CN106784276A - 一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法 - Google Patents

一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，先在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基LED外延材料；再ICP刻蚀蓝宝石衬底GaN基LED外延材料，进行器件隔离；再对蓝宝石衬底GaN基LED外延材料表面磁控溅射p型接触金属、反射金属和键合金属；再对金刚石热沉衬底表面磁控溅射键合金属；再将蓝宝石衬底GaN基LED外延材料和金刚石热沉衬底进行金属键合；再采用激光剥离技术对蓝宝石衬底进行剥离；最后磁控溅射n型接触金属。本发明采用高热导率的金刚石做热沉，LED阳极金属与金刚石金属键合接触，散热优势明显；所述LED阳极金属与金刚石低温下金属键合，有效避免了传统的高温键合对LED性能的影响；所述蓝宝石衬底激光剥离过程中，工艺简单。

Description

一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法
【技术领域】
本发明属于LED散热技术领域，具体涉及一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法。
【背景技术】
GaN基LED作为第四代照明光源，具有高效、使用寿命长、节能、环保等优点，成为国内外重点发展的战略性新兴产业。然而随着照明功率不断地提高，LED产生的热量将急剧升高，如果这些热量没有及时散发出去，LED内部因发热产生的高温将严重影响LED的寿命和照明性能，因此，散热成为LED照明技术领域一个亟待解决的关键性课题。
传统的解决LED散热的方法是采用倒装焊技术给同侧电极LED外加铝或者铜散热基板，利用散热基板来导热，一方面由于倒装焊技术工艺比较复杂；另一方面由于铝(237W/m·K)和铜(400W/m·K)有限的热导率，很难满足大功率LED照明的散热需求。金刚石具有极高的的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，采用金刚石作热沉可以有效地解决LED的散热问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种金刚石热沉衬底GaN基LED制作方法，其目的在于形成以金刚石衬底做热沉的GaN基异侧电极LED，利用金刚石的高热导率来解决GaN基LED大功率照明散热问题。
本发明采用以下技术方案：
一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基LED外延材料；
S2：ICP刻蚀步骤S1所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料，进行器件隔离；
S3：对步骤S2所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料表面磁控溅射p型接触金属、反射金属和键合金属；
S4：对金刚石热沉衬底表面磁控溅射键合金属；
S5：将步骤S3所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料和步骤S4所述金刚石热沉衬底进行金属键合；
S6：采用激光剥离技术对步骤S5所述蓝宝石衬底进行剥离；
S7：对步骤S6所述蓝宝石衬底进行磁控溅射n型接触金属。
进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：分别用丙酮和去离子水各超声2～3分钟对所述蓝宝石衬底进行清洗；
S12：将所述蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；
S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，在530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长50nm的GaN成核层；
S14：以SiH4为n型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3为Ga源和N源MOCVD生长n-GaN层，掺杂浓度2×1017～1×1018cm-3；
S15：以三甲基镓TMGa，三甲基铟TMIn和氨气NH3分别作为Ga源、In源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长GaN/InGaN多量子阱；
S16：以CP2Mg为p型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3为Ga源和N源MOCVD生长p-GaN层，掺杂浓度5×1016～2×1017cm-3，850℃退火；
S17：最后PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm。
进一步的，所述外延材料制备完成后，进行隔离槽刻蚀，包括以下步骤：
S21：SiO2光刻、刻蚀，形成隔离刻蚀掩膜图样，单元大小为1mm×1mm；
S22：隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝10:45:15sccm的混合气体；
S23：PECVD淀积SiO2侧墙。
进一步的，所述步骤S3具体为：刻蚀、抛光所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料p-GaN表面；
分别用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料各2～3分钟，氮气吹干，再在p-GaN表面依次磁控溅射Ni/Au/Al/Ag，厚度依次为50nm/120nm/0.3μm/1μm，850～900℃退火15min。
进一步的，所述步骤S4具体为：先对所述金刚石热沉衬底表面进行抛光、平整化处理；
再用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗所述金刚石，抛光面磁控溅射Au键合金属，厚度2μm。
进一步的，所述金刚石热沉衬底为多晶金刚石，厚度0.3mm，表面键合金属依次为Au；蓝宝石衬底GaN基LED，外延材料p-GaN层表面金属依次为Ni/Au/Al/Ag，其中Ni/Au作p型电极，Al作底面反射镜，Ag为键合金属。
进一步的，所述步骤S5具体为：键合时间30min，键合温度250～300℃，施加压力300N，键合所述金刚石热沉衬底与所述宝石衬底GaN基LED外延材料。
进一步的，所述步骤S6具体为：用一束波长248～480nm，脉冲宽度38ns的脉冲激光从所宝石的一面扫描整个样品，加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除所述蓝宝石衬底。
进一步的，加热所述蓝宝石衬底到Ga的熔点29℃以上。
进一步的，所述步骤S7具体为：
S71：用KOH：乙二醇＝5:3溶液移除GaN缓冲层，漏出n-GaN层；
