專利名稱：一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管的制造方法，尤其是指一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法。
背景技術：
發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長等優(yōu)點，在交通指示、戶外全色顯示等領域有著廣泛的應用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管可能實現(xiàn)半導體固態(tài)照明，引起人類照明史的革命，從而逐漸成為目前電子學領域的研究熱點。傳統(tǒng)的芯片制造工藝是在一片襯底上同時制備數(shù)百個甚至數(shù)千個芯片，每個芯片之間有一定的距離，在制備好這些芯片之后，進行劃片、切割將他們分離，最后經(jīng)后續(xù)的封裝等工藝得到發(fā)光二極管。通常發(fā)光二極管的芯片結(jié)構(gòu)為在藍寶石等襯底上依次外延了 N 型半導體層、有源層、P型半導體層的構(gòu)造。目前為了降低生長過程中的應力，也可以先對生長襯底進行劃片定義，之后再生長外延材料制作芯片。最終的LED芯片可以是正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)等。其中，垂直結(jié)構(gòu)LED的兩個電極分別在有源層的上下兩側(cè)，電流幾乎全部垂直流過氮化鎵基外延層，沒有橫向流動的電流。因此，電阻降低，沒有電流擁塞，電流分布均勻，可充分利用發(fā)光層的材料，電流產(chǎn)生的熱量減小，電壓降低，抗靜電能力提高。其傳統(tǒng)的制造工藝包括下述步驟在藍寶石襯底上生長一中間媒介層和氮化鎵基外延層(依次包括N型半導體層、有源層、P型半導體層等)，在氮化鎵基P型半導體層上鍵合一導電支持襯底，該導電支持襯底的另一面層疊P電極。利用激光照射在中間媒介層上，氮化鎵分解，藍寶石襯底和氮化鎵基外延層分離，即激光剝離，然后制造N電極完成芯片結(jié)構(gòu)的制作。通常鍵合導電支持襯底是在表面光滑的導電支持襯底上直接制作鍵合層，然后進行鍵合的，然而，由于制作垂直結(jié)構(gòu)的LED需要剝離藍寶石襯底，需要導電支持襯底的鍵合有較高牢固性，這就對現(xiàn)有的鍵合工藝提出了挑戰(zhàn)。因此，在垂直結(jié)構(gòu)LED制作工藝中如何增加芯片鍵合的粘附性，提高LED芯片的良品率，仍然是本領域技術人員亟待解決的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，可提高垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的鍵合粘附性，從而提高LED芯片的良品率。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下步驟步驟一、在生長襯底上依次生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，從而形成芯片外延結(jié)構(gòu)；步驟二、在P型半導體層上依次制作電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層；步驟三、提供單晶Si片，并腐蝕所述單晶Si片，形成具有規(guī)則圖形化表面的Si轉(zhuǎn)移襯底；步驟四、清洗所述Si轉(zhuǎn)移襯底，并在其規(guī)則圖形化表面制作金屬鍵合層；步驟五、將所述Si轉(zhuǎn)移襯底制作有金屬鍵合層的一面與所述P鍵合層鍵合；步驟六、剝離所述生長襯底，清洗芯片外延結(jié)構(gòu)的N型半導體層，在N型半導體層上制作N電極，并在所述Si轉(zhuǎn)移襯底的另一面制作P電極。優(yōu)選地，步驟三中腐蝕所述單晶Si片形成的規(guī)則圖形化表面的深度< lym。優(yōu)選地，步驟三采用摩爾比為H2O KOH = 2 3的氫氧化鉀溶液腐蝕(100)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而形成圓臺狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面。優(yōu)選地，步驟三采用摩爾比為H2O KOH = 7 3的氫氧化鉀溶液腐蝕(110)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而形成條狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面。優(yōu)選地，步驟四所述金屬鍵合層采用金錫合金材料、金材料或銅材料。優(yōu)選地，步驟四所述金屬鍵合層厚度為2-3 μ m作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟一首先在生長襯底表面形成溝道，再在已形成溝道的生長襯底上依次生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，且使所述溝道相應向上延伸成長溝道，以形成相互分隔的由N型半導體層、有源層及P型半導體層構(gòu)成的單體的芯片外延結(jié)構(gòu)。