CN104465899A - 一种led垂直结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LED垂直结构的制备方法，以衬底或带有低温GaN缓冲层的衬底作为生长基础，依次生长U-GaN及其他各层外延，完成LED外延片的生长。步骤包括：(1)U-GaN层生长结束后，进行湿法腐蚀，刻蚀至所述生长基础的表面；(2)继续生长U-GaN，新的U-GaN会直接在刻蚀过的U-GaN上进行生长，在所述生长基础的表面的U-GaN处留下倒金字塔结构；然后，在U-GaN表面依次生长其他各层外延，制得LED外延片；(3)将LED外延片制成垂直结构LED：在LED外延片表面沉积形成反射镜，并制出金属电极图形，利用高温金属键合工艺将金属电极图形表面键合在金属基板上，并利用常温超声技术剥离衬底；在U-GaN表面制出另一极金属电极图形。本发明提供的制备方法,能有效降低成本，提高效率。

Description

一种LED垂直结构的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体器件制备技术，具体涉及一种LED垂直结构的制备方法。
背景技术：
目前，全球已步入“节能时代”，各国都在积极寻找节能环保的新型产业，照明消耗的能源占全部能源消耗的20％以上，因此，降低照明用电是节省电力的重要途径。LED节能灯是新一代固态冷光源，具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点，是理想的节能环保产品，适用各种照明场所。然而，目前LED还未大规模进入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性价比太低，市场需要快速提高LED性价比的方案。提高LED性价比的途径有两条，一是提高LED的发光效率，二是降低LED的生产成本。但是，效率的提升以及成本的下降速度，还是达不到市场对LED性价比的期待。然而垂直结构LED能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片，折合成本只有正装结构的几分之一。因此，垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程，是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势。
GaN基垂直结构LED工艺与正装结构LED工艺的最大差异在于，垂直结构LED需要引入衬底转移技术。所谓衬底转移技术是指用高热导率与高电导率的新衬底取代原有的生长衬底。具体的步骤分为两步，首先采用晶片键合的方法或者电镀的方法将新衬底与外延片粘合在一起，然后再利用激光剥离或研磨等方法将原生长衬底去掉。目前去掉衬底的主流方法为激光剥离，激光剥离技术利用紫外波段(248nm)的激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，激光穿出蓝宝石衬底在蓝宝石与缓冲层之界面处被吸收，快速而局域地产生900-1000℃高温，使GaN分解生成金属Ga以及N2。N2逸出，Ga暂时还粘结着蓝宝石和GaN层。激光扫描过整个外延片后，将样品置于加热板上，升温至30℃左右，蓝宝石与GaN薄膜即可被分离。激光剥离技术虽然由于高效率、低损伤而成为新的研究热点，但也存在一些缺点限制了大规模应用，具体是：良率低、成本高、不适用于大尺寸衬底，精度要求高，导致薄膜中缺陷损失的增加，并且激光辐照产生的金属Ga部分与空气中的氧结合形成Ga2O3，致使剥离后GaN表面后处理困难。
发明内容：
为了降低成本，提高效率，本发明提供了一种新的制备垂直结构的方法。
本发明的方案如下：
一种LED垂直结构的制备方法，以衬底或带有低温GaN缓冲层的衬底作为生长基础，依次生长U-GaN以及其他各层外延，完成LED外延片的生长；其特殊之处在于：
U-GaN层生长结束后，进行湿法腐蚀，刻蚀至所述生长基础的表面；
湿法腐蚀完成后，继续生长U-GaN，新的U-GaN会直接在刻蚀过的U-GaN上进行生长，在所述生长基础的表面的U-GaN处留下倒金字塔结构，即U-GaN与所述生长基础的表面之间形成点接触；然后，在平整的U-GaN表面依次生长其他各层外延，制备得到LED外延片；
