化合物半导体晶片、发光二极管及其制备方法

专利名称：化合物半导体晶片、发光二极管及其制备方法
化合物半导体晶片、发光二极管及其制备方法
技术领域：
本发明基于2007年5月24日提交的日本专利申请No. 2007-137765,此 处通过参考引入其全部内容。
背景技术：
1. 发明领域
本发明涉及化合物半导体晶片和发光二极管，所述发光二极管被构造成通 过金属层将化合物半导体晶体层与导电基底连接。本发明还涉及所述发光二极 管的制备方法。
2. 相关技术的描述
使用AlGalnP基半导体、AlGaAs基半导体以及AlGalnN基半导体作为其 发光层的发光二极管(LED)被用作各种信息设备、家用电子设备、工业设备 以及机动车的指示光源等，LED的市场的发展超过任何时候。特别是，在使 用AlGalnP基半导体的LED中，从亮度提高的角度，积极研究诸如化合物半 导体晶体层和由Si等构成的导电基底通过金属层被连接的结构，例如在 JP-A-H10-12917和JP-A-2001-339100中。
图3是显示传统LED的截面结构图。该LED ^^皮构造成化合物半导体晶体 层2和导电基底6通过金属层5来连接。化合物半导体晶体层2主要包括第一 包覆层(cladding layer) 21、活性层22以及第二包覆层23。在化合物半导体 晶体层2的粘结部分侧面上形成透明膜3和局部欧姆电极4。在化合物半导体 晶体层2的发光侧面上形成第一电极1，在与粘结部分侧相对的导电基底6的 表面上形成第二电极7。第一电极l与化合物半导体晶体层2进行欧姆接触， 第二电极7与导电基底6进行欧姆接触。金属层5由单层或多层构成，并且通 常可以用作将化合物半导体晶体层2与导电基底6粘结的粘结层、用作将透明 膜3粘附到局部欧姆电极4的粘附层、用作光反射层、用作抑制局部欧姆电极 4和导电基底6的构成元素扩散到粘结部分的界面的层、以及用作与导电基底 6进行欧姆接触的层。下面简单描述图3所示LED的运行。当施加电压以打开第一电极1和第 二电极7之间的电流时，在活性层22中出现光发射。沿着第一包覆层21的方 向发射的光通过其光发射表面从LED向外部辐射。另一方面，沿着第二包覆 层23的方向发射的光在金属层5上^皮反射，通过光发射表面从LED向外部辐 射。因此，由于沿第二包覆层23的方向发射的光在金属层5的表面上被反射， 所以LED能够提高光的发射效率和亮度。
下面简单描述图3中所述LED的制备方法的例子。
首先，通过在单晶基底上形成化合物半导体晶体层2来制备外延晶片。通 过依次序在所述单晶基底上外延生长第一包覆层21、活性层22和第二包覆层 23来形成化合物半导体晶体层2。当化合物半导体晶体层2由AlGaAs基半导 体或者AlGalnP基半导体制成时，通常使用GaAs基底。当化合物半导体晶体 层由AlGalnN基半导体制成时，通常使用蓝宝石基底或GaN基底作为所述单 晶基底。作为外延生长方法，通常使用MOVPE(金属有机化合物气相外延法)。
在外延生长之后，在外延晶片的化合物半导体晶体层2的表面上形成二氧 化硅、氮化硅等的透明膜3。作为形成透明膜3的方法，通常使用热CVD法 或等离子CVD法。形成透明膜3之后，通过使用光刻法来形成局部欧姆电极。 局部欧姆电极4是由单层或多层的金属层形成的。作为形成局部欧姆电极4 的方法，主要使用真空蒸发法或賊射法。
粘结部分的金属层5更常见形成为多层，部分金属层5分别形成在化合物 半导体晶体层2的表面上、以及在导电基底6的粘结部分侧表面上。作为导电 基底6,通常使用Si，它具有良好的机械强度性能以及高的导热率。作为形成 金属层5的方法，主要使用真空蒸发法或溅射法。
形成金属层5之后，执行粘结处理，同时将外延晶片和导电基底6层叠， 使得它们的金属层相互接触。通常在真空或非活性气体中执行粘结处理，使得 外延晶片和导电基底6被加热并且沿着与粘结界面几乎垂直的方向被加压。
为了将外延晶片粘结到导电基底6上，可以使用利用低熔点材料作为金属 层5的方法以及利用金属间固态粘结的方法。
在使用低熔点金属的方法中，执行粘结处理，使得Au-Sn等较低熔点合 金层被形成在外延晶片侧粘结表面上或者在导电基底6侧粘结表面上，接着加热到高于合金熔点的温度。粘结处理过程中的温度通常为200°C~400°C。
在使用金属间固态粘结的方法中，执行粘结处理，使得Au等金属层被形 成在外延晶片侧粘结表面上以及在导电基底6侧粘结表面上。粘结处理过程中 的温度通常为300。C 50(TC。
