CN111933758A - 衬底加工方法、外延用衬底及半导体发光元件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种衬底加工方法、外延用衬底及半导体发光元件及其制造方法，本发明的方法中，自晶棒切割得到衬底之后，在衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，例如在蓝宝石衬底的衬底背面沉积金刚石薄膜，该金刚石薄膜形成蓝宝石衬底的衬底增强膜。由于金刚石的硬度大于蓝宝石衬底的硬度，因此能够通过该金刚石薄膜增强蓝宝石衬底的强度，在满足强度需求的前提下，就可以适当减小衬底的厚度，同时降低衬底加工的成本。另外，金刚石薄膜的导热性优于衬底的导热性，因此在衬底背面沉积金刚石薄膜增加了衬底的导热性，使得衬底在用于外延层生长的过程中，提供温度的均匀性，减少热应力的产生，大幅度提高外延层的质量。由此能够提高后期器件的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元件制造技术领域，特别涉及一种衬底加工方法、外延用衬底及半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
在半导体发光元件的制造过程中，通常需要借助生长衬底进行外延层的生长，例如，蓝宝石衬底以其良好的化学稳定性、不吸收可见光、价格适中等优点，而被广泛用作外延衬底，尤其作为GaN外延层的生长衬底。在进行外延层生长之前，通常需要对衬底进行加工处理，例如对衬底进行研磨、抛光等机械加工，以及进行退火处理等。这些加工过程，尤其机械加工过程，需要衬底具有一定的强度，对于本身强度较低的外延衬底来说，这就需要一定的衬底厚度来满足衬底强度的需求。衬底厚度的增加无疑增加了衬底加工以及相应器件制造的成本。
另外，对于蓝宝石衬底来说，其较差的导热性是外延生长以及后续器件应用中一大限制。在外延层生长过程中，较差的导热性使得蓝宝石衬底和外延层之间热应力失配，进而在外延层中产生大量缺陷，外延层的质量大大降低。
针对以上问题，有必要提供一种既能提高衬底强度减小衬底厚度又能提高衬底导热性的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种衬底加工方法、半导体发光元件及其制造方法。本发明中，通过在衬底背面沉积衬底增强膜，例如金刚石薄膜，提高衬底的强度，同时可以减小衬底的厚度。另外，金刚石良好的导热性，能够增加衬底的导热性能，使得外延过程中衬底的温度均匀性提高，由此得到提高外延层的质量。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明的一实施例提供了一种衬底加工方法：该方法包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的硬度大于形成所述衬底的材料的硬度；
对所述衬底正面进行抛光。
可选地，所述步骤(1)提供衬底还包括：
自蓝宝石晶棒切割出蓝宝石衬底；
对所述蓝宝石衬底进行研磨、退火及抛光。
可选地，所述步骤(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜还包括，在所述衬底背面沉积金刚石膜层，所述金刚石膜层作为所述衬底增强膜。
可选地，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
可选地，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度在150μm以上。
可选地，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm之间。
本发明的又一实施例提供了一种半导体发光元件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜；
(3)在所述衬底正面形成半导体外延层。
可选地，所述步骤(1)提供衬底还包括：
自晶棒切割出蓝宝石衬底；
对所述蓝宝石衬底进行研磨、退火及抛光。
可选地，所述步骤(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜还包括，在所述衬底背面沉积金刚石膜层，所述金刚石膜层作为所述衬底增强膜。
可选地，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
