在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，包括下列步骤：在SiC衬底上生长LED外延片；制备出P面具有反射金属膜的外延片，与新的衬底键合，形成倒装结构的LED外延片；采用机械研磨工艺将SiC衬底减薄；在SiC衬底表面形成一层厚导光层，由此得到具有导光层的SiC衬底的GaN基LED。本发明简单可靠、易于实现，可显著提高SiC衬底LED器件的发光效率。
【专利说明】在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子【技术领域】，更具体地，涉及一种在SiC衬底上形成有导光层的 GaN基LED的制造方法。
【背景技术】
[0002] 氮化镓（GaN)基发光二极管（LED)由于具有优良的光电性能，因而得到广泛应用。 GaN材料由于缺乏晶格完全匹配的衬底，基本上都是异质外延在其他材料上，常见的衬底有 蓝宝石、碳化硅（SiC)、硅（Si)等。
[0003] 对于GaN基的LED，SiC衬底的导热性能要比蓝宝石衬底高出10倍以上，散热优势 明显，且蓝宝石与GaN的晶格失配度高达17%，而SiC的晶格失配度仅有4%左右，这使得 SiC衬底生长的GaN材料质量相较于蓝宝石衬底更有优势。
[0004] 但是SiC的折射率为2. 66, GaN的折射率为2. 3,远远大于封装树脂的折射率 1. 53,存在较小的全反射临界角，SiC与树脂界面只有35度的出射角，大于临界角的光线会 被重新反射回来，很大一部分光无法提取出来，如图1所示，通过模拟计算，采用SiC衬底的 GaN基LED的出光率只有43%。
[0005] 为增加出光率，常用的方法是通过研磨掉SiC衬底并辅助ICP刻蚀法去掉SiC衬 底，或者通过在衬底和外延材料间插入牺牲层，采用湿法腐蚀掉SiC衬底，制备垂直结构的 LED。由于干法刻蚀对外延层有损伤，且不好控制，湿法腐蚀时间过长，不利于大规模生产， 因此如何提高SiC衬底的GaN基LED的发光效率成为开发此类发光器件的一大难点。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了 一种在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED 的制造方法，能大幅度提高SiC衬底的GaN基LED的出光效率。
[0007] 根据本发明的一个方面，本发明提供了一种在SiC衬底上形成有导光层的GaN基 LED的制造方法，包括下列步骤：
[0008] 将GaN基LED的SiC衬底减薄；
[0009] 在所述SiC衬底表面形成一层导光层，由此得到具有导光层的SiC衬底的GaN基 LED。
[0010] 其中，通过机械研磨工艺将SiC衬底减薄。
[0011] 其中，所述Sic衬底减薄后的厚度在1?200微米之间。
[0012] 其中，所述导光层的材料选自 Zn0、Al203、AlN、SiN、GaN、Ga0、Si02。
[0013] 其中，所述导光层用粘结剂粘合到SiC衬底上。
[0014] 其中，所述的粘结剂为S0G氧化物，折射率为1. 5?2. 5,透光率大于85%。
[0015] 其中，所述导光层通过HVPE、MOCVD、PECVD或LPCVD工艺生长在SiC衬底上。
[0016] 其中，在所述的将SiC衬底减薄的步骤之前，还包括下列步骤：
[0017] 在所述SiC衬底上生长LED外延片；
[0018] 利用ICP刻蚀台面、PN电极金属沉积、氧化硅绝缘层制备工艺，制备出P面具有反 射金属膜的外延层，利用键合机将外延层与新的衬底键合，形成倒装结构的LED外延片。
[0019] 其中，所述在SiC衬底上生长的LED外延片自下而上依次包括：衬底、A1N缓冲层、 N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层。
[0020] 其中，所述新的衬底为Si、SiC或金属衬底。
[0021] 通过上述的技术方案可以明了，本发明的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED 的制造方法简单可靠，无需干法刻蚀，不会造成GaN损伤，也无需湿法腐蚀，利用机械研磨 后加导光层即可，易大规模生产，可大幅度提高LED的出光效率。本发明通过在SiC衬底表 面形成一厚层中间折射率的导光层，从而增加了导光板上侧壁的出光量。如图2所示，采用 200微米厚度的ZnO导光层，GaN基LED的出光率可以提高到68%，相较于无导光层结构的 GaN基LED，出光率提高了一半以上，大大提高了器件的发光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为SiC衬底GaN基倒装结构LED芯片的出光模拟图；
[0023] 图2为SiC衬底GaN基倒装结构LED芯片在SiC衬底上形成200微米厚度的ZnO 导光层后的出光模拟图；
