专利名称：发光二极管外延片、其制作方法及芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体照明技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片、其制作方法 及芯片的制作方法。
背景技术：
目前，由于半导体发光二极管(LED)在使用寿命、能量利用率等方面的优点，成为 替代传统光源的新型光源。对于半导体发光二极管来说，光的颜色与光的频率相对应，即与 半导体材料的禁带宽度相对应，氮化铟镓是蓝、绿、紫光LED理想的发光层材料，氮化镓的 禁带宽度达到3. 4电子伏，通过铟的掺杂，可以从0. 7至3. 4电子伏范围之间调制它的禁带宽度。
发光二极管的外延片包括在蓝宝石衬底上依次生长的缓冲层、N型半导体层、多量 子阱和P型半导体层。其中，半导体层可以是由III-V族元素构成的各种基层，例如氮化镓 (GaN)、砷化镓(GaAs)等。本申请文件以氮化镓发光二极管为例进行说明。
现有技术中氮化镓发光二极管外延片的制作，在金属有机源化学气相沉积 (MOCVD)设备中进行，该方法包括以下步骤
步骤11、在蓝宝石衬底上外延生长缓冲层；
步骤12、在所述缓冲层的表面外延生长N型氮化镓层；
步骤13、在所述N型氮化镓的表面外延生长多量子阱，该层为发光层；
步骤14、在所述多量子阱的表面外延生长P型氮化镓层。
需要注意的是，发光二极管的发光波长由多量子阱中铟含量多少决定。对于铟含 量为13%的多量子阱，生长温度一般为750摄氏度。铟含量对温度非常敏感，温度变化1K， 导致铟含量变化0. 3%，发光波长变化1. 5纳米。而MOCVD设备加热方式为底部加热，这样 设备腔体自下而上产生温度的梯度分布，越到设备腔体上部温度越低，从而使蓝宝石上下 表面有观的温度差，此温度差导致蓝宝石相对温度较高的下表面有更大的热膨胀，最终使 蓝宝石由平板形状向上翘曲变为碗形。温度梯度的存在使翘曲外延片的中心与边缘有10 微米高度差，7K温度差。所以底部加热的MOCVD设备会导致同一片外延片中心与边缘的发 光波长有1. 5X7 = 10. 5纳米的差异，即形成的LED芯片发光一致性很差。这样产品的良率 就比较低，而且由此导致LED芯片制造过程中研磨、抛光、划片、崩裂后，还需要点测、分选， 将不同波长的LED芯片分选出来，增加了生产步骤和生产成本。发明内容
有鉴于此，本发明的发明目的是提高LED芯片发光一致性。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的
本发明公开了一种发光二极管外延片的制作方法，采用金属有机源化学气相沉积 MOCVD设备，该方法包括
在蓝宝石衬底的背面形成背镀层；所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数；所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应；
在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层；
在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层；
在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱；
在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。
形成所述背镀层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、印刷或旋涂。
所述半导体层为氮化镓层。
所述背镀层为氮化铝层，当蓝宝石衬底的厚度为400微米时，所述氮化铝层的厚 度为0. 27 0. 31微米。
所述背镀层为铜钨合金。
当所述铜钨合金中铜的含量为10%，蓝宝石衬底的厚度为400微米时，铜钨合金 层的厚度为0.51 0. 56微米。
本发明还公开了一种由上述方法形成的发光二极管外延片，包括蓝宝石衬底和在 蓝宝石衬底正面依次形成的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层，其特征在于， 所述外延片还包括在蓝宝石衬底背面的背镀层。
本发明还公开了一种发光二极管芯片的制作方法，该方法包括
在蓝宝石衬底的背面形成背镀层；所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热 膨胀系数；所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应；
在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层；
在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层；
在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱；
在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层；
对蓝宝石衬底上P型半导体层和多量子阱的指定区域依次进行刻蚀，直至露出N 型半导体层；在露出的N型半导体层上制作N型电极；在P型半导体层上制作P型电极；
对蓝宝石衬底的背面进行背部减薄，去除所述背镀层及预定厚度的蓝宝石衬底。
由上述的技术方案可见，本发明提供了一种发光二极管外延片、其制作方法及芯 片的制作方法。主要是在蓝宝石背面背镀一层热膨胀系数小于蓝宝石的材料，通过此背镀 材料来平衡蓝宝石下表面的热膨胀，抑制蓝宝石的翘曲，从而保证蓝宝石上表面的平整，提 高外延片发光波长的一致性。