進一步優(yōu)選地，步驟五中將整片Si轉(zhuǎn)移襯底同時與各個單體的芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合?；蛘?，步驟五中將整片Si轉(zhuǎn)移襯底分離成與單體的芯片外延結(jié)構(gòu)大小相同的單元，之后再與各個單體的芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合。作為本發(fā)明的另一優(yōu)選方案，步驟二還包括將制作了電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層的芯片外延結(jié)構(gòu)分離成多個單顆管芯；相應地步驟五分別將所述多個單顆管芯與整片 Si轉(zhuǎn)移襯底鍵合。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的工藝方法在鍵合Si轉(zhuǎn)移襯底之前腐蝕Si轉(zhuǎn)移襯底表面，形成一定的規(guī)則圖形表面，使Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層的接觸面積增大，從而提高鍵合的粘附性。牢固的鍵合有利于減小后續(xù)的剝離工藝對芯片的損傷，從而提高了激光剝離工藝的良品率，有利于垂直結(jié)構(gòu)LED芯片良品率的提高。其中，腐蝕Si轉(zhuǎn)移襯底時采用特定配比的腐蝕液， 利用對Si晶體各向異性的腐蝕原理，可以得到圓臺狀或條狀的周期性排列的規(guī)則圖形。由于Si轉(zhuǎn)移襯底表面的圖形根據(jù)腐蝕晶向的不同而規(guī)則有序的排列，因此Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層界面具有均勻穩(wěn)定的電學特性，從而使鍵合后P電極端的電學性能均勻穩(wěn)定，有利于芯片電流的均勻分布，強化了垂直結(jié)構(gòu)LED的優(yōu)勢。此外，鍵合工藝中的高溫高壓可使金屬鍵合層材料產(chǎn)生流動性，使Si轉(zhuǎn)移襯底表面圖形的高臺面處的鍵合材料向低部溝道中填充，最終實現(xiàn)金屬鍵合層的表面平坦化，從而保證了該鍵合工藝的穩(wěn)定性。


圖1是實施例中垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法流程示意圖；圖2是實施例中垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實例中金字塔狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面示意圖4是實例中條狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體實施步驟，為了示出的方便附圖并未按照比例繪制。實施例一請參看圖1，實施例一提供的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法包括以下步驟步驟一、首先在生長襯底表面利用光刻和刻蝕(如等離子刻蝕)或激光劃片等工藝形成溝道，形成的溝道深度為15-50微米。形成的溝道將生長襯底表面劃分成和最終芯片尺寸相同的小區(qū)間。所述生長襯底可以為Si襯底、SiC襯底、藍寶石襯底等，本實施例優(yōu)選藍寶石襯底。然后清洗已形成溝道的生長襯底，將上述溝道中殘留的臟物去除。清洗時可采用熱的強酸溶液或熱的強堿溶液作為清洗劑進行清洗，或采用激光清洗的方法。在已形成溝道的生長襯底上依次外延生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，且使所述溝道相應向上延伸成長溝道，以形成相互分隔的由N型半導體層、有源層及P型半導體層構(gòu)成的單體芯片外延結(jié)構(gòu)，各單體芯片外延結(jié)構(gòu)由其底部的生長襯底連在一起，并不完全分離。所述N 型半導體層優(yōu)選為N型GaN層，P型半導體層優(yōu)選為P型GaN層，有源層優(yōu)選為GaN基量子阱層。由于襯底上已形成了溝道，GaN等半導體材料無法在溝道上生長，所以無需刻蝕，可外延自發(fā)生長成各個單體芯片外延結(jié)構(gòu)。生長外延之前在生長襯底上制作溝道，有助于釋放應力，保護芯片。然而本發(fā)明不僅限于此，也可以采用傳統(tǒng)的方法直接在生長襯底上外延N型半導體層、有源層及P型半導體層等材料。作為本實施例的優(yōu)選方案，在步驟一之后，使用溫度范圍為140-300°C、容積比為 2-20M/L的氫氧化鉀與氫氧化鈉的混合溶液，對所述長溝道側(cè)壁進行3-30分鐘的濕法腐蝕，使各單體芯片外延結(jié)構(gòu)的側(cè)壁被粗化形成微結(jié)構(gòu)，有利于芯片側(cè)壁光取出效率的提高。