CN104835890B - 用于倒装led芯片的衬底、外延片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于倒装LED芯片的衬底、外延片及其制作方法。所述衬底包括氮化镓衬底材料以及具有图形化结构的介质层，所述介质层镶嵌于氮化镓衬底材料中。所述方法包括：在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层；在晶格匹配层上形成具有图形化结构的介质层，所述介质层暴露出部分晶格匹配层；在晶格匹配层和介质层上生长氮化镓衬底材料，直至氮化镓衬底材料的应力使晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离时停止；去除至少部分晶格匹配层。本发明提供的用于倒装LED芯片的衬底所采用的氮化镓衬底材料和镶嵌在氮化镓衬底材料中的介质层都具有提高内量子效率和外量子效率的双重功能。

Description

用于倒装LED芯片的衬底、外延片及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电芯片制造领域，特别涉及一种用于倒装LED芯片的衬底、外延片及其制作方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基LED自从20世纪90年代初商业化以来，经过二十几年的发展，其结构已趋于成熟和完善，已能够满足人们现阶段对灯具装饰的需求；但要完全取代传统光源进入照明领域，尤其是高端照明领域，发光亮度的提高却是LED行业科研工作者永无止境的追求。

LED发光亮度的提升受限的根源在于自然界中缺乏天然的氮化镓衬底材料，可用于氮化镓基LED的异质衬底材料寥寥无几，可用于商业化的衬底材料更是少之甚少，目前市面上只存在蓝宝石和碳化硅两种衬底材料，其中蓝宝石由于具有化学稳定性好、生产技术相对成熟等优势而应用最为广泛。

但是，发明人发现，采用蓝宝石作为氮化镓基LED的异质衬底也存在很多问题，例如晶格失配和热应力失配会在外延材料中产生大量的位错缺陷，位错缺陷会在外延层中形成非辐射复合中心和光散射中心，这将大大降低LED芯片的内量子效率，不仅如此，由于氮化镓外延层和蓝宝石衬底之间存在较大的折射率差异，光在氮化镓外延层和蓝宝石的界面层会发生全反射现象，从而降低了LED芯片的光萃取效率(即外量子效率)。为解决上述问题，业界研发了图形化衬底技术，其不仅通过减少晶格缺陷(或晶格失配)而提高了LED外延的晶体质量，从而提高其内量子效率；而且通过增加界面(外延层与衬底的界面)处的散射或漫反射作用而提高了LED芯片光萃取效率(或者说提高了LED芯片的外量子效率)。所以，近年来无论是锥状结构的干法图形化衬底技术还是金字塔形状的湿法图形化衬底技术都得到了飞速的发展，成为LED芯片的主流衬底，使LED的晶体结构和发光亮度都得到了革命性的提高。

为了应对LED高发光亮度的挑战，进入高端照明领域，LED行业的科研工作者在成熟的LED结构的基础上进行创新，提出了高压LED芯片、垂直LED芯片和倒装LED芯片等结构。其中，倒装LED芯片结构是将正装芯片倒装焊接于一导电导热性能良好的基板上，使得发热比较集中的发光外延层更接近于散热热尘，使大部分热量通过基板导出，而不是从散热不良的蓝宝石生长衬底导出，这在一定程度上缓解了LED芯片的散热问题，提高了LED芯片的可靠性；并且，在LED芯片面积确定的情况下，与其它结构的LED芯片相比，倒装结构的LED芯片的发光面积更大，所以在面对高端照明领域高发光亮度需求的挑战时更具优势。然而，发明人发现，倒装LED芯片结构是在N面出光的，由于蓝宝石的折射率低于氮化镓的折射率，所以外延层射出来的光会在蓝宝石和衬底界面上发生反射，导致较多的光不能发射出来，尤其是目前应用于LED芯片结构中主流的图形化衬底又具有散射和漫反射作用，更容易导致较多的光不能发射出来，减少了出光效率；但是如果不采用图形化衬底技术，LED芯片的内量子效率就不能充分发挥。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种用于倒装LED芯片的衬底、外延片及其制作方法，既能大幅提高倒装LED芯片的晶体质量(即内量子效率)，又能避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率(即外量子效率)。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于倒装LED芯片的衬底，包括氮化镓衬底材料以及镶嵌于所述氮化镓衬底材料中的具有图形化结构的介质层。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述具有图形化结构的介质层为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述柱状结构是柱状空洞，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状空洞。更进一步的，所述柱状结构为圆柱形空洞、椭圆柱形空洞或多棱柱状空洞。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述柱状结构是柱状凸起，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状凸起之间的空隙。更进一步的，所述柱状结构为圆柱形凸起、椭圆柱形凸起或多棱柱状凸起。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，还包括位于所述氮化镓衬底材料以及介质层表面的晶格匹配层。所述晶格匹配层为氮化镓或者氮化铝。

