本發(fā)明的技術(shù)方案涉及適用于一種實現(xiàn)藍(lán)寶石襯底重復(fù)利用的垂直LED芯片制備方法，屬于光電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)LED芯片都是以藍(lán)寶石為襯底生長GaN外延層，藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差,對LED散熱制約很大。同時，它基本不導(dǎo)電的性質(zhì)導(dǎo)致制備N電極時需要犧牲部分發(fā)光層，對LED的發(fā)光亮度有很大影響。

隨著人們對LED集成度及發(fā)光亮度要求的提升，傳統(tǒng)LED芯片已經(jīng)不能滿足要求，因此采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)將藍(lán)寶石換成導(dǎo)電性好、熱導(dǎo)率高的Cu、Si等襯底的垂直LED芯片是目前LED領(lǐng)域研究的重點。

在垂直LED芯片制備過程中，襯底費用是一筆不小的開支。目前垂直LED芯片制備工藝中，藍(lán)寶石襯底都未實現(xiàn)重復(fù)利用。如果能夠在制備LED的同時實現(xiàn)剝離后藍(lán)寶石的重復(fù)利用，將極大的降低外延開支，創(chuàng)造大量的利潤。CN102610578A一種矩陣式藍(lán)寶石襯底及其制備方法，該方法使用雙拋面的藍(lán)寶石襯底，并在襯底C面制備矩陣、然后再生長外延提高了GaN外延層的生長質(zhì)量，雙拋面藍(lán)寶石襯底易于激光剝離，但是剝離時產(chǎn)生的局部高溫會對藍(lán)寶石襯底表面造成損傷不利于重復(fù)利用，并且剝離時由于應(yīng)力的快速釋放會造成GaN薄膜損傷；業(yè)內(nèi)采用激光剝離藍(lán)寶石襯底技術(shù)，還會對藍(lán)寶石襯底研磨減薄處理后再進(jìn)行剝離，剝離后的藍(lán)寶石襯底只能當(dāng)廢料處理，造成極大的浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對當(dāng)前采用激光剝離藍(lán)寶石襯底的技術(shù)，對藍(lán)寶石襯底研磨減薄處理后再進(jìn)行剝離，剝離后的藍(lán)寶石襯底只能當(dāng)廢料處理或者用雙拋面藍(lán)寶石襯底，即使這樣激光剝離時產(chǎn)生的局部高溫仍然會對藍(lán)寶石襯底表面造成很大損傷，由于應(yīng)力的快速釋放會對GaN薄膜造成損傷，提供一種實現(xiàn)單拋面藍(lán)寶石襯底重復(fù)利用的垂直LED芯片制備方法，該方法通過先在單拋面藍(lán)寶石上淀積一層犧牲層，在犧牲層上作出線條狀溝槽；線條狀溝槽底部是單拋面藍(lán)寶石襯底，在顯露藍(lán)寶石襯底的線條狀溝槽底部中生長出GaN緩沖層，最后以線條狀溝槽內(nèi)的緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長未摻雜的GaN層，然后在未摻雜的GaN層表面依次生長N型GaN層、量子阱層、P型GaN層；鍵合結(jié)束用HF溶液將犧牲層腐蝕掉實現(xiàn)單拋面藍(lán)寶石襯底的去除，腐蝕犧牲層時還可以實現(xiàn)應(yīng)力的充分釋放，將GaN薄膜的損傷降到最低，然后對襯底進(jìn)行CMP處理，實現(xiàn)其重復(fù)利用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種實現(xiàn)藍(lán)寶石襯底重復(fù)利用的垂直LED芯片制備方法，該方法包括如下步驟：

第一步，在藍(lán)寶石襯底片子上用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備Si₃N₄犧牲層；所述犧牲層厚度10-10000nm；

第二步，在淀積的犧牲層上涂膠、曝光、顯影制備出線條狀溝槽圖案，然后用濕法刻蝕的方法制備出線條狀溝槽，最后用去膠液去膠，放入去離子水中沖洗，再用甩干機(jī)甩干，得到帶線條狀溝槽犧牲層的藍(lán)寶石襯底；其中，所述的線條狀溝槽，溝槽寬度0.01-10μm、線條與線條的間隔0.001-10mm、線條狀溝槽深度與淀積犧牲層厚度等同；

