带有二维自然散射出光面的LED芯片的制备方法

摘要

本发明提出了一种基于激光剥离技术和倒封装技术，在外延生长时将具有良好光导出效果的二维散射出光面，在外延生长阶段自然地形成于LED结构之上，而获得具有较高的光功率的发光二极管的制备方法。通过控制这种二维散射出光面的微观尺寸，在n型区表面获得较高载流子浓度，从而形成良好的欧姆接触，对垂直结构的LED的特性的改善具有重要的意义。位于衬底与GaN外延层界面处二维散射出光面，还可以在激光剥离过程中降低GaN和蓝宝石衬底界面处由于激光辐照而产生的应力，减少剥离过程中的损伤，减少剥离前后LED的发光光谱因应力变化而发生移动，以保证剥离衬底而获得高性能的LED。

说明书

技术领域

本项发明属于光电技术领域，具体涉及一种结合金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)外延生长技术、激光剥离和倒装焊技术的制备一种功率型半导体发光二极管(LED)芯片的方法。

背景技术

通常GaN基LED是以蓝宝石衬底上MOCVD生长的多量子阱结构，由于晶格失配、热膨胀系数的差异较大，使外延生长阶段的芯片外延层中应力积累和释放而产生大量的位错，从根本上制约了LED功率的提高；同时，由于蓝宝石衬底是电绝缘的，使得常规结构的LED为n电极和p电极在同一面上制备的平面结构，又因为n电极是将表面的p型层和有源区刻蚀掉而暴露的n型层上形成的，故n型电极区域为不发光区域，使有效发光区域减少，并且，p电极层和接触层的光吸收也是光损失的重要因素；在光导出方面，由于GaN的与空气折射率差较大(GaN折射率为2.5)，p面出光时，只有4％左右能够射出芯片，因而成为抑制光功率主要因素。另外，目前多数使用的蓝宝石衬底的散热问题也大大地影响着功率型LED的特性。

针对上述问题，目前解决办法主要有：

(1)减少位错密度的晶体生长技术，选择侧向外延生长是研究报道较多、应用较广泛、可有效降低位错密度的改进的MOCVD生长方法，运用该方法可以有效地提高发光器件的内量子效率。以日本日亚公司中村修二等为代表的结果已经表明侧向外延技术(LEO)可将贯穿位错降低2个数量级，并成功用于GaN基激光器的制备，用于提高紫外光发光器件特性的研究也有相当的报道。但是，成功应用于批量生产的侧向外延技术仍然有待开发。

(2)采用导电的SiC衬底，制备垂直电极结构的LED芯片，美国CREE公司以SiC衬底的LED为其主流产品，但是存在SiC LED成本高，加工难的问题。

(3)激光剥离蓝宝石衬底，制备垂直电极结构LED，日本日亚和德国的Osram公司已经推出该技术及相关设备，成为一个值得关注的发展方向，但是由于n电极制备，芯片键合(wafer bonding)技术方面的困难，仍然没有产业化；

(4)设计各种光学结构和电极结构以提高光的导出效率。利用光子晶体的概念，对出光区设计，可提高光的导出效率；中村等人提出的表面粗化技术，将LED出光区加工成有利于出光的粗糙表面，将光功率提高了2-3倍。电极结构的设计可以实现均匀的电流分布，有效发光区域增加，这对功率型LED管芯来说非常重要；

(5)倒封装结构由于避免P电极和P-GaN吸收，由于蓝宝石折射率低于GaN，即使不剥离蓝宝石衬底，也能够大幅提高光功率1.5倍以上，美国LumiledsLighting的J.J.Wierer等报告的结果以及Daniel Steigerwald等提出的专利US6573537 B1表明倒装芯片出光效率提高1.6倍。

