CN102683531A - 一种覆晶式半导体发光器件结构与其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种覆晶式半导体发光器件结构及其制作方法。一种覆晶式半导体发光器件结构，包括：支撑基板；发光外延层位于所述支撑基板之上，依次由p型半导体层、发光活性层、n型半导体层、缓冲层构成；透光性生长衬底，位于所述发光外延层之上；其特征在于：一规则的图形化空气夹层，位于所述生长衬底与发光外延层之间，其具有光学匹配厚度。通过在衬底与外延层之间具有光学匹配厚度的图形化散热空气夹层，可以达到增加透光和散热效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件制造领域，具体涉及一种覆晶式半导体发光器件结构及其制作方法。
背景技术
近年来，为了提高III族氮化物基化合物半导体发光器件的发光功率和效率，发展了基于衬底转移的薄膜器件技术，例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积III族氮化物薄膜，然后把III族氮化物薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除；或者在SiC或者Si衬底上沉积III族氮化物薄膜，然后把III族氮化物薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把SiC或者Si衬底用化学腐蚀方法去除。
随着高功率LED和深紫外LED的大量开发，大家逐渐把目标重点转向覆晶式芯片（flip-chip）的开发。覆晶式芯片的封装之所以可以达到高发光效率，主要在于将结晶层置于下方，利用金属材料封装在基板上，所以能够有效率的把结晶层内的热量排除，而且因为不需要连接材料，所以稳定性也相对较高，可用于照明用的大电流、大型元件。
但是，半导体层不同界面均存在对光不同程度的反射和吸收。例如：GaN系结晶折射率较高，其在LED元件结晶内部发出的光并没有全部透出而是在内部产生反射，最终被材料所吸收产生热量；再者，通常发光二极管芯片需要使用有机材料进行封装，伴随著这种封装材料的热量出现，会导致光的质量出现劣化，产生光输出降低的问题。因此，如何减少光的吸收和提高散热效果成为提高外量子效率的重点。
发明内容
本发明提出一种覆晶式半导体发光器件结构及其制作方法，其在衬底与外延层之间具有光学匹配厚度的图形化散热空气夹层，可以达到增加透光和散热效果。
根据本发明的第一个方面，一种覆晶式半导体发光器件结构，包括：支撑基板；发光外延层位于所述支撑基板之上，依次由p型半导体层、发光活性层、n型半导体层、缓冲层构成；透光性生长衬底，位于所述发光外延层之上；一规则的图形化空气夹层，位于所述生长衬底与发光外延层之间，其具有光学匹配厚度。
优选地，所述发光活性层产生的光波长位于100nm～400nm。
优选地，所述空气夹层呈带状分布，其上分布有透镜结构。
优选地，所述空气夹层的厚度为所述发光活性层发光波长1/4的奇数倍。
优选地，所述生长衬底的厚度为50um～300um。
根据本发明的第二个方面，一种覆晶式半导体发光器件的制作方法，包含如下步骤： 1）提供一透光性生长衬底，在其上形成连续凹状图形，构成图形化生长衬底；2）在所述图形化生长衬底上形成一图形化过渡层，其将所述生长衬底上的凹状图形连接起来；3）在所述图形化生长衬底上依次外延生长缓冲层、n型半导体层、发光活性层、p型半导体层，构成发光外延层，其覆盖图形化的过渡层；4）在发光外延层上定义单个芯粒的大小和n电极区，蚀刻该区域的p型半导体层、发光活性层，直至暴露出n型半导体层；5）利用激光将发光外延层按每个芯粒图形切割至衬底，芯粒的侧面露出图形化过渡层；6）侧面蚀刻图形化过渡层，在发光外延层与所述生长衬底之间形成一空气夹层，其具有光学匹配厚度；7）分别在p、n型半导体层上形成电极；8）对所述生长衬底进行减薄处理，然后分割芯粒；9）提供支撑基板，将所述芯粒与所述支撑基板连结，形成覆晶式芯粒。
优选地，在所述生长衬底上制作凹透镜半球状结构，其具有聚光效果，其材料选用AlN单晶材料、蓝宝石或GaN。
优选地，所述过渡层为耐高温材料，其物态转变温度Tg大于800oC，可选用SiO2或者SiN；厚度可为50nm～500nm，最好控制在活性层发光波长1/4的奇数倍。
优选地，所述过渡层为带状分布，其上具有从图形化生长衬底转移而来的凹状图形。
优选地，所述发光外延层的材料为氮化镓基材料。
