TW202030891A - 凹槽型圖案化基板結構、具高散熱能力的半導體元件、及利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明主要提出一種凹槽型圖案化基板結構，其係可以被應用在一具高散熱能力的半導體元件的製作流程之中。本發明之凹槽型圖案化基板結構包括：一基板、由複數個凹型槽孔組成的一凹槽型圖案、以及至少一層二維材料界面層。特別地，於此凹槽型圖案化基板結構製作半導體元件結構層時，半導體元件結構層的底部磊晶層無法填滿基板上的複數個所述凹型槽孔。同時，基於二維材料的層間鍵結為微弱的凡德瓦力，因此在所述凹槽型圖案化基板結構之上完成半導體元件結構層的製作之後，可以利用治具輕易地將所述半導體元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構上分離；進一步地，再將半導體元件結構層轉移至具高散熱效果的基板上，完成所述具高散熱能力的半導體元件製作。

Description

凹槽型圖案化基板結構、具高散熱能力的半導體元件、及利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法
本發明係關於應用於氮化物半導體元件的圖案化藍寶石基板(Patterned sapphire substrate, PSS)，尤指一種凹槽型圖案化基板結構。並同時揭示利用該凹槽型圖案化基板與二維材料界面層組成之單元基板結構，實現半導體元件結構層與基板分離之技術，進一步達成製作一具高散熱能力半導體元件之方法。
熟知具代表性之半導體元件之一為發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)，由於其具有體積小、使用壽命長等優點，目前已廣泛應用於照明及顯示領域。
圖1係為傳統LED元件結構的側面剖視圖。傳統的LED元件結構層1’係包括：一藍寶石基板11’、一N型半導體層12’、一多重量子井結構發光層(multiple quantum well, MQW)1QW’、一P型半導體層14’、一第一電極15’、與一第二電極16’。其中，常見的該N型半導體層12’與該P型半導體層14’的材料分別為N型氮化鎵(n-type gallium nitride, n-GaN)與P型氮化鎵(p-type gallium nitride, p-GaN)。另一方面，常見的多重量子井結構1QW’主要為InGaN/GaN的多重堆疊結構。
長期涉及LED元件之設計與製作的半導體元件專家應該瞭解，圖1所示的LED元件1’為三族氮化物藍光二極體(III-Nitride-based blue LED)，且已知其具有以下實務缺點：  (1)肇因於藍寶石基板11’與N型半導體層12’之間的晶格常數顯著差異，大量的貫穿型差排(threading dislocation)缺陷生成於N型半導體層12’，這些貫穿型差排缺陷在磊晶過程中將向上延伸至多重量子井結構發光層，導致發光層內電子與電洞的復合效率(electron-hole recombination rate)的大量下降，影響LED元件1’的發光效率。  (2)藍寶石基板11’的熱傳導能力極差，因此無法有效排除高功率的LED元件1’運作時所產生的熱，導致LED元件1’內部產生熱堆積現象；嚴重者，過多的熱堆積會造成LED元件1’的失能。
為了解決上述缺陷，美國專利號:US9,355,840即揭示一種圖案化藍寶石基板，且圖2顯示已揭露的圖案化藍寶石基板的立體圖。如圖2所示，藍寶石基板11’為一c平面藍寶石基板。並且，在使用一介電質遮罩的情況下，可藉由對該藍寶石基板11’進行蝕刻的方式，進而在該藍寶石基板11’之上形成複數個半球形奈米點1P’，獲得一圖案化藍寶石基板10’。接著，如圖1所示的至少一LED元件1’可以被生長在所述圖案化藍寶石基板10’之上。進一步地，利用雷射燒蝕、濕蝕刻或電化學蝕刻等方式，還能夠令該LED結構與該圖案化藍寶石基板10’相互分離，並接著將該LED結構加工為一個垂直結構LED。
圖案化藍寶石基板10’ 具有降低LED元件1’差排缺陷密度及提高發光效率之優點，因而逐漸成為目前LED 產業界主要使用之基板。目前，習用的半球形輪廓奈米點1P’(如圖2所示)的直徑、高度與圖案間距(pitch)分別為2.8μm、1.6μm、與3.0μm。值得說明的是，為了增加LED元件1’與基板11’的接觸面積，半球形輪廓奈米點1P’的圖案密度係不斷地向上提升。至今，目前圖案間距已經由0.6 μm縮減至目前0.2μm。然而，隨著半球形輪廓奈米點1P’的圖案密度的增加，基板11’的c 平面面積也跟著減少，反而導致GaN形成於該基板11’的c 平面的磊晶良率變差。
台灣發明專利申請號102133449中揭示了一種圖案化光電基板及其製作方法，以及，台灣專利申請號108100841之中揭示了一種具有提升發光效率之圖案化光電基板1a的製造方法，包括以下步驟：    (1) 提供一基板10a，例如：一藍寶石基板；    (2)藉由一第一蝕刻處理於該基板10a表面形成一第一圖案化結構11a及一間隔區域12a，其中該第一圖案化結構11a為一微米級突出結構或一微米級凹槽結構，且該間隔區域12a為基板10a表面的一平面結構；    (3)形成一第一金屬層及一第二金屬層於該第一圖案化結構11a及該間隔區域12a表面；    (4)藉由一第二蝕刻處理於該第二金屬層上形成一第二圖案化結構15a，其中該第二圖案化結構15a為一次微米級凹槽結構；    (5)藉由一第三蝕刻處理使該第二圖案化結構15a向下延伸至該第一金屬層及該基板10a之部分表面；     (6)藉由一酸液處理以自該基板10a上移除該第一金屬層及該第二金屬層，以形成具有該第一圖案化結構11a及該第二圖案化結構15a之該基板10a；以及    (7) 以一預定成長速率形成一填充層16a填滿於該第二圖案化結構15a內。
圖3顯示具有提升發光效率之圖案化光電基板1a的側面剖視圖。由圖3可知，在基板10a表面形成該第一圖案化結構11a及該第二圖案化結構15a並同時以填充層16a填滿於第二圖案化結構15a之中，如此設計，只要接著將如圖1的N型半導體層12’、一多重量子井結構1QW’、與P型半導體層14’形成於所述圖案化光電基板1a之上，即可獲得具有優異的發光效率及性能的發光二極體。
