CN102157649A - 垂直结构氮化镓发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的垂直结构的发光二极管芯片其结构包括：一导热良好的基板，一位于该基板上方的反射层，一位于该基板上至少有一个有源层，第一接触电极和第二接触电极位于该有源层的两侧。其制备步骤包括：在蓝宝石衬底上依次沉积n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层、反射层；在反射层上沉积金属层；将合金衬底基板与沉积金属层的外延片键合在一起；将蓝宝石衬底从n型GaN基外延层剥离；在合金基板上沉积第一接触电极，在n型GaN基外延层的剥离面上沉积第二接触电极。划片切割制成单颗垂直结构的氮化镓发光二极管芯片。本发明解决了剥离蓝宝石衬底导致的翘曲，提高了垂直结构LED芯片制造的成品率。

Description

垂直结构氮化镓发光二极管芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及垂直结构的发光二极管芯片及其制备方法，尤其是垂直结构氮化镓发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
GaN 基蓝紫光、蓝绿光发光二极管( Light emitting diode, LED) 在众多领域有着广泛的应用，如全色平板显示屏、仪表指示灯、蓝绿色交通灯以及各种照明设备。LED作为新一代绿色固体照明光源，未来将朝着超高亮大功率方向发展。
由于GaN 属于六方晶系结构，并且生长温度高, 目前的GaN 基LED 主要是异质外延在与之晶系结构相容的蓝宝石衬底上。现行主流制备工艺是制作LED水平结构：通过干法刻蚀GaN外延层，露出N型GaN层，并通过蒸发在芯片同一面制作正负电极；这种工艺一方面受到正负两电极阻挡出光的影响，减少了正面的出光面积，影响亮度；另一方面水平结构对大尺寸LED芯片的表面出光均匀性也有较大影响。同时蓝宝石衬底的电导率和热导率都比较低, 封装后应用影响器件的电学特性和寿命，此工艺需要多次的光刻和刻蚀工艺，制作周期长，成本高，不利于高亮发光二极管（HB-LED）的照明应用。
现解决HB-LED导热性问题，流行采用导热性较好的铜基板做热沉（导热系数可达490W/mk），是蓝宝石衬底的10倍之多，但是热膨胀系数较高19（蓝宝石的膨胀系数为5），差距较大，在热环境要求太苛刻的情况下，芯片容易崩裂，并受到芯片尺寸的限制。
为解决以上问题，在原有的氮化镓异质外延的基础上，置换导电性和导热性较好的材料做基板；蓝宝石移除方法有刻蚀，激光剥离和机械研磨的方法，其中最有效的是激光剥离。但是激光剥离中会释放氮化镓与蓝宝石基板界面的应力，导致剥离中晶圆翘曲不利于制品加工。为了确保后期加工的成品率，需要减少因剥离时的翘曲量，提高剥离均匀性。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种利用转移衬底技术，将合金衬底做绑定基板的垂直结构氮化镓发光二极管芯片及其制备方法，以有效解决剥离衬底导致的翘曲，提高垂直结构LED芯片制造的成品率。
本发明的一种垂直结构的发光二极管芯片其结构包括：一导热良好的基板，一位于该基板上方的反射层，一位于该基板上至少有一个有源层，第一接触电极和第二接触电极位于该有源层的两侧。
本发明的垂直结构氮化镓发光二极管芯片，自下而上依次有第一接触电极、 合金衬底基板、金属层、反射层、p型GaN基外延层、有源层、n型GaN基外延层和第二接触电极。
上述的合金衬底基板为Si/Al合金基板，Si重量百分比为30%-90%。厚度范围为10um-10mm，基板面尺寸大小范围为2英寸到12英寸。
垂直结构氮化镓发光二极管芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）采用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底上依次沉积n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层；
2）采用电子束蒸发、气相沉积法、溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延或溶胶凝胶法在p型GaN基外延层上沉积反射层；
3）采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积或电镀法在反射层上沉积金属层；
4）将合金衬底基板与沉积金属层的外延片键合在一起；
5）采用激光剥离法将蓝宝石衬底从n型GaN基外延层剥离；
6）采用电子束蒸发或溅射法在合金基板上沉积第一接触电极， 在n型GaN基外延层的剥离面上沉积第二接触电极；
7）划片切割制成单颗垂直结构的氮化镓发光二极管芯片。
本发明中，步骤5）中激光剥离法所用的激光波长为355nm或266的激光器。
本发明中，所述反射层是厚度为 1nm-500nm金属反射层或全方位反射镜结构ODR反射层或分布式布拉格反射镜结构DBR的反射层。其中金属反射层为Ag、Al、Pt或Rh金属反射层。
本发明中，金属层所用材料为Au、Sn、Ti、W、Ag、Cu、Al、Pd、In和Pb中的一种或几种合金按任意方式组合层排的金属层。
本发明中，第一、第二接触电极为金属铝、银、金、锡、镍、铬、钛、铍或金属合金。
本发明中，合金衬底基板为热膨胀系数在3-7u/m/℃之间，导热系数大于50W/mK 的Cu/W、Mo/Cu，Si/Al或Ni/Cu按任意比例混合的导电合金材料。
本发明的有益效果在于：
本发明利用可调热膨胀系数合金材料来匹配蓝宝石衬底的热膨胀系数，可有效的解决蓝宝石衬底移除导致的翘曲问题，提高制造垂直结构发光二极管的成品率，在垂直结构发光二极管芯片制程中不需要涉及刻蚀和多次光刻工艺，能有效节省成本，且此结构的芯片发光效率高，可靠性能稳定。采用此结构的高亮发光二极管散热性能好，可靠性寿命高，利于高亮发光二极管向民用市场的推广。
