CN102709411B - 基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，包括：在衬底上依次制作二氧化硅掩蔽层和紧密排列的自组装PS球；刻蚀、加热、蒸镀金属层；去除自组装PS球表面的金属层，形成网孔状金属层；加热使自组装PS球气化形成纳米网孔状金属层；刻蚀网孔状金属层形成二氧化硅纳米网孔阵列；用酸液腐蚀掉纳米网孔状金属层；在二氧化硅纳米网孔阵列上依次外延u-GaN层、n-GaN层、多量子阱结构、电子阻挡层和p-GaN层；将衬底磨抛减薄；在p-GaN层上依次制作金属反射镜、金属支撑衬底；在衬底激光划出沟槽；涂一层光刻胶保护层；超声去掉二氧化硅纳米网孔阵列形成空气桥；放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中或KOH溶液中腐蚀，使衬底与u-GaN层剥离，形成垂直结构LED管芯，形成光子晶体表面。

Description

基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，由于形成了一种特殊的纳米柱阵列结构，在湿法剥离衬底时可有效降低损伤。
背景技术
白光LED具有节能、环保、冷光源、显色指数高、响应速度快、体积小和工作寿命长等突出优点。而且，半导体固体照明光源作为新一代照明革命的绿色固体光源显示出巨大的应用潜力。现在提倡的垂直结构LED是一种理想的结构，避免了准平面结构的电流堵塞现象，有效的提高器件效率和可靠性，且光提取效率高。
由于蓝宝石衬底是目前最成熟的GaN材料衬底技术，为制作垂直结构LED必须将绝缘宝石衬底剥离。目前的剥离技术主要有激光剥离和湿法剥离。激光剥离成本高，所需的工艺难度较大，有激光损失，剥离不干净，破裂等问题。而湿法剥离存在的问题是腐蚀时间长，对掩蔽材料要求较高。
发明内容
本发明提出了一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，可减少湿法剥离的时间，大大提高剥离效率和成功率，且剥离后在表面留下纳米针状阵列图形，起到粗化的作用。
本发明提出了一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，在衬底上淀积一层二氧化硅掩蔽层，形成基底层；
步骤2：采用自组装技术，在二氧化硅掩蔽层上排列一单层紧密排列的自组装PS球；
步骤3：将表面具有自组装PS球的基底层置于80℃空气气氛中，使自组装PS球与二氧化硅掩蔽层牢固结合；
步骤4：采用刻蚀法，对自组装PS球进行刻蚀，使其变小，刻蚀气体为氧气；
步骤5：第一次加热，使自组装PS球在二氧化硅掩蔽层有稍微塌陷，把点接触变成面接触；
步骤6：在自组装PS球表面及间隙蒸镀金属层；
步骤7：采用甲苯超声法，去除自组装PS球表面的金属层，保留自组装PS球间隙中的纳米网孔状金属层；
步骤8：第二次加热使自组装PS球气化，在二氧化硅掩蔽层上纳米网孔状金属层；
步骤9：刻蚀网孔状金属层的金属掩膜下的二氧化硅掩蔽层，形成二氧化硅纳米网孔阵列；
步骤10：用酸液腐蚀掉纳米网孔状金属层；
步骤11：在二氧化硅纳米网孔阵列上依次外延u-GaN层、n-GaN层、多量子阱结构、电子阻挡层和p-GaN层；
步骤12：将衬底磨抛减薄；
步骤13：在p-GaN层上蒸镀金属反射镜；
步骤14：在金属反射镜上电镀或键合金属支撑衬底；
步骤15：在衬底激光划出沟槽；
步骤16：在金属支撑衬底表面及边缘上涂一层光刻胶保护层；
步骤17：放于HF中，超声去掉二氧化硅纳米网孔阵列形成空气桥；
步骤18：放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中或KOH溶液中腐蚀，使衬底与u-GaN层剥离，形成垂直结构LED管芯，形成光子晶体表面。
附图说明
为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：
图1为本发明在蓝宝石衬底淀积二氧化硅掩蔽层，其中10为蓝宝石衬底，11为二氧化硅掩蔽层；
图2是本发明在二氧化硅掩蔽层11上排列一单层紧密排列的自组装PS球20，图中插入的是自组装PS球20的俯视图；
图3是本发明采用ICP刻蚀法，对自组装PS球20进行刻蚀，使其变小，再加热使自组装PS球20在二氧化硅掩蔽层11有稍微塌陷，把点接触变成面接触；
图4是本发明在自组装PS球20表面及间隙蒸镀金属层40；
图5是本发明采用甲苯超声法，去除自组装PS球20表面的金属层，保留自组装PS球20间隙中的纳米网孔状金属层50；
图6是本发明高温加热使自组装PS球20气化，在二氧化硅掩蔽层11上纳米网孔状金属层50；
图7是本发明刻蚀金属掩膜下的二氧化硅掩蔽层11；
图8是本发明用酸液腐蚀掉纳米网孔状金属层50；形成二氧化硅纳米网孔阵列70；
图9是本发明在二氧化硅纳米网孔阵列70上外延u-GaN层90、n-GaN层91、多量子阱结构92、电子阻挡层93和p-GaN层94；
图10是本发明在p-GaN层94蒸镀金属反射镜100，在金属反射镜100上电镀或键合金属支撑衬底101，在蓝宝石衬底10激光划出沟槽102，在金属支撑衬底101表面及边缘上涂一层光刻胶保护层103；
图11是本发明放于HF中超声去掉二氧化硅纳米网孔阵列70，然后放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中(或KOH溶液中)腐蚀，使蓝宝石衬底10与u-GaN层90剥离，形成垂直结构LED管芯，形成光子晶体表面110。
具体实施方式
请参阅图1至图11所示，本发明提供一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底10(本结构是采用蓝宝石衬底)，在蓝宝石衬底10上淀积一层二氧化硅掩蔽层11；形成基底层。也可以是硅衬底，SiC等其它Ⅲ\Ⅴ，Ⅱ\Ⅵ族半导体衬底，二氧化硅掩蔽层11也可以是SiN薄膜。
