复合衬底及其制备方法、发光二极管芯片的制备方法与流程

本申请涉及发光二极管领域，尤其涉及一种复合衬底及其制备方法，基于该复合衬底，本申请还尤其涉及一种垂直结构发光二极管芯片的制备方法。

背景技术：

蓝绿发光二极管芯片包括水平结构发光二极管芯片和垂直结构发光二极管芯片，其中，水平结构发光二极管芯片由于采用蓝宝石衬底作基板，其导热性较差，影响芯片的可靠性，特别是在大功率照明方面对散热要求较高的情形下，水平结构发光二极管芯片的劣势更加明显。

而垂直结构发光二极管芯片由于其可以采用导热性能较好的基板如硅基板，其具有较高的可靠性和较好的电流扩散效果，成为目前发光二极管发展的重要方向之一。

垂直结构发光二极管芯片的衬底包括碳化硅(SiC)衬底和蓝宝石衬底。目前，由于蓝宝石衬底较SiC衬底便宜而且容易获取，因而采用蓝宝石衬底是垂直结构发光二极管芯片最常用的衬底。

为制作垂直结构发光二极管芯片必须将蓝宝石衬底剥离。目前，最主要广泛采用的蓝宝石衬底剥离技术是激光剥离技术。采用激光剥离技术一方面需要采用昂贵的激光剥离设备，另一方面剥离是靠激光烧蚀外延层界面，剥离的成品率不高，特使是目前广泛应用的4、6寸蓝宝石衬底，由于外延工艺使得最终生长出来的外延片翘曲度大，整片外延片的剥离层往往不是在同一水平面上，使得激光的聚焦蚀刻点更不容易、剥离的成品率更低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供了一种复合衬底及其制备方法，以通过湿法剥离技术实现垂直结构发光二极管的衬底和外延结构有效剥离。

此外，本申请还提供了一种垂直结构发光二极管芯片的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种复合衬底的制备方法，包括：

提供外延衬底；

在所述外延衬底上形成第一图形层，所述第一图形层包括多个相互隔离的第一突起结构，所述多个相互隔离的第一突起结构之间存在间隙；

在所述间隙上形成第一氮化镓层，所述第一氮化镓层的厚度小于所述第一突起结构的高度；

在所述第一突起结构上以及所述第一氮化镓层上形成第二图形层，所述第二图形层包括多个第二突起结构，各个所述第二突起结构相互连接在一起；

所述第一图形层和所述第二图形层的材料均为能够被湿法腐蚀液所腐蚀的材料。

可选地，所述第一氮化镓层的厚度不超过所述第一突起结构的高度的2/3。

可选地，每个所述第二突起结构覆盖至少一个所述第一突起结构。

可选地，所述第一图形层和/或所述第二图形层的材料包括SiO₂、SiN、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、AlInP和GaInP中的至少一种。

可选地，所述第一突起结构和/或所述第二突起结构包括鼓出的圆包、子弹头、锥形、金字塔、圆台和梯形台结构中的至少一种。

一种复合衬底，包括：

外延衬底；

形成在所述外延衬底上的第一图形层；所述第一图形层包括多个相互隔离的第一突起结构，所述多个相互隔离的第一突起结构存在存在间隙；

形成在所述间隙之上的第一氮化镓层，所述第一氮化镓层的厚度小于所述第一突起结构的高度；

形成在所述第一突起结构上以及所述第一氮化镓层上的第二图形层；所述第二图形层包括多个第二突起结构，各个所述第二突起结构相互连接在一起；所述第一图形层和所述第二图形层的材料均为能够被湿法腐蚀液所腐蚀的材料。

可选地，所述第一氮化镓层的厚度不超过所述第一突起结构的高度的2/3。

可选地，每个所述第二突起结构覆盖至少一个所述第一突起结构。

可选地，所述第一图形层和/或所述第二图形层的材料包括SiO₂、SiN、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、AlInP和GaInP中的至少一种。

一种垂直结构发光二极管芯片的制备方法，包括：

采用上述任一实施方式所述的制备方法制备复合衬底；

在所述复合衬底上依次外延形成第二氮化镓层、第一掺杂类型的氮化镓层、多量子阱结构、电子阻挡层、第二掺杂类型的氮化镓层和欧姆接触层；其中，所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型的导电类型相反；

