CN102956762A - Ⅲ-ⅴ族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ⅲ-Ⅴ族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造，依照该方法，进行第一次磊晶制程，使一磊晶结构形成于Ⅲ-Ⅴ族晶圆的正面上，其中磊晶结构包含一镭射吸收层与一组件作动层。压贴一转换基板于磊晶结构上。由该背面照射一具有特定波长的镭射光，以使该Ⅲ-Ⅴ族晶圆相对于镭射光为透明并以镭射吸收层吸收镭射光而分解。最后能剥离出Ⅲ-Ⅴ族晶圆，使其与已结合上该组件作动层的转换基板相分离。藉此，完整剥离出Ⅲ-Ⅴ族晶圆，使Ⅲ-Ⅴ族晶圆能进行第二次以上的磊晶制程的重复使用，进而降低基材成本。

Description

Ⅲ-Ⅴ族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造

技术领域

本发明涉及光电半导体装置的制造技术，尤其涉及一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造。

背景技术

发光二极管芯片与太阳能电池的芯片已经是一种已被广泛应用于光学装置的半导体组件。其中，发光二极管不但体积小，具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震等特性，且能够配合各种应用设备轻、薄、以及小型化的需求。因此，已逐渐运用于日常生活中十分普及的电子产品。

发光二极管芯片与太阳能电池的芯片可以使用单晶结构的III-V族晶圆，例如砷化镓(GaAs)，在其上制造所需要的并且晶格系数匹配的磊晶组件结构，例如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)。其中，发光二极管的发光原理是将电能转换为光，也就是对化合物半导体施加电流，透过电子与电洞的结合，将能量转换成光的形式释出，而达成发光的效果。基本上，发光二极管是由一P型与一N型的半导体层以及夹置于二者间的一发光层(light emitting layer)所组成，并且发光二极管必须藉由磊晶(epitaxial)的方式制作而成。然依目前的现有做法，在磊晶制程之后有去除III-V族晶圆与不去除晶圆两种作法，然而III-V族晶圆为可见光不可穿透，会有光吸收或干扰的缺点，故较好的作法是III-V族晶圆应被蚀刻或研磨掉，而在去除之前另以一转接基板作为磊晶结构的支撑底材。

如图1A至图1E所示，为现有利用III-V族晶圆进行磊晶制程的各步骤中组件的截面示意图。首先，如第1A图所示，提供一III-V族晶圆110，该III-V族晶圆110由砷化镓(GaAs)所构成。该III-V族晶圆110具有一正面111与一背面112。该III-V族晶圆110由该正面111进行磊晶制程。

接着，如图1B所示，现有技术中单一片的III-V族晶圆只能进行一次磊晶制程。使一磊晶组件作动层122形成于该III-V族晶圆110的该正面111上，一般是利用有机金属化学气相沉积机台(Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)形成。该磊晶组件作动层122为一多层的平坦性结构。例如LED结构中，该磊晶组件作动层122包含一第一型掺杂半导体层、一发光层以及一第二型掺杂半导体层，其中发光层是发光二极管中主要用以产生光线的部分，并且第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层可分别为一N型半导体层与一P型半导体层。该第一型掺杂半导体层、该发光层以及该第二型掺杂半导体层等多层组成统称为该磊晶组件作动层122。依目前现有作法，在该III-V族晶圆110的该正面111在形成该磊晶组件作动层122之前可先在该III-V族晶圆110上形成第一接触层，使后续要利用湿蚀刻制程直接移除该III-V族晶圆110时更加顺利与容易，第一接触层亦可作为一蚀刻终止层(etching stop layer)来使用；之后，再于该第一接触层上形成第一包覆层(first cladding layer)。

之后，如图1C所示，压贴一转换基板130于该磊晶组件作动层122上。可利用一接合层140结合该磊晶组件作动层122与该转换基板130。之后，如图1D所示，利用湿蚀刻制程或研磨方式去除该III-V族晶圆110。最后，如第1E图所示，将该磊晶组件作动层122与该转换基板130放置在一切割胶带150上进行切割制程，以分离成多个III-V族晶粒。

在上述的湿蚀刻或研磨制程中，该III-V族晶圆110为被分解蚀除，无法作再使用，并且蚀刻或研磨的方式容易对该磊晶组件作动层122造成损伤。此外，该III-V族晶圆110的成本高昂，每一次磊晶制程就要耗用掉一片III-V族晶圆，形成基材的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造，使III-V族晶圆可重复使用而不会被消耗掉，进而降低基材成本。

