專利名稱：垂直結構發(fā)光二極管芯片結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種垂直結構發(fā)光二極管芯片結構及其制造方法，屬于半導體器件制 造領域。
背景技術：
發(fā)光二極管(LED =Light Emitting Diode)在顯示、照明領域有著廣泛的應用，半 導體發(fā)光二極管將電能轉化為光能，其特點是能耗低、壽命長、色彩豐富、制程環(huán)保。但由于 目前光電轉換效率尚不到20%，仍有80 %的電能轉化為熱能，導致LED發(fā)光器件工作后有 光衰，直接影響LED的長期正常使用，解決散熱是LED行業(yè)最為迫切的問題。GaN基LED芯 片有兩種基本結構，橫向結構(Lateral)和垂直結構(Vertical)。橫向結構的LED芯片的 P、N電極在LED芯片的同一側，電流在N和P類型限制層中橫向流動不等的距離。垂直結 構的LED芯片的P、N兩個電極分別在LED外延層的兩側，由于圖形化電極和全部的P類型 限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，極少橫向流動的電流。制造 垂直結構LED芯片通常采用激光剝離生長襯底藍寶石或機械研磨藍寶石襯底。激光剝離生 長襯底和外延層主要存在設備投資大，運營成本高，同時激光束的瞬間高 溫對外延層有傷 害，導致產品良率低，芯片成本高；單純使用機械研磨，由于外延層厚度為6-10 μ m,生長外 延的藍寶石自身有一定不平整度，機械研磨的精度在5 μ m左右，這樣導致一是機械研磨 藍寶石的終點無法控制，二是研磨的不均勻性，部分區(qū)域已經研磨到N-GaN，部分區(qū)域仍殘 留藍寶石襯底，因此產品良率低，如專利200810033972. 5中提到的用機械研磨的方法去除 藍寶石襯底的方法來制作垂直結構LED芯片。

發(fā)明內容
為了克服激光剝離襯底及機械研磨襯底在制作垂直結構LED芯片存在的問題，本 發(fā)明提出一種垂直結構發(fā)光二極管芯片結構及其制造方法，其通過邦定金屬支撐層-機械 研磨_激光劃槽_混酸腐蝕的綜合方法，制造垂直結構LED芯片，降低了生產成本，提高了 產品良率。本發(fā)明的技術方案是垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于包括下 列工藝步驟a.在P-GaN層上蒸鍍金屬，獲得P電極歐姆接觸層以及反光層；b.在上述金屬表面邦定金屬作為金屬支撐層；c.將晶圓背面藍寶石襯底機械研磨；d.在藍寶石上激光劃槽，根據(jù)所做芯片大小，調整劃槽間距，根據(jù)藍寶石的厚度控 制劃槽深度和寬度；e.用硫酸+磷酸溶液，腐蝕切割道，控制時間，腐蝕到N-GaN層；f.在晶圓背面藍寶石上制作N電極，使一部分N電極直接與N-GaN層接觸，這部分 電極覆蓋劃槽底部，另一部分電極包括N電極壓焊點N-PAD與藍寶石襯底附著；
g.切割成所需大小的芯片。如上所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于邦定金屬支撐層的 厚度在30-80 μ m。如上所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于機械研磨藍寶石襯 底，使剩余藍寶石層厚度為25-50 μ m。如上所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于激光劃槽，根據(jù)藍寶 石的厚度控制劃槽深為27-50 μ m,寬度為30-60 μ m。如上所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于使用磷酸+硫酸高 溫在150-300°C下腐蝕劃槽。如上所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于金屬支撐層邦定方 式包括電鍍或共晶。垂直結構發(fā)光二極管芯片結構，包括P-GaN層、量子阱層、N-GaN層、緩沖層、藍寶 石襯底，它們依次連接，其特征在于還包括P電極歐姆接觸層、反光層、金屬支撐層、N電極 和劃槽；P-GaN層上有P電極歐姆接觸層和反光層，歐姆接觸層表面邦定厚度為30-80 μ m 金屬支撐層，在25-50 μ m藍寶石襯底的表面劃出縱橫交錯的劃槽，這些劃槽的深度在 27-50 μ m,寬度30-60 μ m,劃槽底部為N-GaN層；在晶圓背面藍寶石上制作N電極，部分N電 極金屬與劃槽底部的N-GaN層接觸，大部分N電極與藍寶石襯底直接接觸。