CN105161589B - 基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物led及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED及制备方法。本发明采用湿法腐蚀剥离蓝宝石衬底的方法可以用于制备垂直结构LED。通过切割氮化镓外延层、热酸清洗，释放氮化镓应力；电镀无应力的镍基板，抛光金属基板；制备倾斜氮化镓侧壁，金属牺牲层，侧壁保护层；蓝宝石衬底抛光，一次性切割，腐蚀N极性面氮化镓等关键步骤实现蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离。本发明的方法不会影响GaN有源层的晶体质量，从而可以保证垂直结构LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，涉及一种氮化镓基垂直结构LED芯片及其制备方法，特别适用于白光照明领域。
背景技术
发光二极管（LED）被认为是人类历史上继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯之后的***光源。氮化镓（GaN）材料，作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、热稳定性和化学稳定性好、小介电常数、高热导、抗辐照等优点，并且它属于直接带隙结构材料，有极高的辐射复合效率，因此被广泛应用于发光器件的制备中。
GaN材料外延生长所采用的衬底有GaN同质衬底，蓝宝石，SiC和Si等异质衬底。GaN衬底制备困难，SiC衬底成本极高，Si衬底与GaN的失配极大，因此GaN的外延生长主要采用的是蓝宝石异质衬底。目前，蓝宝石衬底上的LED芯片大部分还是以普通结构的形成存在。随着图形化蓝宝石衬底的产业化，GaN基LED芯片的效率得到大幅提升，其成本也逐渐降低。蓝光LED芯片上添加荧光粉可以实现白光。为实现通用照明，要求单颗蓝光LED芯片驱动在较大电流下仍具有较高的光输出功率。尽管图形化蓝宝石衬底LED芯片具有较高的光效，然而蓝宝石衬底的散热性能较差，这将影响LED芯片在大电流驱动下的发光效率。去除蓝宝石衬底制备成垂直结构LED可以有效地解决上述问题。去除蓝宝石衬底的主要方法是激光剥离，但是激光剥离过程中会产生瞬间的高温，会影响外延层的质量，造成发光效率下降，更严重地情况可能会使外延层破裂。目前产业化所采用的主要是图形化蓝宝石衬底的LED外延片，由于散射的影响，用激光剥离的方法处理图形化衬底将需要更大的激光能量，对外延层的损伤相应增加。
发明内容
本发明提供了基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED及制备方法。利用激光切割氮化镓外延层分离各个LED芯片，释放氮化镓外延层的应力；利用应力调控电镀制备金属基板；利用湿法腐蚀氮极性面GaN使蓝宝石衬底与LED外延层分离。
本发明提供的技术方案如下。
基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED制备方法，具体包括以下步骤：
[1]提供一蓝宝石衬底，然后在该衬底上生长氮化镓外延层，氮化镓外延层包括GaN缓冲层、u-GaN层，n-GaN层、有源区和p-GaN层；
[2]利用光刻及干法刻蚀刻蚀出mesa平台；
[3]制备一层激光切割保护层，利用激光切割氮化镓外延层，再用热酸清洗使各个LED芯片独立；
[4]去除激光切割保护层后，沉积金属牺牲层，侧壁保护层；
[5]沉积反射电极层和电镀种子层；
[6]在电镀种子层上电镀金属基板，并对该金属基板进行表面抛光处理；
[7]对蓝宝石衬底进行研磨抛光处理，用激光将蓝宝石衬底切穿；
[8]用酸或碱溶液进行清洗，将步骤[4]中的金属牺牲层去除，漏出侧面氮化镓；
[9]将上述结构放置于热酸或热碱溶液中，通过湿法腐蚀，使氮化镓外延层与蓝宝石衬底分离，从而使氮化镓外延层转移到了电镀金属基板上，表面的氮化镓为N极性面的u-GaN；
[10] 去除N极性面的u-GaN，漏出N极性面的n-GaN，然后在N极性面的n-GaN上制作N型欧姆接触电极。
