TWI429104B - 用於製造垂直發光二極體結構之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體(LED)之製造，且更明確而言，係關於垂直LED之製造。
本申請案為美國專利申請案第11/891,466號(申請日：2007年8月10日)、美國專利申請案第12/058,059號(申請日：2008年3月22日)及美國專利申請案第12/415,467號(申請日：2009年3月31日)之部分延續案，該等申請案之揭示內容以引用方式併入本文中。
一種製造覆晶(flip-chip)發光二極體元件之習知方法包括：在一藍寶石基板上沈積複數個磊晶半導體層，以在一晶圓上製造一磊晶半導體結構。自該等磊晶層可製造出複數個發光二極體元件。將晶圓切割以得到單元晶粒。使用覆晶技術將單元晶粒連接至一固定板。覆晶連接過程包含：藉由將單元晶粒之至少一個電極連接至固定板之至少一個焊盤，而將單元晶粒固定於該固定板處。
當前，有一種薄膜型之發光二極體(LED)元件替代該覆晶型發光二極體元件。與覆晶型發光二極體元件相比，此薄膜型GaN發光二極體元件有以下優點：低熱阻、在n型層及p型層中較均勻之電流分佈特性，及低製作成本。在一薄膜型發光二極體元件中，磊晶晶圓直接結合至導電承載基板。經由一雷射剝離過程，使用準分子雷射將一GaN層分解，而得以移除藍寶石基板，同時保留作用區。
以上所述的移除藍寶石基板的雷射剝離方法揭示於美國專利第6,455,340號、第7,001,824號及第7,015,117號中。現有的用於製造GaN發光二極體的雷射剝離方法與習知半導體方法不相容，因為其涉及到昂貴雷射設備之使用，且亦對剩餘半導體層造成損壞，諸如裂紋。
若雷射剝離製程由一個拋光製程代替，諸如化學機械拋光(CMP)法，則可節省大量成本。此外，拋光法為一種比較溫和的方法，比起雷射剝離法，產生較少的損壞。然而，當使用CMP法時，隨著待拋光之平面面積增大，則平面之側部與中心部分之間的不平坦度亦增大。因此，在實際半導體器件的大批量生產時，因無法達到所要求的平坦平面之標準，而降低了器件的生產良率。因此，此項技術提供一種基板移除方法，該方法易以較低成本但高器件良率來進行大批量生產。
本發明提供一種製造垂直LED結構之方法，其中經由拋光法而移除用於磊晶層生長之基板。例示性實施例中所使用之拋光技術為化學機械拋光(CMP)，使用拋光停止點來提供充分調平的平面。與習知拋光技術相比，該方法克服了側部位置與中心位置之間的大偏差問題。在拋光表面之前，於多層結構中提供拋光停止點，拋光停止點材料之硬度大於要移除之材料的硬度。因此，與雷射剝離法或習知拋光法相比，可以較低成本及較高生產良率來生產垂直型LED。
本發明提供一種製造化合物半導體垂直發光二極體之方法包括：提供一第一基板，其上能夠進行化合物半導體磊晶生長。在該第一基板上形成一未摻雜化合物半導體層，接著生長n型摻雜化合物半導體，及形成一個多重量子井作用層。在該多重量子井作用層上形成一p型摻雜化合物半導體層及電極/反射鏡層。接著，垂直於半導體表面進行蝕刻複數個渠溝，該渠溝穿過p型摻雜化合物半導體層、作用層，並終止在n型摻雜化合物半導體層或未摻雜化合物半導體層中，使得複數個拋光停止點末端可停在n型摻雜化合物半導體層或未摻雜化合物半導體層上。形成拋光停止點之材料的硬度大於化合物半導體之硬度。抛光停止點可以經由光刻膠的剝離技術(liftoff)製作而成。
本方法亦包括於p型電極層上形成一導電的主體基板層；該導電主體基板可以沈積法或貼合法至該磊晶結構形成。該第一基板及該未摻雜化合物半導體層之至少一部分被拋光除去，露出該n型摻雜化合物半導體層之至少一部分，接著在其上形成一n型電極。
在拋光除去該第一基板及未摻雜化合物半導體層後，可移除拋光停止點。若拋光停止點材料會吸收光，則此行為增加了LED之發光量。在一例示性實施例中，化合物半導體為以GaN為基礎材料之化合物半導體。本文所提之拋光法包含粗磨(grinding)、精磨(lapping)、拋光或化學機械拋光(CMP)法。
