減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，包括光刻外延晶圓，形成LED器件第一臺面和第二臺面；在LED器件側(cè)壁形成鈍化層；蒸鍍p型反射歐姆電極及p型鍵合電極；在LED器件間的溝槽中制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)；將導(dǎo)電基板與外延晶圓進(jìn)行低溫金屬鍵合；采用固體激光器，以小束斑相互交疊逐點掃描剝離襯底；采用干法蝕刻減薄剝離襯底后的n-GaN層，去除剝離面至第二臺面之間n-GaN層以消除剝離損傷；去除側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)。本方法能夠減少剝離面及側(cè)壁由于激光剝離導(dǎo)致的損傷缺陷，降低LED器件側(cè)壁破損概率，有效遏制器件新生漏電通道的產(chǎn)生。
【專利說明】減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體工藝，尤其是一種避免激光剝離導(dǎo)致GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為大功率白光LED極具潛力的器件方案，GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED正得到業(yè)界的極大關(guān)注，開發(fā)相關(guān)的器件工藝一直是其研發(fā)的重心。在諸多尚待解決的難題當(dāng)中，至關(guān)重要的一項便是降低器件漏電。
[0003]眾所周知，GaN (氮化鎵)材料化學(xué)特性十分穩(wěn)定，不易與酸堿溶液反應(yīng)，只能使用有損的干法蝕刻制作器件。大量研究表明干法蝕刻形成的器件側(cè)壁存在表面缺陷，是造成器件漏電的主要來源之一；此外，外延材料內(nèi)部的電活性位錯也是導(dǎo)致漏電的另一主要來源。
[0004]有別于傳統(tǒng)側(cè)向結(jié)構(gòu)LED，垂直結(jié)構(gòu)LED需要剝離藍(lán)寶石襯底形成上下電極結(jié)構(gòu)，如附圖1所示。圖1是GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，包括η型焊墊電極(pad電極)1，n-GaN層(即η型GaN層)2，SiO2鈍化層3，量子阱區(qū)4，p-GaN層(即p型GaN層)5，p型反射歐姆電極6，P型鍵合電極7，基板鍵合電極8，導(dǎo)電基板9。目前相對成熟的工藝是采用激光剝離，即以單光子能量介于GaN和藍(lán)寶石帶隙的脈沖激光輻照藍(lán)寶石襯底面，導(dǎo)致生長界面處的GaN發(fā)生熱分解剝離襯底。該工藝雖然簡單高效，但受其作用機理所限，亦存在一些固有問題尚待解決:(I)作用時間極短Us量級)，瞬時產(chǎn)生的N2劇烈釋放形成爆炸沖擊，往往會對相對脆弱的側(cè)壁區(qū)域造成破壞，側(cè)壁及其表面鈍化層的破損都會形成新生的表面漏電通道；(2)剝離過程中劇烈的力學(xué)和熱學(xué)沖擊亦會在GaN剝離面產(chǎn)生大量的新生電活性缺陷。適用于激光剝離工藝的脈沖激光源有兩大類:準(zhǔn)分子氣體激光器和固體激光器，兩者掃描剝離方式的差異見附圖2，其中準(zhǔn)分子氣體激光器能量穩(wěn)定性差于固體激光器，研究表明GaN剝離面缺陷數(shù)量和損傷深度對脈沖激光剝離能量十分敏感，通常土 10%幅度的能量波動就可造成明顯的損傷差異。準(zhǔn)分子氣體激光器剝離束斑面積較大(Xmm2數(shù)量級)，遠(yuǎn)大于固體激光器剝離束斑面積(X IO2-1O4Mffl2數(shù)量級)，因此前者在剝離過程中的沖擊作用也遠(yuǎn)大于后者，產(chǎn)生損傷的幾率也較高。
[0005]綜上所述，如不在工藝方法上考慮避免上述負(fù)面效應(yīng)，將直接導(dǎo)致器件漏電的劣化，使得器件注入效率變低。因此，迫切需要開發(fā)一整套避免激光剝離損傷的新工藝，提升GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED器件的光電特性以及外觀良率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，能夠減少剝離面及側(cè)壁由于激光剝離導(dǎo)致的損傷缺陷，降低LED器件側(cè)壁破損概率，有效遏制器件新生漏電通道的產(chǎn)生。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，包括下述步驟: 步驟(I).首先提供一外延晶圓，該外延晶圓由藍(lán)寶石襯底面上依次生長n-GaN層、量子講區(qū)和p-GaN層構(gòu)成；
