CN106711291B - 一种led垂直芯片结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED垂直芯片结构及其制作方法，包括以下步骤：S1：提供一蓝宝石衬底，在其上依次生长非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；S2：形成若干分立的P电极；S3：形成若干分立的并覆盖所述P电极的第一键合金属层；并提供一键合基底，在其表面形成若干分立的第二键合金属层；S4：将所述第一键合金属层、第二键合金属层对准键合；S5：去除所述蓝宝石衬底；S6：去除所述非故意掺杂GaN层，并利用干法刻蚀工艺形成切割道；所述切割道避开键合金属层所在区域；S7：形成N电极。本发明采用图形化键合结构（由若干分立的键合金属层组成），有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，从而有效提高芯片的可靠性。

Description

一种LED垂直芯片结构及其制作方法
技术领域
本发明属于LED芯片领域，涉及一种LED垂直芯片结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体发光器件，利用半导体P-N结电致发光原理制成。LED具有能耗低，体积小、寿命长，稳定性好，响应快，发光波长稳定等好的光电性能，目前已经在照明、家电、显示屏、指示灯等领域有很好的应用。
氮化镓(GaN)材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，氮化镓及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结氮化镓蓝色LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaN LED相继问世。氮化镓基LED比传统LED外形更小、功率更高。少量氮化镓基LED就能提供与传统LED相同的发光量。
GaN基发光二极管一般生长在不导电的蓝宝石衬底上，传统LED芯片由于蓝宝石衬底与GaN晶格和热膨胀系数不匹配，衬底导热能力较差，不利于芯片工作过程中的散热，从而影响器件的光电特性和寿命。因此，越来越多的研究聚焦在将传统LED转移到导电导热能力良好的衬底上，形成垂直结构LED。
而在垂直结构LED制程中键合技术的好坏直接影响到LED的工作电压、漏电和老化性能，并影响GaN外延层的应力和衬底剥离后芯片的成品率，因此，键合技术成为垂直结构LED芯片制程中的关键技术之一。
如图1所示，显示为现有的一种垂直结构LED，其自下而上依次包括键合基底101、键合金属层102、P型GaN层103、多量子阱层104、N型GaN层105、及N电极106，其中键合金属层102中还形成有P电极(未图示)，同时，图1中还示出了切割道107。传统垂直结构LED制程中，一般采用两张Wafer正面蒸镀键合层金属，做晶圆级晶片键合。这将导致衬底剥离后对芯片切割道进行干法深刻蚀时，外延层以下的金属层易被等离子体打溅起，从而造成芯片侧壁的污染，造成漏电，影响芯片的可靠性。
因此，如何提供一种LED垂直芯片结构及其制作方法以解决上述问题，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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LED垂直芯片结构及其制作方法，用于解决现有技术中垂直结构LED制程在衬底剥离后对芯片切割道进行干法深刻蚀时，外延层以下的金属层易被等离子体打溅起，从而造成芯片侧壁的污染，造成漏电，影响芯片的可靠性的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED垂直芯片结构的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底，并在其上依次生长非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；
S2：在所述P型GaN层上形成若干分立的P电极；
S3：在所述P型GaN层上形成若干分立的并覆盖所述P电极的第一键合金属层；并提供一键合基底，在所述键合基底表面形成若干分立的第二键合金属层；所述第二键合金属层与所述第一键合金属层相对应；
S4：将所述第一键合金属层、第二键合金属层对准键合；
S5：去除所述蓝宝石衬底；
S6：去除所述非故意掺杂GaN层，并刻蚀所述N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，形成切割道；所述切割道避开所述第一键合金属层、第二键合金属层所在区域；
S7：在所述N型GaN层表面形成N电极。
可选地，所述P电极包括用于形成欧姆接触的ITO层或Ni层。
可选地，所述P电极包括作为反射镜的Ag层或Al层。
可选地，所述第一键合金属层包括Au/Sn复合层、Ni/Sn复合层、Au/Au复合层及In/Sn复合层中的至少一种。