本发明的另一目的在于提供一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造，使之不会损伤磊晶结构中组件作动层。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，包含以下步骤：提供一III-V族晶圆。该III-V族晶圆具有一正面与一背面。接着，进行第一次磊晶制程，使一磊晶结构形成于该正面上，其中该磊晶结构包含一镭射吸收层与一组件作动层。之后，压贴一转换基板于该磊晶结构上。之后，由该背面照射一镭射光，其中该镭射光具有一特定波长，以使该III-V族晶圆相对于该镭射光为透明并以该镭射吸收层吸收该镭射光而分解。最后，完整剥离出该III-V族晶圆，使其与已结合上该组件作动层的该转换基板相分离。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，在前述剥离步骤之后，可另包含的步骤为：进行第二次磊晶制程，使另一与前述磊晶结构相同的磊晶结构形成于该正面上，其中该另一磊晶结构亦包含一镭射吸收层与一组件作动层。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，该组件作动层的表面可形成有一第一接合层，该转换基板的表面可形成有一第二接合层，并且在前述压贴步骤之中，藉由该第一接合层与该第二结合层的结合，以结合该组件作动层与该转换基板。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，该第一接合层与该第二结合层可为具可见光反射特性的金属材质，该第一接合层与该第二结合层之间为金属键合。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，该镭射光的波长可大于0.9μm。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，该镭射吸收层可依该III-V族晶圆的晶格生成在该正面上，并且该III-V族晶圆的材质为砷化镓(GaAs)，而该镭射吸收层的材质选自于砷化铟镓(Ga_xIn_1-xAs)与锑化铟镓(Ga_xIn_1-xSb)的其中之一，其中在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值低于0.89。

在前述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法中，该镭射光的波长可介于0.946μm～1.064μm，在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值可介于0.89～0.74。

本发明还揭示适用于前述的一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的结构，包含：一III-V族晶圆以及一磊晶结构。该III-V族晶圆具有一正面与一背面。该磊晶结构，形成于该正面上，其中该磊晶结构包含一镭射吸收层与一组件作动层，该镭射吸收层依该III-V族晶圆的晶格生成在该正面上。

本发明所提供的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法与构造，具有以下优点：

一、可藉由磊晶结构包含镭射吸收层作为其中之一技术手段，并利用特定波长的镭射光使III-V族晶圆相对于镭射光为透明并以镭射吸收层吸收镭射光而分解，完整剥离出该III-V族晶圆，使III-V族晶圆可重复使用而不会被消耗掉，进而降低基材成本。

二、可藉由磊晶结构包含镭射吸收层作为其中之一技术手段，以及利用特定波长的镭射光由III-V族晶圆的背面照射以分解镭射吸收层，进而完整剥离出该III-V族晶圆，而不会损伤磊晶结构中组件作动层。

附图说明

图1A至图1E为现有III-V族晶圆进行磊晶制程的方法于各步骤中组件的截面示意图；

图2A至2G为依据本发明之一具体实施例的一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法于各步骤中组件的截面示意图；

图3为依据本发明之一具体实施例的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法于切割步骤中组件的截面示意图；

图4为依据本发明之一具体实施例的方法中所使用材料的晶格常数、带隙能量与波长之关系图表；

图5为依据本发明之一具体实施例的III-V族晶圆与光子波长之关系图表。

【主要组件符号说明】

10：镭射光(laser)

110：III-V族晶圆    111正面

112：背面

122：磊晶组件作动层

130：转换基板

140：接合层

150：切割胶带

210：III-V族晶圆

211：正面

212：背面

220：磊晶结构

221：镭射吸收层

222：组件作动层

230：转换基板

241：第一接合层

242：第二接合层

250：切割胶带

260：磊晶结构

261：镭射吸收层

262：组件作动层。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法与结构作进一步详细的说明。然应注意的是，该些图示均为简化之示意图，仅以示意方法来说明本发明之基本架构或实施方法，故仅显示与本案有关之组件与组合关系，图中所显示之组件并非以实际实施之数目、形状、尺寸做等比例绘制，某些尺寸比例与其它相关尺寸比例或已夸张或是简化处理，以提供更清楚的描述。实际实施之数目、形状及尺寸比例为一种选置性之设计，详细之组件布局可能更为复杂。

依据本发明之一具体实施例，一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程之方法与构造举例说明于图2A至图2G于各步骤中组件的截面示意图，各步骤的详细说明如下。

