一種基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)led芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片，尤其涉及一種基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于激光剝離與鍵合技術(shù)的GaN基功率型薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管LED在大功率照明領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。該方案的關(guān)鍵步驟是將藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的GaN外延層在制備好P電極等P面結(jié)構(gòu)后，鍵合到Si或Cu等導(dǎo)電導(dǎo)熱的轉(zhuǎn)移襯底上，然后利用激光剝離技術(shù)去除作為生長(zhǎng)襯底的藍(lán)寶石，并在露出的N極性GaN表面，進(jìn)行表面粗化，然后制備n電極。鍵合技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)高粘結(jié)強(qiáng)度以保證成品率，需要有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力以降低電阻、提高管芯壽命；最后鍵合技術(shù)一般要實(shí)現(xiàn)一定的應(yīng)力釋放。在鍵合過(guò)程中，鍵合介質(zhì)的選擇直接影響了上述性能并進(jìn)而影響薄膜結(jié)構(gòu)LED的性能。
[0003]AuSn鍵合是功率型薄膜結(jié)構(gòu)LED制備工藝中常見(jiàn)的鍵合方法。AuSn鍵合技術(shù)一般采用共晶的金錫釬焊合金預(yù)成型片作為介質(zhì)層，在300?500°C的范圍內(nèi)將外延層與轉(zhuǎn)移襯底鍵合在一起。AuSn鍵合具有機(jī)械強(qiáng)度高、浸潤(rùn)性好、利于導(dǎo)熱導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，由于AuSn鍵合基于液固相變，固態(tài)時(shí)具有5相和〔相兩種穩(wěn)定相，液固相變過(guò)程中的擴(kuò)散的隨機(jī)性導(dǎo)致了相分布的無(wú)序和不可控（Mat. Sci.Eng. B, 175,213, (2010))應(yīng)力聚集，影響鍵合強(qiáng)度、鍵合金屬層的導(dǎo)熱率與導(dǎo)電率，在壓力下熔融的AuSn會(huì)向四周溢出，不利于后續(xù)工藝。
[0004]Au-Au鍵合也是功率型薄膜結(jié)構(gòu)LED制備中的常用技術(shù)手段。與AuSn鍵合不同，Au-Au鍵合不需要類似金錫釬焊合金作為預(yù)成型片，而是在外延層與轉(zhuǎn)移襯底表面分別蒸鍍1?3 y m的Au，鍵合溫度約300°C，略低于AuSn鍵合，但鍵合壓力超過(guò)AuSn鍵合三個(gè)數(shù)量級(jí)（約6000?8000kgf/wafer)，利用Au原子或晶粒再接觸界面熱擴(kuò)散得到緊密的鍵合。該方法工藝較簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。其不足之處在于，需要在高溫高壓下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以保證金屬界面的互擴(kuò)散充分完全，導(dǎo)致了光電子器件性能降低（IEEE Transactionson Electronics Packaging Manufacturing, 31 (2) : 159 (2008)) 0 最后，由于 Au 的價(jià)格昂貴，Au-Au鍵合增加了功率型薄膜結(jié)構(gòu)LED的制造成本。
[0005]銀基釬料是使用最廣的一類硬釬料。其熔點(diǎn)適中，能浸潤(rùn)很多金屬，具有良好的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。而SnAgCu，SnAg相比Ag導(dǎo)電膠體具有更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，是功率型LED封裝中使用較多的一類焊料。但是很少使用于外延層的鍵合。德國(guó)布倫瑞克科技大學(xué)Waag教授也有使用納米和微米Ag顆粒燒結(jié)的方法進(jìn)行功率型LED的封裝(IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, 2(2)：199(2012)) o由于LED封裝工藝的原因，Ag基金屬熔點(diǎn)溫度一般低于300°C，對(duì)于襯底剝離后的垂直薄膜結(jié)構(gòu)LED很難進(jìn)行氮面接觸的工藝，同時(shí)較低的合金恪點(diǎn)也會(huì)帶來(lái)工作可靠性的下降。雖然微納米Ag顆粒的鍵合可能解決上述問(wèn)題，但是其只在芯片鍵合上有報(bào)道，在外延層鍵合上沒(méi)有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決鍵合成本和可靠性的問(wèn)題，本發(fā)明提供了銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片及其制備方法，用于功率型薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片的制備。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片。
