CN107611233B - 基于复合转移衬底的垂直结构深紫外led器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件及其制备方法，包括自上到下依次AlN层、深紫外外延结构、反光镜层、过渡金属层及导电衬底，其中，深紫外外延结构包括第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构，反光镜层包括第一反光镜层及第二反光镜层，该LED器件及其制备方法能够有效的解决金属过渡层制作成本高、粘附性差及剥离过程中易出现断裂的问题，同时有效的解决了转移后AlN层去除的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件及其制备方法。
背景技术
经过10多年研究和发展，280nm以下的深紫外LED外量子效率已超过5％，对应发光功率大于5mW，寿命达5 000h。功率的提升推动应用领域的发展，深紫外线LED的用途涉及食品安全，医疗，国防等领域。
目前的研究进展及存在的问题是1.功率低：深紫外LED外量子效率已超过5％，但与蓝光的60％相比仍然很低，其原因包括：模板材料质量缺陷，多层结构中深紫外光的全内反射损失，以及P型电极的吸收导致光提取效率差，目前光萃取效率只有6％，须取得对p型欧姆接触的突破，减少对高吸光p-GaN的依赖；粗化出光面。2.散热性差，外量子效率低致使大部分电能转化为热能，因此散热问题很关键。从芯片和封装方面看，倒装深紫外LED和垂直结构深紫外LED，可制作高功率深紫外LED。
相比水平结构深紫外LED，垂直结构在技术上具有出光面积大、功率高，电流扩散面积较大且均匀，金属导电衬底散热性能比蓝宝石好等技术优势，可以在很大程度上解决目前深紫外LED光提取效率差，散热性差的关键问题。但是垂直结构深紫外LED在技术上面临诸多问题，包括高反射率的反光镜层材料的选择，激光剥离蓝宝石衬底的能量选择，目前转移衬底的金属过渡层成本高、粘附性差、剥离过程中易从金属层断裂，转移后的AlN层的去除等技术难点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件及其制备方法，该LED器件及其制备方法能够有效的解决金属过渡层制作成本高、粘附性差及剥离过程中易出现断裂的问题，同时有效的解决了转移后AlN层去除的技术难题。
为达到上述目的，本发明所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件自上到下依次包括AlN层、深紫外外延结构、反光镜层、过渡金属层及导电衬底，其中，深紫外外延结构包括第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构，反光镜层包括第一反光镜层及第二反光镜层，其中，第一反光镜层及第二反光镜层均位于过渡金属层上，且第一反光镜层与第二反光镜层之间有第一间隙，第一深紫外外延结构位于第一反光镜层上，第一深紫外外延结构的上表面与AlN层的底面相接触，第二深紫外外延结构位于第二反光镜层上，且第二深紫外外延结构的上表面与AlN层的底面相接触，且第一深紫外外延结构与第二深紫外外延结构之间有第二间隙，且第一间隙与第二间隙相连通形成刻蚀走道，AlN层的中部断开，且AlN层上断开的位置正对第二间隙，第一N面电极的下端自上到下穿过AlN层与第一深紫外外延结构的上表面相接触，第二N面电极的下端自上到下穿过AlN层与第二深紫外外延结构的上表面相接触。
还包括第一外延结构保护层、第二外延结构保护层及第三外延结构保护层，其中，第一外延结构保护层位于刻蚀走道内，第一外延结构保护层的一侧覆盖于第一深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层的另一侧覆盖于第二深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层的中部覆盖于AlN层的底部上，AlN层上断开的位置正对第一外延结构保护层的中部；
第二外延结构保护层覆盖于AlN层的底部和第一深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上，第三外延结构保护层覆盖于AlN层的底部和第二深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上。
第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构均自上到下依次包括AlGaN层、量子阱层及AlGaN/GaN层，AlGaN/GaN层位于过渡金属层的表面，第一N面电极的下端与第一深紫外外延结构中AlGaN层的上表面相接触；第二N面电极的下端与第二深紫外外延结构中AlGaN层的上表面相接触。
