專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管的芯片及其制造方法，特別涉及一種用集成機(jī)械研 磨、化學(xué)機(jī)械拋光和濕法腐蝕剝離方法制造的發(fā)光二極管芯片及其制造工藝。
背景技術(shù)：
GaN基藍(lán)光、藍(lán)綠光發(fā)光二極管(LED)廣泛應(yīng)用在儀表指示燈、大尺寸LED背光源、 電子廣告牌以及各種照明設(shè)備中。由于GaN晶體結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)條件等方面的限制，生長(zhǎng)GaN基 LED外延層時(shí)，主要選擇藍(lán)寶石作為襯底。由于藍(lán)寶石的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率差，導(dǎo)致GaN基LED 制作工藝復(fù)雜、散熱差、壽命短，因此限制了高亮度LED的應(yīng)用。水平電極結(jié)構(gòu)的GaN基LED 芯片因?yàn)镻電極檔光，η面上有源區(qū)被刻蝕掉，ρ電極制作復(fù)雜，因此很難進(jìn)一步提高LED的 發(fā)光功率和效率。為了解決這些問(wèn)題，美國(guó)Cree公司提出了采用SiC作為襯底的上下電極 結(jié)構(gòu)的GaN基LED，通過(guò)η面出光，有效的解決了散熱和檔光的問(wèn)題，而且垂直電導(dǎo)有利于載 流子的注入，提高載流子的復(fù)合效率。但是SiC比藍(lán)寶石襯底貴，而且加工也更加困難，因 此制約了其推廣使用。當(dāng)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片承受的功率達(dá)到3 5W時(shí)，必須要?jiǎng)冸x掉直徑為50mm(更大 直徑為75mm、100mm)的藍(lán)寶石襯底，這樣有利于芯片的散熱。日本的Nichia公司和德國(guó)的 Osram公司分別推出了激光剝離藍(lán)寶石襯底，制備垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片技術(shù)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù) 有效了解決了散熱和出光問(wèn)題，在η面上可以制備微結(jié)構(gòu)，提高光提取效率，同時(shí)可以重復(fù) 利用藍(lán)寶石。采用激光剝離技術(shù)和鍵合技術(shù)相結(jié)合可以將GaN基LED外延層轉(zhuǎn)移到其它高 電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率的襯底上(如Si、Cu和Al等材料)，從而消除藍(lán)寶石襯底對(duì)GaN基LED帶 來(lái)的不利影響，但是該技術(shù)存在如下問(wèn)題(1)采用激光剝離藍(lán)寶石襯底容易對(duì)GaN基LED 外延層造成損傷，影響LED的光性能和電性能。(2)采用激光剝離藍(lán)寶石襯底的工藝過(guò)程中 產(chǎn)生的溫度非常高，而且晶圓鍵合層距離藍(lán)寶石襯底和GaN的界面僅幾微米，因此鍵合層 將受到影響(如重新熔化)。(3)激光剝離技術(shù)與舊制程不兼容，設(shè)備昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種發(fā)光二極管芯片及其制造 方法。采用集成機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光和濕法腐蝕剝離方法制造的發(fā)光二極管芯片。本 發(fā)明的發(fā)光二極管芯片包括高熱導(dǎo)率的襯底、鍵合材料層、反射層、透明導(dǎo)電層和發(fā)光二 極管外延層，其特征在于高熱導(dǎo)率材料作為垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片(LED)的支撐襯底， 支撐襯底上面為鍵合材料層，其材料為導(dǎo)電聚合物，鍵合材料層上面是反射層，其材料為Al 或Ag或Pt，反射層上面為透明導(dǎo)電層，其材料為ITO或ATO或ZnO，透明導(dǎo)電層上為發(fā)光二 極管外延層，發(fā)光二極管外延層上面是η面歐姆接觸電極，該歐姆接觸電極逐層為T(mén)i/Al/ Ti/Au 或 Cr//Pt/Au 或 Ti/Al/Pt/Au。本發(fā)明的發(fā)光二極管芯片的制造方法包括下列工藝步驟(1)將藍(lán)寶石襯底LED外延片在標(biāo)準(zhǔn)溶液中清洗
