CN103560193A - 低成本的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法，其结构包括：基板层，生长衬底上的外延层被转移至所述基板层之上；基板层与外延层之间，由上至下依次有阻挡保护层、稀释保护层和黏结层；N电极位于外延层之上。它利用由多种金属或合金的叠层构成的稀释保护层和阻挡保护层，克服了低成本、低熔点金属作为黏结层材料存在的抗腐蚀能力差、扩散能力强等易破坏发光二极管结构及光电性能等问题，从而可代替贵金属作为热压黏合材料，一方面极大减低了垂直式发光二极管的制备成本，另一方面较低的热压温度及压力，减小热压自身的残余应力，使器件的光电性能和可靠性得到提高。本发明主要用于半导体发光器件上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制备方法，尤其涉及一种低成本的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术：
从发光二极管的结构上讲，GaN基的发光二极管芯片可分为正装结构、倒装结构和垂直结构。传统正装结构发光二极管芯片的结构简单、工艺相对成熟，然而其具有电流拥挤和散热困难两大缺点；倒装结构发光二极管芯片有效地改善了传统正装结构发光二极管芯片的散热问题，其通过将发光二极管芯片与导热性能良好的基板焊接在一起，使发光二极管芯片倒置在基板上，从而可通过基板散热，适用于大尺寸的发光二极管芯片。但是，与正装结构发光二极管芯片一样，倒装结构发光二极管芯片的p、n电极仍在发光二极管芯片同侧，电流将横向流过n型材料，电流拥挤的现象仍然存在，限制了驱动电流的进一步增大。垂直结构的发光二极管则可以有效地解决散热困难和电流拥挤的问题，与此同时，垂直结构发光二极管芯片还解决了P电极挡光的问题，提高了出光面积。除此之外，垂直结构发光二极管芯片的另一大优势还在于：经过薄膜转移后n型材料裸露，从而使用表面粗化等方法具有可行性，这可以大大提高LED的出光效率。因此，垂直结构发光二极管芯片已成为大功率LED的发展趋势，也逐渐成为照明用发光二极管芯片的主流产品。
垂直结构发光二极管芯片的工艺与正装结构、倒装结构发光二极管芯片工艺的主要区别在于引入了薄膜转移技术，即首先通过晶圆热压黏合或电镀的方法将外延片与具有高导电性、高导热性的基板粘合在一起，然后通过激光剥离或湿法腐蚀的方法去除原生长衬底。目前产业化生产垂直结构LED均通过晶圆热压黏合的方法进行薄膜转移，但是目前薄膜转移技术特别是晶圆热压黏合阶段需要使用大量的金、铂、金锡等贵金属材料，而贵金属在整个垂直结构发光二极管芯片制造成本中占很大的比例，限制了垂直结构LED成本的进一步下降,而成本仍是目前LED光源大规模进入通用照明领域的瓶颈之一。
发明内容：
本发明的第一个目的在于提供一种低成本的垂直结构发光二极管芯片。
本发明的第二个目的在于提供一种低成本的垂直结构发光二极管芯片的制备方法，通过设计具有多种金属叠层结构的P面保护层、基板保护层，使得晶圆热压黏合工艺所需要的大量晶圆热压黏合材料可采用低熔点、低成本的普通金属，而避免采用Au、Pt、AuSn等贵金属，大大降低了制备垂直结构发光二极管芯片的成本。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种低成本的垂直结构发光二极管芯片，包括：基板层，基板层由依次从下至上的基板反面接触层、基板应力调制层、基板反面保护层、支撑基板、基板正面阻挡保护层和基板正面稀释保护层构成，特征是：在基板的上面依次设有黏结层、p面保护层、p面欧姆接触金属层和外延层，p面保护层由依次从下至上的p面稀释保护层和p面阻挡保护层构成，外延层由依次从下至上的p型半导体层、发光活性层、n型半导体层和缓冲层构成，n电极位于n型半导体层之上。
优选地，所述的黏结层的厚度为0.5um～5um。
优选地，所述的p面保护层的厚度为 0.1 um～15um。
优选地，所述的p面欧姆接触金属层的厚度为0.05um～0.5 um。
优选地，所述的基板正面稀释保护层的厚度为0.5 um～10 um。
优选地，所述的基板正面阻挡保护层的厚度为0.2um～5um。
优选地，所述的支撑基板的厚度为60um～600um。
优选地，所述的基板应力调制层的厚度为1 um～20 um。
优选地，所述的基板反面接触层的厚度为0.1 um～ 5 um。
优选地，所述的垂直结构发光二极管芯片的结构包括钝化层、增加出光的图形织构层、与电极的互补结构、光增透层。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种低成本的垂直结构发光二极管芯片的制备方法，特征是：
