CN105023984A - 一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片及其制备方法。本发明采用了20～100μm厚膜的LED外延片，器件结构的坚固性大为提高；采用了激光划片和平面化介质填充工艺，减少激光剥离的损伤和后续芯片工艺的难度，提高了成品率；同时利用周期性的金属纳米结构，形成的表面等离激元与LED多量子阱的偶极子产生共振，提高内量子效率，同时因为ITO大面积和p型接触层相接触，并不影响电学性质；在电极方面，创新性的使用了接触层技术以及PdInNiAu的金属结构，改善了接触的性能和稳定性。本发明还针对厚膜垂直结构LED芯片的特点，设计了电流扩展层及电极结构，进一步提高电流分布的均匀性。

Description

一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片制备领域，尤其涉及一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片及其制备方法。

背景技术

氮化镓GaN基垂直结构发光二极管LED在大功率照明领域具有十分广阔的应用前景。常见的技术手段是将蓝宝石上生长的GaN薄膜制备好p面电极等结构以后，键合到Si基或Cu基衬底上，然后利用激光剥离去掉蓝宝石后，在N面制备n电极。不过常见的垂直结构LED工艺存在一定的问题：主要是剥离后的氮面接触的可靠性因为Ga原子的扩散存在一定的问题，同时因为垂直结构LED外延片的厚度较薄，难以承受封装过程中固晶、焊线工艺的吸嘴、针尖对垂直结构芯片的冲击力。在工作过程中，这些薄膜芯片也很容易应为热应力或机械冲击而造成损伤。

目前，国际大公司，如Osram，Lumileds，Cree等对他们的垂直结构薄膜LED产品进行了改进和升级，以倒装薄膜或厚膜贴合为主，避免了氮面电极和封装过程中在LED薄膜上进行机械冲击的工艺，大幅增加了薄膜芯片的可靠性。中国专利CN201310165612.1解决了上述问题。采用了GaN模板外延LED结构解决外延片的质量和坚固性，利用Ga面的三角排列的n电极结构解决N面电极问题和电流扩展问题。相比于国际厂家的技术，我们的专利较好地解决了外延片的发光性能提高，键合和剥离过程中的机械损伤等问题，同时也对工作时的芯片的可靠性有较大的提高。

但是之前的专利并没有较好的考虑器件的结构问题。改进的结构有利于LED的出光和欧姆接触的制备，不过中间的SiO₂层对散热是不利的，SiO₂和金属的较差的粘附性使得器件工艺的难度变大；同时这种结构实际上是一种倒装结构，电流扩展需要精心的设计；最后上述工艺上的激光划道的倾斜侧壁对光刻和绝缘保护均形成了一定的难度。为了解决这些问题，我们仍采用垂直结构的工艺，在外延设计上使用了接触层和电流扩展层(current spreadinglayer)结构，采用PdInNiAu的N面电极结构阻止电极性能的退化，同时我们还设计出有效的划道形成和填充方法，确保对侧壁的保护和后续光刻、镀膜工艺的顺利进行。

另一方面，在大注入条件下，功率型LED常表现出一定的效率骤降(efficiency droop)现象，为了降低droop的影响，许多技术被应用，包括双异质结结构，非极性、半极性面LED，AlInGaN极化匹配多量子阱等。最近台湾大学杨志忠等人发现(Appl.Phys.Lett.96,261104(2010))表面等离激元SP和多量子阱有源区的耦合可以显著减小droop效应。他们只是在普通的芯片表面实现了SP增强的LED结构，对大注入下的绝对效率增强也未有报道。我们之前的技术也提及了通过纳米压印的方法在p-GaN表面制备周期或非周期的纳米金属纳米颗粒，以增强LED的发光效率，但是并没有就增加LED的发光效率的具体结构和制备方法做进一步的阐述。本发明将在垂直结构的p-GaN表面制备表面等离激元结构，限定其尺寸，形状因子以及耦合多量子阱的结构，以得到发光的切实增强。

发明内容

为了解决普通垂直结构和倒装薄膜结构LED制备的困难，本发明提供了一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片及其制备方法。

