CN111029445A - 一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，在凹形PSS衬底溅射一层ALN缓冲层，在ALN缓冲层上利用高低压环境来生长GaN填平层，以填平凹形PSS衬底；本发明在GaN填平层和Al₂O₃的蓝宝石衬底之间先生长一层ALN缓冲层，由ALN缓冲层起到承上启下的作用，以提高晶体的生长速率，从而使得在凹形PSS衬底快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平，在此基础上，由于在凹形PSS衬底里面生长，在出光时，光从凹形PSS衬底出去，经过不断的折射，容易形成二次出光，从而能有效的提高出光效率。

Description

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法

技术领域

本发明涉及半导体电子技术领域，特别涉及一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法。

背景技术

目前，大量的生产实践证明，蓝宝石衬底从平面衬底发展到图形衬底(PSS)，LED正向发光效率得到明显提高，对整个LED产业的发展起到了非常大的促进作用。在PSS上生长GaN材料，一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面，有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了LED芯片的出光几率，从而提高了光的提取效率。但是，倒装芯片是通过背面出光的。而目前的倒装芯片也是采用正常的凸形PSS衬底生长，突出的部分在平片上方，这种生长方式在正装芯片上面能起到增加出光效率的效果，但在倒装芯片上会降低出光效率，因此，PSS衬底没有发挥类似在正装芯片上的效果。因此，设计一种可以从倒装芯片背面出光类似正装芯片正面出光效果的方案，显得非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，使其生长的表面和晶体质量达到凸形PSS生长的同样水平。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，包括步骤：

S1、在凹形PSS衬底溅射一层ALN缓冲层；

S2、在所述ALN缓冲层上利用高低压环境来生长GaN填平层，以填平所述凹形PSS衬底。

本发明的有益效果在于：一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，由于PSS衬底采用的是为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的组成为Al₂O₃，因此，在GaN填平层和Al₂O₃的蓝宝石衬底之间先生长一层ALN缓冲层，由ALN缓冲层起到承上启下的作用，以提高晶体的长晶质量，从而使得在凹形PSS衬底快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平，在此基础上，由于在凹形PSS衬底里面生长，在出光时，光从凹形PSS衬底出去，经过不断的折射，容易形成二次出光，从而能有效的提高出光效率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种提升倒装芯片亮度的外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例涉及的在凹形PSS衬底生长ALN缓冲层和GaN填平层后的结构示意图；

图3为本发明实施例涉及的凹形PSS衬底的结构示意图；

图4为本发明另一实施例涉及的凹形PSS衬底的结构示意图；

图5为现有技术的凸形PSS衬底的结构示意图。

标号说明：

1、凹形PSS衬底；2、ALN缓冲层；3、GaN填平层；4、N型GaN层；5、InGaN/GaN量子阱层；6、电子阻挡层；7、P型GaN层；8、接触层。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图5，一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，包括步骤：

S1、在凹形PSS衬底溅射一层ALN缓冲层；

S2、在所述ALN缓冲层上利用高低压环境来生长GaN填平层，以填平所述凹形PSS衬底。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：由于PSS衬底采用的是为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的组成为Al₂O₃，因此，在GaN填平层和Al₂O₃的蓝宝石衬底之间先生长一层ALN缓冲层，由ALN缓冲层起到承上启下的作用，以提高晶体的长晶质量，从而使得在凹形PSS衬底快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平，在此基础上，由于在凹形PSS衬底里面生长，在出光时，光从凹形PSS衬底出去，经过不断的折射，容易形成二次出光，从而能有效的提高出光效率。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S1、在所述凹形PSS衬底上进行ALN溅射缓冲层工艺，以生成ALN缓冲层，所述ALN溅射缓冲层工艺的溅射压力为50-150torr，溅射温度为500-650°，功率设置为3-5KV，并通入包括N₂的混合气体。

