一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片的制作方法

本实用新型涉及谐振腔LED芯片领域，具体涉及化学腐蚀剥离蓝宝石衬底的微尺寸倒装薄膜结构谐振腔LED芯片。

背景技术：

谐振腔LED在量子阱发光层的上、下两端制备反射镜，通过法布里-帕罗腔增强谐振频率的模式密度，提升自发辐射速率，同时提高器件的外量子效率和调制带宽。与普通LED芯片相比，谐振腔LED具有光谱线宽窄、光输出方向性好、温度稳定性好等优点。

谐振腔LED的发光效率与腔长成反比。对于普通商品化蓝宝石衬底GaN基LED外延片，可在蓝宝石衬底下面和p-GaN层上面制备分布布拉格反射镜(DBR)构建谐振腔，但这种谐振腔的腔长较大，约100μm数量级。另一种方案是在外延片生长过程中，在非故意掺杂GaN层上制备AlN/GaN DBR或者Al_0.82In_0.18N/GaN DBR；前者两种材料存在较大的晶格失配和热失配，而后者在高温生长中很难控制In的组分，使得高质量的氮化物DBR非常困难。采用剥离技术去除蓝宝石衬底，并采用刻蚀技术进一步减薄外延薄膜，再分别在n-GaN和p-GaN两侧制备谐振腔，可使得腔长缩减到μm数量级。

激光剥离是一种去除蓝宝石衬底的常用技术。采用光子能量大于GaN带隙而小于蓝宝石带隙的激光，从蓝宝石衬底向外延薄膜进行高密度照射，蓝宝石衬底和GaN薄膜的分界面吸收能量导致GaN热分解，产生金属Ga液滴和氮气，从而分离蓝宝石衬底和GaN薄膜。但是由于产生热分解的是缓冲层，晶体质量较差，而且辐照激光能量的不均匀性，使得分离后的GaN层的表面较粗糙，降低DBR的反射率。

化学剥离避免了热冲击，可获得较为光滑的表面，并且由于不需要大功率激光器，成本也较低。但是化学腐蚀速率较慢，而且化学腐蚀的牺牲层与其他层之间需要具有较高的腐蚀选择比。为提高腐蚀速率和选择比，有报道采用CrN、ZnO、SiO₂等易腐蚀材料作为牺牲层。但是在外延片生长过程中引入新材料，将对外延生长设备的腔室产生污染，而且必须重新研发新的外延生长工艺以免降低GaN薄膜质量。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片。该LED芯片为倒装薄膜结构，外延薄膜仅包含p-GaN层、量子阱层和n-GaN层，在p-GaN层下面是高反射率的金属反射电极，在n-GaN层上面是介质分布布拉格反射镜(DBR)，金属反射电极和介质DBR构成谐振腔的反射镜，谐振腔的腔长是波长数量级。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片，为倒装薄膜结构，且呈圆盘状或长方体状；由导热基板至光出射方向，依次包括导热基板、第二键合金属层、第一键合金属层、反射电极的金属保护层、反射电极、p-GaN层、量子阱层、n-GaN层以及介质DBR；

所述第一键合金属层、反射电极的金属保护层、反射电极、p-GaN层、量子阱层、n-GaN层以及介质DBR的外部均包围着介质钝化层；

在介质DBR的中心位置开有n-电极区域，分布有n-电极，且n-电极直接与n-GaN层相连通；在第二键合金属层的上部环绕芯片分布有环形的p-电极，p-电极依次通过第一键合金属层、第二键合金属层、反射电极的金属保护层以及反射电极进而与p-GaN层相连通。

进一步地，所述n-电极和p-电极分布在导热基板的同一侧。

进一步地，芯片有源区的面积小于1mm²，谐振腔的腔长为波长数量级。

进一步地，所述介质DBR的反射率为30～60％。

进一步地，所述反射电极为金属反射电极，反射率为93％～100％。

制备所述的一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片的方法，包括如下步骤：

(1)使用金属氧化物气相沉淀法(MOCVD)制备GaN基LED外延片，GaN基LED外延片的结构由上至下依次包括蓝宝石衬底、第一层非故意掺杂GaN层、高掺杂n-GaN层、第二层非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层和p-GaN层；