對於具高發光效率與高功率性質的發光二極體而言，如何排除其內部的廢熱格外重要。目前，業界通常利用基板分離技術將發光二極體的藍寶石基板置換成散熱型基板，例如：鑽石薄膜基板。因此如能發展大面積且低成本之基板分離技術，將藍寶石基板與LED 結構層(如圖1所示的一N型半導體層12’、多重量子井結構1QW與P型半導體層14)分離，再將LED 結構層轉貼至高導熱率基板上，將可以大幅改善LED元件 在高電流注入下廢熱堆積衍生元件特性衰退等問題，讓LED元件之固態照明更加節能。目前，習知的基板分離技術包括：化學剝離法、犧牲層法、雷射剝離、基板磨薄再蝕刻法等。
美國專利號：US9,059,012即揭示一種具有從成長基板分離之孔洞的磊晶層晶圓以及使用該磊晶層晶圓製造的半導體元件。其透過在藍寶石基板上形成具有複數開孔的SiO2 罩幕層，並接著在該SiO2 罩幕層之上形成發光二極體的半導體元件結構層(如圖1的N型半導體層12’、一多重量子井結構1QW’、與P型半導體層14’)。由於所述罩幕層係由諸如SiO2 製成，因此可以用HF或BOE(buffer oxide etchant)等蝕刻液(亦即，化學剝離法)將所述半導體元件結構層自該藍寶石基板之上分離，進而將分離後的半導體元件結構層置於一散熱型基板之上。然而，必須知道的是，於蝕刻SiO2 罩幕層的過程中，在蝕刻位置所產生的氣泡可能會引起GaN磊晶層(如N型半導體層12’)的捲曲及破裂，因而影響發光二極體的半導體元件結構層的良率與光電特性。
2007 年時D. J. Rogers 等人利用化學剝離法自藍寶石基板上分離GaN薄膜。首先於藍寶石基板上先成長一層氧化鋅(ZnO)薄膜作為犧牲層，接著利用MOCVD系統於ZnO薄膜上成長GaN薄膜；之後，將樣品置於稀鹽酸溶液之中以蝕刻ZnO薄膜，即可完成GaN薄膜剝離製程。
GaN磊晶結構從藍寶石基材移除的技術還包括雷射剝離法。利用雷射光束穿過藍寶石基材的背側進而照射到GaN磊晶層(如N型半導體層12’)，雷射光束局部加熱接近藍寶石基材與磊晶膜的界面，可以將磊晶膜與藍寶石基材彼此分離。然而，受限於雷射光束的點尺寸，施用雷射光束加熱的過程中，必須令雷射光束掃描橫越過相當大的施用區域；易於理解的，這樣的方式會導致不同區域的藍寶石基材與磊晶膜的界面的加熱程度不一致，因而導致磊晶膜的一部分可能會在執行雷射分離的過程中破裂。另一方面，相當昂貴的雷射設備與低生產效率之雷射設備的短壽命使得這個技術不適用於大量生產。
2010年美國布朗大學物理系的研究團隊使用機械研磨減薄基板後，再配合蝕刻製程分離GaN薄膜。其中，成長於矽基板之GaN薄膜，先經由砂輪磨掉一定厚度之後，再接著利用乾式蝕刻將基板完全去除，即獲得基板分離之GaN薄膜；最終，研究團隊將自基板分離的GaN薄膜轉貼覆在散熱良好的鑽石基板之上。研究成果指出，轉貼在鑽石基板之上的GaN薄膜，其可以進一步地應用於高功率半導體元件的製作，且製成的高功率半導體元件具有優異的元件性能。
由上述說明可知，高功率LED 元件在大電流注入下廢熱堆積問題可藉由藍寶石基板移除，再將自基板分離的LED 結構層轉貼至高導熱率鑽石薄膜基板之上，獲得解決。有鑑於此，本案發明人致力於開發低成本可大面積之基板分離技術，而終於研發完成本發明之一種凹槽型圖案化基板結構。進一步地，本案之發明人更利用該凹槽型圖案化基板結構開發出不同於習知技術的基板分離技術，最終達成利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法。
本發明之主要目的在於提出一凹槽型圖案化基板結構、一具高散熱能力的半導體元件、與利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法。其中，本發明之凹槽型圖案化基板結構包括：一基板、由複數個凹型槽孔組成的一凹槽型圖案、以及至少一層二維材料界面層。特別地，於此凹槽型圖案化基板結構製作半導體元件結構層時，該元件結構層底部的氮化鎵緩衝層無法填滿基板上的複數個所述凹型槽孔。同時，基於二維材料的層間鍵結為微弱的凡德瓦力，因此在所述凹槽型圖案化基板結構之上完成半導體元件結構層的製作之後，可以利用治具輕易地將所述元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構之上分離；進一步地，再將元件結構層轉移自具高散熱效果的基板單元之上，完成所述具高散熱能力的半導體元件的製作。可以理解的是，半導體元件結構層於工作時所產生的熱可以透過第二散熱基板(例如: 摻雜硼的鑽石基板)快速地被傳送至第一散熱基板(例如:銅基板)，如此方式可以有效地對半導體元件進行散熱。
為了達成上述本發明之主要目的，本案發明人係提供所述凹槽型圖案化基板結構的一實施例，係包括：    一基板；    一凹槽型圖案，係形成於該基板之上，並包括複數個凹型槽孔；其中，該複數個凹型槽孔於該基板的表面上係具有範圍介於1×105 個/cm-2 至1×1011 個/cm-2 之間的一分布密度；以及    至少一層二維材料界面層，係形成於該基板之上。
於前述本發明之凹槽型圖案化基板結構的實施例中，該基板可為下列任一者：砷化鎵基板、磷化鎵基板、磷化銦基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、藍寶石基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、或玻璃基板。
於前述本發明之凹槽型圖案化基板結構的實施例中，該凹型槽孔的深寬比係介於0.1至100之間。
於前述本發明之凹槽型圖案化基板結構的實施例中，該二維材料界面層可為下列任一者：石墨烯、矽烯(silicene)、鍺烯(germanene)、錫烯(stanene）、磷烯(phosphorene)、硼烯(borophene)、過渡金屬硫族化物(Transition-metal dichalcogenides, TMDCs)、或氮化硼(BN)。