本发明的一个目的在于提供一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片。

本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元包括：转移衬底、键合金属、过渡层、反射镜、p电极、LED外延片、n电极、金属纳米结构和n面出光锥；其中，在转移衬底上从下至上依次为键合金属、过渡层、反射镜、p电极和LED外延片；在LED外延片的一小部分上形成n电极；在LED外延片的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥；在LED外延片中嵌入周期性排列的金属纳米结构；反射镜、金属纳米结构和n面出光锥构成出光结构；在LED芯片单元之间形成激光划道，在激光划道中填充平面化介质，形成平面化结构。

本发明的LED芯片为氮面出光，LED外延片从上至下依次包括n型接触层、电流扩展层、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；周期性排列的金属纳米结构嵌入p型层和p型接触层中。LED外延片的厚度在20～100μm之间；电流扩展层的厚度在10～80μm之间。本发明采用厚膜GaN的LED外延片，不但有效提高LED芯片的内量子效率，同时也提高了LED芯片的坚固程度，可以耐受激光剥离、芯片封装中的机械冲击，同时在工作过程中也展示较高的稳定性。

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。

n电极采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构，利用PdIn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。

本发明的另一个目的在于提供一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片的制备方法。

本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的制备方法，包括以下步骤：

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、电流扩展层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层，形成LED外延片；

2)在LED外延片上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；

3)在LED外延片上生长一层掩膜层，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；

4)在LED外延片上再生长一层掩膜层，制备纳米图形，然后刻蚀掩膜层，得到纳米孔的图形，刻蚀至p型层，从而在p型接触层和p型层中形成纳米孔；

5)在掩膜层上蒸镀金属层，利用热退火的方法，在纳米孔中得到金属纳米颗粒，使用剥离方法(liftoff)去除掩膜层及其表面的金属；

6)利用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在p型接触层上沉积掩膜层，采用平面化介质对激光划道进行填充，采用曝光显影或湿法腐蚀去除p型接触层表面的平面化介质，然后进一步采用刻蚀的办法去除p型接触层表面的掩膜层，在刻蚀走道中形成钝化介质，同时部分保留在纳米孔中的掩膜层材料包裹在金属纳米颗粒，在金属纳米颗粒外形成介质包层，从而形成包括纳米孔、金属纳米颗粒和介质包层的金属纳米颗粒，保留在激光划道中的平面化介质形成平面化结构；

7)在已形成金属纳米结构并完成平面化结构的LED外延片上蒸镀p电极；

8)在p电极的表面蒸镀反射镜，然后再蒸镀过渡层和键合金属；

9)在转移衬底上沉积键合金属；

10)将沉积了键合金属的转移衬底扣到生长衬底上的LED外延片上，通过加温加压键合到转移衬底上，过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属，去除生长衬底，并暴露出非掺GaN层，清洗剥离的LED外延片的表面；

11)进行湿法和干法腐蚀，去除非掺GaN层，暴露出n型接触层，并使得激光划道有所扩大，释放部分残余应力；

12)蒸镀n电极的金属，采用剥离方法去掉部分金属，露出大部分的n型接触层，形成n电极，退火得到稳定的欧姆接触；

13)进行电极和侧壁的钝化保护，粗化n型接触层的表面，形成周期或非周期的n面出光锥，从而形成包括反射镜、金属纳米结构和n面出光锥的出光结构；

14)用机械或激光切割LED外延片，测试并分拣得到LED芯片单元。

其中，在步骤1)中，LED外延片的厚度在20～100μm之间。n型接触层的GaN载流子浓度达到10¹⁹cm^-3，厚度1～2μm之间，电流扩展层的载流子浓度在10¹⁷cm^-3～10¹⁸cm^-3，厚度在10～80μm之间，参数的选择同时考虑横向电流扩展和纵向的串联电阻。进行多量子阱的优化，多量子阱的周期和阱宽取决于纳米金属纳米颗粒的尺寸、形状和位置，确保表面等离激元激发多量子阱得到发光增强。p型接触层一般采用1～5nm的非掺或n型InGaN，形成与p-GaN层的隧道结。

