CN112885938B - 一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：制作临时衬底、制作永久衬底、键合、制作保护层、衬底腐蚀、制作粗话层、制作主电极以及制作管芯。本发明使用二氧化硅作为保护层，在晶片正反两面生长，实现侧面的完全包裹将Ag金属与溶液接触的部分完全保护起来，使金属Ag没有与溶液接触的机会，从而可以按照目前的常规腐蚀液进行腐蚀，而不会产生腐蚀不均匀的现象，通过本发明实施例制作出衬底和阻挡层腐蚀彻底的管芯结构，制作的管芯电压良率可达到100％，亮度大幅度提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域,具体地说是一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法。
背景技术
高亮度的大功率的红光LED芯片是广泛发展的一种常见可见光LED,AlGaInP四元红光LED具有电流承受能力强、发光效率高以及耐高温等诸多优点，在照明、显示、指示灯中的应用具有不可替代的地位，并且被广泛的应用于照明的各个领域。AlGaInP四元红光LED传统工艺，外延结构包括临时衬底层、缓冲层、阻挡层、N型砷化镓欧姆接触层、量子阱层、P型AlGaInP限制层、P型GaAs层，通常使用Si片作为置换和永久性衬底使用，P型电极生长在裸露的AlGaInP层上，N型电极生长在减薄后的永久性衬底的背面。
为了获得高亮度的管芯，通常使用反射镜来增加亮度和提高光电转换效率，传统工艺中因为金具有稳定性好、较高反射率的特性，通常使用金镜来作为反射镜使用，但是纯金本身材料价格高昂，使反射镜的制作成本较高，且反射率相对于金属银来说，相对低一些。众所周知，金属银是可见光波段反射率最高的金属，但是其物理化学性质非常活泼，银镜用于倒装结构的反射镜制作中效果更为显著，但是在倒装结构的衬底置换时，需要将砷化镓临时衬底使用化学溶液进行腐蚀掉，腐蚀层一般都会有砷化镓衬底和GaInP阻挡层组成，腐蚀衬底需要使用氨水和双氧水的混合溶液，腐蚀过程会放出大量热量，少部分银金属析出，并且溶液中反应会附着在晶片表面，阻挡后续的腐蚀；而阻挡层的腐蚀通常使用酸，如盐酸、磷酸、硫酸等来进行，金属银通常会与酸产生反应，生成絮状物，粘附在晶片表面阻止后续腐蚀的进行，使得整个腐蚀不均匀、不彻底。使用Ag金属制作反射镜如果该问题得不到解决，那么金属银反射镜和化学腐蚀的技术组合很难实现，就会使制作出的管芯因为腐蚀不彻底电压高，管芯得整体亮度受限，光电转换效率较低。
中国专利文件CN105047788 A(201510438112.X)提出了一种基于银基金属的键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法，采用了AgCuAu合金作为键合金属层，键合温度与保持时间降低；AgCuAu键合可以在较低的键合温度与键合压力下完成，键合时间缩短，有利于减少键合过程对LED外延层的光电性能的损伤；采用AgCuAu合金的键合金属层，消除了键合过程中的空洞现象，有利于对LED外延层的的应力释放；AgCuAu键合机械性能高，具有良好的导电与导热性能，有利于提高LED芯片的寿命。但是该发明中，未提及到衬底腐蚀的具体制作方法。
发明内容
本发明实施例中提供了一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，以解决现有技术进行腐蚀操作时Ag与腐蚀液反应，造成腐蚀不均匀的问题，通过该方法可以制作出衬底和阻挡层腐蚀彻底的管芯结构，制作的管芯电压良率可达到100％，亮度大幅度提升。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1,在生长有外延层的GaAs基AlGaInP晶片上依次制作欧姆接触点、电流阻挡层和Ag镜反射层，形成临时衬底；
S2,在永久硅衬底表面依次生长金属键合层和键合粘附层，形成永久衬底；
S3,将所述临时衬底和永久衬底进行高温键合；
