CN107644928A - 一种自支撑垂直结构led芯片及其制备方法 - Google Patents

一种自支撑垂直结构led芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自支撑垂直结构LED芯片及其制备方法，利用LiGaO2材料的物理特性，在进行快速退火期间，LiGaO2衬底会因热冲击从而自动破碎，直接促使LiGaO2衬底与金属薄膜分离，从而实现衬底的自动剥离，简化了LED芯片的制备工序，降低了制作成本；另外，直接使用金属薄膜作为垂直结构的支撑衬底，不仅能够起到电极的作用，而且金属散热性能非常好，电流分布均匀，避免了电流拥挤问题，提高了发光效率，有利于实现大功率LED，同时也解决了电极的遮光问题，提升了LED芯片的发光面积；另外，金属薄膜对光具有反射作用，有利于提高光提取效率，实现高光效LED。

Description

一种自支撑垂直结构LED芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及垂直结构的LED芯片领域，特别是一种自支撑垂直结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
目前，LED使用广泛，LED是未来照明和显示领域发展的必然趋势。高光效、大功率LED是未来发展的主流趋势之一。然而传统的蓝宝石衬底散热性能较差，难以使用蓝宝石衬底制作大功率LED，大电流下工作会导致结温迅速升高从而大幅度降低发光效率。比较好的方法是转移基板，即采用焊接的办法将P-GaN使用金锡AuSn合金焊接在Cu或者Si基板上，然后激光剥离衬底，该方法使用的设备和焊料价格昂贵，同时容易出现虚焊、漏焊等问题，且工艺复杂。若对垂直结构的LED芯片的衬底自动剥离，不仅能够减少工序，而且在垂直结构下能够实现大功率的LED芯片和提高LED芯片的光效。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种自支撑垂直结构LED芯片及其制备方法，将LiGaO2用作衬底材料，能够利用LiGaO2的物理特性使衬底自动破碎，达到简化工序的目的。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在LiGaO2衬底上采用PECVD技术或者磁控溅射技术设置金属薄膜；
S2：采用MOCVD技术在金属薄膜上依次设置N-GaN层、InGaN/GaN量子阱和P-GaN层，或者依次设置P-GaN层、InGaN/GaN量子阱和N-GaN层；
S3：进行退火处理，LiGaO2衬底因热冲击从而自动破碎，促使LiGaO2衬底与金属薄膜分离；
S4：当N-GaN层、InGaN/GaN量子阱和P-GaN层依次设置在金属薄膜上时，在P-GaN层上镀制p电极；当P-GaN层、InGaN/GaN量子阱和N-GaN层依次设置在金属薄膜上时，在N-GaN层上镀制n电极；
S5：腐蚀电极图案以及去胶处理；
S6：进行激光切割，从而获得自支撑垂直结构的LED芯片。
进一步地，所述步骤S1中的金属薄膜的厚度为30-200微米。
进一步地，所述步骤S1中的金属薄膜为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。
进一步地，所述步骤S3中的退火处理时的温度下降速率为50-100℃/min。
一种应用上述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括LiGaO2衬底、金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极，所述金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极依次设置在LiGaO2衬底上。
一种应用上述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括LiGaO2衬底、金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极，所述金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极依次设置在LiGaO2衬底上。
一种应用上述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极，所述N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极依次设置在金属薄膜上。
一种应用上述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极，所述P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极依次设置在金属薄膜上。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种自支撑垂直结构LED芯片及其制备方法，利用LiGaO2材料的物理特性，在进行快速退火期间，LiGaO2衬底会因热冲击从而自动破碎，直接促使LiGaO2衬底与金属薄膜分离，从而实现衬底的自动剥离，简化了LED芯片的制备工序，不再按照以往一样使用焊接机和金锡AuSn合金焊料，降低了制作成本；另外，直接使用金属薄膜作为支撑衬底，不仅能够起到电极的作用，而且金属散热性能非常好，有利于实现超大功率LED芯片；同时，垂直结构LED芯片的两个电极分别在外延层的两侧，使得电流几乎全部垂直流过外延层，横向流动的电流极少，从而避免了横向结构的电流拥挤问题，提高了发光效率，有利于实现大功率LED，同时也解决了电极的遮光问题，提升了LED芯片的发光面积；另外，金属薄膜对光具有反射作用，有利于提高光提取效率，实现高光效LED。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底前的第一实施例的具体结构图；
