專利名稱：一種GaN基垂直結構LED芯片結構及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大功率GaN基垂直結構LED LED芯片結構及其制備方法，尤其是指高反射率ITO/Ag ρ型電極的低溫鍵合工藝。
背景技術：
作為下一代通用及專用照明器件，大功率LED (High-power LEDs)正獲得業(yè)界極大關注和發(fā)展。就GaN基LED而言，器件通常是外延生長在C面(0001)藍寶石襯底之上的。 如圖1所示的GaN基傳統(tǒng)結構LED芯片。其包括藍寶石襯底7'、位于藍寶石襯底7'上的 n-GaN層5'、位于部分n_GaN層5‘上的η型pad電極6'、位于部分n_GaN層5‘上的有源區(qū)4'、位于有源區(qū)4'上的p-GaN層3'、位于ρ-GaN層3'上的ITO層2'以及位于ITO 層2'上的ρ型pad電極1'。由于藍寶石襯底是絕緣材料，迫使人們采用ρ和η電極橫向排布的傳統(tǒng)結構，減少了器件出光面積，降低了器件的耐壓特性。更為嚴重的是，藍寶石熱導性能很差，導致器件大電流注入條件下效率急劇下降。因此，剝離藍寶石襯底將器件結構轉移至具有良好導電、 導熱特性的支撐襯底，制成上下電極的垂直結構LED，是當前GaN基高亮度LED的主流實現(xiàn)途徑.如圖2是GaN基垂直結構LED芯片。其包括支撐襯底10、位于支撐襯底10上的金層9、位于金層9上的覆蓋層8、位于覆蓋層8上的ITO層2、位于ITO層2'上的ρ-GaN層 3'、位于p-GaN層3'上的有源區(qū)4'、位于有源區(qū)4'上的n-GaN層5'以及位于n_GaN 層5'上的η型pad電極6'。上述結構變化，給垂直結構帶來了自身的特殊性，襯底剝離后，外延層與襯底之間的折射率差不復存在，器件內部有源區(qū)隨機射向非出光面的那部分光子只有通過高反射率的反射結構抽取，包括金屬反射層(諸如Ag、Al)，電介質材料構成的布拉格分布反饋(DBR)層(諸如Ti02/Si02、Si02/Si3N4等)。其中金屬反射層本身具有極好的導電性和導熱性，因此是大功率垂直結構器件的首選，通常與具有極高藍綠光透光率的ITO 一道構成P型反射電極結構，其質量的好壞至關重要，直接決定著器件效率的高低。目前，器件外延結構轉移主要依賴于電鍍金屬襯底及金屬鍵合。較之電鍍襯底，金屬鍵合是一機械加壓加溫的干式過程，易于控制且無附加污染。所制成的LED晶圓具有不易翹曲，易于切割，產出率較高的優(yōu)點。常用于垂直結構LED的鍵合方法有以下兩類(一 )采用低共熔AuSn合金釬料(80wt% Au，20wt% Sn)，其熔點為280°C。這種方法雖然具有較高的產出率，且可避免熱疲勞和彈性蠕變，但是也有諸多不足之處。DAuSn 難以通過彈性形變釋放應力，易造成芯片開裂。2) AuSn鍵合通常需要300°C以上高溫以確保合金充分熔化，會使得器件內對溫度敏感的材料發(fā)生退化，比如Ag電極反射率的下降。 3)如果襯底材料與芯片材料之間存在較大的熱失配，這種方法亦會帶來開裂或脫附。( 二)采用無需釬料，依靠材料表面相互作用力鍵合的方法，如Au-Au鍵合。Au-Au 鍵合過程簡單，在鍵合材料金相穩(wěn)定性、高導電性等方面有著顯著的優(yōu)勢。但這一方法亦有不足之處，鍵合結果易受Au表面污染的負面影響。在實際操作中，為了達到預期效果，往往需要同時施加較高的壓力和溫度(300°C以上)，并延長鍵合時間。這樣既會降低產出率，亦會增大LED器件結構及支撐襯底的破損幾率，降低其光電性能。目前的鍵合工藝具體有以下幾個難點(1)為克服表面污染，采用長時高溫條件導致ITO/Ag電極反射率顯著劣化(2)在加溫條件下ITOAg發(fā)生界面氧化反應導致電學特性退化，ITO/Ag附著性降低。(3)同時施加高溫和高壓，由于藍寶石和支撐襯底之間巨大的熱失配易導致鍵合晶圓開裂破碎。鑒于此，有必要設計一種新的結構和方法解決上述技術問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題提供一種GaN基垂直結構LED芯片結構及其制備方法， 用于大幅降低鍵合溫度和壓力，拓展工藝窗口，縮短鍵合時間。同時達到保證外延結構鍵合后的完整性和附著性，以及ITO/Ag ρ型電極的高反射率，以用于大功率GaN基垂直結構LED 的制作。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其包括設有第一 Au層9的第一器件結構和表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底10 ；第一金層9與第二金層11表面完全接觸并緊密鍵合。所述第一器件結構包括GaN基LED外延片，該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底 4、位于藍寶石襯底4上的n-GaN層3、位于n-GaN層3上的有源層2以及位于有源層2上的 ρ-GaN 層 1 ο所述p-GaN層1上設有ITO層5 ；所述ITO層5上依次設有阻擋層6、銀層7、覆蓋