S4，在键合后晶片的正反面均生长二氧化硅保护层，在正反面均使用光刻胶制作掩膜图形，对晶片边缘处的保护层进行光刻胶保护，利用显影液腐蚀掉除光刻胶保护外的二氧化硅保护层，然后去掉光刻胶；
S5，腐蚀掉临时衬底的GaAs衬底层和GaInP阻挡层；
S6，在步骤S5形成的晶片表面制作扩展电极；
S7，使用光刻胶制作研磨图形，保护扩展电极和主电极区域，且保护图案的尺寸大于电极尺寸，对非保护区域的AlGaInP层进行粗化，粗化完成后去胶；
S8,在主电极区域制作N电极；
S9，对所述硅衬底的背面进行减薄，在减薄面制作P电极，对完成后的晶片裂成单个管芯。
进一步地，步骤S1中所述GaAs基AlGaInP晶片的结构，自上而下依次为GaAs衬底层、GaInP阻挡层、重掺GaAs层、N型GaAs层、N型AlGaInP层、MQW量子阱层、P型AlGaInP层、P型GaAs层。
进一步地，步骤S1中所述Ag镜反射层，以Ag金属作为底层，并与金属Ti、Pt、Ni、Ge、Au、Cr中的一种或几种组合而成；所述Ag镜反射层使用电子束蒸发台或者溅射台进行制作。
进一步地，步骤S2中所述金属键合层为TiAu，键合粘附层为金属Sn。
进一步地，步骤S3中所述高温键合的温度为200-220℃，键合时间为30-40min。
进一步地，步骤S4中所述二氧化硅保护层的厚度为3000-5000埃，二氧化硅的生长温度为200-250℃；所述光刻胶保护区域在晶片边缘0.3-1mm线径范围内，所述显影液为HF溶液。
进一步地，步骤S5中使用氨水、双氧水的混合溶液腐蚀GaAs衬底层，使用盐酸、磷酸的混合溶液腐蚀GaInP阻挡层。
进一步地，步骤S6中所述制作扩展电极具体为：
在步骤S5形成的晶片表面使用光刻胶制作掩膜图形，并使用腐蚀液将表面的GaAs腐蚀掉，然后去胶，形成扩展电极；GaAs腐蚀液为磷酸、双氧水和水的混合溶液。
进一步地，步骤S7中使用粗化液对AlGaInP层进行粗化，所述粗化液为盐酸、磷酸、冰乙酸、碘、硝酸、硫酸中的一种或几种的组合。
进一步地，步骤S8中所述制作N电极的具体过程为：
使用光刻胶制作掩模图形，使用蒸镀或者溅射的方式制作主电极，并使用剥离方法将电极图形制作出来，形成N电极；所述主电极使用TiAl电极，电极厚度为2-5um。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
1、使用二氧化硅作为保护层，在晶片正反两面生长，实现侧面的完全包裹将Ag金属与溶液接触的部分完全保护起来，使金属Ag没有与溶液接触的机会，从而可以按照目前的常规腐蚀液进行腐蚀，而不会产生腐蚀不均匀的现象。
2、二氧化硅保护层线径尺寸的参数选择尤为重要，线径太宽，对于边缘管芯造成较大损失，线径太窄，对Ag镜保护不彻底，会有部分Ag析出，达不到保护效果，该线径尺寸的选择在充分考虑保护面积和溶液钻蚀基础上进行的选择，起到了保护作用，又不会对管芯造成额外损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述制备方法的流程示意图；
图2是本发明步骤S1形成的临时衬底结构示意图；
图3是本发明步骤S2形成的永久衬底结构示意图；
图4是本发明步骤S3键合后形成的晶片结构示意图；
图5是本发明步骤S4增加二氧化硅保护层后形成的晶片结构示意图；
图6是本发明步骤S4增加二氧化硅保护层后形成的晶片正面或背面示意图；
图7是本发明步骤S5腐蚀掉临时衬底后的晶片结构示意图；
图中，1 GaAs衬底层、2 GaInP阻挡层、3重掺GaAs层和N型GaAs层、4 N型AlGaInP层、5 MQW量子阱层、6 P型AlGaInP层、7 P型GaAs层、8欧姆接触点、9电流阻挡层、10 Ag镜反射层、11硅衬底、12金属键合层、13键合粘附层、001二氧化硅保护层、002未受二氧化硅保护的晶片表面。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1-7所示，本发明银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法包括以下步骤：