A、先在生长衬底上依次沉积有缓冲层、n型半导体层、发光活性层和p型半导体层，构成外延层；
B、再在外延层上依次沉积有p面欧姆接触金属层、并进行图形化处理，使其和n电极焊盘具有互补结构；
C、再沉积由p面阻挡保护层和p面稀释保护层构成的p面保护层；
D、然后在支撑基板的正面依次沉积有基板正面阻挡保护层和基板正面稀释保护层；
E、沉积黏结层；
F、在支撑基板的反面依次沉积有基板反面保护层、基板应力调制层和基板反面接触层；
G、采用晶圆热压黏合的方式将外延层和基板通过黏结层粘合在一起；
H、去除生长衬底，最后按常用方法制备增加出光的图形织构层、钝化层、光增透层和n电极，得到成品。
所述黏结层的沉积方式为以下三种方式的一种：在基板正面稀释保护层上沉积黏结层；或在p面稀释保护层上沉积黏结层；或在基板正面稀释保护层和p面稀释保护层上分别沉积黏结层。
优选地，在生长缓冲层之前，先图形化生长衬底，图形化后的生长衬底可以起到调节外延层应力、提高LED出光率等重要作用。
优选地，所述p面欧姆接触金属层、p面保护层、黏结层、基板正面保护层和基板反面保护层的沉积方式均采用电子束蒸发的方式。
优选地，所述的黏结层为采用Sn、Al、In、Pb、Bi、Sb、Zn低熔点、低成本金属及其与Ag、Cu、Au常用金属形成的合金材料。
优选地，所述的p面稀释保护层、基板正面稀释保护层、基板应力调制层为Ag、Cu、Au、Al、Ni、Cr、W、Ti单层金属，或以上金属的叠层，如Cu/Ni/Cu、Ag/Ni/Ag、Cu/Ti/Ni/Ag、Cu/Ni/Ti/Mo、Cu/Ni/Ti/Al/Ti/A，或合金，如TiW、FeNiCr、FeCoCr构成。
优选地，所述p面阻挡保护层、基板正面阻挡保护层、基板反面保护层均由多种金属：Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W、Cu或金属合金：TiW、FeNiCr、FeCoCr的叠层构成。
优选地，所述的支撑基板的材料为Si、Ge、GaAs、GaP、Cu(W)、Mo、C、SiO2或以上材料的复合基板中的一种。
优选地，所述晶圆热压黏合的压力为100kg～1000Kg。
优选地，所述晶圆热压黏合的温度为150℃～400℃。
优选地，所述生长衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、GaN衬底或AlN衬底中的任意一种；
所述的垂直结构的发光二极管芯片的制备方法，包括制备以下结构：反光层、钝化层、增加出光的图形织构层、与电极的互补结构、光增透层。
本发明可通过调节p面阻挡保护层的结构和厚度来调节外延层的应力，以提高芯片制造的良率和芯片的可靠性；通过调节晶圆热压黏合的压力和温度来调节外延层的应力；通过调节基板应力调制层的厚度，可以调整基板的平整度，有利于提高晶圆的良率及芯片的可靠性。
本发明提出了一种用低成本金属代替贵金属作为晶圆热压黏合热压材料的方法，它通过在黏结层的两侧分别制备p面稀释保护层和基板正面稀释保护层的方式，使低成本金属在作为晶圆热压黏合热压材料的同时不会扩散到p面欧姆接触层，也不会影响基板与外延层之间的键合的牢固程度，这一方法采用低成本金属代替金、金锡等昂贵金属作为晶圆热压黏合的热压材料，从而大大降低了垂直结构LED芯片的生产成本。
本发明的单块晶圆片所需要蒸镀的贵金属Pt、Au的厚度由原先的5.4微米降低至2.1微米，假定采用容量为100×2英寸片的电子束蒸发台作为金属的镀膜设备，每个完整的流水制程即可节省贵金属Pt、Au的量为 55g/100片，这大大降低了产品的成本，提高了生产效益。
本发明适合于将硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底及其现有技术领域的衬底上外延生长的氮化镓基LED薄膜转移至新基板上并制备垂直结构LED芯片。
附图说明：
图1是运用本发明的方法可以获得的一种垂直结构LED芯片的结构图；
图2是生长衬底图形化后的剖面图；
图3是外延片剖面示意图；
图4为外延片上制备p面欧姆接触金属层后的剖面示意图；
图5是制备了p面保护层之后的剖面示意图；
图6是在基板层上沉积了黏结层以后的剖面示意图；
图7是LED薄膜与基板层粘结之后的剖面示意图；
图8是去除掉原生长衬底之后的剖面示意图；
图9是芯片去边之后的剖面示意图；
图10是芯片表面粗化之后的剖面示意图；
图11是芯片钝化之后的剖面示意图；
