專利名稱：一種垂直GaN基LED芯片及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN基發(fā)光二極管(LED)芯片及其制備方法，屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石襯底具有生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、能夠耐高溫生長過程、機(jī)械強(qiáng)度高、易于處理和清洗等優(yōu)點(diǎn)，成為生長GaN基LED外延層襯底中使用最廣泛的襯底。但藍(lán)寶石襯底存在晶格失配和熱應(yīng)力失配使外延層產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)藍(lán)寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于10UQ .cm，無法制作導(dǎo)電電極，如圖1所示，不得不在外延層上表面制作n型和p型電極，因而不能得到垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片。
這種表面兩個(gè)電極的LED,有效發(fā)光面積減少，芯片中電流流動(dòng)及電流擴(kuò)展不好，內(nèi)量子效率低，器件散熱也不好，這些因素制約這種表面兩個(gè)電極LED結(jié)構(gòu)的功率和亮度的提升，同時(shí)藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率低，這種結(jié)構(gòu)不利于大功率LED工作。
半導(dǎo)體照明具有節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、長壽命、色彩豐富、微型化和數(shù)字化等顯著優(yōu)點(diǎn)，稱為第四代綠色光源。各國紛紛啟動(dòng)了半導(dǎo)體照明計(jì)劃，我國863高科技計(jì)劃也提出了發(fā)展半導(dǎo)體照明的計(jì)劃。半導(dǎo)體照明實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)為利用GaN基的藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉獲得白光LED。提高藍(lán)光LED的功率以加快半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化，成了目前光電領(lǐng)域的重要課題。
為了改進(jìn)傳統(tǒng)GaN基LED結(jié)構(gòu)自身缺陷，使其適合大功率工作用于照明領(lǐng)域，出現(xiàn)了倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片。如圖2所示，倒裝結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片采用金屬球鏈接n電極，在電流擴(kuò)展方面相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大提升，但仍存在芯片有效發(fā)光面積小和散熱不良的問題；如圖3所示，垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)自下而上包括P電極、導(dǎo)電Si或銅襯底、N型GaN、量子阱有源層、P型GaN和電流擴(kuò)展層；工藝是通過激光把藍(lán)寶石襯底剝離掉并用焊料鍵合到導(dǎo)電襯底上，其電流擴(kuò)展、發(fā)光面積利用、散熱問題均得到改善，目前照明用功率藍(lán)光芯片多為垂直結(jié)構(gòu)芯片，但垂直結(jié)構(gòu)芯片需要通過激光剝離去除藍(lán)寶石襯底，這一過程對(duì)外延層晶體質(zhì)量和pn結(jié)完整性有一定程度損傷，使得芯片良好率和一致性不高。
針對(duì)采用垂直結(jié)構(gòu)的激光剝離藍(lán)寶石襯底帶來的不良效果，中國專利文獻(xiàn)CN101017876公開了《一種氮化鎵發(fā)光二極管管芯及其制造方法》，該氮化鎵發(fā)光二極管管芯，包括藍(lán)寶石襯底和在藍(lán)寶石襯底上依次向外延伸的緩沖層、n型氮化鎵、有源區(qū)及p型氮化鎵，p型氮化鎵上方設(shè)有一個(gè)P型電極；其中，在與藍(lán)寶石襯底接觸的n型氮化鎵上設(shè)有一個(gè)n型電極。該氮化鎵發(fā)光二極管管芯的制造方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過刻蝕掉一部分的藍(lán)寶石襯底材料，使n型氮化鎵從底部露出，接著制造電極，是通過采用反應(yīng)等離子刻蝕(ICP)技術(shù)去掉一部分的藍(lán)寶石襯底材料。該專利文獻(xiàn)中提到的GaN LED仍通過藍(lán)寶石襯底做支撐材料，其厚度至少控制在lOOum量級(jí)，那么專利中提到的用ICP刻蝕一部分藍(lán)寶石襯底材料到N型氮化鎵，按照目前最快的刻蝕條件耗時(shí)也要在數(shù)小時(shí)；另一方面專利中的出光面仍在P面，底部藍(lán)寶石支撐，其散熱通道需要通過藍(lán)寶石襯底，散熱能力差，沒有任何散熱措施，不適應(yīng)大功率LED結(jié)構(gòu)；對(duì)盡可能提高光提取效率也沒有涉及。該文獻(xiàn)中的LED不適合實(shí)際批量化生產(chǎn)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)也不能用在藍(lán)光功率芯片上，不能用于半導(dǎo)體照明系統(tǒng)。因此，提供一種GaN LED結(jié)構(gòu)，其有效發(fā)光面積利用率高，芯片電流擴(kuò)展優(yōu)，散熱好，功率和亮度提高的基礎(chǔ)上，盡量減少工藝過程中不穩(wěn)定因素影響，以提高整體產(chǎn)品的性價(jià)比，是當(dāng)前半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片由于制作過程中需激光剝離去除整個(gè)藍(lán)寶石襯底而造成的芯片損傷、良好率和一致性不高的問題，提供一種出光效率高的垂直GaN基LED芯片，同時(shí)提供一種適用于批量生產(chǎn)該垂直GaN基LED芯片的制作方法。