層8以及第一金層9。優(yōu)選地，所述阻擋層6的厚度小于5nm。優(yōu)選地，所述覆蓋層8的材料為鎳。優(yōu)選地，所述阻擋層6的材料選自鎳、鎢、鉬、銅中的一種。本發(fā)明為防止加溫過程中ITOAg之間的界面反應和Ag的團聚，在兩層中插入一阻擋層材料。并在Ag層之上敷加一覆蓋層材料，以進一步壓制Ag的團聚，形成ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層/Au電極結構。需要強調的是阻擋層的厚度很薄(控制在5nm以下)，阻擋層能通過氧化生成接近全透明的物質，可基本上消除其對器件出光的吸收。ITO中的0可在加熱條件擴散入阻擋層將其氧化，但處理溫度過高、時間過長也會使得0穿過阻擋層將Ag 氧化。本發(fā)明能夠顯著降低鍵合溫度，縮短鍵合時間，為有效控制0的擴散距離提供了工藝窗口。鍵合過程即能完成阻擋層的氧化，亦能保證Ag不會發(fā)生明顯的劣化，不需要額外增加電極熱處理工序。本發(fā)明還提供一種GaN基垂直結構LED芯片結構的制備方法，包括制備設有第一 Au層9的第一器件結構和制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底；將第一 Au層9和第二 Au層11表面完全接觸，加壓力使之緊密鍵合；所述制備第一器件結構包括以下步驟1)制備GaN基LED外延片；該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底4、位于藍寶石襯底4上的n-GaN層3、位于n-GaN層3上的有源層2以及位于有源層2上的ρ-GaN層1 ；
2)在p-GaN層1的上表面蒸鍍ITO層5，退火獲得p-GaN/ITO歐姆接觸；3) 0等離子體表面處理ITO層5用于清潔ITO層表面，提高ITO層表面的0含量；4)蒸鍍阻擋層/Ag/覆蓋層/第一 Au層9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻擋層 /Ag/覆蓋層/第一 Au結構；5)等離子體表面處理第一 Au層9 ；所述制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底包括以下步驟6)等離子體表面處理第二 Au層11 ；在步驟1)制備GaN基LED外延片之后還包括清洗GaN基LED外延片的步驟。本發(fā)明采用在鍵合前，對樣品表面做等離子改性處理。等離子處理通常被用作表面清潔，同時也可增大接觸表面積，顯著增強Au-Au鍵合的粘著強度，以降低鍵合對溫度及壓力的要求，縮短鍵合時間。與常規(guī)鍵合工藝相比，本發(fā)明的有益效果在于等離子表面處理能夠顯著降低 Au-Au鍵合溫度及壓力的要求，明顯縮短鍵合時間。既適應了 Ag不宜高溫長時處理的固有特性，也改善了 GaN基垂直結構LED的鍵合質量。采用ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層/Au結構有助于進一步防止Ag的受熱團聚效應。在一定的優(yōu)化條件下(溫度，時間)，阻擋層被氧化成透明介質，從而獲得高反射率的反射電極。


圖1是GaN基傳統(tǒng)結構LED芯片。
圖2是GaN基垂:直結構LED芯片。
圖3a-;3h是本發(fā)明工藝流程圖。
元件符號說明
P型pad電極1'ITO2'
P-GaN3'有源區(qū)4'
n-GaN5'η型pad電極6'
藍寶石襯底7'金屬反射電極8'
金屬鍵合電極9'支撐襯底10'
P-GaN層1有源區(qū)2
n-GaN層3藍寶石襯底4
ITO層5阻擋層6
Ag層7覆蓋層8
第一 Au層9支撐襯底10
第二 Au層1具體實施例方式實施例一請參照圖3a_;3h所示，一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其包括設有第一 Au層 9的第一器件結構和上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底10 ；第一金層9與第二金層11表面完全接觸并緊密鍵合。
所述第一器件結構包括GaN基LED外延片，該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底 4、位于藍寶石襯底4上的n-GaN層3、位于n-GaN層3上的有源層2以及位于有源層2上的 ρ-GaN 層 1 ο所述p-GaN層1上設有ITO層5 ；所述ITO層5上依次設有阻擋層6、銀層7、覆蓋
