一種led垂直結(jié)構(gòu)的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種LED垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，以襯底或帶有低溫GaN緩沖層的襯底作為生長(zhǎng)基礎(chǔ)，依次生長(zhǎng)U-GaN及其他各層外延，完成LED外延片的生長(zhǎng)。步驟包括：(1)U-GaN層生長(zhǎng)結(jié)束后，進(jìn)行濕法腐蝕，刻蝕至所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面；(2)繼續(xù)生長(zhǎng)U-GaN，新的U-GaN會(huì)直接在刻蝕過(guò)的U-GaN上進(jìn)行生長(zhǎng)，在所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面的U-GaN處留下倒金字塔結(jié)構(gòu)；然后，在U-GaN表面依次生長(zhǎng)其他各層外延，制得LED外延片；(3)將LED外延片制成垂直結(jié)構(gòu)LED：在LED外延片表面沉積形成反射鏡，并制出金屬電極圖形，利用高溫金屬鍵合工藝將金屬電極圖形表面鍵合在金屬基板上，并利用常溫超聲技術(shù)剝離襯底；在U-GaN表面制出另一極金屬電極圖形。本發(fā)明提供的制備方法,能有效降低成本，提高效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種LED垂直結(jié)構(gòu)的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制備技術(shù)，具體涉及一種LED垂直結(jié)構(gòu)的制備方法。

【背景技術(shù)】
:
[0002]目前，全球已步入“節(jié)能時(shí)代”，各國(guó)都在積極尋找節(jié)能環(huán)保的新型產(chǎn)業(yè)，照明消耗的能源占全部能源消耗的20%以上，因此，降低照明用電是節(jié)省電力的重要途徑。LED節(jié)能燈是新一代固態(tài)冷光源，具有低能耗、壽命長(zhǎng)、易控制、安全環(huán)保等特點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，適用各種照明場(chǎng)所。然而，目前LED還未大規(guī)模進(jìn)入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性?xún)r(jià)比太低，市場(chǎng)需要快速提高LED性?xún)r(jià)比的方案。提高LED性?xún)r(jià)比的途徑有兩條，一是提高LED的發(fā)光效率，二是降低LED的生產(chǎn)成本。但是，效率的提升以及成本的下降速度，還是達(dá)不到市場(chǎng)對(duì)LED性?xún)r(jià)比的期待。然而垂直結(jié)構(gòu)LED能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅(qū)動(dòng)，這樣一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片可以相當(dāng)于幾個(gè)正裝結(jié)構(gòu)芯片，折合成本只有正裝結(jié)構(gòu)的幾分之一。因此，垂直結(jié)構(gòu)LED必然會(huì)加速LED應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域的進(jìn)程，是市場(chǎng)所向，是半導(dǎo)體照明發(fā)展的必然趨勢(shì)。
[0003]GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED工藝與正裝結(jié)構(gòu)LED工藝的最大差異在于，垂直結(jié)構(gòu)LED需要引入襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)。所謂襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)是指用高熱導(dǎo)率與高電導(dǎo)率的新襯底取代原有的生長(zhǎng)襯底。具體的步驟分為兩步，首先采用晶片鍵合的方法或者電鍍的方法將新襯底與外延片粘合在一起，然后再利用激光剝離或研磨等方法將原生長(zhǎng)襯底去掉。目前去掉襯底的主流方法為激光剝離，激光剝離技術(shù)利用紫外波段(248nm)的激光光源透過(guò)藍(lán)寶石襯底輻照樣品，激光穿出藍(lán)寶石襯底在藍(lán)寶石與緩沖層之界面處被吸收，快速而局域地產(chǎn)生900-1000°C高溫，使GaN分解生成金屬Ga以及N2。N2逸出，Ga暫時(shí)還粘結(jié)著藍(lán)寶石和GaN層。激光掃描過(guò)整個(gè)外延片后，將樣品置于加熱板上，升溫至30°C左右，藍(lán)寶石與GaN薄膜即可被分離。激光剝離技術(shù)雖然由于高效率、低損傷而成為新的研宄熱點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)限制了大規(guī)模應(yīng)用，具體是:良率低、成本高、不適用于大尺寸襯底，精度要求高，導(dǎo)致薄膜中缺陷損失的增加，并且激光輻照產(chǎn)生的金屬Ga部分與空氣中的氧結(jié)合形成Ga2O3，致使剝離后GaN表面后處理困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0004]為了降低成本，提高效率，本發(fā)明提供了一種新的制備垂直結(jié)構(gòu)的方法。
