CN102067339B - 一种制备具有金属衬底的InGaAlN发光二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例提供一种制备发光二极管的方法。该方法包括在生长衬底上刻蚀凹槽，从而在所述生长衬底上形成台面。该方法进一步包括在所述每个台面上制备铟镓铝氮(InGaAlN)多层结构，该结构包括p-型层、多量子阱层、以及n-型层。此外，该方法包括在所述InGaAlN多层结构上沉积一层或多层金属衬底层。该方法还包括剥离所述生长衬底。该方法进一步包括在所述InGaAlN多层结构的两侧形成电极，从而得到垂直电极结构。

Description

一种制备具有金属衬底的InGaAlN发光二极管的方法
技术领域
本发明涉及发光二极管的制造。更具体而言，本发明涉及一种在硅衬底上制备铟镓铝氮(InGaAlN)半导体材料并将这种材料转移至金属衬底上的技术。
背景技术
由InGaAlN半导体材料制备的发光二极管(LEDs)作为背光、固态发光器件已大量用于大屏幕显示、交通灯、光源等应用中。通常InGaAlN多层结构是在蓝宝石或SiC衬底上外延制得，且电极常被置于InGaAlN多层结构的同侧。
已有多种方法开发应用于LED的制造。尽管如此，利用这些方法制备的InGaAlN LED通常具有发光效率低和导热性低的缺点，原因在于透明导电层会吸收有源区发射出的光。此外，同侧电极结构往往导致器件表面面积利用率低。
器件的另一种结构是垂直电极结构。在这种结构中一个电极被置于外延结构上，而另一电极置于导电衬底(如Si衬底)的背面。然而，即使具有垂直电极结构，不透明衬底和欧姆接触层内的吸光问题仍然存在。此外，由于氮化铝(AlN)缓冲层的存在，垂直电极结构会增大LED的启动电压。
制备InGaAlN的一种方法就是采用结合湿法刻蚀技术的晶片邦定法。在这种方法中，InGaAlN多层结构在硅生长衬底上制备，接着InGaAlN结构和导电衬底被压焊至金属邦定层上，然后通过湿法刻蚀剥离硅生长衬底，InGaAlN因此被转移至导电衬底上。这种倒装芯片制备技术制造的器件结构具有两个电极在器件两侧的垂直电极结构，因而与利用其他常规方法制备的LED相比，所制备的LED具有更高的发光效率，更低的启始电压以及更高的表面利用率。但是，在压焊过程期间，由于InGaAlN结构和导电衬底暴露在相对高的压力和温度下，导致LED的可靠性降低，因此对这种方法而言压焊过程的稳定是主要的关切。
尽管蓝宝石也可作为生长衬底材料，但是蓝宝石衬底比硅衬底更贵且更难加工，因此在硅衬底上制备InGaAlN LED更具商业价值。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种制备发光二极管的方法。该方法包括在生长衬底上刻蚀凹槽，从而在所述生长衬底上形成台面。该方法进一步包括在所述每个台面上制备铟镓铝氮(InGaAlN)多层结构，其中该结构包含p-型层、多量子阱层以及n-型层。该方法还包括在所述InGaAlN多层结构之上沉积一层或多层金属衬底层。此外，方法包括剥离所述生长衬底。该方法进一步包括在所述InGaAlN多层结构的两侧上制造电极，从而形成垂直电极结构。
在该实施例的一个变型中，制备所述InGaAlN多层结构包括应用金属有机化学汽相沉积。
在该实施例的一个变型中，沉积所述一层或多层金属衬底层进一步包括制备欧姆接触层，对具有欧姆接触层的所述InGaAlN多层结构进行退火，以及形成腐蚀保护层。
在进一步的变型中，所述欧姆接触层由基于铂-金、铂-铑、镍-金氧化物或铟-锡氧化物的合金组成。
在进一步的变型中，所述欧姆接触层由基于镍-金氧化物、铟-锡氧化物或镍-金氧化物与铟-锡氧化物的组合的透明材料组成。
在进一步的变型中，所述腐蚀保护层由金、铂、钯、铑或不锈钢组成。
在该实施例的一个变型中，所述金属衬底层由适合选择性刻蚀的不同材料组成。
在进一步的变型中，所述金属衬底层包括夹于两个铜层之间的银层。
在该实施例的变型中，剥离所述生长衬底包括化学刻蚀。
在该实施例的变型中，方法进一步包括粗化n-型层表面。
附图说明
这里包括的图形随附于说明书且构成说明书的一部分，并用于描述本发明的一些特征。通过提及的这些图形中的一个或若干个，并结合这里所作出的陈述可以更好地理解本发明。应注意的是图形中说明的特征并没有必要按规定比例绘制。