步驟(2).光刻外延晶圓，干法蝕刻外延晶圓的ρ-GaN層、量子阱區(qū)和部分n-GaN層，形成LED器件第一臺面；
步驟(3).繼續(xù)光刻外延晶圓，向襯底方向干法蝕刻剩余n-GaN層，形成LED器件第二臺面，第二臺面的底部達(dá)到襯底，第二臺面的外緣尺寸大于第一臺面的外緣尺寸；LED器件間為刻蝕后形成的溝槽；
步驟(4).在LED器件側(cè)壁形成鈍化層，鈍化層覆蓋第一臺面?zhèn)缺谝约暗谝慌_面?zhèn)缺诤晚敳拷Y(jié)合處；
步驟(5).隨后在外延晶圓的ρ-GaN層上依次蒸鍍P型反射歐姆電極及P型鍵合電極；步驟(6).在LED器件間的溝槽中制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋第一臺面和第二臺面?zhèn)缺?，高度高于第一臺面上P型鍵合電極，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)之間留有排氣通道；
步驟(7).采用低溫高壓鍵合工藝，溫度不高于側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)的耐受溫度，將導(dǎo)電基板上的基板鍵合電極與外延晶圓上的P型鍵合電極鍵合；
步驟(8).采用固體激光器，以小束斑相互交疊逐點掃描剝離襯底；
步驟(9).采用干法蝕刻減薄剝離襯底后的n-GaN層，終止位置超過第二臺面位置，將剝離面至第二臺面之間的剝離損傷層去除；
步驟(10).最后使用去膠液將側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)去除。
[0007]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，藍(lán)寶石襯底是雙面拋光襯底。
[0008]進(jìn)一步地，所述步驟⑵中，干法蝕刻方法為ICP刻蝕方法。
[0009]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，干法蝕刻方法為ICP刻蝕方法。
[0010]進(jìn)一步地，所述步驟(4)中，鈍化層為SiO2或Si3N4鈍化層，采用PEV⑶方法生長SiO2 或 Si3N4 形成。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟(6)中，制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)具體包括:將耐熱性好的光敏聚合物旋涂在外延晶圓表面，并填充LED器件之間的溝槽，光敏聚合物的高度高于第一臺面上P型鍵合電極，通過光刻定義光敏聚合物的覆蓋區(qū)域，光刻外延晶圓露出第一臺面上P型鍵合電極，并留出LED器件之間的排氣通道。光敏聚合物選用光刻膠SU8。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟(7)中，鍵合前先用等離子體表面預(yù)處理P型鍵合電極和導(dǎo)電基板上的基板鍵合電極表面。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟⑶中，激光掃描時的束斑面積為X IO2-1O4Mffl2數(shù)量級。激光掃描方式為往復(fù)線掃，螺旋線掃或同心圓掃描。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(10)中，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)去除后，還包括使用加熱KOH水溶液粗化減薄后的n-GaN層的步驟。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明能夠有效避免激光剝離導(dǎo)致GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED剝離面及側(cè)壁損傷，改善GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電，提高器件注入效率；減少LED器件邊緣破損發(fā)生的幾率，提升器件外觀質(zhì)量；且在工藝上易于實現(xiàn)、重復(fù)性高。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1為GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為兩種GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED激光剝離方法比較示意圖。
