CN102097542B - 具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有排热结构的垂直结构发光二极管(LED)的形成方法。本方法包括以下步骤：a)提供蓝宝石基板；b)在蓝宝石基板上制造多个凹部，其深度为p；c)形成具有多个凸部的缓冲层，凸部的深度q小于p，以致当缓冲层的凸部容纳于蓝宝石基板的凹部时，在其间形成多个间隙，以利排热；d)在缓冲层上生长多个发光层，具有形成于发光层和缓冲层间的介质层；e)蚀刻穿透发光层和缓冲层来形成通道，以利排热；f)通过准分子激光剥离(excimerlaser lift-off，LLO)来移除蓝宝石基板；g)粗化介质层；以及h)在粗化的介质层上沉积电极。

Description

具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法
技术领域
本发明是有关垂直结构发光二极管(LED)的形成方法，尤指一种形成具有通道和多个间隙的垂直结构发光二极管，以利排热，同时可改善激光剥离(laserlift-off，LLO)工艺的良率并提升LED产能。
背景技术
近几年来，散热管理仍是高电流驱动下的封装高功率LED发展的主要课题。由于外延于蓝宝石基板上的横向电流导通结构，导致电流推挤效应、高串联电阻(series resistance)和散热不佳的缺点。
此外，利用短波长准分子源的激光剥离(LLO)工艺的散热基板，可解决蓝宝石散热不佳的缺点。举例来说，美国第7,384,807号专利揭示一种制造垂直结构光电装置的方法，包含在晶体基板上制造多个垂直结构光电装置，接着使用LLO工艺来移除基板。然而，LED的电性和光学特性取决于外延层的晶体质量，其质量受到额外的化学工艺(例如蚀刻)、机械工艺(如研磨)、以及LLO工艺的影响。激光束可能需要扫描外延晶圆一次以上，因而降低其产出，破坏LED外延层的机会亦大增。LLO的设备价值亦不斐。
为达成LLO工艺的高良率，必须利用化学或物理蚀刻工艺来分离epi-GaN的岛(island)，以形成排热结构，即所谓的“道径”(street path)。道径利于LLO工艺期间氮气释放，因而提高良率。
然而，由于epi-GaN岛的尺寸增加，必须放宽道径的宽度，以防止相邻的岛遭到因光引发分解而释放的氮气的压力破坏。
在LED的制作上，蓝宝石(Al2O3)为目前氮化铝铟镓基(AlInGaN-based)材料外延成长最常使用的基板。然蓝宝石基板的导热性不良，因而限制蓝光发光二极管必须采用正负金属电极同在基板一侧的横向导通结构。因此，此结构使得发光面积缩减外，更因电流推挤效应和横向路径，致使LED装置的顺向压降(Vf)及串联电阻增加。产生的大量热直接影响外部量子效率。
利用准分子激光剥离工艺技术，以高散热基板来取代传统蓝宝石基板已行的多年。虽已商业化，其复杂的工艺与低良率使得制作成本依旧高昂。短波长(＜355nm)准分子激光束可穿透具高能隙抛光的蓝宝石基板，而在外延缓冲层(u-GaN)和蓝宝石间的界面被吸收。吸收的能量在u-GaN的表面累积并转换成热能，致使u-GaN气化并释放氮气。随后，释出的氮气所产生的压力会对相邻隔绝的外延组件与散热基板产生破坏。因此，采用接合(bonding)或电镀(electroplating)技术所形成的脆弱接口的剥落会有可靠度的问题，如光输出功率快速降低、封装后的顺向压降(Vf)增加。因此，不论是采用接合或电镀工艺所制作散热基板来取代目前使用的基板，势必用更复杂的工艺来加强散热基板与外延组件间接口的接合强度。为改善LLO的良率，必须将相邻的两外延组件间的主要隔绝道径的宽度放宽，也因此造成2英寸晶圆的产量低，间接增加制作成本。
发明内容
本案的目的为提供一种具有排热结构的垂直结构发光二极管(LED)的形成方法，以解决上述现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种具有排热结构的垂直结构发光二极管(LED)的形成方法，其步骤包含：a)提供蓝宝石基板；b)在蓝宝石基板上制造多个凹部，其深度为p；c)形成具有多个凸部的缓冲层，凸部的深度q小于p，以致当缓冲层的凸部容纳于蓝宝石基板的凹部时，在其间形成多个间隙，以利排热；d)在缓冲层上生长多个发光层，具有形成于发光层和缓冲层间的介质层；e)蚀刻穿透发光层和缓冲层来形成通道，以利排热；f)通过准分子激光剥离(excimer laser lift-off，LLO)来移除蓝宝石基板；g)粗化介质层；以及h)在粗化的介质层上沉积电极。
