CN104409594A - 一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片及其制备方法，包括n型电极、氮化物外延层和p型电极，所述n型电极附着在所述氮化物外延层上，所述氮化物外延层附着在所述p型电极上；其中，所述氮化物外延层为基于SiC衬底的氮化物LED外延片中的氮化物外延层；所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片包括SiC衬底、石墨烯层及所述氮化物外延层，所述石墨烯层附着在所述SiC衬底上，所述氮化物外延层附着在所述石墨烯层上。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片及其制备方法，属于LED光电子器件的制造技术领域。
背景技术
使用氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1；纤锌矿晶体结构)半导体材料制作的发光二极管LED以其节能、环保、长寿命等优点逐渐在电子显示屏、景观照明、矿灯、路灯、液晶显示器背光源、普通照明、光盘信息存储、生物医药等领域展开广泛应用。上述化合物半导体可以覆盖从红外、可见到紫外光的全部光谱能量范围，而通过控制氮化物合金的阳离子组分可以准确地定制LED器件的发射波长。从应用领域范围、市场容量来看，又以氮化物LED的应用为大宗、主流，比如，以白光LED为应用代表的半导体照明行业。
制作氮化物LED时，首先在衬底上进行氮化物LED结构的外延膜层生长，然后进行芯片器件加工得到分离的器件单元，即芯片。常见的外延生长方法包括：有机金属化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、射频磁控溅射(RF-MS)等。芯片器件加工主要是使用光刻、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸镀(e-Beam)、磁控溅射(MS)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法制作p、n型电极及介电保护层等。
根据衬底材料的选择不同，外延片和芯片制作的技术路线也会不同。例如，基于蓝宝石衬底进行氮化物LED外延结构中的缓冲层往往是不导电的，而芯片产品主要有：正装、倒装和薄膜芯片三种类型。以薄膜芯片为例，为了实现蓝宝石衬底和外延层的分离，通常会采用激光剥离的办法，但是使用这种方法实现高良率的生产过程的难度较大。又比如，使用n型导电SiC衬底进行LED结构生长的外延片可以制作n型导电的缓冲层，以便后期制作垂直结构的芯片。但是，由于n型导电SiC衬底的折射率较高(n＝2.7)，同时n型SiC晶体对蓝光波段的光子具有较高吸收系数，因此基于n型导电SiC衬底的LED垂直结构芯片的光线抽取效率不高。此外，还有使用非导电型SiC衬底进行氮化物外延生长，进而制作正装芯片的技术线路。
如果在基于SiC衬底的外延片上制作LED薄膜倒装芯片或薄膜芯片的器件结构将提高其外量子效率和光输出功率。除此之外，薄膜芯片结构相比正装芯片结构在散热、电流扩展和电极遮挡出光等方面也表现出明显的优势。然而，在制作薄膜芯片的过程中，实现氮化物外延层与初始衬底的分离是非常困难的步骤。因为，在已有的技术方案中，实现基于SiC衬底和外延层的分离，不能使用激光剥离的方法。这是由于SiC衬底对紫外波长的激光具有很强的吸收，而蓝宝石对紫外波长的激光几乎是透明的。
另一方面，石墨烯是二维导电材料，碳原子之间通过sp2电子轨道连接在一起。通常，石墨烯材料由一层或多层构成，表现优异的电学、热学和力学机械性能。因此，石墨烯层与氮化物将在界面连接处形成了键能较弱的分子键，这就为氮化物外延层的剥离提供了条件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片及其制备方法，有效地实现了氮化物外延层和SiC衬底的分离，进而制作高光效的LED薄膜器件。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，包括n型电极、氮化物外延层和p型电极，所述n型电极附着在所述氮化物外延层上，所述氮化物外延层附着在所述p型电极上；其中，
所述氮化物外延层为基于SiC衬底的氮化物LED外延片中的氮化物外延层；
所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片包括SiC衬底、石墨烯层及所述氮化物外延层，所述石墨烯层附着在所述SiC衬底上，所述氮化物外延层附着在所述石墨烯层上。
本发明的有益效果是：
1、由于石墨烯层的加入，使得氮化物外延层与石墨烯之间存在着较弱的分子键相连接，为之后氮化物外延层与SiC衬底的分离提供了条件。并且，分离后SiC衬底经过处理后仍可反复使用，如此将大幅削减衬底使用成本。
2、同时，由于石墨烯具有六角密排的原子格位，与纤锌矿结构的氮化物晶体中各层原子的排布情形相同，因此在石墨烯上进行氮化物外延生长能实现较高的晶体质量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述氮化物外延层包括n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层，所述n型电子注入层及所述有源层位于所述n型缓冲层和p型空穴注入层之间，且所述n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层依次相连接；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片上，所述n型电极附着在所述n型缓冲层上，所述p型空穴注入层附着在所述p型电极上；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片上，所述n型缓冲层附着在所述石墨烯层上。
进一步，所述n型缓冲层包括至少一个n型缓冲层子层，所述n型缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型缓冲层子层分别进行n型掺杂；所述n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
