一種換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管及其制備方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，發(fā)光二極管(LED)逐漸成為最受重視的光源技術(shù)之一。一方面LED具有體積小的特征；另一方面LED具備低電流、低電壓驅(qū)動的省電特性；同時(shí)它還具有結(jié)構(gòu)牢固、抗沖擊和抗震能力強(qiáng)，超長壽命等眾多優(yōu)點(diǎn)。其中，作為光電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一，GaN基材料得到了越來越多人的關(guān)注，利用GaN基半導(dǎo)體材料可制作出超高亮度藍(lán)、綠、白光發(fā)光二極管。基于LED的重要作用，如何提高大功率GaN基藍(lán)色LED芯片的發(fā)光功率和散熱已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003]隨著外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率已有了很大的改善，目前藍(lán)光GaN基LED的內(nèi)量子效率已達(dá)90%。隨著生長分布布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)、表面粗化和光子晶體等技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)光GaN基LED的外量子效率也得到了很大提升。散熱問題成為大功率GaN基藍(lán)色LED芯片需重點(diǎn)解決的技術(shù)難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到LED的壽命和節(jié)能效果。LED是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光的，其光譜中不含有紅外部分，所以LED的熱量不能靠輻射散發(fā)。如果LED芯片中的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，會加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據(jù)不同外延及工藝，芯片溫度大概為150°C )，往往會造成LED永久性失效。
[0004]有效地解決LED芯片的散熱問題，對提高大功率GaN基藍(lán)色LED芯片的可靠性和壽命具有重要作用。要做到這一點(diǎn)，最直接的方法莫過于提供一條良好的導(dǎo)熱通道讓熱量從結(jié)往外散出。在外延技術(shù)上，與導(dǎo)熱性差的藍(lán)寶石(導(dǎo)熱系數(shù)約20W / mK)相比，SiC襯底(導(dǎo)熱系數(shù)約490W / mK)和Si襯底(導(dǎo)熱系數(shù)約150W / mK)因?qū)嵝阅芰己糜兄艽蟮膬?yōu)勢。在芯片的級別上，與傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)以藍(lán)寶石襯底作為散熱通道相比，垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)有著較佳的散熱能力。垂直結(jié)構(gòu)芯片直接采用銅合金作為襯底，有效地提高了芯片的散熱能力。倒裝焊(Flip-Chip)技術(shù)通過共晶焊將LED芯片倒裝到具有更高導(dǎo)熱率的硅襯底上，芯片與襯底間的金凸點(diǎn)和硅襯底同時(shí)提高了 LED芯片的散熱能力，保障LED的熱量能夠快速從芯片中導(dǎo)出。
[0005]中國專利CN100499189C公開了一種純金AU的合金鍵合LED倒裝芯片的制備方法，該專利將P-N電極外延片和帶有反射層的硅襯底通過填充純金和其它合金純加熱法鍵合進(jìn)行倒裝焊接形成大功率LED倒裝芯片，使LED產(chǎn)生的熱量降低，提高芯片的可靠性。但是該方法需對芯片P-N電極以及硅襯底圖形進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，工藝復(fù)雜。
[0006]中國專利CNlO 191961A公開了本發(fā)明涉及一種大功率正裝LED芯片結(jié)構(gòu)，此發(fā)明所述的大功率正裝LED芯片通過采用導(dǎo)熱基座和DBR光學(xué)反射膜的結(jié)合，解決了大功率LED芯片在高電流密度小所遇到的散熱及提高出光效率的問題。在該發(fā)明中，需對藍(lán)寶石襯底減薄到50微米以下，一方面嚴(yán)重影響到后續(xù)的清洗、DBR鍍膜、鍵合等工步的破片率，另一面剩余的藍(lán)寶石襯底還是影響到LED芯片的散熱能力。
[0007]中國專利CN101465401B公開了一種基于平面鍵合及暫時(shí)性基底轉(zhuǎn)移技術(shù)的薄膜GaNLED制備方法，通過先平面鍵合到支撐基底上再分離單元器件的方式，即先實(shí)現(xiàn)GaN LED與支撐基底的無間隙接合，再實(shí)現(xiàn)各單元GaN LED器件之間的絕對分離，以降低激光剝離過程裂縫的產(chǎn)生及裂縫的延伸，借助暫時(shí)性基底待激光剝離后進(jìn)行芯片制造，保證大面積激光剝離去除藍(lán)寶石襯底制造薄膜GaN LED的高成品率。但是該方法將P型GaN層鍵合在Si襯底上，因此制程中會造成芯片電壓高、漏電等。
[0008]綜上所述，盡管SiC襯底的導(dǎo)熱性能很好，但是由于其高成本，使得器件的生產(chǎn)成本很高；Si襯底雖然成本很低，但是由于GaN外延層和Si晶體存在較大的晶格失配，使外延層出現(xiàn)大量的位錯，影響芯片的參數(shù)。垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)也存在著工藝復(fù)雜以及良率低等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管，該發(fā)明所用襯底成本低、導(dǎo)熱好，具有工藝簡單、良率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明還提供一種上述發(fā)光二極管的制備方法。
[0011]術(shù)語解釋:
[0012]ITO:1ndium Tin Oxide，氧化銦錫，是一種透明導(dǎo)電薄膜；
[0013]PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0015]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選方案之一:
[0016]一種換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管芯片，包括由下而上設(shè)置的高導(dǎo)熱襯底、焊料層、GaN緩沖層、η型GaN層、量子阱層、P型GaN層和透明導(dǎo)電膜層；在所述透明導(dǎo)電膜層和η型GaN層上分別設(shè)置有P電極、η電極；在所述透明導(dǎo)電膜層裸露的上表面和η型GaN層裸露的上表面及P、η電極邊緣區(qū)域均設(shè)置有鈍化層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選方案之一:
[0018]一種換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管芯片，包括由下而上設(shè)置的高導(dǎo)熱襯底、焊料層、金屬反射層、GaN緩沖層、η型GaN層、量子阱層、P型GaN層和透明導(dǎo)電膜層；在所述透明導(dǎo)電膜層和η型GaN層上分別設(shè)置有P電極、η電極；在所述透明導(dǎo)電膜層裸露的上表面和η型GaN層裸露的上表面及金屬電極邊緣區(qū)域均設(shè)置有鈍化層。
[0019]所述高導(dǎo)熱襯底為硅、銅、鋁或銅合金；
[0020]所述透明導(dǎo)電膜層為ITO薄膜；
[0021]所述金屬反射層為Ni / Pt / Au或Rh / W / Au / W。
[0022]一種上述換襯底的正裝GaN基發(fā)光二極管芯片的制備方法，包括步驟如下:
[0023](I)在藍(lán)寶石襯底上依次生長GaN緩沖層、η型GaN層、量子阱層、P型GaN層；
[0024](2)利用現(xiàn)有的ICP干法刻蝕方法，沿GaN基外延片的ρ型GaN層到η型GaN層刻蝕出臺面結(jié)構(gòu),完成刻蝕后,對GaN基外延片進(jìn)行去膠清洗；
[0025](3)在所述P型GaN層的表面沉積一層ITO透明導(dǎo)電膜作為電流擴(kuò)展層，然后在所述電流擴(kuò)展層上進(jìn)行光刻，只保留P型GaN層上對應(yīng)的ITO透明導(dǎo)電膜；
[0026](4)分別在所述ITO透明導(dǎo)電膜層和η型GaN層上制備ρ電極和η電極，所述ρ電極和η電極材料都為Cr / Pt / Au ；
[0027](5)在所述步驟(4)完成的芯片表面使用PECVD的方法沉積氧化硅薄膜作為鈍化層；
[0028](6)對所述步驟(5)完成后的晶圓經(jīng)過光刻、腐蝕工藝，腐蝕掉P電極和η電極表面的鈍化層薄膜，如圖1所示；
[0029](7)在所述步驟(6)完成的晶圓上方涂覆一層光刻膠，將晶圓與臨時(shí)基板粘合在一起，如圖2所示；
[0030](8)采用激光剝離的方法將經(jīng)過步驟(7)完成的晶圓的原藍(lán)寶石襯底去除；
[0031](9)在步驟(8)去除襯底的表面沉積一層焊料，如圖3所示；將晶圓與高導(dǎo)熱襯底鍵合在一起，如圖4所示；或，
[0032]在步驟(8)去除襯底的表面沉積一層金屬反射層，再沉積一層焊料，將晶圓與高導(dǎo)熱襯底鍵合在一起，如圖6所不；
[0033](10)去除上述晶圓的臨時(shí)基板，然后去膠清洗，得到圖5或圖7所示結(jié)構(gòu)；
[0034](11)將上述晶圓劃裂得到一粒粒芯片。
[0035]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(7)中臨時(shí)基板是藍(lán)寶石襯底、玻璃或石英。
[0036]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述步驟(9)中焊料是AuSruAuIn或AgSn。
[0037]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(9)中鍵合溫度為250_300°C，壓力0.3-0.6MPa，加壓時(shí)間為3-6分鐘。
[0038]本發(fā)明上述技術(shù)方案中未做詳細(xì)說明和限定的，均參照發(fā)光二極管制作的現(xiàn)有技術(shù)。
[0039]本發(fā)明的有益效果:
[0040]1、本發(fā)明的GaN基LED結(jié)構(gòu)中，由于將藍(lán)寶石襯底換為高導(dǎo)熱襯底，因此所得LED芯片發(fā)光效率高，壽命長。在常溫下，45mil大功率LED可實(shí)現(xiàn)350mA電流下5000小時(shí)無光衰，發(fā)光效率可達(dá)140-1601m / W。
[0041]2、本發(fā)明所采用的換襯底方法，由于沒有對芯片的電極做更改，因此比垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)的電壓要低。
[0042]3、本發(fā)明所采用的換襯底方法，使用制作普通LED所需的材料即可完成，因此工藝簡單，成本低。
[0043]4、本發(fā)明臨時(shí)基板的使用，降低了生產(chǎn)過程中的破片率，提高產(chǎn)出率。
【附圖說明】
[0044]圖1為普通GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖2為將臨時(shí)基板與LED晶圓粘合后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖3為帶有臨時(shí)基板的LED晶圓剝尚掉監(jiān)寶石襯底后的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0047]圖4為將聞導(dǎo)熱襯底與帶有臨時(shí)基板的LED晶圓鍵合后的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0048]圖5為去除臨時(shí)基板后的LED不意圖。
[0049]圖6為將聞導(dǎo)熱襯底與帶有反射金屬層的晶圓鍵合后的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0050]圖7為去除臨時(shí)基板后的帶有金屬反射層的LED結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]圖中，1、藍(lán)寶石襯底，2、GaN緩沖層，3、η型GaN層，4、量子阱層，5、ρ型GaN層，6、透明導(dǎo)電膜層，7、ρ電極，8、η電極，9、鈍化層，10、臨時(shí)基板，11、光刻膠，12、焊料層，13、高導(dǎo)熱襯底，14、金屬反射層。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面將結(jié)合說明書附圖，通過具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，所提供的實(shí)例為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例，但不限于此。
[0053]實(shí)施例1、制備硅高導(dǎo)熱襯底的換襯底的正裝GaN基發(fā)光