[0005]本發(fā)明的方案如下:
[0006]一種LED垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，以襯底或帶有低溫GaN緩沖層的襯底作為生長(zhǎng)基礎(chǔ)，依次生長(zhǎng)U-GaN以及其他各層外延，完成LED外延片的生長(zhǎng)；其特殊之處在于:
[0007]U-GaN層生長(zhǎng)結(jié)束后，進(jìn)行濕法腐蝕，刻蝕至所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面；
[0008]濕法腐蝕完成后，繼續(xù)生長(zhǎng)U-GaN，新的U-GaN會(huì)直接在刻蝕過(guò)的U-GaN上進(jìn)行生長(zhǎng)，在所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面的U-GaN處留下倒金字塔結(jié)構(gòu)，即U-GaN與所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面之間形成點(diǎn)接觸；然后，在平整的U-GaN表面依次生長(zhǎng)其他各層外延，制備得到LED外延片;
[0009]最后將LED外延片制成垂直結(jié)構(gòu)LED，主要包括以下環(huán)節(jié):在LED外延片表面沉積形成反射鏡，并制出金屬電極圖形，利用高溫金屬鍵合工藝將金屬電極圖形表面鍵合在金屬基板上，并利用常溫超聲技術(shù)剝離襯底；在U-GaN表面制出另一極金屬電極圖形。
[0010]基于上述方案，本發(fā)明還進(jìn)一步作如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0011]所述其他各層外延的生長(zhǎng)是，在繼續(xù)生長(zhǎng)U-GaN完成后，依次生長(zhǎng)N_GaN、MQff,P-AlGaN 以及 P-GaN。
[0012]實(shí)際上，生長(zhǎng)U-GaN后，后續(xù)生長(zhǎng)除了以上這種模式外，采用其他外延生長(zhǎng)層模式也適用于本發(fā)明。對(duì)于LED的外延結(jié)構(gòu)而言，最重要的是以下三部分:提供電子的N型GaN層、提供空穴的P型GaN層、量子阱發(fā)光層(MQW)。在設(shè)計(jì)外延層時(shí)，以上三部分必須要包括在內(nèi)，其他層可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
[0013]比如:1.對(duì)于電子阻擋層P-AlGaN，可以改變其結(jié)構(gòu)，或是在量子阱中多加一層；2.將N-GaN或P-GaN的結(jié)構(gòu)變?yōu)槌Ц窠Y(jié)構(gòu)；3.生長(zhǎng)P-GaN層后，再生長(zhǎng)一層P-1nGaN作接觸層。
[0014]所述濕法腐蝕具體可以采用熔融的KOH或H3P04進(jìn)行腐蝕，并用去離子水清洗甩干。
[0015]所述將LED外延片制成垂直結(jié)構(gòu)LED，包括以下步驟:
[0016]I) LED外延片的P-GaN表面清洗后，再去除P-GaN表面的氧化層，用去離子水沖凈，氮?dú)獯蹈桑?br> [0017]2)在P-GaN表面用光刻膠作P電極掩膜，然后用電子束蒸發(fā)臺(tái)帶膠蒸發(fā)沉積形成兼作歐姆接觸層和反射鏡的金屬層，再用去膠劑剝離光刻膠以形成P型金屬電極圖形，然后進(jìn)行快速退火，退火溫度為350_450°C ;
[0018]3)利用高溫金屬鍵合工藝，在N2環(huán)境下加壓將P-GaN面鍵合在硅或銅或鎢銅合金基板上；
[0019]4)利用常溫超聲技術(shù)剝離襯底；
[0020]5)在U-GaN面上用光刻膠作N電極掩膜，采用ICP對(duì)U-GaN作表面處理，再用電子束蒸發(fā)臺(tái)帶膠蒸發(fā)沉積形成N型電極金屬，再用去膠劑剝離光刻膠以形成N型金屬電極圖形，最終得到垂直結(jié)構(gòu)的LED。
[0021]步驟3)具體過(guò)程為:在LED外延片的P-GaN表面、硅或銅或鎢銅合金基板表面分別蒸鍍一層l-2um的鍵合金屬，然后將預(yù)鍵合的樣品放入晶圓鍵合機(jī)中，在N2保護(hù)下按照設(shè)定的溫度及壓力參數(shù)進(jìn)行鍵合。
[0022]步驟3)在晶圓鍵合機(jī)中鍵合溫度為200-800°C，鍵合壓力為300N，時(shí)間為Ih。