首先，如图2A所示，提供一III-V族晶圆210。该III-V族晶圆210具有一正面211与一背面212。该III-V族晶圆210为可见光不透明的单晶半导体或化合物半导体晶圆，常见直径为2、3、4或6时。晶圆的主要材质为例如周期表III族元素与V族元素所构成，例如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、砷化铟(InAs)等二元化合物，及砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟镓(GaInP)、磷砷化铟镓(InGaAsP)等三元或四元化合物。在本实施例中，该III-V族晶圆210为砷化镓(GaAs)。该III-V族晶圆210以该正面211作为磊晶制程的处理表面。

接着，如图2B所示，进行第一次磊晶制程，使一磊晶结构(epitaxialstructure)220形成于该正面211上，其中该磊晶结构220包含一镭射吸收层(absorption layer)221与一组件作动层222，表示该镭射吸收层221由磊晶制程所制作。磊晶制程藉由金属有机化学气相沉积技术(例如MOCVD或MOVPE)进行多层磊晶。详述之，在一具有清洁表面的GaAs单晶晶圆上，三甲基镓(trimethyl gallum)、三甲基铝(trimethyl aluminum)、三甲基铟(trimethyl indium)进行磊晶成长，且以胂作为主要材料，以二硅烷(disilane)作为n型掺质，并以氢气作为载体气体，具有约20毫微米/秒的长晶速率，先形成该镭射吸收层221，再于650至675℃(GaAs及AlGaAs层)及575℃(InGaAs层)的成长温度，生成该组件作动层222，以获得具有良好镜面平坦性的多层磊晶基底。利用例如磊晶成长的方式于该III-V族晶圆210上依序形成n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，其中n型半导体层、发光层与p型半导体层构成该磊晶结构220的该组件作动层222。n型半导体层的材质可为例如砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铝镓(AlGaP)、磷化铟镓(InGaP)、或磷化铝铟镓(AlInGaP)等的复合层；发光层的材质可为由砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铝镓(AlGaP)、磷化铟镓(InGaP)、或磷化铝铟镓(AlInGaP)等复合组合所形成的单一量子井(SQW，Single Quantum Well)、多重量子井(MQW，Multiple Quantum Well)或PN结构(PN Junction)；而p型半导体层的材质可为例如砷化铝镓(AlGaAs)的p型复合层。上述n型半导体层、发光层与p型半导体层可组成为一超高亮度黄绿光、黄光、红光或红外光LED光源或是太阳能电池结构。

该镭射吸收层221具有特定波长的较高镭射光吸收率。该镭射吸收层221可依该III-V族晶圆210的晶格生成在该正面211上，当该III-V族晶圆210的材质为砷化镓(GaAs)，该镭射吸收层221的材质选自于砷化铟镓(Ga_xIn_1-xAs)与锑化铟镓(Ga_xIn_1-xSb)的其中之一，并且在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值低于0.89。而该n型半导体层、发光层与p型半导体层的材质应为砷化铝镓(Al_yGa_1-yAs)、或晶格常数在5.6～5.7A°的半导体材料，使得该镭射吸收层及组成的LED光源可匹配砷化镓的晶格常数而能磊晶生成。

之后，如图2C与图2D所示，压贴一转换基板(transer substrate)230于该磊晶结构220上。该转换基板230的厚度须大于20μm，以支撑该磊晶结构220使其不致破裂。在该压贴步骤之前，可利用蒸镀、溅镀、化学气相沉积或电镀等方式在该磊晶结构220上形成一第一接合层241，另在该转换基板230上形成一第二接合层242。在该压贴步骤之中，可利用该第一接合层241与该第二接合层242的结合，以结合该组件作动层222与该转换基板230。该第一接合层241与该第二接合层242的材质为可选自于共熔合金、银胶、聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烷(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(epoxy resin)、及硅树脂(Silicone)的其中之一或上述所构成的材料群组。较佳地，该第一接合层241与该第二接合层242为能反射可见光的金属材质，例如金(Au)或包含金(Au)的合金，该第一接合层241与该第二接合层242两者之间的结合关系可为金属键合，或者，该第一接合层241与该第二接合层242亦为能反射可见光的氧化物膜或是氧化物膜与金属的组合。该转换基板230的材质则不需要配合该III-V族晶圆210的晶格常数而有多样的选择，例如为任意的导热性或透光性材料，例如钼(Mo)、铜钨合金(CuW)、氮化铝镓、氮化镓、碳化硅、磷化镓(GaP)、氧化锌(ZnO)、硅/碳化硅、硅/硅锗/碳化硅、硅/碳化硅/硒锗、硅/氧化铟锡/碳化硅、硅/氧化铟锡、硅/氧化硅/碳化硅、蓝宝石/氧化锌、砷化镓/氧化硅/碳化硅、硅/氧化硅/氧化锌、砷化镓/氧化硅/氧化锌、硅/多晶硅/碳化硅或硅/多晶硅/氧化锌，其中较为常见的材质可为钼(Mo)、铜钨合金(CuW)或硅，其中硅并可选用非单晶结构，如多晶硅或非晶硅，以降低成本并具有良好的热膨胀系数的匹配。该转换基板230的表面上有设有可见光反射层，如该第一接合层241或该第二接合层242本身具有可见光反射特性，则该可见光反射层可省略。

