CN104701447A - 金属装置的磊晶结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造金属装置，例如直立的发光二极管（VLED）芯片、电源装置、雷射二极管、及直立的孔洞表面发射雷射装置的方法。据此制造的装置具有较大的产量，且效能优于常用的金属装置，例如发光二极管的亮度较高、热传导度增加。此外，此种技术可适用于具有高散热率，且具有已被移除的原本非（或低）导热及/或非（或低）导电载具的金属板的情形下的GaN基底的电子装置。

Description

金属装置的磊晶结构

技术领域

本发明涉及一种金属装置，例如发光二极管（LED）、电源装置、雷射二极管、及直立的孔洞表面发射装置，及其制造方法。

背景技术

微电子装置，例如金属装置，对于我们日常生活扮演着重要的角色。举例而言，LED存在普遍的应用中，例如手机、家电、及其他电子装置。近年来，光电装置应用范围在从影像显示器到光学储存器到发光及医学仪器的氮化物基底的半导体材料（例如，具有氮化镓或是GaN），其需量求大幅增加。

常用的蓝光LED是以具有氮化物，例如GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN的复合半导体材料形成的。这些发光装置的大部分半导体层是磊晶成长在非导电的蓝宝石基板上。

发明内容

本发明的一实施例提供一种半导体芯片。该半导体芯片包括金属基板、设置在该金属基板上的磊晶结构及覆盖于该磊晶结构侧表面的非导电材料。该磊晶结构包括耦合于该金属基板的p掺杂层及设置在该p掺杂层上的n掺杂层。

本发明的另一实施例提供一种直立的发光二极管（VLED）芯片。该VLED芯片包括金属基板、设置于该金属基板上的磊晶结构及非导电材料，该非导电材料围绕于n-GaN层的上表面、及耦合于该金属基板的p-GaN层的一部分。该磊晶结构包括耦合于该金属基板的p-GaN层、耦合于该p掺杂层、用以发光的多重量子井（MQW）层、及耦合于该多重量子井的n-GaN层。

本发明的又另一实施例提供一种半导体芯片。该半导体芯片包括金属层、耦合于该金属层的p掺杂层、设置于该p掺杂层上的多重量子井层、及至少覆盖该多重量子井层侧表面的一部分的非导通性材料。

本发明的又另一实施例提供一种晶圆组件。该晶圆组件包括基板、设置于该基板上的数个磊晶结构、及覆盖数个该磊晶结构侧表面的非导电材料。各个该磊晶结构包括耦合于该基板的n掺杂层、及设置于该n掺杂层上的p掺杂层。

本发明的又另一实施例是一种方法。该方法包括设置包含数个半导体芯片形成于载具上的晶圆组件，该芯片通过形成于该芯片之间的渠道分开，并具有耦合于该载具的n掺杂层、及设置在该n掺杂层上的p掺杂层；至少以非导电材料填充渠道区域的一部分；及在数个该半导体芯片上形成金属板，以使该非导通材料至少在形成时，维持该金属板在数个该半导体芯片的该p掺杂层的最大高度或更高的高度。

本发明的又另一实施例是一种方法。该方法包括设置包含数个VLED芯片形成于载具上的晶圆组件，该VLED芯片通过形成于该芯片之间的渠道分开，并具有耦合于该载具的n掺杂层、设置在该n掺杂层上、用以发光的多重量子井层、及设置于该多重量子井层上的p掺杂层；至少以非导电材料填充渠道区域的一部分；及在数个该半导体芯片上形成金属板，以使该非导通材料至少在形成时，维持该金属板在数个该VLED芯片的该p掺杂层的最大高度或更高的高度。

附图说明

图1为晶圆沉积于载具上的磊晶结构的横剖面概略显示图;

图2为以装置之间的渠道区域定义出的装置;

图3为将图2的磊晶结构加上镜子后的示意图;

图4a-d为将图3b的晶圆加上非导电材料的示意图;

图5a-c为非导通材料及绝缘材料的选择示意图;

图6a-c为显示镜子、绝缘层、及非导通材料的选择示意图;