並且，為了達成上述本發明之主要目的，本案發明人同時提供所述具高散熱能力的半導體元件的一實施例，該實施例為一LED元件，係包括：    一第一散熱基板；    一第二散熱基板，係形成於該第一散熱基板之上；    至少一半導體元件結構層，係位於該第二散熱基板之上，且各該半導體元件結構層係包括:            一第一半導體材料層，係形成於該第二散熱基板之上；       一主動層，係形成於該第一半導體材料層之上；及       一第二半導體材料層，係形成於該主動層之上；以及  一第一電極，係形成於該第二半導體材料層之上；其中，該第一散熱基板同時作為一第二電極。
再者，本案發明人同時提供所述具高散熱能力的半導體元件的另一實施例，該實施例為一高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor, HEMT)，係包括：    一第一散熱基板；    一第二散熱基板，係形成於該第一散熱基板之上；    至少一半導體元件結構層，係位於該第二散熱基板之上，且各該半導體元件結構層係包括:            一第一半導體材料層，係形成於該第二散熱基板之上；       一主動層，係形成於該第一半導體材料層之上，且其製造材料為氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)；       一閘極層，係形成於該主動層之上；       一源極層，係形成於該主動層之上；以及       一汲極層，係形成於該主動層之上。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的實施例中，該第一散熱基板的製造材料可為下列任一者：銅、鋁、鎳、銀、不鏽鋼、鉬、鈦、鎢、上述任兩者之複合物、或上述任兩者以上之複合物。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的實施例中，該第二散熱基板可為下列任一者：鑽石基板、摻雜硼的鑽石基板、碳化矽基板、石英基板、石墨烯基板、或陶瓷基板。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的實施例中，該第一半導體材料層的製造材料為N型氮化鎵(n-type gallium nitride, n-GaN)，且該第二半導體材料層的製造材料為P型氮化鎵(p-type gallium nitride, p-GaN)。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的實施例中，該主動層係於該第一半導體材料層與該第二半導體材料層之間形成一個多重量子井結構，且該主動層可為下列任一者：氮化鎵與氮化銦鎵(InxGa1-xN)的多重堆疊結構、氮化鎵與氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)的多重堆疊結構、或氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)與氮化銦鎵(InxGa1-xN)的多重堆疊結構。
進一步地，本案發明人又提供所述利用凹槽型圖案化基板結構製作具高散熱能力的半導體元件之方法，係包括以下步驟：    (1)製備一凹槽型圖案化基板結構；其中，該凹槽型圖案化基板結構包括：一基板、形成於該基板之上的複數個凹型槽孔、及形成於該基板之上的至少一層二維材料界面層；    (2)於該凹槽型圖案化基板結構之上製作出至少一半導體元件結構層；    (3)利用一治具單元連接至各該半導體元件結構層的該第二半導體材料層，並移動該治具單元以將各該半導體元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構之上分離；    (4)提供一基板單元，且該基板單元包括一第一散熱基板及形成於該第一散熱基板之上的一第二散熱基板；以及    (5)將各該半導體元件結構層置於該第二散熱基板之上。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的製作方法的實施例中，該治具單元包括一接合件與一分離件，該接合件用以連接至各該半導體元件結構層的該第二半導體材料層，且該分離件連接至該接合件，用以將接有所述接合件的各該半導體元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構之上分離。
於前述本發明之具高散熱能力的半導體元件的製作方法的實施例中，該接合件為一聚合物層，且該聚合物層的製造材料可為下列任一者：聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate), PMMA)、聚二甲基矽氧烷(poly(dimethylsiloxane), PDMS)、或聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一凹槽型圖案化基板結構、一具高散熱能力的半導體元件、及利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
凹槽型圖案化基板結構的基本結構 ( 一 )
圖4顯示本發明之一種凹槽型圖案化基板結構的示意性立體結構圖。如圖4所示，本發明之凹槽型圖案化基板結構1於結構上係包括：一基板11、由複數個凹型槽孔12組成的一凹槽型圖案、以及至少一層二維材料界面層13。特別說明的是，所述基板11主要是用以支撐高功率半導體元件結構層，因此，其可為砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、磷化銦(InP)基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板、藍寶石(Al2 O3 )基板、矽基板、碳化矽(SiC)基板、尖晶石基板、或玻璃基板。
