CN105514230A - GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法，该结构包括：键合衬底；刻蚀阻挡层，对应切割道区域结合于所述键合衬底表面；P电极，键合于所述键合衬底；发光外延结构，结合于所述P电极上，包括依次层叠的P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，所述发光外延结构由切割道区域隔开成发光外延台面结构；以及N电极，形成于所述N-GaN层表面。本发明公开了一种可提高垂直芯片可靠性的器件结构及其制备方法，于切割道区域生长SiO2刻蚀阻挡层，使得剥离后ICP深刻蚀MESA台面时，避免切割道金属碎屑飞溅到芯片侧壁而出现的漏电情况。本发明的器件结构利用简单的一道负性光刻胶进行光刻即可完成，制程方便，成本低，适合批量生产使用。

Description

GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体照明制造领域，特别是涉及一种GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法。
背景技术
从LED的结构上讲，可以将GaN基LED划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LEDp、n电极在LED的同一侧，电流须横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。为了解决散热问题，美国LumiledsLighting公司发明了倒装芯片(Flipchip)技术，其散热效果有很大的改善，但是通常的GaN基倒装结构LED仍然是横向结构，电流拥挤的现象还是存在，仍然限制了驱动电流的进一步提升。
相比于传统的GaN基LED正装结构，垂直结构具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小、寿命长等优点，被广泛应用于通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域，成为一代大功率GaN基LED极具潜力的解决方案，正受到业界越来越多的关注和研究。
垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题，垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积。但垂直结构LED工艺难度较大，一直以来存在许多挑战，特别是制作高反射率电极、台面刻蚀以及漏电流抑制等关键技术。
如图1所示，传统垂直结构LED芯片台面(MESA)间切割道103一般采用ICP干法深刻蚀工艺形成，但由于发光外延结构103厚度的片内和片间的不均匀性，ICP最终会直接刻蚀到P电极金属102(及键合层金属)，从而造成金属飞溅到芯片侧壁(尤其敏感的是侧壁上外露的薄量子阱层)，极易导致芯片漏电，影响芯片可靠性。
鉴于以上所述，提供一种能够避免切割道金属碎屑飞溅到芯片侧壁而出现的漏电情况的GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法，用于解决现有技术中电极金属飞溅到芯片侧壁导致芯片漏电，从而影响芯片可靠性的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，包括步骤：步骤1)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上形成包括N-GaN层、量子阱层及P-GaN层的发光外延结构；步骤2)，于所述P-GaN层表面形成刻蚀阻挡层，于所述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域，并至少保留切割道区域的刻蚀阻挡层；步骤3)，于所述P电极制备区域制备P电极；步骤4)，提供一键合衬底，并键合所述键合衬底及P电极；步骤5)，剥离所述生长衬底；步骤6)，去除切割道区域的发光外延结构，直至露出所述刻蚀阻挡层；步骤7)，于所述N-GaN层表面形成N电极。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述N-GaN层与生长衬底之间还生长有U-GaN层；步骤6)中，还包括去除所述U-GaN层的步骤。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述刻蚀阻挡层选用为二氧化硅层，其厚度范围为0.5～1μm。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)于所述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域包括步骤：步骤a)，于所述刻蚀阻挡层表面形成负性光刻胶胶；步骤b)，采用光刻工艺制备出光刻图形；步骤c)，采用BOE湿法蚀刻工艺于所述述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)制作P电极包括以下步骤：步骤3-1)，于所述P-GaN层表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层；步骤3-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜；步骤3-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)所述的键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)中，采用ICP刻蚀法去除切割道区域的发光外延结构。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)去除切割道区域的发光外延结构形成发光外延台面结构后，还包括于所述发光外延台面结构侧壁表面形成绝缘层的步骤。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤7)在制备N电极之前，还包括对裸露的N-GaN层表面进行粗化的步骤。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤7)所述的N电极选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
