CN111029449B - 一种深紫外薄膜半导体器件结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深紫外LED薄膜半导体器件结构及制作方法,包括:制作一凹槽形状图形化衬底,并生长由缓冲层、n型半导体层、发光活性层和p型半导体层构成的深紫外发光外延层,并在所述深紫外发光外延层上制作倒装芯片连接结构,键合到绝缘散热基板上,减薄衬底至凹槽底部开口露出部分缓冲层,形成倒装结构的薄膜芯片结构,利用衬底作为掩膜板,干蚀刻缓冲层至n型层,形成图形对应的空心柱结构。空心柱结构与图形化衬底对应,并形成光子晶体结构,提高了深紫外LED薄膜芯片的光取出效率和改善了芯片的散热效果。

Description

一种深紫外薄膜半导体器件结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件的制作方法,更具体地为一种深紫外LED薄膜半导体器件结构及其制作方法。
背景技术
近年来,为了提高III族氮化物基化合物半导体发光器件的发光功率和效率,发展了基于衬底转移的薄膜器件技术,例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积III族氮化物薄膜,然后把III族氮化物薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上,再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除;或者在SiC或者Si衬底上沉积III族氮化物薄膜,然后把III族氮化物薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上,再把SiC或者Si衬底用化学腐蚀方法去除。
随着高功率LED和深紫外LED的大量开发,大家逐渐把目标重点转向倒装薄膜芯片(Thin film flipchip)的开发。倒装薄膜芯片之所以可以达到高发光效率,主要在于将结晶层置于下方,利用金属材料封装在基板上,所以能够有效率的把结晶层内的热量排除,而且因为不需要连接材料,所以稳定性也相对较高,可用于照明用的大电流、大型元件。深紫外LED由于其带隙宽,产生的深紫外光对很多材料会产生吸收,所以降低材料吸收对深紫外LED器件的效率和可靠性具有很重要的意义。目前深紫外LED的外延缺陷多、发光效率低等问题导致热处理对LED器件的效率也有很高要求。
发明内容
本发明提出一种深紫外薄膜半导体器件结构及其制作方法,其在衬底与外延层之间具有图形衬底对应的散热空心柱结构,可以达到增加光取出和改善散热效果。
根据本发明的第一个方面,一种深紫外薄膜半导体器件结构包括由下至上依次设置的透光性衬底、深紫外发光外延层、连接结构和绝缘散热基板;所述透光性衬底具有复数个底部开口的凹槽,所述深紫外发光外延层包括依次设置的缓冲层、n型半导体层、发光活性层和p型半导体层,其中所述缓冲层生长于所述透光性衬底上且厚度大于所述凹槽深度;还包括复数个空心柱结构,所述空心柱结构与所述凹槽的开口一一对应、贯穿所述缓冲层并延伸至所述n型半导体层。
优选的,所述复数个凹槽周期性图形化分布。
优选的,所述空心柱结构的深度为0.1um~5.0um,直径为0.01um~1um。
优选的,所述凹槽是向下凹陷的半球状、梯形状或矩形状。
优选的,所述发光活性层产生的光波长位于100nm~400nm。
优选的,所述连接结构包括p键合层、n键合层和绝缘层,其中所述p键合层连接所述p型半导体层、所述n键合层连接所述n型半导体层,所述绝缘层隔开所述p键合层和所述n键合层;所述p键合层和所述n键合层分别由所述绝缘散热基板开口引出电极。
优选的,所述透光性衬底的材料是AlN单晶材料、蓝宝石或GaN;所述深紫外发光外延层的材料是氮化铝基材料。
优选的,所述透光性衬底的厚度为0.5um~3.0um。
根据本发明的第二个方面,一种深紫外薄膜半导体器件的制作方法包括以下步骤:
1)提供一透光性衬底,图形化所述透光性衬底形成复数个凹槽;
2)于所述透光性衬底上生长缓冲层,使所述缓冲层的厚度超过所述凹槽的深度;
3)依次生长n型半导体层、发光活性层和p型半导体层,构成深紫外发光外延层;
4)在深紫外发光外延层上定义单个芯粒区域和制作连接结构,制作倒装结构的芯片;
5)将芯片键合到绝缘散热基板上,并制作电极;
6)对透光性衬底减薄至所述凹槽底部;