S1,在生长有外延层的GaAs基AlGaInP晶片上依次制作欧姆接触点8、电流阻挡层9和Ag镜反射层10，形成临时衬底；
S2,在永久硅衬底11表面依次生长金属键合层12和键合粘附层13，形成永久衬底；
S3,将临时衬底和永久衬底进行高温键合；
S4，在键合后晶片的正反面均生长二氧化硅保护层，在正反面均使用光刻胶制作掩膜图形，对晶片边缘处的保护层进行光刻胶保护，利用显影液腐蚀掉除光刻胶保护外的二氧化硅保护层，然后去掉光刻胶；
S5，腐蚀掉临时衬底的GaAs衬底层和GaInP阻挡层；
S6，在步骤S5形成的晶片表面制作扩展电极；
S7，使用光刻胶制作研磨图形，保护扩展电极和主电极区域，且保护图案的尺寸大于电极尺寸，对非保护区域的AlGaInP层进行粗化，粗化完成后去胶；
S8,在主电极区域制作N电极；
S9，对所述硅衬底的背面进行减薄，在减薄面制作P电极，对完成后的晶片裂成单个管芯。
如图2所示，步骤S1中GaAs基AlGaInP晶片的结构，自上而下依次为GaAs衬底层1、GaInP阻挡层2、重掺GaAs层和N型GaAs层3、N型AlGaInP层4、MQW量子阱层5、P型AlGaInP层6、P型GaAs层7。
Ag镜反射层10是以Ag金属作为底层，并与金属Ti、Pt、Ni、Ge、Au、Cr中的一种或几种组合而成的；Ag镜反射层使用电子束蒸发台或者溅射台进行制作。
如图3所示，步骤S2中金属键合层为TiAu，键合粘附层为金属Sn。
步骤S3中高温键合的温度为200-220℃，键合时间为30-40min，形成如图4所示的晶片。其中键合温度为200℃时，时间为40min；键合温度为220℃时，时间为30min；键合温度为210℃时，时间为34min。
如图5、6所示，步骤S4中生长的二氧化硅保护层的厚度为3000-5000埃，生长温度为200-250℃；光刻胶保护区域在晶片边缘0.3-1mm线径范围内，即图5所示001处，002为未受二氧化硅保护的晶片表面，即被显影液腐蚀掉的部分，显影液为HF溶液。其中二氧化硅保护层的厚度为3000埃时，生长温度为200℃；二氧化硅保护层的厚度为5000埃，生长温度为250℃。
步骤S5中使用氨水、双氧水的混合溶液腐蚀GaAs衬底层，使用盐酸、磷酸的混合溶液腐蚀GaInP阻挡层，形成如图7所示的晶片，实际上步骤S5形成的晶片上还存在二氧化硅保护层001，图7中未示出。
步骤S6中所述制作扩展电极具体为：在步骤S5形成的晶片表面使用光刻胶制作掩膜图形，并使用腐蚀液将表面的GaAs腐蚀掉，然后去胶，形成扩展电极；GaAs腐蚀液为磷酸、双氧水和水的混合溶液。其中腐蚀掉的GaAs为重掺GaAs层和N型GaAs层3。
步骤S7中保护图案的尺寸大于电极的边缘尺寸2-4um，使用粗化液对AlGaInP层进行粗化，粗化液为盐酸、磷酸、冰乙酸、碘、硝酸、硫酸中的一种或几种的组合。
步骤S8中制作N电极的具体过程为：使用光刻胶制作掩模图形，使用蒸镀或者溅射的方式制作主电极，并使用剥离方法将电极图形制作出来，形成N电极；主电极使用TiAl电极，电极厚度为2-5um。
步骤S9中，对硅衬底减薄厚度为130-180um，在减薄面制作N电极，N面电极使用NiAu电极。
对完成后的晶片裂成单个管芯。侧面具有二氧化硅保护层的管芯放弃不用。
上述步骤中涉及到金属，纯度均为4N级及以上，利用电子束蒸发台和溅射机台制作金属膜层的真空度为3.0E-6Torr及以上，以保证各个金属膜层的良好粘附性。
本发明上述实施例的工艺方法简单易操作，不需要引入特殊设备，利用较低的成本解决了Ag反射镜中衬底腐蚀不均匀的问题，该工艺方法适用于所有GaAs基红光LED芯片的制作工艺。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，所述制备方法包括以下步骤：
S1,在生长有外延层的GaAs基AlGaInP晶片上依次制作欧姆接触点、电流阻挡层和Ag镜反射层，形成临时衬底；
