專利名稱：一種垂直結構發(fā)光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氮化鎵系垂直結構發(fā)光二極管技術領域，具體涉及一種涉及垂直結構發(fā)光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法。
背景技術：
半導體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)的發(fā)展已有數(shù)十年歷史，其在信號顯示、背光源和固態(tài)照明領域有著極其廣泛的應用。目前以III-V族化合物氮化鎵(GaN)材料為基礎的LED (包括其Al、h合金材料)可以覆蓋從深紫外到可見光的大部分波段。LED的器件結構是通過外延生長工藝形成P-型和N-型層薄膜，一般在P-型和 N-型層間架構由能帶不同的周期性多層結構組成的載流子復合區(qū)即發(fā)光區(qū)，外延生長的襯底采用藍寶石(A1203)襯底。器件經過半導體加工工藝完成芯片的分離、電極的制作和表面織構化等步驟形成，經封裝后加正向偏壓注入電子經光子復合后而發(fā)光。根據(jù)能帶設計， 可以實現(xiàn)不同波長的光產生和輸出。傳統(tǒng)的LED器件結構將N型和P型電極置于LED薄膜的同一側，即薄膜的表面， 而在薄膜的底層由于絕緣的藍寶石襯底的存在而沒有電極。在這種設計中，P-型和N-型電極采用局部干法腐蝕工藝分布在芯片表面的兩側，注入電流由水平方向流過LED的發(fā)光區(qū)。這樣的LED器件由于不均勻的電子橫向注入和側面擴散導致從P-型電極區(qū)到N-型電極區(qū)的不均勻發(fā)光，限制了 LED芯片單片的最大尺寸以及整體器件的發(fā)光效率。在高電流密度注入條件下，靠近N型電極的區(qū)域容易出現(xiàn)電流擁塞，導致局部溫度過高甚至整個LED 器件失效。同時，由于這種平面結構的LED器件工作中未能轉化為光能的輸入電能將轉化為熱能，該熱能不能有效通過熱導性能極差的藍寶石襯底散到封裝底座，因此限制了器件功率的進一步提升，成為LED從中小功率的顯示器件向大功率和超大功率的照明器件的應用的一大障礙。為解決芯片的電流擁塞問題和散熱瓶頸問題，需要改變LED器件的結構，使 N-型和P-型電極從水平結構變成垂直結構，即注入電流主要以垂直于薄膜表面的方式均勻流過LED器件結構。為了實現(xiàn)藍寶石襯底上生長的LED薄膜的垂直結構器件，美國加利福尼亞大學伯克利分校的Nathan W. Cheung等人提出了采用選擇性光學加工工藝即紫外激光剝離的辦法(US 0 0 6 0 7 1 7 9 5 )，利用紫外激光在藍寶石材料與GaN材料的界面的強烈光吸收產生GaN局部熱分解，實現(xiàn)LED薄膜和藍寶石襯底的分離。這種方法的局限性是需要復雜昂貴的專用設備，激光剝離工藝是單片外延片串行工藝，且每片外延片中的各個芯片是通過激光步進掃描逐一剝離的，工效低下，工藝復雜，對LED發(fā)光區(qū)產生應力失配導致內量子效率下降等。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種垂直結構發(fā)光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法， 以克服現(xiàn)有氮化鎵系垂直結構發(fā)光二極管組件結構及其制造方法存在的只能進行單片外延片的串行工藝，工藝復雜，對LED發(fā)光區(qū)產生應力失配導致內量子效率下降的的問題。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是
一種垂直結構發(fā)光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于該方法利用化學濕法進行剝離，至少包括以下步驟
1 )在外延生長襯底11上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層12，再在外延生長襯底11上制備LED外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，對外延片進行選擇性圖形刻蝕，完成LED芯片按照設計的尺寸和間隔進行的芯片級分離，刻蝕深度至少透過外延層薄膜；
2)在外延片表面的P-面按照芯片設計的圖形制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層和縱橫交錯的無反光鏡、無歐姆電極和無金屬鍵合粘附層的空白區(qū)域；
3)將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板203上；
4)將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，液體化學試劑通過芯片間的空隙及預留的空白區(qū)域，對ZnO緩沖層進行腐蝕，待ZnO緩沖層完全被腐蝕掉時，外延生長襯底和LED薄膜分開，LED薄膜留在反轉基板上，而外延生長襯底自動脫落，形成可制作垂直結構LED器件的結構，此時N-型半導體暴露在表面；