本發明提供一種用於形成垂直型化合物半導體LED之改良方法。該方法導致較高的生產良率、較低的成本及增強的光輸出。根據本發明一個實施例之方法之概況描繪於圖1至圖11中。在圖1中，提供一個能夠進行磊晶生長的第一基板110。例示性基板材料包括藍寶石、矽、氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)及磷化鎵(GaP)，但應理解，任何能夠支援隨後形成之化合物半導體材料層的磊晶生長的材料皆可用作基板110。未摻雜化合物半導體(諸如氮化鎵(GaN)或氮化銦鎵(GaInN))之一磊晶層120形成於基板110上。如本文所使用，表述「未摻雜」包括微量摻雜，也就是說，所有通常用於形成n型摻雜或p型摻雜層之摻雜濃度下之微量摻雜亦包含在本表述「未摻雜」的定義內。儘管GaN或GaInN為例示性材料，但應理解，視LED之總體所要顏色而定，亦可使用其他化合物半導體，諸如InGaP、AlInGaN、AlInGaP、AlGaAs、GaAsP或InGaAsP。
接著，一n型摻雜化合物半導體材料層130形成於未摻雜化合物半導體層120上。此處所使用術語「於…上」意謂著該n型摻雜化合物半導體材料層130形成在未摻雜化合物半導體層120的上面，但此處定義，亦包括某種額外材料層單純地將該n型摻雜化合物半導體材料層130與未摻雜化合物半導體層120分開的例子。如上述例示性實施例中，層130為n型摻雜GaN。儘管此處層130只描繪了一個n型摻雜化合物半導體材料層形成於未摻雜化合物半導體層120的上面，但請注意，我們認知一p型摻雜化合物半導體先接在層120上，然後n型摻雜化合物半導體材料層再疊於p型摻雜化合物半導體之上亦不違反上述疊層秩序關係的描述，以下說明皆適用。
在n型摻雜層130上，形成一個多重量子井(MQW)作用層140。該多重量子井可包括交替的未摻雜、n型摻雜GaN層與p型摻雜GaN層，或交替的GaN層、InGaN與AlGaN層；然而，其他MQW結構可包括GaN、AlN、InGaP、AlInGaN、AlInGaP、AlGaAs、GaAsP或InGaAsP中之一或多者。儘管為方便起見將此等材料列為化學計量化合物(stoichiometric compounds)，但視所需要帶隙而定，亦採用化合物之非化學計量版本。應理解，基於與其他選定化合物半導體層的兼容性及所要LED顏色的考慮，可使用任何MQW結構作為層140。
在MQW層140上，形成一p型摻雜化合物半導體材料層150。在例示性實施例中，此為p型摻雜GaN。然而，當層130經選擇以為p型摻雜化合物半導體材料時，則層150將定義為n摻雜化合物半導體材料。
在完成上述LED結構的磊晶層後，在該多層結構中形成渠溝160及渠溝170，如圖2所示。選擇乾式蝕刻(諸如電漿蝕刻且尤其感應耦合電漿蝕刻)用於形成渠溝160及渠溝170。儘管附圖中描繪渠溝160及170之終止位置係在n摻雜層130中，但渠溝或者也可終止在未摻雜層120中。渠溝160將用於形成拋光停止點，而渠溝170將填滿具隔絕性之材料以利器件製造。
形成渠溝160及170後，沈積一鈍化材料層180，如圖3中所見。該鈍化材料覆蓋渠溝的側壁及基底。所選鈍化材料包括所有的絕緣性物質，諸如氧化矽、氮化矽或其他絕緣性物質等等。
p型電極190形成於p型摻雜材料層150之表面上，如圖4所示。
在一例示性實施例中，p型電極為一個多層金屬結構，其功用為和p型摻雜材料層形成歐姆接觸。該等金屬層中之一者經選擇以為反射材料，諸如鋁或銀。此反射器對來自MQW層140所發出的光起到反射鏡的作用。
在圖5中，拋光停止點材料200沈積在渠溝160中。拋光停止點材料200選自硬度大於所選化合物半導體材料之硬度的材料。滿足此硬度標準的材料包括金剛石、類金剛石碳(diamond-like carbon)、氮化硼(BN)、氮化鈦(TiNx)及鈦鎢合金(TiWx)，亦可選擇具有所需硬度之任何材料。在圖6中，渠溝170充滿一種非導電且實質上透明之材料，諸如聚醯亞胺(polyimide)或SU-8(一種基於環氧樹脂之抗蝕材料)，但亦可選擇其他非導電的實質上透明之材料。
如圖7中所見，一主體基板220附接於p型電極190及鈍化材料180上。主體基板220為具高導熱性且高導電性的材料且通常選自諸如以下各者之材料：銅、銀、金、矽、碳化矽(silicon carbide)、GaP及GaAs。主體基板可為沈積法(例如銅之電鍍沈積)，或可為貼合法(例如銅板或矽晶圓)而形成。主體基板220與p型電極190電性連通。如本文所使用，表述「電性連通」意謂著流經p型電極190之電流亦流經基板220，不管是經由直接接觸或是經由中間介質間接接觸，諸如導電結合材料置於其中，皆屬本定義範圍內。