尽管以上各种方法在一定程度上实现了功率型LED的制备，但是各方法中还都存在多种不利的因素，因此获得具有更高的光功率的发光二极管仍然是本技术领域中待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提出一种基于激光剥离技术和倒装焊技术，在外延生长时将具有良好光导出效果的二维散射出光面，在外延生长阶段自然地形成于LED结构之上，而获得具有较高的光功率的发光二极管的制备方法。

通过控制这种二维散射出光面的微观尺寸，还可以在n型区表面获得较高载流子浓度，从而形成良好的欧姆接触，对垂直结构的LED的特性的改善具有重要的意义。

位于衬底与GaN外延层界面处二维散射出光面，还可以在激光剥离过程中降低GaN和蓝宝石衬底界面处由于激光辐照而产生的应力，减少剥离过程中的损伤，减少剥离前后LED的发光光谱因应力变化而发生移动，以保证剥离衬底而获得高性能的LED。

本发明提出的在外延生长前进行的网状沟槽化衬底工艺，工艺过程简单，易于实现，是提高发光二极管效率的有效方法。

本发明的一种带有二维自然散射出光面的发光二极管的制备方法有以下几个要点：

1.在外延生长的衬底上经刻蚀形成网格状图形，区别于目前常规侧向外延的条状结构衬底。

2.网格状沟槽衬底上生长的GaN，具有二维侧向外延生长机制，其位错密度低，晶体质量好，对提高LED发光的内量子效率有重要意义。

3.在网格状图形化的衬底上生长的LED外延层上，蒸镀高反射率金属复合层Ni/Au/Ni/Al/Ni/Au，同时实现良好的欧姆接触，厚度分别为50/50/100/3500/200/2000。复合层中，Ni/Au起到欧姆接触的作用，其上100的Ni层阻隔Al与Au接触形成对欧姆接触不利的复合体，Al高反射率层的厚度可以从700～4000，最上面的Ni和Au有利于倒装焊工艺中与Si支撑衬底(submount)的熔接。

4.在激光剥离过程中，散射出光面可以降低GaN和蓝宝石衬底界面处由于激光辐照而产生的应力，减少剥离过程中的损伤，减少剥离前后LED的发光光谱因应力变化而发生移动，以保证剥离衬底而获得高性能的LED。使用较小能量的激光剥离工艺，减少损伤。网格状沟槽衬底上的外延层进行激光剥离的工艺为：KrF激光器，波长248nm，激光器扫描频率1Hz，激光器能量密度400-500mJ/cm²。

5.在网状沟槽衬底上生长n型GaN面上蒸镀Ti/Al/Ti/Au，形成欧姆接触层和焊点。与通常的芯片相比较，n-GaN层具有更高的载流子浓度，接触电压会更低，因为侧向外延生长层中的部分区域，施主杂质有更高的电离趋势。

6.N电极为有益于电流扩展、并且小于整个出光面积10％的设计。

7.以n型GaN为出光面，由于网格状沟槽衬底生长的原因，出光面为二维自然散射面，光导出效率得到提高。

根据本发明的一种带有二维自然散射出光面的发光二极管的制备方法，具体技术方案有三种，下面详细说明各个技术方案的具体步骤：

带有二维自然散射出光面的发光二极管的制备方法一，具体步骤如下：

1.在蓝宝石衬底上进行网格状沟槽刻蚀；由于蓝宝石硬度较高，普通的刻蚀方法有相当的难度，我们实验中运用反应离子刻蚀(RIE)和诱导耦合等离子体(ICP)刻蚀。

2.在带有网状沟槽的衬底上依次生长n型GaN、LED有源层、p型GaN；外延片还要进行常规的P型激活退火。

3.在p-GaN上制备电极和反射层；电极金属要能够获得良好欧姆接触，同时还要考虑到与起反射镜面作用的反射层金属有良好的粘附作用，淀积之后要经过合金而获得与p-GaN间的欧姆接触；反射层金属的选择为反射率高、稳定性好、与欧姆接触层金属有良好的粘附性，对欧姆接触无不良影响的金属。我们经过研究，采用多层金属复合结构Ni/Au/Ni/Al/Ni/Au，以获得高反射率、电学特性好的LED。