在所述欧姆接触层上形成导电层；

在所述导电层上形成金属反射镜层；

将导电基板的第一表面与所述金属反射镜层连接在一起；

采用湿法腐蚀方法蚀刻第一图形层和第二图形层，以使所述第一图形层和第二图形层空心化，从而将所述外延衬底以及所述第一氮化镓层从所述第二氮化镓层上剥离掉；

蚀刻所述第二氮化镓层直至露出第一掺杂类型的氮化镓层，从而在所述第一掺杂类型的氮化镓层上形成第一电极的制作区域；

在所述第一电极的制作区域形成第一电极；

在所述第一电极的周围形成第一电极隔离层，以使所述第一电极与所述多量子阱结构、电子阻挡层、第二掺杂类型的氮化镓层、欧姆接触层实现隔离；

在所述导电基板的第二表面上形成第二电极；所述第一表面和所述第二表面相对。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

通过本申请提供的复合衬底的制备方法制备出的复合衬底中，由于夹在第一图形层和第二图形层之间的第一氮化镓层的厚度小于第一突起结构的高度，所以，第一图形层上的第一突起结构和第二图形层上的第二突起结构能够相互连接贯通，而且又由于第二图形层上的各个第二突起结构相互连接在一起，如此，第一图形层和第二图形层能够形成一整体相互连接的可被湿法腐蚀溶液所腐蚀的图形。如此，湿法腐蚀溶液一旦从复合衬底的侧面开始腐蚀图形层时，其能够较好地渗入蚀刻到每个突起结构(包括第一突起结构和第二突起结构)，如此方便后续外延衬底的腐蚀剥离。

此外，形成在第一图形层和第二图形层之间的第一氮化镓层可以看作是其上镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构的一整体层结构，从该整体层结构突出的第一突起结构部分可以作为后续外延层的晶核，因而，该整体层结构有利于生长出晶体质量较好的氮化镓晶体。在该晶体质量较好的氮化镓晶体上生长出的第二氮化镓层的晶体质量也较好，进而能够保证在复合衬底上后续外延生长的发光二极管的晶体质量，从而保证发光二极管的发光效率。

附图说明

为了清楚地理解本申请的技术方案，下面将描述本申请具体实施方式时用到的附图做一简要说明。

图1是本申请实施例提供的复合衬底的制备方法流程示意图；

图2A至图2D是本申请提供的复合衬底的制备方法中一系列制程对应的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的垂直结构二极管芯片的制备方法的流程示意图；

图4A至图4J为本申请实施例提供的垂直结构二极管芯片的制备方法中一系列制程对应的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细描述。

图1是本申请实施例提供的复合衬底的制备方法流程示意图。图2A至图2D是本申请提供的复合衬底的制备方法中一系列制程对应的结构示意图。

如图1所示，该制备方法包括以下步骤：

S101、提供外延衬底20：

作为示例，所述外延衬底可以为蓝宝石衬底。此外，外延衬底还可以为：硅衬底，SiC等其它Ⅲ/Ⅴ、Ⅱ/Ⅵ族半导体衬底。图2A是提供的外延衬底20的结构示意图。需要说明，该外延衬底20可以为表面平整的衬底。

S102、在所述外延衬底20上形成第一图形层21，所述第一图形层21包括多个相互隔离的第一突起结构211，所述多个相互隔离的第一突起结构211之间存在间隙212：

本步骤可以具体为，采用本领域惯用的技术手段在外延衬底20上形成第一材料层，然后对该第一材料层进行干法蚀刻，形成第一图形层21。图2B(1)和图2B(2)分别是执行完该步骤后对应的截面结构示意图和俯视图。

如图2B(1)和图2B(2)所示，形成的第一图形层21上包括多个相互隔离的第一突起结构211，该多个相互隔离的第一突起结构211之间存在间隙212。

为了后续通过湿法腐蚀方法能够将第一图形层腐蚀掉，用于制备第一图形层的材料为能够被湿法腐蚀溶液所腐蚀的材料。作为示例，用于制备第一图形层的材料可以包括SiO₂、SiN、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、AlInP和GaInP中的至少一种。

需要说明，设置在第一图形层21上的多个相互隔离的第一突起结构211可以均匀分布在第一图形层21上。作为示例，第一突起结构211可以包括从第一图形层21的底面上鼓出的圆包、子弹头、锥形、金字塔、圆台和梯形台结构中的至少一种。

