專利名稱：一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜GaN LED器件的制造方法，尤其是一種具有倒置式N電極分布的 薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方法。
背景技術(shù)：
目前為提高GaN芯片的發(fā)光功率及效率，一般在芯片制造工藝上采用襯底轉(zhuǎn)移技 術(shù)予于實(shí)現(xiàn)，例如在藍(lán)寶石襯底上通過(guò)MOCVD沉積GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通過(guò) 晶圓鍵合技術(shù)或電鍍技術(shù)黏結(jié)到半導(dǎo)體或金屬基板上，再把藍(lán)寶石襯底用激光剝離方法去 除；或者在SiC或者Si襯底上沉積GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通過(guò)晶圓鍵合技術(shù)或電 鍍技術(shù)黏結(jié)到半導(dǎo)體或金屬基板上，再把SiC或者Si襯底用化學(xué)腐蝕方法去除。這樣一方 面可以通過(guò)在外延薄膜和基板之間加一個(gè)反射層，另一方面由于氮極性面的GaN上容易通 過(guò)光化學(xué)腐蝕方法獲取粗糙的出光面，以上兩方面使薄膜GaN芯片具有更高的出光效率， 同時(shí)轉(zhuǎn)移后的基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱特性，因此轉(zhuǎn)移到散熱基板上的GaN基薄膜芯片在大電 流應(yīng)用上具有較大的優(yōu)勢(shì)。 然而，去除生長(zhǎng)襯底后暴露的GaN薄膜表面一般為氮極性面，而氮極性面的歐姆 接觸特性與鎵極性面不同，例如鎵極性面的N型GaN的歐姆接觸電極一般采用Ti/Al歐姆 接觸電極，而氮極性面的N型GaN的接觸電極若仍然采用Ti/Al電極，則在初始時(shí)間，Ti/Al 與N型GaN呈現(xiàn)出比鎵極性面更優(yōu)的歐姆接觸特性，但經(jīng)過(guò)150度(芯片制程及封裝制程的 典型溫度)左右的溫度后，其接觸特性即劣化為肖特基接觸，表現(xiàn)為其正向工作電壓升高， 嚴(yán)重制約了薄膜GaN芯片的光效。關(guān)于其形成原因的探討較具有代表性的有Hy皿soo Kim 等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 93， 192106， 2008)認(rèn)為是氮空位與表面鎵空位以及C、 0 原子反應(yīng)導(dǎo)致表面氮空位減少；Ho Won Jang等人(APPLIED PHYSICSLETTERS 94,182108， 2009)認(rèn)為是體內(nèi)的氮原子向表面擴(kuò)散補(bǔ)償了氮空位導(dǎo)致表面氮空位減少。目前為止，這 兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)亦未提出在氮極性面上制作N型GaN歐姆接觸電極的有效方法。Philips Lumileds Lighting Company推出的薄膜倒裝(TFFC)發(fā)光二極管，其N型歐姆接觸電極仍 然制作在鎵極性面N型GaN上，即可以繼續(xù)沿用Ti/Al歐姆接觸電極，因此TFFC的一個(gè)顯 著優(yōu)點(diǎn)是可以完全避開(kāi)上述討論氮極性面的問(wèn)題，但因薄膜上P、 N電極需要分別黏結(jié)在基 板上對(duì)應(yīng)的正負(fù)電極區(qū)域，因此對(duì)芯片倒裝技術(shù)要求較高；另為避免激光剝離藍(lán)寶石襯底 薄膜破裂，需要保證薄膜表面在激光剝離藍(lán)寶石瞬間承受均勻的沖擊力，因此在激光剝離 藍(lán)寶石襯底前需要在薄膜與倒裝粘結(jié)基板之間填充介質(zhì)，而介質(zhì)緩沖材料填充的一致性難 以控制，影響器件的成品率。