CN103426981B - 一种GaN半导体LED芯片制作方法 - Google Patents
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Abstract
<b>一种</b><b>GaN</b><b>半导体</b><b>LED</b><b>芯片制作工艺，包括：在蓝宝石衬底上生长</b><b>n</b><b>型</b><b>GaN</b><b>层、多量子阱层和</b><b>p</b><b>型</b><b>GaN</b><b>层；生长掺锡氧化铟即</b><b>ITO</b><b>透明电极层；对</b><b>ITO</b><b>透明电极层进行过腐蚀；进行干法腐蚀，从</b><b>p</b><b>型</b><b>GaN</b><b>层刻蚀到</b><b>n</b><b>型</b><b>GaN</b><b>层，从而形成台面结构；在</b><b>ITO</b><b>层上沉积</b><b>SiO2</b><b>保护层；刻蚀出</b><b>p</b><b>型电极区域和</b><b>n</b><b>型电极区域；分别生长</b><b>p</b><b>型电极欧姆接触层和</b><b>n</b><b>型电极层；对蓝宝石衬底进行减薄、抛光、划片和裂片处理。本发明的工艺简单、成本低。</b>
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，本发明尤其涉及GaN半导体LED芯片制作方法。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体材料是近年来备受关注的一种半导体材料，在白光LED、短波长激光器、紫外探测器以及高温大功率器件中具有广泛的应用。
然而，由于自然界缺乏天然的GaN材料，当前主要是通过在蓝宝石衬底上外延异质生长GaN来制成芯片的。而蓝宝石的主要成分是三氧化二铝(Al2O3)，其具有较宽的光学穿透带，从近紫外光(190 nm)到中红外光都具有很好的透光性，并且具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高熔点等特点。蓝宝石的这些特点使得它可以满足GaN磊晶制作过程中的耐高温要求，因而成为制作白、蓝、绿光LED的关键材料。
但是，目前通过在蓝宝石衬底上生长GaN外延芯片以制得LED需要较多的工序，因而工序繁琐、成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少了工艺步骤的在蓝宝石衬底上进行GaN外延以制得LED芯片的方法。
按照本发明的一个方面，本发明提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，它包括如下步骤：
a）在蓝宝石衬底7上依次生长LED外延片结构：p型GaN层4、多量子阱层5和n型GaN层6；
b）在所述p型GaN层4上，生长掺锡氧化铟电极层3；
c) 采用FeCl3 ：HCl组成的腐蚀液，对掺锡氧化铟电极层3进行过腐蚀；
d) 采用电子束蒸发台，在p型GaN层4上和n型GaN层6上分别生长p型欧姆接触层1’和n型电极层8’；以及
e) 在完成p型电极欧姆接触层1’和n型电极层8’的生长之后，对蓝宝石衬底7进行减薄、抛光、划片和裂片处理。
按照本发明第二个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，其中，步骤d）可以被如下两个步骤来替代：
d－1) 采用等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）设备，在掺锡氧化铟电极层3上沉积SiO2保护层2；以及
d－2) 在已经沉积了SiO2保护层2的地方，刻蚀出p型电极区域1和n型电极区域8。
按照本发明的第三个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，其掺锡氧化铟电极层3在300oC的温度下生长成，厚度为2400Å。
按照本发明第四个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，掺锡氧化铟的组分要求是：10％的SnO2，和90％的In2O3，并且SnO2和In2O3的纯度是99.9％。