5)通過制作N-型電極、N-型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構LED的制作。所述ZnO緩沖層(12)的生長工藝包括但不限于金屬有機化學氣相外延，分子束外延、原子層外延、脈沖激光濺射；ZnO緩沖層(12)與后續(xù)的LED薄膜在同一臺生長設備中完成或者預先在襯底上淀積備用；ZnO的厚度在0. 1微米到100微米之間。所述導熱基板是預先成型的并蒸鍍好鍵合金屬層的基板，包括但不限于Si、AlSi、 Cu、CuMo, Cuff,或者是采用涂覆不定型或流質的導熱材料再熱定型的導熱基板。所述化學試劑，包括但不限于鹽酸稀釋液，在室溫或高于室溫低于100C的溫度下，在超聲波振動的輔助下，化學試劑從LED芯片溝槽側向流入外延片。一種垂直結構發(fā)光二極管，其特征在于包括一外延生長襯底11，
一 ZnO緩沖層12，位于該外延生長襯底11上，
一 GaN緩沖層13，位于該ZnO緩沖層12上，
一 N型GaN層14，位于GaN緩沖層13上，
一周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱15，位于該N型GaN層14上，
一電子阻擋層16，位于該周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱15上，
一 P型GaN層17，位于該電子阻擋層16上。所述LED的外延生長襯底的選取包括但不限于藍寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其晶向包括但不限于0001等極化、半極化和非極化方向；所選襯底包含圖形化的表面結構。所述N型GaN層上設置有N-面電極金屬層，與N型層半導體材料形成歐姆接觸， 為單一或多層金屬結構，包括但不限于鈦，鋁，金，釩和其合金。本發(fā)明是通過采用在外延層生長中在襯底上預先掩埋生長氧化鋅(ZnO)緩沖層， 利用ZnO層在化學腐蝕中可以很容易被液體化學試劑(例如鹽酸)腐蝕的原理，使外延生長襯底和LED薄膜得以分離。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是(1)工藝制作簡單，設備要求低；(2)對批量的外延片同時進行外延生長襯底的剝離工藝，產出率明顯提高；(3)本專利提供的襯底剝離技術對襯底的光吸收和透過性沒有要求，使得很多用激光剝離工藝無法實現(xiàn)的襯底(例如Si，GaN, SiC等)可以實施剝離工藝；(4)避免了激光剝離工藝在藍寶石襯底和 LED薄膜界面產生的瞬態(tài)高溫和機械分離過程中產生的巨大應力和沖擊力，不會增加LED 外延層的結構缺陷，是一種對內量子效率無負面影響的芯片工藝技術；(5)此方法不但可用于制作小尺寸(若干微米)的LED芯片，同時也適用于制作大尺寸(毫米或厘米)的LED芯片，為實現(xiàn)半導體照明應用開辟新的芯片尺度。


下面結合附圖和實施例對本專利進一步說明。圖1是本發(fā)明含有ZnO緩沖層的藍寶石襯底上的LED外延結構示意圖。圖2是本發(fā)明襯底剝離工藝的流程示意圖。圖3是本發(fā)明進行藍寶石襯底剝離工藝的橫截面示意圖。圖4是本發(fā)明垂直結構LED芯片開槽刻蝕后的平面俯視圖。圖5是本發(fā)明垂直結構LED芯片開槽并轉移到導熱基板后的橫截面示意圖。主要組件符號說明
11-外延生長襯底，201-P-面反光鏡和歐姆接觸金屬層；12-ZnO緩沖層，202-P-面金屬擴散阻擋層和鍵合層，13-GaN緩沖層，203-導熱基板，14-N-型GaN層，15-周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱，16-電子阻擋層，17-P型GaN層，18-量子阱的勢壘層，19-量子阱的勢阱層， 20-LED 薄膜。
具體實施例方式下面結合附圖和優(yōu)選的具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。在具體的器件設計和制造中，本發(fā)明提出的LED結構將根據(jù)應用領域和工藝制程實施的需要，對其部分結構和尺寸在一定范圍內作出修改，對材料的選取進行變通。參見圖2-圖5，本發(fā)明LED的外延生長襯底11的選取包括但不限于藍寶石 (Al2O3)、氮化鋁(A1N)、氮化鎵(GaN)、硅(Si)、碳化硅(SiC)，其晶向包括但不限于(0001)等極化、半極化和非極化方向。所選襯底可包含圖形化的表面結構從而提高出光效率和降低錯位密度。以藍寶石作為襯底為例，利用本發(fā)明所述的化學濕法進行分離的過程，步驟包括 (1)在生長有ZnO緩沖層12的LED薄膜結構上通過光刻圖形，采用BCl3或Cl2等反應氣體的等離子刻蝕工藝，對芯片間隙的GaN進行臺階刻蝕?？涛g深度根據(jù)LED薄膜的厚度而定， 但要保證刻蝕穿透所有LED薄膜材料，包括ZnO緩沖層12 (俯視圖見圖3);然后，繼續(xù)刻蝕外延生長襯底11，這一過程可能包括更換反應氣體，以達到針對不同被刻蝕材料的最佳刻蝕效果；襯底刻蝕的深度要保證大于1微米，可以達到幾十個微米(橫截面見圖4)。(2)P型 GaN層17的表面通過光刻或機械掩模蒸鍍的辦法，蒸鍍P型歐姆接觸金屬層201，該層同時做為高反射率的反光鏡材料，將垂直結構LED產生的光有效地反射到LED的出光界面。