一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的制作方法

本实用新型涉及LED制造领域，特别涉及一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片。

背景技术：

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。

而反射镜是垂直结构LED芯片最重要的结构之一，形成低接触电阻高反射率的ｐ型欧姆接触是获取低电压高光输出功率的LED芯片的必要条件。目前主要采用Ag作为反射镜的核心材料，因为Ag是可见光波段反射率最高的金属。而大多数研究机构和企业都在使用电子束蒸镀的方法制备Ag基反射镜，而溅射Ag以其优异的致密度、良好的晶格取向、退火后的热稳定性以及更高的反射率等特性逐渐被人们所钟爱。但是在溅射Ag过程中，常常由于过高的溅射功率对p-GaN表面造成损伤，导致p-GaN表面生成高阻钝化层、降低Mg受主的掺杂浓度，进而降低p-GaN中空穴载流子浓度，最终影响到垂直结构LED的光提取效率。而过低的溅射Ag速率，会造成Ag层沉积时间过长，黏附性过差，Ag层电阻过高，Ag反射镜反射效率下降等缺点。因此找到溅射Ag反射镜层的一个平衡点尤为重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片，该LED芯片在制备过程中能够在过低和过高的溅射Ag速率之间寻找到一个平衡点，同时能够提高Ag反射镜的反射效率。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片，从下至上依次包括Si（100）衬底1、Au/Sn键合层2、 TiW保护层3、 Ag反射镜层4、 p型掺杂GaN层5、 InGaN/GaN量子阱层6、 n型掺杂GaN层7和分列在n-GaN层7上表面两侧的TaN/Al/W n电极层8；其中，所述Ag反射镜4依次包括Ni层401、Ag-contact层402、Ag-bulk层403和 X应力缓冲层404；所述Ni层401沉积在p型掺杂GaN层5上。

优选的，所述Si衬底以(111) 面为外延面；所述n型掺杂GaN层的厚度为1~5um，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。

优选的，所述Ag-contact层的厚度为1~10nm；所述Ni层的厚度为2~30Å。

优选的，所述Ag-bulk层的厚度为200~500nm；所述X应力缓冲层的厚度为10~50nm。

优选的，所述X应力缓冲层的材料为Ni、Al、Mg、Cu、AgNi、AgAl、AgMg和AgCu中的一种以上。

优选的，所述TiW保护层的厚度为500~1500nm；所述Au/Sn键合层中Sn厚度为1~3μm，Au的厚度为10~500 nm。

优选的，所述Pt层的厚度为20~300 nm。

优选的，所述TaN/Al/W n电极层中TaN厚度为10~50 nm，Al厚度为1~3um，W厚度为300~600 nm。

优选的，所述一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）LED外延片生长：首先在Si衬底上外延生长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；

（2）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第一步（磁控溅射）：在步骤（1）所得LED外延片p型掺杂GaN层表面使用磁控溅射溅射第一Ni/Ag-contact欧姆接触层，所述第一Ni/Ag-contact欧姆接触层包括Ag-contact层和Ni层，其中溅射Ag-contact层的射频溅射功率（RF-power）为0.1~0.6kW，直流溅射功率为0.1~0.4kW，溅射气压为（5~30）×10^-3mbar，溅射温度为65~80℃；溅射Ni层的直流溅射功率为0.01~0.20kW，溅射气压为2~15×10^-3mbar，溅射温度为65~80℃；

（3）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第二步（快速退火）：将步骤（2）所制备的第一Ni/Ag-contact欧姆接触层放置于快速退火炉中进行退火，退火氛围为N2/O2混合气氛，O2与N2的流量比为1：1~1：5，所述退火的温度为400~500℃，退火时间为30~90秒；

