CN102790137A - GaN基薄膜芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基薄膜芯片的制备方法，涉及半导体发光器件的制备工艺，用于解决在剥离蓝宝石衬底时发生的外延薄膜破裂的问题。该制备方法包括以下步骤：在蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、活性层、p型GaN层，形成半导体多层结构；对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理；在半导体多层结构和导电反射复合金属层上涂第一胶，与第一临时基板进行固化；将蓝宝石衬底进行激光剥离，在剥离面涂第二胶，并固化到第二临时基板；将第一临时基板和第一胶去掉；采用共晶键合方式将所述半导体多层结构与永久支撑基板结合；去掉第二临时基板和第二胶。本发明可以降低对氮化镓膜的损伤，可以大大提高通过这种工艺得到的GaN基薄膜芯片的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的制备工艺。更具体而言，本发明涉及采用激光剥离工艺制备GaN基薄膜芯片的方法。
背景技术
蓝宝石衬底作为氮化镓基LED外延生长的主要衬底，其导电性和散热性都比较差。由于导电性差，发光器件要采用横向结构，导致电流堵塞和发热。而较差的导热性能限制了发光器件的功率。采用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除后，将发光二极管做成垂直结构，可以有效解决散热和出光问题。成品率低是利用激光剥离蓝宝石衬底技术产业化的瓶颈。由于蓝宝石、氮化镓薄膜和支撑衬底三者热膨胀系数的差异产生的应力，使氮化镓薄膜在蓝宝石剥离过程中容易破裂。普通的做法是寻找热膨胀系数相匹配的导电、导热性好的支撑衬底以及相应的键合技术。但由于键合界面不平整和存在很小的空隙，在激光剥离过程中氮化镓薄膜分解气体的高能冲击造成蓝宝石剥离对氮化镓膜的拉扯力，会导致氮化镓薄膜的损伤和破裂。传统方法是将蓝宝石上的外延层直接键合到导电导热衬底上，将蓝宝石剥离后做成器件结构，但是这样得到的芯片合格率很低。该方法没能解决激光剥离过程中的应力作用，会导致大量氮化镓薄膜芯片发生开裂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种GaN基薄膜芯片的制备方法，用于解决在激光剥离蓝宝石衬底时发生的外延薄膜破裂的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种GaN基薄膜芯片的制备方法，包括以下步骤：在蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、活性层、p型GaN层，形成半导体多层结构；对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理；半导体多层结构上涂第一胶，与第一临时基板进行固化；将蓝宝石衬底进行激光剥离，在剥离面涂第二胶，并固化到第二临时基板；将第一临时基板和第一胶去掉；采用共晶键合方式将所述半导体多层结构与永久支撑基板结合；去掉第二临时基板和第二胶。
作为本发明的优选方案，其中所述半导体多层结构上还蒸镀有导电反射复合金属层，并进行合金处理，合金温度为400-600℃。
作为本发明的优选方案，其中所述蓝宝石减薄抛光到100-150微米。
作为本发明的优选方案，其中对所述半导体多层结构进行周期性切割处理，分离单元器件。
作为本发明的优选方案，其中所述第一胶为一种高温环氧树脂改性胶，其固化后邵氏硬度在80-100D，耐温度范围-25-300℃，拉弯强度80--120MPa，压缩强度200-300MPa。
作为本发明的优选方案，其中所述第一胶厚度为10-100微米，固化温度80-160℃，固化时间30-120分钟。
作为本发明的优选方案，其中所述第二胶为改性杂环树脂，耐温范围-55-+420℃，拉伸强度60-100MPa，拉弯强度105-200MPa。
作为本发明的优选方案，其中所述第二胶的厚度为5-30微米，固化温度120-180℃，固化时间10-60分钟。
作为本发明的优选方案，其中所述第一和第二临时基板的材质为硅、蓝宝石、玻璃或陶瓷材质中的任一种。
作为本发明的优选方案，其中所述永久支撑基板为硅基板。
作为本发明的优选方案，其中所述键合方式采用Au-Sn键合，温度为200-400℃。
本发明的有益效果如下：
本发明由于采用胶将外延层进行多次转移，尤其是在激光剥离前将蓝宝石外延层用胶粘结在第一临时基板上，由于该胶具有适当的强度和硬度，在进行蓝宝石衬底剥离的时候，可以有效降低氮化镓分解能量不均匀导致整面蓝宝石对氮化镓薄膜的撕扯强度，从而降低对氮化镓薄膜的损伤，可以大大提高通过这种工艺得到的GaN基薄膜芯片的良率。
