一種基于銅襯底的氮化物led垂直芯片及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片及其制備方法，屬于LED光電 子器件的制造技術領域。
【背景技術】
[0002] 使用氮化物AlJnyGahiP'KO彡X，y彡1 ;x+y彡1 ;纖鋅礦晶體結構）半導體材料 制作的發光二極管LED以其節能、環保、長壽命等優點逐漸在電子顯示屏、景觀照明、礦燈、 路燈、液晶顯示器背光源、普通照明、光盤信息存儲、生物醫藥等領域展開廣泛應用。上述化 合物半導體可以覆蓋從紅外、可見到紫外光的全部光譜能量范圍，而通過控制氮化物合金 的陽離子組分可以準確地定制LED器件的發射波長。從應用領域范圍、市場容量來看，又以 氮化物LED的應用為大宗、主流，比如，以白光LED為應用代表的半導體照明行業。
[0003] 制作氮化物LED時，首先在襯底上進行氮化物LED結構的外延膜層生長，然后進行 芯片器件加工得到分離的器件單元，即芯片。常見的外延生長方法包括：有機金屬化學氣相 沉積（MOCVD)、氫化物氣相外延（HVPE)、脈沖濺射沉積（PSD)、射頻磁控濺射（RF-MS)、分子 束外延（MBE)、脈沖激光沉積（PLD)、遠程等離子體增強化學氣相沉積（RPCVD)等系統。其 中，MOCVD和HVPE方法的生長溫度較高，在1000?1250°C范圍；而PSD、RF-MS、MBE、PLD和 RPCVD方法的生長溫度較低，在20?1050°C范圍不等。
[0004]LED芯片器件加工主要是使用光刻、反應離子刻蝕（RIE)、電子束蒸鍍（e-Beam)、 磁控濺射（MS)、等離子增強化學氣相沉積（PECVD)等方法制作p、n型電極及介電保護層等。
[0005] 目前，產業界制作氮化物LED仍然以異質外生長為主，所選用的襯底主要有三種 單晶材料，分別是藍寶石（a-A1203)、SiC(包括4H-SiC和6H-SiC)、Si。外延生長程就是在 這些與氮化物AlxInyGai_x_yN(0 <x，y< 1 ;x+y< 1)晶格常數接近的單晶材料上生長氮化 物單晶薄膜。
[0006] 根據襯底材料的選擇不同，外延片和芯片制作的技術路線也會不同。例如，基于藍 寶石襯底進行氮化物LED外延結構中的緩沖層往往是不導電的，而芯片產品主要有：正裝、 倒裝和薄膜芯片三種類型。由于藍寶石襯底對于可見光的吸收系數很小，因此通過制作正 裝或倒裝芯片的形式，均能夠實現較好的出光效率。由于藍寶石襯底不導電，因此制作垂直 結構芯片（即垂直芯片）就必須去掉它。以薄膜芯片為代表的垂直芯片通常采用激光剝離 的辦法來實現藍寶石襯底和外延層的分離，但是這種方法工藝復雜、設備昂貴、過程良率不 高。又比如，使用n型導電SiC襯底進行LED結構生長的外延片可以制作n型導電的緩沖 層，以便后期制作垂直結構的芯片。此外，還有使用非導電型SiC襯底進行氮化物外延生 長，進而制作正裝芯片的技術線路。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題是提供一種降低襯底使用成本，提高LED器件的電流 注入效率和熱量管理能力的基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片及其制備方法。
[0008] 本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種基于銅襯底的氮化物LED垂直芯 片，包括n型電極、二維衍生膜、氮化物外延層和p型電極，所述二維衍生膜附著在所述n型 電極上，所述氮化物外延層附著在所述二維衍生膜上，所述P型電極附著在所述氮化物外 延層上；其中，
[0009] 所述二維衍生膜及氮化物外延層均為基于銅襯底的氮化物LED外延片結構的二 維衍生膜及氮化物外延層；
[0010] 所述基于銅襯底的氮化物LED外延片結構包括銅襯底、二維衍生膜及氮化物外延 層，所述二維衍生膜位于所述銅襯底及所述氮化物外延層之間，且所述二維衍生膜附著在 所述銅襯底的表面上，所述氮化物外延層附著在所述二維衍生膜上。
[0011] 本發明的有益效果是：
[0012] 本發明所述氮化物LED垂直芯片具有更好的電流擴展、更低的熱阻和更高的可靠 性等特征，非常適合大電流密度驅動、高光功率密度輸出的應用方向。
[0013] 在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0014] 進一步，所述氮化物外延層由從下至上依次疊加的緩沖層、n型電子注入層、有源 層和P型空穴注入層構成，且所述緩沖層附著在所述二維衍生膜上。
[0015] 進一步，所述n型電極由金屬溝道結構和銅襯底組成，所述銅襯底附著在所述金 屬溝道結構的水平部分上，所述金屬溝道結構的垂直部分依次穿過所述銅襯底及二維衍生 膜插入所述緩沖層內，或者依次穿過所述銅襯底、二維衍生膜及緩沖層插入所述n型電子 注入層內；其中，
[0016] 所述銅襯底為所述基于銅襯底的氮化物LED外延片結構的銅襯底。
[0017] 采用上述進一步方案的有益效果是，銅襯底不但不須進行剝離去掉，而且將和溝 道結構一起組成n型電極，這就簡化了LED垂直芯片加工工藝流程。同時，由于金屬銅具有 優良的導電和導熱特性，因此本發明所述氮化物LED垂直芯片具有更好的電流擴展、更低 的熱阻和更高的可靠性等特征，非常適合大電流密度驅動、高光功率密度輸出的應用方向。