（4）溅射第二Ag-bulk/X本征反射镜层第一步（溅射金属层）：在第一Ni/Ag-contact欧姆接触层上生长Ag-bulk/X层, 所述第二Ag-bulk/X本征反射镜层包括Ag-bulk层和X应力缓冲层，其中溅射Ag-bulk层的直流溅射功率为1.5~4kW，溅射气压为5~30×10^-3mbar，溅射温度为75~90℃；溅射X应力缓冲层的直流溅射功率为1~3kW，溅射气压为2~20×10^-3mbar，溅射温度为70~80℃；溅射第二Ag-bulk/X本征反射镜层之后无需退火；

（5）键合及衬底转移：在第二Ag-bulk/X本征反射镜层上溅射TiW保护层，再蒸镀Au/Sn键合层；其中溅射TiW保护层的直流溅射功率为3~6kW，溅射气压为（7~20）×10^-3mbar，溅射温度为80~90℃；然后在导电的Si（100）衬底的抛光面也蒸镀相同的Au/Sn键合层，再使用金属高温键合的方式将已经制备好的含有反射镜、TiW保护层、Au/Sn键合金属的LED外延片与导电的Si（100）衬底键合在一起，键合面为LED外延片的Au/Sn键合层和Si（100）衬底上Au/Sn键合层，键合的温度为300~550℃，压力为2000~5000mbar；接着，在所述Si（100）衬底非抛光面蒸镀一层Pt层作为Si（100）衬底保护层；最后使用腐蚀方法剥离原有外延Si衬底；

（6）制备PA层及ｎ电极：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n电极图案；再使用电子束蒸发设备，在外延片上表面依次沉积TaN/Al/W n电极层；采用蓝膜粘贴和剥离的方式去除多余电极金属，制备出垂直结构LED芯片。

进一步优选的，步骤（5）所述键合的时间为20~40分钟。

进一步优选的，步骤（5）所述腐蚀的溶液为氢氟酸与硝酸体积比为1：1~1:4的混合液。

进一步优选的，步骤（6）所述匀胶采用负性光刻胶，匀胶时间为0.1~20秒；光刻时间为1~50秒，显影液采用负性光刻胶显影液，显影时间为20~300秒。

本实用新型的LED芯片是首先在Si衬底上外延生长LED外延片，包括生长在Si衬底上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜。接着，在LED外延片表面p-GaN层上采用磁控溅射采用两步法依次制备纳米Ag叠层反射镜、反射镜保护层、键合层等；通过匀胶、光刻、显影标准光刻工艺结合制备P电极图案；利用键合机将LED外延层转移至高掺杂导电的Si(100)衬底上，并结合减薄机、化学腐蚀方法剥离旧的生长衬底；接着利用PECVD、ICP等设备进行MESA沟道和PA层的制备；其后再次通过标准光刻工艺制备n电极图案，使用磁控溅射或者电子束蒸发的方法制备n电极，采用Lift-off的方式去除多余电极金属，最终形成完整的垂直结构LED芯片的制备。所述两步法制备Ag反射镜包括两步磁控溅射，一步快速退火组成；第一步磁控溅射、第一步快速退火以制作第一层Ni/Ag接触层; 第二步磁控溅射制备第二层Ag/X本征反射镜层。所述第一层Ni/Ag欧姆接触层, 其生长过程包括两大部分: 其一，所述第一步磁控溅射在超低溅射功率下溅射第一Ni/Ag接触层, 再进行合金化处理, 形成良好的欧姆接触; 所述第二本征反射镜层，其生长过程为采用高溅射功率溅射高反射率的本征Ag反射镜层和反射镜应力缓冲层X层。从而形成Ni/Ag-contact/Ag-bulk/X层反射镜结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

（1）本实用新型的垂直结构LED芯片的Ni/Ag-contact/Ag-bulk/X层反射镜结构提升了垂直结构LED芯片的光输出功率和外量子效率。

（2）本实用新型的垂直结构LED芯片的Ni/Ag-contact/Ag-bulk/X层反射镜中的Ag-contact能与p-GaN形成良好的欧姆接触，提高p-GaN空穴载流子浓度； Ag-bulk层兼具低阻和高反的特性。

