CN102255027A - 一种GaN基垂直结构LED芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其包括设有第一Au层（9）的第一器件结构和表面蒸镀第二Au层（11）的支撑衬底（10）；第一金层（9）与第二金层（11）表面完全接触并紧密键合；所述第一器件结构包括GaN基LED外延片；所述p-GaN层（1）上设有ITO层（5）；所述ITO层（5）上依次设有阻挡层（6）、银层（7）、覆盖层（8）以及第一金层（9）。本发明等离子表面处理能够显著降低Au-Au键合温度及压力的要求，缩短键合时间。既适应了Ag不宜高温长时处理的固有特性，也改善了GaN基垂直结构LED的键合质量。采用ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/Au结构有助于进一步防止Ag的受热团聚效应。

Description

一种GaN基垂直结构LED芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及大功率GaN基垂直结构LED LED芯片结构及其制备方法，尤其是指高反射率ITO/Ag p型电极的低温键合工艺。

背景技术

作为下一代通用及专用照明器件，大功率LED(High-power LEDs)正获得业界极大关注和发展。就GaN基LED而言，器件通常是外延生长在C面(0001)蓝宝石衬底之上的。如图1所示的GaN基传统结构LED芯片。其包括蓝宝石衬底7′、位于蓝宝石衬底7′上的n-GaN层5′、位于部分n-GaN层5′上的n型pad电极6′、位于部分n-GaN层5′上的有源区4′、位于有源区4′上的p-GaN层3′、位于p-GaN层3′上的ITO层2′以及位于ITO层2′上的p型pad电极1′。

由于蓝宝石衬底是绝缘材料，迫使人们采用p和n电极横向排布的传统结构，减少了器件出光面积，降低了器件的耐压特性。更为严重的是，蓝宝石热导性能很差，导致器件大电流注入条件下效率急剧下降。因此，剥离蓝宝石衬底将器件结构转移至具有良好导电、导热特性的支撑衬底，制成上下电极的垂直结构LED，是当前GaN基高亮度LED的主流实现途径.如图2是GaN基垂直结构LED芯片。其包括支撑衬底10、位于支撑衬底10上的金层9、位于金层9上的覆盖层8、位于覆盖层8上的ITO层2、位于ITO层2′上的p-GaN层3′、位于p-GaN层3′上的有源区4′、位于有源区4′上的n-GaN层5′以及位于n-GaN层5′上的n型pad电极6′。

上述结构变化，给垂直结构带来了自身的特殊性，衬底剥离后，外延层与衬底之间的折射率差(n_外延层＞n_蓝宝石)不复存在，器件内部有源区随机射向非出光面的那部分光子只有通过高反射率的反射结构抽取，包括金属反射层(诸如Ag、Al)，电介质材料构成的布拉格分布反馈(DBR)层(诸如TiO₂/SiO₂、SiO₂/Si₃N₄等)。其中金属反射层本身具有极好的导电性和导热性，因此是大功率垂直结构器件的首选，通常与具有极高蓝绿光透光率的ITO一道构成p型反射电极结构，其质量的好坏至关重要，直接决定着器件效率的高低。

目前，器件外延结构转移主要依赖于电镀金属衬底及金属键合。较之电镀衬底，金属键合是一机械加压加温的干式过程，易于控制且无附加污染。所制成的LED晶圆具有不易翘曲，易于切割，产出率较高的优点。

常用于垂直结构LED的键合方法有以下两类：

(一)采用低共熔AuSn合金钎料(80wt％Au，20wt％Sn)，其熔点为280℃。这种方法虽然具有较高的产出率，且可避免热疲劳和弹性蠕变，但是也有诸多不足之处。1)AuSn难以通过弹性形变释放应力，易造成芯片开裂。2)AuSn键合通常需要300℃以上高温以确保合金充分熔化，会使得器件内对温度敏感的材料发生退化，比如Ag电极反射率的下降。3)如果衬底材料与芯片材料之间存在较大的热失配，这种方法亦会带来开裂或脱附。