在步骤2)中，采用激光划片，在LED外延片上划分分离的LED芯片单元，激光划道的深度超过LED外延片的厚度深入至生长衬底，然后采用湿法腐蚀去除侧壁的损伤并达到粗化的目的。划片采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD生长SiO₂作为保护层，并旋涂激光划片的保护液，降低激光划片对LED外延片造成的损伤；另一方面，在以下的高温酸清洗过程中，起到保护LED外延片的作用。激光划道的侧壁和生长衬底的倾角在70～85°之间，激光划道的宽度在10～50μm之间；采用的湿法腐蚀条件为磷酸和硫酸的混合酸，腐蚀温度在200～250℃之间，腐蚀时间与LED外延片的厚度相关，去除激光划片产生的残留物。侧壁腐蚀锥的尺寸在100nm～10μm之间。本发明方法采用激光划片和混合酸腐蚀侧壁分割芯片单元，有效地减小了外延片中的翘曲。同时侧壁的腐蚀形成侧壁粗化，有利于侧面光的出射。侧壁的倾斜角度有利于下面的平面化工艺。

在步骤3)中，在掩膜层上曝光得到光刻胶的掩膜。采用感应耦合等离子体ICP氟基反应气体刻蚀中掩膜层，采用氯基反应气体进一步刻蚀形成刻蚀走道，同时进一步去除激光划道的侧壁的损伤层。刻蚀走道的刻蚀深度为0.5μm～5μm之间。去除残留的掩膜层。

在步骤4)中，利用PECVD再淀积一层掩膜层，再利用纳米压印的方法在其上制备纳米图形，然后利用氟基ICP刻蚀掩膜层，得到纳米孔的图形，利用ICP刻蚀至p型层；掩膜层材料的厚度在100～300nm之间。纳米图形可以为周期性的，也可以为非周期性的，周期性的图形的周期为300nm～800nm，尺寸在100nm～500nm之间。p型层的厚度在150nm～200nm之间，感应耦合等离子体ICP刻蚀p型层，使得p型层保留10～40nm，视LED发光波长及外延片的结构而定。

在步骤5)中，金属层的厚度为10～100nm，金属层为Ag、Au、Al及Pt等中的一层或多层，根据发光的波长确定金属层的结构。采用腐蚀掩膜层的方法剥离掩膜层上的金属层，形成分立的金属纳米结构，而不用担心其中的联接所造成的影响。采用纳米压印和退火的方法制备金属纳米颗粒，使得金属纳米颗粒制备具有均匀性和重复性。一般地，形状因子(高度/半径)大于1.5，半径在10～30nm的Ag纳米颗粒将有利于蓝光LED的发光增强，而对于绿光LED，宜采用半径为45～100nm的Ag纳米颗粒。同样，尺寸较小的Au纳米颗粒也适用于绿光LED的发光增强。对紫光及紫外LED，则宜采用Al纳米颗粒。

在步骤6)中，利用PECVD沉积一层掩膜层，厚度在200～1000nm之间，使得刻蚀走道的侧壁被掩膜层所保护，同时纳米孔被掩膜层的材料填满，金属纳米颗粒被包裹；采用多次甩胶的方法，在掩膜层的表面甩一层平面化介质，使得激光划道中和刻蚀走道中填充足够的平面化介质，平面化介质采用聚酰亚胺等有机绝缘物质；曝光显影或湿法腐蚀去除p型接触层表面的平面化介质，并保留激光划道与刻蚀走道中的平面化介质；然后以残留的平面化介质为掩膜，利用ICP刻蚀去除p型接触层表面的掩膜层，在刻蚀走道中形成钝化介质，同时保留纳米孔中的掩膜层的材料，在金属纳米颗粒外形成介质包层；最后在200～500℃的条件下实现平面化介质的钝化，形成平面化结构。这样，利用掩膜层实现了对刻蚀走道侧壁的钝化保护与纳米孔中金属纳米颗粒的包裹，利用平面化介质实现了激光划道与刻蚀走道的平面化。

多次甩胶的方法具体包括：a)以4000～6000r/s的高速度甩胶约10～30s，在刻蚀走道的侧壁形成粘附性好的平面化介质的薄层，在80～150℃的温度下加热1～5min；b)在2000～4000r/s的低转速下甩胶约10～30s，在80～160℃的温度下加热1～5min；c)重复步骤b)，直至平面化介质充分填充激光划道达到平面化效果。

在步骤7)中，p电极为透明导电极，采用铟锡氧ITO，厚度在100～400nm之间，发光波长、ITO的厚度和p型层的厚度共同优化，形成增反效果。

在步骤8)中，反射镜包括采用Al基反射电极或者Ag基反射电极。Al基反射电极为TiAl或NiAl，其中钛Ti和镍Ni为粘黏金属，厚度为1～2nm，Al的厚度为20～50nm。采用Al基反射电极将有益于较高工艺温度下的稳定性，如高温、高压的键合等。Ag基反射电极增加反射率和稳定性。过渡层的金属为镍、铂或钯等，厚度为20～50nm。键合金属为金，厚度为1.5～2μm，能够保证键合层忍受500℃以上的芯片工艺温度。