步骤[1]中所述衬底为蓝宝石衬底，所述氮化镓外延层从下往上依次包括缓冲层、u-GaN层，n-GaN层、有源区和p-GaN层。
步骤[2]中所述mesa平台，需刻蚀至n-GaN，并且所述mesa平台是具有倾斜侧壁的，所述mesa平台是通过控制光刻条件制备获得。
步骤[3]中所述的激光切割保护层为SiO2或SiN绝缘层；步骤[3]中所述的激光切割氮化镓外延层需要切割至蓝宝石衬底；所述热酸为220℃～280℃的HPO3和H2SO4混合热酸，清洗时间为10～40min。热酸腐蚀激光切割后的过道，使过道宽度增加5～10μm，从而使各个LED芯片独立。
步骤[4]中所述金属牺牲层是沉积在具有倾斜侧壁的mesa台面过道处，覆盖过道中漏出的蓝宝石衬底；所述金属牺牲层为金属铬或铝；步骤[4]中所述侧壁保护层，覆盖整个具有倾斜侧壁的mesa过道，上述金属牺牲层及侧壁。
步骤[5]中所述反射电极可以为Ni/Ag，Ni/Au+Al，ITO+Ag；步骤[5]中所述电镀种子层可以为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au。
步骤[6]中所述金属基板是通过调节电镀添加剂含量来实现金属基板的应力调控，所述的金属基板应具备无应力，良好支撑性。
步骤[7]所述激光切割蓝宝石衬底，需一次性切穿蓝宝石，漏出步骤[4]中所述金属牺牲层。激光切割线宽极窄，如果切割次数大于一次，由于对准问题将造成蓝宝石切割深度不均匀，影响后续蓝宝石衬底的成功去除。
步骤[8]中所述金属腐蚀溶液为铬腐蚀液或铝腐蚀液。
步骤[10]所述去除GaN缓冲层可以利用干法刻蚀，湿法刻蚀或者抛光处理。
上述步骤[2]中具有倾斜侧壁的mesa平台，使步骤[6]中侧壁保护层覆盖更致密，具有更好的保护效果，从而保证了步骤[12]中通过利用湿法腐蚀N极性GaN达到GaN外延层与蓝宝石衬底的分离。而传统的垂直侧面覆盖不致密，湿法腐蚀过程中，腐蚀溶液渗入侧面破坏芯片。
本发明所述的基于应力调控电镀及衬底转移的氮化镓基LED芯片，它的结构从下到上依次包括金属基板，电镀种子层，反射电极层，侧壁保护层，具有倒梯形状的GaN外延层， n型电极层。
所述金属基板，材料为金属镍，厚度为80μm，所述金属基板是通过调节电镀添加剂含量来实现金属基板的应力调控，所述的金属基板应具备无应力，良好支撑性
所述电镀种子层结构为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au中的一种，电镀种子层的厚度可以从200nm～10um，所述电镀种子层的面积等于金属基板的面积。
所述反射电极层可以为Ni/Ag，Ni/Au+Al，ITO+Ag，所述反射电极层厚度可以从150nm～500nm，反射电极的面积小于电镀种子层的面积。
所述GaN侧壁保护层可以为绝缘层SiO2或SiN，其厚度范围为800~1500nm,侧壁保护层覆盖住GaN。
所述倒梯形状的GaN外延层的结构从下到上依次包括p-GaN层，有源区和n-GaN层。所述倒梯形状的GaN外延层的厚度为2～4μm。倒梯形状的GaN外延层的倾斜角为40～70度。所述的倒梯形状的GaN外延层最表层的n-GaN层是N极性氮化镓。
所述n型电极层可以为Cr-，Ti-，Cr/Al-, Ti/Al-结构。电极厚度范围500nm～1500nm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、本发明通过控制ICP刻蚀及掩膜层使刻蚀出的Mesa的侧壁具有40～70度的倾斜角，从而保障了后续的侧壁保护层的致密性，有效防止漏电。实验中发现当倾斜角小于30度时，制备出的LED芯片的漏电增加。2、本发明所采用利用激光先切割氮化镓外延层、再紧接着用热酸清洗，通过此过程释放氮化镓应力，从而使芯片在后续加工不会出现外延层碎裂现象，不切割并且是后续电镀无应力的金属镍板的基础。3、本发明所采用的金属牺牲层和侧壁保护层相结合，一方面金属牺牲层去除后有利于湿法腐蚀与蓝宝石衬底相连的氮化镓层，另一方面，有侧壁保护层的存在，侧壁的GaN不被腐蚀，因而在GaN与蓝宝石衬底分离后，能有效保障侧向GaN的完整性。4、本发明所述的抛光蓝宝石衬底后的厚度小于40μm，这有利于激光切割蓝宝石衬底能一次性切穿。实验中发现更厚的蓝宝石衬底，在切割中需要大于一次的切穿，两次切割间微米级的偏差会大幅降低切割效果，从而很难保证后续湿法腐蚀的成功。