第三步，用MOCVD方法，首先在顯露出藍(lán)寶石襯底的溝槽底部上生長GaN緩沖層，再以GaN緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長未摻雜的GaN層，然后在未摻雜的GaN層表面依次生長N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，其中，GaN緩沖層厚度范圍10-1000nm、未摻雜的GaN層厚度范圍0.1-10μm、N型GaN層厚度范圍0.1-10μm、多量子阱層厚度范圍0.1-10μm、P型GaN層厚度范圍0.01-10μm；

第四步，再在P型GaN層表面依次制備金屬反射層Ni/Ag/Ni,然后進(jìn)行退火處理；其中，第一層Ni厚度1-5nm、第二層Ag的厚度150nm-250nm、第三層Ni厚度50-100nm；

第五步，在退火后的金屬反射層上蒸鍍金屬鍵合層Au，厚度0.5-2μm；另外在硅片上依次蒸鍍Cr/Pt/Au作為金屬鍵合層，Cr/Pt/Au厚度分別為5-50nm、10-100nm、0.5-2μm，然后在鍵合機(jī)中將以藍(lán)寶石為襯底的晶圓與硅片為襯底的晶圓鍵合在一起；

第六步，鍵合結(jié)束后，將晶圓放入到HF溶液中，待藍(lán)寶石襯底與帶外延的硅片分離后，分別用去離子水沖洗，最后用甩干機(jī)甩干；

第七步，然后將GaN薄膜用混合溶液浸泡或者ICP刻蝕機(jī)去除GaN緩沖層與未摻雜GaN層，再用KOH溶液粗化N型GaN層，再進(jìn)行涂膠、曝光、顯影，再用電子束蒸發(fā)臺蒸鍍N電極，再去膠清洗、甩干，最終完成垂直LED芯片的制備；

所述的混合溶液組成為體積比硫酸:雙氧水:H₂O＝5:1:1，其中硫酸的質(zhì)量百分濃度為98％、雙氧水的質(zhì)量百分濃度為30％；

第八步，將剝離后的藍(lán)寶石襯底再次放入的BOE溶液中，浸泡10-600s，用去離子水沖洗，然后甩干機(jī)中甩干，最后進(jìn)行CMP處理，使藍(lán)寶石各項參數(shù)達(dá)到再次使用的標(biāo)準(zhǔn)；

所述的第一步中化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)為功率20-200W、襯底溫度100-400℃、工作氣壓100-1000mTorr、SiH₄流量10-300sccm、NH₃流量10-300sccm、淀積時間1-20min。

所述的第六步中的HF溶液的質(zhì)量百分濃度為0.1％-49％。

所述的第八步中BOE溶液的組成優(yōu)選為質(zhì)量百分濃度40％氟化銨溶液和質(zhì)量百分濃度49％氫氟酸溶液的混合物，其體積比為氟化銨溶液：氫氟酸溶液＝6:1。

上述一種實現(xiàn)藍(lán)寶石襯底重復(fù)利用的垂直LED芯片制備方法，所用的原料和設(shè)備均是本技術(shù)領(lǐng)域熟知的，由公知途徑獲得；操作工藝均是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠掌握的。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步：