（3）本实用新型的Ag-bulk/X本征反射镜层中的X层为应力缓冲层，所使用的金属层能够在防止Ag-bulk层氧化的同时，调整Ag-bulk层中的积累的生长应力和热应力，从而防止Ag团簇的现象的产生，进一步保证Ag-bulk的反射率。

（4）本实用新型的垂直结构LED芯片的结构简单，未使用贵金属，在提高性能的同时极大的节省了成本。

附图说明

图1为本实用新型两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的结构示意图。

图2为本实用新型两步法制备的Ag反射镜的结构示意图。

图3a为传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图；

图3b为本实用新型实施例1中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图；

图3c为本实用新型实施例2中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图；

图3d传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图；

图3e为本实用新型实施例1中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图；

图3f为本实用新型实施例2中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图；

图4a为传统溅射Ag反射镜垂直结构LED芯片LOP-mapping图；

图4b为传统溅射Ag反射镜垂直结构LED芯片VF2-mapping图；

图4c为传统溅射Ag反射镜垂直结构LED芯片反射率曲线图;

图5a为本实用新型实施例1采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片LOP-mapping图；

图5b为本实用新型实施例1采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片VF2-mapping图;

图5c为本实用新型实施例1采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片反射率曲线图;

图6a为本实用新型实施例2采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片LOP-mapping图；

图6b为本实用新型实施例2采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片VF2-mapping图;

图6c本实用新型实施例2采用两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片反射率曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的结构示意图如图1所示。该垂直结构LED芯片从下至上依次包括Si（100）衬底1、Au/Sn键合层2、 TiW保护层3、 Ag反射镜层4、 p型掺杂GaN层5、 InGaN/GaN量子阱层6、 n型掺杂GaN层7和分列在n-GaN层7上表面两侧的 TaN/Al/W n电极层8。其中，Ag反射镜4的结构示意图如图2所示，该Ag反射镜依次包括Ni层401、Ag-contact层402、Ag-bulk层403和 X应力缓冲层404；所述Ni层401沉积在p型掺杂GaN层5上。

实施例1

一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片，包括以下步骤：

（1）LED外延片生长：首先在Si衬底上外延生长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，生长在InGaN/GaN量子阱上的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3um，掺杂浓度为5x10¹⁸cm^-3；所述InGaN/GaN量子阱为10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为10nm, GaN垒层的厚度为5nm; 所述p型掺杂GaN层的厚度为300nm，掺杂浓度为5x10¹⁷cm^-3。

（2）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第一步（溅射）：在LED外延片表面使用磁控溅射溅射第一接触层Ni/Ag-contact，所述Ag-contact层的厚度为10nm，其射频溅射功率（RF-power）为0.2kW，直流溅射功率为0.1kW，溅射气压为10×10^-3mbar，溅射温度为76℃，溅射时间为20秒；Ni层的厚度为3Å，其直流溅射功率在0.03kW，溅射气压在3.7×10^-3mbar，溅射温度为76℃，溅射时间为10秒；

（3）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第二步（退火）：将所制备Ni-Ag-contact薄膜放置于快速退火炉中进行退火，退火氛围为N2/O2混合气氛，O2与N2的流量比例为1：4，所述退火温度为460℃，退火时间为60秒；

（4）生长第二Ag-bulk/X本征反射镜层第一步（溅射金属层）：在第一Ni/Ag-contact欧姆接触层上生长Ag-bulk/X层, 所述Ag-bulk层的厚度为200nm，其直流溅射功率为4kW，溅射气压在20×10^-3mbar，溅射温度为82℃，溅射时间为400秒；所述X应力缓冲层材料为Ni，其厚度为50nm，其直流溅射功率为1kW，溅射气压3.8×10^-3mbar，溅射温度为75℃，溅射时间为100秒，制备Ag-bulk/Ni之后无需退火；

