專利名稱：一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高光效GaN垂直發光二極管，尤其是一種采用絕緣介質阻 擋層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基外延主要生長在藍寶石襯底上，由于藍寶石導電性能 差，GaN基發光器件普遍采用橫向結構，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，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。將藍寶石襯底去除將 發光器件連接到導電熱沉上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，如何提升其光效一直是本領域技術人員致力于研究 的課題，其中在P型GaN基外延底部制作高反射率歐姆接觸金屬層是提升光效 的主要關鍵技術之一，由于在可見光波段，所有金屬材料中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，因此銀(Ag)通常是首選；但 另一方面，若有其它金屬擴散到Ag反射層，Ag與p型GaN基外延層的歐姆接觸 特性將會變差。而制造垂直結構發光二極管通常需要結合鍵合技術(比如共晶 鍵合)將GaN基外延轉移到導電散熱基板上得以實現，此襯底轉移過程溫度普 遍高于20(TC，甚至300'C以上，而當溫度高于15(TC以上時金屬間的熱擴散就 不能忽視，溫度越高，時間越長，熱擴散越顯著，因此共晶鍵合過程必然會引 起共晶焊料金屬的熱擴散；除鍵合工藝外，藍寶石襯底去除后的芯片工藝制造及封裝工藝(尤其是白光)均至少需經過150t:左右的溫度，這些溫度過程亦會
產生共晶焊料合金的熱擴散。焊料金屬通常是由Au、 Sn、 In等或其合金組成， 此類金屬合金熔點較低，熱擴散較活躍，若是在Ag表面上直接沉積此類焊料金 屬，其結果是共晶過程焊料金屬的熱擴散會嚴重破壞反射鏡Ag與p型GaN外延 的接觸特性，導致垂直發光二極管的正向工作電壓非常高，嚴重制約了垂直發 光二極管的發光效率，這成為了制作高光效垂直發光二極管的主要瓶頸之一。 針對此問題，業內普遍的做法是在Ag與焊料金屬中間增加單層或多層高熔點的 金屬阻擋層材料，如Ti、 Pt、 Ni及W的合金等，此類高熔點金屬材料確實可以 有效阻擋其上焊料金屬材料熱擴散到Ag反射層，但實驗結果表明，金屬阻擋層 材料本身亦會部分熱擴散到Ag反射層，此亦在一定程度上破壞Ag與p型GaN 外延層的接觸特性，其破壞程度雖然較Ag直接與焊料金屬連接小，但其影響導 致的垂直發光二極管的正向工作電壓仍然偏高，因此一定程度上制約了垂直發 光二極管的光效。
發明內容
為解決上述金屬阻擋層材料本身熱擴散到Ag反射層導致垂直發光二極管的 光效受制約的問題，本發明創新地提出一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二 極管及其制備方法。
一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，包括
提供一散熱基板；
在散熱基板下表面形成下電極；
在散熱基板上表面形成下焊接金屬；
在GaN基外延下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜；在反射金屬膜下表面部分區域覆蓋絕緣介質膜；
在絕緣介質膜下表面及裸露的部分反射金屬膜下表面形成上焊接金屬； GaN基外延通過上焊接金屬與散熱基板下焊接金屬連接在散熱基板上；
在GaN基外延上表面形成上電極。
上述垂直發光二極管中，散熱基板的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu或MoCu;上焊接金屬及下焊接金屬包含Au或者Aii的合金；p型歐姆接觸反 射金屬膜包含Ag或者Ag的合金，厚度為80 2000nm;絕緣介質膜選自Si02、 Si扎、A1203、 TiOs或前述的任意組合之一，厚度100 1000ran。
制備上述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的方法，其歩驟如下:
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A會.
口五；
3) 在上述反射金屬膜上沉積絕緣介質膜，其制備材料選自Si02、 Si3N4、Al203、
Ti02或前述的任意組合之一；
4) 采用濕法或干法刻蝕去除部分區域絕緣介質膜，暴露出部分Ag的表面；
5) 在上述絕緣介質膜及暴露的Ag表面的上方沉積上焊接金屬，包含Au或 者Au的合金；
6) 取一散熱基板并在其上表面沉積下焊接金屬，其制備材料選自Au或An 的合金；
7) 通過加溫加壓方式將步驟1)至6)形成的GaN基外延焊接到散熱基板上；
8) 將藍寶石襯底去除；9) 在n型GaN基半導體層表面中央區域沉積上電極；
10) 在散熱基板下表面沉積下電極。
本發明的制備方法中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；絕緣介質膜沉積方式為蒸發或化學沉積；完成步驟2)后可 進一步對反射金屬膜進行高溫熱退火處理，退火溫度400 5001C，退火時間10 30min;焊接方式采用熔融鍵合或共晶鍵合技術；藍寶石襯底去除方式采用激光 剝離、研磨、濕法腐蝕或前述任意兩種技術的結合；上電極和下電極沉積方式 為蒸鍍或濺射。
本發明工藝步驟3)和步驟4)是本發明的創新之處，其中步驟3)采用絕 緣介質膜而非金屬作為阻擋層材料，能夠完全避免金屬阻擋層材料本身熱擴散 對Ag的影響，即可以保證Ag與p型GaN基外延的歐姆接觸電阻不受破壞；步 驟4通過對此絕緣介質膜部分蝕刻形成導電孔，實現p型GaN基外延與散熱基 板的垂直電學導通。
本發明的有益效果是創新地在反射鏡Ag表面采用絕緣介質膜而非金屬材 料作為阻擋層，保護Ag不受任何金屬材料熱擴散的影響，同時簡易的導電孔設 計即可實現垂直方向電學導通，實現垂直結構二極管較低的P接觸壓降，采用 本發明方法制造的垂直結構二極管同采用金屬阻擋層的垂直結構二極管相比具 有更低的正向工作電壓以及更高的發光效率。
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圖；圖中100.藍寶石襯底；110.GaN基外延；120.反射金屬膜； 130.絕緣介質膜；140.上焊接金屬；150.上電極；
200.散熱基板；210.下焊接金屬；220.下電極。
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。
一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法，其步驟如下
第一步如圖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。
第二步如圖lb所示，采用電子束蒸發在p-GaN表面上沉積反射金屬 膜120，選用Ag，厚度在100nm 150mn之間，并在氮氣氛圍下高溫退火使 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。
第三步至第四步如圖lc所示，采用PECVD在反射金屬膜120上沉積Si02 絕緣介質膜130，厚度為230mn，并通過傳統光刻和化學腐蝕工藝，暴露出部分 Ag上表面作為垂直導電通道。
第五步至第六步如圖ld所示，采用電子束蒸發在Si02絕緣介質膜130及 暴露的Ag表面沉積上焊接金屬140，選用Ti/Au，厚度為30/1000nm;同時取一 Si襯底200作為散熱基板，在其上電子束蒸發下焊接金屬層210，材料選用 Ti/AuSn,厚度為50/1000nm，其中AuSn比例為80:20。
第七步如圖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，鍵合溫度280。C，壓力5000N。第八步:如圖If所示，采用248nmKrF準分子激光剝離去除藍寶石襯底100， 激光能量密度約1000raJ/cm2;
第九步至第十步如圖lg所示，在n型GaN基半導體層上電子束蒸發上電 極150，在Si基板200背面上電子束蒸發下電極220，均選用Cr/Au。
權利要求
1.一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，包括提供一散熱基板；在散熱基板下表面形成下電極；在散熱基板上表面形成下焊接金屬；在GaN基外延下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜；在反射金屬膜下表面部分區域覆蓋絕緣介質膜；在絕緣介質膜下表面及裸露的部分反射金屬膜下表面形成上焊接金屬；GaN基外延通過上焊接金屬與散熱基板下焊接金屬連接在散熱基板上；在GaN基外延上表面形成上電極。
2. 如權利要求1所述的一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，其特征是: 散熱基板的制備材料選自GaAs、 Ge、 Si、 Cu、 Mo、 WCu或MoCu。
3. 如權利要求1所述的一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，其特征是: 上焊接金屬及下焊接金屬包含Au或者Au的合金。
4. 如權利要求1所述的一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，其特征是: p型歐姆接觸反射金屬膜包含Ag或者Ag的合金，厚度為80 2000nm。
5. 如權利要求1所述的一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管，其特征是: 絕緣介質膜選自Si"、 Si晶、A1A、 Ti02或前述的任意組合之一，厚度100 IOOO亂
6. —種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法，包括如下步驟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的厶全.a寬；3) 在上述反射金屬膜上沉積絕緣介質膜，其制備材料選自Si02、 Si3N4、AlA、TiOs或前述的任意組合之一；4) 采用濕法或干法刻蝕去除部分區域絕緣介質膜，暴露出部分Ag的表面；5) 在上述絕緣介質膜及暴露的Ag表面的上方沉積上焊接金屬，包含Au或 者Au的合金；6) 取一散熱基板并在其上表面沉積下焊接金屬，其制備材料選自An或An 的合金；7) 通過加溫加壓方式將步驟1)至6)形成的GaN基外延焊接到散熱基板上；8) 將藍寶石襯底去除；9) 在n型GaN基半導體層表面中央區域沉積上電極；10) 在散熱基板下表面沉積下電極。
7. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法， 其特征在于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。
8. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法， 其特征在于絕緣介質膜沉積方式為蒸發或化學沉積。
9. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法， 其特征在于完成步驟2)后可進一步對反射金屬膜進行高溫熱退火處理，退 火溫度400 500。C，退火時間10 30min。
10. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法， 其特征在于焊接方式采用熔融鍵合或共晶鍵合技術。
11. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法， 其特征在于藍寶石襯底去除方式采用激光剝離、研磨、濕法腐蝕或前述任 意兩種技術的結合。
12. 如權利要求6所述一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管的制備方法，其特征在于上電極和下電極沉積方式為蒸鍍或濺射。
全文摘要
一種采用絕緣介質阻擋層的垂直發光二極管及其制備方法，在一散熱基板下表面形成下電極，上表面形成下焊接金屬；在GaN基外延下表面形成p型歐姆接觸反射金屬膜；在反射金屬膜下表面部分區域覆蓋絕緣介質膜；在絕緣介質膜下表面及裸露的部分反射金屬膜下表面形成上焊接金屬；GaN基外延通過上焊接金屬與散熱基板下焊接金屬連接散熱基板；GaN基外延上表面形成上電極。反射鏡Ag表面采用絕緣介質膜而非金屬材料作為阻擋層，避免Ag被其它金屬熱擴散影響，且簡易的導電孔設計即可實現垂直方向電學導通，實現垂直結構二極管較低的p接觸壓降，本發明方法制造的垂直結構二極管同采用金屬阻擋層的垂直結構二極管相比具有更低的正向工作電壓及更高的發光效率。
文檔編號H01L33/00GK101599522SQ200910016729
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者吳志強, 吳瑞玲, 林雪嬌, 潘群峰 申請人:廈門市三安光電科技有限公司