[0023]采用以上LED垂直結(jié)構(gòu)的制備方法制得的LED，包括剝離襯底的LED外延片，該剝離襯底的LED外延片的下底面為具有倒金字塔結(jié)構(gòu)和刻蝕溝槽的粗糙面，在該粗糙面上蒸發(fā)沉積形成有N型電極金屬圖形；所述剝離襯底的LED外延片的上底面沉積形成有兼作歐姆接觸層及反射鏡的金屬層，基于該金屬層形成P型金屬電極圖形，P型金屬電極圖形表面鍵合在硅或銅或鎢銅合金基板上。
[0024]相應(yīng)的，該LED (結(jié)構(gòu))也作如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0025]LED外延片的結(jié)構(gòu)包括依次生長(zhǎng)的U-GaN、N-GaN, MQW、P-AlGaN以及P_GaN，其中U-GaN的下底面為所述粗糙面。
[0026]所述兼作歐姆接觸層及反射鏡的金屬層為依次沉積形成的Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的厚度為5nm/10nm/100nm ;P型金屬電極圖形表面(即所述金屬層的表面)蒸鍍有一層l-2um的鍵合金屬，鍵合金屬的結(jié)構(gòu)為Au/Au或Au/Sn(即Au/Au多層膜厚度為l-2um，或Au/Sn多層膜厚度為l_2um)。
[0027]所述N型電極金屬圖形為依次沉積形成的Cr/Ti/Au結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的厚度為30nm/30nm/100nm。
[0028]以上方案的技術(shù)效果具體如下:
[0029]簡(jiǎn)化了 LED器件刻蝕步驟，同時(shí)改善了電流傳輸，降低了電流堆垛效應(yīng)；垂直結(jié)構(gòu)LED再結(jié)合金屬鍵合，將會(huì)發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)，如單向出光，工藝簡(jiǎn)化，器件效率進(jìn)一步提高。
[0030]濕法腐蝕后GaN和藍(lán)寶石基板之間形成點(diǎn)接觸，且晶格失配應(yīng)力大大減小，有利于提升亮度。
[0031]將外延片鍵合到硅或銅或鎢銅合金基板上，在芯片加工制程中可省去后段研磨工
-H-
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[0032]形成垂直結(jié)構(gòu)后，U-GaN成為出光面，其為粗糙表面，會(huì)增加LED出光率，會(huì)進(jìn)一步提高器件光電效率。
[0033]本發(fā)明利用常溫超聲技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底，這種去襯底的方法簡(jiǎn)單可靠，成本低，并且藍(lán)寶石可重復(fù)利用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
:
[0034]圖1為本發(fā)明外延生長(zhǎng)過(guò)程中初次生成U-GaN的示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明外延生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)U-GaN進(jìn)行濕法腐蝕后的示意圖。
[0036]圖3為本發(fā)明外延生長(zhǎng)過(guò)程中U-GaN繼續(xù)生長(zhǎng)以及最終得到的外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖4為本發(fā)明制得的垂直結(jié)構(gòu)的LED的示意圖。圖中adhes ive and mirror為接觸層與反射鏡層，bonding metal為鍵合金屬層，submount為基板。

【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明的主要特點(diǎn)是:U_GaN生長(zhǎng)結(jié)束后，進(jìn)行濕法腐蝕(1(0!1或呀04濕法腐蝕)；透過(guò)GaN缺陷(在異質(zhì)襯底(藍(lán)寶石)上生長(zhǎng)GaN，其本身會(huì)產(chǎn)生大量缺陷)刻蝕至GaN/藍(lán)寶石界面，并在兩個(gè)方向上都進(jìn)行刻蝕，緊接著晶圓再次進(jìn)入外延設(shè)備重新進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)，重新生長(zhǎng)的GaN會(huì)直接在刻蝕過(guò)的GaN上生長(zhǎng)GaN，而不會(huì)在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)。這樣GaN部分應(yīng)力被釋放，此制程會(huì)在藍(lán)寶石界面的GaN處留下倒金字塔結(jié)構(gòu)，則GaN與藍(lán)寶石之間形成了點(diǎn)接觸，有利于之后的外延層剝離形成垂直結(jié)構(gòu)。在P-GaN外延層表面制備反射鏡(Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al);最后利用高溫金屬鍵合工藝將P-GaN (電極)鍵合在硅或銅或鎢銅合金基板上，并利用常溫超聲技術(shù)剝離藍(lán)寶石基片。
