CN105047788A - 一种基于银基金属键合的薄膜结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法。本发明采用了AgCuIn合金作为键合金属层,键合温度与保持时间降低;AgCuIn键合可以在较低的键合温度与键合压力下完成,键合时间缩短,有利于减少键合过程对LED外延层的光电性能的损伤;采用AgCuIn合金的键合金属层,消除了键合过程中的空洞现象,有利于对LED外延层的应力释放;AgCuIn键合机械性能高,具有良好的导电与导热性能,有利于提高LED芯片的寿命;并且,采用AgCuIn作为键合金属,极大的降低了垂直结构LED芯片的制造成本,有利于垂直结构LED芯片的市场化发展。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜结构LED芯片,尤其涉及一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
基于激光剥离与键合技术的GaN基功率型薄膜结构发光二极管LED在大功率照明领域具有十分广阔的应用前景。该方案的关键步骤是将蓝宝石上生长的GaN外延层在制备好p电极等p面结构后,键合到Si或Cu等导电导热的转移衬底上,然后利用激光剥离技术去除作为生长衬底的蓝宝石,并在露出的N极性GaN表面,进行表面粗化,然后制备n电极。键合技术需要实现高粘结强度以保证成品率,需要有良好的导电导热能力以降低电阻、提高管芯寿命;最后键合技术一般要实现一定的应力释放。在键合过程中,键合介质的选择直接影响了上述性能并进而影响薄膜结构LED的性能。
AuSn键合是功率型薄膜结构LED制备工艺中常见的键合方法。AuSn键合技术一般采用共晶的金锡钎焊合金预成型片作为介质层,在300~500℃的范围内将外延层与转移衬底键合在一起。AuSn键合具有机械强度高、浸润性好、利于导热导电等优点。另一方面,由于AuSn键合基于液固相变,固态时具有δ相和ζ相两种稳定相,液固相变过程中的扩散的随机性导致了相分布的无序和不可控(Mat.Sci.Eng.B,175,213,(2010))应力聚集,影响键合强度、键合金属层的导热率与导电率,在压力下熔融的AuSn会向四周溢出,不利于后续工艺。
Au-Au键合也是功率型薄膜结构LED制备中的常用技术手段。与AuSn键合不同,Au-Au键合不需要类似金锡钎焊合金作为预成型片,而是在外延层与转移衬底表面分别蒸镀1~3μm的Au,键合温度约300℃,略低于AuSn键合,但键合压力超过AuSn键合三个数量级(约6000~8000kgf/wafer),利用Au原子或晶粒再接触界面热扩散得到紧密的键合。该方法工艺较简单,适合大规模工业生产。其不足之处在于,需要在高温高压下保持较长时间,以保证金属界面的互扩散充分完全,导致了光电子器件性能降低(IEEETransactionsonElectronicsPackagingManufacturing,31(2):159(2008))。最后,由于Au的价格昂贵,Au-Au键合增加了功率型薄膜结构LED的制造成本。
银基钎料是使用最广的一类硬钎料。其熔点适中,能浸润很多金属,具有良好的强度、塑性、导电和导热性。而SnAgCu,SnAg相比Ag导电胶体具有更好的导热、导电性,是功率型LED封装中使用较多的一类焊料。但是很少使用于外延层的键合。德国布伦瑞克科技大学Waag教授也有使用纳米和微米Ag颗粒烧结的方法进行功率型LED的封装(IEEETRANSACTIONSONCOMPONENTS,PACKAGINGANDMANUFACTURINGTECHNOLOGY,2(2):199(2012))。由于LED封装工艺的原因,Ag基金属熔点温度一般低于300℃,对于衬底剥离后的垂直薄膜结构LED很难进行氮面接触的工艺,同时较低的合金熔点也会带来工作可靠性的下降。虽然微纳米Ag颗粒的键合可能解决上述问题,但是其只在芯片键合上有报道,在外延层键合上没有报道。
发明内容
为了解决键合成本和可靠性的问题,本发明提供了银基金属键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法,用于功率型薄膜结构LED芯片的制备。
本发明的一个目的在于提供一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片。
本发明的薄膜结构LED芯片为基于键合与激光剥离的垂直结构LED芯片,或者倒装结构LED芯片。
