CN104269470A - 能够释放应力的垂直结构led薄膜芯片的制备方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的制作方法及结构，在科学选择设计阻挡层，特别是第一键合层、中间层和第二键合层材料及结构的基础之上，设计LED薄膜和基板之间的金属或合金在去除衬底后通过低温退火处理熔化或部分熔化，从而使得LED薄膜在此熔化过程中可以自由伸展、自平坦化，达到了有效释放LED薄膜中的残余应力的效果，且又不会因退火熔化的温度过高而破坏LED芯片的光电性能。其结构包括：衬底，在衬底上设置有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次沉积有反射接触层、阻挡层，特征是在阻挡层下方形成有混合层，在混合层下方有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件制造技术领域，尤其是涉及一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的制备方法及结构。
背景技术
LED（发光二极管）作为新一代绿色固体光源，是理想的节能环保产品，适用于状态指示、交通信号灯、大屏幕显示、照明等多种场所，随着其发光效率和可靠性能的提高，照明用GaN基LED正在逐渐走入千家万户。
从LED的结构上来讲，GaN基LED可分为正装结构、倒装结构和垂直结构。传统的正装结构LED在芯片出光、散热等方面存在较大问题，且存在电流拥挤现象，此限制了其发光效率和可靠性能的进一步提高，难以满足照明市场的需求；倒装结构LED虽然在芯片散热方面有较大改善，由于仍是同侧电极，因而还是存在电流拥挤现象；而垂直结构LED可同时解决以上问题，具有出光效率高、在空间上光斑分布均匀、可靠性较高等优点。
目前，垂直结构LED的制作方法通常包括：采用晶圆键合或电镀的方法将在衬底上外延生长的LED薄膜与新的支撑基板结合在一起，然后去除原生长衬底，这样就实现了LED薄膜从生长衬底到支撑衬底的转移。通过将LED薄膜由原生长衬底转移到电导率更高的支撑基板（硅基板或者金属基板）上，这样可以有效地改善发光器件的散热，且垂直结构的发光器件可通过表面粗化等手段，显著提高发光器件的出光效率；有效的散热及出光使得垂直结构发光器件的电光转换效率和可靠性均得到明显改善。
然而， 采用目前这种转移技术所获得的发光器件，其可靠性仍然不够理想, 其主要原因是：没有充分释放外延生长和芯片工艺过程中给芯片引入的应力。由于同质衬底很难获得，目前GaN基LED薄膜的外延生长通常在异质衬底上进行，从而在LED薄膜中引入了较大的应力。如果LED芯片的应力过大，则会严重影响芯片的性能、良率和可靠性。因此，有效释放LED薄膜中的残余应力是垂直结构LED技术路线中必须突破的难题之一。CN201110026143专利采用多次转移的办法释放应力，这种多次转移的办法确实能充分释放应力，但是带来了一些新的问题，如：芯片挪位问题（导致后续器件光刻等难于完全对准）和单颗芯片鼓包（导致芯片后续工艺破裂）等问题, ,这都会影响芯片的良率及可靠性。
发明内容：
本发明的第一个目的在于提供一种可简单、充分有效地释放LED薄膜中残余应力的垂直结构LED薄膜芯片的制备方法，该方法不仅不会影响芯片的可靠性和良率，还简化了芯片的制造过程，降低了生产成本，提高了LED芯片的稳定性和寿命。
本发明的第二个目的在于提供一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的结构。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的制备方法，其特征是包括以下步骤：
A、提供衬底，在所述衬底上生长包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜；
B、在所述的LED薄膜上依次沉积反射接触层、阻挡层、第一键合层；
C、提供基板，在所述基板的正面依次沉积基板正面保护层、第二键合层，在所述基板的反面依次沉积基板反面保护层、接触层；
D、在所述第一键合层和/或第二键合层上沉积中间层；
E、采用晶圆热压键合方法通过中间层、第一键合层和第二键合层将所述LED薄膜与基板绑定在一起，之后去除所述衬底；在完成所述E时，至少部分中间层保持着其原状态，没有与第一键合层和第二键合层发生反应；
F、将步骤E得到的LED薄膜和基板的粘接体进行退火处理，使中间层熔化或中间层、第一键合层和第二键合层部分熔化，以释放应力；
G、退火处理后，再进行N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备，制得垂直结构的LED薄膜芯片。
步骤D中,所述中间层的熔点低于所述第一键合层和第二键合层的熔点，中间层的材料为不超过400摄氏度的金属或合金。
步骤E中, LED薄膜与基板的绑定是在低于中间层熔点的温度下进行，即扩散绑定；优选的，LED薄膜与基板的绑定温度比中间层的熔点低0到150℃，绑定时间为1min至100min。