可选地，所述键合基底包括Si衬底、W/Cu复合衬底或Mo/Cu复合衬底。
可选地，于所述步骤S6中，采用反应耦合等离子体干法刻蚀去除所述非故意掺杂GaN层及形成所述切割道。
可选地，于所述步骤S7中，在形成所述N电极之前，首先对所述N型GaN层表面进行粗化。
可选地，对所述N型GaN层表面进行粗化的方法为：采用湿法刻蚀在所述N型GaN层表面形成金字塔形微观结构。
可选地，所述N电极包括Ni/Au复合层、Al/Ti/Pt/Au复合层或Cr/Pt/Au复合层。
本发明还提供一种LED垂直芯片结构，包括：
键合衬底；
形成于所述键合衬底表面的键合金属层；
嵌于所述键合金属层表面的P电极；
依次形成于所述P电极表面的P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层及N电极；
其中：
所述键合金属层及所述P电极在水平面上的投影面积小于所述P型GaN层在水平面上的投影面积。
如上所述，本发明的LED垂直芯片结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明采用图形化键合结构(由若干分立的键合金属层组成)，利用带有对准功能的键合设备将蓝宝石衬底外延片与导电导热能力好的衬底进行芯片级的键合；并利用激光剥离设备将蓝宝石衬底剥离，将GaN外延层成功转移到新衬底上；然后利用光刻及ICP干法刻蚀工艺形成单个垂直芯片MESA图形；最后蒸镀N电极。其中，图形化键合结构的存在有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，从而有效提高芯片的可靠性；采用湿法蚀刻工艺进行垂直芯片的表面粗化，形成有利于出光的金字塔型微结构。
附图说明
图1显示为现有技术中一种垂直结构LED的剖面结构示意图。
图2显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法的工艺流程图。
图3显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法在蓝宝石衬底上依次生长非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层的示意图。
图4显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法在所述P型GaN层上形成若干分立的P电极的示意图。
图5显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法在所述P型GaN层上形成若干分立的并覆盖所述P电极的第一键合金属层的示意图。
图6显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法提供一键合基底，在所述键合基底表面形成若干分立的第二键合金属层的示意图。
图7显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法将所述第一键合金属层、第二键合金属层对准键合的示意图。
图8显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法去除所述蓝宝石衬底的示意图。
图9显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法去除所述非故意掺杂GaN层，并切割所述N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，形成切割道的示意图。
图10显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法对所述N型GaN层表面进行粗化的示意图。
图11显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法在所述N型GaN层表面形成N电极的示意图。
图12显示为本发明的LED垂直芯片结构的制作方法进一步切割出独立的LED芯片结构的示意图。
元件标号说明
S1～S7 步骤
101 键合基底
102 键合金属层
103，205 P型GaN层
104，204 多量子阱层
105，203 N型GaN层
106，211 N电极
107，210 切割道
201 蓝宝石衬底
202 非故意掺杂GaN层
206 P电极
207 第一键合金属层
208 键合基底
209 第二键合金属层
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至图12。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
本发明提供一种LED垂直芯片结构的制作方法，请参阅图2，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底，并在其上依次生长非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；
S2：在所述P型GaN层上形成若干分立的P电极；