对于垂直结构LED芯片,本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元包括:转移衬底、键合金属层、过渡层、反射层、p电极、LED外延层、n电极、n面出光锥和钝化层;其中,在转移衬底上从下至上依次为键合金属层、过渡层、反射层、p电极和LED外延层;在LED外延层的一小部分上形成n电极;在LED外延层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥;反射层和n面出光锥构成出光结构;在芯片单元之间的激光划道与刻蚀走道的侧壁形成钝化层;键合金属层采用AgCuIn合金。
AgCuIn是含铜和铟的三元合金,具有良好的焊接性能,较低的蒸气压。有AgCuln30-5,AgCuIn24-15,AgCuln85-5,AgCuIn20-31和AgCuln27-10等型号。它们的熔化温度依次为770~800℃、630~705℃、900~950℃、540~575℃和685~730℃。其熔点温度大于n面接触的工艺温度,配合低温、较高压力的键合工艺,可以用于功率型薄膜结构LED的真空键合金属。
本发明的垂直结构LED芯片为氮面出光,LED外延层从上至下依次包括n型接触层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层;在n型接触层的一小部分上形成n电极;粗化n型接触层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥。LED外延层的厚度在2~100μm之间。进一步,在n型接触层与n型层之间加入电流扩展层,电流扩展层的厚度由整个LED外延层的厚度决定,在10~80μm之间。
进一步,出光结构还包括金属纳米结构,周期性排列的金属纳米结构嵌入在LED外延层的中p型层和p型接触层中。金属纳米结构包括纳米孔、金属纳米颗粒和介质包层;其中,纳米孔形成在p型层和p型接触层中;包裹着介质包层的金属纳米颗粒位于纳米孔中。
n电极采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构,利用PdIn合金较低的金属功函数以及高温的稳定性,阻止Ga原子的扩散,显著提高氮面欧姆接触的性能。这样形状的n电极能有效改善芯片的电流扩展特性,提高器件光效和可靠性。p电极采用透明的铟锡氧化物ITO。
对于倒装结构LED芯片,本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元包括:LED外延层、n电极、p电极、反射层、键合金属层、钝化层和转移衬底;其中,LED外延层从小至上依次包括n型接触层、多量子阱区和p型接触层;利用刻蚀的方法露出一部分n型接触层,在露出的n型接触层上制备n电极;在p型接触层上制备p电极,p电极上制备反射层;钝化层包裹在LED外延层的侧壁和n电极的周围,防止漏电;在反射层上沉积键合金属层;键合金属层将LED外延层和转移衬底键合在一起。
键合金属层采用的AgCuIn合金中,Ag的组分在40~50%之间,Cu的组分在40~50%之间,In的组分在10~20%之间。
本发明的另一个目的在于提供一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的制备方法。
对于垂直结构LED芯片,本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元的制备方法,包括以下步骤:
1)提供适合激光剥离工艺的生长衬底,在生长衬底上生长非掺GaN层,在非掺GaN层上依次生长n型接触层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层,形成LED外延层;
2)在LED外延层上采用激光划片划分出分离的LED芯片单元,深入至生长衬底,形成激光划道,对激光划道进行清洗,去除侧壁损伤区以及激光划道内的残留物;
3)在LED外延层上生长一层掩膜层,在掩膜层上刻蚀LED芯片单元,刻蚀至n型层,形成刻蚀走道,去除掩膜层露出p型接触层,进一步去除刻蚀损伤,然后去除掩膜层;
4)在LED外延层上再生长钝化层材料,采用光刻的方法制备出图形并进行湿法腐蚀,去除p型接触层表面的钝化层材料,保留激光划道与刻蚀走道侧壁的钝化层材料,形成钝化层;5)在p型接触层的表面上蒸镀p电极,然后在p电极的表面蒸镀反射层和过渡层;
6)采用电子束蒸发的方式,在过渡层和转移衬底的表面同时蒸镀键合金属,键合金属的材料采用AgCuIn合金,然后对键合金属进行热退火;
7)将蒸镀了键合金属的转移衬底扣到形成在生长衬底上的LED外延层上,在高温高压下,将转移衬底与LED外延层键合在一起,过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属层;
8)利用激光剥离方法去除生长衬底,并暴露出非掺GaN层,清洗剥离的LED外延层的表面;
9)进行湿法和干法腐蚀,去除非掺GaN层,暴露出n型接触层,并使得激光划道有所扩大,释放部分残余应力;