在圖8中進行第一基板110之移除。基板110之移除係藉由拋光(諸如粗磨(grinding)、精磨(lapping)或化學機械拋光(CMP)來進行。在移除第一基板110的期間，亦移除了未摻雜化合物半導體材料層120之至少一部分，從而露出n型摻雜層130之至少一部分。不管拋光停止點200是終止在n型摻雜層130內或是終止在未摻雜層120內，層130之至少一部分的移除皆會發生。拋光製程通常會移除拋光停止點所終止位置之材料層的至少一部分，此係歸因於拋光介質(例如拋光墊)在接觸拋光停止點200時所發生的變形。因此，即使當拋光停止點終止在未摻雜層120中，仍會發生超出拋光停止點外的未摻雜層之附帶移除，露出n型摻雜層130之一部分。
在拋光期間或拋光之後，n型摻雜層可被粗化，以增強LED之出光效率。或者，也可在暴露之n型摻雜材料層的表面上形成光子晶體(photonic crystal)。
因為n型摻雜化合物半導體層130至少部分暴露，如圖9，形成n型電極230。請注意，圖8之定向相對於圖9旋轉了180度。N型電極與n型摻雜層130形成歐姆接觸，且n型電極可為一單層導體，或在一例示性實施例中，可為鈦/鋁/鈦/金的多層金屬結構，或其他多層導體結構。
如圖10中所見，藉由分割而得到個別LED單元。因為一些拋光停止點材料(諸如類金剛石碳)會吸收LED所發出的光，因此較佳實施例是把拋光停止點設計在待分割的位置，如此，當分割完畢時，該會吸光之拋光停止點亦能順帶被移除之。因此，在一例示性實施例中，分割位置就選擇在被填充之渠溝170內。拋光停止點之移除可藉由切割(諸如雷射切割或機械切割)或藉由化學蝕刻(諸如氧電漿)來進行。然而，任何其他可移除拋光停止點之技術皆可適用來製造本發明之LED單元。
視情況地，任何剩餘的透明填充料材料210可藉由例如蝕刻而移除，如圖11中所見。可選擇氧電漿來進行此蝕刻。
雖然上述發明已關於各種實施例來描述，但並不限於此等實施例。對熟習此項技術者而言，眾多變化及修改係可理解的。此等變化及修改被視為包括在所附申請專利範圍之範疇內。
110．．．第一基板
120．．．未摻雜化合物半導體層
130．．．n型摻雜化合物半導體材料層
140．．．多重量子井(MQW)作用層
150．．．p型摻雜化合物半導體材料層
160．．．渠溝
170．．．渠溝
180．．．鈍化材料層
190．．．p型電極
200．．．拋光停止點材料
210．．．透明填充料材料
220．．．主體基板
230．．．n型電極
圖1展示根據本發明一個實施例之多層化合物半導體的開始結構。
圖2描繪台面蝕刻(mesa etching)。
圖3展示用於鈍化之介電質生長。
圖4展示p型電極形成。
圖5描繪經由以堅硬材料填充渠溝而形成拋光停止點。
圖6描繪以非導電填充料填充渠溝。
圖7展示在p型電極及介電層上形成一主體基板。
圖8描繪基板之移除及n型摻雜層之露出。
圖9展示在n型摻雜層上形成n型電極。
圖10描繪在器件形成期間移除拋光停止點。
圖11展示視情況地移除非導電填充料。
130．．．n摻雜化合物半導體材料層
180．．．鈍化材料層
220．．．主體基板
230．．．n電極
Claims (21)
- 一種製造GaN垂直型發光二極體之方法，該方法包含：提供一第一基板，其上能夠支援GaN磊晶生長；在該第一基板上形成一未摻雜GaN層；在該未摻雜GaN層上形成一n型摻雜GaN層；在該n型摻雜GaN層上形成一個多重量子井作用層；在該多重量子井作用層上形成一p型摻雜GaN層；在該p型摻雜GaN層上形成一p型電極層，該p型電極經配置同時充當一反射鏡；由具有大於GaN硬度的一材料形成複數個垂直的拋光停止點，每一拋光停止點穿過該p型摻雜GaN層、該作用層，並終止在該n型摻雜GaN層中；在該p型電極層上形成一導電的主體基板層；拋光除去該第一基板及該未摻雜GaN層，露出該n型摻雜GaN層；及在該n型摻雜GaN層上形成一n型電極。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其進一步包含形成填充一非導電材料之渠溝，該非導電材料係選自SiO、SiN、SU8或聚醯亞胺。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其進一步包含藉由一帶光刻膠剝離製程來沈積該等拋光停止點。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其進一步包含在進行最後的器件製造之前，移 除該等拋光停止點。