图12是n电极制备后的剖面示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。本发明所保护的具体内容不仅仅限于以下所描述的各种实施例子，对以下实施例子所做的任何显而易见的修改或各种实施形态关键要素的重新组合都受到本发明的保护。
本发明的实施方式适合于将硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底及其现有技术领域的衬底上外延生长的氮化镓基LED薄膜转移至新基板上并制备垂直结构LED芯片。
实施例：
本发明提供一种低成本的垂直结构发光二极管芯片，其结构包括：基板层、黏结层、p面保护层、P面欧姆接触金属层、外延层和 n电极；另外，为了提高LED芯片的可靠性或发光效率，芯片结构还优选地包括制备钝化层、增加出光的图形织构层、与电极的互补结构以及光增透层中一种或几种。
本发明还提供上述低成本的垂直结构发光二极管芯片的制备方法。为了便于理解，首先简述其芯片制备的整个过程：
A、图形化生长衬底；
B、生长氮化镓基LED薄膜，即外延层；
C、沉积p面欧姆接触层，并进行图形化处理，使其和n电极焊盘具有互补结构；
D、沉积p面保护层；
E、制备基板层：在支撑基板上沉积基板正面阻挡保护层、基板正面稀释保护层和基板反面保护层、基板应力调制层和基板反面接触层；
F、在基板正面稀释保护层上沉积黏结层；
G、采用晶圆热压黏合的方法将外延层和基板层粘合在一起，并去掉原生长衬底；
H、外延层薄膜的去边处理；
I、外延层薄膜的表面织构处理；
J、沉积钝化层并光刻出钝化层图形；
K、制备n电极和焊盘。
上述过程详细说明如下：
图2是生长衬底图形化后的剖面图。图中000是生长衬底，001是生长衬底000上的凸墙，凸墙001将生长衬底000分割成了周期性阵列式的生长平台。凸墙001的材料与生长衬底000不同，其特殊之处在于：采用金属化学气相沉积方法生长氮化镓基LED薄膜时，除缓冲层100外的LED薄膜不会生长在此凸墙001上。生长衬底000可以是蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底以及现有氮化镓基LED技术领域内薄膜生长衬底中的任一种。本实施例的生长衬底000为硅衬底。硅衬底上的凸墙001可以有效地调节外延层薄膜和生长衬底000之间的应力，减少外延层中裂纹的产生。被凸墙001分隔成的生长平台可以是正方形、三角形、矩形、菱形等形状，本实施例为正方形。
图3是外延片剖面示意图。其是采用金属化学气相沉积的方法获得的，其外延层至少包括缓冲层100、n性半导体层101、发光活性层102、p型半导体层103。如图3所示，生长衬底000的凸墙001上只生长了缓冲层100，氮化镓基LED薄膜的其他层没有在凸墙001上生长，在硅衬底的生长平台则生长了完整的正方形LED薄膜，从而在各个正方形LED薄膜方块之间形成了凹槽，凹槽可以起到调节LED薄膜应力的重要作用。
图4为外延片上制备p面欧姆接触金属层后的剖面示意图。沉积p面欧姆接触金属层201可以是镍和银的金属叠层，也可以是纯银，还可以是银、铂、镍、钯、铑、铝等金属中任意组合的合金。在制备p面欧姆接触金属层201之前，可以在p型半导体层103上进行激活处理，具体实施方法：先沉积金、铂、镍、钯、银、钴中的任意一种金属或者任意组合的叠层，先使其形成p面欧姆接触层201并进行退火，然后将其去除；或者直接将p型半导体层103在高温下退火。沉积p面欧姆接触层201前和后，可以分别对p面半导体层103和p面欧姆接触层201进行图形化处理，以和后续将要制备的n电极和焊盘形成互补结构。另外，为了提高LED的出光效率，可以在p面欧姆接触层201后沉积反光层，或沉积的p面欧姆接触层201本身就具有很好的反光效果。
图5是制备了p面保护层之后的剖面示意图。P面保护层包括p面阻挡保护层202和p面稀释保护层203。优选地， p面阻挡保护层202为Cr、Ti、Pt、Au、W等多种金属或金属合金，如TiW等的叠层结构；优选地p面稀释保护层，203为Ag、Cu、Au、Al、Fe、Ni、Cr、W、Mo、Ir、Zr、Ti等一种单层金属或以上金属的叠层，如Cu/Ni/Cu、Ag/Ni/Ag、Cu/Ti/Ni/Ag、Cu/Ni/Ti/Mo、Cu/Ni/Ti/Al/Ti/Ag等结构。p面阻挡层202的厚度范围0.1 um～5 um，优选地，厚度为0.5 um～1.5um； p面稀释层203的厚度范围0.5 um～10 um，优选地，厚度为2 um～4 um。
