CN111326409B - 激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构 - Google Patents

激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，解决了现有技术中激光剥离蓝宝石衬底的过程中冲击波导致产品良率低的问题。该激光剥离方法包括在蓝宝石衬底上生长牺牲层，该牺牲层包括氮化系半导体层；在牺牲层中注入离子，该离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体；在牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构；采用激光穿过蓝宝石衬底对牺牲层进行照射使其分解，以将蓝宝石衬底和发光二极管器件外延结构分离。

Description

激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构
技术领域
本发明涉及发光二极管的制备技术领域，具体涉及一种激光剥离方法和应用该方法进行衬底剥离的蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构。
背景技术
在发光二极管的制备过程中，通常需要利用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，以将发光二极管器件外延结构转移至目标衬底上。由于激光照射时会在剥离界面产生冲击波，而该冲击波会产生GP量级的冲击压强，导致发光二极管器件外延结构出现裂纹，导致产品失效，降低产品良率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例致力于提供一种激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，以解决现有技术中激光剥离蓝宝石衬底的过程中冲击波导致产品良率低的问题。
本发明一方面提供了一种激光剥离方法，包括：在蓝宝石衬底上生长牺牲层，该牺牲层包括氮化系半导体层；在牺牲层中注入离子，该离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体；在牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构；采用激光穿过蓝宝石衬底对牺牲层进行照射使其分解，以将蓝宝石衬底和发光二极管器件外延结构分离。
可选地，在牺牲层中注入离子包括：在牺牲层中均匀注入离子，以使牺牲层中离子浓度相同。
可选地，注入的离子浓度为1×1015～1×1018Ions/cm2。
可选地，在牺牲层中注入离子包括：牺牲层包括交替设置的第一区域和第二区域；采用掩模分别对第一区域和第二区域注入离子，以使第一区域的离子浓度高于第二区域的离子浓度。
可选地，在牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构包括：在牺牲层的第二区域表面生长发光二极管器件外延结构。
可选地，在牺牲层中注入离子包括：按照预定深度在牺牲层中注入离子，以形成上下叠置的接触层和离子注入层。
可选地，氮化系半导体层包括氮化镓层或氮化铝层。
可选地，离子包括氢离子、氨气离子、氩离子。
根据本发明的另一方面还提供了一种蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，包括：蓝宝石衬底；生长在蓝宝石衬底上的发光二极管器件外延结构；以及牺牲层，牺牲层位于蓝宝石衬底和发光二极管器件外延结构之间，包括被注入的离子，该离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体。
可选地，牺牲层中的离子的浓度相同。
可选地，牺牲层包括间隔排布的第一区域和第二区域，第一区域和第二区域的离子浓度不同。
根据本发明提供的激光剥离方法和蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，通过在牺牲层中注入离子，降低了牺牲层的强度，使得牺牲层在激光照射下更容易发生分解反应，从而可以利用强度更低的激光进行剥离，即降低了激光的强度阈值，进而可以降低激光剥离过程产生的冲击波造成的损伤，提高产品良率。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的激光剥离方法的流程图。
