减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，包括光刻外延晶圆，形成LED器件第一台面和第二台面；在LED器件侧壁形成钝化层；蒸镀p型反射欧姆电极及p型键合电极；在LED器件间的沟槽中制作侧壁缓冲保护结构；将导电基板与外延晶圆进行低温金属键合；采用固体激光器，以小束斑相互交叠逐点扫描剥离衬底；采用干法蚀刻减薄剥离衬底后的n-GaN层，去除剥离面至第二台面之间n-GaN层以消除剥离损伤；去除侧壁缓冲保护结构。本方法能够减少剥离面及侧壁由于激光剥离导致的损伤缺陷，降低LED器件侧壁破损概率，有效遏制器件新生漏电通道的产生。
【专利说明】减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体工艺，尤其是一种避免激光剥离导致GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺。
【背景技术】
[0002]近年来，作为大功率白光LED极具潜力的器件方案，GaN基垂直结构LED正得到业界的极大关注，开发相关的器件工艺一直是其研发的重心。在诸多尚待解决的难题当中，至关重要的一项便是降低器件漏电。
[0003]众所周知，GaN (氮化镓)材料化学特性十分稳定，不易与酸碱溶液反应，只能使用有损的干法蚀刻制作器件。大量研究表明干法蚀刻形成的器件侧壁存在表面缺陷，是造成器件漏电的主要来源之一；此外，外延材料内部的电活性位错也是导致漏电的另一主要来源。
[0004]有别于传统侧向结构LED，垂直结构LED需要剥离蓝宝石衬底形成上下电极结构，如附图1所示。图1是GaN基垂直结构LED芯片，包括η型焊垫电极(pad电极)1，n-GaN层(即η型GaN层)2，SiO2钝化层3，量子阱区4，p-GaN层(即p型GaN层)5，p型反射欧姆电极6，P型键合电极7，基板键合电极8，导电基板9。目前相对成熟的工艺是采用激光剥离，即以单光子能量介于GaN和蓝宝石带隙的脉冲激光辐照蓝宝石衬底面，导致生长界面处的GaN发生热分解剥离衬底。该工艺虽然简单高效，但受其作用机理所限，亦存在一些固有问题尚待解决:(I)作用时间极短Us量级)，瞬时产生的N2剧烈释放形成爆炸冲击，往往会对相对脆弱的侧壁区域造成破坏，侧壁及其表面钝化层的破损都会形成新生的表面漏电通道；(2)剥离过程中剧烈的力学和热学冲击亦会在GaN剥离面产生大量的新生电活性缺陷。适用于激光剥离工艺的脉冲激光源有两大类:准分子气体激光器和固体激光器，两者扫描剥离方式的差异见附图2，其中准分子气体激光器能量稳定性差于固体激光器，研究表明GaN剥离面缺陷数量和损伤深度对脉冲激光剥离能量十分敏感，通常土 10%幅度的能量波动就可造成明显的损伤差异。准分子气体激光器剥离束斑面积较大(Xmm2数量级)，远大于固体激光器剥离束斑面积(X IO2-1O4Mffl2数量级)，因此前者在剥离过程中的冲击作用也远大于后者，产生损伤的几率也较高。
[0005]综上所述，如不在工艺方法上考虑避免上述负面效应，将直接导致器件漏电的劣化，使得器件注入效率变低。因此，迫切需要开发一整套避免激光剥离损伤的新工艺，提升GaN基垂直结构LED器件的光电特性以及外观良率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，能够减少剥离面及侧壁由于激光剥离导致的损伤缺陷，降低LED器件侧壁破损概率，有效遏制器件新生漏电通道的产生。本发明采用的技术方案是:
一种减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，包括下述步骤: 步骤(I).首先提供一外延晶圆，该外延晶圆由蓝宝石衬底面上依次生长n-GaN层、量子讲区和p-GaN层构成；
步骤(2).光刻外延晶圆，干法蚀刻外延晶圆的ρ-GaN层、量子阱区和部分n-GaN层，形成LED器件第一台面；
步骤(3).继续光刻外延晶圆，向衬底方向干法蚀刻剩余n-GaN层，形成LED器件第二台面，第二台面的底部达到衬底，第二台面的外缘尺寸大于第一台面的外缘尺寸；LED器件间为刻蚀后形成的沟槽；
步骤(4).在LED器件侧壁形成钝化层，钝化层覆盖第一台面侧壁以及第一台面侧壁和顶部结合处；
步骤(5).随后在外延晶圆的ρ-GaN层上依次蒸镀P型反射欧姆电极及P型键合电极；步骤(6).在LED器件间的沟槽中制作侧壁缓冲保护结构，侧壁缓冲保护结构覆盖第一台面和第二台面侧壁，高度高于第一台面上P型键合电极，侧壁缓冲保护结构之间留有排气通道；