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可以使用一般LED芯片制造工廠的現(xiàn)有設備，無需 添置昂貴的激光剝離設備，且生產過程中各種參數(shù)可調，便于以低成本生產出垂直結構的 LED ；所制成的垂直結構LED芯片同比具有發(fā)光面積大、熱阻低、亮度高的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明實施例GaN基晶圓截面示意圖。圖2是是本發(fā)明實施例GaN基晶圓金屬支撐層截面示意圖。圖3是GaN基晶圓減薄后截面示意圖。圖4是GaN基晶圓激光劃槽后截面示意圖。圖5是GaN基LED芯片背面N電極俯視圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。圖1中標記的說明=I-P-GaN層，2-量子阱層，3-N-GaN層，4-緩沖層，5-藍寶石襯底。圖2中標記的說明6_金屬支撐層。圖4中標記的說明-J-激光劃槽及N電極金屬。圖5中標記的說明8-N電極，9-劃槽。本發(fā)明實施例垂直結構發(fā)光二極管芯片結構包括P-GaN層1、量子阱層2、N-GaN 層3、緩沖層4、藍寶石襯底5、P電極歐姆接觸層、反光層、金屬支撐層6、N電極8和劃槽9 ； P-GaN 層1、量子阱層2、N-GaN層3、緩沖層4和藍寶石襯底5依次連接，P-GaN層1上有P電 極歐姆接觸層和反光層，歐姆接觸層表面邦定厚度為30-80 μ m金屬支撐層6，在25-50 μ m藍寶石襯底5的表面劃出一定形狀的縱橫交錯的劃槽9，這些劃槽9的深度在27-50 μ m，寬度30-60 μ m,劃槽9底部為N-GaN層3 ；在晶圓背面藍寶石上制作N電極8，部分N電極金 屬與劃槽底部的N-GaN層3接觸，大部分N電極8與藍寶石襯底5直接接觸。本發(fā)明實施例垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，如圖1-5所示，包括如下工藝 步驟1、在P-GaN層1上蒸鍍金屬，獲得P電極歐姆接觸層以及反光層；2、在上述金屬表面邦定30-80 μ m金屬作為金屬支撐層6，如圖2所示；3、將晶圓背面藍寶石襯底5機械研磨，使剩余藍寶石層厚度為25-50 μ m，如圖3所 示；4、在藍寶石上激光劃槽，根據(jù)所做芯片大小，調整劃槽間距，根據(jù)藍寶石的厚度控 制劃槽9深為27-50 μ m,寬度為30-60 μ m ；5、在晶圓正面的金屬上生長保護層如SI02和(或)SI3N4 ；6、用硫酸+磷酸溶液(高溫150-300°C )，腐蝕切割道，控制時間，確保腐蝕到 N-GaN 層 3 ；7、在晶圓背面藍寶石上制作N電極8，使一部分N電極8直接與N-GaN層3接觸， 這部分電極覆蓋劃槽底部；另一部分電極包括N-PAD與藍寶石襯底5附著，這部分電極較 N-PAD 大 10-50 μ m ；8、切割成所需大小的芯片。事實上試圖通過減薄研磨去除全部藍寶石襯底5，在現(xiàn)有設備條件是不可能穩(wěn)定 實施的，而且常規(guī)外延層上緩沖層4和N-GaN層3的總厚度一般不會超過8 μ m,通過機械研 磨去除全部藍寶石層，由于機械研磨設備加工精度的限制，會造成整個晶圓表面有的區(qū)域 仍有藍寶石層、有的區(qū)域已經研磨到N-GaN層3甚至全部外延層，導致產品良率低，生產無 法控制的情況。為了實現(xiàn)上述的工藝路線，本發(fā)明實施例的工藝過程為在氮化鎵外延層P-GaN 層1上生長反光層和歐姆接觸層，并在歐姆接觸層表面邦定金屬支撐層6，這層金屬厚度在 30-80 μ m，這層金屬可以選擇導熱性能良好、材料內應力低、材料價廉并便于后續(xù)封裝的材 料，如銅金屬等。邦定可以通過電鍍或共晶等方式。通過機械研磨藍寶石襯底5，控制其殘 留藍寶石層厚度在25-50 μ m左右；通過調整激光機的劃片速度、激光功率、激光頻率等參 數(shù)，在藍寶石的表面劃出一定形狀的縱橫交錯的劃槽9，這些劃槽9的深度在27-50 μ m，寬 度30-60 μ m,劃槽底部為N-GaN層3 ；由于N-GaN層3有3_5 μ m厚度，因此可以保證劃槽9 在N-GaN層3 ；激光劃槽時會產生很多產物，而且激光劃出的深度會有一定的差異，再使用 硫酸+磷酸溶液，在高溫150-300°C情況下，腐蝕激光切割產物，完全露出N-GaN層3，這樣 保證后續(xù)N電極8能夠與N-GaN層3有良好的接觸，同時劃槽側面也能夠增加出光；在晶圓 背面制作N電極8，確保部分電極金屬與劃槽底部的N-GaN層3接觸，大部分N電極8與藍 寶石襯底5直接接觸。最后通過切割設備將晶圓分成管芯。使用本發(fā)明實施例垂直結構的LED，發(fā)光面積增加10-20%，熱阻不到同樣尺寸橫向結構芯片的1/3，亮度提高20-30%。