CN1851941A - 一种制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以提高氮化镓发光二极管芯片P型欧姆接触性能为目的工艺方法。采用磁控溅镀将Ni材料按照纳米点状粒子溅射于GaN基外延层表面，Ni的厚度为1nm～100nm，然后在此Ni金属层表面沉积至少一层的高功函数金属薄膜，Ni金属层与高功函数金属薄膜的厚度比例范围为：1∶0.5～4。或者采用氧化锌取代Ni金属层与高功函数金属薄膜。本发明旨在降低P型发光区接触阻抗的同时提高电流的扩散效率，最终达到接触阻值和发光效率的平衡，而使芯片寿命增加。本发明规定了各接触金属层的厚度比例，和热处理条件及独特的电极图案设计，经过实验证明，能够将GaN LED 1000小时内的光强衰减控制在10％以内，而具有良好的热稳定性，特征接触阻抗降低到2E－6O－cm2。
Description
技术领域：
本发明涉及一种制造氮化镓发光二极管的工艺方法，特别是一种针对于氮化镓发光二极管芯片P型欧姆接触性能的改进方法。
背景技术：
氮化镓发光二极管(GaN LED)为超高亮度的LED，它不但能够节约能源，更具有无污染、寿命长、体积小和色彩鲜明的特点，因而被广泛应用在通讯、交通、显示器等领域。近年来，在研制和改善LED的P型欧姆接触方面作了大量的研究工作，研制出了许多适合要求的结构，已基本满足了实用化器件的要求。传统的LED芯片之P型欧姆接触，通常应用电子束蒸镀设备在外延芯片表面沉积一层或多层高功函数金属，如NI金属的沉积依靠电子束正面沉积后，再用同样的方式蒸镀一层导电金属，如金等，最后利用合金处理达到降低接触阻抗的目的，金作为最常用的电极材料，但它在500摄氏度或更高温度下热稳定性差。所以，这种方式虽然可以达到降低接触电阻的目的，但却不利于电流在接触表面和芯片内部的扩散，导致局部电流密度集中而发热，从而降低芯片的发光效率。其中，快速热处理也是获得好的表面形貌、低接触电阻率比较有效的方法，近年来发展了更为先进的激光和红外热处理方法，获得了更佳的欧姆接触。但随着器件的小型化和高集成，对GaN LED具有稳定可靠的欧姆接触要求更苛刻。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效提高GaN LED芯片的热稳定性和抗衰减性能的新型工艺方法，在降低P型发光区接触阻抗的同时提高电流的扩散效率，最终达到接触阻值和发光效率的平衡，而使芯片寿命增加。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：芯片的第一层电极采用磁控溅镀将Ni材料按照纳米点状粒子溅射于P型GaN表面，其厚度为1nm-100nm，然后在Ni金属层表面沉积至少一层的高功函数金属薄膜，Ni金属层与高功函数金属薄膜的厚度比例范围为：1∶0.5～4。第一层电极上各层金属厚度比例不同会导致电特性不同，当金属厚度在本技术方案提供的比例范围内时，GaN LED晶片的光输出率和热稳定性达到同种材料的最佳化。
芯片的第二层接触电极用于后续封装测试和接线，采用电子束或溅射设备沉积至少两层高功函数金属作为电极，电极材料为Cr-Pt-Au，并用金属剥离技术形成具有对称性的电极形状。其电极图案可以设计成以P和d字母代表组件正负接线电极，或者以水滴形状作为正极，负极可以为多种不同形状。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一层电极的热处理温度范围为350-700摄氏度，在O2和N2混合气体氛围下热处理5-30分钟。
作为本实用新型的更进一步改进，本实用新型提供一种能够比上述采用Ni金属层与高功函数金属薄膜作为第一层电极时更具透光性和热稳定性的P型接触工艺方法，利用外延长晶技术(包括MOCVD，GPE，MBE等)在接触层上生长一层Zn金属的氧化物(ZnO)，或利用制程技术
(E-BEAM，SPUTTER等)蒸镀该氧化物，可使芯片透光率达到95％以上而接触阻抗及热稳定性达到传统Ni/Au的效果。
所述氧化锌的热处理过程为在一腔体内以每秒0.1-100度缓慢逐渐升温，最终维持温度500-1500度的恒温退火10-30秒。
本发明的有益效果在于：它与现有技术相比，以磁控溅射的方式，利用磁性导向沉积点阵接触金属，使导电金属在接触金属表面和内部均匀分布达到良好的导电性能，使芯片导电和发光效率更加优化，在降低P型发光区接触阻抗的同时提高电流的扩散效率，最终达到接触阻值和发光效率的平衡，而使芯片寿命增加。而采用ZnO作为P型欧姆接触层，不同于传统的NI/Au或ITO作为的P型接触发光层材料，其更具有良好的热稳定性和光的出射效率，是一种新型的LED芯片发光接触材料。同时，在上述限定的条件下进行热处理，可以达到减缓金属氧化速度而使各层金属粒子居于最稳定位置，最终达到最佳的光穿透性能和电流扩散性能。采用本发明的技术方案，经过实验证明能够将GaN LED 1000小时内的光强衰减控制在10％以内，而具有良好的热稳定性，特征接触阻抗降低到2E-6 O-cm2，为半导体固态照明提供稳定可靠的核心组件。
附图说明：
下面结合附图对本发明制作GaN LED晶片的工艺方法作进一步的说明：
附图1：为本发明GaN LED晶片第一层电极结构示意图；
附图2：为本发明GaN LED晶片第一层电极的另一结构示意图；
附图3：为本发明GaN LED晶片的电极形状示意图；
附图4：为本发明GaN LED晶片的另一种电极形状示意图。
图中：1、蓝宝石衬底； 2、氮化镓基外延芯片； 3、镍； 4、金；5、正极； 6、负极；7、氧化锌。
具体实施方式：