步骤(7).采用低温高压键合工艺，温度不高于侧壁缓冲保护结构的耐受温度，将导电基板上的基板键合电极与外延晶圆上的P型键合电极键合；
步骤(8).采用固体激光器，以小束斑相互交叠逐点扫描剥离衬底；
步骤(9).采用干法蚀刻减薄剥离衬底后的n-GaN层，终止位置超过第二台面位置，将剥离面至第二台面之间的剥离损伤层去除；
步骤(10).最后使用去胶液将侧壁缓冲保护结构去除。
[0007]进一步地，所述步骤(I)中，蓝宝石衬底是双面抛光衬底。
[0008]进一步地，所述步骤⑵中，干法蚀刻方法为ICP刻蚀方法。
[0009]进一步地，所述步骤(3)中，干法蚀刻方法为ICP刻蚀方法。
[0010]进一步地，所述步骤(4)中，钝化层为SiO2或Si3N4钝化层，采用PEV⑶方法生长SiO2 或 Si3N4 形成。
[0011]进一步地，所述步骤(6)中，制作侧壁缓冲保护结构具体包括:将耐热性好的光敏聚合物旋涂在外延晶圆表面，并填充LED器件之间的沟槽，光敏聚合物的高度高于第一台面上P型键合电极，通过光刻定义光敏聚合物的覆盖区域，光刻外延晶圆露出第一台面上P型键合电极，并留出LED器件之间的排气通道。光敏聚合物选用光刻胶SU8。
[0012]进一步地，所述步骤(7)中，键合前先用等离子体表面预处理P型键合电极和导电基板上的基板键合电极表面。
[0013]进一步地，所述步骤⑶中，激光扫描时的束斑面积为X IO2-1O4Mffl2数量级。激光扫描方式为往复线扫，螺旋线扫或同心圆扫描。
[0014]进一步地，所述步骤(10)中，侧壁缓冲保护结构去除后，还包括使用加热KOH水溶液粗化减薄后的n-GaN层的步骤。
[0015]本发明的优点在于:本发明能够有效避免激光剥离导致GaN基垂直结构LED剥离面及侧壁损伤，改善GaN基垂直结构LED漏电，提高器件注入效率；减少LED器件边缘破损发生的几率，提升器件外观质量；且在工艺上易于实现、重复性高。
【专利附图】
【附图说明】[0016]图1为GaN基垂直结构LED芯片结构示意图。
[0017]图2为两种GaN基垂直结构LED激光剥离方法比较示意图。
[0018]图3为激光剥离对传统垂直结构LED芯片侧壁的损伤示意图。
[0019]图4为激光剥离对双台面垂直结构LED芯片侧壁的损伤示意图。
[0020]图5为激光剥离对具有侧壁缓冲保护双台面垂直结构LED芯片侧壁的损伤示意图。
[0021]图6为光刻形成LED器件第一台面不意图。
[0022]图7为光刻形成LED器件第二台面示意图。
[0023]图8为在LED器件侧壁形成钝化层示意图。
[0024]图9为蒸镀P型反射欧姆电极及P型键合电极示意图。
[0025]图10为制作侧壁缓冲保护结构示意图。
[0026]图11为外延晶圆与导电基板键合不意图。
[0027]图12为激光剥离衬底示意图。
[0028]图13为去除剥离损伤层示意图。
[0029]图14为去除侧壁缓冲保护结构示意图。
[0030]图15为本发明工艺流程图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]一种减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺流程如下述步骤所述:
步骤(I).首先提供一外延晶圆100，该外延晶圆100由双面抛光蓝宝石衬底101面上依次生长n-GaN层102、量子阱区104和p-GaN层105构成。
[0033]步骤(2).光刻外延晶圆100，使用ICP干法蚀刻外延晶圆100的p_GaN层105、量子阱区104和部分n-GaN层102，形成LED器件第一台面201 ;去除蚀刻掩膜；具体见附图6所示。ICP(inductively coupled plasma)刻蚀方法作为一种新兴的高密度等离子体干法刻蚀技术，在对多种材料的刻蚀方面获得了很好的效果，己广泛应用到了各种光电子器件的制作工艺中。
[0034]步骤(3).继续光刻外延晶圆100，向衬底101方向使用ICP干法蚀刻剩余n_GaN层102，形成LED器件第二台面202，第二台面202的底部达到衬底101，第二台面202的外缘尺寸大于第一台面201的外缘尺寸；去除蚀刻掩膜；具体见附图7所示。
[0035]在上述两步中，LED器件分割采用干法刻蚀，干法蚀刻分两步进行，LED器件侧壁由两个台面的侧壁组成。LED器件间为刻蚀后形成的沟槽203。
[0036]步骤(4).在LED器件侧壁形成钝化层103，钝化层103覆盖第一台面201侧壁以及第一台面201侧壁和顶部结合处；具体包括:
采用PEV⑶方法生长SiO2或Si3N4钝化层覆盖外延晶圆100表面，然后光刻外延晶圆100，采用湿法过蚀刻去除多余钝化层(如第二台面202侧壁和台阶处的钝化层，以及第一台面201顶部绝大部分的钝化层)，使得钝化层103仅覆盖第一台面201侧壁以及第一台面201 侧壁和顶部结合处，见附图 8。PEVCD 即 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition等离子增强化学气相沉积。[0037]步骤(5).在上述步骤(3)中，多余的钝化层刻蚀去以后，随后在外延晶圆100的P-GaN层105上依次蒸镀p型反射欧姆电极106及p型键合电极107 ;具体为:
在外延晶圆100的p-GaN层105上先涂覆光刻胶，然后在需要蒸镀P型反射欧姆电极106及P型键合电极107区域的光刻胶上形成开口，在光刻胶开口处蒸镀P型反射欧姆电极106及P型键合电极107，剥离P型键合电极107以外多余金属，去除光刻胶，见附图9。金属蒸镀可采用电子束蒸镀或磁控溅射方法。
[0038]步骤(6).在LED器件间的沟槽203中制作侧壁缓冲保护结构204，侧壁缓冲保护结构204覆盖第一台面201和第二台面202侧壁，高度略高于第一台面201上p型键合电极107，侧壁缓冲保护结构204之间留有排气通道；具体为:
将耐热性好的光敏聚合物如光刻胶SU8，旋涂在外延晶圆100表面，并填充LED器件之间的沟槽203，通过光刻定义光敏聚合物的覆盖区域，曝光显影后光敏聚合物的高度略高于第一台面201上P型键合电极107，光刻外延晶圆100露出第一台面201上p型键合电极107，留出LED器件之间的排气通道。见附图10。
[0039]步骤(7).采用低温高压键合工艺，温度不高于侧壁缓冲保护结构204的耐受温度，将导电基板109上的基板键合电极108与外延晶圆100上的P型键合电极107键合；
键合前需要用等离子体表面预处理P型键合电极107和导电基板109上的基板键合电极108的表面,键合金属为Au/In、Au/Sn、Au等金属或合金；此步骤中，利用键合挤压形变，将侧壁缓冲保护结构204与导电基板109接触并相互附着。见附图11。键合完成后，将外延晶圆100翻转，为下一步激光剥离衬底做好准备。
[0040]步骤(8).采用能量相对稳定的固体激光器，以小束斑相互交叠逐点扫描剥离衬底101，束斑面积为X IO2-1O4Mm2数量级；扫描方式可为往复线扫，螺旋线扫，同心圆扫等；图2中右图所示为固体激光器小束斑螺旋线扫方式。
[0041]激光扫描时，用激光辐照蓝宝石衬底面，导致生长界面处的GaN发生热分解剥离衬底101。衬底101剥离完成后，保留侧壁缓冲保护结构204暂不去除，在后续干法蚀刻减薄中充当侧壁掩膜。见附图12。
[0042]步骤(9).上步激光剥离衬底101时，n-GaN层102剥离面上会形成剥离损伤层。此步骤中，采用干法蚀刻减薄剥离衬底101后的n-GaN层102，终止位置超过第二台面202位置，将剥离面至第二台面202之间的剥离损伤层去除；同时达到去除第二台面202可能出现的边缘破损之目的。见附图13。
[0043]步骤(10).最后使用去胶液将光敏聚合物侧壁缓冲保护结构204去除；如图14所示。还可以进一步使用加热KOH水溶液粗化减薄后的n-GaN层102，以达到提高出光效率的目的。
[0044]从上述工艺流程可以看出，本发明的有益效果在于:
(I)激光剥离采用能量相对稳定的固体激光器，以小束斑相互交叠逐点扫描剥离的方式；避免大束斑剥离造成的剧烈爆炸冲击，从根源上尽可能减少剥离面上新生缺陷密度以及损伤深度，并显著减少LED器件侧壁边缘损坏导致漏电的概率。
[0045](2)双台面的器件侧壁使得剥离冲击通过剥离面与第二台面之间侧壁部分的塑形或弹性形变得到释放，不易造成对第一台面与第二台面之间侧壁的冲击损伤，与常规垂直结构LED的损伤差异见附图3和附图4。[0046](3)侧壁缓冲保护结构的引入大大降低了剥离面与第二台面之间侧壁部分发生破坏性塑形形变的概率，见附图5，从而进一步保证剥离后侧壁及钝化层的完整性，减少侧壁漏电通道的产生。
[0047](4)通过干法蚀刻方法将剥离面损伤层以及可能出现的侧壁损伤层，即剥离面与第二台面之间外延层部分，予以去除，由完整的第一台面侧壁构成最终的器件侧壁。
[0048]这样，既保证了器件外观，又改善了器件漏电，大大提升了 GaN基垂直结构LED芯片的生广良率和广品品质。
