CN104347762A - 一种具有回熔层的led薄膜芯片的制备方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有回熔层的LED薄膜芯片的制备方法及结构，其特征是通过在LED薄膜的下方设计有由低熔点金属形成的回熔层，并在去除原生长衬底之后通过退火处理使回熔层熔化，使得LED薄膜在回熔层熔化过程中能够自平坦化，从而达到了充分释放LED薄膜中残余应力的效果，提高了LED芯片可靠性、稳定性和寿命。同时，本发明公开了由上述制备方法得到的结构，包括衬底，在所述衬底上设置有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次沉积有反射接触层、阻挡层、稀释保护层、合金层，在所述合金层上设有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件制造技术领域，尤其是涉及一种具有回熔层的LED薄膜芯片的制备方法及其结构。
背景技术
半导体发光二极管（LED）是作为新一代固态冷光源，具有效率高、寿命长、体积小、电压低等优势，是理想的节能环保产品。目前，LED已广泛用于手机背光、状态指示，交通信号灯，大屏幕显示、户外照明等领域，随着其发光效率和可靠性能的提高，照明用GaN基LED正在逐渐走入千家万户。
目前GaN基LED薄膜的外延生长通常都是采用金属有机物化学气相沉积技术（MOCVD）在异质衬底上进行。上述生长衬底通常吸光且导热性能较差，因此对LED芯片的亮度和散热有很大影响。若采用薄膜转移技术将LED薄膜转移到导热、导电性能均较好的基板上并去除原生长衬底，则可有效地提高LED芯片的散热性能，还可以通过制备反射镜、表面粗化等方式大大提高LED芯片的出光效率。
由于目前商业化的GaN基LED薄膜通常生长在异质衬底上，而衬底与外延层之间存在较大晶格失配和热失配，从而在外延层中引入了较大应力。对于LED薄膜芯片的制备，由于需要去除原生长衬底，使得在此制备过程中LED薄膜的应力状态的变化更加复杂、难以控制。若LED薄膜中的残余应力过大，后续芯片制造的良率和可靠性将会受到较大的影响；若制得的LED芯片的残余应力过大，在芯片的使用过程中会受到温度引起的热胀冷缩的影响，芯片也很容易失效。因此在制备LED薄膜芯片时，如何有效地释放LED薄膜中的残余应力是亟需解决的一个技术难题。CN201110026143专利采用多次转移的办法释放应力，这种多次转移的办法确实能充分释放应力，但是带来了一些新的问题，如：芯片挪位问题（导致后续器件光刻等难于完全对准）和单颗芯片鼓包（导致芯片后续工艺破裂）等问题, ,这都会影响芯片的良率及可靠性。
发明内容：
本发明的第一个目的在于提供一种具有回熔层的LED薄膜芯片的制备方法，以有效释放LED薄膜中残余应力，提高了LED芯片的稳定性、可靠性、寿命和良率，降低生产成本。
本发明的第二个目的在于提供一种LED薄膜芯片的结构，以有效释放LED薄膜中残余应力，提高了LED芯片的稳定性、可靠性、寿命和良率，降低生产成本。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种具有回熔层的LED薄膜芯片的制备方法，特征是：包括以下步骤：
A、提供衬底，在所述衬底上依次生长包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜；
B、在所述LED薄膜上依次沉积反射接触层、阻挡层、稀释保护层、回熔层和第一键合层；
C、提供基板，在所述基板的正面依次沉积基板正面保护层、第二键合层，在基板的反面依次沉积基板反面保护层、接触层；
D、在所述第一键合层和/或第二键合层上沉积中间层；
E、采用晶圆热压键合方法通过中间层、第一键合层和第二键合层将LED薄膜与基板绑定在一起，所述晶圆热压键合的温度低于回熔层的熔点；
F、去除所述衬底（完成了薄膜转移，LED薄膜倒置在基板上）；
G、将步骤F得到的所述LED薄膜和基板的粘接体进行退火处理，使回熔层熔化，以释放应力；
H、退火处理后，再进行N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备，制得LED薄膜芯片。
步骤B和步骤D中, 所述中间层的熔点小于回熔层的熔点，同时所述回熔层和中间层均为熔点小于400℃的低熔点的金属或合金。
优选的，进行步骤E时，将温度升至中间层的熔点以上、回熔层的熔点以下，使得中间层在绑定时处于熔化状态，即熔化绑定。在绑定过程中，使中间层与第一键合层、第二键合层充分反应扩散，形成副合金层。
优选的，进行步骤G时将温度升到高出回熔层的熔点以上0到150℃，并保持1到100min。
优选的，在步骤G的退火过程中，所述回熔层与所述副合金层、稀释保护层相互反应或扩散形成了合金层，所述合金层的物化性能在600℃下保持稳定。
优选的，所述阻挡层的材料为Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W单层金属和金属合金TiW、FeNiCr、FeCoCr中任意两种或多种材料的叠层结构，如：Cr/Pt、Cr/Au、Pt/Au/TiW、Pt/Au。
优选的，所述的稀释保护层为Ag、Ti、Pt、Ni、W、Cu中一种或多种金属的叠层结构。
优选的，所述回熔层与所述第一键合层具有很好的浸润性和粘附性。
优选的，所述中间层的材料为In，所述回熔层的材料为Sn、Au20Sn80中的任意一种。
优选的，所述中间层的材料为Sn，所述回熔层的材料为Au20Sn80。
