CN102646763B - 氮化物半导体发光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种氮化物半导体发光元件的制造方法，该方法可以可靠地形成从发光元件表面引出的机械稳定的导线电极。预先在器件结构层上的第一电极层的周边形成结构保护牺牲层，在将器件结构层分离为发光元件的各个部分之后，粘接到支撑衬底上。随后，形成到达结构保护牺牲层的正锥形槽，并且在剥离步骤中剥离形成在该正锥形槽外面的倒锥形部。从而，在发光元件的正锥形侧壁上形成了绝缘层，并且在该绝缘层上形成了布线电极层，该布线电极层电连接到发光元件的主面上的第二电极层。

Description

氮化物半导体发光元件的制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件的制造方法。
背景技术
由蓝宝石制成的透明衬底通常用作氮化物半导体发光元件的成膜用生长衬底，通过在蓝宝石衬底上进行成膜来形成多个氮化物半导体发光元件。
因为蓝宝石的热导率低至20W/mK，所以为了获得良好的散热，需要将氮化物半导体侧粘接到散热片、辅助底座等。在这种情况下，从蓝宝石衬底侧提取光，但是在蓝宝石衬底背面反射大量的光，导致光提取效率降低。因此，采取了这样的技术：在将包括例如高热导率的封装衬底在内的另一支撑衬底粘接到氮化物半导体侧之后，通过激光剥离来去除蓝宝石衬底。
当将其粘接到另一支撑衬底时，出现的问题是如果大面积的平坦面粘接到一起，则在粘接面之间带入空气等，导致出现空隙。
此外，在激光剥离中，例如，从蓝宝石衬底的背面投射波长比作为GaN(氮化镓)的吸收端的波长362nm更短的光，以将与蓝宝石衬底的界面附近的GaN分解为镓和氮，因而分离蓝宝石衬底。然而，当大面积的平坦面粘接到一起时，激光剥离中出现的氮气不容易逸出到周边区域而留在原处，因而造成另一个问题，即对GaN膜造成大的影响。
因此，采用这样一种技术：在将蓝宝石衬底上的氮化物半导体划分为单独的发光元件之后，粘接到另一支撑衬底，并且通过激光剥离去除蓝宝石衬底。
在III族氮化物半导体的情况下，因为其晶体是化学稳定的，所以很难对其进行湿蚀刻，在其形状处理中使用干蚀刻。然而，干蚀刻的处理形状通常是正锥形，因而如果按照上述技术将氮化物半导体划分为各个元件并粘接到另一支撑衬底，则元件的侧壁将是倒锥形。
因此，很难在这些侧壁上形成引至去除了蓝宝石衬底的表面(通常是n型GaN表面)的馈电线。
因此，存在通过引线键合设置馈电线的技术，以及对于电极结构采用倒装结构(其中n电极和p电极设置在同一侧)，与预先形成有馈电线图案的封装衬底对准并粘接到一起的技术。参见日本特开2006-128710号公报(专利文献1)。
但是，在通过引线键合进行电连接的方法中，存在可能由于机械冲击等出现断线或者键合部剥离的问题。此外，在使用荧光物质进行波长转换的发光器件中，由于布线的干扰，很难在芯片的上表面上稳定地形成均匀的荧光物质层。
此外，如果使用倒装型，则在粘接到一起时需要精确对准，因而造成工艺复杂的问题。
为了通过简便的工艺形成机械稳定的布线电极，如果发光元件的侧壁被处理为正锥形并且在该正锥形侧壁上沉积布线电极层，则是有效的，但是当蚀刻倒锥形侧壁部分时，支撑衬底上周边的露出金属层同时也被蚀刻。如果该区域中的露出金属层被蚀刻，则很难形成电连接到粘接面侧的电极(通常是p电极)的布线电极。
此外，在蚀刻工序中，来自支撑衬底上的金属层等的元件周边区域的金属或者蚀刻副产物可能会粘到发光元件的侧壁上，导致p型层与n型层的电气短路的问题。
发明内容
