CN105720144B - 一种硅衬底氮化物紫外led芯片结构及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅衬底氮化物紫外LED芯片结构及其制备方法，在该LED芯片制备方法中包括：制备外延结构，所述外延结构中包括生长衬底和应力控制层；对所述外延结构进行表面处理；在所述外延结构上沉积反射层，并对所述反射层做图形化处理；在图形化后的反射层上沉积键合层；利用键合技术将沉积了键合层的外延结构与支撑基板键合；去除所述生长衬底和部分所述应力控制层；对所述应力控制层进行粗化形成粗化层；在所述粗化层表面制作用于导电的格栅和负极焊盘，完成所述硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的制备。其在热导率高的硅衬底上生长紫外LED外延结构，并制备硅衬底紫外LED垂直结构芯片，具有散热好，芯片良率高，成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，尤其是一种LED芯片结构及其实现方法。
背景技术
相比于传统紫外汞灯，氮化物紫外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有节能环保、寿命长、紧凑性好等多方面优势，在杀菌消毒、水体净化、紫外光固化、植物光照以及珠宝鉴定等方面具有广阔的应用前景。
现有的紫外LED一般都是基于蓝宝石衬底的紫外LED产品。由于蓝宝石衬底本身的绝缘性质，以及导热性不好，现有LED产品具有以下不足：(1)基于蓝宝石衬底的水平结构的紫外LED芯片散热不好，且外延层中的GaN(氮化镓)容易吸收有源区的紫外光，只适用于小尺寸的小功率芯片，不适合大功率条件下使用，例如光固化；(2)基于蓝宝石衬底的垂直结构紫外LED芯片制备过程中需要采用激光剥离工艺去除蓝宝石衬底，工艺良率低，成本高，且同样具有散热不好的缺点。
为了克服蓝宝石衬底紫外LED的不足，也有人提出用高导热性的AlN(氮化铝)衬底来制备紫外LED，但AlN衬底价格过于昂贵，目前难以实现商业化。
发明内容
为了克服以上缺点，本发明提高了一种硅衬底氮化物紫外LED芯片结构及其制备方法，其在热导率高的硅衬底上生长紫外LED外延结构，并制备硅衬底紫外LED垂直结构芯片，具有散热好，芯片良率高，成本低的优势。
本发明提供的技术方案如下：
一种硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，从下往上依次为：支撑基板、键合层、反射层、外延结构、粗化层、n电极。所述外延结构包括：n型电流扩展层、有源区准备层、有源区发光层、电子阻挡层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层。其直接在热导率高的硅衬底上生长紫外LED外延结构，并在此外延结构的基础上制备硅衬底紫外LED垂直结构芯片。
所述有源区发光层为InxAlyGa1-x-yN/InaAlbGa1-a-bN(铟镓铝氮)多量子阱结构，其中，0≦x≦1，0≦y≦1，0≦a≦1，0≦b≦1；
所述电子阻挡层为单层AlxGa1-xN层，或者多层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN层，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；
所述p型电流扩展层为Mg掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≦x≦1；
所述p型欧姆接触层为Mg掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；
所述n型电流扩展层为硅掺杂的n型AlyGa1-yN层，其中，0≦y≦1。
所述粗化层为表面具有尖峰的AlxGa1-xN层，其中，0≦x≦1；且所述粗化层的厚度为500～1500nm。
所述支撑基板为硅基板或铜基板或钼铜基板；优选的为厚度400-500um的硅基板或厚度为100-150um的钼铜基板。
所述键合层为Au-Sn(金-锡)或Ni-Sn(镍-锡)或Au-Au或Ni-Ge(镍-锗)或ACF(Anisotropic Conductive Film，异方性导电胶膜)导电导热薄膜；优选的2-3um的Au-Sn或Ni-Sn键合层。
所述反射层的材料为Ni、Al、ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)及Ag(银)中的一种或多种，且所述反射层的厚度范围为20～250nm(纳米)；优选的为Ni/Ag、Ni/Al，在常温条件下蒸镀，厚度为150nm。
所述n电极为Cr(铬)、Al、Au、Pt(铂)以及Ti中的一种或多种金属，且所述n电极的厚度范围为1000～4000nm。优选的组合为Cr/Al/Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Pt/Au，厚度为3000nm。
