用于倒裝led芯片的襯底以及外延片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體光電芯片制造領(lǐng)域，特別涉及一種用于倒裝LED芯片的襯底、外延片。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)基LED自從20世紀(jì)90年代初商業(yè)化以來，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)已趨于成熟和完善，已能夠滿足人們現(xiàn)階段對(duì)燈具裝飾的需求；但要完全取代傳統(tǒng)光源進(jìn)入照明領(lǐng)域，尤其是高端照明領(lǐng)域，發(fā)光亮度的提高卻是LED行業(yè)科研工作者永無止境的追求。
[0003]LED發(fā)光亮度的提升受限的根源在于自然界中缺乏天然的氮化鎵襯底材料，可用于氮化鎵基LED的異質(zhì)襯底材料寥寥無幾，可用于商業(yè)化的襯底材料更是少之甚少，目前市面上只存在藍(lán)寶石和碳化硅兩種襯底材料，其中藍(lán)寶石由于具有化學(xué)穩(wěn)定性好、生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用最為廣泛。
[0004]但是，實(shí)用新型人發(fā)現(xiàn)，采用藍(lán)寶石作為氮化鎵基LED的異質(zhì)襯底也存在很多問題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配會(huì)在外延材料中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)缺陷，位錯(cuò)缺陷會(huì)在外延層中形成非輻射復(fù)合中心和光散射中心，這將大大降低LED芯片的內(nèi)量子效率，不僅如此，由于氮化鎵外延層和藍(lán)寶石襯底之間存在較大的折射率差異，光在氮化鎵外延層和藍(lán)寶石的界面層會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，從而降低了 LED芯片的光萃取效率(即外量子效率)。為解決上述問題，業(yè)界研發(fā)了圖形化襯底技術(shù)，其不僅通過減少晶格缺陷(或晶格失配)而提高了LED外延的晶體質(zhì)量，從而提高其內(nèi)量子效率；而且通過增加界面(外延層與襯底的界面)處的散射或漫反射作用而提高了 LED芯片光萃取效率(或者說提高了 LED芯片的外量子效率)。所以，近年來無論是錐狀結(jié)構(gòu)的干法圖形化襯底技術(shù)還是金字塔形狀的濕法圖形化襯底技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展，成為L(zhǎng)ED芯片的主流襯底，使LED的晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光亮度都得到了革命性的提尚。
[0005]為了應(yīng)對(duì)LED高發(fā)光亮度的挑戰(zhàn)，進(jìn)入高端照明領(lǐng)域，LED行業(yè)的科研工作者在成熟的LED結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出了高壓LED芯片、垂直LED芯片和倒裝LED芯片等結(jié)構(gòu)。其中，倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)是將正裝芯片倒裝焊接于一導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好的基板上，使得發(fā)熱比較集中的發(fā)光外延層更接近于散熱熱塵，使大部分熱量通過基板導(dǎo)出，而不是從散熱不良的藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底導(dǎo)出，這在一定程度上緩解了 LED芯片的散熱問題，提高了 LED芯片的可靠性；并且，在LED芯片面積確定的情況下，與其它結(jié)構(gòu)的LED芯片相比，倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片的發(fā)光面積更大，所以在面對(duì)高端照明領(lǐng)域高發(fā)光亮度需求的挑戰(zhàn)時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)用新型人發(fā)現(xiàn)，倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)是在N面出光的，由于藍(lán)寶石的折射率低于氮化鎵的折射率，所以外延層射出來的光會(huì)在藍(lán)寶石和襯底界面上發(fā)生反射，導(dǎo)致較多的光不能發(fā)射出來，尤其是目前應(yīng)用于LED芯片結(jié)構(gòu)中主流的圖形化襯底又具有散射和漫反射作用，更容易導(dǎo)致較多的光不能發(fā)射出來，減少了出光效率；但是如果不采用圖形化襯底技術(shù)，LED芯片的內(nèi)量子效率就不能充分發(fā)揮。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型針對(duì)上述問題提供一種用于倒裝LED芯片的襯底、外延片，既能大幅提高倒裝LED芯片的晶體質(zhì)量(即內(nèi)量子效率)，又能避免從外延層射向襯底的光的反射，增加其透射，提高倒裝LED芯片的出光效率(即外量子效率)。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種用于倒裝LED芯片的襯底，包括氮化鎵襯底材料以及鑲嵌于所述氮化鎵襯底材料中的具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層。