4.将上述带有P电极LED外延片键合在Si或Cu等支撑衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡，保证外延片和支撑衬底表面均匀无空洞的紧密接触。

5.激光剥离去除难于加工的蓝宝石衬底。结合激光剥离技术，采用较低能量的激光束，尽量减少在剥离过程中对界面处晶体的损伤。剥离完成后，需要去除溶化于外延层表面的金属Ga。

6.在n-GaN面上完成n电极制备；由于散射出光面的要求，n电极要尽量占有较小的面积，通常在保证焊线的最低要求尺度上设计电极尺寸。

最后，经过减薄、划片，制备成垂直电极结构的LED。

带有二维自然散射出光面的发光二极管的制备方法二，具体步骤如下：

1.在蓝宝石衬底上首先生长缓冲层和重掺n-GaN外延层；此二层的厚度与设计的二维散射出光面的刻蚀深度相当。

2.进行网格状沟槽刻蚀GaN，与刻蚀蓝宝石相比，工艺难度小，易于实现。

3.在带有网状沟槽的衬底上依次生长Si掺杂GaN、LED有源层、p型GaN，外延片还要进行常规的P型激活退火。

4.在p-GaN上制备电极和反射层，电极金属要能够获得良好欧姆接触，同时还要考虑到与起反射镜面作用的反射层金属有良好的粘附作用，淀积之后要经过合金而获得与p-GaN间的欧姆接触；反射层金属的选择为反射率高、稳定性好、与欧姆接触层金属有良好的粘附性，对欧姆接触无不良影响的金属。我们经过研究，采用多层金属复合结构Ni/Au/Ni/Al/Ni/Au，以获得高反射率、电学特性好的LED。

5.将上述带有P电极LED外延片键合在Si或Cu等支撑衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡，保证外延片和支撑衬底表明均匀无空洞的紧密接触。

6.激光剥离去除难于加工的蓝宝石衬底。结合激光剥离技术，采用较低能量的激光束，尽量减少在剥离过程中对界面处晶体的损伤。剥离完成后，需要去除溶化于外延层表面的金属Ga。

7.在n-GaN面上完成n电极制备，由于散射出光面的要求，n电极要尽量占有较小的面积，通常在保证焊线的最低要求尺度上设计电极尺寸。

最后，经过减薄、划片，制备成垂直电极结构的LED。

在此方案中，当步骤2的刻蚀深度小于步骤1中GaN外延层的厚度时，在步骤7中n电极是制备于比较平坦的GaN剥离面上，为了避免GaN层对光特别是短波长光的吸收，应当注意，刻蚀深度和步骤一中GaN外延层的厚度的差应尽量小。当步骤2的刻蚀深度等于步骤1中GaN外延层的厚度，在步骤7中n电极是制备于散射出光面的GaN剥离面上。两种情况的n电极特性会有所不同。

带有二维自然散射出光面的发光二极管的制备方法三，具体步骤如下：

1.运用氢化物气相外延(HVPE)或其他方法制备高掺杂n-GaN厚膜，以GaN厚膜或者n-GaN单晶作为LED结构的外延生长衬底。

2.刻蚀GaN成网格状沟槽结构衬底，使用GaN网格状沟槽结构衬底，将获得更高质量的外延生长层。

3.在带有网状沟槽的衬底上依次生长n型GaN、LED有源层、p型GaN，外延片还要进行常规的P型激活退火。

4.在p-GaN上制备电极和反射层，电极金属要能够获得良好欧姆接触，同时还要考虑到与起反射镜面作用的反射层金属有良好的粘附作用，淀积之后要经过合金而获得与p-GaN间的欧姆接触；反射层金属的选择为反射率高、稳定性好、与欧姆接触层金属有良好的粘附性，对欧姆接触无不良影响的金属。我们经过研究，采用多层金属复合结构Ni/Au/Ni/Al/Ni/Au，以获得高反射率、电学特性好的LED。

