CN101667615B - 形成发光二极管装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种形成发光二极管装置的方法。该方法包含：形成一发光二极管结构于一第一基底之上。将一部分的该第一基底转换成一孔洞层，以及形成一导电基底于与该第一基底相反侧的该发光二极管结构之上。沿着该孔洞层切割，以将该第一基底由该发光二极管结构分离。本发明可在固定基底尺寸的前提下，达到增加该发光二极管装置的发光效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置及其工艺，且特别涉及一种发光二极管装置及其工艺。
背景技术
利用电流在p-n结所产生的电子及空穴辐射性再结合，可产生电磁辐射(例如：光)。在从直接能隙材料(例如GaAs或GaN)制造的正偏压的p-n结，该注入空乏区的电子空穴再结合产生电磁辐射的射出。该电磁辐射可以在可见光的范围内，或是在非可见光的范围内。使用具有不同能隙的材料也可产生出具有不同发光颜色的发光二极管。此外，一发光二极管发出具有特定波长范围的电磁辐射时，表示可利用一荧光体来吸收该等辐射，并发射出一或多种不同的波长的辐射。因此，举例来说，一发光二极管发出非可见光时，可利用一荧光体将该非可见光转换成一可见光。
由于硅基底的低成本及大量广为人知可运用于其上的工艺技术手段，使得利用硅基底来形成发光二极管装置将会十分具有吸引力。对于垂直发光二极管装置，该硅基作为一导电界面以提供一电性连结至该发光二极管结构的底部接触层。然而由硅基底一般具有相对高的吸收率，因此负面地影响该发光二极管装置的发光效率。
一用来解决上述问题的方法是利用一反射层，例如分布式布拉格反射层或反射缓冲层，以将光由基底侧反射至出光面。然而，该反射层易导致一通过外延成长的三-五族半导体层具有低的结晶品质。
另一用来解决该问题的方法是将该硅基底由三-五族半导体层上移除，并形成一新的导电基底。该方法所导致的问题包含需去除整个硅基底、以及移除硅基底所额外花费的时间及成本。
综上所述，发展出具有较佳发光效率的发光二极管装置及其工艺是十分必要的。
发明内容
本发明的实施例提供新颖的发光二极管工艺，来降低、解决或避免公知技术所存在的问题，并达到所期望的技术优点。
根据本发明的一目的，提供一形成发光二极管装置的方法。该方法包含形成一发光二极管结构于一基底之上。在形成该发光二极管结构后，将部分该基底转换成一孔洞层。接着，形成一导电基底于该发光二极管结构之上。之后，通过选择性蚀刻或机械性切割该孔洞层，将该发光二极管结构由该基底上分离。
根据本发明另一目的，提供一形成发光二极管装置于一硅覆绝缘(SOI)基底的方法。该硅覆绝缘(SOI)基底包含一硅基底、一埋层氧化层、及一最顶层的硅层。该方法包含形成一发光二极管结构于该硅覆绝缘(SOI)基底的最顶层的硅层之上。接着，形成一导电基底于该发光二极管结构之上。选择性蚀刻该埋层氧化层，以分离该硅基底及该最顶层的硅层与该发光二极管结构。
本发明可在固定基底尺寸的前提下，达到增加该发光二极管装置的发光效率的目的。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1-6显示本发明一实施例所述发光二极管装置的工艺步骤；以及
图7-12显示本发明另一实施例所述发光二极管装置的工艺步骤。
并且，上述附图中的附图标记说明如下：
102～基底(或硅基底)；
104～孔洞层(或埋层氧化层)；
202～晶种层(或最顶层的硅层)；
302～发光二极管结构；
304～第一接触层；
306～披覆层；
308～有源层；
310～第二披覆层；
312～第二接触层；
314～缓冲层；
316～反射层；
402～导电基底；
702～基底；
704～掺杂层；
804～发光二极管结构；
804～牺牲栓塞；
