CN103515493A - 垂直式固态发光元件的制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种垂直式固态发光元件的制作工艺，其包括下列步骤。提供一承载基板。形成一M金属氮化物缓冲层于承载基板上，形成一脆弱结构于缓冲层上，其中脆弱结构含有多数M金属滴状结构。依序形成一第一型半导体层、一有源层以及一第二型半导体层于脆弱结构上。形成一第二型电极于第二型半导体层上，第一型半导体层、有源层、第二型半导体层与第二型电极构成一发光堆叠结构。破坏脆弱结构，使其自发光堆叠结构分离，并使发光堆叠结构的第一型半导体层表面裸露。形成一第一型电极于第一型半导体层表面上。

Description

垂直式固态发光元件的制作工艺
技术领域
本发明涉及一种半导体元件的制作工艺，且特别是涉及一种垂直式固态发光元件的制作工艺。 
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）主要是通过电能转化为光能的方式发光。传统的垂直式发光二极管包括以光电效应发光的外延成长层以及分别配置于外延成长层的顶面与底面的上电极层与下电极层。当提供电能至发光二极管的上、下电极层时，电流垂直通过外延成长层，且外延成长层因电子与空穴结合后释放能量，并以光的形式发出。 
传统的垂直式发光二极管的制作过程，是在一晶格常数与外延成长层接近且易于外延成长的蓝宝石基板上形成一发光堆叠结构。然后，在发光堆叠结构的顶面上配置一导电基板。接着，蓝宝石基板再以机械研磨或是激光剥离（Laser lift-off）等方式自发光堆叠结构的底面移除。之后，形成一下电极层于发光堆叠结构的底面上，即完成传统的垂直式发光二极管的制作。 
然而，传统以机械研磨蓝宝石基板的技术会有研磨厚度不易精准控制和费时的问题，而激光剥离技术虽然可快速剥离蓝宝石基板，但是激光剥离设备昂贵，且激光功率的调整是影响制作工艺良率的关键，若激光功率过高会破坏外延成长层，若激光功率过低亦无法顺利移除蓝宝石基板，造成激光调整的技术层面过高，并非品质可靠的制作工艺技术。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直式固态发光元件的制作工艺，可简易地剥离承载基板且于剥离承载基板时不会破坏发光堆叠结构，以提高制作工艺的良率与时效。 
根据本发明的一方面，提出一种垂直式固态发光元件的制作工艺，包括 下列步骤。提供一承载基板，成长一M金属氮化物缓冲层于承载基板上，并形成一脆弱结构于M金属氮化物缓冲层上，其中脆弱结构含有多数M金属滴状结构(metal droplet)。依序形成一第一型半导体层、一有源层以及一第二型半导体层于脆弱结构上。形成一第二型电极于第二型半导体层上，第一型半导体层、有源层、第二型半导体层与第二型电极构成一发光堆叠结构。破坏脆弱结构，使其自发光堆叠结构分离，并使发光堆叠结构的第一型半导体层表面裸露。形成一第一型电极于第一型半导体层表面上。 
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下： 
附图说明
图1A～图1I分别为本发明一实施例的垂直式固态发光元件的制作工艺的剖面示意图。 
主要元件符号说明 
100：承载基板 
101:M金属氮化物缓冲层 
102：第一M金属氮化物层 
102a、132a：表面 
104：M金属滴状结构 
106：M金属氮化物 
108：第二M金属氮化物层 
110：脆弱层 
120：脆弱结构 
121、122：部分脆弱结构 
130：发光堆叠结构 
131：第一型电极 
132：第一型半导体层 
134：有源层 
136：第二型半导体层 
138：第二型电极 
140：支撑基板 
150：垂直式固态发光元件 
G1：第一反应气体 
G2：第二反应气体 
X：推力方向 
具体实施方式
本实施例的垂直式固态发光元件的制作工艺，是在承载基板上先形成一缓冲层，再于缓冲层上形成脆弱结构，接着于脆弱结构上形成一发光堆叠结构。由于脆弱结构是由固态沉积的氮化反应物及液态附着于氮化反应物表面上的金属析出物组合而成，且金属析出物为熔点低的滴状结构，其分散地附着在氮化反应物上，并非固态聚集为一稳定结构，故脆弱结构内部分子间的作用力很容易被外力或热应力破坏，使得承载基板可轻易地自发光堆叠结构的底面剥离，且于剥离承载基板时不会破坏发光堆叠结构，以提高制作工艺的良率与时效。此外，上述利用脆弱结构的垂直式固态发光元件的制作工艺，只需加热金属滴状结构到其熔点温度的一般设备即可，不需要高成本的研磨设备或激光剥离设备，故可降低制作工艺设备的成本。 
以下提出各种实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。 
第一实施例 
图1A～图1I分别绘示依照本发明一实施例的垂直式固态发光元件的制作工艺的剖面示意图，其中图1A～图1E分别绘示依照本发明一实施例的形成一脆弱结构120于承载基板100上的细部流程图，图1F～图1G分别绘示依照本发明一实施例的形成一发光堆叠结构130与一支撑基板140于脆弱结构120上的流程示意图，图1H～图1I分别绘示依照本发明一实施例的移除承载基板100及形成第一型电极131的流程示意图。 