(2)使用电子束蒸发在GaN基LED外延片上沉积金属反射电极层，经快速退火形成欧姆接触，再使用普通紫外光刻和普通湿法腐蚀，形成反射电极；使用磁控溅射在GaN基LED外延片上沉积金属保护层，再使用普通紫外光刻和普通湿法腐蚀，形成反射电极的金属保护层，且反射电极的金属保护层将反射电极包覆在内部；

(3)使用普通紫外光刻和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀隔离沟槽形成微尺寸发光单元阵列，隔离沟槽从p-GaN层延伸至高掺杂n-GaN层的中部；使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备介质保护层，再使用普通紫外光刻和普通湿法腐蚀，将反射电极的金属保护层上面和高掺杂n-GaN层侧面的介质保护层去除；

(4)使用负胶剥离和电子束蒸发，在GaN基LED外延片的反射电极的金属保护层上制备第一键合金属层；使用电子束蒸发在导热基板上制备第二键合金属层；

(5)使用晶片键合机在惰性气氛下加热加压，使得GaN基LED外延片和导热基板以第一键合金属层与第二键合金属层为接触层键合在一起；

(6)在导热基板上压焊金属球，将GaN基LED外延片水平放入光电辅助化学腐蚀装置中进行第一次湿法腐蚀，腐蚀溶液通过发光单元阵列之间的隔离沟槽渗透到高掺杂n-GaN层侧壁，使得高掺杂n-GaN层被腐蚀出大量孔隙形成富含孔隙的高掺杂n-GaN层；

(7)将GaN基LED外延片放入普通湿法腐蚀装置中进行第二次湿法腐蚀，腐蚀溶液通过发光单元阵列之间的隔离沟槽渗透到高掺杂n-GaN层侧壁，并渗透到富含孔隙的高掺杂n-GaN层中，通过腐蚀高掺杂n-GaN层，将蓝宝石衬底和第一层非故意掺杂GaN层去除，并在第二层非故意掺杂GaN层的下表面形成光滑表面；

(8)通过刻蚀将第二层非故意掺杂GaN层去除，并减薄n-GaN层；

(9)采用湿法腐蚀去除介质保护层，然后使用光学镀膜设备在n-GaN层上制备介质DBR；

(10)使用等离子体增强化学气相沉积制备介质钝化层，再采用普通紫外光刻和蚀刻，在介质DBR中心位置暴露n-电极区域，以及在第二键合金属层的上部环绕GaN基LED外延片暴露p-电极区域；

(11)采用负胶剥离和电子束蒸发，分别在n-电极区域和p-电极区域制备n-电极和p-电极；

(12)使用激光切割在隔离沟槽区域对导热基板划片，将单颗微尺寸谐振腔LED芯片分离，得到所述化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片。

进一步地，步骤(3)中，所述微尺寸发光单元为圆盘状或长方体状，且圆盘的直径或长方体的底面边长均小于100μm。

进一步地，步骤(6)中，所述光电辅助化学腐蚀装置包括电压源、透明容器、金属Pt电极、短波长光源和透镜组。

更进一步地，步骤(6)中，所述短波长光源出射的光经由透镜组扩散和准直，从装置底部照射GaN基LED外延片。

更进一步地，步骤(6)中，所述短波长光源的光子能量大于GaN带隙而小于蓝宝石带隙。

进一步地，步骤(6)中，所述第一次湿法腐蚀是采用光电辅助化学腐蚀装置，将GaN基LED外延片水平放入盛有0.1Mol/L～0.5Mol/L的草酸溶液的透明容器中，采用短波长的光垂直照射GaN基LED外延片，并以GaN基LED外延片为正极、以金属Pt电极为负极施加电压，进行光电辅助化学湿法腐蚀。

