專利名稱：發(fā)光二極管外延片、其制作方法及芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管外延片、其制作方法 及芯片的制作方法。
背景技術(shù)：
目前，由于半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)在使用壽命、能量利用率等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為 替代傳統(tǒng)光源的新型光源。對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光二極管來說，光的顏色與光的頻率相對(duì)應(yīng)，即與 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度相對(duì)應(yīng)，氮化銦鎵是藍(lán)、綠、紫光LED理想的發(fā)光層材料，氮化鎵的 禁帶寬度達(dá)到3. 4電子伏，通過銦的摻雜，可以從0. 7至3. 4電子伏范圍之間調(diào)制它的禁帶寬度。
發(fā)光二極管的外延片包括在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)的緩沖層、N型半導(dǎo)體層、多量 子阱和P型半導(dǎo)體層。其中，半導(dǎo)體層可以是由III-V族元素構(gòu)成的各種基層，例如氮化鎵 (GaN)、砷化鎵(GaAs)等。本申請(qǐng)文件以氮化鎵發(fā)光二極管為例進(jìn)行說明。
現(xiàn)有技術(shù)中氮化鎵發(fā)光二極管外延片的制作，在金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)設(shè)備中進(jìn)行，該方法包括以下步驟
步驟11、在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)緩沖層；
步驟12、在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型氮化鎵層；
步驟13、在所述N型氮化鎵的表面外延生長(zhǎng)多量子阱，該層為發(fā)光層；
步驟14、在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型氮化鎵層。
需要注意的是，發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)由多量子阱中銦含量多少?zèng)Q定。對(duì)于銦含 量為13%的多量子阱，生長(zhǎng)溫度一般為750攝氏度。銦含量對(duì)溫度非常敏感，溫度變化1K， 導(dǎo)致銦含量變化0. 3%，發(fā)光波長(zhǎng)變化1. 5納米。而MOCVD設(shè)備加熱方式為底部加熱，這樣 設(shè)備腔體自下而上產(chǎn)生溫度的梯度分布，越到設(shè)備腔體上部溫度越低，從而使藍(lán)寶石上下 表面有觀的溫度差，此溫度差導(dǎo)致藍(lán)寶石相對(duì)溫度較高的下表面有更大的熱膨脹，最終使 藍(lán)寶石由平板形狀向上翹曲變?yōu)橥胄?。溫度梯度的存在使翹曲外延片的中心與邊緣有10 微米高度差，7K溫度差。所以底部加熱的MOCVD設(shè)備會(huì)導(dǎo)致同一片外延片中心與邊緣的發(fā) 光波長(zhǎng)有1. 5X7 = 10. 5納米的差異，即形成的LED芯片發(fā)光一致性很差。這樣產(chǎn)品的良率 就比較低，而且由此導(dǎo)致LED芯片制造過程中研磨、拋光、劃片、崩裂后，還需要點(diǎn)測(cè)、分選， 將不同波長(zhǎng)的LED芯片分選出來，增加了生產(chǎn)步驟和生產(chǎn)成本。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的發(fā)明目的是提高LED芯片發(fā)光一致性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管外延片的制作方法，采用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積 MOCVD設(shè)備，該方法包括
在藍(lán)寶石襯底的背面形成背鍍層；所述背鍍層材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)；所述背鍍層材質(zhì)在外延生長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；
在藍(lán)寶石襯底的正面外延生長(zhǎng)緩沖層；
在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型半導(dǎo)體層；
在所述N型半導(dǎo)體層的表面外延生長(zhǎng)多量子阱；
在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型半導(dǎo)體層。
形成所述背鍍層的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍、印刷或旋涂。
所述半導(dǎo)體層為氮化鎵層。
所述背鍍層為氮化鋁層，當(dāng)藍(lán)寶石襯底的厚度為400微米時(shí)，所述氮化鋁層的厚 度為0. 27 0. 31微米。
所述背鍍層為銅鎢合金。
當(dāng)所述銅鎢合金中銅的含量為10%，藍(lán)寶石襯底的厚度為400微米時(shí)，銅鎢合金 層的厚度為0.51 0. 56微米。