在步骤9)中，转移衬底采用半导体晶片或金属。转移衬包括半导体衬底和p电极焊层，在其正面沉积键合金属。键合金属采用步骤8)中的键合金属。

在步骤10)中，根据不同的键合金属的种类和厚度，选择键合的温度、时间、压力及升降温和升降压的速率。对上述键合后的LED外延片进行激光剥离，去除生长衬底。转移衬底采用金属结构，将大大减少外延片中残余应力造成的损伤。同时采用Au～Au键合的方法，有效地降低键合的温度和压力，减少对器件的损伤。对剥离后暴露的氮面表面进行稀盐酸的清洗，去除掉表面的Ga滴。

在步骤11)中，采用湿法腐蚀或ICP刻蚀+湿法腐蚀氮面非掺GaN层(约1～2μm)。湿法腐蚀采用100～160℃的热磷酸，扩大激光划道的宽度至20μm以上，得到较平整的氮面表面。控制ICP刻蚀和磷酸腐蚀的条件，有效释放芯片中的残余应力。

在步骤12)中，蒸镀n电极的金属，采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构，Pd的厚度在10～100nm之间，In的厚度在30～300nm之间，Ni的厚度在20～500nm之间，Au的厚度大于1μm。PdIn合金不但有效降低金半接触的功函数，而且还对Ga原子形成有效阻挡。In进入GaN，形成InGaN/GaN结构，局部形成二维电子气，有利于接触电阻的降低。采用优化设计的n型电极，结合接触层、电流扩展层和p型层形成均匀的电流扩展。

在步骤13)中，将出光面用热磷酸粗化，或者使用纳米压印和刻蚀的方法得到表面微纳米的n面出光锥。表面采用热磷酸粗化，可以得到更多出光面的十二面锥形结构，同时腐蚀侧面的倾角可以根据溶液的温度和浓度做调节。

在步骤14)中，若采用半导体Si，GaAs衬底作为转移衬底，普通的激光划片即可满足要求，对于Cu基的转移衬底的划片，需采用皮秒激光器做划片分割。

本发明采用了20～100μm厚膜的LED外延片，器件结构的坚固性大为提高；采用了激光划片和平面化介质填充工艺，减少激光剥离的损伤和后续芯片工艺的难度，提高了成品率；同时利用周期性的金属纳米结构，形成的表面等离激元与LED多量子阱的偶极子产生共振，提高内量子效率，同时因为ITO大面积和p型接触层相接触，并不影响电学性质；在电极方面，创新性的使用了接触层技术以及PdInNiAu的金属结构，改善了接触的性能和稳定性。本发明还针对厚膜垂直结构LED芯片的特点，设计了电流扩展层及电极结构，进一步提高电流分布的均匀性。

本发明的优点：

1)本发明采用厚膜GaN的LED外延片，不但有效提高LED的内量子效率，同时也提高了LED芯片的坚固程度，可以耐受激光剥离、芯片封装中的机械冲击，同时在工作过程中也展示较高的稳定性；

2)本发明采用纳米压印和剥离的方法制备周期性金属纳米颗粒，不但具有较低的制作成本，同时也不会降低器件电学性能，明确给出了表面等离激元与多量子阱结构的共振耦合作用的金属种类，尺寸范围，对改善大注入下LED芯片的droop效应有一定的作用；

3)采用激光划片和平面化介质填充工艺，分割芯片单元，减少外延片的翘曲，同时也减少了激光剥离的损伤，降低工艺难度和成本；

4)氮面GaN欧姆接触采用PdInNiAu金属结构，利用PdIn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；

5)根据厚膜外延片的特点，设计得到电流扩展层和氮面接触的电极图形，有效改善芯片的电流扩展特性，提高器件光效和可靠性。

附图说明

图1为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的结构示意图，其中，(a)为剖面图，(b)为俯视图；