層8以及第一金層9。所述阻擋層6的厚度最好小于5nm。所述覆蓋層8的材料可以為鎳。所述阻擋層 6的材料可以選自鎳、鎢、鉬、銅中的一種。本發(fā)明還提供一種GaN基垂直結構LED芯片結構制備方法，包括制備設有第一 Au 層9的第一器件結構和制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底；將第一 Au層9和第二 Au 層11表面完全接觸，加壓力使之緊密鍵合；鍵合溫度和時間需根據(jù)依阻擋層的厚度而定。所述制備第一器件結構包括以下步驟1)制備GaN基LED外延片；該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底4、位于藍寶石襯底4上的n-GaN層3、位于n-GaN層3上的有源層2以及位于有源層2上的ρ-GaN層1 ；2)在p-GaN層1的上表面蒸鍍ITO層5，退火獲得p-GaN/ITO歐姆接觸；3) 0等離子體表面處理ITO層5用于清潔ITO層表面，提高ITO層表面的0含量；4)蒸鍍阻擋層/Ag/覆蓋層/第一 Au層9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻擋層 /Ag/覆蓋層/第一 Au結構；5)等離子體表面處理第一 Au層9 ；所述制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底包括以下步驟6)等離子體表面處理第二 Au層11 ；實施例二 一種GaN基垂直結構LED芯片結構制備方法，包括制備設有第一 Au層9的第一器件結構和制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底；將第一 Au層9和第二 Au層11表面完全接觸，加壓力使之緊密鍵合；鍵合溫度和時間需根據(jù)依阻擋層的厚度而定。所述制備第一器件結構包括以下步驟1)制備GaN基LED外延片；該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底4、位于藍寶石襯底4上的n-GaN層3、位于n-GaN層3上的有源層2以及位于有源層2上的p-GaN層1 ；2)清洗GaN基LED外延片；3)在p-GaN層1的上表面蒸鍍ITO層5，退火獲得p-GaN/ITO歐姆接觸；4) 0等離子體表面處理ITO層5用于清潔ITO層表面，提高ITO層表面的0含量；5)蒸鍍阻擋層/Ag/覆蓋層/第一 Au層9，形成GaN基LED外延片/ITO/阻擋層 /Ag/覆蓋層/第一 Au結構；6)等離子體表面處理第一 Au層9 ；該步驟中等離子處理的工作氣體選用02，也可以選用其他惰性氣體。所述制備上表面蒸鍍第二 Au層11的支撐襯底包括以下步驟7)等離子體表面處理第二 Au層11 ；上述ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層對應的結構為ITO/Ni/Ag/Ni。該實施例中所述阻擋層的材料選為鎳，實際應用中還可以選自鎢、鉬、銅中的一種。等離子體是物質的一種存在狀態(tài)，通常物質以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)存在，但在一些特殊的情況下有第四中狀態(tài)存在，如地球大氣中電離層中的物質。等離子體狀態(tài)中存在下列物質處于高速運動狀態(tài)的電子；處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(自由基)；離子化的原子、分子；未反應的分子、原子等，但物質在總體上仍保持電中性狀態(tài)。等離子處理包括等離子清洗/刻蝕技術。其是等離子體特殊性質的具體應用。等離子體清洗的機理，主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達到去除物體表面污漬的目的。就反應機理來看，等離子體清洗通常包括以下過程無機氣體被激發(fā)為等離子態(tài)；氣相物質被吸附在固體表面；被吸附基團與固體表面分子反應生成產物分子； 產物分子解析形成氣相；反應殘余物脫離表面。等離子體清洗技術的最大特點是不分處理對象的基材類型，均可進行處理，對金屬、半導體、氧化物和大多數(shù)高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地處理，并可實現(xiàn)整體和局部以及復雜結構的清洗。等離子體清洗還具有以下幾個特點容易采用數(shù)控技術，自動化程度高；具有高精度的控制裝置，時間控制的精度很高；正確的等離子體清洗不會在表面產生損傷層，表面質量得到保證；由于是在真空中進行，不污染環(huán)境，保證清洗表面不被二次污染。等離子表面處理技術屬于本領域非常成熟的工藝技術，在此不再贅述。本發(fā)明為防止加溫過程中ITOAg之間的界面反應和Ag的團聚，采用在ITO層和 Ag層中插入一阻擋層材料。并在Ag層之上敷加一覆蓋層材料，以進一步壓制Ag的團聚，形成ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層/Au電極結構。需要強調的是阻擋層的厚度很薄(控制在5nm以下)，阻擋層能通過氧化生成接近全透明的物質，可基本上消除其對器件出光的吸收。ITO中的0可在加熱條件擴散入阻擋層將其氧化，但處理溫度過高、時間過長也會使得0穿過阻擋層將Ag氧化。本發(fā)明能夠顯著降低鍵合溫度，縮短鍵合時間，為有效控制0的擴散距離提供了工藝窗口。