图2a-图2d为本发明一实施例提供的根据图1所示方法进行激光剥离过程时依次形成的器件结构示意图。
图3所示为本发明另一实施例提供的激光剥离方法的流程图。
图4a-图4b为本发明一实施例提供的根据图3所示方法进行激光剥离过程时形成的器件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明一实施例提供的激光剥离方法的流程图。如图1所示，该激光剥离方法100包括：
步骤S110，在蓝宝石衬底上生长牺牲层，该牺牲层包括氮化系半导体层。
氮化系半导体层是指在激光照射下可发生分解反应生成氮气的半导体膜层，例如可以是氮化镓层或氮化铝层。
步骤S120，在牺牲层中注入离子，该离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体。
这里的离子例如可以是氢离子、氨气离子、氩离子，还可以是其他任意稀有气体离子。
步骤S130，在牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构。该发光二极管器件外延结构包括依次叠置的n型氮化镓层、有源层、p型氮化镓层，以及位于牺牲层和n型氮化镓层之间的接触层。
步骤S140，采用激光穿过蓝宝石衬底对牺牲层进行照射使其分解，以将蓝宝石衬底和发光二极管器件外延结构分离。
蓝宝石衬底和牺牲层对激光具有不同的吸收效率，因此，必然存在某一特定波长的激光，可以穿透衬底而不对其产生任何影响(即衬底对于该特定波长的激光来说是透明的)，却可以使牺牲层发生分解反应，例如氮化系半导体材料的牺牲层可以在该特定波长的激光的照射下分解产生氮气，从而实现蓝宝石衬底和发光二极管器件外延结构之间的分离。
例如蓝宝石衬底11的带隙能量为9.9eV，当牺牲层12的材料为氮化镓时，由于氮化镓的带隙能量为3.39eV，这时可以利用光子能量为5eV(介于蓝宝石衬底和氮化镓之间)、波长为248nm的激光穿过蓝宝石衬底11对氮化镓层进行照射，以使氮化镓层发生分解反应，从而实现对蓝宝石衬底11的剥离。当牺牲层12的材料为氮化镓时，氮化铝的带隙能量是6.1eV，这时可以利用光子能量为6.4eV(介于蓝宝石衬底和氮化镓层之间)、波长为193nm的激光对氮化铝层进行照射，以使氮化铝层发生分解反应，从而实现对蓝宝石衬底11的剥离。
根据本实施例提供的激光剥离方法，通过在牺牲层中注入离子，当激光照射到牺牲层时，一旦该离子受热，会和氮化系半导体层中的电子相结合生成气体溢出，从而在牺牲层中形成微腔结构。这种情况下，一方面由于离子吸收了氮化系半导体层中的电子，使得氮化系半导体层的稳定结构被破坏；另一方面微腔结构的产生使得氮化系半导体结构变得松散，两方面因素的共同作用使得氮化系半导体层的强度相对降低，也即降低了牺牲层的强度。
牺牲层强度的降低进而使得牺牲层在激光的照射下更容易发生分解反应，从而可以利用强度更低的激光进行剥离，即降低了激光的强度阈值，进而可以降低激光剥离过程产生的冲击波造成的损伤，提高产品良率。
图2a-图2d为本发明一实施例提供的根据图1所示方法进行激光剥离过程时依次形成的器件结构示意图。
根据步骤S110，参阅图2a，首先在蓝宝石衬底11上生长牺牲层，该牺牲层为氮化镓牺牲层12。
根据步骤S120，参阅图2b，在氮化镓牺牲层12中注入离子，该离子为氢离子。
根据步骤S130，参阅图2c，在氮化镓牺牲层12表面生长发光二极管器件外延结构13。
具体来说，在氮化镓牺牲层12表面生长发光二极管器件外延结构13可以包括：在氮化镓牺牲层12表面依次生长接触层131、n型氮化镓层、有源层、p型氮化镓层；然后在p型氮化镓层表面刻蚀隔离槽132至露出牺牲层12，以形成彼此间隔排布的发光二极管器件外延结构13；最后在发光二极管器件外延结构13的顶面和侧面上沉积钝化层134，例如氮化硅层，该钝化层134用于为发光二极管器件外延结构提供一个密闭的工作环境，将其与周围的酸碱环境、水分子、氧气等隔离开。
根据步骤S140，参阅图2d，采用激光对蓝宝石衬底11表面进行扫描，该激光穿透蓝宝石衬底11从而对氮化镓牺牲层12进行照射使其分解，以将蓝宝石衬底11和发光二极管器件外延结构13分离。
