CN106025020A - 具有高反射欧姆接触电极的短波紫外led芯片制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有高反射欧姆接触电极的紫外LED芯片制造方法，在衬底上生长有紫外量子阱结构的AlxGa1‑xN(0≤x≤1)半导体单晶薄膜，得到结构I；将半导体薄膜进行光刻、刻蚀，刻蚀到P型AlxGa1‑xN层，留下的P型GaN层的圆柱，P型GaN圆柱间距在0.3‑6微米间，将半导体薄膜进行光刻定义出芯片图形后将其刻蚀穿或不刻蚀穿；制作高反射欧姆接触层及阻挡层，通过键合或电镀或二者的混合方式将芯片转移到导电衬底上，最后制作成紫外LED器件，紫外LED通过用对紫外具有高反射率的Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al等金属叠层在P型GaN及P型AlxGa1‑xN层形成较好的反射欧姆接触，提高了紫外光出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法。
背景技术
紫外(UV)光分为：UVA(波长为315～400nm的紫外线)，UVB(波长为280～315nm的紫外线，UVC(波长小于280nm的紫外线)。UVA及UVB的主要用途包括紫外线硬化、文件及纸币辨伪、医疗、印刷、以及利用光触媒的空气清新器等；UVC主要用于杀菌、生化检测、高密度信息储存和军用保密通讯等领域。由于紫外LED有节能、环保、轻量化、谱线纯净、安全、无汞污染等优点，所以逐渐取代传统紫外光源且开发出更多新的应用，以AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料为有源区的紫外LED的发光波长能够覆盖210-365nm的紫外波段，我们称之为短波紫外，是实现该波段紫外LED器件产品的理想材料，但是现有的AlxGa1-xN基365纳米以下波长的紫外LED发光效率还不高，主要受以下三个难点的制约：
1、制造210-365nm紫外LED尤其当波长越短时，材料AlxGa1-xN(0≤x≤1，以下相同)中的铝含量就越高，晶体质量就越难提高，目前还没有价廉物美的解决办法、要么价格昂贵如采用AlN、GaN衬底；
2、P型AlxGa1-xN层掺杂激活难度大及造成欧姆接触非常困难，目前采取提高欧姆接触的办法在P型AlxGa1-xN层上长一薄层P型GaN层，但这一薄层P型GaN层要吸收紫外光；
3、对射紫外反射率高的金属很难和P型GaN形成欧姆接触。
4、芯片里的紫外光在AlxGa1-xN晶体里的全内反射造成“出光难”。
发明内容
本发明的目的在于提供具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，旨在解决制造210-365nm紫外LED尤其当波长越短时，材料AlxGa1-xN中的铝含量就越高，晶体质量就越难提高，P型AlxGa1-xN层掺杂激活难度大，反射紫外的金属很难和P型GaN形成欧姆接触，芯片里的紫外光在AlxGa1-xN晶体里的全内反射造成出光难的问题。
本发明是这样实现的，具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上生长有紫外量子井结构的AlxGa1-xN半导体单晶薄膜，得到结构I；
步骤二、将半导体薄膜进行光刻、刻蚀，刻蚀到P型AlxGa1-xN层，留下的P型GaN层直径为0.3-5微米、厚度小于0.2微米的P型GaN圆柱，P-GaN圆柱间距在0.3-6微米；将半导体薄膜进行退火以激活P型GaN层及P型AlxGa1-xN层，退火条件：通入氮气、氧气、或氮气与氧气的体积比为4:1的混合气，温度在300-700度之间，时间1-30分钟，去掉表面的氧化物，得到结构II；
步骤三、将半导体薄膜进行光刻，定义出芯片图形后将半导体薄膜刻蚀穿或不刻蚀穿，然后去掉光刻胶，清洗，形成反射欧姆接触层及反射欧姆接触层的阻挡保护层，得到结构III；
步骤四、将结构III的阻挡保护层通过邦定压焊的方式连接到导电衬底的粘结层上得到结构IV；
步骤五、将结构IV通过激光剥离或化学腐蚀的办法去掉生长衬底，得到结构V，将结构V在粘结层熔点温度附近进行退火释放金属及基板对芯片的应力，粗化，去边，钝化，得到钝化层，然后去掉要做电极地方的钝化层，做上N型AlxGa1-xN的电极，最终得到结构VI的成品。