根据本案构想，凹部通过光蚀刻工艺、湿蚀刻工艺、或干蚀刻工艺所形成。
根据本案构想，缓冲层的形状取决于其生长压力、生长时间、和生长温度的参数，并通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)来沉积。
根据本案构想，凹部在蓝宝石基板上形成条状或点状图案。
根据本案构想，凹部的深度p大于1μm，凸面形成于蓝宝石基板上任两相邻的凹部间，其剖面形状为底角大于60°的等腰梯形，任两相邻的凸面距离小于1μm。
根据本案构想，缓冲层由使用于蓝光LED的未掺杂氮化镓(u-GaN)或使用于紫光LED的氮化铝(AlN)所制成。
本案的另一目的是提供一种具有排热结构的垂直结构发光二极管(LED)的形成方法，其步骤包含：a)提供蓝宝石基板；b)在蓝宝石基板上制造多个凹部，其宽度为m；c)形成具有多个凸部的缓冲层，凸部的宽度n小于m，以致当缓冲层的凸部容纳于蓝宝石基板的凹部时，在其间形成多个间隙，以利排热；d)在缓冲层上生长多个发光层，具有形成于发光层和缓冲层间的介质层；e)蚀刻穿透多个发光层和缓冲层来形成通道，以利排热；f)通过准分子激光剥离(LLO)来移除蓝宝石基板；g)粗化介质层；以及h)在粗化的介质层上沉积电极。
根据本案构想，凹部通过光蚀刻工艺、湿蚀刻工艺、或干蚀刻工艺所形成。
根据本案构想，缓冲层的形状取决于其生长压力、生长时间、和生长温度的参数。
根据本案构想，凹部在蓝宝石基板上形成条状或点状图案。
根据本案构想，缓冲层由使用于蓝光LED的未掺杂氮化镓(u-GaN)或使用于紫光LED的氮化铝(AlN)所制成。
根据本案构想，缓冲层是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)来沉积。
附图说明
图1至图9绘示本发明的垂直结构LED的形成；
图10A和图10B绘示本发明的基板上的凸部的俯视图；
图11绘示本发明的凸部的示意剖面图。
附图标记说明：100-蓝宝石基板；101-凹部；102-缓冲层；103-凸部；104-间隙；105-凸面；106-介质层；107-通道；108-接合材料；109-接合基板；110-电极。
具体实施方式
为解决电流推挤效应造成的排热问题，现亟需具有排热结构的垂直结构发光二极管。如下所述，本发明的实施例揭示一种具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法。
图1至图9绘示本案的第一实施例。在本实施例中，首先提供蓝宝石基板100。其后，通过光蚀刻工艺、湿蚀刻工艺、或干蚀刻工艺在蓝宝石基板100形成多个凹部101。凹部101的深度为p，凹部宽度为m。形成于蓝宝石基板100上的缓冲层102具有多个凸部103，其高度为q，凸部宽度为n。
缓冲层102的凸部103容纳于蓝宝石基板100的凹部101。由于凸部103的高度q小于凹部101的深度p，于是在蓝宝石基板100和缓冲层102之间形成多个间隙104，以利排热，如图3A。凹部宽度m大于凸部宽度n时，亦可形成间隙104，如图3B。
凹部101可形成点状(如图10A)、条状(如图10B)、或任何重复的几何形状的图案。图案的形状和尺寸可利用光罩来控制。缓冲层102如用于蓝光LED，可由未掺杂氮化镓(u-GaN)制成；若用于紫光LED，则由氮化铝(AlN)制成。缓冲层102可通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)来沉积。缓冲层102的生长压力、生长时间和生长温度的参数会影响其形状，亦控制凸部103的深度。
在本实施例中，凸面105形成于蓝宝石基板100上两两相邻的凹部101之间。凸面105的剖面形状为等腰梯形，如图11。凹部101的深度p最好大于1μm。蓝宝石基板100与等腰梯形其中一边之间的凸面105的底角θ大于60°。此外，任两相邻的凸面105距离最好小于1μm。本实施例中凸面105的剖面虽为等腰梯形，然其不限于此，亦可为如平滑凸块状、矩形、或三角形等任何其它形状。
缓冲层102形成后，多个发光层105生长于缓冲层102上，具有介质层106形成于发光层105和缓冲层102之间。介质层106可由n-GaN制成。发光层105可包含n-GaN层、多量子井(multi-quantum well，MQW)层、AlGaN层、p-GaN层、传导层、反射层、保护层、以及金属层。由于发光二极管的发光层的结构并非本发明的标的，于是将省略形成于缓冲层102上的各层的叙述。