S2,在永久硅衬底表面依次生长金属键合层和键合粘附层，形成永久衬底；
S3,将所述临时衬底和永久衬底进行高温键合；
S4，在键合后晶片的正反面均生长二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层对键合后晶片的侧面完全包裹，在正反面均使用光刻胶制作掩膜图形，对晶片边缘处的保护层进行光刻胶保护，利用显影液腐蚀掉除光刻胶保护外的二氧化硅保护层，然后去掉光刻胶；
S5，腐蚀掉临时衬底的GaAs衬底层和GaInP阻挡层；
S6，在步骤S5形成的晶片表面制作扩展电极；
S7，使用光刻胶制作研磨图形，保护扩展电极和主电极区域，且保护图案的尺寸大于电极尺寸，对非保护区域的AlGaInP层进行粗化，粗化完成后去胶；
S8,在主电极区域制作N电极；
S9，对所述硅衬底的背面进行减薄，在减薄面制作P电极，对完成后的晶片裂成单个管芯；
步骤S4中所述二氧化硅保护层的厚度为3000-5000埃，二氧化硅的生长温度为200-250℃；所述光刻胶保护区域在晶片边缘0.3-1mm线径范围内，所述显影液为HF溶液。
2.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S1中所述GaAs基AlGaInP晶片的结构，自上而下依次为GaAs衬底层、GaInP阻挡层、重掺GaAs层、N型GaAs层、N型AlGaInP层、MQW量子阱层、P型AlGaInP层、P型GaAs层。
3.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S1中所述Ag镜反射层，以Ag金属作为底层，并与金属Ti、Pt、Ni、Ge、Au、Cr中的一种或几种组合而成；所述Ag镜反射层使用电子束蒸发台或者溅射台进行制作。
4.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S2中所述金属键合层为TiAu，键合粘附层为金属Sn。
5.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S3中所述高温键合的温度为200-220℃，键合时间为30-40min。
6.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S4中所述二氧化硅保护层的厚度为3000-5000埃，二氧化硅的生长温度为200-250℃；所述光刻胶保护区域在晶片边缘0.3-1mm线径范围内，所述显影液为HF溶液。
7.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S5中使用氨水、双氧水的混合溶液腐蚀GaAs衬底层，使用盐酸、磷酸的混合溶液腐蚀GaInP阻挡层。
8.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S6中所述制作扩展电极具体为：
在步骤S5形成的晶片表面使用光刻胶制作掩膜图形，并使用腐蚀液将表面的GaAs腐蚀掉，然后去胶，形成扩展电极；GaAs腐蚀液为磷酸、双氧水和水的混合溶液。
9.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S7中使用粗化液对AlGaInP层进行粗化，所述粗化液为盐酸、磷酸、冰乙酸、碘、硝酸、硫酸中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求1所述的银基键合的反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其特征是，步骤S8中所述制作N电极的具体过程为：
使用光刻胶制作掩模图形，使用蒸镀或者溅射的方式制作主电极，并使用剥离方法将电极图形制作出来，形成N电极；所述主电极使用TiAl电极，电极厚度为2-5um。
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