按照本发明第五个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，在步骤b)和步骤c)之间，还包括：
步骤b-1)：在510oC的温度下，对生成的掺锡氧化铟电极层3进行退火，持续时间10分钟。
按照本发明第六个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，其中的FeCl3 ：HCl组成的腐蚀液的配比是3：1或5：1，并将由该配比组成的FeCl3 ：HCl腐蚀液加热到30oC－50oC后，将掺锡氧化铟电极层3过腐蚀2μm－3μm，使得经过腐蚀后的掺锡氧化铟电极层3比下面的p型GaN层4的图形小。
按照本发明第七个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，SiO2保护层2的厚度是1100Å，且在220oC的温度下生成。
按照本发明第八个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，还包括在完成步骤c之后，采用感应耦合等离子体设备，进行干法腐蚀，从p型GaN层4刻蚀到n型GaN层6，从而形成1.1μm － 1.6μm的台面结构。
按照本发明的第九个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，p型欧姆接触层1’和所述n型电极层8’所采用的材料可以是Cr/Pt/Au的组合，或者是Ni/Au的组合，或者是Pt/Au的组合；
其中，当采用Cr/Pt/Au的组合时，Cr的生长厚度是400 Å，Pt的生长厚度是200 Å，而Au的生长厚度是10000 Å；或者
其中，当采用的是Ni/Au的组合时，Ni的生长厚度是500Å，Au的生长厚度是8000 Å；或者
其中，当采用Pt/Au，Pt的生长厚度是300 Å，而Au的生长厚度是10000 Å。
按照本发明第十个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，在完成p型欧姆接触层1’和n型电极层8’的生长之后，在280oC的温度下，对已经生长的p型欧姆接触层1’的金属进行合金，并且合金形成的持续时间是10分钟。
按照本发明的第十一个方面，提供了一种GaN半导体LED芯片制作工艺，减薄处理是将蓝宝石衬底研磨至125μm的厚度，抛光处理是将经研磨后的衬底再抛光至85μm的厚度，而划片处理的深度是25μm－35μm。
附图说明
图1A是通常经第一次光刻后形成的n型区域的示意图；
图1B是通常经第二次光刻后，刻蚀出的p型区域的电极孔然后经第三次光刻，刻蚀出p/n型区域电极的示意图；
图1C是通常经钝化层淀积后对钝化层进行第四次光刻后形成的图形的示意图；
图2示出的是采用本发明的工艺制成的蓝宝石衬底GaN外延片的剖面结构图；
图3示出的是按照本发明的工艺在第一次光刻后形成的n型电极区域的示意图；
图4示出的是按照本发明通过第二次光刻工序一次完成的电极光刻、钝化光刻后的示意图；而
图5示出的是按照本发明通过二次光刻工艺制成LED芯片的主要流程示意图。
具体实施方式
通常，在采用蓝宝石作为衬底进行GaN外延材料上的LED制作工艺主要采用以下方法：
首先，在蓝宝石衬底上生长出GaN外延结构，然后，对生长形成的外延片进行刻蚀，以刻蚀出GaN台面，并在常温下，在GaN外延片上生长ITO（掺锡氧化铟）薄膜。接着，在氧气氛下进行高温退火，以增大ITO薄膜的导电性和透光率。然后，完成电极制作从而最终制成LED芯片。
图1A－图1C中，示出了采用较多工艺过程制得GaN外延材料LED芯片的工艺流程。其中，图1A示出的是经第一次光刻后形成的n型区域的情形。图1B是经第二次光刻后，刻蚀出的p型区域的电极孔然后经第三次光刻，刻蚀出p/n型区域电极后的情形。图1C示出的是经钝化层淀积后对钝化层进行第四次光刻后形成的图形。
从以上的工艺可以看出，制成采用蓝宝石作为衬底制成GaN芯片的LED需要进行至少四次光刻。即，n型区域光刻、电极孔光刻、电极光刻、钝化光刻。尽管这种工艺过程能够制作出性能优良的LED芯片，但是需要经过较多次数的工艺过程（例如光刻）。