可选地，对所述衬底正面进行抛光之后，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度在150μm以上。
可选地，对所述衬底正面进行抛光之后，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm。
可选地，所述步骤(3)在所述衬底正面形成半导体外延层还包括以下步骤：
在所述衬底的正面上方形成第一半导体层；
在所述第一半导体层上方形成多重量子阱；
在所述多重量子阱上方形成与所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层。
可选地，所述半导体半发光元件的制造方法还包括：对所述衬底进行切割分离以获得单元化的半导体发光元件，其中单元化的半导体发光元件的衬底的背面上还包括衬底增强膜。
本发明的又一实施例提供了一种外延用衬底，所述外延用衬底具有衬底正面及衬底背面，所述衬底背面具有衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度。
可选地，所述衬底增强膜为金刚石膜层。
可选地，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
可选地，所述衬底的厚度介于150μm～300μm。
本发明的再一实施例提供了一种半导体发光元件，该半导体发光元件包括衬底，所述衬底包括衬底正面以及衬底背面，所述衬底背面形成有衬底增强膜；以及
形成在所述衬底正面上的半导体外延层。
可选地，所述衬底和所述衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm。
可选地，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
可选地，所述半导体外延层包括：
形成在在所述正面上方的第一半导体层；
形成在所述第一半导体层上方的多重量子阱；以及
形成在所述多重量子阱上方的所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层。
可选地，所述衬底为蓝宝石，所述的半导体外延层为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
可选地，所述衬底为蓝宝石，所述的半导体外延层提供UVC发光的外延半导体层。
可选地，所述衬底为蓝宝石，所述衬底增强膜远离衬底的一侧为出光面。
如上所述，本发明提供的衬底加工方法、外延用衬底及半导体发光元件及制造方法，至少具备如下有益技术效果：
本发明的方法中，自晶棒切割得到衬底之后，在衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，例如在蓝宝石衬底的衬底背面沉积金刚石薄膜，该金刚石薄膜形成蓝宝石衬底的衬底增强膜。由于金刚石的硬度大于蓝宝石衬底的硬度，因此能够通过该金刚石薄膜增强蓝宝石衬底的强度，因此，在满足强度需求的前提下，就可以适当减小生长半导体外延层前的衬底的厚度，同时降低衬底加工的成本。以4寸蓝宝石衬底为例，金刚石薄膜的厚度大约为0.1μm，而蓝宝石衬底的厚度可以从400μm左右减小至300μm左右。
另外，金刚石薄膜的导热性优于衬底的导热性，因此在衬底背面沉积金刚石薄膜增加了衬底的导热性，使得衬底在用于外延层生长的过程中，提供温度的均匀性，减少热应力的产生，大幅度提高外延层的质量。由此能够提高后期器件的良率。并且因为衬底增强膜的设计，在半导体发光元件的制造工艺过程中衬底可以无需经过研磨减薄，并且增强层可以保留，用于增加散热性，并且不影响透光性。尤其适用于UVC发光芯片，较厚的衬底厚度有利于缓冲因热膨胀系数差而导致的弯曲，降低产生损伤的可能性。
本发明的外延用衬底、半导体发光元件及其制造方法可采用上述方法对衬底进行处理，因此同样具有上述有益效果。
附图说明
图1显示为本发明一实施例提供的衬底加工方法的流程示意图。
图2显示为以可选实施例中自晶棒切割得到的蓝宝石衬底的结构示意图。
图3显示为在衬底背面镀膜之后的结构示意图。
图4显示为本发明另一实施例提供的半导体发光元件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