图7为沉积一种金属或更多个额外的金属层、及导通保护层的示意图;

图8a-b为从晶圆组件移除载具的示意图;

图9为以金属填充台地部分的示意图;

图10为直立的发光二极管（VLED）装置的制造方法流程图。

附图标记说明：1-蓝宝石；2-基板；3-装置；4-镜子；5-非导通材料；6-p-GaN；7-n-GaN；8-多重量子井层；9-绝缘层；10-金属层；11-脉冲雷射；100，200，300，400a，400b，400c，400d，500a，500b，500c，600a，600b，600c，700,800a，800b，900-晶圆；1000-处理；1002-在蓝宝石基板上形成磊晶结构(EPI)：n-GaN/MQW/p-AlGaN/GaN；1006-选择性地在EPI顶部形成镜子；1008-以绝缘层覆盖至少渠道部分；1010-从渠道选择性地移除绝缘层的部分；1012-以非导通材料填充渠道；1014-选择性的移除非导通材料；1016-沉积一个或更多个金属层至想要得到的厚度；1018-将蓝宝石基板分开磊晶晶圆组件；1020-选择性地，从渠道移除任何存在的材料；1022-分开芯片，封装。

具体实施方式

以下是实施例及其试验数据等，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。

本发明的实施例对于发光二极管（LED）及其制造技术提供改进，包括较高的产量及较好的效能，例如LED的亮度较高及较佳的热传导度。此外，本发明揭露适用于GaN基底的电子装置，例如直立的发光二极管（VLED）装置、电源装置、雷射二极管、及直立的孔洞发射雷射装置，其中金属装置的散热速度很高、且金属装置具有原本已被移除的非（或是低）热导通及/或是非（或是低）电导通载具的制造技术的改进。

参照图1，晶圆100包含载具。尽管该载具可以由蓝宝石、碳化硅（SiC）、硅、锗、氧化锌（ZnO）、或是砷化镓（GaAs）组成，但此处所设置的范例指的是由蓝宝石组成的载具。可以形成具有n型GaN层、以InGaN/GaN形成的一个或更多个量子井、及p型AlGaN/GaN层的多重层磊晶结构（EPI）。尽管n型层及p型层可以包含不同的复合半导体材料，例如GaN、AlGaN、InGaN、及AlInGaN，以下将描述该n型层及该p型层。

现在参照图2，可以使用不同的方法定义出一个或更多个装置，该装置利用使用直接切过p-n接面及有可能切过载具的处理，如200所示。这些方法是熟知本技术人员已知的方法，在此不会再描述。

现在参照图3、4a-d、5a-c、及6a-c，可以在p-GaN6的顶部形成镜子4以作为光子的反射器。作为范例的该镜子可以由多重层组成，例如Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ti/Ag/Ni/Au、Ag/Pt、或是Ag/Pd、或是Ag/Cr，或使用包含Ag、Au、Cr、Pt、Pd、或是Al的合金。选择性地，该镜子4可以在形成绝缘层9之后再形成，如图6a-b，为了要保护接面区域。在此情况中，该镜子4可以在从不想设置绝缘层9的区域部分移除绝缘层9之后再形成。图3、4a-d、及6a-c显示形成磊晶晶圆组件上的镜子4的各种不同方法。

在从不想设置绝缘层9的区域移除绝缘层9之后，一个或更多个也为热导通层的电性绝缘层（以下称为绝缘层9）可形成在接面的顶部以保护接面。对于某些实施例而言，如图6a-b所示，镜子4和绝缘层9可以用以下步骤来定义：（i）沉积绝缘层9；（ii）形成屏蔽层；（iii）使用湿蚀刻或是干蚀刻以移除p-GaN6层顶部的绝缘层9部分；（iv）沉积镜子4；及（v）接着，挖起屏蔽层，以便把镜子4留在暴露出的p-GaN6顶部。

