CN100383989C - 在金属热沉上的激光剥离功率型led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种在金属热沉上制备激光剥离衬底的功率型LED芯片及其制备方法，具体步骤为：在蓝宝石衬底GaN外延片上大面积蒸镀透明电极Ni/Au；在透明电极上蒸镀Ni/Ag/Ti/Au反射层；在反射层上电镀平整的、周期性的金属热沉单元，厚度50μm以上；镀金属热沉外延片在Kr准分子激光器照射下剥离蓝宝石衬底，得到n面向上的粘接在金属热沉的外延片；在n-GaN表面用离子体刻蚀，然后蒸镀n面电极，电极结构为Ti/Al/Ni/Au；把LED外延片n面贴上蓝膜，得到金属热沉支撑的GaN基LED外延片，并使得管芯单元***开。
Description
技术领域
本发明涉及到GaN基功率型发光二极管(LED)芯片的制备方法，尤其涉及一种采用激光剥离蓝宝石衬底的GaN基LED外延片制备上下电极结构的LED芯片及其制备方法。
背景技术
普通的正面出光的GaN基LED芯片因为p电极挡光，n面上有源区被刻蚀掉，p电极难以制作，而且传统的蓝宝石衬底难以散热，因而很难进一步提高LED芯片的发光功率和效率。为了解决这些问题，美国Cree公司提出了SiC衬底的上下电极结构的GaN基LED，通过n面出光，解决了散热和挡光的问题，同时垂直电导有利于载流子注入、复合效率的提高。但是SiC相比宝石衬底比较贵，加工也更加困难，制约了其推广使用。最近，日本Nichia公司和德国Osram公司分别推出了激光剥离蓝宝石衬底，制备上下电极结构的LED芯片的技术。通过这项技术也有效地解决了散热、出光问题，在n面上可以制备高出光效率的微结构，同时极大地简化了制作工艺，还可以重复使用蓝宝石衬底，因而是得到高发光效率，低成本LED的重要方向。然而目前因为GaN Wafer bonding技术，Si热沉散热，导电仍有一些问题，因而实现比较困难，目前仍没有成为大功率芯片制备主要方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光剥离外延片制备上下电极的方法，以提高散热效率，而且省略掉磨片、划片、裂片等大量工艺过程，提高器件的综合性能指标。本发明是通过在芯片的p面上整个制作欧姆电极和反射层，然后在反射层上电镀或喷镀或蒸镀热导率高的、周期性单元的厚金属层作为芯片热沉和衬底(这些金属包括铜(Cu)，铝(Al)，银(Ag)，金(Au)，钛(Ti)，镍(Ni)，铬(Cr)，铁(Fe)，铅(Pb)等及其合金)，接着剥离蓝宝石衬底，然后在n面制备欧姆电极。本发明的特点是避开wafer bonding的困难，同时利用金属热沉提高散热效率，诱导裂片。
根据本发明的在金属热沉上制备激光剥离衬底的功率型LED芯片，具体结构如下：
在厚金属热沉衬底(50μm以上)上为反射电极，逐层为Ni，Ag，Ti，Au组成(Ni/Ag/Ti/Au)，其上为Ni和Au组成(Ni/Au)的透明电极，再上面的是GaN基LED的外延片，最上面为n型电极，n型电极材料逐层为Ti，Al，Ni，Au(Ti/Al/Ni/Au)。
其平面结构：金属热沉衬底为周期为1.2mm的间隔为200μm的不连接方块单元，反射电极为周期为1.2mm的间隔为100μm的相互连接方块单元，透明电极和外延片为周期为1.2mm的无间隔方块单元，n型电极为有两个焊盘的相互连接的枝杈结构，周期为1.2mm。
以上平面结构周期为1.2mm是大尺寸芯片的典型尺寸，对任意尺寸芯片，其周期可在0.2到5mm范围内变动，其周期间隔也可按比例在适当范围内变动。
根据本发明的在金属热沉上制备激光剥离衬底的功率型LED芯片的方法，具体步骤如下：
(1)在蓝宝石衬底GaN外延片上大面积蒸镀透明电极Ni/Au；
(2)在透明电极上蒸镀Ni/Ag/Ti/Au反射层；
(3)在反射层上电镀平整的、周期性的金属热沉单元，厚度50μm以上；
(4)镀金属热沉外延片在Kr准分子激光器照射下剥离蓝宝石衬底，得到n面向上的粘接在金属热沉的外延片；
(5)在n-GaN表面用离子体刻蚀，然后蒸镀n面电极，电极结构为Ti/Al/Ni/Au；
