一種垂直結構發光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法技術

本發明專利技術涉及一種涉及垂直結構發光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法。本發明專利技術采用的技術方案是：至少包括以下步驟：１）在外延生長襯底上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層，再在外延生長襯底上制備LED外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，２）在外延片表面的P-面制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層；３）將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板上；４）將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，５）通過制作N-型電極、N-型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構LED的制作。本發明專利技術工藝制作簡單，設備要求低；對批量的外延片同時進行外延生長襯底的剝離工藝，產出率明顯提高；對內量子效率無負面影響。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于氮化鎵系垂直結構發光二極管
，具體涉及一種涉及垂直結構發光二極管及其薄膜與襯底剝離的方法。
技術介紹
半導體發光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)的發展已有數十年歷史，其在信號顯示、背光源和固態照明領域有著極其廣泛的應用。目前以III-V族化合物氮化鎵(GaN)材料為基礎的LED (包括其Al、h合金材料)可以覆蓋從深紫外到可見光的大部分波段。LED的器件結構是通過外延生長工藝形成P-型和N-型層薄膜，一般在P-型和 N-型層間架構由能帶不同的周期性多層結構組成的載流子復合區即發光區，外延生長的襯底采用藍寶石(A1203)襯底。器件經過半導體加工工藝完成芯片的分離、電極的制作和表面織構化等步驟形成，經封裝后加正向偏壓注入電子經光子復合后而發光。根據能帶設計， 可以實現不同波長的光產生和輸出。傳統的LED器件結構將N型和P型電極置于LED薄膜的同一側，即薄膜的表面， 而在薄膜的底層由于絕緣的藍寶石襯底的存在而沒有電極。在這種設計中，P-型和N-型電極采用局部干法腐蝕工藝分布在芯片表面的兩側，注入電流由水平方向流過LED的發光區。這樣的LED器件由于不均勻的電子橫向注入和側面擴散導致從P-型電極區到N-型電極區的不均勻發光，限制了 LED芯片單片的最大尺寸以及整體器件的發光效率。在高電流密度注入條件下，靠近N型電極的區域容易出現電流擁塞，導致局部溫度過高甚至整個LED 器件失效。同時，由于這種平面結構的LED器件工作中未能轉化為光能的輸入電能將轉化為熱能，該熱能不能有效通過熱導性能極差的藍寶石襯底散到封裝底座，因此限制了器件功率的進一步提升，成為LED從中小功率的顯示器件向大功率和超大功率的照明器件的應用的一大障礙。為解決芯片的電流擁塞問題和散熱瓶頸問題，需要改變LED器件的結構，使 N-型和P-型電極從水平結構變成垂直結構，即注入電流主要以垂直于薄膜表面的方式均勻流過LED器件結構。為了實現藍寶石襯底上生長的LED薄膜的垂直結構器件，美國加利福尼亞大學伯克利分校的Nathan W. Cheung等人提出了采用選擇性光學加工工藝即紫外激光剝離的辦法(US 0 0 6 0 7 1 7 9 5 )，利用紫外激光在藍寶石材料與GaN材料的界面的強烈光吸收產生GaN局部熱分解，實現LED薄膜和藍寶石襯底的分離。這種方法的局限性是需要復雜昂貴的專用設備，激光剝離工藝是單片外延片串行工藝，且每片外延片中的各個芯片是通過激光步進掃描逐一剝離的，工效低下，工藝復雜，對LED發光區產生應力失配導致內量子效率下降等。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，提供， 以克服現有氮化鎵系垂直結構發光二極管組件結構及其制造方法存在的只能進行單片外延片的串行工藝，工藝復雜，對LED發光區產生應力失配導致內量子效率下降的的問題。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是一種垂直結構發光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于該方法利用化學濕法進行剝離，至少包括以下步驟1 )在外延生長襯底11上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層12，再在外延生長襯底11上制備LED外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，對外延片進行選擇性圖形刻蝕，完成LED芯片按照設計的尺寸和間隔進行的芯片級分離，刻蝕深度至少透過外延層薄膜；2)在外延片表面的P-面按照芯片設計的圖形制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層和縱橫交錯的無反光鏡、無歐姆電極和無金屬鍵合粘附層的空白區域；3)將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板203上；4)將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，液體化學試劑通過芯片間的空隙及預留的空白區域，對ZnO緩沖層進行腐蝕，待ZnO緩沖層完全被腐蝕掉時，外延生長襯底和LED薄膜分開，LED薄膜留在反轉基板上，而外延生長襯底自動脫落，形成可制作垂直結構LED器件的結構，此時N-型半導體暴露在表面；5)通過制作N-型電極、N-型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構LED的制作。