步骤2：在二氧化硅掩蔽层11上排列一单层紧密排列的自组装PS球20；直径为0.1-1um，也可以是氧化硅球或者其他有机透明球；可以是LB拉膜，也可以是甩胶的方式形成单层球。
步骤3：将表面具有自组装PS球20的基底层置于80℃空气气氛中，使自组装PS球20与二氧化硅掩蔽层11牢固结合；
步骤4：采用ICP刻蚀法，对自组装PS球20进行刻蚀，使其变小，刻蚀气体为氧气，氧流量70sccm，腔压6mTorr，起辉功率为300W，溅射功率为10W，刻蚀时间为1-2min，经过刻蚀后，自组装PS球20间距变大，球半径减小。
步骤5：第一次加热使自组装PS球20在二氧化硅掩蔽层11有稍微塌陷，把点接触变成面接触，105℃加热1-5min。
步骤6：在自组装PS球20表面及间隙蒸镀金属层40，可以蒸金属Al或Cr等或其它金属掩膜，厚度为100-1000nm。
步骤7：甲苯超声1-5min去除自组装PS球20表面的金属层40，留在二氧化硅掩蔽层11上的纳米网孔状金属层50结合较紧，得以保留。
步骤8：第二次加热使自组装PS球20气化，在二氧化硅掩蔽层11上纳米网孔状金属层50，这里采用400-600℃的温度处理10-60min。
步骤9：刻蚀金属掩膜下的二氧化硅掩蔽层11，形成二氧化硅纳米网孔阵列70，采用氟基气体刻蚀氧化硅；
步骤10：用酸液腐蚀掉纳米网孔状金属层50；
步骤11：在二氧化硅纳米网孔阵列70上外延u-GaN层90、n-GaN层91、多量子阱结构92、电子阻挡层93和p-GaN层94，生长方法可以是MOCVD或者MBE；
步骤12：将蓝宝石衬底10磨抛减薄；
步骤13：在p-GaN层94蒸镀金属反射镜100；
步骤14：在金属反射镜100上电镀或键合金属支撑衬底101；
步骤15：在蓝宝石衬底10激光划出沟槽102；
步骤16：在金属支撑衬底101表面及边缘上涂一层光刻胶保护层103；
步骤17：放于HF中超声去掉二氧化硅纳米网孔阵列70形成空气桥；
步骤18：放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中(或KOH溶液中)腐蚀，蓝宝石衬底10与u-GaN层90剥离，形成垂直结构LED管芯，形成光子晶体表面110，可以用在太阳能电池，LD，HEM等半导体器件上，用来湿法剥离或形成表面光子晶体。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，在衬底上淀积一层二氧化硅掩蔽层，形成基底层；
步骤2：采用自组装技术，在二氧化硅掩蔽层上排列一单层紧密排列的自组装PS球；
步骤3：将表面具有自组装PS球的基底层置于80℃空气气氛中，使自组装PS球与二氧化硅掩蔽层牢固结合；
步骤4：采用刻蚀法，对自组装PS球进行刻蚀，使其变小，刻蚀气体为氧气；
步骤5：第一次加热，使自组装PS球在二氧化硅掩蔽层有稍微塌陷，把点接触变成面接触；
步骤6：在自组装PS球表面及间隙蒸镀金属层；
步骤7：采用甲苯超声法，去除自组装PS球表面的金属层，保留自组装PS球间隙中的纳米网孔状金属层；
步骤8：第二次加热使自组装PS球气化，在二氧化硅掩蔽层上制作纳米网孔状金属层；
步骤9：刻蚀网孔状金属层的金属掩膜下的二氧化硅掩蔽层，形成二氧化硅纳米网孔阵列；
步骤10：用酸液腐蚀掉纳米网孔状金属层；
步骤11：在二氧化硅纳米网孔阵列上依次外延u-GaN层、n-GaN层、多量子阱结构、电子阻挡层和p-GaN层；
步骤12：将衬底磨抛减薄；
步骤13：在p-GaN层上蒸镀金属反射镜；
步骤14：在金属反射镜上电镀或键合金属支撑衬底；
步骤15：在衬底上激光划出沟槽；
步骤16：在金属支撑衬底表面及边缘上涂一层光刻胶保护层；
步骤17：放于HF中，超声去掉二氧化硅纳米网孔阵列形成空气桥；
步骤18：放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中或KOH溶液中腐蚀，使衬底与u-GaN层剥离，形成垂直结构LED管芯，形成光子晶体表面。
2.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中衬底的材料为蓝宝石、硅或SiC。
3.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中步骤2中的二氧化硅掩蔽层上排列的自组装球为自组装PS球，直径为0.1-1um，或者是氧化硅球或者是其他有机透明球；该自组装PS球是LB拉膜或是甩胶的方式形成。
4.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中刻蚀法是ICP或者RIE刻蚀法，刻蚀气体为氧气，氧流量70sccm，腔压6mTorr，起辉功率为300W，溅射功率为10W，刻蚀时间为1-2min，经过刻蚀后，自组装PS球间距变大，球半径减小。
5.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中第一次加热的温度为105℃，加热时间为1-5min。
6.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中金属层的材料为Al或Cr，厚度为100-1000nm。
7.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中采用甲苯超声法的超声时间为1-5min。
8.根据权利要求1所述的基于湿法剥离垂直结构发光二极管的制作方法，其中第二次加热的温度为400-600℃，时间为10-60min。
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