10)蒸镀n电极的金属,采用剥离方法去掉部分金属,露出大部分的n型接触层,形成n电极,退火得到稳定的欧姆接触;
11)进行电极和侧壁的钝化保护,粗化n型接触层的表面,形成周期或非周期的n面出光锥,从而形成包括反射层和n面出光锥的出光结构;
12)用机械或激光切割LED外延层,测试并分拣得到LED芯片单元。
其中,在步骤1)中,LED外延层的厚度在2~100μm之间。n型接触层的GaN载流子浓度达到1019cm-3,厚度在1~2μm之间。在n型接触层与n型层之间还可以加入电流扩展层,厚度由整个LED外延层的厚度决定,在10~80μm之间。电流扩展层的载流子浓度在1017cm-3~1018cm-3,参数的选择同时考虑横向电流扩展和纵向的串联电阻。进行多量子阱的优化,多量子阱的周期和阱宽取决于金属纳米颗粒的尺寸、形状和位置,确保表面等离激元激发多量子阱得到发光增强。p型接触层一般采用1~5nm的非掺或n型InGaN,形成与p-GaN层的隧道结。
在步骤2)中,采用激光划片,在LED外延层上划分分离的LED芯片单元,激光划道的深度超过LED外延层的厚度深入至生长衬底,然后采用湿法腐蚀去除侧壁的损伤并达到粗化的目的。划片采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD生长SiO2作为保护层,并旋涂激光划片的保护液,降低激光划片对LED外延层造成的损伤;另一方面,在以下的高温酸清洗过程中,起到保护LED外延层的作用。激光划道的侧壁和生长衬底的倾角在70~85°之间,激光划道的宽度在10~50μm之间;采用的湿法腐蚀条件为磷酸和硫酸的混合酸,腐蚀温度在200~250℃之间,腐蚀时间与LED外延层的厚度相关,去除激光划片产生的残留物。侧壁腐蚀锥的尺寸在100nm~10μm之间。本发明采用激光划片和混合酸腐蚀侧壁分割芯片单元,有效地减小了外延层中的翘曲。同时侧壁的腐蚀形成侧壁粗化,有利于侧面光的出射。
在步骤3)中,在掩膜层上曝光得到光刻胶的掩膜。采用感应耦合等离子体ICP氟基反应气体刻蚀中掩膜层,采用氯基反应气体进一步刻蚀形成刻蚀走道,同时进一步去除激光划道的侧壁的损伤层。刻蚀走道的刻蚀深度在0.5μm~5μm之间。去除残留的掩膜层。
在步骤4)中,钝化层材料的厚度在300~500nm之间,在光刻去除p型接触层表面的钝化层材料后,在p型接触层的边缘处,距离边缘10μm内还有一部分钝化层材料保留,形成钝化层,以更好的实现侧壁保护。
在步骤5)中,p电极为透明导电极,采用铟锡氧ITO,厚度在100~400nm之间,发光波长、ITO的厚度和p型层的厚度共同优化,形成增反效果。反射层采用Al基反射电极或者Ag基反射电极。Al基反射电极为TiAl或NiAl,其中钛Ti和镍Ni为粘黏金属,厚度在1~2nm之间,Al的厚度在20~50nm之间。采用Al基反射电极将有益于较高工艺温度下的稳定性,如高温、高压的键合等。Ag基反射电极以增加反射率和稳定性。过渡层的金属为镍、铂或钯等,厚度在20~50nm之间。
在步骤6)中,键合金属为AgCuIn合金,为了保证AgCuIn合金组分的均匀性,采用了如下步骤:a)以恒定0.4~0.5nm/s的速度蒸镀一层厚度在400~500nm之间的AgCuIn合金;b)以恒定8~12nm/s的速度再蒸镀一层厚度在500~1000nm之间的AgCuIn合金;c)经过1~5min间隔后,重复步骤b)。完成AgCuIn合金的蒸镀后,采用200~300℃氮气氛下20~30min的退火,保证合金组分均匀。AgCuIn合金的厚度在1.5~2μm之间,能够保证键合金属层忍受500℃以上的芯片工艺温度。
在步骤7)中,转移衬底采用半导体晶片或金属。转移衬底包括半导体衬底和p电极焊层,在其正面沉积键合金属。键合过程一般分步进行,具体步骤包括:a)升压至800~1000kgf/wafer之间,温度升至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;b)升压至4000~5000kgf/wafer之间,温度升至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;c)保持压力不变,温度升至300~500℃之间,保持时间在10~30min之间;d)保持压力不变,温度降至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;e)保持压力不变,温度降至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;f)温度降至室温,压力完全卸载。
在步骤8)中,对键合后的LED外延层进行激光剥离,去除生长衬底。键合的转移衬底采用金属结构,将大大减少LED外延层中残余应力造成的损伤。对剥离后暴露的非掺GaN层的表面进行稀盐酸的清洗,去除掉表面的Ga滴。
