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CN111200042A - 一种AlGaInP四元LED芯片制备方法 - Google Patents

一种AlGaInP四元LED芯片制备方法 Download PDF

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CN111200042A CN201811375752.0A CN201811375752A CN111200042A CN 111200042 A CN111200042 A CN 111200042A CN 201811375752 A CN201811375752 A CN 201811375752A CN 111200042 A CN111200042 A CN 111200042A
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彭璐
吴向龙
徐晓强
林伟
郑军
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Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
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Abstract

一种AlGaInP四元LED芯片制备方法，通过临时键合材料层键合临时键合衬底，并在欧姆接触层下端面键合制成键合层，利用电子束蒸发工艺在键合层下方制成永久衬底层，通过二次键合技术，实现P电极在上，从P面出光，这种方法既置换了衬底，实现发光效率的提升，同时获得了P面出光的传统电极结构，方便后续的电路管理。同时透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料，其折射率有利于降低光线在硅胶、环氧等封装材料中的临界角，配合N型缓冲层粗化后制备的反射镜，比普通倒装芯片功率提高约20%‑30%。

Description

一种AlGaInP四元LED芯片制备方法
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种AlGaInP四元LED芯片制备方法。
背景技术
LED作为21世纪的照明新光源，同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的l/10，而寿命却可以延长100倍。LED器件是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长，光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长等特点，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，LED作为新型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。
AlGaInP材料体系最初是被用来制造可见光的激光二极管，首先由日本研究人员在二十世纪八十年代中期提出。那个时期的LED及LD器件，通常使用与GaAs衬底匹配的Ga0.5In0.5P作为有源发光区，发光波长为650 nm，在四元激光笔与DVD、播放机中得到广泛应用。后来，研究人员发现在GaInP中引入Al组分可以进一步缩短发光波长，但是，如果Al含量过高将会导致器件的发光效率急剧下降，因为当GaInP中的Al含量超过0.53时，AlGaInP将变为间接带隙半导体，所以AlGaInP材料一般只用来制备发光波长570 nm以上的LED器件。1997年，世界上第一支多量子阱(MQW)复合布拉格反射镜(DBR) 结构的AlGaInP基LED诞生，基于此种结构设计的LED器件至今仍占据了LED低端市场的很大份额。
铝镓铟磷(AlGaInP)系 材料发展迅速被用来制作高功率高亮度红光及黄光LED。虽然现在AlGaInP 系材料制造的红光LED已经商业化生产，以四元合金材料作为多量子阱有 源区的LED具有极高的内量子效率。然而，由于受材料本身和衬底的局限，传统AlGaInP-LED的外量子效率极低。造成传统AlGaInP-LED出光效率不佳 的重要原因，衬底GaAs是吸光材料，导致有源层(MQW)往衬底方向辐射之出光量皆被GaAs衬底大量吸收，即使目前业界开发出具金属全方位反射(ODR)搭配衬底转移技术取代传统GaAs衬底，辐射光量反射至有源层后仍然 会造成固定比例的损失。
中国专利文献CN104518056A公开了一种反极性AlGaInP红光LED芯片的制备方法，包括如下步骤：（1）将GaAs衬底发光二极管的晶片与硅片键合在一起；（2）腐蚀GaAs衬底，将晶片沿垂直方向转动180度，继续腐蚀；（3）待GaAs衬底腐蚀完成后，刮除晶片边缘残留的金属膜层；（4）冲洗干净晶片表面；使用硫酸溶液对晶片表面的阻挡层进行腐蚀；（5）在晶片的对版标记处贴上面积比套刻对版标记大的耐高温胶带条；（6）然后进行N型金属电极的蒸镀，使用窗口腐蚀液腐蚀窗口；腐蚀完成后得到清晰的套刻对版标记图形。该专利中是先确认相关尺寸后再进行作业，因反极性AlGaInP四元LED芯片制造流程较长，导致工艺不稳定的可能性更大，且最终产出的芯片为N面出光。
