專利名稱：一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直發(fā)光二極管的制作方法，尤其是可以提高取光效率的 一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，垂直結(jié)構(gòu)GaN基發(fā)光二極管(LED)已成為研究開發(fā)的熱點。與傳 統(tǒng)正裝、倒裝結(jié)構(gòu)比較，垂直結(jié)構(gòu)LED通過晶圓鍵合或者電鍍、激光剝離(LL0) 等工藝的結(jié)合，將GaN基外延層從藍寶石襯底轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好的金 屬或者半導(dǎo)體襯底材料上，形成電極上下分布，電流垂直注入，從而徹底解決 了正裝、倒裝結(jié)構(gòu)GaN基LED器件中因電極平面分布、電流側(cè)向注入導(dǎo)致的諸 如散熱不佳，電流分布不均、可靠性差等一系列問題。
對于垂直結(jié)構(gòu)的GaN基LED，出光面是n型GaN基外延層，為了減少襯底與 外延層之間的連接金屬吸收由有源層向下發(fā)射的光并提高界面的反射率， 一般 需要在p型GaN基外延層和連接金屬之間制作一金屬反射層，該金屬反射層同 時必須與p型GaN基外延層形成良好的歐姆接觸，以保證器件的工作電壓和效 率。對于藍、綠光波段，銀(Ag)相比于其他金屬材料具有更高的反射率，且 能夠與p型GaN基外延層形成良好的歐姆接觸，所以被認(rèn)為是垂直結(jié)構(gòu)LED中 金屬反射層的首選。


圖1所示為傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的結(jié)構(gòu)和電流分布，垂直結(jié)構(gòu)GaN基 LED的負(fù)電極(即焊盤)位于器件的頂部，頂部焊盤的存在會遮擋或者吸收從有源層發(fā)射向焊盤區(qū)域的光。傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED,由于金屬反射層基本覆 蓋p型GaN基外延層表面并且n型GaN基外延層的高電導(dǎo)率，所以器件內(nèi)部的 電流基本上是均勻分布的，有源層的發(fā)光也是均勻分布的，因此位于焊盤正下 方區(qū)域的有源層發(fā)射的光由于多數(shù)是射向焊盤區(qū)域，就會被遮擋或者吸收，導(dǎo) 致其無法從LED中被取出，因而降低器件的取光效率。
為了避免有源層發(fā)出的光被焊盤遮擋或者吸收，必須抑制或者減少焊盤正 下方有源層的發(fā)光量。比較常用的解決方案就是在LED器件結(jié)構(gòu)中引入一電流 阻擋層(Current Blocking Layer, CBL)，美國專利US4864370就是采用該技 術(shù)方案的典型，其在頂部焊盤下方置入一層不導(dǎo)電的Si02作為電流阻擋層，通 過Si02層阻止電流注入其正下方的發(fā)光層；然而，若將其應(yīng)用于GaN基垂直結(jié) 構(gòu)LED，由于n型GaN基外延層的電導(dǎo)率較高使得電流容易橫向擴展，所以焊盤 下方的電流阻擋層并不能發(fā)揮真正的作用，仍然有較多的電流注入焊盤下方的 發(fā)光層，而造成該區(qū)域有源層發(fā)光并最終被焊盤遮擋或者吸收，因而降低了器 件的取光效率。圖2所示為內(nèi)置CBL垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的結(jié)構(gòu)和電流分布， 其電流分布與傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED基本相同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制 作方法，通過將金屬反射層的中央局部區(qū)域(該區(qū)域與頂部焊盤的垂直投影面 相似)劣化成高接觸電阻區(qū)域，在發(fā)光層中形成電流阻擋結(jié)構(gòu)，減小發(fā)光層中 央局部區(qū)域的電流注入和減少有源層中央局部區(qū)域的發(fā)光，同時增加其他區(qū)域 的電流注入和發(fā)光比例，從而減少被焊盤遮擋和吸收的發(fā)光比例，提高器件的 取光效率。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的提出一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制 作方法，包括有下列步驟
1) 制作LED外延片，即在藍寶石襯底上外延生長一發(fā)光層，所述發(fā)光層依 次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；
2) 在上述p型GaN基外延層上形成一含有Ag或Ag合金的金屬反射層，并 進行熱退火處理；
3) 在上述金屬反射層上形成一擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區(qū)域的擴散 阻擋層，暴露出中央局部區(qū)域的金屬反射層；
4) 在上述的擴散阻擋層以及暴露出的中央局部區(qū)域的金屬反射層上，形成 一含有Au或Au合金的第一金屬連接層；
5) 提供一永久襯底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金屬連接層；
6) 將上述步驟完成的外延片倒裝在永久襯底上，使第一金屬連接層和第二 金屬連接層接合在一起，經(jīng)加溫加壓，使外延片與永久襯底形成鍵合；
7) 去除藍寶石襯底，暴露出n型GaN基外延層；
8) 在n型GaN基外延層上的中央局部區(qū)域形成一負(fù)電極，即焊盤；