衬底的制备是半导体发光元件制造过程中非常重要的一个环节，衬底的良率直接影响着器件的性能。衬底通常为很薄的片材，衬底加工包括一些列的机械加工过程，这就要求衬底必须具有一定的强度以避免在机械加工过程中出现破片损毁现象。目前，为了满足衬底的强度要求，基本通过增加衬底厚度的方式来实现，然而衬底厚度的增加就意味着衬底加工成本的增加。目前还没有能够保证衬底的强度同时减小衬底厚度的方法。
针对上述问题，本实施例旨在提供一种能够提高衬底强度同时减小衬底厚度的衬底加工方法。
如图1所示，在一实施例中，本发明的衬底加工方法包括如下步骤：
S01：提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
本实施例中，上述衬底可以是任意适用于外延层生长的衬底，例如，可以是玻璃、化合物半导体和绝缘体、金属以及合金、氧化物、氮化物、三五族化合物、二六族化合物、第四主族单质及化合物、卤化物、钙钛矿型材料、硅酸盐、碳酸盐、铝酸盐等。
在本实施例中，以通常用于GaN基LED外延层生长的蓝宝石衬底为例。蓝宝石衬底化学稳定性好、不吸收可见光并且价格适中、制造技术相对成熟，因此普遍用于GaN外延层生长。然而，蓝宝石衬底的导热性差导致两面温差大，外延层与衬底之间热膨胀系数差产生的应力导致衬底的弯曲是制约外延层质量的一个重要因素。要保证蓝宝石衬底加工过程中的强度就要增加其厚度，而厚度的增加就会导致蓝宝石衬底更差的传热性。此外，随着外延的发光波长越短这种热膨胀系数差产生的应力越严重，例如深紫外UVC，280nm以下的尺寸。
本实施例中，自晶棒切割得到蓝宝石衬底100，该蓝宝石衬底100的厚度大约在50μm～20mm，其直径可以是4英寸～18英寸。在可选实施例中，蓝宝石衬底的厚度控制在250μm～400μm，可以通过调整切割机台的切割线槽距，实现对切割得到的蓝宝石衬底的厚度控制。如图2所示，该蓝宝石衬底100具有衬底正面101以及衬底背面102，衬底正面用于外延层的生长。衬底背面用于镀膜以增加蓝宝石衬底的强度。
可以理解的是，切割得到蓝宝石衬底100之后，对该蓝宝石衬底进行研磨、退火以及抛光等工序，以去除切片过程中造成的衬底切割损伤层同时改善衬底的平坦度以及内部应力等。在本实施例的可选实施例中，例如，对衬底进行铜抛和抛光。由此得到的衬底的厚度在150μm以上，较佳的是150～300μm。
衬底背面形成衬底增强膜之后，衬底和衬底增强膜的总厚度在150μm以上，较佳的是150～300μm，例如大约为300μm。以上述蓝宝石衬底为例，不同尺寸的蓝宝石衬底，最终厚度可以不同。S02：在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度。
通过在衬底背面涂镀超硬材料能够提高衬底强度，该超硬材料选择硬度大于衬底材料的硬度的材料。仍然以蓝宝石衬底100为例，如图3所示，在蓝宝石衬底100的衬底背面102进行镀膜，形成衬底增强膜103。在一可选实施例中，该衬底增强膜103为金刚石薄膜。金刚石的硬度大于蓝宝石的硬度，并且导热性能也优于蓝宝石的导热性能，同时金刚石薄膜还具备高透光性。
参照图3，在一可选实施例中，设定衬底厚度为h1，衬底的弹性模量为G1，衬底的热导率为k1；衬底增强膜的厚度为h2，衬底的弹性模量为G2，衬底的热导率为k2；衬底背面与衬底增强膜的界面的弹性模量为G0；衬底及衬底增强膜的总的弹性模量为G，总的热导率为k。对于形成有衬底增强膜103的蓝宝石衬底100来说，其总的弹性模量为G，总的热导率分为衬底面内的热导率kn以及衬底和衬底增强膜之间的热导率ki。总的弹性模量为G、衬底面内的热导率kn以及衬底和衬底增强膜之间的热导率ki可由如下公式表示：
蓝宝石的弹性模量一般为380GPa，而金刚石的弹性模量高达1220GPa；蓝宝石衬底的莫氏硬度为9，蓝宝石的莫氏硬度为10。其中弹性模量与莫氏硬度成正比关系，如蓝宝石衬底100的衬底背面102镀有衬底增强膜103之后，蓝宝石衬底100与衬底增强膜103各自具有单独的弹性模量。据此，由上述公式(1)可以看出，镀有衬底增强膜的衬底的总的弹性模量增大，进而使得衬底的强度增大，莫氏硬度也会增大，使得衬底能够抵抗更大的外部应力，由此能够减小衬底在加工过程中的形变，提高衬底内部的均匀性，使得相同衬底和不同衬底之间的收敛性提高。