902～间隙壁；
904～开口；
1002～孔洞层；以及
1102～导电基底。
具体实施方式
本发明接下来将会提供许多不同的实施例以实施本发明中不同的特征。各特定实施例中的组成及配置将会在以下作描述以简化本发明。这些为实施例并非用于限定本发明。
本发明提供一形成发光二极管装置的方法及其所形成的结构。可以被理解地，本发明仅显示出本发明所述的方法的必要步骤，不过其它已被知晓用于此技术领域的步骤或工艺也可被加入于该方法中。在本发明的实施例所述的图示中，类似的单元以类似的元件符号来表示。
图1-6显示不同的中介工艺步骤，用以形成本发明一实施例所述的形成于导电基底上的发光二极管结构。请参照图1，形成一孔洞层104于该基底102之上。该基底102可为一半导体总体基材，可以具有掺杂或非掺杂，较佳是具有一(100)面位向。值得注意的是当本发明的实施例其内文描述使用一硅总体基底，也可以其他基底来替代。举例来说，硅覆绝缘(SOI)基底、蓝宝石基底、或碳化硅基底等也可以用来取代本发明所述实施例所述的基底。根据本发明的实施例，由于硅基底的成本较低，因此较佳使用硅基底。此外，除了较佳使用具有一(100)面位向的基底外，具有不同面位向的基底像是(111)、或(110)等面位向也可被使用。
该孔洞层104通过转换部分的该基底102为一孔洞层所形成。在一实施例中，该基底102为一总体硅基底，而该孔洞层104通过例如电化学阳极蚀刻法所形成，该化学阳极蚀刻法使用具有氢氟酸溶液(20wt％)及乙基醇的电解质组成物，且阳极电流密度介于约1mA/cm2至约200mA/cm2。较佳地，该基底102在形成孔洞层104前具有一厚度至少约100μm，而该孔洞层104的厚度介于约
至约1μm之间。该孔洞层104用来作为一分离层，用以在后续工艺中将该基底102由该发光二极管结构上分离，详述于下。
图2根据本发明一实施例显示一可视需要增减的步骤，形成一晶种层于该孔洞层104之上。该晶种层202可提供一较佳的表面，且该晶种层紧邻着后续经外延成长所得的发光二极管结构。该晶种层202较佳是由经外延成长的含硅材料层所形成，该晶种层202可例如为SixGe(1-x)、或SixC(1-x)等，其中0＜x＜1。
在一实施例中，含硅晶种层202可以化学气相沉积的方法通过氢气氛在约600℃至约1100℃的温度及约1torr至约760torr的压力下所形成。该晶种层202较佳具有一厚度约1nm至约1000nm。其他的工艺，例如远端等离子体增强化学气相沉积(RPCVD)、分子束外延(MBE)、金属有机气相外延(MOVPE)，氢化物气相外延(HVPE)、或液相外延(LPE)等都可用来形成该晶种层。
在另一实施例中，一硅覆绝缘基底用来取代具有孔洞层104及晶种层202形成于其上的基底102。在此，一侧向蚀刻可用来蚀刻硅覆绝缘基底的绝缘层，使得位于下方的基底(一般为硅基底)与形成于上方的硅层分离，详述于下。
图3是根据本发明一实施例，显示形成一发光二极管结构302于该基底102。该发光二极管结构302可包含一第一接触层304、一第一披覆层306、一有源层308、一第二披覆层310、及一第二接触层312。一缓冲层314可视需要加以形成。
该缓冲层314包含一或一种以上的材料并形成于该基底102的上方(例如形成于该孔洞层104和/或该晶种层202之上)，作为一后续外延成长形成该发光二极管结构302的成核层。依据各自形成于该第一及第二接触层304及312上的基板的型态，来决定配置于该第一接触层304及该基底102(例如形成于该孔洞层104和/或该晶种层202之上)之间的缓冲层材料。举例来说，当所使用的基底为碳化硅、或硅基底，该的缓冲层，例如AlN、或AlGaN，可用来在该碳化硅基底上进行三-五族化合物的外延成长。