[0018]圖3為激光剝離對傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片側(cè)壁的損傷示意圖。
[0019]圖4為激光剝離對雙臺面垂直結(jié)構(gòu)LED芯片側(cè)壁的損傷示意圖。
[0020]圖5為激光剝離對具有側(cè)壁緩沖保護(hù)雙臺面垂直結(jié)構(gòu)LED芯片側(cè)壁的損傷示意圖。
[0021]圖6為光刻形成LED器件第一臺面不意圖。
[0022]圖7為光刻形成LED器件第二臺面示意圖。
[0023]圖8為在LED器件側(cè)壁形成鈍化層示意圖。
[0024]圖9為蒸鍍P型反射歐姆電極及P型鍵合電極示意圖。
[0025]圖10為制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖11為外延晶圓與導(dǎo)電基板鍵合不意圖。
[0027]圖12為激光剝離襯底示意圖。
[0028]圖13為去除剝離損傷層示意圖。
[0029]圖14為去除側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖15為本發(fā)明工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0032]一種減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝流程如下述步驟所述:
步驟(I).首先提供一外延晶圓100，該外延晶圓100由雙面拋光藍(lán)寶石襯底101面上依次生長n-GaN層102、量子阱區(qū)104和p-GaN層105構(gòu)成。
[0033]步驟(2).光刻外延晶圓100，使用ICP干法蝕刻外延晶圓100的p_GaN層105、量子阱區(qū)104和部分n-GaN層102，形成LED器件第一臺面201 ;去除蝕刻掩膜；具體見附圖6所示。ICP(inductively coupled plasma)刻蝕方法作為一種新興的高密度等離子體干法刻蝕技術(shù)，在對多種材料的刻蝕方面獲得了很好的效果，己廣泛應(yīng)用到了各種光電子器件的制作工藝中。
[0034]步驟(3).繼續(xù)光刻外延晶圓100，向襯底101方向使用ICP干法蝕刻剩余n_GaN層102，形成LED器件第二臺面202，第二臺面202的底部達(dá)到襯底101，第二臺面202的外緣尺寸大于第一臺面201的外緣尺寸；去除蝕刻掩膜；具體見附圖7所示。
[0035]在上述兩步中，LED器件分割采用干法刻蝕，干法蝕刻分兩步進(jìn)行，LED器件側(cè)壁由兩個臺面的側(cè)壁組成。LED器件間為刻蝕后形成的溝槽203。
[0036]步驟(4).在LED器件側(cè)壁形成鈍化層103，鈍化層103覆蓋第一臺面201側(cè)壁以及第一臺面201側(cè)壁和頂部結(jié)合處；具體包括:
采用PEV⑶方法生長SiO2或Si3N4鈍化層覆蓋外延晶圓100表面，然后光刻外延晶圓100，采用濕法過蝕刻去除多余鈍化層(如第二臺面202側(cè)壁和臺階處的鈍化層，以及第一臺面201頂部絕大部分的鈍化層)，使得鈍化層103僅覆蓋第一臺面201側(cè)壁以及第一臺面201 側(cè)壁和頂部結(jié)合處，見附圖 8。PEVCD 即 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition等離子增強化學(xué)氣相沉積。[0037]步驟(5).在上述步驟(3)中，多余的鈍化層刻蝕去以后，隨后在外延晶圓100的P-GaN層105上依次蒸鍍p型反射歐姆電極106及p型鍵合電極107 ;具體為:
在外延晶圓100的p-GaN層105上先涂覆光刻膠，然后在需要蒸鍍P型反射歐姆電極106及P型鍵合電極107區(qū)域的光刻膠上形成開口，在光刻膠開口處蒸鍍P型反射歐姆電極106及P型鍵合電極107，剝離P型鍵合電極107以外多余金屬，去除光刻膠，見附圖9。金屬蒸鍍可采用電子束蒸鍍或磁控濺射方法。
[0038]步驟(6).在LED器件間的溝槽203中制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204覆蓋第一臺面201和第二臺面202側(cè)壁，高度略高于第一臺面201上p型鍵合電極107，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204之間留有排氣通道；具體為:
將耐熱性好的光敏聚合物如光刻膠SU8，旋涂在外延晶圓100表面，并填充LED器件之間的溝槽203，通過光刻定義光敏聚合物的覆蓋區(qū)域，曝光顯影后光敏聚合物的高度略高于第一臺面201上P型鍵合電極107，光刻外延晶圓100露出第一臺面201上p型鍵合電極107，留出LED器件之間的排氣通道。見附圖10。
[0039]步驟(7).采用低溫高壓鍵合工藝，溫度不高于側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204的耐受溫度，將導(dǎo)電基板109上的基板鍵合電極108與外延晶圓100上的P型鍵合電極107鍵合；
鍵合前需要用等離子體表面預(yù)處理P型鍵合電極107和導(dǎo)電基板109上的基板鍵合電極108的表面,鍵合金屬為Au/In、Au/Sn、Au等金屬或合金；此步驟中，利用鍵合擠壓形變，將側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204與導(dǎo)電基板109接觸并相互附著。見附圖11。鍵合完成后，將外延晶圓100翻轉(zhuǎn)，為下一步激光剝離襯底做好準(zhǔn)備。
[0040]步驟(8).采用能量相對穩(wěn)定的固體激光器，以小束斑相互交疊逐點掃描剝離襯底101，束斑面積為X IO2-1O4Mm2數(shù)量級；掃描方式可為往復(fù)線掃，螺旋線掃，同心圓掃等；圖2中右圖所示為固體激光器小束斑螺旋線掃方式。
[0041]激光掃描時，用激光輻照藍(lán)寶石襯底面，導(dǎo)致生長界面處的GaN發(fā)生熱分解剝離襯底101。襯底101剝離完成后，保留側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204暫不去除，在后續(xù)干法蝕刻減薄中充當(dāng)側(cè)壁掩膜。見附圖12。
[0042]步驟(9).上步激光剝離襯底101時，n-GaN層102剝離面上會形成剝離損傷層。此步驟中，采用干法蝕刻減薄剝離襯底101后的n-GaN層102，終止位置超過第二臺面202位置，將剝離面至第二臺面202之間的剝離損傷層去除；同時達(dá)到去除第二臺面202可能出現(xiàn)的邊緣破損之目的。見附圖13。
[0043]步驟(10).最后使用去膠液將光敏聚合物側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)204去除；如圖14所示。還可以進(jìn)一步使用加熱KOH水溶液粗化減薄后的n-GaN層102，以達(dá)到提高出光效率的目的。
[0044]從上述工藝流程可以看出，本發(fā)明的有益效果在于:
(I)激光剝離采用能量相對穩(wěn)定的固體激光器，以小束斑相互交疊逐點掃描剝離的方式；避免大束斑剝離造成的劇烈爆炸沖擊，從根源上盡可能減少剝離面上新生缺陷密度以及損傷深度，并顯著減少LED器件側(cè)壁邊緣損壞導(dǎo)致漏電的概率。
[0045](2)雙臺面的器件側(cè)壁使得剝離沖擊通過剝離面與第二臺面之間側(cè)壁部分的塑形或彈性形變得到釋放，不易造成對第一臺面與第二臺面之間側(cè)壁的沖擊損傷，與常規(guī)垂直結(jié)構(gòu)LED的損傷差異見附圖3和附圖4。[0046](3)側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)的引入大大降低了剝離面與第二臺面之間側(cè)壁部分發(fā)生破壞性塑形形變的概率，見附圖5，從而進(jìn)一步保證剝離后側(cè)壁及鈍化層的完整性，減少側(cè)壁漏電通道的產(chǎn)生。
[0047](4)通過干法蝕刻方法將剝離面損傷層以及可能出現(xiàn)的側(cè)壁損傷層，即剝離面與第二臺面之間外延層部分，予以去除，由完整的第一臺面?zhèn)缺跇?gòu)成最終的器件側(cè)壁。
[0048]這樣，既保證了器件外觀，又改善了器件漏電，大大提升了 GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的生廣良率和廣品品質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1.一種減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于，包括下述步驟: 步驟(1).首先提供一外延晶圓(100)，該外延晶圓(100)由藍(lán)寶石襯底(101)面上依次生長n-GaN層(102)、量子阱區(qū)(104)和p-GaN層(105)構(gòu)成； 步驟(2).