本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种垂直发光二极管(led)芯片的制作方法。
背景技术
基于三族氮化物的led具有体积小、光电转换效率高、使用寿命长、响应速度快以及抗震和抗冲性能好等特点，在照明、显示、光通信、医疗、农业等领域有着巨大的应用空间。特别是紫外波段的led，因与传统紫外光源相比具有无毒且波长连续可调，使得其在杀菌消毒、空气水的净化、医疗美容、聚合物固化、生化探测、非视距通讯等领域有着广泛的应用前景。
目前，在蓝宝石衬底上最容易实现的led芯片结构是横向结构，这也是当前普遍采用的一种结构形式。蓝宝石衬底由于其稳定性好、能够运用在高温生长过程中，机械强度高、易于处理和清洗，生产技术成熟、器件质量较好等优点，目前大多数工艺一般采用蓝宝石作为衬底，但由于蓝宝石不导电，所以一般采用同侧电极结构，通过刻蚀工艺来达到将n型材料层暴露出来以制备n型电极的目的，结果造成了有效发光面积减少。另外，由于电极做在同一侧，电流经过横向运输的过程，如果电极结构和尺寸设计不匹配，容易产生电流集边效应，导致芯片局部过热。此外，蓝宝石的导热能力一般，散热性能很差，因此在使用时会集聚大量的热量，使得器件的可靠性降低。而与同侧电极结构相比，垂直结构芯片在电、光、热学性能上具有很大优势。垂直结构led不需要刻蚀台面，垂直结构的电极制作在芯片的上下两面，不需要损失太多的有源区，并且电流由上而下垂直注入，扩展性好，分布均匀，克服了电流集边效应。同时垂直结构热阻最小，大电流下，峰值波长漂移最小。其次，垂直结构减少了出光过程中光的传输距离以及界面反射，增加光提取效率。此外，垂直结构会释放外延结构的应力，提升量子效率。总之，垂直结构的led在光效、饱和功率、长期可靠性等方面具有明显优势。一般垂直结构的led是通过激光剥离实现的，但会对外延片造成损伤，良品率较低，因此开发新型高效低损垂直结构的led生成技术具有重要意义。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种垂直结构发光二极管芯片的制作方法。由于蓝宝石等第一衬底导电性和散热性较差，实际操作中需要将该衬底换成换成导电性好并且具有高热导率的衬底，因此，需要将第一衬底剥离掉，一般垂直结构的led衬底的剥离是通过激光剥离的方法实现的，但该方法会对外延片造成损伤，良品率较低，而本发明提供了一种通过腐蚀牺牲层的方法来制备垂直结构的发光二极管，以避免通过激光剥离的方式制备垂直结构led所带来的外延片损伤的问题，提高生产led的良品率。
(二)技术方案
本发明提供了一种垂直结构发光二极管芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在外延led结构表面制备p型电极，其中外延led结构从下至上依次包括第一衬底、模板层、牺牲层、n型层、有源区和p型层；
步骤2：刻蚀外延led结构表面至牺牲层表面，以进行芯片隔离；
步骤3：在已被隔离的芯片上沉积一层绝缘层做侧壁钝化层和腐蚀保护层；
步骤4：在牺牲层中划出绝缘槽，并通过绝缘槽腐蚀牺牲层；
步骤5：去除p型电极上方的部分绝缘层，暴露出p型电极，并在p型电极上沉积金属层。
步骤6：在p型电极上附着转移衬底；
步骤7：去除牺牲层来剥离第一衬底、模板层及牺牲层，并去除残余牺牲层以漏出n型层；
步骤8：在n型层上制备n型电极。
步骤9：切割转移衬底，将芯片分开。
可选地，采用金属沉积方法，结合金属剥离工艺来制备p型电极
可选地，采用电感耦合等离子或者反应等离子体刻蚀外延片至牺牲层来实现芯片的隔离。
可选地，采用电化学腐蚀、光电化学腐蚀、光辅助电化学腐蚀中的一种来腐蚀牺牲层。
可选地，光电化学腐蚀所使用的光源的波长为牺牲层所能吸收的光的波长。
可选地，通过湿法腐蚀或干法刻蚀去除p型电极上方的部分绝缘层。