承上述說明，複數個所述凹型槽孔12係形成於該基板11之上，並構成一凹槽型圖案。值得注意的是，該複數個凹型槽孔12於該基板11的表面上係具有範圍介於1×105 個/cm-2 至1×1011 個/cm-2 之間的一分布密度，使得該基板11的表面與半導體元件結構層之間具有一接觸面積。簡單地說，藉由調整該分布密度的方式，可適應性地改變基板11的表面的該接觸面積。舉例而言，將所述分布密度自1.4×109 個/cm-2 提升自5×109 個/cm-2 ，則所述接觸面積會大幅減少約33%。當然，該凹型槽孔12的寬度(或稱孔徑)也會影響所述分布密度的數值，本發明係令凹型槽孔12的寬度(孔徑) 介於10nm至5 μm之間。另一方面，由於此凹槽型圖案化基板結構1用於承載半導體元件結構層，因此，為了防止過多的GaN材料填入所述凹型槽孔12之中，本發明又令該凹型槽孔12具有範圍介於0.1至100之間的深寬比。
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家Andre Geim和Konstantin Novoselov利用膠帶(Scotsh tape)將單層石墨烯(graphene)從石墨(graphite)剝離出來，帶起了不同種類的二維材料研究與發展。目前，已知的二維材料包括：石墨烯、矽烯(silicene)、鍺烯(germanene)、錫烯(stanene）、磷烯(phosphorene)、硼烯(borophene)、過渡金屬硫族化物(Transition-metal dichalcogenides, TMDCs)、或氮化硼(BN)。其中，所述過渡金屬硫族化物具有分子式MX2 ；其中，M為IVB-VIB族之中的任一種過渡金屬，且X為VIA族(chalcogen)之中的硫、硒、或碲。
特別地，本發明係於該基板11之上形成至少一層二維材料界面層13，例如:5-10層石墨烯。單層石墨烯(二維材料)在平面是以共價鍵連結成網狀系統(Network)，而上層與下層石墨烯之間則以微弱的凡德瓦力(van der Waals force)達成層間鍵結。如此設計，當半導體元件結構層於該凹槽型圖案化基板結構1之上被製作完成之後，吾人可以接著使用特殊設計的一治具單元的輔助，輕易地將半導體元件自該凹槽型圖案化基板結構1之上分離。
凹槽型圖案化基板結構的製造
圖5A至圖5D顯示本發明之凹槽型圖案化基板結構的示意性製造流程圖。如圖5A所示，製造流程係首先提供一基板11，並於該基板11之上依序地形成一中間層11M與一鋁層11AL。其中，形成中間層11M所使用的製程方式並不加以限定，而中間層11M的製造材料可為下列任一者：鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、二氧化矽(SiO2)、上述任兩者之複合物、或上述任兩者以上之複合物。舉例而言，該中間層11M由鈦製成。進一步地，製造流程便接著利用陽極氧化鋁處理於該鋁層11AL與該中間層11M之上製作出複數個穿孔11TH，獲得位於該基板11之上的一陽極氧化鋁遮罩AAOM。如圖5B所示，製造流程接著在所述陽極氧化鋁遮罩AAOM的遮蔽之下對該基板11進行蝕刻，進而在該基板11之上形成複數個所述凹型槽孔12。
補充說明的是，在搭配適合的酸性電解液與適應性地調整陽極氧化條件的情況下，陽極氧化鋁遮罩AAOM的穿孔11TH的深度可以增加。圖6顯示具有複數個凹型槽孔之圖案基板的實際影像圖。其中，藉由陽極氧化鋁遮罩AAOM的使用，圖6的(a)圖所示之複數個所述凹型槽孔12的基板11在經過ICP-RIE乾式蝕刻之後獲得。於此，所述陽極氧化鋁遮罩AAOM係使用磷酸電解液處理該中間層11M與該鋁層11AL(如圖5A與圖5B所示)之後形成於該基板11之上。同樣地，藉由陽極氧化鋁遮罩AAOM的使用，圖6的(b)圖所示之複數個所述凹型槽孔12的基板11也是在經過ICP-RIE乾式蝕刻之後獲得。不同的是，於此所述陽極氧化鋁遮罩AAOM係使用草酸電解液處理該中間層11M與該鋁層11AL之後形成於該基板11之上。並且，比較(a)圖與(b)圖之後可以發現，(b)圖所顯示的基板11內的各該凹型槽孔12具有較為理想的深寬比。
製程方法接著移除該陽極氧化鋁遮罩AAOM，如圖5C所示，而後將一催化層CL形成於該基板11之上。於此，所述催化層CL的製造材料可以是銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、上述任兩者之組合、或上述任兩者以上之組合。舉例而言，所述催化層CL為厚度範圍介於100nm至500nm之間的一銅層。繼續地，製造流程於該催化層CL之上成長至少一層石墨烯(亦即，所述二維材料界面層13)。並且，在以一蝕刻液移除該催化層CL之後，如圖5D所示，即獲得所述凹槽型圖案化基板結構1。更清楚地說明石墨烯的製備。可將表面覆有催化層CL(亦即，銅層)的基板11(如圖5C所示)送入一LPCVD系統之中，通入甲烷與氫氣之後，在1000o C的製程溫度下，石墨烯薄膜會在催化層CL之的表面與底面同時成長。接著，利用氧電漿(O2 plasma)將形成於催化層CL(亦即，銅層)表面的石墨烯破壞之後，再以過硫酸銨((NH4 )2 S2 O8 )將催化層CL移除。值得一提的是，凹型槽孔12的形成方式除了可使用上述製程外，亦可使用奈米壓印(Nanoimprint Lithography,NIL)製程、傳統黃光微影(Traditional Photolithography)製程等方式來形成。
圖7顯示於凹型槽孔圖案基板上製備複數層石墨烯之拉曼光譜圖。其中，拉曼光譜圖係在石墨烯薄膜(亦即，二維材料界面層13)成長於具有複數個凹型槽孔12的基板11之上的時候所測得。圖7的實驗數據顯示，目前已能夠在c 面面積減少20%的凹槽型圖案化基板結構1之上成長二維材料界面層13(石墨烯薄膜)。同時，拉曼光譜顯示，所述二維材料界面層13為多層石墨烯薄膜，且其D峰強度與G峰強度的 比值高約0.42，亦即光譜圖所量測的石墨烯薄膜為高品質(低缺陷)。
具高散熱能力的半導體元件的基本結構 ( 一 )