进一步，所述n型电子注入层包括至少一个n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂；每个所述n型子层的n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
进一步，所述有源层包括至少一个薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；所述薄膜子层进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种；所述p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
进一步，所述p型空穴注入层包括至少一个p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
进一步，所述SiC衬底的衬底晶面方向与(0001)或(000-1)晶面方向存在0°至20°的偏角度。(0001)与(000-1)表示两个相反的晶面方向。
进一步，所述p型电极的厚度为0.1～5000微米。
进一步，所述n型电极的厚度为0.01～10微米，使用金属Ti、Au、Al、Cr、Ni、Pt、Ag、W和Pb中的至少一种。
进一步，所述p型电极包括依次叠加连接的欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，且所述欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层均由金属制成，所述欧姆接触层与所述p型空穴注入层相连接。
为使欧姆接触层可以与p型空穴注入层之间形成良好的欧姆接触，一般使用Ni/Au组合成制作；同时，反射层可以防止金属电极对LED器件产生光子的吸收，一般使用Ag、Al等金属薄膜；阻挡层采用Ni或Ti/W等金属层来制作，其目的在于阻挡反射层中金属原子的扩散；支撑层采用金属厚膜来制作，如使用Cu，Al等金属，它承担着氮化物薄膜在脱离衬底后的晶圆支撑功能和p型电极700的导通功能。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种上述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在SiC衬底上制作一层或两层以上的石墨烯层；
2)在具有石墨烯层的SiC衬底上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层；
氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)外延层的生长可以在有机金属化学气相沉积(MOCVD)反应腔当中实现。通过控制有机金属气源，如三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等，以及调整450～1300℃范围加热温度、0.01～750Torr范围腔体压强、0.1～106范围Ⅴ/Ⅲ等工艺参数来控制氮化物的化学组分、厚度、晶体质量、掺杂浓度、表面形貌等材料特性参数。
3)在所述p型空穴注入层一侧制作两层以上的金属厚膜，形成p型电极；
4)使用机械剥离方式将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行分离；
5)在所述n型缓冲层的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极，既得到所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片。
进一步，在步骤1)中，所述石墨烯层的制作方法采用金属薄片的化学气相沉积(CVD)生长石墨烯薄膜后转移到SiC衬底上，或者采用直接在SiC衬底上进行石墨烯外延生长；其中，
所述金属薄片的化学气相沉积生长石墨烯薄膜的具体步骤如下：使用Cu、Ni、Fe、Pt、Pd、Co或Ir等金属中任意一种金属薄片置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃、真空度为≤104Pa的压强条件下，通入碳氢化合物和氢气的混合气体并持续20～200min，然后再降温，降温的速率为30～110℃/min，降温的同时保持碳氢化合物和氢气的流量不变实现石墨烯的生长；生长完成后，使用聚合物作为支撑层，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，覆盖在石墨烯层上；然后再使用过硫酸铵溶液等化学溶液溶解或腐蚀掉金属薄片，附着在聚合物上的石墨烯层转移到SiC衬底上；最后再使用丙酮等化学溶剂去掉聚合物的支撑层；
所述直接在SiC衬底上进行石墨烯外延生长的方法包括两种方法，具体如下：
第一种方法：在SiC衬底上进行碳氢化合物的化学气相沉积方法，具体步骤为，首先将SiC衬底置入温度为1300～1800℃，压强为≥1mTorr的化学气相沉积反应炉中，然后通入氢气，在温度为1300～1800℃的条件下对Si C衬底进行退火、清洁处理；然后再通入碳氢化合物并保持氩气的动态通入；最后通入氢气，在600～1800℃温度条件下进行退火处理，得到准自支撑的石墨烯膜层。在上述制备方法中，可以通过调整反应参数来控制石墨烯层的碳原子层数。
第二种方法，将SiC衬底进行石墨化退火处理制备石墨烯，具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛下，通过SiC衬底表面Si原子的升华而实现石墨化的过程，然后在氢气气氛中进行退火处理而得到准自支撑的石墨烯薄膜层。在上述制备方法中，可以通过调整反应参数来控制石墨烯层的碳原子层数。
进一步，在步骤3)中，所述p型电极的具体制作步骤如下：首先，使用物理气相沉积方法(如电子束蒸发(EBV)或磁控溅射(MS)设备，)在p型空穴注入层表面制作欧姆接触层；然后再使物理气相沉积的设备在欧姆接触层上制作反射层；随后制作阻挡层；最后使用电镀或物理气相沉积设备制作支撑层。具体来说，
