基于應(yīng)力調(diào)控電鍍和襯底轉(zhuǎn)移的氮化物led芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，特別適用于白光照明領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)被認(rèn)為是人類(lèi)歷史上繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈之后的第四代光源。氮化鎵(GaN)材料，作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有禁帶寬度大、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、小介電常數(shù)、高熱導(dǎo)、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，并且它屬于直接帶隙結(jié)構(gòu)材料，有極高的輻射復(fù)合效率，因此被廣泛應(yīng)用于發(fā)光器件的制備中。
[0003]GaN材料外延生長(zhǎng)所采用的襯底有GaN同質(zhì)襯底，藍(lán)寶石，SiC和Si等異質(zhì)襯底。GaN襯底制備困難，SiC襯底成本極高，Si襯底與GaN的失配極大，因此GaN的外延生長(zhǎng)主要采用的是藍(lán)寶石異質(zhì)襯底。目前，藍(lán)寶石襯底上的LED芯片大部分還是以普通結(jié)構(gòu)的形成存在。隨著圖形化藍(lán)寶石襯底的產(chǎn)業(yè)化，GaN基LED芯片的效率得到大幅提升，其成本也逐漸降低。藍(lán)光LED芯片上添加熒光粉可以實(shí)現(xiàn)白光。為實(shí)現(xiàn)通用照明，要求單顆藍(lán)光LED芯片驅(qū)動(dòng)在較大電流下仍具有較高的光輸出功率。盡管圖形化藍(lán)寶石襯底LED芯片具有較高的光效，然而藍(lán)寶石襯底的散熱性能較差，這將影響LED芯片在大電流驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光效率。去除藍(lán)寶石襯底制備成垂直結(jié)構(gòu)LED可以有效地解決上述問(wèn)題。去除藍(lán)寶石襯底的主要方法是激光剝離，但是激光剝離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生瞬間的高溫，會(huì)影響外延層的質(zhì)量，造成發(fā)光效率下降，更嚴(yán)重地情況可能會(huì)使外延層破裂。目前產(chǎn)業(yè)化所采用的主要是圖形化藍(lán)寶石襯底的LED外延片，由于散射的影響，用激光剝離的方法處理圖形化襯底將需要更大的激光能量，對(duì)外延層的損傷相應(yīng)增加。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型提供了基于應(yīng)力調(diào)控電鍍和襯底轉(zhuǎn)移的氮化物L(fēng)ED芯片。利用激光切割氮化鎵外延層分離各個(gè)LED芯片，釋放氮化鎵外延層的應(yīng)力；利用應(yīng)力調(diào)控電鍍制備金屬基板；利用濕法腐蝕氮極性面GaN使藍(lán)寶石襯底與LED外延層分離。
[0005]本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下。
[0006]基于應(yīng)力調(diào)控電鍍和襯底轉(zhuǎn)移的氮化物L(fēng)ED芯片，從下到上依次包括金屬基板、電鍍種子層、反射電極層、側(cè)壁保護(hù)層、具有倒梯形結(jié)構(gòu)的GaN外延層，和η型電極層。
[0007]進(jìn)一步地，所述金屬基板為金屬鎳，厚度為80 μ m。
[0008]進(jìn)一步地，所述電鍍種子層結(jié)構(gòu)為Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au中的一種，電鍍種子層的厚度為200nm?10um。
[0009]進(jìn)一步地，所述電鍍種子層的面積等于金屬基板的面積；反射電極的面積小于電鍍種子層的面積。
[0010]進(jìn)一步地，所述反射電極層為Ni/Ag或Ni/Au+Al或ITO+Ag，所述反射電極層厚度為 150nm ?500nm。
[0011]進(jìn)一步地，所述GaN側(cè)壁保護(hù)層為絕緣層Si02或SiN，其厚度范圍為800~1500nm，
側(cè)壁保護(hù)層覆蓋住GaN外延層側(cè)壁。
