CN102769079B - P型、n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层；在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极和p-焊盘；在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层；在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次设置的透明电极、反射金属层和接合金属层。本发明还公开了一种n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法。本发明能增加垂直传导氮化物LED的出光量与发光效率。

Description

P型、n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法

技术领域

本发明涉及发光二极管的制造领域，特别涉及p型、n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法。 

背景技术

垂直传导发光二极管的优点：1.电流路径短，因此顺向电压小；2.电流分布均匀，减少电流拥塞(current crowding)现象；3.可以减少打线数目；4.非出光面可接合散热层，减少光衰。 

因为氮化物发光二极管习用的衬底是蓝宝石材料(Al₂O₃)，属于绝缘体，要达到垂直传导必需移除蓝宝石衬底，或在蓝宝石衬底打孔。因为蓝宝石衬底具支撑半导体器件的作用，移除蓝宝石衬底前需先将半导体器件连同蓝宝石衬底贴附在其他衬底材料上，例如Si、金属等，之后，再移除蓝宝石衬底。虽然一般新的衬底材料的散热特性比蓝宝石衬底优越，但是贴附与蓝宝石移除的制程对良率的影响巨大。衬底打孔是较优的选项，非出光面接合散热金属，对发光二极管散热很有帮助，但是在蓝宝石衬底打孔并不容易，而且打孔后，出光与反射面的电极设计关系发光效率。现有技术使用蓝宝石衬底打孔，但电极的设计未能得到最佳出光。 

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供p型、n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，采取蓝宝石衬底打孔，并有出光与反射面的电极设计，以增加垂直传导氮化物LED(发光二极管)的出光量与发光效率。 

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，包括如下步骤： 

(1)提供一衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层； 

(2)在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极和p-焊盘； 

(3)在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层； 

(4)在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次设置的透明电极、反射金属层和接合金属层。 

进一步地，所述步骤(3)中，在衬底背面打孔的步骤包括： 

1)使用激光完成对氮化物器件衬底的大部分开孔，距离开孔的目标深度不大于10微米； 

2)采用干蚀刻完成对氮化物器件衬底剩余部分的开孔，该剩余部分的深度不大于10微米。 

进一步地，所述步骤1)中，先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层；还包括步骤3)：去除保护层。 

优选地，所述开孔底部与孔壁的夹角大于90度。更优选地，孔壁与水平面的夹角从开孔底部逐渐增加直到衬底表面。 

进一步地，所述步骤1)中，先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层；还包括步骤(3)：去除保护层。优选地，所述保护层的厚度为0.001μm至5μm。更优选地，所述保护层的厚度为0.01μm至3μm。最优选地，所述保护层的厚度为0.01μm至1μm。 

进一步地，所述步骤1)中，激光的光源为脉冲激光。激光的波长优选200nm至11μm。更优选地，激光的波长为240nm至1.6μm。激光的功率优选不超过2W。更优选地，激光的功率不超过1W。 

进一步地，所述步骤1)中，在使用激光对氮化物器件衬底进行开孔时，将气体吹到激光加工部上进行冷却。 

本发明采用的第二种技术方案为一种n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，包括如下步骤： 

(1)提供一衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层； 

(2)在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极、反射金属层和接合金属层； 

(3)在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层； 

(4)在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次设置的透明电极和n-焊盘。 

进一步地，所述步骤(3)中，在衬底背面打孔的步骤包括： 

1)使用激光完成对氮化物器件衬底的大部分开孔，距离开孔的目标深度不大于10微米； 

2)采用干蚀刻完成对氮化物器件衬底剩余部分的开孔，该剩余部分的深度不大于10微米。 

进一步地，所述步骤1)中，先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层； 还包括步骤3)：去除保护层。 

优选地，所述开孔底部与孔壁的夹角大于90度。更优选地，孔壁与水平面的夹角从开孔底部逐渐增加直到衬底表面。 

进一步地，所述步骤1)中，先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层；还包括步骤(3)：去除保护层。优选地，所述保护层的厚度为0.001μm至5μm。更优选地，所述保护层的厚度为0.01μm至3μm。最优选地，所述保护层的厚度为0.01μm至1μm。 

进一步地，所述步骤1)中，激光的光源为脉冲激光。激光的波长优选200nm至11μm。更优选地，激光的波长为240nm至1.6μm。激光的功率优选不超过2W。更优选地，激光的功率不超过1W。 

进一步地，所述步骤1)中，在使用激光对氮化物器件衬底进行开孔时，将气体吹到激光加工部上进行冷却。 

有益效果：本发明采取蓝宝石衬底打孔，并有出光与反射面的电极设计，以增加垂直传导氮化物LED的出光量与发光效率。本发明先用激光开大部分的孔，再用干蚀刻精确蚀刻到预定的位置，既保证了整体开孔的效率，又能确保达到精度的需求，提高良品率。 

附图说明

图1为p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法第一步的示意图，图中打斜线的部分是氮化镓缓冲层，下同； 

图2为p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法第二步的示意图； 

图3为p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法第三步的示意图； 

图4为p型半导体出光垂直传导发光二极管的结构示意图，图中箭头表示出光方向，下同； 

图5为图4的俯视图； 

图6为图4的仰视图； 

图7为开孔停住在衬底上的氮化物半导体中，预定的开孔停止面的示意图； 

图8为开孔停住在衬底上的氮化物半导体中，激光开孔后的结构示意图； 

图9为开孔停住在衬底上的氮化物半导体中，干蚀刻完成开孔后的结构示意图； 

图10为开孔停住在衬底上的氮化物半导体中，去除保护层后的结构示意图； 

图11为开孔部分的结构示意图； 

图12为n型半导体出光垂直传导发光二极管的结构示意图； 

图13为图12的仰视图； 

图14为图12的俯视图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

蓝宝石衬底打孔的垂直传导发光二极管可分为p型半导体出光与n型半导体出光两大类。 

实施例1：p型半导体出光 

p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法： 

(1)如图1所示，提供一蓝宝石(sapphire)衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层(GaN buffer layer)和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、多层量子井主动层(multi-quantum well active layer，MQW active layer，即发光层)和p型氮化镓层； 

(2)如图2所示，在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极和p-焊盘(bonding pad)，可通过p-焊盘打线连接外部电路。透明电极的材料可例如为氧化镍和金的合金(NiO/Au)、氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)、氧化锌(ZnO)或氧化铝锌(Aluminum Zinc Oxide，AlZnO)，用以与半导体层形成欧姆接触(ohmic contact)p-焊盘的材料可例如为Ti和Al的合金、Ti和Au的合金或Ti、Al和Au的合金。出光面的透明电极及p-焊盘各需要使用一微影蚀刻(photolithography)制程来分别定义出光面的透明电极区域及p-焊盘。制作出光面的透明电极时，首先于晶圆的表面进行透明电极蒸镀、溅镀或电镀，接着涂布感光材料(光胶)，并于晶圆上方放置光罩，该光罩上设有相对于出光面的透明电极区域之图形及数量的图案，再进行曝光(Exposure)步骤，使平行光经过光罩对感光材料进行选择性的感光，于是光罩上的图案便完整的转移至晶圆上，当曝光后再利用显影(Development)，可使光阻获得与光罩图案相同或互补之图形。再进行透明电极蚀刻，蚀刻完成后，移除残留的光胶。制作p-焊盘时，首先于晶圆的表面，接着涂布感光材料(光胶)，并于晶圆上方放置光罩，该光罩上设有相对于p-焊盘区域之图形及数量的图案，再进行曝光(Exposure)步骤，使平行光经过光罩对感光材料进行选择性的感光，于是光罩上的图案便完整的转移至晶圆上，当曝光后再利用显影(Development)，可使光阻获得与光罩图案相同或互补之图形。再进行金属蒸镀、溅镀或电镀，之后，再使用习知的托举(Liftoff)工艺移除不要的金属。 