所述ZnO緩沖層(12)的生長工藝包括但不限于金屬有機化學氣相外延，分子束外延、原子層外延、脈沖激光濺射；ZnO緩沖層(12)與后續的LED薄膜在同一臺生長設備中完成或者預先在襯底上淀積備用；ZnO的厚度在0. 1微米到100微米之間。所述導熱基板是預先成型的并蒸鍍好鍵合金屬層的基板，包括但不限于Si、AlSi、 Cu、CuMo, Cuff,或者是采用涂覆不定型或流質的導熱材料再熱定型的導熱基板。所述化學試劑，包括但不限于鹽酸稀釋液，在室溫或高于室溫低于100C的溫度下，在超聲波振動的輔助下，化學試劑從LED芯片溝槽側向流入外延片。一種垂直結構發光二極管，其特征在于包括一外延生長襯底11，一 ZnO緩沖層12，位于該外延生長襯底11上，一 GaN緩沖層13，位于該ZnO緩沖層12上，一 N型GaN層14，位于GaN緩沖層13上，一周期性多層發光區-量子阱15，位于該N型GaN層14上，一電子阻擋層16，位于該周期性多層發光區-量子阱15上，一 P型GaN層17，位于該電子阻擋層16上。所述LED的外延生長襯底的選取包括但不限于藍寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其晶向包括但不限于0001等極化、半極化和非極化方向；所選襯底包含圖形化的表面結構。所述N型GaN層上設置有N-面電極金屬層，與N型層半導體材料形成歐姆接觸， 為單一或多層金屬結構，包括但不限于鈦，鋁，金，釩和其合金。本專利技術是通過采用在外延層生長中在襯底上預先掩埋生長氧化鋅(ZnO)緩沖層， 利用ZnO層在化學腐蝕中可以很容易被液體化學試劑(例如鹽酸)腐蝕的原理，使外延生長襯底和LED薄膜得以分離。相對于現有技術，本專利技術的優點和有益效果是(1)工藝制作簡單，設備要求低；(2)對批量的外延片同時進行外延生長襯底的剝離工藝，產出率明顯提高；(3)本專利提供的襯底剝離技術對襯底的光吸收和透過性沒有要求，使得很多用激光剝離工藝無法實現的襯底(例如Si，GaN, SiC等)可以實施剝離工藝；(4)避免了激光剝離工藝在藍寶石襯底和 LED薄膜界面產生的瞬態高溫和機械分離過程中產生的巨大應力和沖擊力，不會增加LED 外延層的結構缺陷，是一種對內量子效率無負面影響的芯片工藝技術；(5)此方法不但可用于制作小尺寸(若干微米)的LED芯片，同時也適用于制作大尺寸(毫米或厘米)的LED芯片，為實現半導體照明應用開辟新的芯片尺度。附圖說明下面結合附圖和實施例對本專利進一步說明。圖1是本專利技術含有ZnO緩沖層的藍寶石襯底上的LED外延結構示意圖。圖2是本專利技術襯底剝離工藝的流程示意圖。圖3是本專利技術進行藍寶石襯底剝離工藝的橫截面示意圖。圖4是本專利技術垂直結構LED芯片開槽刻蝕后的平面俯視圖。圖5是本專利技術垂直結構LED芯片開槽并轉移到導熱基板后的橫截面示意圖。主要組件符號說明11-外延生長襯底，201-P-面反光鏡和歐姆接觸金屬層；12-ZnO緩沖層，202-P-面金屬擴散阻擋層和鍵合層，13-GaN緩沖層，203-導熱基板，14-N-型GaN層，15-周期性多層發光區-量子阱，16-電子阻擋層，17-P型GaN層，18-量子阱的勢壘層，19-量子阱的勢阱層， 20-LED 薄膜。具體實施例方式本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種垂直結構發光二極管的薄膜與襯底剝離的方法，其特征在于：該方法利用化學濕法進行剝離，至少包括以下步驟：１）在外延生長襯底（１１）上預先掩埋生長氧化鋅緩沖層（１２），再在外延生長襯底（１１）上制備ＬＥＤ外延片，然后通過干法刻蝕工藝對外延片進行臺面刻蝕，對外延片進行選擇性圖形刻蝕，完成ＬＥＤ芯片按照設計的尺寸和間隔進行的芯片級分離，刻蝕深度至少透過外延層薄膜；２）在外延片表面的Ｐ－面按照芯片設計的圖形制作反光鏡、歐姆電極層、金屬鍵合粘附層和縱橫交錯的無反光鏡、無歐姆電極和無金屬鍵合粘附層的空白區域；３）將外延片通過金屬鍵合工藝反轉到另外一種導熱基板（２０３）上；４）將鍵合好的外延片在化學腐蝕槽中進行液體化學腐蝕，液體化學試劑通過芯片間的空隙及預留的空白區域，對ＺｎＯ緩沖層進行腐蝕，待ＺｎＯ緩沖層完全被腐蝕掉時，外延生長襯底和ＬＥＤ薄膜分開，ＬＥＤ薄膜留在反轉基板上，而外延生長襯底自動脫落，形成可制作垂直結構ＬＥＤ器件的結構，此時Ｎ－型半導體暴露在表面；５）通過制作Ｎ－型電極、Ｎ－型表面織構化、表面刻蝕，完成垂直結構ＬＥＤ的制作。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：云峰，
申請(專利權)人：云峰，
類型：發明
國別省市：87