(二)采用无需钎料，依靠材料表面相互作用力键合的方法，如Au-Au键合。Au-Au键合过程简单，在键合材料金相稳定性、高导电性等方面有着显著的优势。但这一方法亦有不足之处，键合结果易受Au表面污染的负面影响。在实际操作中，为了达到预期效果，往往需要同时施加较高的压力和温度(300℃以上)，并延长键合时间。这样既会降低产出率，亦会增大LED器件结构及支撑衬底的破损几率，降低其光电性能。

目前的键合工艺具体有以下几个难点：(1)为克服表面污染，采用长时高温条件导致ITO/Ag电极反射率显著劣化(2)在加温条件下ITO/Ag发生界面氧化反应导致电学特性退化，ITO/Ag附着性降低。(3)同时施加高温和高压，由于蓝宝石和支撑衬底之间巨大的热失配易导致键合晶圆开裂破碎。

鉴于此，有必要设计一种新的结构和方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种GaN基垂直结构LED芯片结构及其制备方法，用于大幅降低键合温度和压力，拓展工艺窗口，缩短键合时间。同时达到保证外延结构键合后的完整性和附着性，以及ITO/Ag p型电极的高反射率，以用于大功率GaN基垂直结构LED的制作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其包括设有第一Au层9的第一器件结构和表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底10；第一金层9与第二金层11表面完全接触并紧密键合。

所述第一器件结构包括GaN基LED外延片，该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底4、位于蓝宝石衬底4上的n-GaN层3、位于n-GaN层3上的有源层2以及位于有源层2上的p-GaN层1。

所述p-GaN层1上设有ITO层5；所述ITO层5上依次设有阻挡层6、银层7、覆盖层8以及第一金层9。

优选地，所述阻挡层6的厚度小于5nm。

优选地，所述覆盖层8的材料为镍。

优选地，所述阻挡层6的材料选自镍、钨、铂、铜中的一种。

本发明为防止加温过程中ITO/Ag之间的界面反应和Ag的团聚，在两层中插入一阻挡层材料。并在Ag层之上敷加一覆盖层材料，以进一步压制Ag的团聚，形成ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/Au电极结构。需要强调的是阻挡层的厚度很薄(控制在5nm以下)，阻挡层能通过氧化生成接近全透明的物质，可基本上消除其对器件出光的吸收。ITO中的O可在加热条件扩散入阻挡层将其氧化，但处理温度过高、时间过长也会使得O穿过阻挡层将Ag氧化。本发明能够显著降低键合温度，缩短键合时间，为有效控制O的扩散距离提供了工艺窗口。键合过程即能完成阻挡层的氧化，亦能保证Ag不会发生明显的劣化，不需要额外增加电极热处理工序。

本发明还提供一种GaN基垂直结构LED芯片结构的制备方法，包括制备设有第一Au层9的第一器件结构和制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底；将第一Au层9和第二Au层11表面完全接触，加压力使之紧密键合；

所述制备第一器件结构包括以下步骤：

1)制备GaN基LED外延片；该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底4、位于蓝宝石衬底4上的n-GaN层3、位于n-GaN层3上的有源层2以及位于有源层2上的p-GaN层1；

2)在p-GaN层1的上表面蒸镀ITO层5，退火获得p-GaN/ITO欧姆接触；

3)O等离子体表面处理ITO层5用于清洁ITO层表面，提高ITO层表面的O含量；

4)蒸镀阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au层9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au结构；

5)等离子体表面处理第一Au层9；

所述制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底包括以下步骤：

6)等离子体表面处理第二Au层11；

在步骤1)制备GaN基LED外延片之后还包括清洗GaN基LED外延片的步骤。

本发明采用在键合前，对样品表面做等离子改性处理。等离子处理通常被用作表面清洁，同时也可增大接触表面积，显著增强Au-Au键合的粘着强度，以降低键合对温度及压力的要求，缩短键合时间。

与常规键合工艺相比，本发明的有益效果在于等离子表面处理能够显著降低Au-Au键合温度及压力的要求，明显缩短键合时间。既适应了Ag不宜高温长时处理的固有特性，也改善了GaN基垂直结构LED的键合质量。采用ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/Au结构有助于进一步防止Ag的受热团聚效应。在一定的优化条件下(温度，时间)，阻挡层被氧化成透明介质，从而获得高反射率的反射电极。

