TWI231615B - Method of forming gallium nitride-based light emitting diode with a conductive substrate - Google Patents

Description

1231615 玟、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種氮化鎵系發光二極體之形成方 法’且特別是一種具有導電基板之氮化鎵系發光二極體的 形成方法。 【先前技術】 發光二極體（Light Emitting Diode ; LED)因具有生產成 本低、結構簡單、低耗電、體積小以及安裝容易之優勢， 而大量運用於照明光源以及顯示器技術中。其中，又以類 屬氮化鎵系（Gallium Nitride-based ; GaN-based)的發光元 件’例如氮化鎵（GaN)藍光發光二極體，在近幾年的發光元 件市場中，甚受重視。 般的氮化鎵糸發光二極體，基於氮化鎵系膜層之結 曰曰。口質的考量，大多選用藍寶石（sapphire)材質作為基板。 然而，由於藍寶石係為一絕緣材料，因此，使得元件中的 陽極電極與陰極電極須製作於藍寶石基板的同一面上，而 導致電流傳送時，容易於陰極附近發生電流擁擠（current crowding)的效應，以致降低了光輸出的效率。同時，因為 藍寶石材質的散熱性不佳，亦會導致元件運作過熱的現象產 生’而降低了發光元件之運作效能。 為解決上述以藍寶石作為基材的缺失，故目前的氮化鎵系 一極體之製作，係逐漸朝向基板轉移的技術發展，例如主要 是以雷射剝離（laser lift off)的技術，將藍寶石基材移除，並 1231615 以導電性材料取代藍寳石基材，作為元件之承載基板。 然而，雷射剥離之進行，一般須由藍寶石基材之背面，整 面性地進行雷射光束之照射，故容易因雷射能量不均的現 象曰而導致—極體結構與藍寶石基材之接觸面獲得不均一的 熱量，尤其是分佈於雷射光束外圍之能量均勻度較差。且為 了使雷射光束確實照射到二極體與藍寶石基材之接觸面上的 所有位置，故難以避免雷射光束照射之重疊部分，而雷射光 射之重逢位置處，易形成較高溫度，導致二極體上出現 :度：均的梯度分佈。上述情形，皆會使基板之剝離效果不 生不平整的氮化鎵系二極體之剝離面，甚至造成元件 部分膜層之剝落或破裂，、隹&冰—1 X ^ 一"進而使兀件受到損害，以及影響元 件後續之製作。 由於身又係於氮化鎵系二極體結構移轉至導電性基 2妙再進行元件單體定義之隔離餘―⑽ 使用之導電性基板又大多為金屬材質，如此，將 =隔：触刻步驟中’產生金屬污染的問題，而使製程環 i兄以及7L件特性受到危害。 除此之外，元件之亮声接斗 ^. ^ ^ , k升亦是目前發光二極體技 Λ 見有之虱化鎵系發光元件的光 極體本身的發光特性，對於向 元件光r:出的光h失部分’無法作有效地利用，故對於 凡件光輸出強度之提升仍有限。 【發明内容】 7 1231615 本發明之目的之一是在掉 (GaN based^^ ^ 種具導電基板之氮化鎵系 (aN based)發光二極體的形成 雷泣八~ _ π 战方法，不但可以改善元件内的 :刀f形，以提升發光二極體的光輸出效率，更利用對 高元件的品質與亮度呈現。f田增強域出的強度，進而提 衍，將=之$目的’係在提供一種良好之基板轉移技 術，將固疋之雷射光束，針對 義70成之各元件單體進行照 射以達成基板剝離效果，並同時維持元件品質。 =據本發明之上述目的，提出—種具導電基板之氮化録 ㈣㈣成m照本發明之方法係為先在基板 複數個氮化㈣發光元件’且各氮化㈣發光元件之 η由一溝渠予以分隔’而在溝渠中暴露出基板部分。其 溝渠之形成係由圖案化予以定義，例如採用活性離子蝕 刻或是感應麵合式電漿蚀刻製程。