CN107919413A - 一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，在蓝宝石衬底GaN基LED外延材料上制作电极；以(111)晶向Si的晶片作为LED临时支撑材料，粘合在GaN基LED上，然后采用激光对蓝宝石衬底进行剥离得到GaN基LED外延材料/Si两层结构；采用粘合剂低温键合技术完成蓝宝石衬底GaN基LED外延材料/Si两层结构与金刚石热沉衬底低温键合，固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；去除金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
Description
技术领域
本发明属于LED散热技术领域，具体涉及一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法。
背景技术
GaN基LED作为第四代照明光源，具有高效、使用寿命长、节能、环保等优点，成为国内外重点发展的战略性新兴产业。然而随着照明功率不断地提高，LED产生的热量将急剧升高，如果这些热量没有及时散发出去，LED内部因发热产生的高温将严重影响LED的寿命和照明性能，因此，散热成为LED照明技术领域一个亟待解决的关键性课题。
传统的解决LED散热的方法是采用倒装焊技术给LED外加铝或者铜散热基板，利用散热基板来导热，一方面由于倒装焊技术工艺比较复杂；另一方面由于铝(237W/m·K)和铜(400W/m·K)有限的热导率，很难满足大功率LED照明的散热需求。金刚石具有极高的的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，采用金刚石作热沉可以有效地解决LED的散热问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，形成以金刚石衬底做热沉的GaN基LED，利用金刚石的高热导率来解决GaN基LED大功率照明散热问题。
本发明采用以下技术方案：
一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，包括以下步骤：
S1、在蓝宝石衬底GaN基LED外延材料上制作电极；
S2、以(111)晶向Si的晶片作为LED临时支撑材料，粘合在步骤S1制备的GaN基LED上，然后采用激光对蓝宝石衬底进行剥离得到GaN基LED外延材料/Si两层结构；
S3、采用粘合剂低温键合技术完成蓝宝石衬底GaN基LED外延材料/Si两层结构与金刚石热沉衬底低温键合，固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除步骤S3制备的金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
具体的，步骤S1具体为：
S101、将蓝宝石衬底GaN基外延材料清洗，氮气吹干；
S102、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S103、隔离槽光刻；
S104、隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He、Cl2和BCl3的混合气体，He:Cl2:BCl3的体积流量比为(10～15):(45～60):(15～20)sccm；
S105、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S106、n型台面光刻；
S107、n型台面ICP干法刻蚀；
S108、阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极；
S109、阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极；
S110、PECVD淀积Si3N4钝化层；
S111、电极ICP刻孔；
S112、磁控溅射Ni/Au，加厚电极。
进一步的，步骤S101中，分别用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声3～5分钟。
进一步的，蓝宝石衬底的厚度为450～500μm；n-GaN层的厚度为1.5～2μm；GaN/InGaN多量子阱为8～10对；p-GaN层的厚度为0.2～0.5μm。
进一步的，阴极电极Ti/Al/Ti/Au的厚度为(30～45nm)/(250～280nm)/(90～100nm)/(20～25nm)，850～900℃退火；阳极电极Ni/Au的厚度为(45～50nm)/(120～130nm)，550～600℃退火。
具体的，步骤S2具体为：
S201、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料，用粘合剂将Si临时支撑材料粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；
S202、用KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品；
S203、加热蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到GaN基LED外延材料/Si两层结构。
进一步的，步骤S202中，脉冲激光的波长为248±0.5nm，脉冲宽度35～38ns，激光脉冲的能量密度由焦距40cm的石英透镜调节。
进一步的，步骤S203中，加热衬底到29℃以上。
具体的，步骤S3具体为：
S301、将KOH和乙二醇混合去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；
S302、刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，抛光金刚石热沉片；
S303、在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一层键合粘合剂，将两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构。
进一步的，KOH：乙二醇体积比为5：3；金刚石热沉片厚度为0.3～0.5mm；粘合剂为苯并环丁烯，键合时间30～45min，键合和固化温度低于150℃。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明首先在蓝宝石衬底GaN基外延材料上制作GaN基LED；然后以(111)晶向Si的晶片作为LED临时支撑材料，粘合在制备的GaN基LED上，然后采用激光对蓝宝石衬底进行剥离得到GaN基LED外延材料/Si两层结构，然后采用粘合剂低温键合技术完成蓝宝石衬底GaN基LED外延材料/Si两层结构与金刚石热沉衬底低温键合，固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；最后去除制备的金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED，采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于传统的衬底，本发明所涉及的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法工艺简单、可操作性强、重复性好；另外，采用高热导率的金刚石作热沉片，效地解决了大功率LED的散热问题，散热效果优于传统的衬底铜散热基板和铝散热基板。
进一步的，蓝宝石衬底激光剥离过程中，先把GaN基LED外延材料倒转到Si临时支撑材料上，有效避免了激光剥离对GaN基LED外延材料性能的影响。
进一步的，键合方法属于低温工作，有效避免了传统的高温键合对材料性能的损伤。
综上所述，本发明转移方法工艺简单、容易实现，重复性好。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为蓝宝石衬底GaN基LED器件剖面图；
图2为蓝宝石衬底GaN基LED器件向Si临时支撑材料转移示意图；
图3为脉冲激光扫描蓝宝石衬底示意图；
图4为蓝宝石衬底剥离示意图；
图5为GaN基LED与金刚石热沉衬底键合示意图；
图6为去除Si临时支撑材料示意图；
图7为金刚石热沉衬GaN基LED剖面图。
其中：1.蓝宝石衬底；2.n-GaN层；3.GaN/InGaN多量子阱；4.p-GaN层；5.阴极电极；6.阳极电极；7.钝化层；8.Si临时支撑材料；9.粘合剂；10.金刚石热沉衬底。
具体实施方式