本發(fā)明還公開了一種由上述方法形成的發(fā)光二極管外延片，包括藍(lán)寶石襯底和在 藍(lán)寶石襯底正面依次形成的緩沖層、N型半導(dǎo)體層、多量子阱和P型半導(dǎo)體層，其特征在于， 所述外延片還包括在藍(lán)寶石襯底背面的背鍍層。
本發(fā)明還公開了一種發(fā)光二極管芯片的制作方法，該方法包括
在藍(lán)寶石襯底的背面形成背鍍層；所述背鍍層材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱 膨脹系數(shù)；所述背鍍層材質(zhì)在外延生長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；
在藍(lán)寶石襯底的正面外延生長(zhǎng)緩沖層；
在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型半導(dǎo)體層；
在所述N型半導(dǎo)體層的表面外延生長(zhǎng)多量子阱；
在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型半導(dǎo)體層；
對(duì)藍(lán)寶石襯底上P型半導(dǎo)體層和多量子阱的指定區(qū)域依次進(jìn)行刻蝕，直至露出N 型半導(dǎo)體層；在露出的N型半導(dǎo)體層上制作N型電極；在P型半導(dǎo)體層上制作P型電極；
對(duì)藍(lán)寶石襯底的背面進(jìn)行背部減薄，去除所述背鍍層及預(yù)定厚度的藍(lán)寶石襯底。
由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管外延片、其制作方法及芯 片的制作方法。主要是在藍(lán)寶石背面背鍍一層熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的材料，通過此背鍍 材料來平衡藍(lán)寶石下表面的熱膨脹，抑制藍(lán)寶石的翹曲，從而保證藍(lán)寶石上表面的平整，提 高外延片發(fā)光波長(zhǎng)的一致性。


圖1為本發(fā)明氮化鎵發(fā)光二極管外延片制作方法的流程示意圖。
圖2為本發(fā)明氮化鎵發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為背鍍層為氮化鋁時(shí)，藍(lán)寶石表面的垂直高度分布示意圖。
圖4為背鍍層為銅鎢合金時(shí)，藍(lán)寶石表面的垂直高度分布示意圖。
圖5為本發(fā)明氮化鎵發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的核心思想是在藍(lán)寶石背面背鍍一層熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的材料，通 過此背鍍材料來平衡藍(lán)寶石下表面的熱膨脹，抑制藍(lán)寶石的翹曲，從而保證藍(lán)寶石上表面 的平整，提高外延片發(fā)光波長(zhǎng)的一致性。
發(fā)光二極管的外延片包括在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)的緩沖層、N型半導(dǎo)體層、多量 子阱和P型半導(dǎo)體層。其中，半導(dǎo)體層可以是由III-V族元素構(gòu)成的各種基層，例如氮化鎵、 砷化鎵等。本發(fā)明實(shí)施例仍然以氮化鎵發(fā)光二極管為例進(jìn)行說明。
本發(fā)明氮化鎵發(fā)光二極管外延片制作方法的流程示意圖如圖1所示，外延片的制 作仍然在MOCVD設(shè)備中進(jìn)行，高純氫氣和氮?dú)庾鳛檩d氣，鎵(( )、銦an)、氮(N)源分別為 高純?nèi)谆?( )、三甲基銦(In)和氨氣(NH3)。其包括以下步驟
步驟21、在藍(lán)寶石襯底101的背面形成背鍍層102 ；
本發(fā)明中作為背鍍層102的材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)；而且 需要確保該材質(zhì)在整個(gè)外延生長(zhǎng)的高溫過程中不會(huì)分解；不與外延生長(zhǎng)所使用的金屬有機(jī) 源，例如鎵(Ga) JB an)、硅(Si)、鎂(Mg)源，以及氨氣、氫氣和氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，即在外延生 長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。背鍍層102的制作可以采用各種方 法，例如物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電鍍、印刷或旋涂等方法來實(shí)現(xiàn)。
舉例來說，氮化鋁(AlN)、銅鎢合金等，都可以達(dá)到很好地平衡藍(lán)寶石下表面的熱 膨脹的效果。顯然，本發(fā)明的背鍍層材質(zhì)包括氮化鋁、銅鎢合金，但不限于此，只要符合上述 條件即可。
步驟22、在藍(lán)寶石襯底101的正面外延生長(zhǎng)緩沖層103 ；
該緩沖層為在低溫450°C 600°C下外延生長(zhǎng)的一層非晶GaN層。
步驟23、在所述緩沖層103的表面外延生長(zhǎng)N型氮化鎵層104 ；
生長(zhǎng)N型氮化鎵層的溫度為1050°C，N型氮化鎵層可以摻硅，硅源可以為硅烷 (SiH4)等。
步驟M、在所述N型氮化鎵層104的表面外延生長(zhǎng)多量子阱105，該層為發(fā)光層；
在750°C的條件下生長(zhǎng)所述氮化銦鎵多量子阱。
步驟25、在所述多量子阱105的表面外延生長(zhǎng)P型氮化鎵層106。
生長(zhǎng)P型氮化鎵層的溫度為1050°C，P型氮化鎵層可以摻鎂，鎂源為二茂鎂 (Cp2Mg)等。