图1是根据本发明一个实施例的说明LED制备方法的流程图。
图2是根据本发明一个实施例的在生长衬底上制备的InGaAlN结构的晶片级视图。
图3A是根据本发明一个实施例的在生长衬底上制备的LED的横截面视图。
图3B是根据本发明一个实施例的具有欧姆接触层和在p-型层上制备的腐蚀保护层的LED的横截面视图。
图3C-1是根据本发明一个实施例的具有多层金属衬底和在腐蚀保护层上制备的保护层的LED的横截面视图。
图3C-2是根据本发明一个实施例的具有一层金属衬底和在腐蚀保护层上制备的保护层的LED的横截面视图。
图3D是根据本发明一个实施例的具有从硅衬底被转移至金属衬底上的InGaAlN多层结构的LED的横截面视图。
图3E是根据本发明一个实施例的具有在InGaAlN结构上刻蚀并准备用于沉积电极的凹槽的LED的横截面视图。
图3F是根据本发明一个实施例的具有一部分腐蚀保护层被暴露的LED横截面视图。
图3G-1是根据本发明一个实施例的具有在穿透AlN缓冲层的孔内沉积的电极的LED的横截面视图。
图3G-2是根据本发明一个实施例的具有在穿透AlN缓冲层的孔内沉积的电极和粗化的n-型GaN层的LED的横截面视图。
图3G-3是根据本发明一个实施例的具有在粗化的AlN缓冲层和n-型层上沉积的电极的LED的横截面视图。
图3H是根据本发明一个实施例的具有在InGaAlN多层结构的垂直侧面形成的钝化层的LED的横截面视图。
具体实施方式
给出以下的描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且这些描述是在具体应用及其需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用到其它实施例和应用。因而，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最宽范围一致。
本发明的实施例提供一种制备具有垂直电极结构和金属衬底的InGaAlN-基LED的方法。在一个实施例中，在具有凹槽图形化的硅生长衬底上制备InGaAlN多层结构之后，多层结构从硅生长衬底被转移至导电衬底上。在一个实施例中，利用电镀、离子电镀或磁控溅射在InGaAlN多层结构上沉积预设厚度的金属衬底，随后经化学刻蚀剥离硅衬底。另外，在LED结构的两侧沉积电极。
图1是根据本发明的说明LED制备方法的流程图。在制备过程期间，准备生长衬底(步骤110)，在一个实施例中可以是硅衬底。在一个实施例中，在生长衬底上刻蚀凹槽，形成单个的台面。InGaAlN多层结构可在这些台面上制备，且不会出现晶格系数和热膨胀系数不匹配所引起的裂纹。随后，在图形化结构上制备InGaAlN结构(步骤120)。
接着，在InGaAlN多层结构上沉积含有一层或多层金属层的金属衬底(步骤130)。器件随后被浸入湿法刻蚀液中以去除生长衬底(步骤140)。去除生长衬底后，器件被倒置，并可选择地在缓冲层上形成穿透缓冲层的孔，这样所制成的电极与器件的导电性的p-型层或n-型层接触(步骤150)。
随后，制备欧姆接触层(步骤160)。此外，在器件的两侧形成电极(步骤170)。在一个实施例中，形成钝化层用以保护器件(操作180)。
图2是根据本发明一个实施例的在生长衬底上制备的InGaAlN结构的晶片级视图。图3A-3H是补充图形，用于帮助说明图1中描述的方法。
参照图3A和图1中的步骤110，InGaAlN多层结构303在经刻蚀生长衬底层301上得到的凹槽302形成的其中一个台面上制备。在一个实施例中，有机金属化学汽相沉积(MOCVD)被用于制备InGaAlN结构303。
凹槽302将生长衬底301分割成多个矩形台面。理想的凹槽302的深度应大于3μm，且理想的宽度应在3至100μm范围之内。取决于刻蚀凹槽的方法，台面的形状可是正方形、矩形、菱形、三角形等等。此外，台面的面积可大于100μm2。台面通常的大小是200×200μm2、300×300μm2或400×400μm2。
参照图3A，在一个实施例中，InGaAlN结构303包括在硅生长衬底301上制备的氮化铝(AlN)缓冲层304，n-型氮化镓(GaN)层305，铟镓氮(InGaN)/GaN多量子阱层306以及p-型GaN层307。此外，可在p-型层307上沉积大约2nm厚的InGaN包覆层。InGaN包覆层可掺杂镁或不掺杂镁，且被视为部分p-型层307。2nm厚的InGaAlN包覆层所产生的张力改变了p-型GaN层表面上的极化场，并因此增大了空穴载流子的浓度，从而提高欧姆接触层的质量。