需要说明，由于第一突起结构211之间相互隔离，所以，存在于第一突起结构211之间的间隙212能够相互连接在一起，形成一其间镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构的整体结构。

作为示例，可以采用蒸镀的方法在外延衬底20上形成一层SiO₂材料层。然后对SiO₂材料层进行干法蚀刻，从而形成包括多个相互隔离的第一突起结构211的第一图形层21。

S103、在所述间隙212上形成第一氮化镓层22，所述第一氮化镓层22的厚度小于所述第一突起结构211的高度：

作为示例，如图2C所示，可以采用本领域惯用的技术手段例如MOCVD(metal oxide chemical vapor deposition，金属氧化物化学气相沉积)工艺在外延衬底20上的间隙212上外延第一氮化镓层22，且该第一氮化镓层22的厚度小于第一突起结构211的高度，如此，第一突起结构211靠近上端的部分没有被第一氮化镓层22所掩埋，其暴露在外。该第一突起结构211上暴露在外的部分能够与后续第二图形层23上的第二突起结构连接在一起，从而使第一图形层21和第二图形层23形成整体层结构。

作为一示例，所述第一氮化镓层22的厚度不超过所述第一突起结构211的高度的2/3。作为一更具体实施例，所述第一氮化镓层22的厚度是所述第一突起结构211的高度的2/3。当第一氮化镓层22的厚度是第一突起结构211的高度的2/3时，第一氮化镓层22的厚度不会太薄，如此，形成的第一氮化镓层22的晶体质量较好，而且，暴露在外的第一突起结构211能够与后续形成的第二图形层23上的第二突起结构231形成较好的连接，从而使得第一突起结构211和第二突起结构231之间能够形成一稳定的整体结构。

需要说明，在本申请实施例中，形成的第一氮化镓层22为非故意掺杂层即u-GaN。由于存在于第一突起结构211之间的间隙212能够相互连接在一起，形成一其间镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构211的整体结构，所以，形成在外延衬底20上的间隙212上的第一氮化镓层22也为一整体层结构，并且该整体层结构上镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构211。

由于第一氮化镓层22为一整体层结构，如此，形成的氮化镓晶体质量较好，而且该第一氮化镓层22为后续外延层的成核层，所以，该晶体质量较好的第一氮化镓层22能够保证后续外延层的晶体质量，进而能够保证发光二极管的发光效率。

S104、在所述第一突起结构211上以及所述第一氮化镓层22上形成第二图形层23，所述第二图形层23包括多个第二突起结构231：

如图2D所示，本步骤可以采用蒸镀设备在第一突起结构211上以及第一氮化镓层22上形成第二材料层，然后对该第二材料层进行干法蚀刻，形成包括多个第二突起结构231的第二图形层23。

为了后续通过湿法腐蚀方法能够将第二图形层腐蚀掉，用于制备第二图形层的材料为能够被湿法腐蚀溶液所腐蚀的材料。作为示例，用于制备第二图形层的材料可以包括SiO₂、SiN、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、AlInP和GaInP中的至少一种。

需要说明，设置在第二图形层23上的多个第二突起结构231可以均匀分布在第二图形层23上。作为示例，第二突起结构231可以包括从第二图形层21的底面上鼓出的圆包、子弹头、锥形、金字塔、圆台和梯形台结构中的至少一种。

由于第二图形层23被湿法溶液腐蚀时，腐蚀溶液是从第二图形层的侧面进入第二图形层开始腐蚀，因此，为了后续能够将第二图形层23上的所有第二突起结构231均被腐蚀溶液所腐蚀掉，位于第二图形层23上的各个所述第二突起结构231相互连接在一起，更具体地说，鉴于第二突起结构231通常为底大顶小的形状，所以，位于第二图形层23上的各个第二突起结构231的底边相互连接在一起。如此，腐蚀溶液能够深入到第二图形层23上的每一个第二突起结构231上。

此外，由于第一氮化镓层22的厚度小于第一图形层21上的第一突起结构211的高度，所以，形成在第二图形层23上的第二突起结构231能够与其下方的未被第一氮化镓层22掩埋的第一突起结构部分连接在一起，从而使得第一图形层与第二图形层连接在一起，形成一个包括两层图形层的图形层结构。如此，腐蚀溶液一旦进入到第二图形层23上进行腐蚀第二突起结构231时，随着腐蚀过程的进行，腐蚀溶液也能够渗入到第一图形层上的各个第一突起结构，从而将各个第一突起结构211腐蚀掉。