至此，本發(fā)明能夠獲得均勻波長(zhǎng)分布的的外延片已經(jīng)制作完成，其結(jié)構(gòu)示意圖如 圖2所示。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，為了獲得均勻波長(zhǎng)分布的的外延片，背鍍層的厚度由背鍍材料的 熱膨脹系數(shù)和彈性模量來決定，根據(jù)藍(lán)寶石襯底的厚度，將背鍍層的厚度控制在一定范圍 內(nèi)，才能夠有效抑制藍(lán)寶石的翹曲，從而獲得均勻波長(zhǎng)分布的外延片。
本發(fā)明第一具體實(shí)施例中，以背鍍層為氮化鋁為例，其熱膨脹系數(shù)為4. k-6/K，彈 性模量為270季帕(GPa)。在藍(lán)寶石襯底厚度為400微米，AlN厚度為0. 27 0. 31微米時(shí)， 可以得到在目前MOCVD設(shè)備中750°C時(shí)垂直溫度場(chǎng)的情況下，藍(lán)寶石表面的垂直高度差為 0. 476微米以下，由溫度引起的外延多量子阱的發(fā)光波長(zhǎng)波動(dòng)，即同一片外延片中心與邊緣 的發(fā)光波長(zhǎng)差異，減小到1納米以下。5
圖3為當(dāng)背鍍氮化鋁的厚度為0. 28微米時(shí)，可以得到在目前MOCVD設(shè)備中750°C 時(shí)垂直溫度場(chǎng)的情況下，藍(lán)寶石表面的垂直高度分布。從圖3中可以看出，越到藍(lán)寶石的邊 緣，其垂直高度越高，最高值達(dá)到1. 0421微米，其中心的垂直高度為0. 85275微米，從而可 以得到藍(lán)寶石表面的垂直差減小到0. 2微米。與現(xiàn)有技術(shù)中，藍(lán)寶石背面沒有背鍍層時(shí)相 比，其藍(lán)寶石表面的垂直差大大減少，那么外延片中心與邊緣的發(fā)光波長(zhǎng)差異也就大大減 少。
本發(fā)明第二具體實(shí)施例中，以背鍍層為含銅量為10%的銅鎢合金為例，其熱膨脹 系數(shù)為5. 7e-6/K,彈性模量為U8GPa。在藍(lán)寶石襯底厚度為400微米，銅鎢合金厚度為 0. 51 0. 56微米時(shí)，可以得到在目前MOCVD設(shè)備中750°C時(shí)垂直溫度場(chǎng)的情況下，藍(lán)寶石 表面的垂直高度差為0. 476微米以下，由溫度引起的外延多量子阱的發(fā)光波長(zhǎng)波動(dòng)，即同 一片外延片中心與邊緣的發(fā)光波長(zhǎng)差異，減小到1納米以下。
圖4為當(dāng)背鍍銅鎢合金的厚度為0. 53微米時(shí)，可以得到在目前MOCVD設(shè)備中 750°C時(shí)垂直溫度場(chǎng)的情況下，藍(lán)寶石表面的垂直高度分布。從圖4中可以看出，越到藍(lán)寶 石的邊緣，其垂直高度越高，最高值達(dá)到0. 9414微米，其中心的垂直高度為0. 81121微米， 從而可以得到藍(lán)寶石表面的垂直差減小到0. 1微米。與現(xiàn)有技術(shù)中，藍(lán)寶石背面沒有背鍍 層時(shí)相比，其藍(lán)寶石表面的垂直差大大減少，那么外延片中心與邊緣的發(fā)光波長(zhǎng)差異也就 大大減少。
從上述實(shí)施例可以看出，在制作外延片的過程中，首先在藍(lán)寶石背面形成能夠抑 制藍(lán)寶石翹曲的背鍍層，就能夠有效提高外延片發(fā)光波長(zhǎng)的一致性。
LED芯片包括外延片及電極，而且在電極制作完成之后，需要采用背部減薄的方 法，研磨、拋光將藍(lán)寶石的背面磨薄，這樣易于LED芯片的分割切片。所以背鍍層恰好在背 部減薄的過程中被去除，那么接下來，芯片的制作工藝與現(xiàn)有技術(shù)相同，不需要另外采取措 施來對(duì)背鍍層進(jìn)行處理，所以本發(fā)明氮化鎵發(fā)光二極管芯片的制作方法，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，不會(huì) 降低芯片的產(chǎn)出效率。
因此，本發(fā)明還公開了一種氮化鎵發(fā)光二極管芯片的制作方法，該方法包括
步驟51、在藍(lán)寶石襯底101的背面形成背鍍層102 ；
步驟52、在藍(lán)寶石襯底101的正面外延生長(zhǎng)緩沖層103 ；
步驟53、在所述緩沖層103的表面外延生長(zhǎng)N型氮化鎵層104 ；
步驟M、在所述N型氮化鎵層104的表面外延生長(zhǎng)多量子阱105，該層為發(fā)光層；
步驟55、在所述多量子阱105的表面外延生長(zhǎng)P型氮化鎵層106 ；
步驟56、對(duì)藍(lán)寶石襯底101上P型氮化鎵層106和多量子阱105的指定區(qū)域依次 進(jìn)行刻蝕，直至露出N型氮化鎵層104 ；在露出的N型氮化鎵層104上制作N型電極501 ；在 P型氮化鎵層106上制作P型電極502。
步驟57、對(duì)藍(lán)寶石襯底101的背面進(jìn)行背部減薄，去除背鍍層102及預(yù)定厚度的藍(lán) 寶石襯底101。