本发明还提供一种用于倒装LED芯片的外延片，包括：如上所述的衬底；以及形成于所述衬底上的氮化镓外延层。

本发明还提供一种用于倒装LED芯片的衬底制作方法，包括：

提供一蓝宝石衬底；

在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层；

在所述晶格匹配层上形成具有图形化结构的介质层，所述具有图形化结构的介质层暴露出部分所述晶格匹配层；

在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料，直至所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离时停止；

去除部分或全部晶格匹配层。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述具有图形化结构的介质层为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述柱状结构是柱状空洞，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状空洞。更进一步的，所述柱状结构为圆柱形空洞、椭圆柱形空洞或多棱柱状空洞。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述柱状结构是柱状凸起，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状凸起之间的空隙。更进一步的，所述柱状结构为圆柱形凸起、椭圆柱形凸起或多棱柱状凸起。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述晶格匹配层为氮化镓或者氮化铝。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料。

进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法中，所述氮化镓衬底材料的厚度为100μm～2000μm，所述生长时间为1小时～10小时。

本发明还提供一种用于倒装LED芯片的外延片制作方法，采用如上所述的方法制作衬底；以及在所述衬底上形成氮化镓外延层。

本发明提供的用于倒装LED芯片的衬底及外延片，具有如下优点：

首先，所述衬底采用氮化镓衬底材料，由于氮化镓衬底材料是氮化镓外延层的同质衬底，所以氮化镓衬底材料制成的衬底与氮化镓外延层不存在晶格失配的问题，即提高内量子效率；并且，由于氮化镓衬底材料与氮化镓外延层是同质材料，不存在异质的界面，所以不存在反射的问题，即提高外量子效率；

其次，所述氮化镓衬底材料中镶嵌有介质层，镶嵌在氮化镓衬底材料中的具有图形化结构的介质层还有利于消除氮化镓外延层中的位错缺陷，减少氮化镓外延层中的非辐射复合中心和光散射中心，从而提高倒装LED芯片的晶体质量，即提高内量子效率；进一步的，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构，柱状结构的侧面垂直于衬底的表面，因而柱状结构不具有散射或漫反射作用，所以，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，本发明所提供的衬底可避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率，即提高外量子效率；

总之，本发明提供的用于倒装LED芯片的衬底所采用的氮化镓衬底材料和镶嵌在氮化镓衬底材料中的介质层都具有提高内量子效率和外量子效率的双重功能；

本发明所提供的用于倒装LED的衬底的制作方法具有如下优点：

首先，本发明通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料，氢化物气相外延技术具有制作速度快、生产成本低、可大面积生长以及均匀性好的优点，利用所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离，无需采用激光剥离工艺，节省了成本，而且还避免了激光剥离工艺对氮化镓材料所造成损失；