实施例1：
如附图1所示，在蓝宝石衬底1上生长氮化镓基外延芯片2，利用Ni金属的磁性特点，采用sputter系统将这种Ni材料按照纳米点状粒子溅射于氮化镓基外延芯片2表面，NI金属3的厚度为1nm-100nm，然后在此NI金属3表面采用电子束等设备沉积至少一层的高功函数金属薄膜，如Au，Pt，Pd，Cr等，本实施例中采用Au金属4，Au的厚度与NI金属3的厚度需满足1∶0.5～4的比例关系，此时其光输出率和热稳定性达到同种材料最佳化。当然，第一层电极金属分布也可以为：Ni/Pt；Ni/Pd；Cr，Ni/Au；Ni，Pt/Au；Ta，Ni/Au；Sn，Ni/Au等，但各层金属厚度需满足1∶0.5～4的比例关系。
在对第一层电极进行热处理时，以O2和N2结合的混合气体作为热处理的气氛环境，根据不同特征阻抗和外延晶元结构要求，在温度范围为350-700度的条件下进行5到30分钟热处理，使金属氧化速度减缓，从而使各层金属粒子居于最稳定位置，有利于光穿透性能和电流扩散性能的提高。
然后，在氮化镓基外延芯片2表面层叠具有优化图形的第二层电极。第二层接触电极为后续封装测试和接线用，传统电极材料为：Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au，Ti/Al/Pt/Au，Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Pd/Au，Ti/Al/Cr/Au，Ti/Al/Co/Au，Cr/Al/Cr/Au，Cr/Al/Pt/Au，Cr/Al/Pd/Au，Cr/Al/Ti/Au，Cr/Al/Co/Au，Cr/Al/Ni/Au，Pd/Al/Ti/Au，Pd/Al/Pt/Au，本发明的工艺方法中选择使用Cr/Pt/Au，以达到良好的热稳定性和极低的接触阻抗以及和GaN良好的附着性能。采用电子束或溅射设备沉积至少两层高功函数金属，并用金属剥离技术形成独特的具有对称性的p形和d形电极形状，分别作为正极5和负极6(如附图3所示)，或者以水滴形状作为正极5，以近视四分只4圆形作为负极6(如附图4所示)。这样的设计可以避免电流密度不均匀，以致表面亮度不均的缺点。
实施例2：
如附图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：采用氧化锌7作为第一层电极。ZnO作为P型欧姆接触层，不同于实施例1的NI/Au或传统的ITO作为的P型接触发光层材料，其具有更良好的热稳定性和光的出射效率，是一种新型的LED芯片发光接触材料。利用外延长晶技术(包括MOCVD，GPE，MBE等)在氮化镓基外延芯片生长一层Zn金属的氧化物，即氧化锌7，或利用制程技术(E-BEAM，SPUTTER等)蒸镀该氧化锌7，可使芯片透光率达到95％以上而接触阻抗及热稳定性达到传统Ni/Au的效果。该氧化锌7除了用传统的恒温方法做热处理外，并特别采用了在腔体中以每秒0.1-100度的缓慢逐渐升温的热处理过程，最终维持温度从500-1500度的恒温10秒到30分钟的退火，使得这种材料的P型接触导电层具有很好的透光性能和热稳定性。
Claims (10)
1、一种制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：芯片的第一层电极采用磁控溅镀将金属材料按照纳米点状粒子溅射于GaN基外延层表面，然后在此金属层表面沉积至少一层的高功函数金属薄膜，金属层与高功函数金属薄膜的厚度比例范围为：1∶0.5～4。
2、根据权利要求1所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：所述金属层为Ni金属，其厚度为1nm～100nm。
3、根据权利要求2所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：芯片的第二层电极采用电子束或溅射设备沉积至少两层高功函数金属作为电极，并用金属剥离技术形成具有对称性的电极形状。
4、根据权利要求3所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：所述电极材料为Cr-Pt-Au。
5、根据权利要求4所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：电极的正极为字母p形，负极为字母d形。
6、根据权利要求5所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：电极的正极为对称的水滴形。
7、根据权利要求1至6任一项所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：所述第一层电极的热处理温度范围为350～700摄氏度，在O2和N2混合气体氛围下热处理5～30分钟。
8、一种制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：芯片的第一层电极为氧化锌。
9.根据权利要求8所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：所述氧化锌利用外延长晶技术生成或利用制程技术蒸镀而成。
10、根据权利要求9所述制造氮化镓发光二极管芯片的工艺方法，其特征在于：所述氧化锌的热处理过程为在一腔体内以每秒0.1～100度缓慢逐渐升温，最终维持温度500～1500度的恒温退火10～30秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |