一種退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法
2023-06-11 01:02:31 2
專利名稱：一種退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種圖形襯底退火剝離的SiC倒裝LED的剝離方法，屬於光電子技術 領域。
背景技術：
大功率LED由於晶片的功率密度很高，器件的設計者和製造者必須在結構和材料 等方面對器件的熱系統進行優化設計。目前GaN基外延襯底材料有兩大類一類是以日本 日亞化學為代表的藍寶石；一類是美國CREE公司為代表的SiC襯底。傳統的藍寶石襯底 GaN晶片結構，電極剛好位於晶片的出光面。在這種結構中，小部分P-GaN層和"發光"層 被刻蝕，以便與下面的n-GaN層形成電接觸。光從最上面的p_GaN層取出。p_GaN層有限 的電導率要求在P-GaN層表面再沉澱一層電流擴散的金屬層。這個電流擴散層由Ni和Au 組成，會吸收部分光，從而降低晶片的出光效率。為了減少發射光的吸收，電流擴展層的厚 度應減少到幾百納米。厚度的減少反過來又限制了電流擴散層在P-GaN層表面均勻和可靠 地擴散大電流的能力。因此這種P型接觸結構制約了 LED晶片的工作功率。同時這種結構 pn結的熱量通過藍寶石襯底導出去，導熱路徑較長，由於藍寶石的熱導係數較金屬低(為 35ff/mK)，因此，這種結構的LED晶片熱阻會較大。此外，這種結構的ρ電極和引線也會擋住 部分光線，所以，這種正裝LED晶片的器件功率、出光效率和熱性能均不是最優的。1998年Lumileds公司封裝出世界上第一個大功率LED(1W LUXOEN器件)，使LED 器件從以前的指示燈應用變成可以替代傳統照明的新型固體光源，引發了人類歷史上繼白 熾燈發明以來的又一場照明革命。IW LUXOEN器件使LED的功率從幾十毫瓦一躍超過1000 毫瓦，單個器件的光通量也從不到1個Im飛躍達到十幾個lm。為了克服正裝晶片的這些不足，Lumileds公司發明了倒裝晶片(Flipchip)結構。 在這種結構中，光從藍寶石襯底取出，不必從電流擴散層取出。由於不從電流擴散層出光， 這樣不透光的電流擴散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。同時這種結構還可以將pn 結的熱量直接通過金屬凸點導給熱導係數高的矽襯底(為145W/mK)，散熱效果更優；而且 在pn結與ρ電極之間增加了一個反光層，又消除了電極和引線的擋光，因此這種結構具有 電、光、熱等方面較優的特性。以GaN為代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由於具有優良的光電特性， 因而在藍光、綠光、紫外發光二極體(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應用。 由於缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質外延在其他材料上，常用的襯底有藍寶石、 SiC(碳化矽)、Si (矽)、砷化鎵、氧化鋅等，常用的外延方法有金屬有機物化學氣相沉積 (MOCVD)、分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)等。SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次於藍寶石，目前還沒有第三種襯底用於 GaN基LED的商業化生產。SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見 光等，由於SiC襯底優異的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaN LED器件的散 熱問題，故在半導體照明技術領域佔重要地位。