中国专利文献CN104157757A公开了一种方案：一种透明衬底的四元发光二极管，包括AlGaInP-LED外延片，将所述AlGaInP-LED外延片 的GaP层的表面进行粗化并将其作为键合面，在键合面上镀薄膜，然后将薄膜与透明衬底进行键合，最后去除GaAs衬底。所述薄膜为氧化硅层、氮化硅层、三氧化二铝层、氯化镁层中 的一种或两种以上组合，所述透明衬底为蓝宝石、氮化铝或玻璃。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种利用换衬底后P面出光的AlGaInP四元LED芯片制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种AlGaInP四元LED芯片制备方法，包括如下步骤：
a)制备LED的外延片结构，该外延片结构自下而上分别为砷化镓衬底、N型缓冲层、N型AlGaInP层、MQW层以及P型层；
b)利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，将P型层的上表面粗化处理；
c)在P型层上生长一层SiO2，利用光刻工艺在SiO2层上均匀间隔刻蚀成N个长条形的电流阻挡层，N为大于等于2的正整数；
d)在P型层上制备一层透明导电膜，该透明导电膜作为电流扩展层，所述透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料制成；
e)利用硅胶材料在电流扩展层及各个电流阻挡层上键合制成临时键合材料层，在临时键合材料层上制成材料为蓝宝石或硅片或金属材质的临时键合衬底；
f)利用腐蚀溶液腐蚀砷化镓衬底至N型缓冲层；
g)利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，对N型缓冲层的下表面进行粗化处理；
h) 在N型缓冲层表面利用电子束或PECVD工艺生长一层SiO2，在生长的SiO2上涂覆光刻胶，利用光刻工艺对SiO2上表面进行平坦化操作，平坦化后的SiO2表面粗糙度不大于500埃，在N型缓冲层下端面制成材料为Ni和/或Ge和/或Au的欧姆接触层；
i)利用电子束蒸发工艺在欧姆接触层下端面键合制成键合层，利用电子束蒸发工艺在键合层下方制成永久衬底层；
j)利用硅胶溶解剂去除临时键合材料层，使临时键合衬底从电流扩展层上剥离；
k)在电流阻挡层上制作P电极，在每两个电流阻挡层之间的中央处沿竖直方向切割形成切割道，所述切割道深度直至永久衬底层的上表面；
l)将永久衬底层研磨减薄至所需厚度，在减薄后的永久衬底层下端面制作材料为Ni或Ge或Au的N面金属层；
m)利用激光切割或砂轮刀沿切割道切割形成N个独立的LED芯片。
优选的，步骤c)中利用电子束或PECVD工艺在P型层上生长一层SiO2，生长SiO2的厚度为400-1200Å。
优选的，步骤d)电流扩展层的厚度为300-1200Å。
优选的，步骤e)中键合制成临时键合材料层时的键合温度为100-200℃，键合时间为2-4小时。
优选的，步骤f)中腐蚀溶液为氨水、双氧水、水的混合溶液，其中氨水：双氧水：水的体积比为1：2：6。
优选的，步骤h)中涂覆光刻胶的厚度为5000埃，生长的SiO2厚度为1-3μm，利用电子束蒸发工艺或溅射金属材料工艺在N型缓冲层下端面制备欧姆接触层。
优选的，步骤i)中键合层为Au和/或In和/或Ag和/或Al材料制成，键合温度为200-250℃，键合时间为15-30min，键合时键合压力为20-50kg.cm2 。
优选的，步骤j)中硅胶溶解剂的溶解温度为100-150℃。
优选的，步骤l）中永久衬底层研磨减薄至厚度为100-180μm。
优选的，步骤b)中利用腐蚀液对P型层的上表面粗化处理，腐蚀液为磷酸、醋酸和溴水的混合液，其中磷酸：醋酸：溴水的体积比1:5:1，腐蚀时的温度为2-5℃，腐蚀时间为5-15min；步骤g)中利用腐蚀液或对N型缓冲层的下表面进行粗化处理，腐蚀液为磷酸、盐酸和水的混合液，其中磷酸：盐酸；水的体积比1:2:6，腐蚀至N型缓冲层时，腐蚀结束。
本发明的有益效果是：通过临时键合材料层键合临时键合衬底，并在欧姆接触层下端面键合制成键合层，利用电子束蒸发工艺在键合层下方制成永久衬底层，通过二次键合技术，实现P电极在上，从P面出光，这种方法既置换了衬底，实现发光效率的提升，同时获得了P面出光的传统电极结构，方便后续的电路管理。同时透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料，其折射率有利于降低光线在硅胶、环氧等封装材料中的临界角，GaP\ITO组合的材料折射率有利于降低光线在硅胶、环氧等封装材料中的临界角，同时本专利将表面的P型层、底部的N型缓冲层进行粗化，配合N型缓冲层粗化后制备的反射镜，比普通倒装芯片功率提高约20%-30%。
附图说明
图1为本发明制成的独立的LED芯片的剖面结构图；
图2为本发明的外延片的剖面结构图；
图3为本发明的P型层粗化后的剖面结构图；
图4为本发明的制成电流阻挡层后的剖面结构示意图；
图5为本发明的制成电流扩展层后的剖面结构示意图；
图6为本发明的制成临时键合衬底的剖面结构示意图；
图7为本发明的腐蚀掉砷化镓衬底后的剖面结构示意图；
图8为本发明的N型缓冲层粗化后的剖面结构图；
图9为本发明的生成欧姆接触层后的剖面结构图
图10为本发明的制成永久衬底层后的剖面结构示意图；
图11为本发明的剥离临时键合衬底后的剖面结构示意图；
图12为本发明的切割形成切割道后的剖面结构示意图；