进一步地，步骤(7)中，所述第二次湿法腐蚀是将GaN基LED外延片水平放入35℃～90℃的1MOL/L～4Mol/L的KOH溶液中进行湿法腐蚀。

进一步地，步骤(10)中，所述蚀刻包括ICP刻蚀和湿法腐蚀。

更进一步地，步骤(10)中，所述湿法腐蚀是使用加热的磷酸或加热的磷酸/硫酸混合溶液进行化学腐蚀。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型制备LED芯片的外延片，仅仅是在商品化外延结构的基础上增加一层非故意掺杂GaN层和一层高掺杂n-GaN层，分别作为阻挡层和牺牲层，与现有工艺兼容，不需要引入额外的材料，因此不会造成外延生长设备真空腔室的污染；

(2)本实用新型制备方法通过隔离沟槽将整片外延片分成微尺寸发光单元阵列，再采用两步化学腐蚀方法腐蚀剥离衬底；第一步是光电辅助化学腐蚀，采用的第一种化学腐蚀溶液通过隔离沟槽渗透到微尺寸发光单元侧壁，形成富含孔隙的高掺杂n-GaN层；第二步是普通化学腐蚀，采用的第二种化学腐蚀溶液通过隔离沟槽渗透到微尺寸发光单元侧壁，再渗透至高掺杂n-GaN层的孔隙中，通过化学腐蚀高掺杂n-GaN层去除蓝宝石衬底，具有较高的腐蚀选择比，并能在非故意掺杂GaN层表面获得较为光滑的表面，有利于制备高反射率的反射镜；

(3)本实用新型的p-电极制备在导热基板的第二键合金属层的上面，并依次通过第一键合金属层、反射电极的金属保护层和反射电极与p-GaN层相连通，而不是制备在导热基板上；由于金属层的电阻小于导热基板的电阻，有利于降低芯片的等效电阻；

(4)本实用新型采用金属反射电极作为反射镜，不需要额外在p-GaN层上增加电流扩展层，有利于降低谐振腔的长度。

附图说明

图1为具体实施例中化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片的横截面示意图；

图2-1为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程外延片的横截面示意图；

图2-2为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备反射电极后的横截面示意图；

图2-3为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备介质保护层后的横截面示意图；

图2-4为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备键合金属层后外延片和导热基板的横截面示意图；

图2-5为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中导热基板键合后的横截面示意图；

图2-6为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中第一次光电辅助化学腐蚀后的横截面示意图；

图2-7为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中第二次化学腐蚀剥离衬底后的横截面示意图；

图2-8为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中外延片减薄后的横截面示意图；

图2-9为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备介质DBR后的横截面示意图；

图2-10为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备钝化层后的横截面示意图；

图2-11为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中制备金属电极后的横截面示意图；

图2-12为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中切割后形成单颗芯片的横截面示意图；

图3为实施例1的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片制备过程中光电辅助化学腐蚀装置的示意图。

图中，11—蓝宝石衬底；12—导热基板；21—第一层非故意掺杂GaN层；22—第二层非故意掺杂GaN层；31—高掺杂n-GaN层；311—富含孔隙的高掺杂GaN层；32—n-GaN层；4—量子阱层；5—p-GaN层；61—反射电极；62—反射电极的金属保护层；71—介质保护层；72—介质钝化层；81—第一键合金属层；82—第二键合金属层；9—介质DBR；101—P-电极；102—n-电极；3111—电压源；3112—压焊金属球；3113—透明容器；3114—金属Pt电极；3115—透镜组；3116—短波长光源。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。

如图1所示为本实用新型具体实施例中的一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片的横截面示意图，芯片是直径为100μm的圆盘；由导热基板12至光出射方向，依次包括硅片导热基板12、第二键合Cr/Ti/Au金属层82、第一键合Cr/Ti/Au金属层81、反射电极的金属保护层62、Ni/Ag/Ni反射电极61、p-GaN层5、量子阱层4、n-GaN层32以及SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9；

