CN102447015B - 一种垂直结构发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种垂直结构发光二极管的结构与方法，其特征在于：一、芯片以多层金属作为外延层的支撑衬底，其作用是导热和导电；二、作为支撑衬底的多层金属是通过蒸发、溅射或者电镀的方法生长得到；三、作为支撑衬底的金属层由多层金属组成。

Description

一种垂直结构发光二极管

技术领域

本发明涉及一种垂直结构发光二极管芯片(LED)的器件结构与制作方法，尤其涉及一种衬底置换的发光二极管芯片制作方法，用高导热性的金属衬底代替导热性较差的蓝宝石衬底。这种器件结构有利于增强发光二极管芯片的散热能力，同时能提高芯片的可靠性，另一方面还可在N面GaN上制作粗糙化出光面，有助于增加芯片出光效率。

背景技术

采用衬底置换技术的垂直结构发光二极管通常制作方法是：依次在氮化镓外延层表面沉积接触层金属、反光层金属、阻挡层金属，然后沉积金属焊料，再与已经沉积接触金属和金属焊料的导热基板键合(Waferbonding)，键合通常使用的金属焊料是金锡合金。之后采用激光剥离技术使外延层和蓝宝石衬底分离，外延层转移到导热基板上，这样发光二极管芯片的散热性能会更好。图-1是采用基板键合的垂直结构LED芯片示意图。图中1是金属电极，2是GaN外延层，3是接触、反光层，4是金属焊料，5是导热衬底，6是背金层。

采用基板键合技术和激光剥离技术分离蓝宝石和外延层，实现衬底置换，存在两个主要问题：一是基板键合过程中温度需要达到金属焊料的共晶点，对于金锡焊料而言，共晶温度283℃，这就要求导热基板除了具有良好的导热性外，还要与氮化镓外延层、蓝宝石衬底的热膨胀系数相近，以减小热应力的影响。可选用的材料有导热陶瓷、铜钨合金、钼铜合金等，而使用这些材料会直接导致芯片加工成本增加。二是基板键合工艺窗口较窄，对工艺条件控制要求较高，键合后有时会出现外延层破裂或者圆片翘曲的现象，从而影响激光剥离后的成品率。

为了克服基板键合技术和激光剥离技术制作垂直结构LED芯片存在的问题，本发明提出一种采用金属薄膜沉积的方案，制备金属导热基板，实现衬底转移的方法制作垂直结构LED芯片。

发明内容

本发明的目的是提出一种垂直结构LED制造方法，回避基板键工艺，合降低蓝宝石和外延层分离的工艺成本，在不影响器件性能的前提下提高成品率。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种垂直结构LED制造方法，氮化镓外延层表面依次沉积接触层金属、反光层金属、阻挡层金属后，采用蒸发，或者溅射，或者电镀的方法沉积一层或者多层金属作为热沉基板，使其厚度、强度足以支撑氮化镓外延层，然后通过机械研磨或者激光剥离技术将蓝宝石衬底去掉，使热沉基板成为氮化镓外延层新的支撑衬底。以下以蒸发方案为例，其方法为：首先，在氮化镓外延层上沉积金属接触、反光层，再蒸镀1～5um金属阻挡层，然后蒸发沉积一层导热性良好的金属，如铜、银等金属接着沉积一层莫斯硬度较大的金属，如铬、钨等金属，如此交替沉积，使最终厚度在最后在150～500um之间，再蒸镀背金层。其次，通过机械研磨方法或者激光剥离技术将蓝宝石衬底去掉，使电镀的金属层成为外延层新的衬底。然后在去掉蓝宝石衬底的外延层上通过光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻，将外延层划片道刻透至金属层，使氮化镓外延层成为分立的管芯单元，在此基础上制作N电极和钝化层。其特征在于，一、通过金属导热衬底是通过电镀的方法生长的，避免了圆片键合过程中的热应力因素。二、芯片单元制作工序是在衬底转移完成后进行的。这样的器件结构有利于明显降低工艺成本。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

1.在氮化镓外延层上做金属反光、接触层和金属阻挡层。采用蒸发或者溅射的方法沉积银薄膜作为反光接触层，然后在此基础上蒸发或者溅射沉积难熔金属或合金作为阻挡层，如钨、钨合金、钼、钼合金等。图-2是沉积接触反光层和阻挡层后外延片圆片截面示意图。图中7是阻挡层金属；8是接触、反光层；9是氮化镓外延层；10是蓝宝石衬底。

