CN102034912B - 发光二极管外延片、其制作方法及芯片的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的制作方法,采用金属有机源化学气相沉积MOCVD设备,该方法包括:在蓝宝石衬底的背面形成背镀层;所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应;在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层;在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层;在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱;在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。本发明还公开了由上述方法形成的发光二极管外延片,以及包括该外延片的芯片制作方法。采用本发明能够有效提高发光二极管芯片的发光一致性。

Description

发光二极管外延片、其制作方法及芯片的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体照明技术领域,特别涉及一种发光二极管外延片、其制作方法及芯片的制作方法。

背景技术

[0002]目前,由于半导体发光二极管(LED)在使用寿命、能量利用率等方面的优点,成为替代传统光源的新型光源。对于半导体发光二极管来说,光的颜色与光的频率相对应,即与半导体材料的禁带宽度相对应,氮化铟镓是蓝、绿、紫光LED理想的发光层材料,氮化镓的禁带宽度达到3.4电子伏,通过铟的掺杂,可以从0.7至3.4电子伏范围之间调制它的禁带览度。

[0003] 发光二极管的外延片包括在蓝宝石衬底上依次生长的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层。其中,半导体层可以是由II1-V族元素构成的各种基层,例如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等。本申请文件以氮化镓发光二极管为例进行说明。

[0004] 现有技术中氮化镓发光二极管外延片的制作,在金属有机源化学气相沉积(MOCVD)设备中进行,该方法包括以下步骤:

[0005] 步骤11、在蓝宝石衬底上外延生长缓冲层;

[0006] 步骤12、在所述缓冲层的表面外延生长N型氮化镓层;

[0007] 步骤13、在所述N型氮化镓的表面外延生长多量子阱,该层为发光层;

[0008] 步骤14、在所述多量子阱的表面外延生长P型氮化镓层。

[0009] 需要注意的是,发光二极管的发光波长由多量子阱中铟含量多少决定。对于铟含量为13%的多量子阱,生长温度一般为750摄氏度。铟含量对温度非常敏感,温度变化1K,导致铟含量变化0.3%,发光波长变化1.5纳米。而MOCVD设备加热方式为底部加热,这样设备腔体自下而上产生温度的梯度分布,越到设备腔体上部温度越低,从而使蓝宝石上下表面有2K的温度差,此温度差导致蓝宝石相对温度较高的下表面有更大的热膨胀,最终使蓝宝石由平板形状向上翘曲变为碗形。温度梯度的存在使翘曲外延片的中心与边缘有10微米高度差,7K温度差。所以底部加热的MOCVD设备会导致同一片外延片中心与边缘的发光波长有1.5X 7 = 10.5纳米的差异,即形成的LED芯片发光一致性很差。这样产品的良率就比较低,而且由此导致LED芯片制造过程中研磨、抛光、划片、崩裂后,还需要点测、分选,将不同波长的LED芯片分选出来,增加了生产步骤和生产成本。

发明内容

[0010] 有鉴于此,本发明的发明目的是:提高LED芯片发光一致性。

[0011] 为达到上述目的,本发明的技术方案具体是这样实现的:

[0012] 本发明公开了一种发光二极管外延片的制作方法,采用金属有机源化学气相沉积MOCVD设备,该方法包括:

[0013] 在蓝宝石衬底的背面形成背镀层;所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应;

[0014] 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层;

[0015] 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层;

[0016] 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱;

[0017] 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。

[0018] 形成所述背镀层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、印刷或旋涂。

[0019] 所述半导体层为氮化镓层。

[0020] 所述背镀层为氮化铝层,当蓝宝石衬底的厚度为400微米时,所述氮化铝层的厚度为0.27〜0.31微米。

[0021] 所述背镀层为铜钨合金。

[0022] 当所述铜钨合金中铜的含量为10%,蓝宝石衬底的厚度为400微米时,铜钨合金层的厚度为0.51〜0.56微米。

[0023] 本发明还公开了一种由上述方法形成的发光二极管外延片,包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底正面依次形成的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层,其特征在于,所述外延片还包括在蓝宝石衬底背面的背镀层。

[0024] 本发明还公开了一种发光二极管芯片的制作方法,该方法包括:

[0025] 在蓝宝石衬底的背面形成背镀层;所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应;

[0026] 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层;

[0027] 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层;

[0028] 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱;

[0029] 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层;

[0030] 对蓝宝石衬底上P型半导体层和多量子阱的指定区域依次进行刻蚀,直至露出N型半导体层;在露出的N型半导体层上制作N型电极;在P型半导体层上制作P型电极;

[0031] 对蓝宝石衬底的背面进行背部减薄,去除所述背镀层及预定厚度的蓝宝石衬底。

[0032] 由上述的技术方案可见,本发明提供了一种发光二极管外延片、其制作方法及芯片的制作方法。主要是在蓝宝石背面背镀一层热膨胀系数小于蓝宝石的材料,通过此背镀材料来平衡蓝宝石下表面的热膨胀,抑制蓝宝石的翘曲,从而保证蓝宝石上表面的平整,提高外延片发光波长的一致性。