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述因氮面N型GaN上歐姆接觸電極易受溫度裂化所導(dǎo)致的薄膜GaN基發(fā) 光器件工作電壓的可靠性問(wèn)題，本發(fā)明創(chuàng)新地提出一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN 3基發(fā)光器件的制造方法。 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的， 一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造 方法，包括步驟 1)在藍(lán)寶石襯底(0001)上依次外延生長(zhǎng)由N型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和P型 GaN基半導(dǎo)體層構(gòu)成的GaN基LED發(fā)光材料； 2)采用干法或濕法蝕刻去除部分區(qū)域的P型GaN基半導(dǎo)體層、活性層，裸露出鎵面
N型GaN基半導(dǎo)體，露出的區(qū)域形成相互連通的第一凹槽； 3)在P型GaN基半導(dǎo)體表面沉積P型歐姆接觸電極； 4)在第一凹槽內(nèi)沉積相互連通的N型歐姆接觸條狀電極； 5)填充絕緣材料裹住N型歐姆接觸電極并與P型歐姆接觸電極上表面平齊； 6)在P型歐姆接觸電極及絕緣材料上方沉積上焊接金屬，包含Au或者Au的合金； 7)經(jīng)過(guò)上述步驟形成的GaN基外延膜連接到導(dǎo)熱基板上； 8)將藍(lán)寶石襯底剝離去除，露出氮面N型GaN半導(dǎo)體； 9)采用干法或濕法蝕刻去除部分區(qū)域的N型GaN半導(dǎo)體，裸露出部分N型歐姆接 觸條狀電極、絕緣材料及剩余厚度的GaN基外延，露出的區(qū)域形成第二凹槽；
10)在第二凹槽內(nèi)沉積N焊盤金屬；
11)在導(dǎo)熱基板下表面沉積下電極。 本發(fā)明的GaN基LED發(fā)光材料是通過(guò)金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉淀(M0CVD)方法形成 的；N型歐姆接觸條狀電極以及N焊盤的沉積方式采用蒸鍍或?yàn)R射；對(duì)沉積在第一凹槽內(nèi)相 互連通的N型歐姆接觸條狀電極進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚?，退火溫?00 850°C ;GaN基外延 膜與導(dǎo)熱基板上的連接方式采用晶圓鍵合、熔融鍵合或電鍍；藍(lán)寶石襯底的去除方式選用 激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述任意兩種的結(jié)合。 本發(fā)明中，步驟4)、步驟5)、步驟9)以及步驟IO)是本發(fā)明的創(chuàng)新之處，其中步驟 4)在暴露出的鎵面N型半導(dǎo)體層預(yù)先把相互連通的N型歐姆接觸條狀電極制備好，因此轉(zhuǎn) 移到導(dǎo)熱基板上的薄膜GaN基器件的N型歐姆接觸條狀電極是倒置式分布在鎵極性面N型 半導(dǎo)體層上，原藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底剝離后，通過(guò)步驟9)和步驟IO)將N焊盤金屬連接在N型 歐姆接觸條狀電極上，實(shí)現(xiàn)N電極電學(xué)連通；其中通過(guò)步驟5)的絕緣材料包裹住N型歐姆 接觸條狀電極，保證N型歐姆接觸條狀電極與活性層、P型GaN基半導(dǎo)體層、P型歐姆接觸電 極及上焊接金屬的電學(xué)隔離。 本發(fā)明的有益效果是將薄膜GaN芯片的N型歐姆接觸條狀電極倒置式分布在鎵 面N型GaN半導(dǎo)體上，藍(lán)寶石襯底剝離后制作N焊盤金屬并連接到N型歐姆接觸條狀電極 上，具有本發(fā)明設(shè)計(jì)的倒置式N電極薄膜GaN基發(fā)光器件，完全避開(kāi)氮極性面N型歐姆接觸 電極制作難的問(wèn)題，并且氮極性面的N型GaN的接觸電極無(wú)劣化為肖特基接觸，使薄膜GaN 發(fā)光器件具有較低的工作電壓。


