CN102468372A - GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法 - Google Patents

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沈燕
徐化勇
李树强
徐现刚
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Abstract

本发明涉及一种GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，所述GaN基垂直结构LED包括在SiC衬底上依次生长有N型GaN层、量子阱层、P型GaN层和欧姆接触层，用机械研磨法将SiC衬底减薄，再用ICP法刻蚀SiC衬底的剩余部分，ICP刻蚀停止在GaN面上，刻蚀气体是Cl2、BCl3、SF6、O2、Ar、CHF3、CF4之一或组合。本发明有效地解决了SiC难剥离的问题，实现了SiC和N型GaN的完整剥离，同时对GaN基外延层无损伤，可用于制备大功率GaN基垂直结构LED管芯。

Description

GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法
技术领域
本发明涉及一种SiC衬底的GaN基垂直结构LED(Light Emitting Diode)上剥离SiC衬底的方法，属于光电子技术领域。
背景技术
随着GaN基LED性能的不断提高，用短波长LED加荧光粉制备的白光LED发光效率得到大幅度的提高，现已被业界公认为是可以替代白炽灯、荧光灯等传统照明灯具的所谓绿色照明光源。目前已被广泛应用于景观亮化、路灯照明、室内照明和以矿灯为代表的特种照明领域。为抢占半导体照明巨大市场，以美国CREE、德国OSRAM、日本NICHIA为代表的GaN LED业界龙头正全力推进更高光电转换效率GaN LED器件的研发。
LED的光电转换效率提升主要努力方向有如下几个方面：一是选择与GaN晶格匹配更好的衬底材料，并通过优化结构抑制LED外延材料生长的晶格失配和热失配问题，减少发光区的非辐射复合，提高LED的内量子效率；二是通过衬底剥离倒装工艺，配合反射镜和表面粗化技术制备垂直结构LED来消除衬底光吸收、抑制电流拥挤效应、减少临界角损耗、提高管芯散热等进一步提高LED的电光转换效率和可靠性。
目前商用的GaN基LED外延衬底材料有两大类：一类是以日本NICHIA公司技术为代表的蓝宝石衬底；第二类是以美国CREE公司技术为代表的SiC衬底。在晶格匹配度方面，蓝宝石和GaN的品格失配度高达17％，而SiC的晶格失配度只有4％左右，这使SiC衬底上生长的GaN材料质量有了高于蓝宝石上生长的外延层质量的基本优势。
美国CREE公司在中国申请的专利CN1413362A公开了一种上下电极为特点的所谓垂直结构发光二极管，其管芯结构包括导电的SiC衬底、GaN(氮化镓)量子阱、在衬底和量子阱之间的导电缓冲层以及在量子阱每个表面上的各自未掺杂的GaN层和垂直结构方向上的欧姆接触点。
这是一种典型的SiC衬底GaN基垂直结构发光二极管的结构，这种结构在GaN材料为高晶体质量的同时，要求SiC衬底为导电的衬底。为了实现导电，SiC衬底需要进行掺杂，而掺杂后的SiC在蓝绿和近紫外光谱范围(400～550nm)具有很强的光吸收。另外SiC的折射率为2.66，远远大于封装树脂和空气的折射率，从量子阱内发出的光，自折射率较大的SiC进入折射率较小的封装树脂或空气时，存在较小的全反射临界角，大于临界角的光线会被重新反射回来，很大一部分光无法提取出来。这大大降低了LED的输出效率。
为了消除SiC衬底上生长的GaN LED的上述缺点，通过先将外延材料倒装到高散热基板(比如Si、铜钼合金)上后去除SiC衬底，制备顶面负极、底面正极的垂直结构GaN LED。
在利用SiC衬底制备出GaN LED外延材料制备垂直结构芯片技术中，由于SiC化学性质稳定，即使高温时也不与强酸或强碱等化学试剂发生反应，所以通过单纯的化学腐蚀的方法也很难将其去除。同时SiC硬度非常高，单纯用机械研磨的方法去除SiC效率很低，，并且机械研磨过程中后期容易对GaN外延层造成损伤，很难确定研磨终止时间。
