CN103618034A - 一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法，涉及LED芯片。所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片自下而上包括支撑基底、P型电极层、P型GaN基材料层、多量子阱层、N型GaN基材料层和N型电极。在外延片表面镀P型金属电极层；在金属电极层上形成图形化厚金属基底；将样品键合到蓝膜上；采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，剥离蓝宝石衬底；粗化剥离后暴露出的n-GaN表面；制作n-GaN表面电极，即得。可避免同侧电极带来的电流不均匀性和局部热效应，延长寿命，解决LED芯片散热问题。可避免等离子体刻蚀对发光区的损伤，工艺简化，成本降低。可避免金属基板切割和解决因切割基板而造成的器件短路问题。

Description

一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及LED芯片，尤其涉及一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法。
背景技术
GaN基半导体发光二极管(LED)是一种新型固态冷光源，具有效率高、寿命长、体积小、电压低等诸多优点，尤其是在节能环保方面，LED相比普通白炽灯和荧光灯具有明显的优势。目前，LED已经广泛应用于人们的日常生活中，交通红绿灯、户外显示器、手机背光源等都已经开始采用LED。
目前，GaN基LED芯片外延层都是采用价格相对低廉的蓝宝石作为异质衬底，由于蓝宝石衬底是绝缘的材料，因此LED芯片无法实现垂直结构，只能采用同侧电极结构。同侧电极结构的电流为侧向注入，导致流过有源层的电流不均匀，出现电流簇拥效应和局部热效应等问题，影响了器件工作的可靠性，缩短使用寿命。利用键合以及激光剥离技术将LED芯片转移到导热性好的基板上并制备出垂直结构LED芯片是解决以上问题的重要方法之一。由于采用了导热性能好的基板，可以有效提高LED芯片的散热性能，解决电流不均匀问题，增加芯片使用寿命。
使用导热性能好的基板进行GaN基薄膜转移后,器件划片必须使用切割机或激光进行切割，用这种方法会出现金属基板卷边和喷溅而导致短路等不良问题。本申请人在中国专利CN201310057538.1中公开一种GaN基外延薄膜自分裂转移方法，该方法提供了一种不仅可降低成本，简化工艺，而且可避免金属基板切割和解决因切割基板而造成器件的短路问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可解决LED芯片的散热问题以及因切割金属衬底而造成的器件短路问题的一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法。
所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片自下而上包括：支撑基底、P型电极层、P型GaN基材料层、多量子阱层、N型GaN基材料层和N型电极。
所述支撑基底的厚度可为10～200μm。
所述多量子阱层包含InyGa1-yN或AlyGa1-yN,其中y=0～1。
所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在外延片表面镀上P型金属电极层，并当作反射镜使用；
2）采用光刻和镀膜技术在金属电极层上形成图形化厚金属基底；
3）将样品键合到蓝膜上；
4）采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，剥离蓝宝石衬底；
5）粗化剥离后暴露出的n-GaN表面；
6)制作n-GaN表面电极，得到自支撑GaN基LED芯片。
在步骤1)中，所述金属采用与p-GaN形成欧姆接触并具有高反射率的金属，或先蒸镀与p-GaN形成欧姆接触的材料，再蒸镀具有高反射率的金属；所述金属可选自Ag或Al等。
在步骤2)中，所述图形化厚金属基底是铜基底、金基底、镍基底、锌基底等金属以及它们的合金。
在步骤5)中，所述粗化剥离后暴露出的n-GaN表面可采用干法粗化法或湿法粗化法。
本发明具有以下有益效果：
1.利用本发明可以避免同侧电极带来的电流不均匀性和局部热效应，延长LED芯片的寿命。
2.利用本发明可以消除蓝宝石带来的热效应，解决LED芯片的散热问题。
3.利用本发明可避免等离子体刻蚀对发光区的损伤，有利于制备出高效的器件，工艺得到了简化，成本降低。
4.利用本发明可避免金属基板切割和解决因切割基板而造成的器件短路问题。
附图说明
图1为本发明自支撑垂直结构GaN基LED芯片实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片及其制备方法，以解决LED芯片的散热问题以及因切割金属衬底而造成的器件短路问题。图1为本发明中自支撑垂直结构GaN基LED芯片结构图。如图1所示，该LED芯片自下而上依次包括：铜支撑基底1，P型电极层2，P型GaN层3，多量子阱层4，N型GaN层5和N型电极6.
本发明自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备步骤如下：
步骤1：用标准清洗方法清洁蓝宝石上生长的GaN基薄膜外延片表面,清洗方法如下：甲苯，丙酮，乙醇各超声5min，再用去离子水充分冲洗，将样品放入120℃烤箱烘烤30min以上。
步骤2：在外延片表面蒸镀金属层：Ni/Ag/Ni/Au(2nm/150nm/150nm/200nm),在500℃的温度下退火5min，使金属层与p-GaN形成欧姆接触,同时该金属层又可作为高反射镜使用。
步骤3：采用光刻的方法制作出10μm厚的图形化光刻胶，即外延片的器件台面位置上没有光刻胶，而器件沟槽位置上附着光刻胶。光刻的主要步骤包括甩胶、前烘、曝光、显影、清洗。
步骤4：电镀沉积无应力金属铜厚层，铜的厚度为100μm。因为光刻胶的选择生长作用，所以最初铜只在台面位置无胶处沉积生长，而沟槽处没有铜沉积。随着铜在台面位置上不断沉积生长，铜的厚度不断增加。当铜的厚度超过了光刻胶，光刻胶对铜侧向生长的阻挡作用消失，铜爬到光刻胶表面上开始纵向、横向共同生长。
步骤5：把电镀后的样品键合到蓝膜上。
步骤6：采用波长为248nm，脉宽为25ns的KrF准分子激光器透过蓝宝石辐照样品，即所谓激光剥离技术，去除蓝宝石，GaN基薄膜转移到金属铜上。激光辐照后，有电镀铜金属支撑的区域蓝宝石去除后表面平坦，无电镀铜金属支撑的区域薄膜碎裂，从而使薄膜实现自动分裂。
步骤7：将剥离后的样品放入KOH水溶液(6mol/L)6min左右进行样品表面粗化。
步骤8：采用光刻的方法在样品表面制作电极掩模，蒸镀电极Cr/Au(20nm/200nm)于表面，然后浸入丙酮溶液。电极以外的金属将随着光刻胶剥离，清洗吹干，最终完成n型GaN电极的制作。
本发明最大的特点是：采用了自分裂GaN基薄膜转移技术,无应力镀铜技术,键合技术以及激光剥离技术制备出自支撑垂直结构GaN基LED芯片，利用本发明第一可以解决芯片的散热问题，第二可以解决因切割金属衬底而造成器件的短路问题，第三本发明无需采用等离子体刻蚀工艺，从而避免了等离子体刻蚀对发光区的损伤，最终有利于制备出高效性能的GaN基LED芯片。