在粘结处理之后，去除单晶基底，以获得化合物半导体晶体层2和导电基 底6通过金属层5粘结的化合物半导体晶片。去除单晶基底是通过机械抛光、 使用蚀刻剂的蚀刻或其组合而执行的。接着，分别在化合物半导体晶片的化合 物半导体晶体层2侧表面和导电基底6侧表面上形成第一电极2和第二电极7。 接着，通过切片将化合物半导体晶片切成芯片(chip)。由此，制备出平面尺 寸为大约250^mx 500^im的LED。在形成第一电极1和第二电极7中，在大 约400 °C下执行热处理以得到低接触电阻的欧姆接触。
当低熔点合金被用作为构成金属层5的粘结层时，在化合物半导体金属层 2和导电基底6之间的粘结界面出现气隙(air gap )，所以LED的生产产率显 著减少。 一般认为气隙是由在形成第一电极1和第二电极7的热处理过程中一 部分合金层被转化成液相所造成的。
当用于固态粘结的Au层被用作构成金属层5的粘结层时，可以通过形成 总厚度为大约2pm的Au层来抑制出现气隙。当Au层的厚度小于2pm时，气 隙会增加。例如，当Si被用于导电基底6时， 一般估计由于与外延晶片在线 性膨胀系数上的差别，在粘结界面上会出现大的应力，并且导致出现气隙。当 形成更厚的Au时， 一般估计Au层可以作为应力緩和层，并且可以抑制气隙 的出现。
然而，作为形成Au层方法的真空蒸发法和'戚射法存在问题，即Au材料 的利用效率非常低，为5%~25%，这造成Au层形成工艺的制备成本的增加。 此处，材料的利用效率的意思是指在粘结部分的表面上形成的金属层的重量与 真空蒸发或溅射方法的设备所消耗的材料的重量的比例。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体晶片和发光二极管，它们允许提高 在制备半导体晶片和发光二极管时用于连接化合物半导体晶体层和导体基底 的金属材料的利用效率以及以低成本来制备。此外，本发明的另一个目的是l是供发光二极管的制备方法。
另外，本发明的另一个目的是提供一种半导体晶片、发光二极管及其制备 方法，该制备方法可靠地抑制在化合物半导体晶体层和导电基底之间的粘结部 分出现的应力。
(1) 根据本发明的一个实施方式， 一种化合物半导体晶片，包括 化合物半导体晶体层；以及
通过金属层粘结到化合物半导体晶体层的导电基底，
其中，所述金属层包括含有平均直径为lnm 100nm且相互粘结的金属微 粒的多孔金属微粒层。
(2) 根据本发明的另一个实施方式， 一种发光二极管，包括 包含发光层的化合物半导体晶体层；以及 通过金属层粘结到化合物半导体晶体层的导电基底，
其中，所述金属层包括在所述化合物半导体晶体层的一个主要表面上形成 的第一金属层、在所述导电基底的一个主要表面上形成的第二金属层以及在第 一金属层和第二金属层之间形成的多孔金属微粒层，所述多孔金属微粒层包括 平均直径为lnm 100nm且互相粘结的金属微粒。
(3) 根据本发明的另一个实施方式， 一种制备发光二极管的方法，所述 发光二极管包括含有发光层的化合物半导体晶体层和通过金属层被粘结到所 述化合物半导体晶体层的导电衬底，所述方法包括
在单晶基底上外延生长所述化合物半导体晶体层；
在所述化合物半导体晶体层的最上层的表面上形成第一金属层；
在所述导电基底的表面上形成第二金属层；
在所述第一金属层和/或所述第二金属层的表面上形成含有金属微粒的金 属微粒层，所述金属微粒具有lnm 100nm的平均直径且相互粘结；
将所述单晶基底上的所述第一金属层与所述导电基底上的所述第二金属 层通过所述金属樣i粒层粘结；以及
去除所述导电基底上的所述单晶基底。
在上面的实施方式(3)中，可以进行下列改进和变化。 (i)所述金属微粒层的形成包括涂覆包含金属微粒的液体形式或糊状形式材料；
对所述液体形式或糊状形式材料进行加热以蒸发所述液体形式或糊状形 式材料中所包含的有机成分，并且使所述金属微粒相互熔融粘结；
(ii) 所述第一金属层与所述第二金属层通过所述金属微粒层的粘结是在 真空中实施的，并且包括沿着与第一金属层与第二金属层之间的粘结界面几乎 垂直的方向进行加压，以及对所述单晶基底和所述导电基底进行加热。
(iii) 涂覆液体形式或糊状形式材料是通过喷墨印刷法或丝网印刷法实施的。
(iv) 所述金属微粒包括选自Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和Ru的金属微粒。
(v) 所述第一金属层和所述第二金属层包括主要由选自Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和Ru的材料所构成的金属层。
在上面的实施方式(1)或(2)中，可以进行下列改进和变化。
(vi) 所述多孔金属微粒层具有70%~95°/。的孔隙率，该孔隙率足以緩和在 所述化合物半导体晶体层和所述导电基底之间的粘结界面处的应力。此处，