第一键合Cr/Ti/Au金属层81、反射电极的金属保护层62、Ni/Ag/Ni反射电极61、p-GaN层5、量子阱层4、n-GaN层32以及SiO₂/Ti₃O₅介质DBR9的外部均包围着介质钝化层72；芯片是倒装薄膜结构，LED外延薄膜和硅片导热基板12以第一键合Cr/Ti/Au金属层81与第二键合Cr/Ti/Au金属层82为接触层键合在一起；

芯片有源区的面积为0.005mm²；谐振腔由Ni/Ag/Ni反射电极61、p-GaN层5、量子阱层4、n-GaN层32和SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9构成，腔长约2μm；Ni/Ag/Ni反射电极61是谐振腔的反射镜，反射率约95％，覆盖有TiW金属保护层62避免后续工艺对反射镜的损伤；SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9是谐振腔的出射镜，反射率约55％；

在介质DBR的中心位置开有n-电极区域，分布有Ti/Al/Ti/Au n-电极102，Ti/Al/Ti/Au n-电极102处于芯片中心呈圆盘状分布，且Ti/Al/Ti/Au n-电极102直接与n-GaN层32相连通；在第二键合Cr/Ti/Au金属层82的上部环绕芯片分布有环形的Ti/Al/Ti/Au p-电极101，Ti/Al/Ti/Au p-电极101依次通过第一键合Cr/Ti/Au金属层81、第二键合Cr/Ti/Au金属层82、反射电极的金属保护层62以及Ni/Ag/Ni反射电极61进而与p-GaN层5相连通；Ti/Al/Ti/Au p-电极101和Ti/Al/Ti/Au n-电极102分布在导热基板的同一侧。

制备上述的一种化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片，具有方法包括如下步骤：

(1)首先使用MOCVD制备GaN基LED外延片，外延片的结构从下往上依次包含蓝宝石衬底11、第一层非故意掺杂GaN层21、高掺杂n-GaN层31、第二层非故意掺杂GaN层22、n-GaN层32、量子阱层4和p-GaN层5；GaN基LED外延片的横截面示意图如图2-1所示；

(2)将外延片清洗后，使用电子束蒸发沉积Ni/Ag/Ni(0.5/150/2nm)金属反射电极层，并在500℃氧气气氛下快速退火5min，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，再使用Ag腐蚀液在35℃下湿法腐蚀30sec，形成反射电极圆盘61，直径约90μm，反射率约95％；然后使用磁控溅射沉积TiW(400nm)金属保护层，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，再使用TiW腐蚀液在35℃下湿法腐蚀4min 30sec，形成金属保护层圆盘62，直径约95μm；制备反射电极后的横截面示意如图2-2所示；

(3)接着，使用普通紫外光刻工艺形成厚度为6μm的光刻胶掩模，使用ICP刻蚀隔离沟槽，发光单元的直径约100μm，隔离沟槽的宽度约100μm，深度约3.3μm，从p-GaN层延伸至高掺杂n-GaN层的中部；然后，使用PECVD制备1μm厚的SiO₂介质保护层71，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，暴露金属保护层62中心区域和隔离沟槽中心区域，再使用BOE溶液(饱和NH₄F：49％HF水溶液＝6：1，v/v)在室温下湿法腐蚀3min，将金属保护层62的中心区域和高掺杂n-GaN层侧面的SiO₂介质保护层去除；制备介质保护层后的横截面示意图如图2-3所示；

(4)然后，使用负性光刻胶的普通紫外光刻工艺，暴露金属保护层62的中心区域，暴露区域直径约90μm，使用电子束蒸发沉积Cr/Ti/Au(20/100/1000nm)键合金属层，再通过丙酮超声和蓝膜撕金将其它区域的Cr/Ti/Au键合金属层去除，仅保留金属保护层62上面直径约90μm的中心区域，形成第一键合Cr/Ti/Au金属层图案81；使用电子束蒸发在硅片导热基板12上沉积Cr/Ti/Au(20/100/1000nm)第二键合Cr/Ti/Au金属层82；制备键合金属层后外延片和导热基板的横截面示意图如图2-4所示；