上文的工艺描述中，ITO表示掺锡氧化铟，而ICP则表示在对ITO进行光刻时所采用的感应耦合等离子体（ICP，inductive coupling plasma）设备。
为此，本发明的发明人采用下面下述工艺过程，来取代上述较多次数的工艺过程，从而减小了次品率，并且降低了制作成本。
参照图2和图5。
首先，在蓝宝石衬底7上依次生长LED外延片结构：n型GaN层6、多量子阱层5和p型GaN层4；
然后，采用电子束蒸发台，在300oC的生长温度下，生长ITO透明电极层3至厚度2400Å。本发明中，对ITO的组分采用的是：10％的SnO2（其纯度要求是99.9％），和90％的In2O3（其纯度要求是99.9％）。
采用由FeCl3：HCl按3：1或5：1的配比组成的腐蚀液，将其加热到30oC － 50oC，对ITO进行过腐蚀2μm － 3μm，使得过腐蚀后的ITO层3比起下面的p型GaN层4的图形要小。
接着，可以采用电子束蒸发台，在p型GaN层4和n型GaN层6上，分别生长p型电极欧姆接触层1和n型电极层8。
型欧姆接触层4和n型电极层8所采用的材料可以是Cr/Pt/Au的组合，其中，Cr的生长厚度是400Å，Pt的生长厚度是200Å，而Au的生长厚度是10000Å。p型欧姆接触层4和n型电极层8所采用的材料也可以是Ni/Au，其中，Ni的生长厚度是500Å，Au的生长厚度是8000Å。p型欧姆接触层4和n型电极层8所采用的材料也可以是Pt/Au，其中，Pt的生长厚度是300Å，而Au的生长厚度是10000Å。
随后，用蓝宝石研磨机，对蓝宝石衬底7进行减薄处理。减薄处理后，再经抛光机将经减薄处理后的蓝宝石衬底抛光。例如，在一种实施例中，可以先将蓝宝石衬底研磨至125μm的厚度，减薄后，再抛光至85μm的厚度。
接着，采用划片机（例如激光划片机），从蓝宝石衬底7的背面，对衬底进行划片。例如，采用波长为1064nm的激光划片机，划片深度为25μm－35μm。
最后，在完成划片后，采用裂片机，对经划片后的芯片进行裂片处理，从而制成一颗颗芯片。
以上是完成本发明的工艺的主要步骤。
在上述步骤中，还可以在生长了ITO透明电极层3之后，并且在采用过腐蚀液进行过腐蚀之前，在510oC的温度下，对生成的ITO透明电极层3进行退火，持续10分钟。
在完成退火之后，可以采用感应耦合等离子体（ICP，inductive couplingplasma）设备，进行干法腐蚀，从p型GaN层4刻蚀到n型GaN层6，从而形成1.1 － 1.6μm的台面结构。
然后，采用等离子体增强型化学气相沉积（PECVD，plasma enhanced chemicalvapor deposition）设备，在220oC的温度下，在ITO层3上沉积二氧化硅SiO2保护层2，厚度为1100Å。
随后，在已经沉积了SiO2保护层2的地方刻蚀出p型电极区域1和n型电极区域8。
沉积二氧化硅保护层的步骤和在沉积了二氧化硅的地方刻蚀p型电极区域1和n型电极区域8这两个步骤可以用来替代前文描述的主要步骤中采用电子蒸发台在p型GaN层上和n型GaN层上分别生长p型欧姆接触层和n型电极层的步骤。
在完成p型欧姆接触层和n型电极层的生长之后，还可以在280oC的温度下，对已经生长的p型欧姆接触层的金属进行合金。该合金形成的持续时间是10分钟。例如，如果选择的是Cr/Pt/Au的金属组合，其中Cr、Pt、Au金属的生长厚度分别是400Å、200Å和10000Å，则在280oC的温度下经合金处理后，就形成了单一的Cr/Pt/Au合金体。
从上面的描述中，可以看到，本发明以蓝宝石为衬底的GaN外延片制作LED芯片的基本工艺中，工艺步骤减少，从而大大简化了工艺过程，使芯片成品率得以提高。
本领域中的普通技术人员能够理解，为清楚地描述本发明，图5中仅示出了本发明制作蓝宝石衬底GaN外延LED的主要工艺步骤。
采用本发明的工艺各步骤制作蓝宝石衬底GaN外延LED的中间情形如图3和图4所示。其中，图3示出了在第一次光刻后形成的n型电极区域的情形；而图4示出了通过第二次光刻工序一次完成的电极光刻、钝化光刻后的情形。