图13为本发明制成N面金属层后的剖面结构图；
图中，1.N面金属层 2.永久衬底层 3.键合层 4.N型AlGaInP层 5.P型层 6.电流扩展层 7.电流阻挡层8.P电极 9.砷化镓衬底 10.N型缓冲层 11.临时键合材料层 12.临时键合衬底 13.MQW层 14.欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图1至附图10对本发明做进一步说明。
如附图1所示的一种AlGaInP四元LED芯片制备方法，包括如下步骤：
a)如附图2所示，制备LED的外延片结构，该外延片结构自下而上分别为砷化镓衬底9、N型缓冲层10、N型AlGaInP层4、MQW层13以及P型层5；
b)如附图3所示，利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，将P型层5的上表面粗化处理；
c)如附图4所示，在P型层5上生长一层SiO2，利用光刻工艺在SiO2层上均匀间隔刻蚀成N个长条形的电流阻挡层7，N为大于等于2的正整数；
d)如附图5所示，在P型层5上制备一层透明导电膜，该透明导电膜作为电流扩展层6，所述透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料制成；
e)如附图6所示，利用硅胶材料在电流扩展层6及各个电流阻挡层7上键合制成临时键合材料层11，在临时键合材料层11上制成材料为蓝宝石或硅片或金属材质的临时键合衬底12；
f)如附图7所示，利用腐蚀溶液腐蚀砷化镓衬底9至N型缓冲层10；
g)如附图8所述，利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，对N型缓冲层10的下表面进行粗化处理；
h)如附图9所示，在N型缓冲层10表面利用电子束或PECVD工艺生长一层SiO2，在生长的SiO2上涂覆光刻胶，利用光刻工艺对SiO2上表面进行平坦化操作，平坦化后的SiO2表面粗糙度不大于500埃，在N型缓冲层10下端面制成材料为Ni和/或Ge和/或Au的欧姆接触层14；
i)如附图10所示，利用电子束蒸发工艺在欧姆接触层14下端面键合制成键合层3，利用电子束蒸发工艺在键合层3下方制成永久衬底层2；
j)如附图11所示，利用硅胶溶解剂去除临时键合材料层11，使临时键合衬底12从电流扩展层6上剥离；
k)如附图12所示，在电流阻挡层7上制作P电极8，在每两个电流阻挡层7之间的中央处沿竖直方向切割形成切割道，所述切割道深度直至永久衬底层2的上表面；
l)如附图13所示，将永久衬底层2研磨减薄至所需厚度，在减薄后的永久衬底层2下端面制作材料为Ni或Ge或Au的N面金属层1；
m)利用激光切割或砂轮刀沿切割道切割形成N个独立的LED芯片。
现阶段反极性AlGaInP四元LED芯片广泛应用于大功率红光LED显示屏领域，反极性即进行衬底置换，将吸光较大的GaAs衬底置换为单晶导电Si衬底或蓝宝石衬底等，可提升光效20%以上，但此种工艺完成的芯片N极（出光面）在上，P电极在下面，这与传统红光芯片有非常大的区别，当此类红光芯片与蓝绿芯片共同使用时，会出现电路管理难度增大的现象。本发明的AlGaInP四元LED芯片制备方法通过临时键合材料层11键合临时键合衬底12，并在欧姆接触层14下端面键合制成键合层3，利用电子束蒸发工艺在键合层3下方制成永久衬底层2，通过二次键合技术，实现P电极8在上，从P面出光，这种方法既置换了衬底，实现发光效率的提升，同时获得了P面出光的传统电极结构，方便后续的电路管理。同时透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料，其折射率有利于降低光线在硅胶、环氧等封装材料中的临界角，GaP\ITO组合的材料折射率有利于降低光线在硅胶、环氧等封装材料中的临界角，同时本专利将表面的P型层5、底部的N型缓冲层10进行粗化，配合N型缓冲层10粗化后制备的反射镜，比普通倒装芯片功率提高约20%-30%。
实施例1：
步骤c)中利用电子束或PECVD工艺在P型层5上生长一层SiO2，生长SiO2的厚度为400-1200Å。
实施例2：
步骤d)电流扩展层6的厚度为300-1200Å。
实施例3：
步骤e)中键合制成临时键合材料层11时的键合温度为100-200℃，键合时间为2-4小时。
实施例4：
步骤f)中腐蚀溶液为氨水、双氧水、水的混合溶液，其中氨水：双氧水：水的体积比为1：2：6。
实施例5：
步骤h)中涂覆光刻胶的厚度为5000埃，生长的SiO2厚度为1-3μm，利用电子束蒸发工艺或溅射金属材料工艺在N型缓冲层10下端面制备欧姆接触层14。
实施例6：
步骤i)中键合层3为Au和/或In和/或Ag和/或Al材料制成，键合温度为200-250℃，键合时间为15-30min，键合时键合压力为20-50kg.cm2。
实施例7：
步骤j)中硅胶溶解剂的溶解温度为100-150℃。
实施例8：
步骤l）中永久衬底层2研磨减薄至厚度为100-180μm。
实施例9：
步骤b)中利用腐蚀液对P型层5的上表面粗化处理，腐蚀液为磷酸、醋酸和溴水的混合液，其中磷酸：醋酸：溴水的体积比1:5:1，腐蚀时的温度为2-5℃，腐蚀时间为5-15min；步骤g)中利用腐蚀液或对N型缓冲层10的下表面进行粗化处理，腐蚀液为磷酸、盐酸和水的混合液，其中磷酸：盐酸：水的体积比1:2:6，腐蚀至N型缓冲层10时，腐蚀结束。