(1)本發(fā)明的主要實質(zhì)性特點在于：藍(lán)寶石襯底上淀積犧牲層、并在其上制備便于外延橫向生長的線條狀溝槽。

(2)本發(fā)明中用腐蝕溶液去除藍(lán)寶石襯底，對GaN薄膜基本沒有損傷，直接提高了LED芯片的發(fā)光效率。

(3)本發(fā)明中剝離藍(lán)寶石襯底的傳統(tǒng)技術(shù)是通過激光穿過藍(lán)寶石襯底，產(chǎn)生高溫誘導(dǎo)藍(lán)寶石襯底交界面處GaN薄膜分解，但是剝離前都會對藍(lán)寶石襯底研磨減薄處理，剝離后的藍(lán)寶石襯底只能當(dāng)廢料處理或者用雙拋面藍(lán)寶石襯底，即使這樣激光剝離時產(chǎn)生的局部高溫仍然會對藍(lán)寶石襯底表面造成很大損傷，應(yīng)力的快速釋放也會對GaN薄膜造成損傷；化學(xué)腐蝕的方法剝離掉藍(lán)寶石襯底的技術(shù)，在剝離過程中能夠使GaN薄膜應(yīng)力得到充分的釋放使損傷降到最低，同時對藍(lán)寶石襯底不會產(chǎn)生影響，經(jīng)過清洗和CMP處理便可以達(dá)到重復(fù)利用標(biāo)準(zhǔn)，降低工業(yè)生產(chǎn)的成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明一種實現(xiàn)藍(lán)寶石襯底重復(fù)利用的垂直LED芯片制備方法帶線條狀溝槽犧牲層的藍(lán)寶石襯底俯視圖；

圖2～10為本發(fā)明方法的各個步驟示意圖，其中：

圖2為本發(fā)明方法中在藍(lán)寶石襯底片子上淀積犧牲層，并刻蝕出線條狀溝槽的示意圖；

圖3為本發(fā)明方法中在制備有犧牲層溝槽的襯底片子上生長GaN緩沖層的示意圖；

圖4為本發(fā)明方法中在帶有GaN緩沖層的藍(lán)寶石襯底片子上生長未摻雜的GaN示意圖；

圖5為本發(fā)明方法中在生長好GaN外延層的外延片子的示意圖；

圖6為本發(fā)明方法中在退火后的金屬反射層上制備金屬鍵合層a的示意圖；

圖7為本發(fā)明方法中在硅襯底片子上制備金屬鍵合層b的示意圖；

圖8為本發(fā)明方法中兩個晶圓鍵合在一起的示意圖；

圖9為本發(fā)明方法中剝離藍(lán)寶石襯底之后的示意圖；

圖10為本發(fā)明方法中經(jīng)過混合溶液或者ICP刻蝕、N型GaN粗法腐蝕之后制備的垂直LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1.藍(lán)寶石襯底，2.犧牲層，3.GaN緩沖層，4.未摻雜的GaN層，5.條狀溝槽，6.n-GaN層，7.量子阱層，8.p-GaN層，9.金屬反射層，10.鍵合金屬層a，11.硅片，12.鍵合金屬層b，13.N電極。

具體實施方式

圖1所示實施例表明，本發(fā)明方法中先在藍(lán)寶石襯底片子1上淀積Si₃N₄犧牲層2然后制備出線條狀溝槽5，犧牲層2厚度100nm，并制備出線條狀溝槽5，溝槽5寬度3μm、溝槽5與溝槽5的間隔1mm、線條狀溝槽5深度與淀積犧牲層2厚度等同的整體俯視圖。

圖2所示實施例表明，本發(fā)明方法中先在藍(lán)寶石襯底片子1上淀積Si₃N₄犧牲層2然后制備出線條狀溝槽5的整體側(cè)圖。

圖3所示實施例表明，本發(fā)明方法中在制備有Si₃N₄犧牲層2的溝槽5的藍(lán)寶石襯底片子1上生長GaN緩沖層3，但是GaN緩沖層3只生長在了藍(lán)寶石襯底片子1上，Si₃N₄犧牲層2上并未生長成功，GaN緩沖層3的厚度30nm。

圖4所示實施例表明，本發(fā)明方法中在帶有GaN緩沖層3的藍(lán)寶石襯底片子1上生長未摻雜的GaN層4，未摻雜的GaN層4厚度為3μm。

圖5所示實施例表明，本發(fā)明方法中生長好GaN外延層的外延片子。

圖6所示實施例表明，本發(fā)明方法中在退火后的金屬反射層10上制備金屬鍵合層a10，金屬鍵合層為Au。

圖7所示實施例表明，本發(fā)明方法中在硅襯底片子11上制備金屬鍵合層b12，金屬鍵合層為Au。

圖8所示實施例表明，本發(fā)明方法中兩個晶圓在鍵合機(jī)中鍵合在一起。

圖9所示實施例表明，本發(fā)明方法中在HF溶液中剝離藍(lán)寶石襯底片子1之后，垂直LED芯片的大致結(jié)構(gòu)；

圖10所示實施例表明，本發(fā)明方法中經(jīng)過ICP刻蝕機(jī)去除GaN緩沖層3、未摻雜GaN層4再用KOH溶液對N型GaN層6進(jìn)行粗化處理，最終制備出N電極13，完成垂直LED芯片的制備；

