CN111725361A - 亚微米垂直结构深紫外led制备工艺以及其制成的深紫外led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了亚微米垂直结构深紫外LED制备工艺，制备工艺通过金属键合工艺，将原始晶圆和新硅衬底结合在一起，然后采用研磨抛光技术剥离蓝宝石衬底，去除缓冲层和u‑AlGaN层，并减薄n‑AlGaN层，器件厚度从d 0 减薄至d 1 (d 1 小于1微米)，最后沉积电极，实现亚微米垂直结构深紫外LED。该器件结构能同时提升器件的出光效率和响应速率。
Description
技术领域
本发明涉及光通信、照明、显示技术领域，特别是涉及亚微米垂直结构深紫外LED制备工艺以及其制成的深紫外LED。
背景技术
深紫外LED在军事、民用等领域有广阔的应用前景，但是存在发光效率低的世界性难题。超薄垂直结构LED能够抑制器件内部的波导模式、减小材料缺陷引起的光电损耗、降低电子传输产生的热效应、提升器件的注入效率和响应速率。目前，深紫外LED结构主要通过外延生长在蓝宝石衬底上。依据现有的技术手段，很难通过激光剥离的方法将外延层和蓝宝石衬底分离，获得深紫外垂直结构LED。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种针对传统深紫外LED出光效率低的世界难题，提出垂直结构深紫外LED，抑制器件内波导模式，减少材料缺陷引起的光电损耗，提升器件出光效率和响应速率。针对深紫外LED晶圆难以激光剥离衬底的难题，提出晶圆键合、磁流变抛光减薄技术和氮化物无掩膜刻蚀的技术路线，将衬底剥离，去除缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层，研制出亚微米垂直结构深紫外LED。
本发明所采用的技术方案是：亚微米垂直结构深紫外LED制备工艺，包括如下步骤：
S1.选取蓝宝石深紫外LED晶圆和新硅衬底
蓝宝石深紫外LED晶圆包括依次设置的蓝宝石衬底、缓冲层、u-AlGaN层、n-AlGaN层、量子阱层、p-GaN和P电极；
S2.金属键合
在新硅衬底上沉积In，在蓝宝石深紫外LED晶圆的P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属；
随后将蓝宝石深紫外LED晶圆上沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底上沉积了In金属的一面进行金属键合；
S3. 蓝宝石衬底减薄
通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
S4.采用磁流变抛光减薄工艺去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
进一步地，所述制备工艺在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S5和步骤S6：
S5. N电极沉积
先将磁流变抛光减薄工艺获得产品的n-AlGaN层上沉积新的N电极；
S6. 研磨抛光减薄新硅衬底以及P电极沉积
先进行研磨抛光减薄新硅衬底，再沉积新的P电极，获得亚微米垂直结构深紫外LED一。
进一步地，与步骤S5和步骤S6所不同的是，所述制备工艺在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S7和步骤S8：
S7. 刻蚀外延层
先将磁流变抛光减薄工艺获得的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层、量子阱层、p-GaN至Ti/Pt/Au金属层；
S8.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极，最后获得亚微米垂直结构深紫外LED二。
一种亚微米垂直结构深紫外LED一，由蓝宝石深紫外LED晶圆和新硅衬底制成，其中：
蓝宝石深紫外LED晶圆包括依次设置的蓝宝石衬底、缓冲层、u-AlGaN层、n-AlGaN层、量子阱层、p-GaN和P电极；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆的P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In金属；
随后蓝宝石深紫外LED晶圆沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b.金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层、并且减薄n-AlGaN层；
c. 电极沉积
先在n-AlGaN层上沉积新的N电极；
随后再进行研磨抛光减薄新硅衬底；
最后在新硅衬底上沉积新的P电极，获得亚微米垂直结构深紫外LED。
该种亚微米垂直结构深紫外LED的金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
另外一种亚微米垂直结构深紫外LED二，由蓝宝石深紫外LED晶圆和新硅衬底制成，其中蓝宝石深紫外LED晶圆包括依次设置的蓝宝石衬底、缓冲层、u-AlGaN层、n-AlGaN层、量子阱层、p-GaN和P电极；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In后进行金属键合；