(3)如图3所示，在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层；具体制程如下： 

1)如图7所示，开孔的另一面保护住。 

在半导体晶圆加工面的背面，以旋涂机将水溶性之抗蚀剂均匀地涂布在表面全体上，并予以干燥而形成厚度为2μm之保护膜。 

激光加工机照射时，其污物的飞散激烈，而在加工时附着到半导体晶圆的表面及背面。污物以电子显微镜(FE-SEM)作EDX(Energy Dispersive X-ray，X射线能谱定量分析)分析之结果，是为具有化合物半导体及衬底的成分之Al、O、C、Cl、Si等之至少一个元素的成分。因此在激光加工前将加工面的背面以保护层覆盖。 

保护层方面，可无任何限制而使用抗蚀剂、透明树脂、玻璃、金属或绝缘膜等。例如，抗蚀剂方面可为光蚀刻术中所使用的水溶性之抗蚀剂等。透明树脂方面，可为亚克力树脂、聚酯、聚亚酰胺、氯乙烯及硅树脂等。金属方面，可为镍及钛等。绝缘膜方面，可为氧化硅或氮化硅等。该等之保护层可藉由涂布法、蒸镀法及溅镀法等周知之方法而形成。 

保护层的厚度，其下限为0.001μm以上较佳，更佳为0.01μm以上。厚度的上限是以5μm以下较佳，更佳为3μm以下，尤其更佳为1μm以下。 

2)如图8所示，使用激光，完成大部份开孔，距离目标深度不大于10微米。 

将UV(紫外光)胶带黏贴在半导体晶圆的蓝宝石衬底侧之后，使用真空夹头将半导体晶圆固定在脉冲激光加工机之平台上。平台可朝向X轴(左右)及Y轴(前后)方向移动，且为可转动的构造。固定之后，使激光的焦点对加工面的方式而调整光学系。典型脉冲激光蚀刻衬底时，每个脉冲的功率，脉冲长度，光点大小保持一定。以脉冲激光扫描欲开孔区域时，某区域的蚀刻深度和该区域的总脉冲数目成正比。因此控制脉冲激光的脉冲数目、激光与衬底的相对位置、光点的重合程度，可以产生所要的开孔形状。因为衬底开孔后，后续工序常是在衬底的挖孔面蒸镀、溅镀或电镀金属层，希望开孔中的金属和孔外的金属是相连的，而形成一整片电极区域，所以，希望开孔底部与蚀刻壁(即孔壁)的角度θ大于90度，而且希望蚀刻壁与水平面的夹角θ’从开孔底部逐渐增加直到衬底表面，如此，避免孔中的金属和孔外的金属不相连的情况，如图11所示。必须完成大部分开孔(即开孔底部距离目标深度不大于10微米)，否则完成全部开孔后，残留衬底不足以做为支撑。加工完成后，将真空夹头释放，并将晶圆从平台取下。 

激光光源之种类，并无特别限定，具体上，可使用CO₂激光、YAG激光、准分子激光及脉冲激光等。其中以脉冲激光较佳。例如可举出Nd:YAG激光、Nd:YVO4激光、Yb:YAG激光或Ti：蓝宝石激光等固体激光；光纤激光及其谐波；准分子激 光或CO₂激光等气体激光。其中，较佳为采用热影响少之短脉冲激光或具有被硬脆性材料强力吸收之紫外区之振荡波长的激光。激光的波长可使用355nm、266nm等，亦可使用更短的波长，较佳为调整在200nm以上11μm以下，特别是调整在240nm以上1600nm以下更佳。过剩的激光输出会对化合物半导体构成损伤，因此激光的功率以2W以下较佳，1W以下更佳。 

