一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用，通过在垂直结构外延片中嵌入空气腔结构，降低外延层位错密度，释放材料外延应力和激光剥离产生的冲击应力，有效降低垂直结构器件激光剥离导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题，提升垂直结构器件的激光剥离质量和良品率。品率。品率。

【技术实现步骤摘要】
一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用


[0001]本专利技术属于垂直结构器件
，具体涉及一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用。

技术介绍

[0002]基于Ⅲ族氮化物半导体材料的发光二极管(LED)具有体积小、易集成、低功耗、切换迅速、发光高效、使用寿命长等优势，被广泛的运用在各类照明场所，其以紫外照明为代表的特种LED，被视为替代汞灯等传统紫外光源的最为理想选择，在医疗卫生、工业固化、农业生长、生化检测等领域表现出巨大的需求。
[0003]通常LED芯片主要分为水平结构、倒装结构、垂直结构三大类。然而，由于水平结构和倒装结构通常使用同侧电极，在电流的水平传输过程中存在电流拥挤效应，加上此两种结构不去除蓝宝石衬底，存在严重的散热问题难以解决，在大功率下电流注入下尤其明显。而使用激光剥离工艺去除衬底的垂直结构芯片结构克服了水平、倒装结构由于电流拥堵，散热不均匀等一系列劣势，对改善LED热效应问题及大功率输出特性具有非常好的效果，是解决LED大功率及散热问题的一条重要技术解决途径。且近年来由于新冠疫情对市场的需求，垂直结构LED芯片，尤其是紫外LED芯片凭借其独特的优势，成为了研究热点。
[0004]使用激光剥离工艺不同于化学剥离，具有剥离速度快，效率高、无化学药品污染风险，但是激光剥离工艺中产生的气体冲击以及温度变化则会对氮化物LED芯片造成一定的损伤，影响后续工艺的稳定进行。且芯片在外延生长过程中的晶格失配和热失配等问题的存在，也会导致剥离后出现一定程度的龟裂、褶皱等形貌，严重影响芯片质量。此类问题在深紫外LED芯片的制备中更为严重，极大的影响垂直结构芯片的加工难度和成品率。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用，应用于垂直结构器件中，改善激光剥离的工艺环境，释放外延应力和气体冲击。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种空气腔激光剥离结构实现方法，包括以下步骤：
[0008]S1、对垂直结构器件的外延衬底进行表面处理，并在其外延面上设计刻蚀保护模板；
[0009]S2、在步骤S1得到的刻蚀保护模板上，通过图案加工方法在衬底上制成微腔结构阵列，然后去除刻蚀保护模板，并使用横向外延生长技术制备LED外延层，将空气腔结构内嵌于激光剥离工艺的作用层；
[0010]S3、使用高能脉冲激光束由衬底非外延侧射入，选择激光光束、光斑尺寸和激光能量阈值区间，逐点扫描，辐照空气腔结构所在的作用层；利用激光辐照LED外延层生成的气体生成物的冲击应力得以有效释放，最终将实现衬底和外延层的完整分离。
[0011]具体的，步骤S1中，垂直结构器件的外延衬底包括Si衬底、蓝宝石衬底、氮化铝衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种。
[0012]具体的，步骤S2中，微腔结构阵列的深度为5nm～25μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm；刻蚀保护模板的厚度为50nm～7μm，直径为50nm～5μm，间距为50nm～5μm。
[0013]具体的，步骤S2中，刻蚀保护模板为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种；图案加工方法包括刻蚀、转移、压印、旋涂、光刻、轰击、腐蚀中的一种或多种，采用湿法加热定向腐蚀方式去除刻蚀保护模板。
[0014]具体的，步骤S2中，横向外延生长技术制备LED外延层包括GaN、AlGaN、AlN、InGaN或AlGaInP材料制成的紫外LED外延层、蓝色LED外延层、绿色LED外延层或红色LED外延层。
[0015]具体的，步骤S2中，激光剥离工艺的作用层包括外延的缓冲层、外延的牺牲层、外延与蓝宝石衬底的界面层中的一种。
[0016]具体的，步骤S2中，空气腔结构的边界包括蓝宝石衬底的顶层和外延的缓冲层底层，空气腔结构的高度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，图案周期距离为5nm～20μm。
[0017]具体的，步骤S3中，高能激光束采用短脉冲波长为190～400nm、脉冲宽度为10～100ns、功率参数为0.1～20w、激光光斑尺寸为微米至毫米可调。