【权利要求】
1.一种减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于，包括下述步骤: 步骤(1).首先提供一外延晶圆(100)，该外延晶圆(100)由蓝宝石衬底(101)面上依次生长n-GaN层(102)、量子阱区(104)和p-GaN层(105)构成； 步骤(2).光刻外延晶圆(100)，干法蚀刻外延晶圆(100)的ρ-GaN层(105)、量子阱区(104)和部分n-GaN层(102)，形成LED器件第一台面(201)； 步骤(3).继续光刻外延晶圆(100)，向衬底(101)方向干法蚀刻外延晶圆(100)的剩余n-GaN层(102)，形成LED器件第二台面(202)，第二台面(202)的底部达到衬底(101)，第二台面(202)的外缘尺寸大于第一台面(201)的外缘尺寸；LED器件间为刻蚀后形成的沟槽(203)； 步骤(4).在LED器件侧壁形成钝化层(103)，钝化层(103)覆盖第一台面(201)侧壁以及第一台面(201)侧壁和顶部结合处； 步骤(5).随后在外延晶圆(100)的ρ-GaN层(105)上依次蒸镀P型反射欧姆电极(106)及P型键合电极(107)； 步骤(6).在LED器件间的沟槽(203)中制作侧壁缓冲保护结构(204)，侧壁缓冲保护结构(204)覆盖第一台面(201)和第二台面(202)侧壁，高度高于第一台面(201)上p型键合电极(107)，侧壁缓冲保护结构(204)之间留有排气通道； 步骤(7).采用低温高压键合工艺，温度不高于侧壁缓冲保护结构(204)的耐受温度，将导电基板(109)上的基板键合电极(108)与外延晶圆(100)上的P型键合电极(107)键合； 步骤(8).采用固体激光器，以小束斑相互交叠逐点扫描剥离衬底(101)； 步骤(9).采用干法蚀刻减薄剥离衬底(101)后的n-GaN层(102)，终止位置超过第二台面(202)位置，将剥离面至第二台面(202)之间的剥离损伤层去除； 步骤(10).最后使用去胶液将侧壁缓冲保护结构(204)去除。
2.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(1)中，蓝宝石衬底(101)为双面抛光衬底。
3.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(2)中，干法蚀刻方法为ICP刻蚀方法。
4.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(3)中，干法蚀刻方法为ICP刻蚀方法。
5.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(4)中，钝化层(103)为SiO2或Si3N4钝化层，采用PEVCD方法生长SiO2或Si3N4形成。
6.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(6)中，制作侧壁缓冲保护结构(204)具体包括:将耐热性好的光敏聚合物旋涂在外延晶圆(100 )表面，并填充LED器件之间的沟槽(203 )，光敏聚合物的高度高于第一台面(201)上P型键合电极(107 )，通过光刻定义光敏聚合物的覆盖区域，光刻外延晶圆(100)露出第一台面(201)上P型键合电极(107)，并留出LED器件之间的排气通道。
7.如权利要求6所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:光敏聚合物采用光刻胶SU8。
8.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(7)中，键合前先用等离子体表面预处理P型键合电极(107)和导电基板(109)上的基板键合电极(108)的表面。
9.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤⑶中，激光扫描时的束斑面积为X IO2-1O4Mffl2数量级。
10.如权利要求1所述的减少GaN基垂直结构LED漏电的器件工艺，其特征在于:所述步骤(8)中，激光 扫描方式为往复线扫，螺旋线扫或同心圆扫描。
【文档编号】H01L33/32GK103887377SQ201410089088
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】李睿 申请人:江苏新广联科技股份有限公司