本发明提供了一种硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，所述实现方法应用于上述硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，所述实现方法包括以下步骤：
S1制备外延结构，所述外延结构中包括生长衬底和应力控制层；
S2对所述外延结构进行表面处理；
S3在所述外延结构上沉积反射层，并对所述反射层做图形化处理；
S4在图形化后的反射层上沉积键合层；
S5利用键合技术将沉积了键合层的外延结构与支撑基板键合；
S6去除所述生长衬底和部分所述应力控制层；
S7对所述应力控制层进行粗化形成粗化层；
S8在所述粗化层表面制作用于导电的格栅和负极焊盘，完成所述硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的制备。
所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，在步骤S1中具体包括：
依次在生长衬底上生长应力控制层、n型电流扩展层、有源区准备层、有源区发光层、电子阻挡层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层形成外延结构。
所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，所述应力控制层由多层AlxGa1-xN层构成，其中，每层所述AlxGa1-xN层中x的取值范围为0≦x≦1，且各层之间的Al组分采用突变、线性连续渐变或非线性连续渐变的方式进行过渡；或，所述应力控制层由Alx1Ga1-x1N和Alx2Ga1-x2N组成的超晶格结构构成，其中，0≦x1≦1，0≦x2≦1。
所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，所述n型电流扩展层中包括n型AlGaN；
在步骤S6中，具体包括：
S61去除所述生长衬底；
S62逐步去除所述应力控制层，直到暴露出所述n型电流扩展层中的n型AlGaN。
所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，在步骤S7中，所述应力控制层的厚度为1500～2500nm；所述粗化层的厚度(尖峰到谷底)为500～1000nm。
本发明提供的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构及其实现方法，具有如下优势：
第一，在芯片结构上避免了用ICP直接刻蚀AlGaN层，导致LED开启电压高；第二，可以使用湿法腐蚀的方法去除硅衬底，对外延结构无损伤，容易实现垂直结构芯片，工艺良率高，适合大规模生产；第三，硅衬底紫外LED可以大幅度降低外延成本，尤其是容易实现大尺寸衬底上的紫外LED生长；第四，硅衬底有良好的导电和导热性，硅基紫外LED更容易和驱动电路以及其他模块进行集成；第五，粗化层，把有源区发光层里的光子通过漫反射更多的提取出来；第六，该结构避免了GaN等吸光材料，减少了芯片本身对紫外光线的吸收，尤其是深紫外光线的吸收。
附图说明
图1为本发明提供的一种硅基紫外LED外延结构示意图。
图2为本发明提供的一种硅衬底紫外LED芯片结构示意图。
图3(包括图3a-图3g)为本发明提供的硅基紫外LED的实现方法。
附图标记：51-硅衬底层，52-应力控制层，53-n型电流扩展层，54-应力缓冲层，55-量子阱有源区发光层，56-电子阻挡层，57-p型电流扩展层，58-p型欧姆接触层，1-支撑基板，2-键合层，3-反射层，4-p型欧姆接触层，5-外延结构，6-粗化层，7-n电极层，a1-硅衬底层，a2-应力控制层，a3-p型欧姆接触层，b4-反射层，c5-键合层，d6-支撑基板，f7-粗化层，g8-负电极，g9-格栅。
具体实施方式
下面参照附图，结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
如附图1所示，本发明提供的外延结构5依次包括：硅衬底层51、应力控制层52、n型电流扩展层53、应力缓冲层54、量子阱有源区发光层55、电子阻挡层56、p型电流扩展层57、p型欧姆接触层58。
其中，所述应力控制层52包括一层或者多层AlxGa1-xN层，其中，0≦x≦1；且应力控制层采用多层组分逐渐降低的AlxGa1-xN层，组分降低的方式可以是渐变或者突变的；总厚度大于或等于1000nm(纳米)、小于或等于2000nm。在一个具体实施例中，该应力控制层52中直接和硅衬底层51接触的第一层为AlN层(即，在AlxGa1-xN层中，x＝1)。
基于上述外延结构，如附图2所示为本发明提供的LED芯片结构具体实施方式的结构示意图，从图中可以看出，在该LED芯片结构中从下到上依次包括：支撑基板层1、键合层2、反射层3、p型欧姆接触层4、外延结构5、粗化层6、n电极层7。