但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質量難以達到藍寶石和Si那麼好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的 紫外光，不適合用來研發380納米以下的紫外LED。並且SiC襯底LED的正面出光效率非常 低。而SiC(碳化矽)是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優勢。由 於具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達600°C，而Si器件的最高工作溫度局限在 175°C。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高 的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂移速率、高熱穩定性和化學惰性，其擊穿電場強度比 同類Si器件要高。在基於SiC或Si為襯底生產LED的過程中，由於SiC本身與GaN之間的晶格適配 相對較大，化學性質相差太大，導致他們之間不浸潤，沒法直接生長，目前比較流行的就是 在SiC和GaN之間插入一層晶格常數在他們之間的AlN作為緩衝層，再在上面生長GaN，會 有效的減小晶格適配帶來的應力，以防外延片生長過程中出現裂紋。基於SiC或Si襯底 的LED結構自下至上包括SiC或Si襯底、AlN緩衝層、N型GaN層、MQW (多量子阱)和P型 GaN層。目前以SiC襯底生長GaN基的LED，都遇到了各種各樣的問題，如可靠性不高、功 率偏低等。但是還有一個最致命的問題是，SiC襯底生長的LED，正面出光效率不到50%， SiC襯底本身就吸收光。所以以SiC作為襯底的LED光功率一直很低，但是通過倒裝以後， 由於表面鍍上了反光金屬，讓其全部從背面出光，這樣子幾乎讓出光率達到了 90 %，解決了 出光效率低的問題。中國專利文獻CN1700449公開了一種《一種溼法腐蝕藍寶石圖形襯底的方法》，採 用常規技術在藍寶石上蒸鍍二氧化矽掩膜層；利用光刻技術光刻條形二氧化矽掩膜圖形； 用硫酸、或硫酸與磷酸的混合液作為腐蝕液溼法腐蝕該襯底；最後再用稀的氫氟酸溶液腐 蝕二氧化矽掩膜層，即可得到藍寶石圖形襯底。該方法採用直接形成圖形的襯底生長外延 層，避免了採用二氧化矽層條紋襯底生長時對生長層的汙染；與幹法刻蝕相比溼法刻蝕有 利於保護襯底免受損傷和汙染，降低成本。但是只是利用了溼法腐蝕藍寶石襯底而得到藍 寶石圖形襯底，然後生長LED，這種方法現在已經非常普遍。中國專利文獻CN101442010公開了一種《圖形襯底上生長碳化矽厚膜的方法》， 該方法通過採用光刻技術在矽襯底上獲得圖形，掩模版圖形為平行長條狀或正方形臺面或 它們的組合圖形；然後在該圖形化的矽襯底上採用化學氣相沉積方法生長碳化矽厚膜。該 發明生長的碳化矽膜在垂直臺面方向縱向生長的同時在窗口區域進行橫向合併生長，可以 降低碳化矽外延層缺陷，提高外延碳化矽晶體質量。該方法著重介紹了採用光刻技術在矽 襯底上獲得圖形，只是很片面的介紹了圖形襯底製作，和藍寶石襯底的製作，而沒有採用倒 裝，更沒有介紹SIC作為襯底生長LED。到目前，GaAs襯底和Al2O3(藍寶石)襯底生長的LED使用倒裝結構已經屬於常 規操作，剝離原襯底有很成熟的技術，GaAs襯底倒裝後，原襯底只用最簡單的腐蝕就可以去 掉，A1203(藍寶石)襯底可以使用雷射剝離；但是SiC襯底卻沒有任何辦法剝離下來，導致 SiC襯底的LED沒法採用倒裝結構。
發明內容
本發明針對現有基於SiC或Si為襯底生產LED存在的可靠性不高、功率偏低、正