首先，使用物理气相沉积(PVD)方法,如电子束蒸发(EBV)或磁控溅射(MS)设备，在p型空穴注入层表面蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触层；然后，再使用PVD设备在欧姆接触层上制作Ag、Al等金属薄膜的反射层；随后制作Ni或Ti/W等金属薄膜的阻挡层；最后，使用电镀或PVD设备制作Cu、Al等金属厚膜的支撑层。
进一步，在步骤4)中，将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行分离的具体步骤如下：将制作完p型电极的晶圆器件放在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在SiC衬底底部和p型电极顶部，当两个真空吸盘装置发生水平或竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层处发生分离，由此将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行了分离。
进一步，在步骤5)中，在所述n型缓冲层的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极的具体步骤如下：当氮化物外延层与SiC衬底分离后，将制作完p型电极的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层的一侧朝上，并在上面使用物理气相沉积方法制作n型电极。
附图说明
图1为本发明基于SiC衬底的氮化物LED外延片的结构示意图；
图2为本发明在氮化物LED外延片上制作完p型电极时的结构示意图；
图3为本发明SiC衬底被剥离后制作成LED薄膜倒装芯片的结构示意图；
图4为本发明实施例一中所述氮化物LED外延片的结构示意图；
图5为本发明实施例一中氮化物LED外延片制作成薄膜倒装芯片的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，如图1至图3所示，包括n型电极800、氮化物外延层和p型电极700，所述n型电极800附着在所述氮化物外延层上，所述氮化物外延层附着在所述p型电极700上；其中，
所述氮化物外延层为基于SiC衬底的氮化物LED外延片中的氮化物外延层；
所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片包括SiC衬底100、石墨烯层200及所述氮化物外延层，所述石墨烯层200附着在所述SiC衬底100上，所述氮化物外延层附着在所述石墨烯层200上。
所述氮化物外延层包括n型缓冲层300、n型电子注入层400、有源层500和p型空穴注入层600，所述n型电子注入层400及所述有源层500位于所述n型缓冲层300和p型空穴注入层600之间，且所述n型缓冲层300、n型电子注入层400、有源层500和p型空穴注入层600依次相连接；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片上，所述n型电极800附着在所述n型缓冲层300上，所述p型空穴注入层600附着在所述p型电极700上；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片上，所述n型缓冲层300附着在所述石墨烯层200上。
所述n型缓冲层300包括至少一个n型缓冲层子层，所述n型缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型缓冲层子层分别进行n型掺杂；所述n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
所述n型电子注入层400包括至少一个n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂；每个所述n型子层的n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
所述有源层500包括至少一个薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；所述薄膜子层进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种；所述p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
所述p型空穴注入层600包括至少一个p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
所述SiC衬底100的衬底晶面方向与(0001)或(000-1)晶面方向存在0°至20°的偏角度。
所述p型电极700的厚度为0.1～5000微米；所述n型电极800的厚度为0.01～10微米，使用金属Ti、Au、Al、Cr、Ni、Pt、Ag、W和Pb中的至少一种。
所述p型电极700包括依次叠加连接的欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，且所述欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层均由金属制成，所述欧姆接触层与所述p型空穴注入层600相连接。
一种上述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在SiC衬底100上制作一层或两层以上的石墨烯层200；
所述石墨烯层200的制作方法采用金属薄片的化学气相沉积生长石墨烯薄膜后转移到SiC衬底100上，或者采用直接在SiC衬底100上进行石墨烯外延生长；其中，
