CN102779911A - 一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，包括步骤：提供一临时衬底，在其上外延生长氮化镓基发光外延层，并且所述氮化镓基发光外延层自下而上包括：n型层，发光层和p型层；在所述发光外延层上定义绝缘区，利用离子注入法将所述绝缘区的发光外延层钝化绝缘；在所述发光外延层上依次形成金属反射镜、金属键合层；提供一导电衬底，将其与临时衬底上的发光外延层键合；移除所述临时衬底，露出一发光外延层的表面；在所述露出的发光外延层表面上定义切割道，所述切割道位于绝缘区内，利用激光划片沿所述切割道将发光外延层分割为一系列单元，从导电衬底的背面劈裂形成芯粒。

Description

一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件的制作方法，更具体地是一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法。
背景技术
近年来，为了提高氮化镓（GaN）基发光二极管的发光功率和效率，在传统水平结构GaN基发光二极管芯片技术的基础上，发展了基于衬底转移的垂直结构GaN基发光二极管芯片技术，例如在蓝宝石衬底上外延沉积GaN基发光外延层，然后把发光外延层通过晶圆键合或电镀技术键合或者黏结到半导体基板或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离、研磨或者蚀刻方式去除。这样一方面可以通过在GaN基发光外延层和基板之间加一个反射镜来提高反射率，另一方面由于GaN基材料的氮极性面容易通过化学腐蚀方法获取粗糙的出光面构造，以上两方面使垂直结构GaN基发光二极管具有更高的出光效率，同时衬底转移后的基板具有优良的导热特性，因此转移到散热基板上的垂直结构GaN基发光二极管在大电流应用上具有较大的优势。
图1~6展示了一种传统垂直结构GaN基发光二极管元件制作过程，其制作方法具体如下：
如图1所示，利用MOCVD在临时衬底100上（例如蓝宝石或碳化硅）上依次成长n型氮化镓基半导体层111，发光层112及p型氮化镓基半导体层113；
如图2所示，利用黄光微影技术及电感耦合等离子体干蚀刻技术（ICP）将芯粒与芯粒间的外延打穿，形成电学隔离区；
如图3所示，利用黄光微影技术及真空电子束蒸发镀膜在分离后的芯粒上制作高反射电极230，作为P型氮化镓基欧姆接触电极；
如图4所示，利用真空电子束蒸发镀膜沉积一层键合金属240，利用晶元键合设备将临时衬底上的外延层与导电衬底102键合，以及利用激光剥离技术将生长衬底剥离；
如图5所示，利用KOH液粗化N型氮化镓基外延层，并在其上制作N型氮化镓基欧姆接触电极，并作为N极性焊线电极；
如图6所示，减薄导电衬底，并利用真空电子束蒸发镀膜在元件背面沉积一层背面金属，以作为P型焊线电极，然后切割导电衬底，分开芯粒。
上述传统垂直结构GaN基发光二极管芯片制程复杂，制程良率低，主要有以下几点：第一，由于键合界面不平整导致键合良率低；第二，由于芯粒与芯粒间的隔离区存在缝隙，导致激光剥离生长衬底时发生半导体层边缘破裂等状况；第三，多道黄光微影工艺，导致整体良率较低。
发明内容
本发明旨在提供一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其采用离子注入、激光剥离等手段完成主要工艺步骤。其中，利用离子注入技术在p型氮化镓基外延层上形成芯粒与芯粒间的隔离区，但此隔离区域仅是利用离子注入使其钝化绝缘，并无外延材料上的损失，可保证外延层表面的平整。利用此方法形成隔离区，可使整体制程简化，能有效解决上述传统垂直结构氮化镓基LED芯片制程良率低的问题。
一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，包括步骤：提供一临时衬底，在其上外延生长氮化镓基发光外延层，并且所述氮化镓基发光外延层自下而上包括：n型层，发光层和p型层；在所述发光外延层上定义绝缘区，利用离子注入法将所述绝缘区的发光外延层钝化绝缘；在所述发光外延层上依次形成金属反射镜、金属键合层；提供一导电衬底，将其与临时衬底上的发光外延层键合；移除所述临时衬底，露出一发光外延层的表面；在所述露出的发光外延层表面上定义切割道，所述切割道位于绝缘区内，利用激光划片沿所述切割道将发光外延层分割为一系列单元，从导电衬底的背面劈裂形成芯粒。
在本发明中，临时衬底采用蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓其中的一种或者组合；导电衬底采用硅、碳化硅、氧化锌、锗、铜、镍、钴、钨其中的一种或者组合；以到达n型层为最低注入深度，最佳注入深度为整体外延深度，利用离子注入法将所述绝缘区的发光外延层纯化绝缘；在所述发光外延层的整个上表面上形成金属反射镜；所述切割道的面积小于绝缘区的面积，所述形成的芯粒的侧壁由钝化绝缘的发光外延层保护；为了提高萃取效率，在移除临时衬底之后，还可以在露出的发光外延层表面做粗化处理。
在本发明的垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法中，先将切割道部分的发光外延层绝缘化，使得切割道部分的PN结被隔离，并保证外延层表面的平整，在后续制作步骤中针对切割道的处理，都不会造成芯片短路或者漏电。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1~ 6为常规垂直结构的氮化镓基发光元件制作过程的截面示意图。
图7~ 13是本发明优选实施例的垂直结构氮化镓基发光元件制作过程的截面示意图。
图中各标号表示 ：
100，200：临时衬底；101，201：导电衬底；111，211：n型层；112，212：发光层；113，213：p型层；120，220：光阻材料；130，230：高发射p型电极；140，240：键合金属层；131，231：n电极；132，232：背金电极；250：绝缘区；251：绝缘层；260：保护层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 
一种垂直结构氮化镓基发光元件制作方法，其具体步骤如下：
如图7所示，提供一临时衬底200，在其上外延生长GaN基发光外延层。包括在临时衬底200上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长n型层211、多量子阱（MQW）发光层212、p型层213。临时衬底可采用蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓等材料。
如图8所示，在p型层213上定义绝缘区250，利用离子注入法将所述绝缘区的发光外延层钝化绝缘。具体工艺如下：利用黄光微影技术在P型层上定义出绝缘区250，单个绝缘区250的宽度为50~100μm，绝缘区外的区域覆盖光阻材料220，光阻厚度不小于2μm m，最佳厚度为3μm 。选择磷作为离子源，利用离子注入法将绝缘区250的外延层钝化绝缘，形成绝缘部251。以离子到达n型层为最低注入深度，最佳注入深度为整体外延深度。
如图9所示，移除光刻胶，利用真空电子束蒸发镀膜在整个晶片的P型层213上沉积镜面层，作为高反射电极230，该高反射电极包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于3kA，最佳厚度为5kA，蒸镀面为P型层中包含未离子注入和离子注入隔离区域的整个外延表面。对高反射电极进行退火操作，最佳退火温度控制在380℃左右以获得良好的电性接触和高反射率。
如图10所示，在高反射电极层230上沉积一层键合金属层240，该键合金属层可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种。选择一导电衬底201，利用真空电子束蒸发镀膜在导电基板上201沉积上述键合金属层，利用晶元键合设备将临时衬底上的外延层与导电衬底键合。导电衬底采用硅、碳化硅、氧化锌、锗、铜、镍、钴、钨其中的一种。
如图11所示，移除临时衬底200，而保留于导电衬底201上。在本发明的优选实施例，采用蓝宝石作为临时衬底，利用248nmKrF气体激光器剥离衬底，激光能量密度设定800-1000mJ/cm2。
如图12所示，利用KOH溶液粗化n型层，并利用电子束真空镀膜方式在N型半导体上沉积n电极。
如图13所示，研磨减薄导电衬底，并在导电衬底的背面蒸镀背金电极232；在发光外延层的表面上定义切割道，先采用激光沿着切割道从发光外延层的N面将外延层分成芯粒单元，再利用钻石刀从导电衬底的背面劈裂分开芯粒。切割道的面积小于绝缘区的面积，所述形成的芯粒的侧壁由钝化绝缘的发光外延层260保护。
在本发明中，采用离子注入方式制作的隔离区域因外延层无深度上的损失，而使得晶片表面始终处于平坦状态，这样的键合表面平整，且后续在KOH粗化N型氮化镓基外延层时无需考虑粗化保护芯粒侧壁的问题，整体制程良率因此可获得极大的提升。而最后制成的芯粒侧壁形成与外延层同质的电学隔离区域，相较于传统垂直结构氮化镓基发光元件采用SiO2/Si4N3或者其他有机胶体作为侧壁保护层，此方法制作的垂直结构氮化镓基发光元件的成品稳定性更高。
此外，利用本发明制作垂直结构氮化镓基发光元件相比传统垂直结构氮化镓基发光元件制作过程，省略了P面高反射电极和粗化保护等黄光微影工艺步骤，极大程度上简化了制程难度。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (9)