本发明所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上生长AlN层，然后在AlN层的表面上反向生长深紫外外延结构；
2)用激光划片在深紫外外延结构上划出两条划痕，并使AlN层21的中部断开，然后采用干法刻蚀技术去除两条划痕之间的深紫外外延结构，以形成第一深紫外外延结构、第二深紫外外延结构及第二间隙；
3)在第一深紫外外延结构的上表面及第二深紫外外延结构的上表面分别制作第一反光镜层及第二反光镜层；
4)采用低温沉积或溅射的方式在蓝宝石衬底的表面、第一深紫外外延结构表面、第二深紫外外延结构的表面、第一反光镜层的表面及第二反光镜层的表面制作保护层，然后去除第一反光镜层表面及第二反光镜层表面的保护层，以形成第一外延结构保护层、第二外延结构保护层及第三外延结构保护层，得外延片；
5)将低温导电材料平铺于导电衬底上，然后采用加热的方式使低温导电材料处于半融化状态，从而在导电衬底上形成过渡金属层，得复合转移衬底；
6)将步骤4)得到的外延片在竖直方向旋转180°，然后再将外延片转移到复合转移衬底上，其中，外延片中第一反光镜层及第二反光镜层的下表面与过渡金属层的表面相接触，然后将过渡金属层加热至低温导电材料的熔点；
7)激光剥离去除蓝宝石衬底，再将AlN层进行干法刻蚀减薄后粗化，并在粗化后的AlN层上制作第一N面电极及第二N面电极，得基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件。
第一反光镜层及第二反光镜层均为单层或者多层金属层，且第一反光镜层及第二反光镜层的材质均为Ni/Al或Cr/Al，第一反光镜层及第二反光镜层对深紫外波段的反射率均大于90％，第一反光镜层的厚度及第二反光镜层厚度均大于0.5μm，第一反光镜层的耐温及第二反光镜层的耐温均大于200℃。
第一外延结构保护层、第二外延结构保护层及第三外延结构保护层的材质为不导电材料。
步骤5)中通过控制加热时间及加热温度使低温导电材料处于半融化状态；
步骤6)中过渡金属层加热至低温导电材料的熔点的加热时间为5min。
步骤7)中采用193nmArF激光剥离技术去除蓝宝石衬底，剥离所需的脉冲功率为900-1600mJ/cm2。
AlN层的粗化深度为0.5-2μm。
第一N面电极及第二N面电极的材质均为Ni、Ti、Pt、Au或Al，第一N面电极及第二N面电极均为网格状结构、叉指状结构或环状结构，第一N面电极及第二N面电极的宽度均大于等于100μm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件及其制备方法在具体操作时，通过加热的方式使低温导电材料处于半融化状态，从而在导电衬底上形成过渡金属层，然后再将外延片中的第一反光镜层及第二反光镜层粘接于过渡金属层上，从而通过金属过渡层保证导电衬底与外延片之间良好的粘结，同时减少剥离蓝宝石衬底产生的强烈冲击对外延片与导电衬底带来的损伤及变形，复合转移衬底的导电导热特性不发生变化，从而有效的解决金属过渡层制作成本高、粘附性差及剥离过程中容易出现断裂的问题，同时减少了制作工艺。另外，本发明不需要大面积刻蚀去除AlN层，降低了工艺的难度，防止刻蚀过程中对外延片电学性能及保护层的损伤，同时本发明对AlN层进行干法刻蚀减薄后粗化，进一步的提高了AlN层的光萃取效率，既可以通过AlN层对外延片进行保护，同时增加了产品的光萃取功能，从而有效的解决了转移后AlN层去除的技术难题。
附图说明
图1为本发明中深紫外外延结构的结构示意图；
图2为划痕3的位置图；
图3为制作第一反光镜层41及第二反光镜层42后的结构示意图；
图4为制作保护层5后的结构示意图；
图5为第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53的位置图；
图6为加热前的低温导电材料位置图；
图7为复合转移衬底的结构示意图；
图8为转移后的结构示意图；
图9为蓝宝石衬底1剥离后的结构示意图；
图10为AlN层21粗化前的结构示意图；
图11为AlN层21粗化后的结构示意图；
图12为本发明的结构示意图。