[0008]進(jìn)一步的，在所述的用于倒裝LED芯片的襯底中，所述圖形化結(jié)構(gòu)是間隔排布的柱狀結(jié)構(gòu)。
[0009]進(jìn)一步的，在所述的用于倒裝LED芯片的襯底中，所述具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。
[0010]進(jìn)一步的，在所述的用于倒裝LED芯片的襯底中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀空洞，所述氮化鎵襯底材料填滿所述柱狀空洞。更進(jìn)一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形空洞、橢圓柱形空洞或多棱柱狀空洞。
[0011]進(jìn)一步的，在所述的用于倒裝LED芯片的襯底中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀凸起，所述氮化鎵襯底材料填滿所述柱狀凸起之間的空隙。更進(jìn)一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形凸起、橢圓柱形凸起或多棱柱狀凸起。
[0012]進(jìn)一步的，在所述的用于倒裝LED芯片的襯底中，還包括位于所述氮化鎵襯底材料以及介質(zhì)層表面的晶格匹配層。所述晶格匹配層為氮化鎵或者氮化鋁。
[0013]本實(shí)用新型還提供一種用于倒裝LED芯片的外延片，包括:如上所述的襯底；以及形成于所述襯底上的氮化鎵外延層。
[0014]本實(shí)用新型提供的用于倒裝LED芯片的襯底及外延片，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015]首先，所述襯底采用氮化鎵襯底材料，由于氮化鎵襯底材料是氮化鎵外延層的同質(zhì)襯底，所以氮化鎵襯底材料制成的襯底與氮化鎵外延層不存在晶格失配的問題，即提高內(nèi)量子效率；并且，由于氮化鎵襯底材料與氮化鎵外延層是同質(zhì)材料，不存在異質(zhì)的界面，所以不存在反射的問題，即提高外量子效率；
[0016]其次，所述氮化鎵襯底材料中鑲嵌有介質(zhì)層，鑲嵌在氮化鎵襯底材料中的具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層還有利于消除氮化鎵外延層中的位錯(cuò)缺陷，減少氮化鎵外延層中的非輻射復(fù)合中心和光散射中心，從而提尚倒裝LED芯片的晶體質(zhì)量，即提尚內(nèi)量子效率；進(jìn)一步的，所述圖形化結(jié)構(gòu)是間隔排布的柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于襯底的表面，因而柱狀結(jié)構(gòu)不具有散射或漫反射作用，所以，與傳統(tǒng)的圖形化襯底上的周期性錐狀或臺(tái)狀圖形相比，本實(shí)用新型所提供的襯底可避免從外延層射向襯底的光的反射，增加其透射，提高倒裝LED芯片的出光效率，即提高外量子效率；
[0017]總之，本實(shí)用新型提供的用于倒裝LED芯片的襯底所采用的氮化鎵襯底材料和鑲嵌在氮化鎵襯底材料中的介質(zhì)層都具有提高內(nèi)量子效率和外量子效率的雙重功能；
[0018]本實(shí)用新型所提供的用于倒裝LED的襯底的制作方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019]首先，本實(shí)用新型通過氫化物氣相外延技術(shù)在所述晶格匹配層和具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層上生長(zhǎng)氮化鎵襯底材料，氫化物氣相外延技術(shù)具有制作速度快、生產(chǎn)成本低、可大面積生長(zhǎng)以及均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，利用所述氮化鎵襯底材料的應(yīng)力使所述晶格匹配層和藍(lán)寶石襯底完全脫離，無需采用激光剝離工藝，節(jié)省了成本，而且還避免了激光剝離工藝對(duì)氮化嫁材料所造成損失；
[0020]其次，本實(shí)用新型在晶格匹配層和藍(lán)寶石襯底脫離的瞬間，氮化鎵襯底材料中鑲嵌的具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層還可以解決氮化鎵材料中殘存的應(yīng)力瞬間釋放造成的成品率低的問題；
[0021]最后，脫離下來的藍(lán)寶石可重復(fù)利用，降低了制作成本。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一在藍(lán)寶石襯底上形成晶格匹配層和介質(zhì)層的剖面圖；
[0023]圖2是晶格匹配層和介質(zhì)層的俯視圖；
[0024]圖3?4是本實(shí)用新型實(shí)施例一氮化鎵襯底材料生長(zhǎng)過程中的剖面圖；
