CN116053368A - 一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片及其制作方法，包括以下步骤：在GaAs衬底上生长LED的外延结构；在蓝宝石衬底上，制作ZnO牺牲层；在外延片和带有ZnO牺牲层的蓝宝石衬底上，沉积SiO2键合层；MP抛光SiO2键合层，并活化键合，去除原有的GaAs衬底；进行LED芯片工艺，制作出红光LED芯片；红光LED芯片采用四元系AlGaInP材料制作。本发明通过在蓝宝石转移衬底上先制备一层ZnO薄膜层作为激光剥离的牺牲层，然后将AlGaInP材料通过SiO2直接键合技术键合至带有ZnO的蓝宝石衬底上可以匹配客户端激光剥离工艺，红光与蓝绿光工艺兼容，可以快速实现大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片及其制作方法。
背景技术
蓝光GaN芯片由于具有GaN牺牲层，在去除蓝宝石基板时可以直接使用激光剥离工艺，工艺简单、高效，而四元系AlGaInP材料的mini或者micro LED芯片，由于材料本身的限制，缺少合适的牺牲层材料，无法生长GaN牺牲层，也就是无法直接使用激光剥离工艺来去除蓝宝石基板。这样大大限制了AlGaInP四元系材料在mini或者micro LED工艺上的应用，而AlGaInP材料又是最合适的红光发光材料。因此，解决AlGaInP材料的mini或者micro LED芯片工艺匹配性问题显得很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片及其制作方法，通过在蓝宝石转移衬底上先制备一层ZnO薄膜层作为激光剥离的牺牲层，然后将AlGaInP材料通过SiO2直接键合技术，键合至带有ZnO的蓝宝石衬底上，在此基础上，制作出红光mini或者micro LED芯片，在应用端可以直接使用激光剥离技术，烧蚀ZnO牺牲层，达到去除蓝宝石衬底的目的，实现封装端的应用。
本发明的第一目的是提供一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
在GaAs衬底上生长LED的外延结构；
在蓝宝石衬底上，制作ZnO牺牲层；
在外延片和带有ZnO牺牲层的蓝宝石衬底上，分别沉积SiO2键合层；
MP（机械抛光）抛光SiO2键合层，并进行活化键合，再去除原有的GaAs衬底；
进行LED芯片工艺，制作出红光LED芯片；
所述红光LED芯片采用四元系AlGaInP材料制作。
本技术方案中在蓝宝石衬底上，先制备一层ZnO薄膜层作为激光剥离的牺牲层，然后将AlGaInP材料通过SiO2直接键合技术，键合至带有ZnO的蓝宝石衬底上，然后直接制作LED芯片。本发明将ZnO作为牺牲层，可以直接使用激光剥离技术烧蚀ZnO牺牲层，达到去除蓝宝石衬底的目的，红光与蓝绿光工艺兼容，方便客户端使用，可实现大规模生产。
进一步的，上述技术方案中，所述红光LED芯片为红光mini LED芯片或者红光micro LED芯片。
进一步的，上述技术方案中，制作ZnO牺牲层采用溶胶凝胶、磁控溅射、激光脉冲、MOVCD（金属有机化合物化学气相淀积）、MBE（分子束外延技术）技术中的任一种。
进一步的，上述技术方案中，制作ZnO牺牲层采用溶胶凝胶技术，具体方法为：
（1）采用二水合醋酸锌的异丙醇溶液，加入二乙醇铵，在50℃-60℃条件下进行恒温混合搅拌，搅拌时间50min-60min，直至溶液无色且均匀，然后将溶液密封，静置48h；
（2）旋涂工艺：将静置好的溶液，使用旋涂方法涂覆在蓝宝石衬底上，第一阶段转速控制在500rpm-600rpm，时间为8s，第二阶段转速为2000rpm-3000rpm，时间为30s，匀好后，在180℃热板上，预烘10min；本工艺可根据需要，反复涂覆，其转速可对应不同的最终膜厚，也可根据实际情况进行调整；
（3）薄膜退火：在N2环境下，进行退火，退火温度为400℃-500℃；在本工艺中，薄膜中的有机物分解挥发，Zn元素和O元素结合为ZnO。
本技术方案中采用溶胶凝胶技术制作ZnO牺牲层，成本低廉，制作方法简单，薄膜附着力比较强，适合大批量生产。
进一步的，上述技术方案中，步骤（1）中，溶液中Zn2+的浓度为0.4mol/L-1.0mol/L。
进一步的，上述技术方案中，步骤（3）中，薄膜的厚度为300nm-800nm。
进一步的，上述技术方案中，所述SiO2键合层的厚度为1μm-3μm。
进一步的，上述技术方案中，去除衬底的溶液为NH4OH、H2O2、H2O体积比为1:5:5的混合溶液。
本发明的第二目的是还提供一种由上述制作方法制作的红光LED芯片。
进一步的，上述技术方案中，所述红光LED芯片自下而上依次包括蓝宝石衬底、ZnO牺牲层、SiO2键合层、Gap层、P电极、有源层、N电极、钝化层、P焊盘电极、N焊盘电极，所述P电极在所述Gap层上，并与所述N电极相独立；所述N电极在有源层上，其中，所述有源层是除去GaAs缓冲层、GaInP腐蚀截止层和GaP层之外的所有外延结构的总称。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1.本发明通过在蓝宝石转移衬底上先制备一层ZnO薄膜层作为激光剥离的牺牲层，然后将AlGaInP材料通过SiO2直接键合技术键合至带有ZnO的蓝宝石衬底上，可以匹配客户端激光剥离工艺，红光与蓝绿光工艺兼容，方便客户端使用。
