CN106601840A - 光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电器件，其包括：复合衬底，包括硅衬底层以及键合在所述硅衬底层上的蓝宝石衬底层；器件主体结构，形成所述蓝宝石衬底层上；以及驱动芯片，位于所述硅衬底层远离所述蓝宝石衬底层的一侧。上述光电器件，采用蓝宝石衬底层与硅衬底层键合而成的复合衬底，这样可以在蓝宝石衬底层上生长高质量的外延层(例如高质量的氮化镓层)，从而有利于获得高质量的器件主体结构，进而有利于制造出性能优异的光电器件；同时该复合衬底的硅衬底层，可以满足大尺寸主流生产线的需求，与现有的硅衬底工艺兼容；另外，还避免使用大尺寸的蓝宝石片，可以有效降低光电器件的成本。

Description

光电器件
技术领域
本发明涉及电力电子器件技术领域，特别是涉及一种光电器件。
背景技术
目前光电器件的衬底有的采用硅(Si)衬底、有的采用碳化硅(SiC)衬底、亦有采用GaN衬底。
硅衬底，其优点是尺寸大、成本低、易加工，且具有良好的导热性。然而，硅衬底的缺点是，硅为窄禁带宽度材料，不合适高温工作。
碳化硅衬底，其禁带宽度大于硅。但是碳化硅衬底的成本较高。
GaN衬底，其禁带宽度比碳化硅还大，可以在200℃下正常工作。然而GaN衬底成本非常高，不利于降低光电器件的成本。
由于GaN特殊的性质，自然界缺乏天然的GaN单晶材料。GaN衬底可通过在蓝宝石衬底上异质外延而获得。
目前，无论哪一种均无法满足的越来越高的需求，衬底性能还有待于进一步提高，以有利于降低光电器件的成本以及提高光电器件的性能。
发明内容
基于此，有必要针对现有的光电器件成本高、性能差的问题，提供一种成本低、性能好的光电器件。
一种光电器件，包括：
复合衬底，包括硅衬底层以及键合在所述硅衬底层上的蓝宝石衬底层；
器件主体结构，形成所述蓝宝石衬底层上；
以及驱动芯片，位于所述硅衬底层远离所述蓝宝石衬底层的一侧。
上述光电器件，采用蓝宝石衬底层与硅衬底层键合而成的复合衬底，这样可以在蓝宝石衬底层上生长高质量的外延层(例如高质量的氮化镓层)，从而有利于获得高质量的器件主体结构，进而有利于制造出性能优异的光电器件；同时该复合衬底的硅衬底层，可以满足大尺寸主流生产线的需求，与现有的硅衬底工艺兼容；另外，还避免使用大尺寸的蓝宝石片，可以有效降低光电器件的成本。
在其中一个实施例中，所述器件主体结构包括由氮化镓晶体形成的外延层。
在其中一个实施例中，所述复合衬底还包括生长在所述蓝宝石衬底层上的硅膜；所述蓝宝石衬底层通过所述硅膜与所述硅衬底层键合。
在其中一个实施例中，所述硅膜的厚度为1～5μm。
在其中一个实施例中，所述蓝宝石衬底层的厚度为20μm。
在其中一个实施例中，所述硅衬底层的厚度为600～1500μm。
在其中一个实施例中，所述驱动芯片为硅基芯片。
在其中一个实施例中，所述光电器件为LED器件。
在其中一个实施例中，所述光电器件为LD器件。
在其中一个实施例中，所述光电器件为光电探测器。
附图说明
图1为本发明一实施例的光电器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，本发明一实施例的光电器件100，包括复合衬底110、器件主体结构130、以及驱动芯片120。
具体地，复合衬底110包括硅衬底层111以及键合在硅衬底层111上的蓝宝石衬底层112。
其中，蓝宝石衬底层112，其主要目的是，用于生长外延层，进而形成器件主体结构130；也就是说，外延层是生长在复合衬底110的蓝宝石衬底层112上。
其中，硅衬底层120的主要作用是，用于支撑蓝宝石层110。
其中，蓝宝石衬底层112以及硅衬底层120键合在一起形成复合衬底110。
在本文中，键合(bonding)是指：将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质材料在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体。
由于本发明的复合衬底110通过键合形成，故蓝宝石衬底层112以及硅衬底层120之间的结合力很强，其键合强度可高达12MPa。
优选地，硅衬底层120由直径大于等于6英寸硅晶片的制成。例如选用6英寸的硅晶片，或者8英寸的硅晶片。
更具体地，在本实施例中的硅衬底层120由直径6英寸厚1300μm的硅晶圆制成。
优选地，蓝宝石衬底层112的厚度为20μm。这样既可以保证在复合衬底110上生长形成良好的外延层，又可以确保复合衬底110具有良好的导热性。
优选地，复合衬底110还包括生长在蓝宝石衬底层112上的硅膜113；蓝宝石衬底层112通过硅膜113与硅衬底层120键合。
其中，硅膜113的厚度为1～5μm。这样可以进一步促进蓝宝石衬底层112与硅衬底层120键合，增强复合衬底110的性能。
以下对本发明的复合衬底的制备过程进行简述。
本发明的复合衬底的制备方法，包括如下步骤：
S1、将蓝宝石片与硅晶片键合，形成键合体。
优选地，蓝宝石片与硅晶片采用Si-Si直接键合(SDB—Silicon Direct Bonding)工艺键合。
具体地，Si-Si直接键合工艺为在蓝宝石片上生长硅膜113；然后将硅膜113和硅晶片键合，从而将蓝宝石片与硅晶片键合在一起，得到键合体300。
采用Si-Si直接键合工艺，不需要任何粘结剂和外加电场，并且工艺简单，更为重要的是，采用Si-Si直接键合工艺形成的复合衬底其性能较优。
