用于制备半导体发光装置的方法
【专利说明】用于制备半导体发光装置的方法
[0001]本发明专利申请是基于2009年6月2日提交的发明名称为“用于制备半导体发光装置的支撑衬底和使用支撑衬底的半导体发光装置”的中国专利申请200980130052.8号的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种用于使用多层发光结构薄膜的用于制备半导体发光装置的支撑衬底，以及一种用于使用所述用于制备半导体发光装置的支撑衬底来制备半导体发光装置的方法。
[0003]更特别地，在上下欧姆接触电极结构中垂直构造的II1-V族氮基半导体发光装置中，它涉及一种半导体发光装置，通过用晶片粘结的方式将形成于初始衬底(例如，Al2O3,SiC, Si, GaAs, GaP)上以生长II1-V族氮基半导体的多层发光结构薄膜和用于制备半导体发光装置的支撑衬底进行粘结(bond)，然后通过用激光剥离、化学机械研磨或者湿式蚀刻工艺将所述多层发光结构薄膜从所述初始衬底上分离/除去，使得对半导体单晶多层发光结构薄膜造成的损坏最小化，从而改善了整体性能。
【背景技术】
[0004]通常，半导体发光装置具有在正向电流流动时发光的发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。特别的是，所述LED和LD具有常见的p-n结，当在所述发光装置上施加电流时，电流被转化为光子，所述发光装置因而发出光。根据半导体的材料，所述LED和LD发出来的光具有从长波长到短波长的各种波长。尤其是，由宽带隙(band-gap)半导体制成的LED可提供可见频带中的红光、绿光和蓝光，并且已经广泛用在工业中，诸如用于电子装置的显示器、交通灯和用于显示装置的各种光源。由于近年来白色光的发展，它将被广泛用作下一代发光的光源。
[0005]II1-V族氮基半导体通常是异质外延地(hetro-epitaxially)生长在蓝宝石、碳化硅(SiC)、或者硅(Si)的上方部分上，以获得高质量的半导体薄膜，所述蓝宝石、碳化硅和硅是具有显著不同的晶格常数和热膨胀系数的初始衬底。但是，由于所述蓝宝石初始衬底的导热性差，而不能在LED上使用大的电流。由于所述蓝宝石初始衬底是电绝缘体，因而难以对从外部流入的静电做出反应，因静电而造成故障的可能性高。这些缺陷不仅会降低装置的可靠性，而且会造成封装工艺上的很多限制。
[0006]进一步而言，绝缘体的所述蓝宝石初始衬底具有MESA结构，其中在与多层发光结构的生长方向相同的生长方向上形成η型欧姆接触电极(下文称为“第一欧姆接触电极”)和P型欧姆接触电极(下文称为“第二欧姆接触电极”)二者。由于LED芯片区域会高于某个尺寸，这限制了 LED芯片区域的减小，妨碍了 LED芯片产量的提高。
[0007]除了所述生长在作为初始衬底的蓝宝石衬底的上方部分上的MESA结构的LED的这些缺点之外，由于所述蓝宝石衬底的导热性差，因此难以将在所述发光装置工作期间不可避免所产生的大量热量向外释放。由于这些原因，限制了将附有蓝宝石衬底的MESA结构用到大面积和大功率(即，大电流)的发光装置中，诸如，大显示器和普通照明的灯。当在发光装置上长时间应用高电流时，所产生的热量致使发光有源层(active layer)的内部温度逐渐升高，从而逐渐降低了 LED发光的效率。
[0008]与蓝宝石衬底不同的是，碳化硅(SiC)衬底不仅具有优良的导热和导电性，而且允许层叠和生长多层发光结构薄膜，因为它具有与II1-V族氮基半导体类似的晶格常数和热膨胀系数(TEC)，这些是在半导体单晶薄膜生长中的重要因素。进一步而言，它允许制造各种类型的垂直构造的发光装置。但是，由于高质量的SiC衬底不容易生产，制造它比制造其它单晶衬底更昂贵，因此难以大批量生产。
[0009]因此，最需要的是，根据技术、经济和性能，通过使用层叠在和生长在蓝宝石衬底上的多层发光结构来提供一种高性能的发光装置。如上文所述，通过在蓝宝石初始衬底的上方部分上生长高质量的多层发光结构薄膜、从所述蓝宝石衬底上剥离所述II1-V族氮基半导体多层发光结构薄膜、以及使用该产物，人们作出了许多努力来制造作高性能的垂直构造的LED，目的是为了解决与通过使用层叠/生长在作为初始衬底的蓝宝石衬底的上方部分的II1-V族氮基半导体多层发光结构的薄膜所制造的所述MESA构造的LED相关联的冋题。