[0024] 图3为根据本发明实施例的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法 的流程图；
[0025] 图4为根据本发明实施例1的通过在衬底表面涂覆一层粘结剂，将导光层粘合到 SiC衬底表而上的GaN基倒装结构LED芯片的截而示意图；
[0026] 图5为根据本发明实施例2的通过HVPE在SiC衬底表面上直接生长导光层的GaN 基倒装结构LED芯片的截面示意图。
[0027]【符号说明】
[0028] 11 SiC衬底， 12 A1N缓冲层和N型GaN层，
[0029] 13多量子阱层，14 P型GaN层，
[0030] 15 P 电极， 16 N 电极，
[0031] 17键合金属， 18侧壁保护介质膜，
[0032] 19转移衬底， 20粘结剂，
[0033] 21导光层。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0035] 实施例1
[0036] 在本发明的示例性实施例1中，提供了一种利用粘结剂在GaN基倒装结构LED的 SiC衬底上形成导光层的方法。
[0037] 参见图3、图4,本实施例中在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法， 包括下列步骤：
[0038] 步骤A，在SiC衬底上按照常规方法生长LED外延片；例如，常规结构的外延片包 括SiC衬底11、A1N缓冲层和N型GaN层12、多量子阱层13、P型GaN层14。
[0039] 步骤B，利用ICP刻蚀台面、PN电极金属沉积、氧化硅绝缘层制备等工艺，制备出 P面具有反射金属膜的外延片，利用键合机将外延片与新的衬底键合，形成倒装结构的LED 外延片。器件管芯例如主要包括：P电极15、N电极16、键合金属17、侧壁保护介质膜18、转 移衬底19。
[0040] 步骤C，采用传统的机械研磨工艺将SiC衬底减薄，研磨能较快大批量的去掉多余 衬底。相应的减薄后厚度越薄越好，但减薄过薄对工艺要求会较高，典型的SiC衬底减薄后 厚度在1?200微米。
[0041] 步骤D，在SiC衬底表面形成一层厚导光层，形成导光层的方法为在SiC衬底表面 涂覆一层粘结剂20,粘结剂例如为S0G等氧化物，其折射率为1. 5?2. 5,透光率大于85%， 然后将导光层21粘合到SiC衬底表面，导光层例如可以为选自ZnO、A120 3、AIN、SiN、GaN、 Ga0、Si02等具有较高折射率与透光率的基板，导光层的厚度在50?1000微米之间，这样就 得到了具有导光层的SiC衬底的GaN基倒装结构LED。
[0042] 本实施例中，具体的SiC衬底倒装结构LED的外延生长和器件形成工艺还是依照 传统工艺进行。利用高折射率、高透光率的粘结剂将导光层（片）直接粘贴到SiC衬底表 面，导光层（片）可以用拉晶、切割等成熟工艺制备，工艺简单。由于增加了导光层的设计， 导光层的折射率又介于SiC衬底材料和娃胶材料之间，为从SiC衬底层射入导光层的光线 提供了四周侧壁的出光通道，在一定范围内，随着导光层厚度的增加，倒装结构LED管芯的 出光效率也随着增加。
[0043] 实施例2
[0044] 在本发明的示例性实施例2中，提供了一种通过氢化物气相外延法（HVPE)、金属 有机化合物化学气相沉淀法（M0CVD)、等离子体增强化学气相沉淀法（PECVD)、低压力化学 气相沉淀法（LPCVD)等在GaN基倒装结构LED的SiC衬底上直接生长导光层的方法。
[0045] 参见图3、图5,本实施例的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法， 包括以下步骤：
[0046] 步骤A，在SiC衬底上按照常规方法生长LED外延片；例如，常规结构的外延片包 括SiC衬底11、A1N缓冲层和N型GaN层12、多量子阱层13、P型GaN层14。
[0047] 步骤B，利用ICP刻蚀台面、PN电极金属沉积、氧化硅绝缘层制备等工艺，制备出 P面具有反射金属膜的外延片，利用键合机将外延片与新的衬底键合，形成倒装结构的LED 外延片。器件管芯例如主要包括：P电极15、N电极16、键合金属17、侧壁保护介质膜18、转 移衬底19。
[0048] 步骤C，采用传统的机械研磨工艺将SiC衬底减薄，研磨能较快大批量的去掉多余 衬底。相应的减薄后厚度越薄越好，但减薄过薄对工艺要求会较高，典型的SiC衬底减薄后 厚度在1?200微米。
[0049] 步骤D，在SiC衬底表面形成一层厚导光层21，形成导光层的方法例如为通过 HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD等工艺在GaN基倒装结构LED的SiC衬底上直接生长导光层，导 光层例如可以为选自ZnO、A1 203、AIN、SiN、GaN、GaO、Si02等具有较高折射率与透光率的基 板，导光层的厚度在50?1000微米之间，这样就得到了具有导光层的SiC衬底的GaN基倒 装结构LED。