在本实施方式中，上述支撑基板层1为硅衬底或铜支撑基板或钼铜支撑基板，在具体实施例中使用厚度为400-500um(微米)的硅衬底或厚度为100-150um的钼铜支撑基板。
在本实施方式中，上述键合层2为AuSn、NiSn、AuAu、NiGe等导电导热层，在具体实施例中可选用2-3um厚的AuSn、或者2-3um厚的NiSn层作为导电导热层，键合温度为280-350℃(摄氏度)。具体，若制备直径为2英寸的LED芯片，则在该键合过程中，使用500-800kg的键合压力。
在本实施方式中，反射层3的材料可以为Ni、Al、ITO及Ag中的一种或多种，且所述反射层的厚度范围为20～200nm。在具体实施例中该反射层使用Ni/Ag或Ni/Al或ITO/Ag或ITO/Al组合。
在本实施方式中，粗化层6实质上为应力控制层52中的AlN或AlGaN层，经过ICP刻蚀后，剩余50-100nm厚度。在具体实施例中，应力控制成52在KOH或NaOH或MAH(四甲基氢氧化铵)的作用下，形成具有尖峰的粗化层。其中KOH和NaOH浓度为0.2％-1％、温度为60-80℃、时间为5-10min。TMAH浓度为2％-5％、温度为60-90℃、时间为10-20min。
在本实施方式中，n电极层7可以为Cr，Al，Au，Pt以及Ti中的一种或多种金属，且其厚度范围为1000～4000nm。在具体实施例中，该n电极可以为Cr/Al/Cr/Pt/Au或Ti/Al/Ti/Pt/Au组合。
本发明提供的硅衬底紫外LED芯片结构的实现方法，具体包括以下步骤：
将在硅衬底上生长应力控制层、n型电流扩展层、有源区准备层、有源区发光层、电子阻挡层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层的外延结构进行表面处理；
在外延结构的P型GaN上沉积一层Ag基的欧姆接触金属，同时也是反射镜，对反射镜做图形化处理；
在外延结构上沉积一层用于晶圆键合(Wafer-Bonding)的金属，该金属覆盖了反射镜在内的整个外延结构表面；
利用晶圆键合技术把外延结构和另一个支撑基板键合到一起；
去除用于生长AlGaN的硅衬底和部分去除应力控制层，使N型AlGaN暴露出来，实现衬底转移；
对N型AlGaN做表面粗化处理，之后沿着图形化的反射镜版图对AlGaN开槽，实现芯片之间的独立；
在N型AlGaN表面制作用于导电的格栅和负极焊盘；
以下，给出实施方案的具体示例，对本发明进一步说明。本实施方案不限于下文所述的具体示例。
具体实施例1：
基于本发明提供的硅衬底紫外LED外延结构，在本实施例中制备硅衬底紫外发光二极管芯片结构，结构如图3所示，在制备的过程中包括以下步骤：如图3所示。
如图3a，首先将硅衬底紫外LED外延结构表层，即p型欧姆接触层a3用丙酮、酒精进行表面清洗，然后在用硫酸:双氧水:水＝1:1:3对其进行表面处理，确保表面没有任何杂质。接着，对表面清洗完的外延结构进行Mg激活退火，退火条件为：在550℃下，N2:O2比为4:1的环境中退火3min(分钟)。另外，在图3a中，a1为硅衬底层，a2为应力控制层，a3为p型欧姆接触层，a2和a3中间为外延结构中n型电流扩展层、应力缓冲层、量子阱有源区发光层、电子阻挡层以及p型电流扩展层，在这个过程中未使用到，故未具体标号。
退火完毕后，如图3b，用e-beam(电子束)或sputter(溅射)的方式在p型欧姆接触层a3表面溅射一层厚度为150nm的Ni/Ag反射层b4，在这一过程中，该反射层b4同时也作为Ag基的欧姆接触金属层，并对该反射层b4做图形化处理。
如图3c在反射层之上，沉积一层用于晶圆键合(Wafer-Bonding)的键合层c5，具体，该键合层为厚度为3um的Ni/Sn层，其覆盖了的整个外延结构表面。
如图3d利用晶圆键合技术把外延结构和另一个支撑基板d6键合到一起；键合条件为500kg，300℃，300秒。
如图3e将硅衬底a1用HF:乙酸:HNO3＝1:1:2的腐蚀液，在常温条件下去除硅衬底层a1，然后用ICP去除1.8um厚的应力控制层a2，剩余应力控制层约2000nm。
如图3f用5％TMAH粗化液对暴露出的应力控制层进行粗化，形成粗化层f7，厚度为0.8-1.2um；粗化条件为：在温度75℃的条件下，进行粗化9min。之后沿着图形化的反射镜版图对外延结构开槽，实现芯片之间的独立。
如图3g在N型AlGaN表面制作用于导电的格栅g9和负极焊盘g8。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
S1制备外延结构，所述外延结构中包括生长衬底和应力控制层；所述应力控制层由多层AlxGa1-xN层构成，其中，每层所述AlxGa1-xN层中x的取值范围为0＜x≤1，且各层之间的Al组分采用突变、线性连续渐变或非线性连续渐变的方式进行过渡；或，所述应力控制层由Alx1Ga1-x1N和Alx2Ga1-x2N组成的超晶格结构构成，其中，0＜x1≤1，0＜x2≤1；
S2对所述外延结构进行表面处理；