图3、图4尽管在外形上似与图1A、图1B相似，但前者是本发明中采用减少了工艺步骤来完成的，后者则是采用较多工艺步骤来完成的。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施例。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，还可以对本发明的上述实施例作某些修改和变更。上文中所提及的特定温度值、特定厚度和特定的激光波长等等只是为了描述本发明的方便而举的例子，不能将其理解为是对本发明的限制。本领域中的普通技术人员能够理解，这些数值实际上是可以根据具体使用情况另外进行设定的。实施例的描述仅仅是为了使本领域中的普通技术人员能够理解、实施本发明，不应当将本发明理解仅仅限于这些实施例。本发明的保护范围由权利要求书所限定。
Claims (8)
1.一种GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，它包括如下步骤：
a）在蓝宝石衬底（7）上依次生长LED外延片结构： n型GaN层（6）、多量子阱层（5）和p型GaN层（4）；
b）在所述p型GaN层（4）上，生长掺锡氧化铟电极层（3）；
c) 采用FeCl3 ：HCl组成的腐蚀液，对掺锡氧化铟电极层（3）进行过腐蚀，其中所述FeCl3 ：HCl组成的腐蚀液的配比是3：1或5：1，并将由所述配比组成的FeCl3 ：HCl腐蚀液加热到30oC－50oC后，将掺锡氧化铟电极层（3）过腐蚀2μm－3μm，使得经过腐蚀后的掺锡氧化铟电极层（3）比所述p型GaN层（4）的图形小；
c1）采用感应耦合等离子体设备，进行干法腐蚀，从p型GaN层（4）刻蚀到n型GaN层（6），从而形成1.1μm － 1.6μm的台面结构;
d-1）在所述掺锡氧化铟电极层（3）上沉积二氧化硅保护层（2）；
d-2）在已经沉积了二氧化硅保护层（2）的位置，刻蚀出p型电极区域（1）和n型电极区域（8）；
d) 采用电子束蒸发台，在p型GaN层（4）上和n型GaN层（6）上分别生长p型欧姆接触层（1’）和n型电极层（8’）；以及
e)对蓝宝石衬底（7）进行减薄、抛光、划片和裂片处理。
2.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，所述掺锡氧化铟电极层（3）在300oC的温度下生长，厚度为2400Å。
3.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，所述掺锡氧化铟的组分包括：10％的SnO2，和90％的In2O3，并且所述SnO2和In2O3的纯度是99.9％。
4.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，在步骤b)和步骤c)之间，还包括：
步骤b-1)：在510oC的温度下，对生成的所述掺锡氧化铟电极层（3）进行退火，持续时间10分钟。
5.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于， 所述SiO2保护层（2）的厚度是1100Å，且在220oC的温度下生成。
6.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，所述p型欧姆接触层（1’）和所述n型电极层（8’）所采用的材料可以是Cr/Pt/Au的组合，或者是Ni/Au的组合，或者是Pt/Au的组合；
其中，当采用Cr/Pt/Au的组合时，Cr的生长厚度是400Å，Pt的生长厚度是200Å，而Au的生长厚度是10000Å；或者
其中，当采用的是Ni/Au的组合时，Ni的生长厚度是500Å，Au的生长厚度是8000Å；或者
其中，当采用Pt/Au，Pt的生长厚度是300Å，而Au的生长厚度是10000Å。
7.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，在完成p型欧姆接触层（1’）和n型电极层（8’）的生长之后，在280oC的温度下，对已经生长的p型欧姆接触层（1’）的金属进行合金，所述合金形成的持续时间是10分钟。
8.如权利要求1所述的GaN半导体LED芯片制作工艺，其特征在于，所述减薄处理是将蓝宝石衬底研磨至125μm的厚度，所述抛光处理是将经研磨后的衬底再抛光至85μm的厚度，而所述划片处理的深度是25μm－35μm。
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