至於每一氮化鎵系發光元 件内則包含- η型氮化鎵系半導體層、一主動層以及一 ρ型 氮化鎵系半導體層，而基板係例如使用藍寶石材質，以達到 良好之氮化鎵系結晶品質。 者’利用金屬接合的方式，將一導電基材接合至氮化 鎵系發光元件之上。導電基材則例如選时、銅、神化錄、 導電金屬或金屬合金等具導電特性之材質。 然後’利用m雷射光束，由基板背面，對準各氣 化鎵系發光元件’分別依序進行照射，而使基板與各氣化錄 系發光元件之接觸面分離，以將基板移除，並完整暴露出各 氮化鎵系發光元件上t η型氮化鎵系半導體層，則氮化鎵系 1231615 發光元件係改由導電基板所承載。其中，使用之雷射光束係 控制為只足以完整照射到單一之氮化鎵系發光元件，而使雷 射光束之照射邊界恰好落在元件之間的溝渠中。 最後’再製作η型電極於各氮化鎵系發光元件之^型氮 化鎵系半導體層上。至於ρ型電極則可製作於導電基板上， 以達到元件内之垂直電流分佈。 另外，在上述製作過程中，於使用雷射照射之前，更可 以對各氮化鎵系發光元件，依序形成透明導電層與反射層於ρ 型氮化鎵系半導體層之上’再進行後續之雷射剝離步驟。其 中’透明導電層係用以作為電流分散層，並同時具有高度光 穿透性’而反射層係對於氮化鎵系發光元件之發光具有高反 射率。 上述之η型氮化鎵系半導體層以及ρ型氮化鎵系半導體 層之材質，例如可為氮化鎵、氮化銦鎵或氮化鋁鎵。至於， 透明導電層係例如選用銦錫氧化物或錮鋅氧化物材質。反射 層則選用對藍紫綠光具有高反射特性之金屬材質，例如銀、 I呂、錄、纪或錮。 在本發明中，由於完成之氮化鎵系元件係為導電基材所 承載，因此，可將陽極電極直接製作於導電基材上，而有利 於元件内形成垂直電流分佈，以提高元件内電流傳遞分散的 效率’並同時避免電流擁擠的現象產生，進而增進氮化鎵系 元件的光輸出效率。另外，選用之導電基材通常亦具有優於 藍寶石的熱傳特性，因此，有助於增加元件的散熱性，而提 供發光元件操作時極佳的散熱效果，以保有元件的運作效能。 1231615 而應用本發明之雷射剝離方法，係於雷射剝離進行前， 先=圖案化步驟定義出各元件單體，然後再接著進行雷射剝 離製程，如此使用之雷射光束，則不須對藍寶石基板背面進 订整面性地照射，而只要控制為針對各元件單體進行照射， 即可順利達成基板分離之效果。 同時，不論是雷射光束照射之重疊位置，或是雷射光束 之照射邊界，皆可落在元件單體之間的溝渠處，而不對元件 本身造成影響，因此，各元件單體之剝離面皆得以接收到均 —之雷射能量，且不會有表面溫度分佈不均的現象。如此， 不僅有利於基板之完整移除，更能保有元件單體之結構完整 性’而不使元件受到損害，進而提昇產品之製造良率與元件 可靠度。 除此之外’本發明更利用反射層的形成，而使元件内向 下射出的光，能藉由反射層的反射作用，而提供成為向上輸 出的光源，以對元件内之發光作更有效地利用，進而增加元 件可達成的光輸出強度。同時，再配合上透明導電層，一方 面以有助於電流之分散，另一方面則使氮化鎵元件内之發 光，可大量穿透透明導電層，而傳送至反射層上，供反射層 進行光反射，以增加元件實際可擷取的反射光量，使更有利 於光輸出強度之大幅提升，進而提高元件之亮度呈現。 【實施方式】 本發明係提供一種氮化鎵系（GaN-based)發光二極體之形 成方法，結合隔離蝕刻（isolation etching)與雷射剝離（iaser lift ίο 1231615 〇ff)製程’以良好控制雷射剝離之進行，而達到基板轉移之目 的’形成具導電基板之氮化鎵發光二極體結構，有利於元件 内邛產生垂直電流分佈。另外，並利用反射層之設置，以提 咼元件之光輸出強度。以下將以實施例對本發明之方法加以 詳細說明。 實施例 一本發明揭露了一種具導電基板之氮化鎵（GaN)發光二極 體的形成方法。依序參照第！ A〜丨F圖，第i A〜丨f圖係為依照 本發明較佳實施例之一種氮化鎵發光二極體形成方法的流程 剖面示意圖。 在第1A圖中，首先在基板1〇〇上製作氮化鎵二極體結 構:係為分別依序形成一 n型氮化鎵半導體層1〇4，一具有多 層量子井（Multi_Quantum Well)結構之發光主動層1〇6，以及 一 P型氮化鎵半導體層1〇8於基板1〇〇之上。其中，基板i⑼ 例如選用藍寶石（sapphire)#f，以獲得結晶品質良好的氮化 鎵半導體層。 在P型氮化鎵半導體| 108之上，形成一㈣保護層 no’並㈣刻保護層110進行圖案化，以定義出開口⑴。 接者，制圖形定義後的㈣保護層11G作為_罩幕_( :叫，由開口 m的位置，往下進行隔離餘刻步驟，以定義 ^化，二極體之元件單體，且於隔㈣刻進行完成後，將 :刻保護層uo移除，如第1B圖所示。其中，刻保護層川 係選用對氮化鎵具有高敍刻選擇比之材質，例如較佳可為二 1231615 氧化石夕（Si〇2)，以於隔離#刻步驟進行時，作為蝕刻罩幕，並 避免蝕刻保護層11 〇下方之氮化鎵結構遭受蝕刻之傷害。 在第1B圖中，溝渠11 2係為隔離蝕刻進行後，形成於各 氮化鎵二極體之元件單體間的通道，且溝渠112中完整暴露 出基板100 ’以區隔各元件單體之電性。上述用以形成溝渠 112之隔離蝕刻步驟，則例如可採用活性離子蝕刻（Reactive Ion Etching; RIE)或是感應耦合式電漿（Inductively c〇upled Plasma ·，ICP)蝕刻技術，以對氮化鎵二極體結構進行蝕刻。 接著，參照第1 C圖，再依序形成透明導電層丨丨4與反射 層116於各氮化鎵元件單體上，其中，透明導電層114係用以 與P型氮化鎵半導體層108形成良好之歐姆接觸（〇hmic contact)，以及作為電流分散層（current_ spreading layer),提 供電流分散作用，同時，透明導電層114具有之高度光穿透 特性，可使氮化鎵之發光大量穿透至反射層丨丨6之上，以供 反射層116進行反射。透明導電層ι14的材質例如可選用銦錫 氧化物（Indium Tin Oxide; ITO)或銦辞氧化物（Indium-Zinc Oxide ; IZO)。另外，反射層116則係選用對於紫藍綠光波長 範圍之發光具有高反射率的材質，例如可為銀（Ag)、鋁（A1)、 鎳（Ni)、鈀（Pd)或等金屬材質。 在反射層116形成之後，於反射層116的表面製作一金屬 接合層117，以與一導電基材12〇上的金屬接合層119相接 觸’藉由金屬接合（metal bonding)的方式，使導電基材12〇形 成於反射層116之上方，與製作於基板1〇〇上的氮化鎵元件 單體相結合。其中，金屬接合層11 7的材質例如可為鎳、金 12 1231615 (An)、銅（Cu)、絶、銦（In)或錫（Sn)，而金屬接合層ιΐ9的材 質則例如可為鎳、金、銅、鈀、氮化钽（TaN)或氮化鈦（TiN)。 金屬接合層117與金屬接合層119係以金屬鍵結的型式進行接 合，而達到將導電基材12〇連接於反射層116之上的目的。 同時，為了承受金屬接合之高溫操作過程，亦可將上述之透 明導電層114的材質，特別選用鎢（w)、鈀或鉑（pt)等耐熱金 屬或耐熱金屬合金。另外，導電基材丨2〇係選用具有導電性 的材質，例如可為矽（Si)、銅、砷化鎵（GaAs)、導電金屬或金 屬合金。 然後，參照第1D圖，使用雷射光束丨3〇照射，以進行雷 射剝離（laser lift off)製程，利用條件均一之雷射光束13〇，由 基板100之背面，對準已定義好之各氮化鎵元件單體，分別 予以射，使雷射光束13〇穿透基板1〇〇，並被n型氮化鎵半 導體層104所吸收，產生氮化鎵的分解現象，而由n型氮化 鎵半導體g 1G4與基板⑽之界面，形成基板丨⑽與η型氮 化鎵半導體層丨〇4的分離狀態，以將基板i 〇〇移除。 