CN105742417B - 一种垂直led芯片结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种垂直LED芯片制备方法包括：1）提供生长衬底，于生长衬底上形成外延层，2）于外延层上依次形成金属电极层及键合衬底；3）采用低能量激光剥离生长衬底，其中，相邻两小光斑间的重叠率超过50%。本发明还提供一种垂直LED芯片结构包括：键合衬底；依次位于键合衬底之上的金属电极层、P‑GaN层、多量子阱层及N‑GaN层；依次位于N‑GaN层表面的钝化层及N电极。本发明解决了现有技术中大尺寸LED芯片垂直制程中，键合后的晶圆内应力大，极易造成键合衬底破裂或形变严重，并对外延层结构及性能产生恶劣的微观影响直接导致严重漏电，致使成品率极低的问题。

Description

一种垂直LED芯片结构及其制备方法
技术领域
本发明属于LED芯片领域，特别是涉及一种垂直LED芯片结构及其制备方法。
背景技术
众所周知，传统的正装结构LED芯片由于蓝宝石衬底不导电、导热率差的制约性，存在电流分布不均匀、散热性差等先天缺陷。为了克服正装结构LED芯片的这些不足，业内都在积极开发垂直结构LED芯片(以下简称V-LED)。V-LED采用高导电率、散热良好的Si或者金属衬底，衬底导热良好，PN结散热问题得到解决，大尺寸功率芯片得以实现。
V-LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的P-类型限制层作为P面电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。
GaN基垂直结构LED作为发光半导体器件的研究热点，经过多年的开发，目前比较成熟的制备技术为衬底转移技术：先使用金属共融晶技术将蓝宝石衬底的外延片与导电、导热性能优良的键合衬底键合起来，再利用蓝宝石与GaN禁带宽度不同的特点，选用特定波长的激光，使在与蓝宝石接触面附近的GaN分解，达到将原有的蓝宝石衬底剥离的目的，外延层转移至导热性及导电性良好的键合衬底上。
目前常见的蓝宝石衬底剥离采用如下原理：GaN在激光照射下吸收能量，分解为镓和氮气，从而使得蓝宝石衬底与GaN层分离。但是，由于前期晶圆键合时必须经历的高温高压及各材料之间热涨系数不同等原因，会在晶圆内积累大量应力。特别是大尺寸晶圆(例如4inch、6inch)垂直制程中，键合后的晶圆内应力极大，如果激光剥离工艺无法缓释应力，则会在GaN分解的瞬间产生剧烈的应力释放，在爆炸性气流冲击下，键合上去的键合衬底易产生碎裂或极大形变，并会对GaN外延层结构及性能产生恶劣的微观影响直接导致严重漏电，致使成品率极低。而且键合后，晶圆内的应力主要集中存在于晶圆边缘处。
如图2a和图2b中所示，传统的2inch垂直结构LED剥离技术，一般采用气体准分子激光器，使用方形光斑弓形往复式加工，在光斑与光斑边界处形成Overlap(重叠率约为1％-15％)以保障激光布满晶圆所有区域，这样晶圆内单位面积单次受到的激光能量密度需要较大(现有技术常见的光斑能量一般≥0.45mJ/cm2)，以保证每点均能实现分离，在方形光斑交界处会形成微米级的EPI损伤，在后端处理中极易形成漏电通道。
对于4inch或更大尺寸的晶圆垂直制程来说，键合后晶圆内单位面积积累的应力大增，如果剥离过程中，应力释放不均匀，极易造成键合上去的导电衬底破裂或形变严重，并对GaN外延层结构及性能产生恶劣的微观影响直接导致严重漏电，致使成品率极低。这也是目前垂直结构LED晶圆尺寸集中在2inch难以突破至4inch的技术难题，
而且单纯靠减小激光光斑无法解决此问题，激光光斑通过透明的蓝宝石衬底辐照在界面处的GaN上时，要做到激光光斑和光斑之间很好的衔接，避免由于光斑重合造成对某处重复辐照而引入较大的损伤致使GaN层破裂，这对扫描控制系统的精确度要求非常严格，同时还需要在保证较高激光光功率密度的前提下对光斑进行光束整形，这不但对激光输出功率提出了高的要求，更增加了激光器光学系统的复杂性，这些都会造成激光剥离系统庞大，价格昂贵。
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垂直LED芯片结构及其制备方法，用于解决现有技术中大尺寸LED芯片垂直制程中，键合后的晶圆内应力大，极易造成键合衬底破裂或形变严重，并对外延层结构及性能产生恶劣的微观影响直接导致严重漏电，致使成品率极低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种垂直LED芯片结构的制备方法包括：1)提供生长衬底，于所述生长衬底上形成外延层；2)于所述外延层上依次形成金属电极层及键合衬底；3)采用低能量激光剥离所述生长衬底。其中，相邻两小光斑间的重叠率超过50％。
优选地，所述激光能量密度≤0.25mJ/cm2。
