專利名稱：一種基于多單元合成式反射鏡的功率型發(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，特別是涉及一種基于多單元合成式
反射鏡的功率型發(fā)光二極管的制作方法。
背景技術(shù)：
目前大多數(shù)的GaN基外延主要是生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，由于藍(lán)寶石導(dǎo)電性能差， 普通的GaN基發(fā)光器件采用橫向結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)電極在器件的同一側(cè)，電流在N-GaN層中橫 向流動(dòng)不等的距離，存在電流堵塞，產(chǎn)生熱量；另外，藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能低，因此限制了 GaN基器件的發(fā)光功率及效率。將藍(lán)寶石襯底去除將發(fā)光器件做成垂直結(jié)構(gòu)可以有效解決 散熱、出光以及抗靜電等問題。 對(duì)于垂直發(fā)光二極管，一方面，有源層向下發(fā)射的光經(jīng)p型外延接觸金屬反射后 向上從n型外延表面出光，因此為了得到高效垂直發(fā)光二極管，需要在p型GaN基外延底部 制作高反射率歐姆接觸金屬層，以減少有源層向下發(fā)射的光被金屬層吸收，保證器件的工 作電壓和效率；對(duì)于可見光波段，在所有金屬材料中銀(Ag)反射率最高，且能夠與p型GaN 基外延層形成良好的歐姆接觸，因此被公認(rèn)是垂直發(fā)光二極管P歐姆接觸反射層的首選， 但Ag與半導(dǎo)體表面的粘附性不佳。另一方面，在藍(lán)寶石襯底去除前通常將GaN基外延通 過加溫加壓方式焊接到散熱較好的Si基板或金屬基板上，由于Ag與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù) (CTE)不匹配，如Ag的熱膨脹系數(shù)是GaN基外延的3倍多，因此高溫焊接過程會(huì)產(chǎn)生層間熱 應(yīng)力，破壞Ag與p型GaN基表面的粘附力；而具有優(yōu)良散熱基板的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管更 傾向于制作成大尺寸功率型發(fā)光器件，但材料熱應(yīng)力直接與材料尺寸成正比，材料尺寸越 大，高溫焊接過程承受的熱應(yīng)力越大，在制作功率型垂直發(fā)光二極管(如lmmxlmm芯片)過 程中其呈現(xiàn)形式是剝離去除藍(lán)寶石襯底后Ag與GaN外延界面發(fā)生分離導(dǎo)致GaN外延剝落 (peeling)，其剝離后較低的成品率是功率型垂直法發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的瓶頸。傳統(tǒng)的做 法是在p型GaN與Ag之間多制作一黏附性較好的薄金屬層，例如Ni/Ag、 Pt/Ag等，但其反 射率卻比Ag要低很多，因此制約了功率型垂直發(fā)光二極管的發(fā)光效率，而且在制作更高功 率型器件時(shí)也會(huì)存在相同的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述因高溫焊接過程Ag的熱應(yīng)變大造成藍(lán)寶石剝離后GaN外延剝落而導(dǎo) 致功率型垂直發(fā)光二極管制作難的問題，本發(fā)明旨在提出一種基于多單元合成式反射鏡的
功率型發(fā)光二極管的制作方法。 —種基于多單元合成式反射鏡的功率型發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟如 下 步驟一 在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN基藍(lán)光LED發(fā)光材料，發(fā)光材料依次包括n 型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和p型GaN基半導(dǎo)體層；
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步驟二在p型GaN基半導(dǎo)體層上沉積反射金屬膜，采用化學(xué)蝕刻去除各周期器件
周圍區(qū)域及周期器件中央部分區(qū)域的反射金屬膜，即將反射鏡金屬膜進(jìn)行微隔離形成多單