举例来说，该缓冲层314的材料可为三-五族为主的化合物，像是金属氮化物、金属碳化物、金属碳氮化物、单一金属、合金、或含硅材料等。其形成方式举例来说可为：金属有机CVD(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、远端等离子体增强化学气相沉积(RP-CVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、氯化物气相外延(Cl-VPE)、或液相外延(LPE)等。该缓冲层314的材料可例如包含SiC、ZnO、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AlInN、或AlInGaN、等。该缓冲层314可进一步包含多个膜层，例如多个AlN层及多个硅掺杂GaN层以交替方式相迭。该缓冲层314可以掺杂一p型或一n型杂质，或是实质上未掺杂。
该第一接触层304形成于该缓冲层314的上方。该第一接触层304可由一三族氮化物(或其他五族元素)。在一实施例中，该第一接触层304由具有n型导电性质的三族氮化物所组成，且形成方式可为MBE、MOCVD、HVPE、或LPE等。该三族氮化物材料可包含，举例来说，GaN、InNAlN、InxGa(1-x)N、AlxGa(1-x)N、或AlxInyGa(1-x-y)N等，其中0＜x≤1、0＜y≤1。包含其他五族元素来用来取代N的化物也可被使用。
该可视需要形成的第一披覆层306形成于该第一接触层304的上方。相似于该第一接触层304，该第一披覆层306可由一三-族氮化物或其他五族元素所形成。在一实施例中，该第一披覆层306包含n型导电性质的具有三-族氮化物(例如n-AlGaN)。该第一披覆层306的形成方法可基本上与形成该第一接触层304的方法相同。
该发光层308(也称为有源层)形成于该第一披覆层306之上。该发光层308可包含一均质接面、一异质接面、一单一量子阱(SQW)、或一多重量子阱(MQW)结构。在一实施例，该发光层308包含非掺杂n-型氮化镓铟(GaxInyN(1-x-y))。在另一实施例中，发光层308可包含其他常用的材料，例如AlxInyGa(1-x-y)N，其中0＜x≤1、0＜y≤1。在又一实施例中，该发光层308可具有多重量子阱结构，包含多重量子阱层(像是InGaN)及一具交替样式的阻挡层(像是GaN)。同样地，该发光层308的形成方法可为MOCVD、MBE、HVPE、LPE、或其他可适用的CVD方法。该发光层308的总厚度较佳是介于约5nm及约200nm之间。
一可视需要形成的第二披覆层310可形成于该发光层308之上。在一实施例中，该第二披覆层310的材料相似于该第一披覆层306，例如AlGaN，除了该第二披覆层310可能掺杂为p型。形成该第二披覆层310的方法基本上与形成该第一披覆层306的方法相同，除了需形成相反型态的导电性质。
该第二接触层312形成于该第二披覆层310之上。该第二接触层的材料可与该第一接触层304相同或不同，而形成方法与该第一接触层304基本上相似，除了该第二接触层312的导电性质型态与该第一接触层304相反。
如图3所示，一反射层316可视需要形成于该三-五族发光二极管结构302最上层的上方。该反射层316是将该发光层308往该第二接触层312方向射出的光反射回去，让光由该第一接触层304侧射出，其作为该发光二极管装置的光射出面。该视需要所形成的反射层316可包含一单一层，像是一反射金属层(例如Al、或Ag等)，或是一具有多层的膜层，像是分布式布拉格反射层、或全位向反射层等。在其他实施例中该第二接触层312也可为一高反射率的膜层，因此也可以不需要该反射层316。
图4是根据本发明一实施例，显示形成一导电基底402于该发光二极管结构302之上。该导电基底402形成于该发光二极管结构302的上方，以提供一电性连结至该第二接触层312(和/或该反射层316)。该导电基底402可由任何适合的导电材料所形成，像是掺杂硅、金属、或金属合金等。该导电基底402的厚度较佳是约50μm。