[0010]图1是图示通过使用现有的激光剥离(LLO)工艺来制备蓝宝石初始衬底的过程的剖视图。如图1所示，当强能量源的激光束照射到透明的蓝宝石初始衬底100的背侧时，其界面处强烈吸收所述激光光束，从而在瞬间产生900°C或者更高的温度，造成所述界面处的氮化镓(GaN)的热化学解离，进而将蓝宝石初始衬底100与氮基半导体薄膜120分离开。但是，在许多文献中都报道了，在II1-V族氮基半导体多层发光结构薄膜的激光剥离工艺中，因为晶格常数和热膨胀系数的差异，由于在厚的蓝宝石初始衬底和II1-V族氮基半导体薄膜之间所产生的机械应力，半导体单晶薄膜会受到损坏或者破损。当所述πι-v族氮基半导体多层发光结构薄膜受到损坏或者破损时，会造成大的泄漏电流，降低了所述发光装置的芯片产量，以及降低了所述发光装置的整体性能。因此，当前正在研宄通过使用可以使II1-V族氮基半导体多层发光结构薄膜和分开的半导体单晶薄膜受到的破坏最小化的蓝宝石衬底剥离工艺来制造高性能的垂直结构的LED。
[0011]人们已经建议用各种方法使得在用LLO工艺分离蓝宝石初始衬底时使II1-V族氮基半导体多层发光结构薄膜的损坏和破坏最小化。图2是图示根据现有技术，在应用LLO工艺之前，通过应用晶片粘结、电镀或者无电镀工艺，在生长方向形成坚硬的支撑衬底，以防止半导体多层发光结构薄膜的损坏或者破裂的工艺的剖视图。参考图2中的(a)，在通过用激光束照射到由透明的蓝宝石制成的初始衬底的背侧以剥离半导体单晶多层发光结构薄膜210、220之前，在粘结层230的上方部分上形成通过用晶片粘结的方式牢固地粘结且结构稳固的支撑衬底240。参考图2的(b)所示，在从由蓝宝石制成的初始衬底200上剥离半导体单晶多层发光结构薄膜210、220之前，通过用电镀工艺在晶种层232的上方部分形成牢固地粘结着且结构稳固的支撑衬底242。
[0012]图3是图示根据图2中所用的现有技术的工艺，通过引入所述牢固地粘接着且结构稳固的支撑衬底而制造的垂直构造的II1-V族氮基半导体发光装置的剖视图。
[0013]图3中的(a)所表示的图是图示通过使用制造图2中的(a)所表示的支撑衬底制造方法制造的半导体发光装置的剖视图。参考图3中的(a)所图示的与晶片粘结的LED区，它是用导热和导电体的支撑衬底340、粘结层330、具有第二欧姆接触电极的多层金属层350、第二半导体包覆(cladding)层380、发光活动层370、第一半导体包覆层360以及第一欧姆接触电极390相继地构造的。优选的是使用诸如硅(Si)、锗(Ge)、硅-锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)之类具有优良导电性的半导体晶片作为导电(electro conductive)支撑衬底340。
[0014]但是，如图3中的(a)所示的用于所述垂直构造的发光装置(LED)的支撑衬底340，当通过用晶片粘结的方式粘结Si或者另一种导电性的支撑衬底晶片时，因为它与所述生长有/层叠有所述半导体单晶薄膜的蓝宝石衬底的热膨胀系数(TEC)差别很大，会造成所述半导体多层发光结构内出现明显的晶片翘曲(warpage)和细微裂纹。这样的问题进一步造成工艺难度，降低了由其所制造的LED的性能以及产品的成品率(product yield)。
[0015]图3中的(b)所示的图形是图示通过使用制造图2的(b)中所表示的所述支撑衬底的方法所制造的半导体发光装置的剖视图。参考图3的(b)所示的通过电镀的方式形成的LED的剖视图，通过LLO和电镀工艺所形成的垂直构造的发光装置(LED)是由导电的支撑衬底342、晶种层332、具有第二欧姆接触电极的多层金属层352、第二半导体包覆层380、发光活动层370、第一半导体包覆层360和第一欧姆接触电极390相继地构造而成。导电的支撑衬底342是通过用电镀的方式形成的金属厚膜，优选的是用诸如Cu、N1、W、Au、M0之类的单金属或者由它们组成的合成金属来形成。
[0016]具有图3中的(b)所描述的结构的LED支撑衬底342，由于是通过用电镀的方式形成所述金属或者合金厚膜，因此具有比蓝宝石衬底高很多的热膨胀系数和柔性，从而会造成卷曲、翘曲、破损、等等。