圖la至圖li是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種具有倒置式N電極的薄膜GaN發(fā)光器件 的制造過(guò)程的截面示意圖； 圖2和圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種具有倒置式N電極的薄膜GaN發(fā)光器件的制造過(guò)程分別對(duì)應(yīng)圖ld和圖li平面俯視示意圖 附圖中部件說(shuō)明 100 :藍(lán)寶石襯底(0001) 110a :鎵面N型GaN半導(dǎo)體 120 :第一凹槽 200 :P型歐姆接觸電極 210b:N焊盤金屬 230 :上焊接金屬 300 :導(dǎo)熱基板
110 :GaN基外延；
110b :氮面GaN基半導(dǎo)體 130 :第二凹槽
210a :N型歐姆接觸條狀電極 220 :絕緣材料
240 :下焊接金屬
310 :下電極
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明以制造lmmxlmm尺寸薄膜GaN基發(fā)光器件為例闡述具有倒置式N電極的薄
膜GaN發(fā)光器件的制造步驟，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。 —種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方法，其制造工藝步驟
如下 第一步驟如圖la所示，采用金屬有機(jī)物氣相化學(xué)沉淀法(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底 (0001) 100上依次外延生長(zhǎng)由N型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和P型GaN基半導(dǎo)體層構(gòu)成的 GaN基外延110的LED發(fā)光材料。 第二步驟如圖lb所示，以制造lmmxlmm單元器件為例，采用干法蝕刻去除部分區(qū) 域的P型GaN基半導(dǎo)體層、活性層，裸露出鎵面N型GaN基半導(dǎo)體llOa，露出的區(qū)域形成相 互連通的第一凹槽120。 第三步驟如圖lc所示，采用電子束蒸發(fā)在P型GaN基半導(dǎo)體表面沉積P型歐姆 接觸電極200，P型歐姆接觸電極200材料選用Ag，其厚度為100nm 150nm，并在氮?dú)夥諊?下高溫退火使P電極200與P型GaN基半導(dǎo)體層形成良好的歐姆接觸和粘著力。
第四步驟如圖ld所示，采用電子束蒸發(fā)在N型GaN基半導(dǎo)體表面110a沉積N 型歐姆接觸條狀電極210a，選用Ti/Al/Ti，厚度為10/100/50nm，并在氮?dú)夥諊乱愿邷?80(TC快速熱退火lmin，使N電極210與N型GaN基半導(dǎo)體層形成良好的歐姆接觸，P電極 和N電極分布平面俯視效果如圖2所示。 第五步驟如圖le所示在第一凹槽120內(nèi)填充絕緣材料220裹住N型歐姆接觸電 極210并與P型歐姆接觸電極200上表面平齊； 第六、七步驟如圖lf所示，采用電子束蒸發(fā)在P型歐姆接觸電極200及絕緣材料 220表面沉積上焊接金屬230，材料選用Ni/Au，厚度為30/1000nm ;同時(shí)取一 Si襯底300作 為導(dǎo)熱基板，在其上電子束蒸發(fā)下焊接金屬層240，材料選用Ti/AuSn，厚度為50/1000nm， 其中AuSn比例為80 : 20，采用共晶鍵合方式將上述制備好的GaN外延連接到Si基板300 上，鍵合溫度28(TC，鍵合壓力5000N。 第八步驟如圖lg所示，采用248nm KrF準(zhǔn)分子激光剝離去除藍(lán)寶石襯底 (0001) 100，激光能量密度約1000mJ/cm、然后用HCL : H20 = 1 : l浸5min，去除剝離界 面的Ga顆粒，露出氮面GaN基半導(dǎo)體層110b。 第九步驟如圖lh所示，采用干法蝕刻去除部分區(qū)域的GaN半導(dǎo)體，裸露出部分N
5型歐姆接觸條狀電極210a、絕緣材料220及剩余厚度的GaN基外延，露出的區(qū)域形成第二凹 槽130。 第十、十一步驟如圖li所示，采用電子束蒸發(fā)在第二凹槽130內(nèi)沉積N焊盤金屬 210b，材料選用Ti/Au，厚度為50/2000nm ;采用電子束蒸發(fā)在導(dǎo)熱基板300背面沉積下電極 310，材料選用Cr/Au，厚度為50/1000nm ;N焊盤210b及N歐姆接觸條狀電極210a結(jié)構(gòu)分 布平面俯視情況如圖3所示。
