CN101872813A - 发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

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发光二极管芯片及其制造方法，高热导率材料作为LED芯片的支撑衬底，支撑衬底上依次为键合材料层、反射层、透明电极层、外延层、n面电极，其制造方法为蓝宝石衬底GaN外延片上蒸镀透明导电层；在导电层上蒸镀反射层；在反射层上涂敷键合材料层，将蓝宝石衬底GaN外延片键合到衬底上；用机械研磨、化学机械抛光、湿法腐蚀相结合去除蓝宝石衬底；采用电感耦合等离子体刻蚀n-GaN、有源层和p-GaN，用氢氧化钾溶液将未掺杂的GaN层刻蚀掉，并对n-GaN表面进行粗化；蒸镀n面电极到n-GaN层，形成欧姆接触。本发明的优点是避免了采用激光剥离蓝宝石衬底对GaN基LED外延层和键合层造成的损伤，同时利用高热导率衬底提高散热效率。

Description

发光二极管芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的芯片及其制造方法，特别涉及一种用集成机械研磨、化学机械抛光和湿法腐蚀剥离方法制造的发光二极管芯片及其制造工艺。
背景技术
GaN基蓝光、蓝绿光发光二极管(LED)广泛应用在仪表指示灯、大尺寸LED背光源、电子广告牌以及各种照明设备中。由于GaN晶体结构、生长条件等方面的限制，生长GaN基LED外延层时，主要选择蓝宝石作为衬底。由于蓝宝石的电导率和热导率差，导致GaN基LED制作工艺复杂、散热差、寿命短，因此限制了高亮度LED的应用。水平电极结构的GaN基LED芯片因为p电极档光，n面上有源区被刻蚀掉，p电极制作复杂，因此很难进一步提高LED的发光功率和效率。为了解决这些问题，美国Cree公司提出了采用SiC作为衬底的上下电极结构的GaN基LED，通过n面出光，有效的解决了散热和档光的问题，而且垂直电导有利于载流子的注入，提高载流子的复合效率。但是SiC比蓝宝石衬底贵，而且加工也更加困难，因此制约了其推广使用。
当垂直结构LED芯片承受的功率达到3～5W时，必须要剥离掉直径为50mm(更大直径为75mm、100mm)的蓝宝石衬底，这样有利于芯片的散热。日本的Nichia公司和德国的Osram公司分别推出了激光剥离蓝宝石衬底，制备垂直结构的LED芯片技术，通过这项技术有效了解决了散热和出光问题，在n面上可以制备微结构，提高光提取效率，同时可以重复利用蓝宝石。采用激光剥离技术和键合技术相结合可以将GaN基LED外延层转移到其它高电导率、高热导率的衬底上(如Si、Cu和Al等材料)，从而消除蓝宝石衬底对GaN基LED带来的不利影响，但是该技术存在如下问题：(1)采用激光剥离蓝宝石衬底容易对GaN基LED外延层造成损伤，影响LED的光性能和电性能。(2)采用激光剥离蓝宝石衬底的工艺过程中产生的温度非常高，而且晶圆键合层距离蓝宝石衬底和GaN的界面仅几微米，因此键合层将受到影响(如重新熔化)。(3)激光剥离技术与旧制程不兼容，设备昂贵。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种发光二极管芯片及其制造方法。采用集成机械研磨、化学机械抛光和湿法腐蚀剥离方法制造的发光二极管芯片。本发明的发光二极管芯片包括：高热导率的衬底、键合材料层、反射层、透明导电层和发光二极管外延层，其特征在于高热导率材料作为垂直结构发光二极管芯片(LED)的支撑衬底，支撑衬底上面为键合材料层，其材料为导电聚合物，键合材料层上面是反射层，其材料为Al或Ag或Pt，反射层上面为透明导电层，其材料为ITO或ATO或ZnO，透明导电层上为发光二极管外延层，发光二极管外延层上面是n面欧姆接触电极，该欧姆接触电极逐层为Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au。
本发明的发光二极管芯片的制造方法包括下列工艺步骤：
(1)将蓝宝石衬底LED外延片在标准溶液中清洗
(2)在蓝宝石衬底LED外延片上蒸镀透明导电层；
(3)在透明电极上蒸镀Al或Ag或Pt作为反射层；
(4)在反射层上涂敷键合材料层；
(5)通过键合材料层将蓝宝石衬底发光二极管芯片外延片键合到高热导率的衬底上；
(6)剥离蓝宝石衬底；
(7)采用电感耦合等离子体或反应离子刻蚀n-GaN、有源层和p-GaN；
(8)采用KOH溶液将未掺杂的GaN层刻蚀掉，并对n-GaN表面进行粗化；
(9)蒸镀n面电极到经过表面粗化后的n-GaN层，形成欧姆接触电极。其中工艺步骤(6)剥离蓝宝石衬底首先采用机械研磨将400um的蓝宝石衬底减薄至60～80um，接着通过化学机械抛光将蓝宝石衬底减薄至5～10um，然后采用湿法腐蚀去除剩余的蓝宝石衬底。
采用一种机械研磨、化学机械抛光(CMP)和湿法腐蚀相结合剥离蓝宝石衬底制造垂直结构LED芯片的工艺，以提高散热效率及LED芯片的综合性能。该制造工艺为在芯片的p-GaN面上采用热蒸发或电子束蒸发形成透明导电层和反射层，然后在反射层上涂敷键合材料层。p-GaN面的透明导电层为ITO或ATO或ZnO，反射层为Al或Ag或Pt，键合材料层为导电聚合物，接着将蓝宝石衬底LED外延片键合到高热导率衬底上，然后采用机械研磨、化学机械抛光(CMP)和湿法腐蚀相结合剥离蓝宝石衬底，采用电感耦合等离子体(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)n-GaN、有源层和p-GaN，用KOH溶液将未掺杂的GaN层刻蚀掉，并对n-GaN表面进行粗化，在n面上制备欧姆接触电极。
