專利名稱：一種SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離的剝離方法，屬于光電子技 術領域。
背景技術：
1998年Lumileds公司封裝出世界上第一個大功率LED(1W LUX0EN器件)，使LED 器件從以前的指示燈應用變成可以替代傳統(tǒng)照明的新型固體光源，引發(fā)了人類歷史上繼白 熾燈發(fā)明以來的又一場照明革命。1WLUX0EN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lm飛躍達到十幾個lm。 大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的設計者和制造者必須在結構和材料 等方面對器件的熱系統(tǒng)進行優(yōu)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(tǒng)的藍寶石襯底 GaN芯片結構，電極剛好位于芯片的出光面。在這種結構中，小部分p-GaN層和〃 發(fā)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層表面再沉淀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，從而降低芯片的出光效率。為了減少發(fā)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芯片的工作功率。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，由于藍寶石的熱導系數(shù)較金屬低(為 35W/mK)，因此，這種結構的LED芯片熱阻會較大。此外，這種結構的p電極和引線也會擋住 部分光線，所以，這種正裝LED芯片的器件功率、出光效率和熱性能均不可能是最優(yōu)的。
為了克服正裝芯片的這些不足，Lumileds公司發(fā)明了倒裝芯片(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。由于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系數(shù)高的硅襯底(為145W/mK)，散熱效果更優(yōu)；而且 在pn結與p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(yōu)的特性。 以GaN為代表的三族氮化物(AlN、GaN、 InN、AlGalnN)由于具有優(yōu)良的光電特性， 因而在藍光、綠光、紫外發(fā)光二極管(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應用。 由于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(碳化硅)、Si (硅)、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。 而SiC(碳化硅)是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優(yōu)勢。由 于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達60(TC，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(tǒng)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(wěn)定性和化學惰性，其擊穿電場強度比同類Si器件要高。 SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前還沒有第三種襯底用于 GaN基LED的商業(yè)化生產。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見 光等，由于SiC襯底優(yōu)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占重要地位。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那么好、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(fā)380納米以下的紫外LED。并且SiC襯底LED的正面出光效率非常 低。 在基于SiC或Si為襯底生產LED的過程中，由于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(shù)在他們之間的A1N作為緩沖層，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(xiàn)裂紋?；赟iC或Si襯底的 LED結構自下至上包括SiC或Si襯底、A1N緩沖層、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。 中國專利文獻CN2845167Y公開了《倒裝片封裝結構》，包括一芯片以及一封裝基 板，該芯片表面設有多個金屬墊，并覆蓋一表面鈍化保護層(passivation layer)，該表面 鈍化保護層具有多個開口以裸露出這些金屬墊，并具有多個表面接點結構，分別連接這些 金屬墊，其中每一接點結構包括一凸塊與一緩沖層，該凸塊形成于所述金屬墊上，該緩沖層 形成于該表面鈍化保護層上，并包圍該凸塊與該金屬墊接觸端的周圍；該封裝基板表面設 有多個凸塊墊(bump pad)，這些凸塊墊分別與所述凸塊電連接。