一种GaN衬底的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电芯片制造领域，尤其涉及一种GaN衬底的制作方法。
【背景技术】
[0002]GaN基LED自从20世纪90年代初商业化以来，经过二十几年的发展，其结构已趋于成熟和完善，已能够满足人们现阶段对灯具装饰的需求；但要完全取代传统光源进入照明领域，尤其是高端照明领域，发光亮度的提高却是LED行业科研工作者永无止境的追求。
[0003]LED发光亮度的提升受限的根源在于自然界中缺乏天然的GaN材料，可用于GaN基LED的异质衬底材料寥寥无几，可用于商业化的衬底材料更是少之甚少，目前市面上只存在蓝宝石和碳化硅两种衬底材料，其中蓝宝石由于具有化学稳定性好、生产技术相对成熟等优势而应用最为广泛。
[0004]但是，发明人发现，采用蓝宝石作为GaN基LED的异质衬底也存在很多问题，例如晶格失配和热应力失配会在外延材料中产生大量的位错缺陷，位错缺陷会在外延层中形成非福射复合中心和光散射中心，这将大大降低LED芯片的内量子效率，不仅如此，由于GaN外延层和支撑衬底之间存在较大的折射率差异，光在GaN外延层和蓝宝石的界面处会发生全反射现象，从而降低了 LED芯片的光萃取效率(即外量子效率)。为解决上述问题，业界研发了图形化衬底技术，其不仅通过减少晶格缺陷(或晶格失配)而提高了 LED外延的晶体质量，从而提高其内量子效率；而且通过增加界面(外延层与衬底的界面)处的散射或漫反射作用而提高了 LED芯片的光萃取效率(或者说提高了 LED芯片的外量子效率)。所以，近年来无论是锥状结构的干法图形化衬底技术还是金字塔形状的湿法图形化衬底技术都得到了飞速的发展，图形化成为了 LED芯片的主流衬底，使LED的晶体结构和发光亮度都得到了革命性的提高。
[0005]为了应对LED高发光亮度的挑战，进入高端照明领域，LED行业的科研工作者在成熟的LED结构的基础上进行创新，提出了高压LED芯片、倒装LED芯片、高压倒装LED芯片和垂直LED芯片等结构。
[0006]高压LED芯片结构一般是在外延层形成后，通过光刻刻蚀工艺形成隔离槽，再在隔离槽内填充绝缘材料，最后在各绝缘分离的外延层上制作电极并形成串联结构；由于此种结构的LED芯片扩大了 LED芯片的发光面积，所以其对外延层的晶体质量提出了更高的挑战，即，对外延和衬底的晶格匹配度提出了更高的挑战。
[0007]与正装LED芯片相比，在LED芯片面积确定的情况下，倒装结构的LED芯片的发光面积更大，所以在面对高端照明领域高发光亮度需求的挑战时更具优势。然而，倒装LED芯片结构是在N面出光的，由于蓝宝石的折射率低于氮化镓的折射率，所以外延层射出来的光会在蓝宝石和衬底界面上发生全反射，导致较多的光不能发射出来，尤其是目前应用于LED芯片结构中主流的图形化衬底又具有散射和漫反射作用，更容易导致较多的光不能发射出来，减少了出光效率。但若不采用图形化衬底技术，LED芯片的内量子效率就不能充分发挥。
[0008]高压倒装LED芯片面临着高压LED芯片和倒装LED芯片所面临的双重挑战。
[0009]垂直LED芯片结构适于大电流的注入，可以进一步提高LED芯片的发光亮度，然而垂直结构LED芯片需要复杂且昂贵的紫外激光剥离设备来实现生长衬底与外延层的分离，并且在剥离的过程中，由于激光脉冲引起的次声波效应使得大量应力集中在芯片内部，会导致制作的垂直LED芯片具有较大的漏电流，即，成本高、成品率低。
[0010]综上所述，研发出一种GaN衬底的制作方法，以解决LED发光亮度提升受限的问题是非常必要的。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种GaN衬底的制作方法，以解决上述问题。
[0012]本发明提供一种GaN衬底的制作方法，包括:
[0013]提供一支撑衬底；
[0014]在所述支撑衬底上形成晶格匹配层；
[0015]在所述晶格匹配层上形成具有图形化结构的介质层，所述具有图形化结构的介质层暴露出部分所述晶格匹配层；
[0016]在所述晶格匹配层以及介质层上生长GaN材料层；
[0017]通过高温工艺使所述介质层与晶格匹配层发生反应，以使所述晶格匹配层与所述支撑衬底完全脱离，所述高温工艺的温度大于1200°C ;
[0018]平坦化所述GaN材料层，形成GaN衬底。
[0019]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述支撑衬底为蓝宝石衬底、氧化锌衬底、硅衬底或者碳化硅衬底。