一般可用固态激光.例如Q切换的Nd:YVO4激光或Nd:YAG激光，其中包含谐波频率产生器，诸如LBO(三硼酸锂)的非线性结晶，使得在以掺杂钕的固态激光所产生之1064纳米线的第二、第三、第四或第五谐波频率之一提供激光的输出。在特殊系统中，提供约355纳米的第三谐波频率。脉波具有在每平方厘米约10与100焦尔之间的能量密度、在约10与30毫微秒之间的脉波持续时间及在约5与25微米之间的光点尺寸。脉波的重复率大于5千赫，较佳为在自约10千赫与50千赫或更高的范围内。蓝宝石衬底以一运动速率移动，造成脉波以50至99百分比的数量重迭。 

激光脉冲振荡之振荡形态，并无特别限定，例如可举出脉冲宽度为0.1ps～20ns左右之脉冲振荡、Q开关脉冲振荡等。又，于该Q开关脉冲振荡，亦可采用高速反复用之A/O组件或短脉冲振荡用之E/O组件。此外，即使连续波振荡，藉由使用A/O-Q开关等，亦可得到约数十KHz反复之脉冲状振荡输出。 

激光加工机照射时，将气体吹附到激光加工部上，使化合物半导体层之加工部周边冷却，可降低化合物半导体层之热损伤。又，在加工产生的熔解物不会附着于加工面上。吹附到激光加工部的气体方面，可无任何限制使用氧气、氮气、氦气、氢气等。尤其虽然可使用冷却效果高的氦气、氢气、氮气等，但是仍以价廉氮气为较佳。气体的吹附，以前端之喷嘴径为细之程度者较佳。喷嘴径越细之时，可局部地进行吹附，且可使气流的流速变快。 

3)如图9所示，改用干蚀刻。此时，采用无屏蔽蚀刻，即干蚀刻的蚀刻深度不大于10微米，衬底同时减薄相同厚度。

干蚀刻(Dry Etching)又称电浆蚀刻(Plasma Etching)，系利用气体为主要的蚀刻媒介，例如Cl₂/BCl₃，并藉由电浆能量来驱动反应，蚀刻该蓝宝石衬底后，停住于衬底上氮化物半导体中。 

4)如图10所示，去保护层。 

加工后，与附着于表面之污物一起将保护层除去。除去的方法并未特别限定，任何方法均可。只要可将保护层完全除去的话，可无任何限制使用超声波、喷射水流、冲洗、浸泡、蚀刻、擦洗干净等方法。 

将半导体晶圆设置于洗净机的平台上，将半导体晶圆连续地转动，在半导体 层侧上藉由冲洗水之流动，将形成的保护层除去。最后，在高转数下转动以将冲洗水吹散并干燥。 

水溶性的抗蚀剂，使用旋涂机可在晶圆之表面全体上形成均匀的膜厚之保护层，加工后，可简单地以水洗净除去为较佳。或者，在保护层上使用光阻剂之情形，在割沟形成后浸泡于磷酸、硫酸、盐酸等，将加工部之污物以湿式蚀刻选择地除去，其后使用丙酮等有机溶剂将晶圆表面之光阻剂完全地除去为较佳。 

(4)如图4所示，在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次镀上的透明电极、反射金属层和接合金属层，可通过接合金属层连接外部电路。反射金属层的材料可例如为镍(Ni)、钯(Pd)、铬(Cr)、铂Pt、铝(Al)或银(Ag)，用以反射氮化镓发光二极管磊晶层发出的光及作为扩散阻碍层；接合金属层的材料可例如为铝(Al)、金(Au)或金合金(Au alloy)。图5是图4的俯视图，示出了p型半导体出光垂直传导发光二极管的出光面(正面，p-电极侧)。图6是图4的仰视图，示出了p型半导体出光垂直传导发光二极管的反面(n-电极侧)，只见开孔，虚线是正面透明电极的图案。 