图2是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底前的第二实施例的具体结构图；
图3是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底后的第一实施例的具体结构图；
图4是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底后的第二实施例的具体结构图；
图5是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法的第一实施例的具体流程图；
图6是本发明一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法的第二实施例的具体流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底前的第一实施例的具体结构图，该图为LED芯片制备过程中剥离衬底前的结构图，包括LiGaO2衬底100、金属薄膜200、N-GaN层300、InGaN/GaN量子阱400、P-GaN层500和p电极600，所述金属薄膜200、N-GaN层300、InGaN/GaN量子阱400、P-GaN层500和p电极600依次设置在LiGaO2衬底100上。所述金属薄膜200的厚度为30-200微米，且金属薄膜200为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。
参照图2，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底前的第二实施例的具体结构图，该图为LED芯片制备过程中剥离衬底前的结构图，包括LiGaO2衬底100、金属薄膜200、P-GaN层500、InGaN/GaN量子阱400、N-GaN层300和n电极700，所述金属薄膜200、P-GaN层500、InGaN/GaN量子阱400、N-GaN层300和n电极700依次设置在LiGaO2衬底100上。所述金属薄膜200的厚度为30-200微米，且金属薄膜200为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。图2和图1的区别在于P-GaN层500和N-GaN层300的位置相互对调，以及p电极600替换为n电极700。
参照图3，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底后的第一实施例的具体结构图，该图为LED芯片制备过程中剥离衬底后的结构图，包括金属薄膜200、N-GaN层300、InGaN/GaN量子阱400、P-GaN层500和p电极600，所述N-GaN层300、InGaN/GaN量子阱400、P-GaN层500和p电极600依次设置在金属薄膜200上。所述金属薄膜200的厚度为30-200微米，且金属薄膜200为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。
参照图4，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片在剥离衬底后的第二实施例的具体结构图，该图为LED芯片制备过程中剥离衬底后的结构图，包括金属薄膜200、P-GaN层500、InGaN/GaN量子阱400、N-GaN层300和n电极700，所述P-GaN层500、InGaN/GaN量子阱400、N-GaN层300和n电极700依次设置在金属薄膜200上。所述金属薄膜200的厚度为30-200微米，且金属薄膜200为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。图4和图3的区别在于P-GaN层500和N-GaN层300的位置相互对调，以及p电极600替换为n电极700。
参照图5，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法的第一实施例的具体流程图，包括以下步骤：
S1：在LiGaO2衬底100上采用PECVD技术或者磁控溅射技术设置金属薄膜200；所述PECVD是指等离子体增强化学的气相沉积法，是通过借助微波或者射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。另外，所述磁控溅射是物理气相沉积的一种，所述磁控溅射是指在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加粒子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。选择PECVD技术或者磁控溅射技术在LiGaO2衬底100上生长厚度为30-200微米的金属薄膜200，其中所述金属薄膜200可以为Al单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。另外，金属薄膜200对光具有反射作用，有利于提高光提取效率，实现高光效LED。
S2：采用MOCVD技术在金属薄膜200上依次设置N-GaN层300、InGaN/GaN量子阱400和P-GaN层500；所述MOCVD是指在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。所述MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化学物和Ⅴ、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。首先采用MOCVD技术在金属薄膜200上生长N-GaN层300，然后在N-GaN层300上生长InGaN/GaN量子阱400，接着在InGaN/GaN量子阱400上生长P-GaN层500。