所述金属薄片的化学气相沉积生长石墨烯薄膜的具体步骤如下：使用Cu、Ni、Fe、Pt、Pd、Co或Ir中任意一种金属的薄片置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃、真空度为≤104Pa的压强条件下，通入碳氢化合物和氢气的混合气体并持续20～200min，然后再降温，降温的速率为30～110℃/min，降温的同时保持碳氢化合物和氢气的流量不变实现石墨烯的生长；生长完成后，使用聚合物作为支撑层，覆盖在石墨烯层200上；然后再使用化学溶液溶解或腐蚀掉金属薄片，附着在聚合物上的石墨烯层200转移到SiC衬底100上；最后再使用化学溶剂去掉聚合物的支撑层；
所述直接在SiC衬底100上进行石墨烯外延生长的方法包括两种方法，具体如下：
第一种方法：在SiC衬底100上进行碳氢化合物的化学气相沉积方法，具体步骤为，首先将SiC衬底100置入温度为1300～1800℃，压强为≥1mTorr的化学气相沉积反应炉中，然后通入氢气，在温度为1300～1800℃的条件下对SiC衬底进行退火、清洁处理；然后再通入碳氢化合物并保持氩气的动态通入；最后通入氢气，在600～1800℃温度条件下进行退火处理，得到准自支撑的石墨烯膜层200；在上述制备方法中，可以通过调整反应参数来控制石墨烯层200的碳原子层数。
第二种方法，将SiC衬底100进行石墨化退火处理制备石墨烯层200，具体步骤如下：将SiC衬底100置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛下，通过SiC衬底100表面Si原子的升华而实现石墨化的过程，然后在氢气气氛中进行退火处理而得到准自支撑的石墨烯薄膜层200。在上述制备方法中，可以通过调整反应参数来控制石墨烯层200的碳原子层数。
2)在具有石墨烯层200的SiC衬底100上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：n型缓冲层300、n型电子注入层400、有源层500和p型空穴注入层600；
氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)外延层的生长可以在有机金属化学气相沉积(MOCVD)反应腔当中实现。通过控制有机金属气源，如三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等，以及调整450～1300℃范围加热温度、0.01～750Torr范围腔体压强、0.1～106范围Ⅴ/Ⅲ等工艺参数来控制氮化物的化学组分、厚度、晶体质量、掺杂浓度、表面形貌等材料特性参数。
3)在所述p型空穴注入层600一侧制作两层以上的金属厚膜，形成p型电极700；
所述p型电极700的具体制作步骤如下：使用物理气相沉积(PVD)方法,如电子束蒸发(EBV)或磁控溅射(MS)设备，在p型空穴注入层600表面蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触层；然后，再使用PVD设备在欧姆接触层上制作Ag、Al等金属薄膜的反射层；随后制作Ni或Ti/W等金属薄膜的阻挡层；最后，使用电镀或PVD设备制作Cu、Al等金属厚膜的支撑层。
4)使用机械剥离方式将所述SiC衬底100和所述氮化物外延层进行分离；
将所述SiC衬底100和所述氮化物外延层进行分离的具体步骤如下：将制作完p型电极700的晶圆器件放在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在SiC衬底100底部和p型电极700顶部，当两个真空吸盘装置发生水平或竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层200处发生分离，由此将所述SiC衬底100和所述氮化物外延层进行了分离。
5)在所述n型缓冲层300的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极800，既得到所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片。
在所述n型缓冲层的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极的具体步骤如下：当氮化物外延层与SiC衬底100分离后，将制作完p型电极700的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层300的一侧朝上，并在上面使用物理气相沉积方法制作n型电极800。
以下通过几个具体的实施例以对本发明进行具体的说明。
实施例1
LED器件晶圆的外延结构如图4所示，从衬底自下而上依次为：(0001)晶面的4H-SiC衬底100，单层石墨烯层200，n-Al0.1Ga0.9N缓冲层为300，n型电子注入层由两个子层组成：n-GaN层401，n-In0.05Ga0.95N层402，有源区500由5个多量子阱结构In0.2Ga0.8N/GaN组成，p型空穴注入层600由三个子层组成：p-Al0.15Ga0.85N层，p-GaN层，p++-In0.15Ga0.85N层。
与上述LED氮化物外延片对应的薄膜倒装芯片的结构如图5所示，自下而上分别为p型电极700、氮化物外延层(600、500、400、300)和n型电极800。
具体地，p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层。其中，欧姆接触层用Ni/Au组合成制作；反射层使用Ag薄膜层制作；阻挡层采用Ti/W金属层制作；支撑层采用Cu厚膜来制作。氮化物外延层的结构与本实施例中外延片的结构相同。n型电极的结构为：Ti/Al/Ti/Au。
上述基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作方法如下：