本发明至少具有下列有益效果：首先，本发明所述的半导体发光器件在生长衬底与外延层之间设置具有光学匹配厚度的图形化空气夹层，一方面可以达到增加透光，另一方面散热效果；其次，图形化生长衬底具有凹透镜形状，倒装时作为出光层时具有将全角度光转为平行光的效果；进一步地，所述空气夹层是周期性的图形化结构，具有与发光波长匹配的光学厚度，利用图形化的缓冲层，能够有效提高取光效率；特别是在深紫外发光二极管部分，同时可以减少材料对紫外光的吸收；再者，本发明所述的半导体发光器件的制作方法中，在生长衬底上制作耐高温的图形化过渡层，一方面可以将生长衬底的图形转移到外延层，另一方面，可利用湿法腐蚀清除从而形成规则的空气夹层，进而实现前述的半导体发光器件。通过控制过渡层的厚度分布，可以达到对空气夹层的厚度的最优化处理。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施的一种覆晶式半导体发光器件的结构示意图。
图2至图12为图1所示一种覆晶式半导体发光器件的制作过程示意图。
图2为图形化生长衬底的侧面剖视图。
图3为图形化生长衬底的俯视图。
图4为在图3所示的形化生长衬底上形成带状过渡层的俯视图。
图5为沿图4中A-A的侧面剖视图。
图6为沿图4中B-B的侧面剖视图。
图7为在图6所示的生长衬底上形成缓冲层的侧面剖视图。
图8为在图7所示的结构上继续外延生长发光外延层的结构示意图。
图9为将图8所示的发光外延层划分为一系列芯粒后的结构示意图。
图10和图11为去除过渡图后的侧面示意图。
图12为制作完成后的覆晶式芯粒结构示意图。
图中各标号表示：
100：生长衬底；101：生长衬底上的半球状结构；110：支撑基板；200：过渡层；300：缓冲层；310：n型半导体层；320：发光活性层；330：p型半导体层；400：空气夹层；500：欧姆接触层：510：n电极；520：p电极；610、620：金属键合层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明提出的覆晶式半导体发光器件及其制作方法，主要应用于氮化镓基半导体发光器件，特别适用于波长位于100nm～400nm的紫外发光二极管器件。
如图1所示，一种覆晶式半导体发光器件，包括：支撑基板110；发光外延层位于支撑基板110之上，依次由p型半导体层330、发光活性层320、n型半导体层310、缓冲层300构成；生长衬底101，位于所述发光外延层之上；规则的图形化空气夹层400，位于生长衬底400与发光外延层之间，具有光学匹配厚度。
生长衬底100上规则分布有一系列凹透镜半球状结构101，其具有聚光效果，其材料选用适用于外延生长GaN基半导体材料的透光性材料，可选用AlN单晶材料、蓝宝石或GaN。对于生长衬底上的图案，除了附图所示的半球状，还可以为梯形、矩形等。在本发明中，生长衬底101主要用于外延生长衬底及取光层。在完成外延生长后，在芯片工艺中一般需将生长衬底减薄，一般取器件发光波长1/4的奇数倍，可为50um～300um。
发光外延层位于生长衬底100之下，依次包括：缓冲层300、n型半导体层310、发光活性层320、p型半导层330。发光外延层为氮化镓基材料，如GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等。在各半导体层300、310、320、330之上/下还可设置其他半导体层，但是不限于此。缓冲层继承了生长衬底100规则的图案101。
空气夹层400位于缓冲层300与生长衬底100之间，具有光学匹配厚度。空气夹层400呈带状分布，位于生长衬底100的凹透镜半球状结构101下方。通过在生长衬底100的凹透镜半球状结构101的形成带状的耐高温的过渡层，在完成外延生长工艺后，通过侧面蚀刻掉过渡层从而获得具有规则形状的空气夹层。空气夹层400连接凹透镜半球状结构，且厚度均匀。空气夹层的厚度可取器件发光波长1/4的奇数倍。
发光外延层倒装形成于支撑基板110上。支撑基板110上分布有金属键合层610、620，用于与发光外延层的n、p电极510、520连接，其材料可为AlN陶瓷基板、SiC、Si等散热基板。在p型半导体层上一般还设置有一欧姆接触层500。
前述覆晶式半导体发光器件的制作方法包括下面步骤。
如图2所示，取一透光性的生长衬底100，利用干蚀刻和黄光制程相结合的方法在其上制作图形，图形选用凹透镜半球状结构101，具有聚光效果。衬底材料首选AlN单晶材料，或者蓝宝石和GaN。其俯视图如图3所示。
下一步，在图形化生长衬底100上形成一层耐高温的过渡层200；材料的物态转变温度Tg大于800℃，可选用SiO2或者SiN。厚度控制在50nm-500nm之间，取器件发光波长1/4的奇数倍。采用黄光制程和化学蚀刻，获得一覆盖住半球状图形的带状过渡层200，过渡层将图形化衬底的图形连接起来，形成连续图案，如图4所示。图5和图6分别为沿图4中A-A、B-B的侧面剖视图。从图中看来，带状过渡层200将同一排的凹透镜半球状结构连接起来。且整层过渡层200的厚度均匀。
