一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法
2023-07-04 13:35:21
專利名稱：一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直發光二極體的製作方法，尤其是可以提高取光效率的 一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法。
背景技術：
近年來，垂直結構GaN基發光二極體(LED)已成為研究開發的熱點。與傳 統正裝、倒裝結構比較，垂直結構LED通過晶圓鍵合或者電鍍、雷射剝離(LL0) 等工藝的結合，將GaN基外延層從藍寶石襯底轉移到導電和導熱性能良好的金 屬或者半導體襯底材料上，形成電極上下分布，電流垂直注入，從而徹底解決 了正裝、倒裝結構GaN基LED器件中因電極平面分布、電流側向注入導致的諸 如散熱不佳，電流分布不均、可靠性差等一系列問題。
對於垂直結構的GaN基LED，出光面是n型GaN基外延層，為了減少襯底與 外延層之間的連接金屬吸收由有源層向下發射的光並提高界面的反射率， 一般 需要在p型GaN基外延層和連接金屬之間製作一金屬反射層，該金屬反射層同 時必須與p型GaN基外延層形成良好的歐姆接觸，以保證器件的工作電壓和效 率。對於藍、綠光波段，銀(Ag)相比於其他金屬材料具有更高的反射率，且 能夠與p型GaN基外延層形成良好的歐姆接觸，所以被認為是垂直結構LED中 金屬反射層的首選。
圖1所示為傳統垂直結構GaN基LED的結構和電流分布，垂直結構GaN基 LED的負電極(即焊盤)位於器件的頂部，頂部焊盤的存在會遮擋或者吸收從有源層發射向焊盤區域的光。傳統的垂直結構GaN基LED,由於金屬反射層基本覆 蓋p型GaN基外延層表面並且n型GaN基外延層的高電導率，所以器件內部的 電流基本上是均勻分布的，有源層的發光也是均勻分布的，因此位於焊盤正下 方區域的有源層發射的光由於多數是射向焊盤區域，就會被遮擋或者吸收，導 致其無法從LED中被取出，因而降低器件的取光效率。
為了避免有源層發出的光被焊盤遮擋或者吸收，必須抑制或者減少焊盤正 下方有源層的發光量。比較常用的解決方案就是在LED器件結構中引入一電流 阻擋層(Current Blocking Layer, CBL)，美國專利US4864370就是採用該技 術方案的典型，其在頂部焊盤下方置入一層不導電的Si02作為電流阻擋層，通 過Si02層阻止電流注入其正下方的發光層；然而，若將其應用於GaN基垂直結 構LED，由於n型GaN基外延層的電導率較高使得電流容易橫向擴展，所以焊盤 下方的電流阻擋層並不能發揮真正的作用，仍然有較多的電流注入焊盤下方的 發光層，而造成該區域有源層發光並最終被焊盤遮擋或者吸收，因而降低了器 件的取光效率。圖2所示為內置CBL垂直結構GaN基LED的結構和電流分布， 其電流分布與傳統垂直結構GaN基LED基本相同。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的制 作方法，通過將金屬反射層的中央局部區域(該區域與頂部焊盤的垂直投影面 相似)劣化成高接觸電阻區域，在發光層中形成電流阻擋結構，減小發光層中 央局部區域的電流注入和減少有源層中央局部區域的發光，同時增加其他區域 的電流注入和發光比例，從而減少被焊盤遮擋和吸收的發光比例，提高器件的 取光效率。本發明為實現上述目的提出一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的制 作方法，包括有下列步驟
1) 製作LED外延片，即在藍寶石襯底上外延生長一發光層，所述發光層依 次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；
2) 在上述p型GaN基外延層上形成一含有Ag或Ag合金的金屬反射層，並 進行熱退火處理；
3) 在上述金屬反射層上形成一擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區域的擴散 阻擋層，暴露出中央局部區域的金屬反射層；
4) 在上述的擴散阻擋層以及暴露出的中央局部區域的金屬反射層上，形成 一含有Au或Au合金的第一金屬連接層；
5) 提供一永久襯底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金屬連接層；
6) 將上述步驟完成的外延片倒裝在永久襯底上，使第一金屬連接層和第二 金屬連接層接合在一起，經加溫加壓，使外延片與永久襯底形成鍵合；
7) 去除藍寶石襯底，暴露出n型GaN基外延層；
8) 在n型GaN基外延層上的中央局部區域形成一負電極，即焊盤；