本发明的优点是：
1.采用机械研磨、化学机械抛光(CMP)和湿法腐蚀相结合剥离蓝宝石衬底制造垂直结构LED芯片，避免了采用激光剥离蓝宝石衬底对GaN基LED外延层和键合层造成的损伤。
2.采用高热导率材料作为衬底提高了散热效率和LED芯片的综合性能。
3.反射层提高了芯片的出光效率。
4.采用垂直电极结构有效的解决了散热和档光的问题，而且垂直电导有利于载流子的注入，提高载流子的复合效率。
附图说明
图1机械研磨、CMP和湿法腐蚀相结合剥离蓝宝石衬底制造垂直结构LED芯片的横截面图；
图2蓝宝石衬底LED外延片的横截面图；
图3蓝宝石衬底LED外延片上制作透明导电层、反射层和键合材料层的横截面图
图4蓝宝石衬底LED外延片键合到高热导率衬底上的横截面图；
图5对蓝宝石衬底进行机械研磨后的横截面图；
图6对蓝宝石衬底进行化学机械抛光(CMP)后的横截面图；
图7对蓝宝石衬底进行湿法腐蚀后的横截面图；
图8对GaN基LED外延片进行电感耦合等离子体(ICP)刻蚀后的横截面图；
图9对n面进行表面粗化处理，并蒸镀欧姆接触电极后的横截面图。
图中：100衬底、101键合材料层、102反射层、103透明导电层、104p-GaN层、105有源层、106n-GaN层、107欧姆接触电极、108蓝宝石衬底。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：
本发明采用高热导率材料作为垂直结构发光二极管(LED)芯片的支撑衬底100，高热导率衬底100上面为键合材料层101，其材料为导电聚合物，键合材料层101上面是反射层102，其材料为Al或Ag或Pt，反射层102上面为透明导电层103，其材料为ITO或ATO或ZnO，透明导电层103上面为p-GaN层104，p-GaN层104上面为有源层105，有源层105上面为n-GaN层106，n-GaN层106上面是欧姆接触电极107，该欧姆接触电极107逐层为Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au。芯片的p面上制作透明导电层103和反射层102，然后在反射层102上涂敷键合材料层101，接着将GaN基LED外延片键合在具有高热导率的衬底100上，然后剥离蓝宝石衬底108，ICP刻蚀GaN基LED外延片，在n面制备欧姆接触电极。
参见图1，根据本发明制备在高热导率衬底100上的垂直结构LED芯片的结构和特点。高热导率材料作为垂直结构LED的衬底100。高热导率衬底100上面为键合材料层101、反射层102和透明导电层103，反射层材料为Al或Ag或Pt，厚度为100nm，反射层使得透过透明导电层103的光子反射到出光面n-GaN层106。
GaN基LED外延片包含厚度为0.2um的p-GaN层104、厚度为0.1um的多量子阱有源层105和厚度为4um的n-GaN层106，采用KOH溶液对n-GaN层进行表面粗化处理，提高光提取效率。
n-GaN层上面是欧姆接触电极107，其结构为Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au，厚度为200～2000nm。
参见图2～图9，具体说明工艺实施的步骤：
(1)将蓝宝石衬底LED外延片(图2)在标准溶液中清洗。首先将LED样品浸入HCL溶液中处理1分钟，接着在沸腾的王水中处理10分钟，然后在去离子水中清洗；
(2)采用热蒸发或电子束蒸发在p-GaN层104上蒸镀透明导电层103，该透明导电层为ITO或ATO或ZnO，厚度为390nm；
(3)在透明导电层103上蒸镀Al或Ag或Pt作为反射层102，反射层102的厚度为100nm，该反射层102可将射向p-GaN层104的光反射到出光面n-GaN层106；
(4)在反射层102上涂敷键合材料层101；
(5)通过键合材料层101将LED外延片键合到高热导率衬底100上；
(6)剥离蓝宝石衬底：采用机械研磨将400um的蓝宝石衬底108减薄至60～80um，接着通过化学机械抛光(CMP)或改进型CMP将蓝宝石衬底减薄至5～10um，然后采用湿法腐蚀去除剩余的蓝宝石衬底108。湿法腐蚀选用的溶液为硫酸(H2SO4)和磷酸(H3PO4)的混合溶液，硫酸(H2SO4)和磷酸(H3PO4)的质量比为2∶1，湿法腐蚀的温度为270℃；
(7)采用反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体(ICP)刻蚀n-GaN层106、有源层105和p-GaN层104；
(8)采用KOH溶液将未掺杂的GaN层刻蚀掉，并对n-GaN 106表面进行粗化，使用H2SO4/H2O2/H2O溶液清洗n-GaN 106表面；
(9)蒸镀n面欧姆接触电极107到经过表面粗化后的n-GaN层106，形成欧姆接触电极。电极的材料结构逐层为Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au，厚度为200～2000nm。