在步骤9)中,采用湿法腐蚀或ICP刻蚀+湿法腐蚀氮面非掺GaN层(约1~2μm)。湿法腐蚀采用100~160℃的热磷酸,扩大激光划道的宽度至20μm以上,得到较平整的氮面表面。控制ICP刻蚀和磷酸腐蚀的条件,有效释放芯片中的残余应力。
在步骤10)中,蒸镀n电极的金属,采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构,Pd/In/Ni/Au结构或者Cr/Pt/Au结构。
在步骤11)中,将出光面用热磷酸粗化,或者使用纳米压印和刻蚀的方法得到表面微纳米的n面出光锥。表面采用热磷酸粗化,可以得到更多出光面的十二面锥形结构,同时腐蚀侧面的倾角可以根据溶液的温度和浓度做调节。
在步骤12)中,若采用半导体Si,GaAs衬底作为转移衬底,普通的激光划片即可满足要求,对于Cu基的转移衬底的划片,需采用皮秒激光器做划片分割。
对于倒装结构LED芯片,本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的制备方法如下:
1)提供适合激光剥离工艺的生长衬底,并在生长衬底上生长LED外延层,从生长衬底向上,依次包括n型接触层、多量子阱和p型接触层;
2)采用激光划片将LED外延层分离成独立管芯;
3)利用感应耦合等离子体ICP刻蚀方法,在每一个管芯表面刻蚀部分p型接触层至露出n型接触层,同时在每一个管芯的周围形成刻蚀走道;
4)在露出的n型接触层上制备n电极;
5)在p型接触层上制备p电极;
6)在p电极上进一步制备反射层;
7)沉积形成钝化层,钝化层包裹刻蚀走道,并隔绝n电极与p电极,防止漏电;
8)在反射层的表面和转移衬底的表面分别蒸镀键合金属,键合金属的材料采用AgCuIn合金,然后对键合金属进行热退火;
9)将蒸镀了键合金属的转移衬底扣到形成在生长衬底上的LED外延层上,在高温高压下,将转移衬底与LED外延层键合在一起,过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属层;
10)利用激光剥离方法去除生长衬底,清洗剥离的LED外延层的表面;
11)对激光剥离后的LED外延层表面进行粗化处理,形成n面出光锥;
12)用机械或激光切割LED外延层,测试并分拣得到LED芯片单元。
其中,在步骤8)中,键合金属为AgCuIn合金,为了保证AgCuIn合金组分的均匀性,采用了如下步骤:a)以恒定0.4~0.5nm/s的速度蒸镀一层厚度在400~500nm之间的AgCuIn合金;b)以恒定8~12nm/s的速度再蒸镀一层厚度在500~1000nm之间的AgCuIn合金;c)经过1~5min间隔后,重复步骤b)。完成AgCuIn合金的蒸镀后,采用200~300℃氮气氛下20~30min的退火,保证合金组分均匀。AgCuIn的厚度为1.5~2μm,能够保证键合金属层忍受500℃以上的芯片工艺温度。
在步骤9)中,转移衬底采用半导体晶片或金属。转移衬底包括半导体衬底和p电极焊层,在其正面沉积键合金属。键合过程一般分步进行,具体步骤包括:a)升压至800~1000kgf/wafer之间,温度升至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;b)升压至4000~5000kgf/wafer之间,温度升至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;c)保持压力不变,温度升至300~500℃之间,保持时间在10~30min之间;d)保持压力不变,温度降至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;e)保持压力不变,温度降至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;f)温度降至室温,压力完全卸载。
本发明采用了AgCuIn合金作为键合金属层完成垂直结构LED制备中的键合工艺,实现了稳定的机械强度,键合温度与保持时间较Au-Au键合有一定降低,与AuSn键合相比,消除了键合金属层的空洞现象,有利于LED外延层中的应力释放;并且,采用AgCuIn作为键合金属,极大的降低了垂直结构LED芯片的制造成本,有利于垂直结构LED芯片的市场化发展。
本发明的优点:
1)AgCuIn键合可以在较低的键合温度与键合压力下完成,键合时间缩短,有利于减少键合过程对LED外延层的光电性能的损伤;
2)采用AgCuIn合金的键合金属层,消除了键合过程中的空洞现象,有利于对LED外延层的应力释放;
3)AgCuIn键合机械性能高,具有良好的导电与导热性能,有利于提高LED芯片的寿命;
4)AgCuIn合金价格便宜,与Au-Au键合相比,极大的降低了垂直结构LED芯片的制造成本,有利于垂直结构LED芯片的市场化发展。