在一个实施例中，A1N缓冲层304可被AlN和GaN组成的交替层替代。缓冲层中的GaN可符合化学计量比。用于n-型层305的掺杂剂可以是硅，而用于p-型层307的掺杂剂可以是镁。多量子阱层306也可以掺有杂质。
参照图3B和图1中的步骤120，在InGaAlN结构303的p-型层307上制备欧姆接触层309。欧姆接触层制备完成后，用填充物310填充凹槽302。随后，在p-型层上沉积腐蚀保护层308。
用于制备欧姆接触层309的材料可是铂-金、铂-铑、镍-金氧化物、铟-锡氧化物等的合金。欧姆接触层309可被下列材料组成的交替层替代：铂和金；铂和铑；铂铑金，或铂铑金的三重合金。在一个实施例中，欧姆接触层309的尺寸小于在台面上制备的InGaAlN的尺寸。
为了激活n-型层305内的掺杂剂，反应室内的InGaAlN结构303在大约760℃时退火。之后，利用蒸发电镀法沉积欧姆接触层309。可选的是，可在InGaAlN结构303上沉积例如由铂组成的欧姆接触。接下来，铂包覆的InGaAlN层303在反应室内在大约550℃时退火大约10min。载气N2和O2之比为4∶1。厚度在10至
Figure BPA00001311317100051
范围内的铂欧姆接触层，吸收对镁有钝化作用的氢原子。
为了避免在p-型和n-型电极之间产生电流拥塞现象，应用光刻可在p-型层上形成一个不被欧姆接触层覆盖的小区域。这个小区域防止多量子阱层发出的光被n-型电极遮挡。
邻接p-型层的欧姆接触层可被制成透明的层，且为了提高LED的光提取效率，可在透明欧姆接触层上沉积附加反射层。在一个实施例中，用上述金属制成的透明欧姆接触层的厚度小于
Figure BPA00001311317100052
透明欧姆接触层也可用氧化物如镍-金氧化物、铟-锡氧化物以及镍-金氧化物和铟-锡氧化物的组合制备而成。在一个实施例中，用氧化物制成的透明欧姆接触层的厚度大约是
Figure BPA00001311317100053
光反射层可由银、铝或具有高反射率的任何合金制成。可选的是，在欧姆接触层和光反射层之间可放置扩散阻挡层。扩散阻挡层，例如由氮化钛制成，具有高透射率且化学性质与物理性质均稳定。因此，它可有效防止金属基光反射层损坏欧姆接触层。
与具有连续图案的欧姆接触层相比，具有格子状图案的欧姆接触层覆盖p-型GaN层的面积更小。因此，为了减少多量子阱层发射出的光的衰减，欧姆接触层可具有格子状的图案。同样地，扩散势垒层也可具有格子状图案，这样光反射层只与不被欧姆接触层覆盖的p-型GaN层部分接触。
密封凹槽302的填充物310可由不导电材料(如光阻材料)或是导电材料(如金属)制成。在InGaAlN结构303上沉积的腐蚀保护层308可通过电子束蒸发，磁力溅射或热阻蒸发来实现。腐蚀保护层308保护金属衬底是导电性的且抗硅刻蚀液的腐蚀。腐蚀保护层308由抗硅刻蚀液腐蚀的纯金属(如金、铂、钯和铑)或合金(如不锈钢合金和含金、铂，钯或铑的合金)制成。在一个实施例中，腐蚀保护层308在InGaAlN结构303上沉积，其具有足够密度且层内没有空隙。
参照图3C-2和图1中的步骤130，利用电镀在腐蚀保护层308上制备由纯金属或合金制成的金属衬底311。其他干法沉积方法，如磁力溅射、离子注入、电子束蒸发以及热阻蒸发也可应用于制备金属衬底。金属衬底可包括一层或多层。在一个实施例中，如图3C-1所示，在腐蚀保护层308上制备的多层金属衬底包括底层311a，中间层311b以及上层311c。此外，保护层314在上层311c上沉积。保护层314可由抗硅刻蚀液的纯金属或合金制成。
在一些实施例中，应用化学刻蚀分割金属衬底。如果金属衬底包括多层，那么多层金属衬底的组成适合必需选择性刻蚀，换句话说，相邻的金属衬底层理想地是由对不同化学溶剂起不同反应的金属制成。例如，多层衬底可包括电镀的铜，银及铜层，也可应用银/铜/银结构。
参照图3D和图1中的步骤140，利用化学刻蚀剥离硅衬底层301。InGaAlN结构303因此从Si(111)衬底301上转移至金属衬底311上，正如图3D所示，在一些实施例中，金属衬底311包括金属层311a，311b和311c。