鍵合過程即能完成阻擋層的氧化，亦能保證Ag不會發(fā)生明顯的劣化，不需要額外增加電極熱處理工序。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，改良后ITO/Ag結構為ITO/Ni/Ag/Ni。本發(fā)明采用在鍵合前，對樣品表面做等離子改性處理。等離子處理通常被用作表面清潔，同時也可增大接觸表面積，顯著增強Au-Au鍵合的粘著強度，以降低鍵合對溫度及壓力的要求，縮短鍵合時間。與常規(guī)鍵合工藝相比，本發(fā)明的有益效果在于等離子表面處理能夠顯著降低 Au-Au鍵合溫度及壓力的要求，明顯縮短鍵合時間。既適應了 Ag不宜高溫長時處理的固有特性，也改善了 GaN基垂直結構LED的鍵合質量。采用ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層/Au結構有助于進一步防止Ag的受熱團聚效應。在一定的優(yōu)化條件下(溫度，時間)，阻擋層被氧化成透明介質，從而獲得高反射率的反射電極。本發(fā)明提供的方法大幅降低鍵合溫度和壓力拓展工藝窗口，顯著縮短鍵合時間。 該工藝可保證外延結構鍵合后的完整性和附著性，以及ITO/Ag電極的高反射率。上述對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。 熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其特征在于其包括設有第一 Au層(9)的第一器件結構和表面蒸鍍第二 Au層(11)的支撐襯底(10)；第一金層(9)與第二金層(11)表面完全接觸并緊密鍵合；所述第一器件結構包括GaN基LED外延片，該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底(4)、 位于藍寶石襯底⑷上的n-GaN層(3)、位于n-GaN層(3)上的有源層(2)以及位于有源層 (2)上的 P-GaN 層(I)0所述P-GaN層(1)上設有ITO層(5)；所述ITO層(5)上依次設有阻擋層(6)、銀層(7)、 覆蓋層(8)以及第一金層(9)。
2.如權利要求1所述的一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其特征在于所述阻擋層 (6)的厚度小于5nm。
3.如權利要求1所述的一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其特征在于所述覆蓋層 (8)的材料為鎳。
4.如權利要求1所述的一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其特征在于所述阻擋層 (6)的材料為選自鎳、鎢、鉬、銅中的一種。
5.一種GaN基垂直結構LED芯片結構的制備方法，其特征在于包括制備設有第一 Au 層(9)的第一器件結構和制備上表面蒸鍍第二 Au層(11)的支撐襯底；將第一 Au層(9)和第二 Au層(11)表面完全接觸，加壓力使之緊密鍵合；所述制備第一器件結構包括以下步驟1)制備GaN基LED外延片；該GaN基LED外延片包括藍寶石襯底、位于藍寶石襯底 ⑷上的n-GaN層(3)、位于n-GaN層(3)上的有源層O)以及位于有源層(2)上的p_GaN 層⑴；2)清洗GaN基LED外延片；3)在所述P-GaN層(1)的上表面蒸鍍ITO層(5)，退火獲得p-GaN/ITO歐姆接觸；4)0等離子體表面處理ITO層( 用于清潔ITO層表面，提高ITO層表面的0含量；5)蒸鍍阻擋層/Ag/覆蓋層/第一Au層(9)，形成GaN基LED外延片/ITO/阻擋層/ Ag/覆蓋層/第一 Au結構；6)等離子體表面處理第一Au層(9)；所述制備上表面蒸鍍第二 Au層(11)的支撐襯底包括以下步驟7)等離子體表面處理第二Au層(11)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種GaN基垂直結構LED芯片結構，其包括設有第一Au層(9)的第一器件結構和表面蒸鍍第二Au層(11)的支撐襯底(10)；第一金層(9)與第二金層(11)表面完全接觸并緊密鍵合；所述第一器件結構包括GaN基LED外延片；所述p-GaN層(1)上設有ITO層(5)；所述ITO層(5)上依次設有阻擋層(6)、銀層(7)、覆蓋層(8)以及第一金層(9)。本發(fā)明等離子表面處理能夠顯著降低Au-Au鍵合溫度及壓力的要求，縮短鍵合時間。既適應了Ag不宜高溫長時處理的固有特性，也改善了GaN基垂直結構LED的鍵合質量。采用ITO/阻擋層/Ag/覆蓋層/Au結構有助于進一步防止Ag的受熱團聚效應。
文檔編號H01L33/00GK102255027SQ201110198340
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權日2011年7月15日
發(fā)明者張楠, 朱廣敏, 李睿, 潘堯波, 郝茂盛, 陶淳, 齊勝利 申請人:上海藍光科技有限公司