CN107910409A - 一种硅衬底的GaN基LED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，包括：提供外延结构、硅结构和弯曲调整结构，其中，所述外延结构包括蓝宝石衬底和依次设于所述蓝宝石衬底上的N型GaN层、有源层、P型GaN层和第一键合层，所述硅结构包括硅衬底、设于所述硅衬底表面的第二键合层和设于所述硅衬底背面第一粘接层，所述弯曲调整结构包括弯曲调整层和设于所述弯曲调整层表面的第二粘接层，通过所述第一键合层和第二键合层，所述第一粘接层和第二粘接层，将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，工艺简单，有效地进行了硅衬底转移；此外，通过设置所述弯曲调整层，有效降低LED晶圆的弯曲度，提高激光剥离衬底的良率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种硅衬底的GaN基LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
现有的垂直结构LED芯片一般在蓝宝石衬底上形成外延层，然后将外延层转移到导热系数高的衬底上，例如硅、紫铜、钼等金属衬底。紫铜和钼等金属由于热导率高，一般首选为转移衬底，但由于金属本身具有一定的柔性，在LED芯片的制作中出现弯曲问题，即转移衬底和外延层发生翘曲，严重影响LED芯片的光电性能。进一步地，转移衬底发生翘曲后，均不能使用现有的用于加工蓝宝石衬底的LED芯片的加工设备来进行后续的加工。
因此，技术人员针对硅衬底进行研究，将其作为转移衬底。但硅衬底和蓝宝石衬底之间的热膨胀系数具有一定的差异，因此在制作过程中存在一系列的问题。具体为，进行衬底转移时，首先对蓝宝石衬底和硅衬底进行热键合处理，蓝宝石衬底相对硅衬底收缩剧烈，键合后形成的LED晶圆向蓝宝石衬底方向弯曲，弯曲后的LED晶圆在进行激光剥离蓝宝石衬底时，激光只能倾斜照射在蓝宝石衬底上，因此导致蓝宝石衬底剥离不完整。此外，激光剥离蓝宝石衬底时，外延层由于内应力释放导致弯曲度不匹配而发生碎裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种硅衬底的GaN基LED芯片及其制作方法，降低LED晶圆的弯曲度，提高激光剥离衬底的良率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，包括：
提供外延结构、硅结构和弯曲调整结构，其中，所述外延结构包括蓝宝石衬底和依次设于所述蓝宝石衬底上的N型GaN层、有源层、P型GaN层和第一键合层，所述硅结构包括硅衬底、设于所述硅衬底表面的第二键合层和设于所述硅衬底背面第一粘接层，所述弯曲调整结构包括弯曲调整层和设于所述弯曲调整层表面的第二粘接层；
将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，其中，所述第一键合层与第二键合层连接，所述第一粘接层和第二粘接层连接；
去除所述蓝宝石衬底；
去除所述弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层；
在所述N型GaN层表面形成N型电极。
作为上述方案的改进，所述P型GaN层和第一键合层之间设有反射层。
作为上述方案的改进，所述反射层由银、铂、金、铝和钕中的一种或几种制成。
作为上述方案的改进，所述第一键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成，所述第二键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成。
作为上述方案的改进，所述第一粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水，所述第二粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水。
作为上述方案的改进，所述弯曲调整层的材质为蓝宝石、不锈钢、铬金属片或厚硅片。
作为上述方案的改进，采用真空热压键合技术将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，其中，热压键合温度为200-300℃，热压键合压力为300-2000kg/m2。
作为上述方案的改进，去除所述弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层的制作方法，包括：
对所述LED晶圆进行加热，使第一粘接层和第二粘接层熔化分离，加热温度为100-200℃；
将加热分离后的LED晶圆浸泡在去除液中，去除残留在硅衬底上的第一粘接层。
作为上述方案的改进，所述去除液为盐酸、硫酸、丙酮、汽油和煤油中的一种或几种混合液。
相应地，本发明还提供了一种硅衬底的GaN基LED芯片，其采用上述中任一所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法制作而成。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，包括：提供外延结构、硅结构和弯曲调整结构，其中，所述外延结构包括蓝宝石衬底和依次设于所述蓝宝石衬底上的N型GaN层、有源层、P型GaN层和第一键合层，所述硅结构包括硅衬底、设于所述硅衬底表面的第二键合层和设于所述硅衬底背面第一粘接层，所述弯曲调整结构包括弯曲调整层和设于所述弯曲调整层表面的第二粘接层，通过所述第一键合层和第二键合层，所述第一粘接层和第二粘接层，将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，工艺简单，有效地进行了硅衬底转移；此外，通过设置所述弯曲调整层，有效降低LED晶圆的弯曲度，提高激光剥离衬底的良率。