"孔隙率"被定义为所测量的金属微粒的比重与金的比重(即典型值为 19.3g/cm3)的比例(百分比)。例如，由形成所述金属微粒层前后所测量的Si 芯片重量、所述金属微粒层的平均厚度以及所述芯片的表面积，可以计算金属 微粒的比重。如果所述孔隙率超过95%,则它不足以緩和应力。如果所述孔隙 率低于70%,则所述金属微粒层的表面上的凹陷和凸出会变大，以致在所述化 合物半导体晶体层和所述导电基底的粘结处理过程中，所述粘结的晶片可能会 破裂(参见图2 (e))。
(vii) 所述多孔金属孩i粒层具有这样的孔隙率，使得具有多孔金属微粒层 的所述化合物半导体晶片的翘曲被抑制到小于没有所述多孔金属微粒层的所 述化合物半导体晶片的翘曲的50%。此处，"翘曲"被定义为晶片的最大高度 与厚度之间的差。LED化合物半导体晶片(例如，直径为4英寸)在所述导 电基底(例如，Si基底)的侧面上中凸地弯曲，此处其截面被形成为类弧形。 当将所述晶片置于光滑且平坦的薄板上，并将所述导电基底侧向下时，通过接 触型高度计测量所述晶片的厚度。另一方面，按照如下方式测量所述晶片的翘 曲。首先，将所述晶片置于薄板上，并将所述导电基底侧向上。接着，在所述晶片中心附近，寻找距离所述薄板表面的最高点，并在最高点使用高度计测量 高度。因此，如上所述，由所测量的高度和晶片的厚度计算所述翘曲。传统化 合物半导体晶片的翘曲平均为60微米。然而，本发明的化合物半导体晶片的
翘曲被降低到平均值小于30pm (即为传统晶片翘曲的50%)。
(vii)所述多孔金属微粒层的厚度不小于0.3nm且小于3nm。


参考附图，将描述实现本发明各种特征的一般结构。提供附图和相关的描 述是为了说明本发明的实施方式，而不是为了限制本发明的范围。 图1是表示根据本发明的实施方式中的LED的示例性截面图。
图3是表示传统的LED的示例图。 优选实施方式
后面，将参考附图对本发明实施方式的LED进行详细描述。 图1是表示本发明实施方式中的LED (发光二极管)的示例性截面图。 该LED具有化合物半导体晶体层2和导电基底6通过金属层5连接的结 构。在化合物半导体晶体层2的上表面上形成第一电极1，在导电基底6的下 表面形成第二电极7。在第一电极1侧，所述化合物半导体晶体层2包含电极 接触层24、由AlGalnP构成的第一包覆层21、包含活性层(发光层)22和第 二包覆层23的发光层部分、中间层25和GaP层26。另外，在GaP层26的 下表面，形成了包含对发射的光透明的透明膜3的层以及局部欧姆电极4。所 述金属层5包含第一金属层51、第二金属层53和金属微粒层52,其中，所述 第一金属层51被形成在包含透明膜3和局部欧姆电极4的层的表面上，所述 第二金属层53被形成在导电基底6的表面上，所述金属微粒层52被形成为所 述第一金属层51和第二金属层53之间的粘结层。
所述第一金属层51和第二金属层53典型地由多层构成，并且通常可以用 作将化合物半导体晶体层2粘结到导电基底6的粘结层、用作将透明膜3粘附 到局部欧姆电极4的粘附层、用作反射从活性层22发出的光的光反射层、用 作抑制局部欧姆电极4和导电基底6的组成元素扩散进入粘结部分的界面的 层、以及用作与导电基底6进行欧姆接触的层。所述金属微粒层52是通过将直径为纳米水平的金属微粒相互熔融粘结而 形成的金属层。所述金属微粒在化学方面具有非常高活性，以致它们能够仅通 过以无包装颗粒的状态部分地相互接触而被熔融粘结。因此，在处理所述金属 微粒时，方便地用有机物质对金属微粒的周围进行保护，接着将有机物质包裹 的金属微粒分散在有机溶剂中，使得处理液体或糊状形式的金属微粒。通过改 变金属微粒的浓度、有机保护物质或包裹金属微粒的有机溶剂的类别，可以控 制分散所述金属孩i粒的溶液的粘性。
使用平均直径为lnm 100nm的金属微粒。当金属微粒的平均直径为 lnm 100nm时，所述金属微粒层的电阻系数与通过真空蒸发法或濺射法所形 成的金属层的电阻系数在相同的水平上。如果金属微粒的平均直径大于 100nm，则金属微粒层的电阻系数会高出一位数字或更多。相反，如果金属微 粒的平均直径小于lnm，则平均直径的测量精确性会下降，这样平均直径变得 难以控制。这里，通过粒径测量设备使用动态光散射法，测量金属微粒的平均 直径。"平均直径"被定义为在粒径累积频数分布中累积频数基于体积为50% 所对应的颗粒直径。颗粒直径测量设备的商业上可以得到的例子是由日机装林 式会社(NikkisoCo.,Ltd.)制造的UPA-EX150。
