專利名稱：一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及GaN基半導體光電器件，特別是一種無縫隙式鍵合過程GaN基 發光器件及其制備方法。
背景技術：
目前大多數的GaN基外延主要生長在藍寶石襯底上，由于藍寶石導電性能 差，普通的GaN基發光器件采用橫向結構，即兩個電極在器件的同一側，電流 在N-GaN層中橫向流動距離不等，存在電流堵塞并產生熱量的問題；另外，藍 寶石襯底的導熱性能低，因此限制了 GaN基器件的發光功率及效率；將藍寶石 去除并把發光器件做成垂直結構可以有效解決散熱、出光以及抗靜電等問題， 目前，較受推崇的當屬采用激光剝離藍寶石襯底(LLO， Laser Lift-off)方法； 在激光剝離去除藍寶石襯底之前，首先必須將GaN基外延膜粘接到另外一種支 撐部件上， 一種廣泛被研究的方法是采用晶片鍵合(wafer-bonding)的方式將 GaN基外延膜粘接到具有高導電和導熱性能的GaAs、 Ge、 Si等支撐部件上，但 目前采用晶片鍵合技術制造垂直結構GaN基發光二極管的成品率還比較低，因 此大多數廠家還停留在研發階段。而其中影響成品率最主要的原因是為防止 激光剝離過程導致外延裂縫的產生，普遍的做法是按一定的間隔去除GaN基外 延層，這樣各單元GaN基發光器件間形成凹槽，GaN基發光器件和支撐部件鍵合 界面存在空隙而無法緊密粘接，在激光剝離過程中，受激光沖擊波的影響，GaN 基發光器件容易脫離支撐部件或產生裂縫，致使成品率降低。發明內容為解決上述GaN基發光器件與支撐部件鍵合不良的問題，提高激光剝離后 的成品率，本發明旨在提出一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件及其制備方 法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種無縫隙式鍵合過程GaN 基發光器件，包括具有N半導體層、活性層和P半導體層的GaN基外延膜；在P 半導體層下形成歐姆接觸及金屬反射層，其反射金屬膜材料優選Ag，厚度是50 500mn;在反射金屬膜下形成多層金屬膜；在多層金屬層膜上形成共晶焊料層； 共晶焊料層與支撐部件鍵合；在N半導體層上形成N電極材料層；在支撐部件 底部形成P電極材料層；其特征在于GaN基發光器件側壁包裹鈍化膜，保證器 件與深度補償膜的絕對電阻斷，鈍化膜厚度為50 500nm;鈍化膜外圍和多層金 屬空隙中填充滿高反射金屬材料，厚度為0.5 2um，實現GaN基發光器件與支 撐部件的無縫隙式鍵合，降低激光剝離過程裂縫的發生率，提高成品率；同時 發光器件側壁的高反射率金屬材料可減少器件的光損失，提高器件的發光效率 并有助于發光器件散熱。本發明的反射金屬膜材料還可以由Al、 Ag、 Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Rh所形成的 任一種合金制成；共晶焊料層是AuSn、 sn、 AuGe或AuSi低熔點合金材料；支 撐部件由GaAs、 Ge、 Si其中任一材料制成；鈍化膜材料為Si02或Si^絕緣材 料；高反射金屬材料優選金屬Al，也可以由Ag、 Au、 Cu、 Pt、 Pd和Rh中的一 種金屬制成。一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件的制備方法，其制備步驟如下(1) 在藍寶石襯底上生長具有N半導體層、活性層和P半導體層結構的GaN基 外延膜；(2) 結合采用干法蝕刻去除部分GaN外延層和激光劃開GaN外延層的合成分隔 法按預定的間隔分離形成GaN基單元發光器件，形成的凹槽深度為0. 