步骤1：在4H-SiC衬底的(0001)面上制作一层石墨烯。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的2英寸4H-SiC衬底备用。然后，在压强为300mTorr的CVD系统中，将2英寸大小的铜薄片加热到1000℃，并同时2sccm的氢气和40sccm的甲烷；上述加热过程持续15min后开始降温，降温的速率约为100℃/min，并且保持氢气和甲烷的流量不变。之后，将生长完单层石墨烯的铜薄片从CVD系统中取出后旋涂一层PMMA。紧接着，将旋涂完PMMA的铜薄片放入过硫酸钠溶液中，金属铜薄片将发生溶解，而石墨烯层吸附在了PMMA支撑层上。此后，再把石墨烯层转移到2英寸(0001)面的4H-SiC衬底上，并用丙酮去除PMMA支撑层。这样，单层石墨烯被转移到了4H-SiC衬底上。最后，将覆盖有石墨烯层的4H-SiC衬底置入300℃的退火炉中，在氮气气氛中加热1min，并进行快速退火处理。
步骤2：在具有石墨烯层的SiC衬底上生长氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)外延层。首先，将步骤1制备的具有单层石墨烯层的4H-SiC衬底放入在MOCVD生长系统中，然后在石墨烯层上生长一层厚度约100nm的n-Al0.1Ga0.9N缓冲层300，且掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。之后，接着生长一层3μm厚的n-GaN层401，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。然后，生长一层0.15μm厚n-In0.05Ga0.95N层402，掺杂浓度为2.0×1018的Si原子。紧接着，生长In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱有源区500，多量子阱的周期数为5个，且In0.2Ga0.8N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm。进一步地，生长一层50nm厚的p-Al0.15Ga0.85N电子阻挡层601，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020。再生长一层0.2μm厚的p-GaN层602，p型掺杂元素为Mg，掺杂浓度同样为1.0×1020。最后，生长一层15nm厚的p++-In0.15Ga0.85N层603，重掺Mg原子，且掺杂浓度为8.0×1020。至此，便完成了基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作。
进一步地，上述氮化物LED外延片的薄膜倒装芯片的制作方法如下：
步骤1：在外延片的p型空穴注入层一侧制作多层金属厚膜，形成p型电极。
由于p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，因此需要逐层实现制备。首先，在p-GaN薄膜上使用电子束蒸发(EBV)制作Ni/Au金属的p型欧姆接触层400，该欧姆接触层400的Ni与Au的蒸镀厚度分别为与此后，在O2气氛常压环境中对器件晶圆进行600℃，5min的退火处理。然后，在欧姆接触层上再用MS设备蒸镀一层厚度的Ag薄膜作为反射层。此后，同样使用MS设备制作阻挡层，即蒸镀金属膜层结构：Ti()/W()实现。紧接着，使用EBV设备蒸镀Ti和Au的金属种子层，Ti和Au的厚度均为最后，用电镀的方法在金属种子层上镀一层厚度为200μm的铜厚膜，该铜厚膜既作为电极，又作为衬底剥离后支撑晶圆的衬底。
步骤2：使用机械剥离方式将SiC衬底和外延层进行分离。
将制作完p型电极的晶圆器件方在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在Si C衬底底部和p型电极顶部，当两个真空吸盘装置发生竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层处发生分离，由此得到SiC衬底和制作完p型电极的氮化物LED晶圆器件。由此获得的Si C衬底经过CMP处理后可循环使用。
步骤3：在n型缓冲层一侧制作一层或多层金属薄膜，形成n型电极。
当氮化物外延层与SiC衬底分离后，将制作完p型电极的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层的一侧朝上，并在上面制作n型电极，考虑到n型电极是在氮化物薄膜的氮面上形成欧姆接触，因此使用EBV设备制作金属膜层结构为：Ti()/Al()/Ti()/Au()的n型电极。制作完成的薄膜倒装芯片如图5所示，n型电极800处于n型缓冲层300的氮极性面上方。
实施例2
LED器件晶圆的外延结构按照从衬底自下而上依次为：(0001)晶面的6H-SiC衬底，多层石墨烯层，n型Al0.25Ga0.75N缓冲层，n型电子注入层由两个子层组成：n-GaN层，20个周期的n-In0.05Ga0.95N/GaN超晶格结构层，有源区由8个多量子阱结构In0.15Ga0.85N/GaN组成，p型空穴注入层由三个子层组成：8个周期的p-Al0.15Ga0.85N/GaN电子阻挡层，p-GaN层，以及p++-In0.15Ga0.85N层。
对于与上述LED氮化物外延片对应的薄膜倒装芯片的结构，其自下而上分别为p型电极、氮化物外延层和n型电极。
具体地，p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层。其中，欧姆接触层用Ni/Au组合成制作；反射层使用Al薄膜层制作；阻挡层采用Ti/W金属层制作；支撑层采用Al厚膜来制作。氮化物外延层的结构与本实施例中外延片的结构相同。n型电极的结构组成为：Ti/Al/Ti/Au。
上述基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作方法如下：
步骤1：在6H-SiC衬底的(0001)面上制作多层石墨烯。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底备用。然后，将上述6H-SiC衬底置入压强为100mTorr的CVD系统中，通入3sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为10min。之后，将反应腔的压强升高至300mTorr，温度保持不变，并通入10sccm的氩气和40sccm的丙烷，持续20min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至800℃，通入5sccm的氢气，让6H-SiC衬底退火5min。如此便实现了在6H-SiC衬底的(0001)面上制作了多层石墨烯。