9) 在永久襯底的背面形成一正電極。 本發明的金屬反射層經過熱退火處理後與P型GaN基外延層之間形成良好
的歐姆接觸。
本發明的關鍵工藝中，外延片倒裝在永久襯底，經過加溫加壓的鍵合過程， 使得第一金屬連接層中央局部區域中的Au滲透到金屬反射層中並與其中的Ag 相互擴散，從而破壞了中央局部區域的金屬反射層與P型GaN基外延層已形成 的良好歐姆接觸，使之劣化形成高接觸電阻區域；而除了中央局部之外的其他 區域由於存在擴散阻擋層的有效隔離阻擋，避免了金屬反射層中的Ag與第一金屬連接層中的Aii的互相擴散，從而保持了金屬反射層與p型GaN基外延層的良 好歐姆接觸。所以經過工藝步驟六，金屬反射層與P型GaN基外延層的接觸被 分隔為歐姆接觸區域和位於中央局部的高接觸電阻區域。
利用本發明工藝製作一具有電流阻擋結構的垂直發光二極體。當對器件施 加正向偏壓時，幾乎全部或者絕大部分的電流將依次流經"正電極、永久襯底、 第二金屬連接層、第一金屬連接層、(擴散阻擋層)、金屬反射層、歐姆接觸區 域、p型GaN基外延層、有源層、n型GaN基外延層、負電極(焊盤)"路線， 即幾乎全部或者絕大部分的電流將通過金屬反射層/p型GaN基外延層的歐姆接 觸區域注入發光層，而通過高接觸電阻區域注入發光層的電流比例很小或者幾 乎為零，這樣在垂直發光二極體中就形成一電流阻擋結構，位於焊盤正下方的 中央局部區域的發光層幾乎沒有電流的注入而導致有源層幾乎不發光，絕大部 分的電流均勻地注入發光層的其他區域並在那裡的有源層發生複合並發出光 子。在注入電流恆定的情況下，LED有源層發出的光子總數量也基本不變，所以 通過在垂直發光二極體中構造電流阻擋結構，可將發光分布在不被焊盤遮擋或 者吸收的區域，減少光被焊盤吸收的比例，可以提高發光器件的取光效率。
本發明中，擴散阻擋層的材料選自高熔點金屬材Pt、 W、 WTi及前述任意組 合中擇其一，或擴散阻擋層的材料選自Si02、 Si3N4、 A1203、 Ti02及前述任意組合 中擇其一；永久襯底的材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu或Mo;鍵合方式為熔融鍵合 或共晶鍵合；藍寶石襯底的去除方式採用雷射剝離、研磨或溼法腐蝕。
本發明利用電流阻擋結構在垂直發光二極體中形成合理的器件電流分布和 有源層發光分布，減小有源層發光被焊盤吸收的比例，提高器件的取光效率。圖l是傳統垂直結構GaN基LED內部電流分布圖； 圖2是內置CBL垂直結構GaN基LED內部電流分布圖； 圖3a 3e是本發明優選實施例的發光二極體的製作過程的截面示意圖; 圖3f是本發明的垂直結構GaN基LED內部電流分布圖。 圖中
10:藍寶石襯底11: n-GaN層
12:多量子阱層13- p-GaN層
14:Ag層15: W層
16:第一金屬連接層17:第二金屬連接層
18:Si襯底19:負電極
20:正電極21:發光層
跳電極化外延片200:電極化Si襯底
具體實施例方式
下面結合圖3a 圖3e和優選實施例對本發明作進一步說明。 一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法，其製作步驟如下 如圖3a所示，在一藍寶石襯底10上採用金屬有機化學氣相沉積(M0CVD) 外延生長發光層21，發光層21依次包括n-GaN層11、多量子阱(MQW)層12、 p-GaN層13;在p-GaN層13上蒸鍍製作100nm厚的Ag層14作為金屬反射層， 並在45(TC氮氣氛圍下進行熱退火處理；在Ag層14上採用蒸發或者濺射方式鍍 上一 W層15作為擴散阻擋層，厚度為500nm，採用光刻並蝕刻去除中央局部圓 形區域的W層15，露出Ag層14，其中圓形區域直徑為100微米；在W層15和 露出的Ag層14上蒸鍍製作第一金屬連接層16，材料選用Cr/Au，厚度為50/1000nm。製作完成電極化的外延片100。
如圖3b所示，取一Si襯底18作為永久襯底，在其上製作第二金屬連接層 17，材料選用Cr/Pt/AuSn，厚度為50/100/500nm，其中AuSn比例為80:20。這 樣就製作完成電極化的Si襯底200。
如圖3c所示，將電極化的外延片100倒裝在電極化的Si襯底200上，使 得第一金屬連接層16和第二金屬連接層17相互接合在一起，並在30(TC溫度、 800kg壓力條件下實現共晶鍵合；經過加溫加壓的鍵合過程，使得第一金屬連接 層16中央局部區域中的Au滲透到Ag層14中並相互擴散，從而破壞了中央局 部區域的Ag層14與p-GaN層13己形成的良好歐姆接觸，使之劣化形成高接觸 電阻區域；而除了中央局部之外的其他區域由於存在W層15的有效隔離阻擋， 避免了 Ag層14中的Ag與第一金屬連接層17中的Au的互相擴散，從而保持了 Ag層14與p-GaN層13的良好歐姆接觸。所以經過工藝，Ag層14與p-GaN層 13的接觸被分隔為歐姆接觸區域和位於中央局部的高接觸電阻區域。
