CN105489717A - 一种垂直结构led芯片的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直结构LED芯片的制备工艺，包括以下步骤：1)在键合衬底表面上制备第一键合金属层；2)利用第一次光刻在氮化镓体系外延层的单位区域上依次制备反射镜、P面欧姆接触金属层和第二键合金属层；3)将第一键合金属层与第二键合金属层键合在一起；4)制备得到湿法腐蚀保护层；5)获得氮化镓体系外延层有效工作区域；6)在氮化镓体系外延层有效工作区域、反射镜、P面欧姆接触金属层和第二键合金属层的周向上制备得到钝化保护层；7)利用第三次光刻在氮化镓体系外延层有效工作区域上暴露出N电极层区域，然后利用湿法腐蚀方法将该处钝化保护层去除，在N电极层区域制备N面电极层，得到垂直结构LED芯片。

Description

一种垂直结构LED芯片的制备工艺

技术领域：

本发明属于发光二极管技术领域，具体涉及一种垂直结构LED芯片的制备工艺。

背景技术：

以铝铟镓氮材料(AlInGaN)体系为基础的可见光和紫外波段发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)自上世纪90年代实现高效蓝光发光技术起始，使得LED白光照明技术获得快速发展，产品的发光效率获得了持续提升，促使LED应用市场规模已突破数千亿元，同时近两年来随着AlGaN紫外波段器件的快速发展，使得其在UV固化、紫外线消毒杀菌、固体激光器等应用领域显现出良好的市场需求。

最常见的平面型LED是利用干法刻蚀将N型P型电极制作在芯片表面的同一侧，电流从沿水平方向流过LED的发光区，由于电子横向注入是从一个电极出发到另一个电极，导致途中电流密度分布不均匀，产生电流拥堵效应同时也造成了发光不均匀，且热分布也不均匀，容易造成器件快速老化失效，从而限制了单颗LED芯片的尺寸以及器件的发光。

随着LED照明应用的快速推广和普及，需要LED单芯片能够提供更高亮度、且具有高可靠性，采用垂直结构LED芯片技术能够满足以上技术发展趋势的要求，垂直结构芯片将LED的两个电极放在LED薄膜的两侧，电流垂直于薄膜表面流过器件，可以大幅度提升单芯片工作电流密度，同时彻底解决蓝宝石散热不佳的问题。在国际上主流的垂直结构LED芯片制造技术主要分为两类，一种是衬底转移技术，一种是导电衬底异质外延生长技术。前者通过激光剥离/高精度衬底减薄技术将蓝宝石衬底去除，并将外延层转移到其他导电导热性能良好的衬底上，后者直接利用外延方式在导电导热衬底上生长LED结构。对于导电衬底异质外延技术，一方面已由美国CREE和江西晶能两家公司进行了专利保护，其他公司很难获得突破，另一方面氮化硅衬底价格高昂，硅衬底材料脆性机械强度低，因此衬底转移技术是其他企业较容易开展的产品开发方向。

相比较水平结构LED芯片，由于垂直结构LED芯片需要完成衬底剥离和转移、单颗芯片的区域划分、电极图形加工，U-GaN氮化镓材料刻蚀区域定义、钝化保护层等，其光刻工艺次数一般不少于7次(如：芯片尺寸定义光刻、P面反光镜光刻、P面沟道保护层光刻、U-GaN刻蚀保护光刻、N电极电流阻挡层光刻、N电极光刻、钝化保护层光刻)，因此造成了垂直芯片工艺较水平芯片复杂、工艺良率相对较低以及制造成本相对偏高等问题，导致目前采用衬底转移技术进行芯片制造的各家企业产品良率均不高(约40％-60％之间)，产品的利润空间受到了限制。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种垂直结构LED芯片的制备工艺，该制备工艺仅采用三次光刻工艺，即可完成垂直结构LED芯片，大幅度降低了工艺复杂度和成本消耗，从而实现缩短工艺周期，降低成本目的，同时采用该工艺方法，可以有效提升工艺良率，降低产品漏电情况，为其规模化生产提供更好的解决方案。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种垂直结构LED芯片的制备工艺，包括以下步骤：