前述說明已經詳細地介紹本發明之凹槽型圖案化基板結構1的結構與製作方式。特別地，本發明係利用所述凹槽型圖案化基板結構1製作出所謂的具高散熱能力的半導體元件。圖8即顯示本發明之一種具高散熱能力的半導體元件的示意性立體圖。如圖8所示，該具高散熱能力的半導體元件，為一LED元件2，且其包括：一第一散熱基板21、一第二散熱基板22、至少一半導體元件結構層23、以及 一第一電極24。於此，第一散熱基板21係作為LED元件2的一第二電極使用，且其製造材料可為下列任一者：銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銀(Ag)、不鏽鋼、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鎢(W)、上述任兩者之複合物、或上述任兩者以上之複合物。並且，該第二散熱基板22係形成於第一散熱基板21之上，且其可為下列任一者：鑽石基板、摻雜硼的鑽石基板、碳化矽基板、石英基板、石墨烯基板、或陶瓷基板。舉例而言，第一散熱基板21為銅基板，而第二散熱基板22為摻雜硼的鑽石基板。
承上述說明，該半導體元件結構層23係位於該第二散熱基板22之上，並包括：形成於該第二散熱基板22之上的一第一半導體材料層231、形成於該第一半導體材料層231之上的一主動層232、以及形成於該主動層232之上的一第二半導體材料層233。必須特別說明的是，第一半導體材料層231、主動層232與第二半導體材料層233的材料的選用決定了該半導體元件結構層23所發出的光的顏色。傳統上，GaP、GaAsP、及AlGaAs為半導體元件結構層23之主動層232的主要材料，使得半導體元件結構層23能夠發出波長範圍介於580nm至740nm之間的可見光。然而，隨著有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)製程技術越趨進步，氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)、或氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)已成為主動層232的主要材料。眾所周知的是，包含GaN的半導體元件結構層23可以發出藍紫色光。
熟悉LED晶粒(die)之設計與製造的專家應該都知道，透過增加x的值(x＜1)可以令包含Inx Ga1-x N主動層232的半導體元件結構層23可以發出長波長的光。相對地，藉由增加x的值(x＜1)可以令包含Alx Ga1-x N主動層232的半導體元件結構層23可以發出短波長的光。於此，必須補充說明的是，以GaN、Alx Ga1-x N或Inx Ga1-x N製成的主動層232會於第一半導體材料層231與第二半導體材料層233之間形成一個單一量子井結構。所述第一半導體材料層231之製造材料通常為N型氮化鎵(n-type gallium nitride, n-GaN)，例如摻雜矽(Si)的氮化鎵。另外，所述第二半導體材料層233之製造材料通常為P型氮化鎵(p-type gallium nitride, p-GaN)，例如摻雜鎂(Mg)的氮化鎵。然而，為了提升電子與電洞於主動層232內的復合效率，也可以將主動層232進一步地設計成一個多重量子井結構，例如:氮化鎵與氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)的多重堆疊結構、氮化鎵與氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)的多重堆疊結構、或氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)與氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)的多重堆疊結構。
再者，該第一電極24係形成於該第二半導體材料層233之上，且其製造材料可為下列任一者：鋁(Al)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、金(Au)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、前述任兩者之組合、或前述任兩者以上之組合。例如，第二電極(亦即，第一散熱基板21)由銅(Cu)製成，而第一電極24為鎳-金複合結構或鈦-鋁複合結構。可以理解的是，如圖8所示，LED元件2的半導體元件結構層23置於包括一第一散熱基板21與一第二散熱基板22的基板單元之上以後，該LED元件2即成為具垂直電極結構的發光二極體元件。更重要的是，LED元件2的半導體元件結構層23於發光時所產生的熱可以透過第二散熱基板22(例如: 摻雜硼的鑽石基板)快速地被傳送至第一散熱基板21(例如:銅基板)，如此方式可以有效地對該半導體元件結構層23進行散熱。
具高散熱能力的半導體元件的製造
本發明同時提出利用該凹槽型圖案化基板結構1製作該具高散熱能力的半導體元件(前述LED元件2)之方法。圖9即顯示本發明之一種具高散熱能力的半導體元件的製作方法的流程圖。請同時參閱圖10A至圖10F，係顯示具高散熱能力的半導體元件的示意性製造流程圖。如圖9與圖10A所示，方法流程係首先執行步驟S1及步驟S2，以製備一凹槽型圖案化基板結構1，並接著於該凹槽型圖案化基板結構1之上製作出至少一半導體元件結構層23。其中，所述凹槽型圖案化基板結構1的製備流程可以參考圖5A至圖5D，且所述半導體元件結構層23的組成可參考圖8，於此不再重複說明。接著，如圖9、圖10B至圖10D所示，方法流程係執行步驟S3：利用一治具單元3連接至各該半導體元件結構層23的該第二半導體材料層233，並移動該治具單元3以將各該半導體元件結構層23自該凹槽型圖案化基板結構1之上分離。
