基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法

摘要

本发明公开的一种基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法，通过先平面键合到支撑基底上再分离单元器件的方式，即先实现GaN LED与支撑基底的无间隙接合，再实现各单元GaN LED器件之间的绝对分离，以降低激光剥离过程裂缝的产生及裂缝的延伸，借助暂时性基底待激光剥离后进行芯片制造，保证大面积激光剥离去除蓝宝石衬底制造薄膜GaN LED的高成品率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜GaN发光二极管的制备方法，特别是涉及一种基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法。

背景技术

目前大多数的GaN基外延主要是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石导电性能差，普通的GaN基发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在N-GaN层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞，产生热量；另外，蓝宝石衬底的导热性能低，因此限制了GaN基器件的发光功率及效率。将蓝宝石衬底去除将发光器件做成垂直结构可以有效解决散热、出光以及抗静电等问题，目前，较受推崇的当属采用准分子激光剥离蓝宝石衬底(LLO，Laser Lift-off)的方法。但成品率低却一直是制约激光剥离蓝宝石衬底技术制造薄膜GaN LED产业化的瓶颈。在激光剥离蓝宝石衬底之前，首先必须将GaN外延膜接合到具有高导热导电性能的支撑基底上；为减少激光剥离过程外延的破裂，普遍的做法是在接合到支撑基底前先按一定的间隔去除GaN基外延层；由于分离的单元器件之间存在空隙不利于与支撑基底的接合，因此常常采用以各种材料对空隙进行填充。即在激光剥离前通常采用先分离单元器件后填充空隙再接合到支撑基底上的制造方法，其结果是：一方面由于接合界面表面不够平整导致GaN单元发光器件与支撑基底接合不够紧密，激光剥离过程GaN外延膜容易脱离支撑基底；另一方面填充后通常仍存在细微空隙，空隙中存在的空气由于强烈的激光能而膨胀，在器件中容易产生裂缝；特别是在大面积激光剥离蓝宝石衬底的情形，激光剥离后的器件成品率非常低。

发明内容

为解决上述GaN外延膜表面不平整导致与支撑部件结合力差的问题及存在空隙导致裂缝产生的问题，以提高大面积激光剥离去除蓝宝石衬底的成品率，本发明旨在提出一种基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法。

本发明的解决上述问题采用的技术方案为一种基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法，其制备步骤如下：

1)在蓝宝石衬底上外延生长GaN基蓝光LED发光材料，发光材料依次包括n型GaN基半导体层、活性层和p型GaN基半导体层；

2)在p型GaN基半导体层上顺序沉积p金属及反射金属膜、多层金属膜；

3)采用共晶键合方式将GaN基外延膜接合到永久支撑基底上；

4)对永久支撑基底及与之接合的GaN基外延膜进行周期性切割处理，分离单元器件；

5)通过感光性树脂将各单元器件连接到暂时性支撑基底上；

6)采用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除；

7)在n型GaN基半导体层上沉积n金属层；

8)将上述发光器件粘贴到翻晶膜上；

9)采用紫外光照射感光性树脂，去除暂时性支撑基底。

本发明中：GaN基LED发光材料是通过金属有机气相化学沉淀法形成；反射金属膜材料选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh组成族群中的物质所形成的合金；多层金属膜包含共晶焊料层，共晶焊料层选自AuSn、Sn、AuGe或AuSi；永久支撑部件材料选自GaAs、Ge或Si；共晶键合温度是200～500℃，共晶键合压力是1000～20000N；暂时性支撑基底选自玻璃或石英；感光性树脂选自感光性聚酰亚胺树脂、感光性苯并环丁烯树脂或感光性环氧树脂；采用248nm KrF准分子激光，激光能量密度400～1200mJ/cm²。

本发明的有益效果是：采用先平面键合到支撑基底上再分离单元器件的方式，即先实现GaN LED与支撑基底的无间隙接合，再实现各单元GaN LED器件之间的绝对分离，最大程度地降低了激光剥离过程裂缝的产生及裂缝的延伸，保证了大面积激光剥离蓝宝石衬底的高成品率，其间借住暂时性基底以进行薄膜GaN LED的制造。

附图说明

图1a至图1j是本发明薄膜GaN LED制造准备过程的截面示意图。附图中部件说明如下：

100：蓝宝石衬底；     110：GaN基外延；    120：p金属及反射金属膜；

130：多层金属膜；     140：共晶焊料层；   150：n金属层；

200：永久性支撑基底； 210：基底接触金属； 300：暂时性支撑基底

310：感光性树脂；     400：翻晶膜

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1a至图1j所示的一种基于平面键合及暂时性基底转移技术的薄膜GaN LED制备方法，其制备步骤如下：

步骤一：如图1a所示，采用金属有机气相化学沉淀法(MOCVD)在蓝宝石衬底100上外延生长GaN基LED发光材料110；

步骤二：如图1b所示，采用电子束蒸发在p-GaN表面上沉积p金属及反射金属膜120，选用Ag，厚度为100nm，通过高温退火改善金属膜120与GaN基半导体单元器件110的欧姆接触和附着力，并经过高温退火与p-GaN形成欧姆接触；

步骤三：如图1c所示，采用电子束蒸发在反射金属膜120上沉积多层金属膜130，选用Cr/Pt/Au，此多层金属膜130主要是起到完全保护反射金属膜120的作用；在多层金属膜130顶部沉积共晶焊料140，选用AuSn，共晶键合温度是280℃，共晶键合压力是3000N使得蓝宝石衬底100和永久性支撑基底200键合，永久支撑部件选择Si；

步骤四：如图1d所示，对永久性支撑基底200及与之连接的外延膜110进行周期性切割处理，分离单元器件；随后在各单元支撑基底底部沉积欧姆接触金属210，如图1e所示；

步骤五：如图1f所示，通过感光性树脂310将各单元器件连接到暂时性支撑基底300上，感光性树脂310选用感光性苯并环丁烯(BCB)树脂，暂时性支撑基底300可以是玻璃或石英；

步骤六：如图1g所示，采用激光剥离蓝宝石衬底100，选用248nm KrF准分子激光器，激光能量密度700mJ/cm²；

步骤七：如图1h所示，在n-GaN表面制作n电极150，选用Cr/Pt/Au；

步骤八：如图1i所示，将上述发光器件粘贴到翻晶膜400上，优先选用型号为SPV224S的翻晶膜；

步骤九：如图1j所示，采用紫外光照射感光性树脂310，分离暂时性支撑基底300，完成本发明薄膜GaN LED器件的制备；

在本发明上述步骤中，步骤三、四是本发明的创新之处，步骤三为平面键合过程，实现GaN基外延110与永久性支撑基底200的无间隙接合；步骤四是发光器件连同其支撑基底一起切断，实现各单元器件之间的绝对分离，通过步骤三、四即先键合再分离的方式，可最大程度地降低了激光剥离过程裂缝的产生及裂缝的延伸，这是本发明制造高成品率薄膜GaN LED的关键技术。其中步骤五是为了在激光剥离后能够进行后续芯片制造，将各单元器件收集在暂时性支撑基底300上，采用感光性树脂310：一是起到粘附的作用，二是可以经过步骤九即紫外光照射后容易分离暂时性支撑基底300，而且此暂时性支撑基底300可在生产中重复利用，此为本发明的巧妙之处。