专利名称：一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种GaN基垂直发光二极管，特别是一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管及其制备方法。
背景技术：
目前大多数的GaN基外延主要是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石导电性能差，普通的GaN基发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在n-GaN层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞，产生热量；另外，蓝宝石衬底的导热性能低，因此限制了GaN基器件的发光功率及效率。将蓝宝石衬底去除，并将发光器件做成垂直结构可以有效解决散热、出光以及抗静电等问题。对于垂直发光二极管，有源层向下发射的光经P型外延接触金属反射后向上从n型外延表面出光，因此为了得到高效垂直发光二极管，需要在p型GaN基外延底部制作高反射率欧姆接触金属层，以减少有源层向下发射的光被金属层吸收。对于可见光波段，在所有金属材料中银(Ag)反射率最高，且能够与p型GaN基外延层形成良好的欧姆接触，但是Ag的缺点是与半导体的粘附性差、电和热稳定性差、易被氧化及化学腐蚀等。对于制作垂直结构的发光二极管，在剥离掉蓝宝石衬底前通常将GaN基外延通过加热加压方式转移到Si或金属基板上，若是反射镜Ag表面缺乏有效的阻挡和保护，此高温转移过程会促进Ag的氧化及Ag与焊接金属材料间的互扩散，导致Ag的光反射率下降、接触电阻变大，降低了器件的发光效率。而具有优良散热基板的垂直结构发光二极管更倾向于应用在大电流、高电压场合，因此对阻挡层的要求非常高，如果阻挡层工艺窗口不够大，抗长期老化的能力差，则器件长期工作后将产生光效下降甚至失效等现象。
发明内容
为解决上述因反射镜Ag稳定性差及Ag与焊料金属间的互扩散导致垂直发光二极管的光效和电、热的长期稳定性及可靠性的问题，本发明创新地提出一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管及其制备方法。
—种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管，包括 —散热基板， 散热基板下表面形成下电极， 散热基板上表面形成上焊接金属， GaN基外延下表面形成p型欧姆接触反射金属膜， GaN基外延上表面形成上电极， 其特征在于反射金属膜下表面形成复合堆叠式阻挡层金属，按顺序包括两个或
两个周期以上的第一阻挡层金属、第二阻挡层金属、第三阻挡层金属以及一个或一个周期
以上的第四阻挡层金属、第五阻挡层金属； 多层堆叠式阻挡层金属下表面形成下焊接金属；
GaN基外延通过下焊接金属与散热基板上焊接金属连接在散热基板上。
本发明制备上述垂直发光二极管的方法，其步骤是 1)在蓝宝石衬底上外延生长GaN基蓝光LED发光材料，发光材料依次包括n型GaN基半导体层、活性层和P型GaN基半导体层； 2)在p型GaN基半导体层上沉积欧姆接触反射金属膜，包含Ag或者Ag的合金；
3)在上述反射金属膜上沉积第一阻挡层金属；
4)在第一阻挡上沉积第二阻挡层金属； 5)在第二阻挡层金属上重复沉积第一阻挡层金属，进一步包括重复沉积第二阻挡
层金属，重复周期两个或两个以上； 6)在步骤5)之后沉积第三阻挡层金属； 7)在第三阻挡层金属上方顺序沉积第四阻挡层金属和第五阻挡层金属，重复周期一个或一个以上； 8)在上述多层阻挡层金属上方沉积上焊接金属，包含Au或者Au的合金；
9)取一散热基板并在其上表面沉积下焊接金属，包含Au或者Au的合金；
10)通过加温加压方式将步骤1) 6)形成的GaN基外延膜焊接到完成步骤7)的散热基板上； 11)将蓝宝石衬底去除； 12)在n型GaN基半导体层表面中央区域沉积上电极；
13)在散热基板下表面沉积下电极。 本发明的GaN基LED发光材料是通过金属有机气相化学沉淀(M0CVD)方法形成；散热基板制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。第一阻挡层金属选自W、 Ta、 TaN、 WN、 TiN、WTi、 WTiN或前述的任意组合之一，厚度10 500nm。第二阻挡层金属选自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。在步骤5)之后进一步包括对Ag进行高温热退火处理，退火温度400 50(TC，退火时间10 30min。第三阻挡层金属选自Pd、Ni、Co或前述的任意组合之一，厚度10 1000nm。第四阻挡层金属选自Cr、 Ti、 W、 Ta、 TaN、 WN、 TiN、 WTi、 WTiN或前述的任意组合之一，厚度10 500nm。第五阻挡层金属选自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。阻挡层金属沉积方式采用蒸镀、溅射或化学沉积。其中焊接方式可以采用熔融键合或共晶键合晶圆键合技术。其中的蓝宝石衬底去除方式选用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或前述中的任意两种技术结合。上电极和下电极沉积方式采用蒸镀、溅射或化学沉积。
