一种应力可调的垂直结构LED芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种应力可调的垂直结构LED芯片，从下至上依次包括TiW基背金层、Si衬底、键合层、第一TiW基反射镜保护层、Ag基反射镜层、LED外延片和Ti/Al/W/Au的n电极层；LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层。本发明专利技术还提供一种应力可调的垂直结构LED芯片的制备方法。本发明专利技术的垂直结构LED芯片采用溅射TiW基金属作为保护层，通过调节TiW基金属的应力来调节LED外延片的生长应力、生长衬底剥离时释放的应力，以及减薄转移衬底时释放的应力，降低或避免后续的不良影响。

【技术实现步骤摘要】
一种应力可调的垂直结构LED芯片及其制备方法
本专利技术涉及LED制造领域，尤其涉及一种应力可调的垂直结构LED芯片及其制备方法。
技术介绍
随着LED在照明领域的逐步应用，市场不再满足于小电流驱动的蓝宝石衬底的水平结构LED,垂直结构LED应用而生。相比较水平结构LED，垂直结构LED凭借其P、N电极分列两侧，电流垂直导通、衬底导电的特性，可以完美解决水平结构存在的导热性差、电流拥挤效应以及电极吸光效应，进而能够承受大电流超驱动。而反射镜的引入使垂直结构LED单面出光，使得垂直结构LED芯片的外量子效率较水平结构大幅提升，其随电流增大产生的发光效率降低的效应也得以解决，其稳定性大幅增强。而且垂直结构普遍采用成本低、易制备的硅衬底代替昂贵的蓝宝石，因而制造成本也大幅降低。因此，GaN基垂直结构LED是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势。在芯片制程中发现，LED外延层在硅衬底上生长时存在一定的翘曲或者残余应力，有些外延片应力为张应力，如图1所示；有些外延片为压应力，如图2所示，于是在键合过程中会存在如图1-1和图2-1的键合孔隙和翘曲，这样便会会造成键合的破片或者键合不牢；同时由于生长在GaN层上的Ag与GaN的热膨胀系数相差很大，因此在Ag反射镜的退火过程中会引入较大的热压应力，因此也会在后续工艺制程中带来翘曲或其他不良影响。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种应力可调的垂直结构LED芯片，该垂直结构LED芯片采用溅射TiW基金属作为保护层，通过调节TiW基金属的应力来调节LED外延片的生长应力、生长衬底剥离时释放的应力，以及减薄转移衬底时释放的应力，降低或避免后续的不良影响。本专利技术的目的之二在于提供一种应力可调的垂直结构LED芯片的制备方法，该方法能够通过调节溅射气压和功率来调节溅射TiW基金属的薄膜应力，获得一个超宽的应力变化范围，在-1000～+800MPa之间，可以在压应力和张应力之间来回切换，适合于各种应力状况的外延薄膜。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种应力可调的垂直结构LED芯片，从下至上依次包括TiW基背金层、Si衬底、键合层、第一TiW基反射镜保护层、Ag基反射镜层、LED外延片和Ti/Al/W/Au的n电极层；LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层；所述Si衬底以(111)面为外延面；所述n型掺杂GaN层的厚度为1～5μm，掺杂浓度为(1～10)×1018cm-3；所述InGaN/GaN量子阱层为1～18个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为1～10nm，GaN垒层的厚度为1～18nm；所述p型掺杂GaN层的厚度为100～600nm，掺杂浓度为(3～9)×1017cm-3。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种应力可调的垂直结构LED芯片的制备方法，包括，LED外延片生长步骤：在Si衬底上外延生长LED外延片，LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层；溅射Ag基反射镜层步骤：在LED外延片的p型掺杂GaN层表面使用磁控溅射得到Ag基反射镜层；退火步骤：将Ag基反射镜层放置于退火炉中进行退火；溅射应力可调TiW基保护层步骤：在退火后的Ag基反射镜层的表面溅射第一TiW基保护层；键合及衬底转移步骤：LED外延片上电子束蒸发键合层，然后在导电Si(100)衬底的抛光面蒸镀相同的键合层，再将包括Ag基反射镜层、第一TiW基保护层、键合层的LED外延片与导电Si(100)衬底键合在一起，键合面为LED外延片的键合层和导电Si(100)衬底上的键合层，再使用腐蚀液剥离原有Si衬底；衬底保护层溅射步骤：在导电Si(100)衬底上的非抛光面溅射第二TiW基保护层；制备PA层及n电极步骤：通过PECVD沉积SiO2钝化层，采用匀胶、光刻、显影标准光刻工艺，依次制备LED芯片上的n电极图案；再使用电子束蒸发设备，在LED外延片表面依次沉积Ti/Al/W/Au的n电极层；再去除多余电极金属，得到预处理LED芯片；减薄步骤：对导电Si(100)衬底进行减薄处理，将第二TiW基保护层减薄掉，再在导电Si(100)衬底上溅射TiW基背金层，得到垂直结构LED芯片。进一步地，溅射Ag基反射镜层步骤中，直流溅射功率为1～5kW，溅射气压为5～30×10-3mbar，溅射温度为75～90℃，溅射气体Ar气的流量为80～130sccmpershw；溅射得到的Ag基反射层的厚度为75～250nm，Ag基反射镜为AgNi、AgAl、AgMg和AgCu中的一种或者任意组合。进一步地，退火步骤中，退火氛围为N2/O2混合气氛，O2与N2的流量比为1：(1～5)；退火的温度为300～600℃，退火时间为30～270秒。