該治具單元3包括一接合件31與一分離件32，其中該接合件31用以連接至各該半導體元件結構層23的該第二半導體材料層233，且該分離件32連接至該接合件31。根據本發明之設計，該接合件31為一聚合物層，且該聚合物層的製造材料可為下列任一者：聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate), PMMA)、聚二甲基矽氧烷(poly(dimethylsiloxane), PDMS)、或聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)。舉例而言，可以使用旋轉塗佈機在各該半導體元件結構層23的第二半導體材料層233之上塗佈一層PMMA，接著在烤箱內以90o C的烘烤溫度將該層PMMA(亦即接合件31)烘乾步驟。之後，可以利用 膠帶(亦即，分離件32)均勻貼合該層PMMA面；接著，將膠帶撕起之後便可將各該半導體元件結構層23自該凹槽型圖案化基板結構1之上分離。繼續地，再將各該半導體元件結構層23置入丙酮溶液以去除該層PMMA。
如圖9、圖10E與圖10F所示，方法流程係接著執行步驟S4: 提供一基板單元，且該基板單元包括一第一散熱基板21及形成於該第一散熱基板21之上的一第二散熱基板22。最終，於步驟S5之中，將各該半導體元件結構層23置於該第二散熱基板22之上。補充說明的是，如圖10A所示，為了令形成於該凹槽型圖案化基板結構1之上的半導體元件結構層23內的該第一半導體材料層231(亦即，N型氮化鎵)不會具有過多的貫穿差排(threading dislocation)，於實務應用中是可以在該二維材料界面層13(亦即，石墨烯)與該第一半導體材料層231之間插入一緩衝層，例如: 氮化鋁(AlN)、未摻雜的氮化鎵(undoped GaN)、或氧化鋅(ZnO)。或者，緩衝層的製造材料也可以選用晶格常數接近整數倍於GaN的單晶材料，例如：II-VI族半導體化合物的硫化鋅(ZnS)的晶格常數a=0.623nm、II-VI族半導體化合物的硒化鋅(ZnSe)的晶格常數a=0.653nm。
另一方面，圖10A至圖10F暗指，在半導體元件結構層23被轉移至第二散熱基板22之上以後，第一電極24才接著形成於半導體元件結構層23的第二半導體材料層233之上。然而，製程上可以不必做此限定。舉例而言，可以在半導體元件結構層23形成於該二維材料界面層13(即，石墨烯)之上以後，接著在第二半導體材料層233之上形成所述第一電極24。
具高散熱能力的半導體元件的基本結構 ( 二 )
前述說明已經詳細地介紹本發明之凹槽型圖案化基板結構1可以用於製造具高散熱能力的LED元件2。除此之外，本發明之凹槽型圖案化基板結構1也可以用於製造高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor, HEMT)，製造的步驟可參考圖9所述的流程圖。並且，圖11顯示高電子遷移率晶體電晶體的示意性立體圖。如圖11所示，所述高電子遷移率晶體電晶體2T包括：一第一散熱基板21、一第二散熱基板22、以及至少一半導體元件結構層29。比較圖11與圖8可以發現，高電子遷移率晶體電晶體2T(亦即，本發明所述之具高散熱能力的半導體元件)同樣具有半導體元件結構層29，且該半導體元件結構層29同樣形成於第二散熱基板22之上。不同地，高電子遷移率電晶體2T的半導體元件結構層29係包括：一半導體材料層291、一主動層292、一閘極層29G、一源極層29S、以及一汲極層29D。其中，該半導體材料層291形成於該第二散熱基板22之上，且主動層292主要由氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)製成並形成於該半導體材料層291之上。並且，該閘極層29G、該源極層29S與該汲極層29D皆形成於該主動層292之上。與LED元件2的一第一半導體材料層231相同，所述半導體材料層291的製造材料主要為GaN。
必須補充說明的是，前述說明係以具高散熱能力的高電子遷移率晶體電晶體2T(如圖11所示)及具高散熱能力的LED元件2(如圖8所示)作為本發明的主要的示範性實施例，亦即，這兩種具高散熱能力的半導體元件都可以利用本發明之凹槽型圖案化基板結構1(如圖4所示)配合本發明之基板分離技術以簡單流程、低成本的方式製成。然而，必須強調的是，這並非用以限制本發明所述具高散熱能力的半導體元件之可行性實施例。簡單地說，在任何可能的應用上，所述具高散熱能力的半導體元件也可以是其它種類的半導體元件，例如：垂直型氮化鎵蕭特基二極體(Vertical GaN Schottky diode)、SiC蕭特基二極體、GaO蕭特基二極體、垂直型GaN p-i-n二極體(vertical GaN p-i-n diode)、GaN metal semiconductor field-effect transistors (GaN MESFET)、GaN power MOSFET、polarization super-junction field effect transistor (PSJ FET)等。
凹槽型圖案化基板結構的結構 ( 二 )
進一步地，還需要補充說明的是，雖然圖4顯示本發明之凹槽型圖案化基板結構1的主要結構包括基板11、由複數個凹型槽孔12組成的凹槽型圖案、以及至少一層二維材料界面層13。然而，易於理解的是，將習知技術所教示的凸型圖案(如圖2或圖3所示)結合至本發明之凹槽型圖案化基板結構1，這對於熟悉圖案化基板結構之設計與製造的工程師是易於辦到的。圖12顯示本發明之凹槽型圖案化基板結構的側面剖視圖。如圖12所示，於製造本發明之凹槽型圖案化基板結構1時，可同時於基板11上形成由複數個凸狀物14組成的一凸型圖案。同時，由圖12可發現各該凸狀物14的表面上可以再進一步形成有複數個凹槽結構141；除上述態樣外，亦可於各該凸狀物14的表面上之非凹槽結構141處存在有至少一層二維材料界面層13。於圖12的凹槽型圖案化基板結構1之上形成GaN磊晶層的過程中，GaN磊晶材料並不會填入所述凹槽結構141之中，且形成於基板11、各該凸狀物14、與該二維材料界面層13之上的GaN磊晶層的貫穿型差排缺陷會因側向成長現象被大量降低；除此之外，所述凸型圖案有助於提升LED元件的光萃取效率，讓LED所發出的光更加地亮。