蓝宝石深紫外LED晶圆了沉积Ti/Pt/Au金属一面与新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b. 金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层、并且减薄n-AlGaN层；
c. 刻蚀外延层
减薄处理后的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层、量子阱层、p-GaN至Ti/Pt/Au金属层；
d.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极，制得亚微米垂直结构深紫外LED二。
进一步地，步骤b金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将原始蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b2再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.垂直结构深紫外LED能抑制器件内波导模式，减少材料缺陷引起的光电损耗，提升器件出光效率和响应速率。
2.解决了深紫外LED晶圆难以衬底的难题，提出晶圆键合、机械研磨抛光剥离蓝宝石衬底能解决激光难以剥离深紫外LED外延层的技术瓶颈。
3.磁流变抛光减薄能够克服化学机械抛光技术(CMP)带来的厚度不均匀问题。
综上所述，本发明采用晶圆键合和衬底剥离减薄的技术方案，制成亚微米垂直结构深紫外LED。首先通过金属键合工艺，将原始晶圆和新硅衬底结合在一起，然后采用研磨抛光技术剥离蓝宝石衬底，去除缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层，器件厚度从d0减薄至d1 (d1小于1微米)，最后沉积电极制成亚微米垂直结构深紫外LED。由此制得的深紫外LED能同时提升器件的电注入效率、出光效率和响应速度、散热性能。
附图说明
图1为亚微米垂直结构深紫外LED一30制备工艺流程；
图2为一种亚微米垂直结构深紫外LED一30实施例的结构图；
图3为另一种亚微米垂直结构深紫外LED二40实施例的结构图；
图4为另一种亚微米垂直结构深紫外LED二40实施例的制备工艺流程；
图5为金属键合后的复合晶圆结构在20微米的电镜图；
其中：10-蓝宝石深紫外LED晶圆，11-蓝宝石衬底，12-缓冲层，13-u-AlGaN层，14-n-AlGaN层，15-量子阱层,16- p-GaN,17-P电极；
30-亚微米垂直结构深紫外LED一，40-亚微米垂直结构深紫外LED二，50-金属键合层，60-新的P电极，70-新的N电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。
如图1所示，亚微米垂直结构深紫外LED制备工艺，包括如下步骤：
S1.选取蓝宝石深紫外LED晶圆10和新硅衬底20
蓝宝石深紫外LED晶圆10包括依次设置的蓝宝石衬底11、缓冲层12、u-AlGaN层13、n-AlGaN层14、量子阱层15、p-GaN16和P电极17；
S2.金属键合
在新硅衬底上沉积In，在蓝宝石深紫外LED晶圆的P电极17面上沉积Ti/Pt/Au金属；
随后将蓝宝石深紫外LED晶圆上沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底上沉积了In金属的一面进行金属键合，形成金属键合层50，金属键合层也可以叫键合金属层，其电镜图如图3所示；
S3. 蓝宝石衬底11减薄
通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底11减薄至200±10微米（图1所示d0）；
S4.采用磁流变抛光减薄工艺去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层，得到图1所示的d1。
步骤S4采用磁流变抛光减薄工艺时，使用磁流变液产生磁流变效应进行抛光。具体地磁流变液由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液。抛光时产生磁流变效应，磁流变效应是磁流变液在不加磁场时是可流动的液体，而在强磁场的作用下，其流变特性发生急剧的转变，表现为类似固体的性质，撤掉磁场时又恢复其流动特性的现象。
磁流变抛光技术，正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。更为具体地说，磁流变液在磁场作用下，在抛光区范围内形成的一定硬度的“小磨头”来代替散粒磨料抛光过程中的刚性抛光盘。
在施加外磁场的作用下，磁流变液***，其黏度变大，并且“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制，而影响抛光区域作用效果的其他因素都固定不变，这样既能通过控制抛光区的大小和形状，又能确保在一定磁场强度下抛光区的稳定性，这些优点是传统的刚性抛光盘无法比拟的。磁流变抛光方法的特点如下： ① 适用于抛光任何几何形状的光学零件； ② 加工速度快，效率高； ③ 加工精度高，加工表面粗糙度可达纳米级； ④ 不存在工具磨损问题； ⑤ 抛光碎片及抛光热及时被带走，避免影响加工精度； ⑥ 不产生下表面破坏层； ⑦ 无需专用工具和特殊机构。故而使用磁流变抛光技术，可以很好地将蓝宝石深紫外LED晶圆10的蓝宝石衬底剥离，去除缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层，进而制得亚微米垂直结构深紫外LED。
更优先实施例是的制备工艺在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S5和步骤S6：
