专利名称：一种基于多单元合成式反射镜的功率型发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直发光二极管的制作方法，特别是涉及一种基于多单元合成式
反射镜的功率型发光二极管的制作方法。
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。 对于垂直发光二极管，一方面，有源层向下发射的光经p型外延接触金属反射后 向上从n型外延表面出光，因此为了得到高效垂直发光二极管，需要在p型GaN基外延底部 制作高反射率欧姆接触金属层，以减少有源层向下发射的光被金属层吸收，保证器件的工 作电压和效率；对于可见光波段，在所有金属材料中银(Ag)反射率最高，且能够与p型GaN 基外延层形成良好的欧姆接触，因此被公认是垂直发光二极管P欧姆接触反射层的首选， 但Ag与半导体表面的粘附性不佳。另一方面，在蓝宝石衬底去除前通常将GaN基外延通 过加温加压方式焊接到散热较好的Si基板或金属基板上，由于Ag与半导体的热膨胀系数 (CTE)不匹配，如Ag的热膨胀系数是GaN基外延的3倍多，因此高温焊接过程会产生层间热 应力，破坏Ag与p型GaN基表面的粘附力；而具有优良散热基板的垂直结构发光二极管更 倾向于制作成大尺寸功率型发光器件，但材料热应力直接与材料尺寸成正比，材料尺寸越 大，高温焊接过程承受的热应力越大，在制作功率型垂直发光二极管(如lmmxlmm芯片)过 程中其呈现形式是剥离去除蓝宝石衬底后Ag与GaN外延界面发生分离导致GaN外延剥落 (peeling)，其剥离后较低的成品率是功率型垂直法发光二极管实现量产的瓶颈。传统的做 法是在p型GaN与Ag之间多制作一黏附性较好的薄金属层，例如Ni/Ag、 Pt/Ag等，但其反 射率却比Ag要低很多，因此制约了功率型垂直发光二极管的发光效率，而且在制作更高功 率型器件时也会存在相同的问题。
发明内容
为解决上述因高温焊接过程Ag的热应变大造成蓝宝石剥离后GaN外延剥落而导 致功率型垂直发光二极管制作难的问题，本发明旨在提出一种基于多单元合成式反射镜的
功率型发光二极管的制作方法。 —种基于多单元合成式反射镜的功率型发光二极管的制作方法，其制作步骤如 下 步骤一 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；
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步骤二在p型GaN基半导体层上沉积反射金属膜，采用化学蚀刻去除各周期器件
周围区域及周期器件中央部分区域的反射金属膜，即将反射镜金属膜进行微隔离形成多单
元合成式反射镜金属膜，隔离的各单元反射镜之间暴露出P型GaN基外延表面； 步骤三在氮气氛围下对反射金属膜进行高温热退火处理形成欧姆接触； 步骤四在暴露出的p型GaN基外延表面沉积与Ag厚度相当的高阻填充材料； 步骤五在反射金属膜及高阻填充材料上沉积阻挡层金属； 步骤六在阻挡层金属材料上沉积上焊接金属； 步骤七取一散热基板，并在散热基板上沉积下焊接金属； 步骤八采用共晶键合方式将步骤一至步骤五制备好的GaN基外延膜连接到步骤
七制备好的散热基板上； 步骤九去除蓝宝石衬底； 步骤十在高阻材料填充区域垂直对应的n型GaN基外延上表面区域沉积上电 极； 步骤^^一在散热基板下表面沉积下电极。 本发明的创新之处主要是将功率型垂直发光二极管的反射镜微隔离形成多单元 合成式反射镜，降低热应力对Ag与半导体表面粘附力的影响；并进一步在各单元反射镜空 隙中填充等高度的高阻材料，实现了 GaN薄膜焊接面的平整性以保证焊接可靠性，同时实 现了电流阻挡结构设计以提升器件的发光效率。其中步骤二将芯片级的Ag反射膜微隔离 形成多单元合成式的Ag反射膜，是因为Ag与半导体表面的粘附性不佳且其热失配非常大， 而Ag薄膜热应力大小直接与薄膜面积大小成正比，功率型发光二极管芯片的尺寸一般在 ImmX lmm以上，如此尺寸的Ag反射膜在高温焊接过程产生的热应力将会恶化Ag与p型GaN 外延表面的黏附力，而导致蓝宝石衬底剥离后GaN外延薄膜大量脱落，成品率相当低。