专利名称：一种制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件制造技术领域，具体涉及一种采用选择性合金电镀 方法制备氮化镓基垂直结构发光二极管(VE-LED)的方法。
背景技术：
发光二极管作为固态照明光源，具有光电转换效率高、绿色环保、寿命长、响应速 度快、色彩丰富、全固体化、体积小等优点，是人类照明史上继爱迪生发明白炽灯之后的又 一次革命。虽然近些年氮化镓基功率型发光二极管的发光效率得到了很大程度上的提高， 但与完全替代传统光源的要求还相距甚远。目前，量子效率、电流分布均勻性和器件散热能 力已经成为制约发光二极管性能进一步提高的主要技术瓶颈。垂直结构发光二极管技术解决了传统蓝宝石衬底上氮化镓基发光二极管存在的 诸如散热，电流聚集以及出光效率低的一系列问题，是清除上述照明应用障碍的最有潜力 的技术之一，成为近些年氮化镓基发光二极管领域研究的热点。与传统平面结构比较，垂直 结构氮化镓基发光二极管具有电流分布一致性好，有源区利用率高，电流密度小，串联电阻 小等优势；另外，通过采用低热阻衬底材料，使得垂直结构与传统结构发光二极管芯片相比 散热更高效，从而增加了器件最大工作电流和饱和输出功率。垂直结构中的使用电镀镍钨合金作为新型支撑衬底，改善了芯片在传统蓝宝石衬 底上散热不佳，蓝宝石衬底与氮化镓之间热失配度较大，蓝宝石衬底导电性能差等一系列 问题。在制作氮化镓基功率型垂直结构发光二极管时，采用厚胶作为掩蔽层，然后用ICP 干法刻蚀的方法形成台面，厚胶掩蔽层减小了 ICP干法刻蚀过程对发光有源区的损伤和器 件的漏电的大小。光阻材料填充跑道的引入，避免了激光剥离过程中暴露的有源区造成器 件短路的隐患。P，N电极分居于氮化镓基片的两侧，有别于P，N电极位于氮化镓基片同侧 的传统发光二极管器件，有效地解决了电流扩展不均的问题。在发光二极管器件的氮化镓 基片中，电镀镍钨合金衬底可以改善发光二极管的散热和导电性能，减小了衬底与氮化镓 之间的热失配度的差别，同时避免键合工艺中温度和压力对基片的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是在于提供一种采用选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构 发光二极管的方法，以制备垂直结构发光二极管中的支撑衬底，改变蓝宝石衬底较差的导 电和散热性能对发光二极管电学以及光学性能的影响，减小衬底与氮化镓之间的热失配度 的差别。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法， 该方法包括
步骤1 在蓝宝石衬底1上依次外延生长N-GaN层2、有源层3和P_GaN层4 ；步骤2 在P-GaN层4上涂敷一层光刻胶形成掩蔽层5，光刻该掩蔽层5形成台面 掩蔽区，露出P-GaN层4的部分上表面6 ；步骤3 刻蚀该上表面6直至蓝宝石衬底1的上表面，形成台面7 ；步骤4 去除剩余的掩蔽层5形成氮化镓基片，并对该氮化镓基片进行清洗；步骤5 在清洗后的氮化镓基片表面淀积一层钝化层8，光刻形成P电极区域10 ；步骤6 在形成P电极区域10的氮化镓基片表面蒸发镍/钌，并进行金属剥离和 合金，形成透明电极镍/钌11;步骤7 光刻腐蚀出P型加厚电极区域13，蒸发金属并去除光刻胶，形成加厚的电 极铬/银/金14 ；步骤8 在跑道中填充光阻材料15，然后在P型氮化镓4的表面电镀镍/钨合金， 形成镍钨合金支撑衬底16 ；步骤9 将蓝宝石衬底从氮化镓基片上剥离，得到镍钨合金支撑衬底的垂直结构 发光二极管基片；步骤10 在得到的镍钨合金支撑衬底的垂直结构发光二极管基片的背面光刻和 腐蚀出N电极区域18，蒸发金属并进行金属剥离，形成N电极铬/银/金19。上述方案中，步骤2中所述在P-GaN层4上涂敷一层光刻胶，涂敷的是一层厚胶， 其厚度至少为50微米。上述方案中，步骤2中所述露出P-GaN层4的部分上表面6，是P_GaN层4上表面 靠近周边的部分。上述方案中，步骤6中所述合金，具体包括将表面蒸发镍/钌的氮化镓基片放入 退火炉中进行合金，合金氛围为氮气氧气=2 1(体积比)，温度为500摄氏度。上述方案中，步骤8中所述在跑道中填充光阻材料15采用光刻方式实现。上述方案中，步骤8中所述电镀，具体包括将在跑道中填充完光阻材料15的氮 化镓基片在镍钨合金电镀液中，以电流密度500mA，温度80°C的条件进行电镀，电镀24小时 后，形成镍钨合金支撑衬底16。上述方案中，步骤9中所述将蓝宝石衬底从氮化镓基片上剥离，采用氟化氪激光 剥离设备实现。上述方案中，该方法中所述刻蚀，采用感应耦合等离子体刻蚀方法实现。上述方案中，该方法中所述蒸发，采用电子束蒸发方法实现。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种采用选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构发光二极 管的方法，使用电镀镍钨合金的方法制备垂直结构发光二极管中的支撑衬底，从而改变了 蓝宝石衬底较差的导电和散热性能对发光二极管电学以及光学性能的影响，同时减小了衬 底与氮化镓之间的热失配度的差别。2、本发明提供的这种采用选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构发光二极 管的方法，使用光阻材料填充跑道，避免了激光剥离过程中暴露的有源区断面形成漏电通 道，造成器件短路的隐患。