鉴于以上事实做出本发明，其目的是提供一种氮化物半导体发光元件的制造方法，该方法可以可靠地形成从去除了成膜用生长衬底的发光元件表面引出的机械稳定的布线电极。
根据本发明，提供了一种氮化物半导体发光元件的制造方法，在成膜用生长衬底上形成多个发光元件的器件结构层，在将所述器件结构层分离为各个所述发光元件的部分时，将支撑衬底粘接到所述器件结构层并且去除所述生长衬底。该制造方法包括以下步骤：在所述生长衬底上形成所述器件结构层；在所述器件结构层的表面上，在分别对应于所述多个发光元件的位置处形成第一电极层；在所述器件结构层的表面上的所述第一电极层的周边形成结构保护牺牲层；元件分离步骤：在所述器件结构层中形成元件分离槽，从而将所述器件结构层分离为各个所述发光元件的部分；接合步骤：在所述元件分离步骤之后将所述支撑衬底粘接到所述器件结构层侧；在所述接合步骤之后去除所述生长衬底；正锥形槽形成步骤：在所述器件结构层中形成到达所述结构保护牺牲层的正锥形槽，从而将所述器件结构层分离为具有第一电极层的发光元件和所述结构保护牺牲层上的倒锥形部；剥离步骤：蚀刻所述结构保护牺牲层，从而剥离所述倒锥形部；在去除所述生长衬底而露出的所述器件结构层的露出面上形成第二电极层；以及布线电极层形成步骤：在所述发光元件的侧壁上形成绝缘层，并且在所述绝缘层上形成电连接到所述第二电极层的布线电极层。
根据本发明的氮化物半导体发光元件的制造方法，预先在器件结构层上的第一电极层的周边形成结构保护牺牲层，在将器件结构层分离为各个发光元件的部分之后粘接到支撑衬底。在随后的正锥形槽形成步骤中，形成到达结构保护牺牲层的正锥形槽，此时在正锥形槽的外边形成了倒锥形部并且在剥离步骤中剥离该倒锥形部。因此，发光元件的侧壁变为朝向支撑衬底侧的正锥形。因而，在发光元件的正锥形侧壁上形成绝缘层，并且在绝缘层上形成布线电极层，该布线电极层电连接到发光元件的主面上的第二电极层，因而能可靠地形成机械稳定的布线电极层。
附图说明
图1是示出根据本发明实施方式1的制造方法的截面图；
图2是示出正锥形槽形成步骤之后的发光元件的主面侧的平面图；
图3A和图3B是示出蚀刻引起的蚀刻副产物如何粘到发光元件的侧壁上的截面图；
图4是示出根据本发明实施方式2的制造方法的截面图；
图5是示出根据本发明实施方式3的制造方法的截面图；
图6是示出实施方式3的正锥形槽形成步骤之后的发光元件的主面侧的平面图；
图7是示出相邻的发光元件各自相反方向的侧壁形成为正锥形的示例的平面图；以及
图8是示出各个发光元件的三个侧壁形成正锥形的示例的平面图。
具体实施方式
下面后将参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1是示出作为本发明实施方式1的氮化物半导体发光元件的制造方法的截面图。图1中的标号(a)到(p)表示以下说明的处理步骤(a)到(p)。本实施方式示出在衬底上制造两个发光元件的情况。
(a)器件结构层形成步骤
在器件结构层形成步骤中，制备由蓝宝石制成的透明衬底(生长衬底)11，并且通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积)法在衬底11上形成由氮化物基的半导体构成的器件结构层12。器件结构层12由按顺序层叠的5μm厚的n型GaN层、包括InGaN量子阱层的多量子阱发光层和0.5μm厚的p型GaN层形成(这些层全部都未示出)。衬底11的蓝宝石具有对波长为作为GaN的吸收端的362nm的光透明的属性，并且可以使用诸如尖晶石、SiC或者ZnO的不同于蓝宝石衬底的材料。