Claims (10)

1.一种AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)制备LED的外延片结构，该外延片结构自下而上分别为砷化镓衬底（9）、N型缓冲层（10）、N型AlGaInP层（4）、MQW层（13）以及P型层（5）；
b)利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，将P型层（5）的上表面粗化处理；
c)在P型层（5）上生长一层SiO2，利用光刻工艺在SiO2层上均匀间隔刻蚀成N个长条形的电流阻挡层（7），N为大于等于2的正整数；
d)在P型层（5）上制备一层透明导电膜，该透明导电膜作为电流扩展层（6），所述透明导电膜采用ITO或Zno或SiO2或TCF材料制成；
e)利用硅胶材料在电流扩展层（6）及各个电流阻挡层（7）上键合制成临时键合材料层（11），在临时键合材料层（11）上制成材料为蓝宝石或硅片或金属材质的临时键合衬底（12）；
f)利用腐蚀溶液腐蚀砷化镓衬底（9）至N型缓冲层（10）；
g)利用腐蚀液或干法刻蚀工艺，对N型缓冲层（10）的下表面进行粗化处理；
h)在N型缓冲层（10）表面利用电子束或PECVD工艺生长一层SiO2，在生长的SiO2上涂覆光刻胶，利用光刻工艺对SiO2上表面进行平坦化操作，平坦化后的SiO2表面粗糙度不大于500埃，在N型缓冲层（10）下端面制成材料为Ni和/或Ge和/或Au的欧姆接触层（14）；
i)利用电子束蒸发工艺在欧姆接触层（14）下端面键合制成键合层（3），利用电子束蒸发工艺在键合层（3）下方制成永久衬底层（2）；
j)利用硅胶溶解剂去除临时键合材料层（11），使临时键合衬底（12）从电流扩展层（6）上剥离；
k)在电流阻挡层（7）上制作P电极（8），在每两个电流阻挡层（7）之间的中央处沿竖直方向切割形成切割道，所述切割道深度直至永久衬底层（2）的上表面；
l)将永久衬底层（2）研磨减薄至所需厚度，在减薄后的永久衬底层（2）下端面制作材料为Ni或Ge或Au的N面金属层（1）；
m)利用激光切割或砂轮刀沿切割道切割形成N个独立的LED芯片。
2.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤c)中利用电子束或PECVD工艺在P型层（5）上生长一层SiO2，生长SiO2的厚度为400-1200Å。
3.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤d)电流扩展层（6）的厚度为300-1200Å。
4.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤e)中键合制成临时键合材料层（11）时的键合温度为100-200℃，键合时间为2-4小时。
5.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤f)中腐蚀溶液为氨水、双氧水、水的混合溶液，其中氨水：双氧水：水的体积比为1：2：6。
6.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤h)中涂覆光刻胶的厚度为5000埃，生长的SiO2厚度为1-3μm，利用电子束蒸发工艺或溅射金属材料工艺在N型缓冲层（10）下端面制备欧姆接触层（14）。
7.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤i)中键合层（3）为Au和/或In和/或Ag和/或Al材料制成，键合温度为200-250℃，键合时间为15-30min，键合时键合压力为20-50kg.cm2 。
8.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤j)中硅胶溶解剂的溶解温度为100-150℃。
9.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤l）中永久衬底层（2）研磨减薄至厚度为100-180μm。
10.根据权利要求1所述的AlGaInP四元LED芯片制备方法，其特征在于：步骤b)中利用腐蚀液对P型层（5）的上表面粗化处理，腐蚀液为磷酸、醋酸和溴水的混合液，其中磷酸：醋酸：溴水的体积比1:5:1，腐蚀时的温度为2-5℃，腐蚀时间为5-15min；步骤g)中利用腐蚀液或对N型缓冲层（10）的下表面进行粗化处理，腐蚀液为磷酸、盐酸和水的混合液，其中磷酸：盐酸：水的体积比1:2:6，腐蚀至N型缓冲层（10）时，腐蚀结束。
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