上述《倒裝片封裝結構》工 藝實現(xiàn)相對復雜，首先有好多個表面接點結構，并且連接金屬墊。其次還用到了封裝基板， 封裝基板表面設有多個凸塊墊，這些實現(xiàn)的過程中，又因為設計的步驟較多，可能會出現(xiàn)工 藝破壞，可行性不高。 目前，AsGa襯底和A1203 (藍寶石)襯底生長的LED使用倒裝結構已經(jīng)屬于常規(guī)操 作，剝離原襯底有很成熟的技術，AsGa襯底倒裝后，原襯底只用最簡單的腐蝕就可以去掉， 八1203 (藍寶石)襯底可以使用激光剝離；但是SiC襯底卻沒有任何辦法剝離下來，SiC襯底 的LED沒法采用倒裝結構。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有基于SiC或Si為襯底生產LED存在的可靠性不高、功率偏低等問 題，提供一種能夠提高發(fā)光強度SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離制作方法。
本發(fā)明的SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離制作方法，包括以下步驟
(1)制作原始SiC襯底圖形 通過PECVD (等離子增強化學氣相沉淀)工藝在原始SiC襯底上蒸鍍一層厚度為 1000 A -3000 A的Si02掩膜，在Si02掩膜上涂上光刻膠，在光刻膠上通過預先刻制的圖形掩 膜版利用光刻機刻出所需要的縱橫交錯的Si02掩膜渠道的圖形，然后顯影，顯影后利用HF 酸腐蝕掉沒有光刻膠部分的Si02掩膜，使這些部分露出原始SiC襯底表面，最后用丙酮腐 蝕掉有光刻膠部分的光刻膠，使這些部分露出Si02掩膜，形成縱橫交錯的Si02掩膜渠道，這
4樣就完成了原始SiC襯底圖形的制作； (2)在做好襯底圖形的原始SiC襯底上按常規(guī)方法生長常規(guī)結構的外延片；常規(guī) 結構的外延片自下至上包括襯底、AIN緩沖層、N型GaN層、MQW(多量子阱)層和P型GaN 層； (3)制作倒裝外延片 取出生長結束后的外延片，在其上表面P型GaN層上鍍一層反光金屬Al或Au或 Ag ;然后利用襯底鍵合機將Al、Au或Ag反光金屬層鍵合在一個新的SiC或者Si襯底上；將 鍵合好的外延片先放入HF酸中1分鐘-3分鐘，腐蝕掉原始SiC襯底上縱橫交錯的Si02掩 膜，使得原始SiC襯底與其上的AlN緩沖層之間有了縱橫交錯的空隙，然后再把外延片放入 到質量濃度為30% -50%的KOH溶液中2分鐘-4分鐘，KOH溶液進入這些縱橫交錯的空隙 腐蝕AIN緩沖層，使原始SiC襯底脫落，這樣就得到了腐蝕剝離的倒裝結構的SiC基LED。
本發(fā)明先在原始SiC襯底上蒸鍍上Si02掩膜，再通過光刻制作所需圖形，使原始 SiC襯底表面形成縱橫交錯的Si(^掩膜渠道，然后在生長外延片和鍵合新襯底后，再利用化 學試劑腐蝕掉Si02掩膜渠道中的Si(^，進而通過腐蝕使原始襯底脫落，通過這樣的方法成 功地將原始SiC襯底剝離下來。由于外延片表面鍍上了反光的金屬(Al、Au、Ag)，進行倒裝 后，原SiC襯底吸收的50X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。并且由于腐蝕原始襯底后，與其接觸過的表面是刻蝕過的空隙，起到了一個 表面粗化的效果，倒裝后，功率提高了 80-120%，效果非常顯著。由于鍵合時選用的是SiC 或Si襯底，這兩種襯底均是散熱性要強于藍寶石的襯底，所以通過本發(fā)明得到的LED可以 制作大功率器件和LED照明，解決了目前約束制作大功率器件和LED照明的重要瓶頸。


圖1是原始SiC襯底蒸鍍上一層Si02后，經(jīng)過光刻顯影后的正面示意圖。
圖2是在原始SiC襯底上生長的外延片示意圖。
圖3是在原始SiC襯底上生長完GaN后的截面示意圖。 圖4是在生長LED后鍍(Al、Au、Ag)，并且與新的SiC或Si襯底鍵合后的示意圖。
圖5是倒裝后的外延片示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離制作方法，包括以下三部分的制作 過程 1.制作原始SiC襯底圖形 (1)將原始SiC襯底(區(qū)別于普通的藍寶石襯底)放入PECVD(等離子增強化學氣 象沉淀)設備，蒸鍍一層厚度為1000 A -3000 A的Si02掩膜； (2)取出蒸鍍Si02掩膜后的原始SiC襯底，先在Si02掩膜上涂上光刻膠，利用事 先刻好的圖形掩膜版在Si02掩膜上利用光刻機刻出所設計的能夠形成縱橫交錯的Si02掩 膜渠道的圖形；
(3)顯影； (4)顯影結束后利用HF酸腐蝕掉沒有光刻膠部分的Si02掩膜，使這些部分露出原始SiC襯底表面，得到圖1所示的一個個方形凹槽，每個方形凹槽的尺寸為200um*200um ;
(5)最后用丙酮去掉表面帶有光刻膠部分的光刻膠，使這些部分露出Si(^掩膜，形 成圖1所示的縱橫交錯的Si02掩膜渠道，Si02掩膜渠道分為寬度為300um-600um的大渠道 和寬度為50um-100um的小渠道。這樣就完成了原始SiC襯底圖形的制作。
