CN101494268A - 一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，在蓝宝石衬底上外延生长n－GaN层、有源层和p－GaN层的发光层；在p－GaN层上依次形成金属反射层和扩散阻挡层，蚀刻去除中央局部区域的扩散阻挡层，暴露出金属反射层；在金属反射层上形成第一金属连接层；永久衬底上形成第二金属连接层；将外延片倒装在永久衬底上，使两金属连接层接合并经加温加压形成键合；去除衬底暴露出n－GaN层；制作电极。通过将金属反射层的中央局部区域劣化成高接触电阻区域，在发光层中形成电流阻挡结构，减小发光层中央局部区域的电流注入和减少有源层中央局部区域的发光，并增加其他区域的电流注入和发光比例，从而减少被焊盘遮挡和吸收的发光比例，提高器件的取光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直发光二极管的制作方法，尤其是可以提高取光效率的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法。
背景技术
近年来，垂直结构GaN基发光二极管(LED)已成为研究开发的热点。与传统正装、倒装结构比较，垂直结构LED通过晶圆键合或者电镀、激光剥离(LLO)等工艺的结合，将GaN基外延层从蓝宝石衬底转移到导电和导热性能良好的金属或者半导体衬底材料上，形成电极上下分布，电流垂直注入，从而彻底解决了正装、倒装结构GaN基LED器件中因电极平面分布、电流侧向注入导致的诸如散热不佳，电流分布不均、可靠性差等一系列问题。
对于垂直结构的GaN基LED，出光面是n型GaN基外延层，为了减少衬底与外延层之间的连接金属吸收由有源层向下发射的光并提高界面的反射率，一般需要在p型GaN基外延层和连接金属之间制作一金属反射层，该金属反射层同时必须与p型GaN基外延层形成良好的欧姆接触，以保证器件的工作电压和效率。对于蓝、绿光波段，银(Ag)相比于其他金属材料具有更高的反射率，且能够与p型GaN基外延层形成良好的欧姆接触，所以被认为是垂直结构LED中金属反射层的首选。
图1所示为传统垂直结构GaN基LED的结构和电流分布，垂直结构GaN基LED的负电极(即焊盘)位于器件的顶部，顶部焊盘的存在会遮挡或者吸收从有源层发射向焊盘区域的光。传统的垂直结构GaN基LED，由于金属反射层基本覆盖p型GaN基外延层表面并且n型GaN基外延层的高电导率，所以器件内部的电流基本上是均匀分布的，有源层的发光也是均匀分布的，因此位于焊盘正下方区域的有源层发射的光由于多数是射向焊盘区域，就会被遮挡或者吸收，导致其无法从LED中被取出，因而降低器件的取光效率。
为了避免有源层发出的光被焊盘遮挡或者吸收，必须抑制或者减少焊盘正下方有源层的发光量。比较常用的解决方案就是在LED器件结构中引入一电流阻挡层(Current Blocking Layer，CBL)，美国专利US4864370就是采用该技术方案的典型，其在顶部焊盘下方置入一层不导电的SiO2作为电流阻挡层，通过SiO2层阻止电流注入其正下方的发光层；然而，若将其应用于GaN基垂直结构LED，由于n型GaN基外延层的电导率较高使得电流容易横向扩展，所以焊盘下方的电流阻挡层并不能发挥真正的作用，仍然有较多的电流注入焊盘下方的发光层，而造成该区域有源层发光并最终被焊盘遮挡或者吸收，因而降低了器件的取光效率。图2所示为内置CBL垂直结构GaN基LED的结构和电流分布，其电流分布与传统垂直结构GaN基LED基本相同。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，通过将金属反射层的中央局部区域(该区域与顶部焊盘的垂直投影面相似)劣化成高接触电阻区域，在发光层中形成电流阻挡结构，减小发光层中央局部区域的电流注入和减少有源层中央局部区域的发光，同时增加其他区域的电流注入和发光比例，从而减少被焊盘遮挡和吸收的发光比例，提高器件的取光效率。
本发明为实现上述目的提出一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，包括有下列步骤：
1)制作LED外延片，即在蓝宝石衬底上外延生长一发光层，所述发光层依次包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)在上述p型GaN基外延层上形成一含有Ag或Ag合金的金属反射层，并进行热退火处理；
3)在上述金属反射层上形成一扩散阻挡层，蚀刻去除中央局部区域的扩散阻挡层，暴露出中央局部区域的金属反射层；