4面出光效率不到50%、SiC襯底的LED沒法採用倒裝結構等問題，提供一種能夠提高發光強 度的退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法。本發明的退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法，包括以下步驟(1)製作原始SiC圖形襯底在原始SiC襯底上蒸鍍一層厚度為1500A-3000A的SiO2作為掩膜，在SiO2掩膜上 塗上光刻膠，在光刻膠上覆上預先刻制的圖形掩膜版，將被圖形掩膜版保護以外的地方曝 光，利用光刻機刻出所需要的掩膜圖形；然後放入質量濃度0.5%-5%的氫氧化鈉溶液中 10秒-60秒顯影，經過光刻曝光的地方顯影時光刻膠會脫掉，露出掩膜圖形以外的縱橫交 錯分布的SiO2掩膜，用HF酸腐蝕掉露出的SiO2掩膜，使這些地方暴露出SiC襯底；然後用 丙酮腐蝕掉掩膜圖形上面的光刻膠，露出下面的SiO2掩膜，利用掩膜圖形下面露出的SiO2 掩膜，通過ICP (感應耦合等離子體刻蝕)工藝，在暴露出SiC襯底的地方刻出2um-4um深 的凹面，這樣就在原始SiC襯底表面刻蝕出縱橫交錯的溝道；刻蝕完畢後，放入HF酸1分 鍾_3分鐘腐蝕掉掩膜圖形下面露出的SiO2掩膜，這時候襯底上就露出一個個小方柱，這就 是製作的原始SiC圖形襯底；(2)生長外延片在做好的原始SiC圖形襯底上按常規方法生長常規結構的外延片，常規結構的外 延片自下至上包括襯底、AlN緩衝層、N型GaN層、MQW(多量子阱)層和P型GaN層；(3)製作倒裝外延片在生長的外延片上表面P型GaN層上鍍一層反光金屬Al或Au或Ag，利用襯底鍵 合機將Al、Au或Ag反光金屬層鍵合在一個新的SiC或者Si襯底上；(4)去掉原始襯底將鍵合後的外延片放入到高溫退火爐中，在5分鐘-30分鐘內使溫度升到 5000C _800°C，然後保溫5分鐘-15分鐘，取出後立即放入水溫15°C _30°C度的水浴槽中0. 5 分鐘_2分鐘，然後拿出立即放入另外一個水溫為0°C _15°C的水浴槽中2分鐘-5分鐘，此 時外延片上的原始襯底已經脫落。上述方法先在原始SiC襯底上蒸鍍一層SiO2作為掩膜，通過預先刻制的圖形掩 膜版利用光刻機刻出所需要的SiO2掩膜圖形，通過ICP幹法刻蝕，得到圖形襯底，在生 長外延片和鍵合新襯底後，放到高溫爐中加熱到500度，然後進行急速降溫，利用SiC襯 底和GaN的熱膨脹係數不同，SiC的熱膨脹係數為4. 3 (KT6IT1), GaN的熱膨脹係數為 5. 59 (IO-6K-1)；使得事先製造好的圖形(小四方柱)那裡由於極大的應力出現裂紋，再次放 入更低水溫中，使得小四方柱全部斷裂使原始襯底脫落，通過這樣的方法成功地將原始SiC 襯底剝離下來。由於外延片表面鍍上了反光的金屬(Al、Au、Ag)，進行倒裝後，原SiC襯底 吸收的50%的光，全部被反光的金屬(Al、Au、Ag)反回，提高了出光效率，亮度提高了一倍 以上。並且由於腐蝕原始襯底後，與其接觸過的表面是圖形襯底的空隙，起到了一個表面粗 化的效果，倒裝後，功率提高了 100-150%，效果非常顯著。由於鍵合時選用的是SiC或Si 襯底，這兩種襯底均是散熱性要強於藍寶石的襯底，所以通過本發明得到的LED可以製作 大功率器件和LED照明，解決了目前約束製作大功率器件和LED照明的重要瓶頸。本發明利用SiC襯底與GaN的熱膨脹係數不同，使用高溫退火將原襯底剝離的方 法，成功的實現了 SiC襯底的倒裝和剝離。並且通過倒裝以後，由於表面鍍上了反光金屬，讓其全部從背面出光，使出光率達到了 90%以上，解決了出光效率低的問題。
圖1是製作的原始SiC圖形襯底的正面示意圖。圖2是在原始SiC襯底上生長的外延片結構示意圖。圖3是在生長外延片後鍍Al、Au或Ag，並且與新的SiC或Si襯底鍵合後的示意 圖。圖4是倒裝後的外延片結構示意圖。