因 此，对于功率型垂直发光二极管，Ag微隔离后单元面积降低几倍可以直接减小Ag与GaN的 粘附力受高温焊接过程热应力的影响和破坏；步骤三通过高温热退火处理，促进Ag与p型 GaN表面形成欧姆接触，并改善其与GaN基外延的粘附性；结合步骤二和步骤三可以大大降 低激光剥离蓝宝石衬底后由于Ag与GaN外延界面发生分离导致GaN外延剥落(peeling)， 提高功率型发光二极管的成品率；步骤四在暴露出的P型GaN基外延表面填充厚度与Ag相 当的高阻材料，一方面可以起到填充效果，为焊接过程提供一个平整的表面，避免因反射膜 微隔离造成的高度不均破坏其与散热基板焊接的强度；另一方面结合步骤十，步骤四高阻 材料填充区域垂直对应于n电极金属沉积区域，同时完成了电流阻挡层结构设计，可以因 此提升功率型发光二极管的光效。 本发明方法中，反射金属膜优选Ag，厚度100 120nm ;微隔离后的单元反射镜的 面积小于O. 6mm2，其平面形状选用正方形、长方形、不规则形状或者是它们的组合；反射金 属膜高温热退火温度400 500°C ;高阻填充材料选自Si02、Si3N4、Al203或Ti02，厚度100 120nm;上焊接金属包含Au或者Au的合金；下焊接金属选自In、Pdln、AuIn、Sn、AuSn、AgSn、 AuGe或AuSi ;散热基板的制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo ;共晶键合温度200 500°C ， 共晶键合压力1000 20000N ;蓝宝石衬底去除方式采用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或结合 前述中的任意两种技术。 本发明的有益效果是创新地将功率型垂直发光二极管的反射镜微隔离形成多单元合成式反射镜，大幅降低高温焊接过程产生的热应力对Ag与半导体表面粘附力的影响， 并进一步在各单元反射镜微隔离带填充等高度的高阻材料，提供平整焊接面保证焊接强 度，实现功率型垂直发光二极管的高成品率，同时也实现了电流阻挡结构设计以提升功率 型垂直发光二极管的发光效率。
图la至图li是本发明优选实施例的基于多单元合成式反射镜的功率型垂直发光 二极管的制作过程的截面示意图； 图2a至图2c是本发明优选实施例的基于多单元合成式反射镜的功率型垂直发光 二极管的制作过程关键步骤的平面示意图。附图中部件说明如下
100:蓝宝石衬底110:GaN基外延120:P反射金属膜130:高阻填充材料140:阻挡金属层150:上焊接金属160:上电极200:散热基板210:下焊接金属220:下电极
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明一步说明。 —种基于多单元合成式反射镜的功率型发光二极管的制作方法，其步骤如下
步骤一 如图la所示，采用M0CVD方法在蓝宝石衬底100上外延生长GaN基LED 发光材料110，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；
步骤二 如图lb所示，采用电子束蒸发在p型GaN基半导体层表面上沉积p金属 及反射金属膜120，选用Ag，厚度lOOOnm ;如图lc所示，采用化学蚀刻去除各周期器件周围 区域及周期器件中央部分区域的Ag反射金属膜，即将反射镜金属膜进行微隔离形成多单 元合成式反射镜金属膜，隔离的各单元反射镜之间暴露出P型GaN基外延110表面，如图2a 所示； 步骤三在纯氮气氛围下，对反射金属膜120进行高温退火改善与GaN基半导体单 元器件110的欧姆接触和附着力； 步骤四如图ld所示，采用化学气相沉淀(PECVD)在反射金属膜120(反射镜)及 中间裸露的P型GaN基外延110表面沉积高阻填充材料130，选用Si02，厚度lOOOnm ;并采 用化学蚀刻方法将沉积在反射镜120上表面的Si02去除，即在反射镜120微隔离区域填充 高度一致的高阻材料130，其填充后的剖视结构如图2b所示； 步骤五如图le所示，采用电子束蒸发在反射金属膜120及高阻填充材料130上
5表面沉积阻挡层金属140，选用WTi/Ti/Pt，厚度为100/30/100nm ; 步骤六如图If所示，采用电子束蒸发在阻挡层金属140上表面沉积上焊接金属， 选用Cr/Au，厚度为50/1500nm ; 步骤七取一 Si衬底200作为散热基板，在其上采用电子束蒸发下焊接金属层 210，材料选用Cr/Ni/Au/AuSn，厚度为20/50/150/500nm，其中AuSn比例为80 : 20 ;
