专利名称：一种SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离方法
技术领域：
本发明涉及一种SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离的剥离方法，属于光电子技 术领域。
背景技术：
1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED(1W LUX0EN器件)，使LED 器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白 炽灯发明以来的又一场照明革命。1WLUX0EN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000 毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。 大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料 等方面对器件的热系统进行优化设计。目前GaN基外延衬底材料有两大类一类是以日本 日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底 GaN芯片结构，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和〃 发光〃 层 被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的p-GaN层取出。p-GaN层有限 的电导率要求在P-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au 组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚 度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在P-GaN层表面均匀和可靠 地扩散大电流的能力。因此这种P型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构 pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低(为 35W/mK)，因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住 部分光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。
为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片(Flipchip)结构。 在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光， 这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn 结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(为145W/mK)，散热效果更优；而且 在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有 电、光、热等方面较优的特性。 以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、 InN、AlGalnN)由于具有优良的光电特性， 因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。 由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、 SiC(碳化硅)、Si (硅)、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。 而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由 于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达60(TC，而Si器件的最高工作温度局限在 175°C。 SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高 的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。 SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于 GaN基LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见 光等，由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散 热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质 量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的 紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。并且SiC衬底LED的正面出光效率非常 低。 在基于SiC或Si为衬底生产LED的过程中，由于SiC本身与GaN之间的晶格适配 相对较大，化学性质相差太大，导致他们之间不浸润，没法直接生长，目前比较流行的就是 在SiC和GaN之间插入一层晶格常数在他们之间的A1N作为缓冲层，再在上面生长GaN，会 有效的减小晶格适配带来的应力，以防外延片生长过程中出现裂纹。