步骤2：在具有多层石墨烯的6H-SiC衬底上生长氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)外延层。首先，将步骤1制备的具有多层石墨烯的6H-SiC衬底放入在MOCVD生长系统中，然后在石墨烯层上生长一层厚度约100nm的n-Al0.25Ga0.85N缓冲层，且掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。之后，接着生长一层2.5μm厚的n-GaN层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。然后，20个周期的n-In0.05Ga0.95N(2nm)/GaN(10nm)超晶格结构层，Si原子的掺杂浓度为2.0×1018。紧接着，生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(7nm)多量子阱有源区，多量子阱的周期数为8个。进一步地，生长8个周期的p-Al0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(3nm)电子阻挡层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020。再生长一层0.15μm厚的p-GaN层，p型掺杂元素为Mg，掺杂浓度同样为1.0×1020。最后，生长一层15nm厚的p++-In0.15Ga0.85N层，重掺Mg原子，且掺杂浓度为8.0×1020。至此，便完成了基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作。
进一步地，上述氮化物LED外延片的薄膜倒装芯片的制作方法如下：
步骤1：在外延片的p型空穴注入层一侧制作多层金属厚膜，形成p型电极。
由于p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，因此需要逐层实现制备。首先，在p-GaN薄膜上使用电子束蒸发(EBV)制作Ni/Au金属的p型欧姆接触层，该欧姆接触层的Ni与Au的蒸镀厚度分别为与。此后，在O2气氛常压环境中对器件晶圆进行600℃，5min的退火处理。然后，在欧姆接触层上再用MS设备蒸镀一层厚度的Ag薄膜作为反射层。此后，同样使用MS设备制作阻挡层，即蒸镀金属膜层结构：Ti()/W()实现。紧接着，使用EBV设备蒸镀Ti和Au的金属种子层，Ti和Au的厚度均为最后，用电镀的方法在金属种子层上镀一层厚度为200μm的Al厚膜，该铜厚膜既作为电极，又作为衬底剥离后支撑晶圆的衬底。
步骤2：使用机械剥离方式将SiC衬底和外延层进行分离。
将制作完p型电极的晶圆器件方在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在SiC衬底底部和p型电极顶部，当两个真空吸盘装置发生竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层处发生分离，由此得到SiC衬底和制作完p型电极的氮化物LED晶圆器件。由此获得的SiC衬底经过CMP处理后可循环使用。
步骤3：在n型缓冲层一侧制作一层或多层金属薄膜，形成n型电极。
当氮化物外延层与SiC衬底分离后，将制作完p型电极的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层的一侧朝上，并在上面制作n型电极，考虑到n型电极是在氮化物薄膜的氮面上形成欧姆接触，因此使用EBV设备制作金属膜层结构为：Ti()/Al()/Ti()/Au()的n型电极。
实施例3
LED器件晶圆的外延结构按照从衬底自下而上依次为：(0001)晶面的6H-SiC衬底，多层石墨烯层，n型Al0.3Ga0.7N缓冲层，n型电子注入层由两个子层组成：n-GaN层，15个周期的n-In0.05Ga0.95N/GaN超晶格结构层，有源区由8个多量子阱结构In0.15Ga0.85N/GaN组成，p型空穴注入层由三个子层组成：6个周期的p-Al0.15Ga0.85N/GaN电子阻挡层，p-GaN层，以及p++-In0.15Ga0.85N层。
对于与上述LED氮化物外延片对应的薄膜倒装芯片的结构，其自下而上分别为p型电极、氮化物外延层和n型电极。
具体地，p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层。其中，欧姆接触层用Ni/Au组合成制作；反射层使用Al薄膜层制作；阻挡层采用Ni金属层制作；支撑层采用Cu厚膜来制作。氮化物外延层的结构与本实施例中外延片的结构相同。n型电极的结构组成为：Ti/Al/Ti/Au。
上述基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作方法如下：
步骤1：在6H-SiC衬底的(0001)面上制作多层石墨烯。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底备用。然后，将上述6H-SiC衬底置入压强为750Torr的CVD系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1550℃，持续时间为15min。之后，将反应腔的压强降低至300Torr，温度提高至1700℃，并通入20sccm的氩气，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，仅通入3sccm的氢气，让6H-SiC衬底退火5min。这样，便实现了在6H-SiC衬底的(0001)面上制作了多层石墨烯。