7)采用干蚀刻方法,从凹槽底部蚀刻至n型半导体层,形成贯穿绝缘层的空心柱结构;
8)根据芯片的边界分割芯粒,形成单颗的深紫外薄膜半导体器件。
优选的,步骤6)中,所述透光性衬底减薄的方法包括机械研磨、化学抛光、干法蚀刻和湿法蚀刻。
优选的,步骤7)中,所述干蚀刻方法包括ICP、RIE及其组合。
本发明具有下列有益效果:
首先,本发明的生长衬底上制作凹槽结构,在外延层生长中结合侧向外延生长方式,可以有效降低缺陷密度;凹槽结构衬底图形相应转移到外延缓冲层,制作倒装芯片结构,在出光面转变成凸型结构,有利于光取出;进一步地,制作空心柱结构是对应的周期性图形化结构,具有光子晶体结构的作用,能够有效提高取光效率;特别是在深紫外发光二极管部分,同时可以减少材料对紫外光的吸收;再者,本发明所述的半导体发光器件的制作方法中,形成了挖孔的生长衬底但保留衬底的连续性,对薄膜芯片结构具有支撑作用,降低外延层因应力太大而破裂的风险。
附图说明
图1为实施例的工艺流程图,其中均为各步骤形成的结构的侧面剖视图;
图2为具有矩阵式排列凹槽的透光性衬底的俯视图;
图3为实施例的深紫外薄膜半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,文中所描述的图形中相对元件的上下关系,在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言,因此皆可以翻转而呈现相同的构件,此皆应同属本说明书所揭露的范围。只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明提出的深紫外薄膜半导体器件及其制作方法,主要应用于氮化铝基半导体发光器件,特别适用于波长位于100nm~400nm的紫外发光二极管器件。
作为实施例,参考图1的流程图,一种深紫外薄膜半导体器件的制作方法包括下面步骤。
取一透光性衬底100,利用干蚀刻和黄光制程相结合的方法在其上制作凹槽101,凹槽101选用凹透镜半球状结构,呈矩阵式排列,其俯视图如图2所示。衬底材料首选AlN单晶材料,或者蓝宝石和GaN。此外,凹槽101还可以为梯形、矩形等。凹槽101的深度可以是例如0.5um~3.0um。
下一步,在图形化衬底上,依次外延生长缓冲层210,n型半导体层220,发光活性层230,p型半导体层240,形成深紫外发光外延层200;外延层为AlN基的半导体材料,如AlN、AlGaN、InAlGaN等。缓冲层210厚度大于凹槽101的深度,即填平凹槽101并且具有一定连续的厚度,表面长平。
下一步,制作连接结构300和倒装结构的发光二极管结构,包括在发光外延层200上定义单个芯粒的大小和电极区,干蚀刻露出n型半导体层,制作p键合层310和n键合层320,结构首选Ti/Al/Ti/Au/Ti/Ni/Sn,厚度在200-5000nm之间,也可以是包括Al、Ag、Ni、Sn、Au、Cu、Ti、Pt、Pd和Rh中的一种合金制成。在p键合层310和n键合层320外的区域用绝缘层330覆盖隔离,绝缘层330首选SiN。其中p键合层310和n键合层320具有欧姆接触效果和镜面效果;
下一步,利用高压键合,将带有倒装芯片结构键合到绝缘散热基板400上。
下一步,利用激光挖空或者干蚀刻,在绝缘散热基板上制作电极引线空,利用电镀填充p电极510和n电极520。
下一步,对透光性衬底100进行高精度研磨,接近凹槽101的底部。结合干蚀刻方式控制蚀刻衬底,截至凹槽101底部的缓冲层,凹槽101底部开口,此时透光性衬底100的厚度即与凹槽101的深度相同;
下一步,利用选择性蚀刻的方式,利用已经挖孔的衬底当作掩膜板,对应凹槽101底部开口位置蚀刻贯穿缓冲层至深入n型半导体层220,形成空心柱结构102。空心柱结构102的深度为0.1um~5.0um,直径为0.01um~1um。
下一步,利用激光根据芯片图形单元划裂开,形成单一的深紫外薄膜半导体器件。
如图3所示,得到的一种深紫外薄膜半导体器件包括透光性衬底100、深紫外发光外延层200、连接结构300、绝缘散热基板400和p电极510、n电极520。
透光性衬底100具有周期性矩阵排列的复数个底部开口的凹槽101。凹槽101是向下凹陷的半球状。透光性衬底100主要用于外延生长衬底及取光层。