优选地，采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，以固态激光器为激光光源，采用的所述小光斑为直径40-60μm的类圆形光斑。
优选地，采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用由晶圆边缘向内梯度降低扫描频率的方式进行扫描照射。
优选地，采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用固定光斑位置，载盘做螺旋式运动扫描的方式进行；或者采用固定载盘位置，光斑做螺旋式运动扫描的方式进行。
优选地，采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用可加热的载盘承载待剥离芯片。
优选地，采用低能量激光剥离所述生长衬底，还包括：1)刻蚀未掺杂GaN层至暴露出N-GaN层；2)对暴露出的N-GaN层进行表面粗化处理；3)于表面粗化后的N-GaN层上形成钝化层及N电极。
优选地，所述外延层包括依次形成于所述生长衬底上的未掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱层及P-GaN层；所述金属电极包括依次形成于所述外延层上的电流扩展层、反射层及金属键合层。
本发明还提供一种垂直LED芯片结构包括：键合衬底；依次位于所述键合衬底之上的金属电极层、P-GaN层、多量子阱层及N-GaN层；依次位于所述N-GaN层表面的钝化层及N电极；其中，所述N-GaN层表面形成有粗化微结构。
优选地，所述芯片结构的出光面为N-GaN层。
如上所述，本发明的完整的垂直LED芯片结构及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)通过采用及小光斑和降低光斑能量，增大光斑重叠率保证单位面积内能量密度，避免在光斑交界处形成微米级的外延层损伤，在后端处理中不会形成漏电通道。
(2)采用螺旋式激光扫描方式由内向外充分了释放GaN层分解时产生氮气，减少瞬间、局域氮气在界面处产生的微爆对样品的损伤，同时该扫描方式和样品的形状一致更有利于应力的均匀释放，进一步保证了剥离后外延层的完整性和均匀性。
(3)通过由晶圆边缘向中心梯度变化扫描频率，均匀缓和释放晶圆内积存的应力。
(4)使用可加热的载盘承载晶圆，在加热的情况下进行激光剥离，可以有效更大程度上的释放残余力，并减少损伤。
(5)可以获得大面积的无生长衬底的完整的4英寸或更大尺寸GaN基外延膜，可有效减少晶圆的破片率及衬底形变，可有效减少对GaN外延层的损伤，有效提升了垂直结构LED的成品率，使更大尺寸的晶圆垂直结构LED可实现量产。
附图说明
图1显示为本发明的垂直LED芯片结构的制作方法的流程图。
图2a显示为本发明(现有技术中)的采用气体准分子激光扫描的示意图。
图2b显示为本发明(现有技术中)的采用气体准分子激光扫描的示意图。
图3显示为本发明的螺旋激光扫描的示意图。
图4至图9显示为本发明的垂直LED芯片结构制作过程中的结构示意图。
元件标号说明
101 生长衬底
102 未掺杂GaN层
103 N-GaN层
104 多量子阱层
105 P-GaN层
106 金属电极层
107 导电衬底
108 钝化层
109 N电极
S1～S7 步骤
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1-9。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，遂图式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。
实施例一
请参阅图1至图9，本发明提供一种垂直LED芯片结构的制作方法，垂直LED芯片结构的制作方法至少包括以下步骤：
S1：提供生长衬底101，于所述生长衬底101上表面形成外延层；
S2：于所述外延层表面形成金属电极层106；
S3：键合衬底通过金属键合层与金属电极层106键合；
S4：采用低能量激光剥离所述生长衬底101；
S5：刻蚀未掺杂GaN层102至暴露出N-GaN层103；
S6：对暴露出的N-GaN层103进行表面粗化处理；
S7：于表面粗化后的N-GaN层103上表面形成N电极109。
在步骤S1中，请参阅图1中的S1步骤及图4，提供生长衬底101，在生长衬底101上形成外延层。其中，外延层包括依次形成于生长衬底101上的未掺杂GaN层102、N-GaN层103、多量子阱层104及P-GaN层105。
具体的，生长衬底101可以为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或图形化衬底。
具体的，外延层可以采用MOCVD(金属有机气相沉积，Metal Organic ChemicalVapor Deposition)和/或MBE(分子束外延，Molecular Beam Epitaxy)等生长工艺形成。