其中，照射於各70件單體上之雷射光束i 3〇，係具有相同 能量與相同光束尺寸（beam size)14〇,並將光束尺寸14〇控制 為與各元件單體尺寸接近，但略大於各元件單體之尺寸，以 使各το件單體能完整位在雷射光束13〇之照射範圍中，例如 元件單體尺寸為0.3mm*0.3mm時，則控制光束尺寸M〇較佳 =為0.32mm*0.32mm。如此，雷射光束13〇的照射邊界^將 落在各元件單體之外，且不論是雷射光束13〇照射之重疊位 置，或是雷射光束130之照射邊界部分，皆能恰好落在2元 13 1231615 件早體之間的溝渠112中，而不致於使各元件單體上的。型 虱化鎵半導體層104，產生溫度不均之溫度梯度分布現象。 因此，各το件單體上之η型氮化鎵半導體層1〇4所接收 到的雷射能量，係來自於雷射光束13〇内能量分布較為均句 的中^邛刀，故有助於各元件單體之η型氮化鎵半導體層工⑽ 與基板100的接觸面，皆獲得均—的雷射能量。同時，又因 為只須針對有元件單體存在的位置予以照射，即可達到分離 基板100之目的，故可有效避免雷射照射出現重疊部分，甚 至減少雷射光束實際使用之次數。 、工由雷射剝離製程’將基板i⑼移除之後，即完成基板 轉移之目的，形成如第1E圖所示的下方P型之氮化錄發光二 極體結構，P型氮化鎵半導體層1〇8位於n型氮化錄半導體層 下方且各7C件單體係承載於具有導電特性之導電基 120之上。 最後，參照第1F圖，再分別於各元件單體上製造陰極電 極12 2 ’以完成氮化錄發央分生 从故 稣^先兀件之製作，至於陽極電極則可另 外裝設於導電基材120表面上的任何位置。 導電基材m具有之導電特性，可使陽極電極直接 基材120之下方’而使氮化嫁發光元件内之電流 八：呈現垂直電流之分佈，避免電流擁擠效應，以提高電流 刀政之成效，進而有效提升元件之光輸出效率。 卜更利用反射層116的形成，而使元件内的發光， ::部份直接向上輸出之外，另一部份向下發出的光，則 藉由反射層的反射作用，而提供成為向上輸出的光源，使元 14 1231615 件内的發光能被有效地利用，以增加元件可達成的光輸出強 度。同時，配合上透明導電層114，一方面以有助於電流之分 散，另一方面則使氮化鎵元件内之發光，可大量穿透透明導 電層，而傳送至反射層上，供反射層進行光反射，以增加元 件實際可擷取的反射光量，進而更有利於光輸出強度之提升。 除了上述之結構外，亦可再於陰極電極122與η型氮化 鎵半導體I 104之間，設置一透明氧化物導電層，例如銦錫 氧化物或銦辞氧化物，具有近似η型之導電特性，以使陰極 電極122上的電流能均勻分散至η型氮化鎵半導體層ι〇4之 中’而有利於大面積之功率元件（p〇wer chip)的製作，進而提 高元件尺寸定義之彈性度。 根據上述本發明之實施例的方法，應用雷射剝離製程， 可將原本的絕緣性基板’轉換為導電性基板，以利於元件内 形成垂直電流分佈’而提高元件内電流傳遞分散的效率，並 同時避免電流擁擠的現象產生，進而增進氮化鎵元件的光輸 出效率。而應用本發明夕垂》u左丨从也丨 ★ 5之雷射剝離製程，係於雷射剝離製程 進行前’先以隔離蝕刻之圖案化步驟，定義出各元件單體， 然後再接著進行雷射剝離製程，如此使用之雷射光束 須由藍寶石基板背面進行整面性地照射，而只要控制為針 各元件單體進行照射，即可順利達成基板分離之效果。 同時，不-疋雷射光束照射之重疊位置，或是雷 之照射邊界，皆可落在元件單體之間的溝渠處，而不對元： 本身仏成衫響，因此，各元件單體之剝離面皆得以接收到 一之雷射能量，且不合古主^ - 曰有表面溫度分佈不均的現象。