一種硅襯底氮化物紫外led芯片結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，尤其是一種LED芯片結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相比于傳統(tǒng)紫外萊燈，氮化物紫外LED(LightEmitting D1de，發(fā)光二極管)具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、緊湊性好等多方面優(yōu)勢(shì)，在殺菌消毒、水體凈化、紫外光固化、植物光照以及珠寶鑒定等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有的紫外LED—般都是基于藍(lán)寶石襯底的紫外LED產(chǎn)品。由于藍(lán)寶石襯底本身的絕緣性質(zhì)，以及導(dǎo)熱性不好，現(xiàn)有LED產(chǎn)品具有以下不足:(I)基于藍(lán)寶石襯底的水平結(jié)構(gòu)的紫外LED芯片散熱不好，且外延層中的GaN(氮化鎵)容易吸收有源區(qū)的紫外光，只適用于小尺寸的小功率芯片，不適合大功率條件下使用，例如光固化；(2)基于藍(lán)寶石襯底的垂直結(jié)構(gòu)紫外LED芯片制備過(guò)程中需要采用激光剝離工藝去除藍(lán)寶石襯底，工藝良率低，成本高，且同樣具有散熱不好的缺點(diǎn)。
[0004]為了克服藍(lán)寶石襯底紫外LED的不足，也有人提出用高導(dǎo)熱性的AlN(氮化鋁)襯底來(lái)制備紫外LED，但AlN襯底價(jià)格過(guò)于昂貴，目前難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上缺點(diǎn)，本發(fā)明提高了一種硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法，其在熱導(dǎo)率高的硅襯底上生長(zhǎng)紫外LED外延結(jié)構(gòu)，并制備硅襯底紫外LED垂直結(jié)構(gòu)芯片，具有散熱好，芯片良率高，成本低的優(yōu)勢(shì)。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0007]—種硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)，從下往上依次為:支撐基板、鍵合層、反射層、外延結(jié)構(gòu)、粗化層、η電極。所述外延結(jié)構(gòu)包括:n型電流擴(kuò)展層、有源區(qū)準(zhǔn)備層、有源區(qū)發(fā)光層、電子阻擋層、P型電流擴(kuò)展層以及P型歐姆接觸層。其直接在熱導(dǎo)率高的硅襯底上生長(zhǎng)紫外LED外延結(jié)構(gòu)，并在此外延結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制備硅襯底紫外LED垂直結(jié)構(gòu)芯片。
[0008]所述有源區(qū)發(fā)光層為InxAlyGaix-yN/IrWUbGaitbN(銦鎵鋁氮)多量子阱結(jié)構(gòu)，其中，0$x$l，0$ygl，0$a$l，0$b$l;
[0009]所述電子阻擋層為單層AlxGai—xN層，或者多層AlxGa1-xN/AlyGai—yN層，其中，O S x SUO^y^l；
[0010]所述P型電流擴(kuò)展層為Mg摻雜的AlxGaiiN層，其中，0SxSl;
[00?1 ] 所述ρ型歐姆接觸層為Mg摻雜的InxAlyGa1-X—yN層，其中，OSxSl，OSySl;
[0012]所述η型電流擴(kuò)展層為娃摻雜的η型AlyGa1-yN層，其中，O Sy SI。
[0013]所述粗化層為表面具有尖峰的AlxGa^N層，其中，OS x S I;且所述粗化層的厚度為500?1500nm。
[0014]所述支撐基板為硅基板或銅基板或鉬銅基板;優(yōu)選的為厚度400_500um的硅基板或厚度為100-150um的鉬銅基板。
[0015] 所述鍵合層為Au-Sn (金-錫)或N1-Sn (鎳-錫)或Au-Au或N1-Ge (鎳-鍺)或ACF(Anisotropic Conductive Film,異方性導(dǎo)電膠膜)導(dǎo)電導(dǎo)熱薄膜;優(yōu)選的2_3um的Au-Sn或N1-Sn鍵合層。
[ΟΟ?6] 所述反射層的材料為N1、Al、ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)及Ag(銀)中的一種或多種，且所述反射層的厚度范圍為20?250nm(納米)；優(yōu)選的為Ni/Ag、Ni/Al，在常溫條件下蒸鍍，厚度為150nmo
[ΟΟ?7] 所述η電極為Cr (絡(luò))、Al、Au、Pt(鈾)以及Ti中的一種或多種金屬，且所述η電極的厚度范圍為1000?4000nm。優(yōu)選的組合為Cr/Al/Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Pt/Au，厚度為3000nm。
[0018]本發(fā)明提供了一種硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用于上述硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)，所述實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟:
[0019]SI制備外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)中包括生長(zhǎng)襯底和應(yīng)力控制層；
[0020]S2對(duì)所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理；
[0021]S3在所述外延結(jié)構(gòu)上沉積反射層，并對(duì)所述反射層做圖形化處理；
[0022]S4在圖形化后的反射層上沉積鍵合層；
[0023]S5利用鍵合技術(shù)將沉積了鍵合層的外延結(jié)構(gòu)與支撐基板鍵合；
[0024]S6去除所述生長(zhǎng)襯底和部分所述應(yīng)力控制層；
[0025]S7對(duì)所述應(yīng)力控制層進(jìn)行粗化形成粗化層；
[0026]S8在所述粗化層表面制作用于導(dǎo)電的格柵和負(fù)極焊盤，完成所述硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的制備。
