CN101908587B - 一种退火剥离倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法 - Google Patents
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本发明提出了一种退火剥离倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法，包括以下步骤：(1)在原始SiC衬底表面刻蚀出纵横交错的沟道，露出一个个小方柱，这就是制作的原始SiC图形衬底；(2)在做好的原始SiC图形衬底上按常规方法生长常规结构的外延片，包括衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层；(3)在生长的外延片上表面P型GaN层上镀一层反光金属，将反光金属层键合在一个新的SiC或者Si衬底上；(4)将键合后的外延片放入到高温退火炉中，通过退火使外延片上的原始衬底脱落。本发明利用SiC衬底与GaN的热膨胀系数不同，使用高温退火将原衬底剥离的方法，成功的实现了SiC衬底的倒装和剥离，使出光率达到了90％以上，解决了出光效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种图形衬底退火剥离的SiC倒装LED的剥离方法，属于光电子技术领域。
背景技术
大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。目前GaN基外延衬底材料有两大类：一类是以日本日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和″发光″层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的p-GaN层取出。p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低(为35W/mK)，因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不是最优的。
1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED(1W LUXOEN器件)，使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。
为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片(Flipchip)结构。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(为145W/mK)，散热效果更优；而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。
以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有优良的光电特性，因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、SiC(碳化硅)、Si(硅)、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。
SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于GaN基LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。并且SiC衬底LED的正面出光效率非常低。
而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达600℃，而Si器件的最高工作温度局限在175℃。SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。
在基于SiC或Si为衬底生产LED的过程中，由于SiC本身与GaN之间的晶格适配相对较大，化学性质相差太大，导致他们之间不浸润，没法直接生长，目前比较流行的就是在SiC和GaN之间插入一层晶格常数在他们之间的AlN作为缓冲层，再在上面生长GaN，会有效的减小晶格适配带来的应力，以防外延片生长过程中出现裂纹。基于SiC或Si衬底的LED结构自下至上包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)和P型GaN层。目前以SiC衬底生长GaN基的LED，都遇到了各种各样的问题，如：可靠性不高、功率偏低等。但是还有一个最致命的问题是，SiC衬底生长的LED，正面出光效率不到50％，SiC衬底本身就吸收光。所以以SiC作为衬底的LED光功率一直很低，但是通过倒装以后，由于表面镀上了反光金属，让其全部从背面出光，这样子几乎让出光率达到了90％，解决了出光效率低的问题。