5 2 um，寬度是20 200to，激光波長小于GaN半導體材料的發光波長，包含 266nm和355nm波長的激光；(3) 在P半導體層頂部形成歐姆接觸及金屬反射層，其反射金屬膜材料優選Ag 厚度是50 500nm，也可以由A1、 Ag、 Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Rh金屬所形成的 任一種合金制成，可以通過高溫退火達到歐姆接觸特性并增強其與P半導 體層的附著力；(4) 在凹槽內壁和除金屬反射層的臺面邊緣包裹鈍化膜，鈍化膜材料是Si02 或Si3N4等絕緣材料，鈍化膜厚度是50 500nm，鈍化膜的高度與上述金屬 反射層齊平；(5) 在凹槽內沉積深度補償膜，沉積高度與金屬反射層齊平，深度補償膜是具 有高反射率的金屬材料，優選A1，也可以是由Ag、 Au、 Cu、 Pt、 Pd和Rh 中的一種金屬制成，厚度是0.5 2um;(6) 在金屬反射層、鈍化膜和深度補償膜頂部覆蓋多層金屬膜，此多層金屬膜 的作用主要起到阻擋和保護上述金屬反射層的作用；(7) 在厚金屬膜上形成共晶焊料層，共晶焊料層共晶焊料層是AuSn、 Sn、 AuGe 或AuSi低熔點合金材料；(8) 通過共晶過程將GaN基外延鍵合到支撐部件上，支撐部件具有良好的導熱 和導電性能，支撐部件由GaAs、 Ge、 Si其中任一材料制成，共晶溫度為 200 500°C，共晶壓力是1000 20000N,至此實現激光剝離藍寶石襯底前GaN基外延無縫隙的鍵合到支撐部件上；(9) 通過LLO方法將藍寶石襯底與GaN外延膜分離，優選KrF準分子激光器；(10) 清潔并蝕刻去除頂部部分GaN半導體層，并去除前述凹槽對應位置殘留 的GaN外延層；(11) 在各單元發光器件N半導體層頂部形成N電極，在支撐部件底部形成P 電極；(12) 經過劃片處理或切斷處理的過程形成垂直結構GaN基發光芯片。 本發明的有益效果是采用干法蝕刻去除部分GaN外延層和激光劃開GaN外延層的方法，實現GaN基單元發光器件之間的絕對分隔；鈍化膜包裹發光器 件側壁，保證器件與深度補償膜的絕對電阻斷；通過在相互分隔的各單元GaN 基發光器件形成的凹槽中沉積深度補償膜，沉積厚度與兩側臺面齊平，形成高 度一致的平面，實現GaN基發光器件與支撐部件的無縫隙式鍵合，降低激光剝 離過程裂縫的發生率，提高成品率；且深度補償膜是具有高反射率的金屬材料， 保留在發光器件的側壁部分，可以減少發光器件側壁的光損失，提高器件的發 光效率，并有助于發光器件散熱。
圖la至圖In為本發明發光器件制造過程的截面示意圖； 圖2為本發明方法制得的發光器件截面示意圖；具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖2所示的一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件，包括具有N半導體 層、活性層和P半導體層的GaN基外延膜110;在P半導體層下形成歐姆接觸及 金屬反射層120，其反射金屬膜材料優選Ag，厚度是50 500nm;在反射金屬膜 下形成多層金屬膜150;在多層金屬層膜150上形成共晶焊料層160;共晶焊料 層160與支撐部件200鍵合；在N半導體層上形成N電極170材料層；在支撐 部件底部形成P電極210材料層;本發明的GaN基發光器件側壁包裹鈍化膜130, 保證器件與深度補償膜140的絕對電阻斷，鈍化膜130厚度為50 500nm;鈍化 膜130外圍和多層金屬空隙中填充滿高反射金屬材料140，厚度為0. 5 2 ii m， 高反射金屬材料140也稱深度補償膜，其主要功能是實現GaN基發光器件與支 撐部件的無縫隙式鍵合，降低激光剝離過程裂縫的發生率，提高成品率；同時 發光器件側壁的高反射率金屬材料可減少器件的光損失，提高器件的發光效率 并有助于發光器件散熱。上述本發明發光器件的制備步驟如下第一步如圖la所示，在藍寶石襯底100上異質外延生長氮化物半導體外 延膜IIO，此外延膜110具有N-GaN層、活性層和P-GaN層。第二步采用干法蝕刻以周期性的間隔依次去除P-GaN層、活性層，直至 露出N-GaN層，周期性的凹槽lll形成，如圖lb所示，形成的凹槽深度在0. 5 2ixm之間，寬度在20 200to之間，在藍寶石基底100上形成的每個GaN基半 導體單元器件llOa都具有N-GaN層、活性層和P-GaN層；在凹槽111區域以預定的間隔采用激光兩道并列劃開氮化物外延層分隔各 GaN基半導體單元器件110a，如圖lc所示，形成凹槽112，至此，氮化物半導 體單元器件110a彼此間完全隔開連接在藍寶石基底100上。