图6是在基板层上沉积了黏结层400以后的剖面示意图。基板层包括支撑基板300、基板正面阻挡保护层301、基板正面稀释保护层302、基板反面保护层303、基板应力调制层304和基板反面接触层305。采用电子束蒸发的方式，首先在支撑基板300的正面依次沉积基板正面阻挡保护层301、基板正面稀释保护层302，然后在支撑基板300的反面依次沉积基板反面保护层303、基板应力调制层304和基板反面接触层305，最后在基板正面稀释保护层302上面沉积黏结层400。黏结层400可以只沉积在基板正面稀释保护层302上面，也可以只沉积在p面稀释保护层203上面，也可以同时沉积在基板正面稀释保护层302和p面稀释保护层203上面。所述的支撑基板300为硅基板、金属基板、陶瓷基板或其他复合基板中的任一种，本实施例的支撑基板300为硅基板，支撑基板300的厚度为60um～600um之间。优选地，支撑基板300的厚度为100 um～ 200 um之间。优选地，基板正面阻挡保护层301采用Cr、Ti、Pt、Au、W等多种金属或金属合金，如TiW等的叠层结构，厚度为0.5 um～1.5um。优选地，基板正面稀释保护层302采用Ag、Cu、Au、Al、Fe、Ni、Cr、W、Mo、Ir、Zr、Ti等一种单层金属或以上金属的叠层，如Cu/Ni/Cu、Ag/Ni/Ag、Cu/Ti/Ni/Ag、Cu/Ni/Ti/Mo、Cu/Ni/Ti/Al/Ti/Ag等结构，厚度为3 um～4 um。优选地，基板反面保护层303采用Cr、Ti、Pt、Au、W等多种金属的叠层结构，厚度为0.3 um～1.0um。优选地，基板应力调制层304采用Ag、Cu、Au、Al、Ni、Ti等单层金属，或以上金属的叠层，如Cu/Ni/Cu、Ag/Ni/Ag、Cu/Ti/Ni/Ag、Cu/Ni/Ti/Al/Ti/Ag等，厚度为6 um～14 um。优选地，基板反面接触层305采用Pt、Au、Ag等一种物理化学性质稳定且具有良好导热导电材料的单层金属或Pt/Au/Pt/Au等两种以上的金属叠层或合金AuSn、AgSn等，厚度为0.1 um～2.5 um。优选地，400采用Sn、Al、In、Bi、Pb、Zn、Sb等低熔点、低成本金属及其与Ag、Cu、Fe、Au等常用金属形成的合金，厚度为0.5 um～5 um。
图7是LED薄膜与基板层粘结之后的剖面示意图。LED薄膜与基板层的黏合是采用晶圆热压黏合的方式。晶圆热压黏合的温度和压力以及黏结层400的材料将会影响LED薄膜与基板层粘合的牢固度，另外，可以通过控制晶圆热压黏合的温度和压力来调节外延片的应力状态，也可以通过选择黏结层400的材料种类、p面欧姆接触金属层201、p面阻挡保护层202和p面稀释保护层203的沉积温度等来调节外延片的应力状态。以Sn作为黏结层400材料为例，优选地，晶圆热压黏合的温度在230℃~280℃，压力在100Kg～ 600Kg。
图8是去除掉原生长衬底之后的剖面示意图。本实施例中的生长衬底000是硅衬底，去除硅衬底通常采用湿法腐蚀的方法，此方法技术成熟、操作简单、成本低。在去除生长衬底000的同时，其上的凸墙001也会被去除，至此就实现了将LED薄膜由原生长衬底转移至基板层的薄膜转移的过程。如图8所示，薄膜转移后，LED薄膜呈现周期性的阵列结构，各个方块形薄膜之间有凹槽，此凹槽对应着原生长衬底000上的凸墙001；另外，还可以看到薄膜转以后缓冲层100裸露，这样就可以通过表面粗化等工艺来提高LED的出光效率。
本实施例采用的是方块形图形化衬底，如上所述，除缓冲层外的LED薄膜主层只生长在正方形的生长平台上。由于边缘效应，在方块边缘的LED薄膜通常晶体质量较差，生长厚度较厚，另外需为后续的划片工序留出空间，因此需将每个方块LED薄膜的边缘去掉，即去边。
图9是芯片去边之后的剖面示意图。去边可以采用光刻和湿法腐蚀的方法进行，也可以通过光刻和干法刻蚀的方法进行。去边光刻之前通常先生长一层SiO2、SiN或金属等材料作为掩膜层，随后通过光刻工艺制备图形，最后通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法去除需要去掉的边缘材料。
图10是芯片表面粗化之后的剖面示意图。粗化层500通常采用湿法腐蚀的方法制备，另外其它形式的表面织构处理，例如光子晶体等，通常采用光刻技术和干法刻蚀的方法进行。
表面粗化处理和去边工艺两者不分加工的先后顺序，可以先表面粗化处理再进行去边工艺，也可以先进行去边工艺再表面粗化处理。
图11是芯片钝化之后的剖面示意图。钝化层600通常采用物理或化学的方法在芯片表面制备SiO2、SiN、聚酰亚胺等介质材料，钝化及保护芯片表面及边缘。