(6)把LED外延片n面贴上蓝膜，得到金属热沉支撑的GaN基LED外延片，并使得管芯单元***开。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1a～图1c是激光剥离、上下电极LED芯片示意；其中
图1a是激光剥离、上下电极LED芯片的剖面图；
图1b是Cu衬底面俯视图；
图1c是n-GaN出光面俯视图；
图2a～图2i是激光剥离、上下电极LED芯片制备过程示意图；其中
图2a是在蓝宝石衬底GaN外延片上蒸镀透明电极Ni/Au；
图2b是在透明电极上蒸镀反射层Ni/Ag/Ti/Au；
图2c是在反射层上电镀厚Cu；
图2d是激光剥离掉蓝宝石衬底；
图2e是在n-GaN上蒸镀Ti/Al/Ni/Au；
图2f是把外延片粘上蓝膜，扩膜使芯片单元分开。
最佳实施例详细描述
本发明的目的是提供一种激光剥离外延片制备上下电极的方法，以提高散热效率，提高器件的光学、电学性能指标。本发明通过在芯片的p面上整个制作欧姆电极和反射层，然后在反射层上电镀或喷镀或蒸镀热导率高的、周期性单元的厚金属层作为芯片热沉和衬底，接着剥离蓝宝石衬底，然后在n面制备欧姆电极。
作为热沉的金属可以是铜(Cu)，铝(Al)，银(Ag)，金(Au)，钛(Ti)，镍(Ni)，铬(Cr)，铁(Fe)，铅(Pb)等及其合金，下面仅以铜(Cu)作为金属热沉为最佳实施例以做说明，其他金属可以做同样的置换，而其他步骤和结构都不需要改变。
下面参照本发明的附图，详细说明在金属热沉上制备激光剥离衬底的功率型LED芯片方法和这种LED芯片的结构。
图1a～图1c所示为激光剥离、上下电极LED芯片示意；其中图1a是激光剥离、上下电极LED芯片的剖面图；图1b是Cu衬底面俯视图；图1c是n-GaN出光面俯视图；结合这些附图，下面详细说明本发明的在Cu热沉上制备激光剥离衬底的功率型LED芯片结构和特点：
(1)金属热沉衬底为电镀的厚Cul，厚度为50微米以上，表面平整，作为上下电极结构的LED衬底。
(2)厚Cu衬底上面为反射层2；反射层2由Ni/Ag/Ti/Au组成，总厚度在100-2000nm，Ni联结Ag和透明电极；Ag使得透过透明电极的光子反射到出光面n-GaN面，Ti/Au阻碍Ag氧化，整个反射层使得表面形成低电阻的导电网络，从而保证电镀Cu的均匀性。
(3)反射层2上面为透明电极3，透明电极3为氧化的Ni(5nm)/Au(5nm)；这种结构保证与LED外延片4p-GaN形成良好的欧姆接触。
(4)透明电极3上面的是GaN基LED的外延片4。
(5)LED外延层4上面是n型电极，该n型电极为Ti/Al/Ni/Au，总厚度在100-2000nm。
根据本发明的LED芯片的平面结构为：金属热沉衬底为周期为1.2mm的间隔为200μm的不连接方块单元，反射电极为周期为1.2mm的间隔为100μm的相互连接方块单元，透明电极和外延片为周期为1.2mm的无间隔方块单元，n型电极为有两个焊盘的相互连接的枝杈结构，周期为1.2mm。
图2a～图2f是激光剥离、上下电极LED芯片制备过程示意图；其中图2a是在蓝宝石衬底GaN外延片上蒸镀透明电极Ni/Au；图2b是在透明电极上蒸镀反射层Ni/Ag/Ti/Au；图2c是在反射层上电镀厚Cu；图2d是激光剥离掉蓝宝石衬底；图2e是在n-GaN上蒸镀Ti/Al/Ni/Au；图2f是把外延片粘上蓝膜，扩膜使芯片单元分开。
结合图2a～图2f详细说明本发明的具体实施步骤如下：
(1)在蓝宝石衬底GaN外延片上大面积蒸镀透明电极Ni(5nm)/Au(5nm)，然后在氧气下400-600℃下合金1-10分钟，用草酸∶水＝1∶3漂去表面NiO。如图2a。
(2)在透明电极上蒸镀Ni/Ag/Ti/Au反射层，各单元间金属相连，总厚度在100-2000nm，如图2b。电极参考形状如图1b所示。
(3)用厚光刻胶做掩膜，在反射层上电镀平整的、周期性的Cu单元，厚度50μm以上，单元间Cu不相互连接。如图2c。
(4)镀Cu外延片在Kr准分子激光器照射下剥离GaN衬底，得到n面朝上的粘接在Cu上的外延片，如图2d。
(5)在n-GaN表面用Ar等离子体刻蚀10秒至10分钟，射频功率60-200W，然后蒸镀n面电极如图1c。电极结构为Ti/Al/Ni/Au，总厚度在100-2000nm，如图2e。
(6)把LED外延片n面贴上蓝膜(70-80℃)，得到Cu支撑的GaN基LED外延片，诱导裂片使得管芯单元***开，如图2f。