2.本发明在引入ZnO牺牲层后，在应用端可以直接使用激光剥离技术，烧蚀ZnO牺牲层，达到去除蓝宝石衬底的目的，实现封装端应用，工艺简单、高效，可以快速实现导入大规模生产。
附图说明
图1为本发明带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的结构示意图。
示意图中标号说明：
1、蓝宝石衬底；2、ZnO牺牲层；3、SiO2键合层；4、GaP层；5、P电极；6、有源层；7、N电极；8、钝化层；9、P焊盘电极；10、N焊盘电极。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明提供一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
1、在GaAs衬底上生长LED的外延结构；
具体地，在GaAs衬底上，使用MOCVD技术，依次外延生长GaAs 缓冲层、GaInP腐蚀截止层、GaAs欧姆接触层、GaInP电极保护层、AlGaInP电流扩展层、AlInP限制层、第一AlGaInP波导层、多量子阱结构（MQW）、第二AlGaInP波导层、AlInP限制层、过渡层、GaP层。其中，AlGaInP电流扩展层的厚度需要在3μm-3.5μm之间，第一AlGaInP波导层的厚度为100nm±5nm，第二AlGaInP波导层的厚度为90nm±5nm，GaP层的厚度9μm。
2、在蓝宝石衬底上，制作ZnO牺牲层；
具体地，制作ZnO牺牲层时，可以采用溶胶凝胶、磁控溅射、激光脉冲、MOVCD、MBE等技术来实现，从成本上与实际需求来看的话，优选采用溶胶凝胶的方法，成本低廉，制作方法简单，薄膜附着力比较强，适合大批量生产。具体方法为：
（1）采用二水合醋酸锌的异丙醇溶液，加入二乙醇铵，在50℃-60℃条件下进行恒温混合搅拌，搅拌时间50min-60min，直至溶液无色且均匀，其中溶液中Zn2+的浓度为0.4mol/L-1.0mol/L，然后将溶液密封，静置48h；
（2）旋涂工艺：将静置好的溶液，使用旋涂方法涂覆在蓝宝石衬底上，第一阶段转速控制在500rpm-600rpm，时间为8s，第二阶段转速可以设置为2000rpm-3000rpm，时间为30s，不同转速对应不同的最终膜厚，可以根据实际情况来调整。匀好后，在180℃热板上，预烘10min。实际制作中，可以根据需要，反复进行涂覆。
（3）薄膜退火：在N2环境下进行退火，退火温度为400℃-500℃。在此过程中，薄膜中的有机物分解挥发，Zn元素与O元素结合为ZnO。根据不同的Zn2+浓度与涂覆条件，最终得到的膜厚可以在300nm-800nm之间。
3、在外延片和带有ZnO牺牲层的蓝宝石衬底上，分别沉积SiO2键合层；
具体地，在外延片与带有ZnO的蓝宝石上，分别沉积1μm-3μm的SiO2。
4、MP抛光SiO2键合层，并进行活化键合，再去除原有的GaAs衬底；
具体地，在将SiO2进行表面抛光后后，将外延片与蓝宝石键合在一起。其中，外延片表面在沉积SiO2前，进行粗化处理，粗化溶液使用碘酸溶液，溶液包含碘酸、硫酸、氢氟酸、水，粗化深度0.3μm-0.5μm。抛光后的SiO2，需要进行活化，其中活化液为KOH、甘油、H2O混合液，其中KOH浓度为3mol/L，甘油与H2O的比例为3:1，活化液温度位40℃-45℃，活化时间为5min。使用NH4OH：H2O2：H2O=1:5:5（体积比）溶液进行衬底去除，反应直到GaInP 腐蚀截止层截止。截止层去除使用盐酸漂洗，截止层去除后，露出GaAs欧姆接触层。
5、进行LED芯片工艺，制作出红光LED芯片；
（1）台面制作使用ICP（电感耦合等离子体）蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出台面图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出台面，台面的深度控制在5.5μm-6.5μm，蚀刻气体为Cl2/BCl3/HBr。
利用负胶剥离技术，制作P电极。首先用光刻胶作出P电极图形，然后使用电子束蒸发技术，将金属蒸发至wafer（晶圆）表面，再去除光刻胶。光刻胶上的金属随着光刻胶被移除，从而留下特定图形的金属作为电极。负胶剥离的好处是电极图形均匀一致。电极材料包括Au、AuZn或AuBe，厚度为700nm-1000nm。使用光刻掩膜蚀刻技术，将表面的GaAs腐蚀出特定的形状，用H3PO4：H2O2：H2O=1:1:3（体积比）溶液腐蚀,然后再使用负胶剥离，结合电子束蒸发技术，制作N电极。流程与P电极过程一致。电极包括Au/AuGeNi或AuGe，厚度为500nm-1000nm。
（2）隔离道制作使用ICP蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出隔离道图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出隔离道，一直蚀刻到键合层SiO2，其中蚀刻气体为Cl2/BCl3/HBr。