进一步地，溅射应力可调TiW基保护层步骤中，第一TiW基保护层的直流溅射功率3～6kW，溅射气压为(6～28)×10-3mbar，溅射温度为80～90℃，溅射气体Ar气的流量为80～120sccmpershw；第一TiW基保护层的厚度为200～2000nm；第一TiW合金的应力可调范围为-1000～800MPa。进一步地，键合及衬底转移步骤中，键合的温度为300～550℃，压力为2000～5000mbar，键合时间为20～40分钟；腐蚀液为氢氟酸与硝酸以体积比为1：(1～4)的混合液。进一步地，衬底保护层溅射步骤中，第二TiW基保护层的直流溅射功率为2～4kW，溅射气压为(5～18)×10-3mbar，溅射温度为70～80℃，溅射气体Ar气的流量为60～110sccmpershw；第二TiW基保护层的厚度为300～1000nm；第二TiW合金的应力可调范围为-1000～+800MPa。进一步地，制备PA层及n电极步骤中，Ti/Al/W/Au的n电极层中Ti厚度为10～50nm，Al厚度为1～3μm，W厚度为300～600nm；匀胶时间为0.1～20秒，光刻时间为1～50秒，显影时间为20～300秒。进一步地，减薄步骤中，减薄处理的速率为0.8～1.25μm/s，减薄后导电Si(100)衬底的剩余厚度不小于其初始厚度的1/4。进一步地，减薄步骤中，TiW基背金层的直流溅射功率为2～4kW，溅射气压为(5～18)×10-3mbar，溅射温度为70～80℃，溅射气体Ar气的流量为60～110sccmpershw；溅射TiW基背金层的厚度为300～1000nm；TiW合金的应力可调范围为-1000～+800MPa。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术应力可调的垂直结构LED芯片，该垂直结构LED芯片采用溅射TiW基金属作为保护层，通过调节TiW基金属的应力来调节LED外延片的生长应力、生长衬底剥离时释放的应力，以及减薄转移衬底时释放的应力，降低或避免后续的不良影响；(2)本专利技术的应力可调的垂直结构LED芯片，采用溅射TiW金属作为反射镜保护层，既可发挥其耐腐蚀性好，防扩散性好，防漏电好的优势，又能够兼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力可调的垂直结构LED芯片，其特征在于，从下至上依次包括TiW基背金层、Si衬底、键合层、第一TiW基反射镜保护层、Ag基反射镜层、LED外延片和Ti/Al/W/Au的n电极层；LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层；所述Si衬底以(111)面为外延面；所述n型掺杂GaN层的厚度为1～5μm，掺杂浓度为(1～10)×1018cm‑3；所述InGaN/GaN量子阱层为1～18个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为1～10nm，GaN垒层的厚度为1～18nm；所述p型掺杂GaN层的厚度为100～600nm，掺杂浓度为(3～9)×1017cm‑3。

【技术特征摘要】
1.一种应力可调的垂直结构LED芯片，其特征在于，从下至上依次包括TiW基背金层、Si衬底、键合层、第一TiW基反射镜保护层、Ag基反射镜层、LED外延片和Ti/Al/W/Au的n电极层；LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层；所述Si衬底以(111)面为外延面；所述n型掺杂GaN层的厚度为1～5μm，掺杂浓度为(1～10)×1018cm-3；所述InGaN/GaN量子阱层为1～18个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为1～10nm，GaN垒层的厚度为1～18nm；所述p型掺杂GaN层的厚度为100～600nm，掺杂浓度为(3～9)×1017cm-3。2.一种应力可调的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于包括，LED外延片生长步骤：在Si衬底上外延生长LED外延片，LED外延片包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱层，生长在InGaN/GaN量子阱层上的p型掺杂GaN层；溅射Ag基反射镜层步骤：在LED外延片的p型掺杂GaN层表面使用磁控溅射得到Ag基反射镜层；退火步骤：将Ag基反射镜层放置于退火炉中进行退火；溅射应力可调TiW基保护层步骤：在退火后的Ag基反射镜层的表面溅射第一TiW基保护层；键合及衬底转移步骤：LED外延片上电子束蒸发键合层，然后在导电Si(100)衬底的抛光面蒸镀相同的键合层，再将包括Ag基反射镜层、第一TiW基保护层、键合层的LED外延片与导电Si(100)衬底键合在一起，键合面为LED外延片的键合层和导电Si(100)衬底上的键合层，再使用腐蚀液剥离原有Si衬底；衬底保护层溅射步骤：在导电Si(100)衬底上的非抛光面溅射第二TiW基保护层；制备PA层及n电极步骤：通过PECVD沉积SiO2钝化层，采用匀胶、光刻、显影标准光刻工艺，依次制备LED芯片上的n电极图案；再使用电子束蒸发设备，在LED外延片表面依次沉积Ti/Al/W/Au的n电极层；再去除多余电极金属，得到预处理LED芯片；减薄步骤：对导电Si(100)衬底进行减薄处理，将第二TiW基保护层减薄掉，再在导电Si(100)衬底上溅射TiW基背金层，得到垂直结构LED芯片。3.如权利要求2所述的应力可调的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，溅射Ag基反射镜层步骤中，直流溅射功率为1～5kW，溅射气压为5～30×10-3mbar，溅射温度为75～90℃，溅射气体Ar气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：河源市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44