现有GaN基垂直结构LED技术中，去除SiC衬底的方法主要有光照辅助电化学腐蚀法和激光剥离法。其中光照辅助电化学腐蚀法可以腐蚀去SiC，但是过程控制不好很容易对GaN造成损伤；激光剥离法由于SiC禁带宽度与GaN均非常接近，适合分解GaN的激光能量很容易被衬底吸收，无法到达SiC与GaN的界面进而分解GaN层。美国CREE公司的专利US2005/0247950 A1公开了一种在SiC和GaN中间生长一层剥离材料(剥离材料可以是InGaN，AlInGaN，AlInGaAs)，然后再用光电化学腐蚀或者是激光剥离将SiC和外延层分开的方法。但是为了保证外延层生长质量，剥离材料的材料选择和生长条件优化非常困难。
如何能够完全去除GaN基垂直结构LED中的SiC衬底又不损伤GaN层，是制备高功率的可见光GaN基垂直结构LED的一大难点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出一种GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，能实现SiC衬底完全均匀地剥离又不影响SiC衬底上的GaN基外延层光电特性。
术语说明
1、SiC衬底的GaN基垂直结构LED，包括在SiC衬底(可以是非导电的衬底)上依次生长有N型GaN层、量子阱层、P型GaN层和欧姆接触层，或者在欧姆接触层上再制备一层反射镜层，所述欧姆接触层或反射镜层键合到其他基底上。参见图1-2，但不限于此。制备方法按照已有技术，即用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)在SiC衬底上生长N型GaN层、量子阱层和P型GaN层，在P型GaN层上生长欧姆接触层，或在欧姆接触层上再制备一层反射镜。
2、ICP(感应耦合等离子)法，ICP法是感应耦合等离子的常规简称，ICP采用射频激发的内电极式模式，在反应室的上方加置线圈状的电极，并通过电感耦合增加电子的运动路径，达到增强等离子密度和能量的效果。
3、SiC和GaN的刻蚀选择比，是指在ICP过程中，相同的刻蚀条件下SiC和GaN的刻蚀速率之比。通过测量单位时间内刻蚀去的SiC厚度和GaN的厚度得到。
本发明的技术方案如下：
一种SiC衬底的GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，其特征在于，采用机械研磨将SiC衬底减薄到10微米-100微米；再用ICP(感应耦合等离子)法刻蚀SiC衬底的剩余部分，刻蚀气体是Cl2、BCl3、SF6、O2、Ar、CHF3、CF4之一或组合，使得ICP刻蚀SiC衬底完全且停止在GaN基的层面上。
所述的刻蚀温度为-20℃～80℃之间。优选的，所述的刻蚀时间为10～60min。
刻蚀气体的优选原则是具有较大的SiC刻蚀速率，并且使ICP刻蚀SiC和GaN具有较高的选择比，以对SiC和GaN刻蚀选择比是(30～200)∶1为宜。
优选的，所述的刻蚀气体是SF6气体；SiC和GaN的刻蚀选择比为(30～100)∶1。
优选的，所述的刻蚀气体是SF6、O2按摩尔比为(1～8)∶1的混合气体。SiC和GaN的刻蚀选择比为(50～150)∶1。
优选的，所述的刻蚀气体是CHF3、Ar按摩尔比为(1～10)∶1的混合气体。SiC和GaN的刻蚀选择比为(30～120)∶1。
优选的，所述的刻蚀气体是SF6、O2、Ar按摩尔比(3～20)∶(1～3)∶1的混合气体。SiC和GaN的刻蚀选择比为(50～120)∶1。
所述的机械研磨是本领域常规方法，参见李响等，SiC化学机械抛光技术的研究进展，半导体技术，第33卷第61期，470-472。
本发明的技术特点在于：先用机械研磨将SiC衬底减薄，再用ICP刻蚀SiC(刻蚀过程不使用掩膜)，通过选择合适的刻蚀气体，使得ICP刻蚀SiC和GaN具有较高的选择比，ICP刻蚀可以停止在GaN面上。可以保证刻蚀SiC衬底的同时不对GaN层造成损伤。用ICP法刻蚀SiC的原理是上电极将刻蚀气体分解为原子或离子和电子，产生的原子、离子、电子和剩余的气体的分子，在下电极的吸引下，到达托盘上的SiC衬底上，由于电场和磁场的作用，达到SiC衬底上的原子、离子、电子具有很大的动能，当动能足够大时，可将SiC的Si-C键打开，Si和C与刻蚀气体产生的原子、离子发生反应，产生易挥发的气体，ICP的真空足够低，将产生的气体抽出，就完成了SiC的ICP刻蚀。
本发明有效地解决了SiC难剥离的问题，实现了SiC和N型GaN的完整剥离，并且由于ICP刻蚀SiC和GaN有较大的选择性，剥离完SiC的同时没有损伤到GaN结构。克服了当前采用SiC剥离技术存在的缺点，诸如光照辅助电化学腐蚀法腐蚀SiC同时会对GaN造成损伤、激光剥离法无法找到合适波长的光源、难于生长确保剥离效果而又保证外延材料质量的剥离材料层等。