基于SiC或Si衬底的 LED结构自下至上包括SiC或Si衬底、A1N缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)和P型GaN 层。目前以SiC衬底生长GaN基的LED，都遇到了各种各样的问题，如可靠性不高、功率偏 低等。 中国专利文献CN2845167Y公开了《倒装片封装结构》，包括一芯片以及一封装基 板，该芯片表面设有多个金属垫，并覆盖一表面钝化保护层(passivation layer)，该表面 钝化保护层具有多个开口以裸露出这些金属垫，并具有多个表面接点结构，分别连接这些 金属垫，其中每一接点结构包括一凸块与一缓冲层，该凸块形成于所述金属垫上，该缓冲层 形成于该表面钝化保护层上，并包围该凸块与该金属垫接触端的周围；该封装基板表面设 有多个凸块垫(bump pad)，这些凸块垫分别与所述凸块电连接。上述《倒装片封装结构》工 艺实现相对复杂，首先有好多个表面接点结构，并且连接金属垫。其次还用到了封装基板， 封装基板表面设有多个凸块垫，这些实现的过程中，又因为设计的步骤较多，可能会出现工 艺破坏，可行性不高。 目前，AsGa衬底和A1203 (蓝宝石)衬底生长的LED使用倒装结构已经属于常规操 作，剥离原衬底有很成熟的技术，AsGa衬底倒装后，原衬底只用最简单的腐蚀就可以去掉， 八1203 (蓝宝石)衬底可以使用激光剥离；但是SiC衬底却没有任何办法剥离下来，SiC衬底 的LED没法采用倒装结构。
发明内容
本发明针对现有基于SiC或Si为衬底生产LED存在的可靠性不高、功率偏低等问 题，提供一种能够提高发光强度SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离制作方法。
本发明的SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离制作方法，包括以下步骤
(1)制作原始SiC衬底图形 通过PECVD (等离子增强化学气相沉淀)工艺在原始SiC衬底上蒸镀一层厚度为 1000 A -3000 A的Si02掩膜，在Si02掩膜上涂上光刻胶，在光刻胶上通过预先刻制的图形掩 膜版利用光刻机刻出所需要的纵横交错的Si02掩膜渠道的图形，然后显影，显影后利用HF 酸腐蚀掉没有光刻胶部分的Si02掩膜，使这些部分露出原始SiC衬底表面，最后用丙酮腐 蚀掉有光刻胶部分的光刻胶，使这些部分露出Si02掩膜，形成纵横交错的Si02掩膜渠道，这
4样就完成了原始SiC衬底图形的制作； (2)在做好衬底图形的原始SiC衬底上按常规方法生长常规结构的外延片；常规 结构的外延片自下至上包括衬底、AIN缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)层和P型GaN 层； (3)制作倒装外延片 取出生长结束后的外延片，在其上表面P型GaN层上镀一层反光金属Al或Au或 Ag ;然后利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个新的SiC或者Si衬底上；将 键合好的外延片先放入HF酸中1分钟-3分钟，腐蚀掉原始SiC衬底上纵横交错的Si02掩 膜，使得原始SiC衬底与其上的AlN缓冲层之间有了纵横交错的空隙，然后再把外延片放入 到质量浓度为30% -50%的KOH溶液中2分钟-4分钟，KOH溶液进入这些纵横交错的空隙 腐蚀AIN缓冲层，使原始SiC衬底脱落，这样就得到了腐蚀剥离的倒装结构的SiC基LED。
本发明先在原始SiC衬底上蒸镀上Si02掩膜，再通过光刻制作所需图形，使原始 SiC衬底表面形成纵横交错的Si(^掩膜渠道，然后在生长外延片和键合新衬底后，再利用化 学试剂腐蚀掉Si02掩膜渠道中的Si(^，进而通过腐蚀使原始衬底脱落，通过这样的方法成 功地将原始SiC衬底剥离下来。由于外延片表面镀上了反光的金属(Al、Au、Ag)，进行倒装 后，原SiC衬底吸收的50X的光，全部被反光的金属(Al、Au、Ag)反回，提高了出光效率，亮 度提高了一倍。并且由于腐蚀原始衬底后，与其接触过的表面是刻蚀过的空隙，起到了一个 表面粗化的效果，倒装后，功率提高了 80-120%，效果非常显著。由于键合时选用的是SiC 或Si衬底，这两种衬底均是散热性要强于蓝宝石的衬底，所以通过本发明得到的LED可以 制作大功率器件和LED照明，解决了目前约束制作大功率器件和LED照明的重要瓶颈。
图1是原始SiC衬底蒸镀上一层Si02后，经过光刻显影后的正面示意图。
图2是在原始SiC衬底上生长的外延片示意图。
图3是在原始SiC衬底上生长完GaN后的截面示意图。 图4是在生长LED后镀(Al、Au、Ag)，并且与新的SiC或Si衬底键合后的示意图。
图5是倒装后的外延片示意图。
具体实施例方式
本发明的SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离制作方法，包括以下三部分的制作 过程 1.制作原始SiC衬底图形 (1)将原始SiC衬底(区别于普通的蓝宝石衬底)放入PECVD(等离子增强化学气 象沉淀)设备，蒸镀一层厚度为1000 A -3000 A的Si02掩膜； (2)取出蒸镀Si02掩膜后的原始SiC衬底，先在Si02掩膜上涂上光刻胶，利用事 先刻好的图形掩膜版在Si02掩膜上利用光刻机刻出所设计的能够形成纵横交错的Si02掩 膜渠道的图形；
(3)显影； (4)显影结束后利用HF酸腐蚀掉没有光刻胶部分的Si02掩膜，使这些部分露出原始SiC衬底表面，得到图1所示的一个个方形凹槽，每个方形凹槽的尺寸为200um*200um ;
(5)最后用丙酮去掉表面带有光刻胶部分的光刻胶，使这些部分露出Si(^掩膜，形 成图1所示的纵横交错的Si02掩膜渠道，Si02掩膜渠道分为宽度为300um-600um的大渠道 和宽度为50um-100um的小渠道。这样就完成了原始SiC衬底图形的制作。