S3：进行退火处理，LiGaO2衬底100因热冲击从而自动破碎，促使LiGaO2衬底100与金属薄膜200分离；生长结束后，进行快速退火，利用LiGaO2材料的物理特性，在进行快速退火期间，当退火时温度下降速率为50-100℃/min时衬底的LiGaO2晶体会因热冲击从而自动炸裂破碎，直接促使LiGaO2衬底100与金属薄膜200分离，从而实现衬底的自动剥离，简化了LED芯片的制备工序，不再按照以往一样使用焊接机和金锡AuSn合金焊料，降低了制作成本。
S4：在P-GaN层500上镀制p电极600；所述p电极600镀制在P-GaN层500上，由于LiGaO2衬底100的剥离，从而使金属薄膜200的表面区域得到释放，不仅能够起到n电极700的作用，而且金属散热性能非常好，有利于实现超大功率LED芯片，另外，由于金属薄膜200的材料使用Al单晶或者Cu单晶，硬度强度较好，能够脱离衬底起到垂直支撑作用。
S5：腐蚀电极图案以及去胶处理；
S6：进行激光切割，从而获得自支撑垂直结构的LED芯片。所述激光切割是利用经聚集的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或者达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件隔开。采用激光切割技术来对具有一定硬度强度的LED芯片进行切割，获得垂直结构的LED芯片。垂直结构LED芯片的两个电极分别在外延层的两侧，使得电流几乎全部垂直流过外延层，横向流动的电流极少，从而避免了电流拥挤问题，提高了发光效率，有利于实现大功率LED，同时也解决了电极的遮光问题，提升了LED芯片的发光面积。
参照图6，本发明一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法的第二实施例的具体流程图。
P1：在LiGaO2衬底100上采用PECVD技术或者磁控溅射技术设置金属薄膜200；
P2：采用MOCVD技术在金属薄膜200上依次设置P-GaN层500、InGaN/GaN量子阱400和N-GaN层300；
P3：进行退火处理，LiGaO2衬底100因热冲击从而自动破碎，促使LiGaO2衬底100与金属薄膜200分离；
P4：在N-GaN层300上镀制n电极700；
P5：腐蚀电极图案以及去胶处理；
P6：进行激光切割，从而获得自支撑垂直结构的LED芯片。
所述图6和图5的区别在于生长P-GaN层500的步骤和生长N-GaN层300的步骤对调，以及是在N-GaN层300上对n电极700进行镀制，所述金属薄膜200起到p极的作用。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在LiGaO2衬底上采用PECVD技术或者磁控溅射技术设置金属薄膜；
S2：采用MOCVD技术在金属薄膜上依次设置N-GaN层、InGaN/GaN量子阱和P-GaN层，或者依次设置P-GaN层、InGaN/GaN量子阱和N-GaN层；
S3：进行退火处理，LiGaO2衬底因热冲击从而自动破碎，促使LiGaO2衬底与金属薄膜分离；
S4：当N-GaN层、InGaN/GaN量子阱和P-GaN层依次设置在金属薄膜上时，在P-GaN层上镀制p电极；当P-GaN层、InGaN/GaN量子阱和N-GaN层依次设置在金属薄膜上时，在N-GaN层上镀制n电极；
S5：腐蚀电极图案以及去胶处理；
S6：进行激光切割，从而获得自支撑垂直结构的LED芯片。
2.根据权利要求1所述的一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的金属薄膜的厚度为30-200微米。
3.根据权利要求1所述的一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的金属薄膜为A1单晶薄膜或者Cu单晶薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种自支撑垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的退火处理时的温度下降速率为50-100℃/min。
5.一种应用权利要求1-4任一所述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括LiGaO2衬底、金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极，所述金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极依次设置在LiGaO2衬底上。
6.一种应用权利要求1-4任一所述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括LiGaO2衬底、金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极，所述金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极依次设置在LiGaO2衬底上。
7.一种应用权利要求1-4任一所述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括金属薄膜、N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极，所述N-GaN层、InGaN/GaN量子阱、P-GaN层和p电极依次设置在金属薄膜上。
8.一种应用权利要求1-4任一所述的制备方法制备而成的自支撑垂直结构LED芯片，其特征在于：包括金属薄膜、P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极，所述P-GaN层、InGaN/GaN量子阱、N-GaN层和n电极依次设置在金属薄膜上。
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