附图说明

[0033] 图1为本发明氮化镓发光二极管外延片制作方法的流程示意图。

[0034] 图2为本发明氮化镓发光二极管外延片的结构示意图。

[0035] 图3为背镀层为氮化铝时,蓝宝石表面的垂直高度分布示意图。

[0036] 图4为背镀层为铜钨合金时,蓝宝石表面的垂直高度分布示意图。

[0037] 图5为本发明氮化镓发光二极管芯片的结构示意图。

具体实施方式

[0038] 为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本发明进一步详细说明。

[0039] 本发明的核心思想是:在蓝宝石背面背镀一层热膨胀系数小于蓝宝石的材料,通过此背镀材料来平衡蓝宝石下表面的热膨胀,抑制蓝宝石的翘曲,从而保证蓝宝石上表面的平整,提高外延片发光波长的一致性。

[0040] 发光二极管的外延片包括在蓝宝石衬底上依次生长的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层。其中,半导体层可以是由II1-V族元素构成的各种基层,例如氮化镓、砷化镓等。本发明实施例仍然以氮化镓发光二极管为例进行说明。

[0041] 本发明氮化镓发光二极管外延片制作方法的流程示意图如图1所示,外延片的制作仍然在MOCVD设备中进行,高纯氢气和氮气作为载气,镓(Ga)、铟(In)、氮(N)源分别为高纯三甲基镓(Ga)、三甲基铟(In)和氨气(NH3)。其包括以下步骤:

[0042] 步骤21、在蓝宝石衬底101的背面形成背镀层102 ;

[0043] 本发明中作为背镀层102的材质,其热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;而且需要确保该材质在整个外延生长的高温过程中不会分解;不与外延生长所使用的金属有机源,例如镓(Ga)、铟(In)、硅(Si)、镁(Mg)源,以及氨气、氢气和氮气发生反应,即在外延生长过程中不与MOCVD设备中的其他物质发生化学反应。背镀层102的制作可以采用各种方法,例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、印刷或旋涂等方法来实现。

[0044] 举例来说,氮化铝(AlN)、铜钨合金等,都可以达到很好地平衡蓝宝石下表面的热膨胀的效果。显然,本发明的背镀层材质包括氮化铝、铜钨合金,但不限于此,只要符合上述条件即可。

[0045] 步骤22、在蓝宝石衬底101的正面外延生长缓冲层103 ;

[0046] 该缓冲层为在低温450°C〜600°C下外延生长的一层非晶GaN层。

[0047] 步骤23、在所述缓冲层103的表面外延生长N型氮化镓层104 ;

[0048] 生长N型氮化镓层的温度为1050°C,N型氮化镓层可以掺硅,硅源可以为硅烷(SiH4)等。

[0049] 步骤24、在所述N型氮化镓层104的表面外延生长多量子阱105,该层为发光层;

[0050] 在750°C的条件下生长所述氮化铟镓多量子阱。

[0051] 步骤25、在所述多量子阱105的表面外延生长P型氮化镓层106。

[0052] 生长P型氮化镓层的温度为1050°C,P型氮化镓层可以掺镁,镁源为二茂镁(Cp2Mg)等。

[0053] 至此,本发明能够获得均匀波长分布的的外延片已经制作完成,其结构示意图如图2所示。

[0054] 经过研究发现,为了获得均匀波长分布的的外延片,背镀层的厚度由背镀材料的热膨胀系数和弹性模量来决定,根据蓝宝石衬底的厚度,将背镀层的厚度控制在一定范围内,才能够有效抑制蓝宝石的翘曲,从而获得均匀波长分布的外延片。

[0055] 本发明第一具体实施例中,以背镀层为氮化铝为例,其热膨胀系数为4.5e_6/K,弹性模量为270季帕(GPa)。在蓝宝石衬底厚度为400微米,AlN厚度为0.27〜0.31微米时,可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下,蓝宝石表面的垂直高度差为0.476微米以下,由温度引起的外延多量子阱的发光波长波动,即同一片外延片中心与边缘的发光波长差异,减小到I纳米以下。

[0056] 图3为当背镀氮化铝的厚度为0.28微米时,可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下,蓝宝石表面的垂直高度分布。从图3中可以看出,越到蓝宝石的边缘,其垂直高度越高,最高值达到1.0421微米,其中心的垂直高度为0.85275微米,从而可以得到蓝宝石表面的垂直差减小到0.2微米。与现有技术中,蓝宝石背面没有背镀层时相t匕,其蓝宝石表面的垂直差大大减少,那么外延片中心与边缘的发光波长差异也就大大减少。