本發(fā)明的垂直GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)自上而下依次包括藍(lán)寶石或者6H_SiC透明襯底、N型GaN、量子阱有源層、P型GaN、電流擴(kuò)展層、金屬反射鏡、鍵合焊接層和導(dǎo)電基板，在導(dǎo)電基板上制作有P電極，在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上設(shè)有直至N型GaN層的窗口，該窗口內(nèi)各面蒸鍍有一層金屬，在這一金屬層上引出有N電極。
所述藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底的出光面加工成粗化面，以降低光內(nèi)部全反射，提高LED的出光效率。
所述藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底的出光面設(shè)有光子晶體，光子帶隙的晶體結(jié)構(gòu)使某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，通過這種禁帶調(diào)節(jié)的光柵衍射效應(yīng)提高LED的出光效率。
在藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上加工的窗口位置可以是襯底上的任意位置，可以在襯底內(nèi)側(cè)，也可以在襯底的邊緣。藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上加工的窗口位置在襯底的側(cè)壁面上，可以大面積的金屬側(cè)壁面作為N電極的焊線點(diǎn)不僅最大化利用了有效出光面積，同時(shí)也解決了焊線電極區(qū)域過小引起的焊接不便。
本發(fā)明的垂直GaN基LED芯片的制作方法包括以下步驟
(1) 按常規(guī)方法在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上自下而上依次外延生長N型GaN、量子阱有源層、P型GaN和電流擴(kuò)展層；
(2) 在電流擴(kuò)展層上按常規(guī)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方式制作金屬反射鏡，金屬反射鏡的材料采用Al、 Ag、 Cr、 Au的一種或幾種；
(3) 在金屬反射鏡上通過鍵合焊料焊接導(dǎo)電基板，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電襯底Si或Cu或其他導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好的材料，在導(dǎo)電基板上通過常規(guī)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方式制作P電極；
(4) 然后將藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底的厚度減磨至30um-50um;
(5) 在藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上加工出直至N型GaN層的窗口，單個(gè)窗口的頂部面積為30um2-2500um2，具體過程是
先通過激光鉆蝕藍(lán)寶石或SiC襯底，調(diào)節(jié)UV激光工作重復(fù)頻率25KHz、能量4.5W，其脈沖不大于30ns;激光視場(chǎng)焦點(diǎn)能量達(dá)到200J/cm2，控制激光脈沖數(shù)控制鉆蝕速率，利用30 -120個(gè)脈沖鉆蝕到距N型GaN層上表面lum-2. 5um，停止激光鉆蝕，改用ICP方法或常規(guī)光刻膠技術(shù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為4um，若采用ICP刻蝕SiC襯底用SFe和02，刻蝕藍(lán)寶石襯底用BC13和Cl2， BCl3的流量為80 sccm， Cl2的流量為20 sccm， ICP功率為2500 W，射頻(RF)功率為500 W，壓強(qiáng)為0. 9 Pa，溫度為60。C，刻蝕速率達(dá)到200 ±20nm/min;
(6) 在加工出的窗口內(nèi)各面上蒸鍍一層金屬，與n型GaN形成歐姆接觸，在這一金屬層上引出N電極，和下面導(dǎo)電基板上的P電極形成PN結(jié)的通路。本發(fā)明采用激光鉆蝕加腐蝕刻蝕在藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上得到直至N型GaN層的窗口，窗口截面呈倒梯形，容易實(shí)現(xiàn)金屬層蒸鍍。電流擴(kuò)展層一般用ITO、 Zn0、 NiAu或其他透明導(dǎo)電材料。金屬反射鏡能使向底面發(fā)射的光有效反射回出光面，提高LED光提取效率，金屬反射鏡鍵合到導(dǎo)電襯底上，能把大功率芯片熱量有效散出，有利于提高功率LED的高溫老化性能。在窗口內(nèi)以大面積的側(cè)面金屬壁作為N電極的焊線點(diǎn)，不僅最大化利用了有效出光面積，同時(shí)也解決了焊線電極區(qū)域過小引起的不便。制作的LED的PN結(jié)緊靠散熱好的基底材料，特別適合大功率工作。