附图说明

图1是GaN基传统结构LED芯片。

图2是GaN基垂直结构LED芯片。

图3a-3h是本发明工艺流程图。

元件符号说明

p型pad电极     1′    ITO           2′

p-GaN          3′    有源区        4′

n-GaN          5′    n型pad电极    6′

蓝宝石衬底     7′    金属反射电极  8′

金属键合电极   9′    支撑衬底      10′

p-GaN层        1      有源区        2

n-GaN层        3      蓝宝石衬底    4

ITO层          5      阻挡层        6

Ag层           7      覆盖层        8

第一Au层       9      支撑衬底      10

第二Au层       11

具体实施方式

实施例一

请参照图3a-3h所示，一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其包括设有第一Au层9的第一器件结构和上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底10；第一金层9与第二金层11表面完全接触并紧密键合。

所述第一器件结构包括GaN基LED外延片，该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底4、位于蓝宝石衬底4上的n-GaN层3、位于n-GaN层3上的有源层2以及位于有源层2上的p-GaN层1。

所述p-GaN层1上设有ITO层5；所述ITO层5上依次设有阻挡层6、银层7、覆盖层8以及第一金层9。

所述阻挡层6的厚度最好小于5nm。所述覆盖层8的材料可以为镍。所述阻挡层6的材料可以选自镍、钨、铂、铜中的一种。

本发明还提供一种GaN基垂直结构LED芯片结构制备方法，包括制备设有第一Au层9的第一器件结构和制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底；将第一Au层9和第二Au层11表面完全接触，加压力使之紧密键合；键合温度和时间需根据依阻挡层的厚度而定。

所述制备第一器件结构包括以下步骤：

1)制备GaN基LED外延片；该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底4、位于蓝宝石衬底4上的n-GaN层3、位于n-GaN层3上的有源层2以及位于有源层2上的p-GaN层1；

2)在p-GaN层1的上表面蒸镀ITO层5，退火获得p-GaN/ITO欧姆接触；

3)O等离子体表面处理ITO层5用于清洁ITO层表面，提高ITO层表面的O含量；

4)蒸镀阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au层9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au结构；

5)等离子体表面处理第一Au层9；

所述制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底包括以下步骤：

6)等离子体表面处理第二Au层11；

实施例二

一种GaN基垂直结构LED芯片结构制备方法，包括制备设有第一Au层9的第一器件结构和制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底；将第一Au层9和第二Au层11表面完全接触，加压力使之紧密键合；键合温度和时间需根据依阻挡层的厚度而定。

所述制备第一器件结构包括以下步骤：

1)制备GaN基LED外延片；该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底4、位于蓝宝石衬底4上的n-GaN层3、位于n-GaN层3上的有源层2以及位于有源层2上的p-GaN层1；

2)清洗GaN基LED外延片；

3)在p-GaN层1的上表面蒸镀ITO层5，退火获得p-GaN/ITO欧姆接触；

4)O等离子体表面处理ITO层5用于清洁ITO层表面，提高ITO层表面的O含量；

5)蒸镀阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au层9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au结构；

6)等离子体表面处理第一Au层9；该步骤中等离子处理的工作气体选用O₂，也可以选用其他惰性气体。

所述制备上表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底包括以下步骤：

7)等离子体表面处理第二Au层11；

上述ITO/阻挡层/Ag/覆盖层对应的结构为ITO/Ni/Ag/Ni。该实施例中所述阻挡层的材料选为镍，实际应用中还可以选自钨、铂、铜中的一种。

等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、液态、气态三种状态存在，但在一些特殊的情况下有第四中状态存在，如地球大气中电离层中的物质。等离子体状态中存在下列物质：处于高速运动状态的电子；处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基)；离子化的原子、分子；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。

等离子处理包括等离子清洗/刻蚀技术。其是等离子体特殊性质的具体应用。

等离子体清洗的机理，主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。

等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

等离子体清洗还具有以下几个特点：容易采用数控技术，自动化程度高；具有高精度的控制装置，时间控制的精度很高；正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层，表面质量得到保证；由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染。