通過上述步驟形成的氮化鎵發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，從圖5中 可以看出，此時(shí)芯片的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)基本相同，而且背鍍層已經(jīng)在背部減薄的過程中去 除，但該芯片的發(fā)光一致性已經(jīng)得到有效的提高。這正是由于其中外延片的翹曲得到了抑 制，所以即使MOCVD設(shè)備為底部加熱，且在設(shè)備腔體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，也不會(huì)在外延片表面產(chǎn)生較大的溫差，因此就不會(huì)影響LED芯片的發(fā)光一致性。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于 各種發(fā)光二極管，只要形成背鍍層能夠抑制藍(lán)寶石襯底的翹曲，提高芯片的發(fā)光一致性的 技術(shù)方案，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等 同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管外延片的制作方法，采用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積MOCVD設(shè)備，該 方法包括在藍(lán)寶石襯底的背面形成背鍍層；所述背鍍層材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱膨脹 系數(shù)；所述背鍍層材質(zhì)在外延生長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)； 在藍(lán)寶石襯底的正面外延生長(zhǎng)緩沖層； 在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型半導(dǎo)體層； 在所述N型半導(dǎo)體層的表面外延生長(zhǎng)多量子阱； 在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述背鍍層的方法為物理氣相沉積、化 學(xué)氣相沉積、電鍍、印刷或旋涂。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層為氮化鎵層。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述背鍍層為氮化鋁層，當(dāng)藍(lán)寶石襯底的厚 度為400微米時(shí)，所述氮化鋁層的厚度為0. 27 0. 31微米。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述背鍍層為銅鎢合金。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述銅鎢合金中銅的含量為10%，藍(lán)寶石 襯底的厚度為400微米時(shí)，銅鎢合金層的厚度為0. 51 0. 56微米。
7.一種由權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的方法形成的發(fā)光二極管外延片，包括藍(lán)寶石襯 底和在藍(lán)寶石襯底正面依次形成的緩沖層、N型半導(dǎo)體層、多量子阱和P型半導(dǎo)體層，其特 征在于，所述外延片還包括在藍(lán)寶石襯底背面的背鍍層。
8.一種發(fā)光二極管芯片的制作方法，該方法包括在藍(lán)寶石襯底的背面形成背鍍層；所述背鍍層材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱膨脹 系數(shù)；所述背鍍層材質(zhì)在外延生長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)； 在藍(lán)寶石襯底的正面外延生長(zhǎng)緩沖層； 在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型半導(dǎo)體層； 在所述N型半導(dǎo)體層的表面外延生長(zhǎng)多量子阱； 在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型半導(dǎo)體層；對(duì)藍(lán)寶石襯底上P型半導(dǎo)體層和多量子阱的指定區(qū)域依次進(jìn)行刻蝕，直至露出N型半 導(dǎo)體層；在露出的N型半導(dǎo)體層上制作N型電極；在P型半導(dǎo)體層上制作P型電極； 對(duì)藍(lán)寶石襯底的背面進(jìn)行背部減薄，去除所述背鍍層及預(yù)定厚度的藍(lán)寶石襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管外延片的制作方法，采用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積MOCVD設(shè)備，該方法包括在藍(lán)寶石襯底的背面形成背鍍層；所述背鍍層材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)小于藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)；所述背鍍層材質(zhì)在外延生長(zhǎng)過程中不與MOCVD設(shè)備中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；在藍(lán)寶石襯底的正面外延生長(zhǎng)緩沖層；在所述緩沖層的表面外延生長(zhǎng)N型半導(dǎo)體層；在所述N型半導(dǎo)體層的表面外延生長(zhǎng)多量子阱；在所述多量子阱的表面外延生長(zhǎng)P型半導(dǎo)體層。本發(fā)明還公開了由上述方法形成的發(fā)光二極管外延片，以及包括該外延片的芯片制作方法。采用本發(fā)明能夠有效提高發(fā)光二極管芯片的發(fā)光一致性。
文檔編號(hào)H01L33/44GK102034912SQ200910258858
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者張旺, 胡紅坡, 蘇喜林, 謝春林 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司