[0025]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一的藍(lán)寶石襯底完全脫離后的剖面圖；
[0026]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例一的晶格匹配層被部分拋光后的剖面圖；
[0027]圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例一的晶格匹配層被完全拋光后的剖面圖；
[0028]圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例二在藍(lán)寶石襯底上形成晶格匹配層和介質(zhì)層的剖面圖；
[0029]圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例二晶格匹配層和介質(zhì)層的俯視圖；
[0030]圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例三晶格匹配層和介質(zhì)層的俯視圖；
[0031]圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例四晶格匹配層和介質(zhì)層的俯視圖；
[0032]圖12是本實(shí)用新型用于倒裝LED芯片的襯底制作方法的流程示意圖；
[0033]圖13是直接在藍(lán)寶石襯底上形成氮化鎵襯底材料的應(yīng)力示意圖；
[0034]圖14是在形成有介質(zhì)層上形成氮化鎵襯底材料的應(yīng)力示意圖；
[0035]圖15是在形成有介質(zhì)層上形成氮化鎵襯底材料后藍(lán)寶石襯底開始脫離時(shí)的應(yīng)力示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提出的用于倒裝LED芯片的襯底作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本實(shí)用新型實(shí)施例的目的。
[0037]實(shí)施例一
[0038]如圖7所示，本實(shí)施例提供一種用于倒裝LED芯片的襯底，包括氮化鎵襯底材料13以及具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12，所述具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12鑲嵌于氮化鎵襯底材料13中。
[0039]優(yōu)選的，所述圖形化結(jié)構(gòu)是間隔排布的柱狀結(jié)構(gòu)，更進(jìn)一步，所述圖形化結(jié)構(gòu)是周期性排布的柱狀結(jié)構(gòu)12a。由于柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于襯底的表面，因而柱狀結(jié)構(gòu)不具有散射或漫反射作用，與傳統(tǒng)的圖形化襯底上的周期性錐狀或臺(tái)狀圖形相比，可避免從外延層射向襯底的光的反射，增加其透射，提高倒裝LED芯片的出光效率，即提高外量子效率。
[0040]如圖6所示，所述用于倒裝LED芯片的襯底還可以包括位于所述氮化鎵襯底材料13以及具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12表面的晶格匹配層11。所述晶格匹配層11為氮化鎵或者氮化鋁。
[0041]如圖12所示，并結(jié)合圖1至圖7，本實(shí)施例提供一種用于倒裝LED芯片的襯底制作方法，包括如下步驟:
[0042]S1:提供一藍(lán)寶石襯底10 ；
[0043]S2:在藍(lán)寶石襯底10上形成與倒裝LED芯片的外延層的晶體結(jié)構(gòu)相同的晶格匹配層11 ;
[0044]S3:在所述晶格匹配層11上形成具有具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12，所述具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12暴露出部分所述晶格匹配層11 ;
[0045]S4:在所述晶格匹配層11和具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12上生長(zhǎng)氮化鎵襯底材料13，直至氮化鎵襯底材料13的應(yīng)力使晶格匹配層11和藍(lán)寶石襯底10完全脫離時(shí)停止；
[0046]S5:去除部分或全部晶格匹配層11，從而形成本實(shí)施例所述的用于倒裝LED芯片的襯底。
[0047]本實(shí)施例中，通過氫化物氣相外延技術(shù)在所述晶格匹配層11和具有圖形化結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層12上生長(zhǎng)氮化鎵襯底材料13。具體的，通過氫化物氣相外延技術(shù)在所述晶格匹配層11上生長(zhǎng)氮化鎵襯底材料13時(shí)，所述氮化鎵襯底材料13的厚度由生長(zhǎng)時(shí)間所控制，直至氮化鎵襯底材料的應(yīng)力使晶格匹配層11和藍(lán)寶石襯底10完全脫離時(shí)停止生長(zhǎng)。例如，所述氮化鎵襯底材料的厚度為100 μπι?2000 μ m，所述生長(zhǎng)時(shí)間為I小時(shí)?