图2为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的LED外延片的结构；

图3为本发明的激光划片划分LED芯片单元的效果示意图，其中，(a)为剖面图，(b)为俯视图；

图4为本发明的金属纳米结构的示意图；

图5为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的的填充效果示意图，其中，(a)为填充后未光刻的剖面图，(b)为最终的平面化结构的剖面图；

图6为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的形成在p电极级以上结构的剖面图；

图7为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的键合过程示意图；

图8为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的激光剥离示意图；

图9为本发明的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元的n电极的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元包括：转移衬底0、键合金属1、过渡层2、反射镜3、p电极4、LED外延片5、n电极6、金属纳米结构7和n面出光锥8；其中，在转移衬底0上从下至上依次为键合金属1、过渡层2、反射镜3、p电极4和LED外延片5；在LED外延片的一小部分上形成n电极6；在LED外延片的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥8；在LED外延片中嵌入周期性排列的金属纳米结构7；反射镜、金属纳米结构和n面出光锥构成出光结构；在LED芯片单元之间形成激光划道，在激光划道中填充平面化介质9，形成平面化结构。10是形成在刻蚀走道中的钝化介质。在本实施例中，平面化介质9采用聚酰亚胺，钝化介质采用SiO₂或Si₃N₄等无机绝缘介质。

如图1(b)所示，n电极的图形包括：圆环、两个长条和两个圆形；其中，两个长条相交叉在圆环的中心，在两个长条的一端分别设有一个圆形，作为n电极接触点。

本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

1)提供厚度为约400μm的蓝宝石衬底01作为生长衬底，先生厚度约2μm的非掺GaN层02，接着生长总厚在30μm的LED外延片外延层，包括：重掺杂的n型接触层51，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3以方便形成N面GaN欧姆接触，其厚度约2μm；电流扩展层52，厚度约24μm，较厚的电流扩展层有利于以准外延的方式提高量子阱的晶体质量；n型53，浓度一般在10¹⁸cm^-3，厚度约2μm，多量子阱54的厚度约几十纳米，p型层55约200nm及p型接触层56的厚度约5nm，p型接触层采用InGaN，以有利于与ITO形成欧姆接触。

2)在LED外延片上采用激光划片，将LED外延片分割成独立区域，采用湿法腐蚀去除激光造成的侧壁损伤，形成激光划道09，激光划片穿透LED外延层至蓝宝石衬底01。

3)采用PECVD沉积300nm的SiO₂薄膜作为掩膜层，采用光刻方法，以光刻胶为掩膜，采用ICP刻蚀的方法，刻蚀至n型层51，形成刻蚀走道03，得到LED芯片单元，然后去除光刻胶，去除SiO₂，如图3所示。采用的湿法腐蚀条件为磷酸和硫酸的混合酸，腐蚀温度在200～250℃之间，腐蚀时间约15min，侧壁腐蚀锥约2μm。

4)在LED外延片上PECVD生长一层SiO₂薄膜作为掩膜层，厚度为200nm，利用纳米压印的方法在SiO₂上制备周期性的纳米图形，图形的周期为400nm，尺寸为200nm，利用反应离子刻蚀RIE刻蚀SiO₂，得到纳米孔的图形，以SiO₂为掩膜，ICP刻蚀至p型层，深度为160nm，形成周期性的纳米孔72，对460nm发光波长的LED芯片而言，p型层保留40nm，纳米压印采用阳极氧化铝技术制备的模板，以降低成本。

5)在SiO₂薄膜上蒸镀40nm的Ag金属，根据发光的波长确定金属的结构，利用热退火的方法得到金属纳米颗粒71。

6)利用PECVD沉积一层SiO₂，厚度约500nm，使得刻蚀走道的侧壁被SiO₂所保护，同时纳米孔中填满SiO₂，金属纳米颗粒被SiO₂包裹。采用多次甩胶的方法，在SiO₂的表面甩一层聚酰亚胺。所采用的多次甩胶方法如下：a)以6000r/s的高速度甩胶约10～30s，在刻蚀走道的侧壁形成粘附性好的聚酰亚胺的薄层，在150℃的温度下加热约2min；b)在4000r/s的低转速下甩胶约30s，在150℃的温度下加热约1min；c)重复步骤b)，所得SiO₂表面的聚酰亚胺厚度约为6μm，在激光划道处形成凹坑，相对于聚酰亚胺表面下陷约4μm，在激光划道中填充平面化介质9，如图5(a)所示。曝光显影去除SiO₂上方的聚酰亚胺，并保留激光划道与刻蚀走道中的聚酰亚胺。然后以残留的聚酰亚胺为掩膜，利用ICP刻蚀的方法去除p型接触层表面的SiO₂，在刻蚀走道中形成钝化介质10，同时保留纳米孔中的SiO₂，在金属纳米颗粒71外形成介质包层。最后在200-500℃的条件下实现聚酰亚胺的亚胺化，形成平面化结构。如图5(b)所示。由于聚酰亚胺在亚胺化过程中会有一定的收缩，所以激光划道处的凹坑会进一步下陷，其最低点低于p型接触层表面约1μm。