一个或更多个也为热导通层的非导电层（以下称为非导通材料5）可以用于填充渠道，也就是在定义出的装置之间的区域，并至少覆盖磊晶结构部分侧表面。侧表面可以定义成磊晶结构的不同层的沿着渠沟的侧边表面（例如，非水平的表面）。以非导通材料5填充渠道可以优异地减少、吸收、或是停止可能会在分开磊晶晶圆组件时损害电子装置的潜在破坏性力量的交互作用（例如，紫外（UV）光吸收或是雷射引发的冲击波）。举例而言，用于填充渠道的非导通材料5可以是有机材料，例如环氧化物、聚合物、聚酰亚胺、热塑性塑料、及溶胶凝胶。也可使用光感性有机材料，例如SU-8、NR-7、或是AZ5214E，所以可以不使用屏蔽来定义材料。非导通材料5也可以包含无机材料，例如SiO₂、ZnO、Ta₂O₅、TiO₂、HfO、或是MgO。填充渠道的非导通材料5也覆盖p-GaN6，以作为更进一步保护主动区的层（见图5a-c）。非导通材料5可以是在多重层的镜子4之上、或是与多重层的镜子4共平面。

对于一些实施例而言，绝缘层9可以单独使用或是联合非导通材料5使用。或者，非导通材料5页可如未显示绝缘层9的图5c般单独使用。此外，参照图5a，非导通材料5不会完全填充某些实施例的渠沟，在此种情况中，p-GaN6可以或是可以不被覆盖，但是至少多重量子井层8应该被有使用非导通材料5或是绝缘层9其中之一的实施例的非导通材料5或是绝缘层9覆盖。

可以在镜子4的顶部及非导通材料5上沉积一个或更多个金属层10(未图示)，以制造一个厚金属板，举例而言，金属层10可以是单一层或是多重层。在金属层10是多重层构造的情况中，可以形成具有不同组成（例如Cu、Ni、Ag、Au、Co、Cu-Co、Cu-Mo、Ni/Cu、Ni/Cu-Mo及其合金）的数个金属层，这些金属层可以使用不同的方法形成。各个金属层之厚度是大约10μm～400μm。

使用不同的技术，较佳者为雷射操作，使制造在磊晶晶圆组件上的电子装置可以从基板2分开，如图8a-b所示。可以借着不同的处理来完成分开，例如脉冲雷射11辐射、基板2及GaN之间接口层的选择性光强化化学蚀刻、基板2的湿蚀刻、或是以化学机械研磨的拍打/研磨。

对于一些实施例而言，可以从基板2上分开制造在磊晶晶圆组件上的电子装置，如图8a所示，使用脉冲雷射11辐射操作。制造此种装置以尽量避免在分开时的GaN装置损害（例如破碎）。即使电子装置可能仍然固定在并未从基板2完全移除磊晶晶圆组件之处，还是可以使用脉冲雷射11辐射来解体基板2上的GaN的接口层及/或是从基板2移除电子装置。

使用脉冲雷射11辐射的GaN分开可能会造成GaN解体成Ga及N₂，为了要尽量避免N₂电浆爆发，GaN的脱落只花费几纳秒。两个雷射束产生的光吸收及冲击波可能会重迭在渠道区域。如图8a所示，较暗的区域表示激光脉冲，可能会特别在基板2重合，以使雷射操作尽可能延伸至渠道。

对于一些实施例而言，非导通性材料可以优异地减少、吸收、或是停止在从基板2分开装置时可能会潜在地伤害相邻的电子装置的交互作用力（例如，UV光吸收或是雷射引发冲击波），如此处的图8a所述。在一些例子中，即使重合是不想发生的，移除基板2时，非导通材料5的一部分仍会重合于n-GaN7重新暴露的表面。

在一些实施例中可以单纯只是接触基板2而非穿透基板2的非导通材料5，如图9所示，可以选择是光感性或是非光感性材料（例如聚合物、聚酰亚胺、SU-8、NR-7、AZ5214E、热塑性塑料、ZnO、Ta₂O₅、TiO₂、HfO、及MgO）。