步驟二、在各單體芯片外延結(jié)構(gòu)的P型半導體層上依次制作電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層。所述電流擴散層的材料優(yōu)選為ITO材料，能夠起到電流擴散的作用，所述P反射鏡優(yōu)選為Ag或Al材料，所述P鍵合層優(yōu)選為金或合金材料。步驟三、提供單晶Si片，并腐蝕所述單晶Si片，形成具有規(guī)則圖形化表面的Si轉(zhuǎn)移襯底。由于腐蝕液對不同晶面的腐蝕速率不同，利用各向異性腐蝕的原理，采用不同配比的腐蝕液可以形成不同形貌的規(guī)則圖形化表面。本實施例采用摩爾比為H2O KOH = 2 3 的氫氧化鉀溶液腐蝕(100)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而可形成圓臺狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面，如圖3所示。其中，優(yōu)選地，規(guī)則圖形化表面的深度< 1 μ m，即圓臺的高度彡Iym0步驟四、清洗所述Si轉(zhuǎn)移襯底，并在其規(guī)則圖形化表面制作金屬鍵合層。所述金屬鍵合層優(yōu)選采用金錫合金材料、金材料或銅材料，本實施例采用金錫合金材料，其厚度優(yōu)選為2-3 μ m。步驟五、將所述Si轉(zhuǎn)移襯底制作有金屬鍵合層的一面與所述P鍵合層鍵合。由于所述金屬鍵合層制作在Si轉(zhuǎn)移襯底的規(guī)則圖形化表面，因此步驟四制作出的金屬鍵合層具有與Si轉(zhuǎn)移襯底相似的表面形貌，當進行鍵合時，金屬鍵合層在高溫高壓下軟化、流動， 表面凸起的部分金錫流動至表面凹陷處，從而可自動形成平坦的鍵合表面。鍵合時，可以將整片Si轉(zhuǎn)移襯底同時與各個單體芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合；也可以將整片Si轉(zhuǎn)移襯底分離成與單體芯片外延結(jié)構(gòu)大小相同的單元，之后再分別與各個單體芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合。步驟六、采用激光剝離等工藝剝離所述生長襯底，清洗各單體芯片外延結(jié)構(gòu)的N 型半導體層，在鍵合工藝后進行激光剝離，可以防止芯片受損，然后在各N型半導體層上制作N電極，并在所述Si轉(zhuǎn)移襯底的另一面制作P電極，得到LED芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述P電極優(yōu)選為金或合金材料。最后得到的結(jié)構(gòu)經(jīng)切割、封裝等后續(xù)工藝，可得到出光率較高的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片。實施例二與實施例一采用類似的步驟，不同之處在于步驟三中采用摩爾比H2O KOH = 7 3的氫氧化鉀溶液腐蝕(110)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而形成條狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面。該條狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面如圖5所示。其中， 優(yōu)選地，條狀圖形的高度< Ιμπι。實施例三與實施例一采用類似的步驟，但又有所區(qū)別步驟一采用在生長襯底表面形成溝道的方式得到多個單體芯片外延結(jié)構(gòu)，所述多個單體芯片外延結(jié)構(gòu)通過底部生長襯底連在一起；或者采用傳統(tǒng)的方法直接在生長襯底上生長芯片外延結(jié)構(gòu)；步驟二在制作電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層之后，將制作了電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層的芯片外延結(jié)構(gòu)(或具有多個單體芯片外延結(jié)構(gòu)的生長襯底)徹底分離成多個獨立的單顆管芯；然后按照步驟三、步驟四制作Si轉(zhuǎn)移襯底及其表面的金屬鍵合層；相應地，步驟五分別將所述多個單顆管芯的P鍵合層與整片Si轉(zhuǎn)移襯底制作有金屬鍵合層的一面鍵合；步驟六剝離生長襯底，制作N電極和P電極。利用本發(fā)明的工藝方法可以使Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層的接觸面積增大，從而提高鍵合的粘附性，有利于LED芯片良品率的提高。并且Si轉(zhuǎn)移襯底表面的圖形根據(jù)腐蝕晶向的不同而規(guī)則有序的排列，使Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層界面具有均勻穩(wěn)定的電學特性，有利于芯片電流的均勻分布。本發(fā)明中涉及的其他工藝條件為常規(guī)工藝條件，屬于本領域技術人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術方案均應涵。