等离子表面处理技术属于本领域非常成熟的工艺技术，在此不再赘述。

本发明为防止加温过程中ITO/Ag之间的界面反应和Ag的团聚，采用在ITO层和Ag层中插入一阻挡层材料。并在Ag层之上敷加一覆盖层材料，以进一步压制Ag的团聚，形成ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/Au电极结构。

需要强调的是阻挡层的厚度很薄(控制在5nm以下)，阻挡层能通过氧化生成接近全透明的物质，可基本上消除其对器件出光的吸收。ITO中的O可在加热条件扩散入阻挡层将其氧化，但处理温度过高、时间过长也会使得O穿过阻挡层将Ag氧化。

本发明能够显著降低键合温度，缩短键合时间，为有效控制O的扩散距离提供了工艺窗口。键合过程即能完成阻挡层的氧化，亦能保证Ag不会发生明显的劣化，不需要额外增加电极热处理工序。作为本发明的优选方案之一，改良后ITO/Ag结构为ITO/Ni/Ag/Ni。

本发明采用在键合前，对样品表面做等离子改性处理。等离子处理通常被用作表面清洁，同时也可增大接触表面积，显著增强Au-Au键合的粘着强度，以降低键合对温度及压力的要求，缩短键合时间。

与常规键合工艺相比，本发明的有益效果在于等离子表面处理能够显著降低Au-Au键合温度及压力的要求，明显缩短键合时间。既适应了Ag不宜高温长时处理的固有特性，也改善了GaN基垂直结构LED的键合质量。采用ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/Au结构有助于进一步防止Ag的受热团聚效应。在一定的优化条件下(温度，时间)，阻挡层被氧化成透明介质，从而获得高反射率的反射电极。

本发明提供的方法大幅降低键合温度和压力拓展工艺窗口，显著缩短键合时间。该工艺可保证外延结构键合后的完整性和附着性，以及ITO/Ag电极的高反射率。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其特征在于：其包括设有第一Au层(9)的第一器件结构和表面蒸镀第二Au层(11)的支撑衬底(10)；第一金层(9)与第二金层(11)表面完全接触并紧密键合；

所述第一器件结构包括GaN基LED外延片，该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底(4)、位于蓝宝石衬底(4)上的n-GaN层(3)、位于n-GaN层(3)上的有源层(2)以及位于有源层(2)上的p-GaN层(1)。

所述p-GaN层(1)上设有ITO层(5)；所述ITO层(5)上依次设有阻挡层(6)、银层(7)、覆盖层(8)以及第一金层(9)。

2.如权利要求1所述的一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其特征在于：所述阻挡层(6)的厚度小于5nm。

3.如权利要求1所述的一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其特征在于：所述覆盖层(8)的材料为镍。

4.如权利要求1所述的一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其特征在于：所述阻挡层(6)的材料为选自镍、钨、铂、铜中的一种。

5.一种GaN基垂直结构LED芯片结构的制备方法，其特征在于：包括制备设有第一Au层(9)的第一器件结构和制备上表面蒸镀第二Au层(11)的支撑衬底；将第一Au层(9)和第二Au层(11)表面完全接触，加压力使之紧密键合；

所述制备第一器件结构包括以下步骤：

1)制备GaN基LED外延片；该GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底(4)、位于蓝宝石衬底(4)上的n-GaN层(3)、位于n-GaN层(3)上的有源层(2)以及位于有源层(2)上的p-GaN层(1)；

2)清洗GaN基LED外延片；

3)在所述p-GaN层(1)的上表面蒸镀ITO层(5)，退火获得p-GaN/ITO欧姆接触；

4)O等离子体表面处理ITO层(5)用于清洁ITO层表面，提高ITO层表面的O含量；

5)蒸镀阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au层(9)，形成GaN基LED外延片/ITO/阻挡层/Ag/覆盖层/第一Au结构；

6)等离子体表面处理第一Au层(9)；

所述制备上表面蒸镀第二Au层(11)的支撑衬底包括以下步骤：

7)等离子体表面处理第二Au层(11)。

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