5.在n-GaN面上完成n电极制备，由于散射出光面的要求，n电极要尽量占有较小的面积，通常在保证焊线的最低要求尺度上设计电极尺寸。

最后，减薄、划片，制备成垂直电极结构的LED。

此方法的应用中，考虑到短波长的光被GaN层的吸收，可以P面出光，因此，步骤4应为n-GaN上制备电极和反射层，步骤5中完成P-GaN上保证出光面积的电极。

上述三种方法，同样适用于外延层中带有AlGaN电子阻挡层的LED的散射出光面制备。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1加工后网格状沟槽衬底图形结构；

图2Al层厚度与反射率的关系(光的波长为400nm)；

图3n型电极平面图；

图4(a)～(g)为带有自然散射出光面的LED芯片制备过程。

最佳实施例详细描述

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。

如图4(a)～(g)所示为带有自然散射出光面的LED芯片制备过程，图中1表示刻蚀出的沟槽部分，2是蓝宝石衬底或GaN衬底，3是半导体接触层，4是金属电极，5P-GaN，6是LED有源区(MQWs)，7是n-GaN，8是透明电极(Ni/Au)，9是反射层，10是支撑衬底(Si或Cu)，11是凸点金属(Au-Sn合金)，12是n电极金属(Ti/Al/Ai/Au)，13是自然散射出光面。下面结合附图详细说明最佳实施例一具体步骤：

(a)在蓝宝石衬底上刻蚀出具有二维沟槽的网格状图形；

图1所示为加工后网格状沟槽衬底图形结构，图1a加工后网格状沟槽衬底图形结构的表面示意图；图1b加工后网格状沟槽衬底图形结构的截面示意图；图中1为刻蚀出的沟槽部分，2为蓝宝石衬底或GaN衬底；其中沟槽部分1的宽度为3μ～5μ，间距3μ-5μ，沟槽深0.5～1μ。

(b)在(a)步骤获得的衬底上，生长LED外延层，并进行P型激活退火。

(c)在GaN基LED外延片p面上蒸镀透明电极Ni(50～100)/Au(50～100)，然后在氧气氛中500℃下合金5分钟。

(d)在透明电极上蒸镀Ni(50～100)/Al(300～500)/Ni(200)/Au(2000)反射层9。图2所示为Al层厚度与反射率的关系曲线图，其中光的波长为400nm，反射层中Al膜的厚度可根据图2中具体数据进行调整。

(e)Si或Cu衬底上制备SiO₂绝缘层，蒸镀Au-Sn合金或其他可用于键合的金属突点。

(f)在280～350℃下把LED外延片与Si衬底或铜衬底键合。

(g)用KrF准分子激光器从蓝宝石衬底侧照射，剥离蓝宝石衬底，激光器波长248nm，照射能量密度400-600mJ/cm²，扫描频率为1Hz；

(h)在n-GaN 7表面蒸镀n电极金属，经过图形剥离获得n电极；如图3所示为n型电极平面图，图中3表示半导体接触层，4表示金属电极，电极结构为Ti200/Al200～300/Ti100～200/Au4000。

(i)最后，经减薄、划片分割，则获得大功率垂直电极结构的LED芯片。最佳实施例二技术方案如下，参考图4说明本实施例的具体步骤：

(a)在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层和重掺n-GaN 7外延层，层厚约1μ～1.5μ。