實施例1 步驟1 在P-GaN層1上蒸鍍Ti/Al/Ni/Au，獲得P電極歐姆接觸層以及反光層(附圖未標識)；步驟2 在上述金屬表面，通過電鍍，獲得35 μ m銅鍍層金屬作為金屬支撐層6 ；步驟3 將晶圓背面藍寶石襯底5機械研磨，使剩余藍寶石層厚度為30 μ m ；步驟4:在藍寶石上激光劃槽，根據(jù)所做芯片大小，調整劃道間距，根據(jù)藍寶石的 厚度控制劃道深為35 μ m,寬度為40 μ m ；步驟5 在晶圓正面的金屬支撐層6上生長保護層=SIO2 ；步驟6 用硫酸+磷酸溶液，腐蝕切割道，控制時間和腐蝕溫度，確保腐蝕到激光劃 槽內的N-GaN層3 ；步驟7 在晶圓背面藍寶石面制作N電極8，使一部分N電極8直接與N-GaN接觸， 另一部分電極包括N-PAD與藍寶石襯底5附著；步驟8 切割成所需大小的芯片。 實施例2:步驟1 在P-GaN層1上蒸鍍Ti/Al，獲得P電極歐姆接觸層以及反光層(附圖未 標識)；步驟2 在上述金屬表面，通過電鍍，獲得75 μ m銅鍍層金屬作為金屬支撐層6 ；步驟3 將晶圓背面藍寶石襯底5機械研磨，使剩余藍寶石層厚度為45 μ m ；步驟4:在藍寶石上激光劃槽，根據(jù)所做芯片大小，調整劃道間距，根據(jù)藍寶石的 厚度控制劃道深為40 μ m,寬度為55 μ m ；步驟5 在晶圓正面的金屬支撐層6上生長保護層如SI3N4 ；步驟6 用硫酸+磷酸溶液，腐蝕切割道，控制時間和腐蝕溫度，確保腐蝕到激光劃 槽內的N-GaN層3 ；步驟7 在晶圓背面藍寶石面制作N電極8，使一部分N電極8直接與N-GaN接觸， 另一部分電極包括N-PAD與藍寶石襯底5附著；步驟8 切割成所需大小的芯片。
權利要求
垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于包括下列工藝步驟a.在P-GaN層上蒸鍍金屬，獲得P電極歐姆接觸層以及反光層；b.在上述金屬表面邦定金屬支撐層；c.將晶圓背面藍寶石襯底機械研磨；d.在藍寶石上激光劃槽，根據(jù)所做芯片大小，調整劃槽間距，根據(jù)藍寶石的厚度控制劃槽深度和寬度；e.用硫酸+磷酸溶液，腐蝕切割道，控制時間，腐蝕到N-GaN層；f.在晶圓背面藍寶石上制作N電極，使一部分N電極直接與N-GaN層接觸，這部分電極覆蓋劃槽底部，另一部分電極包括N電極壓焊點N-PAD與藍寶石襯底附著；g.切割成所需大小的芯片。
2.根據(jù)權利要求1所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于邦定金屬 支撐層的厚度在30-80 μ m。
3.根據(jù)權利要求1所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于機械研磨 藍寶石襯底，使剩余藍寶石層厚度為25-50 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于激光劃槽， 根據(jù)藍寶石的厚度控制劃槽深為27-50 μ m,寬度為30-60 μ m。
5.根據(jù)權利要求1所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于使用磷酸+ 硫酸高溫在150-300°C下腐蝕劃槽。
6.根據(jù)權利要求1所述的垂直結構發(fā)光二極管芯片制造方法，其特征在于金屬支撐 層邦定方式包括電鍍或共晶。
7.垂直結構發(fā)光二極管芯片結構，包括P-GaN層、量子阱層、N-GaN層、緩沖層、藍寶石 襯底，它們依次連接，其特征在于還包括P電極歐姆接觸層、反光層、金屬支撐層、N電極 和劃槽；P-GaN層上有P電極歐姆接觸層和反光層，歐姆接觸層表面邦定厚度為30-80 μ m 金屬支撐層，在25-50 μ m藍寶石襯底的表面劃出縱橫交錯的劃槽，這些劃槽的深度在 27-50 μ m,寬度30-60 μ m,劃槽底部為N-GaN層；在晶圓背面藍寶石上制作N電極，部分N電 極金屬與劃槽底部的N-GaN層接觸，大部分N電極與藍寶石襯底直接接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種垂直結構發(fā)光二極管芯片結構及其制造方法，本發(fā)明垂直結構發(fā)光二極管芯片是通過在P-GAN的歐姆接觸層上邦定金屬支撐層，機械研磨晶圓背面藍寶石襯底，在藍寶石上激光劃槽并通過磷酸+硫酸溶液腐蝕劃道，露出N-GAN層，淀積N電極金屬，最后切割晶圓得到LED芯片，這樣通過邦定金屬支撐層-機械研磨-激光劃槽-混酸腐蝕的綜合方法制造的芯片為垂直結構，其具有熱阻低、光取出效率高，制造過程利用現(xiàn)有生產設備、生產可操控性強，降低了生產成本，提高了產品良率。
文檔編號H01L33/00GK101847675SQ200910272579
公開日2010年9月29日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者劉榕, 周武, 張建寶, 鄭如定 申請人:武漢華燦光電有限公司