[0018] 進一步，所述金屬溝道層由一層或兩層以上的金屬薄膜組成，使用的金屬為Pt、 Au、Al、Cr、Ti、Ni、Ag、W、Zn、Pb或Cu中的至少一種。
[0019] 進一步，所述P型電極由一層或兩層以上的金屬薄膜或金屬氧化物薄膜組成，使 用的金屬為？1：、411、41、0、1';[、附、48、1、211、？13中的至少一種 ；使用的金屬氧化物為氧化銦 錫（ITO)、氧化銦鎵鋅（IGZO)、氧化鎵鋅（GZO)、ZnO中的至少一種。
[0020] 本發明解決上述技術問題的另一技術方案如下：
[0021] 一種基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片的制備方法，制備方法步驟如下：
[0022] 1)在制備完成基于銅襯底的氮化物LED外延片后，使用穿孔工藝，從銅襯底的背 面開孔至緩沖層或n型電子注入層；
[0023] 2)制作金屬溝道結構實現與n型電子注入層的歐姆接觸，同時也實現n型電子注 入層與銅襯底的導通，金屬溝道結構、銅襯底共同組成了n型電極；
[0024] 3)在p型空穴注入層頂部制作p型電極。
[0025] 進一步，所述穿孔工藝為激光鉆孔工藝或干法刻蝕工藝。
[0026] 所述激光鉆孔工藝的光源為脈沖激光器，且單個激光脈沖寬度小于1(T6秒。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片的結構示意圖；
[0028] 圖2為本發明基于銅襯底的氮化物LED外延片結構進行穿孔工藝后的截面示意 圖；
[0029] 圖3為本發明基于銅襯底的氮化物LED外延片結構制作完n電極后的截面示意 圖；
[0030] 圖4為實施例1中基于銅襯底的氣化物LED外延片的結構不意圖；
[0031] 圖5為實施例1中基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片的溝道結構的截面示意圖；
[0032] 圖6為實施例2中基于銅襯底的氣化物LED外延片的結構不意圖；
[0033] 圖7為實施例3中基于銅襯底的氣化物LED外延片的結構不意圖；
[0034] 圖8為實施例4中基于銅襯底的氣化物LED外延片的結構不意圖。
【具體實施方式】
[0035] 以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并 非用于限定本發明的范圍。
[0036] 一種基于銅襯底的氮化物LED垂直芯片，如圖1所示，包括n型電極、二維衍生膜、 氮化物外延層和P型電極，所述二維衍生膜附著在所述n型電極上，所述氮化物外延層附著 在所述二維衍生膜上，所述P型電極附著在所述氮化物外延層上；其中，
[0037] 所述二維衍生膜及氮化物外延層均為基于銅襯底的氮化物LED外延片結構的二 維衍生膜及氮化物外延層；
[0038] 所述基于銅襯底的氮化物LED外延片結構包括銅襯底、二維衍生膜及氮化物外延 層，所述二維衍生膜位于所述銅襯底及所述氮化物外延層之間，且所述二維衍生膜附著在 所述銅襯底的表面上，所述氮化物外延層附著在所述二維衍生膜上。
[0039] 所述銅襯底為僅由金屬銅材質組成的自支撐薄片，或者為其它材質襯底上附著一 層或兩層以上的金屬薄膜組成的復合襯底；所述其它材質包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鎵、 氮化鋁、氮化硼、鍺、二氧化硅、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅、氧化鎵、尖晶石、鋁酸鋰、鋁鎂酸鈧、 鎵酸鋰、鋁鎂酸鈧、鈮酸鋰、硼化鋯或硼化鉿中的至少一種；所述金屬薄膜由至少一層金屬 銅薄膜組成；或者所述金屬薄膜的材質為Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh、W、Ti、Sn、Au、Al或 Pd中的任意一種或兩種以上的混合，且至少有一層金屬銅薄膜處于所述復合襯底的最表 層。
[0040] 所述二維衍生膜由一層或兩層以上的二維納米片材料構成，且所述二維納米片材 料包括石墨烯、六方氮化硼中的任意一種或兩種的組合。所述二維衍生膜的原子呈六角蜂 窩狀排布。
[0041] 石墨烯、六方氮化硼是新型二維納米片材料，它們的原子之通過SP2電子軌道連接 在一起，可使用它們制作二維衍生膜。通常，石墨烯或六方氮化硼材料由一層或多層構成， 表現優異的電學、熱學和力學機械性能。此外，由于石墨烯或六方氮化硼具有六角密排的原 子格位，與纖鋅礦結構的氮化物晶體中各層原子的排布情形相同，因此在石墨烯或六方氮 化硼上進行氮化物外延生長能實現較高的晶體質量。
[0042] 所述氮化物外延層由從下至上依次疊加的緩沖層、n型電子注入層、有源層和p型 空穴注入層構成，且所述緩沖層附著在所述二維衍生膜上。所述緩沖層的厚度為0.001? 10ym;所述n型電子注入層的厚度為0. 1?20ym;所述有源層的厚度為1?2000nm;戶斤 述P型空穴注入層的厚度為0. 05?5ym。
[0043] 所述緩沖層包括至少一個緩沖層子層，所述緩沖層子層由氮化物AlJiiyGa^N中 的至少一種構成，其中，0彡X，y彡1，x+y彡1 ;