1)在键合衬底表面上制备第一键合金属层，同时在异质衬底上完成氮化镓体系外延层生长并对氮化镓体系外延层进行单位区域划分；

2)利用第一次光刻在氮化镓体系外延层的单位区域上依次制备反射镜、P面欧姆接触金属层和第二键合金属层；

3)将键合衬底表面上的第一键合金属层与异质衬底上的第二键合金属层键合在一起，然后利用衬底转移去除异质衬底；

4)在氮化镓体系外延层、反射镜、P面欧姆接触金属层和第二键合金属层的周向上制备得到湿法腐蚀保护层；

5)利用第二次光刻在氮化镓体系外延层上将有效工作区域之外的湿法腐蚀保护层暴露出来，然后利用湿法腐蚀方法分别将该处湿法腐蚀保护层和氮化镓体系外延层去除，并将残留湿法腐蚀保护层和光刻胶去除，获得氮化镓体系外延层有效工作区域；

6)在氮化镓体系外延层有效工作区域、反射镜、P面欧姆接触金属层和第二键合金属层的周向上制备得到钝化保护层；

7)利用第三次光刻在氮化镓体系外延层有效工作区域上暴露出N电极层区域，然后利用湿法腐蚀方法将该处钝化保护层去除，在N电极层区域制备N面电极层，得到垂直结构LED芯片。

本发明进一步的改进在于，步骤7)中还包括，对氮化镓体系外延层有效工作区域利用表面织构化工艺处理。

本发明进一步的改进在于，表面织构化工艺为化学试剂腐蚀进行腐蚀获取粗糙表面或者利用纳米压印和干法刻蚀在表面加工周期性纳米级尺寸孔洞方法。

本发明进一步的改进在于，键合衬底采用Si、SiC、AlSi、Cu、CuMo或者CuW材料制成；第一键合金属层采用金、金锡、金铟或者钯铟材料通过溅射、电子束或热蒸发、电镀制成。

本发明进一步的改进在于，异质衬底采用蓝宝石、硅、碳化硅材料制成；氮化镓体系外延层采用GaN、AlN、InGaN、AlGaN或者AlInGaN材料制成。

本发明进一步的改进在于，反射镜采用镍银、镍铝、镍金、镍铂、钛银、钛铝、钛金或钛铂材料制成；P面欧姆接触金属层采用钛铝、钛金、钛铂、镍铝、镍金或镍铂材料制成；键合金属层采用金、金锡、金铟或者钯铟材料制成。

本发明进一步的改进在于，湿法腐蚀保护层采用光刻胶、氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡材料制成。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，采用热压键合或共晶键合将键合衬底表面上的第一键合金属层与异质衬底上的第二键合金属层键合在一起。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，衬底转移为CMP高精度化学机械研磨或LLO激光衬底剥离。

相对于现有技术，本发明仅采用在三道光刻工艺，即可完成垂直结构LED芯片的制备，本发明的优点是充分利用工艺优化设计思路，减少垂直芯片常规工艺步骤，可批量处理外延片，不仅降低了制造周期、工艺复杂度和成本制造成本，还通过无选择性化学腐蚀方式，将芯片非功能区域氮化镓材料彻底去除干净，大幅度了降低了PN界面处非故意导通的可能性，提升产品和工艺良率，适合低成本大规模批量生产。本发明经试验证实，由于大大减少了光刻步骤及其辅助工艺，该方案较通用垂直结构芯片工艺制造周期可缩短20％以上，且在相同良率计算标准下，采用本发明技术方案制备的产品的良率较通用工艺提升至少10％。

附图说明：

图1(a)是本发明异质衬底上外延层和保护层结构示意图、(b)是键合衬底及其表面金属键合层结构示意图、(c)是整片垂直结构芯片晶圆结构示意图。

图2是本发明氮化镓晶圆和键合衬底键合后的结构示意图。

图3是具体实施例1中垂直结构LED芯片加工流程示意图。

图4为具体实施例2中垂直结构LED芯片结构示意图。

图中，11-异质衬底，12-氮化镓体系外延层，201-第一道保护层，202-反射镜，203-P面欧姆接触金属层，204-第一键合金属层，205-湿法腐蚀保护层，206-钝化保护层，207-N面电极层，301-键合衬底。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。

本发明一种垂直结构LED芯片的制备工艺，仅采用三道光刻步骤即可完成芯片工艺加工，包括以下步骤：

1)在键合衬底301表面上制备第一键合金属层204，同时在异质衬底11上完成氮化镓体系外延层12生长并对氮化镓体系外延层12进行单位区域划分；其中，键合衬底301采用Si、SiC、AlSi、Cu、CuMo或者CuW材料制成；第一键合金属层204采用金、金锡、金铟或者钯铟材料通过溅射、电子束或热蒸发、电镀制成；异质衬底11采用蓝宝石、硅、碳化硅材料制成；氮化镓体系外延层12采用GaN、AlN、InGaN、AlGaN或者AlInGaN材料制成。