钝化、去边及表面粗化的先后顺序也可以这样进行：先去边，随后进行边缘钝化，然后粗化处理，最后可以选择是否进行表面钝化。
图12是n电极制备后的剖面示意图。n电极700可以采用光刻和湿法腐蚀的方法制备，也可以通过光刻和剥离的方法制备。优选地，n电极700为导电性能较好且与n型半导体材料能够形成较好欧姆接触的金属材料，如Pt、Au、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag等，厚度为1um～10 um。
Claims (10)
1.一种低成本的垂直结构发光二极管芯片，包括：基板层，基板层由依次从下至上的基板反面接触层、基板应力调制层、基板反面保护层、支撑基板、基板正面阻挡保护层和基板正面稀释保护层构成，其特征在于：在基板的上面依次设有黏结层、p面保护层、p面欧姆接触金属层和外延层，p面保护层由依次从下至上的p面稀释保护层和p面阻挡保护层构成，外延层由依次从下至上的p型半导体层、发光活性层、n型半导体层和缓冲层构成，n电极位于n型半导体层之上。
2.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管芯片，其特征在于：所述的黏结层的厚度为0.5um～5um，所述的p面保护层的厚度为 0.1 um～15um，所述的基板正面稀释保护层的厚度为0.5 um～10 um，所述的基板正面阻挡保护层的厚度为0.2um～5um，所述的支撑基板的厚度为60um～600um，所述的基板应力调制层的厚度为1 um～20 um，所述的基板反面接触层的厚度为0.1 um～ 5 um。
3.一种低成本的垂直结构发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：
A、先在生长衬底上依次沉积有缓冲层、n型半导体层、发光活性层和p型半导体层，构成外延层；
B、再在外延层上依次沉积有p面欧姆接触金属层、并进行图形化处理，使其和n电极焊盘具有互补结构；
C、再沉积由p面阻挡保护层和p面稀释保护层构成的p面保护层；
D、然后在支撑基板的正面依次沉积有基板正面阻挡保护层和基板正面稀释保护层；
E、沉积黏结层；
F、在支撑基板的反面依次沉积有基板反面保护层、基板应力调制层和基板反面接触层；
G、采用晶圆热压黏合的方式将外延层和基板通过黏结层粘合在一起；
H、去除生长衬底，最后按常用方法制备增加出光的图形织构层、钝化层、光增透层和n电极，得到成品。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的黏结层为采用Sn、Al、In、Pb、Bi、Sb、Zn低熔点、低成本金属及其与Ag、Cu、Au常用金属形成的合金材料。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的p面稀释保护层、基板正面稀释保护层、基板应力调制层为Ag、Cu、Au、Al、Ni、Cr、W、Ti单层金属，或以上金属的叠层，如Cu/Ni/Cu、Ag/Ni/Ag、Cu/Ti/Ni/Ag、Cu/Ni/Ti/Mo、Cu/Ni/Ti/Al/Ti/A，或合金，如TiW、FeNiCr、FeCoCr构成。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述p面阻挡保护层、基板正面阻挡保护层、基板反面保护层均由多种金属：Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W、Cu或金属合金：TiW、FeNiCr、FeCoCr的叠层构成。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的支撑基板的材料为Si、Ge、GaAs、GaP、Cu(W)、Mo、C、SiO2或以上材料的复合基板中的一种。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述晶圆热压黏合的压力为100kg～1000Kg。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述晶圆热压黏合的温度为150℃～400℃。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、GaN衬底或AlN衬底中的任意一种。
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