中国专利文献CN1700449公开了一种《一种湿法腐蚀蓝宝石图形衬底的方法》，采用常规技术在蓝宝石上蒸镀二氧化硅掩膜层；利用光刻技术光刻条形二氧化硅掩膜图形；用硫酸、或硫酸与磷酸的混合液作为腐蚀液湿法腐蚀该衬底；最后再用稀的氢氟酸溶液腐蚀二氧化硅掩膜层，即可得到蓝宝石图形衬底。该方法采用直接形成图形的衬底生长外延层，避免了采用二氧化硅层条纹衬底生长时对生长层的污染；与干法刻蚀相比湿法刻蚀有利于保护衬底免受损伤和污染，降低成本。但是只是利用了湿法腐蚀蓝宝石衬底而得到蓝宝石图形衬底，然后生长LED，这种方法现在已经非常普遍。
中国专利文献CN101442010公开了一种《图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法》，该方法通过采用光刻技术在硅衬底上获得图形，掩模版图形为平行长条状或正方形台面或它们的组合图形；然后在该图形化的硅衬底上采用化学气相沉积方法生长碳化硅厚膜。该发明生长的碳化硅膜在垂直台面方向纵向生长的同时在窗口区域进行横向合并生长，可以降低碳化硅外延层缺陷，提高外延碳化硅晶体质量。该方法着重介绍了采用光刻技术在硅衬底上获得图形，只是很片面的介绍了图形衬底制作，和蓝宝石衬底的制作，而没有采用倒装，更没有介绍SIC作为衬底生长LED。
到目前，GaAs衬底和Al2O3(蓝宝石)衬底生长的LED使用倒装结构已经属于常规操作，剥离原衬底有很成熟的技术，GaAs衬底倒装后，原衬底只用最简单的腐蚀就可以去掉，Al2O3(蓝宝石)衬底可以使用激光剥离；但是SiC衬底却没有任何办法剥离下来，导致SiC衬底的LED没法采用倒装结构。
发明内容
本发明针对现有基于SiC或Si为衬底生产LED存在的可靠性不高、功率偏低、正面出光效率不到50％、SiC衬底的LED没法采用倒装结构等问题，提供一种能够提高发光强度的退火剥离倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法。
本发明的退火剥离倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作原始SiC图形衬底
在原始SiC衬底上蒸镀一层厚度为
的SiO2作为掩膜，在SiO2掩膜上涂上光刻胶，在光刻胶上覆上预先刻制的图形掩膜版，将被图形掩膜版保护以外的地方曝光，利用光刻机刻出所需要的掩膜图形；然后放入质量浓度0.5％-5％的氢氧化钠溶液中10秒-60秒显影，经过光刻曝光的地方显影时光刻胶会脱掉，露出掩膜图形以外的纵横交错分布的SiO2掩膜，用HF酸腐蚀掉露出的SiO2掩膜，使这些地方暴露出SiC衬底；然后用丙酮腐蚀掉掩膜图形上面的光刻胶，露出下面的SiO2掩膜，利用掩膜图形下面露出的SiO2掩膜，通过ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺，在暴露出SiC衬底的地方刻出2um-4um深的凹面，这样就在原始SiC衬底表面刻蚀出纵横交错的沟道；刻蚀完毕后，放入HF酸1分钟-3分钟腐蚀掉掩膜图形下面露出的SiO2掩膜，这时候衬底上就露出一个个小方柱，这就是制作的原始SiC图形衬底；
(2)生长外延片
在做好的原始SiC图形衬底上按常规方法生长常规结构的外延片，常规结构的外延片自下至上包括衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)层和P型GaN层；
(3)制作倒装外延片
在生长的外延片上表面P型GaN层上镀一层反光金属Al或Au或Ag，利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个新的SiC或者Si衬底上；
(4)去掉原始衬底
将键合后的外延片放入到高温退火炉中，在5分钟-30分钟内使温度升到500℃-800℃，然后保温5分钟-15分钟，取出后立即放入水温15℃-30℃度的水浴槽中0.5分钟-2分钟，然后拿出立即放入另外一个水温为0℃-15℃的水浴槽中2分钟-5分钟，此时外延片上的原始衬底已经脱落。
上述方法先在原始SiC衬底上蒸镀一层SiO2作为掩膜，通过预先刻制的图形掩膜版利用光刻机刻出所需要的SiO2掩膜图形，通过ICP干法刻蚀，得到图形衬底，在生长外延片和键合新衬底后，放到高温炉中加热到500度，然后进行急速降温，利用SiC衬底和GaN的热膨胀系数不同，SiC的热膨胀系数为：4.3(10-6K-1)，GaN的热膨胀系数为：5.59(10-6K-1)；使得事先制造好的图形(小四方柱)那里由于极大的应力出现裂纹，再次放入更低水温中，使得小四方柱全部断裂使原始衬底脱落，通过这样的方法成功地将原始SiC衬底剥离下来。由于外延片表面镀上了反光的金属(Al、Au、Ag)，进行倒装后，原SiC衬底吸收的50％的光，全部被反光的金属(Al、Au、Ag)反回，提高了出光效率，亮度提高了一倍以上。并且由于腐蚀原始衬底后，与其接触过的表面是图形衬底的空隙，起到了一个表面粗化的效果，倒装后，功率提高了100-150％，效果非常显著。由于键合时选用的是SiC或Si衬底，这两种衬底均是散热性要强于蓝宝石的衬底，所以通过本发明得到的LED可以制作大功率器件和LED照明，解决了目前约束制作大功率器件和LED照明的重要瓶颈。