接下来，蚀刻穿透发光层105和缓冲层102来形成通道107，以方便排热。本实施例虽采用干蚀刻，然亦可采用等离子蚀刻(plasma etching)。
之后，作为底部结构的接合基板109通过接合材料108以接合在发光层105上，用来提供LED的支座。接合材料108可为镍、金、银、或其它具有良好导电性和延展性的金属材料。本实施例的接合基板109是铜板。上述基板的接合可由电镀来取代。
其后，利用准分子激光剥离(LLO)工艺来移除蓝宝石基板100。在准分子激光剥离工艺期间产生气化的氮气和热气会沿着间隙104和通道107逸散，如此可防止LED结构中的热和压力所导致的裂缝产生。
此外，将介质层106粗化并沉积电极110于其上。电极110可由铜、金、镍、银或其它金属材料并采用真空蒸镀法(vacuum evaporation plating)来制成。最后可得到垂直结构的发光二极管。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)提供蓝宝石基板；
b)在蓝宝石基板上制造多个凹部，其深度为p；
c)形成具有多个凸部的缓冲层，凸部的深度q小于p，以致当缓冲层的凸部容纳于蓝宝石基板的凹部时，在其间形成多个间隙，以利排热；
d)在缓冲层上生长多个发光层，具有形成于多个发光层和缓冲层间的介质层；
e)蚀刻穿透多个发光层和缓冲层来形成通道，以利排热；
f)通过准分子激光剥离来移除蓝宝石基板；
g)粗化介质层；以及
h)在粗化的介质层上沉积电极。
2.根据权利要求1的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述凹部通过光蚀刻工艺、湿蚀刻工艺、或干蚀刻工艺所形成。
3.根据权利要求1的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述缓冲层的形状取决于其生长压力、生长时间、和生长温度的参数，并通过金属有机化学气相沉积法来沉积。
4.根据权利要求1的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述凹部在蓝宝石基板上形成条状或点状图案。
5.根据权利要求1的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述凹部的深度p大于1μm，凸面形成于蓝宝石基板上任两相邻的凹部间，其剖面形状为底角大于60°的等腰梯形，任两相邻的凸面距离小于1μm。
6.根据权利要求1的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述缓冲层由使用于蓝光LED的未掺杂氮化镓或使用于紫光LED的氮化铝所制成。
7.一种具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)提供蓝宝石基板；
b)在蓝宝石基板上制造多个凹部，其宽度为m；
c)形成具有多个凸部的缓冲层，凸部的宽度n小于m，以致当缓冲层的凸部容纳于蓝宝石基板的凹部时，在其间形成多个间隙，以利排热；
d)在缓冲层上生长多个发光层，具有形成于多个发光层和缓冲层间的介质层；
e)蚀刻穿透多个发光层和缓冲层来形成通道，以利排热；
f)通过准分子激光剥离来移除蓝宝石基板；
g)粗化介质层；以及
h)在粗化的介质层上沉积电极。
8.根据权利要求7的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述凹部通过光蚀刻工艺、湿蚀刻工艺、或干蚀刻工艺所形成。
9.根据权利要求7的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述缓冲层的形状取决于其生长压力、生长时间、和生长温度的参数。
10.根据权利要求7的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述凹部在蓝宝石基板上形成条状或点状图案。
11.根据权利要求7的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，所述缓冲层由使用于蓝光LED的未掺杂氮化镓或使用于紫光LED的氮化铝所制成。
12.根据权利要求7的具有排热结构的垂直结构发光二极管的形成方法，其特征在于，缓冲层是通过金属有机化学气相沉积法来沉积。
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