附图说明
图1是垂直结构氮化镓发光二极管芯片示意图；
图2是键合后芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明的垂直结构氮化镓发光二极管芯片，自下而上依次有第一接触电极7’、 合金衬底基板7、金属层6、反射层5、p型GaN基外延层4、有源层3、n型GaN基外延层2和第二接触电极2’。
实施例
结合图2，阐述垂直结构氮化镓发光二极管芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）采用金属有机化学气相沉积法在2英寸蓝宝石衬底1上依次沉积n型GaN基外延层2、有源层3和p型GaN基外延层4；
2）采用电子束蒸发、气相沉积法、溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延或溶胶凝胶法在p型GaN基外延层4上沉积Ni/Ag反射层5，厚度为7Å/1500Å；
3）采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积或电镀法在反射层5上沉积金属层6，金属选用Au/Sn，厚度500 Å/1000 Å；
4）提供2英寸导电Si/Al合金基板，Si/Al合金基板的Si重量百分比为80%。将合金基板和沉积有金属层的外延片在350℃下键合在一起；
5）用355nm波长激光器剥离去除蓝宝石衬底1；
6）采用电子束蒸发或溅射法在Si/Al合金基板7上沉积Au接触电极7’， 在n型GaN基外延层2的剥离面上沉积Cr/Au n型接触电极2’。划片切割成单颗垂直结构的发光二极管。
上述示例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超过本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造都落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直结构的发光二极管芯片，其特征在于：
一导热良好的基板，
一位于该基板上方的反射层
一位于该基板上至少有一个有源层
第一接触电极和第二接触电极位于该有源层的两侧。
2.根据权利要求1所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片，其特征在于：自下而上依次有第一接触电极（7’）、 合金衬底基板（7）、金属层（6）、反射层（5）、p型GaN基外延层（4）、有源层（3）、n型GaN基外延层（2）和第二接触电极（2’）。
3.根据权利要求2所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片，其特征在于：所述的合金衬底基板（7）为Si/Al合金基板，Si重量百分比为30%-90%，厚度范围为10um-10mm，基板面尺寸大小范围为2英寸到12英寸。
4.制备权利要求2所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片的方法，包括以下步骤：
1）采用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底（1）上依次沉积n型GaN基外延层（2）、有源层（3）和p型GaN基外延层（4）；
2）采用电子束蒸发、气相沉积法、溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延或溶胶凝胶法在p型GaN基外延层（4）上沉积反射层（5）；
3）采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积或电镀法在反射层（5）上沉积金属层（6）；
4）将合金衬底基板（7）与沉积金属层（6）的外延片键合在一起；
5）采用激光剥离法将蓝宝石衬底（1）从n型GaN基外延层（2）剥离；
6）采用电子束蒸发或溅射法在合金基板（7）上沉积第一接触电极（7’）， 在n型GaN基外延层（2）的剥离面上沉积第二接触电极（2’） ；
7）划片切割制成单颗垂直结构的氮化镓发光二极管芯片。
5.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：激光剥离法所用的激光波长为355nm和266nm的激光器。
6.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：所述反射层（5）是厚度为 1nm-500nm金属反射层或全方位反射镜结构ODR反射层或分布式布拉格反射镜结构DBR的反射层。
7.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：金属反射层为Ag、Al、Pt或Rh金属反射层。
8.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：金属层所用材料为Au、Sn、Ti、W、Ag、Cu、Al、Pd、In和Pb中的一种或几种合金按任意方式组合层排的金属层。
9.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：第一、第二接触电极（2’, 7’）为金属铝、银、金、锡、镍、铬、钛、铍或金属合金。
10.根据权利要求4所述的垂直结构氮化镓发光二极管芯片制备方法，其特征在于：合金衬底基板（7）为热膨胀系数在3-7u/m/℃之间，导热系数大于50W/mK 的Cu/W、Mo/Cu，Si/Al或Ni/Cu按任意比例混合的导电合金材料。
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