有关脆弱结构120的形成方法详述如下，但非用以限制本发明所欲保护的范围。请参照图1A，提供一承载基板100，之后可例如以化学气相沉积法成长一M金属氮化物缓冲层101于承载基板100上,接着在高温的环境下，成长一第一M金属氮化物层102于缓冲层101上。常用的化学气相沉积法 例如为有机金属化学气相沉积法，其反应前驱物可为有机金属化合物，并在氨气环境下氮化而生成M金属氮化物缓冲层101和第一M金属氮化物层102。接着，请参照图1B，通入一第一反应气体G1与第一M金属氮化物层102反应，而使部分M金属自第一M金属氮化物层102中被析出，并于第一M金属氮化物层102的表面102a上生成多数M金属滴状结构(metal droplet)104。其中M代表周期表中某一个元素的金属。 
举例来说，第一M金属氮化物层102可由包含周期表Ⅲ族元素的氮化物所组成，周期表Ⅲ族元素包括有硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、铊(Tl)，其中镓的熔点只有29.8度，沸点为2403度。因此，在一实施例中，可通过形成氮化镓层于承载基板100上，再通入第一反应气体G1（例如氢气）与氮化镓层反应，使部分镓分子自氮化镓层中被析出，而成生多数镓金属滴状结构于氮化镓层的表面上。 
在一实施例中，第一反应气体G1（例如氢气）与氮化镓层例如在800～ 
Figure BDA00001966607600041
接着，请参照图1C，通入一第二反应气体G2（例如氨气）与M金属滴状结构104反应，并在M金属滴状结构104表面上分别生成一M金属氮化物106。也就是说，在高温环境下，直接以上述反应方程式中析出的镓金属与第二反应气体G2反应，镓金属表面即会生成氮化镓，但内层仍为镓金属。 
接着，请参照图1D，例如以化学气相沉积法成长一第二M金属氮化物层108于第一M金属氮化物层102上，使第二M金属氮化物层108覆盖于表面具有M金属氮化物106的M金属滴状结构104，以构成一脆弱层110。也就是说，脆弱层110的内层因为具有低熔点的镓金属，因此只要加热脆弱层110至29.8度以上，其内层的镓金属则变为液态，但镓金属表面的氮化镓仍为固态。 
接着，在图1E中，重复上述图1B至图1D的步骤，例如重复2次以上但不以此为限，以形成多个脆弱层110于承载基板100上，因此这些脆弱层110共同构成一脆弱结构120。在本实施例中，相较于单纯以固态的氮化镓形成的堆叠结构而言，由于脆弱结构120内部的镓金属为液态，其内部分子间的作用力很容易被破坏，使得结构变得相对脆弱。因此，在后续的剥离制作工艺中（例如图1H），只要稍微施加沿着垂直脆弱结构120法线的方向（推 力方向X）的外力，即可使发光堆叠结构130与承载基板100分离。 
接着，请参照图1F，形成脆弱结构120之后，再依序形成一第一型半导体层132、一有源层134以及一第二型半导体层136于脆弱结构120上。之后，形成一第二型电极138于第二型半导体层136上。第二型电极138例如为P型电极。然而，当第二型半导体层136为N型半导体层时，第二型电极138则为N型电极。 
第一型半导体层132、有源层134、第二型半导体层136与第二型电极138构成一发光堆叠结构130。详言之，第一型半导体层132例如为含有带负电的电子的N型半导体层，N型半导体层可添加硅等杂质。第二型半导体层136例如为含有带正电的空穴的P型半导体层，P型半导体层可添加镁等杂质。第一型半导体层132与第二型半导体层136的材质例如为含周期表Ⅲ族元素的氮化物。有源层134例如为多重量子井层。上述的第一型半导体层132、有源层134及第二型半导体层136例如以有机化学气相沉积法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、液相外延法（LPE）或气相外延法（VPE）等依序形成，在此不再详述。 
接着，请参照图1G，形成第二型电极138之后，还可形成一支撑基板140于第二型电极138上。支撑基板140的材质例如为金属或导电性材质。在一实施例中，支撑基板140除了具有导电的特性外，还具有导热的功能，可快速地将发光堆叠结构130产生光子时伴随产生的热引导至外界，以避免热囤积于发光堆叠结构130中而造成有源层134的发光效率降低。此外，支撑基板140例如以电镀、沉积或压膜的方式形成于第二型电极138上。举例来说，支撑基板140例如为预先成型的金属薄膜，再以压膜的方式接合于第二型电极138上；另外，也有直接以电镀、化学气相沉积或物理气相沉积的方式制作支撑基板140于第二型电极138上。此外，对于后续的制作工艺，支撑基板140又可以提供足够的厚度及强度以支撑发光堆叠结构130，以避免施加外力于承载基板100时造成其上方的发光堆叠结构130也受到外力不当的破坏。 
接着，请参照图1H，在发光堆叠结构130受到支撑基板140保护的情况下，破坏脆弱结构120，使至少一部分脆弱结构121自发光堆叠结构130分离。破坏脆弱结构120的方式如同上述，只要温度加热到大于M金属（例如镓）滴状结构104的熔点，使其内部的M金属呈液态状，再沿实质垂直 于脆弱结构120法线的方向（推力方向X）施加一外力，使发光堆叠结构130与承载基板100分离，即可破坏脆弱结构120。至于残留在第一型半导体层132上的部分脆弱结构122，例如以研磨的方式移除，以使发光堆叠结构130的第一型半导体层132的表面裸露出来。 