优选的，所述第一键合层的材料为Cu、Au、Ag、Al中任意一种。
优选的，所述第二键合层为Ti、Cu、Pt、Au、Al、Ag中任意一种。
步骤B、C中的所述反射接触层、阻挡层、稀释保护层、回熔层、第一键合层、中间层、第二键合层、基板正面保护层、基板反面保护层和接触层均可通过蒸发、溅射、电镀的方法获得。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种具有回熔层的LED薄膜芯片的结构，包括衬底，特征是：在所述衬底上形成有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次形成有反射接触层、阻挡层、稀释保护层、合金层，在所述合金层上形成有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
优选的，所述合金层的材料为Ag-Sn-Au-In 、Ag-Sn-Cu-In或Ag-Sn-Cu-In-Ti中的任意一种。
优选的，所述阻挡层的厚度为0.2um ~ 5um。
优选的，所述稀释保护层的厚度为0.5um~ 5um。
优选的，所述混合层的厚度为2um~ 15um。
本发明通过在LED薄膜的下方设计有由低熔点金属形成的回熔层，并在去除原生长衬底之后通过退火处理使回熔层熔化，使得LED薄膜在回熔层熔化过程中能够自平坦化，从而达到了充分释放LED薄膜中残余应力的效果。本发明只是增加了回熔层蒸发和一道退火工序，工艺简单、成本低。
本发明之所以设计回熔层为低熔点的金属或合金，是因为如果回熔层的熔点过高，则在对LED芯片进行退火处理使回熔层熔化时，会因退火温度过高而影响LED芯片的光电性能。
本发明之所以选择中间层为熔点小于回熔层熔点的材料且晶圆热压键和在低于回熔层熔点的温度下进行，是为了避免回熔层在进行晶圆热压键和时就与相邻金属层相互反应扩散/形成高熔点合金。否则，回熔层释放应力的作用就失效了，设计回熔层结构也就失去了意义。
因此，本发明具有可简单、充分有效地释放LED薄膜中残余应力、提高LED芯片的光电性能、可靠性、稳定性和寿命、简化制造过程、降低生产成本的优点。
附图说明：
图1是实施例1的结构示意图；
图２为实施例1中步骤1的结构剖面图；
图３为实施例1中步骤2的结构剖面图；
图４为实施例1中步骤3的结构剖面图；
图５为实施例1中步骤4的结构剖面图；
图６为实施例1中步骤5的结构剖面图；
图７为实施例1中步骤５的结构剖面图；
图８为实施例1中步骤6的结构剖面图；
图９为实施例1中步骤７的结构剖面图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
实施例1：
（1）：如图2所示，提供衬底10，在所述衬底上生长LED薄膜11，其中LED薄膜11包括缓冲层、n型层、发光层和P型层。优选的，所述衬底10为蓝宝石，所述LED薄膜为铝镓铟氮薄膜，采用金属化学气相沉积（MOCVD）方法所得。在本发明的其它实施例中，所述衬底10也可为Si、SiC、GaN、GaAs或者AlN中任意一种，所述LED薄膜11并不局限于铝镓铟氮薄膜，也可以是其他需要释放应力的半导体薄膜如在砷化镓衬底上外延的铝镓铟磷薄膜。
（2）：如图３所示，采用电子束蒸发的方法在LED薄膜11上依次形成反射接触层12、阻挡层13、稀释保护层14、回熔层15和第一键合层16。所述反射接触层12，顾名思义，即与GaN 基LED薄膜具有良好的欧姆接触性能，又具有较高反射率，兼备了反射层和接触层的作用，本实施例中其材料为Ag，厚度为0.05um ~ 0.5um。所述阻挡层13和稀释保护层14的作用在于阻挡低熔点的回熔层金属和中间层金属扩散至反射接触层12破坏接触性能和反射率，本实施例中，阻挡层13的材料为Cr/Pt或Pt/Au/Pt/TiW，厚度为0.2um ~2um，所述稀释保护层14的材料为Ag或Cu，厚度为2um ~3 um。本实施例中所述回熔层15的材料为Sn，所述第一键合层16的材料为Au。
（3）：如图４所示，提供基板20，在所述基板20的正面依次沉积基板正面保护层21、第二键合层22，在所述基板的反面依次沉积基板反面保护层23、接触层24。所述第二键合层为Ti、Cu、Pt、Au、Al、Ag中任意一种，本实施例中第二键合层22的材料为Ag。
（4）：如图５所示，在所述第一键合层16和/或第二键合层22上沉积中间层25。特别的，所述中间层25的熔点小于回熔层15的熔点，其材料为不超过400摄氏度的金属或合金。本实施例中仅在第二键和层22的表面沉积了中间层25，中间层25的材料为In。
（5）：采用晶圆热压键合方法通过中间层25、第一键合层16和第二键合层22将所述LED薄膜11与基板20绑定在一起。如图６所示，进行所述（5）时，需要将LED薄膜11与基板20贴合在一起，然后在一定的温度和压力下完成。特别的，所述（5）在低于回熔层16熔点的温度下进行。本实施例中晶圆热压键合在温度在中间层熔点以上、回熔层熔点以下，即进行所述（5）时，中间层处于熔化状态。完成所述（5）后，中间层25与第一键合层16、第二键合层22充分反应扩散，形成副合金层30，如图７所示；
（6）：如图８所示，去除所述衬底10。（至此，完成了薄膜转移，LED薄膜11倒置在基板上20）由于失去了衬底10对LED薄膜的张应力或压应力，去除所述衬底10前后，LED薄膜11的应力状态发生了很大变化，通常会有发生弯曲。