本发明还提供一种GaN基LED垂直芯片结构，包括：键合衬底；刻蚀阻挡层，对应切割道区域结合于所述键合衬底表面；P电极，键合于所述键合衬底；发光外延结构，结合于所述P电极上，包括依次层叠的P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，所述发光外延结构由切割道区域隔开成发光外延台面结构；以及N电极，形成于所述N-GaN层表面。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述刻蚀阻挡层选用为二氧化硅层，其厚度范围为0.5～1μm。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述P电极包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述发光外延台面结构侧壁表面形成有绝缘层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述N-GaN层表面形成有粗化结构。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述的N电极选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
如上所述，本发明的GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法，具有以下有益效果：本发明公开了一种可提高垂直芯片可靠性的器件结构及其制备方法，于切割道区域生长SiO2刻蚀阻挡层，使得剥离后ICP深刻蚀MESA台面时，避免切割道金属碎屑飞溅到芯片侧壁而出现的漏电情况。本发明的器件结构利用简单的一道负性光刻胶进行光刻即可完成，制程方便，成本低，适合批量生产使用。本发明结构及方法简单，可有效提高器件的可靠性，在半导体照明领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示为现有技术中的垂直结构LED芯片的ICP刻蚀MESA台面结构的示意图。
图2～图9显示为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
201生长衬底
202U-GaN层
203N-GaN层
204量子阱层
205P-GaN层
206刻蚀阻挡层
207P电极
208键合衬底
209绝缘层
210粗化结构
211N电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图9所示，本实施例提供一种GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，包括步骤：
如图2所示，首先进行步骤1)，提供一生长衬底201，于所述生长衬底201上形成包括N-GaN层203、量子阱层204及P-GaN层205的发光外延结构。
作为示例，所述生长衬底201为蓝宝石衬底。
具体地，采用化学气相沉积工艺依次于所述蓝宝石衬底表面制备所述N-GaN层203、量子阱层204以及P-GaN层205，在本实施例中，所述N-GaN层203与生长衬底201之间还生长有U-GaN层202，作为缓冲层，以提高后续生长N-GaN层203的质量。
另外，在本实施例中，在制备前，还包括对所述蓝宝石衬底进行清洗的步骤，以去除其表面的杂质，如聚合物、灰尘等。
如图3所示，然后进行步骤2)，于所述P-GaN层205表面形成刻蚀阻挡层206，于所述刻蚀阻挡层206中形成P电极207制备区域，并至少保留切割道区域的刻蚀阻挡层206。
作为示例，采用PECVD工艺于所述P-GaN层205表面形成二氧化硅层，作为刻蚀阻挡层206，其厚度范围为0.5～1μm。
具体地，步骤2)于所述刻蚀阻挡层206中形成P电极207制备区域包括步骤：
步骤a)，于所述刻蚀阻挡层206表面形成负性光刻胶胶；
步骤b)，采用光刻工艺制备出光刻图形；
步骤c)，采用BOE湿法蚀刻工艺于所述述刻蚀阻挡层206中形成P电极207制备区域。
如图3所示，接着进行步骤3)，于所述P电极207制备区域制备P电极207。
具体地，包括以下步骤：
步骤3-1)，于所述P-GaN层205表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层。
在本实施例中，采用蒸镀工艺所述于所述P-GaN层205表面制备欧姆接触的ITO层，作为欧姆接触层。
步骤3-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜。
在本实施例中，采用蒸镀工艺于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜。当然，其他的反射金属也可能适用于本发明，并不限定于此处所列举的示例。
步骤3-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
在本实施例中，采用蒸镀工艺于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
如图4所示，然后进行步骤4)，提供一键合衬底208，并键合所述键合衬底208及P电极207。
作为示例，所述键合衬底208包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。在本实施例中，所述键合衬底208为W/Cu衬底，由于W/Cu衬底具有较高的导电及导热率，可以大大提高LED芯片的散热效率。
如图5所示，接着进行步骤5)，剥离所述生长衬底201。
在本实施例中，采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底201，以提高剥离效率，并降低对发光外延结构造成的损伤。
如图6～图7所示，然后进行步骤6)，去除切割道区域的发光外延结构，直至露出所述刻蚀阻挡层206。
作为示例，首先采用ICP刻蚀法去除所述U-GaN层202，然后采用ICP刻蚀法去除切割道区域的发光外延结构。由于切割道区域生长有SiO2刻蚀阻挡层206，使得剥离后ICP深刻蚀MESA台面时，避免切割道金属碎屑飞溅到芯片侧壁而出现的漏电情况，打打提高了芯片的可靠性。
另外，如图7所示，在本步骤中，去除切割道区域的发光外延结构形成发光外延台面结构后，还包括于所述发光外延台面结构侧壁表面形成绝缘层209的步骤，以防止后续制备工艺造成侧壁漏电，提高芯片可靠性。
如图8～图9所示，最后进行步骤7)，于所述N-GaN层203表面形成N电极211。
如图8所示，在本步骤中，在制备N电极211之前，还包括对裸露的N-GaN层203表面进行粗化的步骤。作为示例，表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。在本实施例中，腐蚀溶液选用为KOH。
作为示例，采用蒸镀法于所述GaN层表面制备N电极211，所述N电极211可以选用为Ni/Au层，Al/Ti/Pt/Au层，或Cr/Pt/Au层。在本实施例中，所述N电极211选用为Ni/Au层。