最后将LED外延片制成垂直结构LED，主要包括以下环节：在LED外延片表面沉积形成反射镜，并制出金属电极图形，利用高温金属键合工艺将金属电极图形表面键合在金属基板上，并利用常温超声技术剥离衬底；在U-GaN表面制出另一极金属电极图形。
基于上述方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：
所述其他各层外延的生长是，在继续生长U-GaN完成后，依次生长N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN。
实际上，生长U-GaN后，后续生长除了以上这种模式外，采用其他外延生长层模式也适用于本发明。对于LED的外延结构而言，最重要的是以下三部分：提供电子的N型GaN层、提供空穴的P型GaN层、量子阱发光层(MQW)。在设计外延层时，以上三部分必须要包括在内，其他层可以根据实际情况进行适当调整。
比如：1.对于电子阻挡层P-AlGaN，可以改变其结构，或是在量子阱中多加一层；2.将N-GaN或P-GaN的结构变为超晶格结构；3.生长P-GaN层后，再生长一层P-InGaN作接触层。
所述湿法腐蚀具体可以采用熔融的KOH或H3PO4进行腐蚀，并用去离子水清洗甩干。
所述将LED外延片制成垂直结构LED，包括以下步骤：
1)LED外延片的P-GaN表面清洗后，再去除P-GaN表面的氧化层，用去离子水冲净，氮气吹干；
2)在P-GaN表面用光刻胶作P电极掩膜，然后用电子束蒸发台带胶蒸发沉积形成兼作欧姆接触层和反射镜的金属层，再用去胶剂剥离光刻胶以形成P型金属电极图形，然后进行快速退火，退火温度为350-450℃；
3)利用高温金属键合工艺,在N2环境下加压将P-GaN面键合在硅或铜或钨铜合金基板上；
4)利用常温超声技术剥离衬底；
5)在U-GaN面上用光刻胶作N电极掩膜，采用ICP对U-GaN作表面处理，再用电子束蒸发台带胶蒸发沉积形成N型电极金属，再用去胶剂剥离光刻胶以形成N型金属电极图形，最终得到垂直结构的LED。
步骤3)具体过程为：在LED外延片的P-GaN表面、硅或铜或钨铜合金基板表面分别蒸镀一层1-2um的键合金属，然后将预键合的样品放入晶圆键合机中，在N2保护下按照设定的温度及压力参数进行键合。
步骤3)在晶圆键合机中键合温度为200-800℃，键合压力为300N，时间为1h。
采用以上LED垂直结构的制备方法制得的LED，包括剥离衬底的LED外延片，该剥离衬底的LED外延片的下底面为具有倒金字塔结构和刻蚀沟槽的粗糙面，在该粗糙面上蒸发沉积形成有N型电极金属图形；所述剥离衬底的LED外延片的上底面沉积形成有兼作欧姆接触层及反射镜的金属层，基于该金属层形成P型金属电极图形，P型金属电极图形表面键合在硅或铜或钨铜合金基板上。
相应的，该LED(结构)也作如下优化限定和改进：
LED外延片的结构包括依次生长的U-GaN、N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN，其中U-GaN的下底面为所述粗糙面。
所述兼作欧姆接触层及反射镜的金属层为依次沉积形成的Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al结构，相应的厚度为5nm/10nm/100nm；P型金属电极图形表面(即所述金属层的表面)蒸镀有一层1-2um的键合金属，键合金属的结构为Au/Au或Au/Sn(即Au/Au多层膜厚度为1-2um，或Au/Sn多层膜厚度为1-2um)。
所述N型电极金属图形为依次沉积形成的Cr/Ti/Au结构，相应的厚度为30nm/30nm/1000nm。
以上方案的技术效果具体如下：
简化了LED器件刻蚀步骤，同时改善了电流传输，降低了电流堆垛效应；垂直结构LED再结合金属键合，将会发挥更大优势，如单向出光，工艺简化，器件效率进一步提高。
湿法腐蚀后GaN和蓝宝石基板之间形成点接触，且晶格失配应力大大减小，有利于提升亮度。
将外延片键合到硅或铜或钨铜合金基板上，在芯片加工制程中可省去后段研磨工艺。
形成垂直结构后，U-GaN成为出光面，其为粗糙表面，会增加LED出光率，会进一步提高器件光电效率。
