CN104183675A - 基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，包括：在p型GaN上依次制作欧姆接触层、金属层，并制作新的支撑基底；在抛光后的蓝宝石表面按LED芯片尺寸进行激光刻槽，槽深度至所述新的支撑基底；将放置有掩膜板的蓝宝石样品进行区域激光剥离；将样品放置于腐蚀溶液中，溶液通过刻槽进入到与蓝宝石基底交界处的GaN层，并对其进行侧向腐蚀，最终完全去除蓝宝石基底，并且对GaN表面进行粗化；在去除基底的GaN表面上制作n型电极、钝化层，形成垂直结构LED芯片。本发明避免了传统激光剥离时由于激光光斑的不均匀性和光斑之间的交叠对GaN外延片的损伤，同时避免了传统的腐蚀技术要求较厚GaN厚度的弊端。
Description
技术领域
本发明涉一种GaN基LED的制备方法，具体涉及一种基于激光剥离和化学腐蚀的LED芯片制备方法。
背景技术
由于蓝宝石基底与GaN材料晶格失配较小，且价格低廉，目前是生长GaN基外延层的主要基底。但由于其导电性差，因此传统GaN基LED为同侧电极结构。而同侧电极不仅增加了电流流经路径和工作电压，还导致了电流拥堵效应，增加了器件产热。而低热导率的蓝宝石基底致使器件内部热量无法及时散出，从而导致LED器件发光功率下降以及寿命减少等问题。因此传统结构LED不适于制作大功率或大电流密度工作的器件。为了解决这个问题，常用的方法是利用键合（或电镀），将GaN基LED外延层结合到另一热导率高，导电性好的基底上，并通过激光剥离的方法去除蓝宝石基底，从而制作出垂直结构LED，改善器件散热特性。然而用于激光剥离蓝宝石基底的准分子激光器的光斑不均匀，特别是中心和边界光强相差较大(CHIN. PHYS. LETT., 27, 127303, 2010)，这就导致了激光剥离过程中GaN材料分解不均匀。为使得GaN材料都实现分解，则需要增加入射激光的能量，然而这样会导致光斑中心附近能量过大而对GaN材料造成损伤，如产生位错或缺陷等。因此激光剥离后的器件通常具有较大的漏电流，这无疑会降低器件的抗静电能力和寿命。然而近几年发展出的化学腐蚀氮化镓层，去除蓝宝石基底方法(RSC Adv., 3, 10934, 2013,)，由于侧向腐蚀长度较长，而侧向腐蚀的同时，也会发生纵向腐蚀，这就要求GaN材料具有较厚的厚度，通常需要10 μm以上，增加了制作成本。
发明内容
为了解决上述GaN基外延薄膜在激光剥离过程中由于激光光斑能量不均匀导致的材料质量下降的问题，以及避免化学腐蚀对GaN材料厚度的要求，以不损伤去除蓝宝石基底后GaN基外延薄膜质量，提高成品率，本发明旨在提出基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，利用区域激光剥离和化学腐蚀的技术，制备垂直结构GaN基LED。
本发明所述的基于区域激光剥离和化学腐蚀的垂直结构GaN基LED制备方法包括以下步骤：
基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）提供蓝宝石为基底的GaN基发光外延片，其外延层依次包括n型GaN层、有源层、AlGaN层、p型GaN层；
（2）在p型GaN上依次制作欧姆接触层、金属层，并利用电镀或键合的方式制作新的支撑基底；
（3）将蓝宝石基底基底减薄抛光至20μm至100μm；
（4）在抛光后的蓝宝石表面按LED芯片尺寸进行激光刻槽，槽深度至所述新的支撑基底；
（5）制作镂空的与芯片形状相同的且横向和纵向尺寸均比芯片小5%~50%的掩模板，将掩模板对准置于蓝宝石上方;
（6）将上述放置有掩膜板的蓝宝石样品进行区域激光剥离，具体为：采用紫外波长的脉冲激光器，将出射激光通过透镜汇聚成与芯片形状相同的光斑；将待剥离样品蓝宝石面向上，置于可控制移动的平移台上方，平移台每次移动距离为两芯片中心的间距；调整入射激光能量、频率和平移台移动速度，使得每次激光能照射到镂空处且镂空处的GaN发生分解；
（7）配质量浓度为5%~40%的KOH腐蚀溶液，并置于60℃~80℃的恒温水浴内，将步骤（6）得到的样品放置于腐蚀溶液中，溶液通过刻槽进入到与蓝宝石基底交界处的GaN层，并对其进行侧向腐蚀，最终完全去除蓝宝石基底，并且对GaN表面进行粗化；
（8）在去除基底的GaN表面上制作n型电极、钝化层，形成垂直结构LED芯片。
进一步地，步骤（1）所述蓝宝石为基底的GaN基发光外延片通过如下步骤获得：在蓝宝石基底上利用金属有机气相化学沉积方法，依次沉积低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的AlGaN层和掺Mg的p型GaN层，并在外延生长后进行Mg激活。
进一步地，步骤（2）具体包括：在p型GaN上依次制作0.98 mm*0.98 mm大小的区域状Ni/Ag/Ni/Au欧姆接触层，同时作为金属反射镜层；并在p型GaN一侧上蒸发一整层Ni/Au作为种子层，并在Ni/Au上电镀Cu作为支撑基底。
进一步地，步骤（5）中所述掩膜板对200nm~400nm波长发光透过率低于10%。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明结合蓝宝石背部刻槽，区域激光剥离、腐蚀GaN层，最终去除蓝宝石基底，避免了传统激光剥离时由于激光光斑的不均匀性和光斑之间的交叠对GaN外延片的损伤，同时避免了传统的腐蚀技术要求较厚GaN厚度的弊端，可应用于GaN基垂直结构芯片的制备上。
附图说明
图1是在蓝宝石基底上制作制作欧姆接触层、金属层和支撑基底后的结构示意图。
图2是在图1所示结构的基础上进行激光刻槽的示意图。
图3是掩膜板的俯视图。