（3）沉积钝化层。使用PECVD技术沉积SiO2，其厚度要求为4μm-5μm，折射率控制在1.45-1.46之间。其中PECVD使用的反应气体为SiH4与N2O，流量比1:4，载气使用的是N2，占总体气流量的50%。射频功率为50W-60W，腔体压力90Pa-110Pa。
（4）接触孔制作使用ICP蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出接触孔图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出接触孔，一直蚀刻到P/N电极，其中蚀刻气体为SF6/O2。利用负胶剥离技术与电子束蒸镀技术，制作焊盘电极，其中电极结构为Ti100nm/Al500nm，循环5次，Ni100nm，Au300nm，总厚度3.5μm。
本发明还提供一种由上述制作方法制作的红光LED芯片，其中图1为本发明一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的结构示意图，自下而上依次包括蓝宝石衬底1、ZnO牺牲层2、SiO2键合层3、Gap层4、P电极5、有源层6、N电极7、钝化层8、P焊盘电极9、N焊盘电极10，所述P电极5在Gap层4上，并与所述N电极7相独立；所述N电极7在有源层6上；其中，所述有源层6是除去GaAs缓冲层、GaInP腐蚀截止层和GaP层4之外的所有外延结构的总称。
综上所述，本发明通过在蓝宝石衬底上，先制备一层ZnO薄膜层作为激光剥离的牺牲层，然后将AlGaInP材料通过SiO2直接键合技术键合至带有ZnO的蓝宝石衬底上，然后直接制作LED芯片。本发明将ZnO作为牺牲层，可以直接使用激光剥离技术烧蚀ZnO牺牲层，达到去除蓝宝石衬底的目的，红光与蓝绿光工艺兼容，方便客户端使用，可实现大规模生产，该制作工艺简单，成本低。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在GaAs衬底上生长LED的外延结构；
在蓝宝石衬底上，制作ZnO牺牲层；
在外延片和带有ZnO牺牲层的蓝宝石衬底上，分别沉积SiO2键合层；
MP抛光SiO2键合层，并进行活化键合，再去除原有的GaAs衬底；
进行LED芯片工艺，制作出红光LED芯片；
所述红光LED芯片采用四元系AlGaInP材料制作。
2.根据权利要求1所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述红光LED芯片为红光mini LED芯片或者红光micro LED芯片。
3.根据权利要求1所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，制作ZnO牺牲层采用溶胶凝胶、磁控溅射、激光脉冲、MOVCD、MBE技术中的任一种。
4.根据权利要求3所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，制作ZnO牺牲层采用溶胶凝胶技术，具体方法为：
（1）采用二水合醋酸锌的异丙醇溶液，加入二乙醇铵，在50℃-60℃条件下进行恒温混合搅拌，搅拌时间50min-60min，直至溶液无色且均匀，然后将溶液密封，静置48h；
（2）旋涂工艺：将静置好的溶液，使用旋涂方法涂覆在蓝宝石衬底上，第一阶段转速控制在500rpm-600rpm，时间为8s，第二阶段转速为2000rpm-3000rpm，时间为30s，匀好后，在180℃热板上，预烘10min；
（3）薄膜退火：在N2环境下，进行退火，退火温度为400℃-500℃。
5.根据权利要求4所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤（1）中，溶液中Zn2+的浓度为0.4mol/L-1.0mol/L。
6.根据权利要求4所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤（3）中，薄膜的厚度为300nm-800nm。
7.根据权利要求1所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述SiO2键合层的厚度为1μm-3μm。
8.根据权利要求1所述的一种带有ZnO牺牲层的红光LED芯片的制作方法，其特征在于，去除衬底的溶液为NH4OH、H2O2、H2O体积比为1:5:5的混合溶液。
9.一种红光LED芯片，其特征在于，所述红光LED芯片由权利要求1-8任一项所述的制作方法制作。
10.根据权利要求9所述的红光LED芯片，其特征在于，所述红光LED芯片自下而上依次包括蓝宝石衬底、ZnO牺牲层、SiO2键合层、Gap层、P电极、有源层、N电极、钝化层、P焊盘电极、N焊盘电极，所述P电极在所述Gap层上，并与所述N电极相独立；所述N电极在有源层上，其中，所述有源层是除去GaAs缓冲层、GaInP腐蚀截止层和GaP层之外的所有外延结构的总称。
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