S3在所述外延结构上沉积反射层，并对所述反射层做图形化处理；
S4在图形化后的反射层上沉积键合层；
S5利用键合技术将沉积了键合层的外延结构与支撑基板键合；
S6去除所述生长衬底和部分所述应力控制层；
S7对所述应力控制层进行粗化形成粗化层；粗化应力控制层中的AlGaN层，应力控制层在KOH或NaOH或MAH的作用下，形成具有尖峰的粗化层，其中，KOH和NaOH浓度为0.2％-1％、温度为60-80℃、时间为5-10min；TMAH浓度为2％-5％、温度为60-90℃、时间为10-20min；
S8在所述粗化层表面制作用于导电的格栅和负极焊盘，完成所述硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的制备；
外延结构中包括n型电流扩展层，所述n型电流扩展层为硅掺杂的n型AlyGa1-yN层，其中，0≦y≦1；
在步骤S7中，所述应力控制层的厚度为1000～2500nm；所述粗化层的厚度为500～1500nm；
所述n型电流扩展层中包括n型AlGaN；
在步骤S6中，具体包括：
S61去除所述生长衬底；
S62逐步去除所述应力控制层，直到暴露出所述n型电流扩展层中的n型AlGaN。
2.如权利要求1所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法，其特征在于，在步骤S1中具体包括：
依次在生长衬底上生长应力控制层、n型电流扩展层、有源区准备层、有源区发光层、电子阻挡层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层形成外延结构。
3.如权利要求1或2所述硅衬底氮化物紫外LED芯片结构的实现方法制备得到的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，其特征在于，
所述LED芯片结构从下往上依次为：支撑基板、键合层、反射层、外延结构、粗化层以及n电极；
所述外延结构由下往上依次为：p型欧姆接触层、p型电流扩展层、电子阻挡层、有源区发光层、有源区准备层以及n型电流扩展层；
所述电子阻挡层为单层AlxGa1-xN层，或者多层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN层，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；
粗化层为表面具有尖峰的AlxGa1-xN层，应力控制层在KOH或NaOH或MAH的作用下，形成具有尖峰的粗化层，其中，KOH和NaOH浓度为0.2％-1％、温度为60-80℃、时间为5-10min；TMAH浓度为2％-5％、温度为60-90℃、时间为10-20min；
所述应力控制层由多层AlxGa1-xN层构成，其中，每层所述AlxGa1-xN层中x的取值范围为0＜x≤1，且各层之间的Al组分采用突变、线性连续渐变或非线性连续渐变的方式进行过渡；或，所述应力控制层由Alx1Ga1-x1N和Alx2Ga1-x2N组成的超晶格结构构成，其中，0＜x1≤1，0＜x2≤1；
所述n型电流扩展层为硅掺杂的n型AlyGa1-yN层，其中，0≦y≦1；
所述粗化层的厚度为500～1500nm。
4.根据权利要求3所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，其特征在于，在所述外延结构中：
所述有源区发光层为InxAlyGa1-x-yN/InaAlbGa1-a-bN多量子阱结构，其中，0≦x≦1，0≦y≦1，0≦a≦1，0≦b≦1；
和/或，
所述p型电流扩展层为Mg掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≦x≦1；
和/或，
所述p型欧姆接触层为Mg掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，其中，0≦x≦1，0≦y≦1。
5.根据权利要求3或4所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，其特征在于：所述粗化层的厚度为500～1500nm。
6.根据权利要求3所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，其特征在于：
所述导热导电支撑基板为硅基板或铜基板或钼铜基板；
和/或，
所述键合层为Au-Sn或Ni-Sn或Au-Au或Ni-Ge或ACF导电导热薄膜。
7.根据权利要求3所述的硅衬底氮化物紫外LED芯片结构，其特征在于：
所述反射层的材料为Ni、Al、ITO及Ag中的一种或多种，且所述反射层的厚度范围为20～250nm；
和/或，
所述n电极为Cr、Al、Au、Pt以及Ti中的一种或多种金属，且所述n电极的厚度范围为1000～4000nm。
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