附图说明
图1是本发明一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法流程图；
图2是本发明外延结构、硅结构和弯曲调整结构的结构示意图；
图3是本发明LED晶圆的结构示意图；
图4是本发明去除蓝宝石衬底的示意图；
图5是本发明去除弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层的示意图；
图6是本发明形成N型电极的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本实施例提供了一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1：提供外延结构、硅结构和弯曲调整结构；
参见图2，所述外延结构包括蓝宝石衬底100和依次设于所述蓝宝石衬底100上的N型GaN层101、有源层102、P型GaN层103和第一键合层104，所述硅结构包括硅衬底200、设于所述硅衬底200表面的第二键合层201和设于所述硅衬底背面第一粘接层202，所述弯曲调整结构包括弯曲调整层300和设于所述弯曲调整层300表面的第二粘接层301。
所述外延结构的制作方法包括：
S11：提供一蓝宝石衬底；
S12：在所述蓝宝石衬底上形成N型GaN层，在所述N型GaN层上形成有源层，在所述有源层上形成P型GaN层，在所述P型GaN层上形成第一键合层。
为了便于后续的键合，提高键合良率和键合效果，所述第一键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成。
需要说明的是，在形成P型GaN层之后，形成第一键合层之前，还包括：采用真空金属沉积技术在所述P型GaN层表面沉积形成反射层。具体的，所述反射层不仅将有源层发射出来的光进行反射，提高LED芯片的出光效率，还有利于形成所述第一键合层。由于第一键合层由金属材料制成，所述反射层也由金属材料之间，因此第一键合层容易在反射层上形成。其中，所述反射层由银、铂、金、铝和钕中的一种或几种制成。
所述硅结构的制作方法包括：
提供一硅衬底；
采用真空金属沉积技术在所述硅衬底表面沉积形成第二键合层；
在所述硅衬的背面涂布形成第一粘接层。
其中，所述第二键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成。为了便于后续去除所述第一粘接层，而又不影响第一粘接层的粘接能力，所述第一粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水。
所述弯曲调整层用于支撑所述外延结构和硅结构，防止所述外延结构和硅结构在后续激光剥离蓝宝石衬底时发生弯曲，因此所述弯曲调整层的材质为硬质材料。优选的，所述弯曲调整层的材质为蓝宝石、不锈钢、铬金属片或厚硅片。
所述第二粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水。通过所述第二粘接层粘接在所述第一粘接层上，以使所述弯曲调整结构连接在所述硅结构上。由于所述硅衬底与弯曲调整层均为硬质材料，因此要使两者形成连接，难度较大。本实施例分别通过在所述硅衬底上形成第一粘接层，在所述弯曲调整层上形成第二粘接层，然后再通过将所述第二粘接层粘接在所述第一粘接层上，从而使所述弯曲调整结构连接在所述硅结构上，这样结构简单，工艺简单，便于操作，不需要增加额外的设备。进一步地，所述弯曲调整层用于支撑所述外延结构和硅结构，防止所述外延结构和硅结构在后续激光剥离蓝宝石衬底时发生弯曲，只是起临时的支撑作用，在后续的过程中还需要去除。本实施例分别通过在所述硅衬底上形成第一粘接层，在所述弯曲调整层上形成第二粘接层，然后再通过将所述第二粘接层粘接在所述第一粘接层上，不仅使所述弯曲调整结构和所述硅结构形成连接，还便于将所述弯曲调整结构和所述硅结构分离。具体的，只需对所述第一粘接层和第二粘接层进行加热和浸泡在除去液中，就能将所述弯曲调整结构和所述硅结构分离，不需要额外的设备，工艺简单，便于操作。
S2：将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆；
参见图3，将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆；其中，所述第一键合层104与第二键合层201连接，所述第一粘接层202和第二粘接层301连接。
具体的，采用真空热压键合技术将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆。热压键合技术是通过加热方式使胶水、锡、镓等材料变成融化状态，然后通过加压方式使材料之间贴合，之后冷却，从而将不同的衬底粘合在一起，且粘合面较均匀，工艺简单，便于操作。
其中，热压键合温度为200-300℃，热压键合压力为300-2000kg/m2。热压键合温度小于200℃时，材料难以完全融化，影响键合效果；热压键合温度大于300℃时，温度过高，破坏LED晶圆的结构，影响发光效果。热压键合压力小于300kg/m2时，材料之间粘合不紧密，粘合面不均匀平整；热压键合压力大于2000kg/m2时，需要购置额外的设备，增加成本。