1.一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，包括步骤：
提供一临时衬底，在其上外延生长氮化镓基发光外延层，并且所述氮化镓基发光外延层自下而上包括：n型层，发光层和p型层；
在所述发光外延层上定义绝缘区，利用离子注入法将所述绝缘区的发光外延层钝化绝缘；
在所述发光外延层上依次形成金属反射镜、金属键合层；
提供一导电衬底，将其与临时衬底上的发光外延层键合；
移除所述临时衬底，露出一发光外延层的表面；
在所述露出的发光外延层表面上定义切割道，所述切割道位于绝缘区内，利用激光划片沿所述切割道将发光外延层分割为一系列单元，从导电衬底的背面劈裂形成芯粒。
2.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：所述临时衬底采用蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓其中的一种或者组合。
3.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：利用离子注入法将所述绝缘区的n型层之上的发光外延层纯化绝缘。
4.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：利用离子注入法将所述绝缘区的全部发光外延层纯化绝缘。
5.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：所述绝缘区的宽度为50~100μm，将发光外延层分隔了一系列发光单元。
6.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：在所述发光外延层的整个上表面上形成金属反射镜。
7.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：所述导电衬底采用硅、碳化硅、氧化锌、锗、铜、镍、钴、钨其中的一种或其组合。
8.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：切割道的面积小于绝缘区的面积，所述形成的芯粒的侧壁由钝化绝缘的发光外延层保护。
9.根据权利要求1所述的一种垂直结构氮化镓基发光元件的制作方法，其特征在于：还包括在：在移除临时衬底之后，在露出的发光外延层表面做粗化处理。
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