7)在已形成金属纳米结构并完成平面化结构的LED外延片蒸镀ITO透明导电极作为p电极4，发光波长、ITO的厚度及p型层的厚度共同优化，形成增反效果，ITO厚度为230nm。

8)完成ITO退后后，蒸镀NiAg形成反射镜3，厚度约100nm，并再次退火；蒸镀Ni形成过渡层2，厚度约200nm；最后蒸镀约2μm的Au作为键合金属，如图6所示。

9)在WCu衬底作为转移衬底0上蒸镀厚度约2μm的Au，作为键合金属。

10)将沉积了键合金属的转移衬底扣到生长衬底上的LED外延片上，通过加温加压键合到转移衬底上，过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属，如图7所示；然后进行激光剥离，激光从蓝宝石衬底01入射，将蓝宝石衬底01剥离掉，如图8所示；之后将转移后的LED外延片在盐酸中清洗5min，去除剥离后产生的熔融物。其中，作为支撑的WCu衬底也可以利用Si替代。激光波长低于GaN的吸收波长365nm。

11)利用ICP刻蚀掉非掺GaN层，并露出重掺的n型接触层，之后利用腐蚀的方法对重掺的n型接触层进行表面清理并扩大使得激光划道扩大，在一定程度上实现应力调节。

12)沉积n电极6，n电极结构从下至上依次为Pd、In、Ni和Au金属结构，如图9所示。在500℃的温度下退火，得到稳定的N面欧姆接触。其中，Pd与In的摩尔含量比约1:1，以较好的形成PdIn或PdIn₃合金。

13)在n电极的表面沉积SiO₂保护层，厚度500nm，利用光刻的方法去除非电极部分的SiO₂，同时n电极圆形的n电极接触点的表面的SiO₂也被去除以方便电极引出。然后利用热磷酸腐蚀管芯，在n面GaN表面形成周期或非周期的出光结构8。其中热磷酸的温度在120℃之间，腐蚀时间约2min。

14)沿着刻蚀走道用机械或激光切割LED外延片，测试、分拣得到LED芯片单元，如图1所示。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于氮化镓GaN厚膜的垂直结构发光二极管LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

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、电流扩展层、n型层、多量子阱、p型层和p型接触层，形成LED外延片；

2)在LED外延片上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；

3)在LED外延片上生长一层掩膜层，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；

4)在LED外延片上再生长一层掩膜层，制备纳米图形，然后刻蚀掩膜层，得到纳米孔的图形，刻蚀至p型层，从而在p型接触层和p型层中形成纳米孔；

5)在掩膜层上蒸镀金属层，利用热退火的方法，在纳米孔中得到金属纳米颗粒，使用剥离方法去除掩膜层及其表面的金属；

6)利用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在p型接触层上沉积掩膜层，采用平面化介质对激光划道进行填充，采用曝光显影或湿法腐蚀去除p型接触层表面的平面化介质，然后进一步采用刻蚀的办法去除p型接触层表面的掩膜层，在刻蚀走道中形成钝化介质，同时部分保留在纳米孔中的掩膜层材料包裹在金属纳米颗粒，在金属纳米颗粒外形成介质包层，从而形成包括纳米孔、金属纳米颗粒和介质包层的金属纳米颗粒，保留在激光划道中的平面化介质形成平面化结构；

7)在已形成金属纳米结构并完成平面化结构的LED外延片上蒸镀p电极；

8)在p电极的表面蒸镀反射镜，然后再蒸镀过渡层和键合金属；

9)在转移衬底上沉积键合金属；

10)将沉积了键合金属的转移衬底扣到生长衬底上的LED外延片上，通过加温加压键合到转移衬底上，过渡层上的键合金属和转移衬底上的键合金属融合成一层键合金属，去除生长衬底，并暴露出非掺GaN层，清洗剥离的LED外延片的表面；