2)利用第一次光刻在氮化镓体系外延层12的单位区域上依次制备反射镜202、P面欧姆接触金属层203和第二键合金属层208；其中，反射镜202采用镍银、镍铝、镍金、镍铂、钛银、钛铝、钛金或钛铂材料制成，具体制备方法是在氮化镓体系外延层12的单位区域上利用旋涂、CVD或PVD等方式制备第一层保护层，利用钻石或激光切割等加工方式在保护层和外延层上切割出较单颗垂直芯片尺寸稍大的区域，随后利用湿法腐蚀将保护层去除，再利用PVD方式于外延层上制备出反射镜202；P面欧姆接触金属层203采用钛铝、钛金、钛铂、镍铝、镍金或镍铂材料制成；键合金属层采用金、金锡、金铟或者钯铟材料制成，具体制备方法是利用第一道光刻工艺，在已切割单位区域中定义出单位垂直芯片反射镜区域，并利用湿法腐蚀和清洗工艺将芯片反射镜区域外所有的反射层材料和光刻胶去除，然后利用PVD技术在整片晶圆上制备P面欧姆接触金属层203和第二键合材料金属层208，同时在键合衬底上(即将要转移之衬底上)利用PVD技术制备第一键合材料金属层204。

3)将键合衬底301表面上的第一键合金属层204与异质衬底11上的第二键合金属层208键合在一起，然后利用衬底转移去除异质衬底11，完成衬底转移后的整片晶圆采取干法刻蚀技术，将外延层中U-GaN层刻蚀去除至重掺杂N-GaN层，然后利用化学试剂对重掺杂N-GaN层做腐蚀，随后进行表面织构化加工形成粗糙表面，或利用纳米压印和刻蚀技术在材料表面加工周期性纳米级尺寸孔洞出光结构，以增加光提取效率；

4)在氮化镓体系外延层12、反射镜202、P面欧姆接触金属层203和第二键合金属层208的周向上制备得到湿法腐蚀保护层205，其中湿法腐蚀保护层205采用光刻胶、氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡材料制成，具体制备方法是利用PECVD/PVD技术制备较厚的湿法腐蚀保护层。；

5)利用第二次光刻在氮化镓体系外延层12上将有效工作区域之外的湿法腐蚀保护层205暴露出来，然后利用湿法腐蚀方法分别将该处湿法腐蚀保护层205和氮化镓体系外延层12去除，并将残留湿法腐蚀保护层205和光刻胶去除，获得氮化镓体系外延层12有效工作区域；

6)在氮化镓体系外延层12有效工作区域、反射镜202、P面欧姆接触金属层203和第二键合金属层208的周向上制备得到钝化保护层206，具体是利用PECVD/PVD技术在晶圆表面全部覆盖钝化保护层；

7)利用第三次光刻在氮化镓体系外延层12有效工作区域上暴露出N电极层区域，然后利用湿法腐蚀方法将该处钝化保护层206去除，在N电极层区域制备N面电极层207，最后对氮化镓体系外延层12有效工作区域利用表面织构化工艺处理，得到垂直结构LED芯片。

5)，之后利用第二道光刻工艺，完整覆盖芯片有效工作区域，利用化学溶液将未覆盖区域保护层去除，随后将整片晶圆放置到氮化镓蚀刻液中，将保护区域(即芯片有效工作区域)外的外延层去除，随后去除所有湿法腐蚀保护层；

以上所述外延层材料自衬底向上主要包含，缓冲层Bufferlayer、非故意掺杂层U-GaN，重掺杂N-GaN，多量子阱MQW，电子阻挡层EBL，重掺杂P-GaN，总厚度在4-10um。