S5. N电极沉积
先将磁流变抛光减薄工艺获得产品的n-AlGaN层上沉积新的N电极；
S6. 研磨抛光减薄新硅衬底以及P电极沉积
先进行研磨抛光减薄新硅衬底，再沉积新的P电极，获得亚微米垂直结构深紫外LED一30,如图1和图2所示。
如图3和图4所示，与在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S5和步骤S6所的实施例不同的是，所述制备工艺在步骤S4执行完毕之后，还可以继续执行步骤S7和步骤S8：
S7. 刻蚀外延层
先将磁流变抛光减薄工艺获得的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层14、量子阱层15、p-GaN16至Ti/Pt/Au金属层；
S8.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极n-Electrod，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极p-Electrod，最后获得亚微米垂直结构深紫外LED二40，参照图3和4图所示。
如图2所示，亚微米垂直结构深紫外LED一30，由蓝宝石深紫外LED晶圆10和新硅衬底20制成，其中：
蓝宝石深紫外LED晶圆10包括依次设置的蓝宝石衬底11、缓冲层12、u-AlGaN层13、n-AlGaN层14、量子阱层15、p-GaN16和P电极17；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆10的P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In金属；
随后蓝宝石深紫外LED晶圆10沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b.金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底11、缓冲层12和u-AlGaN层13、并且减薄n-AlGaN层14；
c. 电极沉积
先在n-AlGaN层14上沉积新的N电极；
随后再进行研磨抛光减薄新硅衬底；
最后在新硅衬底上沉积新的P电极，获得亚微米垂直结构深紫外LED30。
金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b2再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
如图3所示，亚微米垂直结构深紫外LED二40，由蓝宝石深紫外LED晶圆10和新硅衬底20制成，其中蓝宝石深紫外LED晶圆10包括依次设置的蓝宝石衬底11、缓冲层12、u-AlGaN层13、n-AlGaN层14、量子阱层15、p-GaN16和P电极17；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆10P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In后进行金属键合；
蓝宝石深紫外LED晶圆10了沉积Ti/Pt/Au金属一面与新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b. 金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底11、缓冲层12和u-AlGaN层13、并且减薄n-AlGaN层14；
c. 刻蚀外延层
减薄处理后的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层14、量子阱层15、p-GaN16至Ti/Pt/Au金属层；
d.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极，制得亚微
米垂直结构深紫外LED二40，制得的亚微米垂直结构深紫外LED二40的发光波
长大于器件
厚度d1，参照图3和4图所示。
步骤b金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将原始蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b2再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底11、缓冲层12和u-AlGaN层13，并减薄n-AlGaN层14。
名词解释：本说明书以及附图中：p-GaN与p型GaN相同，均指p型镓氮；MQW为 量子阱；n-ALGaN与n型ALGaN指示的相同，均指n型铝镓氮；u-ALGaN与u型ALGaN指示的相同，均指非参杂铝镓氮；buffer layer也是指缓冲层；Emitted light，反射光线；Incident light，入射光线，p-elcetrode、p-Elcetrode和p-电极为P电极，n-elcetrode、n-Elcetrode为N电极，Bonding metal、键合金属层（图5所示）为金属键合层，Silicon为新硅衬底，Sapphire为蓝宝石衬底。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.亚微米垂直结构深紫外LED制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1.选取蓝宝石深紫外LED晶圆（10）和新硅衬底（20）