2.蒸发镀(？)沉积一层高导热性的金属，如铜或银这类金属，也可以是它们的合金，厚度在50～300um范围内。图-3是沉积高导热性金属层后外延片圆片截面示意图。图中11是铜或银。

3.在电镀层上用蒸发或者溅射的方式沉积一层高莫斯硬度金属，如铬或者WTi合金，典型厚度2～5um，以提高金属基板的机械强度和消除薄膜应力，同时也起到调整整个金属基板热膨胀系数的作用。然后重复2中的工艺，之后再沉积一层高莫斯硬度金属，如此交替，作为金属基板的总厚度在150～500um之间，最后沉积一层金，作为保护层，同时也作为芯片的P型电极，其典型厚度在0.2～1um。图-4是制备金属基板后外延片圆片截面示意图。图中12是铬层，13是背金层。

4.去掉蓝宝石衬底。采用激光剥离技术或者机械研磨的方法去除蓝宝石衬底，去除蓝宝石衬底后，氮化镓外延层以步骤1、2、3沉积的多层金属为新的支撑衬底。图-5是去除蓝宝石衬底后外延片圆片截面示意图。图中7是阻挡层金属，8是接触、反光层，9是氮化镓外延层，11是铜或银，12是铬层，13是背金层。

5.通过光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻等工艺，去除划片槽上的氮化镓外延层，使氮化镓外延层成为分立的管芯单元。图-6是腐蚀划片槽后截面示意图。

6.采用干法刻蚀或者湿法腐蚀方法，也可以是干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，将外延层减薄，直到露出重掺杂的n型氮化镓层，并得到表面粗糙的n型氮化镓。图-7是表面粗糙化的外延层

7.利用光刻、蒸镀、剥离工艺在n型氮化镓表面制作n电极，导热金属作为p型电极。图-8是外延层上制备n电极。图中14是n电极。

8.在7中的圆片表面沉积钝化层，钝化层通常使用二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅等材料中的一种或者数种，沉积方法可以是溅射、蒸发或者化学气相沉积等。然后通过光刻、刻蚀、清洗等共工艺在钝化层上开窗口，使芯片边缘被钝化层覆盖，露出电极和出光面。图-9是制备钝化层后的外延层。图中15是钝化层。

9.划片、分离管芯，如图-10所示。

虽然已经通过上述的例子描述了本发明的实施形态，但是它们只是说明性的。事实上，在不违背本发明原理的条件下，还可以对其进行各种形式的修改，如一些工序之间次序调整等。此外，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

1、在蓝宝石衬底上的氮化镓外延层上制作金属反光、接触层和金属阻挡层；以钨、钨合金、钼或钼合金作为所述金属阻挡层；

2、在所述金属阻挡层上沉积金属铜或银的金属层，所述金属层的厚度为300μm；并在所述金属层上沉积高莫斯硬度金属层，所述高莫斯硬度金属层的材料为铬或WTi合金，所述高莫斯硬度金属层的厚度为2-5μm；

3、在所述步骤2沉积的所述高莫斯硬度金属层上沉积金属铜或银的第二金属层并在所述第二金属层上沉积所述高莫斯硬度金属层，其中所述金属层、两个所述高莫斯硬度金属层和所述第二金属层的总厚度为500μm；

4、在所述步骤3沉积的所述高莫斯硬度金属层上沉积作为保护层的金层，所述金层的厚度为0.2-1μm；

5、去除所述蓝宝石衬底；将所述氮化镓外延层、所述金属反光、接触层、所述金属阻挡层、所述金属层、所述高莫斯硬度金属层、所述第二金属层、所述高莫斯硬度金属层和所述金层整体反转；

6、刻蚀所述氮化镓外延层至所述金属反光、接触层，在所述金属反光、接触层上形成多个氮化镓外延层的阵列；

7、对所有的所述氮化镓外延层的上表面进行干法刻蚀和/或湿法腐蚀，以减薄各个所述氮化镓外延层的厚度直到暴露出各个所述氮化镓外延层中的重掺杂的N型氮化镓层，以获得多个具有粗糙的上表面的N型氮化镓外延层的阵列；

8、在所述各个N型氮化镓外延层的上表面制作电极，作为各个所述垂直结构发光二极管的N型电极；刻蚀所述金层，制作各个所述垂直结构发光二极管的P型电极；

9、沉积钝化层；

10、划片，形成各个所述垂直结构发光二极管。