專利名稱：一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其是指一種垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長等優(yōu)點，在交通指示、戶外全色顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管可能實現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)照明，引起人類照明史的革命，從而逐漸成為目前電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子與外延片的有源區(qū)由電子空穴復(fù)合所產(chǎn)生的光子的比例。在傳統(tǒng)LED器件中，由于襯底吸收、電極阻擋、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10%， 絕大部分光子被限制在器件內(nèi)部無法出射而轉(zhuǎn)變成熱，成為影響器件可靠性的不良因素。 為提高光提取效率，使得器件體內(nèi)產(chǎn)生的光子更多地發(fā)射到體外，并改善器件內(nèi)部熱特性， 經(jīng)過多年的研究和實踐，人們已經(jīng)提出了多種光提取效率提高的方法，比如電流分布與電流擴展結(jié)構(gòu)、芯片形狀幾何化結(jié)構(gòu)、表面微結(jié)構(gòu)等。通常LED的芯片結(jié)構(gòu)為在藍(lán)寶石等襯底上依次外延了 N型半導(dǎo)體層、有源層、P型半導(dǎo)體層的構(gòu)造。另外，在P型半導(dǎo)體層上配置有P電極，在N型半導(dǎo)體層上配置有N電極。最終的芯片可以是正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)等。其中，傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)如圖1所示，垂直結(jié)構(gòu)LED的兩個電極分別在有源層的上下兩側(cè)，電流幾乎全部垂直流過氮化鎵基外延層，沒有橫向流動的電流。因此，電阻降低，沒有電流擁塞，電流分布均勻，充分利用發(fā)光層的材料，電流產(chǎn)生的熱量減小，電壓降低，抗靜電能力提高。其傳統(tǒng)的制造工藝包括下述步驟在藍(lán)寶石襯底上生長一中間媒介層和氮化鎵基外延層(依次包括N型半導(dǎo)體層、有源層、P型半導(dǎo)體層，等)，在氮化鎵基P型半導(dǎo)體層上鍵合一導(dǎo)電支持襯底，該導(dǎo)電支持襯底的另一面層疊P電極。利用激光照射在中間媒介層上，氮化鎵分解，藍(lán)寶石襯底和氮化鎵基外延層分離，即激光剝離，然后制造N電極完成芯片結(jié)構(gòu)的制作。然而，剝離藍(lán)寶石襯底的工藝往往比較復(fù)雜，不利于生產(chǎn)上良品率的提高。如何突破現(xiàn)有技術(shù)進一步提高出光率、提高芯片良品率仍然是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種新型的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，包括N電極、位于所述N電極之上的半導(dǎo)體厚膜、位于所述半導(dǎo)體厚膜之上的半導(dǎo)體外延層、位于所述半導(dǎo)體外延層之上的P電極；所述半導(dǎo)體外延層至少包括N型半導(dǎo)體層、位于所述N型半導(dǎo)體層之上的有源層， 以及位于所述有源層之上的P型半導(dǎo)體層；
所述半導(dǎo)體厚膜是由生長襯底外延生長而得的GaN基半導(dǎo)體材料，其厚度為 70-150 μm。其中，在所述P電極與所述半導(dǎo)體外延層之間還設(shè)有電流擴散層。在所述N電極與所述半導(dǎo)體厚膜之間設(shè)有N型反射層。一種上述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，包括如下步驟步驟一、在生長襯底上生長一層半導(dǎo)體厚膜，再在所述半導(dǎo)體厚膜上生長半導(dǎo)體外延層，該半導(dǎo)體外延層至少包括N型半導(dǎo)體層、位于所述N型半導(dǎo)體層之上的有源層，以及位于所述有源層之上的P型半導(dǎo)體層；步驟二、在所述P型半導(dǎo)體層之上制作P電極；步驟三、利用臨時鍵合技術(shù)在所述P電極上鍵合臨時襯底；步驟四、研磨去掉生長襯底直至露出所述半導(dǎo)體厚膜；步驟五、在露出的所述半導(dǎo)體厚膜表面制作N電極；步驟六、利用解鍵合技術(shù)去除P電極上的臨時襯底。其中，所述半導(dǎo)體厚膜的厚度為70-150 μ m，材料可以是GaN。所述臨時襯底具有耐高溫，耐酸堿腐蝕的特性，優(yōu)先選用襯底為Si襯底、陶瓷襯底或玻璃襯底等。