TW201310697A - 發光二極體裝置的製造方法及發光半導體結構 - Google Patents

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Abstract

一種發光二極體裝置的製造方法，包括：提供一基板；形成一犧牲介電層於基板上，其中犧牲介電層為一具空隙結構的單層或多層結構；形成一緩衝層於犧牲介電層上；形成一發光磊晶結構於緩衝層上；形成一接合金屬層於發光磊晶結構上；接合接合金屬層至一導熱基板；及濕蝕該犧牲介電層以移除基板。

Description

發光二極體裝置的製造方法及發光半導體結構
本發明係有關一種發光二極體裝置的製造方法，特別係有關一種利用濕蝕刻犧牲介電層以移除基板的發光二極體裝置製造方法。
發光二極體具有一P/N接面，而對發光二極體的P/N接面施加電壓可使發光二極體發光。發光二極體元件可廣泛地使用在各種應用中，例如指示器(indicator)、招牌、照明、以及其他種類的照明元件。發光二極體(light-emitting diode,LED)由於體積小、使用壽命長、耗電量低與亮度高等優點，已逐漸取代傳統的燈泡，成為目前最重要的發光元件。
一般來說，發光二極體裝置可包括一基板、一形成於基板上的緩衝層、及一形成於緩衝層上的發光磊晶結構。發光二極體在發光時會產生熱，如果無法散熱，將降低發光二極體的發光性能，因此若使用高導熱基板，將有助於發光二極體裝置之散熱。一些常見的LED基板，例如藍寶石基板，雖然為良好的磊晶結構生長基板，卻具有低熱傳導係數，因此無法達到良好的導熱效果。目前一常見的解決方法為使用雷射剝除(laser lift-off)製程移除基板，再將從基板移除的發光二極體部分接合至一導熱基板。以一垂直式GaN發光二極體裝置來說，可先在一藍寶石基板上生長一未摻雜GaN層，接著在未摻雜GaN層上依序形成一n型GaN層、一多重量子井、一p型GaN層及一金屬層，其中n型GaN層和p型GaN層位置可互換，接著利用雷射剝除技術移除藍寶石基板，並將上述具有未摻雜GaN層、n型GaN層、多重量子井、p型GaN層及金屬層的結構，以金屬層接合至一金屬基板，例如銅基板，因此完成的發光二極體裝置具有導熱的金屬基板。然而使用雷射剝除製程的良率欠佳，對於大尺寸(例如≧3”)基板來說，良率的問題更是顯著。因此，需要一種可達到比傳統雷射剝除製程更佳良率的移除基板製程，以替代傳統雷射剝除製程。
本發明係提供一種發光二極體裝置的製造方法，包括：提供一基板；形成一犧牲介電層於該基板上，其中該犧牲介電層為一具空隙結構的單層或多層結構；形成一緩衝層於該犧牲介電層上；形成一發光磊晶結構於該緩衝層上；形成一接合金屬層於該發光磊晶結構上；接合該接合金屬層至一導熱基板；及濕蝕刻該犧牲介電層以移除該基板。
本發明亦提供一種發光半導體結構，包括：一基板；一介電層於該基板上，其中該介電層為一具空隙結構的單層或多層結構；一緩衝層於該介電層上；一第一導電類型半導體層位於該緩衝層上；一多重量子井位於該第一導電類型半導體層上；及一第二導電類型半導體層位於該多重量子井上。
本發明更提供一種發光半導體結構，包括：一導熱基板；一接合金屬層於該導熱基板上；一發光磊晶結構於該接合金屬層上，其中該發光磊晶結構包括：一第一導電類型半導體層於該接合金屬層上；一多重量子井位於該第一導電類型半導體層上；及一第二導電類型半導體層於該多重量子井上；及一圖案化緩衝層於該第二導電類型半導體層上。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下特舉出本發明之實施例，並配合所附圖式作詳細說明，而在圖式或說明中所使用的相同符號表示相同或類似的部分，且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖式中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形狀。此外，當某一層被描述為在另一層(或基底)上或上方時，其可代表該層與另一層(或基底)為直接接觸，或兩者之間另有其他層存在。另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
本發明提供一種替代雷射剝除製程的方法，以在移除基板時達到更佳的良率。在本發明中，基板的移除是藉由形成一具空隙結構的單層或多層結構的犧牲介電層於基板上，再濕蝕刻該犧牲介電層來達成。