9) 在永久襯底的背面形成一正電極。 本發(fā)明的金屬反射層經(jīng)過熱退火處理后與P型GaN基外延層之間形成良好
的歐姆接觸。
本發(fā)明的關(guān)鍵工藝中，外延片倒裝在永久襯底，經(jīng)過加溫加壓的鍵合過程， 使得第一金屬連接層中央局部區(qū)域中的Au滲透到金屬反射層中并與其中的Ag 相互擴散，從而破壞了中央局部區(qū)域的金屬反射層與P型GaN基外延層已形成 的良好歐姆接觸，使之劣化形成高接觸電阻區(qū)域；而除了中央局部之外的其他 區(qū)域由于存在擴散阻擋層的有效隔離阻擋，避免了金屬反射層中的Ag與第一金屬連接層中的Aii的互相擴散，從而保持了金屬反射層與p型GaN基外延層的良 好歐姆接觸。所以經(jīng)過工藝步驟六，金屬反射層與P型GaN基外延層的接觸被 分隔為歐姆接觸區(qū)域和位于中央局部的高接觸電阻區(qū)域。
利用本發(fā)明工藝制作一具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管。當(dāng)對器件施 加正向偏壓時，幾乎全部或者絕大部分的電流將依次流經(jīng)"正電極、永久襯底、 第二金屬連接層、第一金屬連接層、(擴散阻擋層)、金屬反射層、歐姆接觸區(qū) 域、p型GaN基外延層、有源層、n型GaN基外延層、負(fù)電極(焊盤)"路線， 即幾乎全部或者絕大部分的電流將通過金屬反射層/p型GaN基外延層的歐姆接 觸區(qū)域注入發(fā)光層，而通過高接觸電阻區(qū)域注入發(fā)光層的電流比例很小或者幾 乎為零，這樣在垂直發(fā)光二極管中就形成一電流阻擋結(jié)構(gòu)，位于焊盤正下方的 中央局部區(qū)域的發(fā)光層幾乎沒有電流的注入而導(dǎo)致有源層幾乎不發(fā)光，絕大部 分的電流均勻地注入發(fā)光層的其他區(qū)域并在那里的有源層發(fā)生復(fù)合并發(fā)出光 子。在注入電流恒定的情況下，LED有源層發(fā)出的光子總數(shù)量也基本不變，所以 通過在垂直發(fā)光二極管中構(gòu)造電流阻擋結(jié)構(gòu)，可將發(fā)光分布在不被焊盤遮擋或 者吸收的區(qū)域，減少光被焊盤吸收的比例，可以提高發(fā)光器件的取光效率。
本發(fā)明中，擴散阻擋層的材料選自高熔點金屬材Pt、 W、 WTi及前述任意組 合中擇其一，或擴散阻擋層的材料選自Si02、 Si3N4、 A1203、 Ti02及前述任意組合 中擇其一；永久襯底的材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu或Mo;鍵合方式為熔融鍵合 或共晶鍵合；藍寶石襯底的去除方式采用激光剝離、研磨或濕法腐蝕。
本發(fā)明利用電流阻擋結(jié)構(gòu)在垂直發(fā)光二極管中形成合理的器件電流分布和 有源層發(fā)光分布，減小有源層發(fā)光被焊盤吸收的比例，提高器件的取光效率。圖l是傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED內(nèi)部電流分布圖； 圖2是內(nèi)置CBL垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED內(nèi)部電流分布圖； 圖3a 3e是本發(fā)明優(yōu)選實施例的發(fā)光二極管的制作過程的截面示意圖; 圖3f是本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED內(nèi)部電流分布圖。 圖中
10:藍寶石襯底11: n-GaN層
12:多量子阱層13- p-GaN層
14:Ag層15: W層
16:第一金屬連接層17:第二金屬連接層
18:Si襯底19:負(fù)電極
20:正電極21:發(fā)光層
跳電極化外延片200:電極化Si襯底
具體實施例方式
下面結(jié)合圖3a 圖3e和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步說明。 一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟如下 如圖3a所示，在一藍寶石襯底10上采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD) 外延生長發(fā)光層21，發(fā)光層21依次包括n-GaN層11、多量子阱(MQW)層12、 p-GaN層13;在p-GaN層13上蒸鍍制作100nm厚的Ag層14作為金屬反射層， 并在45(TC氮氣氛圍下進行熱退火處理；在Ag層14上采用蒸發(fā)或者濺射方式鍍 上一 W層15作為擴散阻擋層，厚度為500nm，采用光刻并蝕刻去除中央局部圓 形區(qū)域的W層15，露出Ag層14，其中圓形區(qū)域直徑為100微米；在W層15和 露出的Ag層14上蒸鍍制作第一金屬連接層16，材料選用Cr/Au，厚度為50/1000nm。制作完成電極化的外延片100。
如圖3b所示，取一Si襯底18作為永久襯底，在其上制作第二金屬連接層 17，材料選用Cr/Pt/AuSn，厚度為50/100/500nm，其中AuSn比例為80:20。這 樣就制作完成電極化的Si襯底200。
如圖3c所示，將電極化的外延片100倒裝在電極化的Si襯底200上，使 得第一金屬連接層16和第二金屬連接層17相互接合在一起，并在30(TC溫度、 800kg壓力條件下實現(xiàn)共晶鍵合；經(jīng)過加溫加壓的鍵合過程，使得第一金屬連接 層16中央局部區(qū)域中的Au滲透到Ag層14中并相互擴散，從而破壞了中央局 部區(qū)域的Ag層14與p-GaN層13己形成的良好歐姆接觸，使之劣化形成高接觸 電阻區(qū)域；而除了中央局部之外的其他區(qū)域由于存在W層15的有效隔離阻擋， 避免了 Ag層14中的Ag與第一金屬連接層17中的Au的互相擴散，從而保持了 Ag層14與p-GaN層13的良好歐姆接觸。所以經(jīng)過工藝，Ag層14與p-GaN層 13的接觸被分隔為歐姆接觸區(qū)域和位于中央局部的高接觸電阻區(qū)域。