金刚石良好的导热性，天然金刚石的热导率为22W/(cm·k)，金刚石膜的导热率一般为21W/(cm·k)，蓝宝石的热导率仅为0.3W/(cm·k)。因此由上述公式(2)和公式(3)可以看出，镀金刚石膜之后，衬底内的热导率及衬底和衬底增强膜之间的热导率均显著增加，这就增加了衬底的导热性能，使得外延过程中衬底的温度均匀性提高，由此得到提高外延层的质量。
另外，金刚石膜层的热膨胀系数与衬底正面形成的外延层的热膨胀系数接近，二者能够平衡衬底及外延层之间的热膨胀系数的差异。
在本实施例的可选实施例中，采用MPCVD(Microwave Plasma Chemical VaporDeposition，微波等离子体气相化学沉积)在蓝宝石衬底100的衬底背面102进行金刚石镀膜。形成的金刚石薄膜层厚度介于0.1μm～2μm。形成在衬底背面的衬底增强膜的厚度与衬底的尺寸，如衬底的直径成正比。以上述蓝宝石衬底为例，对于4英寸蓝宝石衬底，其衬底背面的衬底增强膜的厚度大约为0.5μm；6英寸的蓝宝石衬底，衬底增强膜的厚度按比例增加，即，为0.75μm；8英寸的蓝宝石衬底，其衬底增强膜的厚度相应地为1μm。其余尺寸的衬底，其衬底增强膜的厚度也相应地按比例设置。
由于存在上述衬底增强膜，相同厚度下，即使衬底尺寸增大，也不会增加衬底的翘曲度，同时还能保证衬底的强度。
本发明的另一实施例提供了一种外延用衬底，该外延用衬底具有衬底正面及衬底背面，在其衬底背面具有衬底增强膜。同样参照图2，该外延用衬底可以是普遍用于GaN外延层生长的蓝宝石衬底100，衬底增强膜可以是经MPCVD沉积得到的金刚石膜层。在可选实施例中，衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。对于4英寸蓝宝石衬底，其衬底背面的衬底增强膜的厚度大约为0.5μm；6英寸的蓝宝石衬底，衬底增强膜的厚度按比例增加，即，为0.75μm；8英寸的蓝宝石衬底，其衬底增强膜的厚度相应地为1μm。其余尺寸的衬底，其衬底增强膜的厚度也相应地按比例设置。衬底和衬底增强膜的总厚度为150μm以上，较佳的介于250μm～300μm，例如对于UVC来说，衬底和衬底增强膜的总厚度大约为200～300μm。
本发明的另一实施例提供了一种半导体发光元件的制备方法，该方法包括以下步骤：
S001：提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
本实施例中，上述衬底可以是任意适用于外延层生长的衬底，例如，可以是玻璃、化合物半导体和绝缘体、金属以及合金、氧化物、氮化物、三五族化合物、二六族化合物、第四主族单质及化合物、卤化物、钙钛矿型材料、硅酸盐、碳酸盐、铝酸盐等。
在本实施例中，以通常用于GaN基LED外延层生长的蓝宝石衬底为例。蓝宝石衬底化学稳定性好、不吸收可见光并且价格适中、制造技术相对成熟，因此普遍用于GaN外延层生长。然而，蓝宝石衬底的导热性差是制约其应用的一个重要因素。要保证蓝宝石衬底加工过程中的强度就要增加其厚度，而厚度的增加就会导致蓝宝石衬底更差的传热性。
本实施例中，自晶棒切割得到蓝宝石衬底100，该蓝宝石衬底100的厚度大约在50μm～20mm，其直径可以是4英寸～18英寸。在可选实施例中，蓝宝石衬底的厚度控制在250μm～400μm.可以通过调整切割机台的切割线槽距，实现对切割得到的蓝宝石衬底的厚度控制。如图2所示，该蓝宝石衬底100具有衬底正面101以及衬底背面102，衬底正面用于外延层的生长。衬底背面用于镀膜以增加蓝宝石衬底的强度。
可以理解的是，切割得到蓝宝石衬底100之后，对该蓝宝石衬底进行研磨、退火(例如铜抛等方式)以及抛光等工序，以去除切片过程中造成的衬底切割损伤层同时改善衬底的平坦度以及内部应力等。在本实施例的可选实施例中，抛光之后衬底的厚度为减少大约100μm左右。可选的，退火之后、抛光之前，也可以包括铜抛步骤，目的是快速降低单面损伤。由此得到的衬底的厚度在150μm以上，较佳的是150～300μm。
衬底背面形成衬底增强膜之后，衬底和衬底增强膜的总厚度在150μm以上，较佳的，介于150μm～300μm。以上述蓝宝石衬底为例，不同尺寸的蓝宝是衬底，最终厚度均大约为300μm。由于存在上述衬底增强膜，相同厚度下，即使衬底尺寸增大，也不会增加衬底的翘曲度，同时还能保证衬底的强度。
S002：在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度。