第1A-1I圖顯示本發明一實施例中發光二極體裝置100的製造方法示意圖。請參見第1A圖，首先提供一基板10，該基板可為各種適合成長發光磊晶結構的基板，例如藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、矽基板等。接著在基板10上形成犧牲介電層20，其中犧牲介電層20為一具空隙結構的單層或多層結構以利於在後續製程中被移除。在一些實施例中，犧牲介電層20可為單層或多層的球體層結構，而球體直徑並無特別限制，可約為1-1000奈米。可藉由例如旋轉塗佈(spin coating)或浸潤塗佈(dip coating)等方式形成具有單層或多層的球體層結構的犧牲介電層20。應注意的是，當犧牲介電層20為單層或多層的球體層結構時，球體層的球體排列較佳是最密堆積，此可降低後續形成的緩衝層30及/或發光磊晶結構40部分形成於基板10上的可能性，可參照第1B、1C圖所示之結構。在其他實施例中，犧牲介電層20可為單層或多層的網孔(mesh)層結構，其可藉由沉積、微影、蝕刻等製程形成。在此情況下，後續形成的緩衝層30及/或發光磊晶結構40將形成於基板10上。組成犧牲介電層20之介電材料可包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或前述之組合。
請參見第1B圖，在形成犧牲介電層20於基板10上之後，形成一緩衝層30於犧牲介電層20上。緩衝層30的形成方法可藉由化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或其他合適方法，其中化學氣相沉積法可為例如金屬有機化學氣相沉積法，而物理氣相沉積法可為例如濺鍍、蒸鍍等。緩衝層之材質可包括單層或多層之AlN、GaN、InxGayN或AlxGayN，其中0≦x,y≦1，然而也可使用其他相似材質。在一些實施例中，緩衝層之厚度可約為10-50奈米。
接著，如第1C圖所示，形成一發光磊晶結構40於緩衝層30上。發光磊晶結構40之結構可為一般習知發光二極體之發光磊晶結構，其中至少包括一n摻雜半導體層、一p摻雜半導體層、一形成於n摻雜半導體層及p摻雜半導體層之間的多重量子井。發光磊晶結構40之材料可包括AlN、GaN、InGaN、GaAsP、AlGaAs、AlGaInP、AlGaN、AlInGaN等，且其發光顏色可為任意合適的顏色，例如紅光、綠光、藍光、紫外光等。
請參見第1D圖，在形成發光磊晶結構40於緩衝層30上之後，形成一接合金屬層50於該發光磊晶結構上。接合金屬層50的功用為與導熱基板60接合，使包括基板10、犧牲介電層20、緩衝層30及發光磊晶結構40的發光二極體裝置可設置於導熱基板60上。接合金屬層50之組成材料可包括Au、Ti、W、Cr、Ag、Ni、Pt、Rh、Al、In、Sn、其他合適金屬、前述之任意組合或合金。
接著，將接合金屬層50接合至導熱基板60上，如第1E圖所示，其中在導熱基板60上可選擇性地形成一接合墊(未顯示)，使得接合金屬層50與導熱基板60透過上述接合墊而接合。在其他實施例中，在接合金屬層50形成之前，可先形成一接觸金屬層70於發光磊晶結構40上，如第1F圖所示。接觸金屬層70之作用是在於建立歐姆接觸。接觸金屬層70材料可包括Ni、Ag、Au、Cu、其他合適金屬、透明導電氧化物如氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、或以上任意組合。接觸金屬層70之形成方法可包括物理氣相沉積及原子層法，其中物理氣相沉積可包括蒸鍍、濺鍍、脈衝雷射蒸鍍等。
接著，使用濕蝕刻移除犧牲介電層20。濕蝕刻溶液可為酸性蝕刻溶液，例如當犧牲介電層20為二氧化矽材質，可使用一含氫氟酸溶液達成濕蝕刻。在其他實施例中，本技藝人士可依犧牲介電層20的材質而選用適當的蝕刻溶液。重要的是，因犧牲介電層20具有空隙結構，因此濕蝕刻溶液可進入空隙而利於蝕刻的進行。在濕蝕刻犧牲介電層20後，基板10自然地與第1E圖中所示發光二極體裝置100的其他部分分離，而形成第1G圖中所示之發光二極體裝置100的結構，其中發光二極體裝置100已被倒置。
為回收基板10以重複利用，在移除基板10之後，可以例如包括硫酸及磷酸的蝕刻溶液或其他本技藝人士已知的蝕刻溶液來移除基板上殘留的緩衝層30及/或發光磊晶結構40部分。
應注意的是，雖然在第1G圖中，發光磊晶結構40上仍有緩衝層30，但緩衝層30也可在濕蝕刻中一起隨犧牲介電層20被移除。在其他實施例中，亦可在濕蝕刻犧牲介電層20以移除基板10之後，以乾蝕刻移除發光磊晶結構40上的緩衝層30(未顯示)。
接著以微影及蝕刻製程圖案化發光磊晶結構40，其中蝕刻穿過緩衝層30(如果有的話)、發光磊晶結構40及接觸金屬層70(如果有的話)，但不穿過接合金屬層50，以形成奈米柱結構，如第1H圖所示，其中奈米柱結構包括發光緩衝層30(如果有的話)、發光磊晶結構40及接觸金屬層70(如果有的話)。
在一些實施例中，更包括在形成奈米柱結構之後，選擇性地形成導電墊80於發光磊晶結構40上，如第1I圖所示。導電墊之材質可包括Au、Ag、Cu、Al、Ni、Ti、其他合適金屬、或前述之任意組合或合金。
在移除基板10後，以雷射沿著奈米柱結構的間隙切割導熱基板60即分離出複數個晶粒。