进一步，步骤一中所述衬底为蓝宝石单晶衬底、硅单晶衬底、碳化硅单晶衬底或它们对应的图形衬底中的一种。
进一步，步骤四中导电衬底从下到上依次包括：接触层、导电支撑层、阻挡层和粘结层，粘结层也可以先形成在结构III上作为其的一部分，或者导电衬底及结构III都有粘结层。
进一步，步骤三中所述反射欧姆接触层为Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al金属叠层，Ni、Pt、Pd的厚度为Al的厚度为反射接触层也可为Ni、Pt、Pd、Ag掺入Al中形成合金，Ni、Pt、Pd、Ag掺入的质量比不超过5％。
进一步，在步骤四中，所述结构III的阻挡保护层连接方法为邦定压焊、电镀、或者两者混合的方式。
进一步，所述粘结层为In、Sn、In与Sn的合金或AuSn等低熔点金属或合金；阻挡层为钨、钛、镍、铜、铬、铂、金、银，或其中两种或多种金属的合金或多层组合；所述导电衬底的导电支撑层为导电单晶硅或多晶硅片或膨胀系数与AlxGa1-xN接近的导电合金，电镀的Cu、Ni、Ag，或Cu与Ni的叠层的导电导热性好的金属或金属叠层作为导电衬底支撑层；所述接触层为Al、Au、Cr中的一种。
进一步，在步骤五中所述钝化层的原料为二氧化硅，二氧化硅钝化层采用PECVD或溅射方法制备；所述N型AlxGa1-xN电极的材料是Al、Ti、Cr、Au或Al、Ti、Cr、Au的组合物。
本发明提供的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，通过将P型GaN层进行图形化，露出了P型AlxGa1-xN层，这样就减少了吸收紫外的P型GaN层面积有利于出光，又有利于露出部分的P型AlxGa1-xN层激活，由于用很薄的Ni、Pt、Pd等与Al组成Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al等金属叠层在P型GaN及P型AlxGa1-xN层形成较好的反射欧姆接触，比用厚的ITO等导电化合物与Al组合成ITO/Al等做反射欧姆接触层具有更高的反射率，极大地提高了紫外光出光效率，本发明的提高紫外出光的方法不但适用于上述垂直结构短波紫外芯片，也适用于倒装结构的短波紫外芯片。
附图说明
图1为本发明实施例提供的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法流程图；
图2为本发明实施例提供的结构I的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的结构Ⅱ的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的结构Ⅲ的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的结构Ⅳ的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的结构V的结构示意图；
图7为本发明实施例经过粗化、钝化、做电极后得到的最终结构示意图。
图中：101、衬底；102、成核层；103、AlxGa1-xN缓冲层及N层；104、AlxGa1-xN量子阱层；105、P型AlxGa1-xN层；106、P型GaN层；107、反射欧姆接触层；201粘结层；202、阻挡层；203、硅基板；204接触层；301、钝化层；302、N型AlxGa1-xN的电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明是这样实现的，具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，包括以下步骤：
步骤S101、在衬底上生长有紫外量子井结构的AlxGa1-xN半导体单晶薄膜，得到结构I；
步骤S102、将半导体薄膜进行光刻、刻蚀，刻蚀到P型AlxGa1-xN层，留下的P型GaN层直径为0.3-5微米、厚度小于0.2微米的P型GaN圆柱，P-GaN圆柱间距在0.3-6微米；将半导体薄膜进行退火以激活P型GaN层及P型AlxGa1-xN层，退火条件：通入氮气或氧气或氮气氧气的体积比约为4:1的混合气，温度在300-700度之间，时间1-30分钟，去掉表面的氧化物，得到结构II；