4)在上述的扩散阻挡层以及暴露出的中央局部区域的金属反射层上，形成一含有Au或Au合金的第一金属连接层；
5)提供一永久衬底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金属连接层；
6)将上述步骤完成的外延片倒装在永久衬底上，使第一金属连接层和第二金属连接层接合在一起，经加温加压，使外延片与永久衬底形成键合；
7)去除蓝宝石衬底，暴露出n型GaN基外延层；
8)在n型GaN基外延层上的中央局部区域形成一负电极，即焊盘；
9)在永久衬底的背面形成一正电极。
本发明的金属反射层经过热退火处理后与p型GaN基外延层之间形成良好的欧姆接触。
本发明的关键工艺中，外延片倒装在永久衬底，经过加温加压的键合过程，使得第一金属连接层中央局部区域中的Au渗透到金属反射层中并与其中的Ag相互扩散，从而破坏了中央局部区域的金属反射层与p型GaN基外延层已形成的良好欧姆接触，使之劣化形成高接触电阻区域；而除了中央局部之外的其他区域由于存在扩散阻挡层的有效隔离阻挡，避免了金属反射层中的Ag与第一金属连接层中的Au的互相扩散，从而保持了金属反射层与p型GaN基外延层的良好欧姆接触。所以经过工艺步骤六，金属反射层与p型GaN基外延层的接触被分隔为欧姆接触区域和位于中央局部的高接触电阻区域。
利用本发明工艺制作一具有电流阻挡结构的垂直发光二极管。当对器件施加正向偏压时，几乎全部或者绝大部分的电流将依次流经“正电极、永久衬底、第二金属连接层、第一金属连接层、(扩散阻挡层)、金属反射层、欧姆接触区域、p型GaN基外延层、有源层、n型GaN基外延层、负电极(焊盘)”路线，即几乎全部或者绝大部分的电流将通过金属反射层/p型GaN基外延层的欧姆接触区域注入发光层，而通过高接触电阻区域注入发光层的电流比例很小或者几乎为零，这样在垂直发光二极管中就形成一电流阻挡结构，位于焊盘正下方的中央局部区域的发光层几乎没有电流的注入而导致有源层几乎不发光，绝大部分的电流均匀地注入发光层的其他区域并在那里的有源层发生复合并发出光子。在注入电流恒定的情况下，LED有源层发出的光子总数量也基本不变，所以通过在垂直发光二极管中构造电流阻挡结构，可将发光分布在不被焊盘遮挡或者吸收的区域，减少光被焊盘吸收的比例，可以提高发光器件的取光效率。
本发明中，扩散阻挡层的材料选自高熔点金属材Pt、W、WTi及前述任意组合中择其一，或扩散阻挡层的材料选自SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2及前述任意组合中择其一；永久衬底的材料选自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo；键合方式为熔融键合或共晶键合；蓝宝石衬底的去除方式采用激光剥离、研磨或湿法腐蚀。
本发明利用电流阻挡结构在垂直发光二极管中形成合理的器件电流分布和有源层发光分布，减小有源层发光被焊盘吸收的比例，提高器件的取光效率。
图1是传统垂直结构GaN基LED内部电流分布图；
图2是内置CBL垂直结构GaN基LED内部电流分布图；
图3a～3e是本发明优选实施例的发光二极管的制作过程的截面示意图；
图3f是本发明的垂直结构GaN基LED内部电流分布图。
图中：
10：蓝宝石衬底 11：n-GaN层
12：多量子阱层 13：p-GaN层
14：Ag层 15：W层
16：第一金属连接层 17：第二金属连接层
18：Si衬底 19：负电极
20：正电极 21：发光层
100：电极化外延片 200：电极化Si衬底
具体实施方式
下面结合图3a～图3e和优选实施例对本发明作进一步说明。
一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其制作步骤如下：
如图3a所示，在一蓝宝石衬底10上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长发光层21，发光层21依次包括n-GaN层11、多量子阱(MQW)层12、p-GaN层13；在p-GaN层13上蒸镀制作100nm厚的Ag层14作为金属反射层，并在450℃氮气氛围下进行热退火处理；在Ag层14上采用蒸发或者溅射方式镀上一W层15作为扩散阻挡层，厚度为500nm，采用光刻并蚀刻去除中央局部圆形区域的W层15，露出Ag层14，其中圆形区域直径为100微米；在W层15和露出的Ag层14上蒸镀制作第一金属连接层16，材料选用Cr/Au，厚度为50/1000nm。制作完成电极化的外延片100。
如图3b所示，取一Si衬底18作为永久衬底，在其上制作第二金属连接层17，材料选用Cr/Pt/AuSn，厚度为50/100/500nm，其中AuSn比例为80∶20。这样就制作完成电极化的Si衬底200。