通过在衬底背面涂镀超硬材料能够提高衬底强度，该超硬材料选择硬度大于衬底材料的硬度的材料。仍然以蓝宝石衬底100为例，如图3所示，在蓝宝石衬底100的衬底背面102进行镀膜，形成衬底增强膜103。在一可选实施例中，该衬底增强膜103为金刚石薄膜。金刚石的硬度大于蓝宝石的硬度，并且导热性能也优于蓝宝石的导热性能。
参照图3，在一可选实施例中，设定衬底厚度为h1，衬底的弹性模量为G1，衬底的热导率为k1；衬底增强膜的厚度为h2，衬底的弹性模量为G2，衬底的热导率为k2；衬底背面与衬底增强膜的界面的弹性模量为G0；衬底及衬底增强膜的总的弹性模量为G，总的热导率为k。对于形成有衬底增强膜103的蓝宝石衬底100来说，其总的弹性模量为G，总的热导率分为衬底面内的热导率kn以及衬底和衬底增强膜之间的热导率ki。总的弹性模量为G、衬底面内的热导率kn以及衬底和衬底增强膜之间的热导率ki可由如下公式表示：
蓝宝石的弹性模量一般为380GPa，而金刚石的弹性模量高达1220GPa；蓝宝石衬底的莫氏硬度为9，蓝宝石的莫氏硬度为10。其中弹性模量与莫氏硬度成正比关系，如蓝宝石衬底100的衬底背面102镀有衬底增强膜103之后，蓝宝石衬底100与衬底增强膜103各自具有单独的弹性模量。据此，由上述公式(1)可以看出，镀有衬底增强膜的衬底的总的弹性模量增大，进而使得衬底的强度增大，莫氏硬度也会增大，使得衬底能够抵抗更大的外部应力，由此能够减小衬底在加工过程中的形变，提高衬底内部的均匀性，使得相同衬底和不同衬底之间的外延的均匀性提高。
金刚石良好的导热性，天然金刚石的热导率为22W/(cm·k)，金刚石膜的导热率一般为21W/(cm·k)，蓝宝石的热导率仅为0.3W/(cm·k)。因此由上述公式(2)和公式(3)可以看出，镀金刚石膜之后，衬底内的热导率及衬底和衬底增强膜之间的热导率均显著增加，这就增加了衬底的导热性能，使得外延过程中衬底的温度均匀性提高，由此得到提高外延层的质量。
在本实施例的可选实施例中，采用MPCVD(Microwave Plasma Chemical VaporDeposition，微波等离子体气相化学沉积)在蓝宝石衬底100的衬底背面102进行金刚石镀膜。形成的金刚石薄膜层厚度介于0.1μm～2μm。形成在衬底背面的衬底增强膜的厚度与衬底的尺寸，如衬底的直径成正比。以上述蓝宝石衬底为例，对于4英寸蓝宝石衬底，其衬底背面的衬底增强膜的厚度大约为0.1μm；6英寸的蓝宝石衬底，衬底增强膜的厚度按比例增加，即，为0.75μm；8英寸的蓝宝石衬底，其衬底增强膜的厚度相应地为1μm。其余尺寸的衬底，其衬底增强膜的厚度也相应地按比例设置。S003：在所述衬底正面形成半导体外延层。
在本实施例的可选实施例中，以在上述蓝宝石衬底上形成GaN基半导体外延层为例，GaN基半导体外延层具备半导体外延层为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1，首先在衬底正面101上方形成第一半导体层，例如形成n型的GaN外延层，然后在该外延层上方形成多重量子阱，然后在该多重量子阱上方形成与上述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层，例如p型的GaN外延层。其中所述的半导体发光层可以提供UVC、UVB、UVA以及蓝光、绿光等的辐射波长范围。更佳的适用于UVC这种短波长的半导体发光层与蓝宝石衬底之间的应力差异大的发光元件的工艺。
如上所示，蓝宝石衬底的衬底背面的衬底增强膜为金刚石膜层，金刚石的导热性优于蓝宝石的导热性，进而增加了整个衬底的导热性，使得外延层生长过程中，衬底及外延层的温度均匀性提高，减少衬底与外延层的热应力失配，大大提高外延层的质量，由此提高后期器件的电学性能。
在可选实施例中，形成上述外延层之后，还包括在半导体外延层上制作电极的步骤。
例如，首先图形化第二半导体层和/或多重量子阱，然后形成分别与第一半导体层和第二半导体层电连接的第一电极和第二电极等。其中第一电极和第二电极包括金属或金属与透明氧化物导电层的组合。
在另一可选实施例中，在半导体外延层上形成电极之后，通过激光切割(如隐切)和劈裂工艺分离半导体外延层以及衬底和增强膜，形成合适尺寸的半导体发光元件。
在其他可选实施例中，制作电极后，还可以包括研磨、抛光以减薄衬底背面的步骤，从衬底的背面去除金刚石层并且去除衬底的一部分厚度。