更优选使用平均直径为lnm 30nm的金属颗粒。在将所述化合物半导体晶 体层2粘结到所述导电基底6中，期望所述金属微粒层52的表面是平坦和光 滑的，以防止在粘结界面出现空隙。通过^f吏用平均直径为lnm 30nm的金属颗 粒，所制备的金属微粒层52的表面可以被制成非常平坦和光滑，通过SPM(扫 描探针显微镜)测量其表面粗糙度/中线平均值(Ra)为9nm。如果平均直径 超过30nm，则Ra倾向于增加。然而，在平均直径低于100nm的范围内，在 粘结界面没有观察到空隙。
用于金属微粒层52、第一金属层51和第二金属层53的材料优选选自Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和Ru。在这些材料中，考虑到操作的可靠性和LED的成本， Au是最有前途的材料。
尽管Ag比Au便宜，但是Ag倾向于引起电迁移，这可能会降低LED的 可靠性。已知水涉及Ag的电迁移。因此，如果将LED设置在防水包装中， 例如，适合防止水侵入的金属密封中，则可以使用Ag。Cu是易于在空气中被氧化的材料。通过在形成金属微粒层52的处理和粘 结处理器件在还原氛围中对Cu进行还原，可以使用Cu。
Pd、 Pt和Ru是类似Au的难以被氧化的材料，因此可以用于通过金属微 粒层52的粘结。
在形成所述金属微粒层52中，首先，将液体或糊状金属微粒涂覆到第一 金属层51的表面和/或第二金属层53的表面上。接着，通过加热以蒸发有机 成分并且熔融粘结所述金属微粒来形成所述金属微粒层52。
为了将液体或糊状金属微粒涂覆到其上，使用喷墨印刷法(喷射法)或丝 网印刷法。通过由喷墨印刷法或丝网印刷法涂覆所述液体或糊状金属微粒，所 述金属材料的利用效率可以增加超过90%。
形成所述金属《鼓粒层52之后，在真空中将外延晶片层叠到所述导电基底 6上，其中所述外延晶片具有外延生长在单晶基底如GaAs等上的化合物半导 体晶体层2。接着，沿着与外延晶片与导电基底6之间的粘结界面几乎垂直的 方向进行加压和加热，以完成所述粘结处理。
在所述粘结处理之后，去除用于外延生长的单晶基底。这样，可以得到用 于LED的化合物半导体晶片，其包括通过金属层5粘结的化合物半导体晶体 层2和导电基底6，所述金属层5包含金属微粒层52。
接着，测量用于LED的化合物半导体晶片的翘曲，其中所述晶片的直径 为4英寸，并且具有金属^f敖粒层52作为粘结层。其结果是，证实了所述翘曲 被抑制到小于仅通过由真空蒸发法或溅射法所形成的金属层(即没有所述金属 微粒层52)来粘结的化合物半导体晶片的翘曲的50%。 一般认为与通过真 空蒸发法或溅射法所形成的金属层相比，所述金属微粒层52基本上是多孔的， 这样所述多孔金属微粒层52有效地起到緩和在粘结界面处应力的作用。
接着，在化合物半导体晶片的化合物半导体晶体层2和导电基底6的表面 上形成第一电极1和第二电极7。接着，通过切片将晶片切割成芯片，以生产 LED(棵芯片)。
该实施方式的LED具有高的发射输出和可靠性，使得它可以用于交通信 号灯、机动车的外部灯、液晶显示器的背光模块等。
尽管在上面的实施方式中解释了 LED，但是无需说明本发明可以应用于除LED以外的设备的化合物半导体晶片，所述化合物半导体晶片是通过由金
属层将化合物半导体晶体层和导电基底粘结而形成的。
实施例
下面将解释本发明的实施例。 实施例1
在实施例1中，制备与图1所示的实施方式中的LED相同截面结构的 LED。也就是说，如图l所示的，化合物半导体晶体层2通过金属层5与导电 基底6粘结，在化合物半导体晶体层2和导电基底6的表面上分别形成用于对 LED进行配电的第一电极1和第二电极7。
在实施例1中，所述化合物半导体晶体层2包含电极接触层24、第一包 覆层21、活性层22、第二包覆层23、中间层25和GaP层26。
电极接触层24是由掺杂Te的n型(AlxGa^)yln,-yP制成的(y-0.51), 其掺杂剂含量为2 x 1018cm'3，厚度为0.3|im。
第一包覆层21是由掺杂Te的n型(AlxGa^)yliiLyP ( x-0.7， y-0.51 )制成 的，其掺杂剂浓度为1 x 1017cm-3,并且其厚度为大约2,。
活性层22是由(AUJab)ylnLyP制成的，并且具有多量子阱结构。在实施 例1中，所述多量子阱结构是由(AlxGa,-x)yItVyP (x-0.5, y-0.51 )和 (AlxGa^)yln,.yP (x-0， yM).51 )所制成的层构成的，并且适合具有在LED发 射能语中大约635nm的峰值波长。构成多量子阱结构的层是未掺杂的。
第二包覆层23是由掺杂Mg的p型(AlxGa!.x)yln,-yP ( x-0.7， y-0.51 )制成 的，其掺杂剂浓度为4x I017cm-3,并且其厚度为大约0.5pm。