根据本实施例提供的激光剥离方法，通过在氮化镓牺牲层12中注入氢离子，当激光照射到氮化镓牺牲层12时，一旦氢离子受热，会和氮化镓牺牲层12中的电子相结合生成氢气溢出，从而在牺牲层中形成微腔结构。这种情况下，一方面由于氢离子吸收了氮化镓牺牲层12中的电子，使得氮化镓牺牲层12的稳定结构被破坏；另一方面微腔结构的产生使得氮化镓牺牲层12结构变得松散，两方面因素的共同作用使得氮化镓牺牲层12的强度相对降低。牺牲层强度的降低进而使得牺牲层在激光的照射下更容易发生分解反应，从而可以利用强度更低的激光进行剥离，即降低了激光的强度阈值，进而可以降低激光剥离过程产生的冲击波造成的损伤，提高产品良率。
在一个实施例中，参阅图2c，当牺牲层12和发光二极管器件外延结构13中的接触层131为相同材料的膜层时，例如牺牲层12和接触层131的材料均为氮化镓时，这种情况下可以一次性制备牺牲层12和接触层131。
具体来说，步骤S120和步骤S130一起实施为：首先，按照预定深度在牺牲层12中注入离子，以形成上下叠置的接触层131和离子注入层，该离子注入层即为激光剥离过程中的牺牲层；其次，在接触层131之上依次制备n型氮化镓层、有源层、p型氮化镓层；再次，按照步骤S130的后续制备过程最终形成发光二极管器件外延结构13。
这样就可以一次性制备离子注入层(相当于牺牲层12)和接触层131，省略了制备发光二极管器件外延结构13的过程中沉积接触层131的步骤。
本领域技术人员可以理解，这种情况下，在蓝宝石衬底11上沉积的氮化镓层的厚度应当为牺牲层12和氮化镓接触层131的厚度之和。
在一个实施例中，如图2b所示，根据步骤S120在牺牲层12中注入离子包括：在牺牲层12中均匀注入离子，以使牺牲层12中离子浓度相同。这种情况下，可以采用恒定强度的激光匀速扫描，以将蓝宝石衬底11剥离，易于产业化。
考虑到注入的离子浓度过高时，形成的微腔过多，后续加热时蓝宝石衬底会直接脱落，无法为后续发光二极管器件外延结构13提供支撑作用；注入的离子浓度过低时，形成的微腔过少，达不到降低激光阈值的效果。因此，在一个实施例中，注入的离子浓度为1×1015～1×1018Ions/cm2(Ions/cm2表示每平方厘米的面积上分布的离子个数)，从而可以同时满足支撑作用和降低阈值的要求。
图3所示为本发明另一实施例提供的激光剥离方法的流程图。对比图1和图3可以看出，根据本实施例提供的激光剥离方法300和图1所示激光剥离方法100的区别仅在于第二步。本实施例中的第二步，即步骤S320包括：牺牲层包括交替排布的第一区域和第二区域，采用掩膜分别对第一区域和第二区域注入离子，以使第一区域和第二区域的离子浓度不同。
通过在交替排布的第一区域和第二区域注入不同浓度的离子，例如第一区域的离子浓度高于第二区域，则由于第二区域的离子浓度低，第二区域相比于第一区域更不易分解，这种情况下，可以采用强度刚好可以使第一区域分解的激光进行照射，而第二区域不会因照射完全分解，从而保留下空腔结构，这些空腔结构可以用于缓冲第一区域分解过程产生的气体冲击波，从而降低气体冲击波对发光二极管器件外延结构的损伤。同时该气体冲击波又会对第二区域进行进一步的剥离，以使第二区域的蓝宝石衬底完全剥离，也就是说第二区域的蓝宝石衬底是依次经过激光照射和气体冲击而实现剥离的。
根据本实施例提供的激光剥离方法，一方面，通过在牺牲层中注入离子，降低了激光强度阈值，实现该效果的原理可以参照图1所示激光剥离方法100的分析过程；另一方面，通过在牺牲层的相邻区域注入不同浓度的离子，降低了激光剥离过程产生的冲击波对发光二极管器件外延结构的损伤，提高产品良率。
图4a-图4b为本发明一实施例提供的根据图3所示方法进行激光剥离过程时形成的器件结构示意图。
参阅图4a，首先，根据步骤S310，在蓝宝石衬底41上生长牺牲层，该牺牲层为氮化镓牺牲层42。然后，根据步骤S320，将氮化镓牺牲层42划分为交替排布的第一区域421和第二区域422，采用掩膜分别对第一区域421和第二区域422注入氢离子，以使第一区域421的氢离子浓度高于第二区域422的氢离子浓度。
参阅图4b，根据步骤S330，在氮化镓牺牲层42的第二区域422的表面生长发光二极管器件外延结构43。