（5）键合及衬底转移：对Ni/Ag-contact/Ag-bulk/Ni反射镜进行溅射TiW保护层金属，再蒸镀Au/Sn键合层；其中所述TiW保护层的厚度为1500nm，其直流溅射功率为6kW，溅射气压为8×10^-3mbar，溅射温度为88℃，溅射时间为1500秒； Au/Sn键合层中Sn厚度为3μm，Au的厚度为500 nm。同时，在导电的Si（100）新衬底的抛光面也蒸镀Au/Sn键合层，条件同上；使用金属高温键合的方式将已经制备好的含有反射镜、保护层、键合层的LED外延片与导电的Si（100）新衬底键合在一起，键合面为LED外延片的Au/Sn键合层和Si（100）新衬底的键合层，键合温度为400℃，压力为3000mbar，键合时间为30分钟；接着，在Si（100）新衬底非抛光面蒸镀一层Pt作为新衬底保护层，其厚度为100nm；最后使用腐蚀方法剥离原有外延Si衬底，腐蚀溶液为氢氟酸与硝酸的混合液，其体积比例为1：2。

（6）制备PA层及ｎ电极：随后，通过PECVD沉积SiO2钝化层，采用匀胶、光刻、显影等标准光刻工艺，依次制备LED芯片n电极图案，其中匀胶采用负性光刻胶，匀胶时间为20秒；光刻时间为15秒，显影液采用负性光刻胶显影液，其显影时间为60秒。使用电子束蒸发设备，在外延片上表面（n型掺杂GaN层）依次沉积TaN/Al/W 的n电极金属，其中TaN厚度为10nm，Al厚度为2um，W厚度为600 nm。采用蓝膜粘贴和剥离的方式去除多余电极金属，制备出垂直结构LED芯片。采用点测机测试得到LED光电性能参数。

图4a和图4b为传统溅射Ag反射镜垂直结构LED芯片LOP和VF2-maping图，可知其LOP和VF2的均值为405mW和3.2 V，图4c为传统溅射Ag反射镜垂直结构LED芯片反射率图线，其在450nm蓝光波段处的反射率为89%。图5a和图5b为本实施例一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片LOP和VF2-maping图，可见其LOP和Vf2的均值为465mW和2.91 V，图5c为本实施例一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的反射率图线，其在450nm蓝光波段处的反射率为96%。相对比而言，两步法制备Ag反射镜的垂直结LED芯片的光电性能有了巨大的提升，其中LOP值提升了14.8%，而电压值下降了9%，反射率上升了7%。

图3a为传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相金相显微镜图，图中可以发现传统溅射手段会对p-GaN表面造成溅射的烧蚀划痕、黑点等；图3b为本实施例中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图，可以看出，本实用新型采用的低频溅射Ag-contact层的方法对p-GaN表面的损伤降到最低，基本没有孔洞和烧蚀划痕。图3d为传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图，从图中可以看出，表面有很多孔洞，粗糙度较高；图3b为本实施例中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图，图3e为本实施例中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图，从图中可以看出，其表面为正常的p-GaN生长形貌，没有太多孔洞，粗糙度较低。

实施例2

一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片，包括以下步骤：

（1）LED外延片生长：首先在Si衬底上外延生长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，生长在InGaN/GaN量子阱上的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2.5um，掺杂浓度为7x10¹⁸cm^-3；所述InGaN/GaN量子阱为12个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为9nm, GaN垒层的厚度为5nm; 所述p型掺杂GaN层的厚度为200nm，掺杂浓度为9x10¹⁷cm^-3。

（2）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第一步（溅射）：在LED外延片表面使用磁控溅射第一接触层Ni/Ag-contact，所述Ag-contact层的厚度为10nm，其射频溅射功率（RF-power）为0.3kW，其直流溅射功率为0.25kW，溅射气压在12×10^-3mbar，溅射温度为70℃，溅射时间为25秒；Ni层的厚度为2Å，其直流溅射功率为0.06kW，溅射气压为5×10^-3mbar，溅射温度为70℃，溅射时间为20秒；

（3）生长第一Ni/Ag-contact欧姆接触层第二步（退火）：将所制备Ni-Ag-contact薄膜放置于快速退火炉中进行退火，退火氛围为N2/O2混合气氛，O2与N2的流量比例为1：2，所述退火温度为430℃，退火时间为40秒；