在一实施例中，可通过电镀方式形成该导电基底402。在此实施例，一晶种层(未显示)成膜于该晶片之上，接着将其放置于一包含金属离子(例如镍、铬、或铜等)电镀溶液中，并施以一电压。举例来说，若该导电基底402的材质为镍，该晶片被放置一包含有NiSO4、NiCl2、及H2O2的溶液中。该晶片表面电性连结至一外部电源供应器的负极侧，使得该晶片在电镀过程中作为阴极。一镍阳极同时浸泡于该溶液中，且与该外部电源供应器的正极侧电性连结。该阳极的镍原子被氧化成Ni2+离子，而该Ni2+离子由该阳极释放出并溶于该溶液。当该Ni2+离子到达该负偏压阴极，例如该晶片，该Ni2+离子被还原成金属并镀于该晶片表面上。
在另一实施例中，该导电基底402由硅所构成。在此，一硅基底结合于该第二接触层312的表面，因此形成如图4所示的该导电基底402。被结合的该硅基底较佳为一具有离子掺杂的硅总体基底，并具有与该发光二极管结构302的第二接触层312相同的导电性质型态。举例来说，在一实施例中，该第二接触层312为p型导电性质材料，而该硅基底被掺杂硼离子或是其他p型离子。该硅基底可通过Au-Si共晶结(先沉积金于第二接触层312)与该第二接触层312结合，或是利用金属与金属结方式(沉积Au或Cu于欲结的两侧)。
图5是根据本发明一实施例，显示移除该基底102及该孔洞层104。该基底102可以利用机械性分离方式从该发光二极管结构302上分离，该机械性分离方式可例如为一水刀工艺。该水刀工艺可利用一水流由孔洞层104边缘来进行机械性侧向蚀刻。由于孔洞层104的多孔性，该孔洞层104易于被分割，因此可将该基底102由该发光二极管结构302上分离。由于该基底102可被重复利用，因此减少浪费及工艺成本。
在另一实施例中，该孔洞层104可通过一化学蚀刻工艺来移除。在此，具有49％氢氟酸及30％H2O2(1∶5)的水溶液可被用来由该基底102的边缘侧向蚀刻该孔洞层104。该氢氟酸对于该孔洞层104及该基底102(或是该发光二极管结构302)的蚀刻选择比约1至100,000。由于如此高的蚀刻选择比，该侧向蚀刻不会对该基底102或该发光二极管结构30造成损害。其他用来分割的方法可包括：热应力、穿孔、及插入一凿子。
图6是根据本发明一实施例，显示移除该晶种层202。该晶种层202可通过浸泡在一含氢氟酸、硝酸、及醋酸的溶液(一般称为HNA溶液)或是一含KOH的溶液。该溶液可移除残留的孔洞层104及该晶种层202。在某些实施例中，该缓冲层314可以用湿蚀刻移除，以进一步改善第一接触层304的电性接触。如此一来，该发光二极管结构302的底部可具有良好的电性接触。至此，完成本发明所述的该发光二极管装置的工艺。举例来说，电性接触(正面及背面接触)可以分别在第一接触层304及第二接触层312形成，保护层可以被形成，且该发光二极管装置可以进一步被切割及封装。
相似的工艺可进一步实施于较昂贵的硅覆绝缘基底。在使用硅覆绝缘基底的实施例中，由于该埋层氧化层可被选择性蚀刻，因此不需要额外形成一层孔洞层。在一包含硅覆绝缘基底的实施例中，如图2所示，包含一硅基底102，一埋层氧化层104，及一最顶层的硅层202。埋层氧化层104通过一氢氟酸溶液来选择性移除。举例来说，将该硅覆绝缘基底浸泡于包含氢氟酸(1-10vol％)的溶液中，氢氟酸主要蚀刻该氧化层104，对于该最顶层的硅层202及该硅基底102的蚀刻速率非常缓慢。在移除该埋层氧化层104后，可在实施图3至图6所述的步骤。因此，该最顶层的硅层202的移除方法可如图6所移除该晶种层的方法。