最后，將剝離的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行CMP處理，以達(dá)到襯底片標(biāo)準(zhǔn)水平。

實施例1

本實施例的一種垂直LED芯片的制備方法，步驟如下：

第一步，在藍(lán)寶石襯底片子上等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)淀積Si₃N₄犧牲層(其中，PECVD射頻功率60W、襯底溫度300℃、腔體氣壓500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀積時間160s),犧牲層厚度100nm；

第二步，在犧牲層涂膠、曝光、顯影制備出溝槽圖形，然后用濕法刻蝕的方法制備出線條狀溝槽，溝槽寬度5μm、線條與線條的間隔1mm、線條狀溝槽深度與淀積犧牲層厚度等同(即溝槽處顯露出藍(lán)寶石襯底)；

第三步，用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD,Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法，首先在溝槽處顯露出藍(lán)寶石襯底上生長GaN緩沖層，然后然后再以GaN緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長未摻雜的GaN層，然后在未摻雜的GaN層表面依次生長N型GaN層、量子阱層、P型GaN層。GaN緩沖層厚度30nm、未摻雜的GaN層厚度3μm、N型GaN層厚度2μm、多量子阱層厚度0.8μm、P型GaN層厚度120nm；

GaN緩沖層只生長在線條狀溝槽中的藍(lán)寶石襯底上，由于晶格失配嚴(yán)重GaN緩沖層無法在Si₃N₄犧牲層表面實現(xiàn)生長，未摻雜的GaN層以溝槽內(nèi)的GaN緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長，其他GaN層在生長好的未摻雜的GaN層表面繼續(xù)生長直至外延層完整；

第四步，P型GaN層表面依次制備金屬反射層Ni/Ag/Ni，其厚度分別為第一層Ni5nm、Ag150nm、第二層Ni50nm，然后進(jìn)行退火處理，在退火后的金屬反射層上蒸鍍金屬鍵合層Au厚度2μm；

第五步，另外依次在硅片上蒸鍍Cr/Pt/Au，其厚度分別為Cr層5nm，Pt層20nm，Au層2μm作為金屬鍵合層，然后在鍵合機(jī)中完成鍵合；

第六步，鍵合結(jié)束后，將晶圓放入到質(zhì)量百分濃度為49％HF溶液中浸泡，由于溝槽中GaN緩沖層與藍(lán)寶石襯底之間存在允許HF溶液通過的生長縫隙，所以可實現(xiàn)藍(lán)寶石襯底與GaN薄膜的分離，將分離后的藍(lán)寶石襯底與帶外延的硅片放入去離子水中沖洗然后用去離子水沖洗5分鐘，最后用甩干機(jī)甩干20分鐘；

第七步，然后用ICP刻蝕機(jī)去除GaN緩沖層與未摻雜GaN層，在80℃的條件下用2mol/L的KOH溶液粗化N型GaN層，再進(jìn)行涂膠、曝光和顯影，制備出N電極圖案，用電子束蒸發(fā)臺蒸鍍Cr/Al/Ti/Au作為N電極，其中，Cr厚度2.5nm、Al厚度100nm、Ti厚度120nm、Au厚度800nm。再去膠、清洗、甩干，然后在點測機(jī)上進(jìn)行本領(lǐng)域常用COW測試、得出芯片的電壓、波長、良率等參數(shù)達(dá)到了當(dāng)前產(chǎn)品的性能要求，再經(jīng)過研磨、劃片、裂片、COT測試、分選、封裝等后道工藝最終完成垂直LED芯片的制備；

得到的垂直LED芯片的性能與同尺寸傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)LED相比較，在點測電流20mA的條件下電壓降低0.42V為2.91V,輸出功率提高了2.2倍；