(2)在藍(lán)寶石襯底LED外延片上蒸鍍透明導(dǎo)電層；(3)在透明電極上蒸鍍A1或Ag或Pt作為反射層；(4)在反射層上涂敷鍵合材料層；(5)通過(guò)鍵合材料層將藍(lán)寶石襯底發(fā)光二極管芯片外延片鍵合到高熱導(dǎo)率的襯底 上；(6)剝離藍(lán)寶石襯底；(7)采用電感耦合等離子體或反應(yīng)離子刻蝕n-GaN、有源層和p_GaN ；(8)采用K0H溶液將未摻雜的GaN層刻蝕掉，并對(duì)n_GaN表面進(jìn)行粗化；(9)蒸鍍n面電極到經(jīng)過(guò)表面粗化后的n-GaN層，形成歐姆接觸電極。其中工藝步 驟(6)剝離藍(lán)寶石襯底首先采用機(jī)械研磨將400um的藍(lán)寶石襯底減薄至60 80um，接著 通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光將藍(lán)寶石襯底減薄至5 10um，然后采用濕法腐蝕去除剩余的藍(lán)寶石襯 底。采用一種機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和濕法腐蝕相結(jié)合剝離藍(lán)寶石襯底制造 垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的工藝，以提高散熱效率及LED芯片的綜合性能。該制造工藝為在芯片 的p-GaN面上采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)形成透明導(dǎo)電層和反射層，然后在反射層上涂敷鍵 合材料層。P-GaN面的透明導(dǎo)電層為ITO或ATO或ZnO，反射層為A1或Ag或Pt，鍵合材料 層為導(dǎo)電聚合物，接著將藍(lán)寶石襯底LED外延片鍵合到高熱導(dǎo)率襯底上，然后采用機(jī)械研 磨、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和濕法腐蝕相結(jié)合剝離藍(lán)寶石襯底，采用電感耦合等離子體(ICP) 或反應(yīng)離子刻蝕(RIE) n-GaN、有源層和p_GaN，用K0H溶液將未摻雜的GaN層刻蝕掉，并對(duì) n-GaN表面進(jìn)行粗化，在n面上制備歐姆接觸電極。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.采用機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和濕法腐蝕相結(jié)合剝離藍(lán)寶石襯底制造垂 直結(jié)構(gòu)LED芯片，避免了采用激光剝離藍(lán)寶石襯底對(duì)GaN基LED外延層和鍵合層造成的損 傷。2.采用高熱導(dǎo)率材料作為襯底提高了散熱效率和LED芯片的綜合性能。3.反射層提高了芯片的出光效率。4.采用垂直電極結(jié)構(gòu)有效的解決了散熱和檔光的問(wèn)題，而且垂直電導(dǎo)有利于載流 子的注入，提高載流子的復(fù)合效率。


圖1機(jī)械研磨、CMP和濕法腐蝕相結(jié)合剝離藍(lán)寶石襯底制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的 橫截面圖；圖2藍(lán)寶石襯底LED外延片的橫截面圖；圖3藍(lán)寶石襯底LED外延片上制作透明導(dǎo)電層、反射層和鍵合材料層的橫截面4藍(lán)寶石襯底LED外延片鍵合到高熱導(dǎo)率襯底上的橫截面圖；圖5對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行機(jī)械研磨后的橫截面圖；圖6對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后的橫截面圖；圖7對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行濕法腐蝕后的橫截面圖；圖8對(duì)GaN基LED外延片進(jìn)行電感耦合等離子體(ICP)刻蝕后的橫截面圖9對(duì)n面進(jìn)行表面粗化處理，并蒸鍍歐姆接觸電極后的橫截面圖。圖中100襯底、101鍵合材料層、102反射層、103透明導(dǎo)電層、104p_GaN層、105有 源層、106n-GaN層、107歐姆接觸電極、108藍(lán)寶石襯底。