本发明所述的湿法腐蚀剥离蓝宝石衬底的方法可以用于制备垂直结构LED。通过切割氮化镓外延层、热酸清洗，释放氮化镓应力；电镀无应力的镍基板，抛光金属基板；制备倾斜氮化镓侧壁，金属牺牲层，侧壁保护层；蓝宝石衬底抛光，一次性切割，腐蚀N极性面氮化镓等关键步骤实现蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离。本发明的方法不会影响GaN有源层的晶体质量，从而可以保证垂直结构LED的发光效率。
附图说明
图1是本发明通过湿法腐蚀剥离蓝宝石衬底制备垂直结构LED的方法的流程图。
图2a至图2f是本发明制备垂直结构LED过程的横截面的图解示意图。
图3为湿法腐蚀过程中，从蓝宝石衬底一侧观察到的蓝宝石衬底与GaN外延层界面的光学显微镜图。
其中：1为蓝宝石衬底，2为GaN外延层，3为侧壁保护层，4为反射电极层即P型电极，5为电镀金属基板，6为n型电极。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图，对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保户范围内。
本发明通过湿法腐蚀剥离蓝宝石衬底制备垂直结构LED的方法的步骤如下：
[1]利用MOCVD外延生长***，在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层，所述氮化镓外延层从下到上依次是GaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、多量子阱层（MQW）和p-GaN层。
[2]通过光刻和感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，刻蚀氮化镓外延层，刻蚀深度2～5µm，通过控制光刻的条件，制备出具有倾斜侧壁的mesa平台。
[3]在整个外延片表面沉积一层800~1500nm厚的保护层，该保护层可以为绝缘层SiO2或SiN。如果步骤[2]中所述刻蚀深度小于2µm，倾斜侧壁范围较小，在后续湿法腐蚀中保护效果不好；如果刻蚀深度大于5µm，保护层覆盖不致密。所述保护层的厚度是针对步骤[2]中刻蚀深度所设定的，当保护层厚度小于800nm，侧壁覆盖不好；当保护层厚度大于1500nm，生长工艺时间加长，成本增加。
[4]在mesa台面过道中间用激光切割氮化镓外延层至蓝宝石衬底，然后用250℃的热酸清洗10～40min，使每一个LED芯片彼此分离开。
[5]用腐蚀溶液去除保护层，再在mesa台面过道处沉积一层200~500nm厚的金属牺牲层。该金属牺牲层可为铬，铝等金属。
[6]沉积一层500～1000nm厚的绝缘层，覆盖整个mesa过道及侧壁，形成侧壁保护层。缘层包括SiO2，SiN等绝缘介质膜。
[7]采用真空沉积技术在p-GaN接触层上蒸镀上一层反射电极层和一层电镀种子层。其中反射电极可以为Ni/Ag，Ni/Au+Al，ITO+Ag等；电镀种子层包括Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au等。
[8]用电镀技术电镀一层无应力的80~150µm厚的金属基板，该金属基板为镍。通过在电镀液中分别加入一定量的整平剂，湿润剂，以及NaCO3等使电镀得到无应力的金属镍基板。
[9]对金属Ni基板进行表面抛光处理。
[10] 对蓝宝石衬底进行研磨抛光至10~40µm厚，并用激光一次性将蓝宝石衬底面切穿。
[11] 接着用金属腐蚀溶液进行清洗，将200~500nm厚的金属牺牲层去除，漏出侧面的GaN层。
[12] 将上述结构浸入温度为60~90℃、浓度为4~8mol/L的KOH溶液中，进行对N极性面GaN进行湿法腐蚀2～3小时，使氮化镓外延层与蓝宝石衬底分离。