或，步骤E中, LED薄膜与基板的绑定是在高于中间层熔点的温度下进行，即熔化绑定；优选的， LED薄膜与基板的绑定温度高出中间层的熔点0到100℃，绑定时间为1min至100min。
步骤E的绑定过程中和步骤F的退火处理过程中，中间层、第一键合层、第二键合层相互反应扩散，完成步骤E后，中间层、第一键合层、第二键合层三层形成了无界面分割的混合层。
步骤B、C中的所述反射接触层、阻挡层、第一键合层、中间层、第二键合层、基板正面保护层、基板反面保护层和接触层均可通过蒸发、溅射或电镀的方法获得。
优选的，在生长LED薄膜之前，先将步骤A中的所述衬底图形化；在图形化的衬底上生长的LED薄膜将延续所述衬底的图形，各个图形是相互独立的，图形之间为沟槽，所述沟槽为LED薄膜中残余应力的释放提供了空间。
优选的，先在步骤A中的所述衬底上生长LED薄膜，然后采用干法刻蚀或湿法腐蚀的办法将LED薄膜图形化，为LED薄膜中残余应力的释放提供空间。
优选的，进行步骤F时将温度升到高出中间层的熔点以上0到150℃，并保持1到100min。
优选的，所述中间层的厚度为0.5um ~ 5um。
优选的，所述阻挡层的材料为Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W单层金属和金属合金TiW、FeNiCr、FeCoCr中任意两种或多种材料的叠层结构，如：Cr/Pt、Cr/Au、Pt/Au/TiW、Pt/Au。
优选的，所述第一键合层、第二键合层为Ti、Cu、Pt、Au、Al、Ag、Si中任意一种或多种金属的多层组合。
优选的，所述中间层为In、Sn、AuSn、AgSn、InAg中的任意一种金属或合金。
优选的，所述混合层的材料为AgIn、AuIn、CuIn、AgSn、AuSn中的任意一种。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的结构，包括：衬底，在衬底上设置有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次沉积有反射接触层、阻挡层，特征是在阻挡层下方形成有混合层，在混合层下方有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
优选的，所述阻挡层的厚度为0.2um ~ 5um。
优选的，所述混合层的厚度为2um ~ 15um。
本发明所述的一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的制作方法及结构，其核心有两点：其一在于设计LED薄膜和基板之间的金属在去除衬底后通过退火处理被熔化或部分熔化，从而使LED薄膜在其熔化时可以自由伸展、释放应力；其二在于科学的选择和设计阻挡层，特别是中间层、第一键合层和第二键合层的材料和结构，使上述各层在经过晶圆热压黏合之后不仅能够满足LED芯片对粘附性、强度等力学性能的要求，而且使得经过晶圆热压键合之后的LED薄膜和基板之间的金属或合金能够在较低温度下熔化或部分熔化，这样即充分有效的释放了LED薄膜中的残余应力，又不会因退火熔化的温度过高而破坏LED芯片的光电性能。
综上，本发明可简单、充分有效地释放LED薄膜中残余应力、提高LED芯片的光电性能、可靠性、稳定性和寿命，且无须多次转移LED薄膜，简化了制造过程，降低了生产成本。
附图说明：
图1是实施例1的结构示意图；
图２为实施例1中步骤1的结构剖面图；
图３为实施例1中步骤2的结构剖面图；
图４为实施例1中步骤3的结构剖面图；
图５为实施例1中步骤4的结构剖面图；
图６为实施例1中步骤5的结构剖面图；
图７为实施例1中步骤6的结构剖面图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
实施例1：
（1）、如图2所示，提供衬底100，在所述衬底100上生长LED薄膜101，其中，LED薄膜101包括缓冲层、n型层、发光层和P型层。优选的，所述衬底100的材料为Si，LED薄膜101为铝镓铟氮薄膜，使用MOCVD生长所得。在本发明的其它实施例中，所述衬底100也可为蓝宝石、SiC、GaN、GaAs或者AlN中任意一种，所述LED薄膜101并不局限于铝镓铟氮薄膜，也可以是其他需要释放应力的半导体薄膜如在砷化镓衬底上外延的铝镓铟磷薄膜。
（2）、如图３所示，采用电子束蒸发的方法在LED薄膜101上依次形成反射接触层102、阻挡层103和第一键合层104。所述反射接触层102，即与GaN 基LED薄膜具有良好的欧姆接触性能，又具有较高反射率，兼备了反射层和接触层的作用，本实施例中反射接触层102的材料为Ag，厚度为0.05um ~ 0.5um。所述阻挡层103的作用在于阻挡低熔点的中间层金属扩散至反射接触层102，本实施例中，阻挡层103的材料为Cr/Pt或Pt/Au/Pt/TiW，厚度为0.2um ~ 2um。
（3）、如图４所示，提供基板200，在所述基板200的正面依次沉积基板正面保护层201、第二键合层202，在所述基板200的反面依次沉积基板反面保护层203、接触层204。