蓝宝石深紫外LED晶圆（10）包括依次设置的蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）、u-AlGaN层（13）、n-AlGaN层（14）、量子阱层（15）、p-GaN（16）和P电极（17）；
S2.金属键合
在新硅衬底上沉积In，在蓝宝石深紫外LED晶圆的P电极(17)面上沉积Ti/Pt/Au金属；
随后将蓝宝石深紫外LED晶圆上沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底上沉积了In金属的一面进行金属键合，形成金属键合层（50）；
S3. 蓝宝石衬底（11）减薄
通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底（11）减薄至200±10微米 ；
S4.采用磁流变抛光减薄工艺去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S5和步骤S6：
S5. N电极沉积
先将磁流变抛光减薄工艺获得产品的n-AlGaN层上沉积新的N电极（60）；
S6. 研磨抛光减薄新硅衬底以及P电极沉积
先进行研磨抛光减薄新硅衬底，再沉积新的P电极（70），获得亚微米垂直结构深紫外LED一（30）。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺在步骤S4执行完毕之后，继续执行步骤S7和步骤S8：
S7. 刻蚀外延层
先将磁流变抛光减薄工艺获得的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层（14）、量子阱层（15）、p-GaN（16）至Ti/Pt/Au金属层；
S8.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极，最后获得亚微米垂直结构深紫外LED二（40）。
4.亚微米垂直结构深紫外LED一（30），其特征在于：由蓝宝石深紫外LED晶圆（10）和新硅衬底（20）制成，其中：
蓝宝石深紫外LED晶圆（10）包括依次设置的蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）、u-AlGaN层（13）、n-AlGaN层（14）、量子阱层（15）、p-GaN（16）和P电极（17）；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆（10）的P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In金属；
随后蓝宝石深紫外LED晶圆（10）沉积了Ti/Pt/Au金属的一面和新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b.金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）和u-AlGaN层（13）、并且减薄n-AlGaN层（14）；
c. 电极沉积
先在n-AlGaN层（14）上沉积新的N电极；
随后再进行研磨抛光减薄新硅衬底；
最后在新硅衬底上沉积新的P电极，获得亚微米垂直结构深紫外LED（30）。
5.根据权利要求4所述的亚微米垂直结构深紫外LED一，其特征在于：金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b2再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底、缓冲层和u-AlGaN层，并减薄n-AlGaN层。
6.亚微米垂直结构深紫外LED二（40），其特征在于：由蓝宝石深紫外LED晶圆（10）和新硅衬底（20）制成，其中蓝宝石深紫外LED晶圆（10）包括依次设置的蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）、u-AlGaN层（13）、n-AlGaN层（14）、量子阱层（15）、p-GaN（16）和P电极（17）；
所述亚微米垂直结构深紫外LED制作时至少包括如下步骤：
a.金属键合
蓝宝石深紫外LED晶圆（10）P电极面上沉积Ti/Pt/Au金属，新硅衬底沉积In后进行金属键合；
蓝宝石深紫外LED晶圆（10）了沉积Ti/Pt/Au金属一面与新硅衬底沉积了In金属的一面进行金属键合；
b. 金属键合后的产品进行减薄处理
b1.减薄处理先减薄蓝宝石衬底；
b2.再去除蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）和u-AlGaN层（13）、并且减薄n-AlGaN层（14）；
c. 刻蚀外延层
减薄处理后的产品在氮化物刻蚀设备上进行刻蚀外延层，外延层自n-AlGaN层（14）、量子阱层（15）、p-GaN（16）至Ti/Pt/Au金属层；
d.电极沉积
随后再分别在n-AlGaN层沉积新的N电极，在Ti/Pt/Au金属层沉积新的P电极，制得亚微米垂直结构深紫外LED二（40）。
7.根据权利要求6所述的亚微米垂直结构深紫外LED二，其特征在于：步骤b金属键合后的产品进行减薄处理时，步骤b1先通过机械研磨抛光将原始蓝宝石衬底减薄至200±10微米；
然后步骤b2再采用磁流变抛光减薄工艺，去除蓝宝石衬底（11）、缓冲层（12）和u-AlGaN层（13），并减薄n-AlGaN层（14）。
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