[13] 用ICP干法刻蚀去除表面的u-GaN层，并在n-GaN上用电子束蒸发制作n型电极。N型电极层包括，Cr-，Ti-，Cr/Al-, Ti/Al-结构等n型电极。
上述步骤[2]中具有倾斜侧壁的mesa平台，使步骤[6]侧壁保护层覆盖更致密，具有更好的保护效果，从而保证了步骤[12]中通过利用湿法腐蚀N极性GaN达到GaN外延层与蓝宝石衬底的分离。
实施例
如图1和图2所示，本发明的通过湿法腐蚀剥离蓝宝石蓝宝石衬底制备垂直结构LED的方法，具体制备过程如下：
[1]利用MOCVD外延生长***，在c面的图形化蓝宝石衬底1上生长GaN外延层2，外延层依次生长顺序为GaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、多量子阱层（MQW）和p-GaN层，整个GaN基外延层厚度应大于6µm。如图2a所示。
[2]通过光刻和感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，刻蚀蓝宝石衬底上的氮化镓外延层（即GaN外延层2），刻蚀深度3.2µm，通过调节光刻条件控制其侧壁倾斜角为40～70度。
[3]在整个外延片表面利用PEVCD沉积一层500nm厚的绝缘保护层，绝缘层为SiO2。作为后面激光切割后热酸清洗时表面GaN的保护层。如图2b所示。
[4]在mesa台面过道中间用激光切割氮化镓外延层至蓝宝石衬底，然后用250℃的热酸清洗25min，使每一个LED芯片彼此分离开。该热酸的组分为硫酸：磷酸=1：3。
[5]用BOE溶液去除SiO2绝缘层，再在mesa台面过道处沉积一层200~500nm厚的金属牺牲层。该金属牺牲层为铝。该金属牺牲层覆盖住过道中间的蓝宝石衬底。
[6]利用PECVD设备沉积一层1000nm厚的SiO2绝缘层，覆盖整个mesa过道，上述金属牺牲层及侧壁，形成侧壁保护层3。
[7]采用电子束蒸发技术在p-GaN接触层上蒸镀上一层反射电极层4，用磁控溅射蒸镀一层电镀种子层。其中反射电极为ITO+Ni/Ag；电镀种子层为Ti/Au。
[8]用电镀技术电镀一层应力极低的150µm厚的金属基板5，该金属基板为镍。通过在电镀液中分别加入适量的整平剂，湿润剂，以及NaCO3等使电镀得到的金属镍基板为无应力基板。
[9]对金属镍基板进行表面抛光处理，使其表面高度差在5µm以内，抛光后的Ni基板的厚度为80µm。
[10] 对蓝宝石衬底进行研磨抛光至20µm厚，无应力的镍基板保证抛光后的样品平整不弯曲，再用激光切割设备一次性将蓝宝石衬底面切穿。
[11] 接着用KOH溶液进行清洗，清洗时间为1～2min，将步骤[5]中的金属牺牲层Al去除，漏出侧面的GaN层。如图2c和图2d所示。
[12] 将片子浸入温度为80℃、浓度为6mol/L的KOH溶液中，对N极性面GaN进行湿法腐蚀3小时，使GaN外延层与蓝宝石衬底分离。如图2e所示。
[13] 用ICP干法刻蚀去除表面的u-GaN层，并在n-GaN上用电子束蒸发N型欧姆接触电极即 n型电极层6。该欧姆接触电极采用Cr/Al/Ti/Au。如图2f所示（图为倒置，最终芯片最上层为n型电极层6）。
本发明所述的湿法腐蚀剥离蓝宝石衬底的方法可以用于制备垂直结构LED。通过切割氮化镓外延层、热酸清洗，释放氮化镓应力；电镀无应力的镍基板，抛光金属基板；制备倾斜氮化镓侧壁，金属牺牲层，侧壁保护层；蓝宝石衬底抛光，一次性切割，腐蚀N极性面氮化镓等关键步骤实现蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离。本发明的方法不会影响GaN有源层的晶体质量，从而可以保证垂直结构LED的发光效率。
Claims (8)
1.基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
[1] 提供一蓝宝石衬底，然后在该衬底上生长氮化镓外延层，氮化镓外延层包括GaN缓冲层、u-GaN层，n-GaN层、有源区和p-GaN层；
[2] 利用光刻及干法刻蚀刻蚀出mesa平台；
[3] 制备一层激光切割保护层，利用激光切割氮化镓外延层，再用热酸清洗使各个LED芯片独立；
[4] 去除激光切割保护层后，沉积金属牺牲层，侧壁保护层；