由以上說明可知，本發明藉由在基板10上形成一具空隙結構的單層或多層結構的犧牲介電層20而使後續基板10的移除更加容易，因而可取代傳統的雷射剝除製程，且具有較高良率。上述實施例中發光二極體裝置100的製造方法是先進行與導熱基板60的接合後，再進行圖案化製程形成奈米柱結構，將晶粒尺寸定義出來，最後在奈米柱結構上選擇性形成導電墊而完成。
第2A-2I圖顯示本發明另一實施例中發光二極體裝置200的製造方法示意圖，其中與第1A-1I圖中相似的元件將以第1A-1I圖中相似元件的元件標號加上5來表示。與上述實施例不同的是，接下來討論的實施例是先進行圖案化製程形成奈米柱結構後，再進行與導熱基板65的接合，最後在奈米柱結構上選擇性形成導電墊而完成。請參見第2A圖，首先提供一基板15，該基板可為各種適合成長發光磊晶結構的基板，例如藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、矽基板等。接著在基板15上形成犧牲介電層25，其中犧牲介電層25為一具空隙結構的單層或多層結構。在一些實施例中，犧牲介電層25可為單層或多層的球體層結構，而球體直徑並無特別限制，可約為1-1000奈米。可藉由例如旋轉塗佈(spin coating)或浸潤塗佈(dip coating)等方式形成具有單層或多層的球體層結構的犧牲介電層20。應注意的是，當犧牲介電層25為單層或多層的球體層結構時，球體層的球體排列較佳是最密堆積，此可降低後續形成的緩衝層35及/或發光磊晶結構45部分形成於基板15上的可能性，可參照第2B、2C圖所示之結構。在其他實施例中，犧牲介電層25可為單層或多層的網孔層結構，其可藉由沉積、微影、蝕刻等製程形成。在此情況下，後續形成的緩衝層35及/或發光磊晶結構45將形成於基板10上。組成犧牲介電層25之介電材料可包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或前述之組合。
請參見第2B圖，在形成犧牲介電層25於基板15上之後，形成一緩衝層35於犧牲介電層25上。緩衝層35的形成方法可藉由化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或其他合適方法，其中化學氣相沉積法可為例如金屬有機化學氣相沉積法，而物理氣相沉積法可為例如濺鍍、蒸鍍等。緩衝層之材質可包括單層或多層之AlN、GaN、InxGayN或AlxGayN，其中0≦x,y≦1，然而也可使用其他相似材質。在一些實施例中，緩衝層之厚度可約為10-50奈米。
接著，如第2C圖所示，形成一發光磊晶結構45於緩衝層35上。發光磊晶結構45之結構可為一般習知發光二極體之發光磊晶結構，其中至少包括一n摻雜半導體層、一p摻雜半導體層、一形成於n摻雜半導體層及p摻雜半導體層之間的多重量子井、一與n摻雜半導體層電性連接之N電極及一與p摻雜半導體層電性連接之P電極。發光磊晶結構45之材料可包括AlN、GaN、InGaN、GaAsP、AlGaAs、AlGaInP、AlGaN、AlInGaN等。
請參見第2D圖，在形成發光磊晶結構45於緩衝層35上之後，形成一接合金屬層55於該發光磊晶結構45上。接合金屬層55的功用為與導熱基板65接合，使包括基板15、犧牲介電層25、緩衝層35及發光磊晶結構45的發光二極體裝置可設置於導熱基板65上。接合金屬層55之組成材料可包括Au、W、Cr、Ag、Ti、Ni、Pt、Rh、Al、In、Sn或其他合適金屬。在其他實施例中，在接合金屬層55形成之前，可先形成一接觸金屬層75於發光磊晶結構45上，如第2E圖所示。
接著以微影及蝕刻製程圖案化接合金屬層55以形成一奈米柱結構，其中奈米柱結構包括緩衝層35以及形成於緩衝層35上方的發光磊晶結構45、接觸金屬層75(如果有的話)及接合金屬層55，如第2F圖所示。
在形成奈米柱結構之後，將接合金屬層55接合至導熱基板65上，如第2G圖所示，其中在導熱基板65上可選擇性地形成一接合墊(未顯示)，使得接合金屬層55與導熱基板65透過上述接合墊而接合。
接著，使用濕蝕刻移除犧牲介電層25。濕蝕刻溶液可為酸性蝕刻溶液，當犧牲介電層25為二氧化矽材質，可使用一含氫氟酸溶液達成濕蝕刻。在其他實施例中，本技藝人士可依犧牲介電層25的材質而選用適當的蝕刻溶液。重要的是，因犧牲介電層25具有空隙結構，因此濕蝕刻溶液可進入空隙而利於蝕刻的進行。在濕蝕刻犧牲介電層25後，基板15自然地與第2F圖中所示發光二極體裝置200的其他部分分離，而形成第2H圖中所示之發光二極體裝置200的結構，其中發光二極體裝置200已被倒置。
為回收基板15以重複利用，在移除基板15之後，可以例如包括硫酸及磷酸的蝕刻溶液或其他本技藝人士已知的蝕刻溶液來移除基板上殘留的緩衝層35及/或發光磊晶結構45部分。
應注意的是，雖然在第2H圖中，發光磊晶結構45上仍有緩衝層35，但緩衝層35也可在濕蝕刻中一起隨犧牲介電層25被移除。在其他實施例中，亦可在濕蝕刻犧牲介電層25以移除基板15之後，以乾蝕刻移除發光磊晶結構45上的緩衝層35(未顯示)。