在步骤S2中，请参阅图1中的S2步骤及图5，在P-GaN层105上形成P面金属电极层106。其中，P面金属电极层106包括依次形成于外延层上的电流扩展层、反射层及金属键合层。
具体的，电流扩展层可以为ITO，ZnO，AZO等低电阻且高透光率薄膜氧化物。
在电流扩展层上形成反射层。具体的，反射层的材质可以为Ag、Al或DBR。
在反射层上形成金属键合层。
具体的，金属键合层的材质可以为Au、Sn或AuSn合金，金属键合层用于与后续形成的键合衬底进行键合。
在步骤S3中，请参阅图1中的S3步骤及图6，键合衬底通过金属键合层与金属电极层106键合。
具体的，键合衬底为导电衬底107，其材质可以为Si、Cu或MoCu等导电且散热良好的衬底。
在步骤S4中，请参阅图1中的S4步骤及图7，采用低能量激光剥离生长衬底101。
具体的，在激光剥离前先将生长衬底101下表面抛光至平整且无划痕，防止由于表面粗糙而影响激光束的光斑。
具体的，激光剥离时，使用可加热的载盘承载晶圆，在350～850℃下，以固态激光器为激光光源，使用高频类圆形极小光斑逐点扫描。激光光斑打在EPI表层的光斑最远角距离或最长直径为40-60μm。其他实施例中，固态激光器也可以选用改进的固体倍频激光光源，形成的小光斑内部的能量分布情况是：光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。光斑也可以采用其他几何形状，例如正方形、长方形等。
由于在剥离中膜层与衬底之间形成镓滴及氮气泡，所以，不同的扫描路径和扫描频率，也会有不同的应力分布。而且由于键合后，晶圆内的应力主要集中存在于晶圆边缘处。本发明采用螺旋(Sprial)扫描方式由晶圆边缘向内梯度降低扫描频率的方式进行激光剥离扫描。每次扫描的频率减半，扫描频率降低的模式类似16-8-4-2-1，有利于残余应力的均匀释放，减少晶圆的裂片几率。其中，螺旋线的角度为0～360°。根据实际情况，在激光剥离时，可以采用固定光斑位置，载盘做螺旋式运动扫描的方式进行；也可以采用固定载盘位置，光斑做螺旋式运动扫描的方式进行，根据器件特性及GaN薄膜特性采取不能的方式。其它实施例中，还可以在运动状态变化时根据运动状态的变化自适应调整扫描频率或激光剥离能量，使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到均匀释放残余应力的目的。
具体的，本实施例通过调节激光输出(输出端能量或光路中衰减器调节)来降低单发激光光斑能量密度，而通过增加光斑重叠率，从而获得更佳的剥离效果。其中，激光能量密度≤0.25mJ/cm2，且相邻两光斑间重叠率超过50％。本发明无需精确匹配光斑和芯片位置，操作更方便，简化了激光剥离工艺，提高了工作效率，降低了废品率。
由于生长衬底101与未掺杂GaN层102相接触，在使用激光剥离去除生长衬底101时，激光剥离会使未掺杂GaN层102在表面形成一层金属Ga。因此，在使用激光剥离去除生长衬底101以后，还需要采用酸溶液或碱溶液等湿法去除金属Ga，所采用的去除金属Ga的溶液可以为HCl或KOH。
在步骤S5中，请参阅图1的S5步骤及图8，刻蚀未掺杂GaN层102至暴露出N-GaN层103。
具体的，可以采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺对未掺杂GaN层102进行刻蚀，直至暴露出N-GaN层103。在刻蚀的过程中，可以对未掺杂GaN层102进行整面刻蚀或图形化刻蚀，即未掺杂GaN层102可以被完全刻蚀去除，也可以仅仅去除一部分。
在步骤S6中，请参阅图1的S6步骤及图9，对暴露出的N-GaN层103进行表面粗化处理。
具体的，对N-GaN层103进行粗化处理并形成粗糙面，可以增加N-GaN层103的表面积，进而增加出光的面积，从而提高垂直LED芯片结构的出光效率。
具体的，形成N电极109之前，可以先将N-GaN层103表面粗化。通过对GaN表面进行粗化处理，形成不规则凹凸，从而减少或者破坏GaN材料与空气界面处的全反射，可以提高LED的光提取效率。
具体的，可以采用湿法刻蚀工艺对N-GaN层103212进行粗化处理，湿法刻蚀工艺中所使用的溶液可以为KOH或H2SO4。
在步骤S7中，请参阅图1的S7步骤及图9，于表面粗化后的N-GaN层103上表面形成N电极109。
具体的，采用蒸镀工艺在N-GaN层103上形成N电极109，N电极109的上表面高于粗糙面的上表面以暴露出N电极109；N电极109的材质可以为Ni/Au、Al/Ti/Pt/Au、或Cr/Pt/Au；N电极109的形状可以根据实际需要进行设计。
具体的，在N-GaN层103上形成N电极109之后，还可以包括一在粗糙面上形成钝化层108(未示出)的步骤。钝化层108用于保护整个芯片结构，形成的钝化层108暴露出N电极109。
实施例二