S3：去除所述蓝宝石衬底；
参见图4，采用激光剥离技术去除所述蓝宝石衬底100。
具体的，在激光剥离所述蓝宝石衬底100时，由于所述蓝宝石衬底100具有弯曲调整层300来支撑所述外延结构和硅结构，防止所述外延结构和硅结构发生弯曲，从而提高激光剥离衬底的良率。
S4：去除所述弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层；
参见图5，去除所述弯曲调整层300、第二粘接层301和第一粘接层202。
具体的，去除所述弯曲调整结构和第一粘接层202的制作方法，包括：
对所述LED晶圆进行加热，使第一粘接层202和第二粘接层301熔化分离，其中，加热温度为100-200℃。当加热温度小于100℃时，温度太低，第一粘接层202和第二粘接层301难以熔化分离；当加热温度大于200℃时，容易对所述第一键合层104和第二键合层201造成熔化损伤。
由于键合层的熔点高于粘接层的熔点，因此所述第一粘接层202和第二粘接层301在进行加热熔化时，对所述第一键合层104和第二键合层201不会造成熔化损伤。
将加热分离后的LED晶圆浸泡在去除液中，去除残留在硅衬底200上的第一粘接层202。优选的，所述去除液为盐酸、硫酸、丙酮、汽油和煤油中的一种或几种混合液。
分离后的弯曲调整层300经过清洗后可以重复使用，有效节省成本。
为了便于后续的加工，在LED晶圆浸泡完去除液之后，形成N型电极之前，还包括：对LED晶圆进行清洗。
S5：在所述N型GaN层表面形成N型电极。
参见图6，在所述N型GaN层101表面形成N型电极4。具体的，采用电子束蒸镀、磁控溅射、电镀或化学镀工艺，在所述N型GaN层101表面沉积金属层形成N型电极4。优选的，所述N型电极由Cr、Ni、Al、Ti、Au、Pt、W、Pb、Rh、Sn、Cu、Ag中的一种或几种制成。
相应地，本发明还提供了一种硅衬底的GaN基LED芯片，其采用上述任一所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法制作而成。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，包括：
提供外延结构、硅结构和弯曲调整结构，其中，所述外延结构包括蓝宝石衬底和依次设于所述蓝宝石衬底上的N型GaN层、有源层、P型GaN层和第一键合层，所述硅结构包括硅衬底、设于所述硅衬底表面的第二键合层和设于所述硅衬底背面第一粘接层，所述弯曲调整结构包括弯曲调整层和设于所述弯曲调整层表面的第二粘接层；
将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，其中，所述第一键合层与第二键合层连接，所述第一粘接层和第二粘接层连接；
去除所述蓝宝石衬底；
去除所述弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层；
在所述N型GaN层表面形成N型电极。
2.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述P型GaN层和第一键合层之间设有反射层。
3.根据权利要求2所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述反射层由银、铂、金、铝和钕中的一种或几种制成。
4.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述第一键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成，所述第二键合层由金、锡、镍、铟和镓中的一种或几种制成。
5.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述第一粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水，所述第二粘接层的材质为金属锡、金属铟、金属镓、低熔点蜡、AB胶水或502胶水。
6.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述弯曲调整层的材质为蓝宝石、不锈钢、铬金属片或厚硅片。
7.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，采用真空热压键合技术将所述外延结构、硅结构和弯曲调整结构连接成一体，形成LED晶圆，其中，热压键合温度为200-300℃，热压键合压力为300-2000kg/m2。
8.根据权利要求1所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，去除所述弯曲调整结构、第一粘接层和第二粘接层的制作方法，包括：
对所述LED晶圆进行加热，使第一粘接层和第二粘接层熔化分离，加热温度为100-200℃；
将加热分离后的LED晶圆浸泡在去除液中，去除残留在硅衬底上的第一粘接层。
9.根据权利要求8所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法，其特征在于，所述去除液为盐酸、硫酸、丙酮、汽油和煤油中的一种或几种混合液。
10.一种硅衬底的GaN基LED芯片，其采用权利要求1-9中任一所述的硅衬底的GaN基LED芯片制作方法制作而成。
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