用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法
【專利說明】用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法
[0001]本發(fā)明專利申請是基于2009年6月2日提交的發(fā)明名稱為“用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底和使用支撐襯底的半導(dǎo)體發(fā)光裝置”的中國專利申請200980130052.8號的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于使用多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜的用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底，以及一種用于使用所述用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底來制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法。
[0003]更特別地，在上下歐姆接觸電極結(jié)構(gòu)中垂直構(gòu)造的II1-V族氮基半導(dǎo)體發(fā)光裝置中，它涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光裝置，通過用晶片粘結(jié)的方式將形成于初始襯底(例如，Al2O3,SiC, Si, GaAs, GaP)上以生長II1-V族氮基半導(dǎo)體的多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜和用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底進(jìn)行粘結(jié)(bond)，然后通過用激光剝離、化學(xué)機(jī)械研磨或者濕式蝕刻工藝將所述多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜從所述初始襯底上分離/除去，使得對半導(dǎo)體單晶多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜造成的損壞最小化，從而改善了整體性能。
【背景技術(shù)】
[0004]通常，半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有在正向電流流動時(shí)發(fā)光的發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。特別的是，所述LED和LD具有常見的p-n結(jié)，當(dāng)在所述發(fā)光裝置上施加電流時(shí)，電流被轉(zhuǎn)化為光子，所述發(fā)光裝置因而發(fā)出光。根據(jù)半導(dǎo)體的材料，所述LED和LD發(fā)出來的光具有從長波長到短波長的各種波長。尤其是，由寬帶隙(band-gap)半導(dǎo)體制成的LED可提供可見頻帶中的紅光、綠光和藍(lán)光，并且已經(jīng)廣泛用在工業(yè)中，諸如用于電子裝置的顯示器、交通燈和用于顯示裝置的各種光源。由于近年來白色光的發(fā)展，它將被廣泛用作下一代發(fā)光的光源。
[0005]II1-V族氮基半導(dǎo)體通常是異質(zhì)外延地(hetro-epitaxially)生長在藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)、或者硅(Si)的上方部分上，以獲得高質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜，所述藍(lán)寶石、碳化硅和硅是具有顯著不同的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的初始襯底。但是，由于所述藍(lán)寶石初始襯底的導(dǎo)熱性差，而不能在LED上使用大的電流。由于所述藍(lán)寶石初始襯底是電絕緣體，因而難以對從外部流入的靜電做出反應(yīng)，因靜電而造成故障的可能性高。這些缺陷不僅會降低裝置的可靠性，而且會造成封裝工藝上的很多限制。
[0006]進(jìn)一步而言，絕緣體的所述藍(lán)寶石初始襯底具有MESA結(jié)構(gòu)，其中在與多層發(fā)光結(jié)構(gòu)的生長方向相同的生長方向上形成η型歐姆接觸電極(下文稱為“第一歐姆接觸電極”)和P型歐姆接觸電極(下文稱為“第二歐姆接觸電極”)二者。由于LED芯片區(qū)域會高于某個尺寸，這限制了 LED芯片區(qū)域的減小，妨礙了 LED芯片產(chǎn)量的提高。