元合成式反射鏡金屬膜，隔離的各單元反射鏡之間暴露出P型GaN基外延表面； 步驟三在氮?dú)夥諊聦?duì)反射金屬膜進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚硇纬蓺W姆接觸； 步驟四在暴露出的p型GaN基外延表面沉積與Ag厚度相當(dāng)?shù)母咦杼畛洳牧希? 步驟五在反射金屬膜及高阻填充材料上沉積阻擋層金屬； 步驟六在阻擋層金屬材料上沉積上焊接金屬； 步驟七取一散熱基板，并在散熱基板上沉積下焊接金屬； 步驟八采用共晶鍵合方式將步驟一至步驟五制備好的GaN基外延膜連接到步驟
七制備好的散熱基板上； 步驟九去除藍(lán)寶石襯底； 步驟十在高阻材料填充區(qū)域垂直對(duì)應(yīng)的n型GaN基外延上表面區(qū)域沉積上電 極； 步驟^^一在散熱基板下表面沉積下電極。 本發(fā)明的創(chuàng)新之處主要是將功率型垂直發(fā)光二極管的反射鏡微隔離形成多單元 合成式反射鏡，降低熱應(yīng)力對(duì)Ag與半導(dǎo)體表面粘附力的影響；并進(jìn)一步在各單元反射鏡空 隙中填充等高度的高阻材料，實(shí)現(xiàn)了 GaN薄膜焊接面的平整性以保證焊接可靠性，同時(shí)實(shí) 現(xiàn)了電流阻擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升器件的發(fā)光效率。其中步驟二將芯片級(jí)的Ag反射膜微隔離 形成多單元合成式的Ag反射膜，是因?yàn)锳g與半導(dǎo)體表面的粘附性不佳且其熱失配非常大， 而Ag薄膜熱應(yīng)力大小直接與薄膜面積大小成正比，功率型發(fā)光二極管芯片的尺寸一般在 ImmX lmm以上，如此尺寸的Ag反射膜在高溫焊接過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力將會(huì)惡化Ag與p型GaN 外延表面的黏附力，而導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底剝離后GaN外延薄膜大量脫落，成品率相當(dāng)?shù)?。?此，對(duì)于功率型垂直發(fā)光二極管，Ag微隔離后單元面積降低幾倍可以直接減小Ag與GaN的 粘附力受高溫焊接過程熱應(yīng)力的影響和破壞；步驟三通過高溫?zé)嵬嘶鹛幚恚龠M(jìn)Ag與p型 GaN表面形成歐姆接觸，并改善其與GaN基外延的粘附性；結(jié)合步驟二和步驟三可以大大降 低激光剝離藍(lán)寶石襯底后由于Ag與GaN外延界面發(fā)生分離導(dǎo)致GaN外延剝落(peeling)， 提高功率型發(fā)光二極管的成品率；步驟四在暴露出的P型GaN基外延表面填充厚度與Ag相 當(dāng)?shù)母咦璨牧?，一方面可以起到填充效果，為焊接過程提供一個(gè)平整的表面，避免因反射膜 微隔離造成的高度不均破壞其與散熱基板焊接的強(qiáng)度；另一方面結(jié)合步驟十，步驟四高阻 材料填充區(qū)域垂直對(duì)應(yīng)于n電極金屬沉積區(qū)域，同時(shí)完成了電流阻擋層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以因 此提升功率型發(fā)光二極管的光效。 本發(fā)明方法中，反射金屬膜優(yōu)選Ag，厚度100 120nm ;微隔離后的單元反射鏡的 面積小于O. 6mm2，其平面形狀選用正方形、長(zhǎng)方形、不規(guī)則形狀或者是它們的組合；反射金 屬膜高溫?zé)嵬嘶饻囟?00 500°C ;高阻填充材料選自Si02、Si3N4、Al203或Ti02，厚度100 120nm;上焊接金屬包含Au或者Au的合金；下焊接金屬選自In、Pdln、AuIn、Sn、AuSn、AgSn、 AuGe或AuSi ;散熱基板的制備材料選自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo ;共晶鍵合溫度200 500°C ， 共晶鍵合壓力1000 20000N ;藍(lán)寶石襯底去除方式采用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或結(jié)合 前述中的任意兩種技術(shù)。 本發(fā)明的有益效果是創(chuàng)新地將功率型垂直發(fā)光二極管的反射鏡微隔離形成多單元合成式反射鏡，大幅降低高溫焊接過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)Ag與半導(dǎo)體表面粘附力的影響， 并進(jìn)一步在各單元反射鏡微隔離帶填充等高度的高阻材料，提供平整焊接面保證焊接強(qiáng) 度，實(shí)現(xiàn)功率型垂直發(fā)光二極管的高成品率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電流阻擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升功率 型垂直發(fā)光二極管的發(fā)光效率。


