一种基于银基金属键合的薄膜结构led芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜结构LED芯片，尤其涉及一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]基于激光剥离与键合技术的GaN基功率型薄膜结构发光二极管LED在大功率照明领域具有十分广阔的应用前景。该方案的关键步骤是将蓝宝石上生长的GaN外延层在制备好P电极等P面结构后，键合到Si或Cu等导电导热的转移衬底上，然后利用激光剥离技术去除作为生长衬底的蓝宝石，并在露出的N极性GaN表面，进行表面粗化，然后制备n电极。键合技术需要实现高粘结强度以保证成品率，需要有良好的导电导热能力以降低电阻、提高管芯寿命；最后键合技术一般要实现一定的应力释放。在键合过程中，键合介质的选择直接影响了上述性能并进而影响薄膜结构LED的性能。
[0003]AuSn键合是功率型薄膜结构LED制备工艺中常见的键合方法。AuSn键合技术一般采用共晶的金锡钎焊合金预成型片作为介质层，在300?500°C的范围内将外延层与转移衬底键合在一起。AuSn键合具有机械强度高、浸润性好、利于导热导电等优点。另一方面，由于AuSn键合基于液固相变，固态时具有5相和〔相两种稳定相，液固相变过程中的扩散的随机性导致了相分布的无序和不可控（Mat. Sci.Eng. B, 175,213, (2010))应力聚集，影响键合强度、键合金属层的导热率与导电率，在压力下熔融的AuSn会向四周溢出，不利于后续工艺。
[0004]Au-Au键合也是功率型薄膜结构LED制备中的常用技术手段。与AuSn键合不同，Au-Au键合不需要类似金锡钎焊合金作为预成型片，而是在外延层与转移衬底表面分别蒸镀1?3 y m的Au，键合温度约300°C，略低于AuSn键合，但键合压力超过AuSn键合三个数量级（约6000?8000kgf/wafer)，利用Au原子或晶粒再接触界面热扩散得到紧密的键合。该方法工艺较简单，适合大规模工业生产。其不足之处在于，需要在高温高压下保持较长时间，以保证金属界面的互扩散充分完全，导致了光电子器件性能降低（IEEE Transactionson Electronics Packaging Manufacturing, 31 (2) : 159 (2008)) 0 最后，由于 Au 的价格昂贵，Au-Au键合增加了功率型薄膜结构LED的制造成本。
[0005]银基钎料是使用最广的一类硬钎料。其熔点适中，能浸润很多金属，具有良好的强度、塑性、导电和导热性。而SnAgCu，SnAg相比Ag导电胶体具有更好的导热、导电性，是功率型LED封装中使用较多的一类焊料。但是很少使用于外延层的键合。德国布伦瑞克科技大学Waag教授也有使用纳米和微米Ag颗粒烧结的方法进行功率型LED的封装(IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, 2(2)：199(2012)) o由于LED封装工艺的原因，Ag基金属熔点温度一般低于300°C，对于衬底剥离后的垂直薄膜结构LED很难进行氮面接触的工艺，同时较低的合金恪点也会带来工作可靠性的下降。虽然微纳米Ag颗粒的键合可能解决上述问题，但是其只在芯片键合上有报道，在外延层键合上没有报道。
【发明内容】
[0006]为了解决键合成本和可靠性的问题，本发明提供了银基金属键合的薄膜结构LED芯片及其制备方法，用于功率型薄膜结构LED芯片的制备。
[0007]本发明的一个目的在于提供一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片。
[0008]本发明的薄膜结构LED芯片为基于键合与激光剥离的垂直结构LED芯片，或者倒装结构LED芯片。
[0009]对于垂直结构LED芯片，本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元包括：转移衬底、键合金属层、过渡层、反射层、P电极、LED外延层、n电极、n面出光锥和钝化层；其中，在转移衬底上从下至上依次为键合金属层、过渡层、反射层、P电极和LED外延层；在LED外延层的一小部分上形成n电极；在LED外延层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥；反射层和n面出光锥构成出光结构；在芯片单元之间的激光划道与刻蚀走道的侧壁形成钝化层；键合金属层采用AgCuIn合金。