權(quán)利要求
1.一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、在生長襯底上依次生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，從而形成芯片外延結(jié)構(gòu)；步驟二、在P型半導體層上依次制作電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層；步驟三、提供單晶Si片，并腐蝕所述單晶Si片，形成具有規(guī)則圖形化表面的Si轉(zhuǎn)移襯底；步驟四、清洗所述Si轉(zhuǎn)移襯底，并在其規(guī)則圖形化表面制作金屬鍵合層；步驟五、將所述Si轉(zhuǎn)移襯底制作有金屬鍵合層的一面與所述P鍵合層鍵合；步驟六、剝離所述生長襯底，清洗芯片外延結(jié)構(gòu)的N型半導體層，在N型半導體層上制作N電極，并在所述Si轉(zhuǎn)移襯底的另一面制作P電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟三中腐蝕所述單晶Si片形成的規(guī)則圖形化表面的深度< 1 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟三采用摩爾比為H2O KOH = 2 3的氫氧化鉀溶液腐蝕(100)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而形成圓臺狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟三采用摩爾比為H2O KOH = 7 3的氫氧化鉀溶液腐蝕(110)晶面的單晶Si片，腐蝕溫度為20-100°C，從而形成條狀周期性排列的規(guī)則圖形化表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟四所述金屬鍵合層采用金錫合金材料、金材料或銅材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟四所述金屬鍵合層厚度為2-3 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟一首先在生長襯底表面形成溝道，再在已形成溝道的生長襯底上依次生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，且使所述溝道相應向上延伸成長溝道，以形成相互分隔的由N 型半導體層、有源層及P型半導體層構(gòu)成的單體的芯片外延結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟五中將整片Si轉(zhuǎn)移襯底同時與多個單體的芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟五中將整片Si轉(zhuǎn)移襯底分離成與單體的芯片外延結(jié)構(gòu)大小相同的單元，之后再與各個單體的芯片外延結(jié)構(gòu)上的P鍵合層鍵合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于步驟二還包括將制作了電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層的芯片外延結(jié)構(gòu)分離成多個單顆管芯；相應地步驟五分別將所述多個單顆管芯與整片Si轉(zhuǎn)移襯底鍵合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的制造方法，首先在生長襯底上依次生長出N型半導體層、有源層及P型半導體層，以形成芯片外延結(jié)構(gòu)；在P型半導體層上制作電流擴散層、P反射鏡及P鍵合層；腐蝕單晶Si片形成具有規(guī)則圖形化表面的Si轉(zhuǎn)移襯底；并在其規(guī)則圖形化表面制作金屬鍵合層與所述P鍵合層鍵合；剝離所述生長襯底制作N電極，并在所述Si轉(zhuǎn)移襯底的另一面制作P電極。本發(fā)明的工藝方法能夠使Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層的接觸面積增大，從而提高鍵合的粘附性，有利于垂直結(jié)構(gòu)LED芯片良品率的提高；且Si轉(zhuǎn)移襯底與金屬鍵合層界面具有均勻穩(wěn)定的電學特性，有利于芯片電流的均勻分布。
文檔編號H01L33/22GK102569537SQ20101058444
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者張楠, 潘堯波, 郝茂盛, 齊勝利 申請人:上海藍光科技有限公司