本發(fā)明減少了工藝過程中不穩(wěn)定因素影響，窗口的加工是先通過快速激光鉆蝕，再通過ICP方法或常規(guī)光刻膠技術(shù)進(jìn)行刻蝕，既加快了加工速度又不會(huì)損壞N型GaN層，適合實(shí)際批量化生產(chǎn)。制作的GaN基LED芯片有效發(fā)光面積利用率高，芯片電流擴(kuò)展好，散熱好。


圖1是現(xiàn)有藍(lán)寶石襯底GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是倒裝結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明垂直GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明制作的表面粗化的垂直GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明在藍(lán)寶石襯底出光面制作光子晶體的垂直GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明在側(cè)壁制作電極的垂直GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖7的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖4所示，本發(fā)明的垂直GaN基LED芯片自上至下依次包括藍(lán)寶石或者6H_SiC透明襯底、N型GaN、量子阱有源層、P型GaN、電流擴(kuò)展層、金屬反射鏡、鍵合焊接層和導(dǎo)電基板，在導(dǎo)電基板上制作有P電極，在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上設(shè)有直至N型GaN層的窗口，該窗口內(nèi)蒸鍍有一層金屬，在這一金屬層上引出有N電極。
為了進(jìn)一步提高芯片的光提取效率，可以如圖5所示對(duì)制作的垂直GaN基LED芯片的藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底的出光面加工成粗化面，降低光內(nèi)部全反射，破壞全反射?；蛘呷鐖D6所示，對(duì)于藍(lán)寶石襯底的垂直GaN基LED芯片的藍(lán)寶石襯底出光面電子束刻蝕技術(shù)制作光子晶體，光子帶隙的晶體結(jié)構(gòu)使某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，通過這種禁帶調(diào)節(jié)的光柵衍射效應(yīng)提高LED的出光效率。
在藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上加工的窗口位置可以是襯底上的任意位置，可以在襯底內(nèi)側(cè)，也可以在襯底的邊緣。如圖7和圖8給出的垂直GaN基芯片結(jié)構(gòu)所示，窗口位置是在襯底的側(cè)壁面上，在芯片N型GaN層的邊緣臺(tái)面和側(cè)壁面均勻鍍上金屬，用側(cè)壁面做芯片焊線點(diǎn)，N電極設(shè)置在該側(cè)壁面，以大面積的金屬側(cè)壁面作為N電極的焊線點(diǎn)不僅最大化利用了有效出光面積，同時(shí)也解決了焊線電極區(qū)域過小引起的焊接不便。在芯片N型GaN層的邊緣一周均蝕刻臺(tái)面，其電流擴(kuò)展均勻性高，可以適當(dāng)減小邊緣開槽面積，使出光面積最大化。
本發(fā)明的垂直GaN基LED芯片的制作過程，具體如下
首先按常規(guī)在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上自下而上依次外延生長N型GaN、量子阱有源層、P型GaN和電流擴(kuò)展層。在電流擴(kuò)展層上制作金屬反射鏡。在金屬反射鏡上通過鍵合焊料焊接到導(dǎo)電基板，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電襯底Si或Cu或其他導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好的材料，在導(dǎo)電基板上通過電子蒸發(fā)或?yàn)R射方式制作P電極。然后減磨藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底，使襯底盡量薄，以利于通過激光加工電極窗口和出光， 一般減磨藍(lán)寶石襯底至30um-50um。
在減磨后的藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上用激光鉆蝕加工出直至N型GaN層的窗口，調(diào)解激光工作頻率、脈沖及激光視場(chǎng)焦距，控制鉆蝕速率和步進(jìn)，根據(jù)管芯尺寸設(shè)計(jì)窗口的大小尺度，單個(gè)窗口的頂部面積為30咖2_2500咖2。調(diào)節(jié)UV激光工作重復(fù)頻率25KHz、能量4.5W，其脈沖不大于30ns;激光視場(chǎng)焦點(diǎn)能量達(dá)到200J/cm2，控制激光脈沖數(shù)控制鉆蝕速率。為避免激光能量對(duì)GaN外延層的燒焦損傷，在利用30 -120個(gè)脈沖鉆蝕到距N型GaN層上表面lum-2.5um，停止激光鉆蝕，改用ICP或其他腐蝕方法刻蝕掉藍(lán)寶石或SiC襯底及部分薄層的GaN?？涛g過程可以不用任何掩蔽，直接刻蝕4um深度，這樣不僅窗口開到GaN上，同時(shí)對(duì)出光面的藍(lán)寶石或SiC襯底起到一定粗化作用，提高光提取效率，也可以采用光刻膠技術(shù)等掩蔽層作出所需圖形后進(jìn)行刻蝕。若采用ICP刻蝕SiC用SFe和02，刻蝕藍(lán)寶石、GaN用BC13和Cl2?？涛g藍(lán)寶石我們用BCl3流量為80 sccm， CV流量為20 sccm， ICP功率為2500 W， RF功率為500 W,壓強(qiáng)為0. 