从上述描述可知，通过N₂与铝基底进行反应，以生长出ALN缓冲层，将其温度、压力和功率控制在合适范围内，能保证ALN缓冲层的生长质量和生长速率。

进一步地，所述混合气体包括占比为3％-15％的Ar、1％-5％的O₂和80％-96％的N₂。

从上述描述可知，通入适量比例的Ar和O₂，对ALN缓冲层的生长起到了催化作用，从而有效的提高ALN缓冲层的长晶质量。

进一步地，所述步骤S2具体为：

S21、在所述ALN缓冲层上先进行低压横向生长工艺，所述低压横向生长工艺的生长压力为100-200torr，生长温度为1010-1050°；

S22、然后进行高压纵向生长工艺，所述高压纵向生长工艺的生长压力为400-600torr，生长温度为960-1010°；

S23、最后进行高温横向生长工艺，以得到GaN填平层，所述高温横向生长工艺的生长压力为100-200torr，生长温度为1080-1120°。

从上述描述可知，先进行低压横向生长工艺，以快速填平凹形区域；之后进行高压纵向生长工艺，以提升晶体质量，最后进行高温横向生长工艺，以得到GaN填平层，以快速生长长平，保证表面的平整度，从而使得在凹形PSS衬底快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平。

进一步地，在所述步骤S2中还包括步骤：

在生长所述GaN填平层的过程中通入包括N₂、H₂和NH₃的混合气体。

从上述描述可知，通过通入混合气体来影响晶体的生长方式。

进一步地，所述步骤S22的高压纵向生长工艺还包括通入占比为10％-15％的N₂、60％-70％的H₂和15％-30％的NH₃；

所述步骤S23的高温横向生长工艺还包括通入占比为5％-10％的N₂、50％-70％的H₂和20％-45％的NH₃。

从上述描述可知，不同的气体占比，不仅能够影响晶体的生长方式，同时还能影响其生长速率，使得高压纵向生长工艺进行纵向生长，生长速率较慢但晶体质量较高，使得高温横向生长工艺进行横向生长，能快速的填平表面，从而提高生长速率、保证晶体质量和表面的平整性。

进一步地，所述步骤S1中的ALN缓冲层的厚度相同。

从上述描述可知，ALN缓冲层处于同一条件下进行生长，容易形成一层厚度相同的ALN缓冲层，同时也有利于后续GaN填平层的生长。

进一步地，所述步骤S1中的ALN缓冲层的厚度为30～200nm。

从上述描述可知，通常情况下，凹形的宽度为1um～3um之间，通过控制ALN缓冲层的厚度以有效的平衡GaN填平层的生长速度和晶体质量。

进一步地，所述凹形PSS衬底的形状为倒三角形、倒圆锥形或倒梯形。

从上述描述可知，不同的凹形形状以适配不同的出光需求。

进一步地，其特征在于，还包括步骤：

S3、在平整的所述GaN填平层继续生长N型GaN层；

S4、在所述N型GaN层继续生长量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；

S5、最后在所述P型GaN层上生长接触层，以得到倒装芯片的外延片。

从上述描述可知，即在平整的GaN填平层按照凸形PSS衬底的生长工艺进行生长即可。

请参照图1至图5，本发明的实施例一为：

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，包括步骤：

S1、在凹形PSS衬底1溅射一层ALN缓冲层2；

S2、在ALN缓冲层2上利用高低压环境来生长GaN填平层3，以填平凹形PSS衬底1，利用ALN缓冲层2来使得GaN填平层3能够快速生长。

S3、在平整的GaN填平层3继续生长N型GaN层4；

S4、在N型GaN层4继续生长InGaN/GaN量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7；

S5、最后在P型GaN层7上生长接触层8，以得到倒装芯片的外延片。

在本实施例中，ALN缓冲层2起到承上启下的作用，从而使得在凹形PSS衬底1快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平。

如图3至图5可知，使用该外延片的倒装芯片由于使用了凹形PSS衬底1，背面出光时的效果就类似于凸形PSS衬底在正装芯片的效果，相较于现有的倒装芯片采用正常的凸形PSS衬底生长来说，其出光效率更高，因此该外延片的价值的也更高，较正常的正装外延片价格提升20％左右。

请参照图1至图5，本发明的实施例二为：

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，在上述实施例一的基础上，步骤S1具体为：

S1、在凹形PSS衬底1上进行ALN溅射缓冲层工艺，以生成一层30nm厚的ALN缓冲层2，ALN溅射缓冲层工艺的溅射压力为50torr，溅射温度为500°，功率设置为3KV，并通入包括占比为15％的Ar、5％的O₂和80％的N₂的混合气体，其中，N₂参与ALN缓冲层2的生成，Ar和O₂起到催化作用，以加快ALN缓冲层2的生成，在此条件下的ALN缓冲层2的生成速率可以达到20um/h。