附图说明
图1为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的结构示意图,其中,(a)为剖面图,(b)为俯视图;
图2为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的LED外延层的示意图;
图3为本发明的一个实施例的激光划片划分以及光刻刻蚀LED芯片单元的效果示意图,其中,(a)为剖面图,(b)为俯视图;
图4为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的侧壁钝化效果图,其中,(a)为形成钝化层材料的效果图,(b)为形成钝化层后的效果图;
图5为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的在p电极的表面蒸镀反射层和过渡层的剖面图;
图6为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的AgCuIn键合过程示意图;
图7为本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的一个实施例的激光剥离示意图。
具体实施方式
下面结合附图,以垂直结构的LED芯片为例对本发明做进一步说明。
如图1所示,本实施例的垂直结构的薄膜结构LED芯片单元包括:转移衬底0、键合金属层1、过渡层2、反射层3、p电极4、LED外延层5、n电极6、n面出光锥7和钝化层8;其中,在转移衬底0上从下至上依次为键合金属层1、过渡层2、反射层3、p电极4和LED外延层5;在LED外延层的一小部分上形成n电极6;在LED外延层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥7;反射层3和n面出光锥构7成出光结构;在LED芯片单元之间的激光划道和刻蚀走道的侧壁填充钝化层材料,形成钝化层8。在本实施例中,绝缘层材料采用SiO2。键合金属层1中,Ag的组分为40%,Cu的组分为50%,In的组分为10%。
如图1(b)所示,n电极6的图形包括:圆环、两个长条和两个圆形;其中,两个长条相交叉在圆环的中心,在两个长条的一端分别设有一个圆形,作为n电极接触点。
对于转移衬底0,转移衬底包括半导体衬底和p电极焊层,半导体衬底采用WCu结构,也可以采用Si等代替。转移衬底通过AgCuIn键合金属层与LED外延层键合在一起。
以上平面结构的尺寸为1.1mm,是大尺寸LED芯片的典型值,对任意尺寸芯片,其尺寸可在0.2~5mm范围内变动,芯片组成部分的尺寸也可按比例在适当范围内变动。
本实施例的制备方法具体包括以下步骤:
1)提供厚度约为400μm的蓝宝石衬底01作为生长衬底,先生长厚度约2μm的非掺GaN层02,接着生长总厚在30μm的LED外延层,包括:重掺杂的n型接触层51,掺杂浓度约为1019cm-3以方便形成n面GaN欧姆接触,其厚度约2μm;较厚的电流扩展层有利于以准外延的方式提高量子阱的晶体质量;n型层52,浓度一般在1018cm-3,厚度约2μm,多量子阱53的厚度约几十纳米,p型层54约200nm及p型接触层55的厚度约5nm,p型接触层采用InGaN,以有利于与ITO形成欧姆接触,如图2所示。
2)在LED外延层上采用激光划片,将LED外延层分割成独立区域,采用湿法腐蚀去除激光造成的侧壁损伤,形成激光划道08,激光划片穿透LED外延层至蓝宝石衬底01。
3)采用PECVD沉积300nm的SiO2薄膜作为掩膜层,采用光刻方法,以光刻胶为掩膜,采用ICP刻蚀的方法,刻蚀至n型层51,形成刻蚀走道03,得到LED芯片单元,然后去除光刻胶,去除SiO2,如图3所示。采用的湿法腐蚀条件为磷酸和硫酸的混合酸,腐蚀温度在200~250℃之间,腐蚀时间约15min,侧壁腐蚀锥约2μm。
4)在LED外延层上PECVD生长一层厚度约为300~500nm的SiO2钝化层材料,如图4(a)所示,在光刻去除p型接触层表面的钝化层材料后,在p型接触层的边缘处,距离边缘10μm内还有一部分钝化层材料保留,形成钝化层8,如图4(b)所示,以更好的实现侧壁保护。
5)在LED外延层蒸镀ITO透明导电极作为p电极4,厚度为230nm,然后在p电极的表面蒸镀反射层3和过渡层2,如图5所示。
6)在转移衬底0和蒸镀了p电极和反射层的LED外延层的表面同时蒸镀厚度约2μm的AgCuIn合金,电子束蒸镀的金属为AgCuIn三元合金焊料,AgCuIn合金的蒸镀条件如下:a)以0.5nm/s的速度蒸镀500nm厚的AgCuIn合金;b)以10nm/s的速度再蒸镀750nm厚的AgCuIn合金;c)经过3分钟的间隔后,重复步骤b)。然后在300℃的N2氛围下退火30min,保证合金组分均匀。