图7-11是根据本发明一实施例，显示另一形成发光二极管装置的方法。请参照图7，一具有掺杂层704的基底702被提供。该基底702可具有与上述基底102相似的材料。该掺杂层704较佳以注入p型离子于该基底702内来达成。举例来说，该掺杂层704可通过注入剂量在约1×1013原子/cm2至约1×1016原子/cm2的硼离子，及注入能量介于约10至约50KeV。如可需要的话，一注入后热退火可被施行。该掺杂层704的厚度较佳是介于约0.1μm至约10μm之间。
与图1-6所述的实施例相比，该掺杂层704是在制造该发光二极管装置间提供额外的结构强度。一预先形成的孔洞层104(如图1所示)是易碎的，也可能无法在该发光二极管装置工艺时提供足够的结构支撑度。在某些实施例中，该掺杂层704可被形成并在后续的步骤中转换成一孔洞层。该掺杂层704的使用也同时增加热受量忍受度。
图8是根据本发明一实施例，显示形成一发光二极管结构802。如图8所示，该发光二极管结构802形成介于牺牲栓塞804之间。该牺牲栓塞804将在后续的工艺中被移除形成开口904以形成孔洞层1002。
该牺牲栓塞804的材料较佳为与该基底702相比具有高的蚀刻选择性的材料。举例来说，在一实施例中，该基底702为一硅基底，该牺牲栓塞804可包含一二氧化硅材料。在此实施例，该牺牲栓塞804可以利用沉积方式形成，并图形化该坦覆性的二氧化硅。该坦覆性的二氧化硅可例如以热氧化法、或化学气相沉积(CVD)来形成，若为化学气相沉积，可以TEOS及氧作为前驱物。另外，该牺牲栓塞804可为其他介电材料。举例来说，氧化氮、或氧化硅氮等，以CVD等方式形成。该牺牲栓塞804的厚度较佳介于约1μm至约6μm。
该坦覆性的二氧化硅可以利用光刻蚀刻的方式来进行图行化。一般来说，光刻蚀刻的方式包含沉积一光致抗蚀剂材料、及以一图形选择性照射该光致抗蚀剂材料。之后，以显影方式移除该光致抗蚀剂材料的一部分。所残留的光致抗蚀剂材料在后续工艺(例如：蚀刻)中保护位于其下的膜层。在此，该光致抗蚀剂材料是用来图形化该牺牲栓塞804，如图8所示。之后，形成该发光二极管结构802。该发光二极管结构802及该缓冲层314的材料与该发光二极管结构302及缓冲层314相似，类似的单元以类似的元件符号来表示。
图9是根据本发明一实施例，显示移除该牺牲栓塞804。在一实施例中，该牺牲栓塞804可包含二氧化硅，该牺牲栓塞804可通过浸泡在具有氢氟酸(10vol％)的溶液中。氢氟酸会优先地蚀刻该牺牲栓塞804，除非以电化学来加速蚀刻，否则氢氟酸非常缓慢地蚀刻该掺杂层704。
仍参照图9，沿着该开口904的侧壁形成间隙壁902。该间隙壁902是防止该上层及下层发光二极管结构802短路，该间隙壁902较佳包含一介电材料，并与该发光二极管结构802及该掺杂层704相比具有高的蚀刻选择性。举例来说，在一实施例，该掺杂层704包含硅，该间隙壁的材料可例如为SiO2、Si3N4、或其他含氮层，像是SixNy、SiOxNy、SiOxNy:Hz、或其组合，其中0＜x＜4、0＜y＜4、及0＜z＜4。在一较佳实施例中，该间隙壁902以CVD方式形成坦覆性氮化硅层(厚度约5nm至约100nm)，该CVD使用硅烷及氨水作为前驱物。该间隙壁902可通过一非等向性干蚀刻来图形化。
图10是根据本发明一实施例，显示该掺杂层704转换成孔洞层1002。移除该牺牲栓塞804，并从该开口904或侧向沿着该基底702的边缘，将该掺杂层704转换成该孔洞层1002。该掺杂层704可以电化学阳极化法来转换成该孔洞层1002。举例来说，使用具有氢氟酸溶液(20wt％)及乙基醇的电解质组成物，且阳极电流密度介于约1mA/cm2至约200mA/cm2。值得注意的是，在此该氢氟酸的浓度需大于在图9所述移除该牺牲栓塞804步骤所使用的浓度，且同样以电化学方式来加强蚀刻。使用一较低浓度的氢氟酸来移除该牺牲栓塞804可避免氢氟酸蚀刻该掺杂层704。然而，值得注意的是，过蚀刻该掺杂层704可能会造成该基底702在形成导电基底前就分开，因此该氢氟酸的浓度必需被调整，因此在将该掺杂层704转换成一孔洞层时，不会完全移除该掺杂层704。避免该基底702由该发光二极管结构802上分离。