本发明提供一种垂直LED芯片结构，请参阅图9，该垂直LED芯片包括键合衬底及自下而上依次形成于键合衬底上的P金属电极层106、P-GaN层105、多量子阱层103、N-GaN层103及N电极109。
具体的，生长衬底101可以为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或图形化衬底。
具体的，金属键合层的材质可以为Au、Sn或AuSn合金。
具体的，键合衬底包括但不限于Si片或高导电导热率的金属衬底，如W/Cu衬底或Mo/Cu衬底等。
具体的，P金属电极层106包括依次形成于外延层上的电流扩展层、反射层及金属键合层。其中，反射层与电流扩展层连接，键合金属层与反射层连接。反射层可以为单层或多层结构，包括Ag、Au、Al、Ti、Ni、Pt等材料中一种或多种，本实施例中，反射层优选采用Ag。键合金属层也可以为单层或多层结构，包括Au、Sn、Ag、Al、Ti、Ni、Pt等材料中一种或多种，本实施例中，键合金属层优选采用Au/Sn复合层。其他实施例中，反射层及电流扩展层可以为图形化结构。
具体的，芯片结构的出光面为N-GaN层103，N-GaN层103表面可经过粗化处理，形成不规则凹凸，从而减少或者破坏GaN材料与空气界面处的全反射，可以提高LED的光提取效率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)通过采用及小光斑和降低光斑能量，增大光斑重叠率保证单位面积内能量密度，避免在光斑交界处形成微米级的外延层损伤，在后端处理中不会形成漏电通道。
(2)采用螺旋式激光扫描方式由内向外充分了释放GaN层分解时产生氮气，减少瞬间、局域氮气在界面处产生的微爆对样品的损伤，同时该扫描方式和样品的形状一致更有利于应力的均匀释放，进一步保证了剥离后外延层的完整性和均匀性。
(3)通过由晶圆边缘向中心梯度变化扫描频率，均匀缓和释放晶圆内积存的应力。
(4)使用可加热的载盘承载晶圆，在加热的情况下进行激光剥离，可以有效更大程度上的释放残余力，并减少损伤。
(5)可以获得大面积的无生长衬底的完整的4英寸或更大尺寸GaN基外延膜，可有效减少晶圆的破片率及衬底形变，可有效减少对GaN外延层的损伤，有效提升了垂直结构LED的成品率，使更大尺寸的晶圆垂直结构LED可实现量产。
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 (7)

1.一种垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
1)提供生长衬底，于所述生长衬底上形成外延层；
2)于所述外延层上依次形成金属电极层及键合衬底；
3)采用低能量激光剥离所述生长衬底，其中，相邻两小光斑间的重叠率超过50％，所述小光斑为直径40-60μm的类圆形光斑，所述低能量激光的能量密度≤0.25mJ/cm2。
2.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于：采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，以固态激光器为激光光源。
3.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于：采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用由晶圆边缘向内梯度降低扫描频率的方式进行扫描照射。
4.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于：采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用固定光斑位置，载盘做螺旋式运动扫描的方式进行；或者采用固定载盘位置，光斑做螺旋式运动扫描的方式进行。
5.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于：采用低能量激光剥离所述生长衬底步骤中，采用可加热的载盘承载待剥离芯片。
6.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于，采用低能量激光剥离所述生长衬底之后，还包括：
1)刻蚀未掺杂GaN层至暴露出N-GaN层；
2)对暴露出的N-GaN层进行表面粗化处理；
3)于表面粗化后的N-GaN层上形成钝化层及N电极。
7.根据权利要求1所述的垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于：所述外延层包括依次形成于所述生长衬底上的未掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱层及P-GaN层；所述金属电极包括依次形成于所述外延层上的电流扩展层、反射层及金属键合层。
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