第三步各GaN基半導體單元器件110a頂部形成歐姆接觸及金屬反射層120，如圖ld所示，其反射金屬膜材料120優選Ag，厚度在50 500nm中間， 也可以由A1、 Ag、 Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Rh金屬所形成的任一種合金制成，通過高 溫退火改善金屬膜120與GaN基半導體單元器件110a的歐姆接觸和附著力。第四步:在凹槽112內壁和除金屬反射層120外的臺面邊緣包裹鈍化膜130， 如圖le所示，鈍化膜130是Si02或Si3N4絕緣材料，也可采用類似的其他絕緣 材料，鈍化膜130厚度在50 500nm，鈍化膜130的高度與上述金屬反射層120 齊平。第五步在凹槽112內沉積深度補償膜140，如圖lf所示，沉積高度與反 射層120齊平，保證GaN基發光器件與支撐部件的緊密無縫隙鍵合，深度補償 膜140是具有高反射率的金屬材料，優選A1，也可以是由包含Ag、 Au、 Cu、 Pt、 Pd、 Rh中所形成的任一種金屬制成，厚度為0.5 2um，最終保留在發光器件 的側壁部分，可以減少發光器件側壁的光損失，提高器件的出光效率，還可以 有效幫助發光器件散熱。第六步如圖lg所示，在圖lf形成的頂部沉積多層金屬膜150，多層金屬 膜150包括粘附層、阻擋層、浸潤層等多層金屬材料，其中粘附層材料可以是 Ti、 Cr、 Al等，阻擋層材料可以是Ni、 Pt、 TiW(N)等，浸潤層材料優選Au，此 多層金屬膜150主要是起到完全保護反射金屬膜120的作用。第七步在多層金屬膜150頂部沉積用于同支撐部件粘接的焊料160，可由 AuSn、 Sn、 AuGe或AuSi等低熔點共晶材料制得，如圖lh所示。第八步在共晶溫度200 50(TC條件下，對藍寶石襯底100和支撐部件200 兩面加共晶壓力是1000 20000N，支撐部件具有良好的導熱和導電性能，支撐 部件可由GaAs、 Ge或Si制備，在本發明提供的設計方案下，通過焊料160作 用將GaN基外延膜無縫隙地鍵合到支撐部件200上，如圖li所示。第九步如圖lj所示，藍寶石襯底100通過激光剝離方法與GaN基發光器 件110分離，優選KrF準分子激光器，此時，多個GaN基發光器件110a通過多 層金屬膜連接并重復形成在支撐部件200上，如圖lk所示。第十步對GaN基發光器件110a進行清潔，并通過蝕刻將GaN半導體露出 的頂部部分去除成為GaN基發光器件110b，并通過光刻去除凹槽內殘留的GaN 外延，如圖11所示。第十一步在各單元發光器件N半導體層底部形成N電極170，在支撐部件 底部形成P電極210，如圖lm所示，N電極170可以是包含Cr、 Au、 Ti、 Al等 兩種或兩種以上的金屬組合，例如Cr/Au、 Ti/Al/Ti/Au、 Ti/Al/Ni/Au等，P電 極210可以是Au或含Au的合金金屬，包含Ti/Au、 Cr/Au、 Ni/Au、 AuGe、 AuBe 等金屬。第十二步最后，如圖ln所示，經過如劃片處理或切斷處理的過程分離開 各單元發光器件，形成GaN基發光芯片。至此完成根據本發明制造的垂直結構GaN基發光器件，如圖2所示。
權利要求
1.一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件，包括具有N半導體層、活性層和P半導體層的GaN基外延膜；在P半導體層下形成歐姆接觸及金屬反射層，其反射金屬膜材料優選Ag，厚度是50～500nm；在反射金屬膜下形成多層金屬膜；在多層金屬層膜上形成共晶焊料層；共晶焊料層與支撐部件鍵合；在N半導體層上形成N電極材料層；在支撐部件底部形成P電極材料層；其特征在于GaN基發光器件側壁包裹鈍化膜，保證器件與深度補償膜的絕對電阻斷，鈍化膜厚度為50～500nm；鈍化膜外圍和多層金屬空隙中填充滿高反射金屬材料，厚度為0.5～2μm，實現GaN基發光器件與支撐部件的無縫隙式鍵合，降低激光剝離過程裂縫的發生率，提高成品率；同時發光器件側壁的高反射率金屬材料可減少器件的光損失，提高器件的發光效率并有助于發光器件散熱。