- 如請求項2之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其進一步包含經由分割該非導電材料而分割成個別器件，使得在該分割時亦移除該等拋光停止點。
- 如請求項4之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其中拋光停止點之該移除係選自雷射切割、機械切割或化學蝕刻。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其中該等拋光停止點之該材料係選自金剛石、類金剛石碳、氮化硼(BN)、氮化鈦(TiNx)或鈦鎢合金(TiWx)。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其中該等拋光停止點終止在該n摻雜GaN層中，且該拋光除去包括該第一基板及整個該未摻雜GaN層。
- 如請求項1之製造一GaN為基礎材料之垂直型發光二極體之方法，其中該拋光係選自粗磨(grinding)、精磨(lapping)或化學機械拋光(CMP)。
- 一種由請求項1之方法製造之GaN為基礎材料之垂直型發光二極體。
- 一種製造一化合物半導體垂直發光二極體之方法，該方法包含：提供一第一基板，其上能夠支援化合物半導體磊晶生長；在該第一基板上形成一未摻雜化合物半導體層； 在該未摻雜化合物半導體層上形成一第一p型或n型摻雜化合物半導體層；在該第一摻雜化合物半導體層上形成一個多重量子井作用層；在該多重量子井作用層上形成一第二p或n型摻雜化合物半導體層，第二層之摻雜與該第一摻雜化合物半導體層之摻雜極性相反；在該第二摻雜化合物半導體層上形成一第一電極層，該第一電極層經配置同時充當一反射鏡；由具有大於該化合物半導體之硬度的一材料形成複數個的拋光停止點，每一拋光停止點穿過該第二摻雜化合物半導體層、該作用層，並終止在該第一摻雜化合物半導體層中；在該第一電極層上形成一導電的主體基板層；拋光除去該第一基板及該未摻雜化合物半導體層，露出該第一摻雜化合物半導體層；及在該第一摻雜化合物半導體層上形成一第二電極。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直發光二極體之方法，其中該化合物半導體係選自InGaP、AlInGaN、AlInGaP、AlGaAs、GaAsP、InGaAsP、InGaN、GaN、AlGaN，或其組合。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其進一步包含形成填充有一非導電材料之渠溝，該非導電材料係選自SiO、SiN、SU8或聚醯亞胺。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其進一步包含藉由一帶光刻膠剝離製程而沈積該等拋光停止點。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其進一步包含在最後的器件製造之前，移除該等拋光停止點。
- 如請求項13之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其進一步包含經由該非導電材料而分割成個別器件，使得在該分割期間移除該等拋光停止點。
- 如請求項16之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其中拋光停止點之移除係選自雷射切割、機械切割或化學蝕刻。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其中該等拋光停止點之材料係選自金剛石、類金剛石碳、氮化硼(BN)、氮化鈦(TiNx)或鈦鎢合金(TiWx)。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直型發光二極體之方法，其中該等拋光停止點終止在該n型摻雜層中，且該拋光除去包括該第一基板及整個該未摻雜層。
- 如請求項11之製造一化合物半導體垂直發光二極體之方法，其中該拋光係選自粗磨(grinding)、精磨(lapping)或化學機械拋光(CMP)。
- 一種由請求項11之方法製造之化合物半導體垂直發光二極體。
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