本发明提供了GaN基LED向金刚石热沉转移方法，包括以下步骤：
S1、在商用蓝宝石衬底GaN基外延材料上制作GaN基LED；
请参阅图1，商用蓝宝石衬底GaN基LED外延材料包括：
厚度为500μm的蓝宝石衬底1；厚度为2μm的n-GaN层2；10对GaN/InGaN多量子阱3；厚度为0.2μm的p-GaN层4；LED阳极电极6采用Ni/Au(50nm/120nm)；阴极电极5采用Ti/Al/Ti/Au(30nm/250nm/90nm/20nm)，具体制备步骤如下：
S101、所述商用蓝宝石衬底GaN基LED外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各清洗3～5分钟，氮气吹干；
S102、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S103、隔离槽光刻；
S104、隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝(10～15):(45～60):(15～20)sccm的混合气体；
S105、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S106、n型台面光刻；
S107、n型台面ICP干法刻蚀；
S108、阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，厚度为(30～45nm)/(250～280nm)/(90～100nm)/(20～25nm)，850～900℃退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极；
S109、阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，厚度分别为(45～50nm)/(120～130nm)，550～600℃退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极；
S110、PECVD淀积Si3N4钝化层；
S111、电极ICP刻孔；
S112、磁控溅射Ni/Au，加厚电极。
S2、以(111)晶向Si的晶片作为LED临时支撑材料，采用激光对蓝宝石衬底进行剥离；
S201、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料8，用粘合剂9将Si临时支撑材料8粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；
S202、用一束波长248±0.5nm，脉冲宽度35～38ns的KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品；
S203、加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到所述GaN基LED外延材料/Si两层结构；
请参阅图2、图3和图4，加热衬底到Ga的熔点29℃以上；激光脉冲的能量密度可以由一个焦距40～45cm的石英透镜来调节；
S3、采用粘合剂低温键合技术完成蓝宝石衬底GaN基LED与金刚石热沉衬底低温键合；
请参阅图5、图6和图7，其中，金刚石热沉片为多晶金刚石，厚度0.3～0.5mm，粘合剂为苯并环丁烯(BCB)，键合时间30～45min，键合和固化温度低于150℃，具体步骤如下：
S301、用体积比为5：3的KOH和乙二醇溶液去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；
S302、刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，为晶片键合做准备；同时抛光金刚石热沉片；
S303、在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一薄层键合粘合剂，两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除所述金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED，如图7所示。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
S1、商用蓝宝石衬底GaN基LED外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各清洗3分钟，氮气吹干，PECVD淀积SiO2，厚度2.5μm，隔离槽光刻，隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝20:45:15sccm的混合气体，PECVD淀积SiO2，厚度2.5μm，n型台面光刻，n型台面ICP干法刻蚀，阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为30nm/250nm/90nm/20nm，850℃退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极，阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，其厚度分别为45nm/120nm，550℃退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极，PECVD淀积Si3N4钝化层，电极ICP刻孔，磁控溅射Ni/Au，加厚电极完成外延材料制备；
S2、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料，用粘合剂将Si临时支撑材料粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；用一束波长248.5nm，脉冲宽度35ns的KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光穿过蓝宝石衬底，被界面处的GaN吸收产生Ga和N2气，加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到所述GaN基LED外延材料/Si两层结构。
S3、用体积比为5：3的KOH：乙二醇溶液去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，为晶片键合做准备；同时抛光金刚石热沉片；在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一薄层键合粘合剂，两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除所述金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
实施例2
S1、商用蓝宝石衬底GaN基LED外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各清洗4分钟，氮气吹干，PECVD淀积SiO2，厚度2.8μm，隔离槽光刻，隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝13:55:18sccm的混合气体，PECVD淀积SiO2，厚度2.8μm，n型台面光刻，n型台面ICP干法刻蚀，阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为40nm/270nm/95nm23nm，880℃退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极，阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，其厚度分别为48nm/125nm，580℃退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极，PECVD淀积Si3N4钝化层，电极ICP刻孔，磁控溅射Ni/Au，加厚电极完成外延材料制备；
S2、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料，用粘合剂将Si临时支撑材料粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；用一束波长248nm，脉冲宽度37ns的KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光穿过蓝宝石衬底，被界面处的GaN吸收产生Ga和N2气，加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到所述GaN基LED外延材料/Si两层结构。