在本实施例中，步骤S2具体为：

S21、在ALN缓冲层2上先进行低压横向生长工艺，以快速填平凹形区域，低压横向生长工艺的生长压力为100torr，生长温度为1010°，在该过程中，在低压低温的情况下，引导晶体横向快速生长，其长速为3um/h；

S22、然后进行高压纵向生长工艺，高压纵向生长工艺的生长压力为400torr，生长温度为960°，并通入占比为10％的N₂、60％的H₂和15％的NH₃的混合气体，在该过程中，高压虽然使得长速较慢，但有利于提高晶体质量，通入混合气体，使得晶体纵向生长的长速也能达到2um/h；

S23、最后进行高温横向生长工艺以快速生长长平，从而得到GaN填平层3，高温横向生长工艺的生长压力为100torr，生长温度为1080°，并通入占比为5％的N₂、50％的H₂和45％的NH₃的混合气体，在该过程中，提高了晶体生长温度，并通入了混合气体，使得晶体能够在横向上快速长平，其长速可以达到6um/h。

如图2所示，本实施例中的ALN缓冲层2的厚度相同。

如图3和图4所示，凹形PSS衬底1的形状为倒三角形、倒圆锥形或倒梯形，只要是常见的凹形结构即可。

由此可知，本实施例中的步骤S2中填平凹形区域是在步骤S21的工艺条件下生成的晶体，该晶体质量相较于在步骤S22的工艺条件下生成的晶体质量要差，从而形成一个从ALN缓冲层2、质量较差的晶体质量到质量较好的晶体质量的这样一个过渡过程，起到减小晶格失配的效果，同时，步骤S21的工艺条件下生成的晶体也起到了类似粘合剂的作用，使得上下层之间有更好的结合力，更有利于下一步的晶体生长。

请参照图1至图5，本发明的实施例三为：

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，在上述实施例二的基础上，步骤S1具体替换为：

S1、在凹形PSS衬底1上进行ALN溅射缓冲层工艺，以生成一层100nm厚的ALN缓冲层2，ALN溅射缓冲层工艺的溅射压力为120torr，溅射温度为580°，功率设置为45KV，并通入包括占比为8％的Ar、4％的O₂和88％的N₂的混合气体，其中，N₂参与ALN缓冲层2的生成，Ar和O₂起到催化作用，以加快ALN缓冲层2的生成，在此条件下的ALN缓冲层2的生成速率可以达到26um/h。

在本实施例中，步骤S2具体替换为：

S21、在ALN缓冲层2上先进行低压横向生长工艺，以快速填平凹形区域，低压横向生长工艺的生长压力为160torr，生长温度为1040°，在该过程中，在低压低温的情况下，引导晶体横向快速生长，其长速为4um/h；

S22、然后进行高压纵向生长工艺，高压纵向生长工艺的生长压力为560torr，生长温度为970°，并通入占比为12％的N₂、64％的H₂和24％的NH₃的混合气体，在该过程中，高压虽然使得长速较慢，但有利于提高晶体质量，通入混合气体，使得晶体纵向生长的长速也能达到2.6um/h；

S23、最后进行高温横向生长工艺以快速生长长平，从而得到GaN填平层3，高温横向生长工艺的生长压力为160torr，生长温度为1100°，并通入占比为8％的N₂、60％的H₂和32％的NH₃的混合气体，在该过程中，提高了晶体生长温度，并通入了混合气体，使得晶体能够在横向上快速长平，其长速可以达到6um/h。

请参照图1至图5，本发明的实施例四为：

一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，在上述实施例二的基础上，步骤S1具体替换为：

S1、在凹形PSS衬底1上进行ALN溅射缓冲层工艺，以生成一层200nm厚的ALN缓冲层2，ALN溅射缓冲层工艺的溅射压力为150torr，溅射温度为650°，功率设置为5KV，并通入包括占比为3％的Ar、1％的O₂和96％的N₂的混合气体，其中，N₂参与ALN缓冲层2的生成，Ar和O₂起到催化作用，以加快ALN缓冲层2的生成，在此条件下的ALN缓冲层2的生成速率可以达到30um/h。

在本实施例中，步骤S2具体替换为：

S21、在ALN缓冲层2上先进行低压横向生长工艺，以快速填平凹形区域，低压横向生长工艺的生长压力为200torr，生长温度为1050°，在该过程中，在低压低温的情况下，引导晶体横向快速生长，其长速为5um/h；