本发明利用常温超声技术剥离蓝宝石衬底，这种去衬底的方法简单可靠，成本低，并且蓝宝石可重复利用。
附图说明：
图1为本发明外延生长过程中初次生成U-GaN的示意图。
图2为本发明外延生长过程中对U-GaN进行湿法腐蚀后的示意图。
图3为本发明外延生长过程中U-GaN继续生长以及最终得到的外延片结构示意图。
图4为本发明制得的垂直结构的LED的示意图。图中adhes ive and mirror为接触层与反射镜层，bonding metal为键合金属层，submount为基板。
具体实施方式
本发明的主要特点是：U-GaN生长结束后，进行湿法腐蚀(KOH或H3PO4湿法腐蚀)；透过GaN缺陷(在异质衬底(蓝宝石)上生长GaN，其本身会产生大量缺陷)刻蚀至GaN/蓝宝石界面，并在两个方向上都进行刻蚀，紧接着晶圆再次进入外延设备重新进行GaN外延生长，重新生长的GaN会直接在刻蚀过的GaN上生长GaN，而不会在蓝宝石上生长。这样GaN部分应力被释放，此制程会在蓝宝石界面的GaN处留下倒金字塔结构，则GaN与蓝宝石之间形成了点接触，有利于之后的外延层剥离形成垂直结构。在P-GaN外延层表面制备反射镜(Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al)；最后利用高温金属键合工艺将P-GaN(电极)键合在硅或铜或钨铜合金基板上，并利用常温超声技术剥离蓝宝石基片。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述：
1.生长U-GaN(非掺杂氮化镓)：在2英寸蓝宝石衬底上用MOCVD生长30nm的低温(550℃)GaN作为缓冲层，紧接着高温(1020℃)生长U-GaN(非掺杂氮化镓)2-3um，如图1所示。图1中没有体现缓冲层，是因为缓冲层比较薄，其与U-GaN可以看成是一体的，它们在KOH或H3PO4中的腐蚀效果是一样的。
2.界面湿法腐蚀：将生长了U-GaN的蓝宝石晶片放入熔融的KOH腐蚀，条件为340℃/15分钟，并用去离子水清洗甩干，如图2所示。
3.LED结构层生长：将腐蚀后的U-GaN蓝宝石晶片重新放入MOCVD腔室生长：U-GaN/2um(1030℃)+N-GaN/2um(1030℃)+MQW/0.15um(850℃/750℃)+P-AlGaN/0.02um(950℃)+P-GaN/0.2um(900℃),从而完成LED外延层生长，如图3所示。
4.制成垂直结构LED：1)清洗：P-GaN表面经过有机溶剂(丙酮，四氯化碳，无水乙醇)热煮、超声清洗后，用热盐酸(70℃)去除P-GaN表面上的氧化层，用去离子水冲净，氮气吹干；2)在P-GaN面上用光刻胶作P电极掩膜，然后用电子束蒸发台带胶蒸发沉积兼作欧姆接触层及反射镜(Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al，这里的Ti/Ni/Ag是指Ti、Ni、Ag三层薄膜；Ti/Ni/Al同理)的金属层，反射镜层厚度分别为5nm/10nm/100nm、5nm/10nm/100nm，再用去胶剂剥离光刻胶以形成P型金属电极图形，然后置快速退火炉(RTA)进行快速退火，退火温度为350-450℃；3)利用高温金属键合(Au/Au或Au/Sn)工艺,在N2环境下加压将P-GaN键合在硅/铜/钨铜合金基板上。具体过程为：在蓝宝石衬底氮化镓基LED的P极表面、硅/铜/钨铜合金基板表面分别蒸镀一层1-2um的键合金属(Au/Au或Au/Sn，这里的Au/Au是指两层Au膜，Au/Sn同理)，然后将预键合的样品放入晶圆键合机中，然后在高纯N2的保护下进行按照设定的温度及压力参数进行键合；其中键合温度为200-800℃，键合压力为300N，时间为1h；4)利用常温超声技术剥离蓝宝石衬底(如果带有低温GaN缓冲层，则低温GaN缓冲层与U-GaN一起被KOH或H3PO4腐蚀，利用常温超声技术就可以把它们与蓝宝石剥离)；5)在u-GaN面上用光刻胶作n电极掩膜，用ICP(电感耦合等离子蚀刻)对u-GaN作表面处理，再用电子束蒸发台在低温下蒸发n型电极金属(Cr/Ti/Au)，n型电极金属厚度为30nm/30nm/1000nm，并用去胶剂剥离光刻胶以形成n型金属电极图形，至此，垂直结构的LED便制作成功，如图4所示。