(b)在(a)步骤中获得的衬底上刻蚀出具有二维沟槽的网格状图形(见图

1)，图形中沟槽宽度为3μ～5μ，间距3μ-5μ，沟槽深～1μ或者～1.5μ。

(c)在(b)步骤获得的图形化衬底上，生长LED外延层。

(d)在GaN基LED外延片p面上蒸镀透明电极Ni(50)/Au(50)，然后在氧气下500℃下合金5分钟。

(e)在透明电极上蒸镀Ni(50～100)/Al(3～500)/Ni(200)/Au(2000)反射层，反射层中Al膜的厚度可根据图2中数据调整。

(f)Si或Cu衬底上制备SiO₂绝缘层，蒸镀Au-Sn合金或其他可用于键合的金属突点。

(g)在280～350℃下把LED外延片与Si衬底或铜衬底键合。

(h)用KrF准分子激光器从蓝宝石衬底侧照射，剥离蓝宝石衬底，激光器波长248nm，照射能量密度400-600mJ/cm²，扫描频率为1Hz；

(i)在n-GaN 7表面蒸镀n电极如图3，电极结构为Ti200/Al200～300/Ti100～200/Au4000。

(k)最后，经减薄、划片分割外延片，封装，则获得大功率垂直电极结构的倒装LED芯片。

此技术方案中，对应步骤(a)的层厚，步骤(b)的刻蚀深度小于层厚时，应注意两者的差应越小越好。

最佳实施例三技术方案如下，参考图4说明本实施例的具体步骤：

(a)在HVPE或其他方法获得的GaN衬底上，刻蚀出具有二维沟槽的网格状图形(见图1)，图形中沟槽宽度为3μ～5μ，间距3μ-5μ，沟槽深0.5～1μ。

(b)在(a)步骤获得的衬底上，生长LED外延层。

(c)在GaN基LED外延片p面上蒸镀透明电极Ni(50)/Au(50)，然后在氧气下500℃下合金5分钟。

(d)在透明电极上蒸镀Ni(50～100)/Al(300～500)/Ni(200)/Au(2000)反射层，反射层中Al层的厚度可根据图2的数据调整。

(e)在n-GaN表面蒸镀n电极如图3，电极结构为Ti200/Al 200～300/Ti100～200/Au4000。

(f)最后，经减薄、划片分割，则获得大功率垂直电极结构的倒装LED芯片。

此技术方案中在GaN衬底的基础上运用沟槽图形化会获得更高质量外延层，对短波长发光器件的发光效率的提高具有重要意义，当应用此方案制备短波长发光器件时，为避免GaN对光的吸收，可采取p面出光的封装方式，因而步骤(d)应改为采用图3制备P电极，步骤(e)改为整面蒸镀获得n电极。

在以上对应三种二维自然散射出光面LED的制备方法的三个最佳实施例中，外延生长步骤中增加AlGaN电子阻挡层，将获得带有二维自然散射出光面和AlGaN电子阻挡层的LED。

本项发明的优点：

(1)刻蚀获得二维图形衬底，侧向生长之后得到平均位错密度较低的高质量外延层，提高LED芯片的发光效率。

(2)直接在衬底上刻蚀形成二维图形，与普通GaN-based LED生长工艺接近，容易实现量产；

(3)在图形衬底上生长，方法一和方法二可避免SiO₂等常规方法中使用的掩膜在生长中带来的污染；

(4)生长中形成自然的二维散射出光面，可提高光功率；

(5)方法一和方法二中，双方向的侧向外延生长，获得具有较高载流子浓度n型GaN接触层，改善了n型电极质量，降低了工作电压；

(6)p型反射层采用高反射率的Al复合层结构，提高芯片出光效率。

本项发明对GaN基大功率发光器件提供新的方法，应用该方法制备的LED，具有成为主流潜力的垂直电极结构，因而光功率和热学特性好，而且由于采用生长过程中自然形成的二维散射面出光，光功率会进一步提高。T.Fuji等人报道光功率正比于出光面粗糙度，优化工艺条件后，光功率可提高2-3倍以上。与目前报道的提高出光效率的方法相比，本发明所涉及的LED芯片制备工艺过程简单，有利于实现产业化。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。