3、本发明提供的这种采用选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构发光二极 管的方法，使用厚胶作为掩蔽层，进行感应耦合等离子体刻蚀，减小刻蚀对于氮化镓基片有 源区的损伤，并减小了器件的漏电。4、本发明提供的这种采用选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构发光二极 管的方法，使用合金电镀方法制备镍钨合金作为垂直结构发光二极管的支撑衬底，优化了 发光二极管中衬底的散热和导电性能，减小了衬底与氮化镓之间的热失配度的差别，同时 避免键合工艺中温度和压力对基片的影响；
为了进一步的说明本发明的内容，以下结合具体的实施方式对本发明作详细的描 述，其中图1是本发明提供的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法流程图；图2是GaN基功率型LED外延材料结构剖面示意图，在蓝宝石衬底1上采用外延 的方法形成N-GaN层2、有源层3和P_GaN层4 ；图3是在图1上涂一层厚胶掩蔽层5的示意图；图4是在图3的基础上上光刻出台面掩蔽区，腐蚀掉厚胶掩蔽层5，暴露要刻蚀的 P-GaN上表面6的示意图；图5是图4的基础上ICP干法刻蚀的后，形成的台面7的示意图；图6是图5的基础上去除剩余厚胶掩蔽层5后的示意图；
图7是在图6的基础上沉积一层钝化层8示意图；图8是在图7的基础上光刻出P-GaN透明电极的形状，腐蚀掉钝化层8和光刻胶 9，暴露要刻蚀的P-GaN区域上表面10的示意图；图9是在图8的基础上电子束蒸发透明电极金属镍/钌11，剥离光刻胶9后的示 意图；图10是在图9的基础上光刻出P加厚电极的形状，湿法腐蚀光刻胶12，暴露出P 透明电极区域上表面13的示意图；图11是在图10的基础上电子束蒸发加厚电极金属铬/银/金14，剥离光刻胶12 后的示意图；图12是利用光刻在跑道中填充光阻材料15后的示意图；图13是在图12的基础上电镀镍/钨合金16的示意图；图14是激光剥离氮化镓基片图12蓝宝石衬底后的示意图；图15是在图14的基础上光刻出N电极的形状，腐蚀光刻胶17暴露要刻蚀的N-GaN 面18的示意图；图16是电子束蒸发N电极金属铬/银/金19，剥离后的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1是本发明提供的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法流程
5图，该方法包括步骤1 在蓝宝石衬底1上依次外延生长N-GaN层2、有源层3和P_GaN层4 ；步骤2 在P-GaN层4上涂敷一层光刻胶形成掩蔽层5，光刻该掩蔽层5形成台面 掩蔽区，露出P-GaN层4的部分上表面6 ；步骤3 刻蚀该上表面6直至蓝宝石衬底1的上表面，形成台面7 ；步骤4 去除剩余的掩蔽层5形成氮化镓基片，并对该氮化镓基片进行清洗；步骤5 在清洗后的氮化镓基片表面淀积一层钝化层8，光刻形成P电极区域10 ；步骤6 在形成P电极区域10的氮化镓基片表面蒸发镍/钌，并进行金属剥离和 合金，形成透明电极镍/钌11;步骤7 光刻腐蚀出P型加厚电极区域13，蒸发金属并去除光刻胶，形成加厚的电 极铬/银/金14 ；步骤8 在跑道中填充光阻材料15，然后在P型氮化镓4的表面电镀镍/钨合金， 形成镍钨合金支撑衬底16 ；步骤9 将蓝宝石衬底从氮化镓基片上剥离，得到镍钨合金支撑衬底的垂直结构 发光二极管基片；步骤10 在得到的镍钨合金支撑衬底的垂直结构发光二极管基片的背面光刻和 腐蚀出N电极区域18，蒸发金属并进行金属剥离，形成N电极铬/银/金19。图2至图16示出了依照本发明实施例制备氮化镓基垂直结构发光二极管的工艺 流程图。选择性合金电镀方法制备氮化镓基垂直结构发光二极管，其制作的过程一般是在 蓝宝石衬底1上采用外延的方法形成N-GaN层2、有源层3和P_GaN层4，如图2所示。在蓝宝石衬底外延的GaN基功率型LED的材料结构P_GaN 4上，使用厚胶形成掩 蔽层5，如图3所示。该方法可以有效降低ICP干法刻蚀过程中有源区3损伤。光刻出台 面掩蔽区，腐蚀掉掩蔽层，暴露需要刻蚀的A1203区域上表面6，如图4所示。利用ICP干法 刻蚀，刻蚀至A1203，形成台面7，如图5所示。去除剩余掩蔽层，对ICP刻蚀后的GaN基片进 行清洗，如图6所示。在经过ICP刻蚀并清洗的GaN基片表面沉积一层钝化层8，如图7所 示，该钝化层具有高的致密性和绝缘性，能够阻止在暴露的有源区断面形成漏电通道。