[5] 沉积反射电极层和电镀种子层；
[6] 在电镀种子层上电镀金属基板，并对该金属基板进行表面抛光处理；
[7] 对蓝宝石衬底进行研磨抛光处理，用激光将蓝宝石衬底切穿；
[8] 用酸或碱溶液进行清洗，将步骤[4]中的金属牺牲层去除，露出侧面氮化镓；
[9] 将上述结构放置于热酸或热碱溶液中，通过湿法腐蚀，使氮化镓外延层与蓝宝石衬底分离，从而使氮化镓外延层转移到了电镀金属基板上，表面的氮化镓为N极性面的u-GaN；
[10]去除N极性面的u-GaN，露出N极性面的n-GaN，然后在N极性面的n-GaN上制作N型欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[1]中所述衬底为蓝宝石衬底，所述氮化镓外延层从下往上依次包括缓冲层、u-GaN层，n-GaN层、有源区和p-GaN层。
3.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[2]中所述mesa平台，需刻蚀至n-GaN，并且所述mesa平台是具有倾斜侧壁的，所述mesa平台是通过控制光刻条件制备获得。
4.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[3]中所述的激光切割保护层为SiO2或SiN绝缘层；步骤[3]中所述的激光切割氮化镓外延层需要切割至蓝宝石衬底；所述热酸为220℃～280℃的HPO3和H2SO4混合热酸，清洗时间为10～40min；热酸腐蚀激光切割后的过道，使过道宽度增加5～10μm，从而使各个LED芯片独立。
5.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[4]中所述金属牺牲层是沉积在具有倾斜侧壁的mesa台面过道处，以覆盖过道中露出的蓝宝石衬底；所述金属牺牲层为金属铬或铝；步骤[4]中所述侧壁保护层，覆盖整个具有倾斜侧壁的mesa过道，上述金属牺牲层及侧壁。
6.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[5]中所述反射电极为Ni/Ag，Ni/Au+Al，或ITO+Ag；步骤[5]中所述电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，或Cr/Pt/Au。
7.根据权利要求1所述的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED的制备方法，其特征在于步骤[6]中所述金属基板是通过调节电镀添加剂含量来实现金属基板的应力调控，所述的金属基板应具备无应力，良好支撑性。
8.由权利要求1所述制备方法制得的基于应力调控电镀和衬底转移的氮化物LED，其特征在于从下到上依次包括金属基板、电镀种子层、反射电极层、侧壁保护层、具有倒梯形结构的GaN外延层，和n型电极层；所述金属基板为金属镍，厚度为80μm，所述金属基板是通过调节电镀添加剂含量来实现金属基板的应力调控，所述的金属基板应具备无应力；所述电镀种子层结构为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au中的一种，电镀种子层的厚度为200nm～10um；所述电镀种子层的面积等于金属基板的面积；所述反射电极层为Ni/Ag或Ni/Au+Al或ITO+Ag，所述反射电极层厚度为150nm～500nm，反射电极的面积小于电镀种子层的面积；所述GaN侧壁保护层为绝缘层SiO2或SiN，其厚度范围为800~1500nm,侧壁保护层覆盖住GaN外延层侧壁；所述GaN外延层的结构从下到上依次包括p-GaN层、有源区和n-GaN层；所述GaN外延层的厚度为2～4μm；倒梯形状的GaN外延层的侧壁倾斜角为40～70度；所述的倒梯形状的GaN外延层最表层的n-GaN层是N极性氮化镓；所述n型电极层为Cr-，Ti-，Cr/Al-, Ti/Al-结构；电极厚度范围为500nm～1500nm。
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