所述第一键合层104和第二键合层202为铜、金，银中任意一种或多种金属的多层组合。本实施例中，第一键合层104和第二键合层202的材料均为银。
（4）、如图５所示，在所述第一键合层104和/或第二键合层202上沉积中间层300。特别的，所述中间层300的熔点低于所述第一键合层104和第二键合层202的熔点，其材料为不超过400摄氏度的金属或合金。本实施例中，中间层300的材料为铟。
（5）、如图６所示，采用晶圆热压键合方法通过中间层300、第一键合层104和第二键合层202将所述LED薄膜101与基板200绑定在一起，之后去除所述衬底100。
（6）、如图７所示，将所述（5）得到的LED薄膜101和基板200的粘接体进行退火处理，使中间层300或中间层300、第一键合层104和第二键合层202熔化或部分熔化。
所述（6）之后，中间层300、第一键合层104和第二键和层202形成了无界面分割的混合层500。
（7）、退火处理后，再进行N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备，制得垂直结构的LED薄膜芯片。
Claims (11)
1.一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、提供衬底，在所述衬底上生长包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜；
B、在所述的LED薄膜上依次沉积反射接触层、阻挡层、第一键合层；
C、提供基板，在所述基板的正面依次沉积基板正面保护层、第二键合层，在所述基板的反面依次沉积基板反面保护层、接触层；
D、在所述第一键合层和/或第二键合层上沉积中间层；所述中间层的熔点低于所述第一键合层和第二键合层的熔点，中间层的材料为不超过400摄氏度的金属或合金；
E、采用晶圆热压键合方法通过中间层、第一键合层和第二键合层将所述LED薄膜与基板绑定在一起，之后去除所述衬底；在完成所述E时，至少部分中间层保持着其原状态，没有与第一键合层和第二键合层发生反应；
F、将步骤E得到的LED薄膜和基板的粘接体进行退火处理，使中间层熔化或中间层、第一键合层和第二键合层部分熔化，以释放应力；
G、退火处理后，再进行N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备，制得垂直结构的LED薄膜芯片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：进行步骤F时将温度升到高出中间层的熔点以上0到150℃，并保持1到100min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤E的绑定过程中和步骤F的退火处理过程中，中间层、第一键合层、第二键合层相互反应扩散，完成步骤E后，中间层、第一键合层、第二键合层三层形成了无界面分割的混合层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤B、C中的所述反射接触层、阻挡层、第一键合层、中间层、第二键合层、基板正面保护层、基板反面保护层和接触层均可通过蒸发、溅射或电镀的方法获得。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中间层的材料为In、Sn、Au、Ag、AuSn、AgSn中的任意一种金属或合金，其厚度为0.5um ~ 5um。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述阻挡层的材料为Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W单层金属和金属合金TiW、FeNiCr、FeCoCr中任意两种或多种材料的叠层结构，如：Cr/Pt、Cr/Au、Pt/Au/TiW、Pt/Au。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一键合层、第二键合层为Ti、Cu、Pt、Au、Al、Ag、Si中任意一种或多种金属的多层组合。
8.根据权利要求1和权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述混合层的材料为AgIn、AuIn、CuIn、AgSn、AuSn中的任意一种。
9.一种能够释放应力的垂直结构LED薄膜芯片的结构，包括：衬底，在衬底上设置有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次沉积有反射接触层、阻挡层，特征是在阻挡层下方形成有混合层，在混合层上方有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于：所述阻挡层的厚度为0.2um ~ 5um。
11.根据权利要求9所述的结构，其特征在于：所述混合层的厚度为2um ~ 15um。
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