图4是进行进行区域激光剥离后的样品结构示意图。
图5是为样品放置于腐蚀溶液中的示意图。
图6为具有垂直结构LED芯片截面图。
图中，11：蓝宝石基底；12：GaN基外延层；13：区域状Ni/Ag/Ni/Au；14：Ni/Au种子层；15：Cu基底；21：抛光后的蓝宝石基底；22：槽；31掩膜板；41：激光器光斑；42：平移台；51：KOH腐蚀溶液；52：恒温水浴锅；53：部分激光剥离的样品；61：n型电极；62：SiO2钝化层。
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，下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。在以下的描述中阐述了更多的细节便于充分理解本发明，但是本发明能够以多种不同于此描述的其它方式实施，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
1）在蓝宝石基底11上利用金属有机气相化学沉积方法，依次沉积低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的AlGaN层和掺Mg的p型GaN层等GaN基外延层12，并在外延生长后进行Mg激活，以提高空穴浓度。
2）在上述p型GaN上依次制作0.98 mm*0.98 mm大小的区域状Ni/Ag/Ni/Au欧姆接触层13，同时作为金属反射镜层，并在500℃氧气氛围内退火1 min，使其形成良好的欧姆接触。
3）在上述退火后的样品p型GaN一侧上蒸发一整层Ni/Au 14作为种子层，并在Ni/Au上电镀100μm厚度的Cu 15作为支撑基底，图1所示为截面图。
4）将蓝宝石基底11减薄抛光至20μm至100μm，形成抛光后的蓝宝石基底21；
5）在抛光后的蓝宝石表面按LED芯片尺寸进行激光刻槽，槽22深度至Cu基底，图2所示为截面图；
6）制作激光剥离时的不锈钢材质的掩膜板31，其中掩膜板镂空处的尺寸0.95 mm*0.95 mm。将掩膜板置于蓝宝石上方，并与芯片位置对准。图3所示为掩膜板俯视图。
7）将发光波长为248 nm的脉冲激光器光斑聚焦至1 mm*1 mm 41，其中激光能量密度为,600mJ/cm2，然后将上述样品置于可调节移动速度和移动步长的平移台42上，调整样品位置和激光频率，使得每次激光光斑均可辐照到掩膜板镂空处，且GaN发生分解，如图4所示。
8）配质量浓度为10%的KOH腐蚀溶液51，并置于80℃的恒温水浴锅52内，将上述部分激光剥离的样品53放置于腐蚀溶液中20 min，去除蓝宝石基底，如图5所示；
9）在上述去除基底后的样品表面上制作n型电极61、SiO2钝化层62，形成LED芯片，图6所示为截面图。
如上即可较好地实现本发明并取得所述的技术效果。
Claims (4)
1.基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）提供蓝宝石为基底的GaN基发光外延片，其外延层依次包括n型GaN层、有源层、AlGaN层、p型GaN层；
（2）在p型GaN上依次制作欧姆接触层、金属层，并利用电镀或键合的方式制作新的支撑基底；
（3）将蓝宝石基底基底减薄抛光至20μm至100μm；
（4）在抛光后的蓝宝石表面按LED芯片尺寸进行激光刻槽，槽深度至所述新的支撑基底；
（5）制作镂空的与芯片形状相同的且横向和纵向尺寸均比芯片小5%~50%的掩模板，将掩模板对准置于蓝宝石上方;
（6）将上述放置有掩膜板的蓝宝石样品进行区域激光剥离，具体为：采用紫外波长的脉冲激光器，将出射激光通过透镜汇聚成与芯片形状相同的光斑；将待剥离样品蓝宝石面向上，置于可控制移动的平移台上方，平移台每次移动距离为两芯片中心的间距；调整入射激光能量、频率和平移台移动速度，使得每次激光能照射到镂空处且镂空处的GaN发生分解；
（7）配质量浓度为5%~40%的KOH腐蚀溶液，并置于60℃~80℃的恒温水浴内，将步骤（6）得到的样品放置于腐蚀溶液中，溶液通过刻槽进入到与蓝宝石基底交界处的GaN层，并对其进行侧向腐蚀，最终完全去除蓝宝石基底，并且对GaN表面进行粗化；
（8）在去除基底的GaN表面上制作n型电极、钝化层，形成垂直结构LED芯片。
2.根据权利要求1所述的基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，其特征在于步骤（1）所述蓝宝石为基底的GaN基发光外延片通过如下步骤获得：在蓝宝石基底上利用金属有机气相化学沉积方法，依次沉积低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的AlGaN层和掺Mg的p型GaN层，并在外延生长后进行Mg激活。
3.根据权利要求1所述的基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，其特征在于步骤（2）具体包括：在p型GaN上依次制作0.98 mm*0.98 mm大小的区域状Ni/Ag/Ni/Au欧姆接触层，同时作为金属反射镜层；并在p型GaN一侧上蒸发一整层Ni/Au作为种子层，并在Ni/Au上电镀Cu作为支撑基底。
4.根据权利要求1所述的基于区域激光剥离及化学腐蚀的GaN基LED制备方法，其特征在于步骤（5）中所述掩膜板对200nm~400nm波长发光透过率低于10%。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170222 Termination date: 20210710 |
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