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用高熱導(dǎo)率材料作為垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管(LED)芯片的支撐襯底100， 高熱導(dǎo)率襯底100上面為鍵合材料層101，其材料為導(dǎo)電聚合物，鍵合材料層101上面是反 射層102，其材料為A1或Ag或Pt，反射層102上面為透明導(dǎo)電層103，其材料為IT0或AT0 或ZnO，透明導(dǎo)電層103上面為p-GaN層104，p_GaN層104上面為有源層105，有源層105 上面為n-GaN層106，n-GaN層106上面是歐姆接觸電極107，該歐姆接觸電極107逐層為 Ti/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au。芯片的p面上制作透明導(dǎo)電層103和反射層 102，然后在反射層102上涂敷鍵合材料層101，接著將GaN基LED外延片鍵合在具有高熱導(dǎo) 率的襯底100上，然后剝離藍(lán)寶石襯底108，ICP刻蝕GaN基LED外延片，在n面制備歐姆接 觸電極。參見(jiàn)圖1，根據(jù)本發(fā)明制備在高熱導(dǎo)率襯底100上的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的結(jié)構(gòu)和 特點(diǎn)。高熱導(dǎo)率材料作為垂直結(jié)構(gòu)LED的襯底100。高熱導(dǎo)率襯底100上面為鍵合材料層 101、反射層102和透明導(dǎo)電層103，反射層材料為A1或Ag或Pt，厚度為lOOnm，反射層使得 透過(guò)透明導(dǎo)電層103的光子反射到出光面n-GaN層106。GaN基LED外延片包含厚度為0.2um的p-GaN層104、厚度為0. lum的多量子阱有 源層105和厚度為4um的n-GaN層106，采用K0H溶液對(duì)n-GaN層進(jìn)行表面粗化處理，提高 光提取效率。n-GaN層上面是歐姆接觸電極107，其結(jié)構(gòu)為T(mén)i/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/ Pt/Au，厚度為 200 2000nm。參見(jiàn)圖2 圖9，具體說(shuō)明工藝實(shí)施的步驟(1)將藍(lán)寶石襯底LED外延片(圖2)在標(biāo)準(zhǔn)溶液中清洗。首先將LED樣品浸入 HCL溶液中處理1分鐘，接著在沸騰的王水中處理10分鐘，然后在去離子水中清洗；(2)采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)在p-GaN層104上蒸鍍透明導(dǎo)電層103，該透明導(dǎo)電 層為IT0或AT0或ZnO，厚度為390nm ；(3)在透明導(dǎo)電層103上蒸鍍A1或Ag或Pt作為反射層102，反射層102的厚度 為lOOnm，該反射層102可將射向p_GaN層104的光反射到出光面n_GaN層106 ；(4)在反射層102上涂敷鍵合材料層101 ；(5)通過(guò)鍵合材料層101將LED外延片鍵合到高熱導(dǎo)率襯底100上；(6)剝離藍(lán)寶石襯底采用機(jī)械研磨將400um的藍(lán)寶石襯底108減薄至60 80um， 接著通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或改進(jìn)型CMP將藍(lán)寶石襯底減薄至5 10um，然后采用濕法 腐蝕去除剩余的藍(lán)寶石襯底108。濕法腐蝕選用的溶液為硫酸(H2S04)和磷酸(H3P04)的混 合溶液，硫酸(H2S04)和磷酸(H3P04)的質(zhì)量比為2 1，濕法腐蝕的溫度為270°C ；(7)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體(ICP)刻蝕n-GaN層106、有源 層 105 和 p-GaN 層 104 ；
(8)采用K0H溶液將未摻雜的GaN層刻蝕掉，并對(duì)n-GaN 106表面進(jìn)行粗化，使用 H2S04/H202/H20 溶液清洗 n-GaN 106 表面；(9)蒸鍍n面歐姆接觸電極107到經(jīng)過(guò)表面粗化后的n-GaN層106，形成歐姆接觸 電極。電極的材料結(jié)構(gòu)逐層為T(mén)i/Al/Ti/Au或Cr//Pt/Au或Ti/Al/Pt/Au，厚度為200 2000nm。
權(quán)利要求
