[发明专利]具有垂直拓扑的发光二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有垂直拓扑的发光二极管(LED：light emitting diode)，具体地说，涉及能够获得高发光效率及可靠性并且能够提高大规模生产率的、具有垂直拓扑的LED及其制造方法。 

背景技术

发光二极管(LED)是将电流转换为光能的公知半导体发光装置，并且从1962年利用GaAsP半导体的红色LED的商用以来，发光二极管就与绿色GaP:N LED一起一直被用作包括信息通信设备的电子设备显示图像的光源。 

由这些LED发射的光的波长取决于在制造LED时使用的半导体材料的种类。这是因为发射光的波长取决于半导体材料的代表价带电子和导带电子之间的能量差的带隙(band-gap)。 

氮化镓(GaN)具有高的热稳定性和较宽的带隙(范围从0.8到6.2eV)，并且因此在开发包括LED的高功率输出电子元件设备的领域中受到了广泛的关注。 

氮化镓引起广泛关注的一个原因是可以通过结合其它元素(例如铟(In)、铝(Al)等)利用GaN来制造发射绿、蓝和白光的半导体层。 

由于具有经由使用GaN来控制发射波长的能力，因此可以遵照特定器件特性将发射波长调节为适于所使用材料的固有特性的期望范围。例如，使用GaN使得可以制造有益于光学写入的蓝色LED和能够代替白炽灯的白色LED。 

由于这些基于GaN的材料的各种优点，使得基于GaN的LED市场正在快速增长。结果，基于GaN的光电设备技术自1994年开始引入商用以来取得了快速的进步。 

同样地，自20世纪九十年代中期以来，使用III/V族氮化物半导体材料的LED制造技术已得到了快速发展。具体地说，由于对氮化物半导体材料的形成方法和结构的进一步深入了解，已经在LED的特性(例如，亮度、输出、驱动电压和静电特性以及可靠性)方面获得了显著提高。 

尽管在基于GaN的半导体设备的技术上已取得了快速进步，但是制造基于GaN的设备仍面临高生产成本的巨大缺点。该缺点与涉及GaN外延层的生长和随后对完成的基于GaN的设备的切割的困难密切相关。 

通常在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制造基于GaN的设备。这是因为蓝宝石晶片在适于基于GaN的设备的大规模生产的尺寸上是商业上可购得的、以相对高的质量支持GaN的外延的生长，并且在宽温度范围中体现了高可加工性。 

此外，蓝宝石在化学方面和热方面较稳定，并且具有高熔点，因而使得可以执行高温制造工艺，并且具有高键能(122.4kcal/mole)和高介电常数。从化学结构来看，蓝宝石是结晶氧化铝(Al₂O₃)。 

同时，由于蓝宝石是绝缘材料，使用蓝宝石衬底(或者任何其它绝缘衬底)实际上将LED设备的可用形式限制为横向或纵向结构。 

在横向结构中，用于将电流注入到LED中的所有金属触点均位于设备结构的顶面上(或与衬底位于同一平面上)。而在纵向结构中，在去除了蓝宝石(绝缘)衬底之后，一个金属触点位于设备结构的顶面上，而另一触点位于设备结构的底面上。 

另外，还广泛地采用倒装焊方法作为LED设备的可用制造类型，该倒装焊方法涉及制造LED芯片并且接着将得到的芯片倒转附装到嵌片(sub-mount)(例如，具有优良热导率的硅片或陶瓷衬底)上。 

然而，因为蓝宝石衬底具有约27W/MK的热导率，这导致其具有非常高的热阻，所以横向结构或倒装方法面临与不良放热效率相关的问题。此外，倒装方法还具有需要大量的光刻工艺步骤因而导致复杂的制造过程的缺点。 

另一方面，纵向结构的特征在于通过所谓的激光剥离(LLO：laserlift-off)工艺来去除蓝宝石衬底，接着制造电极。 

尽管激光剥离工艺具有显著地减少制造工艺步骤的数量并且提供优良发光特性的优点，但是由于蓝宝石衬底和LED结构之间存在的热应力，导致在执行激光照射时这种常规激光剥离工艺面临对于LED晶体结构的损伤。 

此外，在执行激光照射时从Ga中分离并且释放的氮气(N₂)经过LED结构，这导致LED晶体结构受到损伤，因而显著地降低了成品率并且由此使得难于实现大规模生产。 

发明内容

因此，本发明提出了具有垂直拓扑的发光二极管(LED)及其制造方法，其基本上克服了由于相关技术的限制和缺点而造成的一个或多个问题。