在一些實施例中，更包括在移除基板之後，鍍導電墊85於奈米柱結構中的緩衝層35上方，如第2I圖所示。導電墊85之材質可包括Au、Ag、Cu、Al、Ni、Ti、其他合適金屬、或前述之任意組合或合金。應注意的是，若緩衝層35已被移除，則導電墊85是形成在奈米柱結構中的發光磊晶結構45上方。
在移除基板15後，以雷射沿著奈米柱結構的間隙切割導熱基板65即分離出複數個晶粒。
在本實施例中，同樣地也是藉由在基板15上形成一具空隙結構的單層或多層結構的犧牲介電層25而使後續基板15的移除更加容易，因而可取代傳統的雷射剝除製程，且具有較高良率。
10、15．．．基板
20、25．．．犧牲介電層
30、35．．．緩衝層
40、45．．．磊晶結構
50、55．．．接合金屬層
60、65．．．導熱基板
70、75．．．接觸金屬層
80、85．．．導電墊
100、200．．．發光二極體裝置
第1A-1I圖顯示本發明一實施例中發光二極體裝置的製程剖面示意圖。
第2A-2I圖顯示本發明另一實施例中發光二極體裝置的製程剖面示意圖。
10．．．基板
20．．．犧牲介電層
30．．．緩衝層
40．．．磊晶結構
50．．．接合金屬層
60．．．導熱基板
100．．．發光二極體裝置

Claims (38)

  1. 一種發光二極體裝置的製造方法，包括：提供一基板；形成一犧牲介電層於該基板上，其中該犧牲介電層為一具空隙結構的單層或多層結構；形成一緩衝層於該犧牲介電層上；形成一發光磊晶結構於該緩衝層上；形成一接合金屬層於該發光磊晶結構上；及接合該接合金屬層至一導熱基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，該基板為一藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、矽基板或金屬基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該犧牲介電層之介電材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或前述之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該犧牲介電層為單層或多層的球體層結構。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該些球體之直徑約為1-1000奈米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該犧牲介電層為單層或多層的網孔層結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中使用金屬有機化學氣相沉積或物理氣相沉積形成該緩衝層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該緩衝層的材質包括單層或多層之AlN、GaN、InxGayN或AlxGayN，其中0≦x,y≦1。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該緩衝層之厚度約為10-50奈米。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中該發光磊晶結構部份形成於該基板上，且移除該基板的步驟更包括以蝕刻移除該基板上部份的該發光磊晶結構。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中形成該發光磊晶結構的步驟包括：形成一第一導電類型半導體層於該緩衝層上；形成一多重量子井於該第一導電類型半導體層上；及形成一第二導電類型半導體層於該多重量子井上，其中該第一導電類型與該第二導電類型電性相反。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中更包括形成一接觸金屬層於該發光磊晶結構及該接合金屬層之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中更包括在該接合金屬層至該導熱基板之前，形成一接合墊於該導熱基板將與該接合金屬層接合的一側上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在移除該基板後，更包括以雷射切割該導熱基板以分離出複數個晶粒，其中該雷射切割穿透該接合墊。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在移除該基板後，更包括圖案化該發光磊晶結構以形成奈米柱結構。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在移除該基板後及形成該奈米柱結構之前，更包括乾蝕刻移除該緩衝層。