具體實施例方式本發明的倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法，利用圖形襯底和退火剝離，具體的 製作過程如下所述1通過幹法刻蝕製作原始SiC圖形襯底(1)在原始SiC襯底上蒸鍍一層厚度為1500A-3000A的SiO2作為掩膜，在SiO2掩 膜上塗上光刻膠，在光刻膠上通過預先刻制的圖形掩膜版，利用光刻機曝光刻出所需要的 掩膜圖形(即圖形掩膜版保護外的地方被曝光)。(2)然後放入0. 5% -5%的氫氧化鈉溶液中10秒-60秒左右顯影，經過光刻曝光 的地方顯影時光刻膠會顯掉，露出圖形保護外的SiO2，用HF酸腐蝕掉顯影后暴露在表面的 SiO2,這些地方就露出了縱橫交錯分布的SiC襯底表面。(3)用丙酮去掉掩膜圖形上面的光刻膠，露出下面的SiO2，利用這些SiO2作為掩 膜，通過ICP (感應耦合等離子體刻蝕)工藝，幹法刻蝕所用氣體為BCl3和Cl2,將沒有SiO2 保護的地方(即露出的縱橫交錯分布的SiC襯底表面的地方)刻出2um-4um深的凹面，刻 蝕完畢後，掩膜圖形上面還有作為ICP刻蝕掩膜的SiO2，然後放入HF酸1分鐘_3分鐘腐蝕 掉作為ICP刻蝕掩膜的SiO2,此時完成原始SiC圖形襯底的製作。(4)這樣就在SiC襯底表面刻蝕出了深度為2um-4um縱橫交錯的溝道，溝道之間形 成一個個非常小的方形突起，每個方形突起的面積為10*10um-30um*30um。完成的原始SiC 圖形襯底如圖1所示。2生長外延片在刻好的原始SiC圖形襯底上，利用MOCVD (金屬有機物化學氣相沉積)設備，按 常規方法生長如圖2所示的正常結構外延片，自下至上包括原始SiC襯底、AlN緩衝層、不 摻雜的GaN層、摻雜的GaN層、多量子阱層、P型AlGaN層和P型GaN層。具體生長過程如 下(1)首先在900°C -1100°c下在第1步驟下完成的原始SiC襯底上沉積一層厚度 為50nm-150nm的高溫AlN緩衝層；AlN緩衝層生長在原始SiC襯底的方形凹槽中，如圖3所示。(2)保持900°C -IlOO0C，在高溫AlN緩衝層上生長Ium厚的UGaN層；(3)繼續在900°C -1100°C下在UGaN層上生長3um厚的摻雜Si的N型GaN層，摻 Si量為5E17個原子/cm3-5E19個原子/cm3 ；(4) 6000C -900°C下在N型GaN層生長厚IOOnm的InGaN層與GaN層交替生長的MQff(多量子阱)，每層InGaN的厚度為2nm_5nm，每層GaN的厚度為12nm_15nm ；(5) 8000C -1000°C下在MQW上面生長一層10nm_40nm厚的電子阻擋層，即摻雜Mg 的P型AlGaN,摻Mg量為5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3 ；(6) 8000C -1000°C下在 P-AlGaN 上面生長厚 100nm-300nm 的摻雜 Mg 的 P-GaN 層， 摻Mg量5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3。在原始SiC襯底上生長的外延片的結構如圖2所示。3倒裝外延片的製作(1)取出生長結束後的外延片，在其上表面(P型GaN層)鍍上一層反光金屬Al或 Au 或 Ag ；(2)然後利用襯底鍵合機將Al、Au或Ag反光金屬層鍵合在一個導熱性佳的新SiC 或者Si襯底上；如圖3所示。4剝離-高溫退火去掉原襯底(1)鍵合結束後，將外延片放入到高溫退火爐中，讓其在5-30分鐘內溫度升到500 度-800度，然後保溫5分鐘-15分鐘。(2)取出後，將其立即放入到事先準備好的水溫為15-30度的水浴槽中0.5分 鍾_2分鐘。(3)然後拿出放入另外一個事先準備好的水溫為0度-15度的水浴槽中2分鐘_5 分鐘，此時拿出外延片時，原襯底已經脫落，這樣就將原襯底成功的剝離。本發明先利用幹法刻蝕，製作SiC圖形襯底，然後在生長外延片和鍵合新襯底後， 放到高溫爐中加熱到500度-800度，然後進行急速降溫，利用SiC襯底和GaN的熱膨脹系 數不同，SiC的熱膨脹係數為4. 