[0017]因此，亟需开发高效的支撑衬底和使用它们来制造高性能的垂直构造的发光装置的方法，以在使用LLO工艺来制造垂直构造的II1-V族氮基半导体发光装置时，解决晶片的翘曲、破损、微裂纹、退火(annealing)和分割(singulate)芯片工艺、后处理问题、低成品率，等等问题。
【发明内容】
[0018]【技术问题】
[0019]本发明提供一种用于制备半导体发光装置的支撑衬底，当生长有和层叠有具有II1-V族氮基半导体多层发光结构的薄膜的蓝宝石衬底通过用粘结材料与支撑衬底进行晶片粘结时，在LLO工艺之后，不会造成晶片翘曲、或具有半导体多层发光结构的薄膜内出现破损和微裂纹。
[0020]本发明还提供一种使用所述制备半导体发光装置用支撑衬底，通过在蓝宝石初始衬底的上方部分上层叠/生长由II1-V族氮基半导体单晶体所构成的多层发光结构薄膜、以及应用LLO工艺使半导体单晶体薄膜的损坏和破裂最小化，所制造的高性能的垂直构造的πι-v族氮基半导体发光装置。
[0021]本发明还提供一种方法来制造高性能的垂直构造的II1-V族氮基半导体发光装置。
[0022]【技术方案】
[0023]为了解决上述的技术问题，本发明的一方面特征在于提供一个用于制备半导体发光装置的支撑衬底，它可以包括:由电绝缘材料形成的选定支撑衬底；通过层叠在选定支撑衬底的上方部分而形成的牺牲层；通过将具有高导热性和导电性的金属、合金或者固溶体层叠在所述牺牲层的上方部分而形成的散热层；和通过层叠在所述散热层的上方部分而形成的粘结层。所述支撑衬底用作支撑垂直构造的半导体发光装置的支撑衬底。
[0024]选定支撑衬底的电绝缘材料可以与初始衬底具有2ppm的差异或者更小差异的热膨胀系数。所述的选定支撑衬底的电绝缘材料可以是从由蓝宝石(Al2O3)、氮化铝(AlN)、Mg0、AlSiC、BN、Be0、Ti02、Si0#P玻璃所组成的组中所选择的单晶体、多晶体或者非晶体物质。
[0025]所述牺牲层可以是与氮气或者氧气结合(bond)在一起的单晶体、多晶体或者非晶体物质，所述物质可以是从由 GaN、InGaN, ΖηΟ、ΙηΝ、Ιη203、ITO、SnO2、Si3N4、S12、BeMgO 和MgZnO所组成的组中所选择的至少一种物质。
[0026]进一步而言，如果是通过用化学蚀刻的方式将所述牺牲层从选定支撑衬底上分离开，那么所述牺牲层可以是从由金属、合金、固溶体、氧化物、氮化物和耐热(thermophile)有机材料所组成的组中所选择的至少一种材料。
[0027]进一步而言，如果牺牲层是由隔热粘性材料合成，那么所述牺牲层可以是从由耐热性粘接剂、硅酮(silicone)粘接剂和聚乙烯醇缩丁醛树脂所组成的组中选择的至少一种材料。
[0028]进一步而言，如果所述牺牲层是SOG (旋涂玻璃)薄膜，则所述牺牲层可以是硅酸盐或者硅酸材料，如果所述牺牲层是SOD (旋涂电介质)，所述牺牲层可以是从由硅酸盐、娃氧烧、甲基倍半娃氧烧(methyl silsequ1xane) (MSQ)、氢倍半娃氧烧(hydrogensilsequ1xane) (HSQ)、MQS+HSQ、全氢娃氮烧(perhydrosilazane) (TCPS)和聚娃氮烧所组成的组中所选择的至少一种材料。
[0029]进一步而言，如果所述牺牲层是由光刻胶制成，则所述牺牲层可以是从由AZ系列、SU-8系列、TLOR系列、TDMR系列和GXR系列所组成的组中所选择的至少一个。
[0030]可以根据选定支撑衬底、分离方法和最终要制造的垂直结构的特性来适当地选择用作所述牺牲层的成分(composit1n)。
[0031]散热层的厚度可以是0.1ym至500 μ m。形成所述散热层的金属、合金或者固溶体可以包括从由Cu、N1、Ag、Mo、Al、Au、Nb、W、T1、Cr、Ta、Al、Pd、Pt和Si所组成的组中所选择的至少一种材料。
[0032]所述粘结层可以是一种软钎焊或硬钎焊合金材料，包括从由Ga、B1、In、Sn、Pb、Au、Al、Ag、Cu、N1、Pd、Si和Ge所组成的组中所选择的至少一种材料。
[0033]层叠在/形成在所述选定支撑衬底的上方部分的所述牺牲层、所述散热层和所述粘结层可以通过物理气相沉积法、化学气相沉积法或者电化学沉积法形成，所述牺牲层可以通过从由电子束蒸发器、热蒸发器、MOCVD (金属有机化合物化学气相淀积)、溅镀