專利名稱：一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種GaN基垂直發光二極管，特別是一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管及其制備方法。
背景技術：
目前大多數的GaN基外延主要是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層中橫向流動不等的距離，存在電流堵塞，產生熱量；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。將藍寶石襯底去除，并將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。對于垂直發光二極管，有源層向下發射的光經P型外延接觸金屬反射后向上從n型外延表面出光，因此為了得到高效垂直發光二極管，需要在p型GaN基外延底部制作高反射率歐姆接觸金屬層，以減少有源層向下發射的光被金屬層吸收。對于可見光波段，在所有金屬材料中銀(Ag)反射率最高，且能夠與p型GaN基外延層形成良好的歐姆接觸，但是Ag的缺點是與半導體的粘附性差、電和熱穩定性差、易被氧化及化學腐蝕等。對于制作垂直結構的發光二極管，在剝離掉藍寶石襯底前通常將GaN基外延通過加熱加壓方式轉移到Si或金屬基板上，若是反射鏡Ag表面缺乏有效的阻擋和保護，此高溫轉移過程會促進Ag的氧化及Ag與焊接金屬材料間的互擴散，導致Ag的光反射率下降、接觸電阻變大，降低了器件的發光效率。而具有優良散熱基板的垂直結構發光二極管更傾向于應用在大電流、高電壓場合，因此對阻擋層的要求非常高，如果阻擋層工藝窗口不夠大，抗長期老化的能力差，則器件長期工作后將產生光效下降甚至失效等現象。
發明內容
為解決上述因反射鏡Ag穩定性差及Ag與焊料金屬間的互擴散導致垂直發光二極管的光效和電、熱的長期穩定性及可靠性的問題，本發明創新地提出一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管及其制備方法。
—種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管，包括 —散熱基板， 散熱基板下表面形成下電極， 散熱基板上表面形成上焊接金屬， GaN基外延下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜， GaN基外延上表面形成上電極， 其特征在于反射金屬膜下表面形成復合堆疊式阻擋層金屬，按順序包括兩個或
兩個周期以上的第一阻擋層金屬、第二阻擋層金屬、第三阻擋層金屬以及一個或一個周期
以上的第四阻擋層金屬、第五阻擋層金屬； 多層堆疊式阻擋層金屬下表面形成下焊接金屬；
GaN基外延通過下焊接金屬與散熱基板上焊接金屬連接在散熱基板上。
本發明制備上述垂直發光二極管的方法，其步驟是 1)在藍寶石襯底上外延生長GaN基藍光LED發光材料，發光材料依次包括n型GaN基半導體層、活性層和P型GaN基半導體層； 2)在p型GaN基半導體層上沉積歐姆接觸反射金屬膜，包含Ag或者Ag的合金；
3)在上述反射金屬膜上沉積第一阻擋層金屬；
4)在第一阻擋上沉積第二阻擋層金屬； 5)在第二阻擋層金屬上重復沉積第一阻擋層金屬，進一步包括重復沉積第二阻擋
層金屬，重復周期兩個或兩個以上； 6)在步驟5)之后沉積第三阻擋層金屬； 7)在第三阻擋層金屬上方順序沉積第四阻擋層金屬和第五阻擋層金屬，重復周期一個或一個以上； 8)在上述多層阻擋層金屬上方沉積上焊接金屬，包含Au或者Au的合金；
9)取一散熱基板并在其上表面沉積下焊接金屬，包含Au或者Au的合金；
10)通過加溫加壓方式將步驟1) 6)形成的GaN基外延膜焊接到完成步驟7)的散熱基板上； 11)將藍寶石襯底去除； 12)在n型GaN基半導體層表面中央區域沉積上電極；
13)在散熱基板下表面沉積下電極。 本發明的GaN基LED發光材料是通過金屬有機氣相化學沉淀(M0CVD)方法形成；散熱基板制備材料選自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。第一阻擋層金屬選自W、 Ta、 TaN、 WN、 TiN、WTi、 WTiN或前述的任意組合之一，厚度10 500nm。第二阻擋層金屬選自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。在步驟5)之后進一步包括對Ag進行高溫熱退火處理，退火溫度400 50(TC，退火時間10 30min。第三阻擋層金屬選自Pd、Ni、Co或前述的任意組合之一，厚度10 1000nm。第四阻擋層金屬選自Cr、 Ti、 W、 Ta、 TaN、 WN、 TiN、 WTi、 WTiN或前述的任意組合之一，厚度10 500nm。第五阻擋層金屬選自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。阻擋層金屬沉積方式采用蒸鍍、濺射或化學沉積。其中焊接方式可以采用熔融鍵合或共晶鍵合晶圓鍵合技術。其中的藍寶石襯底去除方式選用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述中的任意兩種技術結合。上電極和下電極沉積方式采用蒸鍍、濺射或化學沉積。