（7）：如图９所述，将所述（6）得到的LED薄膜11和基板20的粘接体进行退火处理，使回熔层16熔化。所述（7）退火过程中，所述回熔层16与所述副合金层30、稀释保护层14相互反应或扩散形成了合金层40。所述合金层40的物化性能在600℃下保持稳定。
伴随着回熔层16的熔化，位于回熔层16之上的LED薄膜11自平坦化，应力从而得到了充分释放。
（8）：继续完成制备垂直结构LED芯片后续工步，包括N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备。最后制成的LED芯片如图1所示，其中50为钝化层、60为表面粗化层、70为N电极。
Claims (15)
1.一种具有回熔层的LED薄膜芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、提供衬底，在所述衬底上依次生长包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜；
B、在所述LED薄膜上依次沉积反射接触层、阻挡层、稀释保护层、回熔层和第一键合层；所述回熔层为熔点小于400℃的低熔点的金属或合金；
C、提供基板，在所述基板的正面依次沉积基板正面保护层、第二键合层，在基板的反面依次沉积基板反面保护层、接触层；
D、在所述第一键合层和/或第二键合层上沉积中间层，所述中间层的熔点小于回熔层的熔点；
E、采用晶圆热压键合方法通过中间层、第一键合层和第二键合层将LED薄膜与基板绑定在一起，所述晶圆热压键合的温度低于回熔层的熔点；
F、去除所述衬底（完成了薄膜转移，LED薄膜倒置在基板上）；
G、将步骤F得到的所述LED薄膜和基板的粘接体进行退火处理，使回熔层熔化，以释放应力；
H、退火处理后，再进行N型层表面粗化、去边、钝化、欧姆电极制备，制得垂直结构的LED薄膜芯片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：进行步骤E时，将温度升至中间层的熔点以上、回熔层的熔点以下，使得中间层在绑定时处于熔化状态，即熔化绑定；在绑定过程中，使中间层与第一键合层、第二键合层充分反应扩散，形成副合金层。
3.根据权利要求1和权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤G的退火过程中，所述回熔层与所述副合金层、稀释保护层相互反应或扩散形成了合金层，所述合金层的物化性能在600℃下保持稳定。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：进行步骤G时将温度升到高出回熔层的熔点以上0到150℃，并保持5到100min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述阻挡层的材料为Cr、Ti、Pt、Au、Ni、W单层金属和金属合金TiW、FeNiCr、FeCoCr中任意两种或多种材料的叠层结构，如：Cr/Pt、Cr/Au、Pt/Au/TiW、Pt/Au。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的稀释保护层为Ag、Ti、Pt、Ni、W、Cu中一种或多种金属的叠层结构。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中间层的材料为In，所述回熔层的材料为Sn、Au20Sn80中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中间层的材料为Sn，所述回熔层的材料为Au20Sn80。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一键合层的材料为Cu、Au、Ag、Al中任意一种。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二键合层为Ti、Cu、Pt、Au、Al、Ag中任意一种。
11.一种具有回熔层的LED薄膜芯片的结构，包括衬底，其特征在于：在所述衬底上设置有包括缓冲层、n型层、发光层和P型层在内的LED薄膜，在LED薄膜上依次沉积有反射接触层、阻挡层、稀释保护层、合金层，在所述合金层上设有基板正面保护层、基板、基板反面保护层和接触层。
12.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述合金层的材料为Ag-Sn-Au-In 、Ag-Sn-Cu-In或Ag-Sn-Cu-In-Ti中的任意一种。
13.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述阻挡层的厚度为0.2um ~ 5um。
14.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述稀释保护层的厚度为0.5um~ 5um。
15.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述合金层的厚度为2um~ 15um。
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- 2014-09-22 CN CN201410483425.2A patent/CN104347762B/zh active Active
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