[0012]進(jìn)一步地，所述GaN外延層的結(jié)構(gòu)從下到上依次包括p_GaN層、有源區(qū)和n_GaN層；所述GaN外延層的厚度為2?4 μ m。
[0013]進(jìn)一步地，倒梯形狀的GaN外延層的側(cè)壁傾斜角為40?70度；所述的倒梯形狀的GaN外延層最表層的n-GaN層是N極性氮化鎵。
[0014]進(jìn)一步地，所述η型電極層電極厚度范圍為500nm?1500nm。
[0015]上述基于應(yīng)力調(diào)控電鍍和襯底轉(zhuǎn)移的氮化物L(fēng)ED芯片的制備方法，具體包括以下步驟:
[0016][I]提供一藍(lán)寶石襯底，然后在該襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，氮化鎵外延層包括GaN緩沖層、U-GaN層，n-GaN層、有源區(qū)和ρ-GaN層；
[0017][2]利用光刻及干法刻蝕刻蝕出mesa平臺(tái)；
[0018][3]制備一層激光切割保護(hù)層，利用激光切割氮化鎵外延層，再用熱酸清洗使各個(gè)LED芯片獨(dú)立；
[0019][4]去除激光切割保護(hù)層后，沉積金屬犧牲層，側(cè)壁保護(hù)層；
[0020][5]沉積反射電極層和電鍍種子層；
[0021][6]在電鍍種子層上電鍍金屬基板，并對(duì)該金屬基板進(jìn)行表面拋光處理；
[0022][7]對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研磨拋光處理，用激光將藍(lán)寶石襯底切穿；
[0023][8]用酸或堿溶液進(jìn)行清洗，將步驟[4]中的金屬犧牲層去除，漏出側(cè)面氮化鎵；
[0024][9]將上述結(jié)構(gòu)放置于熱酸或熱堿溶液中，通過(guò)濕法腐蝕，使氮化鎵外延層與藍(lán)寶石襯底分離，從而使氮化鎵外延層轉(zhuǎn)移到了電鍍金屬基板上，表面的氮化鎵為N極性面的U-GaN ；
[0025][10]去除N極性面的u-GaN，漏出N極性面的n_GaN，然后在N極性面的n_GaN上制作N型歐姆接觸電極。
[0026]步驟[I]中所述襯底為藍(lán)寶石襯底，所述氮化鎵外延層從下往上依次包括緩沖層、U-GaN層，n-GaN層、有源區(qū)和ρ-GaN層。
[0027]步驟[2]中所述mesa平臺(tái)，需刻蝕至n-GaN，并且所述mesa平臺(tái)是具有傾斜側(cè)壁的，所述mesa平臺(tái)是通過(guò)控制光刻條件制備獲得。
[0028]步驟[3]中所述的激光切割保護(hù)層為Si02或SiN絕緣層；步驟[3]中所述的激光切割氮化鎵外延層需要切割至藍(lán)寶石襯底；所述熱酸為220°C?280°C的HP03和H2S04混合熱酸，清洗時(shí)間為10?40min。熱酸腐蝕激光切割后的過(guò)道，使過(guò)道寬度增加5?10 μ m，從而使各個(gè)LED芯片獨(dú)立。
[0029]步驟[4]中所述金屬犧牲層是沉積在具有傾斜側(cè)壁的mesa臺(tái)面過(guò)道處，覆蓋過(guò)道中漏出的藍(lán)寶石襯底；所述金屬犧牲層為金屬鉻或鋁；步驟[4]中所述側(cè)壁保護(hù)層，覆蓋整個(gè)具有傾斜側(cè)壁的mesa過(guò)道，上述金屬犧牲層及側(cè)壁。
[0030]步驟[5]中所述反射電極可以為Ni/Ag，Ni/Au+Al，ITO+Ag ;步驟[5]中所述電鍍種子層可以為 Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au, Cr/Pt/Au。
[0031]步驟[6]中所述金屬基板是通過(guò)調(diào)節(jié)電鍍添加劑含量來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬基板的應(yīng)力調(diào)控，所述的金屬基板應(yīng)具備無(wú)應(yīng)力，良好支撐性。
[0032]步驟[7]所述激光切割藍(lán)寶石襯底，需一次性切穿藍(lán)寶石，漏出步驟[4]中所述金屬犧牲層。激光切割線(xiàn)寬極窄，如果切割次數(shù)大于一次，由于對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題將造成藍(lán)寶石切割深度不均勻，影響后續(xù)藍(lán)寶石襯底的成功去除。
[0033]步驟[8]中所述金屬腐蝕溶液為鉻腐蝕液或鋁腐蝕液。
[0034]步驟[10]所述去除GaN緩沖層可以利用干法刻蝕，濕法刻蝕或者拋光處理。