權(quán)利要求
一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方法，包括步驟1)在藍(lán)寶石襯底(0001)上依次外延生長(zhǎng)由N型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和P型GaN基半導(dǎo)體層構(gòu)成的GaN基LED發(fā)光材料；2)采用干法或濕法蝕刻去除部分區(qū)域的P型GaN基半導(dǎo)體層、活性層，裸露出鎵面N型GaN基半導(dǎo)體，露出的區(qū)域形成相互連通的第一凹槽；3)在P型GaN基半導(dǎo)體表面沉積P型歐姆接觸電極；4)在第一凹槽內(nèi)沉積相互連通的N型歐姆接觸條狀電極；5)填充絕緣材料裹住N型歐姆接觸電極并與P型歐姆接觸電極上表面平齊；6)在P型歐姆接觸電極及絕緣材料上方沉積上焊接金屬，包含Au或者Au的合金；7)經(jīng)過(guò)上述步驟形成的GaN基外延膜連接到導(dǎo)熱基板上；8)將藍(lán)寶石襯底剝離去除，露出氮面N型GaN半導(dǎo)體；9)采用干法或濕法蝕刻去除部分區(qū)域的N型GaN半導(dǎo)體，裸露出部分N型歐姆接觸條狀電極、絕緣材料及剩余厚度的GaN基外延，露出的區(qū)域形成第二凹槽；10)在第二凹槽內(nèi)沉積N焊盤金屬；11)在導(dǎo)熱基板下表面沉積下電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方 法，其特征在于GaN基LED發(fā)光材料是通過(guò)金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉淀(M0CVD)方法形成的。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方 法，其特征在于N型歐姆接觸條狀電極以及N焊盤的沉積方式采用蒸鍍或?yàn)R射。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造 方法，其特征在于對(duì)沉積在第一凹槽內(nèi)相互連通的N型歐姆接觸條狀電極進(jìn)行高溫?zé)嵬?火處理，退火溫度500 850°C 。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方 法，其特征在于GaN基外延膜與導(dǎo)熱基板上的連接方式采用晶圓鍵合、熔融鍵合或電鍍。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方 法，其特征在于藍(lán)寶石襯底的去除方式選用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述任意兩種的^口 口 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有倒置式N電極分布的薄膜GaN基發(fā)光器件的制造方法，在藍(lán)寶石襯底(0001)上依次外延生長(zhǎng)由N型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和P型GaN基半導(dǎo)體層構(gòu)成的GaN基LED發(fā)光材料，將薄膜GaN芯片的N型歐姆接觸條狀電極倒置式分布在鎵面N型GaN半導(dǎo)體上，藍(lán)寶石襯底剝離后制作N焊盤金屬并連接到N型歐姆接觸條狀電極上，這種倒置式N電極設(shè)計(jì)，完全避開(kāi)氮極性面N型歐姆接觸電極制作難的問(wèn)題，并且氮極性面的N型GaN的接觸電極無(wú)劣化為肖特基接觸，保證薄膜GaN發(fā)光器件具有較低的工作電壓。
文檔編號(hào)H01L33/62GK101702420SQ20091022941
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者葉孟欣, 吳志強(qiáng), 林雪嬌, 潘群峰, 黃慧君 申請(qǐng)人:廈門市三安光電科技有限公司