其次，本发明在晶格匹配层和蓝宝石衬底脱离的瞬间，氮化镓衬底材料中镶嵌的具有图形化结构的介质层还可以解决氮化镓材料中残存的应力瞬间释放造成的成品率低的问题；

最后，脱离下来的蓝宝石可重复利用，降低了制作成本。

附图说明

图1是本发明实施例一在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层和介质层的剖面图；

图2是晶格匹配层和介质层的俯视图；

图3～4是本发明实施例一氮化镓衬底材料生长过程中的剖面图；

图5是本发明实施例一的蓝宝石衬底完全脱离后的剖面图；

图6是本发明实施例一的晶格匹配层被部分抛光后的剖面图；

图7是本发明实施例一的晶格匹配层被完全抛光后的剖面图；

图8是本发明实施例二在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层和介质层的剖面图；

图9是本发明实施例二晶格匹配层和介质层的俯视图；

图10是本发明实施例三晶格匹配层和介质层的俯视图；

图11是本发明实施例四晶格匹配层和介质层的俯视图；

图12是本发明用于倒装LED芯片的衬底制作方法的流程示意图；

图13是直接在蓝宝石衬底上形成氮化镓衬底材料的应力示意图；

图14是在形成有介质层上形成氮化镓衬底材料的应力示意图；

图15是在形成有介质层上形成氮化镓衬底材料后蓝宝石衬底开始脱离时的应力示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于倒装LED芯片的衬底及其制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图7所示，本实施例提供一种用于倒装LED芯片的衬底，包括氮化镓衬底材料13以及具有图形化结构的介质层12，所述具有图形化结构的介质层12镶嵌于氮化镓衬底材料13中。

优选的，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构，更进一步，所述图形化结构是周期性排布的柱状结构12a。由于柱状结构的侧面垂直于衬底的表面，因而柱状结构不具有散射或漫反射作用，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，可避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率，即提高外量子效率。

如图6所示，所述用于倒装LED芯片的衬底还可以包括位于所述氮化镓衬底材料13以及具有图形化结构的介质层12表面的晶格匹配层11。所述晶格匹配层11为氮化镓或者氮化铝。

如图12所示，并结合图1至图7，本实施例提供一种用于倒装LED芯片的衬底制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一蓝宝石衬底10；

S2：在蓝宝石衬底10上形成与倒装LED芯片的外延层的晶体结构相同的晶格匹配层11；

S3：在所述晶格匹配层11上形成具有具有图形化结构的介质层12，所述具有图形化结构的介质层12暴露出部分所述晶格匹配层11；

S4：在所述晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12上生长氮化镓衬底材料13，直至氮化镓衬底材料13的应力使晶格匹配层11和蓝宝石衬底10完全脱离时停止；

S5：去除部分或全部晶格匹配层11，从而形成本实施例所述的用于倒装LED芯片的衬底。

本实施例中，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12上生长氮化镓衬底材料13。具体的，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层11上生长氮化镓衬底材料13时，所述氮化镓衬底材料13的厚度由生长时间所控制，直至氮化镓衬底材料的应力使晶格匹配层11和蓝宝石衬底10完全脱离时停止生长。例如，所述氮化镓衬底材料的厚度为100μm～2000μm，所述生长时间为1小时～10小时。

具体可参考图13，如果直接在蓝宝石衬底10上形成氮化镓衬底材料13，由于氮化镓衬底材料13与蓝宝石衬底10间的晶格失配和热失配，极易造成的氮化镓衬底材料碎裂和翘曲，如图13所示，氮化镓衬底材料边缘已翘起，不能进行大面积生长。如图14所示，若先在蓝宝石衬底10上形成晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12，随后再形成氮化镓衬底材料13，由于具有图形化结构的介质层12已将氮化镓衬底材料13分割为若干个小区域，每个小区域内的应力有所减小，不易发生氮化镓衬底材料碎裂和翘曲。由于晶格匹配层11采用与氮化镓晶体结构相同的材料形成，那么氮化镓衬底材料13与晶格匹配层11粘性会远大于晶格匹配层11与蓝宝石衬底10的粘附性，所以，如图15所示，蓝宝石衬底10更容易从晶格匹配层上脱离开来。由上可知，本发明采用氢化物气相外延技术制作氮化镓衬底材料，其具有制作速度快、生产成本低、可大面积生长以及均匀性好的优点，同时在氮化镓衬底材料制作的过程中所述晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12还可以缓解由于氮化镓衬底材料与蓝宝石衬底间的晶格失配和热失配造成的氮化镓衬底材料碎裂和翘曲的问题，如此可以获得较大尺寸的氮化镓衬底材料并将其作为衬底。而且，利用所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离，无需采用激光剥离工艺，节省成本的同时还避免了激光剥离工艺对氮化镓材料所造成损失。并且，脱离下来的蓝宝石还可重复利用，进一步降低了制作成本。