3 (IO-6K-1)，GaN的熱膨脹係數為5. 59(10-6^)；使得事先 製造好的圖形(小方柱)那裡由於應力出現裂紋，再次放入更低水溫中，使得小四方柱全部 斷裂使原始襯底脫落，通過這樣的方法成功地將原始SiC襯底剝離下來。這種結構直接從 緩衝層中取出，由於不從電流擴散層出光，這樣不透光的電流擴散層可以加厚，增加倒裝芯 片的電流密度。同時這種結構還可以將pn結的熱量直接通過金屬凸點導給熱導係數高的 矽襯底(為145W/mK)，散熱效果更優；而且利用Al來作為反光層，效果顯著，消除了電極和 引線的擋光，在緩衝層中取出後，由於在生長前，這裡已經刻好圖形，倒裝後正好形成了表 面粗化的作用，由於鍵合時選用的是SiC或Si襯底，這兩種襯底均是散熱性要強於藍寶石 的襯底.因此這種結構具有電、光、熱等方面較優的特性。
權利要求
一種退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)製作原始SiC圖形襯底在原始SiC襯底上蒸鍍一層厚度為的SiO2作為掩膜，在SiO2掩膜上塗上光刻膠，在光刻膠上覆上預先刻制的圖形掩膜版，將被圖形掩膜版保護以外的地方曝光，利用光刻機刻出所需要的掩膜圖形；然後放入質量濃度0.5％ 5％的氫氧化鈉溶液中10秒 60秒顯影，經過光刻曝光的地方顯影時光刻膠會脫掉，露出掩膜圖形以外的縱橫交錯分布的SiO2掩膜，用HF酸腐蝕掉露出的SiO2掩膜，使這些地方暴露出SiC襯底；然後用丙酮腐蝕掉掩膜圖形上面的光刻膠，露出下面的SiO2掩膜，利用掩膜圖形下面露出的SiO2掩膜，通過感應耦合等離子體刻蝕工藝，在暴露出SiC襯底的地方刻出2um 4um深的凹面，這樣就在原始SiC襯底表面刻蝕出縱橫交錯的溝道；刻蝕完畢後，放入HF酸1分鐘 3分鐘腐蝕掉掩膜圖形下面露出的SiO2掩膜，這時候襯底上就露出一個個小方柱，這就是製作的原始SiC圖形襯底；(2)生長外延片在做好的原始SiC圖形襯底上按常規方法生長常規結構的外延片，常規結構的外延片自下至上包括襯底、AlN緩衝層、N型GaN層、多量子阱層和P型GaN層；(3)製作倒裝外延片在生長的外延片上表面P型GaN層上鍍一層反光金屬Al或Au或Ag，利用襯底鍵合機將Al、Au或Ag反光金屬層鍵合在一個新的SiC或者Si襯底上；(4)去掉原始襯底將鍵合後的外延片放入到高溫退火爐中，在5分鐘 30分鐘內使溫度升到500℃ 800℃，然後保溫5分鐘 15分鐘，取出後立即放入水溫15℃ 30℃度的水浴槽中0.5分鐘 2分鐘，然後拿出立即放入另外一個水溫為0℃ 15℃的水浴槽中2分鐘 5分鐘，此時外延片上的原始襯底已經脫落。FSA00000177604300011.tif
全文摘要
本發明提出了一種退火剝離倒裝SiC襯底GaN基LED的製作方法，包括以下步驟(1)在原始SiC襯底表面刻蝕出縱橫交錯的溝道，露出一個個小方柱，這就是製作的原始SiC圖形襯底；(2)在做好的原始SiC圖形襯底上按常規方法生長常規結構的外延片，包括襯底、AlN緩衝層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層；(3)在生長的外延片上表面P型GaN層上鍍一層反光金屬，將反光金屬層鍵合在一個新的SiC或者Si襯底上；(4)將鍵合後的外延片放入到高溫退火爐中，通過退火使外延片上的原始襯底脫落。本發明利用SiC襯底與GaN的熱膨脹係數不同，使用高溫退火將原襯底剝離的方法，成功的實現了SiC襯底的倒裝和剝離，使出光率達到了90％以上，解決了出光效率低的問題。
文檔編號H01L33/00GK101908587SQ20101020612
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者吳德華, 徐現剛, 曲爽, 朱學亮, 李樹強, 楊鑫沼, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司