步骤S103、将半导体薄膜进行光刻，定义出芯片图形后将半导体薄膜刻蚀穿或不刻蚀穿，然后去掉光刻胶，清洗，形成反射欧姆接触层及反射欧姆接触层的阻挡保护层，得到结构III；
步骤S104、将结构III的阻挡保护层通过邦定压焊的方式转移到导电衬底的粘结层上得到结构IV；
步骤S105、将结构IV通过激光剥离或化学腐蚀的办法去掉生长衬底，得到结构V，将结构V在粘结层熔点温度附近进行退火释放金属及基板对芯片的应力，粗化，去边，钝化，得到钝化层，然后去掉要做电极地方的钝化层，做上N型AlxGa1-xN的电极，最终得到结构VI的成品。
进一步，步骤S101中衬底为蓝宝石单晶衬底、硅单晶衬底、碳化硅单晶衬底或它们对应的图形衬底中的一种。
进一步，步骤S104中导电衬底从下到上依次包括：接触层、导电支撑层、阻挡层和粘结层，粘结层也可以先形成在结构III上作为其的一部分，或者导电衬底及结构III都有粘结层。
进一步，步骤S103中反射欧姆接触层为Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al金属叠层，Ni、Pt、Pd的厚度为Al的厚度为反射接触层也可为Ni、Pt、Pd、Ag掺入Al中形成合金，Ni、Pt、Pd、Ag掺入的质量比不超过5％。
进一步，在步骤S104中，结构III的阻挡保护层与导电衬底的连接方法为邦定压焊、电镀、或者两者混合的方式。
进一步，粘结层为In、Sn、In与Sn的合金或AuSn等低熔点金属或合金；阻挡层为钨、钛、镍、铜、铬、铂、金、银，或其中两种或多种金属的合金或多层组合；导电衬底的导电支撑层为导电单晶硅或多晶硅片或膨胀系数与AlxGa1-xN接近的导电合金，电镀的Cu、Ni、Ag，或Cu与Ni的叠层的导电导热性好的金属或金属叠层作为导电衬底；接触层为Al、Au、Cr中的一种。
进一步，在步骤S105中钝化层的原料为二氧化硅，二氧化硅钝化层采用PECVD或溅射方法制备；N型AlxGa1-xN电极的材料是Al、Ti、Cr、Au或Al、Ti、Cr、Au的组合物。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
图2为结构I的结构示意图，提供衬底101，在衬底101上生长AlN等成核层102，在成核层102上生长AlxGa1-xN缓冲层及N层103、之后生长AlxGa1-xN量子阱层104、再生长P型AlxGa1-xN层105及P型GaN层106。
其中，衬底101可以为蓝宝石、Si、SiC衬底或它们对应的图形衬底中的一种。
成核层102为AlN、SiC等薄膜，成核层102优选为AlN薄膜，其生长方法采用物理气相沉积(PVD)生长或金属有机化学气相沉积(MOCVD)，缓冲层、N层、量子阱、P型层都采用MOCVD；
图3为结构Ⅱ的结构示意图，将半导体薄膜进行光刻、刻蚀，刻蚀到P型AlxGa1-xN层105，留下的P型GaN层106为直为径0.3-5微米、厚度为小于0.2微米的圆柱，P型GaN层106太厚会吸收较多的紫外光，由于P-GaN空穴的扩散长度很短，考虑工艺成本及出光面积，P-GaN圆柱间距在0.3-6微米间，间距以尽量减少对空穴注入的影响为原则；然后去掉光刻胶，清洗，再进行退火以激活P型GaN层及P型AlxGa1-xN层，退火条件：通入氮气、氧气或氮气氧气体积比约4:1比例的混合气，温度在400-700度，时间1-30分钟，然后用盐酸等去掉表面的氧化物。
图4为结构Ⅲ的结构示意图，将上述外延片光刻出芯片大小图形，AlxGa1-xN层刻蚀穿或不刻蚀穿，然后去掉光刻胶，清洗，分别形成反射欧姆接触层107及阻挡保护层108，反射接触层107为：Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al，Ni、Pt或Pd的厚度为太薄对欧姆接触的帮助不大，太厚容易吸收紫外光等，Al的厚度为
图5为结构Ⅳ的结构示意图，硅基板203的背面有接触层204、正面分别有阻挡层202、粘结层201的作为导电基板和图2结构的外延片压焊在一起，其中粘结层201为In、Sn、或In与Sn的合金，阻挡层202为钨、钛、铜、铬、铂、金，银，或其中两种或多种金属的合金或多层组合，导电单晶硅或多晶硅片203，金属层204可以为Al、Au、Cr等金属。