附图说明
图1a是本发明在蓝宝石衬底上制备多层半导体结构和复合金属层的示意图。
图1b是对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理后的结构图。
图1c是粘合第一临时基板的结构图。
图1d是去除蓝宝石衬底的结构图。
图1e是粘合第二临时基板的结构图。
图1f是去除第一临时基板的结构图。
图1g是键合永久支撑基板的结构图。
图1h是去除第二临时基板的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明包括以下步骤：在蓝宝石衬底100上用MOCVD生长n型GaN层、活性层、P型GaN层，形成外延层110，外延层110为GaN基外延薄膜，为多层半导体结构，蒸镀导电反射复合金属层120，如图1a；对于蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理，如图1b；将导电反射复合金属层120进行涂第一胶130，然后与第一临时基板140进行固化，如图1c；将蓝宝石进行激光剥离，蓝宝石衬底100脱落，如图1d；在剥离后的表面涂第二胶150，并固化到第二临时基板160，如图1e；在保护第二临时基板160和第二胶150的情况下，将第一临时基板140和第一胶130去掉，如图1f；在去掉第一临时基板和第一胶后的表面经清洗后，进行共晶键合170，形成永久支撑基板180，如图1g；去掉第二临时基板160和第二胶，如图1h；完成芯片制作的其他工艺。
具体实施例1
在蓝宝石衬底上在MOCVD中依次生长n型GaN层、活性层、p型GaN层，采用电子束蒸发蒸镀Ag作为反射金属膜，然后蒸镀Cr/Pt/Au多层金属膜，在500℃合金处理。对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理，使蓝宝石衬底厚度为120微米。切割蓝宝石衬底，得到分离的单元器件。在多层金属膜上进行涂胶，胶为一种高温环氧树脂改性胶，其固化后邵氏硬度在80-100D，耐温度范围-25-300℃，拉弯强度80-120MPa，压缩强度200-300MPa。厚度为25微米，与第一临时基板硅基板粘结一起，在100℃温度下进行固化60分钟。透过蓝宝石衬底面进行激光剥离，采用248纳米准分子激光，功率500mW，在剥离后的面上再涂另外一种胶，该胶为改性杂环树脂，其耐温范围为-55-+420℃，拉伸强度60-100MPa，拉弯强度105-200MPa。与第二临时硅基板进行粘结，并在150℃温度下进行固化30分钟。将第二临时硅基板用蜡进行保护后，用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀第一临时硅基板，采用甲苯在100℃下进行腐蚀该高温环氧树脂改性胶。然后进行Au-Sn键合到永久支撑硅基板，温度为300℃。将永久支撑硅基板用蜡进行保护，用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀第二临时硅基板，并用硫酸双氧水腐蚀掉改性杂环树脂胶。然后对于得到的n型GaN层表面进行清洗，制造N电极。
具体实施例2
蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、发光层、p型GaN层，采用电子束蒸发蒸镀Ag作为反射金属膜和多层金属膜Cr/Pt/Au，在500℃合金处理。对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理，使蓝宝石厚度为150微米。切割蓝宝石衬底，将蓝宝石单元进行涂胶，胶为高温环氧树脂改性胶，厚度为20微米，与硅基板粘结一起，在120℃下进行固化40分钟。透过蓝宝石面进行激光剥离，采用193nm准分子激光，功率480毫瓦，剥离后的蓝宝石单元再涂敷另外一种胶——改性杂环树脂，并在120℃下进行固化60分钟。先用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀硅基板，再采用乙酰胺在120度进行腐蚀高温环氧树脂改性胶，同时将第二面胶用蜡进行保护。然后进行Au-In键合到硅基板上，温度为230℃；将P面的硅基板用蜡进行保护，先用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀硅基板，然后将N面的改性杂环树脂用硫酸双氧水腐蚀掉。对于N面进行清洗和钝化处理，制作N电极。
具体实施例3