(b)第一电极层形成步骤
在第一电极层形成步骤中，通过电子束蒸发法在器件结构层12的表面上形成200nm厚的Ag层，并通过光刻法对Ag层进行构图以形成第一电极层13。第一电极层13被布置在器件结构层12的表面上与各个发光元件相对应的位置处。
(c)结构保护牺牲层形成步骤
在结构保护牺牲层形成步骤中，使用溅射法在器件结构层12上的第一电极层13周围形成厚度与第一电极层13相同的由SiO2(二氧化硅)制成的结构保护牺牲层14。通过在以下说明的正锥形槽形成步骤(k)中进行蚀刻使结构保护牺牲层14露出，如果对其使用了诸如金属的高导电率的材料，则导电性的蚀刻副产物将粘到蚀刻后的侧壁上，导致p型GaN层与n型GaN层电气短路。因此，期望该层使用绝缘材料，并且可使用二氧化硅以外的氮化硅、氮化铝、氧化锆或者氧化铝等的材料。
此外，结构保护牺牲层14在剥离步骤(1)中用作牺牲层，因而至少形成在要在正锥形槽形成步骤(k)中形成正锥形槽的位置处。也就是说，在这样的位置处形成牺牲层14，即牺牲层14的至少一部分将在正锥形槽形成步骤(k)中形成的正锥形槽的底部露出。
此外，如上所述结构保护牺牲层14在剥离步骤(1)中用作牺牲层，因此更期望由可以容易地用缓冲氢氟酸(BHF)进行湿蚀刻的二氧化硅制成。
(d)扩散防止层形成步骤
在扩散防止层形成步骤中，使用溅射法在包括第一电极层13的上表面和结构保护牺牲层14的上表面的区域中形成由300nm厚的TiW制成的扩散防止层15。扩散防止层15用于防止第一电极层13所使用的扩散材料扩散，并且如果第一电极层13的材料包括Ag，则可使用Ti，W，Pt，Pd，Mo，Ru，Ir或者其合金。
(e)第一粘接层形成步骤
在第一粘接层形成步骤中，使用电子束蒸发法在扩散防止层15上形成由Au制成的200nm厚的第一粘接层16。
(f)器件结构层分离步骤
在器件结构层分离步骤中，通过使用抗蚀剂掩模以及使用氯气的干蚀刻法，在器件结构层12中形成到达衬底11的元件分离槽17。被元件分离槽17分离的器件结构层12的侧面是朝向衬底11的正锥形。元件分离槽17是这样的槽：其将衬底11上的器件结构层12划分为多个发光元件，并且从器件结构层12上方看起来形成为格子状。请注意器件结构层分离步骤(f)不是必须在扩散防止层形成步骤(d)之后进行，而是可以在从器件结构层形成步骤(a)到扩散防止层形成步骤(d)的任意两个步骤之间进行。
(g)第二粘接层形成步骤
在第二粘接层形成步骤中，制备由Si制成的支撑衬底20，并且使用电阻加热蒸发法在支撑衬底20上形成由Au-Sn(Sn：20％重量百分比)制成的1μm厚的第二粘接层21。热膨胀系数接近蓝宝石的7.5×10-6/K和GaN的5.6×10-6/K的具有高热导率的材料优选地作为支撑衬底20的材料。可使用AlN(氮化铝)、Mo(钼)、W(钨)或者CuW(铜钨合金)等的Si以外的材料。可使用能够进行共晶接合的包括Au-Sn、Au-In、Pd-In、Cu-In、Cu-Sn、Ag-Sn、Ag-In、Ni-Sn等的金属，或者能够进行扩散接合的包括Au在内的金属作为第一粘接层16和第二粘接层21的材料。
(h)晶片接合步骤
在晶片接合步骤中，使第一粘接层16和第二粘接层21接触并且在3MPa的压力下加热到300℃，并且在这些条件下保持10分钟，接着冷却到室温，从而进行共晶接合。也就是说，通过由可共晶接合的金属材料制成的第一粘接层16和第二粘接层21的混合扩散，经过金属膜粘接支撑衬底20。在图1中，第一粘接层16和第二粘接层21的共晶接合的所得物指示为接合层22。
(i)透明衬底分离步骤