[0035]上述步驟[2]中具有傾斜側(cè)壁的mesa平臺(tái)，使步驟[6]中側(cè)壁保護(hù)層覆蓋更致密，具有更好的保護(hù)效果，從而保證了步驟[12]中通過(guò)利用濕法腐蝕N極性GaN達(dá)到GaN外延層與藍(lán)寶石襯底的分離。而傳統(tǒng)的垂直側(cè)面覆蓋不致密，濕法腐蝕過(guò)程中，腐蝕溶液滲入側(cè)面破壞芯片。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:1、本實(shí)用新型通過(guò)控制ICP刻蝕及掩膜層使刻蝕出的Mesa的側(cè)壁具有40?70度的傾斜角，從而保障了后續(xù)的側(cè)壁保護(hù)層的致密性，有效防止漏電。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾斜角小于30度時(shí)，制備出的LED芯片的漏電增加。2、本實(shí)用新型所采用利用激光先切割氮化鎵外延層、再緊接著用熱酸清洗，通過(guò)此過(guò)程釋放氮化鎵應(yīng)力，從而使芯片在后續(xù)加工不會(huì)出現(xiàn)外延層碎裂現(xiàn)象，不切割并且是后續(xù)電鍍無(wú)應(yīng)力的金屬鎳板的基礎(chǔ)。3、本實(shí)用新型所采用的金屬犧牲層和側(cè)壁保護(hù)層相結(jié)合，一方面金屬犧牲層去除后有利于濕法腐蝕與藍(lán)寶石襯底相連的氮化鎵層，另一方面，有側(cè)壁保護(hù)層的存在，側(cè)壁的GaN不被腐蝕，因而在GaN與藍(lán)寶石襯底分離后，能有效保障側(cè)向GaN的完整性。4、本實(shí)用新型所述的拋光藍(lán)寶石襯底后的厚度小于40 μ m，這有利于激光切割藍(lán)寶石襯底能一次性切穿。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)更厚的藍(lán)寶石襯底，在切割中需要大于一次的切穿，兩次切割間微米級(jí)的偏差會(huì)大幅降低切割效果，從而很難保證后續(xù)濕法腐蝕的成功。
[0037]本實(shí)用新型所述的濕法腐蝕剝離藍(lán)寶石襯底的方法可以用于制備垂直結(jié)構(gòu)LED。通過(guò)切割氮化鎵外延層、熱酸清洗，釋放氮化鎵應(yīng)力；電鍍無(wú)應(yīng)力的鎳基板，拋光金屬基板；制備傾斜氮化鎵側(cè)壁，金屬犧牲層，側(cè)壁保護(hù)層；藍(lán)寶石襯底拋光，一次性切割，腐蝕N極性面氮化鎵等關(guān)鍵步驟實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層的分離。本實(shí)用新型的方法不會(huì)影響GaN有源層的晶體質(zhì)量，從而可以保證垂直結(jié)構(gòu)LED的發(fā)光效率。
【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1是本實(shí)用新型通過(guò)濕法腐蝕剝離藍(lán)寶石襯底制備垂直結(jié)構(gòu)LED的方法的流程圖。
[0039]圖2a至圖2f是本實(shí)用新型制備垂直結(jié)構(gòu)LED過(guò)程的橫截面的圖解示意圖。
[0040]圖3為濕法腐蝕過(guò)程中，從藍(lán)寶石襯底一側(cè)觀察到的藍(lán)寶石襯底與GaN外延層界面的光學(xué)顯微鏡圖。
[0041 ] 其中:I為藍(lán)寶石襯底，2為GaN外延層，3為側(cè)壁保護(hù)層，4為反射電極層即P型電極，5為電鍍金屬基板，6為η型電極。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為使本實(shí)用新型的內(nèi)容更加清楚，下面將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本實(shí)用新型的保戶(hù)范圍內(nèi)。
[0043]本實(shí)用新型通過(guò)濕法腐蝕剝離藍(lán)寶石襯底制備垂直結(jié)構(gòu)LED的方法的步驟如下:
[0044][I]利用MOCVD外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，所述氮化鎵外延層從下到上依次是GaN緩沖層、U-GaN層、n-GaN層、多量子阱層(MQW)和ρ-GaN層。
[0045][2]通過(guò)光刻和感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕工藝，刻蝕氮化鎵外延層，刻蝕深度2?5Pm，通過(guò)控制光刻的條件，制備出具有傾斜側(cè)壁的mesa平臺(tái)。
[0046][3]在整個(gè)