2.在刻好图形后的SiC衬底上，利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备，按 常规方法生长如图2所示的正常结构外延片，自下至上包括原始SiC衬底、A1N缓冲层、不 掺杂的GaN层、掺杂的GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层和P型GaN层。具体生长过程如 下 (1)首先在900°C -IIO(TC下在第1步骤下完成的原始SiC衬底上沉积一层厚度 为50nm-150nm的高温A1N缓冲层；A1N缓冲层生长在原始SiC衬底的方形凹槽中，如图3所 示。 (2)保持900°C -IIO(TC ，在高温A1N缓冲层上生长lum厚的UGaN层； (3)继续在900°C -IIO(TC下在UGaN层上生长3um厚的掺杂Si的N型GaN层，掺
Si量为5E17个原子/W-5E19个原子/cm3 ; (4)600°C -90(TC下在N型GaN层生长厚lOOnm的InGaN层与GaN层交替生长的 MQW(多量子阱)，每层InGaN的厚度为2nm-5nm，每层GaN的厚度为12nm_15nm ;
(5)800°C -IOO(TC下在MQW上面生长一层10nm-40nm厚的电子阻挡层，即掺杂Mg 的P型AlGaN，掺Mg量为5E19个原子/cm3_5E21个原子/cm3 ; (6)800°C -IOO(TC下在P-AlGaN上面生长厚100nm-300nm的掺杂Mg的P-GaN层，
掺Mg量5E19个原子/cm3-5E21个原子/cm3。 在原始SiC衬底上生长完GaN后的截面如图3所示。 3.倒装外延片的制作 (1)取出生长结束后的外延片，在其上表面(P型GaN层)镀上一层反光金属Al或 Au或Ag ; (2)然后利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个导热性佳的新SiC 或者Si衬底上；如图4所示。 (3)将键合好的外延片先放入HF酸中1分钟-3分钟，纵横交错的Si02掩膜渠道 上的Si02掩膜脱落，在大渠道和小渠道上形成大沟槽和小沟槽，这样使得原始SiC衬底与 其上的A1N缓冲层之间有了纵横交错的空隙。 (4)然后再把外延片放入到质量浓度为30% _50%的1(011溶液中，使1(011溶液由大
沟槽流经小沟槽，腐蚀A1N缓冲层，2分钟-4分钟后，将外延片拿出溶液时原始SiC衬底已
经脱落，这样就得到了如图5所示的倒装腐蚀剥离的SiC基LED外延片。 本发明使用湿法腐蚀，光刻显影出所需的图形，长完外延片后，再采用倒装技术。
这种结构直接从缓冲层中取出，由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以
加厚，增加倒装芯片的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导
给热导系数高的硅衬底(为145W/mK)，散热效果更优；而且利用Al来作为反光层，效果显
著，消除了电极和引线的挡光，在缓冲层中取出后，由于在生长前，这里已经刻好图形，倒装
后正好形成了表面粗化的作用，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。
权利要求
一种SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离制作方法，其特征是，包括以下步骤(1)制作原始SiC衬底图形通过等离子增强化学气相沉淀工艺在原始SiC衬底上蒸镀一层厚度为的SiO2掩膜，在SiO2掩膜上涂上光刻胶，在光刻胶上通过预先刻制的图形掩膜版利用光刻机刻出所需要的纵横交错的SiO2掩膜渠道的图形，然后显影，显影后利用HF酸腐蚀掉没有光刻胶部分的SiO2掩膜，使这些部分露出原始SiC衬底表面，最后用丙酮腐蚀掉有光刻胶部分的光刻胶，使这些部分露出SiO2掩膜，形成纵横交错的SiO2掩膜渠道，这样就完成了原始SiC衬底图形的制作；(2)在做好衬底图形的原始SiC衬底上按常规方法生长常规结构的外延片；常规结构的外延片自下至上包括衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层；(3)制作倒装外延片取出生长结束后的外延片，在其上表面P型GaN层上镀一层反光金属Al或Au或Ag；然后利用衬底键合机将Al、Au或Ag反光金属层键合在一个新的SiC或者Si衬底上；将键合好的外延片先放入HF酸中1分钟-3分钟，腐蚀掉原始SiC衬底上纵横交错的SiO2掩膜，使得原始SiC衬底与其上的AlN缓冲层之间有了纵横交错的空隙，然后再把外延片放入到质量浓度为30％-50％的KOH溶液中2分钟-4分钟，KOH溶液进入这些纵横交错的空隙腐蚀AlN缓冲层，使原始SiC衬底脱落，这样就得到了腐蚀剥离的倒装结构的SiC基LED。FSA00000047130200011.tif
全文摘要
本发明提供了一种SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离制作方法，包括以下步骤(1)制作原始SiC衬底图形；在原始SiC衬底上蒸镀SiO2掩膜，再涂上光刻胶，在SiO2上利用光刻机刻出所设计的图形，显影后通过HF酸和丙酮腐蚀形成纵横交错的SiO2掩膜渠道；(2)在刻好图形后的原始SiC衬底上按常规方法生长常规结构的外延片；(3)制作倒装外延片；在外延片表面镀上一层反光金属，将反光金属层键合在新SiC或者Si衬底上，通过腐蚀使原始SiC衬底脱落，得到了倒装腐蚀剥离的SiC基LED。本发明成功地将原始SiC衬底剥离下来，使GaN基LED起到了一个表面粗化的效果，功率提高了80-120％，可以制作大功率器件和LED照明。
文档编号H01L33/00GK101794849SQ20101011193
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者吴德华, 徐现刚, 朱学亮, 李树强, 王成新 申请人:山东华光光电子有限公司