該 P型歐姆接觸金屬層可為單一金屬或者多層金屬結構。(3)在芯片的歐姆接觸金屬層201 上，通過光刻或機械掩模蒸鍍金屬擴散阻擋層和鍵合層202.金屬擴散阻擋層采用多層結構，有效阻擋鍵合層與歐姆金屬層間的相互擴散；金屬鍵合層可以是多層，用來在鍵合工藝中粘合導熱基板。注意在芯片之間的分隔區(qū)域是沒有歐姆金屬層201和金屬擴散阻擋層和鍵合層202的。(4)由此可以將帶有圖形化P-面電極的LED薄膜轉移到導熱基板上。導熱基板可以是預先成型的并蒸鍍好鍵合金屬層的基板，包括但不限于Si、AlSi、Cu、CuMo、CuW 等材料，也可以是采用涂覆不定型或流質的導熱材料再熱定型的辦法形成導熱基板。(5)在液體化學反應槽內注入化學試劑，包括但不限于特定濃度的鹽酸稀釋液，在室溫或高于室溫低于100C的溫度下，在超聲波振動的輔助下，化學試劑從LED芯片溝槽側向流入外延片， 與ZnO緩沖層接觸(見圖5)，腐蝕并置換SiO成分，待所有芯片的SiO層被腐蝕完畢后，外延生長襯底自動與LED薄膜分離，襯底脫落，LED薄膜仍留在轉移導熱基板上。(6)對剝離后的LED薄膜表面進行包括但不限于化學機械研拋或等離子刻蝕等處理，然后制作N-型電極的圖形化和蒸鍍，并進行N-型層表面的織構化，提高出光效率。在襯底11上生長ZnO緩沖層12，用于垂直結構LED薄膜和襯底分離工藝的化學腐蝕犧牲層。同時在生長過程中由于ZnO和GaN材料的晶格高度匹配，可以減少LED薄膜的應力效應，提高后續(xù)生長的GaN緩沖層和N型GaN層、發(fā)光區(qū)和P型層的晶體質量。ZnO緩沖層的生長工藝包括但不限于金屬有機化學氣相外延(M0CVD)，分子束外延(MBE)、原子層外延(ALD)、脈沖激光濺射(PLD)；ZnO緩沖層與后續(xù)的LED薄膜在同一臺生長設備中完成或者預先在襯底上淀積備用；ZnO的厚度在0. 1微米到100微米之間。在ZnO緩沖層12的表面上依次形成GaN緩沖層(無摻雜)13和N型GaN層14，發(fā)光區(qū)15 (多層周期性能帶結構的異質結構)，電子阻擋層16和P型材料層17。在某些波長的LED結構中，N型材料層內可以有一層AKiaN薄層用來提高器件的抗靜電特性；在發(fā)光層中可插入一層空穴阻擋層。發(fā)光層為量子阱結構，包括帶寬較高的勢壘層和帶寬較低的勢阱層。上述各材料層均可由氮化物的化合物半導體構成，包括但不限于hxAlyfel-x-yN (0 ^ χ ^ 1, 0彡y彡1，0彡x+y彡1)，且χ和y的比例可根據(jù)LED設計的出光波長設計。N型層和P型層的半導體帶隙高于發(fā)光層的半導體材料帶隙，保證發(fā)出的光能夠發(fā)射到器件以外。上述各層材料均可根據(jù)需要進行摻雜或不摻雜，例如摻雜硅(Si)可形成N-型層、鎂(Mg)和形成P-型層等，其摻雜方式包括連續(xù)摻雜和非連續(xù)摻雜(比如，脈沖式摻雜 (delta doping))等。為了獲得較高的電子和空穴濃度，也可利用氮化物的內建極化電場進行摻雜，即在摻雜區(qū)引入未摻雜的較高帶寬材料組成超晶格結構(polarization doped superlattice)0 N型層中也可以包含類似的超晶格結構用來降低錯位密度。參見圖1，為本發(fā)明所述一種垂直結構發(fā)光二極管的結構示意圖，包括一襯底，
一 ZnO緩沖層，位于該襯底上， 一 GaN緩沖層，位于該ZnO緩沖層上， 一 N型層，位于GaN緩沖層上， 一發(fā)光區(qū)，位于該N型層上， 一電子阻擋層，位于該發(fā)光區(qū)上， 一 P層，位于該電子阻擋層上。LED芯片的側壁和發(fā)光面的非金屬化部分由表面鈍化層例如Si02、Si3N4等絕緣材料薄膜覆蓋。絕緣層的形成方式包括但不限于使用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)，以及通過光刻工藝在絕緣層形成規(guī)則圖樣等方法。芯片的大小不再取決于激光剝離工藝的激光束斑尺寸，而是可以根據(jù)設計選定，通過芯片臺階刻蝕的溝槽界定，擺脫了大尺寸芯片的限制。 N-面電極金屬層與N型層半導體材料形成歐姆接觸，可以是單一或多層金屬結構，包括但不限于鈦(Ti)，鋁(Al)，金(Au)，釩(V)和其合金。
權利要求
1.一種垂直結構發(fā)光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于該方法利用化學濕法進行剝離，至少包括以下步驟1 )在外延生長襯底(11)上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層(12 )，再在外延生長襯底(11) 