如圖3d所示，采用激光剝離的方式去除藍寶石襯底10，選用248nmKrF準(zhǔn) 分子激光器，激光能量密度設(shè)定800-1000mJ/c邁2，藍寶石襯底10去除后暴露出 n-GaN層11。
如圖3e所示，在n-GaN層11的中央局部區(qū)域上制作負(fù)電極19作為焊盤， 電極材料選用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm，焊盤為圓形，直徑100微米；在 Si襯底18的背面制作正電極20，電極材料選用Ti/Au，厚度50/500nm。
圖3f顯示了依照本發(fā)明方法制作獲得的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的內(nèi)部電流分 布，與圖l和圖2所示的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的內(nèi)部電流分布相比，可以發(fā)現(xiàn)
依本發(fā)明所制得的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管具有電流阻擋結(jié)構(gòu)，使得焊盤正下方的 發(fā)光層幾乎無電流注入，而注入電流則均勻地分布在中央局部之外的發(fā)光層中，這樣所有的光都產(chǎn)生于中央局部區(qū)域之外的有源層中，避免或大大降低了被焊 盤遮擋或者吸收的幾率，從而提高了垂直發(fā)光二極管的取光效率。
10
權(quán)利要求
1.一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法，包括下列步驟1)制作LED外延片，即在藍寶石襯底上外延生長一發(fā)光層，所述發(fā)光層依次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；2)在上述p型GaN基外延層上形成一含有Ag或Ag合金的金屬反射層，并進行熱退火處理；3)在上述金屬反射層上形成一擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區(qū)域的擴散阻擋層，暴露出中央局部區(qū)域的金屬反射層；4)在上述的擴散阻擋層以及暴露出的中央局部區(qū)域的金屬反射層上，形成一含有Au或Au合金的第一金屬連接層；5)提供一永久襯底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金屬連接層；6)將上述步驟完成的外延片倒裝在永久襯底上，使第一金屬連接層和第二金屬連接層接合在一起，經(jīng)加溫加壓，使外延片與永久襯底形成鍵合；7)去除藍寶石襯底，暴露出n型GaN基外延層；8)在n型GaN基外延層上的中央局部區(qū)域形成一負(fù)電極，即焊盤；9)在永久襯底的背面形成一正電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法， 其特征在于金屬反射層經(jīng)過熱退火處理后與p型GaN基外延層之間形成良 好的歐姆接觸。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法， 其特征在于擴散阻擋層的材料選自高熔點金屬材Pt、 W、 WTi及前述任意組 合中擇其一。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法， 其特征在于擴散阻擋層的材料選自Si02、 Si3N4、 A1203、 Ti02及前述任意組合中擇其一。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法， 其特征在于永久襯底的材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu或Mo。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法， 其特征在于鍵合方式為烙融鍵合或共晶鍵合。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于藍寶石襯底的去除方式采用激光剝離、研磨或濕法腐蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種具有電流阻擋結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管的制作方法，在藍寶石襯底上外延生長n-GaN層、有源層和p-GaN層的發(fā)光層；在p-GaN層上依次形成金屬反射層和擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區(qū)域的擴散阻擋層，暴露出金屬反射層；在金屬反射層上形成第一金屬連接層；永久襯底上形成第二金屬連接層；將外延片倒裝在永久襯底上，使兩金屬連接層接合并經(jīng)加溫加壓形成鍵合；去除襯底暴露出n-GaN層；制作電極。通過將金屬反射層的中央局部區(qū)域劣化成高接觸電阻區(qū)域，在發(fā)光層中形成電流阻擋結(jié)構(gòu)，減小發(fā)光層中央局部區(qū)域的電流注入和減少有源層中央局部區(qū)域的發(fā)光，并增加其他區(qū)域的電流注入和發(fā)光比例，從而減少被焊盤遮擋和吸收的發(fā)光比例，提高器件的取光效率。
文檔編號H01L33/00GK101494268SQ20081023784
公開日2009年7月29日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者吳志強, 林雪嬌, 潘群峰 申請人:廈門市三安光電科技有限公司