然而，应该理解的是，对于外延层提供例如UVC的发光辐射来说，相较于长波长UVB、UVA、蓝光、绿光，由于外延层与衬底之间的热膨胀系数差异更大，较厚的衬底厚度有利于缓冲因热膨胀系数差而导致的弯曲，降低产生损伤的可能性，另外，对于UVC来说，衬底的背面侧作为主要出光面，即，衬底增强膜远离衬底的一侧为出光面，较厚的衬底厚度可以形成一个透镜，有利于提升UVC出光光效，因此对于UVC来说，在衬底背面设置衬底增强膜的情况下，衬底的厚度可以保留至少150μm，较佳地，保留200μm～300μm，在制作电极后无需减薄衬底，增强膜可以保留在最终发光元件的衬底的背面侧，用于增加散热性，并且不影响透光性。
相应地，在本发明的又一实施例中，提供一种半导体发光元件，该半导体发光元件包括衬底，所述衬底包括衬底正面以及衬底背面，所述衬底背面形成有衬底增强膜；以及形成在该衬底上方的至少一层半导体层。该衬底可以是根据本发明的方法制造的各种适用于外延生长的衬底。上述至少一层半导体层可以包括第一半导体层、多重量子阱以及与第一半导体层导电类型相反的第二半导体层等。
本发明的上述半导体发光元件及其制备方法中，衬底背面均形成有衬底增强膜，例如金刚石薄膜，提高衬底的强度，同时可以减小生长半导体外延层前的衬底的厚度，改善衬底的导热性，改善半导体层的受热均匀性。另外，金刚石良好的导热性，也能够增加衬底的导热性能，使得外延过程中衬底的温度均匀性提高，由此得到提高外延层的质量。
如上所述，本发明提供的衬底加工方法、外延用衬底及半导体发光元件及其制造方法，至少具备如下有益技术效果：
本发明的方法中，自晶棒切割得到衬底之后，在衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，例如在蓝宝石衬底的衬底背面沉积金刚石薄膜，该金刚石薄膜形成蓝宝石衬底的衬底增强膜。由于金刚石膜的硬度大于蓝宝石衬底的硬度，因此能够通过该金刚石薄膜增强蓝宝石衬底的强度，因此，在满足强度需求的前提下，就可以适当减小生长半导体外延层前的衬底的厚度，同时降低衬底加工的成本。以4寸蓝宝石衬底为例，金刚石薄膜的厚度大约为0.1μm，而蓝宝石衬底的厚度可以从400μm左右减小至300μm左右。
另外，金刚石薄膜的导热性优于衬底的导热性，因此在衬底背面沉积金刚石薄膜增加了衬底的导热性，使得衬底在用于外延层生长的过程中，提供温度的均匀性，减少热应力的产生，大幅度提高外延层的质量。由此能够提高后期器件的良率。并且因为衬底增强膜的设计，在半导体发光元件的制造工艺过程中衬底可以无需经过研磨减薄，并且增强层可以保留，用于增加散热性，并且不影响透光性。尤其适用于UVC发光芯片，较厚的衬底厚度有利于缓冲因热膨胀系数差而导致的弯曲，降低产生损伤的可能性。
本发明的外延用衬底、发光元件及其制造方法可采用上述方法对衬底进行处理，因此同样具有上述有益效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (25)
1.一种衬底加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度。
2.根据权利要求1所述的衬底加工方法，其特征在于，所述步骤(1)提供衬底，还包括：自蓝宝石晶棒切割出蓝宝石衬底；
对所述蓝宝石衬底进行研磨、退火及抛光。
3.根据权利要求1所述的衬底加工方法，其特征在于，所述步骤(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜还包括，在所述衬底背面沉积金刚石膜层，所述金刚石膜层作为所述衬底增强膜。
4.根据权利要求1或3所述的衬底加工方法，其特征在于，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
5.根据权利要求1所述的衬底加工方法，其特征在于，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度在150μm以上。
6.根据权利要求1或5所述的衬底加工方法，其特征在于，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm之间。
7.一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供衬底，所述衬底具有衬底正面及衬底背面；
(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度；
(3)在所述衬底正面形成半导体外延层。
8.根据权利要求7所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)提供衬底还包括：