下一步，在图形化衬底上，依次外延生长缓冲层300，n型半导体层310，发光活性层320，p型半导体层330，形成发光外延层；外延层为GaN基的半导体材料，其侧面剖视图如图8所示。如图7所示，生长衬底上的图形反向转移到缓冲层上，缓冲层200的图形与衬底的图形是周期性均匀相对应。
下一步，在发光外延层上定义单个芯粒的大小和n电极区，蚀刻该区域的p型半导体层、发光活性层，直至暴露出n型半导体层。其具体工艺如下：利用干蚀刻从P层半导体的部分区域蚀刻至N层半导体；利用激光将每个芯片图形切割至衬底，清洗激光蚀刻的残留物，并在激光切割走道上从芯片侧面露出过渡层，其侧面剖视图如图9所示。
下一步，利用湿法蚀刻从芯片的侧面蚀刻掉过渡层；芯片中形成一层中空的空气夹层400，蚀刻溶液可用HF、NH4F等溶液组合。其侧面剖视图如图10所示。
下一步，在p型半导体层上形成一欧姆接触层500。
下一步，分别在欧姆接触层500和n型半导体层上制作金属电极520、510。金属电极材料首选Cr/Pt/Au，厚度在200-5000nm之间，也可以是包括Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的一种合金制成。
下一步，对衬底进行研磨减薄，厚度控制在50um~300um；然后利用激光根据芯片图形单元划裂开。
下一步，将芯片覆晶焊到支撑基板110上，形成覆晶式半导体发光器件。
本实施例在生长衬底上制作透镜效果的图形，作为反向出光层；在衬底上制作耐高温的图形化过渡层，用于缓冲层图形化结构转移，根据发光波长的光学厚度，控制过渡层的厚度，然后生长外延结构；在晶片上制作覆晶芯片结构，采用激光将每个芯片单元划开至衬底，利用侧向蚀刻将过渡层清除掉，形成一层中空的图形化空气夹层，其具有与器件发光波长相匹配的光学厚度，可以达到增透光的效果和散热效果，同时在衬底和缓冲层都具有周期对应的图形化图形，可提高出光效率。
Claims (10)
1.一种覆晶式半导体发光器件结构，包括：支撑基板；发光外延层位于所述支撑基板之上，依次由p型半导体层、发光活性层、n型半导体层、缓冲层构成；透光性生长衬底，位于所述发光外延层之上；其特征在于：一规则的图形化空气夹层，位于所述生长衬底与发光外延层之间，其具有光学匹配厚度。
2.根据权利要求1所述的一种覆晶式半导体发光器件结构，其特征在于：所述发光活性层产生的光波长位于100nm～400nm。
3.根据权利要求1所述的一种覆晶式半导体发光器件结构，其特征在于：所述空气夹层呈带状分布，其上分布有透镜结构。
4.根据权利要求1所述的一种覆晶式半导体发光器件结构，其特征在于：所述空气夹层的厚度为所述发光活性层发光波长1/4的奇数倍。
5.根据权利要求1所述的一种覆晶式半导体发光器件结构，其特征在于：所述生长衬底的厚度为50um～300um。
6.一种覆晶式半导体发光器件的制作方法，包含如下步骤：
1）提供一透光性生长衬底，在其上形成连续凹状图形，构成图形化生长衬底；
2）在所述图形化生长衬底上形成一图形化过渡层，其将所述生长衬底上的凹状图形连接起来；
3）在所述图形化生长衬底上依次外延生长缓冲层、n型半导体层、发光活性层、p型半导体层，构成发光外延层，其覆盖图形化的过渡层；
4）在发光外延层上定义单个芯粒的大小和n电极区，蚀刻该区域的p型半导体层、发光活性层，直至暴露出n型半导体层；
5）利用激光将发光外延层按每个芯粒图形切割至衬底，芯粒的侧面露出图形化过渡层；
6）侧面蚀刻图形化过渡层，在发光外延层与所述生长衬底之间形成一空气夹层，其具有光学匹配厚度；
7）分别在p、n型半导体层上形成电极；
8）对所述生长衬底进行减薄处理，然后分割芯粒；
9）提供支撑基板，将所述芯粒与所述支撑基板连结，形成覆晶式芯粒。
7.根据权利要求6所述的一种覆晶式半导体发光器件结构的制作方法，其特征在于：所述空气夹层呈带状分布，其上分布有透镜结构。
8.根据权利要求6所述的一种覆晶式半导体发光器件结构的制作方法，其特征在于：所述过渡层为耐高温材料，其物态转变温度Tg大于800oC。
9.根据权利要求6所述的一种覆晶式半导体发光器件结构的制作方法，其特征在于：所述过渡层的厚度为所述发光活性层发光波长1/4的奇数倍。
10.根据权利要求6所述的一种覆晶式半导体发光器件结构的制作方法，其特征在于： 所述过渡层为带状分布，其上具有从图形化生长衬底转移而来的凹状图形。
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