CN108550667B - 一种微型发光元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型发光元件及其制作方法，利用临时衬底对砷化镓、磷化镓衬底制作的微型发光元件的外延结构进行转移，去除外延生长衬底后，再进行后续的微型发光元件的制备工艺，相对于传统的外延结构制备芯片结构的工艺，能够有效避免湿法腐蚀去除生长衬底时对外延侧面的腐蚀。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种微型发光元件及其制作方法。
背景技术
微型发光元件，即(Micro LED，又称μ-LED)，除了具有OLED自发光、厚度薄、质量轻、视角大、响应时间短、发光效率高等特性外，更容易实现高PPI（像素密度）、体积小、易于携带、功耗低等优异特性，LED产业已经有很多单位致力于元件的开发应用。Micro LED因为尺寸小，在制备过程中，结构容易受到破坏，而影响最终产品良率。如专利技术CN201710763086 .7所记载，现有的砷化镓、磷化镓、磷化铟等衬底的水平版外延结构制备Micro LED过程中，在电极制作完成后去除外延生长衬底的方法是湿法腐蚀。然而该湿法腐蚀工艺在移除衬底时，GaAs欧姆接触层111非常薄且脆弱（通常为100nm以内）化学试剂会接触到外延N型层侧的欧姆接触材料，从而导致N电极脱离，制备良率下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种微型发光元件的制备方法，替代传统的制备工艺，能够有效避免现有的砷化镓、磷化镓等衬底的外延结构在Micro LED制备过程中去除外延生长衬底时对外延侧的欧姆接触材料的腐蚀，能够有效提升Micro LED芯片制备工艺的整体良率。
本发明一种微型发光元件的制备方法包括以下步骤：（1）提供一生长衬底，由下至上包括第一半导体层、发光层以及第二半导体层的发光外延叠层；（2）将发光外延叠层转移到临时衬底上，去除生长衬底；（3）单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元，在每个微发光单元的同侧形成第一电极和第二电极；第一电极、第二电极分别与第一半导体层、第二半导体层电性连接；（4）提供一支撑衬底，将微发光二极管转移至支撑衬底，用激光剥离和或磨削的方式去除蓝宝石衬底，所述的生长衬底为砷化镓或磷化镓。
优选地，步骤（2）所述的外延叠层通过键合第二半导体层侧和临时衬底实现转移。
优选地，所述去除生长衬底的方式为湿法蚀刻。
优选地，所述临时衬底是玻璃、蓝宝石、氮化硅等。
本发明的具体制备方法如下：
（一）提供LED外延结构，制作微发光元件
提供外延结构，其一般可包括生长衬底和其上外延叠层。其中生长衬底的选取包括砷化镓、磷化镓或磷酸铟，其表面结构可为平面结构或图案化图结构，外延叠层从下到上包括第一半导体层、有源层、第二半导体层。
（二）转移衬底，准备一临时衬底，该临时衬底为蓝宝石、氮化铝、玻璃或氮化硅等，通过键合工艺将第二半导体层转移到临时衬底上，键合完成后，通过湿法蚀刻将生长衬底去除，若该衬底为蓝宝石，该临时衬底表面附着一层氮化镓。优选在该转移衬底步骤之前，在第二半导体层侧的外表面生长一层第一保护层，第一保护层优选为介电层或绝缘层，如采用SiNx或者SiO2。
（三）单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元
在所述外延结构的上表面上定义切割道区和第一电极区，所述外延叠层被所述切割道区划分为一系列微单元，每个微单元具有至少一个第一电极区，蚀刻所述外延叠层的第一电极区的第一半导体层、有源层至第二半导体层，裸露出第二半导体层的部分表面；优选先采用干法蚀刻。
在第一半导体层和第二半导体层表面分别制作第一电极和第二电极。
优选地，在芯片的表面上覆盖第二保护层，仅露出第一电极和第二电极的部分表面。优选地，保护层为透光层如ITO或GTO、绝缘介电层采用SiNx或者SiO2。优选地，还可以分别将在第一电极和第二电极上制作延伸电极，其延伸至绝缘介电层的部分表面上。
干法蚀刻所述外延结构的切割道区至裸露出蓝宝石衬底，从而将所述外延结构分为一系列微单元阵列。
（四）分离临时衬底，制作支撑结构
在芯片电极侧蒸镀或溅射镀镀覆一层牺牲材料。并在芯片电极侧以及支撑衬底侧涂覆热固性键合材料，贴合进行固化、键合。
通过微发光元件地制备方法，本发明提供以下一种微发光元件，在支撑衬底表面由下至上包括第二半导体层、发光层和第一半导体层，第二半导体层与第二电极电性连接，第一半导体层与第一电极电性连接，以及第二保护层，第一保护层与第二保护层包覆第一电极、第二电极侧以及整体外延结构，并使第一电极、第二电极露出。
本发明所述微型发光元件器件的制备工艺具备以下技术效果：
制备电极之前，使用临时衬底进行转移，并去除了生长衬底，在制作电极工艺后，去除临时衬底采用的是激光剥离或磨削技术，避免了传统的湿法刻蚀对芯片的外延侧的腐蚀。在第二半导体层侧以及电极侧形成保护层以整体保护微型LED (Micro LED)，保证制作工艺对外延结构的质量，提升制作良率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是目前的水平版微型发光元件的结构示意图；
图2是微型发光元件外延结构示意图；
图3是微型发光元件外延结构表面生长第一介电层示意图；