通常来说，用于剥离硅衬底的硅刻蚀液是硝酸，氢氟酸和乙酸比为5∶2∶2的混合液。化学刻蚀过程在大约80℃时进行。硅衬底层301被剥离后，利用超声波清洗或其他方法去除凹槽302内的填充物310。
参照图3E和图1中的步骤150，由光阻材料、金属、或金属与光阻材料的组合制成的掩膜层315覆盖在AlN缓冲层304上。应注意的是，图3E中所示的LED结构与图3D中旋转180°后的LED结构是一样的。在沉积电极的步骤中，利用感应耦合等离子体刻蚀法在InGaAlN结构303上刻蚀出孔316，也就是电极将要沉积的区域，此后，这些孔被称为电极孔。可选的是在刻蚀过程期间使LED结构在紫外光下曝光。刻蚀孔也可由反应性离子刻蚀或湿法刻蚀完成。用于反应性离子刻蚀过程中的气体可是基于氯气或其他普通用于刻蚀GaN的气体。用于湿法刻蚀的腐蚀液可是磷酸，氢氧化钠或氢氧化钾。
很重要的一点是电极孔没有穿透n-型GaN层305。刻蚀电极孔316后，去除n-型GaN层305的边缘。开口处317表示经过边缘去除处理后的LED结构的n-型GaN层305的边缘。随后去除掩膜315。
参照图3F和图1中的步骤160，在AlN缓冲层304上制备欧姆接触层318和光阻材料制成的掩膜319。用于欧姆接触层318的材料可包括下列合金：锗，镍和金、金和硅、氮化钛、钛和铝、以及选自锗-镍-金、金-硅、氮化锡和锡-铝中的两种或多种材料的组合。此外，在欧姆接触金属层318的上沉积由锡-金或镍-金制成的包覆层，以便于引线键合。
图3F是部分腐蚀保护层暴露的LED的横截面视图。为了提高LED的质量，可去除n-型GaN层305，InGaN/GaN多量子阱层306以及p-型GaN层307的边缘，以减轻器件内的边界效应。在一个实施例中，边缘以腐蚀保护层308的部分320暴露这样一种方式被去除。用于边缘去除的技术可以是干法刻蚀，湿法刻蚀或两者的组合。
参照图3G-1和图1的步骤170，电极321在电极孔316中沉积。腐蚀保护层308的暴露部分320被进一步刻蚀，得到加深的凹槽322，凹槽的底面就是腐蚀保护层308的表面。在上层311c之下的保护层314被刻蚀具有与凹槽322对齐的凹槽323。对应的凹槽322和323有助于随后在后续处理中多层金属衬底311的分割。
正如图3G-2所示，如果需要的话，n-型GaN层305的表面可被粗化，以获得一定的粗糙度。粗化表面的图案可以为六角锥形、六角圆柱形，圆柱形，锥形或环形圆柱的形状。粗化方法可包括光电化学刻蚀，ICP刻蚀或两者的组合。如果光电化学刻蚀用于粗化处理，那么腐蚀液可是磷酸，氢氧化钾或氢氧化钠。
图3G-3是根据本发明一个实施例的具有在粗化的AlN缓冲层和n-型层上沉积的电极的LED的横截面视图。正如在这个例子中所说明的，粗化处理形成了暴露n-型层305的波纹曲面。电极321可在波纹曲面上沉积，且仍可获得与n-型层305的欧姆接触。
参照图3H和图1中的步骤180，在LED结构的垂直侧墙上形成钝化层324。钝化层可由二氧化硅、氧化铝、聚酰亚胺、氮化硅、或者是两种或多种通常用于钝化的材料制成。在完成步骤180时，LED已制备好且准备用于分割，测试，封装及运输。
最佳实施例
以下结合图1中的步骤来阐述本发明公开的方法的最佳实施例。在步骤110中，生长衬底被刻蚀成菱形状凹槽，得到台面。凹槽的深度大约是5μm且宽度大约是50μm。每个台面的面积是50000μm2。利用MOCVD法在生长衬底上制备InGaAlN多层结构，其中该结构包括：缓冲层，其包括AlN和GaN组成的交替层；掺硅n-型GaN层；InGaN/GaN多量子阱层以及掺镁p-型GaN层。
在步骤120中，利用蒸发电镀在p-型层上沉积由铂-金合金制成的欧姆接触层。欧姆接触层的厚度大约是
Figure BPA00001311317100071
反应室内合金包覆的InGaAlN结构在大约550℃时退火大约10min。载气N2和O2之比是4∶1。然后金属制成的填充物填充刻蚀的凹槽，并利用电子束蒸发在InGaAlN结构上沉积由金制成的腐蚀保护层。
在步骤130中，利用电镀法在腐蚀保护层上制备三层金属衬底层，包括电镀铜，银及铜层。另外，在三层金属衬底层上沉积金属保护层。
在步骤140中，利用硅刻蚀液剥离硅生长衬底，其中硅刻蚀液是硝酸，氢氟酸以及乙酸比为5∶2∶2的混合液。化学刻蚀过程在大约80℃时进行。随后，利用超声波清洗将填充物去除。
