CN103117334B - 一种垂直结构GaN基发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直结构GaN基发光二极管芯片及其制作方法。采用激光划片技术，将蓝宝石外延片表面划分为台面区和保留区；在台面上制作导电反射层、扩散阻挡层、导电键合层，在导电键合层上键合一导电支撑衬底；激光剥离蓝宝石衬底，激光光斑的大小等于台面大小，台面上的GaN基外延层被转移到支撑衬底上，保留区上的GaN基外延层无激光照射，保留区上的GaN基外延层保留在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底剥离以后，保留区在支撑衬底上形成切割道，沿切割道切割器件。本发明无需ICP刻蚀，降低了芯片制作成本，减小了芯片的漏电，提高了芯片的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法，特别涉及一种基于衬底剥离的高亮度GaN基发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
目前主流的GaN基发光材料主要是在蓝宝石衬底上外延生长的，作为外延生长衬底，蓝宝石具有以下优点：蓝宝石衬底的外延生长技术成熟；蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；蓝宝石的机械强度高，化学稳定性高，易于处理和清洗。在蓝宝石衬底上能够生长出高质量的GaN基发光材料。
但是在芯片制作的过程中，蓝宝石衬底对芯片性能的提高也有一定的限制。首先，蓝宝石衬底不导电，在蓝宝石衬底上只能制作同面电极的发光二极管，同面电极结构的芯片在通电工作时，存在电流拥挤现象，降低了芯片发光功率，并且提高了芯片工作电压，从而降低了芯片的发光效率。其次，蓝宝石衬底热导率仅为40Wm-1K-1，芯片工作产生的热量不易散去，导致发光二极管结温升高，影响芯片发光效率和可靠性。CN101604717A(CN200910016824.7)提供了一种垂直GaN基LED芯片及其制作方法，该芯片包括衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜和导电基板，在导电基板上制作有P电极，在衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内各面蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。制作方法主要是通过激光钻蚀和腐蚀刻蚀蓝宝石或SiC衬底得到直至N型GaN层的窗口，窗口界面呈倒梯形，以减少了工艺过程中不稳定因素影响，GaN基LED芯片有效发光面积利用率高，管芯散热好。
为了克服以上不足，现有技术还采用激光剥离方法剥离蓝宝石衬底，将GaN基发光材料转移到另一具有高热导率的导电衬底上，该技术克服了蓝宝石衬底在芯片制作中的缺点，是一种制作高亮度GaN基发光二级管的重要方法，详细内容可参见Shao-Hua HUANG，Ray-Hua HORNG and Dong-Sing WUU，Improvements of N-Side-up GaNLight-Emitting Diodes Performance by Indium-Tin-Oxide/Al Mirror[J]，Jpn.J.Appl.Phys.2006，45：3449-3452；T.Fujii，Y. Gao，R.Sharma，E.L.Hu，S.P. DenBaars and S.Nakamura，Increasein the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening[J].Appl.Phys.Lett.2004，84：855-857；和Nathan W. Cheung，Timothy D.Sands，William S.Wong，Seperation of thin films from transparent substrates by selective optical processing，及US patent6071795。
激光剥离去除蓝宝石衬底的方法在CN1801498A(CN200510011135.9)的步骤(5)有相应公开。剥离蓝宝石衬底还有熔化金属层的方法，如CN101075651A(CN200610124446.0)。
另外，在现有技术采用激光剥离方法中，漏电是影响激光剥离垂直结构芯片良品率的关键因素，大多数情况下漏电起源于切割道两侧的GaN基外延层侧壁，切割道的制作方法是影响芯片漏电良品率的关键因素。切割道的作用有两点，一是实现芯片隔离，二是为切割芯片提供切割通道。常规垂直结构工艺一般通过ICP刻蚀的方法制作切割道并实现芯片隔离，参见CN101055908A(CN200610077626.8)一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制造方法，其特征是在P、N型独立结构步骤(1)过程中，在外延片上相邻芯片之间通过干法蚀刻(ICP或RIE)产生切割通道，在该通道上面部分通过掩膜保护，在刻蚀产生切割通道的同时，形成切割辅助平台；切割辅助平台顶宽度＜切割道宽度＜80μm；所述切割辅助平台顶宽度为3-15μm；所述蚀刻深度为0.4-1.2μm；P型GaN层厚度0.4～0.9μm＜刻蚀深度；所述芯片的厚度为70～150μm。但是ICP刻蚀存在诸多问题，例如，无合适的掩模，等离子体撞击对芯片的损伤，且工艺复杂，成本高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种垂直结构GaN基发光二极管芯片及其制作方法。该制作方法无需ICP刻蚀。