2.在刻好圖形后的SiC襯底上，利用MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積)設備，按 常規(guī)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、A1N緩沖層、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 -IIO(TC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A1N緩沖層；A1N緩沖層生長在原始SiC襯底的方形凹槽中，如圖3所 示。 (2)保持900°C -IIO(TC ，在高溫A1N緩沖層上生長lum厚的UGaN層； (3)繼續(xù)在900°C -IIO(TC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/W-5E19個原子/cm3 ; (4)600°C -90(TC下在N型GaN層生長厚lOOnm的InGaN層與GaN層交替生長的 MQW(多量子阱)，每層InGaN的厚度為2nm-5nm，每層GaN的厚度為12nm_15nm ;
(5)800°C -IOO(TC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)800°C -IOO(TC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襯底上生長完GaN后的截面如圖3所示。 3.倒裝外延片的制作 (1)取出生長結束后的外延片，在其上表面(P型GaN層)鍍上一層反光金屬Al或 Au或Ag ; (2)然后利用襯底鍵合機將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4所示。 (3)將鍵合好的外延片先放入HF酸中1分鐘-3分鐘，縱橫交錯的Si02掩膜渠道 上的Si02掩膜脫落，在大渠道和小渠道上形成大溝槽和小溝槽，這樣使得原始SiC襯底與 其上的A1N緩沖層之間有了縱橫交錯的空隙。 (4)然后再把外延片放入到質量濃度為30% _50%的1(011溶液中，使1(011溶液由大
溝槽流經(jīng)小溝槽，腐蝕A1N緩沖層，2分鐘-4分鐘后，將外延片拿出溶液時原始SiC襯底已
經(jīng)脫落，這樣就得到了如圖5所示的倒裝腐蝕剝離的SiC基LED外延片。 本發(fā)明使用濕法腐蝕，光刻顯影出所需的圖形，長完外延片后，再采用倒裝技術。
這種結構直接從緩沖層中取出，由于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
給熱導系數(shù)高的硅襯底(為145W/mK)，散熱效果更優(yōu)；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，在緩沖層中取出后，由于在生長前，這里已經(jīng)刻好圖形，倒裝
后正好形成了表面粗化的作用，因此這種結構具有電、光、熱等方面較優(yōu)的特性。
權利要求
一種SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離制作方法，其特征是，包括以下步驟(1)制作原始SiC襯底圖形通過等離子增強化學氣相沉淀工藝在原始SiC襯底上蒸鍍一層厚度為的SiO2掩膜，在SiO2掩膜上涂上光刻膠，在光刻膠上通過預先刻制的圖形掩膜版利用光刻機刻出所需要的縱橫交錯的SiO2掩膜渠道的圖形，然后顯影，顯影后利用HF酸腐蝕掉沒有光刻膠部分的SiO2掩膜，使這些部分露出原始SiC襯底表面，最后用丙酮腐蝕掉有光刻膠部分的光刻膠，使這些部分露出SiO2掩膜，形成縱橫交錯的SiO2掩膜渠道，這樣就完成了原始SiC襯底圖形的制作；(2)在做好襯底圖形的原始SiC襯底上按常規(guī)方法生長常規(guī)結構的外延片；常規(guī)結構的外延片自下至上包括襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、多量子阱層和P型GaN層；(3)制作倒裝外延片取出生長結束后的外延片，在其上表面P型GaN層上鍍一層反光金屬Al或Au或Ag；然后利用襯底鍵合機將Al、Au或Ag反光金屬層鍵合在一個新的SiC或者Si襯底上；將鍵合好的外延片先放入HF酸中1分鐘-3分鐘，腐蝕掉原始SiC襯底上縱橫交錯的SiO2掩膜，使得原始SiC襯底與其上的AlN緩沖層之間有了縱橫交錯的空隙，然后再把外延片放入到質量濃度為30％-50％的KOH溶液中2分鐘-4分鐘，KOH溶液進入這些縱橫交錯的空隙腐蝕AlN緩沖層，使原始SiC襯底脫落，這樣就得到了腐蝕剝離的倒裝結構的SiC基LED。FSA00000047130200011.tif
全文摘要
本發(fā)明提供了一種SiC襯底GaN基LED的濕法腐蝕剝離制作方法，包括以下步驟(1)制作原始SiC襯底圖形；在原始SiC襯底上蒸鍍SiO2掩膜，再涂上光刻膠，在SiO2上利用光刻機刻出所設計的圖形，顯影后通過HF酸和丙酮腐蝕形成縱橫交錯的SiO2掩膜渠道；(2)在刻好圖形后的原始SiC襯底上按常規(guī)方法生長常規(guī)結構的外延片；(3)制作倒裝外延片；在外延片表面鍍上一層反光金屬，將反光金屬層鍵合在新SiC或者Si襯底上，通過腐蝕使原始SiC襯底脫落，得到了倒裝腐蝕剝離的SiC基LED。本發(fā)明成功地將原始SiC襯底剝離下來，使GaN基LED起到了一個表面粗化的效果，功率提高了80-120％，可以制作大功率器件和LED照明。
文檔編號H01L33/00GK101794849SQ20101011193
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權日2010年2月23日
發(fā)明者吳德華, 徐現(xiàn)剛, 朱學亮, 李樹強, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司