雖然圖12顯示凸狀物14的外型呈圓錐狀，但並非以此限制其外型。在製程可以允許的範圍內，凸狀物14的外型可以是任何一種，例如:圓錐狀、圓弧狀、圓柱狀、角錐狀、或角柱狀。研究結果顯示，LED元件的GaN磊晶層與各該凸狀物14的側邊之間會有間隙，因此GaN磊晶層與基板11之間的接觸面積只有圖案之間C平面處，或是各該凸狀物14的表面上之非凹槽結構141處。可以理解的，由於基板11的C平面還同時具有凹槽型孔洞圖案(亦即，凹型槽孔12)，是以LED元件的GaN磊晶層與基板11之接觸面積又更進一步地被減少，導致更容易將LED元件結構層自該基板11之上分離。
上述說明係已完整、清楚說明本發明之凹槽型圖案化基板結構、具高散熱能力的半導體元件、及利用該凹槽型圖案化基板結構製作該具高散熱能力的半導體元件之方法。然而，必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
＜本發明＞ 1:凹槽型圖案化基板結構 11:基板 12:凹型槽孔 13:二維材料界面層 11M:中間層 11AL:鋁層 11TH:穿孔 AAOM:陽極氧化鋁遮罩 CL:催化層 2:LED元件 21:第一散熱基板 22:第二散熱基板 23:半導體元件結構層 24:第一電極 231:第一半導體材料層 232:主動層 233:第二半導體材料層 S1-S5:步驟 3:治具單元 31:接合件 32:分離件 29:半導體元件結構層 291:半導體材料層 292:主動層 29G:閘極層 29S:源極層 29D:汲極層 14:凸狀物 141:凹槽結構
＜習知＞ 1’:LED元件 11’:藍寶石基板 12’:N型半導體層 1QW ’:多重量子井結構 14’:P型半導體層 15’:第一電極 16’:第二電極 1P’:半球形奈米點 10’:圖案化藍寶石基板 1a:具有提升發光效率之圖案化光電基板 10a:基板 11a:第一圖案化結構 12a:間隔區域 15a:第二圖案化結構 16a:填充層
圖1顯示傳統LED元件的側面剖視圖；  圖2顯示美國專利號:US9,355,840所揭示的圖案化藍寶石基板的立體圖；  圖3顯示具有提升發光效率之圖案化光電基板的側面剖視圖；  圖4顯示本發明之一種凹槽型圖案化基板結構的示意性立體結構圖；  圖5A至圖5D顯示本發明之凹槽型圖案化基板結構的示意性製造流程圖；  圖6顯示具有複數個凹型槽孔之圖案基板的實際影像圖；  圖7顯示於凹型槽孔圖案基板上製備複數層石墨烯之拉曼光譜圖；  圖8顯示本發明之一種具高散熱能力的半導體元件的示意性立體圖；  圖9顯示本發明之一種具高散熱能力的半導體元件的製作方法的流程圖；  圖10A至圖10F顯示具高散熱能力的半導體元件的示意性製造流程圖；  圖11顯示高電子遷移率電晶體的示意性立體圖；以及  圖12顯示本發明之凹槽型圖案化基板結構的側面剖視圖。
1:凹槽型圖案化基板結構
11:基板
12:凹型槽孔
13:二維材料界面層

Claims (20)

  1. 一種凹槽型圖案化基板結構，係包括：       一基板；       一凹槽型圖案，係形成於該基板之上，並包括複數個凹型槽孔；其中，該複數個凹型槽孔於該基板的表面上係具有範圍介於1×105 個/cm-2 至1×1011 個/cm-2 之間的一分布密度；以及       至少一層二維材料界面層，係形成於該基板之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之凹槽型圖案化基板結構，其中該凹型槽孔的深寬比係介於0.1至100之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之凹槽型圖案化基板結構，其中，該二維材料界面層可為下列任一者：石墨烯、矽烯(silicene)、鍺烯(germanene)、錫烯(stanene）、磷烯(phosphorene)、硼烯(borophene)、過渡金屬硫族化物(Transition-metal dichalcogenides, TMDCs)、或氮化硼(BN)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之凹槽型圖案化基板結構，其中，所述過渡金屬硫族化物具有分子式MX2 ；其中，M為IVB-VIB族之中的任一種過渡金屬，且X為VIA族(chalcogen)之中的硫、硒、或碲。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之凹槽型圖案化基板結構，其中，該基板可為下列任一者：砷化鎵基板、磷化鎵基板、磷化銦基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、藍寶石基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、或玻璃基板。
  6. 一種具高散熱能力的半導體元件，係包括：        一第一散熱基板；        一第二散熱基板，係形成於該第一散熱基板之上；以及        至少一半導體元件結構層，係位於該第二散熱基板之上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該第一散熱基板的製造材料可為下列任一者：銅、鋁、鎳、銀、不鏽鋼、鉬、鈦、鎢、上述任兩者之複合物、或上述任兩者以上之複合物。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該第二散熱基板可為下列任一者：鑽石基板、摻雜硼的鑽石基板、碳化矽基板、石英基板、石墨烯基板、或陶瓷基板。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該半導體元件為一LED元件，且該半導體元件結構層係包括:        一第一半導體材料層，係形成於該第二散熱基板之上；        一主動層，係形成於該第一半導體材料層之上；        一第二半導體材料層，係形成於該主動層之上；以及        一第一電極，係形成於該半導體元件結構層之上；其中，該第一散熱基板同時作為一第二電極。