(5)再使用晶片键合机在N₂气氛下420℃时加压2小时，使得外延片和硅片导热基板12以第一键合Cr/Ti/Au金属层81与第二键合Cr/Ti/Au金属层82为接触层键合在一起；键合后的横截面示意图如图2-5所示；

(6)在上述导热基板上压焊金属Au球3112，将GaN基LED外延片水平放入光电辅助化学腐蚀装置中进行第一次湿法腐蚀，如图3所示，电辅助化学腐蚀装置包括电压源3111、透明容器3113、金属Pt电极3114、半导体激光器3116和透镜组3115；

金属Au球3112通过金属线与电压源3111正极相连，且金属Au球3112连接导热基板12的底部，电压源3111的负极连接金属Pt电极3114；将外延片水平放入盛有0.5Mol/L草酸溶液的透明容器3113中，草酸溶液通过发光单元阵列之间的隔离沟槽渗透到发光单元的侧壁，并通过SiO₂介质保护层71的缺口腐蚀高掺杂n-GaN层31的侧壁；在透明容器3113的下方放置有50mW的波长为405nm的半导体激光器3116和透镜组3115；透镜组3115将激光器出射的光扩散并准直，使得能够照射整个外延片；

施加30V的电压进行第一次湿法腐蚀，以外延片为正极，以金属Pt电极3114为负极，通过第一种湿法腐蚀溶液导通；半导体激光器3116出射的短波长光源的光经由透镜组扩散和准直，从装置底部照射外延片，光电辅助化学腐蚀1小时后，高掺杂n-GaN层31被腐蚀出大量孔隙，形成富含孔隙的高掺杂n-GaN层311，横截面如图2-6所示；

(7)将第一次湿法腐蚀后的外延片放入60℃的4Mol/L KOH溶液进行第二次湿法腐蚀；KOH溶液通过发光单元阵列之间的隔离沟槽渗透到发光单元的侧壁，并通过高掺杂n-GaN层311中的大量孔隙快速分布至整个高掺杂n-GaN层；浸泡12小时后，高掺杂n-GaN层被腐蚀完毕，蓝宝石衬底11和第一层非故意掺杂GaN层21去除，并在第二层非故意掺杂GaN层22的下表面形成光滑表面，横截面如图2-7所示；

(8)去除蓝宝石衬底后的外延片进行ICP刻蚀，进一步将第二层非故意掺杂GaN层22去除，并减薄n-GaN层32，使得外延薄膜的厚度约为2μm；外延片减薄后的横截面示意图如图2-8所示；

(9)接着，使用BOE溶液(饱和NH₄F：49％HF水溶液＝6：1，v/v)浸泡去除SiO₂介质保护层71，再使用光学镀膜设备在n-GaN层上制备SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9，反射率约55％；制备SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9后的横截面示意图如图2-9所示；

(10)然后，使用PECVD制备500nm厚的SiO₂介质钝化层72，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，再使用ICP刻蚀8min，在n-GaN层32的中心去除介质钝化层72和SiO₂/Ti₃O₅介质DBR 9，暴露n-GaN区域用来制作n-电极，横截面如图2-10所示；

(11)此后，使用负性光刻胶的普通紫外光刻工艺，暴露n-GaN层32的上述中心区域，以及导热基板12的金属键合层82上围绕发光单元的环形区域，暴露区域直径约10μm，使用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au(500/800/500/500nm)电极层，再通过丙酮超声和蓝膜撕金将其它区域的Ti/Al/Ti/Au电极层去除，形成p-电极101和n-电极102；制备电极后的横截面示意图如图2-11所示；

(12)最后，使用激光切割在隔离沟槽区域对导热基板12划片，将单颗微尺寸谐振腔LED芯片分离；切割后形成单颗芯片的横截面示意图如图2-12所示，制备得到所述的化学腐蚀剥离衬底的微尺寸谐振腔LED芯片。