中间层25是由掺杂Mg的p型(AlxGaLx)yln!-yP ( x-0，产0.7 )制成的，其 掺杂剂浓度为5 x 1018cm-3，并且其厚度为大约20nm。
GaP层26具有p型导电性(Mg-掺杂)，其掺杂剂浓度为4.5 x 1018cm'3, 并且其厚度为大约lpm。
在电极接触层24的表面上形成第一电极1,通过腐蚀除了在第一电极1 下的区域去除电极接触层24。这防止由于具有光吸收性能的电极接触层24所 引起的光汲出效率的降低。
在GaP层26的底部，形成由对发射光透明的透明膜3和局部欧姆电极4构成的层。在实施例1中，透明膜3是由二氧化硅膜形成的。局部欧姆电极4 与p型GaP层26欧姆接触，并且所述局部欧姆电极4还被连接到金属层5 (51)。
金属层5是由第一金属层51、金属微粒层52和第二金属层53构成的。 第一金属层51和第二金属层53都具有Au金属层，在其表面上，它们接触金 属微粒层52， Au层厚度为O.lnm。
通过对平均直径为8nm的Au颗粒进行熔融粘结，形成所述金属微粒层 52。在实施例l中，在第二金属层53的表面上形成所述金属微粒层52,其厚 度为1.8(im 。
在实施例1中，使用n型单晶体Si作为导电基底6。在与所述导电基底6 的粘结侧的相对一侧，形成第二电极7，所述第二电极7与所述导电基底6欧 姆接触。
下面将参考图2描述在实施方式的图1中的LED的制备方法。 首先，在GaAs单晶基底8上，通过依次序外延生长电极接触层24、第一 包覆层21、活性层22、第二包覆层23、中间层25和GaP层26,形成所述化 合物半导体晶体层2，以得到外延晶片(图2 (a))。作为外延生长方法，使用 MOVPE法。
在该MOVPE法中，有机金属材料如三曱基镓(TMG )、三甲基铝(TMA )、 三甲基铟(TMI)被用作为在化合物半导体晶体层2的外延生长中所使用的III 族元素的源材料。氢化物气体如磷化氢(PH3)被用作为V族元素的材料。
上述的有机金属材料和氢化物气体与载气如氢气一起被供给到MOVPE 设备的反应室中。反应室配备有接收器和加热装置，GaAs单晶基底8被置于 接收器的预定位置，接着通过加热装置如加热器进行加热。在实施例1中，所 述外延生长是在600。C 75(TC下于GaAs单晶基底8上实施的。
使用Mg作为使化合物半导体晶体层2具有p型导电性的掺杂剂元素。使 用二茂镁(Cp2Mg)作为Mg材料。使用Te作为使化合物半导体晶体层2具 有n型导电性的掺杂剂元素。二曱基碲(DMTe)和二乙基碲(DETe)被用作 Te材料。将这些掺杂剂材料与III族元素和V族元素材料同时供给到反应室中。
在制备外延晶片后，通过等离子CVD法，在所述化合物半导体晶体层2 的表面上形成二氧化硅膜作为透明膜3。另外，通过使用光刻法的剥离方法，形成分散在部分透明膜3中的局部欧姆电极4。局部欧姆电极4具有由AuZn 层、Ni层和Au层构成的层叠结构，这些金属层是通过真空蒸发形成的。
在形成所述局部欧姆电极4之后，在包含透明层3和局部欧姆电极4的层 上，通过真空蒸发法形成第一金属层51 (图2(b))。所述第一金属层51被提供 O.l(xm厚的Au层作为其顶层。
在实施例1中，对于导电基底6,使用载体浓度为大约lx 10"cm-3的P 掺杂的n型Si基底。在所述导电基底6的表面上，通过真空蒸发法形成第二 金属层53(图2(c))。所述第二金属层53被提供O.l(im厚的Au层作为其顶层。
在导电基底6的表面上形成第二金属层53之后，在第二金属层53的表面 上形成所述金属孩i粒层52(图2 (d))。通过熔融粘结平均直径为大约8nm的Au 微粒来形成所述金属微粒层52。首先，制备液体材料，其中，将由包裹的有 机物质所保护的Au微粒被分散在有机溶剂中。接着，通过丝网印刷法在第二 金属层53的表面上膜涂布所述液体材料。接着，通过加热以将包裹Au微粒 的有机溶剂和有机物质蒸发，形成金属微粒层52,使Au微粒相互熔融粘结， 以基本上形成一体。
在实施例1中，通过使用大约150。C和大约300。C两个温度阶段的加热板 进行所述加热。在大约150。C的第一阶段，蒸发了包含在所涂布液体材料中的 大部分有机物质。在大约300。C的第二阶段，蒸发了剩余的有机物质，同时使 得Au微粒熔融粘结。在所述液体材料中所包含的Au微粒的组成是大约60重 量％。
在实施例1中，所述金属微粒层52的厚度被测量为大约1.8jam。通过观 察后面所描述的化合物半导体晶片的切割表面测量所述金属微粒层52的厚 度。在实施例1中，如图1所示，通过将金属微粒层52所包含的Au层、分 别为第一金属层51和第二金属层53所提供的Au层的厚度加和得到2pm的厚 度，其中所述第一金属层51和第二金属层53都与金属微粒层52接触。