其中，所述晶格匹配层11优选为氮化镓或者氮化铝，采用上述两种材料可以获得较佳的晶格匹配效果，减少位错缺陷。可通过LPCVD工艺、MOCVD工艺或分子束外压技术在所述蓝宝石衬底10上形成晶格匹配层11。所述晶格匹配层11的厚度为0.1～2微米，优选为0.1～1微米。

所述具有图形化结构的介质层12的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，上述材料均为LED制作工艺中经常采用的材料，成本较低。可通过蒸发、溅射、喷涂或PECVD工艺在所述晶格匹配层11上形成介质膜，再通过光刻和蚀刻工艺去除预定区域上的介质膜，从而在晶格匹配层11上形成具有图形化结构的介质层12，本实施例中，所述图形化结构是周期性排列的柱状结构12a。所述具有图形化结构的介质层12的厚度为0.1～2微米，优选为0.1～1微米。

如图1和图2所示，所述柱状结构12a是柱状空洞，通过所述柱状空洞暴露所述晶格匹配层11，所述氮化镓衬底材料13填满所述柱状空洞。具体地说，所述柱状结构12a为圆柱形空洞。当然，由于所述支撑衬底10为圆形衬底，所述支撑衬底10边缘的柱状结构12a可以是不完整的圆柱形空洞，本实用新型对柱状结构12a的数量和排布方式不加限制，可根据实际布图情况相应的调整。

如图6所示，本实施例中可通过抛光方式去除部分晶格匹配层11，保留一部分的晶格匹配层11。或者，如图7所示，也可通过抛光方式去除全部的晶格匹配层11，本发明对此不予限定。

由上可知，本发明提供的用于倒装LED芯片的衬底包括氮化镓衬底材料及镶嵌在氮化镓衬底材料内部的具有图形化结构的介质层，采用氮化镓衬底材料制成的衬底与氮化镓外延层不存在晶格失配的问题，镶嵌在氮化镓衬底材料中的具有图形化结构的介质层还有利于消除氮化镓外延层中的位错缺陷，减少氮化镓外延层中的非辐射复合中心和光散射中心，从而提高倒装LED芯片的晶体质量和发光效率(即内量子效率)。另外，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，由于柱状结构12a的侧面垂直于衬底的表面，柱状结构不具有散射或漫反射作用，可减少从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率(即外量子效率)。

实施例二

图8是本发明实施例二在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层和介质层的剖面图，图9是本发明实施例二晶格匹配层和介质层的俯视图。

如图8和图9所示，本实施例与实施例一的区别在于，柱状结构12a是柱状凸起，介质层12由周期性排列的柱状凸起组成，通过所述柱状凸起之间的空隙暴露所述晶格匹配层11，所述氮化镓衬底材料13填满所述柱状凸起之间的空隙。更具体而言，所述柱状结构12a是圆柱形凸起。当然，由于所述蓝宝石衬底10为圆形衬底，所述蓝宝石衬底10边缘的柱状结构12a可以是不完整的圆柱形凸起，本发明对柱状结构12a的数量和排布方式不加限制，可根据实际布图情况相应的调整。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于，所述柱状结构12a是多棱柱形凸起。图10是本发明实施例三晶格匹配层和介质层的俯视图。如图10所示，本实施例中所述柱状结构12a是六棱柱形凸起，通过所述六棱柱形凸起之间的空隙暴露所述晶格匹配层11，所述氮化镓衬底材料13填满所述六棱柱形凸起之间的空隙。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于，所述柱状结构12a是多棱柱形空洞。图11是本发明实施例四晶格匹配层和介质层的俯视图。如图11所示，本实施例中所述柱状结构12a是六棱柱形空洞，通过六棱柱形空洞暴露晶格匹配层11，所述氮化镓衬底材料13填满所述六棱柱形空洞。经实验发现，所述柱状结构12a是六棱柱形空洞时，倒装LED芯片的发光效率尤为突出。

