CN103000774B - 一种分离发光二极管衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离发光二极管衬底的方法，包括步骤：提供一生长衬底；在所述生长衬底上形成第一半导体层，其呈倒置金字塔锥体阵列分布，各个单元相互分离；在所述第一半导体层之上形成发光外延层；湿法蚀刻所述呈倒置金字塔锥体阵列分布的第一半导体层，从而分离生长衬底。其为在倒置金字塔锥体阵列上生长发光二极管外延层，将此结构置于可快速蚀刻此条状倒置金字塔锥体阵列材料的溶液里，藉由快速蚀刻此条状倒置金字塔锥之尖端而与原先衬底分离。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种分离发光二级管衬底的方法。
背景技术
随着垂直导通型发光二极管(Vertical Conductive LED)的优越特性日渐被证实及量产，分离发光二极管组件衬底的技术即为发展此类组件的重要课题之一。通常分离光二极管组件衬底主要包括以下几种方式：第一种为以激光(Laser)光束照射衬底以将其剥离，称之为激光剥离（Laser lift-off，LLO）；第二种为以研磨方式（Polish）将衬底薄化结合干式蚀刻如ICP蚀刻之乃至完全移除；第三种为在衬底与底层材料之间插入一相对脆弱之材料，再施以机械应力破坏此层从而将衬底分离，称之为机械剥离（mechanical lift-off）；第四种为先成长一牺牲层(Sacrificial Layer)于衬底与底层材料之间，此牺牲层与衬底具有高蚀刻选择比之特性，藉由蚀刻液将此牺牲层湿蚀刻至其与衬底分离，称之为化学剥离（chemical lift-off）。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一能以低成本且快速分离衬底之方法，其在倒置金字塔锥体阵列上（Reverse Pyramid Stripe Array）上生长发光二级管外延层（LED Epitaxy Structure），将此结构置于可快速蚀刻此条状倒置金字塔锥体阵列材料的溶液里，藉由快速蚀刻此条状倒置金字塔锥之尖端而与原先衬底分离。
本发明的技术方案为：一种分离发光二级管衬底的方法，包括步骤：提供一生长衬底；在所述生长衬底上形成第一半导体层，其呈倒置金字塔锥体阵列分布，各个单元相互分离；在所述第一半导体层之上形成发光外延层；湿法蚀刻所述呈倒置金字塔锥体阵列分布的第一半导体层，从而分离生长衬底。
更具体地，可以通过横向生长所述发光外延层，从而在所述生长衬底与发光外延层之间形成一贯穿第一半导体层的空气锥形体，其顶部位于所述发光外延层。当去除所述生长衬底后，其露出的发光外延层的表层具有图案，其可直接用于取光结构，增强聚光效率。
在本发明的一些实施例中，在所述第一半导体层中，各个倒置金字塔锥体的尖端与所述生长衬底横截面接触的几何长度小于或等于1um。
在本发明的一些实施例中，在所述第一半导体层中，各个倒置金字塔锥体侧壁与衬底形成的角底为20~70°。
所述第一半导体层与生长衬底的材料彼此间具有高蚀刻选择比，优选地，其蚀刻选择比大于或等于10：1。
所述第一半导体层与发光外延层的材料彼此间同样具有高蚀刻选择比，优选地，其蚀刻选择比大于或等于4：1。
在一些实施例中，所述第一半导体层的材料可为AlN、ZnO或GaO等材料。
前述倒置金字塔锥体阵列通过下面方法实现：在所述生长衬底上外延生长第一半导体层；在所述第一半导体层上形成一掩膜层，图形化所述掩膜层；采用干法蚀刻和湿法蚀刻相结合的方式，蚀刻所述第一半导体层，从而获得倒置金字塔锥体阵列。其中，所述图形化的掩膜层呈条状或块状阵列分布，各个单元之间的间隔为1~10um。
本发明所设计的倒置金字塔锥体阵列可以造成成长于上面的半导体层产生侧向外延，从而改善其晶体质量；藉由这样的几何设计，将衬底与其接触之面积最小化至仅剩其尖端部分，以蚀刻液蚀刻尖端部分而快速分离衬底。
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为本发明所公开的分离发光二极管衬底之方法的流程图。
图2~图11为根据本发明实施的一种分离发光二极管衬底之方法的各个步骤的结构剖面图。
图12为图形化掩膜层的图案。
图中各标号表示：
100：蓝宝石衬底；110：AlN层；111：倒置金字塔锥体AlN层；120：SiO2掩膜层；130：空气锥形体；131：蚀刻道；140：发光外延层；141：n型层；142：发光层；143：p型层；150：键合层；160：支撑衬底。
具体实施方式
为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于分离半导体及其基板之技艺者所熟习的特殊细节。另外，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要之限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，以专利权利范围为准。
下面实施例公开了一种分离衬底的方法，其于倒置金字塔锥体阵列上生长发光二级管外延层，将此结构置于可快速蚀刻此条状倒置金字塔锥体阵列材料的溶液里，藉由快速蚀刻此条状倒置金字塔锥体的尖端而与生长衬底分离。
请参考图1，前述方法主要包括下面步骤：步骤S10，即选择生长衬底；步骤S20，即生长第一半导体层，形成倒置金字塔锥体阵列；步骤S30，即在倒置金字塔锥体阵列上外延生长发光外延层；步骤S40，即将发光外延层倒置于支撑衬底上；步骤S50，即湿法蚀刻倒置金字塔锥体阵列，移除生长衬底。
在步骤S10中，对于GaN基半导体发光二极管，可选用蓝宝石（Al2O3）、硅片（Si）、碳化硅（SiC）等材料。