本發明方法中步驟3)至步驟8)是本發明的創新之處，蒸鍍多層不同的高熔點金屬材料形成堆疊式阻擋層金屬結構，其中①第一阻擋層金屬較第二阻擋層金屬具有更高的熔點，其對Ag和第二阻擋層金屬的互擴散起阻擋作用，抑制其熱和電的擴散導致的Ag反射率下降及歐姆接觸退化；同時采用含Ti或Ta的高熔點合金材料作為第一阻擋層金屬可以提高第二阻擋層金屬與Ag的黏附力。②采用抗腐蝕較好的高熔點材料作為第二阻擋層金屬，可以保護Ag不受工藝過程化學藥品腐蝕。③步驟5)重復交替沉積第一阻擋層金屬和第二阻擋層金屬方式，可以降低熱應力對金屬間粘附性的破壞，避免單層金屬沉積過厚容易出現剝落。 步驟6)通過高溫熱退火處理，促進Ag與p型GaN表面形成歐姆接觸，并改善其與GaN基外延的粘附性；由于第一阻擋層金屬和第二阻擋層金屬的熔點較高，具有較好的抗氧化性，可以阻止高溫退火過程氧原子進入Ag層，阻止Ag受氧化后對Ag的反射率及與P型GaN外延接觸的破壞。⑤第三阻擋層金屬較第一和第二阻擋層金屬具有更好地阻擋焊料金屬內擴散的特性，阻止焊料金屬的內擴散對Ag的反射率及與p型接觸電阻的破壞。⑥第三阻擋層若沉積厚度過厚，則因為應力過大可能導致剝落(peeling)，若厚度不夠，不足以完全阻擋焊料金屬的內擴散，會對Ag的反射率及p型GaN接觸造成破壞，而且焊料金屬內擴散也會影響到GaN基外延與散熱基板間的焊接強度，因此在第三阻擋層金屬上方繼續沉積第四及第五阻擋層金屬一方面可以解決上述因應力及焊料內擴散導致的問題，其中采用較高熔點的金屬材料作為第四阻擋層金屬，不僅可以提高第五阻擋層金屬與第三阻擋層金屬的黏附力，也可以抑制它們之間熱和電的擴散。通過步驟3) 8)形成的新型復合堆疊式阻擋層金屬結構是充分考慮了阻擋擴散特性、抗腐蝕性、抗氧化性、粘附性及熱穩定性，對各阻擋層金屬的進行連接組合，完全有效的阻擋Ag與焊料金屬的互擴散，保證Ag具有高的反射率及低接觸電阻，同時保證了 GaN基外延與散熱基板的焊接強度，實現高光效垂直結構發光二極管的電、熱的長期穩定性和可靠性。 本發明的有益效果是創新地采用新型復合堆疊式的阻擋層金屬結構，綜合考慮了金屬阻擋擴散特性、抗腐蝕性、抗氧化性、粘附性及熱穩定性，能完全有效阻止Ag的氧化及阻擋Ag與焊料金屬的互擴散，保證Ag具有高的反射率及低接觸電阻，同時保證了GaN基外延與散熱基板間的連接強度，實現高效垂直結構發光二極管的電、熱的長期穩定性和可靠性。
圖la至圖lg是本發明優選實施例的具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管的制備過程的截面示意 附圖中部件說明 100 :藍寶石襯底；110 :GaN基外延；120 :反射金屬膜 130 :復合堆疊式阻擋層金屬；131 :第一阻擋層金屬；132 :第二阻擋層金屬
133 :第三阻擋層金屬；134 :第四阻擋層金屬；135 :第五阻擋層金屬；
140 :上焊接金屬；150 :上電極；160 :下電極；200 :散熱基板；
210:下焊接金屬。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 如圖lg所示的一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管，提供一散熱基板200，散熱基板200下表面形成下電極160，散熱基板200上表面形成上焊接金屬140，GaN基外延110下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜120，GaN基外延110上表面形成上電極150 ;反射金屬膜120下表面形成復合堆疊式阻擋層金屬130，按順序包括第一阻擋層金屬131、第二阻擋層金屬132、第三阻擋層金屬133、第四阻擋層金屬134、第五阻擋層金屬135 ;多層堆疊式阻擋層金屬130下表面形成下焊接金屬210 ;GaN基外延110通過下焊接金屬210與散熱基板上焊接金屬140連接在散熱基板200上。
上述的垂直發光二極管的制備方法步驟如下 如圖la所示，采用MOCVD方法在藍寶石襯底100上外延生長GaN基LED發光材料110，發光材料依次包括n型GaN基半導體層、活性層和p型GaN基半導體層；
如圖lb所示，采用電子束蒸鍍在p-GaN表面上沉積反射金屬膜120，選用Ag，厚度在100nm 120nm之間，并在氮氣氛圍下退火，退火溫度400 500。C，退火時間10 30min，退火使反射金屬膜120與p型GaN基半導體層形成良好的歐姆接觸和粘著力；
如圖lc所示，采用電子束蒸鍍在反射金屬膜120上交替沉積第一阻擋層金屬131和第二阻擋層金屬132，分別選用WTi(N)和Pt，厚度分別為100nm和50nm ;重復以上沉積4次(周期)；在頂部第二阻擋層金屬132上方沉積第三阻擋層金屬133，選用Ni，厚度為100nm ;在第三阻擋層金屬133上方順序沉積第四阻擋層金屬134和第五阻擋層金屬135，厚度分別為100nm和50nm ;至此形成復合堆疊式阻擋層金屬結構130 ;
如圖ld所示，采用電子束蒸鍍在多層堆疊式阻擋層金屬膜130頂部沉積上焊接金屬140，選用Ti/Au，厚度為50/1000nm ;同時取一 Si襯底作為散熱基板200，在其上的電子束蒸鍍下焊接金屬層210，材料選用Cr/Ni/Au/AuSn，厚度為20/50/150/500nm，其中AuSn比例為80 : 20 ; 如圖le所示，采用共晶鍵合方式將上述制備好的GaN外延連接到Si基板200上，鍵和溫度280。C，壓力5000N ; 如圖lf所示，采用248nm KrF準分子激光剝離去除藍寶石襯底IOO，激光能量密度約lj/cm2 ; 如圖lg所示，在n型GaN基半導體層上電子束蒸鍍上電極150，在Si基板200背面上電子束蒸鍍下電極160，均選用Cr/Pt/Au。至此完成本發明垂直發光二極管的制備，其結構如圖lg所示。
權利要求