第八步，將剝離后的藍(lán)寶石襯底放入體積比6:1之氟化銨(質(zhì)量百分濃度40％)與氫氟酸(質(zhì)量百分濃度49％)的BOE溶液中，去除殘留的Si₃N₄，然后用去離子水沖洗5分鐘，最后用甩干機(jī)甩干20分鐘；

最后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP，ChemicalMechanicalPolishing)處理，達(dá)到藍(lán)寶石襯底再次利用的標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的用激光剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石襯底需要先對藍(lán)寶石襯底研磨減薄處理后再進(jìn)行剝離，這樣剝離后的藍(lán)寶石襯底只能當(dāng)廢料處理或者用雙拋面藍(lán)寶石襯底，即使這樣激光剝離時產(chǎn)生的局部高溫仍然會對藍(lán)寶石襯底表面造成很大損傷，另外雙面拋光的藍(lán)寶石襯底透光性特別好，對后續(xù)外延的生長、測試都有很大影響，而本發(fā)明不需要對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行雙面拋光節(jié)約了生產(chǎn)時間，增加了公司產(chǎn)能；成本上按目前國內(nèi)市場價2英寸單拋面藍(lán)寶石襯底大約35元左右，2英寸雙拋面藍(lán)寶石襯底則需要40元左右，一片就能為公司節(jié)約5元的成本，再實現(xiàn)重復(fù)利用利潤空間是非常巨大的。

實施例2

本實施例的一種垂直LED芯片的制備方法，步驟如下：

除了第一步，在藍(lán)寶石襯底片子用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)上制備Si₃N₄犧牲層，功率40W、襯底溫度300℃、工作氣壓500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀積時間110s；所述犧牲層厚度50nm；第二步，在犧牲層涂膠、曝光、顯影制備出溝槽圖形，然后用濕法刻蝕的方法制備出線條狀溝槽，溝槽寬度3μm、線條與線條的間隔0.5mm、線條狀溝槽深度與淀積犧牲層厚度等同；第三步，用MOCVD法在顯露出藍(lán)寶石襯底的溝槽中生長GaN緩沖層，然后然后再以GaN緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長未摻雜的GaN層，然后在未摻雜的GaN層表面依次生長N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，GaN緩沖層厚度50nm；第七步，然后用體積比硫酸:雙氧水:H₂O＝5:1:1混合溶液(硫酸質(zhì)量百分比濃度98％、雙氧水質(zhì)量百分比濃度30％)去除GaN緩沖層與未摻雜GaN層，其余步驟同實例1。

實施例3

本實施例的一種垂直LED芯片的制備方法，步驟如下：

除了第一步，在藍(lán)寶石襯底片子用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)上制備Si₃N₄犧牲層，功率20W、襯底溫度300℃、工作氣壓500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀積時間390s；所述犧牲層厚度80nm；第二步，在犧牲層涂膠、曝光、顯影制備出溝槽圖形，然后用濕法腐蝕的方法將溝槽內(nèi)的Si₃N₄犧牲層完全去除，溝槽寬度10μm、線條與線條的間隔3mm、線條狀溝槽深度與淀積犧牲層厚度等同；第三步，用MOCVD法在顯露出藍(lán)寶石襯底的溝槽中生長GaN緩沖層，然后然后再以GaN緩沖層為基礎(chǔ)在犧牲層表面橫向生長未摻雜的GaN層，然后在未摻雜的GaN層表面依次生長N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，GaN緩沖層厚度100nm；其余步驟同實例1。

實施例4

本實施例的一種垂直LED芯片的制備方法，步驟如下：

對實施例1中第八步CMP處理得到的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行再次利用，其余步驟同實例1。制備出的垂直LED芯片進(jìn)行COW點測得到的電壓、波長、良率等參數(shù)和藍(lán)寶石襯底首次使用得到的相關(guān)參數(shù)基本相同。

上述實施例中所用的原料和設(shè)備均是本技術(shù)領(lǐng)域熟知的，由公知途徑獲得；操作工藝均是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠掌握的。

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。