[0007]除了所述生長在作為初始襯底的藍(lán)寶石襯底的上方部分上的MESA結(jié)構(gòu)的LED的這些缺點(diǎn)之外，由于所述藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性差，因此難以將在所述發(fā)光裝置工作期間不可避免所產(chǎn)生的大量熱量向外釋放。由于這些原因，限制了將附有藍(lán)寶石襯底的MESA結(jié)構(gòu)用到大面積和大功率(即，大電流)的發(fā)光裝置中，諸如，大顯示器和普通照明的燈。當(dāng)在發(fā)光裝置上長時(shí)間應(yīng)用高電流時(shí)，所產(chǎn)生的熱量致使發(fā)光有源層(active layer)的內(nèi)部溫度逐漸升高，從而逐漸降低了 LED發(fā)光的效率。
[0008]與藍(lán)寶石襯底不同的是，碳化硅(SiC)襯底不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，而且允許層疊和生長多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜，因?yàn)樗哂信cII1-V族氮基半導(dǎo)體類似的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)(TEC)，這些是在半導(dǎo)體單晶薄膜生長中的重要因素。進(jìn)一步而言，它允許制造各種類型的垂直構(gòu)造的發(fā)光裝置。但是，由于高質(zhì)量的SiC襯底不容易生產(chǎn)，制造它比制造其它單晶襯底更昂貴，因此難以大批量生產(chǎn)。
[0009]因此，最需要的是，根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和性能，通過使用層疊在和生長在藍(lán)寶石襯底上的多層發(fā)光結(jié)構(gòu)來提供一種高性能的發(fā)光裝置。如上文所述，通過在藍(lán)寶石初始襯底的上方部分上生長高質(zhì)量的多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜、從所述藍(lán)寶石襯底上剝離所述II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜、以及使用該產(chǎn)物，人們作出了許多努力來制造作高性能的垂直構(gòu)造的LED，目的是為了解決與通過使用層疊/生長在作為初始襯底的藍(lán)寶石襯底的上方部分的II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)的薄膜所制造的所述MESA構(gòu)造的LED相關(guān)聯(lián)的冋題。
[0010]圖1是圖示通過使用現(xiàn)有的激光剝離(LLO)工藝來制備藍(lán)寶石初始襯底的過程的剖視圖。如圖1所示，當(dāng)強(qiáng)能量源的激光束照射到透明的藍(lán)寶石初始襯底100的背側(cè)時(shí)，其界面處強(qiáng)烈吸收所述激光光束，從而在瞬間產(chǎn)生900°C或者更高的溫度，造成所述界面處的氮化鎵(GaN)的熱化學(xué)解離，進(jìn)而將藍(lán)寶石初始襯底100與氮基半導(dǎo)體薄膜120分離開。但是，在許多文獻(xiàn)中都報(bào)道了，在II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜的激光剝離工藝中，因?yàn)榫Ц癯?shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，由于在厚的藍(lán)寶石初始襯底和II1-V族氮基半導(dǎo)體薄膜之間所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，半導(dǎo)體單晶薄膜會受到損壞或者破損。當(dāng)所述πι-v族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜受到損壞或者破損時(shí)，會造成大的泄漏電流，降低了所述發(fā)光裝置的芯片產(chǎn)量，以及降低了所述發(fā)光裝置的整體性能。因此，當(dāng)前正在研宄通過使用可以使II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜和分開的半導(dǎo)體單晶薄膜受到的破壞最小化的藍(lán)寶石襯底剝離工藝來制造高性能的垂直結(jié)構(gòu)的LED。