在透明衬底分离步骤中，从背面向蓝宝石衬底11照射UV准分子激光以加热分解与衬底11的界面相邻的器件结构层12的一部分，从而分离衬底11。被元件分离槽17分离的器件结构层12的侧壁是朝向接合层22的倒锥形。
(j)抗蚀剂掩模形成步骤
在抗蚀剂掩模形成步骤中形成抗蚀剂掩模23，该抗蚀剂掩模23掩盖元件分离槽17，并且以器件结构层12的去除了透明衬底的表面(露出面)上从与元件分离槽17相距10μm的位置起的10μm宽的区域作为开口23a，掩盖开口23a以外的区域。
尽管本实施方式中抗蚀剂掩模被形成为保护掩模，但是可选择由SiO2制成的绝缘层掩模或者金属掩模等的适当材料作为本发明的保护掩模，而不限于抗蚀剂。
(k)正锥形槽形成步骤
在正锥形槽形成步骤中，使用氯气通过干蚀刻对器件结构层12的未被抗蚀剂掩模23掩盖的部分进行蚀刻，以形成到达结构保护牺牲层14的正锥形槽24。由此，在正锥形槽24的内侧形成了发光元件25，并且在正锥形槽24的外侧形成了倒锥形部26。在蚀刻之后，去除抗蚀剂掩模23。
在正锥形槽形成步骤中，通过将正锥形槽24形成为环状来形成各个发光元件25的四个侧壁，使得发光元件25具有四边形主面。图2是器件结构层12侧的平面图，也就是说，从上方看去的发光元件25的主面侧。从图2可见，在具有四边形主面的发光元件25的周围以四边环状形成了正锥形槽24，在正锥形槽24的周围以四边环状形成了倒锥形部26。在图1的示出正锥形槽形成步骤的(k)部中，以截面图示出了图2中的A-A线的截面。
(1)剥离步骤
在剥离步骤中，用缓冲氢氟酸对结构保护牺牲层14进行湿蚀刻，从而剥离倒锥形部26。
(m)接合层分离步骤
使用氩气通过干蚀刻来蚀刻在元件分离槽17中露出的接合层22的一部分，使多个发光元件25彼此电绝缘。
(n)保护膜形成步骤
在保护膜形成步骤中，在直至步骤(m)为止在衬底20上形成的元件的表面上整体地形成由SiO2制成的保护膜(绝缘层)27。此外，用缓冲氢氟酸蚀刻器件结构层12上的保护膜27的一部分，以使器件结构层12的一部分(各个发光元件25的主面)露出。
(o)第二电极层形成步骤
在第二电极层形成步骤中，通过电子束蒸发法在器件结构层12的在透明衬底分离步骤(i)中通过去除衬底11而露出的表面上，按顺序层叠10nm厚的Ti层和300nm厚的Al层，并且通过光刻法进行构图以形成第二电极层28。
(p)布线电极形成步骤
在布线电极形成步骤中，通过电子束蒸发法在包括第二电极层28和保护层27在内的区域上形成1μm厚的由Au制成的布线电极层29。
如此，在实施方式1中，进行这样的制造方法：在器件结构层分离步骤(f)中将器件结构层分离为各个发光元件的部分之后，在晶片接合步骤(h)中将所得物粘接到支撑衬底20。在实施方式1的制造方法中，预先在器件结构层12上的第一电极层13的周边形成结构保护牺牲层14，随后在正锥形槽形成步骤(k)中，形成到达结构保护牺牲层14的正锥形槽24，此时在正锥形槽24的外侧形成了倒锥形部26并随后在剥离步骤(1)中剥离。因此，发光元件25的侧壁变为朝向支撑衬底20侧的正锥形。因而，在发光元件25的正锥形侧壁上形成保护层27，并且在保护层27上形成布线电极层29，该电极层29电连接到发光元件25的主面上的第二电极层28，因而能够可靠地形成机械稳定的布线电极层29。此外，存在的优点是不需要使用机械强度弱的利用引线键合的电连接方法，或者使工艺变复杂的对电极结构使用倒装结构的方法。
此外，在实施方式1的制造方法中，在使发光元件25的侧壁成为正锥形的干蚀刻中，防止了蚀刻副产物粘到发光元件25的侧壁。因此，不会产生例如p型层和n型层之间的短路，可提高制造氮化物半导体发光元件时的成品率。