本发明LED制备方法的主要特点有：
(1)透明电极3为氧化的Ni/Au，保证与LED外延片4p-GaN形成良好的欧姆接触。用草酸去除NiO，得到较低电阻的接触层，降低LED工作电压，并增加电镀Cu的均匀性。
(2)反射层2由Ni/Ag/Ti/Au组成，Ni联结Ag和透明电极，Ag使得透过透明电极的光子反射到出光面n-GaN面，Ti/Au阻碍Ag氧化，整个反射层使得表面形成低电阻的导电网络，从而保证电镀Cu的均匀性。
(3)选择性镀厚Cu1保证了管芯彼此分开，同时Cu的边界沿着GaN面的一个解理面，这样将导致GaN沿Cu边缘诱导裂片。
(4)通过在n-GaN面表面处理，以及选择合适的电极组分、厚度，在n-GaN面做非合金化的欧姆电极Ti/Al/Ni/Au 5，同时考虑n面注入电流的均匀分布，选择合理的电极图形。
本发明有以下几个方面的优点：
(1)n-GaN面出光，避免了电极挡光；透光面积大，透光率高；
(2)n型欧姆电极易于制备，便于注入电流均匀分布，提高注入效率；
(3)Cu衬底的散热效率大大提高；
(4)p型反射层提高芯片出光效率；
(5)周期性的厚Cu将诱导裂片，省略了磨片、划片和裂片等工艺过程。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.一种在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片，具体结构包括以下部分：
金属热沉衬底厚度大于50微米，表面平整，直接作为上下电极结构的LED支撑衬底；
金属热沉衬底上面为反射层；反射层逐层由Ni、Ag、Ti、Au金属组成，Ni联结Ag和透明电极；
反射层上面为透明电极，透明电极为氧化的Ni和Au组成；
LED外延层的n面向上，在n-GaN表面逐层蒸镀Ti、Al、Ni、Au形成n型电极。
2.根据权利要求1所述的在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片，其特征在于：在反射电极上镀的金属导电热沉，兼做LED外延片的支撑衬底，这些金属包括铜、铝、银、金、钛、镍、铬、铁、铅及其合金。
3.根据权利要求1所述的在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片，其特征在于：反射层逐层由Ni、Ag、Ti、Au组成，Ni联结Ag和透明电极。
4.一种在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，在蓝宝石衬底GaN外延片上蒸镀透明电极Ni/Au；
步骤2，在透明电极上逐层蒸镀Ni、Ag、Ti、Au形成反射层；
步骤3，在反射层上电镀平整的、周期性的金属热沉单元，厚度50μm以上；
步骤4，镀金属热沉外延片在Kr准分子激光器照射下剥离蓝宝石衬底，得到n面向上的粘接在金属热沉的外延片；
步骤5，在n-GaN表面用离子体刻蚀，然后逐层蒸镀Ti、Al、Ni、Au形成n面电极；
步骤6，把LED外延片n面贴上蓝膜，得到金属热沉支撑的GaN基LED外延片，并使得管芯单元***开。
5.根据权利要求4所述的在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片的制备方法，其特征在于：所述在透明电极上逐层蒸镀反射层Ni/Ag/Ti/Au，总厚度在100-2000nm，彼此间相互连接，形成导电网络。
6.根据权利要求4所述的在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片的制备方法，其特征在于：在反射层上电镀平整的、周期性的金属热沉单元，厚度50μm以上，单元间间距为100-200μm。
7.根据权利要求4所述的在金属热沉上的激光剥离功率型LED芯片的制备方法，其特征在于：用Ar或N2或O2或CHF3或CF4或他们的混合气体的等离子体处理N型GaN表面，在n-GaN表面逐层蒸镀Ti、Al、Ni、Au形成n面电极，n面电极总厚度在100-2000nm，得到非合金化的n型GaN的欧姆接触。
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