[0050] 本实施例中，具体的SiC衬底倒装结构LED的外延生长和器件形成工艺还是依照 传统工艺进行。通过HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD等工艺在GaN基倒装结构LED的SiC衬底 上直接生长导光层。由于增加了导光层的设计，导光层的折射率又介于SiC衬底材料和娃 胶材料之间，为从SiC衬底层射入导光层的光线提供了四周侧壁的出光通道，在一定范围 内，随着导光层厚度的增加，倒装结构LED管芯的出光效率也随着增加。
[0051] 本发明通过在SiC衬底表面形成一层中间折射率的厚导光层，从而增加了导光板 上侧壁的出光量，如图2所示，采用200微米厚度的ZnO导光层，GaN基LED的出光率可以 提高到68%，相较于无导光层结构的GaN基LED，出光率提高了一半以上，大大提高了器件 的发光效率。至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领 域技术人员应当对本发明的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法来增加倒 装结构LED的出光效率的原理及效果有了清楚的认识。
[0052] 此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、 形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
[0053] (1)导光层例如可以为选自ZnO、A1203、AIN、SiN、GaN、GaO、Si0 2等具有较高折射 率且透光率较好的材料；
[0054] (2)导光层可以通过HVPE、M0CVD、PECVD、LPCVD等工艺直接在SiC衬底上生长形 成。
[0055] (3)工艺步骤、外延材料层数、外延材料组分，都遵循最普通的LED器件结构和工 艺要求，可以调换顺序及增减。
[0056] 综上所述，本发明提供了一种在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方 法，该方法简单可靠、易于实现，利用该方法可提高SiC衬底的GaN基倒装结构LED的发光 效率。
[0057] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，包括下列步骤： 将GaN基LED的SiC衬底减薄； 在所述SiC衬底表面形成一层导光层，由此得到具有导光层的SiC衬底的GaN基LED。
2. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 通过机械研磨工艺将SiC衬底减薄。
3. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述SiC衬底减薄后的厚度在1?200微米之间。
4. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述导光层的材料选自 ZnO、A1203、AIN、SiN、GaN、GaO、Si02。
5. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述导光层用粘结剂粘合到SiC衬底上。
6. 根据权利要求5所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述的粘结剂为S0G氧化物，折射率为1. 5?2. 5,透光率大于85%。
7. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述导光层通过HVPE、MOCVD、PECVD或LPCVD工艺生长在SiC衬底上。
8. 根据权利要求1所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 在所述的将SiC衬底减薄的步骤之前，还包括下列步骤： 在SiC衬底上生长LED外延片； 利用ICP刻蚀台面、PN电极金属沉积、氧化硅绝缘层制备工艺，制备出P面具有反射金 属膜的外延层，利用键合机将外延层与新的衬底键合，形成倒装结构的LED外延片。
9. 根据权利要求8所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述在SiC衬底上生长的LED外延片自下而上依次包括：衬底、A1N缓冲层、N型GaN层、多 量子阱层、P型GaN层。
10. 根据权利要求8所述的在SiC衬底上形成有导光层的GaN基LED的制造方法，其中 所述新的衬底为Si、SiC或金属衬底。
【文档编号】H01L33/00GK104143593SQ201410337635
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】孔庆峰, 马平, 纪攀峰, 卢鹏志, 杨华, 刘志强, 伊晓燕, 王军喜, 王国宏, 曾一平, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所