图3A示出了不形成上述的正锥形槽24而将发光元件25的侧壁蚀刻成正锥形的情况。在此蚀刻中，尽管发光元件25的主面通常被抗蚀剂掩模30掩盖，但是由于接合层22的露出部分的蚀刻而出现包括金属在内的蚀刻副产物，并且如图3A所示副产物飞散而如图3B所示粘到发光元件25的侧壁。然而，在实施方式1的制造方法中，如上所述，发光元件25的侧壁被倒锥形部26保护，因而防止了蚀刻副产物粘到发光元件25的侧壁。
图4示出了作为本发明实施方式2的氮化物半导体发光元件的制造方法的一部分的布线电极形成步骤，并且标注了与图1相同的标号(p)。在实施方式2的布线电极形成步骤(p)中，在上述实施方式1的布线电极形成步骤(p)中形成在一个发光元件25上的布线电极层29，被形成为部分地在与相邻发光元件25的第一电极层13电连接的接合层22的部分上延伸。由于实施方式2的其它步骤与实施方式1的相同，所以在此省略其详细说明。
在实施方式2的制造方法中，通过布线电极层29形成相邻的发光元件25之间的电连接。因此，可以容易地构成包括多个发光元件的发光器件。
在图5的部分(r)所示的本发明实施方式3的氮化物半导体发光元件的制造方法中，在完成器件结构层分离步骤(f)之后，进行侧壁保护层形成步骤(r)。在侧壁保护层形成步骤(r)中，在元件分离槽17的侧壁上形成200nm厚的由SiO2制成的侧壁保护层31。进行侧壁保护层形成步骤(r)是为了防止在随后的晶片接合步骤(h)中的共晶接合处理和透明衬底分离步骤(i)中的衬底11的分离处理中，熔融金属粘到元件分离槽17的侧壁而使p型GaN层和n型GaN层电气短路。
当进行了侧壁保护层形成步骤(r)时，如图5的(k)部分所示进行正锥形槽形成步骤(k)。在此正锥形槽形成步骤(k)中，仅针对发光元件25的一个侧壁形成到达结构保护牺牲层14的正锥形槽24。当如图6所示从上方观察器件结构层12侧时，通过形成直的正锥形槽24，形成了各个发光元件25的四个外侧壁中同一方向的一个侧壁。在示出正锥形槽形成步骤的图5的(k)部分中以截面图示出了图6中的A-A线截面。
在按照此方式形成正锥形槽24之后，进行如图5的(l)和(p)部分所示的剥离步骤(l)和布线电极形成步骤(p)。在图5的(k)部分中，针对未形成正锥形槽24的侧壁，形成覆盖侧壁保护层31的抗蚀剂(未示出)从而在剥离步骤(1)中保护抗蚀剂覆盖的区域中的侧壁保护层31和结构保护牺牲层14以免被去除。在剥离之后，去除覆盖侧壁保护层31的抗蚀剂(未示出)，侧壁保护层31再次露出，如图5的(1)部分所示。
在图5的正锥形槽形成步骤(k)中形成各个正锥形槽24使得仅形成了发光元件25的四个侧壁中同一方向的一个侧壁，不过不必对于同一方向的侧壁分别地形成正锥形槽24，而可以如图7所示通过形成正锥形槽24来形成相邻的发光元件25各自的四个侧壁中相反方向的侧壁。
通过形成元件分离槽来形成各个发光元件25的四个侧壁中的由正锥形槽形成的侧壁以外的侧壁。也就是说，为了使各个发光元件25的四个外侧壁中的至少一个侧壁成为正锥形，可以形成正锥形槽。图8示出了这样的示例：形成正锥形槽24以形成各个发光元件25的三个正锥形侧壁。
此外，如果各个发光元件的面向元件分离槽的至少一个侧壁形成为倒锥形，则在发光元件中在面内方向上行进的光被倒锥形侧壁向上反射，并且有效地提取到发光元件外。因而，可以抑制发光元件之间的区域中和周围的光量减少，因此通过包括多个发光元件的发光器件，可解决由于发光元件之间的区域中的光量减少而出现的亮度不均匀的问题和使用荧光物质进行波长转换的发光元件中的颜色不均匀的问题。