图1为本发明氮化镓发光二极管外延片制作方法的流程示意图。
图2为本发明氮化镓发光二极管外延片的结构示意图。
图3为背镀层为氮化铝时，蓝宝石表面的垂直高度分布示意图。
图4为背镀层为铜钨合金时，蓝宝石表面的垂直高度分布示意图。
图5为本发明氮化镓发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是在蓝宝石背面背镀一层热膨胀系数小于蓝宝石的材料，通 过此背镀材料来平衡蓝宝石下表面的热膨胀，抑制蓝宝石的翘曲，从而保证蓝宝石上表面 的平整，提高外延片发光波长的一致性。
发光二极管的外延片包括在蓝宝石衬底上依次生长的缓冲层、N型半导体层、多量 子阱和P型半导体层。其中，半导体层可以是由III-V族元素构成的各种基层，例如氮化镓、 砷化镓等。本发明实施例仍然以氮化镓发光二极管为例进行说明。
本发明氮化镓发光二极管外延片制作方法的流程示意图如图1所示，外延片的制 作仍然在MOCVD设备中进行，高纯氢气和氮气作为载气，镓(( )、铟an)、氮(N)源分别为 高纯三甲基镓(( )、三甲基铟(In)和氨气(NH3)。其包括以下步骤
步骤21、在蓝宝石衬底101的背面形成背镀层102 ；
本发明中作为背镀层102的材质，其热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数；而且 需要确保该材质在整个外延生长的高温过程中不会分解；不与外延生长所使用的金属有机 源，例如镓(Ga) JB an)、硅(Si)、镁(Mg)源，以及氨气、氢气和氮气发生反应，即在外延生 长过程中不与MOCVD设备中的其他物质发生化学反应。背镀层102的制作可以采用各种方 法，例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、印刷或旋涂等方法来实现。
举例来说，氮化铝(AlN)、铜钨合金等，都可以达到很好地平衡蓝宝石下表面的热 膨胀的效果。显然，本发明的背镀层材质包括氮化铝、铜钨合金，但不限于此，只要符合上述 条件即可。
步骤22、在蓝宝石衬底101的正面外延生长缓冲层103 ；
该缓冲层为在低温450°C 600°C下外延生长的一层非晶GaN层。
步骤23、在所述缓冲层103的表面外延生长N型氮化镓层104 ；
生长N型氮化镓层的温度为1050°C，N型氮化镓层可以掺硅，硅源可以为硅烷 (SiH4)等。
步骤M、在所述N型氮化镓层104的表面外延生长多量子阱105，该层为发光层；
在750°C的条件下生长所述氮化铟镓多量子阱。
步骤25、在所述多量子阱105的表面外延生长P型氮化镓层106。
生长P型氮化镓层的温度为1050°C，P型氮化镓层可以掺镁，镁源为二茂镁 (Cp2Mg)等。
至此，本发明能够获得均勻波长分布的的外延片已经制作完成，其结构示意图如 图2所示。
经过研究发现，为了获得均勻波长分布的的外延片，背镀层的厚度由背镀材料的 热膨胀系数和弹性模量来决定，根据蓝宝石衬底的厚度，将背镀层的厚度控制在一定范围 内，才能够有效抑制蓝宝石的翘曲，从而获得均勻波长分布的外延片。
本发明第一具体实施例中，以背镀层为氮化铝为例，其热膨胀系数为4. k-6/K，弹 性模量为270季帕(GPa)。在蓝宝石衬底厚度为400微米，AlN厚度为0. 27 0. 31微米时， 可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下，蓝宝石表面的垂直高度差为 0. 476微米以下，由温度引起的外延多量子阱的发光波长波动，即同一片外延片中心与边缘 的发光波长差异，减小到1纳米以下。5
图3为当背镀氮化铝的厚度为0. 28微米时，可以得到在目前MOCVD设备中750°C 时垂直温度场的情况下，蓝宝石表面的垂直高度分布。从图3中可以看出，越到蓝宝石的边 缘，其垂直高度越高，最高值达到1. 0421微米，其中心的垂直高度为0. 85275微米，从而可 以得到蓝宝石表面的垂直差减小到0. 2微米。与现有技术中，蓝宝石背面没有背镀层时相 比，其蓝宝石表面的垂直差大大减少，那么外延片中心与边缘的发光波长差异也就大大减 少。
本发明第二具体实施例中，以背镀层为含铜量为10%的铜钨合金为例，其热膨胀 系数为5. 7e-6/K,弹性模量为U8GPa。在蓝宝石衬底厚度为400微米，铜钨合金厚度为 0. 51 0. 56微米时，可以得到在目前MOCVD设备中750°C时垂直温度场的情况下，蓝宝石 表面的垂直高度差为0. 476微米以下，由温度引起的外延多量子阱的发光波长波动，即同 一片外延片中心与边缘的发光波长差异，减小到1纳米以下。
图4为当背镀铜钨合金的厚度为0. 53微米时，可以得到在目前MOCVD设备中 750°C时垂直温度场的情况下，蓝宝石表面的垂直高度分布。从图4中可以看出，越到蓝宝 石的边缘，其垂直高度越高，最高值达到0. 9414微米，其中心的垂直高度为0. 81121微米， 从而可以得到蓝宝石表面的垂直差减小到0. 1微米。与现有技术中，蓝宝石背面没有背镀 层时相比，其蓝宝石表面的垂直差大大减少，那么外延片中心与边缘的发光波长差异也就 大大减少。
从上述实施例可以看出，在制作外延片的过程中，首先在蓝宝石背面形成能够抑 制蓝宝石翘曲的背镀层，就能够有效提高外延片发光波长的一致性。
LED芯片包括外延片及电极，而且在电极制作完成之后，需要采用背部减薄的方 法，研磨、抛光将蓝宝石的背面磨薄，这样易于LED芯片的分割切片。所以背镀层恰好在背 部减薄的过程中被去除，那么接下来，芯片的制作工艺与现有技术相同，不需要另外采取措 施来对背镀层进行处理，所以本发明氮化镓发光二极管芯片的制作方法，简单易实现，不会 降低芯片的产出效率。
因此，本发明还公开了一种氮化镓发光二极管芯片的制作方法，该方法包括