其中，1为蓝宝石衬底、21为AlN层、22为AlGaN层、23为量子阱层、24为AlGaN/GaN层、3为划痕、41为第一反光镜层、42为第二反光镜层、5为保护层、51为第一外延结构保护层、52为第二外延结构保护层、53为第三外延结构保护层、6为导电衬底、61为过渡金属层、100为第一N面电极、101为第二N面电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图12，本发明所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件自上到下依次包括AlN层21、深紫外外延结构、反光镜层、过渡金属层61及导电衬底6，其中，深紫外外延结构包括第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构，反光镜层包括第一反光镜层41及第二反光镜层42，其中，第一反光镜层41及第二反光镜层42均位于过渡金属层61上，且第一反光镜层41与第二反光镜层42之间有第一间隙，第一深紫外外延结构位于第一反光镜层41上，第一深紫外外延结构的上表面与AlN层21的底面相接触，第二深紫外外延结构位于第二反光镜层42上，且第二深紫外外延结构的上表面与AlN层21的底面相接触，且第一深紫外外延结构与第二深紫外外延结构之间有第二间隙，且第一间隙与第二间隙相连通形成刻蚀走道，AlN层21的中部断开，且AlN层21上断开的位置正对第二间隙，第一N面电极100的下端自上到下穿过AlN层21与第一深紫外外延结构的上表面相接触，第二N面电极101的下端自上到下穿过AlN层21与第二深紫外外延结构的上表面相接触。
还包括第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53，其中，第一外延结构保护层51位于刻蚀走道内，第一外延结构保护层51的一侧覆盖于第一深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层51的另一侧覆盖于第二深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层51的中部覆盖于AlN层21的底部上，AlN层21上断开的位置正对第一外延结构保护层51的中部；第二外延结构保护层52覆盖于AlN层21的底部和第一深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上，第三外延结构保护层53覆盖于AlN层21的底部和第二深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上。
第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构均自上到下依次包括AlGaN层22、量子阱层23及AlGaN/GaN层24，AlGaN/GaN层24位于过渡金属层61的表面，第一N面电极100的下端与第一深紫外外延结构中AlGaN层22的上表面相接触；第二N面电极101的下端与第二深紫外外延结构中AlGaN层22的上表面相接触。
本发明所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法包括以下步骤：
1)参考图1，在蓝宝石衬底1上生长AlN层21，然后在AlN层21的表面上反向生长深紫外外延结构；
2)参考图2，用激光划片在深紫外外延结构上划出两条划痕3，并使AlN层21的中部断开，然后采用干法刻蚀技术去除两条划痕3之间的深紫外外延结构，以形成第一深紫外外延结构、第二深紫外外延结构及第二间隙，再将，其中，划痕3的深度大于20um。
3)参考图3，在第一深紫外外延结构的上表面及第二深紫外外延结构的上表面分别制作第一反光镜层41及第二反光镜层42；
需要说明的是，第一反光镜层41及第二反光镜层42需要具有对深紫外波段良好的反射率，同时需要具有一定的厚度对外延片起到硬支撑作用，并能够抵抗剥离过程带来的冲击，具体的，第一反光镜层41及第二反光镜层42均为单层或者多层金属层，且第一反光镜层41及第二反光镜层42的材质均为Ni/Al或Cr/Al，第一反光镜层41及第二反光镜层42对深紫外波段的反射率均大于90％，第一反光镜层41的厚度及第二反光镜层42厚度均大于0.5μm，第一反光镜层41的耐温及第二反光镜层42的耐温均大于200℃，以保证剥离时芯片的完整性。
4)参考图4及图5，采用低温沉积或溅射的方式在蓝宝石衬底1的表面、第一深紫外外延结构表面、第二深紫外外延结构的表面、第一反光镜层41的表面及第二反光镜层42的表面制作保护层5，然后去除第一反光镜层41表面及第二反射镜表面的保护层5，以形成第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53，得外延片；
