一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，包括外延襯底、襯底保護層、氧化剝離層、外延保護層、金屬反射層及外延發(fā)光結構；在外延襯底與外延發(fā)光結構之間設置氧化剝離層，氧化剝離層與外延發(fā)光結構之間設置外延保護層，氧化剝離層與外延襯底之間設置襯底保護層；在外延發(fā)光結構上設置金屬反射層，在金屬反射層上設置基板。本發(fā)明可以解決剝離二極管的外延襯底而導致外延層破損問題，從而可以重復利用襯底，節(jié)約成本。
【專利說明】一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管【技術領域】，特別是指一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構。
【背景技術】
[0002]發(fā)光二極管(LED)具有低功耗、尺寸小和可靠性高等優(yōu)點，作為主要光源得到較快發(fā)展，特別近年來發(fā)光二極管的利用領域迅速擴展，在發(fā)光二極管應用領域中，要求發(fā)光二極管的亮度提高，且成本較低。
[0003]現(xiàn)有技術中，采用倒置結構發(fā)光二極管的芯片制作工藝可以獲得較高發(fā)光強度，但該結構的工藝制作成本高，目前降低倒置結構芯片的成本主要通過降低原材料價格和提高成品率等方法實現(xiàn)。降低原材料價格方法降低制作成本較有限，而原材料可重復利用的發(fā)光二極管制作方法，不僅可以降低成本，且較為環(huán)保。
[0004]現(xiàn)有技術中，由于現(xiàn)有的剝離技術剝離的速度較慢且剝離后保持外延發(fā)光結構的完整性的成功率較低，所以倒置結構發(fā)光二極管的襯底一般采用腐蝕或研磨去除，浪費了外延襯底且加重了制作過程對環(huán)境的污染。為解決所述問題，本案由此產(chǎn)生。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，以增加腐蝕剝離襯底的速度及提高剝離后保持外延發(fā)光結構完整性的成功率，降低剝離工藝而導致外延層破損問題，從而獲得可以重復利用襯底，節(jié)約發(fā)光二極管的生產(chǎn)成本。
[0006]為達成上述目的，本發(fā)明的解決方案為:
一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，包括外延襯底、襯底保護層、氧化剝離層、外延保護層、金屬反射層及外延發(fā)光結構；在外延襯底與外延發(fā)光結構之間設置氧化剝離層，氧化剝離層與外延發(fā)光結構之間設置外延保護層，氧化剝離層與外延襯底之間設置襯底保護層；在外延發(fā)光結構上設置金屬反射層，在金屬反射層上設置基板。
[0007]進一步，氧化剝離層是由外延剝離層經(jīng)氧化工藝后形成的；氧化剝離層的構成材料包括AlAs與氧化鋁的混合物及其化合物。
[0008]進一步，氧化剝離層的厚度為30_100nm。
[0009]進一步，外延剝離層的構成材料包括AlAs。
[0010]進一步，外延剝離層的厚度為30_100nm。
[0011]進一步，外延保護層為由第一外延保護層與第二外延保護層構成的雙層結構。
[0012]進一步,第一外延保護層的構成材料包括(AlxGa1I)a5Ina5P, O彡X彡I ;第二外延保護層的構成材料包括AlyGai_yAs，O < y < 0.5。
[0013]進一步，襯底保護層的構成材料包括(AlxGah)a5Ina5P, O彡x彡0.5。
[0014]進一步，外延發(fā)光結構由第一型電流擴展層、第一型限制層、有源層、第二型限制層及第二型電流擴展層構成；有源層一側設置第一型電流擴展層，在第一型電流擴展層與有源層之間設置第一型限制層；有源層另一側設置第二型電流擴展層，在第二型電流擴展層與有源層之間設置第二型限制層。
[0015]進一步，第一型電流擴展層、第一型限制層及第二型限制層的構成材料包括(AlxGa1J Q.5InQ.5P、AlyGa1^yAs, O彡x彡1，O彡y彡0.5 ;有源層的構成材料包括(AlxGa1Jο.5In0.5P,AlyGa1^yAs, O ^ x ^ I,O ^ y ^ 0.5 ;第二型電流擴展層的構成材料包括(AlxGah)0.5In0.5P、AlyGa卜yAs、GaP, O ^ x ^ I? O ^ y ^ 0.50