[0011]人們已經(jīng)建議用各種方法使得在用LLO工藝分離藍(lán)寶石初始襯底時(shí)使II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜的損壞和破壞最小化。圖2是圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在應(yīng)用LLO工藝之前，通過應(yīng)用晶片粘結(jié)、電鍍或者無電鍍工藝，在生長方向形成堅(jiān)硬的支撐襯底，以防止半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜的損壞或者破裂的工藝的剖視圖。參考圖2中的(a)，在通過用激光束照射到由透明的藍(lán)寶石制成的初始襯底的背側(cè)以剝離半導(dǎo)體單晶多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜210、220之前，在粘結(jié)層230的上方部分上形成通過用晶片粘結(jié)的方式牢固地粘結(jié)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的支撐襯底240。參考圖2的(b)所示，在從由藍(lán)寶石制成的初始襯底200上剝離半導(dǎo)體單晶多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜210、220之前，通過用電鍍工藝在晶種層232的上方部分形成牢固地粘結(jié)著且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的支撐襯底242。
[0012]圖3是圖示根據(jù)圖2中所用的現(xiàn)有技術(shù)的工藝，通過引入所述牢固地粘接著且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的支撐襯底而制造的垂直構(gòu)造的II1-V族氮基半導(dǎo)體發(fā)光裝置的剖視圖。
[0013]圖3中的(a)所表示的圖是圖示通過使用制造圖2中的(a)所表示的支撐襯底制造方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的剖視圖。參考圖3中的(a)所圖示的與晶片粘結(jié)的LED區(qū)，它是用導(dǎo)熱和導(dǎo)電體的支撐襯底340、粘結(jié)層330、具有第二歐姆接觸電極的多層金屬層350、第二半導(dǎo)體包覆(cladding)層380、發(fā)光活動層370、第一半導(dǎo)體包覆層360以及第一歐姆接觸電極390相繼地構(gòu)造的。優(yōu)選的是使用諸如硅(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)之類具有優(yōu)良導(dǎo)電性的半導(dǎo)體晶片作為導(dǎo)電(electro conductive)支撐襯底340。
[0014]但是，如圖3中的(a)所示的用于所述垂直構(gòu)造的發(fā)光裝置(LED)的支撐襯底340，當(dāng)通過用晶片粘結(jié)的方式粘結(jié)Si或者另一種導(dǎo)電性的支撐襯底晶片時(shí)，因?yàn)樗c所述生長有/層疊有所述半導(dǎo)體單晶薄膜的藍(lán)寶石襯底的熱膨脹系數(shù)(TEC)差別很大，會造成所述半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)明顯的晶片翹曲(warpage)和細(xì)微裂紋。這樣的問題進(jìn)一步造成工藝難度，降低了由其所制造的LED的性能以及產(chǎn)品的成品率(product yield)。
[0015]圖3中的(b)所示的圖形是圖示通過使用制造圖2的(b)中所表示的所述支撐襯底的方法所制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的剖視圖。參考圖3的(b)所示的通過電鍍的方式形成的LED的剖視圖，通過LLO和電鍍工藝所形成的垂直構(gòu)造的發(fā)光裝置(LED)是由導(dǎo)電的支撐襯底342、晶種層332、具有第二歐姆接觸電極的多層金屬層352、第二半導(dǎo)體包覆層380、發(fā)光活動層370、第一半導(dǎo)體包覆層360和第一歐姆接觸電極390相繼地構(gòu)造而成。導(dǎo)電的支撐襯底342是通過用電鍍的方式形成的金屬厚膜，優(yōu)選的是用諸如Cu、N1、W、Au、M0之類的單金屬或者由它們組成的合成金屬來形成。
[0016]具有圖3中的(b)所描述的結(jié)構(gòu)的LED支撐襯底342，由于是通過用電鍍的方式形成所述金屬或者合金厚膜，因此具有比藍(lán)寶石襯底高很多的熱膨脹系數(shù)和柔性，從而會造成卷曲、翹曲、破損、等等。
[0017]因此，亟需開發(fā)高效的支撐襯底和使用它們來制造高性能的垂直構(gòu)造的發(fā)光裝置的方法，以在使用LLO工藝來制造垂直構(gòu)造的II1-V族氮基半導(dǎo)體發(fā)光裝置時(shí)，解決晶片的翹曲、破損、微裂紋、退火(annealing)和分割(singulate)芯片工藝、后處理問題、低成品率，等等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]【技術(shù)問題】
[0019]本發(fā)明提供一種用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底，當(dāng)生長有和層疊有具有II1-V族氮基半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)的薄膜的藍(lán)寶石襯底通過用粘結(jié)材料與支撐襯底進(jìn)行晶片粘結(jié)時(shí)，在LLO工藝之后，不會造成晶片翹曲、或具有半導(dǎo)體多層發(fā)光結(jié)構(gòu)的薄膜內(nèi)出現(xiàn)破損和微裂紋。