圖la至圖li是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于多單元合成式反射鏡的功率型垂直發(fā)光 二極管的制作過程的截面示意圖； 圖2a至圖2c是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于多單元合成式反射鏡的功率型垂直發(fā)光 二極管的制作過程關(guān)鍵步驟的平面示意圖。附圖中部件說明如下
100:藍(lán)寶石襯底110:GaN基外延120:P反射金屬膜130:高阻填充材料140:阻擋金屬層150:上焊接金屬160:上電極200:散熱基板210:下焊接金屬220:下電極
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一步說明。 —種基于多單元合成式反射鏡的功率型發(fā)光二極管的制作方法，其步驟如下
步驟一 如圖la所示，采用M0CVD方法在藍(lán)寶石襯底100上外延生長(zhǎng)GaN基LED 發(fā)光材料110，發(fā)光材料依次包括n型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和p型GaN基半導(dǎo)體層；
步驟二 如圖lb所示，采用電子束蒸發(fā)在p型GaN基半導(dǎo)體層表面上沉積p金屬 及反射金屬膜120，選用Ag，厚度lOOOnm ;如圖lc所示，采用化學(xué)蝕刻去除各周期器件周圍 區(qū)域及周期器件中央部分區(qū)域的Ag反射金屬膜，即將反射鏡金屬膜進(jìn)行微隔離形成多單 元合成式反射鏡金屬膜，隔離的各單元反射鏡之間暴露出P型GaN基外延110表面，如圖2a 所示； 步驟三在純氮?dú)夥諊?，?duì)反射金屬膜120進(jìn)行高溫退火改善與GaN基半導(dǎo)體單 元器件110的歐姆接觸和附著力； 步驟四如圖ld所示，采用化學(xué)氣相沉淀(PECVD)在反射金屬膜120(反射鏡)及 中間裸露的P型GaN基外延110表面沉積高阻填充材料130，選用Si02，厚度lOOOnm ;并采 用化學(xué)蝕刻方法將沉積在反射鏡120上表面的Si02去除，即在反射鏡120微隔離區(qū)域填充 高度一致的高阻材料130，其填充后的剖視結(jié)構(gòu)如圖2b所示； 步驟五如圖le所示，采用電子束蒸發(fā)在反射金屬膜120及高阻填充材料130上
5表面沉積阻擋層金屬140，選用WTi/Ti/Pt，厚度為100/30/100nm ; 步驟六如圖If所示，采用電子束蒸發(fā)在阻擋層金屬140上表面沉積上焊接金屬， 選用Cr/Au，厚度為50/1500nm ; 步驟七取一 Si襯底200作為散熱基板，在其上采用電子束蒸發(fā)下焊接金屬層 210，材料選用Cr/Ni/Au/AuSn，厚度為20/50/150/500nm，其中AuSn比例為80 : 20 ;
步驟八如圖lg所示，采用共晶鍵合方式將上述制備好的GaN外延連接到Si基板 200上，鍵和溫度280。C，壓力5000N。 步驟九如圖lh所示，采用248nm KrF準(zhǔn)分子激光剝離去除藍(lán)寶石襯底100，激光 能量密度約lj/cm2 ; 步驟十如圖li所示，在高阻材料130垂直對(duì)應(yīng)的n型GaN基外延上表面區(qū)域沉 積上電極160，其制備好上電極后的平面效果如圖2c所示， 步驟十一 在Si基板200背面上電子束蒸鍍下電極160，均選用Cr/Pt/Au，厚度為 50/50/1000nm。 本發(fā)明通過將功率型垂直發(fā)光二極管的反射鏡微隔離形成多單元合成式反射鏡 (反射金屬膜120)，降低熱應(yīng)力對(duì)Ag與半導(dǎo)體表面粘附力的影響；同時(shí)在各單元反射鏡空 隙中填充等高度的高阻材料，確保GaN薄膜焊接面的平整性及焊接可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電 流阻擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升器件的發(fā)光效率。
權(quán)利要求