本发明技术方案如下：
一种垂直结构GaN基发光二极管芯片，自上而下依次包括N电极，钝化层，GaN外延层，导电反射层，扩散阻挡层，导电键合层，导电支撑衬底，P电极。其中，GaN外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；在n型GaN层表面制作有N电极，被沉积在n型GaN层表面钝化层覆盖，通过光刻腐蚀去除N电极上面的钝化层，暴露出N电极；
所述钝化层材料为氧化硅或氮化硅绝缘材料；优选厚度为0.1～2μm。
所述导电反射层材料为银、铝、钛、铂、铬、镍、钌之一或组合，或者银、铝、钛、铂、铬、镍、钌的合金之一或组合。该导电反射层与p型GaN具有良好的欧姆接触特性，对波长为400-550nm的光具有大于80％的反射率。优选导电反射层厚度为0.1～0.5μm。
所述扩散阻挡层材料为镍、钛、钨、钛钨合金、铂、氮化钛、氮化钛钨之一或组合。优选扩散阻挡层厚度为0.1～1μm。
所述导电键合层材料为金、锡、铟之一或组合，或者金、锡、铟的合金之一或组合。优选导电键合层厚度1～5μm。
所述导电支撑衬底为具有高热导率的导电材料，选自硅，碳化硅，铜或钼；其中优选导电硅片。优选导电支撑衬底厚度为50～500μm。所述导电支撑衬底的键合表面事先沉积有金属层，金属层材料从下往上依次为Ti、Pt、Au之一或组合。
根据本发明，一种垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，该GaN外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；
(2)采用激光划片技术，将蓝宝石外延层划分为台面区和保留区，激光划片的深度大于等于外延层的厚度；
(3)对激光划片产生的烧蚀损伤进行清洗；
(4)在步骤(2)所述的台面区上依次制作导电反射层、扩散阻挡层和导电键合层；
(5)在步骤(4)所述的导电键合层上键合一导电支撑衬底；所述导电支撑衬底的键合表面事先沉积有金属层，金属层材料沉积时依次为Ti、Pt、Au之一或组合；
(6)采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，剥离的方式为激光脉冲扫描剥离，激光光斑的大小仅覆盖台面区，台面区上的GaN基外延层被转移到导电支撑衬底上；保留区上的GaN基外延层无激光照射，保留在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底剥离后，保留区在导电支撑衬底上形成切割道；
(7)在激光剥离暴露出的n型GaN层表面制作N电极；
(8)在上述制有N电极的n型GaN层表面沉积钝化层，钝化层材料为氧化硅或者氮化硅绝缘材料，通过光刻腐蚀去除N电极上面的钝化层，暴露出N电极；
(9)在导电支撑衬底背面制作P电极；
(10)沿保留区在导电衬底上形成的切割道切割器件。
根据本发明的制作方法，优选的：
步骤(2)所述的台面区宽度100μm～3000μm，保留区宽度为10～200μm。特别优选的台面区宽度为1000μm，保留区宽度为50μm；
步骤(3)所述的对激光划片产生的烧蚀损伤进行清洗的方法为湿法清洗，湿法清洗采用的化学试剂为浓硫酸、浓磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠之一或组合。湿法清洗所需的温度为50～300℃。
步骤(4)所述的所述导电反射层材料为银、铝、钛、铂、铬、镍、钌之一或组合，或者银、铝、钛、铂、铬、镍、钌的合金之一或组合。优选导电反射层厚度为0.1-0.5μm。
步骤(4)所述的扩散阻挡层材料为镍、钛、钨、钛钨合金、铂、氮化钛、氮化钛钨之一或组合。优选扩散阻挡层厚度为0.1～1μm。
步骤(4)所述的导电键合层材料为金、锡、铟之一或组合，或者金、锡、铟的合金之一或组合。优选导电键合层厚度1～5μm。
步骤(5)所述导电支撑衬底为硅，碳化硅，铜或钼；其中优选导电硅片。优选导电支撑衬底厚度为50～500μm。
步骤(5)所述的键合是采用热压键合技术，键合温度为200～350℃，键合压力1×104Pa～5×108Pa。
步骤(6)所述激光脉冲采用的激光波长150nm～355nm，激光光斑的能量密度400～1000mJ/cm-2。
步骤(7)所述在激光剥离暴露出的n型GaN表面制作N电极，N电极金属材料为钛、铝、铬、铂、金之一或组合，或者钛、铝、铬、铂、金的合金之一或组合。
步骤(9)所述P电极材料从上向下依次为Ti、Au，厚度分别为100nm、300nm。
步骤(10)所述切割道的宽度由保留区的宽度相同，切割道的宽度为10～200μm。
本发明技术方案中未加特别限定的均按本领域现有技术。
本发明的技术特点及优良效果：