步骤51、在蓝宝石衬底101的背面形成背镀层102 ；
步骤52、在蓝宝石衬底101的正面外延生长缓冲层103 ；
步骤53、在所述缓冲层103的表面外延生长N型氮化镓层104 ；
步骤M、在所述N型氮化镓层104的表面外延生长多量子阱105，该层为发光层；
步骤55、在所述多量子阱105的表面外延生长P型氮化镓层106 ；
步骤56、对蓝宝石衬底101上P型氮化镓层106和多量子阱105的指定区域依次 进行刻蚀，直至露出N型氮化镓层104 ；在露出的N型氮化镓层104上制作N型电极501 ；在 P型氮化镓层106上制作P型电极502。
步骤57、对蓝宝石衬底101的背面进行背部减薄，去除背镀层102及预定厚度的蓝 宝石衬底101。
通过上述步骤形成的氮化镓发光二极管芯片的结构示意图如图5所示，从图5中 可以看出，此时芯片的结构与现有技术基本相同，而且背镀层已经在背部减薄的过程中去 除，但该芯片的发光一致性已经得到有效的提高。这正是由于其中外延片的翘曲得到了抑 制，所以即使MOCVD设备为底部加热，且在设备腔体内产生温度梯度，也不会在外延片表面产生较大的温差，因此就不会影响LED芯片的发光一致性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于 各种发光二极管，只要形成背镀层能够抑制蓝宝石衬底的翘曲，提高芯片的发光一致性的 技术方案，都在本发明的保护范围内。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发光二极管外延片的制作方法，采用金属有机源化学气相沉积MOCVD设备，该 方法包括在蓝宝石衬底的背面形成背镀层；所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀 系数；所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应； 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层； 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层； 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱； 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述背镀层的方法为物理气相沉积、化 学气相沉积、电镀、印刷或旋涂。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述半导体层为氮化镓层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述背镀层为氮化铝层，当蓝宝石衬底的厚 度为400微米时，所述氮化铝层的厚度为0. 27 0. 31微米。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述背镀层为铜钨合金。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述铜钨合金中铜的含量为10%，蓝宝石 衬底的厚度为400微米时，铜钨合金层的厚度为0. 51 0. 56微米。
7.一种由权利要求1至6任一项所述的方法形成的发光二极管外延片，包括蓝宝石衬 底和在蓝宝石衬底正面依次形成的缓冲层、N型半导体层、多量子阱和P型半导体层，其特 征在于，所述外延片还包括在蓝宝石衬底背面的背镀层。
8.一种发光二极管芯片的制作方法，该方法包括在蓝宝石衬底的背面形成背镀层；所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀 系数；所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应； 在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层； 在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层； 在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱； 在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层；对蓝宝石衬底上P型半导体层和多量子阱的指定区域依次进行刻蚀，直至露出N型半 导体层；在露出的N型半导体层上制作N型电极；在P型半导体层上制作P型电极； 对蓝宝石衬底的背面进行背部减薄，去除所述背镀层及预定厚度的蓝宝石衬底。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管外延片的制作方法，采用金属有机源化学气相沉积MOCVD设备，该方法包括在蓝宝石衬底的背面形成背镀层；所述背镀层材质的热膨胀系数小于蓝宝石的热膨胀系数；所述背镀层材质在外延生长过程中不与MOCVD设备中的物质发生反应；在蓝宝石衬底的正面外延生长缓冲层；在所述缓冲层的表面外延生长N型半导体层；在所述N型半导体层的表面外延生长多量子阱；在所述多量子阱的表面外延生长P型半导体层。本发明还公开了由上述方法形成的发光二极管外延片，以及包括该外延片的芯片制作方法。采用本发明能够有效提高发光二极管芯片的发光一致性。
文档编号H01L33/44GK102034912SQ200910258858
公开日2011年4月27日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者张旺, 胡红坡, 苏喜林, 谢春林 申请人:比亚迪股份有限公司