CN102569537A - 一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，首先在生长衬底上依次生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，以形成芯片外延结构；在P型半导体层上制作电流扩散层、P反射镜及P键合层；腐蚀单晶Si片形成具有规则图形化表面的Si转移衬底；并在其规则图形化表面制作金属键合层与所述P键合层键合；剥离所述生长衬底制作N电极，并在所述Si转移衬底的另一面制作P电极。本发明的工艺方法能够使Si转移衬底与金属键合层的接触面积增大，从而提高键合的粘附性，有利于垂直结构LED芯片良品率的提高；且Si转移衬底与金属键合层界面具有均匀稳定的电学特性，有利于芯片电流的均匀分布。

Description

一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法

技术领域

本发明涉及发光二极管的制造方法，尤其是指一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法。

背景技术

发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。

传统的芯片制造工艺是在一片衬底上同时制备数百个甚至数千个芯片，每个芯片之间有一定的距离，在制备好这些芯片之后，进行划片、切割将他们分离，最后经后续的封装等工艺得到发光二极管。通常发光二极管的芯片结构为在蓝宝石等衬底上依次外延了N型半导体层、有源层、P型半导体层的构造。目前为了降低生长过程中的应力，也可以先对生长衬底进行划片定义，之后再生长外延材料制作芯片。最终的LED芯片可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。其中，垂直结构LED的两个电极分别在有源层的上下两侧，电流几乎全部垂直流过氮化镓基外延层，没有横向流动的电流。因此，电阻降低，没有电流拥塞，电流分布均匀，可充分利用发光层的材料，电流产生的热量减小，电压降低，抗静电能力提高。其传统的制造工艺包括下述步骤：在蓝宝石衬底上生长一中间媒介层和氮化镓基外延层(依次包括N型半导体层、有源层、P型半导体层等)，在氮化镓基P型半导体层上键合一导电支持衬底，该导电支持衬底的另一面层叠P电极。利用激光照射在中间媒介层上，氮化镓分解，蓝宝石衬底和氮化镓基外延层分离，即激光剥离，然后制造N电极完成芯片结构的制作。

通常键合导电支持衬底是在表面光滑的导电支持衬底上直接制作键合层，然后进行键合的，然而，由于制作垂直结构的LED需要剥离蓝宝石衬底，需要导电支持衬底的键合有较高牢固性，这就对现有的键合工艺提出了挑战。因此，在垂直结构LED制作工艺中如何增加芯片键合的粘附性，提高LED芯片的良品率，仍然是本领域技术人员亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，可提高垂直结构发光二极管芯片的键合粘附性，从而提高LED芯片的良品率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、在生长衬底上依次生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，从而形成芯片外延结构；

步骤二、在P型半导体层上依次制作电流扩散层、P反射镜及P键合层；

步骤三、提供单晶Si片，并腐蚀所述单晶Si片，形成具有规则图形化表面的Si转移衬底；

步骤四、清洗所述Si转移衬底，并在其规则图形化表面制作金属键合层；

步骤五、将所述Si转移衬底制作有金属键合层的一面与所述P键合层键合；

步骤六、剥离所述生长衬底，清洗芯片外延结构的N型半导体层，在N型半导体层上制作N电极，并在所述Si转移衬底的另一面制作P电极。

优选地，步骤三中腐蚀所述单晶Si片形成的规则图形化表面的深度≤1μm。

优选地，步骤三采用摩尔比为H₂O∶KOH＝2∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(100)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而形成圆台状周期性排列的规则图形化表面。

优选地，步骤三采用摩尔比为H₂O∶KOH＝7∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(110)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而形成条状周期性排列的规则图形化表面。

优选地，步骤四所述金属键合层采用金锡合金材料、金材料或铜材料。

优选地，步骤四所述金属键合层厚度为2-3μm

作为本发明的优选方案之一，步骤一首先在生长衬底表面形成沟道，再在已形成沟道的生长衬底上依次生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，且使所述沟道相应向上延伸成长沟道，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层及P型半导体层构成的单体的芯片外延结构。

进一步优选地，步骤五中将整片Si转移衬底同时与各个单体的芯片外延结构上的P键合层键合。或者，步骤五中将整片Si转移衬底分离成与单体的芯片外延结构大小相同的单元，之后再与各个单体的芯片外延结构上的P键合层键合。