在形成金属微粒层52之后，在真空中将外延晶片的第一金属层51的表面 上的Au层以及导电基底6的金属微粒层52的表面进行层叠。接着，将外延 晶片和导电基底6都沿着与其粘结界面几乎垂直的方向进行加压，同时进行加 热以进行其粘结(图2 (e))。在实施例1中，所述粘结是在低于15Pa的真空中进行的。
同时，这样进行加压，使得两个板状夹具被设置成平行地一个在另一个上
面，层叠的外延晶片和金属微粒层52被设置在夹具之间，保持下夹具固定， 将上夹具下压。在实施例l中，加压的压力为大约0.5MPa。
通过两个加热器进行加热， 一个设置在上夹具的上面，另一个设置在下夹 具的下面，通过夹具对外延晶片和导电基底6进行加热。在实施例1中，加热 的温度为大约350。C。
在粘结之后，将用于外延生长的GaAs单晶基底8去除，使得形成由化合 物半导体晶体层2和通过金属微粒层52粘结的导电基底6构成的化合物半导 体晶片(图2(e))。
对GaAs单晶基底8的去除是通过对一部分GaAs单晶基底8进行抛光， 接着使用蚀刻剂对GaAs单晶基底8进行蚀刻而执行的。
在制备所述化合物半导体晶片之后，通过光蚀刻去除一部分电极接触层 24。接着，通过使用光刻法进行的剥离法，在电极接触层24的表面上形成第 一电极1。所述第一电极1具有由AuGe层、Ni层以及Au层构成的层叠结构， 这些金属层是通过真空蒸发法形成的。
在形成第一电极1之后，在化合物半导体晶片的导电基底6侧表面上形成 第二电极7。在形成第一电极1和第二电极7之后，在400。C下进行加热。进 行加热以获得在第一电极1和电极接触层24之间以及第二电极7和导电基底 6之间的低电阻欧姆4妄触。
加热之后，通过切片将化合物半导体晶片切割成芯片，以得到平面面积为 大约300pm x 300pm的LED (图2(f))。
将所制备的LED安装在金属座(metallic stem)上，测量发射强度、正向 电压和可靠性测试。
在电流密度为大约22.2A/cn^且周围温度为25。C的条件下，实施发射强度 和前向电压的测量。通过实施例的LED，获得了大约7mW发射强度和大约 1.95V前向电压的良好数值。
这些特征值与通过由真空蒸发法所形成的Au层(厚度为1.8(im)而不是 通过金属微粒层52的粘结而制备的LED (对照实施例)所得到的数值相同。通过下列方式实施可靠性测试(1)在22.2A/cr^电流密度、85。C的周围 温度以及85%的湿度下连续进行电流测试2000小时；(2 )在85。C的周围温度 以及85%的湿度下进行贮存测试2000小时；以及(3 )在-55。C ~ IO(TC下进行 热沖击测试。通过实施例1的LED,在可靠性测试之后，获得了发射强度的 波动低于2%并且没有前向电压的波动的良好结果。
另一方面，作为通过由真空蒸发法所形成的Au层(厚度为1.8jim)而不 是通过金属微粒层52的粘结而制备的LED(对照实施例)的可靠性测试结果， 在热冲击试验后发射强度降低大约7%。推测认为热沖击测试之后对照实施例 中发射强度的降低是由于化合物半导体晶体层2和导电基底6之间线性膨胀系 数差而导致的应力所引起的，并且实施例1中的金属微粒层52能够緩和应力。
尽管在实施例1中金属微粒层52的厚度为1.8|im,但是对于金属微粒层 52的厚度不小于0.3|im且小于3pm的实施例，获得了与实施例1相同的良好 结果。当金属微粒层52的厚度小于0.3^im或大于3pm时，金属微粒层52和 第一金属层51之间粘结界面的气隙倾向于增加。
通过超声测试仪评估粘结界面的气隙。 一般认为当金属微粒层52的厚 度小于0.3|mi时，气隙的增加是由于金属微粒层52的应力緩和功能的降低所 造成的。另一方面， 一般认为当金属微粒层52的厚度大于3)im时，气隙的 增加是残存在金属微粒层52中的有机组分所造成的。
尽管在实施例1中用于粘结外延晶片与导电基底6的压力为大约0.5MPa， 但是对于压力为0.1MPa-10MPa的实施例，获得了与实施例l相同的良好结 果。当压力小于0.1Mpa时，在金属微粒层52与第一金属层51之间的粘结界 面中，气隙倾向于增加。另一方面，当压力大于10Mpa时，会频繁出现外延 晶片的断裂，这样会损害化合物半导体晶片的制造产率。