在步骤150中，利用湿法刻蚀在InGaAlN结构上刻蚀电极孔。用于湿法刻蚀的腐蚀液是磷酸。
在步骤160中，制备由金和硅制成的欧姆接触层，并在欧姆接触金属层之上沉积由锡-金或镍-金制成的包覆层，以便于引线键合。
在步骤170中，除了形成n-型电极的区域外，n-型GaN层的表面被粗化。粗化表面的图案可为六角锥形。用于光电化学刻蚀的腐蚀液是磷酸。然后在n-型GaN层上形成电极。在步骤180中，在LED的垂直侧墙上形成氧化铝制成的钝化层。完成步骤180时，LED制备完成。
本发明实施例的前述描述仅为说明和描述的目的而给出。它们并非穷尽性的，或并不旨在将本发明限制成这里所公开的形式。因而，在不偏离本发明实质前提下可对本发明的特征或组成作出许多修改。另外，上述公开内容并非旨在限制本发明。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种用于制备发光二极管的方法，该方法包括：
在生长衬底上刻蚀凹槽，从而在所述生长衬底上形成台面；
在每个所述台面上制备铟镓铝氮(InGaAlN)多层结构，其中该结构包括p-型层、多量子阱层、以及n-型层；
在所述铟镓铝氮多层结构上沉积多层金属衬底层，所述金属衬底层由适合选择性刻蚀的不同材料组成；
剥离所述生长衬底；以及
在所述铟镓铝氮多层结构的两侧形成电极，从而形成垂直电极结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于制备所述铟镓铝氮多层结构包括应用金属有机化学汽相沉积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于沉积所述多层金属衬底层还包括：
制备欧姆接触层；
对具有欧姆接触层的所述InGaAlN多层结构进行退火；以及
形成腐蚀保护层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述欧姆接触层包括基于铂-金、铂-铑、镍-金氧化物或铟-锡氧化物的合金。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述欧姆接触层包括基于镍-金氧化物、铟-锡氧化物或镍-金氧化物与铟-锡氧化物组合的透明材料。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述腐蚀保护层包括金、铂、钯、铑或不锈钢。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述金属衬底层包括夹于两个铜层之间的银层。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于剥离所述生长衬底包括化学刻蚀。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括粗化n-型层的表面。
10.一种发光二极管，该发光二极管包括：
InGaAlN多层结构，该结构包括p-型层，多量子阱层以及n-型层；
邻接所述n-型层沉积的第一电极；
邻接所述p-型层沉积的多层金属衬底层，所述金属衬底层由适合选择性刻蚀的不同材料组成；
邻接所述多层金属衬底层沉积的第二电极；以及
在LED的垂直侧墙上形成的钝化层；
其中第一和第二电极形成垂直电极结构。
11.根据权利要求10的发光二极管，其特征在于该发光二极管进一步包括：
邻接p-型层的欧姆接触层；以及
腐蚀保护层，其在剥离生长衬底的湿法刻蚀过程中保护金属衬底层。
12.根据权利要求11的发光二极管，其特征在于所述欧姆接触层包括基于铂-金、铂-铑、镍-金氧化物或铟-锡氧化物的合金。
13.根据权利要求11的发光二极管，其特征在于所述欧姆接触层包括基于镍-金氧化物、铟-锡氧化物或镍-金氧化物和铟-锡氧化物的组合的透明材料。
14.根据权利要求11的发光二极管，其特征在于所述腐蚀保护层包括金、铂、钯、铑或不锈钢。
15.根据权利要求10的发光二极管，其特征在于所述金属衬底层包括夹于两个铜层之间的银层。
16.根据权利要求15的发光二极管，其特征在于该发光二极管还包括粗化n-型层的表面。
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