需要说明的是，第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53的材质为不导电材料，第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53的材质为氮化物、氧化硅或氮化硅层，且第一外延结构保护层51、第二外延结构保护层52及第三外延结构保护层53的厚度约为200nm。
5)参考图6及图7，将低温导电材料平铺于导电衬底6上，然后采用加热的方式使低温导电材料处于半融化状态，从而在导电衬底6上形成过渡金属层61，得复合转移衬底；
步骤5)中通过控制加热时间及加热温度使低温导电材料处于半融化状态，由于过渡金属层61的熔点较低，因此在后续封装工艺中则需考虑焊料的回流温度最好小于200℃，以保证封装后芯片的稳定性。
6)参考图8，将步骤4)得到的外延片在竖直方向旋转180°，然后再将外延片转移到复合转移衬底上，其中，外延片中第一反光镜层41及第二反光镜层42的下表面与过渡金属层61的表面相接触，然后将过渡金属层61加热至低温导电材料的熔点同时可以适当加压，以保证更好的粘结性，再进行降温，由于过渡金属层61的熔点较低，因此在后续封装工艺中则需考虑焊料的回流温度最好小于200℃，以保证封装后芯片的稳定性。
步骤6)中过渡金属层61加热至低温导电材料的熔点的加热时间为5min。
7)参考图9、图10、图11及图12，激光剥离去除蓝宝石衬底1，再将AlN层21进行干法刻蚀减薄后粗化，并在粗化后的AlN层21上制作第一N面电极100及第二N面电极101，得基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件。
步骤7)中采用193nmArF激光剥离技术去除蓝宝石衬底1，剥离所需的脉冲功率为900-1600mJ/cm2。
AlN层21的粗化深度为0.5-2μm。
第一N面电极100及第二N面电极101的材质均为Ni、Ti、Pt、Au或Al，第一N面电极100及第二N面电极101均为网格状结构、叉指状结构或环状结构，第一N面电极100及第二N面电极101的宽度均大于等于100μm，第一N面电极100及第二N面电极101的作用在于保证更好的电流扩展效应。
Claims (10)
1.一种基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件，其特征在于，自上到下依次包括AlN层(21)、深紫外外延结构、反光镜层、过渡金属层(61)及导电衬底(6)，其中，深紫外外延结构包括第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构，反光镜层包括第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)，其中，第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)均位于过渡金属层(61)上，且第一反光镜层(41)与第二反光镜层(42)之间有第一间隙，第一深紫外外延结构位于第一反光镜层(41)上，第一深紫外外延结构的上表面与AlN层(21)的底面相接触，第二深紫外外延结构位于第二反光镜层(42)上，且第二深紫外外延结构的上表面与AlN层(21)的底面相接触，且第一深紫外外延结构与第二深紫外外延结构之间有第二间隙，且第一间隙与第二间隙相连通形成刻蚀走道，AlN层(21)的中部断开，且AlN层(21)上断开的位置正对第二间隙，第一N面电极(100)的下端自上到下穿过AlN层(21)与第一深紫外外延结构的上表面相接触，第二N面电极(101)的下端自上到下穿过AlN层(21)与第二深紫外外延结构的上表面相接触。
2.根据权利要求1所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件，其特征在于，还包括第一外延结构保护层(51)、第二外延结构保护层(52)及第三外延结构保护层(53)，其中，第一外延结构保护层(51)位于刻蚀走道内，第一外延结构保护层(51)的一侧覆盖于第一深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层(51)的另一侧覆盖于第二深紫外外延结构一侧的侧面及底面上，第一外延结构保护层(51)的中部覆盖于AlN层(21)的底部上，AlN层(21)上断开的位置正对第一外延结构保护层(51)的中部；
第二外延结构保护层(52)覆盖于AlN层(21)的底部和第一深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上，第三外延结构保护层(53)覆盖于AlN层(21)的底部和第二深紫外外延结构另一侧的侧面及底面上。