如圖3d所示，採用雷射剝離的方式去除藍寶石襯底10，選用248nmKrF準 分子雷射器，雷射能量密度設定800-1000mJ/c邁2，藍寶石襯底10去除後暴露出 n-GaN層11。
如圖3e所示，在n-GaN層11的中央局部區域上製作負電極19作為焊盤， 電極材料選用Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm，焊盤為圓形，直徑100微米；在 Si襯底18的背面製作正電極20，電極材料選用Ti/Au，厚度50/500nm。
圖3f顯示了依照本發明方法製作獲得的垂直結構發光二極體的內部電流分 布，與圖l和圖2所示的垂直結構GaN基LED的內部電流分布相比，可以發現
依本發明所製得的垂直結構發光二極體具有電流阻擋結構，使得焊盤正下方的 發光層幾乎無電流注入，而注入電流則均勻地分布在中央局部之外的發光層中，這樣所有的光都產生於中央局部區域之外的有源層中，避免或大大降低了被焊 盤遮擋或者吸收的機率，從而提高了垂直發光二極體的取光效率。
10
權利要求
1.一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法，包括下列步驟1)製作LED外延片，即在藍寶石襯底上外延生長一發光層，所述發光層依次包括n型GaN基外延層、有源層和p型GaN基外延層；2)在上述p型GaN基外延層上形成一含有Ag或Ag合金的金屬反射層，並進行熱退火處理；3)在上述金屬反射層上形成一擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區域的擴散阻擋層，暴露出中央局部區域的金屬反射層；4)在上述的擴散阻擋層以及暴露出的中央局部區域的金屬反射層上，形成一含有Au或Au合金的第一金屬連接層；5)提供一永久襯底，在其上形成一含有Au或Au合金的第二金屬連接層；6)將上述步驟完成的外延片倒裝在永久襯底上，使第一金屬連接層和第二金屬連接層接合在一起，經加溫加壓，使外延片與永久襯底形成鍵合；7)去除藍寶石襯底，暴露出n型GaN基外延層；8)在n型GaN基外延層上的中央局部區域形成一負電極，即焊盤；9)在永久襯底的背面形成一正電極。
2. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法， 其特徵在於金屬反射層經過熱退火處理後與p型GaN基外延層之間形成良 好的歐姆接觸。
3. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法， 其特徵在於擴散阻擋層的材料選自高熔點金屬材Pt、 W、 WTi及前述任意組 合中擇其一。
4. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法， 其特徵在於擴散阻擋層的材料選自Si02、 Si3N4、 A1203、 Ti02及前述任意組合中擇其一。
5. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法， 其特徵在於永久襯底的材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu或Mo。
6. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法， 其特徵在於鍵合方式為烙融鍵合或共晶鍵合。
7. 如權利要求1所述的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法，其特徵在於藍寶石襯底的去除方式採用雷射剝離、研磨或溼法腐蝕。
全文摘要
本發明公開的一種具有電流阻擋結構的垂直發光二極體的製作方法，在藍寶石襯底上外延生長n-GaN層、有源層和p-GaN層的發光層；在p-GaN層上依次形成金屬反射層和擴散阻擋層，蝕刻去除中央局部區域的擴散阻擋層，暴露出金屬反射層；在金屬反射層上形成第一金屬連接層；永久襯底上形成第二金屬連接層；將外延片倒裝在永久襯底上，使兩金屬連接層接合併經加溫加壓形成鍵合；去除襯底暴露出n-GaN層；製作電極。通過將金屬反射層的中央局部區域劣化成高接觸電阻區域，在發光層中形成電流阻擋結構，減小發光層中央局部區域的電流注入和減少有源層中央局部區域的發光，並增加其他區域的電流注入和發光比例，從而減少被焊盤遮擋和吸收的發光比例，提高器件的取光效率。
文檔編號H01L33/00GK101494268SQ20081023784
公開日2009年7月29日 申請日期2008年11月24日 優先權日2008年11月24日
發明者吳志強, 林雪嬌, 潘群峰 申請人:廈門市三安光電科技有限公司