如此， 15 1231615 不僅有利於藍寶石基板之完整移除，更能保有元件單體之灶 構完整性，而不使元件受到損害，進而提昇產品之製造良率: 與元件可靠度。 除此之外，本發明更利用反射層與透明導電層之结合， 以同時提高電流分散的效果，以及對氮化鎵元件之發光的有 ㈣用，使氮化鎵元件的光輸出強度得以大幅增加，進而提 尚疋件之亮度呈現。 本發明不只侷限於使用在氮化鎵發光二極體的技術上， =他所有屬於氮化鎵系發光二極體元件之製作，例如氣化姻 鎵（InGaN)發光二極體或氮化鋁鎵（A1GaN)紫外光發光二極 體，亦可藉由本發明之方法製作，而大幅提升產品的特性。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内， 田可作各種之更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附 之申睛專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述特徵、方法、目的及優點能更明顯易 懂，配合所附圖式，加以說明如下： 第1A 1F ®係為依照本發明較佳實施例之一種氣化嫁發 光二極體形成方法的流程剖面示意圖。 【元件代表符號簡單說明】 1 0 0 :基板 16 1231615 104、108:氮化鎵半導體層 1 0 6 :主動層 1 1 1 :開口 1 1 4 :透明導電層 117、119:金屬接合層 1 2 2 :電極 1 40 :光束尺寸 1 1 0 :蝕刻保護層 1 1 2 :溝渠 1 1 6 :反射層 1 2 0 :導電基材 1 3 0 :雷射光束 17

Claims (1)

1231615 拾、申請專利範爾 1· 一種具導電基板之氮化鎵系（GaN_based)發光二極體 的形成方法，至少包含： 形成複數個氮化鎵系發光元件於一基板上，且每一該些 氮化鎵系發光元件之間係具有一溝渠，而於該溝渠中暴露出 該基板，其中每一該些氮化鎵系發光元件内係包含一 η型氮 化鎵系半導體層、一主動層以及一 ρ型氮化鎵系半導體層； 接合一導電基材於該些氮化鎵系發光元件之上； 使用一雷射光束，由該基板之背面，依序對準每一該些 氮化鎵系發光元件，進行照射，以剝離該基板，並完整暴露 出母一該些氮化鎵系發光元件之該η型氮化鎵系半導體層， 且該雷射光束係控制為只足以完整照射到該些氮化鎵系發光 元件其中之一；以及 形成複數個η型電極，且每一該些η型電極，係位於每 一該些氮化鎵系發光元件之該η型氮化鎵系半導體層之上方。 2·如申請專利範圍第丨項所述之形成方法，其中該η型 氮化鎵系半導體層以及該ρ型氮化鎵系半導體層之材質係為 氮化鎵（GaN)、氮化錮鎵（InGaN)或氮化鋁鎵（A1GaN)。 3·如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中每一該 些氮化鎵系發光元件内更包含一透明導電層，位於該ρ型氮 化鎵系半導體層之上，以及一反射層，位於該透明導電層之 18 1231615 4·如申請專利範圍第3項所述之形成方法，其中該透明 導電層之材質係為一銦錫氧化物（Indium-Tin Oxide)、銦鋅氧 化物（Indium-Zinc Oxide)、鎢（W)、鈀（Pd)、鉑（Pt)、耐熱金屬 或耐熱金屬合金。 5·如申請專利範圍第3項所述之形成方法，其中該反射 層係選用對紫藍綠光具有高反射特性的金屬反射材質。 6.如申請專利範圍第5所述之形成方法，其中該金屬反 射材質係為銀（Ag)、鋁（A1)、鎳（Ni)或鈀（Pd)。 7·如申請專利範圍1項所述之形成方法，其中該基板係 為一藍寶石（sapphire)材質。 