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CN101964385B - 发光二极管及其形成方法 - Google Patents

发光二极管及其形成方法 Download PDF

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Abstract

一种发光二极管及其形成方法，所述发光二极管的形成方法包括：分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层；将所述第一键合层和第二键合层键合；去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离。本发明增大了发光二极管的有效发光面积，改善了散热，提高了发光效率。

Description

发光二极管及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，尤其涉及一种发光二极管及其形成方法。
背景技术
半导体发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，主要是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫等色的光。
发光二极管根据发光颜色的不同，分为单色发光二极管和白光发光二极管。二十世纪八十年代出现了超高亮度红色发光二极管，早期的红色发光二极管的衬底为不透明材料，发光效率为1-2lumens/watt(流明/瓦)；之后对其进行了改进，采用透明的衬底；在所有的超高亮度红色发光二极管中，最好的模型的效率约为9lumens/watt(流明/瓦)，光谱范围通常在650nm-640nm，驱动电流值通常在30mA-50mA，在1.5V电压时发光灰暗。随后开发了在GaP(磷化镓)衬底上形成的高效率红色发光二极管、橙红色发光二极管以及橙色发光二极管；之后又开发了超亮度橙红色发光二极管、橙色发光二极管、黄色发光二极管。第一个绿色发光二极管由GaP(磷化镓)形成，其效率为每瓦数十流明，最大驱动电流通常为30mA；随后出现了高效率绿色发光二极管，之后出现了绿色发光二极管。第一个超亮度宽波带GaN蓝色发光二极管在20世纪90年代由Nichia开发成功，光谱范围跨越紫色、蓝色和绿色区域，波峰宽度为450nm。第一个超亮度SiC蓝色发光二极管在20世纪90年代由Cree开发成功，光谱范围非常宽，尤其在淡蓝色(mid-blue)到紫色光谱范围内强度很强，波峰范围在428-430nm，最大驱动电流约为30mA，通常使用10mA。
图1为现有技术的单色发光二极管结构的示意图，以蓝色发光二极管为例，参考图1，现有技术中的单色发光二极管的结构一般为在蓝宝石基底(Al2O3)10上形成材料为N型掺杂的氮化镓(n-GaN)的缓冲层11，在缓冲层11上形成材料为氮化镓铟(InGaN)的多量子阱有源层12，在多量子阱有源层12上形成材料为P型掺杂的氮化镓(p-GaN)的帽层13，其中，缓冲层11、多量子阱有源层12和帽层13共同构成了发光二极管管芯，此外帽层13上还形成有透明的金属接触层14。正电极15与所述帽层13电连接，为了将缓冲层11引出，在所述金属接触层14、帽层13、多量子阱有源层12和缓冲层11上形成凹槽16，在凹槽16的底部形成负电极17，所述负电极17与缓冲层11电连接，从而可以通过正电极15和负电极17向所述发光二极管管芯施加电压，使发光二极管发光。
现有技术的发光二极管结构多采用蓝宝石基底10，由于该材质为绝缘体，因此需要形成凹槽16，并通过负电极17将缓冲层11引出，凹槽16导致有效的发光面积减小。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种发光二极管及其形成方法，增大发光二极管的有效发光面积。
为解决上述问题，本发明提供一种发光二极管的形成方法，包括：
分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层；
将所述第一键合层和第二键合层键合；
去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离。
可选的，所述发光二极管的形成方法还包括：在剥离蓝宝石基底后暴露出的发光二极管管芯的表面形成连接电极。
可选的，所述牺牲层的厚度为10nm至50nm。
可选的，所述牺牲层的材料为磷化硼。
可选的，所述去除所述牺牲层包括：使用氯化氢气体刻蚀去除所述牺牲层。
可选的，在所述蓝宝石基底和牺牲层之间还形成有缓冲层。
可选的，所述缓冲层的材料为氮化铝。
可选的，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层的材料为铟或银。
可选的，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层为铟和钯的叠层结构，或银和钯的叠层结构。
可选的，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层为铟的单层结构或铟和钯的叠层结构，所述键合的反应温度为180℃至220℃。
可选的，所述第二键合层和发光二极管管芯之间还形成有接触电极层。
可选的，所述接触电极层的材料为钛。
可选的，所述接触电极层的厚度为2nm至10nm。
可选的，所述发光二极管管芯包括依次位于所述牺牲层上的帽层、有源层和缓冲层。
可选的，所述半导体基底为N型掺杂的硅衬底。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管，包括：
半导体基底；
键合层，形成于所述半导体基底的表面上；
发光二极管管芯，形成于所述键合层的表面上。
可选的，所述发光二极管管芯的表面上还形成有连接电极。
可选的，所述键合层的材料为铟化钯或银化钯。