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在形成該奈米柱結構之後，更包括鍍導電墊於該奈米柱結構上。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在形成該發光磊晶結構於該緩衝層上之後及接合該發光磊晶結構至該導熱基板之前，更包括圖案化該發光磊晶結構以形成奈米柱結構。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在移除該基板後，更包括乾蝕刻移除該緩衝層。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在形成該奈米柱結構之後，更包括鍍導電墊於該奈米柱結構上。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置的製造方法，其中在接合該接合金屬層至該導熱基板後，更包括濕蝕刻該犧牲介電層以移除該基板。
  22. 一種發光半導體結構，包括：一基板；一介電層於該基板上，其中該介電層為一具空隙結構的單層或多層結構；一緩衝層於該介電層上；一第一導電類型半導體層位於該緩衝層上；一多重量子井位於該第一導電類型半導體層上；及一第二導電類型半導體層位於該多重量子井上。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，該基板為一藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、矽基板或金屬基板。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該介電層之介電材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或前述之組合。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該介電層為單層或多層的球體層結構。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之發光半導體結構，其中該些球體之直徑約為1-1000奈米。
  27. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該介電層為單層或多層的網孔層結構。
  28. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該緩衝層包括單層或多層之AlN、AlxGayN、GaN、InxGayN，其中0≦x,y≦1。
  29. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該緩衝層為使用金屬有機化學氣相沉積或物理氣相沉積形成。
  30. 如申請專利範圍第22項所述之發光半導體結構，其中該緩衝層的厚度為10至50奈米。
  31. 一種發光半導體結構，包括：一導熱基板；一接合金屬層於該導熱基板上；一發光磊晶結構於該接合金屬層上，其中該發光磊晶結構包括：一第一導電類型半導體層於該接合金屬層上；一多重量子井位於該第一導電類型半導體層上；及一第二導電類型半導體層於該多重量子井上；及一圖案化緩衝層於該第二導電類型半導體層上。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，該圖案化緩衝層包括單層或多層之AlN、AlxGayN、GaN、InxGayN，其中0≦x,y≦1。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，其中該圖案化緩衝層為使用金屬有機化學氣相沉積或物理氣相沉積形成。
  34. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，其中該圖案化緩衝層的厚度為10至50奈米。
  35. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，更包括一接觸金屬層於該發光磊晶結構及該接合金屬層之間。
  36. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，更包括一接合墊於該導熱基板與該接合金屬層之間。
  37. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，更包括一導電墊於該圖案化緩衝層上。
  38. 如申請專利範圍第31項所述之發光半導體結構，其中該發光磊晶結構具有與該圖案化緩衝層相同之圖案，該圖案包括奈米柱結構。
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