S72：所述n-GaN层表面PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm；
S73：对所述SiO2光刻、刻蚀，形成n型电极图样；
S74：依次磁控溅射Cr/Au型电极金属，厚度依次为50nm/300nm，保持550℃退火30min；
S75：最后划片封装。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法方法采用高热导率的金刚石做热沉，LED阳极金属与金刚石金属键合接触，散热优势明显；所述LED阳极金属与金刚石低温下金属键合，有效避免了传统的高温键合对LED性能的影响；蓝宝石衬底激光剥离过程中，工艺简单。
进一步的，所述蓝宝石衬底激光剥离过程中，不需要临时支撑材料，工艺简单。
进一步的，电极位于LED的异侧，LED正面电极遮光少，底面金属电极上有反射金属，具有反光作用，LED正面出光效率高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为实施例1蓝宝石衬底GaN基LED外延材料剖面图；
图2为实施例1隔离槽ICP干法刻示意图；
图3为实施例1隔离槽剖面图；
图4为实施例1PECVD SiO2钝化层示意图；
图5为实施例2磁控溅射P型电极金属、反射金属层、键合金属示意图；
图6为实施例2金刚石热沉表面电子束蒸发键合金属示意图；
图7为实施例2蓝宝石衬底GaN基LED外延材料与金刚石热沉金属键合示意图；
图8为实施例3激光剥离蓝宝石衬底；
图9为实施例3磁控溅射n型电极金属示意图。
其中：1.蓝宝石衬底；2.本征GaN缓冲层；3.n-GaN层；4.GaN/InGaN多量子阱；5.p-GaN层；6.SiO2钝化层；7.P型电极；8.反射金属层；9.键合金属；10.金刚石衬底；11.n型电极。
【具体实施方式】
一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底1上MOCVD生长GaN基LED外延材料；
请参阅图1所示，所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料具体为，蓝宝石衬底(0001)单面抛光，厚度500μm，本征GaN缓冲层2的厚度50nm,n-GaN层3的厚度2μm，十对GaN/InGaN多量子阱4，p-GaN层5的厚度0.2μm，蓝宝石衬底上外延生长GaN基LED外延材料后进行隔离槽刻蚀，包括以下步骤：
S11：蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水超声各2～3分钟。
S12：将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤，除去表面吸附杂质。
S13：以三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生50nmGaN缓冲层。
S14：接着以SiH4为n型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3作Ga源和N源MOCVD生长n-GaN层，掺杂浓度2×1017～1×1018cm-3。
S15：以三甲基镓TMGa，三甲基铟(TMIn)和氨气NH3分别作为Ga源、In源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长GaN/InGaN多量子阱。
S16：以CP2Mg为p型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3作Ga源和N源MOCVD生长p-GaN层，掺杂浓度5×1016～2×1017cm-3，850℃退火激活杂质。
S17：PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm。
S2：ICP刻蚀步骤S1所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料，进行器件隔离；
S21：SiO2光刻SiO2钝化层6、刻蚀，形成隔离刻蚀掩膜图样，单元大小1mm×1mm(如图2所示)。
S22：隔离槽ICP干法刻蚀(如图3所示)，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝10:45:15sccm的混合气体。
S23：PECVD淀积SiO2侧墙，防止侧墙漏电流(如图4所示)。
S3：对步骤S2所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料表面磁控溅射p型接触金属、反射金属和键合金属；
请参阅图5、图6和图7所示，金刚石为多晶金刚石，厚度0.3mm，金刚石衬底10的表面键合金属依次为Au；蓝宝石衬底GaN基LED外延材料p-GaN层表面金属依次为Ni/Au/Al/Ag，其中Ni/Au做p型电极7，Al做底面金属层8，Ag做键合金属9，包括以下步骤：
刻蚀、抛光所述暴露的宝石衬底GaN基LED外延材料p-GaN表面，抛光到纳米级表面粗糙度。
请参阅图5所示，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗宝石衬底GaN基LED外延材料，各2～3分钟，氮气吹干，p-GaN表面，依次磁控溅射Ni/Au/Al/Ag，厚度依次为(50nm/120nm)/0.3μm/1μm,850～900℃退火15min。
S4：对金刚石热沉衬底表面磁控溅射键合金属；
金刚石热沉衬底表面抛光、平整化处理，抛光到纳米级表面粗糙度。
请参阅图6所示，丙酮、乙醇、去离子水超声清洗金刚石，抛光面磁控溅射Au键合金属，厚度2μm。
S5：将步骤S3所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料和步骤S4所述金刚石热沉衬底进行金属键合；
金属键合工艺键合所述金刚石热沉衬底与所述宝石衬底GaN基LED外延材料(图7)，键合时间30min，键合温度250～300℃，施加压力300N。
S6：采用激光剥离技术对步骤S5所述蓝宝石衬底进行剥离；
请参阅图8和图9所示，扫描激光采用波长为248～480nm的KrF脉冲激光，脉冲宽度为38ns；n-GaN表面金属依次为Cr/Au。实施例3主要用来完成蓝宝石衬底的剥离，包括以下步骤：
(1)用一束波长248～480nm,脉冲宽度38ns KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品；激光脉冲的能量密度可以由一个焦距40cm的石英透镜来调节(图8)。
(2)加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构(加热衬底到Ga的熔点29℃以上)去除蓝宝石衬底(图8)。
S7：磁控溅射n型接触金属；
用KOH：乙二醇＝5:3溶液移除GaN缓冲层，漏出n-GaN层。
所述n-GaN层表面PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm。
所述SiO2光刻、刻蚀，形成n型电极11图样(图9)。
请参阅图9所示，依次磁控溅射Cr/Au型电极金属，厚度依次为50nm/300nm,550℃退火，30min。
划片封装。