可选地，通过电子束蒸发或溅射设备在p型电极上方沉积ti、al、au、cr合金的方式来实现厚金属的沉积。
可选地，通过电镀或者溅射的方法，或者通过键合的方式将其他衬底键合在厚金属层上来制备转移衬底。
可选地，通过icp、rie干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法来实现残余牺牲层的去除。
可选地，通过电子束沉积或溅射和金属剥离的方法来制备n型电极。
(三)有益效果
本发明的垂直结构发光二极管采用腐蚀的方法制得，不同于当前普遍采用的激光剥离技术，本发明通过电化学腐蚀、光电化学腐蚀或光辅助电化学腐蚀中的一种来腐蚀牺牲层的方法制备垂直结构的二极管，通过腐蚀使得腐蚀层出现较大的孔及孔间隔较薄的横向孔，这样孔上方的外延层与下层的外延层之间结合强度就会比较弱，再通过机械剥离法(如超声波共振，胶带黏附撕扯)或利用热胀冷缩的变温法，将第一层衬底、模板层和牺牲层去除掉。通过腐蚀牺牲层来剥离掉导电性和散热性不好的第一衬底、模板层和牺牲层，换成导电性好并且具有高热导率的衬底，不需要刻蚀台面，垂直结构的电极制作在芯片的上下两面，不需要损失太多的有源区，对外延片不会造成损伤，有效避免了通过激光剥离的方式制备垂直结构led存在的问题，良品率高。
附图说明
图1是本发明垂直结构发光二极管芯片的实现方法流程示意图。
图2为本发明制备的垂直结构发光二极管芯片示意图；
具体实施方式
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。
本发明的垂直结构led芯片制备方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1.外延led结构：在第一衬底上，从衬底向上依次为外延模板层、牺牲层、n型层、有源区和p型层。
选择第一衬底时应考虑衬底材料与外延材料的晶体结构相同或相近、热膨胀系数匹配、衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不宜分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。因此，本发明中衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝或氧化镓中的一种。蓝宝石衬底因具有生产技术成熟、器件质量好，稳定性好、能够运用在高温生长过程中，机械强度高、易于处理和清洗的优点，是目前最常用的衬底。
模板层为氮化铝(aln)或者氮化镓(gan)，实际选用时应力求和衬底材料的晶体结构、热胀系数和化学稳定性相匹配。
牺牲层可以为n型alxinyga1-x-yn(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，其厚度5-5000nm，掺杂元素为si或ge，掺杂浓度1015-1020cm-3；
牺牲层也可以为非掺杂的alxinyga1-x-yn(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，其厚度5-5000nm。
步骤2.制备p型电极：p型电极是通过电子束蒸镀或溅射等金属沉积方法制得的，使用的金属体系可为ni/au、ni/ag、cr/pt/au等中的一种，具体操作方法为，在氮气气氛下快速热退火，退火温度500-1000℃，退火时间10-300s，形成欧姆接触，欧姆接触的接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，组件操作时，大部分的电压降在活动区而不在接触面，因此不会产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部平衡载流子浓度发生显著变化。在蒸镀或溅射完金属后采用剥离的办法去除掉多余金属，剥离出指定形状。