Claims (9)

1.一种发光二极管芯片，包括：高热导率的衬底、键合材料层、反射层、透明导电层和发光二极管外延层，其特征在于高热导率材料作为垂直结构发光二极管芯片的支撑衬底，支撑衬底上面为键合材料层，键合材料层上面是反射层，反射层上面为透明导电层，透明导电层上为发光二极管外延层，发光二极管外延层上面是n面电极。
2.权利要求1所述的发光二极管芯片的制造方法，包括以下工艺步骤：
(1)将蓝宝石衬底发光二极管外延片在标准溶液中清洗；
(2)在蓝宝石衬底LED外延片上蒸镀透明导电层；
(3)在透明导电层上蒸镀反射层；
(4)在反射层上涂敷键合材料层；
(5)通过键合材料层将蓝宝石衬底发光二极管芯片外延片键合到高热导率的衬底上；
(6)剥离蓝宝石衬底；
(7)采用电感耦合等离子体或反应离子刻蚀n-GaN、有源层和p-GaN；
(8)采用KOH溶液将未掺杂的GaN层刻蚀掉，并对n-GaN表面进行粗化；
(9)蒸镀n面电极到经过表面粗化后的n-GaN层，形成欧姆接触电极。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述工艺步骤(6)剥离蓝宝石衬底首先采用机械研磨将400um的蓝宝石衬底减薄至60～80um，接着通过化学机械抛光将蓝宝石衬底减薄至5～10um，然后采用湿法腐蚀去除剩余的蓝宝石衬底。
4.根据权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述湿法腐蚀选用的溶液为硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸和磷酸的质量比为2∶1，湿法腐蚀的温度为270℃。
5.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述键合材料层为导电聚合物。
6.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述反射层为Al或Ag或Pt。
7.根据权利要求6所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述反射层的厚度为100nm。
8.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述透明导电层为ITO或ATO或ZnO，厚度为390nm。
9.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述欧姆接触电极的材料结构逐层为Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au，多层结构的总厚度为200-2000nm。
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