在步骤S20中，可先在衬底上形成第一半导体层，接着在其上形成图形化的掩膜层（如SiO2），其图案可为块状阵列或条状阵列，然后采用干蚀刻的方式去除掩膜层未覆盖的第一半导体层，最后采用湿蚀刻的方式，蚀刻第一半导体层从而形成倒置金字塔锥体阵列。其中，可从以下方面进一步的提高后续移除生长衬底的效率：1）生长衬底与半导体层之材料彼此间具有高蚀刻选择比，方便使用湿蚀刻进行分离，其蚀刻选择比优选值为1：10以上。以蓝宝石生长衬底为例，可选用AlN、ZnO或GaO等材料；2）各个倒置金字塔锥体的尖端与所述生长衬底横截面接触的几何长度可控制在1um以内，具体可通过调整掩膜层的图案及蚀刻速率进行控制倒置金字塔锥体尖端的大小。为了保证发光外延层的完整性，半导体层与发光外延层之材料彼此间同样具有高蚀刻选择比，其蚀刻选择比优选值为4：1以上。
在步骤S30中，首先在各个相互分离的倒置金字塔锥体阵列上横向生长n型层，在生长衬底与n型层之间形成一贯穿第一半导体层的空气锥形体，其顶部位于n型层，接着继续生长发光层和p型层，构成发光外延层。对于发光外延层的材料，包含下列之一及其任意组合：氮化镓(GaN)、氮化铟镓(GaInN)、氮化铝镓(AlGaN)。
在步骤S40中，一般可在p型层上制作镜面结构，然后再采用金属键合的方式，将发光外延层反置安装于一散热性支撑衬底上。
下面结合附图2~12和实施例对本发明的实现做详细说明。
请参考图2，在蓝宝石衬底100上沉积第一半导体层110，其中第一半导体层与生长衬底的材料彼此间具有高蚀刻选择比，方便使用湿蚀刻进行分离。在本实施例中，选择AlN作为第一半导体层。
请参考图3，在AlN材料层110上形成图形化的SiO2掩膜层120。如图12所示，其具体的图案为呈条状分布（也可以呈块状阵列分布，附图未示出），各个单元之间的间隔可为1~10um，优选值为3~5um。在本实施例中，选用3um。
请参考图4，采用干蚀刻的方式去除未被SiO2掩膜层120覆盖的AlN层，从而形成蚀刻道131。
请参考图5，从蚀刻道131的侧壁开始，采用化学溶液蚀刻前述AlN层，控制蚀刻时间形成倒置金字塔锥体111，其侧壁与衬底形成的角底为20~70°。在本实施例中，化学溶液可为磷硝酸混合液，其配比为3：1。
请参考图6，去除SiO2掩膜层，最终获得AlN倒置金字塔锥体阵列，其尖端与所述生长衬底横截面接触的几何长度i小于或等于1um，在本实施例中，优选取0.5~1um。
请参考图7，在倒置金字塔锥体AlN层上依次生长n型层141、发光层142和p型层143，构成生长外延层140。其中，在蓝宝石衬底100与发光外延层140之间形成一贯穿AlN层111的空气锥形体130，其顶部位于n型层141。
请参考图8，在p型层上制作金属键合层150，其可包含欧姆接触结构、金属镜面结构和电流阻挡结构等设计，然后再采用金属键合的方式，将发光外延层反置安装于散热性支撑衬底160上。
请参考图9~11，采用化学溶液蚀刻倒置金字塔锥体AlN层111，由于倒置金字塔锥体阵列已将衬底与其接触之面积最小化至仅剩其尖端部分，故可快速将蓝宝石衬底分离。继续蚀刻直接完全去除倒置金字塔锥体AlN层111，露出n型层表面141a。
Claims (9)
1.一种分离发光二级管衬底的方法，包括步骤：
提供一生长衬底；
在所述生长衬底上形成第一半导体层，其呈倒置金字塔锥体阵列分布，各个单元相互分离，各个倒置金字塔锥体的尖端与所述生长衬底横截面接触的几何长度小于或等于1um；
在所述第一半导体层之上形成发光外延层；
湿法蚀刻所述呈倒置金字塔锥体阵列分布的第一半导体层，从而分离生长衬底。
2.根据权利要求1所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：
通过侧向生长所述发光外延层，从而在所述生长衬底与发光外延层之间形成一贯穿第一半导体层的空气锥形体，其顶部位于所述发光外延层。
3.根据权利要求1或2所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：在所述第一半导体层中，各个倒置金字塔锥体侧壁与衬底形成的角度为20~70°。
4.根据权利要求1或2所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：所述第一半导体层与生长衬底的材料的蚀刻选择比大于或等于10：1。
5.根据权利要求4所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：所述第一半导体层为材料为AlN、ZnO或GaO。
6.根据权利要求2所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：所述第一半导体层与所述发光外延层的材料的蚀刻选择比大于或等于4：1。
7.根据权利要求1所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：所述倒置金字塔锥体阵列通过下面方法实现：
在所述生长衬底上外延生长第一半导体层；
在所述第一半导体层上形成一掩膜层，图形化所述掩膜层；
采用干法蚀刻和湿法蚀刻相结合的方式，蚀刻所述第一半导体层，从而获得倒置金字塔锥体阵列。
8.根据权利要求7所述的一种分离发光二级管衬底的方法，其特征在于：所述图形化的掩膜层呈条状或块状阵列分布，各个单元之间的间隔为1~10um。
9.根据权利要求1所述的一种分离发光二级管衬底的方法，还包括步骤：提供一支撑衬底，将所述发光外延层反置安装在所述支撑衬底。
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