具体来说，在氮化镓牺牲层42表面生长发光二极管器件外延结构43可以包括：在氮化镓牺牲层42表面依次生长接触层、n型氮化镓层、有源层、p型氮化镓层；然后在氮化镓牺牲层42的第一区域421对应的p型氮化镓层表面刻蚀隔离槽432至露出牺牲层42，即发光二极管器件外延结构43对应于氮化镓牺牲层42中的离子浓度低的第二区域422，以形成彼此间隔排布的发光二极管器件外延结构43；最后在发光二极管器件外延结构43的顶面和侧面上沉积钝化层434，例如氮化硅层，该钝化层434用于为发光二极管器件外延结构43提供一个密闭的工作环境，将其与周围的酸碱环境、水分子、氧气等隔离开。
根据步骤S340，采用激光对蓝宝石衬底41表面进行扫描，该激光穿透蓝宝石衬底41从而对氮化镓牺牲层42进行照射使其分解，以将蓝宝石衬底41和发光二极管器件外延结构43分离。
根据本实施例提供的激光剥离方法，由于离子浓度低的区域可以利用空腔缓冲激光照射产生的气体冲击波，因此通过将发光二极管器件外延结构43设置在氮化镓牺牲层42中的离子浓度低的区域，可以进一步降低冲击波对发光二极管器件外延结构43的损伤，从而进一步提高产品良率。
本发明还提供了一种蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，如图2c所示，该发光二极管器件外延结构10包括蓝宝石衬底11、生长在蓝宝石衬底11上的发光二极管器件外延结构13，以及位于蓝宝石衬底11和发光二极管器件外延结构13之间的牺牲层12，该牺牲层12包括被注入的离子，该离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体。
在一个实施例中，如图2c所示，牺牲层12中的离子浓度相同。
在一个实施例中，如图4b所示，牺牲层22包括交替设置的第一区域421和第二区域422，第一区域421和第二区域422的离子浓度不同。
本发明提供的蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构的详细描述可以参阅上面方法的描述过程，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光剥离方法，其特征在于，包括：
在蓝宝石衬底上生长牺牲层，所述牺牲层包括氮化系半导体层；
在所述牺牲层中注入离子，所述离子为还原性离子，受热与所述氮化系半导体层中的电子结合生成气体；
在所述牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构；
采用激光穿过所述蓝宝石衬底对所述牺牲层进行照射使其分解，以将所述蓝宝石衬底和所述发光二极管器件外延结构分离；
其中，所述牺牲层包括交替设置的第一区域和第二区域；在所述牺牲层中注入离子包括：采用掩模分别对所述第一区域和所述第二区域注入离子，以使所述第一区域的离子浓度高于所述第二区域的离子浓度。
2.根据权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，在所述牺牲层表面生长发光二极管器件外延结构包括：
在所述牺牲层的所述第二区域表面生长发光二极管器件外延结构。
3.根据权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，在所述牺牲层中注入离子包括：
按照预定深度在所述牺牲层中注入离子，以形成上下叠置的接触层和离子注入层。
4.根据权利要求1-3中任一所述的激光剥离方法，其特征在于，所述氮化系半导体层包括氮化镓层或氮化铝层；和/或，
所述离子包括氢离子、氨气离子、氩离子。
5.一种蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，其特征在于，包括：
蓝宝石衬底；
生长在所述蓝宝石衬底上的发光二极管器件外延结构；以及
牺牲层，所述牺牲层位于所述蓝宝石衬底和所述发光二极管器件外延结构之间，包括被注入的离子，所述离子为还原性离子，受热与氮化系半导体层中的电子结合生成气体，所述牺牲层包括间隔排布的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域的离子浓度不同。
6.根据权利要求5所述的蓝宝石衬底上发光二极管器件外延结构，其特征在于，所述牺牲层中的所述离子的浓度相同。
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