图6为结构V的结构示意图，将图5的结构进行激光剥离去掉蓝宝石101，得到图6结构V的结构示意图；
如图7所示，将图6的结构进行粗化，去边，钝化，做N电极得到器件结构，钝化层301，可以是二氧化硅、硅胶等，SiO2可以采用PECVD或溅射等方法制备，硅胶可以才有涂覆的方法制备，芯片的N型AlxGa1-xN的电极302，其材料是Al、Ti、Cr、Au或者他们的组合如：Al/Ti/Au等，采用蒸发或溅射的方法制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，如采用上述方法制作倒装短波紫外芯片，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上生长有紫外量子井结构的AlxGa1-xN半导体单晶薄膜，得到结构I；
步骤二、将半导体薄膜进行光刻、刻蚀，刻蚀到P型AlxGa1-xN层，留下的P型GaN层直径为0.3-5微米、厚度小于0.2微米的P型GaN圆柱，P-GaN圆柱间距在0.3-6微米；将半导体薄膜进行退火以激活P型GaN层及P型AlxGa1-xN层，退火条件：通入氮气、氧气或氮气与氧气体积比约4:1的混合气，温度在300-700度之间，时间1-30分钟，去掉表面的氧化物，得到结构II；
步骤三、将半导体薄膜进行光刻，定义出芯片图形后将半导体薄膜刻蚀穿或不刻蚀穿，然后去掉光刻胶，清洗，形成反射欧姆接触层及反射欧姆接触层的阻挡保护层，得到结构III；
步骤四、将结构III的阻挡保护层通过邦定压焊的方式连接到导电衬底的粘结层上得到结构IV；
步骤五、将结构IV通过激光剥离或化学腐蚀的办法去掉生长衬底，得到结构V，将结构V在粘结层熔点温度附近进行退火释放金属及基板对芯片的应力，粗化，去边，钝化，得到钝化层，然后去掉要做电极地方的钝化层，做上N型AlxGa1-xN的电极，最终得到结构VI的成品。
2.根据权利要求1所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，步骤一中所述衬底为蓝宝石单晶衬底、硅单晶衬底、碳化硅单晶衬底或它们对应的图形衬底中的一种。
3.根据权利要求1所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，步骤四中导电衬底从下到上依次包括：接触层、导电支撑层、阻挡层和粘结层，粘结层也可以先形成在结构III上作为其的一部分，或者导电衬底及结构III都有粘结层。
4.根据权利要求1所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，步骤三中所述反射欧姆接触层为Ni/Al、Pt/Al、Pd/Al金属叠层，Ni、Pt、Pd的厚度为Al的厚度为反射接触层也可为Ni、Pt、Pd、Ag掺入Al中形成合金，Ni、Pt、Pd、Ag掺入的质量比不超过5％。
5.根据权利要求1所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，在步骤四中，所述结构III阻挡保护层连接到导电衬底的方法为邦定压焊、电镀、或者两者混合的方式。
6.根据权利要求3所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，所述粘结层为In、Sn、In与Sn的合金或AuSn等低熔点金属或低熔点合金；阻挡层为钨、钛、镍、铜、铬、铂、金、银，或其中两种或多种金属的合金或多层组合；所述导电衬底的导电支撑层为导电单晶硅或多晶硅片或膨胀系数与AlxGa1-xN接近的导电合金，或电镀的Cu、Ni、Ag，或Cu与Ni的叠层的导电导热性好的金属或金属叠层作为导电衬底；所述接触层为Al、Au、Cr中的一种。
7.根据权利要求1所述的具有高反射欧姆接触电极的短波紫外LED芯片制造方法，其特征在于，在步骤五中所述钝化层的原料为二氧化硅，二氧化硅钝化层采用PECVD或溅射方法制备；所述N型AlxGa1-xN电极的材料是Al、Ti、Cr、Au或Al、Ti、Cr、Au的组合物。
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