所述第一层保护层，包括但不限于氮化硅、氧化硅、ITO、光刻胶，厚度在500nm-10um。

所述反射镜，包括但不限于镍银，镍铝，镍金，镍铂，钛银，钛铝，钛金，钛铂，厚度在50nm-1um。

所述P面欧姆接触金属层，包括但不限于钛铝，钛金，钛铂，镍铝，镍金，镍铂，厚度在500nm-10um。

所述键合材料金属层，包括但不限于金，金锡，金铟，钯铟，厚度在1-10um。

所述键合衬底，包括但不限于Si、SiC、Mo、AlSi、Cu、CuMo、CuW，或者是导电导热材料再热定型的机械性能良好的各种基板，厚度在100um-5mm。

所述湿法腐蚀保护层，包括但不限于氮化硅、氧化硅、ITO、光刻胶、镍、钛，或其他耐腐蚀材料，厚度在1um-10um。

所述钝化保护层，包括但不限于氮化硅、氧化硅，厚度在200nm-10um。

所述氮化镓蚀刻液，包括但不限于KOH，磷酸，磷酸/硫酸混合液。

所述N面电极，与N型层氮化镓材料形成欧姆接触，为单一或多层金属结构，包括但不限于镍，钛，铝，金，铂，钒和其他合金，厚度在200um-1mm。

所述衬底转移技术，包括但不限于LLO激光剥离、CMP高精度化学机械研磨。所述干法刻蚀技术，包括但不限于感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀。

实施例1：

(1)首先在异质衬底11上利用外延方法制备氮化镓体系的LED外延材料层12，该外延材料层12包括缓冲层Bufferlayer、非故意掺杂层U-GaN，重掺杂N-GaN，多量子阱MQW，电子阻挡层EBL，重掺杂P-GaN。外延方法可以是金属化学气相沉积、激光辅助分子束外延、激光溅射，或氢化物汽相外延。淀积的外延薄膜可以是非晶、多晶、或单晶结构，其总厚度控制在5-10微米；该异质衬底包含但不限于蓝宝石、硅、碳化硅，或各类耐高温且带有与III-N材料晶格相匹配的过渡层的支撑衬底中的一种，其优选方案是蓝宝石衬底；该外延层包含以GaN/AlN/InGaN/AlGaN/AlInGaN等材料体系组成的LED外延结构中的一种或几种，其优选方案是GaN/InGaN；

(2)在该LED晶圆之上利用PECVD工艺制备一层保护层201氧化硅，或再与氧化硅上涂覆一层光刻胶，保护层厚度为1-10微米；再利用机械切割加工或干法刻蚀或激光加工方式将预先定义好的芯片尺寸区域切割划分完成，然后使用氢氟酸和有机溶液将氧化硅和光刻胶保护层清洗去除，该保护层材料包括但不限于光刻胶、氧化硅、氮化硅、氧化铟锡、金属等可以起到切割保护功能材料中的一种或多种，其优选方案为氧化硅和光刻胶复合层；

(3)采用金属物理气相沉积方法，制备反射镜层202，该202反射镜材料为镍银，镍铝，镍金，镍铂，钛银，钛铝，钛金，钛铂中的一种，其优选方案第一层为粘附层A(镍)，第二层为反射镜B(银)，A厚度控制在5埃，B厚度控制在500纳米，之后采用第一次光刻工艺定义出LED芯片尺寸区域，以光刻胶作保护利用稀盐酸将反射镜材料蚀刻成芯片大小，完成后去除光刻胶。

(4)在反射镜层之上采用金属物理气相沉积方法制备P面欧姆接触金属层203，该203层材料包括但不限于钛铝，钛金，钛铂，镍铝，镍金，镍铂，其优选方案第一层为粘附层C(钛)，第二层为较厚欧姆接触材料层D(金)，C厚度控制在500纳米，D厚度控制在1微米；然后再利用热阻蒸发方式，在晶圆203层和钨铜键合衬底301之上制备相同金属键合材料204，该204键合金属层材料包括但不限于金，金锡，金铟，钯铟，其优选方案为金锡，厚度为2um，该键合衬底包括但不限于Si、SiC、AlSi、Cu、CuMo、CuW，或者是导电导热材料再热定型的机械性能良好的基板，其优选方案为CuW和Si。

(5)利用晶圆键合设备，在设定的键合压力、键合温度及工艺时间下，将氮化镓晶圆和键合衬底301压合在一起形成一体材料，再使用248nm准分子LLO激光剥离技术或CMP高精度化学机械研磨技术将异质衬底11分离移除，获得图3中第1幅半成品结构。

(6)采用ICP干法刻蚀设备将外延层中的U-GaN层刻蚀去除，再利用PECVD方法在12层之上制备氧化硅湿法腐蚀保护层205(图3第2幅)，厚度控制在1微米，利用第二次光刻将芯片区域保护，先用氢氟酸将芯片尺寸外的氧化硅保护层205去除，再用100℃磷酸体系氮化镓蚀刻液将该区域的外延层腐蚀干净，最后用氢氟酸将所用剩余的氧化硅保护层去除(图3第3幅)。