以上实施例以所述柱状结构分别为圆柱形凸起或圆柱形空洞、多棱柱形凸起或多棱柱形空洞为例介绍了本发明的用于倒装LED芯片的衬底，可以理解的是，所述柱状结构并不局限于上述形状，还可以是椭圆柱形凸起或椭圆柱形空洞，或者是其他多棱柱状的凸起或空洞，亦或是上述形状的组合。

综上所述，本发明提供的用于倒装LED芯片的衬底及其制作方法具有如下优点：

1、本发明所提供的衬底采用氮化镓衬底材料，可以同质生长氮化镓外延层，不存在晶格失配的问题，从而提高了倒装LED芯片的晶体质量，即内量子效率；并且，由于氮化镓衬底材料与氮化镓外延层是同质材料，不存在异质的界面，所以不存在反射的问题，即提高外量子效率；

2、镶嵌在氮化镓衬底材料中具有图形化结构的介质层还有利于消除氮化镓外延层中的位错缺陷，减少氮化镓外延层中的非辐射复合中心和光散射中心，从而提高倒装LED芯片的晶体质量和发光效率，即内量子效率；并且，柱状结构的侧面垂直于衬底的表面，因而柱状结构不具有散射或漫反射作用，所以，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，本发明所提供的衬底可避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率，即外量子效率；

3、在氮化镓衬底材料制作过程中，镶嵌在氮化镓衬底材料中具有图形化结构的介质层还可以缓解由于氮化镓衬底材料与蓝宝石衬底间的晶格失配和热失配造成的氮化镓衬底材料碎裂和翘曲的问题，从而获得较大尺寸的氮化镓衬底材料；

4、在晶格匹配层和蓝宝石衬底脱离的瞬间，镶嵌在氮化镓衬底材料中具有图形化结构的介质层还可以解决氮化镓材料中残存的应力瞬间释放造成的成品率低的问题；

5、氢化物气相外延具有制作速度快、生产成本低、可大面积生长、和均匀性好的优点，利用所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离，无需采用激光剥离工艺，节省了成本，而且还避免了激光剥离工艺对氮化镓材料所造成损失；

6、通过氢化物气相外延技术脱离下来的蓝宝石衬底还可重复利用，进一步降低了制作成本。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。并且，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，包括：

提供一蓝宝石衬底；

在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层；

在所述晶格匹配层上形成具有图形化结构的介质层，所述具有图形化结构的介质层暴露出部分所述晶格匹配层；

在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料，直至所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离时停止；

去除部分或全部晶格匹配层。

2.如权利要求1所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构。

3.如权利要求2所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述具有图形化结构的介质层为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。

4.如权利要求2所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述柱状结构是柱状空洞，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状空洞。

5.如权利要求4所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述柱状结构为圆柱形空洞、椭圆柱形空洞或多棱柱状空洞。

6.如权利要求2所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述柱状结构是柱状凸起，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状凸起之间的空隙。

7.如权利要求6所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述柱状结构为圆柱形凸起、椭圆柱形凸起或多棱柱状凸起。

8.如权利要求1所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述晶格匹配层为氮化镓或者氮化铝。

9.如权利要求1所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料。

10.如权利要求9所述的用于倒装LED芯片的衬底制作方法，其特征在于，所述氮化镓衬底材料的厚度为100μm～2000μm，所述生长时间为1小时～10小时。

11.一种用于倒装LED芯片的外延片的制作方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1至10中任意一项所述的方法制作衬底；以及

在所述衬底上形成氮化镓外延层。