本发明利用SiC衬底与GaN的热膨胀系数不同，使用高温退火将原衬底剥离的方法，成功的实现了SiC衬底的倒装和剥离。并且通过倒装以后，由于表面镀上了反光金属，让其全部从背面出光，使出光率达到了90％以上，解决了出光效率低的问题。
附图说明
图1是制作的原始SiC图形衬底的正面示意图。
图2是在原始SiC衬底上生长的外延片结构示意图。
图3是在生长外延片后镀Al、Au或Ag，并且与新的SiC或Si衬底键合后的示意图。
图4是倒装后的外延片结构示意图。
具体实施方式
本发明的倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法，利用图形衬底和退火剥离，具体的制作过程如下所述：
1通过干法刻蚀制作原始SiC图形衬底
(1)在原始SiC衬底上蒸镀一层厚度为的SiO2作为掩膜，在SiO2掩膜上涂上光刻胶，在光刻胶上通过预先刻制的图形掩膜版，利用光刻机曝光刻出所需要的掩膜图形(即图形掩膜版保护外的地方被曝光)。
(2)然后放入0.5％-5％的氢氧化钠溶液中10秒-60秒左右显影，经过光刻曝光的地方显影时光刻胶会显掉，露出图形保护外的SiO2，用HF酸腐蚀掉显影后暴露在表面的SiO2，这些地方就露出了纵横交错分布的SiC衬底表面。
(3)用丙酮去掉光刻胶，露出下面的SiO2，利用这些SiO2作为掩膜，通过ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺，干法刻蚀所用气体为BCl3和Cl2，将没有SiO2保护的地方(即露出的纵横交错分布的SiC衬底表面的地方)刻出2um-4um深的凹面，刻蚀完毕后，放入HF酸1分钟-3分钟腐蚀掉作为ICP刻蚀掩膜的SiO2，此时完成原始SiC图形衬底的制作。
(4)这样就在SiC衬底表面刻蚀出了深度为2um-4um纵横交错的沟道，沟道之间形成一个个非常小的方形突起，每个方形突起的面积为10*10um-30um*30um。完成的原始SiC图形衬底如图1所示。
2生长外延片
在刻好的原始SiC图形衬底上，利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备，按常规方法生长如图2所示的正常结构外延片，自下至上包括原始SiC衬底、AlN缓冲层、不掺杂的GaN层、掺杂的GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层和P型GaN层。具体生长过程如下：
(1)首先在900℃-1100℃下在第1步骤下完成的原始SiC衬底上沉积一层厚度为50nm-150nm的高温AlN缓冲层；AlN缓冲层生长在原始SiC衬底的方形凹槽中，如图3所示。
(2)保持900℃-1100℃，在高温AlN缓冲层上生长1um厚的UGaN层；
(3)继续在900℃-1100℃下在UGaN层上生长3um厚的掺杂Si的N型GaN层，掺Si量为5E17个原子/cm3-5E19个原子/cm3；
(4)600℃-900℃下在N型GaN层生长厚100nm的InGaN层与GaN层交替生长的MQW(多量子阱)，每层InGaN的厚度为2nm-5nm，每层GaN的厚度为12nm-15nm；
(5)800℃-1000℃下在MQW上面生长一层10nm-40nm厚的电子阻挡层，即掺杂Mg的P型AlGaN，掺Mg量为5E19个原子/cm3-5E21个原子/cm3；
(6)800℃-1000℃下在P-AlGaN上面生长厚100nm-300nm的掺杂Mg的P-GaN层，掺Mg量5E19个原子/cm3-5E21个原子/cm3。
在原始SiC衬底上生长的外延片的结构如图2所示。
3倒装外延片的制作
(1)取出生长结束后的外延片，在其上表面(P型GaN层)镀上一层反光金属Al或Au或Ag；
(2)然后利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个导热性佳的新SiC或者Si衬底上；如图3所示。
4剥离-高温退火去掉原衬底
(1)键合结束后，将外延片放入到高温退火炉中，让其在5-30分钟内温度升到500度-800度，然后保温5分钟-15分钟。
(2)取出后，将其立即放入到事先准备好的水温为15-30度的水浴槽中0.5分钟-2分钟。
(3)然后拿出放入另外一个事先准备好的水温为0度-15度的水浴槽中2分钟-5分钟，此时拿出外延片时，原衬底已经脱落，这样就将原衬底成功的剥离。