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該半導體元件為一高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor, HEMT)，且該半導體元件結構層係包括:        一半導體材料層，係形成於該第二散熱基板之上；        一主動層，係形成於該半導體材料層之上，且其製造材料為氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)；        一閘極層，係形成於該主動層之上；        一源極層，係形成於該主動層之上；以及       一汲極層，係形成於該主動層之上。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，所述主動層係於該第一半導體材料層與該第二半導體材料層之間形成一個單一量子井結構，且該主動層的製造材料可為下列任一者：氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)、或氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該主動層係於該第一半導體材料層與該第二半導體材料層之間形成一個多重量子井結構，且該主動層可為下列任一者：氮化鎵與氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)的多重堆疊結構、氮化鎵與氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)的多重堆疊結構、或氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)與氮化銦鎵(Inx Ga1-x N)的多重堆疊結構。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之具高散熱能力的半導體元件，其中，該第一電極的製造材料可為下列任一者：鋁(Al)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、金(Au)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、前述任兩者之組合、或前述任兩者以上之組合。
  14. 一種具高散熱能力的半導體元件的製作方法，係包括以下步驟：        (1)製備一凹槽型圖案化基板結構；其中，該凹槽型圖案化基板結構包括：一基板、形成於該基板之上的複數個凹型槽孔、及形成於該基板之上的至少一層二維材料界面層；        (2)於該凹槽型圖案化基板結構之上製作出至少一半導體元件結構層；        (3)利用一治具單元連接至各該半導體元件結構層的該第二半導體材料層，並移動該治具單元以將各該半導體元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構之上分離；        (4)提供一基板單元，且該基板單元包括一第一散熱基板及形成於該第一散熱基板之上的一第二散熱基板；以及        (5)將各該半導體元件結構層置於該第二散熱基板之上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該步驟(1)包括以下詳細步驟：        (11)提供該基板，並於該基板之上依序地形成一中間層與一鋁層；        (12)利用陽極氧化鋁處理於該鋁層與該中間層之上製作出複數個穿孔，獲得位於該基板之上的一陽極氧化鋁遮罩；        (13)在所述陽極氧化鋁遮罩的遮蔽之下對該基板進行蝕刻，進而在該基板之上形成複數個所述凹型槽孔；        (14)移除該陽極氧化鋁遮罩，並接著將一催化層形成於該基板之上；        (15)於該催化層之上成長至少一層所述二維材料界面層；以及        (16)以一蝕刻液移除該催化層之後，即獲得所述凹槽型圖案化基板結構。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該治具單元包括一接合件與一分離件，該接合件用以連接至各該半導體元件結構層的該第二半導體材料層，且該分離件連接至該接合件，用以將接有所述接合件的各該半導體元件結構層自該凹槽型圖案化基板結構之上分離。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該第一散熱基板的製造材料可為下列任一者：銅、鋁、鎳、銀、不鏽鋼、鉬、鈦、鎢、上述任兩者之複合物、或上述任兩者以上之複合物，且該第二散熱基板22可為下列任一者：鑽石基板、摻雜硼的鑽石基板、碳化矽基板、石英基板、石墨烯基板、或陶瓷基板。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該二維材料界面層可為下列任一者：石墨烯、矽烯(silicene)、鍺烯(germanene)、錫烯(stanene）、磷烯(phosphorene)、硼烯(borophene)、過渡金屬硫族化物(Transition-metal dichalcogenides, TMDCs)、或氮化硼(BN)。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該接合件為一聚合物層，且該聚合物層的製造材料可為下列任一者：聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate), PMMA)、聚二甲基矽氧烷(poly(dimethylsiloxane), PDMS)、或聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之具高散熱能力的半導體元件的製作方法，其中，該基板可為下列任一者：砷化鎵基板、磷化鎵基板、磷化銦基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、藍寶石基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、或玻璃基板。
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