光刻外延晶圓(100)，干法蝕刻外延晶圓(100)的ρ-GaN層(105)、量子阱區(qū)(104)和部分n-GaN層(102)，形成LED器件第一臺面(201)； 步驟(3).繼續(xù)光刻外延晶圓(100)，向襯底(101)方向干法蝕刻外延晶圓(100)的剩余n-GaN層(102)，形成LED器件第二臺面(202)，第二臺面(202)的底部達(dá)到襯底(101)，第二臺面(202)的外緣尺寸大于第一臺面(201)的外緣尺寸；LED器件間為刻蝕后形成的溝槽(203)； 步驟(4).在LED器件側(cè)壁形成鈍化層(103)，鈍化層(103)覆蓋第一臺面(201)側(cè)壁以及第一臺面(201)側(cè)壁和頂部結(jié)合處； 步驟(5).隨后在外延晶圓(100)的ρ-GaN層(105)上依次蒸鍍P型反射歐姆電極(106)及P型鍵合電極(107)； 步驟(6).在LED器件間的溝槽(203)中制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)覆蓋第一臺面(201)和第二臺面(202)側(cè)壁，高度高于第一臺面(201)上p型鍵合電極(107)，側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)之間留有排氣通道； 步驟(7).采用低溫高壓鍵合工藝，溫度不高于側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)的耐受溫度，將導(dǎo)電基板(109)上的基板鍵合電極(108)與外延晶圓(100)上的P型鍵合電極(107)鍵合； 步驟(8).采用固體激光器，以小束斑相互交疊逐點掃描剝離襯底(101)； 步驟(9).采用干法蝕刻減薄剝離襯底(101)后的n-GaN層(102)，終止位置超過第二臺面(202)位置，將剝離面至第二臺面(202)之間的剝離損傷層去除； 步驟(10).最后使用去膠液將側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)去除。
2.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(1)中，藍(lán)寶石襯底(101)為雙面拋光襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(2)中，干法蝕刻方法為ICP刻蝕方法。
4.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(3)中，干法蝕刻方法為ICP刻蝕方法。
5.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(4)中，鈍化層(103)為SiO2或Si3N4鈍化層，采用PEVCD方法生長SiO2或Si3N4形成。
6.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(6)中，制作側(cè)壁緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)(204)具體包括:將耐熱性好的光敏聚合物旋涂在外延晶圓(100 )表面，并填充LED器件之間的溝槽(203 )，光敏聚合物的高度高于第一臺面(201)上P型鍵合電極(107 )，通過光刻定義光敏聚合物的覆蓋區(qū)域，光刻外延晶圓(100)露出第一臺面(201)上P型鍵合電極(107)，并留出LED器件之間的排氣通道。
7.如權(quán)利要求6所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:光敏聚合物采用光刻膠SU8。
8.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(7)中，鍵合前先用等離子體表面預(yù)處理P型鍵合電極(107)和導(dǎo)電基板(109)上的基板鍵合電極(108)的表面。
9.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟⑶中，激光掃描時的束斑面積為X IO2-1O4Mffl2數(shù)量級。
10.如權(quán)利要求1所述的減少GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED漏電的器件工藝，其特征在于:所述步驟(8)中，激光 掃描方式為往復(fù)線掃，螺旋線掃或同心圓掃描。
【文檔編號】H01L33/32GK103887377SQ201410089088
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】李睿 申請人:江蘇新廣聯(lián)科技股份有限公司