可选的，还包括接触电极层，形成于所述键合层和发光二极管管芯之间。
可选的，所述接触电极层的材料为钛。
可选的，所述接触电极层的厚度为2nm至10nm。
可选的，所述发光二极管管芯包括依次位于所述键合层上的缓冲层、有源层和帽层。
可选的，所述半导体基底为N型掺杂的硅衬底。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本技术方案的发光二极管的形成方法中，分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层，之后将所述第一键合层和第二键合层键合，并去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离，从而将所述发光二极管管芯转移至所述半导体基底上，由于所述半导体基底具有良好的导电性，可以直接将所述发光二极管管芯的一极引出，并不需要形成凹槽，从而增大了有效的发光面积。
此外，半导体基底较蓝宝石基底具有更好的导热性，将发光二极管管芯转移至半导体基底上，有助于发光过程中的散热，提高发光效率。
附图说明
图1是现有技术的发光二极管的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的发光二极管的形成方法的流程示意图；
图3至图6是本发明实施例的发光二极管的形成方法对应的中间结构的剖面结构示意图。
具体实施方式
现有技术的发光二极管中，一般将发光二极管管芯形成在蓝宝石基底上，由于蓝宝石基底为绝缘材料，因此需要在发光二极管管芯上形成凹槽，以形成连接电极，导致有效的发光面积降低。
本技术方案的发光二极管的形成方法中，分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层，之后将所述第一键合层和第二键合层键合，并去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离，从而将所述发光二极管管芯转移至所述半导体基底上，由于所述半导体基底具有良好的导电性，可以直接将所述发光二极管管芯的一极引出，并不需要形成凹槽，从而增大了有效的发光面积。
此外，半导体基底较蓝宝石基底具有更好的导热性，将发光二极管管芯转移至半导体基底上，有助于发光过程中的散热，提高发光效率。
为了使本领域技术人员可以更好的理解本发明的精神，下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
图2为本发明实施例的发光二极管的形成方法的流程示意图，包括：
步骤S21，分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层；
步骤S22，将所述第一键合层和第二键合层键合；
步骤S23，去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离。
下面结合图2和图3至图6对本发明实施例的发光二极管的形成方法进行详细说明。
结合图2和图3，执行步骤S21，分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层。
具体的，提供半导体基底20，所述半导体基底20的表面上形成有第一键合层21。所述半导体基底20的材质为半导体材料，可以是单晶硅，也可以是也可以是硅、锗、砷化镓或硅锗化合物，本实施例中具体为N型掺杂的硅衬底，其电阻率为0.01至0.1Ω·cm，所述第一键合层21的材料为钯(Pd)。在一具体实施例中，可以在所述半导体基底20的表面通过物理气相沉积(PVD)形成钯材料的第一键合层21。所述第一键合层21的厚度范围为80nm至120nm，本实施例中优选为100nm。
提供蓝宝石基底30，所述蓝宝石基底30的材料主要为Al2O3，其表面上依次形成有缓冲层31、牺牲层32、发光二极管管芯33、接触电极层34和第二键合层35。所述缓冲层31用于蓝宝石基底30和牺牲层32之间的应力缓冲和晶格匹配，改善二者的粘附性。本实施例中，所述牺牲层32的材料为磷化硼(BP)，其形成方法为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，其厚度为10nm至50nm；所述缓冲层31的材料为氮化铝(AlN)，其形成方法为金属有机物化学气相沉积，其厚度为100nm至5000nm。
所述发光二极管管芯33包括依次形成在所述牺牲层32之上的帽层33c、有源层33b和缓冲层33a。所述帽层33c的材料为p-GaN；所述有源层33b为多量子阱有源层，其材料为InGaN，当然在其他实施例中，也可为单量子阱有源层以及本领域技术人员公知的其他有源层；所述缓冲层33a的材料为n-GaN。所述帽层33c、有源层33b和缓冲层33a的形成方法都为金属有机物化学气相沉积。
所述接触电极层34的材料为钛(Ti)，其形成方法为物理气相沉积，其厚度为2nm至10nm，本实施例中优选为5nm。所述接触电极层34主要用于降低第二键合层35与发光二极管管芯33之间的接触电阻，改善电接触。
所述第二键合层35可以为铟(In)或银(Ag)的单层结构，或是铟和钯的叠层结构，或是银和钯的叠层结构，本实施例中，所述第二键合层35为叠层结构，包括依次形成在所述接触电极层34之上的钯薄膜35b和铟薄膜35a。所述第二键合层35的形成方法为物理气相沉积，其中，所述钯薄膜35b的厚度为80nm至120nm，本实施例中优选为100nm，所述铟薄膜35a的厚度为0.8μm至1.2μm，本实施例中优选为1μm。
需要说明的是，所述缓冲层32和接触电极层34是可选的，在其他实施例中，可以仅形成其中的一个或是二者都不形成，如所述牺牲层32直接形成在蓝宝石基底30上，所述第二键合层35直接形成在所述发光二极管管芯33上。
