[发明专利]一种GaN基垂直结构LED芯片结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及大功率GaN基垂直结构LED LED芯片结构及其制备方法，尤其是指高反射率ITO/Ag p型电极的低温键合工艺。

背景技术

作为下一代通用及专用照明器件，大功率LED(High-power LEDs)正获得业界极大关注和发展。就GaN基LED而言，器件通常是外延生长在C面(0001)蓝宝石衬底之上的。如图1所示的GaN基传统结构LED芯片。其包括蓝宝石衬底7′、位于蓝宝石衬底7′上的n-GaN层5′、位于部分n-GaN层5′上的n型pad电极6′、位于部分n-GaN层5′上的有源区4′、位于有源区4′上的p-GaN层3′、位于p-GaN层3′上的ITO层2′以及位于ITO层2′上的p型pad电极1′。

由于蓝宝石衬底是绝缘材料，迫使人们采用p和n电极横向排布的传统结构，减少了器件出光面积，降低了器件的耐压特性。更为严重的是，蓝宝石热导性能很差，导致器件大电流注入条件下效率急剧下降。因此，剥离蓝宝石衬底将器件结构转移至具有良好导电、导热特性的支撑衬底，制成上下电极的垂直结构LED，是当前GaN基高亮度LED的主流实现途径.如图2是GaN基垂直结构LED芯片。其包括支撑衬底10、位于支撑衬底10上的金层9、位于金层9上的覆盖层8、位于覆盖层8上的ITO层2、位于ITO层2′上的p-GaN层3′、位于p-GaN层3′上的有源区4′、位于有源区4′上的n-GaN层5′以及位于n-GaN层5′上的n型pad电极6′。

上述结构变化，给垂直结构带来了自身的特殊性，衬底剥离后，外延层与衬底之间的折射率差(n_外延层＞n_蓝宝石)不复存在，器件内部有源区随机射向非出光面的那部分光子只有通过高反射率的反射结构抽取，包括金属反射层(诸如Ag、Al)，电介质材料构成的布拉格分布反馈(DBR)层(诸如TiO₂/SiO₂、SiO₂/Si₃N₄等)。其中金属反射层本身具有极好的导电性和导热性，因此是大功率垂直结构器件的首选，通常与具有极高蓝绿光透光率的ITO一道构成p型反射电极结构，其质量的好坏至关重要，直接决定着器件效率的高低。

目前，器件外延结构转移主要依赖于电镀金属衬底及金属键合。较之电镀衬底，金属键合是一机械加压加温的干式过程，易于控制且无附加污染。所制成的LED晶圆具有不易翘曲，易于切割，产出率较高的优点。

常用于垂直结构LED的键合方法有以下两类：

(一)采用低共熔AuSn合金钎料(80wt％Au，20wt％Sn)，其熔点为280℃。这种方法虽然具有较高的产出率，且可避免热疲劳和弹性蠕变，但是也有诸多不足之处。1)AuSn难以通过弹性形变释放应力，易造成芯片开裂。2)AuSn键合通常需要300℃以上高温以确保合金充分熔化，会使得器件内对温度敏感的材料发生退化，比如Ag电极反射率的下降。3)如果衬底材料与芯片材料之间存在较大的热失配，这种方法亦会带来开裂或脱附。

(二)采用无需钎料，依靠材料表面相互作用力键合的方法，如Au-Au键合。Au-Au键合过程简单，在键合材料金相稳定性、高导电性等方面有着显著的优势。但这一方法亦有不足之处，键合结果易受Au表面污染的负面影响。在实际操作中，为了达到预期效果，往往需要同时施加较高的压力和温度(300℃以上)，并延长键合时间。这样既会降低产出率，亦会增大LED器件结构及支撑衬底的破损几率，降低其光电性能。

目前的键合工艺具体有以下几个难点：(1)为克服表面污染，采用长时高温条件导致ITO/Ag电极反射率显著劣化(2)在加温条件下ITO/Ag发生界面氧化反应导致电学特性退化，ITO/Ag附着性降低。(3)同时施加高温和高压，由于蓝宝石和支撑衬底之间巨大的热失配易导致键合晶圆开裂破碎。

鉴于此，有必要设计一种新的结构和方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种GaN基垂直结构LED芯片结构及其制备方法，用于大幅降低键合温度和压力，拓展工艺窗口，缩短键合时间。同时达到保证外延结构键合后的完整性和附着性，以及ITO/Ag p型电极的高反射率，以用于大功率GaN基垂直结构LED的制作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种GaN基垂直结构LED芯片结构，其包括设有第一Au层9的第一器件结构和表面蒸镀第二Au层11的支撑衬底10；第一金层9与第二金层11表面完全接触并紧密键合。