自晶棒切割出蓝宝石衬底；
对所述蓝宝石衬底进行研磨、退火及抛光。
9.根据权利要求7所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)在所述衬底背面镀膜，形成衬底增强膜还包括，在所述衬底背面沉积金刚石膜层，所述金刚石膜层作为所述衬底增强膜。
10.根据权利要求7或9所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
11.根据权利要求7所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述衬底及所述衬底增强膜的总厚度在150μm以上。
12.根据权利要求7或11所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述的衬底及所述的衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm。
13.根据权利要求7所述的半导体半发光元件的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)在所述衬底正面形成半导体外延层还包括以下步骤：
在所述衬底的正面上方形成第一半导体层；
在所述第一半导体层上方形成多重量子阱；
在所述多重量子阱上方形成与所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层。
14.根据权利要求7所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，还包括：对所述衬底进行切割分离以获得单元化的半导体发光元件，其中单元化的半导体发光元件的衬底的背面上还包括衬底增强膜。
15.一种外延用衬底，所述外延用衬底具有衬底正面及衬底背面，其特征在于，所述衬底背面具有衬底增强膜，形成所述衬底增强膜的材料的莫氏硬度大于形成所述衬底的材料的莫氏硬度。
16.根据权利要求15所述的外延用衬底，其特征在于，所述衬底增强膜为金刚石膜层。
17.根据权利要求15或16所述的外延用衬底，其特征在于，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
18.根据权利要求15所述的衬底加工方法，其特征在于，所述衬底的厚度介于150μm～300μm。
19.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括衬底正面以及衬底背面，所述衬底背面形成有衬底增强膜；以及
形成在所述衬底正面上的半导体外延层。
20.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底和所述衬底增强膜的总厚度介于150μm～300μm。
21.根据权利要求19或20所述的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底增强膜的厚度介于0.1μm～2μm。
22.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体外延层包括：
形成在在所述正面上方的第一半导体层；
形成在所述第一半导体层上方的多重量子阱；以及
形成在所述多重量子阱上方的所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层。
23.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石，所述的半导体外延层为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
24.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石，所述的半导体外延层提供UVC发光的外延半导体层。
25.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石，所述衬底增强膜远离衬底的一侧为出光面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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