如图9所示，本实施例还提供一种GaN基LED垂直芯片结构，包括：键合衬底208；刻蚀阻挡层206，对应切割道区域结合于所述键合衬底208表面；P电极207，键合于所述键合衬底208；发光外延结构，结合于所述P电极207上，包括依次层叠的P-GaN层205、量子阱层204及N-GaN层203，所述发光外延结构由切割道区域隔开成发光外延台面结构；以及N电极211，形成于所述N-GaN层203表面。
作为示例，所述键合衬底208包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为示例，所述刻蚀阻挡层206选用为二氧化硅层，其厚度范围为0.5～1μm。
作为示例，所述P电极207包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
作为示例，所述发光外延台面结构侧壁表面形成有绝缘层209。
作为示例，所述N-GaN层203表面形成有粗化结构210。
作为示例，所述的N电极211选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
如上所述，本发明的GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法，具有以下有益效果：本发明公开了一种可提高垂直芯片可靠性的器件结构及其制备方法，于切割道区域生长SiO2刻蚀阻挡层206，使得剥离后ICP深刻蚀MESA台面时，避免切割道金属碎屑飞溅到芯片侧壁而出现的漏电情况。本发明的器件结构利用简单的一道负性光刻胶进行光刻即可完成，制程方便，成本低，适合批量生产使用。本发明结构及方法简单，可有效提高器件的可靠性，在半导体照明领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上形成包括N-GaN层、量子阱层及P-GaN层的发光外延结构；
步骤2)，于所述P-GaN层表面形成刻蚀阻挡层，于所述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域，并至少保留切割道区域的刻蚀阻挡层；
步骤3)，于所述P电极制备区域制备P电极；
步骤4)，提供一键合衬底，并键合所述键合衬底及P电极；
步骤5)，剥离所述生长衬底；
步骤6)，去除切割道区域的发光外延结构，直至露出所述刻蚀阻挡层；
步骤7)，于所述N-GaN层表面形成N电极。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述N-GaN层与生长衬底之间还生长有U-GaN层；步骤6)中，还包括去除所述U-GaN层的步骤。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述刻蚀阻挡层选用为二氧化硅层，其厚度范围为0.5～1μm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤2)于所述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域包括步骤：
步骤a)，于所述刻蚀阻挡层表面形成负性光刻胶胶；
步骤b)，采用光刻工艺制备出光刻图形；
步骤c)，采用BOE湿法蚀刻工艺于所述述刻蚀阻挡层中形成P电极制备区域。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤3)制作P电极包括以下步骤：
步骤3-1)，于所述P-GaN层表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层；
步骤3-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜；
步骤3-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤4)所述的键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤5)采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤6)中，采用ICP刻蚀法去除切割道区域的发光外延结构。
9.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤6)去除切割道区域的发光外延结构形成发光外延台面结构后，还包括于所述发光外延台面结构侧壁表面形成绝缘层的步骤。
10.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤7)在制备N电极之前，还包括对裸露的N-GaN层表面进行粗化的步骤。
11.根据权利要求8所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。
12.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤7)所述的N电极选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
13.一种GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于，包括：
键合衬底；
刻蚀阻挡层，对应切割道区域结合于所述键合衬底表面；
P电极，键合于所述键合衬底；
发光外延结构，结合于所述P电极上，包括依次层叠的P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，所述发光外延结构由切割道区域隔开成发光外延台面结构；
N电极，形成于所述N-GaN层表面。
14.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
15.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述刻蚀阻挡层选用为二氧化硅层，其厚度范围为0.5～1μm。
16.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述P电极包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
17.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述发光外延台面结构侧壁表面形成有绝缘层。
18.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述N-GaN层表面形成有粗化结构。
19.根据权利要求13所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述的N电极选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
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