作为本发明的另一优选方案，步骤二还包括将制作了电流扩散层、P反射镜及P键合层的芯片外延结构分离成多个单颗管芯；相应地步骤五分别将所述多个单颗管芯与整片Si转移衬底键合。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的工艺方法在键合Si转移衬底之前腐蚀Si转移衬底表面，形成一定的规则图形表面，使Si转移衬底与金属键合层的接触面积增大，从而提高键合的粘附性。牢固的键合有利于减小后续的剥离工艺对芯片的损伤，从而提高了激光剥离工艺的良品率，有利于垂直结构LED芯片良品率的提高。其中，腐蚀Si转移衬底时采用特定配比的腐蚀液，利用对Si晶体各向异性的腐蚀原理，可以得到圆台状或条状的周期性排列的规则图形。由于Si转移衬底表面的图形根据腐蚀晶向的不同而规则有序的排列，因此Si转移衬底与金属键合层界面具有均匀稳定的电学特性，从而使键合后P电极端的电学性能均匀稳定，有利于芯片电流的均匀分布，强化了垂直结构LED的优势。

此外，键合工艺中的高温高压可使金属键合层材料产生流动性，使Si转移衬底表面图形的高台面处的键合材料向低部沟道中填充，最终实现金属键合层的表面平坦化，从而保证了该键合工艺的稳定性。

附图说明

图1是实施例中垂直结构发光二极管芯片的制造方法流程示意图；

图2是实施例中垂直结构发光二极管芯片的芯片结构示意图；

图3是实例中金字塔状周期性排列的规则图形化表面示意图；

图4是实例中条状周期性排列的规则图形化表面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。

实施例一

请参看图1，实施例一提供的垂直结构发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：

步骤一、首先在生长衬底表面利用光刻和刻蚀(如等离子刻蚀)或激光划片等工艺形成沟道，形成的沟道深度为15-50微米。形成的沟道将生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间。所述生长衬底可以为Si衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底等，本实施例优选蓝宝石衬底。

然后清洗已形成沟道的生长衬底，将上述沟道中残留的脏物去除。清洗时可采用热的强酸溶液或热的强碱溶液作为清洗剂进行清洗，或采用激光清洗的方法。在已形成沟道的生长衬底上依次外延生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，且使所述沟道相应向上延伸成长沟道，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层及P型半导体层构成的单体芯片外延结构，各单体芯片外延结构由其底部的生长衬底连在一起，并不完全分离。所述N型半导体层优选为N型GaN层，P型半导体层优选为P型GaN层，有源层优选为GaN基量子阱层。由于衬底上已形成了沟道，GaN等半导体材料无法在沟道上生长，所以无需刻蚀，可外延自发生长成各个单体芯片外延结构。

生长外延之前在生长衬底上制作沟道，有助于释放应力，保护芯片。然而本发明不仅限于此，也可以采用传统的方法直接在生长衬底上外延N型半导体层、有源层及P型半导体层等材料。

作为本实施例的优选方案，在步骤一之后，使用温度范围为140-300℃、容积比为2-20M/L的氢氧化钾与氢氧化钠的混合溶液，对所述长沟道侧壁进行3-30分钟的湿法腐蚀，使各单体芯片外延结构的侧壁被粗化形成微结构，有利于芯片侧壁光取出效率的提高。

步骤二、在各单体芯片外延结构的P型半导体层上依次制作电流扩散层、P反射镜及P键合层。所述电流扩散层的材料优选为ITO材料，能够起到电流扩散的作用，所述P反射镜优选为Ag或Al材料，所述P键合层优选为金或合金材料。

步骤三、提供单晶Si片，并腐蚀所述单晶Si片，形成具有规则图形化表面的Si转移衬底。由于腐蚀液对不同晶面的腐蚀速率不同，利用各向异性腐蚀的原理，采用不同配比的腐蚀液可以形成不同形貌的规则图形化表面。本实施例采用摩尔比为H₂O∶KOH＝2∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(100)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而可形成圆台状周期性排列的规则图形化表面，如图3所示。其中，优选地，规则图形化表面的深度≤1μm，即圆台的高度≤1μm。

步骤四、清洗所述Si转移衬底，并在其规则图形化表面制作金属键合层。所述金属键合层优选采用金锡合金材料、金材料或铜材料，本实施例采用金锡合金材料，其厚度优选为2-3μm。