(7)再利用PECVD方法在12层N-GaN之上生长一层钝化保护层206氧化硅(图3第4幅)，厚度为300纳米，采用第三道光刻将电极图像加工到该保护层206上，利用氢氟酸将电极区域的氧化硅去除露出氮化镓层，利用电子束蒸发方式，制备N电极207，该207层材质为E和F，E为钛，厚度控制在200纳米，F为金，厚度控制在1微米，最后利用激光划片加工方式，将钨铜衬底分割成单晶粒，完成垂直结构LED芯片制备。

实施例2：

前道加工方式如同案例1中一致，待进行到U-GaN刻蚀工艺漏出N-GaN表面时，利用化学试剂进行腐蚀获取粗糙表面，即将整片晶圆浸没在加热至80度的KOH溶液中实现N型粗糙表面加工，或利用纳米压印和干法刻蚀技术在N-GaN表面加工周期性纳米级尺寸孔洞后，再进行N电极加工和晶圆分割，完成表面粗化的垂直芯片加工。

本发明采用工艺优化整合思路，将原有较复杂的垂直结构芯片7道光刻工艺减少为仅3道光刻，不仅降低了工艺复杂度和制造成本、缩短的工艺周期，同时也提高了产品良率，实现了高效率的垂直结构LED芯片加工目的。该方法制备的垂直结构LED芯片解决了平面结构芯片的电流不均匀分布，以及散热不利的现象，从而大幅度提高工作电流密度和可靠性，为制作大尺寸垂直结构LED芯片提供了成本低、周期短，且工艺可靠的制作方法。

Claims (9)

1.一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)在键合衬底(301)表面上制备第一键合金属层(204)，同时在异质衬底(11)上完成氮化镓体系外延层(12)生长并对氮化镓体系外延层(12)进行单位区域划分；

2)利用第一次光刻在氮化镓体系外延层(12)的单位区域上依次制备反射镜(202)、P面欧姆接触金属层(203)和第二键合金属层(208)；

3)将键合衬底(301)表面上的第一键合金属层(204)与异质衬底(11)上的第二键合金属层(208)键合在一起，然后利用衬底转移去除异质衬底(11)；

4)在氮化镓体系外延层(12)、反射镜(202)、P面欧姆接触金属层(203)和第二键合金属层(208)的周向上制备得到湿法腐蚀保护层(205)；

5)利用第二次光刻在氮化镓体系外延层(12)上将有效工作区域之外的湿法腐蚀保护层(205)暴露出来，然后利用湿法腐蚀方法分别将该处湿法腐蚀保护层(205)和氮化镓体系外延层(12)去除，并将残留湿法腐蚀保护层(205)和光刻胶去除，获得氮化镓体系外延层(12)有效工作区域；

6)在氮化镓体系外延层(12)有效工作区域、反射镜(202)、P面欧姆接触金属层(203)和第二键合金属层(208)的周向上制备得到钝化保护层(206)；

7)利用第三次光刻在氮化镓体系外延层(12)有效工作区域上暴露出N电极层区域，然后利用湿法腐蚀方法将该处钝化保护层(206)去除，在N电极层区域制备N面电极层(207)，得到垂直结构LED芯片。

2.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，步骤7)中还包括，对氮化镓体系外延层(12)有效工作区域利用表面织构化工艺处理。

3.根据权利要求2所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，表面织构化工艺为化学试剂腐蚀进行腐蚀获取粗糙表面或者利用纳米压印和干法刻蚀在表面加工周期性纳米级尺寸孔洞方法。

4.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，键合衬底(301)采用Si、SiC、AlSi、Cu、CuMo或者CuW材料制成；第一键合金属层(204)采用金、金锡、金铟或者钯铟材料通过溅射、电子束或热蒸发、电镀制成。

5.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，异质衬底(11)采用蓝宝石、硅、碳化硅材料制成；氮化镓体系外延层(12)采用GaN、AlN、InGaN、AlGaN或者AlInGaN材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，反射镜(202)采用镍银、镍铝、镍金、镍铂、钛银、钛铝、钛金或钛铂材料制成；P面欧姆接触金属层(203)采用钛铝、钛金、钛铂、镍铝、镍金或镍铂材料制成；键合金属层采用金、金锡、金铟或者钯铟材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，湿法腐蚀保护层(205)采用光刻胶、氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，步骤3)中，采用热压键合或共晶键合将键合衬底(301)表面上的第一键合金属层(204)与异质衬底(11)上的第二键合金属层(208)键合在一起。

9.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED芯片的制备工艺，其特征在于，步骤3)中，衬底转移为CMP高精度化学机械研磨或LLO激光衬底剥离。