S3：在所述P型GaN层上形成若干分立的并覆盖所述P电极的第一键合金属层；并提供一键合基底，在所述键合基底表面形成若干分立的第二键合金属层；所述第二键合金属层与所述第一键合金属层相对应；
S4：将所述第一键合金属层、第二键合金属层对准键合；
S5：去除所述蓝宝石衬底；
S6：去除所述非故意掺杂GaN层，并刻蚀所述N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，形成切割道；所述切割道避开所述第一键合金属层、第二键合金属层所在区域；
S7：在所述N型GaN层表面形成N电极。
首先请参阅图3，执行步骤S1：提供一蓝宝石衬底201，并在其上依次生长非故意掺杂GaN层202、N型GaN层203、多量子阱层204及P型GaN层205。
具体的，所述非故意掺杂GaN层(un-intentionally doped GaN，UID GaN)是指不包括任何掺杂剂，但是可以包括非故意结合到膜中的污染物或者杂质的氮化镓层，作为下一步外延的N型GaN层的体层。所述多量子阱层(MWQ)作为LED芯片的发光层。
然后请参阅图4，执行步骤S2：在所述P型GaN层205上形成若干分立的P电极206。
具体的，可首先通过光刻、显影等光刻工艺在所述P型GaN层205表面形成具有若干开口的光刻胶层，然后在所述光刻胶层及所述开口内蒸镀金属，最后去除所述光刻胶层及其上的金属，得到若干分立的P电极。在另一实施例中，也可首先蒸镀金属层，然后通过光刻、刻蚀等工艺将所述金属层图形化，得到若干分立的P电极。
具体的，所述P电极206除了电极材料层，还可包括用于形成欧姆接触的ITO层或Ni层，并可进一步包括作为反射镜的Ag层或Al层，此为本领域技术人员所熟知，此处不应过分限制本发明的保护范围。
接着请参阅图5及图6，执行步骤S3：在所述P型GaN层205上形成若干分立的并覆盖所述P电极206的第一键合金属层207；并提供一键合基底208，在所述键合基底208表面形成若干分立的第二键合金属层209；所述第二键合金属层209与所述第一键合金属层207相对应。
具体的，所述第一键合金属层207包括但不限于Au/Sn复合层、Ni/Sn复合层、Au/Au复合层及In/Sn复合层中的至少一种。所述第二键合金属层209包括但不限于Au/Sn复合层、Ni/Sn复合层、Au/Au复合层及In/Sn复合层中的至少一种。作为示例，所述第一键合金属层207与第二键合金属层209均采用蒸镀法制备。
所述键合基底208采用导电导热能力良好的衬底，包括但不限于Si衬底、W/Cu复合衬底或Mo/Cu复合衬底。
再请参阅图7，执行步骤S4：将所述第一键合金属层207、第二键合金属层209对准键合。
具体的，利用带有对准功能的键合设备将蓝宝石衬底外延片与所述键合基底进行芯片级的键合，所述第一键合金属层207及第二键合金属层209共同作为键合金属层。
键合之后，不同的LED芯片单元之间的键合金属层均不互相接触，构成图形化键合结构。
然后再请参阅图8，执行步骤S5：去除所述蓝宝石衬底201。
作为示例，采用激光剥离设备将所述蓝宝石衬底201剥离。当然，也可采用化学机械研磨、抛光等方式去除所述蓝宝石衬底201，此处不应过分限制本发明的保护范围。
去除所述蓝宝石衬底201之后，GaN外延层即成功转移到新的键合基底上。
接着请参阅图9，执行步骤S6：去除所述非故意掺杂GaN层202，并刻蚀所述N型GaN层203、多量子阱层204及P型GaN层205，形成切割道210；所述切割道210避开所述第一键合金属层207、第二键合金属层209所在区域。
作为示例，采用反应耦合等离子体干法刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)去除所述非故意掺杂GaN层202，并利用光刻及ICP干法刻蚀工艺形成单个垂直芯片MESA图形(通过所述切割道210划分)。
由于图形化键合结构的存在(即各单个垂直芯片的键合结构分立)，所述切割道210可以避开所述第一键合金属层207、第二键合金属层209所在区域，从而有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，提高芯片的可靠性。
最后请参阅图10及图11，执行步骤S7：在所述N型GaN层203表面形成N电极211。
如图10所示，在形成所述N电极211之前，可首先对所述N型GaN层203表面进行粗化。作为示例，对所述N型GaN层203表面进行粗化的方法为：采用湿法刻蚀在所述N型GaN层203表面形成金字塔形微观结构。所述湿法刻蚀可采用高温KOH，H3PO4溶液。在MESA表面形成金字塔形微观结构，有利于出光。
如图11所示，可采用蒸镀法形成所述N电极211。所述N电极211可采用但不限于Ni/Au复合层、Al/Ti/Pt/Au复合层或Cr/Pt/Au复合层。
如图12所示，可进一步切割所述键合基底208，得到单个的LED垂直芯片结构。当然，在另一实施中，也可在形成所述切割道210的同时完成所述键合基底208的切割，此处不应过分限制本发明的保护范围。