一種發(fā)光二極管芯片，包括高熱導(dǎo)率的襯底、鍵合材料層、反射層、透明導(dǎo)電層和發(fā)光二極管外延層，其特征在于高熱導(dǎo)率材料作為垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的支撐襯底，支撐襯底上面為鍵合材料層，鍵合材料層上面是反射層，反射層上面為透明導(dǎo)電層，透明導(dǎo)電層上為發(fā)光二極管外延層，發(fā)光二極管外延層上面是n面電極。
2.權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下工藝步驟(1)將藍(lán)寶石襯底發(fā)光二極管外延片在標(biāo)準(zhǔn)溶液中清洗；(2)在藍(lán)寶石襯底LED外延片上蒸鍍透明導(dǎo)電層；(3)在透明導(dǎo)電層上蒸鍍反射層；(4)在反射層上涂敷鍵合材料層；(5)通過(guò)鍵合材料層將藍(lán)寶石襯底發(fā)光二極管芯片外延片鍵合到高熱導(dǎo)率的襯底上；(6)剝離藍(lán)寶石襯底；(7)采用電感耦合等離子體或反應(yīng)離子刻蝕n-GaN、有源層和ρ-GaN；(8)采用KOH溶液將未摻雜的GaN層刻蝕掉，并對(duì)n-GaN表面進(jìn)行粗化；(9)蒸鍍?chǔ)敲骐姌O到經(jīng)過(guò)表面粗化后的n-GaN層，形成歐姆接觸電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述工藝步驟(6) 剝離藍(lán)寶石襯底首先采用機(jī)械研磨將400um的藍(lán)寶石襯底減薄至60 80um，接著通過(guò)化學(xué) 機(jī)械拋光將藍(lán)寶石襯底減薄至5 10um，然后采用濕法腐蝕去除剩余的藍(lán)寶石襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述濕法腐蝕選用 的溶液為硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸和磷酸的質(zhì)量比為2 1，濕法腐蝕的溫度為270°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述鍵合材料層為 導(dǎo)電聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述反射層為Al或 Ag 或 Pt。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述反射層的厚度 為 IOOnm0
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述透明導(dǎo)電層為 ITO 或 ATO 或 ZnO，厚度為 390nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述歐姆接觸電 極的材料結(jié)構(gòu)逐層為T(mén)i/Al/Ti/Au或Cr/VPt/Au或Ti/Al/Pt/Au，多層結(jié)構(gòu)的總厚度為 200-2000nm。
全文摘要
發(fā)光二極管芯片及其制造方法，高熱導(dǎo)率材料作為L(zhǎng)ED芯片的支撐襯底，支撐襯底上依次為鍵合材料層、反射層、透明電極層、外延層、n面電極，其制造方法為藍(lán)寶石襯底GaN外延片上蒸鍍透明導(dǎo)電層；在導(dǎo)電層上蒸鍍反射層；在反射層上涂敷鍵合材料層，將藍(lán)寶石襯底GaN外延片鍵合到襯底上；用機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、濕法腐蝕相結(jié)合去除藍(lán)寶石襯底；采用電感耦合等離子體刻蝕n-GaN、有源層和p-GaN，用氫氧化鉀溶液將未摻雜的GaN層刻蝕掉，并對(duì)n-GaN表面進(jìn)行粗化；蒸鍍n面電極到n-GaN層，形成歐姆接觸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是避免了采用激光剝離藍(lán)寶石襯底對(duì)GaN基LED外延層和鍵合層造成的損傷，同時(shí)利用高熱導(dǎo)率襯底提高散熱效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101872813SQ200910049930
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者劉勝, 周圣軍, 汪沛, 甘志銀 申請(qǐng)人:劉勝