步骤3.芯片隔离：使用光刻胶做掩膜，通过电感耦合等离子刻蚀或者反应等离子体刻蚀等方法刻蚀外延片至牺牲层，然后使用koh等溶液修饰刻蚀面，而后去除刻蚀损伤层和光刻胶。
步骤4.沉积绝缘层：使用等离子体辅助化学气相沉积等设备沉积一层绝缘层做侧壁钝化层以及腐蚀保护层，如附图所示沉积的绝缘层需要完全覆盖p型层和p型电极组成的上方表面和步骤3所形成的隔离槽的表面，隔离槽表面覆盖的绝缘层应均匀，并且要留有间隙，以利于后续绝缘层的开孔。同时应保证沉积绝缘层后整个外延结构上表面应平整，以利于后续操作。其中沉积的绝缘层可以是氧化硅、氮化硅、氟化钙、氧化铝、氧化铪等，绝缘层厚度为50nm-5000nm，沉积方法可以是各种形式的化学气相沉积(cvd)、磁控溅射或原子层沉积(ald)。
步骤5.划出腐蚀槽：使用高能激光等方式，划透绝缘层，暴露出牺牲层，划出的槽的深度可贯穿整个牺牲层的厚度，划出槽的表面尽量粗糙，以增大被腐蚀面和腐蚀溶液的接触面积，以利于腐蚀溶液的侵入，使牺牲层的腐蚀充分均匀，利于后续的剥离。
步骤6.腐蚀牺牲层：通过电化学腐蚀或光电化学腐蚀方法腐蚀牺牲层，使得腐蚀层出现较大的孔及孔间隔较薄的横向孔，这样孔上方的外延层与下层的外延层之间结合强度就会比较弱，方便后续的剥离。需要注意的是，所用外加光源的波长必须能够被牺牲层吸收；腐蚀所需电解质溶液可为酸性或碱性溶液，比如koh、az400k、naoh、hno3、hf、h2so4、hcl、h3po4等不与所用保护层反应的溶液。也可以通过光辅助电化学腐蚀的方法腐蚀牺牲层，同样的所用外加光源的波长必须能够被牺牲层吸收，腐蚀所需电解质溶液可为酸性或碱性溶液，比如koh、az400k、naoh、hno3、hf、h2so4、hcl、h3po4等不与所用保护层反应的溶液。
步骤7.绝缘层开孔：使用光刻胶做掩膜，使用湿法腐蚀或干法刻蚀去除p型电极上方的部分绝缘层，暴露出p型电极。刻蚀过程中注意刻蚀深度和刻蚀形状，既要保证以固定的形状暴露出p型电极，又要保证p型电极不被腐蚀损害。
步骤8.沉积厚金属层：使用电子束蒸发或溅射设备在p型电极上方沉积0.1-100μm的ti、al、au或cr的合金，沉积的金属层覆盖在p型电极和部分绝缘层上方，并且沉积的金属层是连续的，不会填充进芯片隔离空隙内。
步骤9.附着转移衬底：在厚金属层上通过电镀或溅射的方式渡上一层100-500μm的导电物质或者通过键合的方式将转移衬底键合到导电衬底上。
步骤10.剥离第一衬底：在步骤6中牺牲层经过腐蚀，使得腐蚀层出现较大的孔及孔间隔较薄的横向孔，这样孔上方的外延层与下层的外延层之间结合强度较弱，此时通过机械剥离法(如超声波共振，胶带黏附撕扯)或利用热胀冷缩的变温法，很容易将第一层衬底、模板层和部分牺牲层去除掉，但仍有部分牺牲层附着在n型层表面。
步骤11.去除残余牺牲层：使用icp、rie等干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法将残余的附着在n型层表面的牺牲层去除掉。另外，为提高光提取效率，在制作时需要对n型层表面进行粗化处理。
步骤12.制备n电极：通过电子束沉积或溅射的方法在n型层上制备n型电极，n型电极使用的金属体系包括ti、al、au、cr及pt，每层金属的厚度为5-500nm，具体实施方式为，在空气气氛下进行快速热退火，退火温度500-1000℃，退火时间10-300s，形成欧姆接触。在电子束沉积或溅射完成后采用剥离的办法去除掉多余金属，剥离出指定形状。
步骤13.切割转移衬底：通过激光划裂或砂轮切割等方式制成如图2所示的单颗led芯片。
通过所述方法制得的发光二极管的发光波长为200-800nm。
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。