7)将转移衬底与LED外延层键合在一起,如图6所示。键合所采用的步骤为:a)升压至800kg,温度升至80℃,保持时间3min;b)升压至4000kg,温度升至300℃,保持时间3min;c)保持压力,升温至380℃,保持30min;d)保持压力,降温至300℃,保持3min;e)保持压力,降温至80℃,保持3min;f)温度降至室温,压力完全卸载。
8)进行激光剥离,激光从蓝宝石衬底01入射,将蓝宝石衬底01剥离掉,如图7所示,并露出非掺GaN层。
9)利用ICP刻蚀掉非掺GaN层,并露出重掺杂的n型接触层,之后利用腐蚀的方法对重掺的n型接触层进行表面清理并扩大使得激光划道扩大,在一定程度上实现应力调节。
10)沉积n电极6。
11)在n型接触层的表面形成周期或非周期的n面出光锥7。
12)沿着刻蚀走道用机械或激光切割LED外延层,测试、分拣得到LED芯片单元,如图1所示。
最后需要注意的是,公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明,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,各种替换和修改都是可能的。因此,本发明不应局限于实施例所公开的内容,本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片,其特征在于,对于垂直结构发光二极管LED芯片,所述LED芯片单元包括:转移衬底、键合金属层、过渡层、反射层、p电极、LED外延层、n电极、n面出光锥和钝化层;其中,在所述转移衬底上从下至上依次为键合金属层、过渡层、反射层、p电极和LED外延层;在LED外延层的一小部分上形成n电极;在LED外延层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥;所述反射层和n面出光锥构成出光结构;在芯片单元之间的激光划道与刻蚀走道的侧壁形成钝化层;所述键合金属层采用AgCuIn合金。
2.一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片,其特征在于,对于倒装结构LED芯片,所述LED芯片单元包括:LED外延层、n电极、p电极、反射层、键合金属层、钝化层和转移衬底;其中,LED外延层从小至上依次包括n型接触层、多量子阱区和p型接触层;利用刻蚀的方法露出一部分n型接触层,在露出的n型接触层上制备n电极;在p型接触层上制备p电极,p电极上制备反射层;钝化层包裹在LED外延层的侧壁和n电极的周围;在反射层上沉积键合金属层;所述键合金属层将LED外延层和转移衬底键合在一起。
3.如权利要求1或2所述的LED芯片,其特征在于,所述键合金属层采用的AgCuIn合金中,Ag的组分在40~50%之间,Cu的组分在40~50%之间,In的组分在10~20%之间。
4.一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元的制备方法,其特征在于,对于垂直结构LED芯片,所述制备方法包括以下步骤:
1)提供适合激光剥离工艺的生长衬底,在生长衬底上生长非掺GaN层,在非掺GaN层上依次生长n型接触层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层,形成LED外延层;
2)在LED外延层上采用激光划片划分出分离的LED芯片单元,深入至生长衬底,形成激光划道,对激光划道进行清洗,去除侧壁损伤区以及激光划道内的残留物;
3)在LED外延层上生长一层掩膜层,在掩膜层上刻蚀LED芯片单元,刻蚀至n型层,形成刻蚀走道,去除掩膜层露出p型接触层,进一步去除刻蚀损伤,然后去除掩膜层;
4)在LED外延层上再生长钝化层材料,采用光刻的方法制备出图形并进行湿法腐蚀,去除p型接触层表面的钝化层材料,保留激光划道与刻蚀走道侧壁的钝化层材料,形成钝化层;
5)在p型接触层的表面上蒸镀p电极,然后在p电极的表面蒸镀反射层和过渡层;
6)采用电子束蒸发的方式,在过渡层和转移衬底的表面同时蒸镀键合金属,键合金属的材料采用AgCuIn合金,然后对键合金属进行热退火;
7)将蒸镀了键合金属的转移衬底扣到形成在生长衬底上的LED外延层上,在高温高压下,将转移衬底与LED外延层键合在一起,过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属层;
8)利用激光剥离方法去除生长衬底,并暴露出非掺GaN层,清洗剥离的LED外延层的表面;
9)进行湿法和干法腐蚀,去除非掺GaN层,暴露出n型接触层,并使得激光划道有所扩大,释放部分残余应力;
10)蒸镀n电极的金属,采用剥离方法去掉部分金属,露出大部分的n型接触层,形成n电极,退火得到稳定的欧姆接触;