[0008]本發(fā)明的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片為基于鍵合與激光剝離的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，或者倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片。
[0009]對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，本發(fā)明的基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片單元包括：轉(zhuǎn)移襯底、鍵合金屬層、過(guò)渡層、反射層、P電極、LED外延層、n電極、n面出光錐和鈍化層；其中，在轉(zhuǎn)移襯底上從下至上依次為鍵合金屬層、過(guò)渡層、反射層、P電極和LED外延層；在LED外延層的一小部分上形成n電極；在LED外延層的表面除n電極以外的部分形成n面出光錐；反射層和n面出光錐構(gòu)成出光結(jié)構(gòu)；在芯片單元之間的激光劃道與刻蝕走道的側(cè)壁形成鈍化層；鍵合金屬層采用AgCuIn合金。
[0010]AgCuIn是含銅和銦的三元合金，具有良好的焊接性能，較低的蒸氣壓。有AgCuln30-5，AgCuIn24-15，AgCuln85-5，AgCuIn20-31 和 AgCuln27_10 等型號(hào)。它們的熔化溫度依次為 770 ?800°C、630 ?705°C、900 ?950°C、540 ?575°C和 685 ?730°C。其熔點(diǎn)溫度大于n面接觸的工藝溫度，配合低溫、較高壓力的鍵合工藝，可以用于功率型薄膜結(jié)構(gòu)LED的真空鍵合金屬。
[0011]本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片為氮面出光，LED外延層從上至下依次包括n型接觸層、n型層、多量子阱、p型層和p型接觸層；在n型接觸層的一小部分上形成n電極；粗化n型接觸層的表面除n電極以外的部分形成n面出光錐。LED外延層的厚度在2?100 y m之間。進(jìn)一步，在n型接觸層與n型層之間加入電流擴(kuò)展層，電流擴(kuò)展層的厚度由整個(gè)LED外延層的厚度決定，在10?80 ym之間。
[0012]進(jìn)一步，出光結(jié)構(gòu)還包括金屬納米結(jié)構(gòu)，周期性排列的金屬納米結(jié)構(gòu)嵌入在LED外延層的中P型層和P型接觸層中。金屬納米結(jié)構(gòu)包括納米孔、金屬納米顆粒和介質(zhì)包層；其中，納米孔形成在P型層和P型接觸層中；包裹著介質(zhì)包層的金屬納米顆粒位于納米孔中。
[0013]n電極采用鈀Pd、銦In、鎳Ni和金Au的金屬結(jié)構(gòu)，利用Pdln合金較低的金屬功函數(shù)以及高溫的穩(wěn)定性，阻止Ga原子的擴(kuò)散，顯著提高氮面歐姆接觸的性能。這樣形狀的n電極能有效改善芯片的電流擴(kuò)展特性，提高器件光效和可靠性。p電極采用透明的銦錫氧化物IT0。
[0014]對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片，本發(fā)明的基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片單元包括：LED外延層、n電極、p電極、反射層、鍵合金屬層、鈍化層和轉(zhuǎn)移襯底；其中，LED外延層從小至上依次包括n型接觸層、多量子阱區(qū)和p型接觸層；利用刻蝕的方法露出一部分n型接觸層，在露出的n型接觸層上制備n電極；在p型接觸層上制備p電極，p電極上制備反射層；鈍化層包裹在LED外延層的側(cè)壁和n電極的周圍，防止漏電；在反射層上沉積鍵合金屬層；鍵合金屬層將LED外延層和轉(zhuǎn)移襯底鍵合在一起。
[0015]鍵合金屬層采用的AgCuIn合金中，Ag的組分在40?50%之間，Cu的組分在40?50%之間，In的組分在10?20%之間。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片的制備方法。
[0017]對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，本發(fā)明的基于銀基金屬鍵合的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片單元的制備方法，包括以下步驟：
[0018]1)提供適合激光剝離工藝的生長(zhǎng)襯底，在生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)非摻GaN層，在非摻GaN層上依次生長(zhǎng)n型接觸層、n型層、多量子阱、p型層和p型接觸層，形成LED外延層；
[0019]2)在LED外延層上采用激光劃片劃分出分離的LED芯片單元，深入至生長(zhǎng)襯底，形成激光劃道，對(duì)激光劃道進(jìn)行清洗，去除側(cè)壁損傷區(qū)以及激光劃道內(nèi)的殘留物；
[0020]3)在LED外延層上生長(zhǎng)一層掩膜層，在掩膜層上刻蝕LED芯片單元，刻蝕至n型層，形成刻蝕走道，去除掩膜層露出P型接觸層，進(jìn)一步去除刻蝕損傷，然后去除掩膜層；
[0021]4)在LED外延層上再生長(zhǎng)鈍化層材料，采用光刻的方法制備出圖形并進(jìn)行濕法腐蝕，去除P型接觸層表面的鈍化層材料，保留激光劃道與刻蝕走道側(cè)壁的鈍化層材料，形成鈍化層；5)在p型接觸層的表面上蒸鍍p電極，然后在p電極的表面蒸鍍反射層和過(guò)渡層；
[0022]6)采用電子束蒸發(fā)的方式，在過(guò)渡層和轉(zhuǎn)移襯底的表面同時(shí)蒸鍍鍵合金屬，鍵合金屬的材料采用AgCuIn合金，然后對(duì)鍵合金屬進(jìn)行熱退火；
[0023]7)將蒸鍍了鍵合金屬的轉(zhuǎn)移襯底扣到形成在生長(zhǎng)襯底上的LED外延層上，在高溫高壓下，將轉(zhuǎn)移襯底與L