一種基于多單元合成式反射鏡的功率型發(fā)光二極管的制作方法，其步驟如下，步驟一在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN基藍(lán)光LED發(fā)光材料，發(fā)光材料依次包括n型GaN基半導(dǎo)體層、活性層和p型GaN基半導(dǎo)體層；步驟二在p型GaN基半導(dǎo)體層上沉積反射金屬膜，采用化學(xué)蝕刻去除各周期器件周圍區(qū)域及周期器件中央部分區(qū)域的反射金屬膜，即將反射鏡金屬膜進(jìn)行微隔離形成多單元合成式反射鏡金屬膜，隔離的各單元反射鏡之間暴露出p型GaN基外延表面；步驟三在氮?dú)夥諊聦?duì)反射金屬膜進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚硇纬蓺W姆接觸；步驟四在暴露出的p型GaN基外延表面沉積與Ag厚度相當(dāng)?shù)母咦杼畛洳牧?；步驟五在反射金屬膜及高阻填充材料上沉積阻擋層金屬；步驟六在阻擋層金屬材料上沉積上焊接金屬；步驟七取一散熱基板，并在散熱基板上沉積下焊接金屬；步驟八采用共晶鍵合方式將步驟一至步驟五制備好的GaN基外延膜連接到步驟七制備好的散熱基板上；步驟九去除藍(lán)寶石襯底；步驟十在高阻材料填充區(qū)域垂直對(duì)應(yīng)的n型GaN基外延上表面區(qū)域沉積上電極；步驟十一在散熱基板下表面沉積下電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是反射金屬膜優(yōu)選Ag，厚度100 120nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是微隔離后的單元反射鏡的面積小于0. 6mm2，其平面形狀選用正方形、長(zhǎng)方形、不規(guī)則形狀或者是它們的組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是反射金屬膜高溫?zé)嵬嘶?溫度400 500°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是高阻填充材料選自Si02、 Si3N4、 A1203或Ti02，厚度100 120nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是上焊接金屬包含Au或者 Au的合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是下焊接金屬選自In、 Pdln、 Auln、 Sn、 AuSn、 AgSn、 AuGe或AuSi 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是散熱基板的制備材料選 自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是共晶鍵合溫度200 soo。c，共晶鍵合壓力1000 加000N。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征是藍(lán)寶石襯底去除方式采 用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或結(jié)合前述中的任意兩種技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種基于多單元合成式反射鏡的功率型垂直發(fā)光二極管的制作方法，將功率型垂直發(fā)光二極管的反射鏡微隔離形成多單元合成式反射鏡，大幅降低高溫焊接過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)Ag與半導(dǎo)體表面粘附力的影響，并進(jìn)一步在各單元反射鏡微隔離帶填充等高度的高阻材料，提供平整焊接面保證焊接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)功率型垂直發(fā)光二極管的高成品率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電流阻擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升功率型垂直發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101771113SQ200910013720
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月4日
發(fā)明者吳志強(qiáng), 吳瑞玲, 林雪嬌, 洪靈愿, 潘群峰, 陳文欣 申請(qǐng)人:廈門市三安光電科技有限公司