之后，如图2E所示，由该III-V族晶圆210的该背面212照射一镭射光10，其中该镭射光10具有一特定波长，以使该III-V族晶圆210相对于该镭射光10为透明并以该镭射吸收层221吸收该镭射光10而分解。该镭射光10的波长可大于0.9μm，即大于900nm。一般来说，镭射波长愈短表示能量愈大。当镭射光照射到该III-V族晶圆210时，会发生三种基本现象，也就是吸收(absorption)、反射(reflection)与穿透(transmission)。例如，当该III-V族晶圆210的材质为砷化镓(GaAs)时，由图4可知，砷化镓(GaAs)的带隙能量(Eg)在1.2～1.6eV之间，对照可被吸收的镭射光波长在0.85～0.9μm，表示波长0.9μm以上的镭射光即低于GaAs的带隙能量，不会被砷化镓(GaAs)晶圆吸收。请参阅图5，砷化镓(GaAs)晶圆在光子波长小于0.9μm时，只有吸收现象与反射现象，其中光子能量的0.6～0.8倍是被砷化镓(GaAs)吸收，剩下光子是被反射，几乎不会穿透砷化镓。然而，当光子波长大于0.9μm时，光吸收率急剧降到趋近于0，只有穿透现象与反射现象的交互变化，表示砷化镓(GaAs)晶圆相对于波长大于0.9μm的镭射光是透明的。此外，请再对照图4，该镭射吸收层221的材质选自于砷化铟镓(Ga_xIn_1-xAs)与锑化铟镓(Ga_xIn_1-xSb)的其中之一又X值低于0.89时，其带隙能量在1.0～1.2eV之间，对应可被吸收的镭射光波长介于1.0～1.2μm，换言之，波长在900μm以上镭射光可被该镭射吸收层221吸收。并且，该镭射吸收层221的晶格常数约为5.71，仍接近砷化镓(GaAs)的晶格常数5.65，两者晶格失配(Latticemismatching)为(5.71A1.064um-5.65AGaAs)/5.65的计算式，得到1.07％，表示可以使用磊晶制程予以制作该镭射吸收层。

此外，亦可运用数式计算出镭射吸收层的可行配方。首先，选用波长1.064μm的镭射光，对照可吸收的带隙能量(E_λ)，依算式可得：E_λ＝12400eV/1064nm＝1.165eV。又，砷化镓(GaAs)晶圆的带隙能量(E_g)为1.424eV，表示只能被波长在870.8nm的镭射光吸收，波长1.064μm的镭射光对于砷化镓晶圆只有穿透或反射的作用。该镭射吸收层的成份为Ga_xIn_1-xAs为例，该镭射吸收层的带隙能量(E_g)，依算式可得：E_g＝0.36+1.064X，当X值为0.76时，该镭射吸收层的带隙能量(E_g)将等于被波长1.064μm镭射光吸收的带隙能量(E_λ)。因此，X值在等于或小于0.76时，该镭射吸收层可吸收波长1.064μm的镭射光。换言之，特定波长镭射光可吸收的带隙能量(E_λ)应小于III-V族半导体晶圆的带隙能量(E_g)，并大于镭射吸收层的带隙能量(E_g)。在另一实施例中，选用波长在980nm的镭射光，可吸收的带隙能量为1.27eV，计算X值：1.27eV(E_λ)≥0.36+0.98X eV(E_g)，得X值≤0.85。

以下为选用的镭射光波长与可吸收X值对照表：

故较佳地，当该镭射光的波长介于0.946μm～1.064μm，在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值介于0.89～0.74，使该镭射吸收层可吸收该镭射光并维持与该III-V族晶圆接近的晶格常数，以供磊晶制程的制作。

较佳地，该镭射光10的照射方式可为由该III-V族晶圆210的周缘而往圆心的旋转扫瞄，帮助被照射到该镭射光10的该镭射吸收层221的分解气化，进而减少剥离该III-V族晶圆210的应力。