结合图2和图4，执行步骤S22，将所述第一键合层和第二键合层键合。具体的，将所述第一键合层21和第二键合层35键合，使得第一键合层21和第二键合层35反应形成键合层36。本实施例中，第一键合层21的材料为钯，第二键合层35包括铟薄膜35a和钯薄膜35b，键合反应后生成的键合层36的材料为铟化钯(BdIn3)。所述键合的反应温度为180℃至220℃，优选为200℃。在键合过程中，还可以通入氮气或其他非活泼气体的等离子体，以降低键合反应的温度，提高键合速度。此外，所述第二键合层35还可以为铟的单层结构，相应键合的反应温度为180℃至220℃，类似的，也可以通入氮气或其他非活泼气体的等离子体，以降低键合反应的温度。
由于所述第二键合层35为叠层结构，包括铟薄膜35a和钯薄膜35b，因此在键合过程中，铟薄膜35a夹于钯薄膜35b和钯材料的第一键合层21之间，使得铟薄膜35a能够同时与钯薄膜35b和第一键合层21中的钯材料发生反应，进一步加快了键合的反应速率。
在其他实施例中，所述第二键合层35的材料可以为银的单层结构或者银和钯的叠层结构，键合后形成的键合层36的材料为银化钯，键合过程的反应温度要高于铟与钯的键合温度。
结合图2和图5，执行步骤S23，去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离。具体的，去除所述牺牲层32，将蓝宝石基底30以及其上的缓冲层31与所述发光二极管管芯33剥离。本实施例中，所述牺牲层32的材料为磷化硼，去除的过程主要使用氯化氢(HCl)气体刻蚀，刻蚀的过程具有选择性，仅会去除所述牺牲层32，而不会对其他膜层造成影响。
至此，通过键合和剥离过程，使得所述发光二极管管芯33从蓝宝石基底30上转移至了半导体基底20上。所述发光二极管管芯33的一端通过所述接触电极层34、键合层36和半导体基底20电连接，半导体基底20作为发光二极管的负电极，可以连接负电压；所述发光二极管管芯33的另一端暴露出来，可以直接施加正电压，使所述发光二极管管芯33发光，而不需要专门形成沟槽来制作电极，从而增大了有效的发光面积。此外，由于半导体基底20的导热性大大优于蓝宝石基底30的导热性，因此，在发光二极管管芯33发光过程中产生的热量可以及时通过半导体基底20散播出去，避免过热导致的发光效率下降的问题，有利于提高整个发光二极管的发光效率。
至此，本实施例形成的发光二极管的结构包括：半导体基底20；键合层36，形成于所述半导体基底20的表面上；接触电极层34，形成在所述键合层36的表面上；发光二极管管芯33，形成在所述接触电极层34的表面上。其中，所述接触电极层34为可选的，即所述发光二极管管芯33可以直接形成在所述键合层36的表面上。
参考图6，在刻蚀剥离之后，本实施例还在剥离蓝宝石基底后发光二极管管芯33暴露出的表面上形成连接电极37，作为正电极。所述连接电极37的材料为金(Au)或镍(Ni)，或是本领域技术人员公知的其他材料。此外，还可以将所述半导体基底20固定在互连基板38上，所述互连基板38的材料为铝或其他导电金属，使得半导体基底20和所述互连基板38电连接。在实际应用中，可以将多个发光二极管以及相应的外围电路共同连接在所述互连基板38上，以形成发光阵列。
至此，在图5的基础上，本实施例形成的发光二极管的结构还包括位于发光二极管管芯33上的连接电极37，以及与所述半导体基底20电连接的互连基板38。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种发光二极管的形成方法，其特征在于，包括：
分别提供半导体基底和蓝宝石基底，所述半导体基底上形成有第一键合层，所述蓝宝石基底上依次形成有牺牲层、发光二极管管芯和第二键合层，所述发光二极管管芯包括依次形成在所述牺牲层之上的帽层、有源层和缓冲层，所述帽层的材料为p-GaN，所述有源层为多量子阱有源层，其材料为InGaN，所述发光二极管管芯包括的缓冲层的材料为n-GaN；
在所述蓝宝石基底和牺牲层之间还形成有缓冲层；
将所述第一键合层和第二键合层键合；所述牺牲层的材料为磷化硼，使用氯化氢气体刻蚀去除所述牺牲层，将所述蓝宝石基底剥离。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，还包括：在剥离蓝宝石基底后暴露出的发光二极管管芯的表面形成连接电极。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为10nm至50nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述蓝宝石基底和牺牲层之间的缓冲层的材料为氮化铝。
5.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层的材料为铟或银。
6.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层为铟和钯的叠层结构，或银和钯的叠层结构。
7.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述第一键合层的材料为钯，所述第二键合层为铟的单层结构或铟和钯的叠层结构，所述键合的反应温度为180℃至220℃。
8.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述第二键合层和发光二极管管芯之间还形成有接触电极层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述接触电极层的材料为钛。
10.根据权利要求8所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述接触电极层的厚度为2nm至10nm。
11.根据权利要求1所述的发光二极管的形成方法，其特征在于，所述半导体基底为N型掺杂的硅衬底。
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