2. 根據權利要求1所述的一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件，其特征在于-反射金屬膜材料還可以由Al、 Ag、 Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Rh所形成的任一種合 金制成；共晶焊料層是AuSn、 Sn、 AuGe或AuSi低熔點合金材料；支撐部件 由GaAs、 Ge、 Si其中任一材料制成。
3. 根據權利要求1所述的一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件，其特征在于 鈍化膜材料為Si02或S]UN4絕緣材料。
4. 根據權利要求1所述的一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件，其特征在于 高反射金屬材料優選金屬A1，也可以由Ag、 Au、 Cu、 Pt、 Pd和Rh中的一種 金屬制成。
5. —種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件的制備方法，其制備步驟如下(1)在藍寶石襯底上生長具有N半導體層、活性層和P半導體層結構的GaN基外延膜；(2) 結合采用干法蝕刻去除部分GaN外延層和激光劃開GaN外延層的合成分隔 法按預定的間隔分離形成GaN基單元發光器件，形成的凹槽深度為0. 5 2 ym，寬度是20 200Pm，激光波長小于GaN半導體材料的發光波長，包含 266nm和355nm波長的激光；(3) 在P半導體層頂部形成歐姆接觸及金屬反射層，其反射金屬膜材料優選Ag 厚度是50 500nm，也可以由A1、 Ag、 Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Rh金屬所形成的 任一種合金制成，可以通過高溫退火達到歐姆接觸特性并增強其與P半導 體層的附著力；(4) 在凹槽內壁和除金屬反射層的臺面邊緣包裹鈍化膜，鈍化膜材料是Si02 或Si美等絕緣材料，鈍化膜厚度是50 500mn，鈍化膜的高度與上述金屬 反射層齊平；(5) 在凹槽內沉積深度補償膜，沉積高度與金屬反射層齊平，深度補償膜是具 有高反射率的金屬材料，優選A1，也可以是由Ag、 Au、 Cu、 Pt、 Pd和Rh 中的一種金屬制成，厚度是0.5 2nm;(6) 在金屬反射層、鈍化膜和深度補償膜頂部覆蓋多層金屬膜，此多層金屬膜 的作用主要起到阻擋和保護上述金屬反射層的作用；(7) 在厚金屬膜上形成共晶焊料層，共晶焊料層共晶焊料層是AuSn、 Sn、 AuGe 或AuSi低烙點合金材料；(8) 通過共晶過程將GaN基外延鍵合到支撐部件上，支撐部件具有良好的導熱 和導電性能，支撐部件由GaAs、 Ge、 Si其中任一材料制成，共晶溫度為 200 500°C，共晶壓力是1000 20000N，至此實現激光剝離藍寶石襯底前 GaN基外延無縫隙的鍵合到支撐部件上；(9) 通過LLO方法將藍寶石襯底與GaN外延膜分離，優選KrF準分子激光器；(10) 清潔并蝕刻去除頂部部分GaN半導體層，并去除前述凹槽對應位置殘留 的GaN外延層；(11) 在各單元發光器件N半導體層頂部形成N電極，在支撐部件底部形成P 電極；(12) 經過劃片處理或切斷處理的過程形成垂直結構GaN基發光芯片。
全文摘要
一種無縫隙式鍵合過程GaN基發光器件及其制備方法，采用干法蝕刻去除部分GaN外延層和激光劃開GaN外延層的方法，實現GaN基單元發光器件之間的絕對分隔；鈍化膜包裹發光器件側壁，保證器件與深度補償膜的絕對電阻斷；通過在相互分隔的各單元GaN基發光器件形成的凹槽中沉積深度補償膜，沉積厚度與兩側臺面齊平，形成高度一致的平面，實現GaN基發光器件與支撐部件的無縫隙式鍵合，降低激光剝離過程裂縫的發生率，提高成品率；且深度補償膜是具有高反射率的金屬材料，保留在發光器件的側壁部分，可以減少發光器件側壁的光損失，提高器件的發光效率，并有助于發光器件散熱。
文檔編號H01L33/00GK101404312SQ20071011614
公開日2009年4月8日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者吳志強, 林雪嬌, 洪靈愿, 潘群峰, 陳文欣 申請人:廈門市三安光電科技有限公司