步骤2：在具有多层石墨烯的6H-SiC衬底上生长氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)外延层。首先，将步骤1制备的具有多层石墨烯的6H-SiC衬底放入在MOCVD生长系统中，然后在石墨烯层上生长一层厚度约100nm的n-Al0.3Ga0.9N缓冲层，且掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。之后，接着生长一层2.5μm厚的n-GaN层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1.0×1019。然后，15个周期的n-In0.05Ga0.95N(2nm)/GaN(10nm)超晶格结构层，Si原子的掺杂浓度为2.0×1018。紧接着，生长In0.15Ga0.85N(2.5nm)/GaN(7.5nm)多量子阱有源区，多量子阱的周期数为8个。进一步地，生长6个周期的p-Al0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(4nm)电子阻挡层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020。再生长一层0.15μm厚的p-GaN层，p型掺杂元素为Mg，掺杂浓度同样为1.0×1020。最后，生长一层15nm厚的p++-In0.15Ga0.85N层，重掺Mg原子，且掺杂浓度为8.0×1020。至此，便完成了基于SiC衬底的氮化物LED外延片的制作。
进一步地，上述氮化物LED外延片的薄膜倒装芯片的制作方法如下：
步骤1：在外延片的p型空穴注入层一侧制作多层金属厚膜，形成p型电极。
由于p型电极的组成结构包括：欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，因此需要逐层实现制备。首先，在p-GaN薄膜上使用电子束蒸发(EBV)制作Ni/Au金属的p型欧姆接触层，该欧姆接触层的Ni与Au的蒸镀厚度分别为与。此后，在O2气氛常压环境中对器件晶圆进行600℃，5min的退火处理。然后，在欧姆接触层上再用MS设备蒸镀一层厚度的Al薄膜作为反射层。此后，同样使用MS设备制作阻挡层，即蒸镀金属膜层结构：Ni()实现。紧接着，使用EBV设备蒸镀Ti和Au的金属种子层，Ti和Au的厚度均为最后，用电镀的方法在金属种子层上镀一层厚度为200μm的铜厚膜，该铜厚膜既作为电极，又作为衬底剥离后支撑晶圆的衬底。
步骤2：使用机械剥离方式将SiC衬底和外延层进行分离。
将制作完p型电极的晶圆器件方在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在SiC衬底底部和p型电极顶部，当两个真空吸盘装置发生竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层处发生分离，由此得到SiC衬底和制作完p型电极的氮化物LED晶圆器件。由此获得的SiC衬底经过CMP处理后可循环使用。
步骤3：在n型缓冲层一侧制作一层或多层金属薄膜，形成n型电极。
当氮化物外延层与S iC衬底分离后，将制作完p型电极的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层的一侧朝上，并在上面制作n型电极，考虑到n型电极是在氮化物薄膜的氮面上形成欧姆接触，因此使用EBV设备制作金属膜层结构为：Ti()/Al()/Ti()/Au()的n型电极。
如果要制作分离的LED薄膜倒装器件，则将完成上述工艺步骤的器件晶圆经过划片、裂片、测试与分选等步骤即可。
为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中个别变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：包括n型电极、氮化物外延层和p型电极，所述n型电极附着在所述氮化物外延层上，所述氮化物外延层附着在所述p型电极上；其中，
所述氮化物外延层为基于SiC衬底的氮化物LED外延片中的氮化物外延层；
所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片包括SiC衬底、石墨烯层及所述氮化物外延层，所述石墨烯层附着在所述SiC衬底上，所述氮化物外延层附着在所述石墨烯层上。
2.根据权利要求1所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述氮化物外延层包括n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层，所述n型电子注入层及所述有源层位于所述n型缓冲层和p型空穴注入层之间，且所述n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层依次相连接；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片上，所述n型电极附着在所述n型缓冲层上，所述p型空穴注入层附着在所述p型电极上；
在所述基于SiC衬底的氮化物LED外延片上，所述n型缓冲层附着在所述石墨烯层上。
3.根据权利要求2所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述n型缓冲层包括至少一个n型缓冲层子层，所述n型缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型缓冲层子层分别进行n型掺杂；所述n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述n型电子注入层包括至少一个n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂；每个所述n型子层的n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述有源层包括至少一个薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；所述薄膜子层进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂的掺杂元素为Si、Ge和Sn中的至少一种；所述p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述p型空穴注入层包括至少一个p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，且p型掺杂的掺杂元素为Be、Mg和Zn中的至少一种。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述SiC衬底的衬底晶面方向与(0001)或(000-1)晶面方向存在0°至20°的偏角度。