附图说明
图1是一种在SiC衬底上生长GaN基垂直结构LED的结构示意图(无反射镜层的)；图2是另一种在SiC衬底上生长GaN基垂直结构LED的另一种结构示意图(有反射镜层的)；图3是采用本发明方法剥离衬底后加电极的GaN基垂直结构LED示意图；其中：1、SiC衬底，2、N型GaN，3、量子阱，4、P型GaN，5、欧姆接触层，6、Si基底，7、反射镜，8、P电极，9、N电极。
图4是实施例1剥离衬底后的刻蚀面的SEM(扫面电镜)照片；图5是实施例1剥离衬底后的刻蚀面的能谱分析。
具体实施方式
实施例1：
一种SiC衬底的GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，所述GaN基垂直结构LED的SiC衬底1上的外延层依次包括N型GaN层2、量子阱层3、P型GaN层4，P型GaN层4生长有欧姆接触层5，所述欧姆接触层键合到Si基底6上；如图1所示。按照常规MOCVD工艺在SiC衬底1上依次生长所述的各外延层，P型GaN层4上蒸镀生长欧姆接触层5。
先用机械研磨法将SiC衬底减薄到30微米；再用ICP法刻蚀SiC衬底的剩余部分，刻蚀气体为SF6∶O2＝5∶1(摩尔比)的混合气体，在8℃下进行刻蚀，刻蚀时间为30min。SiC衬底完全均匀地剥离除去，SiC衬底上的其它外延结构完好。图4为剥离衬底后的刻蚀面SEM照片，刻蚀面表面无明显粗化，不影响GaN的性质。图5为剥离衬底后的刻蚀面的能谱分析，衬底表面只有Ga元素和N元素，说明SiC剥离完全，剥离衬底后的表面为GaN表面。
除去SiC衬底后，按现有常规方法在N-GaN上制备N电极9，在键合的基底上制备P电极8。得GaN基垂直结构LED产品。
实施例2：
如实施例1，所不同的是先用机械研磨法将SiC衬底减薄剩余厚度为20微米，刻蚀气体为SF6气体，刻蚀时间为15min。SiC衬底完全均匀地剥离除去，SiC衬底上的其它外延结构完好。
实施例3：
如实施例1，所不同的是先用机械研磨法将SiC衬底减薄剩余厚度为40微米，刻蚀气体为SF6、O2、Ar按摩尔比5∶3∶1的混合气体。刻蚀时间为35min。SiC衬底完全均匀地剥离除去，对SiC衬底上的其它外延结构没有任何影响。
实施例4：
一种GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，所述GaN基垂直结构LED的SiC衬底上的结构依次包括N型GaN层、量子阱层、P型GaN层和欧姆接触层，在欧姆接触层上再生长有一层反射镜7，所述反射镜层7键合到Si基底上；如图2所示。
先用机械研磨法将SiC衬底减薄剩余厚度为50微米，所述的刻蚀气体是CHF3、Ar按摩尔比6∶1的混合气体；在8℃下进行刻蚀，刻蚀时间为30min。SiC衬底完全均匀地剥离除去，对SiC衬底上的其它外延结构没有任何影响。

Claims (7)

1.一种SiC衬底的GaN基垂直结构LED中SiC衬底的剥离方法，其特征在于，采用机械研磨将SiC衬底减薄到10微米-100微米；再用ICP法刻蚀SiC衬底的剩余部分，并且使ICP刻蚀停止在GaN面上，刻蚀气体是Cl2、BCl3、SF6、O2、Ar、CHF3、CF4之一或组合，使ICP刻蚀SiC衬底完全且停止在GaN基的层面上。
2.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀气体是SF6气体。
3.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀气体是SF6、O2按摩尔比为(1～8)∶1的混合气体。
4.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀气体是CHF3、Ar按摩尔比为(1～10)∶1的混合气体。
5.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀气体是SF6、O2、Ar按摩尔比(3～20)∶(1～3)∶1的混合气体。
6.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀时间为10～60min。
7.如权利要求1所述的SiC衬底的剥离方法，其特征在于，所述的刻蚀温度为-20℃～80℃。
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