步驟一中，利用金屬有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延或等離子體化學(xué)氣相沉積法生長所述半導(dǎo)體厚膜。在步驟二中，可先在P型GaN層之上制備電流擴散層，再制作P電極。 在步驟五中，可先在露出的半導(dǎo)體厚膜表面制備N型反射層，再制作N電極，使P型半導(dǎo)體層為出光面。解鍵合后，還需要清洗鍵合面處的殘留贓物。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，可以在步驟一生長半導(dǎo)體厚膜之前，先對生長襯底進行劃片，將其劃分為多個單元；或者在步驟二制作P電極之前先進行劃片，劃至生長襯底，將半導(dǎo)體外延層及半導(dǎo)體厚膜劃分成獨立的單元。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明以P型半導(dǎo)體層為出光面，相比正常的同側(cè)結(jié)構(gòu)電極，增加了出光面積，提高了出光效率，與通常的垂直結(jié)構(gòu)工藝相比，減少了激光剝離工藝對GaN的損傷，同時減少了激光剝離工藝中由于鍵合工藝不均勻等問題引起的碎片現(xiàn)象，提高了垂直結(jié)構(gòu)芯片的良品率；本發(fā)明利用正劃技術(shù)，先將藍(lán)寶石襯底劃分成獨立單元，(所述獨立單元的大小與最終芯片的大小相同)再做厚膜生長及外延生長，降低了厚膜生長及外延生長過程中的膜層應(yīng)力，減少了外延生長過程中的厚膜或外延層由于應(yīng)力的原因?qū)е铝哑蚵N曲；該正劃工藝可以在生長厚膜前也可以在制作P電極前，優(yōu)先的可以在生長厚膜前或生長外延層前； 本發(fā)明利用臨時鍵合技術(shù)，在研磨去除藍(lán)寶石襯底前，先將芯片鍵合在臨時襯底上，在研磨過程中減少了由于厚膜生長導(dǎo)致的整個膜層應(yīng)力比較大，在研磨過程中，芯片容易翹曲或裂片現(xiàn)象。


圖1是背景技術(shù)中傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的示意圖。圖2-7是本發(fā)明方法的各步驟示意圖，其中圖7即為本發(fā)明垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的示意圖。
具體實施例方式請參看圖2至圖7，具體說明本發(fā)明垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管制造方法的實施過程步驟一、在生長襯底上生長一層半導(dǎo)體厚膜，再在所述半導(dǎo)體厚膜上生長半導(dǎo)體外延層，該半導(dǎo)體外延層至少包括N型半導(dǎo)體層、位于所述N型半導(dǎo)體層之上的有源層，以及位于所述有源層之上的P型半導(dǎo)體層，如圖2所示。其中，可采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)等方法生長半導(dǎo)體厚膜及半導(dǎo)體外延層。所述生長襯底為Si襯底、SiC襯底或藍(lán)寶石襯底，本實施例中優(yōu)選藍(lán)寶石襯底?？刂粕L的半導(dǎo)體厚膜厚度為70-150 μ m,符合目前正常芯片的厚度要求，其材料可以是GaN，所述N型半導(dǎo)體層優(yōu)選為N型GaN層，P型半導(dǎo)體層優(yōu)選為P型GaN層，有源層優(yōu)選為GaN基量子阱層。步驟二、在所述P型半導(dǎo)體層之上制作P電極，如圖3所示。此時，可先在P型GaN 層之上制備電流擴散層，再制作P電極。電流擴散層的材料為ITO材料，能夠起到電流擴散的作用。步驟三、利用臨時鍵合技術(shù)在所述P電極上鍵合臨時襯底，如圖4所示。其中，所述臨時襯底為Si襯底、陶瓷襯底或玻璃襯底等，起支撐作用，本實施例選取Si襯底。通常臨時鍵合技術(shù)需要在臨時襯底和器件晶圓之間涂覆中間材料如粘合劑等，然后在高溫真空環(huán)境中鍵合；臨時鍵合后，可對該晶圓疊層進行背面加工(減薄、蝕刻、金屬化等)，最后通過解鍵合技術(shù)將加工后的器件晶圓從臨時襯底上剝離下來。步驟四、研磨去掉生長襯底直至露出所述半導(dǎo)體厚膜，如圖5所示。步驟五、在露出的所述半導(dǎo)體厚膜表面制作N電極，如圖6所示。此時，可先在露出的半導(dǎo)體厚膜表面制備N型反射層，再制作N電極，使P型GaN面為出光面。N型反射層為Ag或Al或鋁銀合金材料，電極為金或合金材料。步驟六、利用解鍵合技術(shù)去除P電極上的臨時襯底，如圖7所示。解鍵合后，還需要清洗鍵合面處的殘留贓物。最后得到的結(jié)構(gòu)經(jīng)切割、封裝等后續(xù)工藝，可得到出光率較高的垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片。