[0016]一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構制作方法，包括以下步驟:
一、在外延襯底表面由下自上依次形成緩沖層、襯底保護層、外延剝離層、外延保護層及外延發(fā)光結構。
[0017]二、對外延剝離層進行氧化形成氧化剝離層；通過使用石英管爐在通氮氣保護，石英管在220-380°C的溫度條件下，通入水蒸汽進入石英管，直至氧化形成氧化剝離層。
[0018]三，在外延發(fā)光結構的第二型電流擴展層上蒸鍍金屬反射層；將金屬反射層與基板鍵合在一起。
[0019]四、將基板粘黏在腐蝕裝置的托片平臺，托片平臺帶旋轉(zhuǎn)功能，采用強堿溶液在托盤旋轉(zhuǎn)的條件下腐蝕氧化剝離層，直至外延發(fā)光結構與外延襯底剝離，得到可重復利用的外延襯底。由于襯底保護層和與氧化剝離層接觸的外延保護層采用(AlxGa1Ja5Ina5P三五族化合物，所以不會被強堿腐蝕，有效保護外延襯底及外延發(fā)光結構。
[0020]進一步，托片平臺的轉(zhuǎn)動速度設置范圍6轉(zhuǎn)/分-120轉(zhuǎn)/分；托盤的轉(zhuǎn)速在初始設定范圍70-120轉(zhuǎn)/分，腐蝕過程托片平臺的轉(zhuǎn)動速度逐漸降低，至腐蝕后期托片平臺的轉(zhuǎn)動速度的設定范圍20-6轉(zhuǎn)/分，直至外延發(fā)光結構與外延襯底剝離。
[0021]進一步，外延發(fā)光結構由依次設置在外延保護層上的第一型電流擴展層、第一型限制層、有源層、第二型限制層及第二型電流擴展層構成，步驟三之后還包括:在外延襯底、基板背面形成保護膠；腐蝕氧化剝離層至外延發(fā)光結構與外延襯底剝離后，去除外延襯底、基板背面保護膠。
[0022]步驟四之后還包括:采用濕法腐蝕去除外延保護層；在第一型電流擴展層上表面設置第一電極，在基板的下表面設置第二電極，切割分裂成芯粒，得到發(fā)光二極管。
[0023]采用上述方案后，本發(fā)明通過在外延襯底與外延發(fā)光結構之間設置一層氧化剝離層。在制作襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構時，采用強堿腐蝕氧化剝離層，且使用托片平臺旋轉(zhuǎn)使得外延襯底產(chǎn)生對外延發(fā)光結構分離的離心力，加速剝離速度，解決外延襯底剝離速度慢的問題。采用先氧化再鍵合在基板上最后再剝離的剛性剝離工藝，解決了剝離過程容易導致局部的外延發(fā)光結構受破壞的問題，提高采用襯底剝離技術制造發(fā)光二極管的成品率。
[0024]外延剝離層的構成材料包括AlAs三五族化合物，且外延剝離層無任何導電型摻雜。采用AlAs三五族化合物可使后續(xù)氧化工藝相對材料設計方面達到最大氧化速率。氧化剝離層厚度范圍采用30-100nm。厚度小于30nm在后續(xù)氧化工藝中氧化速度會下降；且后續(xù)腐蝕剝離工藝中腐蝕剝離速度也會下降。
[0025]外延保護層設置為第一外延保護層及第二外延保護層雙層結構，第一外延保護層的構成材料包括(AlxGa1Ja5Ina5P, O < x ( I ;第二外延保護層的構成材料包括AlyGa1^yAs, O ^ y ^ 0.5o采用雙層不同材料體系的設計,針對第一型電流擴展層、氧化剝離層的不同材料體系，簡化后續(xù)制作工藝過程，通過采用濕法腐蝕較低成本。第二外延保護層采用Al組分低于50%的AlGaAs材料防止后續(xù)氧化工藝對AlGaAs材料的氧化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的外延結構示意圖；
圖2為本發(fā)明的金屬反射層與硅基板鍵合后的結構示意圖；
圖3為本發(fā)明采用的腐蝕裝置及腐蝕過程示意圖；
圖4為本發(fā)明的芯片結構示意圖。
[0027]標號說明
外延襯底I外延剝離層2
氧化剝離層21
外延發(fā)光結構3第一型電流擴展層31
第一型限制層32有源層33
第二型限制層34第二型電流擴展層35
外延保護層4第一外延保護層41
第二外延保護層42 襯底保護層5 緩沖層6金屬反射層7
硅基板8腐蝕槽9
旋轉(zhuǎn)軸91托片平臺92
第一電極10第二電極11。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做詳細描述。