本发明方法中步骤3)至步骤8)是本发明的创新之处，蒸镀多层不同的高熔点金属材料形成堆叠式阻挡层金属结构，其中①第一阻挡层金属较第二阻挡层金属具有更高的熔点，其对Ag和第二阻挡层金属的互扩散起阻挡作用，抑制其热和电的扩散导致的Ag反射率下降及欧姆接触退化；同时采用含Ti或Ta的高熔点合金材料作为第一阻挡层金属可以提高第二阻挡层金属与Ag的黏附力。②采用抗腐蚀较好的高熔点材料作为第二阻挡层金属，可以保护Ag不受工艺过程化学药品腐蚀。③步骤5)重复交替沉积第一阻挡层金属和第二阻挡层金属方式，可以降低热应力对金属间粘附性的破坏，避免单层金属沉积过厚容易出现剥落。 步骤6)通过高温热退火处理，促进Ag与p型GaN表面形成欧姆接触，并改善其与GaN基外延的粘附性；由于第一阻挡层金属和第二阻挡层金属的熔点较高，具有较好的抗氧化性，可以阻止高温退火过程氧原子进入Ag层，阻止Ag受氧化后对Ag的反射率及与P型GaN外延接触的破坏。⑤第三阻挡层金属较第一和第二阻挡层金属具有更好地阻挡焊料金属内扩散的特性，阻止焊料金属的内扩散对Ag的反射率及与p型接触电阻的破坏。⑥第三阻挡层若沉积厚度过厚，则因为应力过大可能导致剥落(peeling)，若厚度不够，不足以完全阻挡焊料金属的内扩散，会对Ag的反射率及p型GaN接触造成破坏，而且焊料金属内扩散也会影响到GaN基外延与散热基板间的焊接强度，因此在第三阻挡层金属上方继续沉积第四及第五阻挡层金属一方面可以解决上述因应力及焊料内扩散导致的问题，其中采用较高熔点的金属材料作为第四阻挡层金属，不仅可以提高第五阻挡层金属与第三阻挡层金属的黏附力，也可以抑制它们之间热和电的扩散。通过步骤3) 8)形成的新型复合堆叠式阻挡层金属结构是充分考虑了阻挡扩散特性、抗腐蚀性、抗氧化性、粘附性及热稳定性，对各阻挡层金属的进行连接组合，完全有效的阻挡Ag与焊料金属的互扩散，保证Ag具有高的反射率及低接触电阻，同时保证了 GaN基外延与散热基板的焊接强度，实现高光效垂直结构发光二极管的电、热的长期稳定性和可靠性。 本发明的有益效果是创新地采用新型复合堆叠式的阻挡层金属结构，综合考虑了金属阻挡扩散特性、抗腐蚀性、抗氧化性、粘附性及热稳定性，能完全有效阻止Ag的氧化及阻挡Ag与焊料金属的互扩散，保证Ag具有高的反射率及低接触电阻，同时保证了GaN基外延与散热基板间的连接强度，实现高效垂直结构发光二极管的电、热的长期稳定性和可靠性。
图la至图lg是本发明优选实施例的具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管的制备过程的截面示意 附图中部件说明 100 :蓝宝石衬底；110 :GaN基外延；120 :反射金属膜 130 :复合堆叠式阻挡层金属；131 :第一阻挡层金属；132 :第二阻挡层金属
133 :第三阻挡层金属；134 :第四阻挡层金属；135 :第五阻挡层金属；
140 :上焊接金属；150 :上电极；160 :下电极；200 :散热基板；
210:下焊接金属。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 如图lg所示的一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管，提供一散热基板200，散热基板200下表面形成下电极160，散热基板200上表面形成上焊接金属140，GaN基外延110下表面形成p型欧姆接触反射金属膜120，GaN基外延110上表面形成上电极150 ;反射金属膜120下表面形成复合堆叠式阻挡层金属130，按顺序包括第一阻挡层金属131、第二阻挡层金属132、第三阻挡层金属133、第四阻挡层金属134、第五阻挡层金属135 ;多层堆叠式阻挡层金属130下表面形成下焊接金属210 ;GaN基外延110通过下焊接金属210与散热基板上焊接金属140连接在散热基板200上。
上述的垂直发光二极管的制备方法步骤如下 如图la所示，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底100上外延生长GaN基LED发光材料110，发光材料依次包括n型GaN基半导体层、活性层和p型GaN基半导体层；
如图lb所示，采用电子束蒸镀在p-GaN表面上沉积反射金属膜120，选用Ag，厚度在100nm 120nm之间，并在氮气氛围下退火，退火温度400 500。C，退火时间10 30min，退火使反射金属膜120与p型GaN基半导体层形成良好的欧姆接触和粘着力；
如图lc所示，采用电子束蒸镀在反射金属膜120上交替沉积第一阻挡层金属131和第二阻挡层金属132，分别选用WTi(N)和Pt，厚度分别为100nm和50nm ;重复以上沉积4次(周期)；在顶部第二阻挡层金属132上方沉积第三阻挡层金属133，选用Ni，厚度为100nm ;在第三阻挡层金属133上方顺序沉积第四阻挡层金属134和第五阻挡层金属135，厚度分别为100nm和50nm ;至此形成复合堆叠式阻挡层金属结构130 ;
如图ld所示，采用电子束蒸镀在多层堆叠式阻挡层金属膜130顶部沉积上焊接金属140，选用Ti/Au，厚度为50/1000nm ;同时取一 Si衬底作为散热基板200，在其上的电子束蒸镀下焊接金属层210，材料选用Cr/Ni/Au/AuSn，厚度为20/50/150/500nm，其中AuSn比例为80 : 20 ; 如图le所示，采用共晶键合方式将上述制备好的GaN外延连接到Si基板200上，键和温度280。C，压力5000N ; 如图lf所示，采用248nm KrF准分子激光剥离去除蓝宝石衬底IOO，激光能量密度约lj/cm2 ; 如图lg所示，在n型GaN基半导体层上电子束蒸镀上电极150，在Si基板200背面上电子束蒸镀下电极160，均选用Cr/Pt/Au。至此完成本发明垂直发光二极管的制备，其结构如图lg所示。