11)进行湿法和干法腐蚀，去除非掺GaN层，暴露出n型接触层，并使得激光划道扩大，释放部分残余应力；

12)蒸镀n电极的金属，采用剥离方法去掉部分金属，露出大部分的n型接触层，形成n电极，退火得到稳定的欧姆接触；

13)进行电极和侧壁的钝化保护，粗化n型接触层的表面，形成周期或非周期的n面出光锥，从而形成包括反射镜、金属纳米结构和n面出光锥的出光结构；

14)用机械或激光切割LED外延片，测试并分拣得到LED芯片单元。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述LED外延片的厚度在20～100μm之间；n型接触层的厚度在1～2μm之间，电流扩展层的载流子浓度在10¹⁷～10¹⁸cm^-3，厚度在10～80μm之间。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，采用激光划片，在LED外延片上划分分离的LED芯片单元，激光划道的深度超过LED外延片的厚度深入至生长衬底，然后采用湿法腐蚀去除侧壁的损伤并达到粗化的目的；激光划道的侧壁和生长衬底的倾角在70～85^o之间，激光划道的宽度在10～50μm之间；采用的湿法腐蚀条件为磷酸和硫酸的混合酸，腐蚀温度在200～250℃之间。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，利用PECVD沉积一层掩膜层，厚度在200～1000nm之间，同时纳米孔被掩膜层的材料填满，金属纳米颗粒被包裹；采用多次甩胶的方法，在掩膜层的表面甩一层平面化介质，使得激光划道中和刻蚀走道中填充足够的平面化介质；曝光显影或湿法腐蚀去除p型接触层表面的平面化介质，并保留激光划道与刻蚀走道中的平面化介质；然后以残留的平面化介质为掩膜，利用感应耦合等离子体ICP刻蚀去除p型接触层表面的掩膜层，在刻蚀走道中形成钝化介质，同时保留纳米孔中的掩膜层的材料，在金属纳米颗粒外形成介质包层；最后在200～500℃的条件下实现平面化介质的钝化，形成平面化结构。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，多次甩胶的方法具体包括：a)以4000～6000r/s的高速度甩胶约10～30s，在刻蚀走道的侧壁形成粘附性好的平面化介质的薄层，在80～150℃的温度下加热1～5min；b)在2000～4000r/s的低转速下甩胶约10～30s，在80～160℃的温度下加热1～5min；c)重复步骤b)，直至平面化介质充分填充激光划道达到平面化效果。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤12)中，n电极采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构，Pd的厚度在10～100nm之间，In的厚度在30～300nm之间，Ni的厚度在20～500nm之间，Au的厚度大于1μm。

7.一种基于GaN厚膜的垂直结构LED芯片单元，其特征在于，所述LED芯片单元包括：转移衬底、键合金属、过渡层、反射镜、p电极、LED外延片、n电极、金属纳米结构和n面出光锥；其中，在转移衬底上从下至上依次为键合金属、过渡层、反射镜、p电极和LED外延片；在LED外延片的一小部分上形成n电极；在LED外延片的表面除n电极以外的部分形成n面出光锥；在LED外延片中嵌入周期性排列的金属纳米结构；反射镜、金属纳米结构和n面出光锥构成出光结构；在LED芯片单元之间形成激光划道，在激光划道中填充平面化介质，形成平面化结构。

8.如权利要求7所述的LED芯片单元，其特征在于，所述LED外延片从上至下依次包括n型接触层、电流扩展层、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；周期性排列的金属纳米结构嵌入p型层和p型接触层中；所述LED外延片的厚度在20～100μm之间；所述电流扩展层的厚度在10～80μm之间。

9.如权利要求7所述的LED芯片单元，其特征在于，所述n电极采用钯Pd、铟In、镍Ni和金Au的金属结构，Pd的厚度在10～100nm之间，In的厚度在30～300nm之间，Ni的厚度在20～500nm之间，Au的厚度大于1μm。

10.如权利要求7所述的LED芯片单元，其特征在于，所述n电极的图形包括：圆环、两个长条和两个圆形；其中，两个长条相交叉在圆环的中心，形成电流扩展结构，在两个长条的一端分别设有一个圆形，作为n电极接触点。