需要说明，为了加快湿法腐蚀速率，第二突起结构231的底面积大于第一突起结构211的底面积，作为更具体实施例，每个所述第二突起结构231覆盖至少两个所述第一突起结构211。作为示例，每个第二突起结构231覆盖4个第一突起结构211。

以上为本申请实施例提供的复合衬底的制备方法的具体实施方式。通过该具体实施方式制备出的复合衬底如图2D所示，其包括：

外延衬底20；

形成在所述外延衬底20上的第一图形层21；所述第一图形层21包括多个相互隔离的第一突起结构211，所述多个相互隔离的第一突起结构211存在存在间隙212；

形成在所述间隙212之上的第一氮化镓层22，所述第一氮化镓层22的厚度小于所述第一突起结构211的高度；

形成在所述第一突起结构211上以及所述第一氮化镓层22上的第二图形层23；所述第二图形层23包括多个第二突起结构231，各个所述第二突起结构231相互连接在一起；

所述第一图形层和所述第二图形层的材料均为能够被湿法腐蚀液所腐蚀的材料。

通过上述复合衬底的整体结构可以认为：第一氮化镓层22夹在第一图形层21和第二图形层23之间，由于夹在第一图形层21和第二图形层23之间的第一氮化镓层22的厚度小于第一突起结构211的高度，所以，第一图形层21上的第一突起结构211和第二图形层上23的第二突起结构231能够相互连接贯通，而且又由于第二图形层23上的各个第二突起结构231相互连接在一起，如此，第一图形层21和第二图形层23能够形成一整体相互连接的可被湿法腐蚀溶液所腐蚀的图形。如此，湿法腐蚀溶液一旦从复合衬底的侧面开始腐蚀图形层时，其能够较好地渗入蚀刻到每个突起结构(包括第一突起结构211和第二突起结构231)，如此方便后续外延衬底20的腐蚀剥离。

此外，形成在第一图形层21和第二图形层23之间的第一氮化镓层22可以看作是其上镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构211的一整体层结构，从该整体层结构突出的第一突起结构211部分可以作为后续外延层的晶核，因而，该整体层结构有利于生长出晶体质量较好的氮化镓晶体。在该晶体质量较好的氮化镓晶体上生长出的第二氮化镓层24的晶体质量也较好，进而能够保证在复合衬底上后续外延生长的发光二极管的晶体质量，从而保证发光二极管的发光效率。

基于上述实施例提供的复合衬底及其制备方法，本申请实施例还提供了一种垂直结构发光二极管芯片的制备方法的具体实施方式。

下面结合附图3以及图4A至图4J详细描述本申请实施例提供的垂直结构发光二极管芯片的制备方法的具体实施方式。

图3是本申请实施例提供的垂直结构二极管芯片的制备方法的流程示意图。图4A至图4J为本申请实施例提供的垂直结构二极管芯片的制备方法中一系列制程对应的结构示意图。

如图3所示，本申请提供的垂直结构二极管芯片的制备方法包括以下步骤：

S301、采用上述任一实施方式所述的复合衬底制备方法制备复合衬底40：

如图4A所示，复合衬底40的结构与上述实施例制备出的复合衬底的结构相同。

S302、在所述复合衬底40上依次外延形成第二氮化镓层41、N型氮化镓层42、多量子阱结构43、电子阻挡层44、P型氮化镓层45和欧姆接触层46：

如图4B所示，采用本领域惯用的技术手段在复合衬底40上依次外延形成第二氮化镓层41、N型氮化镓层42、多量子阱结构MQW(multiple quantum well)43、电子阻挡层EBL(electron-blocking layer)44、P型氮化镓层45和欧姆接触层46。

S303、在所述欧姆接触层46上形成导电层47：

如图4C所示，在欧姆接触层46上形成导电层47。更具体地，该导电层47的材料为ITO。

S304、在所述导电层47上形成金属反射镜层48：

如图4D所示，在导电层47上形成金属反射镜层48。

S305、将导电基板49的第一表面与所述金属反射镜层48连接在一起：

需要说明，导电基板49包括相对的第一表面和第二表面。将导电基板49的第一表面与金属反射镜层48连接在一起。作为示例，可以采用键合工艺把导电基板49的第一表面键合在所述金属反射镜层48上。作为示例，导电基板49可以为硅基板。作为本申请的一具体实施例，如图4E所示，采用倒装键合工艺将导电基板48的第一表面键合在金属反射镜层48上。