[0029]參閱圖1所示，本發(fā)明揭示的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，包括外延襯底1、外延剝離層2及外延發(fā)光結構3 ;在外延襯底I與外延發(fā)光結構3之間設置外延剝離層2。
[0030]外延發(fā)光結構3為依次設置在外延剝離層2上的第一型電流擴展層31、第一型限制層32、有源層33、第二型限制層34及第二型電流擴展層35構成。
[0031]外延剝離層2與外延發(fā)光結構3之間設置外延保護層4。外延保護層4設置為第一外延保護層41及第二外延保護層42雙層結構。
[0032]外延剝離層2與外延襯底I之間設置襯底保護層5，且在外延襯底I與襯底保護層5之間設置緩沖層6。
[0033]如圖1至圖4所示，本發(fā)明揭示的一種具有襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管的制作方法，具體步驟如下:
步驟一、如圖1所示，在外延襯底I表面由下至上依次外延緩沖層6、襯底保護層5、外延剝離層2、外延保護層4、第一型電流擴展層31、第一型限制層32、有源層33、第二型限制層34、第二型電流擴展層35。
[0034]其中，外延襯底I采用兩英寸的具有η型導電性的GaAs襯底，厚度為250nm。襯底保護層5的組成材料為(Ala5Gaa5)a5Ina5P三五族化合物，采用厚度為300nm。外延剝離層2的組成材料為無任何導電型摻雜的AlAs三五族化合物，厚度采用90nm。
[0035]外延保護層4設置為第一外延保護層41及第二外延保護層42雙層結構。第一外延保護層41的組成材料為Gaa5Ina5P三五族化合物，采用厚度為500nm。第二外延保護層42的組成材料為GaAs三五族化合物，采用厚度為50nm。
[0036]第一型電流擴展層31的組成材料為(Ala5Gaa5)a5Ina5P三五族化合物，采用厚度為7μπι。第一型限制層32的具體組成材料為(Ala8Gaa2)a5Ina5PS五族化合物，采用厚度為600nm。有源層33采用量子阱與量子壘交替生長的量子結構。量子阱的組成材料為(AlaiGaa9)a5Ina5P三五族化合物，采用厚度為10nm。量子壘的組成材料為(Al0.85Ga0.15) ο.5In0.5P三五族化合物，采用厚度為10nm。量子阱和量子壘交叉的對數(shù)為30對。第二型限制層34的組成材料為(Ala8Gaa2)a5Ina5P三五族化合物，采用厚度為800nm。第二型電流擴展層35的組成材料為GaP三五族化合物，采用厚度為5 μ m。
[0037]步驟二、采用氧化工藝對外延剝離層2進行氧化，形成氧化剝離層21。通過使用石英管爐在通氮氣保護，石英管在300°C的溫度條件下，通入水蒸汽進入石英管直至外延剝離層被氧化成氧化剝離層21。
[0038]步驟三、在第二型電流擴展層35上蒸鍍金屬反射層7。
[0039]步驟四、將金屬反射層7上表面與硅基板8 (具有導電摻雜)通過金屬粘接層鍵合在一起，如圖2所示。
[0040]步驟五、在硅基板8、外延襯底I背面制作保護膠。
[0041]步驟六、采用強堿溶液NaOH腐蝕經(jīng)過氧化工藝后的氧化剝離層21中的氧化鋁等化合物。腐蝕化學式:Al203+2Na0H==2NaA102+H20。產(chǎn)生的NaAlO2極易溶于水，不會阻止強堿溶液NaOH繼續(xù)蝕刻氧化剝離層21中的氧化鋁。
[0042]步驟七、如圖3所示，使用托片平臺92帶旋轉(zhuǎn)功能的腐蝕裝置腐蝕氧化剝離層21:腐蝕槽9在槽內(nèi)的中心位置具有旋轉(zhuǎn)軸91，旋轉(zhuǎn)軸91的頂部有一托片平臺92，把硅基板12的背部粘黏至托片平臺92上。腐蝕槽9中倒入強堿溶液，強堿容易對氧化鋁的蝕刻作用下，在外延發(fā)光結構3周圍形成一圈氧化剝離層21的微小凹陷。調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸91的旋轉(zhuǎn)速率，由于娃基板8固定在托片平臺92上,旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使得外延襯底I相對于外延發(fā)光結構3獲得一個向上的離心力F，促進更多的高濃度的強堿溶液流進凹陷處接觸及蝕刻氧化剝離層21中的氧化鋁。