从基板2分开磊晶晶圆组件之后，可以使用任何适合的技术的结合来切割晶圆（也即，切割成个别的晶圆芯片）。半导体切割技术是熟知本技术人员已知的，此处不再描述。

图10为直立的发光二极管（VLED）装置的制造方法流程图。要注意的是，此方法只是此种处理的其中一个应用，示于流程图中的步骤可以重新排列，且某些步骤是选用的。该制造方法包括设置蓝宝石基板及形成磊晶结构于蓝宝石基板上的步骤1002，磊晶结构可以包含n-GaN/MQW/p-AlGaN/GaN。选择性地，在步骤1006，可以在p-GaN6的顶部形成镜子4。在步骤1008，以绝缘层9覆盖至少渠道部分。另一更进一步的选择性是，步骤1006及1008可以颠倒。在步骤1010，可以从渠道选择性地移除绝缘层9，且在步骤1012中，以非导通材料5填充渠道。非导通材料5可以在步骤1014中被选择性地移除，接着在步骤1016中，成长一个或更多个金属层至所想得到的厚度。另一更进一步的选择性是，在步骤1020中，从渠道选择性地移除材料，切割操作发生在步骤1022。切割操作可以使用任何适合的技术。在各个芯片分开之后，即可实施各个芯片的封装及组装。

归因于其金属基板的高散热速度，揭露于此的实施例也可应用于制造GaN基底的电子装置，例如电源装置、雷射二极管、及直立的孔洞表面发射雷射装置。而关于LED，上述的指示可以改善产量、亮度、及热传导度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (17)

1.一种金属装置的磊晶结构，包含：

一金属基板；

设置于该金属基板之上的一磊晶结构，该磊晶结构包含：

耦合于该金属基板的一p掺杂层；及

设置于该p掺杂层之上的一n掺杂层；

覆盖该磊晶结构侧表面的一非导电材料；及

配置于该磊晶结构的该侧表面及该非导电材料之间的一绝缘层。

2.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料是一有机材料，包含环氧化物、聚合物、聚酰亚胺、热塑性塑料、或是溶胶凝胶至少其中之一。

3.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料为光感性有机材料，包含SU-8、NR-7、或是AZ5214E至少其中之一。

4.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料为无机材料，包含SiO₂、ZnO、Ta₂O₅、TiO₂、HfO、或是MgO至少其中之一。

5.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料并不覆盖该n掺杂层的一上表面。

6.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料至少覆盖该n掺杂层一上表面的一部分。

7.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料配置于该金属基板的一部分之上。

8.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该金属基板包含Cu、Ni、Au、Ag、Co、或其合金至少其中之一。

9.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该金属基板包含一单一层或是多重层。

10.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该p掺杂层或是该n掺杂层包含GaN、AlGaN、InGaN、或是AlInGaN至少其中之一。

11.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：还包含设置于该p掺杂层及该n掺杂层之间的一多重量子井层。

12.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：还包含设置于该金属基板及该p掺杂层之间的一反射层。

13.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该非导电材料覆盖该反射层的该侧表面。

14.如权利要求12所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该反射层包含Ag、Au、Cr、Pt、Pd、Al、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ti/Ag/Ni/Au、Ag/Pt、Ag/Pd、Ag/Cr、或是其合金至少其中之一。

15.如权利要求1所述的金属装置的磊晶结构，其特征在于：该磊晶结构是一直立的发光二极管芯片、一电源装置芯片、一雷射二极管芯片、或是一直立的孔洞表面发射装置芯片。

16.一种金属装置的磊晶结构，包含：

一金属基板；

设置于该金属基板之上的一磊晶结构，该磊晶结构包含：

耦合于该金属基板的一p-GaN层；

耦合于该p掺杂层，用以发光的一多重量子井层；及

耦合于该多重量子井层的一n-GaN层；

一非导电材料，环绕该n-GaN层上表面以外的磊晶结构、及耦合于该金属基板的p-GaN层的一部分。

17.一种金属装置的磊晶结构，包含：

一金属基板；

耦合于该金属基板的一p掺杂层；

设置于该p掺杂层之上的一多重量子井层；

设置于该多重量子井层上的一n掺杂层；

一非导电材料，至少覆盖该多重量子井层的侧表面；及

配置于该磊晶结构的该侧表面及该非导电材料之间的一绝缘层。