图11是根据本发明一实施例，显示形成一导电基底1102。该导电基底1102的材质及形成方法可与图4所述的该导电基底402相似，在此不再赘述。
图12是根据本发明一实施例，显示移除该基底702及该孔洞层1002。该基底702及该孔洞层1002可以图5所述移除该基底102及该孔洞层104的方法来移除。
值得注意的是该发光二极管结构802可以被图形化为任何适合的图形。例如，该发光二极管结构802可以被形成具有正方形、长方形、圆形、或椭圆形等的形状。此外，该发光二极管结构802可具有其他任何形状，并在图形化时可具有任意数量。
值得注意的是，为方便图示，该发光二极管结构302和/或802以平坦的装置来显示。在某些实施例中，该发光二极管结构302和/或802可为具有纹理的结构。该具有纹理的结构可以例如蚀刻方式使凹陷、和/或以外延成长方式形成凸处。通过一具有纹理的表面，可增加发光层的表面区域，因此可在固定基底尺寸的前提下，达到增加该发光二极管装置的发光效率的目的。
在以上的叙述中，该发光二极管结构一般多以p型表面朝向该导电基底，本领域普通技术人员当可依据本发明实施例所述形成一发光二极管结构，以n型表面朝向该导电基底。在某些实施例中，该第一接触层304及该第一披覆层306可具有p型导电性质，而该第二披覆层310及该第二接触层312可具有n型导电性质。
虽然本发明已以数个较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种形成发光二极管装置的方法，包含：
提供一基底，该基底之上具有一掺杂层；
形成多个牺牲栓塞及发光二极管结构于该掺杂层之上，其中该发光二极管结构介于该牺牲栓塞之间；
移除该牺牲栓塞得到多个开口；
借由该开口将该掺杂层转换成一孔洞层；
形成一导电基底于该发光二极管结构之上；以及
沿着该孔洞层将该发光二极管结构由该基底上分离。
2.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中分离该发光二极管结构的步骤包含：切割该孔洞层以对该基底进行机械性分离。
3.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中分离该发光二极管结构的步骤包含：通过一化学蚀刻工艺移除该孔洞层。
4.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，进一步包含沿着该开口的侧壁形成间隙壁。
5.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中形成该孔洞层的步骤包含在形成该发光二极管结构后利用电化学阳极化法将该掺杂层转换成该孔洞层。
6.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中该导电基底的形成至少部分是通过电镀来达成。
7.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中该导电基底的形成至少部分是通过形成一掺杂硅层于该发光二极管结构之上来达成。
8.如权利要求1所述的形成发光二极管装置的方法，其中该发光二极管结构包含一具有纹理的表面。
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- 2014-08-22 US US14/466,172 patent/US9117943B2/en active Active
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