图4是外延层表面具备临时衬底的微型发光元件外延结构示意图；
图5是去除生长衬底后的具备临时衬底的微型发光元件外延结构示意图；
图6是完成电极制作步骤的去除临时衬底的微型发光元件芯片结构示意图；
附图示意：100-生长衬底，101-欧姆接触层，102-第一半导体层，103-有源层，104-第二半导体层，105-介电层，106-第一电极，107-第二电极，201-生长衬底，202-第一半导体层，203-有源层，204-第二半导体层，205-第一介电层，206-缓冲层，207-临时衬底，208-第二介电层，209-第二电极，210-第一电极，211-支撑衬底。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施例
本发明的具体制备方法如下：
（一）提供LED外延结构
如图2所示，提供外延结构，其一般可包括生长衬底和其上外延叠层。其中生长衬底201选取砷化镓，也可采用或磷化镓等，其表面结构可为平面结构或图案化图结构，外延叠层从下到上包括201生长衬底、GaAs缓冲层202、（优选设置GaInP晶格过渡层）、欧姆接触层、窗口层（缓冲层、欧姆接触层、窗口层图中未示出）、第一半导体层202、有源层203、第二半导体层204、电流扩展层（图中未示出）。生长衬底201用于外延生长，并依据生长衬底设置合适的缓冲层材料，用于消除衬底对外延结构生长的影响，也可采用其他材料，例如GaP、InP等。在缓冲层上还可设置蚀刻截止层，但为利于生长衬底201的后续移除，较佳的设置较薄的截止层，其厚度控制在500nm以内，甚至200nm以内。设置在缓冲层上的欧姆接触层用于后续芯片制作过程中用于电极的欧姆接触，材料常使用砷化镓，优选设置为50nm以内。窗口层设置在欧姆接触层上，用于电流扩展，较佳地为5微米以下，在本实施例中较佳的采用磷化镓窗口层。在本实施例中，有源层203较佳的采用多量子阱结构，具体垒层为Ala1Ga1-a1InP，阱层为Ala2Ga1-a2InP，其中a1＞a2。第一半导体层202为N型层和第二半导体层204为P型层的材料根据有源层的带隙进行选择，对于发光波长为670nm以上的有源层，其带隙较低，第一半导体层或第二半导体层可以直接选用AlGaAs或AlGaInP即可，对于发光波长为670nm以下，特别是640nm以下的有源层，其带隙较大，一般为1.9eV以上，则覆盖层需要采用高带隙材料，一般选用AlbIn1-bP材料(0＜b≤0.5)。电流扩展层设置于第二半导体层上，起电流扩展作用，常见的电流扩展层为p-GaP，优选1μm以上。
（二）转移衬底
如图3所示，在外延叠层第二半导体层204侧表面通过PECVD生长方法形成一层第一介电层205，如二氧化硅或氮化硅，厚度为1μm以上。如图4所示，准备一临时衬底，所述临时衬底207为蓝宝石、氮化硅、玻璃衬底等，所述的临时衬底优选为图案化处理。本实施例优选蓝宝石衬底，优选在其表面形成氮化镓缓冲层206，所述的缓冲层的厚度为10nm~2um，本实施例优选为20nm。通过高温高压键合工艺将外延叠层的第二半导体层侧的电流扩展层键合到蓝宝石衬底，高温高压键合参数范围为150-450℃，键合压力为800-12000 kgf/cm2，键合时间为：20min~180min。本实施例优选键合温度为300℃，键合压力为12000 kgf/cm2，键合时间为100min。在其它的实施例中，键合方式也可采用在第二半导体层侧外表面和或临时衬底表面涂覆一层热固型的材料，热固型的材料为苯并环丁烯(BCB)胶、硅胶、UV紫外胶、硅胶、Su8、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(Epoxy) 或者氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer或者树脂，以利于键合。
键合完成后，通过氨水、双氧水混合溶液采用湿法蚀刻将砷化镓衬底去除。
（三）单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元
在所述外延叠层的上表面上定义切割道区和第一电极区，所述外延叠层被所述切割道区划分为一系列微单元，每个微单元具有至少一个第一电极区，干法蚀刻所述外延结构的欧姆接触层、第一半导体层202、有源层203、第二半导体层204。如图5所示，在欧姆接触层和电流扩展层212上制作第一电极210、第二电极209，第一半导体层和第二半导体层分别连接第一电极210和第二电极209。
在芯片的表面上覆盖绝缘第二介电层208，仅露出第一电极210和第二电极209的部分表面。优选地，绝缘介电层采用SiNx或者SiO2。优选地，还可以分别将在第一电极和第二电极上制作延伸电极，其延伸至绝缘介电层的部分表面上。在其它实施例中，第二介电层208可设置为透明层和介电层的组合，或介电层控制合适的厚度形成透明介电层，同时能够保护芯片第二半导体层侧的外表面，
第二介电层可为氧化物，氮化物或氧氮化物或高分子聚合物等绝缘化合物。
干法蚀刻所述外延结构的切割道区至裸露出蓝宝石衬底，从而将所述外延结构分为一系列微单元阵列。
（四）通过支撑键合微型发光元件，分离临时衬底