光刻 出优化设计的P电极区域10，如图8所示；电子束蒸发透明电极镍/钌11，金属剥离，如图 9所示。将做完透明电极镍/钌11的GaN基片在合金氛围N2 02 = 2 1，温度为500°C 的退火炉中进行合金，获得金属电极镍/钌11与P-GaN层4良好的接触电阻，并提高界面 处的附着力；用光刻和湿法刻蚀，腐蚀出优化设计的P加厚电极区域13，如图10所示。电 子束蒸发加厚电极铬/银/金14，然后去除光刻胶，如图11所示。利用光刻，在跑道中填充 光阻材料15，如图12所示。将在跑道中填充完光阻材料的GaN基片在镍钨合金电镀液中以 电流密度500mA，温度80°C的条件进行电镀，电镀24小时后，形成镍钨合金支撑衬底16，如 图13所示。使用激光剥离设备，将蓝宝石衬底1从GaN基片上剥离，得到镍钨合金支撑衬 底的垂直结构发光二极管基片，如图14所示。用光刻和湿法腐蚀出优化设计的N电极区域 18，如图15所示；电子束蒸发N电极铬/银/金19，电极剥离，如图16所示。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，该方法包括步骤1在蓝宝石衬底(1)上依次外延生长N-GaN层(2)、有源层(3)和P-GaN层(4)；步骤2在P-GaN层(4)上涂敷一层光刻胶形成掩蔽层(5)，光刻该掩蔽层(5)形成台面掩蔽区，露出P-GaN层(4)的部分上表面(6)；步骤3刻蚀该上表面(6)直至蓝宝石衬底(1)的上表面，形成台面(7)；步骤4去除剩余的掩蔽层(5)形成氮化镓基片，并对该氮化镓基片进行清洗；步骤5在清洗后的氮化镓基片表面淀积一层钝化层(8)，光刻形成P电极区域(10)；步骤6在形成P电极区域(10)的氮化镓基片表面蒸发镍/钌，并进行金属剥离和合金，形成透明电极镍/钌(11)；步骤7光刻腐蚀出P型加厚电极区域(13)，蒸发金属并去除光刻胶，形成加厚的电极铬/银/金(14)；步骤8在跑道中填充光阻材料(15)，然后在P型氮化镓(4)的表面电镀镍/钨合金，形成镍钨合金支撑衬底(16)；步骤9将蓝宝石衬底从氮化镓基片上剥离，得到镍钨合金支撑衬底的垂直结构发光二极管基片；步骤10在得到的镍钨合金支撑衬底的垂直结构发光二极管基片的背面光刻和腐蚀出N电极区域(18)，蒸发金属并进行金属剥离，形成N电极铬/银/金(19)。
2.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤2中所述在P-GaN层(4)上涂敷一层光刻胶，涂敷的是一层厚胶，其厚度至少为50微米。
3.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤2中所述露出P-GaN层(4)的部分上表面(6)，是P-GaN层(4)上表面靠近周边的部分。
4.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤6中所述合金，具体包括将表面蒸发镍/钌的氮化镓基片放入退火炉中进行合金，合金氛围为氮气氧气= 2 1(体积比)，温度为500摄氏度。
5.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤8中所述在跑道中填充光阻材料(15)采用光刻方式实现。
6.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤8中所述电镀，具体包括将在跑道中填充完光阻材料(15)的氮化镓基片在镍钨合金电镀液中，以电流密度 500mA，温度80°C的条件进行电镀，电镀24小时后，形成镍钨合金支撑衬底(16)。
7.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，步 骤9中所述将蓝宝石衬底从氮化镓基片上剥离，采用氟化氪激光剥离设备实现。
8.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，该 方法中所述刻蚀，采用感应耦合等离子体刻蚀方法实现。
9.根据权利要求1所述的制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，其特征在于，该 方法中所述蒸发，采用电子束蒸发方法实现。
全文摘要
本发明公开了一种制备氮化镓基垂直结构发光二极管的方法，使用选择性合金电镀方法制备垂直结构发光二极管，利用光阻材料在P型氮化镓面跑道内进行填充，使用选择性电镀工艺制备镍钨合金支撑衬底，利用激光剥离蓝宝石衬底，得到垂直结构发光二极管。本发明使用电镀镍钨合金的方法制备垂直结构发光二极管中的支撑衬底，从而改变了蓝宝石衬底较差的导电和散热性能对发光二极管电学以及光学性能的影响，同时减小了衬底与氮化镓之间的热失配度的差别。
文档编号H01L33/00GK101853903SQ20091008109
公开日2010年10月6日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者刘志强, 樊晶美, 王良臣 申请人:中国科学院半导体研究所