[0018]本专利技术的另一技术方案是，一种空气腔激光剥离结构。
[0019]本专利技术的第三个技术方案是，空气腔激光剥离结构应用于准分子激光器剥离垂直结构器件的外延衬底。
[0020]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0021]本专利技术一种空气腔激光剥离结构实现方法，通过在图案加工方法将微腔结构阵列内嵌于垂直结构外延片中，在激光剥离的作用层内形成空气腔结构，使激光辐照LED外延层生成的气体生成物的冲击应力和热应力得以有效释放，有效改善外延层位错密度和内应力。
[0022]进一步的，垂直结构器件的外延衬底包括Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种，作为外延层的衬底支撑。激光剥离过程中，具有对高能短脉冲激光从相对透明的衬底或外延层入射至激光剥离工艺的作用层
[0023]进一步的，微腔结构阵列的深度为5nm～25μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm，确保所述横向外延生长的初期阶段，外延生长方向由纵向变为横向，提高外延质量；刻蚀保护模板的厚度为50nm～50μm；有效阻断所述图案加工方法中的工艺对外延衬底的破坏，保证微腔结构阵列尺寸和周期的均匀。
[0024]进一步的，刻蚀保护模板的类型为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种，有效阻断图案加工方法中工艺对外延衬底的破坏，图案加工方法包括刻蚀、转移、压印、旋涂、光刻、轰击、腐蚀中的一种或多种组合，确保所述微腔结构阵列尺寸和精度的精度，去除刻蚀保护模板的方法采用湿法加热定向腐蚀的方式去除，确保完全、快速的去除刻蚀保护模板和所述图案加工方法产生的残渣，减少因杂质导致所述横向生长技术中的材料位错密度的增加，保证外延质量。
[0025]进一步的，横向外延生长技术制备LED外延层包括但不限于GaN、AlGaN、AlN、InGaN、AlGaInP等材料制成的紫外、蓝色、绿色、红色LED外延层。
[0026]进一步的，激光剥离的作用层，包括外延的缓冲层、外延的牺牲层、外延与蓝宝石衬底的界面层中的一种，保证所述空气腔结构精准的作用在激光剥离的应力释放处。
[0027]进一步的，空气腔结构的边界包括蓝宝石衬底的顶层和外延的缓冲层底层，空气腔结构的高度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，图案周期距离为15nm～20μm，确保空气腔结构具有足够的空间保证气体应力的释放。
[0028]进一步的，高能激光束采用短脉冲波长为190
‑
400nm、脉冲宽度为10～100ns、功率参数为0.1～20w、激光光斑尺寸为微米至毫米范围可调，确保激光剥离的高能脉冲激光束具有足够的能量使所述外延层和所述垂直结构器件的外延衬底完整分离。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气腔激光剥离结构实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对垂直结构器件的外延衬底进行表面处理，并在其外延面上设计刻蚀保护模板；S2、在步骤S1得到的刻蚀保护模板上，通过图案加工方法在衬底上制成微腔结构阵列，然后去除刻蚀保护模板，并使用横向外延生长技术制备LED外延层，将空气腔结构内嵌于激光剥离工艺的作用层；S3、使用高能脉冲激光束由衬底非外延侧射入，选择激光光束、光斑尺寸和激光能量阈值区间，逐点扫描，辐照空气腔结构所在的作用层；利用激光辐照LED外延层生成的气体生成物的冲击应力得以有效释放，最终将实现衬底和外延层的完整分离。2.根据权利要求1所述的空气腔激光剥离结构实现方法，其特征在于，步骤S1中，垂直结构器件的外延衬底包括Si衬底、蓝宝石衬底、氮化铝衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种。3.根据权利要求1所述的空气腔激光剥离结构实现方法，其特征在于，步骤S2中，微腔结构阵列的深度为5nm～25μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm；刻蚀保护模板的厚度为50nm～7μm，直径为50nm～5μm，间距为50nm～5μm。4.根据权利要求1所述的空气腔激光剥离结构实现方法，其特征在于，步骤S2中，刻蚀保护模板为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种；图案加工方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏妍，林礼涛，张少琛，云峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：