3.根据权利要求2所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件，其特征在于，第一深紫外外延结构及第二深紫外外延结构均自上到下依次包括AlGaN层(22)、量子阱层(23)及AlGaN/GaN层(24)，AlGaN/GaN层(24)位于过渡金属层(61)的表面，第一N面电极(100)的下端与第一深紫外外延结构中AlGaN层(22)的上表面相接触；第二N面电极(101)的下端与第二深紫外外延结构中AlGaN层(22)的上表面相接触。
4.一种权利要求3所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底(1)上生长AlN层(21)，然后在AlN层(21)的表面上反向生长深紫外外延结构；
2)用激光划片在深紫外外延结构上划出两条划痕(3)，并使AlN层(21)的中部断开，然后采用干法刻蚀技术去除两条划痕(3)之间的深紫外外延结构，以形成第一深紫外外延结构、第二深紫外外延结构及第二间隙；
3)在第一深紫外外延结构的上表面及第二深紫外外延结构的上表面分别制作第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)；
4)采用低温沉积或溅射的方式在蓝宝石衬底(1)的表面、第一深紫外外延结构表面、第二深紫外外延结构的表面、第一反光镜层(41)的表面及第二反光镜层(42)的表面制作保护层(5)，然后去除第一反光镜层(41)表面及第二反光镜层(42)表面的保护层(5)，以形成第一外延结构保护层(51)、第二外延结构保护层(52)及第三外延结构保护层(53)，得外延片；
5)将低温导电材料平铺于导电衬底(6)上，然后采用加热的方式使低温导电材料处于半融化状态，从而在导电衬底(6)上形成过渡金属层(61)，得复合转移衬底；
6)将步骤4)得到的外延片在竖直方向旋转180°，然后再将外延片转移到复合转移衬底上，其中，外延片中第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)的下表面与过渡金属层(61)的表面相接触，然后将过渡金属层(61)加热至低温导电材料的熔点；
7)激光剥离去除蓝宝石衬底(1)，再将AlN层(21)进行干法刻蚀减薄后粗化，并在粗化后的AlN层(21)上制作第一N面电极(100)及第二N面电极(101)，得基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件。
5.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)均为单层或者多层金属层，且第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)的材质均为Ni/Al或Cr/Al，第一反光镜层(41)及第二反光镜层(42)对深紫外波段的反射率均大于90％，第一反光镜层(41)的厚度及第二反光镜层(42)厚度均大于0.5μm，第一反光镜层(41)的耐温及第二反光镜层(42)的耐温均大于200℃。
6.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，第一外延结构保护层(51)、第二外延结构保护层(52)及第三外延结构保护层(53)的材质为不导电材料。
7.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，步骤5)中通过控制加热时间及加热温度使低温导电材料处于半融化状态；
步骤6)中过渡金属层(61)加热至低温导电材料的熔点的加热时间为5min。
8.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，步骤7)中采用193nmArF激光剥离技术去除蓝宝石衬底(1)，剥离所需的脉冲功率为900-1600mJ/cm2。
9.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，AlN层(21)的粗化深度为0.5-2μm。
10.根据权利要求4所述的基于复合转移衬底的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，第一N面电极(100)及第二N面电极(101)的材质均为Ni、Ti、Pt、Au或Al，第一N面电极(100)及第二N面电极(101)均为网格状结构、叉指状结构或环状结构，第一N面电极(100)及第二N面电极(101)的宽度均大于等于100μm。
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