经实验，与传统方案相比，本发明的垂直结构LED光电效率提高了20％-30％，成本降低一半。

Claims (10)

1.一种LED垂直结构的制备方法，以衬底或带有低温GaN缓冲层的衬底作为生长基础，依次生长U-GaN以及其他各层外延，完成LED外延片的生长；其特征在于：
U-GaN层生长结束后，进行湿法腐蚀，刻蚀至所述生长基础的表面；
湿法腐蚀完成后，继续生长U-GaN，新的U-GaN会直接在刻蚀过的U-GaN上进行生长，在所述生长基础的表面的U-GaN处留下倒金字塔结构，即U-GaN与所述生长基础的表面之间形成点接触；然后，在平整的U-GaN表面依次生长其他各层外延，制备得到LED外延片；
最后将LED外延片制成垂直结构LED，主要包括以下环节：在LED外延片表面沉积形成反射镜，并制出金属电极图形，利用高温金属键合工艺将金属电极图形表面键合在金属基板上，并利用常温超声技术剥离衬底；在U-GaN表面制出另一极金属电极图形。
2.根据权利要求1所述的LED垂直结构的制备方法，其特征在于：所述其他各层外延的生长是，在继续生长U-GaN完成后，依次生长N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN。
3.根据权利要求1或2所述的LED垂直结构的制备方法，其特征在于：所述湿法腐蚀采用熔融的KOH或H3PO4进行腐蚀，并用去离子水清洗甩干。
4.根据权利要求2所述的LED垂直结构的制备方法，其特征在于，将LED外延片制成垂直结构LED，包括以下步骤：
1)LED外延片的P-GaN表面清洗后，再去除P-GaN表面的氧化层，用去离子水冲净，氮气吹干；
2)在P-GaN表面用光刻胶作P电极掩膜，然后用电子束蒸发台带胶蒸发沉积形成兼作欧姆接触层和反射镜的金属层，再用去胶剂剥离光刻胶以形成P型金属电极图形，然后进行快速退火，退火温度为350-450℃；
3)利用高温金属键合工艺,在N2环境下加压将P-GaN面键合在硅或铜或钨铜合金基板上；
4)利用常温超声技术剥离衬底；
5)在U-GaN面上用光刻胶作N电极掩膜，采用ICP对U-GaN作表面处理，再用电子束蒸发台带胶蒸发沉积形成N型电极金属，再用去胶剂剥离光刻胶以形成N型金属电极图形，最终得到垂直结构的LED。
5.根据权利要求4所述的LED垂直结构的制备方法，其特征在于，步骤3)具体过程为：在LED外延片的P-GaN表面、硅或铜或钨铜合金基板表面分别蒸镀一层1-2um的键合金属，然后将预键合的样品放入晶圆键合机中，在N2保护下按照设定的温度及压力参数进行键合。
6.根据权利要求5所述的LED垂直结构的制备方法，其特征在于，步骤3)在晶圆键合机中键合温度为200-800℃，键合压力为300N，时间为1h。
7.一种垂直结构的LED，包括剥离衬底的LED外延片，其特征在于：所述剥离衬底的LED外延片的下底面为具有倒金字塔结构和刻蚀沟槽的粗糙面，在该粗糙面上蒸发沉积形成有N型电极金属图形；所述剥离衬底的LED外延片的上底面沉积形成有兼作欧姆接触层及反射镜的金属层，基于该金属层形成P型金属电极图形，P型金属电极图形表面键合在硅或铜或钨铜合金基板上。
8.根据权利要求7所述的垂直结构的LED，其特征在于：所述LED外延片的结构包括依次生长的U-GaN、N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN，其中U-GaN的下底面为所述粗糙面。
9.根据权利要求8所述的垂直结构的LED，其特征在于：所述兼作欧姆接触层及反射镜的金属层为依次沉积形成的Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al结构，相应的厚度为5nm/10nm/100nm；P型金属电极图形表面蒸镀有一层1-2um的键合金属，键合金属的结构为Au/Au或Au/Sn。
10.根据权利要求8所述的垂直结构的LED，其特征在于：所述N型电极金属图形为依次沉积形成的Cr/Ti/Au结构，相应的厚度为30nm/30nm/1000nm。
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