步骤五、将所述Si转移衬底制作有金属键合层的一面与所述P键合层键合。由于所述金属键合层制作在Si转移衬底的规则图形化表面，因此步骤四制作出的金属键合层具有与Si转移衬底相似的表面形貌，当进行键合时，金属键合层在高温高压下软化、流动，表面凸起的部分金锡流动至表面凹陷处，从而可自动形成平坦的键合表面。键合时，可以将整片Si转移衬底同时与各个单体芯片外延结构上的P键合层键合；也可以将整片Si转移衬底分离成与单体芯片外延结构大小相同的单元，之后再分别与各个单体芯片外延结构上的P键合层键合。

步骤六、采用激光剥离等工艺剥离所述生长衬底，清洗各单体芯片外延结构的N型半导体层，在键合工艺后进行激光剥离，可以防止芯片受损，然后在各N型半导体层上制作N电极，并在所述Si转移衬底的另一面制作P电极，得到LED芯片结构如图2所示。所述P电极优选为金或合金材料。

最后得到的结构经切割、封装等后续工艺，可得到出光率较高的垂直结构发光二极管芯片。

实施例二

与实施例一采用类似的步骤，不同之处在于：步骤三中采用摩尔比H₂O∶KOH＝7∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(110)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而形成条状周期性排列的规则图形化表面。该条状周期性排列的规则图形化表面如图5所示。其中，优选地，条状图形的高度≤1μm。

实施例三

与实施例一采用类似的步骤，但又有所区别：

步骤一采用在生长衬底表面形成沟道的方式得到多个单体芯片外延结构，所述多个单体芯片外延结构通过底部生长衬底连在一起；或者采用传统的方法直接在生长衬底上生长芯片外延结构；

步骤二在制作电流扩散层、P反射镜及P键合层之后，将制作了电流扩散层、P反射镜及P键合层的芯片外延结构(或具有多个单体芯片外延结构的生长衬底)彻底分离成多个独立的单颗管芯；

然后按照步骤三、步骤四制作Si转移衬底及其表面的金属键合层；

相应地，步骤五分别将所述多个单颗管芯的P键合层与整片Si转移衬底制作有金属键合层的一面键合；

步骤六剥离生长衬底，制作N电极和P电极。

利用本发明的工艺方法可以使Si转移衬底与金属键合层的接触面积增大，从而提高键合的粘附性，有利于LED芯片良品率的提高。并且Si转移衬底表面的图形根据腐蚀晶向的不同而规则有序的排列，使Si转移衬底与金属键合层界面具有均匀稳定的电学特性，有利于芯片电流的均匀分布。

本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵。

Claims (10)

1.一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在生长衬底上依次生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，从而形成芯片外延结构；

步骤二、在P型半导体层上依次制作电流扩散层、P反射镜及P键合层；

步骤三、提供单晶Si片，并腐蚀所述单晶Si片，形成具有规则图形化表面的Si转移衬底；

步骤四、清洗所述Si转移衬底，并在其规则图形化表面制作金属键合层；

步骤五、将所述Si转移衬底制作有金属键合层的一面与所述P键合层键合；

步骤六、剥离所述生长衬底，清洗芯片外延结构的N型半导体层，在N型半导体层上制作N电极，并在所述Si转移衬底的另一面制作P电极。

2.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤三中腐蚀所述单晶Si片形成的规则图形化表面的深度≤1μm。

3.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤三采用摩尔比为H₂O∶KOH＝2∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(100)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而形成圆台状周期性排列的规则图形化表面。

4.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤三采用摩尔比为H₂O∶KOH＝7∶3的氢氧化钾溶液腐蚀(110)晶面的单晶Si片，腐蚀温度为20-100℃，从而形成条状周期性排列的规则图形化表面。

5.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤四所述金属键合层采用金锡合金材料、金材料或铜材料。

6.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤四所述金属键合层厚度为2-3μm。

7.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤一首先在生长衬底表面形成沟道，再在已形成沟道的生长衬底上依次生长出N型半导体层、有源层及P型半导体层，且使所述沟道相应向上延伸成长沟道，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层及P型半导体层构成的单体的芯片外延结构。

8.根据权利要求7所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤五中将整片Si转移衬底同时与多个单体的芯片外延结构上的P键合层键合。

9.根据权利要求7所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤五中将整片Si转移衬底分离成与单体的芯片外延结构大小相同的单元，之后再与各个单体的芯片外延结构上的P键合层键合。

10.根据权利要求1所述的一种垂直结构发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤二还包括将制作了电流扩散层、P反射镜及P键合层的芯片外延结构分离成多个单颗管芯；相应地步骤五分别将所述多个单颗管芯与整片Si转移衬底键合。

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