现有技术中，常规垂直结构发光二极管的制作工艺需要ICP完全刻蚀掉相邻芯片之间的GaN外延层来实现芯片隔离并同时制作切割通道。与常规工艺不同的是，本发明提供的垂直结构发光二极管的制作方法中，利用两步工艺分别实现了芯片隔离和切割通道，无需ICP刻蚀。首先，如步骤(2)所述，利用激光划片技术在GaN外延层上确定出台面区和保留区，对激光划片产生的烧蚀进行湿法清洗，实现了芯片隔离。其次，如步骤(6)所述，通过设定激光剥离时激光光斑的大小，将台面区的GaN外延层转移到支撑衬底上，而保留区的GaN外延层保留在蓝宝石衬底上，随蓝宝石衬底一起被剥离，从而在支撑衬底上形成切割道，实现了芯片切割通道。步骤(2)和步骤(6)配合，分别实现了芯片隔离和芯片切割通道。
本发明提供的垂直结构发光二极管的制作方法无需ICP刻蚀，避免了ICP刻蚀对芯片造成的损伤，简化了芯片制作工艺，降低了芯片制作成本，分别实现的芯片隔离和切割通道有效的减小了芯片的漏电，提高了芯片的良品率。按本发明制作的两英寸外延片垂直结构的GaN基发光二极管芯片，经实验测试结果表明，不漏电的良好率达到90％以上。
附图说明
图1a-图1k为本发明实施例中发光器件制作过程的截面示意图；
图2为激光剥离过程正面示意图；
图3为本发明制作的发光二级管的界面示意图；
图中，100、蓝宝石衬底，110、GaN外延层，111、GaN外延层(台面区)，113、GaN外延层(保留区)，112、激光划片槽，120、导电反射层，130、扩散阻挡层，140、导电键合层，150、导电支撑衬底，160、导电支撑衬底键合表面的金属层，170、切割道，180、N电极，190、钝化层，200、P电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不限于此。
实施例1.一种垂直结构的GaN基发光二极管芯片，结构如图3所示。自上而下依次包括N电极180，钝化层190，GaN外延层111，导电反射层120，扩散阻挡层130，导电键合层140，导电支撑衬底150，P电极200。其中，GaN外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；在n型GaN层表面制作有N电极，被沉积在n型GaN层表面钝化层190覆盖，通过光刻腐蚀去除N电极上面的钝化层，暴露出N电极180；导电支撑衬底150背面制有P电极200。
制作方法，包括以下步骤：
(1)如图1a所示，在蓝宝石衬底100上使用MOCVD方法生长GaN外延层110，该GaN外延层包括n型GaN层，发光层和p型GaN层；
(2)如图1b所示，采用激光划片技术将外延层110划分为外延层台面区111和外延层保留区113，台面区111和保留区113被激光划片槽112分开，台面区的宽度为1000μm，保留区宽度为50μm；激光划片的深度大于等于外延层的厚度，将GaN基外延层完全分割；
(3)对激光划片槽112周围的激光烧蚀损伤进行湿法清洗，清洗方法为在200℃、85％浓磷酸中浸泡20分钟；
(4)如图1c所示，在台面区上沉积导电反射层120，导电反射层材料由下往上依次为Ni、Ag、Ti、Au(简写为Ni/Ag/Ti/Au)，厚度分别为5nm、300nm、100nm、50nm；
在台面区导电反射层上沉积扩散阻挡层130，扩散阻挡层材料由下往上依次为Ti、Pt(简写为Ti/Pt)，厚度分别为100nm、100nm；如图1d所示；
在扩散阻挡层130上沉积导电键合层140，导电键合层材料为AuSn合金(Au、Sn质量比80∶20)，厚度为500nm；如图1e所示；
(5)如图1f所示，采用热压键合技术，将外延片键合到支撑衬底150上，支撑衬底为导电Si片，Si片键合表面已事先沉积有金属层160，该层材料由下往上依次为Ti、Pt，厚度为分别为100nm、100nm，键合温度为300℃，键合压力为1×104Pa；
(6)如图1g所示，采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底100，激光波长为248nm，剥离的方式为激光脉冲扫描剥离，激光光斑的大小为1000μm，激光脉冲功率密度为500mJ/cm2，激光光斑仅覆盖台面区111，保留区上的GaN外延层无激光照射，台面上的GaN外延层111被转移到导电支撑衬底上。保留区上的GaN外延层113无激光照射，保留在蓝宝石衬底100上，蓝宝石衬底100剥离以后，保留区113在支撑衬底上形成切割道170；
(7)如图1h所示，在激光剥离暴露出的n型GaN表面制作N电极180，n电极材料从下往上依次为Ti、Au，厚度分别为0.1μm、1μm；
(8)如图1i所示，在上述制有N电极的n-GaN表面沉积钝化层190，钝化层材料为氧化硅，厚度为150nm，并通过光刻腐蚀工艺去除N电极上面的钝化层，暴露出n电极180；
(9)如图1j所示，在Si片背面蒸镀p电极200，p电极材料从上向下依次为Ti、Au，厚度为100、300nm；
(10)如图1k所示，沿保留区在导电衬底上形成的切割道170，切割器件。
按本实施例制作的两英寸外延片垂直结构的GaN基发光二极管芯片，经实验测试结果表明，不漏电的良好率达到92％以上。
实施例2：一种垂直结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法
芯片结构及制备步骤(1)～(3)同实施例1，所不同的是：
(4)如图1c～1e所示，在台面区上沉积导电反射层120，导电反射层120材料为Ni/Ag/Ti/Au，厚度为5/300/100/50nm；沉积扩散阻挡层130，扩散阻挡层材料为Ti/Pt，厚度为100nm、100nm；沉积导电键合层140，导电键合层140材料为Au厚度为1μm；