[0057] 本发明第二具体实施例中,以背镀层为含铜量为10%的铜钨合金为例,其热膨胀系数为5.7e-6/K,弹性模量为128GPa。在蓝宝石衬底厚度为400微米,铜钨合金厚度为0.51〜0.56微米时,可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下,蓝宝石表面的垂直高度差为0.476微米以下,由温度引起的外延多量子阱的发光波长波动,即同一片外延片中心与边缘的发光波长差异,减小到I纳米以下。

[0058] 图4为当背镀铜钨合金的厚度为0.53微米时,可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下,蓝宝石表面的垂直高度分布。从图4中可以看出,越到蓝宝石的边缘,其垂直高度越高,最高值达到0.9414微米,其中心的垂直高度为0.81121微米,从而可以得到蓝宝石表面的垂直差减小到0.1微米。与现有技术中,蓝宝石背面没有背镀层时相比,其蓝宝石表面的垂直差大大减少,那么外延片中心与边缘的发光波长差异也就大大减少。

[0059] 从上述实施例可以看出,在制作外延片的过程中,首先在蓝宝石背面形成能够抑制蓝宝石翘曲的背镀层,就能够有效提高外延片发光波长的一致性。

[0060] LED芯片包括外延片及电极,而且在电极制作完成之后,需要采用背部减薄的方法,研磨、抛光将蓝宝石的背面磨薄,这样易于LED芯片的分割切片。所以背镀层恰好在背部减薄的过程中被去除,那么接下来,芯片的制作工艺与现有技术相同,不需要另外采取措施来对背镀层进行处理,所以本发明氮化镓发光二极管芯片的制作方法,简单易实现,不会降低芯片的产出效率。

[0061] 因此,本发明还公开了一种氮化镓发光二极管芯片的制作方法,该方法包括:

[0062] 步骤51、在蓝宝石衬底101的背面形成背镀层102 ;

[0063] 步骤52、在蓝宝石衬底101的正面外延生长缓冲层103 ;

[0064] 步骤53、在所述缓冲层103的表面外延生长N型氮化镓层104 ;

[0065] 步骤54、在所述N型氮化镓层104的表面外延生长多量子阱105,该层为发光层;

[0066] 步骤55、在所述多量子阱105的表面外延生长P型氮化镓层106 ;

[0067] 步骤56、对蓝宝石衬底101上P型氮化镓层106和多量子阱105的指定区域依次进行刻蚀,直至露出N型氮化镓层104 ;在露出的N型氮化镓层104上制作N型电极501 ;在P型氮化镓层106上制作P型电极502。

[0068] 步骤57、对蓝宝石衬底101的背面进行背部减薄,去除背镀层102及预定厚度的蓝宝石衬底101。

[0069] 通过上述步骤形成的氮化镓发光二极管芯片的结构示意图如图5所示,从图5中可以看出,此时芯片的结构与现有技术基本相同,而且背镀层已经在背部减薄的过程中去除,但该芯片的发光一致性已经得到有效的提高。这正是由于其中外延片的翘曲得到了抑制,所以即使MOCVD设备为底部加热,且在设备腔体内产生温度梯度,也不会在外延片表面产生较大的温差,因此就不会影响LED芯片的发光一致性。

[0070] 以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。对于各种发光二极管,只要形成背镀层能够抑制蓝宝石衬底的翘曲,提高芯片的发光一致性的技术方案,都在本发明的保护范围内。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发光二极管外延片的制作方法,米用金属有机源化学气相沉积MOCVD设备,该方法包括: 在蓝宝石衬底的背面形成背镀层;所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应;所述蓝宝石衬底的厚度为400微米;所述背镀层为氮化铝层,所述氮化铝层的厚度为0.27〜0.31微米;或者所述背镀层为铜钨合金,所述铜钨合金中铜的含量为10%,铜钨合金层的厚度为0.51〜0.56微米; 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层; 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层; 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱; 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,形成所述背镀层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、印刷或旋涂。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述半导体层为氮化镓层。
4.一种由权利要求1至3任一项所述的方法形成的发光二极管外延片,包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底正面依次形成的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层,其特征在于,所述外延片还包括在蓝宝石衬底背面的背镀层。
5.一种发光二极管芯片的制作方法,该方法包括: 在蓝宝石衬底的背面形成背镀层;所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数;所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应;所述蓝宝石衬底的厚度为400微米;所述背镀层为氮化铝层,所述氮化铝层的厚度为0.27〜0.31微米;或者所述背镀层为铜钨合金,所述铜钨合金中铜的含量为10%,铜钨合金层的厚度为.0.51〜0.56微米; 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层; 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层; 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱; 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层; 对蓝宝石衬底上P型半导体层和多量子阱的指定区域依次进行刻蚀,直至露出N型半导体层;在露出的N型半导体层上制作N型电极;在P型半导体层上制作P型电极; 对蓝宝石衬底的背面进行背部减薄,去除所述背镀层及预定厚度的蓝宝石衬底。
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