[0027]所述的硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，在步驟SI中具體包括:
[0028]依次在生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)應(yīng)力控制層、η型電流擴(kuò)展層、有源區(qū)準(zhǔn)備層、有源區(qū)發(fā)光層、電子阻擋層、P型電流擴(kuò)展層以及P型歐姆接觸層形成外延結(jié)構(gòu)。
[0029]所述的硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述應(yīng)力控制層由多層AlxcapxN層構(gòu)成，其中，每層所述AlxGapxN層中X的取值范圍為OSxSl，且各層之間的Al組分采用突變、線性連續(xù)漸變或非線性連續(xù)漸變的方式進(jìn)行過(guò)渡;或，所述應(yīng)力控制層由AlxIGapxlN和Alx2Gai—χ2Ν組成的超晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，O S xl SI，O S x2 SI。
[0030]所述的硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述η型電流擴(kuò)展層中包括η型AlGaN ；
[0031]在步驟S6中，具體包括:
[0032]S61去除所述生長(zhǎng)襯底；
[0033]S62逐步去除所述應(yīng)力控制層，直到暴露出所述η型電流擴(kuò)展層中的η型AlGaN。
[0034]所述的硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，在步驟S7中，所述應(yīng)力控制層的厚度為1500?2500nm;所述粗化層的厚度(尖峰到谷底)為500?lOOOnm。
[0035]本發(fā)明提供的硅襯底氮化物紫外LED芯片結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，具有如下優(yōu)勢(shì):
[0036]第一，在芯片結(jié)構(gòu)上避免了用ICP直接刻蝕AlGaN層，導(dǎo)致LED開(kāi)啟電壓高;第二，可以使用濕法腐蝕的方法去除硅襯底，對(duì)外延結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，容易實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)芯片，工藝良率高，適合大規(guī)模生產(chǎn);第三，硅襯底紫外LED可以大幅度降低外延成本，尤其是容易實(shí)現(xiàn)大尺寸襯底上的紫外LED生長(zhǎng);第四，硅襯底有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，硅基紫外LED更容易和驅(qū)動(dòng)電路以及其他模塊進(jìn)行集成;第五，粗化層，把有源區(qū)發(fā)光層里的光子通過(guò)漫反射更多的提取出來(lái);第六，該結(jié)構(gòu)避免了 GaN等吸光材料，減少了芯片本身對(duì)紫外光線的吸收，尤其是深紫外光線的吸收。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1為本發(fā)明提供的一種硅基紫外LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖2為本發(fā)明提供的一種硅襯底紫外LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖3(包括圖3a_圖3g)為本發(fā)明提供的硅基紫外LED的實(shí)現(xiàn)方法。
[0040]附圖標(biāo)記:51-硅襯底層，52-應(yīng)力控制層，53-n型電流擴(kuò)展層，54-應(yīng)力緩沖層，55-量子阱有源區(qū)發(fā)光層，56-電子阻擋層，57-p型電流擴(kuò)展層，58-p型歐姆接觸層，1-支撐基板，2-鍵合層，3-反射層，4-p型歐姆接觸層，5-外延結(jié)構(gòu)，6-粗化層，7-n電極層，al_硅襯底層，a2-應(yīng)力控制層，a3-p型歐姆接觸層，b4_反射層，c5_鍵合層，d6_支撐基板，f7_粗化層，g8-負(fù)電極，g9-格柵。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面參照附圖，結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0042]如附圖1所示，本發(fā)明提供的外延結(jié)構(gòu)5依次包括:硅襯底層51、應(yīng)力控制層52、n型電流擴(kuò)展層53、應(yīng)力緩沖層54、量子阱有源區(qū)發(fā)光層55、電子阻擋層56、p型電流擴(kuò)展層57、p型歐姆接觸層58。
[0043]其中，所述應(yīng)力控制層52包括一層或者多層AlxGahN層，其中，OSx S I;且應(yīng)力控制層采用多層組分逐漸降低的AlxGa^N層，組分降低的方式可以是漸變或者突變的；總厚度大于或等于100nm(納米)、小于或等于2000nm。在一個(gè)具體實(shí)施例中，該應(yīng)力控制層52中直接和硅襯底層51接觸的第一層為AlN層(即，在AlxGapxN層中，x=l)。
[0044]基于上述外延結(jié)構(gòu)，如附圖2所示為本發(fā)明提供的LED芯片結(jié)構(gòu)【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，在該LED芯片結(jié)構(gòu)中從下到上依次包括:支撐基板層1、鍵合層
2、反射層3、p型歐姆接觸層4、外延結(jié)構(gòu)5、粗化層6、n電極層7。
[0045]在本實(shí)施方式中，上述支撐基板層I為硅襯底或銅支撐基板或鉬銅支撐基板，在具體實(shí)施例中使用厚度為400-500um(微米)的硅襯底或厚度為100-150um的鉬銅支撐基板。
[0046]在本實(shí)施方式中，上述鍵合層2為AuSn、NiSn、AuAu、NiGe等導(dǎo)電導(dǎo)熱層，在具體實(shí)施例中可選用2-3um厚的AuSn、或者2-3um厚的NiSn層作為導(dǎo)電導(dǎo)熱層，鍵合溫度為280-350°C(攝氏度)。具體，若制備直徑為2英寸的LED芯片，則在該鍵合過(guò)程中，使用500-800kg的鍵合壓力。
[0047]在本實(shí)施方式