Claims (10)

1.一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基LED外延材料；
S2：ICP刻蚀步骤S1所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料，进行器件隔离；
S3：对步骤S2所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料表面磁控溅射p型接触金属、反射金属和键合金属；
S4：对金刚石热沉衬底表面磁控溅射键合金属；
S5：将步骤S3所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料和步骤S4所述金刚石热沉衬底进行金属键合；
S6：采用激光剥离技术对步骤S5所述蓝宝石衬底进行剥离；
S7：对步骤S6所述蓝宝石衬底进行磁控溅射n型接触金属。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：分别用丙酮和去离子水各超声2～3分钟对所述蓝宝石衬底进行清洗；
S12：将所述蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；
S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，在530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长50nm的GaN成核层；
S14：以SiH4为n型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3为Ga源和N源MOCVD生长n-GaN层，掺杂浓度2×1017～1×1018cm-3；
S15：以三甲基镓TMGa，三甲基铟TMIn和氨气NH3分别作为Ga源、In源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长GaN/InGaN多量子阱；
S16：以CP2Mg为p型掺杂剂，三甲基镓TMGa和氨气NH3为Ga源和N源MOCVD生长p-GaN层，掺杂浓度5×1016～2×1017cm-3，850℃退火；
S17：最后PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm。
3.根据权利要求2所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述外延材料制备完成后，进行隔离槽刻蚀，包括以下步骤：
S21：SiO2光刻、刻蚀，形成隔离刻蚀掩膜图样，单元大小为1mm×1mm；
S22：隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝10:45:15sccm的混合气体；
S23：PECVD淀积SiO2侧墙。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：刻蚀、抛光所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料p-GaN表面；
分别用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗所述蓝宝石衬底GaN基LED外延材料各2～3分钟，氮气吹干，再在p-GaN表面依次磁控溅射Ni/Au/Al/Ag，厚度依次为50nm/120nm/0.3μm/1μm，850～900℃退火15min。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：先对所述金刚石热沉衬底表面进行抛光、平整化处理；
再用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗所述金刚石，抛光面磁控溅射Au键合金属，厚度2μm。
6.根据权利要求5所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述金刚石热沉衬底为多晶金刚石，厚度0.3mm，表面键合金属依次为Au；蓝宝石衬底GaN基LED，外延材料p-GaN层表面金属依次为Ni/Au/Al/Ag，其中Ni/Au作p型电极，Al作底面反射镜，Ag为键合金属。
7.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：键合时间30min，键合温度250～300℃，施加压力300N，键合所述金刚石热沉衬底与所述宝石衬底GaN基LED外延材料。
8.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：用一束波长248～480nm，脉冲宽度38ns的脉冲激光从所宝石的一面扫描整个样品，加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除所述蓝宝石衬底。
9.根据权利要求8所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，加热所述蓝宝石衬底到Ga的熔点29℃以上。
10.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉GaN基异侧电极LED制作方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：
S71：用KOH：乙二醇＝5:3溶液移除GaN缓冲层，漏出n-GaN层；
S72：所述n-GaN层表面PECVD淀积SiO2，厚度1.5μm；
S73：对所述SiO2光刻、刻蚀，形成n型电极图样；
S74：依次磁控溅射Cr/Au型电极金属，厚度依次为50nm/300nm，保持550℃退火30min；
S75：最后划片封装。
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