在芯片电极侧蒸镀或溅射镀镀覆一层牺牲材料如氧化物、氮化物或者可选择性地相对于其他层被移除的其他材料。选择一支撑衬底211，材料可以是玻璃、硅或蓝宝石等，并在芯片侧以及衬底侧涂覆一层用于热固型的材料，热固型的材料为苯并环丁烯(BCB)胶、硅胶、UV紫外胶、硅胶、Su8、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(Epoxy) 或者氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer或者树脂，在特定情况下牺牲材料能够通过包括化学分解或物理分解，例如紫外光分解或者冲击等方式移除，然后将两者贴合进行固化、键合。通过激光剥离(LLO)、研磨等方法分离蓝宝石衬底，最后去除牺牲层。支撑衬底优选具有凹槽结构，将微型发光元件容纳到其凹槽内部，并制备桥结构将微型发光元件的第一半导体侧或第二半导体侧与支撑衬底连接，或凹槽包括支撑柱将芯片电极侧与支撑衬底连接，在牺牲层表面制作开口，去除牺牲层后，支撑柱顶住该芯片电极侧，微型发光元件器件的下表面部分悬空，形成固定的微型发光元件器件，以满足后续被拾取转移工序的需要。获得的产品如图6所示。（牺牲层、桥接或支撑柱属于现有的常规技术，未在图中示出）。
产品的结构特点：
微型发光元件的芯片结构：在支撑衬底表面依次包括第二半导体层、发光层和第一半导体层，第二半导体层与第二电极电性连接，第一半导体层与第一电极电性接，以及介电层包覆整体外延结构，并使第一电极、第二电极露出。
本发明具备以下技术效果：
本发明所述微型发光元件器件的制备工艺在制备电极之前，使用蓝宝石衬底作为临时衬底进行转移，并去除了生长衬底，在制作电极工艺后，去除蓝宝石衬底采用的是激光剥离技术，避免了传统的湿法刻蚀对芯片的外延侧外延材料的腐蚀。优选地在第二半导体层侧以及电极侧形成保护层以整体保护微型LED(Micro LED)，保证制作工艺中外延结构的质量，提升良率。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (12)
1.微型发光元件的制作方法，包括以下步骤:（1）提供一生长衬底，由下至上包括50nm以下的砷化镓欧姆接触层、第一半导体层、发光层以及第二半导体层的发光外延叠层；（2）将发光外延叠层转移到临时衬底上，去除生长衬底；（3）在临时衬底上单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元，在每个微发光单元的同侧形成第一电极和第二电极；第一电极、第二电极分别与第一半导体层、第二半导体层电性连接，第一电极形成在欧姆接触层上；（4）提供一支撑衬底，将微发光单元转移至支撑衬底，其中第一电极和第二电极朝向支撑衬底，用激光剥离和/或磨削的方式去除临时衬底，所述的生长衬底为砷化镓。
2.根据权利要求1所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）的外延叠层通过键合的方式实现转移。
3.根据权利要求1或2所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述临时衬底能够通过激光剥离或研磨的方式进行去除。
4.根据权利要求1或2所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述临时衬底为蓝宝石、氮化铝、玻璃或氮化硅。
5.根据权利要求1或2所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）的外延叠层中第二半导体层表面还包括一层电流扩展层；步骤（3）中欧姆接触层、第一半导体层、发光层和第二半导体层被部分蚀刻去除，第一电极形成在欧姆接触层上，第二电极形成在电流扩展层上。
6.根据权利要求1或2所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述的去除生长衬底的方式为湿法蚀刻。
7.根据权利要求1所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）通过键合的方式实现转移。
8.根据权利要求1所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：在步骤（2）之前，在第二半导体层侧外表面设置一层第一保护层，在步骤（3）之后在第一电极、第二电极侧形成第二保护层。
9.根据权利要求8所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：在第一电极、第二电极侧制备一层第二保护层，并将第一电极、第二电极露出。
10.根据权利要求8或9所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：第一保护层和/或第二保护层为蒸镀或溅镀工艺制备。
11.根据权利要求8或9所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述的第一保护层和/或第二保护层为绝缘层。
12.根据权利要求8或9所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述的临时衬底为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底表面具有氮化镓缓冲层。
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