在以上实施方式中，说明了制造两个发光元件的方法，但是本发明不限于此，可应用于在衬底上制造三个或者更多个发光元件的情况。
此外，本发明适用于作为发光元件制造蓝光发光二极管或者白光发光二极管等发光二极管的方法。
本申请基于日本专利申请No.2011-035864，在此以引证的方式并入其内容。

Claims (6)

1.一种氮化物半导体发光元件的制造方法，在成膜用的生长衬底上形成多个发光元件的器件结构层，并且在将所述器件结构层分离为各个所述发光元件的部分后，将支撑衬底粘接到所述器件结构层侧并且去除所述生长衬底，所述制造方法包括以下步骤：
在所述生长衬底上形成所述器件结构层；
在所述器件结构层的表面上的分别对应于所述多个发光元件的位置处形成第一电极层；
在所述器件结构层的表面上的所述第一电极层的周边形成结构保护牺牲层；
元件分离步骤：在所述器件结构层中形成元件分离槽，以将所述器件结构层分离为各个所述发光元件的部分；
接合步骤：在所述元件分离步骤之后，将所述支撑衬底粘接到所述器件结构层侧；
在所述接合步骤之后，去除所述生长衬底；
正锥形槽形成步骤：在所述器件结构层中形成达到所述结构保护牺牲层的正锥形槽，从而将所述器件结构层分离为具有所述第一电极层的发光元件和所述结构保护牺牲层上的倒锥形部；
剥离步骤：蚀刻所述结构保护牺牲层，从而剥离所述倒锥形部；
在去除所述生长衬底而露出的所述器件结构层的露出面上形成第二电极层；以及
布线电极层形成步骤：在所述发光元件的侧壁上形成绝缘层，并且在所述绝缘层上形成电连接到所述第二电极层的布线电极层。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，所述制造方法还包括：
掩模形成步骤：在所述器件结构层的所述露出面上形成掩模，其中所述掩模在所述正锥形槽的形成位置处具有开口，所述掩模保护所述器件结构层的除了所述开口之外的所述露出面，以及所述元件分离槽，
其中，在所述正锥形槽形成步骤中，通过所述开口进行蚀刻而形成所述正锥形槽。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，所述制造方法还包括以下步骤：
在形成了所述结构保护牺牲层和所述第一电极层的所述器件结构层的表面上形成第一粘接层；以及
在所述支撑衬底上形成第二粘接层，
其中在所述接合步骤中，使所述第一粘接层和所述第二粘接层接触，并且通过所述第一粘接层和所述第二粘接层的共晶接合，将所述支撑衬底粘接到所述器件结构层。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，所述制造方法还包括以下步骤：
蚀刻在所述元件分离槽中露出的所述第二粘接层的部分，以使所述多个发光元件彼此电绝缘。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，其中，在所述正锥形槽形成步骤中，通过形成所述正锥形槽来形成各个所述发光元件的四个侧壁中的至少一个，使得各个所述发光元件具有四边形的主面。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，其中，在所述布线电极层形成步骤中，所述布线电极层电连接到邻接发光元件的所述第一电极层的一部分，该邻接发光元件邻接于所述第二电极层的一部分电连接到所述布线电极层的发光元件。
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