（4）生长第二Ag-bulk/X本征反射镜层第一步（溅射金属层）：在第一Ni/Ag-contact欧姆接触层上生长Ag-bulk/X层, 所述Ag-bulk层的厚度为300nm，其直流溅射功率为3.1kW，溅射气压在1×10^-3mbar，溅射温度为88℃，溅射时间为600秒；所述X应力缓冲层材料为AgMg合金（Ag：Mg组分比为99.5%：0.05%），其厚度为50nm，其直流溅射功率为2kW，溅射气压在5.2×10^-3mbar之间，溅射温度为80℃，溅射时间为120秒，所述Ag-bulk/AgMg之后无需退火；

（5）键合及衬底转移：对Ni/Ag-contact/Ag-bulk/AgMg反射镜进行溅射TiW保护层金属，再蒸镀Au/Sn键合层；其中所述TiW保护层的厚度为1200nm，其直流溅射功率为5.7kW，溅射气压为10×10^-3mbar，溅射温度为85℃，溅射时间为1200秒，；所述Au/Sn键合层中Sn厚度为2.5μm，Au的厚度为400nm。同时，在导电的Si（100）新衬底的抛光面也蒸镀Au/Sn键合层，条件同上；使用金属高温键合的方式将已经制备好的含有反射镜、保护层、键合层的LED外延片，与导电的Si（100）新衬底键合在一起，键合面为LED外延片的Au/Sn层和Si（100）新衬底的键合层，键合温度为300℃，压力为3000mbar，键合时间为40分钟；接着，在Si（100）新衬底非抛光面蒸镀一层Pt作为新衬底保护层，其厚度为300nm；最后使用腐蚀方法剥离原有外延Si衬底，腐蚀溶液为氢氟酸与硝酸的混合液，其体积比例为1：4。

（6）制备PA层及ｎ电极：随后，通过PECVD沉积SiO2钝化层采用匀胶、光刻、显影等标准光刻工艺，依次制备LED芯片n电极图案，其中匀胶采用负性光刻胶，匀胶时间为16秒；光刻时间为20秒，显影液采用负性光刻胶显影液，其显影时间为45秒。使用电子束蒸发设备，在外延片上表面（n型掺杂GaN层）依次沉积TaN/Al/W n电极金属，其中TaN厚度为12nm，Al厚度为2.5um，W厚度为580 nm。采用蓝膜粘贴和剥离的方式去除多余电极金属，制备出垂直结构LED芯片。采用点测机测试得到LED光电性能参数。

图4a和图4b为传统溅射Ag反射镜垂直结LED芯片LOP和VF2-maping图，可见其LOP和VF2的均值为405mW和3.2 V，图4c为传统溅射Ag反射镜垂直结LED芯片反射率图线，其在450nm蓝光波段处的反射率为89%。图6a和图6b为本实施例一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片LOP和VF2的maping，可见其LOP和VF2的均值为458mW和2.85 V，图6c为本实施例一种两步法制备Ag反射镜的垂直结构LED芯片的反射率图线，其在450nm蓝光波段处的反射率为95%。相对比而言，两步法制备Ag反射镜的垂直结LED芯片的光电性能有了巨大的提升，其中LOP值提升了13.1%，而电压值下降了10.9%，反射率上升了6%。

图3a为传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相金相显微镜图，图中可以发现传统溅射手段会对p-GaN表面造成溅射的烧蚀划痕、黑点等；图3c为本实施例中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的金相显微镜图，可以看出，本实用新型采用的低频溅射Ag-contact层的方法对p-GaN表面的损伤降到最低，基本没有孔洞和烧蚀划痕。图3d为传统溅射Ag反射镜后采用湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图，从图中可以看出，表面有很多孔洞，粗糙度较高；图3f为本实施例中采用两步法制备Ag反射镜湿法腐蚀去除表面Ag后GaN表面的AFM图，从图中可以看出，其表面为正常的p-GaN生长形貌，没有太多孔洞，粗糙度较低。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。