如图3c所示，将电极化的外延片100倒装在电极化的Si衬底200上，使得第一金属连接层16和第二金属连接层17相互接合在一起，并在300℃温度、800kg压力条件下实现共晶键合；经过加温加压的键合过程，使得第一金属连接层16中央局部区域中的Au渗透到Ag层14中并相互扩散，从而破坏了中央局部区域的Ag层14与p-GaN层13已形成的良好欧姆接触，使之劣化形成高接触电阻区域；而除了中央局部之外的其他区域由于存在W层15的有效隔离阻挡，避免了Ag层14中的Ag与第一金属连接层17中的Au的互相扩散，从而保持了Ag层14与p-GaN层13的良好欧姆接触。所以经过工艺，Ag层14与p-GaN层13的接触被分隔为欧姆接触区域和位于中央局部的高接触电阻区域。
如图3d所示，采用激光剥离的方式去除蓝宝石衬底10，选用248nm KrF准分子激光器，激光能量密度设定800-1000mJ/cm2，蓝宝石衬底10去除后暴露出n-GaN层11。
如图3e所示，在n-GaN层11的中央局部区域上制作负电极19作为焊盘，电极材料选用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm，焊盘为圆形，直径100微米；在Si衬底18的背面制作正电极20，电极材料选用Ti/Au，厚度50/500nm。
图3f显示了依照本发明方法制作获得的垂直结构发光二极管的内部电流分布，与图1和图2所示的垂直结构GaN基LED的内部电流分布相比，可以发现依本发明所制得的垂直结构发光二极管具有电流阻挡结构，使得焊盘正下方的发光层几乎无电流注入，而注入电流则均匀地分布在中央局部之外的发光层中，这样所有的光都产生于中央局部区域之外的有源层中，避免或大大降低了被焊盘遮挡或者吸收的几率，从而提高了垂直发光二极管的取光效率。
Claims (7)
1.一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，包括下列步骤：
1)制作LED外延片，即在蓝宝石衬底上外延生长一发光层，所述发光层依次包括n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2)在上述p型GaN基外延层上形成一含有Ag或Ag合金的金属反射层，并进行热退火处理；
3)在上述金属反射层上形成一扩散阻挡层，蚀刻去除中央局部区域的扩散阻挡层，暴露出中央局部区域的金属反射层；
4)在上述的扩散阻挡层以及暴露出的中央局部区域的金属反射层上，形成一含有Au或Au合金的第一金属连接层；
5)提供一永久衬底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金属连接层；
6)将上述步骤完成的外延片倒装在永久衬底上，使第一金属连接层和第二金属连接层接合在一起，经加温加压，使外延片与永久衬底形成键合；
7)去除蓝宝石衬底，暴露出n型GaN基外延层；
8)在n型GaN基外延层上的中央局部区域形成一负电极，即焊盘；
9)在永久衬底的背面形成一正电极。
2.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：金属反射层经过热退火处理后与p型GaN基外延层之间形成良好的欧姆接触。
3.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：扩散阻挡层的材料选自高熔点金属材Pt、W、WTi及前述任意组合中择其一。
4.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：扩散阻挡层的材料选自SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2及前述任意组合中择其一。
5.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：永久衬底的材料选自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。
6.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：键合方式为熔融键合或共晶键合。
7.如权利要求1所述的一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：蓝宝石衬底的去除方式采用激光剥离、研磨或湿法腐蚀。
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