9 Pa,溫度為60。C刻蝕速率能達(dá)到200 土20咖/min。在窗口的N型GaN上蒸鍍上一層金屬，如Ti、 Au、 Al、 Cr或幾種金屬的合金或多層金屬，以便做LED的N電極。上述方法鉆蝕加ICP刻蝕得到的窗口，截面一般是倒梯形，容易實(shí)現(xiàn)金屬層蒸鍍。本發(fā)明降低了激光剝離過程對(duì)外延層晶體質(zhì)量和完整性的損傷，提高了芯片的優(yōu)良率和質(zhì)量一致性，適合批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種垂直GaN基LED芯片，自上而下依次包括藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底、N型GaN、量子阱有源層、P型GaN、電流擴(kuò)展層、金屬反射鏡、鍵合焊接層和導(dǎo)電基板，在導(dǎo)電基板上制作有P電極，其特征是在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上設(shè)有直至N型GaN層的窗口，該窗口內(nèi)各面蒸鍍有一層金屬，在這一金屬層上引出有N電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是所述藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯 底的出光面加工成粗化面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是所述所述藍(lán)寶石或者6H-SiC透 明襯底的出光面設(shè)有光子晶體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是所述藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底 上加工的窗口位置在襯底的側(cè)壁面上。
5. —種權(quán)利要求l所述垂直GaN基LED芯片的制作方法，其特征是包括以下步驟-(1)按常規(guī)方法在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上自下而上依次外延生長N型GaN、量 子阱有源層、P型GaN和電流擴(kuò)展層；(2 )在電流擴(kuò)展層上按常規(guī)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方式制作金屬反射鏡；(3) 在金屬反射鏡上通過鍵合焊料焊接導(dǎo)電基板，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電襯底Si或Cu或其他 導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好的材料，在導(dǎo)電基板上通過常規(guī)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方式制作P電極；(4) 然后將藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底的厚度減磨至30um-50um;(5) 在藍(lán)寶石或6H-SiC透明襯底上加工出直至N型GaN層的窗口，單個(gè)窗口的頂部面 積為30um2-2500咖2，具體過程是先通過激光鉆蝕藍(lán)寶石或SiC襯底，調(diào)節(jié)UV激光工作重復(fù)頻率25KHz、能量《5W，其脈 沖不大于30ns;激光視場(chǎng)焦點(diǎn)能量達(dá)到200J/cra2，控制激光脈沖數(shù)控制鉆蝕速率，利用30 -120 個(gè)脈沖鉆蝕到距N型GaN層上表面lum-2. 5um，停止激光鉆蝕，改用ICP方法或常規(guī)光刻膠 技術(shù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為4ura，若采用ICP刻蝕SiC襯底用SFe和02，刻蝕藍(lán)寶石襯底用BC13 和Cl2， BC13的流量為80 sccm， Cl2的流量為20 sccm， ICP功率為2500 W,射頻功率為500 W， 壓強(qiáng)為0.9 Pa,溫度為60°C，刻蝕速率達(dá)到200 ±20nm/min;(6) 在加工出的窗口內(nèi)各面上蒸鍍一層金屬，在這一金屬層上引出N電極，和下面導(dǎo) 電基板上的P電極形成PN結(jié)的通路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種垂直GaN基LED芯片及其制作方法，該芯片包括襯底、N型GaN、量子阱有源層、P型GaN、電流擴(kuò)展層、金屬反射鏡和導(dǎo)電基板，在導(dǎo)電基板上制作有P電極，在襯底上設(shè)有直至N型GaN層的窗口，該窗口內(nèi)各面蒸鍍有一層金屬，在這一金屬層上引出有N電極。其制作方法包括按常規(guī)方法在藍(lán)寶石或者6H-SiC透明襯底上自下而上依次外延生長N型GaN、量子阱有源層、P型GaN和電流擴(kuò)展層；在電流擴(kuò)展層上制作金屬反射鏡；在金屬反射鏡上焊接導(dǎo)電基板；加工直至N型GaN層的窗口；在窗口內(nèi)各面上蒸鍍金屬層，在金屬層上引出N電極。本發(fā)明減少了工藝過程中不穩(wěn)定因素影響，GaN基LED芯片有效發(fā)光面積利用率高，芯片電流擴(kuò)展好，管芯散熱好。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101604717SQ20091001682
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者任忠祥, 偉 夏, 徐現(xiàn)剛, 李樹強(qiáng), 燕 沈 申請(qǐng)人:山東華光光電子有限公司