尽管在实施例1中粘结处理期间的温度为大约350。C,但是对于温度为290 °C ~ 450°C的实施例，获得了与实施例1相同的良好结果。当温度低于290°C 时，在金属微粒层52和第一金属层51之间的粘结界面中，气隙倾向于剧烈增 加。另一方面，当温度高于450。C时，所制备的LED的正向电压倾向于增加。 推测认为正向电压的提高主要是由于局部欧姆电极4和GaP层26之间接触 电阻的增加所造成的。在实施例1中，通过用丝网印刷法在第二金属层53的表面上涂布含有Au 微粒的液体材料，可以将Au材料的利用效率提高到大约92。/。。在使用通过真 空蒸发法所形成的Au层(对照实施例)而不是金属微粒层52的情况中，Au 材料的利用效率为大约12%。
同时，涂布含有Au微粒的液体材料的方法不限于丝网印刷法，当使用喷 墨印刷法以涂布含有Au微粒的液体材料时，Au材料的利用效率也可以被提 高超过大约90%。而且，当使用辊涂布法以涂布含有Au樣史粒的液体材料时， Au材^f"的利用效率也可以高于大约50%。
尽管在实施例1中将含有Au微粒的液体材料涂布在第二金属层53的表 面上，但是液体Au微粒可以仅被涂布在第一金属层51的表面上，或者可以 涂布在第一金属层51和第二金属层53两者的表面上。
当在涂布含有Au微粒的液体材料之后，通过加热形成所述金属微粒层52 时，使用加热板(用于加热夹具)。然而，也可以使用其他的加热设备如红外 辐射。例如，被涂布含有Au微粒的液体材料的基底可以被传送通过在纵向 上温度分布为大约100。C 500。C的圆柱加热器内部，使得可以实施有机成分的 蒸发和Au微粒的熔融粘结。
实施例2
在实施例2中，将金属微粒层应用于如图1所示的LED (实施例1 )中的 粘结部分的金属层5，并且进一步应用于第一电极1 (可选择地，所述金属微 粒层可以仅被应用于第一电极1 )。
在实施例2中，第一电极1由从电极接触层24依次序形成的AuGe层、 Ni层和Au层构成。Au层含有通过真空蒸发法形成的Au层和Au微粒层。通 过真空蒸发法所形成的Au层的厚度为大约0.05|im, Au微粒层的厚度为大约 0.5,。
根据实施例2的LED制备方法与在实施例1的LED中所使用的方法几乎 相同。然而，在第一电极l上形成Au微粒层，在形成第二电极7之后，所述 第一电极l由通过真空蒸发法所形成的AuGe层、Ni层和Au层构成。由真空 蒸发法所形成的AuGe层、Ni层和Au层通过使用光刻法进行的剥离法被形成 为平面图形的直径为100pm的圆形。接着在其上形成Au微粒层，其与通过丝 网印刷法制备的第一电极1具有几乎相同的形状。在丝网印刷期间，将含有平均直径为大约8nm的Ai^效粒的液体材料涂布 在真空蒸发法所形成的Au层上。从含有Au微粒的液体材料中蒸发有机成分 以及Au微粒的熔融粘结是通过在40(TC下的加热处理来实施的，以获得第一 电极1与电极接触层24之间以及第二电极7与导电基底6之间的低电阻欧姆 接触。
根据实施例2的LED的第一电4及1被连接到金属座(metallic stem)的 电源供应端，在该金属座上，通过直径为大约22pm的Au线的线粘结来安装 所述LED，接着进行Au线的拉伸测试。其结果是，确i/v所有的破裂点都在 Au线上，并且作为第一电极1的最上表面的Au微粒层与Au线紧密地连接。
当将作为第一电极i的最上表面的Au微粒层与Au线通过线粘结来进行 连接时，需要0.3 l(im的厚度作为Au层的厚度，以防止线粘结中连接重量对 基层的破坏，并且确保Au层的足够强度。通常，LED的上侧电极如第一电极 l被形成为平面图形的直径为大约lOOiom的圆形。其结果是，当使用真空蒸发 法作为形成平面尺寸为30(Him x 300nm的Au层作为LED上部电极的方法时， Au金属的利用效率降低到大约为1% 2%。因此，通过由丝网印刷法用Au金 属颗粒形成大部分的Au层，Au材料的利用效率可以^^艮大程度提高。
尽管在实施例2中使用丝网印刷法作为Au微粒层的方法，但是该方法不 限于丝网印刷法。例如，可以使用喷墨印刷法。
尽管在实施例2中使用Au作为在第一电极1的最上表面上所形成的金属 微粒层的材料，但是所述材料不限于Au、 Ag、 Pd、 Pt、 Ru、 Cu，或者可以使 用它们的合金。
f务改的实施例
使用平均直径为30nm的Ag微粒，代替平均直径8nm的Au微粒。在粘 结工艺期间的压力为大约0.7MPa。在该实施例中，在将所制备的LED安装到 金属座(metallic s，tem)上之后，将具有用于从其引出光的玻璃窗口的金属帽 盖连接到金属座上，以防止水渗入到LED的周围。制备工艺的其他条件与实 施例1的条件相同。其结果是，本发明的LED可以与实施例1~2的LED具有 相同的特性和性能。
需要注意的是，本发明不限于上面所描述的实施方式，可以进行各种组合 和变化，而不偏离或改变本发明的技术理念。