在另一实施例中，破坏脆弱结构120的方式主要是通过承载基板100（例如蓝宝石基板）与支撑基板140（例如硅基板）的热膨胀系数不同，利用热膨胀产生热应力使脆弱结构120自行破裂，因此不需外加推力，即可轻易地掀离承载基板100。 
接着，请参照图1I，破坏脆弱结构120之后，只留下发光堆叠结构130于支撑基板140上，此时，可形成一第一型电极131于第一型半导体层132的表面132a上。第一型电极131例如为N型电极。然而，当第一型半导体层132为P型半导体层时，第一型电极131则为P型电极。如此，垂直式固态发光元件150的制作工艺大致完成。 
由上述的说明可知，上述实施例的垂直式固态发光元件150的制作工艺，只需简易的加热设备即可，不需要使用高成本的研磨设备或激光剥离设备来破坏脆弱结构120，故可降低制作工艺设备的成本。同时，在破坏脆弱结构120时，可确保发光堆叠结构130完好，进而提高垂直式固态发光元件150的可靠度及良率。 
综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。 

Claims (14)

1.一种垂直式固态发光元件的制作工艺，其包括下列步骤：
提供一承载基板；
成长一M金属氮化物缓冲层于该承载基板上；
形成一脆弱结构于该M金属氮化物缓冲层上，其中该脆弱结构含有多个M金属滴状结构(metal droplet)；
依序形成一第一型半导体层、一有源层以及一第二型半导体层于该脆弱结构上；
形成一第二型电极于该第二型半导体层上，该第一型半导体层、该有源层、该第二型半导体层与该第二型电极构成一发光堆叠结构；
破坏该脆弱结构，使其自该发光堆叠结构分离，并使该发光堆叠结构的该第一型半导体层表面裸露；以及
形成一第一型电极于该第一型半导体层表面上。
2.如权利要求1所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中形成该脆弱结构的步骤：
(1)成长一第一M金属氮化物层于该M金属氮化物缓冲层上；
(2)通入一第一反应气体与该第一M金属氮化物层反应，而使部分M金属自该第一M金属氮化物层中被析出，并于其表面上生成多个M金属滴状结构；
(3)通入一第二反应气体与该些M金属滴状结构反应，并在该些M金属滴状结构表面上分别生成一M金属氮化物；
(4)成长一第二M金属氮化物层，于该第一M金属氮化物层上，并覆盖步骤(3)所形成的该些表面分别具有该M金属氮化物的M金属滴状结构，构成一脆弱层；以及
(5)重复步骤(2)~(4)，形成多个该脆弱层。
3.如权利要求1或2所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该M金属的材质由周期表Ⅲ族元素所构成。
4.如权利要求3所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中使该承载基板及该脆弱结构自该发光堆叠结构分离后，还包括：
移除附着于该第一型半导体层上的部分残留的该脆弱结构，以暴露出该第一型半导体层的表面。
5.如权利要求3所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中形成该第二型电极之后，还包含形成一支撑基板于该第二型电极上。
6.如权利要求3所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该第一型半导体层为N型半导体层，该第二型半导体层为P型半导体层，且该第一型电极为N型电极，该第二型电极为P型电极。
7.如权利要求6所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该N型半导体层与P型半导体层的材质含Ⅲ族氮化物。
8.如权利要求2所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该第一反应气体与该第一M金属氮化物层在800～1500℃下反应而析出该些M金属滴状结构。
9.如权利要求8所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该第一反应气体包括氢气。
10.如权利要求2所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该第二反应气体包括氨气。
11.如权利要求1所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中破坏该脆弱结构的方法包括:
加热该脆弱结构；以及
沿实质垂直于该脆弱结构法线的方向，施加一外力后，使该发光堆叠结构与该承载基板分离。
12.如权利要求11所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该加热步骤时的温度是大于M金属滴状结构的熔点。
13.如权利要求5所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该支撑基板的材质为金属或导电性材质。
14.如权利要求13所述的垂直式固态发光元件的制作工艺，其中该支撑基板是以电镀、沉积或压膜的方式形成于该第二型电极上。
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