深紫外发光外延层200位于透光性衬底100之上,包括依次设置的缓冲层210、n型半导体层220、发光活性层230和p型半导体层240。其中缓冲层210生长于透光性衬底100上且厚度大于凹槽101深度,填平凹槽101并向上具有一定连续的厚度,表面长平。即缓冲层210底部继承了生长衬底100的图形化排列的凹槽图案,形成同样图形化排列的凸镜结构。此外,在各半导体层之上/下还可设置其他半导体层,但是不限于此。复数个空心柱结构102与所述凹槽101的开口一一对应、贯穿缓冲层210并延伸至深入n型半导体层220。
连接结构300设于深紫外发光外延层200之上,包括p键合层310、n键合层320和绝缘层330,其中p键合层310连接p型半导体层240、n键合层320连接n型半导体层220,绝缘层330隔开p键合层310和n键合层320。绝缘散热基板400键合于连接结构300上,p电极510和n电极520分别与p键合层310和n键合层320连接。绝缘散热基板400的材料可为AlN陶瓷基板、SiC、Si等散热基板。在半导体层上键合层还包含欧姆接触和反射金属等。
本实施例在透光性衬底上制作透镜效果的图形,作为反向出光层;在晶片上制作覆晶芯片结构,将晶片键合到绝缘散热基板上,并对透光性衬底进行研磨,形成倒装薄膜芯片结构,利用图形化透光性衬底高低位置差异,采用干蚀刻方式,在底部蚀刻形成一层中空的图形化空心柱结构,其余位置保留连续结构可以达到支撑外延层作用,同时空心柱结构可以达到光子晶体的效果和散热效果,可提高出光效率。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种深紫外薄膜半导体器件结构及其制作方法,但本发明并不局限于实施例,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:包括由下至上依次设置的透光性衬底、深紫外发光外延层、连接结构和绝缘散热基板;所述透光性衬底具有复数个底部开口的凹槽,所述深紫外发光外延层包括依次设置的缓冲层、n型半导体层、发光活性层和p型半导体层,其中所述缓冲层生长于所述透光性衬底上且厚度大于所述凹槽深度;还包括复数个空心柱结构,所述空心柱结构与所述凹槽的开口一一对应、贯穿所述缓冲层并延伸至所述n型半导体层。
2.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述复数个凹槽周期性图形化分布。
3.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述空心柱结构的深度为0.1um~5.0um,直径为0.01um~1um。
4.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述凹槽是向下凹陷的半球状、梯形状或矩形状。
5.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述连接结构包括p键合层、n键合层和绝缘层,其中所述p键合层连接所述p型半导体层、所述n键合层连接所述n型半导体层,所述绝缘层隔开所述p键合层和所述n键合层;所述p键合层和所述n键合层分别由所述绝缘散热基板开口引出电极。
6.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述透光性衬底的材料是AlN单晶材料、蓝宝石或GaN;所述深紫外发光外延层的材料是氮化铝基材料。
7.根据权利要求1所述的深紫外薄膜半导体器件结构,其特征在于:所述透光性衬底的厚度为0.5um~3.0um。
8.一种深紫外薄膜半导体器件的制作方法,其特征在于包括以下步骤:
1)提供一透光性衬底,图形化所述透光性衬底形成复数个凹槽;
2)于所述透光性衬底上生长缓冲层,使所述缓冲层的厚度超过所述凹槽的深度;
3)依次生长n型半导体层、发光活性层和p型半导体层,构成深紫外发光外延层;
4)在深紫外发光外延层上定义单个芯粒区域和制作连接结构,制作倒装结构的芯片;
5)将芯片键合到绝缘散热基板上,并制作电极;
6)对透光性衬底减薄至所述凹槽底部;
7)采用干蚀刻方法,从凹槽底部蚀刻至n型半导体层,形成贯穿绝缘层的空心柱结构;
8)根据芯片的边界分割芯粒,形成单颗的深紫外薄膜半导体器件。
9.根据权利要求8所述的制作方法,其特征在于:步骤6)中,所述透光性衬底减薄的方法包括机械研磨、化学抛光、干法蚀刻和湿法蚀刻。
10.根据权利要求8所述的制作方法,其特征在于:步骤7)中,所述干蚀刻方法包括ICP、RIE及其组合。
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