Claims (8)

1.一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片，其特征在于自下而上包括：支撑基底、P型电极层、P型GaN基材料层、多量子阱层、N型GaN基材料层和N型电极。
2.如权利要求1所述一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片，其特征在于所述支撑基底的厚度为10～200μm。
3.如权利要求1所述一种自支撑垂直结构GaN基LED芯片，其特征在于所述多量子阱层包含InyGa1-yN或AlyGa1-yN,其中y=0～1。
4.如权利要求1所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在外延片表面镀上P型金属电极层，并当作反射镜使用；
2）采用光刻和镀膜技术在金属电极层上形成图形化厚金属基底；
3）将样品键合到蓝膜上；
4）采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，剥离蓝宝石衬底；
5）粗化剥离后暴露出的n-GaN表面；
6)制作n-GaN表面电极，得到自支撑GaN基LED芯片。
5.如权利要求4所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属采用与p-GaN形成欧姆接触并具有高反射率的金属，或先蒸镀与p-GaN形成欧姆接触的材料，再蒸镀具有高反射率的金属。
6.如权利要求4所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属选自Ag或Al。
7.如权利要求4所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述图形化厚金属基底是铜基底、金基底、镍基底、锌基底以及合金基底。
8.如权利要求4所述自支撑垂直结构GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述粗化剥离后暴露出的n-GaN表面采用干法粗化法或湿法粗化法。
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