本发明的LED垂直芯片结构的制作方法，采用图形化键合结构(由若干分立的键合金属层组成)，利用带有对准功能的键合设备将蓝宝石衬底外延片与导电导热能力好的衬底进行芯片级的键合；并利用激光剥离设备将蓝宝石衬底剥离，将GaN外延层成功转移到新衬底上；然后利用光刻及ICP干法刻蚀工艺形成单个垂直芯片MESA图形；最后蒸镀N电极。其中，图形化键合结构的存在有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，从而有效提高芯片的可靠性；采用湿法蚀刻工艺进行垂直芯片的表面粗化，形成有利于出光的金字塔型微结构。
实施例二
本发明还提供一种LED垂直芯片结构，如图12所示，该芯片结构包括：
键合衬底208；
形成于所述键合衬底208表面的键合金属层；
嵌于所述键合金属层表面的P电极206；
依次形成于所述P电极206表面的P型GaN层205、多量子阱层204、N型GaN层203及N电极211；
其中：
所述键合金属层及所述P电极206在水平面上的投影面积小于所述P型GaN层205在水平面上的投影面积。
作为示例，所述键合金属层由第一键合金属层207及第二键合金属层209组成，第一键合金属层207及第二键合金属层209键合后构成一体。
本发明的LED垂直芯片结构中，由于所述键合金属层及所述P电极206在水平面上的投影面积小于所述P型GaN层205在水平面上的投影面积，可以避开切割道区域，有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，从而有效提高芯片的可靠性。
综上所述，本发明的LED垂直芯片结构及其制作方法，采用图形化键合结构(由若干分立的键合金属层组成)，利用带有对准功能的键合设备将蓝宝石衬底外延片与导电导热能力好的衬底进行芯片级的键合；并利用激光剥离设备将蓝宝石衬底剥离，将GaN外延层成功转移到新衬底上；然后利用光刻及ICP干法刻蚀工艺形成单个垂直芯片MESA图形；最后蒸镀N电极。其中，图形化键合结构的存在有效避免了ICP刻蚀切割道时造成的金属飞溅问题，减少芯片漏电风险，从而有效提高芯片的可靠性；采用湿法蚀刻工艺进行垂直芯片的表面粗化，形成有利于出光的金字塔型微结构。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 (9)

1.一种LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底，并在其上依次生长非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；
S2：在所述P型GaN层上形成若干分立的P电极；
S3：在所述P型GaN层上形成若干分立的并覆盖所述P电极的第一键合金属层；并提供一键合基底，在所述键合基底表面形成若干分立的第二键合金属层；所述第二键合金属层与所述第一键合金属层相对应；
S4：将所述第一键合金属层、第二键合金属层对准键合；
S5：去除所述蓝宝石衬底；
S6：去除所述非故意掺杂GaN层，并刻蚀所述N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，形成切割道；所述切割道避开所述第一键合金属层、第二键合金属层所在区域；
S7：在所述N型GaN层表面形成N电极。
2.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：所述P电极包括用于形成欧姆接触的ITO层或Ni层。
3.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：所述P电极包括作为反射镜的Ag层或Al层。
4.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：所述第一键合金属层包括Au/Sn复合层、Ni/Sn复合层、Au/Au复合层及In/Sn复合层中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：所述键合基底包括Si衬底、W/Cu复合衬底或Mo/Cu复合衬底。
6.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S6中，采用反应耦合等离子体干法刻蚀去除所述非故意掺杂GaN层及形成所述切割道。
7.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S7中，在形成所述N电极之前，首先对所述N型GaN层表面进行粗化。
8.根据权利要求7所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：对所述N型GaN层表面进行粗化的方法为：采用湿法刻蚀在所述N型GaN层表面形成金字塔形微观结构。
9.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于：所述N电极包括Ni/Au复合层、Al/Ti/Pt/Au复合层或Cr/Pt/Au复合层。
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