[0043]由于剛開始氧化剝離層21與外延發(fā)光結構3的接觸面積較大，結合力較大。初始速率可以設置較快，初始設定值為轉(zhuǎn)120轉(zhuǎn)/分鐘。但隨著腐蝕深度的增加，氧化剝離層21的面積逐漸縮小，氧化剝離層21與外延發(fā)光結構3的結合力逐漸變小。為了防止由于外延襯底I的向上的離心力F大于外延發(fā)光結構3與氧化剝離層21的結合力，而導致外延發(fā)光結構3被撕裂。旋轉(zhuǎn)速率需要逐漸降低。在氧化剝離層21被腐蝕至面積不足原來的六分之一時，旋轉(zhuǎn)速率降低至6轉(zhuǎn)/分鐘，腐蝕直至外延發(fā)光結構3與外延襯底I剝離，得到可重復利用的外延襯底I。
[0044]以下步驟為通過重復利用外延襯底1，同時制作發(fā)光二極管:
步驟八、去除外延襯底1、硅基板8背面保護膠。
[0045]步驟九、采用濕法腐蝕分別去除與第一型電流擴展層31相鄰的外延保護層4。
[0046]步驟十、在第一型電流擴展層31上表面做第一電極10，在硅基板8的下表面制作第二電極11，切割分裂成芯粒，得到如圖4所示的發(fā)光二極管。
[0047]以上所述僅為本發(fā)明的一個實施例，并非對本案設計的限制，凡依本案的設計關鍵所做的等同變化，均落入本案的保護范圍。
【權利要求】
1.一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:包括外延襯底、襯底保護層、氧化剝離層、外延保護層、金屬反射層及外延發(fā)光結構；在外延襯底與外延發(fā)光結構之間設置氧化剝離層，氧化剝離層與外延發(fā)光結構之間設置外延保護層，氧化剝離層與外延襯底之間設置襯底保護層；在外延發(fā)光結構上設置金屬反射層，在金屬反射層上設置基板。
2.如權利要求1所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:氧化剝離層的構成材料包括AlAs與氧化鋁的混合物及其化合物。
3.如權利要求1所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:氧化剝離層的厚度為30-1OOnm。
4.如權利要求1所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:外延保護層為由第一外延保護層與第二外延保護層構成的雙層結構。
5.如權利要求4所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:第一外延保護層的構成材料包括(AlxGa1Ja5Ina5P, O ^ x ^ I ;第二外延保護層的構成材料包括AlyGai_yAs，O彡y彡0.5。
6.如權利要求1所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:襯底保護層的構成材料包括(AlxGa1Ja5Ina5P, O彡x彡0.5。
7.如權利要求1所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:外延發(fā)光結構由第一型電流擴展層、第一型限制層、有源層、第二型限制層及第二型電流擴展層構成；有源層一側設置第一型電流擴展層，在第一型電流擴展層與有源層之間設置第一型限制層；有源層另一側設置第二型電流擴展層，在第二型電流擴展層與有源層之間設置第二型限制層。
8.如權利要求7所述的一種襯底可重復利用的大功率發(fā)光二極管外延結構，其特征在于:第一型電流擴展層、第一型限制層及第二型限制層的構成材料包括(AlxGa1Jα5Ιηα5Ρ、AlyGa1^yAs, O彡X彡1，0彡y彡0.5 ;有源層的構成材料包括(AlxGa1Jα5InQ.5P、AlyGa1^yAs, O彡X彡1，0彡y彡0.5 ;第二型電流擴展層的構成材料包括(AlxGa1Jα5Ιηα5P、AlyGa 卜 yAs、GaPj O ^ x ^ l，0<y<0.5o
【文檔編號】H01L33/12GK104332535SQ201410551438
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權日:2014年10月17日
【發(fā)明者】林志偉, 陳凱軒, 張永, 卓祥景, 姜偉, 楊凱, 蔡建九, 白繼鋒, 劉碧霞 申請人:廈門乾照光電股份有限公司