权利要求
1. 一种化合物半导体晶片，包括 化合物半导体晶体层；以及通过金属层粘结到所述化合物半导体晶体层的导电基底， 其中，所述金属层包括含有平均直径为lnm 100nm且互相粘结的金属微 粒的多孔金属微粒层。
2. —种发光二极管，包括 包含发光层的化合物半导体晶体层；以及 通过金属层粘结到所述化合物半导体晶体层的导电基底，其中，所述金属层包括在所述化合物半导体晶体层的一个主要表面上形成 的第一金属层、在所述导电基底的一个主要表面上形成的第二金属层以及在第 一金属层和第二金属层之间所形成的多孔金属微粒层，所述多孔金属微粒层包 含平均直径为lnm 100nm且互相粘结的金属微粒。
3. —种制备发光二极管的方法，所述发光二极管包括含有发光层的化合 物半导体晶体层和通过金属层被粘结到所述化合物半导体晶体层的导电基底， 所述方法包括在单晶基底上外延生长所述化合物半导体晶体层；在所述化合物半导体晶体层的最上层的表面上形成第一金属层；在所述导电基底的表面上形成第二金属层；在所述第一金属层和/或所述第二金属层的表面上形成金属微粒层，所述 金属微粒层包含平均直径为lnm 100nm且互相粘结的金属微粒；将所述单晶基底上的所述第一金属层与所述导电基底上的所述第二金属 层通过所述金属微粒层粘结；以及去除所述导电基底上的所述单晶基底。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述金属微粒层的形成包括 涂覆包含金属纟鼓粒的液体形式或糊状形式材料；加热所述液体形式或糊状形式的材料，以蒸发所述液体形式或糊状形式材 料中所包含的有机成分，并且使所述金属微粒相互熔融粘结。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一金属层与所述第二金属 层通过所述金属;f殷粒层的粘结是在真空中实施的，并且包括沿着与其粘结界面 几乎垂直的方向进行加压，以及加热所述单晶基底和所述导电基底。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述的涂覆液体形式或糊状形式 的材料是通过喷墨印刷法或丝网印刷法实施的。
7. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述金属微粒包括选自Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和Ru的金属微粒。
8. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一金属层和所述第二金属 层包括主要由选自Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和Ru的材:杆所构成的金属层。
9. 根据权利要求1所述的化合物半导体晶片，其中， 所述多孔金属孩i粒层具有70%~95%的孔隙率，该孔隙率足以緩和在所述化合物半导体晶体层与所述导电基底之间的粘结界面处的应力。
10. 根据权利要求1所述的化合物半导体晶片，其中，所述多孔金属微粒层具有这样的孔隙率，使得具有多孔金属微粒层的所述 化合物半导体晶片的翘曲被抑制到小于没有所述多孔金属^i:粒层的所述化合 物半导体晶片的翘曲的50%。
11. 根据权利要求1所述的化合物半导体晶片，其中， 所述多孔金属微粒层的厚度不小于0.3pm且小于3|im。
12. 根据权利要求2所述的发光二极管，其中，所述多孔金属樣i粒层具有70% 95%的孔隙率，该孔隙率足以緩和在所述 化合物半导体晶体层与所述导电基底之间的粘结界面处的应力。
13. 根据权利要求2所述的发光二极管，其中， 所述多孔金属微粒层的厚度不小于0.3pm且小于3jim。
全文摘要
本发明涉及化合物半导体晶片、发光二极管及其制备方法。所述发光二极管包括含有发光层(22)的化合物半导体晶体层(2)和通过金属层(5)被粘结到晶体层(2)的导电基底(6)。所述金属层(5)包括在所述化合物半导体晶体层(2)的一个主要表面上形成的第一金属层(51)、在所述导电基底(6)的一个主要表面上形成的第二金属层(53)以及在第一金属层(51)和第二金属层(53)之间形成的多孔金属微粒层，所述多孔金属微粒层包含平均直径为1nm～100nm且被互相粘结的金属微粒。
文档编号H01L33/40GK101312229SQ20081010905
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月24日
发明者高桥健 申请人:日立电线株式会社