上制備LED外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，對外延片進行選擇性圖形刻蝕，完成LED芯片按照設計的尺寸和間隔進行的芯片級分離，刻蝕深度至少透過外延層薄膜；2)在外延片表面的P-面按照芯片設計的圖形制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層和縱橫交錯的無反光鏡、無歐姆電極和無金屬鍵合粘附層的空白區(qū)域；3)將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板(203)上；4)將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，液體化學試劑通過芯片間的空隙及預留的空白區(qū)域，對ZnO緩沖層進行腐蝕，待ZnO緩沖層完全被腐蝕掉時，外延生長襯底和LED薄膜分開，LED薄膜留在反轉基板上，而外延生長襯底自動脫落，形成可制作垂直結構LED器件的結構，此時N-型半導體暴露在表面；5)通過制作N-型電極、N-型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構LED的制作。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種垂直結構發(fā)光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于所述ZnO緩沖層(12)的生長工藝包括但不限于金屬有機化學氣相外延，分子束外延、 原子層外延、脈沖激光濺射；ZnO緩沖層(12)與后續(xù)的LED薄膜在同一臺生長設備中完成或者預先在襯底上淀積備用；ZnO的厚度在0. 1微米到100微米之間。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種垂直結構發(fā)光二極管的薄膜與襯底剝離的方法， 其特征在于所述導熱基板是預先成型的并蒸鍍好鍵合金屬層的基板，包括但不限于Si、 AISi、Cu、CuMo, Cuff,或者是采用涂覆不定型或流質的導熱材料再熱定型的導熱基板。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種垂直結構發(fā)光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于所述化學試劑，包括但不限于鹽酸稀釋液，在室溫或高于室溫低于100C的溫度下，在超聲波振動的輔助下，化學試劑從LED芯片溝槽側向流入外延片。
5.一種垂直結構發(fā)光二極管，其特征在于包括一外延生長襯底(11)，一 ZnO緩沖層(12)，位于該外延生長襯底(11)上，一 GaN緩沖層(13)，位于該ZnO緩沖層(12)上，一 N型GaN層(14)，位于GaN緩沖層(13)上，一周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱(15)，位于該N型GaN層(14)上，一電子阻擋層(16)，位于該周期性多層發(fā)光區(qū)-量子阱(15)上，一 P型GaN層(17)，位于該電子阻擋層(16)上。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種垂直結構發(fā)光二極管，其特征在于所述LED的外延生長襯底的選取包括但不限于藍寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其晶向包括但不限于0001 等極化、半極化和非極化方向；所選襯底包含圖形化的表面結構。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的一種垂直結構發(fā)光二極管，其特征在于所述N型GaN層上設置有N-面電極金屬層，與N型層半導體材料形成歐姆接觸，為單一或多層金屬結構，包括但不限于鈦，鋁，金，釩和其合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涉及垂直結構發(fā)光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法。本發(fā)明采用的技術方案是至少包括以下步驟１)在外延生長襯底上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層，再在外延生長襯底上制備LED外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，２)在外延片表面的P-面制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層；３)將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板上；４)將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，５)通過制作N-型電極、N-型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構LED的制作。本發(fā)明工藝制作簡單，設備要求低；對批量的外延片同時進行外延生長襯底的剝離工藝，產出率明顯提高；對內量子效率無負面影響。
文檔編號H01L33/06GK102214749SQ20111016505
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權日2011年6月20日
發(fā)明者云峰 申請人:云峰