S3、用体积比为5：3的KOH：乙二醇溶液去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，为晶片键合做准备；同时抛光金刚石热沉片；在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一薄层键合粘合剂，两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除所述金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
实施例3
S1、商用蓝宝石衬底GaN基LED外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各清洗5分钟，氮气吹干，PECVD淀积SiO2，厚度3.0μm，隔离槽光刻，隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He:Cl2:BCl3＝15:60:20sccm的混合气体，PECVD淀积SiO2，厚度3.0μm，n型台面光刻，n型台面ICP干法刻蚀，阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为45nm/280nm/100nm/25nm，900℃退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极，阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，其厚度分别为50nm/130nm，600℃退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极，PECVD淀积Si3N4钝化层，电极ICP刻孔，磁控溅射Ni/Au，加厚电极完成外延材料制备；
S2、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料，用粘合剂将Si临时支撑材料粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；用一束波长247.5nm，脉冲宽度38ns的KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光穿过蓝宝石衬底，被界面处的GaN吸收产生Ga和N2气，加热所述蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到所述GaN基LED外延材料/Si两层结构。
S3、用体积比为5：3的KOH：乙二醇溶液去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，为晶片键合做准备；同时抛光金刚石热沉片；在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一薄层键合粘合剂，两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除所述金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在蓝宝石衬底GaN基LED外延材料上制作电极；
S2、以(111)晶向Si的晶片作为LED临时支撑材料，粘合在步骤S1制备的GaN基LED上，然后采用激光对蓝宝石衬底进行剥离得到GaN基LED外延材料/Si两层结构；
S3、采用粘合剂低温键合技术完成蓝宝石衬底GaN基LED外延材料/Si两层结构与金刚石热沉衬底低温键合，固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构；
S4、去除步骤S3制备的金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料，得到金刚石热沉衬底GaN基LED。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S101、将蓝宝石衬底GaN基外延材料清洗，氮气吹干；
S102、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S103、隔离槽光刻；
S104、隔离槽ICP干法刻蚀，刻蚀气体采用He、Cl2和BCl3的混合气体，He:Cl2:BCl3的体积流量比为(10～15):(45～60):(15～20)sccm；
S105、PECVD淀积SiO2，厚度2.5～3.0μm；
S106、n型台面光刻；
S107、n型台面ICP干法刻蚀；
S108、阴极电极光刻，磁控溅射Ti/Al/Ti/Au，退火，金属Lift-off剥离形成阴极电极；
S109、阳极电极光刻，磁控溅射Ni/Au，退火，金属Lift-off剥离形成阳极电极；
S110、PECVD淀积Si3N4钝化层；
S111、电极ICP刻孔；
S112、磁控溅射Ni/Au，加厚电极。
3.根据权利要求2所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S101中，分别用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声3～5分钟。
4.根据权利要求2所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，蓝宝石衬底的厚度为450～500μm；n-GaN层的厚度为1.5～2μm；GaN/InGaN多量子阱为8～10对；p-GaN层的厚度为0.2～0.5μm。
5.根据权利要求2所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，阴极电极Ti/Al/Ti/Au的厚度为(30～45nm)/(250～280nm)/(90～100nm)/(20～25nm)，850～900℃退火；阳极电极Ni/Au的厚度为(45～50nm)/(120～130nm)，550～600℃退火。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S201、取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料，用粘合剂将Si临时支撑材料粘到步骤S1制备的GaN基LED外延材料上，形成蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si的三层结构；
S202、用KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品；
S203、加热蓝宝石/GaN基LED外延材料/Si三层结构去除蓝宝石衬底，得到GaN基LED外延材料/Si两层结构。
7.根据权利要求6所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S202中，脉冲激光的波长为248±0.5nm，脉冲宽度35～38ns，激光脉冲的能量密度由焦距40cm的石英透镜调节。
8.根据权利要求6所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S203中，加热衬底到29℃以上。
9.根据权利要求1所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤S3具体为：
S301、将KOH和乙二醇混合去除本征GaN缓冲层，漏出n-GaN层；
S302、刻蚀、抛光暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，抛光金刚石热沉片；
S303、在暴露的GaN基LED外延材料和金刚石热沉片抛光淀积一层键合粘合剂，将两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基LED外延材料/Si三层结构。
10.根据权利要求9所述的一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法，其特征在于，KOH：乙二醇体积比为5：3；金刚石热沉片厚度为0.3～0.5mm；粘合剂为苯并环丁烯，键合时间30～45min，键合和固化温度低于150℃。
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