8·如申請專利範圍1項所述之形成方法，其中該溝渠係 由活性離子蚀刻（Reactive i〇n Etching)或是感應耦合式電漿 (Inductively Coupled Plasma)蝕刻所形成。 9.如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中該導電 基材係為石夕（Si)、銅（Cu)、珅化鎵（Ga As)、導電金屬或金屬合 金0 1231615 10.如申請專利範圍第丨項所述之形成方法，其中該雷射 光束之一照射邊界係落在該溝渠之中。 11·如申請專利範圍第丨項所述之形成方法，其中該雷射 光束使用之後，以及該些η型電極形成之前，更包含形成複 數個透明氧化物導電層，且每一該些透明氧化物導電層係位 於每一該些η型電極與每一該些氮化鎵系發光元件之該η型 氮化鎵系半導體層之間。 12· —種具導電基板之氮化鎵系（GaN-based)發光二極體 的形成方法，至少包含： 形成一 η型氣化叙糸半導體層於一基板之上； 形成一主動層於該η型氮化鎵系半導體層之上； 形成一 ρ型氮化鎵系半導體層於該主動層之上； 圖案化該η型氮化鎵系半導體層、該主動層以及該ρ型 氮化鎵系半導體層，以定義出複數個氮化鎵系發光元件，且 每一該些氮化鎵系發光元件之間係具有一溝渠，而於該溝渠 中暴露出該基板； 形成複數個透明導電層，且每一該些透明導電層係位於 每一該些氮化鎵系發光元件之上； 形成複數個反射層，且每一該些反射層係位於每一該些 透明導電層之上，其中該些反射層係對於紫藍綠光具有反射 特性； 接合一導電基材於該些反射層之上； 20 1231615 使用-雷射光束，由該基板之背面 氮化鎵系發光元件，造；f千昭私 々 +母彡亥些 …创…L 以剝離該基板，並完整暴露 !:…化叙糸半導體層，且該雷射光束係控制為只足以 凡整照射到該些4化鎵系發光元件其中之_，使 一照射邊界係落在該溝渠之中；以及 形成複數個η型電極，且每—該些n型電極，係位於每 一該些氮化鎵系發光元件之該η型氮化鎵系半導體層之上方。 13· 請專利範圍12項所述之形成方法，其中該基板 係為一藍寶石（sapphire)材質。 14·如申請專利範圍第12項所述之形成方法，其中該透 月導電層之材夤係為一銦錫氧化物（Indium_Tin 、銦鋅 氧化物（Indiiim_Zinc 〇xide)、鎢（w)、鈀（pd)、鉑（pt)、耐熱金 屬或耐熱金屬合金。 15.如申請專利範圍第ι2所述之形成方法，其中該反射 層之材質係為銀（Ag)、鋁（A1)、鎳（Ni)或鈀（Pd)。 16·如申請專利範圍第12所述之形成方法，於該圖案化 步驟之前，更包含形成一蝕刻保護層於該p型氮化鎵系半導 體層之上，以保護每一該些氮化鎵系發光元件，不受該圖案 化步驟之傷害，其中，該蝕刻保護層中係具有複數個開口， 以於每一該些開口中暴露出該p型氮化鎵系半導體層，而使 21 1231615 每-該些開Π下方的該p型氮化鎵系半導體層、該主動層以 及該η型氮化鎵系半導體層，共同於該圖案化步驟中被移曰除。 17·如中請專利範圍第16所述之形成方法，於該圖案化 步驟之後’以及該透明導電層形成之前，係包含移除該餘刻 保護層。 18·如申請專利範圍12項所述之形成方法，其中該溝渠 係由活性離子蝕刻（Reactive I〇n Etching)或是感應耦合式電 聚（Inductively Coupled Plasma)敍刻所形成。 19. 如申請專利範圍第12項所述之形成方法，其中該導 電基材係為矽(Si)、銅(Cu)、砷化鎵(GaAs)、導電金屬或金屬 合金。 20. 如申請專利範圍第12項所述之形成方法，其中該雷 射光束使用之後，以及該些n型電極形成之前，更包含形成 複數個透明氧化物導電層，且每一該些透明氧化物導電層係 位於每一該些n型電極與該η型氮化鎵系半導體層之間。 22