[0010]AgCuIn是含铜和铟的三元合金，具有良好的焊接性能，较低的蒸气压。有AgCuln30-5，AgCuIn24-15，AgCuln85-5，AgCuIn20-31 和 AgCuln27_10 等型号。它们的熔化温度依次为 770 ?800°C、630 ?705°C、900 ?950°C、540 ?575°C和 685 ?730°C。其熔点温度大于n面接触的工艺温度，配合低温、较高压力的键合工艺，可以用于功率型薄膜结构LED的真空键合金属。
[0011]本发明的垂直结构LED芯片为氮面出光，LED外延层从上至下依次包括n型接触层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层；在n型接触层的一小部分上形成n电极；粗化n型接触层的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥。LED外延层的厚度在2?100 y m之间。进一步，在n型接触层与n型层之间加入电流扩展层，电流扩展层的厚度由整个LED外延层的厚度决定，在10?80 ym之间。
[0012]进一步，出光结构还包括金属纳米结构，周期性排列的金属纳米结构嵌入在LED外延层的中P型层和P型接触层中。金属纳米结构包括纳米孔、金属纳米颗粒和介质包层；其中，纳米孔形成在P型层和P型接触层中；包裹着介质包层的金属纳米颗粒位于纳米孔中。
[0013]n电极采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构，利用Pdln合金较低的金属功函数以及高温的稳定性，阻止Ga原子的扩散，显著提高氮面欧姆接触的性能。这样形状的n电极能有效改善芯片的电流扩展特性，提高器件光效和可靠性。p电极采用透明的铟锡氧化物IT0。
[0014]对于倒装结构LED芯片，本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元包括：LED外延层、n电极、p电极、反射层、键合金属层、钝化层和转移衬底；其中，LED外延层从小至上依次包括n型接触层、多量子阱区和p型接触层；利用刻蚀的方法露出一部分n型接触层，在露出的n型接触层上制备n电极；在p型接触层上制备p电极，p电极上制备反射层；钝化层包裹在LED外延层的侧壁和n电极的周围，防止漏电；在反射层上沉积键合金属层；键合金属层将LED外延层和转移衬底键合在一起。
[0015]键合金属层采用的AgCuIn合金中，Ag的组分在40?50%之间，Cu的组分在40?50%之间，In的组分在10?20%之间。
[0016]本发明的另一个目的在于提供一种基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片的制备方法。
[0017]对于垂直结构LED芯片，本发明的基于银基金属键合的薄膜结构LED芯片单元的制备方法，包括以下步骤：
[0018]1)提供适合激光剥离工艺的生长衬底，在生长衬底上生长非掺GaN层，在非掺GaN层上依次生长n型接触层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层，形成LED外延层；
[0019]2)在LED外延层上采用激光划片划分出分离的LED芯片单元，深入至生长衬底，形成激光划道，对激光划道进行清洗，去除侧壁损伤区以及激光划道内的残留物；
[0020]3)在LED外延层上生长一层掩膜层，在掩膜层上刻蚀LED芯片单元，刻蚀至n型层，形成刻蚀走道，去除掩膜层露出P型接触层，进一步去除刻蚀损伤，然后去除掩膜层；
[0021]4)在LED外延层上再生长钝化层材料，采用光刻的方法制备出图形并进行湿法腐蚀，去除P型接触层表面的钝化层材料，保留激光划道与刻蚀走道侧壁的钝化层材料，形成钝化层；5)在p型接触层的表面上蒸镀p电极，然后在p电极的表面蒸镀反射层和过渡层；
[0022]6)采用电子束蒸发的方式，在过渡层和转移衬底的表面同时蒸镀键合金属，键合金属的材料采用AgCuIn合金，然后对键合金属进行热退火；
[0023]7)将蒸镀了键合金属的转移衬底扣到形成在生长衬底上的LED外延层上，在高温高压下，将转移衬底与L