11)进行电极和侧壁的钝化保护,粗化n型接触层的表面,形成周期或非周期的n面出光锥,从而形成包括反射层和n面出光锥的出光结构;
12)用机械或激光切割LED外延层,测试并分拣得到LED芯片单元。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,在步骤6)中,键合金属为AgCuIn合金,蒸镀过程包括以下步骤:a)以恒定0.4~0.5nm/s的速度蒸镀一层厚度在400~500nm之间的AgCuIn合金;b)以恒定8~12nm/s的速度再蒸镀一层厚度在500~1000nm之间的AgCuIn合金;c)经过1~5min间隔后,重复步骤b)。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,在步骤6)中,完成AgCuIn合金的蒸镀后,采用200~300℃氮气氛下20~30min的退火。
7.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,在步骤7)中,键合过程包括:a)升压至800~1000kgf/wafer之间,温度升至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;b)升压至4000~5000kgf/wafer之间,温度升至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;c)保持压力不变,温度升至300~500℃之间,保持时间在10~30min之间;d)保持压力不变,温度降至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;e)保持压力不变,温度降至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;f)温度降至室温,压力完全卸载。
8.一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元的制备方法,其特征在于,对于倒装结构LED芯片,所述制备方法包括以下步骤:
1)提供适合激光剥离工艺的生长衬底,并在生长衬底上生长LED外延层,从生长衬底向上,依次包括n型接触层、多量子阱和p型接触层;
2)采用激光划片将LED外延层分离成独立管芯;
3)利用感应耦合等离子体ICP刻蚀方法,在每一个管芯表面刻蚀部分p型接触层至露出n型接触层,同时在每一个管芯的周围形成刻蚀走道;
4)在露出的n型接触层上制备n电极;
5)在p型接触层上制备p电极;
6)在p电极上进一步制备反射层;
7)沉积形成钝化层,钝化层包裹刻蚀走道,并隔绝n电极与p电极;
8)在反射层的表面和转移衬底的表面分别蒸镀键合金属,键合金属的材料采用AgCuIn合金,然后对键合金属进行热退火;
9)将蒸镀了键合金属的转移衬底扣到形成在生长衬底上的LED外延层上,在高温高压下,将转移衬底与LED外延层键合在一起,过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属层;
10)利用激光剥离方法去除生长衬底,清洗剥离的LED外延层的表面;
11)对激光剥离后的LED外延层表面进行粗化处理,形成n面出光锥;
12)用机械或激光切割LED外延层,测试并分拣得到LED芯片单元。
9.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于,在步骤8)中,键合金属为AgCuIn合金,蒸镀过程包括以下步骤:a)以恒定0.4~0.5nm/s的速度蒸镀一层厚度在400~500nm之间的AgCuIn合金;b)以恒定8~12nm/s的速度再蒸镀一层厚度在500~1000nm之间的AgCuIn合金;c)经过1~5min间隔后,重复步骤b)。
10.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于,在步骤9)中,键合过程包括:a)升压至800~1000kgf/wafer之间,温度升至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;b)升压至4000~5000kgf/wafer之间,温度升至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;c)保持压力不变,温度升至300~500℃之间,保持时间在10~30min之间;d)保持压力不变,温度降至200~300℃之间,保持时间在1~3min之间;e)保持压力不变,温度降至80~120℃之间,保持时间在1~3min之间;f)温度降至室温,压力完全卸载。
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