实施例2：n型半导体出光 

如图12所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中p-电极的结构恰为实施例1中n-电极的结构，本实施例中n-电极的结构恰为实施例1中p-电极的结构，本实施例中的焊盘不是p-焊盘，而是n-焊盘。图13是图12的仰视图，示出了n型半导体出光垂直传导发光二极管的出光面(反面，n-电极侧)。图14是图12的俯视图，示出了n型半导体出光垂直传导发光二极管的正面(p-电极侧)，虚线是反面的n-焊盘和蓝宝石孔的图案。 

Claims (2)

1.一种p型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，包括如下步骤：

(1)提供一衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层；

(2)在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极和p-焊盘，可通过p-焊盘打线连接外部电路；

透明电极的材料为氧化镍和金的合金、氧化铟锡、氧化锌或氧化铝锌，用以与半导体层形成欧姆接触；

p-焊盘的材料为Ti和Al的合金、Ti和Au的合金或Ti、Al和Au的合金；

制作出光面的透明电极时，首先于晶圆的表面进行透明电极蒸镀、溅镀或电镀，接着涂布感光材料，并于晶圆上方放置光罩，该光罩上设有相对于出光面的透明电极区域之图形及数量的图案，再进行曝光步骤，使平行光经过光罩对感光材料进行选择性的感光，于是光罩上的图案便完整的转移至晶圆上，当曝光后再利用显影，可使光阻获得与光罩图案相同或互补之图形，再进行透明电极蚀刻，蚀刻完成后，移除残留的光胶；

制作p-焊盘时，首先于晶圆的表面，接着涂布感光材料，并于晶圆上方放置光罩，该光罩上设有相对于p-焊盘区域之图形及数量的图案，再进行曝光步骤，使平行光经过光罩对感光材料进行选择性的感光，于是光罩上的图案便完整的转移至晶圆上，当曝光后再利用显影，可使光阻获得与光罩图案相同或互补之图形，再进行金属蒸镀、溅镀或电镀，之后，再使用习知的托举工艺移除不要的金属；

(3)在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层；

在衬底背面打孔的步骤包括：

(a)先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层；使用激光完成对氮化物器件衬底的大部分开孔，距离开孔的目标深度不大于10微米；所述开孔底部与孔壁的夹角大于90度；孔壁与水平面的夹角从开孔底部逐渐增加直到衬底表面；所述保护层的厚度为0.001μm至5μm；激光的光源为脉冲激光，激光的波长为200nm至11μm，激光的功率不超过2W；在使用激光对氮化物器件衬底进行开孔时，将气体吹到激光加工部上进行冷却；

(b)采用干蚀刻完成对氮化物器件衬底剩余部分的开孔，该剩余部分的深度不大于10微米；

(c)去除保护层；

(4)在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次设置的透明电极、反射金属层和接合金属层。

2.一种n型半导体出光垂直传导发光二极管的制造方法，包括如下步骤：

(1)提供一衬底，在该衬底的正面外延成长发光二极管的发光结构，该发光结构包括依次形成的氮化镓缓冲层和氮化镓发光二极管磊晶层，其中氮化镓发光二极管磊晶层包括依次设置的n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层；

(2)在p型氮化镓层上形成p-电极结构，该p-电极结构包括依次设置的透明电极、反射金属层和接合金属层；

(3)在衬底背面打孔，停留在n型氮化镓层；

在衬底背面打孔的步骤包括：

(a)先在半导体晶圆开孔面的背面，产生保护层；使用激光完成对氮化物器件衬底的大部分开孔，距离开孔的目标深度不大于10微米；所述开孔底部与孔壁的夹角大于90度；孔壁与水平面的夹角从开孔底部逐渐增加直到衬底表面；所述保护层的厚度为0.001μm至5μm；激光的光源为脉冲激光，激光的波长为200nm至11μm，激光的功率不超过2W；在使用激光对氮化物器件衬底进行开孔时，将气体吹到激光加工部上进行冷却；

(b)采用干蚀刻完成对氮化物器件衬底剩余部分的开孔，该剩余部分的深度不大于10微米；

(c)去除保护层；

(4)在衬底背面形成n-电极结构，该n-电极结构包括依次设置的透明电极和n-焊盘。