一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管，包括一散熱基板，散熱基板下表面形成下電極，散熱基板上表面形成上焊接金屬，GaN基外延下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜，GaN基外延上表面形成上電極，其特征在于反射金屬膜下表面形成復合堆疊式阻擋層金屬，按順序包括兩個或兩個周期以上的第一阻擋層金屬、第二阻擋層金屬、第三阻擋層金屬以及一個或一個周期以上的第四阻擋層金屬、第五阻擋層金屬；多層堆疊式阻擋層金屬下表面形成下焊接金屬；GaN基外延通過下焊接金屬與散熱基板上焊接金屬連接在散熱基板上。
2. —種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管的制備方法，包括步驟1) 在藍寶石襯底上外延生長GaN基藍光LED發光材料，發光材料依次包括n型GaN基半導體層、活性層和P型GaN基半導體層；2) 在p型GaN基半導體層上沉積歐姆接觸反射金屬膜，包含Ag或者Ag的合金；3) 在上述反射金屬膜上沉積第一阻擋層金屬；4) 在第一阻擋上沉積第二阻擋層金屬；5) 在第二阻擋層金屬上重復沉積第一阻擋層金屬，進一步包括重復沉積第二阻擋層金屬，重復周期兩個或兩個以上；6) 在步驟5)之后沉積第三阻擋層金屬；7) 在第三阻擋層金屬上方順序沉積第四阻擋層金屬和第五阻擋層金屬，重復周期一個或一個以上；8) 在上述多層阻擋層金屬上方沉積上焊接金屬，包含Au或者Au的合金；9) 取一散熱基板并在其上表面沉積下焊接金屬，包含Au或者Au的合金；10) 通過加溫加壓方式將步驟1) 6)形成的GaN基外延膜焊接到完成步驟7)的散熱基板上；11) 將藍寶石襯底去除；12) 在n型GaN基半導體層表面中央區域沉積上電極；13) 在散熱基板下表面沉積下電極。
3. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是GaN基LED發光材料是通過金屬有機氣相化學沉淀(MOCVD)方法形成；散熱基板制備材料選自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。
4. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是第一阻擋層金屬選自W、Ta、TaN、WN、TiN、WTi、WTiN或前述的任意組合之一，厚度10 500nm。
5. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是第二阻擋層金屬選自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。
6. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是在步驟5)之后進一步包括對Ag進行高溫熱退火處理，退火溫度400 50(TC，退火時間10 30min。
7. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是第三阻擋層金屬選自Pd、Ni、Co或前述的任意組合之一，厚度10 1000nm。
8. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是第四阻擋層金屬選自Cr、Ti、W、Ta、TaN、WN、TiN、WTi、WTiN或前述的任意組合之一，厚度10 500nm。
9. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是第五阻擋層金屬選自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。
10. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是阻擋層金屬沉積方式采用蒸鍍、濺射或化學沉積。
11. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是其中焊接方式可以采用熔融鍵合或共晶鍵合晶圓鍵合技術。
12. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是其中的藍寶石襯底去除方式選用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述中的任意兩種技術結合。
13. 如權利要求2所述的垂直發光二極管的制備方法，其特征是上電極和下電極沉積方式采用蒸鍍、濺射或化學沉積。
全文摘要
本發明公開一種具有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構的垂直發光二極管及其制備方法，在有源層中的p型歐姆接觸反射金屬膜下與散熱基板間積淀有新型復合堆疊式阻擋層金屬結構，綜合考慮了金屬阻擋擴散特性、抗腐蝕性、抗氧化性、粘附性及熱穩定性，能完全有效阻止Ag的氧化及阻擋Ag與焊料金屬的互擴散，保證Ag具有高的反射率及低接觸電阻，同時保證了GaN基外延與散熱基板間的連接強度，實現高效垂直結構發光二極管的電、熱的長期穩定性和可靠性。
文檔編號H01L33/00GK101771114SQ20091001372
公開日2010年7月7日 申請日期2009年1月4日 優先權日2009年1月4日
發明者吳志強, 吳瑞玲, 張華 , 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