[0020]本發(fā)明還提供一種使用所述制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置用支撐襯底，通過在藍(lán)寶石初始襯底的上方部分上層疊/生長由II1-V族氮基半導(dǎo)體單晶體所構(gòu)成的多層發(fā)光結(jié)構(gòu)薄膜、以及應(yīng)用LLO工藝使半導(dǎo)體單晶體薄膜的損壞和破裂最小化，所制造的高性能的垂直構(gòu)造的πι-v族氮基半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
[0021]本發(fā)明還提供一種方法來制造高性能的垂直構(gòu)造的II1-V族氮基半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
[0022]【技術(shù)方案】
[0023]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的一方面特征在于提供一個用于制備半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底，它可以包括:由電絕緣材料形成的選定支撐襯底；通過層疊在選定支撐襯底的上方部分而形成的犧牲層；通過將具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的金屬、合金或者固溶體層疊在所述犧牲層的上方部分而形成的散熱層；和通過層疊在所述散熱層的上方部分而形成的粘結(jié)層。所述支撐襯底用作支撐垂直構(gòu)造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的支撐襯底。
[0024]選定支撐襯底的電絕緣材料可以與初始襯底具有2ppm的差異或者更小差異的熱膨脹系數(shù)。所述的選定支撐襯底的電絕緣材料可以是從由藍(lán)寶石(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、Mg0、AlSiC、BN、Be0、Ti02、Si0#P玻璃所組成的組中所選擇的單晶體、多晶體或者非晶體物質(zhì)。
[0025]所述犧牲層可以是與氮?dú)饣蛘哐鯕饨Y(jié)合(bond)在一起的單晶體、多晶體或者非晶體物質(zhì)，所述物質(zhì)可以是從由 GaN、InGaN, ΖηΟ、ΙηΝ、Ιη203、ITO、SnO2、Si3N4、S12、BeMgO 和MgZnO所組成的組中所選擇的至少一種物質(zhì)。
[0026]進(jìn)一步而言，如果是通過用化學(xué)蝕刻的方式將所述犧牲層從選定支撐襯底上分離開，那么所述犧牲層可以是從由金屬、合金、固溶體、氧化物、氮化物和耐熱(thermophile)有機(jī)材料所組成的組中所選擇的至少一種材料。
[0027]進(jìn)一步而言，如果犧牲層是由隔熱粘性材料合成，那么所述犧牲層可以是從由耐熱性粘接劑、硅酮(silicone)粘接劑和聚乙烯醇縮丁醛樹脂所組成的組中選擇的至少一種材料。
[0028]進(jìn)一步而言，如果所述犧牲層是SOG (旋涂玻璃)薄膜，則所述犧牲層可以是硅酸鹽或者硅酸材料，如果所述犧牲層是SOD (旋涂電介質(zhì))，所述犧牲層可以是從由硅酸鹽、娃氧燒、甲基倍半娃氧燒(methyl silsequ1xane) (MSQ)、氫倍半娃氧燒(hydrogensilsequ1xane) (HSQ)、MQS+HSQ、全氫娃氮燒(perhydrosilazane) (TCPS)和聚娃氮燒所組成的組中所選擇的至少一種材料。
[0029]進(jìn)一步而言，如果所述犧牲層是由光刻膠制成，則所述犧牲層可以是從由AZ系列、SU-8系列、TLOR系列、TDMR系列和GXR系列所組成的組中所選擇的至少一個。
[0030]可以根據(jù)選定支撐襯底、分離方法和最終要制造的垂直結(jié)構(gòu)的特性來適當(dāng)?shù)剡x擇用作所述犧牲層的成分(composit1n)。
[0031]散熱層的厚度可以是0.1ym至500 μ m。形成所述散熱層的金屬、合金或者固溶體可以包括從由Cu、N1、Ag、Mo、Al、Au、Nb、W、T1、Cr、Ta、Al、Pd、Pt和Si所組成的組中所選擇的至少一種材料。
[0032]所述粘結(jié)層可以是一種軟釬焊或硬釬焊合金材料，包括從由Ga、B1、In、Sn、Pb、Au、Al、Ag、Cu、N1、Pd、Si和Ge所組成的組中所選擇的至少一種材料。
[0033]層疊在/形成在所述選定支撐襯底的上方部分的所述犧牲層、所述散熱層和所述粘結(jié)層可以通過物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法或者電化學(xué)沉積法形成，所述犧牲層可以通過從由電子束蒸發(fā)器、熱蒸發(fā)器、MOCVD (金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積)、濺鍍