步骤八如图lg所示，采用共晶键合方式将上述制备好的GaN外延连接到Si基板 200上，键和温度280。C，压力5000N。 步骤九如图lh所示，采用248nm KrF准分子激光剥离去除蓝宝石衬底100，激光 能量密度约lj/cm2 ; 步骤十如图li所示，在高阻材料130垂直对应的n型GaN基外延上表面区域沉 积上电极160，其制备好上电极后的平面效果如图2c所示， 步骤十一 在Si基板200背面上电子束蒸镀下电极160，均选用Cr/Pt/Au，厚度为 50/50/1000nm。 本发明通过将功率型垂直发光二极管的反射镜微隔离形成多单元合成式反射镜 (反射金属膜120)，降低热应力对Ag与半导体表面粘附力的影响；同时在各单元反射镜空 隙中填充等高度的高阻材料，确保GaN薄膜焊接面的平整性及焊接可靠性，同时实现了电 流阻挡结构设计以提升器件的发光效率。
权利要求
一种基于多单元合成式反射镜的功率型发光二极管的制作方法，其步骤如下，步骤一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；步骤二在p型GaN基半导体层上沉积反射金属膜，采用化学蚀刻去除各周期器件周围区域及周期器件中央部分区域的反射金属膜，即将反射镜金属膜进行微隔离形成多单元合成式反射镜金属膜，隔离的各单元反射镜之间暴露出p型GaN基外延表面；步骤三在氮气氛围下对反射金属膜进行高温热退火处理形成欧姆接触；步骤四在暴露出的p型GaN基外延表面沉积与Ag厚度相当的高阻填充材料；步骤五在反射金属膜及高阻填充材料上沉积阻挡层金属；步骤六在阻挡层金属材料上沉积上焊接金属；步骤七取一散热基板，并在散热基板上沉积下焊接金属；步骤八采用共晶键合方式将步骤一至步骤五制备好的GaN基外延膜连接到步骤七制备好的散热基板上；步骤九去除蓝宝石衬底；步骤十在高阻材料填充区域垂直对应的n型GaN基外延上表面区域沉积上电极；步骤十一在散热基板下表面沉积下电极。
2. 根据权利要求l所述的发光二极管的制作方法，其特征是反射金属膜优选Ag，厚度100 120nm。
3. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是微隔离后的单元反射镜的面积小于0. 6mm2，其平面形状选用正方形、长方形、不规则形状或者是它们的组合。
4. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是反射金属膜高温热退火 温度400 500°C。
5. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是高阻填充材料选自Si02、 Si3N4、 A1203或Ti02，厚度100 120nm。
6. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是上焊接金属包含Au或者 Au的合金。
7. 根据权利要求l所述的发光二极管的制作方法，其特征是下焊接金属选自In、 Pdln、 Auln、 Sn、 AuSn、 AgSn、 AuGe或AuSi 。
8. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是散热基板的制备材料选 自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。
9. 根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征是共晶键合温度200 soo。c，共晶键合压力1000 加000N。
10. 根据权利要求l所述的发光二极管的制作方法，其特征是蓝宝石衬底去除方式采 用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或结合前述中的任意两种技术。
全文摘要
本发明公开的一种基于多单元合成式反射镜的功率型垂直发光二极管的制作方法，将功率型垂直发光二极管的反射镜微隔离形成多单元合成式反射镜，大幅降低高温焊接过程产生的热应力对Ag与半导体表面粘附力的影响，并进一步在各单元反射镜微隔离带填充等高度的高阻材料，提供平整焊接面保证焊接强度，实现功率型垂直发光二极管的高成品率，同时也实现了电流阻挡结构设计以提升功率型垂直发光二极管的发光效率。
文档编号H01L33/00GK101771113SQ200910013720
公开日2010年7月7日 申请日期2009年1月4日 优先权日2009年1月4日
发明者吴志强, 吴瑞玲, 林雪娇, 洪灵愿, 潘群峰, 陈文欣 申请人:厦门市三安光电科技有限公司