权利要求
一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管，包括一散热基板，散热基板下表面形成下电极，散热基板上表面形成上焊接金属，GaN基外延下表面形成p型欧姆接触反射金属膜，GaN基外延上表面形成上电极，其特征在于反射金属膜下表面形成复合堆叠式阻挡层金属，按顺序包括两个或两个周期以上的第一阻挡层金属、第二阻挡层金属、第三阻挡层金属以及一个或一个周期以上的第四阻挡层金属、第五阻挡层金属；多层堆叠式阻挡层金属下表面形成下焊接金属；GaN基外延通过下焊接金属与散热基板上焊接金属连接在散热基板上。
2. —种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管的制备方法，包括步骤1) 在蓝宝石衬底上外延生长GaN基蓝光LED发光材料，发光材料依次包括n型GaN基半导体层、活性层和P型GaN基半导体层；2) 在p型GaN基半导体层上沉积欧姆接触反射金属膜，包含Ag或者Ag的合金；3) 在上述反射金属膜上沉积第一阻挡层金属；4) 在第一阻挡上沉积第二阻挡层金属；5) 在第二阻挡层金属上重复沉积第一阻挡层金属，进一步包括重复沉积第二阻挡层金属，重复周期两个或两个以上；6) 在步骤5)之后沉积第三阻挡层金属；7) 在第三阻挡层金属上方顺序沉积第四阻挡层金属和第五阻挡层金属，重复周期一个或一个以上；8) 在上述多层阻挡层金属上方沉积上焊接金属，包含Au或者Au的合金；9) 取一散热基板并在其上表面沉积下焊接金属，包含Au或者Au的合金；10) 通过加温加压方式将步骤1) 6)形成的GaN基外延膜焊接到完成步骤7)的散热基板上；11) 将蓝宝石衬底去除；12) 在n型GaN基半导体层表面中央区域沉积上电极；13) 在散热基板下表面沉积下电极。
3. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是GaN基LED发光材料是通过金属有机气相化学沉淀(MOCVD)方法形成；散热基板制备材料选自GaAs、Ge、Si、Cu或Mo。
4. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是第一阻挡层金属选自W、Ta、TaN、WN、TiN、WTi、WTiN或前述的任意组合之一，厚度10 500nm。
5. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是第二阻挡层金属选自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。
6. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是在步骤5)之后进一步包括对Ag进行高温热退火处理，退火温度400 50(TC，退火时间10 30min。
7. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是第三阻挡层金属选自Pd、Ni、Co或前述的任意组合之一，厚度10 1000nm。
8. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是第四阻挡层金属选自Cr、Ti、W、Ta、TaN、WN、TiN、WTi、WTiN或前述的任意组合之一，厚度10 500nm。
9. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是第五阻挡层金属选自Mo、 Nb、 Ru、 Rh或Pt，厚度10 500nm。
10. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是阻挡层金属沉积方式采用蒸镀、溅射或化学沉积。
11. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是其中焊接方式可以采用熔融键合或共晶键合晶圆键合技术。
12. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是其中的蓝宝石衬底去除方式选用激光剥离、研磨、湿法腐蚀或前述中的任意两种技术结合。
13. 如权利要求2所述的垂直发光二极管的制备方法，其特征是上电极和下电极沉积方式采用蒸镀、溅射或化学沉积。
全文摘要
本发明公开一种具有新型复合堆叠式阻挡层金属结构的垂直发光二极管及其制备方法，在有源层中的p型欧姆接触反射金属膜下与散热基板间积淀有新型复合堆叠式阻挡层金属结构，综合考虑了金属阻挡扩散特性、抗腐蚀性、抗氧化性、粘附性及热稳定性，能完全有效阻止Ag的氧化及阻挡Ag与焊料金属的互扩散，保证Ag具有高的反射率及低接触电阻，同时保证了GaN基外延与散热基板间的连接强度，实现高效垂直结构发光二极管的电、热的长期稳定性和可靠性。
文档编号H01L33/00GK101771114SQ20091001372
公开日2010年7月7日 申请日期2009年1月4日 优先权日2009年1月4日
发明者吴志强, 吴瑞玲, 张华 , 林雪娇, 洪灵愿, 潘群峰, 陈文欣 申请人:厦门市三安光电科技有限公司