S306、采用湿法腐蚀方法蚀刻第一图形层21和第二图形层23，以使所述第一图形层21和第二图形层23空心化，从而将所述外延衬底20以及所述第一氮化镓层22从所述第二氮化镓层41上剥离掉：

本步骤可以具体为：将通过上述步骤S301至S305形成的结构浸泡在腐蚀溶液中，并震荡腐蚀溶液，以加速湿法腐蚀速率，使腐蚀溶液蚀刻第一图形层21和第二图形层23，以使所述第一图形层21和第二图形层23空心化，从而将所述外延衬底20以及所述第一氮化镓层22从所述第二氮化镓层41上剥离掉。执行完步骤S306之后对应的结构示意图如图4F所示。

需要说明，湿法腐蚀溶液从第二图形层23的侧面开始腐蚀，由于第一图形层和第二图形层23通过分别设置在其上的第一突起结构211和第二突起结构231连接在一起形成一整体层结构，所以，一旦腐蚀溶液开始腐蚀第二图形层23上的第二突起结构，随着腐蚀过程的进行，该腐蚀溶液就能渗入到第一突起结构211的内部，实现对第一突起结构211的腐蚀，从而能够实现第一图形层21和第二图形层23的空心化，从而将所述外延衬底20以及所述第一氮化镓层22从所述第二氮化镓层41上剥离掉。

S307、蚀刻所述第二氮化镓层41直至露出N型氮化镓层42，从而在所述N型氮化镓层42上形成第一电极的制作区域410：

作为示例，可以采用ICP(inductively coupled plasma，感应耦合电浆)蚀刻方法蚀刻所述第二氮化镓层41直至露出N型氮化镓层42，从而在所述N型氮化镓层42上形成第一电极的制作区域410。该步骤执行完对应的结构示意图如图4G所示。

S308、在所述第一电极的制作区域410形成第一电极411：

采用本领域惯用的技术手段在第一电极的制作区域410上形成第一电极411。该步骤执行完对应的结构示意图如图4H所示。

S309、在所述第一电极411的周围形成第一电极隔离层412，以使所述第一电极411与所述多量子阱结构43、电子阻挡层44、P型氮化镓层45、欧姆接触层46实现隔离：

采用本领域惯用的技术手段在所述第一电极411的周围形成第一电极隔离层412，以使所述第一电极411与所述多量子阱结构43、电子阻挡层44、P型氮化镓层45、欧姆接触层46实现隔离。该步骤执行完对应的结构示意图如图4I所示。

S310、在所述导电基板49的第二表面上形成第二电极413。

采用本领域惯用的技术手段在所述导电基板49的非连接表面上形成第二电极413。该步骤执行完对应的结构示意图如图4J所示。

以上为本申请实施例提供的垂直结构发光二极管芯片的制备方法的具体实施方式。

相较于现有技术中采用激光剥离方式实现衬底的剥离的方法，本发明采用湿法腐蚀方法实现衬底的剥离的方式具有以下优点：

本申请在剥离衬底时，采用湿法腐蚀方法进行剥离，湿法腐蚀设备相较于激光设备的成本较低。

由于替代了激光剥离技术，因此，该具体实施方式能够避免激光剥离工艺中由于键合工艺不均匀等问题引起的碎片现象，提高了垂直结构芯片的良品率。

此外，本申请采用的外延衬底可以为本领域惯用的半导体衬底，如此，为制备垂直结构发光二极管提供了更广泛的原材料选材。此外，该外延衬底不限定为SiC衬底，因此，该制备方法还具有制作成本低且原材料来源可靠的优点。

另外，本申请采用的复合衬底中，形成在第一图形层21和第二图形层23之间的第一氮化镓层22可以看作是其上镶嵌有多个相互隔离的第一突起结构211的一整体层结构，从该整体层结构突出的第一突起结构部分可以作为后续外延层的晶核，因而，该整体层结构有利于生长出晶体质量较好的氮化镓晶体。在该晶体质量较好的氮化镓晶体上生长出的第二氮化镓层24的晶体质量也较好，进而能够保证在复合衬底上后续外延生长的发光二极管的晶体质量，从而使得发光二极管的发光效率较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。