(5)如图1f所示，采用热压键合技术，将外延片键合到支撑衬底150上，支撑衬底为导电Si片，Si片键合表面已沉积金属层160，金属层材料从Si片键合表面开始依次为Ti、Pt、Au，厚度分别为0.1μm、0.1μm、1μm，键合温度为300℃，Au-Au键合，键合压力为1×108Pa；
步骤(6)～(10)与实施例1相同。
按本实施例制作的两英寸外延片垂直结构的GaN基发光二极管芯片，经实验测试结果表明，不漏电的良好率达到91％以上。
实施例3：
如实施例1所述，所不同的是：导电反射层120材料为Pt/Ag，厚度为5nm的Pt、300nm的Ag；扩散阻挡层130材料为Ti/W，厚度分别为100nm、100nm；导电支撑衬底150材料为SiC衬底，厚度为200μm。按本实施例制作的两英寸外延片垂直结构的GaN基发光二极管芯片，经实验测试不漏电的良好率达到90％以上。
Claims (10)
1.一种垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，该芯片自上而下依次包括N电极，钝化层，GaN外延层，导电反射层，扩散阻挡层，导电键合层，导电支撑衬底，P电极；其中，GaN外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；
制备步骤如下：
（1）在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，该GaN外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；
（2）采用激光划片技术，将蓝宝石外延层划分为台面区和保留区，激光划片的深度大于等于外延层的厚度；
（3）对激光划片产生的烧蚀损伤进行清洗；
（4）在步骤（2）所述的台面区上依次制作导电反射层、扩散阻挡层和导电键合层；
（5）在步骤（4）所述的导电键合层上键合一导电支撑衬底；所述导电支撑衬底的键合表面事先沉积有金属层，金属层材料从下往上依次为Ti、Pt、Au之一或组合；
（6）采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，剥离的方式为激光脉冲扫描剥离，激光光斑的大小仅覆盖台面区，台面区上的GaN基外延层被转移到导电支撑衬底上；保留区上的GaN基外延层无激光照射，保留在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底剥离后，保留区在导电支撑衬底上形成切割道；
（7）在激光剥离暴露出的n型GaN层表面制作N电极；
（8）在上述制有N电极的n型GaN层表面沉积钝化层，钝化层材料为氧化硅或者氮化硅绝缘材料，厚度为0.1～2μm；通过光刻腐蚀去除N电极上面的钝化层，暴露出N电极；
（9）在导电支撑衬底背面制作P电极；
（10）沿保留区在导电衬底上形成的切割道切割器件。
2.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于所述导电反射层材料为银、铝、钛、铂、铬、镍、钌之一或组合，或者银、铝、钛、铂、铬、镍、钌的合金之一或组合；导电反射层厚度为0.1～0.5μm。
3.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于所述扩散阻挡层材料为镍、钛、钨、钛钨合金、铂、氮化钛、氮化钛钨之一或组合；扩散阻挡层厚度为0.1-1μm。
4.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于所述导电键合层材料为金、锡、铟之一或组合，或者金、锡、铟的合金之一或组合；导电键合层厚度1-5μm。
5.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于所述导电支撑衬底为硅、碳化硅、铜或钼；导电支撑衬底厚度为50-500μm。
6.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于步骤（2）所述的台面区宽度100μm~3000μm，保留区宽度为10～200μm。
7.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于步骤（2）所述的台面区宽度为1000μm，保留区宽度为50μm。
8.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于步骤（5）所述的键合是采用热压键合技术，键合温度为200～350℃，键合压力1×104Pa～5×108Pa。
9.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于步骤（6）所述激光脉冲采用的激光波长150nm～355nm，激光光斑的能量密度400mJ/cm-2～1000mJ/cm-2。
10.如权利要求1所述的垂直结构GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于步骤（7）所述在激光剥离暴露出的n型GaN表面制作N电极，N电极金属材料为钛、铝、铬、铂、金之一或组合，或者钛、铝、铬、铂、金的合金之一或组合。
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