最后，因为该镭射吸收层221的消失，使得该III-V族晶圆210与该磊晶结构中的组件作动层222之间不再具有结合力或者只剩下极微弱的结合力。如图2F所示，在不会损害该III-V族晶圆210与该组件作动层222的状态下，可以轻易剥离出(lift off)该III-V族晶圆210，使其由已结合上该组件作动层222的该转换基板230分离出，该III-V族晶圆210为完整的回收与保留，故可重复使用而不会被消耗掉，进而降低基材成本，并且不会损伤该磊晶结构220中的该组件作动层222。在实际制程中，也可以选用较厚有足够强度的III-V族晶圆，以避免晶圆破片。

具体而言，如第2G图所示，在前述剥离步骤之后，可另包含的步骤为：进行第二次磊晶制程，使另一与前述磊晶结构相同的磊晶结构260形成于同一片的该III-V族晶圆210的该正面211上，其中该另一磊晶结构260亦包含一镭射吸收层261与一组件作动层262。故上述完整剥离出的该III-V族晶圆210可再次进行磊晶制程，并可重复进行如图2C至图2F的制程步骤。

此外，如图3所示，在剥离出该III-V族晶圆210后，可进行一切割制程，将该组件作动层222与该转换基板230放置在一切割胶带250上，利用切割刀具切割成个别晶粒。

因此，本发明可藉由磊晶结构包含镭射吸收层作为其中之一技术手段，利用镭射光使III-V族晶圆相对于镭射光为透明并以镭射吸收层吸收镭射光而分解，能够完整剥离出该III-V族晶圆，使III-V族晶圆可重复使用的进行磊晶制程而不会被消耗掉，进而降低基材成本。并且，在镭射光照射与剥离过程中也不会损伤磊晶结构中组件作动层。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

提供一III-V族晶圆，具有一正面与一背面；

进行第一次磊晶制程，使磊晶结构形成于该正面上，其中该磊晶结构包含镭射吸收层与组件作动层；

压贴转换基板于该磊晶结构上；

由该背面照射一镭射光，其中该镭射光为具有一特定波长，以使该III-V族晶圆相对于该镭射光为透明并以该镭射吸收层吸收该镭射光而分解；以及剥离出该III-V族晶圆，使其与已结合上该组件作动层的该转换基板相分离。

2.根据权利要求1所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，在前述剥离步骤之后，另包含的步骤为：进行第二次磊晶制程，使另一与前述磊晶结构相同的磊晶结构形成于该正面上，其中该另一磊晶结构也包含一镭射吸收层与一组件作动层。

3.根据权利要求1所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，其中该组件作动层的表面形成有第一接合层，该转换基板的表面形成有第二接合层，并且在前述压贴步骤之中，藉由该第一接合层与该第二结合层的结合，以结合该组件作动层与该转换基板。

4.根据权利要求3所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，其中该第一接合层与该第二结合层为具可见光反射特性的金属材质，该第一接合层与该第二结合层之间为金属键合。

5.根据权利要求1、2、3或4任一项所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，其中该镭射光的波长大于0.9μm。

6.根据权利要求5所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，其中该镭射吸收层依该III-V族晶圆的晶格生成在该正面上，并且该III-V族晶圆的材质为砷化镓GaAs，而该镭射吸收层的材质为选自于砷化铟镓Ga_xIn_1-xAs与锑化铟镓Ga_xIn_1-xSb的其中之一，其中在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值低于0.89。

7.根据权利要求6所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的方法，其特征在于，其中该镭射光的波长介于0.946μm～1.064μm之间，在该镭射吸收层的材质中代表镓含量的X值介于0.89～0.74之间。

8.一种III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的结构，其特征在于，该结构包含：

一III-V族晶圆，具有一正面与一背面；以及

一磊晶结构，形成于该正面上，其中该磊晶结构为包含一镭射吸收层与一组件作动层，该镭射吸收层依该III-V族晶圆的晶格生成在该正面上。

9.根据权利要求8所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的结构，其特征在于，另包含一转换基板，压贴于该磊晶结构上。

10.根据权利要求9所述的III-V族晶圆可重复进行磊晶制程的结构，其特征在于，另包含一形成于该组件作动层的第一接合层与一形成于该转换基板的第二结合层，以结合该组件作动层与该转换基板，其中该第一接合层与该第二结合层为具可见光反射特性的金属材质，该第一接合层与该第二结合层之间为金属键合。

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