优选地，硅膜113的生长为气相外延生长。也就是说，采用气相外延生长的方法在蓝宝石片上生长硅膜。这样形成的硅膜113的晶型较好，有利于与硅晶片的键合。
更优选地，在气相外延生长中，硅源为SiH4，载气为氢气。
气相外延生长可以采用本领域公知的气相外延生长工艺，在此不再赘述。
具体地，键合的步骤依次包括预键合、低温键合、高温键合三个子步骤。
其中，预键合优选为：将硅膜113以及硅晶片表面清洗干净，在室温下真空加力键合。
低温键合优选为：将预键合后的产物，在氧气或氮气环境中，在低温(一般为100～200℃)下键合。
低温键合优选为：将低温键合后的产物，在氧气或氮气环境中，在高温(1000℃以上)键合数小时。
具体地，键合的操作为：分别将硅晶片、硅膜113的表面擦拭去除粉尘等颗粒杂质，后用甲苯、丙酮和乙醇溶液超声清洗5～10min，然后在稀释的氢氟酸溶液中活化10s，活化之后用去离子水冲洗。接着用去离子水、双氧水与氨水配置的清洗液清洗，在用去离子水、双氧水与盐酸配置的清洗液清洗。将清洗之后的硅晶片、带硅膜113的蓝宝石片甩干。
将甩干之后的硅晶片、带硅膜113的蓝宝石片放入键合装置中加压预键合。
然后将预键合之后的产物取出，在氧化扩散炉中，在100～200℃下键合10min，然后迅速升温至1000℃以上键合1h。
S2、将键合体中的蓝宝石片减薄，得到复合衬底。
优选地，减薄为研磨抛光减薄。
具体地，研磨抛光减薄可以采用本领域技术人员所公知的研磨抛光减薄工艺。在此不再赘述。
其中，器件主体结构130，是电光器件100的核心部件。在器件主体结构130中将电转化为光。具体地，器件主体结构130形成蓝宝石衬底层112上。
在本实施例中，器件主体结构130包括外延层(未示出)。外延层由生长在蓝宝石衬底层112上的氮化镓晶体形成。
当然，可以理解的是，器件主体结构130还包括其它功能层(例如缓冲层等)以及电极(未示出)等。当然，可以理解的是，本发明对器件主体结构130的具体结构不进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的器件主体结构130的具体结构。
其中，驱动芯片120的主要作用是，驱动并控制器件主体结构130工作。驱动芯片120位于硅衬底层111远离蓝宝石衬底层112的一侧。
在本实施例中，在复合衬底110中均匀开挖多个贯穿复合衬底110的“通孔Via”以使器件主体结构130的电极与驱动芯片120电连接。当然，可以理解的是，驱动芯片120与器件主体结构130的电连接并不局限于上述方式，亦可以采用其它方式连接。
在本实施例中，驱动芯片120为硅基芯片。当然，可以理解的是，本发明的驱动芯片120并不局限于硅基芯片，还可以是其它基芯片。
在本实施例中，光电器件100为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)器件。更具体地，光电器件为发蓝光的LED器件。
当然，可以理解的是，本发明的光电器件100并不局限于发蓝光的LED器件，亦可以是发其他光的LED器件(例如发绿光的LED器件)，还可以是LD(Laser Diode，激光二极管)器件，亦可以是光电探测器。
上述光电器件，采用蓝宝石衬底层与硅衬底层键合而成的复合衬底，这样可以在蓝宝石衬底层上生长高质量的外延层(例如高质量的氮化镓层)，从而有利于制造出性能优异的光电器件；同时该复合衬底的硅衬底层，可以满足大尺寸主流生产线的需求，与现有的硅衬底工艺兼容；另外，还避免使用大尺寸的蓝宝石片，可以有效降低光电器件的成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光电器件，其特征在于，包括：
复合衬底，包括硅衬底层以及键合在所述硅衬底层上的蓝宝石衬底层；
器件主体结构，形成所述蓝宝石衬底层上；
以及驱动芯片，位于所述硅衬底层远离所述蓝宝石衬底层的一侧。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述器件主体结构包括由氮化镓晶体形成的外延层。
3.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述复合衬底还包括生长在所述蓝宝石衬底层上的硅膜；所述蓝宝石衬底层通过所述硅膜与所述硅衬底层键合。
4.根据权利要求3所述的光电器件，其特征在于，所述硅膜的厚度为1～5μm。
5.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述蓝宝石衬底层的厚度为20μm。
6.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述硅衬底层的厚度为600～1500μm。
7.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述驱动芯片为硅基芯片。
8.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述光电器件为LED器件。
9.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述光电器件为LD器件。
10.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述光电器件为光电探测器。
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