在蓝宝石衬底上用MOCVD依次生长缓冲层，n型GaN层，发光层，p型GaN等，并蒸镀AgPt作为反射复合层，在500℃合金处理。将得到的外延片上蜡，进行抛光处理，使蓝宝石厚度为400微米。切割蓝宝石衬底，将蓝宝石单元进行涂胶，胶为高温环氧树脂改性胶，厚度为60微米，与蓝宝石基板粘结一起，在120℃下进行固化60分钟。透过蓝宝石面进行激光剥离，采用248纳米准分子激光，功率550毫瓦，剥离后的蓝宝石单元再涂敷另外一种改性杂环树脂，与硅基板粘结，并在120℃下进行固化60分钟。采用乙酰胺在120℃进行腐蚀高温环氧树脂改性胶，使蓝宝石衬底脱离，同时将第二面胶用蜡进行保护。然后进行Au-Sn键合到硅基板上，温度为310℃；将P面的硅基板用蜡进行保护，先用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀N面硅基板，然后将N面的改性杂环树脂用硫酸双氧水腐蚀掉。在对N面进行清洗和钝化处理，制作N电极。
具体实施例4
在蓝宝石衬底上用MOCVD依次生长缓冲层，n型GaN，发光层，p型GaN层，并蒸镀Ag作为反射复合层，在500℃合金处理。将得到的外延片上蜡，进行抛光处理，使蓝宝石厚度为400微米。切割蓝宝石衬底，将蓝宝石单元进行涂胶，胶为高温环氧树脂改性胶，厚度为40微米，与硅基板粘结一起，在110℃温度下进行固化70分钟。透过蓝宝石面进行激光剥离，采用193纳米准分子激光，功率500mw，剥离后的蓝宝石单元再涂敷另外一种胶——改性杂环树脂，与蓝宝石基板粘结，并在150℃下进行固化30分钟。先用氢氟酸加双氧水加硝酸(5∶2∶2)腐蚀硅基板，采用甲苯在100℃下进行腐蚀高温环氧树脂改性胶。清洗后进行Au-Sn键合到硅基板，温度为310℃，然后将N面的改性杂环树脂用乙酰胺在120℃进行腐蚀，蓝宝石基板脱离。对于N面进行清洗和钝化处理，制作N电极。
Claims (11)
1.一种GaN基薄膜芯片的制备方法，包括：
a.在蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、活性层、p型GaN层，形成半导体多层结构；
b.对蓝宝石衬底进行减薄和抛光处理；
c.在半导体多层结构上涂第一胶，与第一临时基板进行固化；
d.将蓝宝石衬底进行激光剥离，在剥离面涂第二胶，并与第二临时基板固化；
e.将第一临时基板和第一胶去掉；
f.采用共晶键合方式将所述半导体多层结构与永久支撑基板结合；
g.去掉第二临时基板和第二胶。
2.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述半导体多层结构上还蒸镀有导电反射复合金属层，并进行合金处理，合金温度为400-600℃。
3.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底减薄抛光到100-150微米。
4.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：对所述半导体多层结构进行周期性切割处理，分离单元器件。
5.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述第一胶为一种高温环氧树脂改性胶，其固化后邵氏硬度在80-100D，耐温度范围-25-300℃，拉弯强度80-120MPa，压缩强度200-300MPa。
6.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：第一胶厚度为10-100微米，固化温度80-160℃，固化时间30-120分钟。
7.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述第二胶为改性杂环树脂，其耐温范围为-55-+420℃，拉伸强度60-100MPa，拉弯强度105-200MPa。
8.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述第二胶的厚度为5-30微米，固化温度120-180℃，固化时间10-60分钟。
9.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述第一和第二临时基板的材质为硅、蓝宝石、玻璃或陶瓷材质的任一种。
10.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述永久支撑基板为硅基板。
11.根据权利要求1所述的GaN基薄膜芯片的制备方法，其特征在于：所述共晶键合方式为Au-Sn键合，温度为200-400℃。
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