用于倒装led芯片的衬底以及外延片的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于半导体光电芯片制造领域，特别涉及一种用于倒装LED芯片的衬底、外延片。
【背景技术】
[0002]氮化镓(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氮化镓衬底材料，可用于氮化镓基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，实用新型人发现，采用蓝宝石作为氮化镓基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辐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，由于氮化镓外延层和蓝宝石衬底之间存在较大的折射率差异，光在氮化镓外延层和蓝宝石的界面层会发生全反射现象，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，成为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尚。
[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、垂直LED芯片和倒装LED芯片等结构。其中，倒装LED芯片结构是将正装芯片倒装焊接于一导电导热性能良好的基板上，使得发热比较集中的发光外延层更接近于散热热尘，使大部分热量通过基板导出，而不是从散热不良的蓝宝石生长衬底导出，这在一定程度上缓解了 LED芯片的散热问题，提高了 LED芯片的可靠性；并且，在LED芯片面积确定的情况下，与其它结构的LED芯片相比，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，实用新型人发现，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；但是如果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。【实用新型内容】
[0006]本实用新型针对上述问题提供一种用于倒装LED芯片的衬底、外延片，既能大幅提高倒装LED芯片的晶体质量(即内量子效率)，又能避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率(即外量子效率)。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于倒装LED芯片的衬底，包括氮化镓衬底材料以及镶嵌于所述氮化镓衬底材料中的具有图形化结构的介质层。
[0008]进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构。
[0009]进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，所述具有图形化结构的介质层为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。
[0010]进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，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。更进一步的，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。
[0011]进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，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。更进一步的，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。
[0012]进一步的，在所述的用于倒装LED芯片的衬底中，还包括位于所述氮化镓衬底材料以及介质层表面的晶格匹配层。所述晶格匹配层为氮化镓或者氮化铝。
[0013]本实用新型还提供一种用于倒装LED芯片的外延片，包括:如上所述的衬底；以及形成于所述衬底上的氮化镓外延层。
[0014]本实用新型提供的用于倒装LED芯片的衬底及外延片，具有如下优点:
[0015]首先，所述衬底采用氮化镓衬底材料，由于氮化镓衬底材料是氮化镓外延层的同质衬底，所以氮化镓衬底材料制成的衬底与氮化镓外延层不存在晶格失配的问题，即提高内量子效率；并且，由于氮化镓衬底材料与氮化镓外延层是同质材料，不存在异质的界面，所以不存在反射的问题，即提高外量子效率；
[0016]其次，所述氮化镓衬底材料中镶嵌有介质层，镶嵌在氮化镓衬底材料中的具有图形化结构的介质层还有利于消除氮化镓外延层中的位错缺陷，减少氮化镓外延层中的非辐射复合中心和光散射中心，从而提尚倒装LED芯片的晶体质量，即提尚内量子效率；进一步的，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构，柱状结构的侧面垂直于衬底的表面，因而柱状结构不具有散射或漫反射作用，所以，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，本实用新型所提供的衬底可避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率，即提高外量子效率；
[0017]总之，本实用新型提供的用于倒装LED芯片的衬底所采用的氮化镓衬底材料和镶嵌在氮化镓衬底材料中的介质层都具有提高内量子效率和外量子效率的双重功能；
[0018]本实用新型所提供的用于倒装LED的衬底的制作方法具有如下优点:
[0019]首先，本实用新型通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层和具有图形化结构的介质层上生长氮化镓衬底材料，氢化物气相外延技术具有制作速度快、生产成本低、可大面积生长以及均匀性好的优点，利用所述氮化镓衬底材料的应力使所述晶格匹配层和蓝宝石衬底完全脱离，无需采用激光剥离工艺，节省了成本，而且还避免了激光剥离工艺对氮化嫁材料所造成损失；
[0020]其次，本实用新型在晶格匹配层和蓝宝石衬底脱离的瞬间，氮化镓衬底材料中镶嵌的具有图形化结构的介质层还可以解决氮化镓材料中残存的应力瞬间释放造成的成品率低的问题；
[0021]最后，脱离下来的蓝宝石可重复利用，降低了制作成本。
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型实施例一在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层和介质层的剖面图；
[0023]图2是晶格匹配层和介质层的俯视图；
[0024]图3?4是本实用新型实施例一氮化镓衬底材料生长过程中的剖面图；
[0025]图5是本实用新型实施例一的蓝宝石衬底完全脱离后的剖面图；
[0026]图6是本实用新型实施例一的晶格匹配层被部分抛光后的剖面图；
[0027]图7是本实用新型实施例一的晶格匹配层被完全抛光后的剖面图；
[0028]图8是本实用新型实施例二在蓝宝石衬底上形成晶格匹配层和介质层的剖面图；
[0029]图9是本实用新型实施例二晶格匹配层和介质层的俯视图；
[0030]图10是本实用新型实施例三晶格匹配层和介质层的俯视图；
[0031]图11是本实用新型实施例四晶格匹配层和介质层的俯视图；
[0032]图12是本实用新型用于倒装LED芯片的衬底制作方法的流程示意图；
[0033]图13是直接在蓝宝石衬底上形成氮化镓衬底材料的应力示意图；
[0034]图14是在形成有介质层上形成氮化镓衬底材料的应力示意图；
[0035]图15是在形成有介质层上形成氮化镓衬底材料后蓝宝石衬底开始脱离时的应力示意图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的用于倒装LED芯片的衬底作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
[0037]实施例一
[0038]如图7所示，本实施例提供一种用于倒装LED芯片的衬底，包括氮化镓衬底材料13以及具有图形化结构的介质层12，所述具有图形化结构的介质层12镶嵌于氮化镓衬底材料13中。
[0039]优选的，所述图形化结构是间隔排布的柱状结构，更进一步，所述图形化结构是周期性排布的柱状结构12a。由于柱状结构的侧面垂直于衬底的表面，因而柱状结构不具有散射或漫反射作用，与传统的图形化衬底上的周期性锥状或台状图形相比，可避免从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高倒装LED芯片的出光效率，即提高外量子效率。
[0040]如图6所示，所述用于倒装LED芯片的衬底还可以包括位于所述氮化镓衬底材料13以及具有图形化结构的介质层12表面的晶格匹配层11。所述晶格匹配层11为氮化镓或者氮化铝。
[0041]如图12所示，并结合图1至图7，本实施例提供一种用于倒装LED芯片的衬底制作方法，包括如下步骤:
[0042]S1:提供一蓝宝石衬底10 ；
[0043]S2:在蓝宝石衬底10上形成与倒装LED芯片的外延层的晶体结构相同的晶格匹配层11 ;
[0044]S3:在所述晶格匹配层11上形成具有具有图形化结构的介质层12，所述具有图形化结构的介质层12暴露出部分所述晶格匹配层11 ;
[0045]S4:在所述晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12上生长氮化镓衬底材料13，直至氮化镓衬底材料13的应力使晶格匹配层11和蓝宝石衬底10完全脱离时停止；
[0046]S5:去除部分或全部晶格匹配层11，从而形成本实施例所述的用于倒装LED芯片的衬底。
[0047]本实施例中，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层11和具有图形化结构的介质层12上生长氮化镓衬底材料13。具体的，通过氢化物气相外延技术在所述晶格匹配层11上生长氮化镓衬底材料13时，所述氮化镓衬底材料13的厚度由生长时间所控制，直至氮化镓衬底材料的应力使晶格匹配层11和蓝宝石衬底10完全脱离时停止生长。例如，所述氮化镓衬底材料的厚度为100 μπι?2000 μ m，所述生长时间为I小时?