1)。
8、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤d)通过下述方法清洁所述衬底(1)和所述外延层(2)之间的界面：
用稀盐酸清除所述界面上的镓滴，所述稀盐酸中，浓盐酸和水的体积比不大于1；
用等离子体干法刻蚀方法清洁所述界面；
用反应离子刻蚀方法去除非掺GaN层，得到n接触层表面(22)。
9、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤e)通过热磷酸溶液进行表面(22)的粗化。
10、如权利要求1所述的薄膜型LED制备方法，其特征在于，步骤g)所述激光划片形成的凹槽的侧面倾角大于80度，划片深度到达基板(5)内部10微米以上。
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