S22、然后进行高压纵向生长工艺，高压纵向生长工艺的生长压力为600torr，生长温度为1010°，并通入占比为15％的N₂、70％的H₂和15％的NH₃的混合气体，在该过程中，高压虽然使得长速较慢，但有利于提高晶体质量，通入混合气体，使得晶体纵向生长的长速也能达到3um/h；

S23、最后进行高温横向生长工艺以快速生长长平，从而得到GaN填平层3，高温横向生长工艺的生长压力为200torr，生长温度为1120°，并通入占比为10％的N₂、70％的H₂和20％的NH₃的混合气体，在该过程中，提高了晶体生长温度，并通入了混合气体，使得晶体能够在横向上快速长平，其长速可以达到8um/h。

由上述实施例二至实施例四可知，在不同的使用环境和不同的需求下，可以对温度、压力、气体比例等工艺参数按照范围内的数值进行合理的选取，以得到的其他实施例，应当视为上述实施例二至实施例四的等同实施例。

综上所述，本发明提供的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，由于PSS衬底采用的是为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的组成为Al₂O₃，因此，在GaN填平层和Al₂O₃的蓝宝石衬底之间先生长一层ALN缓冲层，由ALN缓冲层起到承上启下的作用，以提高晶体的长晶质量；通过对ALN缓冲层的生长温度、压力、功率控制、气体占比以及厚度的控制，从而有效的保证ALN缓冲层的生长质量和生长速率；在GaN填平层的生长过程中，由不同的气体占比、不同的生长温度和不同的生长压力影响着不同的生长方式和生长质量，具体的，先进行低压横向生长工艺来快速填平凹形区域，之后进行高压纵向生长工艺来提升晶体质量以及最后进行高温横向生长工艺来快速生长长平，从而使得在凹形PSS衬底快速生长出的晶体表面和晶体质量都能达到在凸形PSS衬底生长的同样水平；在此基础上，倒装芯片由于使用了凹形PSS衬底，背面出光时的效果就类似于凸形PSS衬底在正装芯片的效果，相较于现有的倒装芯片采用正常的凸形PSS衬底生长来说，其出光效率更高，因此该外延片的价值的也更高，较正常的正装外延片价格提升20％左右。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在凹形PSS衬底溅射一层ALN缓冲层；

S2、在所述ALN缓冲层上利用高低压环境来生长GaN填平层，以填平所述凹形PSS衬底。

2.根据权利要求1所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S1、在所述凹形PSS衬底上进行ALN溅射缓冲层工艺，以生成ALN缓冲层，所述ALN溅射缓冲层工艺的溅射压力为50-150torr，溅射温度为500-650°，功率设置为3-5KV，并通入包括N₂的混合气体。

3.根据权利要求2所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述混合气体包括占比为3％-15％的Ar、1％-5％的O₂和80％-96％的N₂。

4.根据权利要求1所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S21、在所述ALN缓冲层上先进行低压横向生长工艺，所述低压横向生长工艺的生长压力为100-200torr，生长温度为1010-1050°；

S22、然后进行高压纵向生长工艺，所述高压纵向生长工艺的生长压力为400-600torr，生长温度为960-1010°；

S23、最后进行高温横向生长工艺，以得到GaN填平层，所述高温横向生长工艺的生长压力为100-200torr，生长温度为1080-1120°。

5.根据权利要求4所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中还包括步骤：

在生长所述GaN填平层的过程中通入包括N₂、H₂和NH₃的混合气体。

6.根据权利要求5所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述步骤S22的高压纵向生长工艺还包括通入占比为10％-15％的N₂、60％-70％的H₂和15％-30％的NH₃；

所述步骤S23的高温横向生长工艺还包括通入占比为5％-10％的N₂、50％-70％的H₂和20％-45％的NH₃。

7.根据权利要求1所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的ALN缓冲层的厚度相同。

8.根据权利要求7所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的ALN缓冲层的厚度为30～200nm。

9.根据权利要求1所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，所述凹形PSS衬底的形状为倒三角形、倒圆锥形或倒梯形。

10.根据权利要求1至9任一所述的一种提升倒装芯片亮度的外延片制备方法，其特征在于，还包括步骤：

S3、在平整的所述GaN填平层继续生长N型GaN层；

S4、在所述N型GaN层继续生长量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；

S5、最后在所述P型GaN层上生长接触层，以得到倒装芯片的外延片。

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