[0020]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述晶格匹配层为GaN、AlN以及AlGaN中的一种或多种。
[0021]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，通过LPCVD、M0CVD、HVPE、MBE或溅射工艺形成所述晶格匹配层。
[0022]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述介质层为氧化钛、氮化钛以及氮氧化钛中的一种或多种。
[0023]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述图形化结构为柱状结构。
[0024]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述柱状结构是柱状空洞，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状空洞。
[0025]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述柱状结构为圆柱形空洞、椭圆柱形空洞或多棱柱状空洞。
[0026]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述柱状结构是柱状凸起，所述氮化镓衬底材料填满所述柱状凸起之间的空隙。
[0027]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述柱状结构为圆柱形凸起、椭圆柱形凸起或多棱柱状凸起。
[0028]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，通过MOCVD、HVPE或MBE工艺生长GaN材料层。
[0029]可选的，在所述的GaN衬底的制作方法中，所述高温工艺的温度范围是1500°C?2000。。。
[0030]与现有技术相比，本发明提供的GaN衬底的制作方法，具有如下优点:
[0031]首先，所述制作方法在支撑衬底上形成的晶格匹配层及图形化结构能够保证GaN衬底的晶体质量，并且后续在GaN衬底上形成的GaN外延层与GaN衬底属于同质材料，所以其晶体质量和发光亮度(主要指内量子效率)都能得到革命性的变革；
[0032]其次，由于GaN衬底属于半导体材料，制作垂直结构的LED芯片时，无需再进行价格昂贵其成品率低的激光剥离技术，与传统的蓝宝石衬底相比，GaN衬底更具成本优势；
[0033]此外，所述制作方法在形成GaN衬底后，所述支撑衬底如蓝宝石衬底还可以重复利用；
[0034]总之，利用本发明制成的GaN衬底代替现有的异质衬底如蓝宝石衬底制作LED芯片时，可使LED芯片的晶体质量和发光亮度都得到革命性的变革，并且在成本上更具优势。
【附图说明】
[0035]图1是本发明实施例一中GaN衬底制作方法的流程示意图；
[0036]图2是本发明实施例一中形成晶格匹配层后的剖面图；
[0037]图3是本发明实施例一中形成图形化结构后的剖面图；
[0038]图4是本发明实施例一中形成图形化结构后的俯视图；
[0039]图5是本发明实施例一中形成GaN材料层后的剖面图；
[0040]图6是本发明实施例一中介质层与晶格匹配层发生反应的示意图；
[0041]图7是本发明实施例一中GaN材料层与支撑衬底脱离后的示意图；
[0042]图8是本发明实施例一中GaN衬底的剖面图；
[0043]图9是本发明实施例二中形成图形化结构后的剖面图；
[0044]图10是本发明实施例二中形成图形化结构后的俯视图。
【具体实施方式】
[0045]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的GaN衬底的制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0046]如图1所示，本发明提供一种GaN衬底的制作方法，包括如下步骤:
[0047]S1:提供一支撑衬底；
[0048]S2:在所述支撑衬底上形成晶格匹配层；
[0049]S3:在所述晶格匹配层上形成具有图形化结构的介质层，所述具有图形化结构的介质层暴露出部分所述晶格匹配层；
[0050]S4:在所述晶格匹配层以及介质层上生长GaN材料层；
[0051]S5:通过高温工艺使所述介质层与晶格匹配层发生反应，以使所述晶格匹配层与所述支撑衬底完全脱离，所述高温工艺的温度大于1200°