[0039]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的描述:
[0040]1.生長(zhǎng)U-GaN (非摻雜氮化鎵):在2英寸藍(lán)寶石襯底上用MOCVD生長(zhǎng)30nm的低溫(550°C )GaN作為緩沖層，緊接著高溫(1020°C )生長(zhǎng)U_GaN(非摻雜氮化鎵)2_3um，如圖1所示。圖1中沒(méi)有體現(xiàn)緩沖層，是因?yàn)榫彌_層比較薄，其與U-GaN可以看成是一體的，它們?cè)贙OH或H3PO4中的腐蝕效果是一樣的。
[0041]2.界面濕法腐蝕:將生長(zhǎng)了 U-GaN的藍(lán)寶石晶片放入熔融的KOH腐蝕，條件為3400C /15分鐘，并用去離子水清洗甩干，如圖2所示。
[0042]3.LED結(jié)構(gòu)層生長(zhǎng):將腐蝕后的U-GaN藍(lán)寶石晶片重新放入MOCVD腔室生長(zhǎng):U_GaN/2um(1030°C ) +N-GaN/2um(1030°C ) +MQff/0.15um(850°C /750°C )+P-AlGaN/0.02um(950°C )+P-GaN/0.2um(900°C ),從而完成LED外延層生長(zhǎng)，如圖3所示。
[0043]4.制成垂直結(jié)構(gòu)LED:1)清洗:P_GaN表面經(jīng)過(guò)有機(jī)溶劑(丙酮，四氯化碳，無(wú)水乙醇)熱煮、超聲清洗后，用熱鹽酸(70°C )去除P-GaN表面上的氧化層，用去離子水沖凈，氮?dú)獯蹈桑?)在P-GaN面上用光刻膠作P電極掩膜，然后用電子束蒸發(fā)臺(tái)帶膠蒸發(fā)沉積兼作歐姆接觸層及反射鏡(Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Al，這里的Ti/Ni/Ag是指T1、N1、Ag三層薄膜；Ti/Ni/Al同理)的金屬層，反射鏡層厚度分別為5nm/10nm/100nm、5nm/10nm/100nm，再用去膠劑剝離光刻膠以形成P型金屬電極圖形，然后置快速退火爐(RTA)進(jìn)行快速退火，退火溫度為350-450°C ；3)利用高溫金屬鍵合(Au/Au或Au/Sn)工藝，在N2環(huán)境下加壓將P-GaN鍵合在硅/銅/鎢銅合金基板上。具體過(guò)程為:在藍(lán)寶石襯底氮化鎵基LED的P極表面、硅/銅/鶴銅合金基板表面分別蒸鍍一層l_2um的鍵合金屬(Au/Au或Au/Sn，這里的Au/Au是指兩層Au膜，Au/Sn同理)，然后將預(yù)鍵合的樣品放入晶圓鍵合機(jī)中，然后在高純N2的保護(hù)下進(jìn)行按照設(shè)定的溫度及壓力參數(shù)進(jìn)行鍵合；其中鍵合溫度為200-800°C，鍵合壓力為300N，時(shí)間為Ih ;4)利用常溫超聲技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底(如果帶有低溫GaN緩沖層，則低溫GaN緩沖層與U-GaN —起被KOH或H3PO4腐蝕，利用常溫超聲技術(shù)就可以把它們與藍(lán)寶石剝離)；5)在U-GaN面上用光刻膠作η電極掩膜，用ICP (電感耦合等離子蝕刻)對(duì)U-GaN作表面處理，再用電子束蒸發(fā)臺(tái)在低溫下蒸發(fā)η型電極金屬(Cr/Ti/Au)，η型電極金屬厚度為30nm/30nm/1000nm，并用去膠劑剝離光刻膠以形成η型金屬電極圖形，至此，垂直結(jié)構(gòu)的LED便制作成功，如圖4所示。
[0044]經(jīng)實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)方案相比，本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)LED光電效率提高了 20%-30%，成本降低一半。
【權(quán)利要求】
1.一種1^0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，以襯底或帶有低溫&^緩沖層的襯底作為生長(zhǎng)基礎(chǔ)，依次生長(zhǎng)以及其他各層外延，完成[￡0外延片的生長(zhǎng)；其特征在于:
層生長(zhǎng)結(jié)束后，進(jìn)行濕法腐蝕，刻蝕至所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面； 濕法腐蝕完成后，繼續(xù)生長(zhǎng)卜&^，新的會(huì)直接在刻蝕過(guò)的上進(jìn)行生長(zhǎng)，在所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面的處留下倒金字塔結(jié)構(gòu)，即與所述生長(zhǎng)基礎(chǔ)的表面之間形成點(diǎn)接觸；然后，在平整的表面依次生長(zhǎng)其他各層外延，制備得到[￡0外延片； 最后將120外延片制成垂直結(jié)構(gòu)1^0，主要包括以下環(huán)節(jié):在1^0外延片表面沉積形成反射鏡，并制出金屬電極圖形，利用高溫金屬鍵合工藝將金屬電極圖形表面鍵合在金屬基板上，并利用常溫超聲技術(shù)剝離襯底；在表面制出另一極金屬電極圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的[￡0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述其他各層外延的生長(zhǎng)是，在繼續(xù)生長(zhǎng)完成后，依次生長(zhǎng)隊(duì)圓1、以及9-(?隊(duì)