本发明先利用干法刻蚀，制作SiC图形衬底，然后在生长外延片和键合新衬底后，放到高温炉中加热到500度-800度，然后进行急速降温，利用SiC衬底和GaN的热膨胀系数不同，SiC的热膨胀系数为：4.3(10-6K-1)，GaN的热膨胀系数为：5.59(10-6K-1)；使得事先制造好的图形(小方柱)那里由于应力出现裂纹，再次放入更低水温中，使得小四方柱全部断裂使原始衬底脱落，通过这样的方法成功地将原始SiC衬底剥离下来。这种结构直接从缓冲层中取出，由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加倒装芯片的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(为145W/mK)，散热效果更优；而且利用Al来作为反光层，效果显著，消除了电极和引线的挡光，在缓冲层中取出后，由于在生长前，这里已经刻好图形，倒装后正好形成了表面粗化的作用，由于键合时选用的是SiC或Si衬底，这两种衬底均是散热性要强于蓝宝石的衬底.因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。
Claims (1)
1.一种退火剥离倒装SiC衬底GaN基LED的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作原始SiC图形衬底
在原始SiC衬底上蒸镀一层厚度为
的SiO2作为掩膜，在SiO2掩膜上涂上光刻胶，在光刻胶上覆上预先刻制的图形掩膜版，将被图形掩膜版保护以外的地方曝光，利用光刻机刻出所需要的掩膜图形；然后放入质量浓度0.5％-5％的氢氧化钠溶液中10秒-60秒显影，经过光刻曝光的地方显影时光刻胶会脱掉，露出掩膜图形以外的纵横交错分布的SiO2掩膜，用HF酸腐蚀掉露出的SiO2掩膜，使这些地方暴露出SiC衬底；然后用丙酮腐蚀掉光刻胶，露出下面的SiO2掩膜，利用露出的SiO2掩膜，通过感应耦合等离子体刻蚀工艺，在暴露出SiC衬底的地方刻出2um-4um深的凹面，这样就在原始SiC衬底表面刻蚀出纵横交错的沟道；刻蚀完毕后，放入HF酸1分钟-3分钟腐蚀掉露出的SiO2掩膜，这时候衬底上就露出一个个小方柱，这就是制作的原始SiC图形衬底；
(2)生长外延片
在做好的原始SiC图形衬底上按常规方法生长常规结构的外延片，常规结构的外延片自下至上包括衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层；
(3)制作倒装外延片
在生长的外延片上表面P型GaN层上镀一层反光金属Al或Au或Ag，利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个新的SiC或者Si衬底上；
(4)去掉原始衬底
将键合后的外延片放入到高温退火炉中，在5分钟-30分钟内使温度升到500℃-800℃，然后保温5分钟-15分钟，取出后立即放入水温15℃-30℃的水浴槽中0.5分钟-2分钟，然后拿出立即放入另外一个水温为0℃-15℃的水浴槽中2分钟-5分钟，此时外延片上的原始衬底已经脱落。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151118 Address after: 261061 Weifang high tech Zone, Jin Road, No. 9, No. Patentee after: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co., Ltd. Address before: Tianchen Avenue high tech Zone of Ji'nan City, Shandong Province, No. 1835 250101 Patentee before: Shandong Huaguang Photoelectronic Co., Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200928 Address after: 277000 No. 1699 Guangming West Road, Xingren street, Zaozhuang high tech Zone, Shandong Province Patentee after: Space Smart news new energy (Shandong) Co., Ltd Address before: 261061 No. 9, Golden Road, hi tech Zone, Shandong, Weifang Patentee before: SHANDONG INSPUR HUAGUANG OPTOELECTRONICS Co.,Ltd. |