對于大尺寸的生長襯底，為了防止由于生長厚膜時，外延層的應(yīng)力過大，造成在研磨工藝中，芯片容易裂片的現(xiàn)象，可以在步驟一生長半導(dǎo)體厚膜之前，先對生長襯底進行激光劃片，將其劃分為多個芯片單元，由于生長襯底上已形成了劃道，GaN等半導(dǎo)體材料無法在劃道上生長，所以無需刻蝕，可外延自發(fā)生長成被該劃道向上延伸形成的深劃道分隔的各個單體芯片結(jié)構(gòu)?；蛘呖梢栽诓襟E二制作P電極之前先進行激光劃片，劃至生長襯底，將半導(dǎo)體外延層及半導(dǎo)體厚膜劃分成獨立的單元，降低膜層的應(yīng)力。本發(fā)明中涉及的其他工藝條件為常規(guī)工藝條件，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，包括N電極、位于所述N電極之上的半導(dǎo)體厚膜、位于所述半導(dǎo)體厚膜之上的半導(dǎo)體外延層、位于所述半導(dǎo)體外延層之上的P電極；所述半導(dǎo)體外延層至少包括N型半導(dǎo)體層、位于所述N型半導(dǎo)體層之上的有源層，以及位于所述有源層之上的P型半導(dǎo)體層；所述半導(dǎo)體厚膜是由生長襯底外延生長而得的GaN基材料，其厚度為70-150 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于在所述P電極與所述半導(dǎo)體外延層之間還設(shè)有電流擴散層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于在所述N電極與所述半導(dǎo)體厚膜之間設(shè)有N型反射層。
4.一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、在生長襯底上生長一層半導(dǎo)體厚膜，再在所述半導(dǎo)體厚膜上生長半導(dǎo)體外延層，該半導(dǎo)體外延層至少包括N型半導(dǎo)體層、位于所述N型半導(dǎo)體層之上的有源層，以及位于所述有源層之上的P型半導(dǎo)體層；步驟二、在所述P型半導(dǎo)體層之上制作P電極； 步驟三、利用臨時鍵合技術(shù)在所述P電極上鍵合臨時襯底； 步驟四、研磨去掉生長襯底直至露出所述半導(dǎo)體厚膜； 步驟五、在露出的所述半導(dǎo)體厚膜表面制作N電極； 步驟六、利用解鍵合技術(shù)去除P電極上的臨時襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述半導(dǎo)體厚膜的厚度為70-150 μ m,材料是GaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述臨時襯底為Si襯底、陶瓷襯底或玻璃襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于步驟一中，利用金屬有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延或等離子體化學(xué)氣相沉積法生長所述半導(dǎo)體厚膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于在步驟五中， 先在露出的半導(dǎo)體厚膜表面制備N型反射層，再制作N電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于在步驟一生長半導(dǎo)體厚膜之前，先對生長襯底進行劃片，將其劃分為多個單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求4中所述垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于在步驟二制作P電極之前先進行劃片，劃至生長襯底，將半導(dǎo)體外延層及半導(dǎo)體厚膜劃分成獨立的單兀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制造方法。該二極管結(jié)構(gòu)包括N電極、位于N電極之上的半導(dǎo)體厚膜、位于半導(dǎo)體厚膜之上的半導(dǎo)體外延層以及位于半導(dǎo)體外延層之上的P電極。該結(jié)構(gòu)以P型半導(dǎo)體層為出光面，相比同側(cè)電極結(jié)構(gòu)，增加了出光面積，提高了出光效率。其制造方法利用了臨時鍵合技術(shù)和厚膜技術(shù)，通過臨時襯底作支撐研磨去除生長襯底，與通常的垂直結(jié)構(gòu)工藝相比，減少了激光剝離工藝對GaN的損傷，同時減少了激光剝離工藝中由于鍵合工藝不均勻等問題引起的碎片現(xiàn)象，提高了垂直結(jié)構(gòu)芯片的良品率。
文檔編號H01L33/36GK102299226SQ20101020936
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者葉青, 張楠, 朱廣敏, 潘堯波, 郝茂盛, 齊勝利 申請人:上海藍(lán)光科技有限公司