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的[￡0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述濕法腐蝕采用熔融的1(0?或??！3？04進(jìn)行腐蝕，并用去離子水清洗甩干。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的[￡0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，將1^0外延片制成垂直結(jié)構(gòu)120，包括以下步驟: 1)120外延片的？4抓表面清洗后，再去除？4抓表面的氧化層，用去離子水沖凈，氮?dú)獯蹈桑? 2)在？表面用光刻膠作？電極掩膜，然后用電子束蒸發(fā)臺(tái)帶膠蒸發(fā)沉積形成兼作歐姆接觸層和反射鏡的金屬層，再用去膠劑剝離光刻膠以形成？型金屬電極圖形，然后進(jìn)行快速退火，退火溫度為350-4501 ； 3)利用高溫金屬鍵合工藝，在隊(duì)環(huán)境下加壓將？面鍵合在硅或銅或鎢銅合金基板上； 4)利用常溫超聲技術(shù)剝離襯底； 5)在面上用光刻膠作~電極掩膜，采用10？對(duì)作表面處理，再用電子束蒸發(fā)臺(tái)帶膠蒸發(fā)沉積形成~型電極金屬，再用去膠劑剝離光刻膠以形成~型金屬電極圖形，最終得到垂直結(jié)構(gòu)的120。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的[￡0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟3)具體過(guò)程為:在120外延片的？4抓表面、硅或銅或鎢銅合金基板表面分別蒸鍍一層1-211111的鍵合金屬，然后將預(yù)鍵合的樣品放入晶圓鍵合機(jī)中，在隊(duì)保護(hù)下按照設(shè)定的溫度及壓力參數(shù)進(jìn)行鍵口 0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的[￡0垂直結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟3)在晶圓鍵合機(jī)中鍵合溫度為200-8001，鍵合壓力為3001時(shí)間為1匕。
7.—種垂直結(jié)構(gòu)的1^0，包括剝離襯底的[￡0外延片，其特征在于:所述剝離襯底的120外延片的下底面為具有倒金字塔結(jié)構(gòu)和刻蝕溝槽的粗糙面，在該粗糙面上蒸發(fā)沉積形成有~型電極金屬圖形；所述剝離襯底的[￡0外延片的上底面沉積形成有兼作歐姆接觸層及反射鏡的金屬層，基于該金屬層形成？型金屬電極圖形，？型金屬電極圖形表面鍵合在硅或銅或鶴銅合金基板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直結(jié)構(gòu)的1^0，其特征在于:所述[￡0外延片的結(jié)構(gòu)包括依次生長(zhǎng)的口-(?隊(duì)圓1、以及？4抓，其中口的下底面為所述粗糙面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的垂直結(jié)構(gòu)的1^0，其特征在于:所述兼作歐姆接觸層及反射鏡的金屬層為依次沉積形成的11/附/仏或11/^1/41結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的厚度為511111/1011111/10011111 ；？型金屬電極圖形表面蒸鍍有一層1-211111的鍵合金屬，鍵合金屬的結(jié)構(gòu)為八11/八11或八11/&1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的垂直結(jié)構(gòu)的1^0，其特征在于:所述~型電極金屬圖形為依次沉積形成的0/11/^11結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的厚度為3011111/3011111/100011111。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK104465899SQ201410715550
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】胡丹, 寧磊, 繆炳有, 黃宏嘉 申請(qǐng)人:西安神光皓瑞光電科技有限公司