8.根据权利要求1至6任一项所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述p型电极的厚度为0.1～5000微米；所述n型电极的厚度为0.01～10微米，使用金属Ti、Au、Al、Cr、Ni、Pt、Ag、W和Pb中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述p型电极包括依次叠加连接的欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层，且所述欧姆接触层、反射层、阻挡层和支撑层均由金属制成，所述欧姆接触层与所述p型空穴注入层相连接。
10.根据权利要求9所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片，其特征在于：所述欧姆接触层由Ni和Au组合制成；所述反射层由Ag或Al制成；所述阻挡层由Ni制成，或者由Ti和W组合制成；所述支撑层由Cu或Al制成。
11.一种权利要求1至10任一项所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在SiC衬底上制作一层或两层以上的石墨烯层；
2)在具有石墨烯层的SiC衬底上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：n型缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层；
3)在所述p型空穴注入层一侧制作两层以上的金属厚膜，形成p型电极；
4)使用机械剥离方式将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行分离；
5)在所述n型缓冲层的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极，既得到所述基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片。
12.根据权利要求11所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述石墨烯层的制作方法采用金属薄片的化学气相沉积生长石墨烯薄膜后转移到SiC衬底上，或者采用直接在SiC衬底上进行石墨烯外延生长；其中，
所述金属薄片的化学气相沉积生长石墨烯薄膜的具体步骤如下：使用Cu、Ni、Fe、Pt、Pd、Co或Ir中任意一种金属薄片置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃、真空度为≤104Pa的压强条件下，通入碳氢化合物和氢气的混合气体并持续20～200min，然后再降温，降温的速率为30～110℃/min，降温的同时保持碳氢化合物和氢气的流量不变实现石墨烯的生长；生长完成后，使用聚合物作为支撑层，覆盖在石墨烯层上；然后再使用化学试剂溶解或腐蚀掉金属薄片，附着在聚合物上的石墨烯层转移到SiC衬底上；最后再使用化学溶剂去掉聚合物的支撑层；
所述直接在SiC衬底上进行石墨烯外延生长的方法包括两种方法，具体如下：
第一种方法：在SiC衬底上进行碳氢化合物的化学气相沉积方法，具体步骤为，首先将SiC衬底置入温度为1300～1800℃，压强为≥1mTorr的化学气相沉积反应炉中，然后通入氢气，在温度为1300～1800℃的条件下对SiC衬底进行退火、清洁处理；然后再通入碳氢化合物并保持氩气的动态通入；最后通入氢气，在600～1800℃温度条件下进行退火处理，得到准自支撑的石墨烯膜层；
第二种方法，将SiC衬底进行石墨化退火处理制备石墨烯，具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛下，通过SiC衬底表面Si原子的升华而实现石墨化的过程，然后在氢气气氛中进行退火处理而得到准自支撑的石墨烯薄膜层。
13.根据权利要求11所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，所述p型电极的具体制作步骤如下：首先，使用物理气相沉积方法在p型空穴注入层表面制作欧姆接触层；然后再使物理气相沉积的设备在欧姆接触层上制作反射层；随后制作阻挡层；最后使用电镀或物理气相沉积设备制作支撑层。
14.根据权利要求11所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行分离的具体步骤如下：将制作完p型电极的晶圆器件放在自动或半自动的去键合设备上，相应的真空吸盘装置将分别吸附在SiC衬底底部和p型电极顶部，当两个真空吸盘装置发生水平或竖直方向的相对位移时，原来的器件晶圆将在石墨烯层处发生分离，由此将所述SiC衬底和所述氮化物外延层进行了分离。
15.根据权利要求11所述的基于SiC衬底的氮化物LED薄膜倒装芯片的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，在所述n型缓冲层的一侧制作一层或两层以上的金属薄膜，形成n型电极的具体步骤如下：当氮化物外延层与SiC衬底分离后，将制作完p型电极的氮化物外延层反转过来，使得n型缓冲层的一侧朝上，并在上面使用物理气相沉积方法制作n型电极。
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