TWI469382B - 發光二極體結構與元件以及其製造方法 - Google Patents

發光二極體結構與元件以及其製造方法 Download PDF

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Description

發光二極體結構與元件以及其製造方法
本發明是有關於一種發光二極體的結構、元件及其製造方法，且特別是有關於一種利用弱化結構使其與基板分離之發光二極體的結構、元件及其製造方法。
發光二極體(light emitting diode，LED)在應用上有水平式與垂直式等結構。傳統水平式LED元件因為他的電極配置在同側，故電流在平台(mesa)部會有電流擁塞(current crowding)的現象，這將導致散熱不良，從而限制了LED能夠承載的驅動電流大小。目前高功率LED則是採用垂直式結構。
如圖1A所示，藉由一磊晶基板100成長LED元件102以及鏡面/黏著層104後，利用晶圓鍵合(wafer bonding)的方式，將LED元件102，透過黏著層轉移到一導電的承載基板(carrier)108。之後如圖1B所示，將磊晶基板100移除。接著，如圖1C所示，在LED元件102表面與其對側之承載基板108表面上分別形成金屬電極110，而成為垂直式結構。如圖1C所示，因為垂直電極配置，故電流I的散佈較佳；其次，承載基板108一般是選用如矽、銅、鋁、銅/鎢等之導電性好且散熱佳的材質，故可以增加元件的操作效率。
但是，目前分離磊晶基板的方式有如美國專利 US6,071,795所揭示的雷射剝離法(laser lift-off，LLO)，於磊晶基板側利用KrF雷射照射基板與氮化鎵層之間的介面，使元件介面吸收足夠的能量後，與磊晶基板分離。或者，也可以利用研磨的方式直接將磊晶基板磨除，或者利用濕蝕刻搭配研磨的方式，將基板磨薄一點，之後再以蝕刻液將剩餘基板溶掉。但是在利用LLO方法的場合，因為雷射能量之控制不易，容易在元件表面造成損傷。對於一些如砷化鎵等之較易碎的基板，則無法適用研磨的方式來處理，而對於一些如藍寶石、氮化鎵、氮化鋁等之材質較硬的基板，則需要花很長的時間來進行研磨。另外，先研磨再以濕蝕刻移除的方式，只適用於砷化鎵或矽基板，但常用的氮化鎵、氮化鋁或藍寶石基板則有適用困難的問題。
本發明提出一種LED結構、元件及其製造方法，可以讓LED元件自磊晶基板分離。
根據本發明一實施範例，其提供一種發光二極體結構。此發光二極體結構至少包括基板、圖案化磊晶層與發光結構。其中，發光結構透過圖案化磊晶層形成於基板上，且圖案化磊晶層包含多數個柱狀結構，可在降溫過程中斷裂。
此外，根據本發明一實施範例，其提供一種發光二極體元件的製造方法，至少包括以下步驟。首先，提供一基板。在基板上形成一圖案化磊晶層，此圖案化磊晶層具有 特定高度且由多數個柱狀結構所構成。另外，罩幕層形成於圖案化磊晶層的表面上，使該罩幕層至少覆蓋於圖案化磊晶層的側壁。氮化物磊晶層形成於圖案化磊晶層上。一發光結構層形成於氮化物磊晶層上，以完成一第一結構。接著，提供一導電性承載基板，並進行一鍵合程序，將上述結構轉移到導電性承載基板上。接著，以降溫程序，進行弱化製程，使圖案化磊晶層斷裂，以形成一發光二極體結構，係包括不規則的多數個柱狀結構，且該罩幕層覆蓋其表面。
本發明的實施範例更提出一種發光二極體元件，包括導電承載基板、發光結構、多數個柱狀結構、介電層、第一電極與第二電極。發光結構位於導電承載基板上。柱狀弱化結構位於發光結構上。介電層覆蓋在柱狀結構的表面。第一電極位於柱狀結構上，而第二電極位於導電承載基板上。
綜上所述，藉由弱化結構，使其於製程之降溫過程中，能因材料膨脹係數的差異，讓LED元件自然地從磊晶基板上分離，而不必利用如雷射剝離等額外的製程步驟。此外，LED元件具有一特定厚度的磊晶層，而能讓LED元件自磊晶基板自然地分離，而不至於使LED元件破裂。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖2A至2M為依據本發明實施範例所繪示之LED元件的製造示意圖。圖示中，各層之間並未依據實際比例繪製，其僅代表各層間的相對位置關係。此外，實施範例所提及各層之材料等，僅為方便說明理解之用，此技術領域中具有通常知識者，可以做適度的變更或修改。
如圖2A所示，首先在一基板200上依序形成磊晶層202、第一罩幕層204與第二罩幕層206；其中磊晶層202之後要用來形成本實施範例之弱化結構。上述基板200的材料例如是單晶藍寶石、氮化鎵、矽、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、氧化鋅或氧化鎂等，以下將以藍寶石基板作實施範例。
另外，在本實施範例中，磊晶層202是使用氮化鎵，此材料僅為說明之用，非用以限制本發明實施範圍；在使用不同發光二極體結構時，可以改變為適當的材料。為了方便，下文均稱為氮化鎵層202。另外，上述氮化鎵層202的厚度例如是0.5-3nm。
此外，上述第一罩幕層204例如是使用二氧化矽為材料，其厚度例如是200nm。第二罩幕層206例如是使用鎳為材料，而其厚度約為50-300nm。第一罩幕層204與第二罩幕層206在後續製程中，可使用做為蝕刻罩幕之用。第一罩幕層204與第二罩幕層206所使用的材料則可以依據使用蝕刻配方等做合適的調整。
接著，如圖2B所示，將上述組件進行一高溫製程。 此高溫製程例如是溫度約650-950℃的回火製程。藉由此高溫製程，第一罩幕層204上的第二罩幕層206會因為表面張力之因素，形成一罩幕球層206a，可包含多數個罩幕球。在本實施例中，此罩幕球層206a例如是具有奈米等級的鎳奈米罩幕球層；各罩幕球的直徑例如在50-350nm之間，間距例如在100-350nm之間。各罩幕球的可排列成隨機圖案或規則圖案。
接著，如圖2B、2C所示，以前述的罩幕球層206a為罩幕，利用蝕刻方法，對第一罩幕層204與氮化鎵層202進行蝕刻，直到底下的基板200暴露出為止，藉以形成一圖案化的磊晶層202a。由於該罩幕球層206a具有奈米等級，藉由控制垂直方向的蝕刻速率大於側向蝕刻速率，因此可形成一具有奈米等級的氮化鎵柱層，其後以氮化鎵柱層202a統稱之。參考圖2D，接著將殘留的罩幕球206a及第一罩幕層204a移除，移除的方法可以利用任何型式的半導體蝕刻製程來進行。
上述氮化鎵柱層202a在後續的製程中將做為一個弱化結構，以利後續弱化製程的進行；各柱寬度例如是50-350nm之間，間距則例如在100-350nm之間，高度為0.5-3μm。排列可以呈現規則狀，也可以是不規則分布，其由第二罩幕層的蝕刻後圖案決定。
接著，如圖2E所示，在氮化鎵柱層202a的表面上，順應性(conformal)地沉積第三罩幕層210，主要可做為後續製程中的保護層之用。此第三罩幕層210的材料例如是 二氧化矽(SiO2)，厚度例如是50-200nm。
參考圖2F，選擇性地蝕刻氮化鎵柱層202a頂部的第三罩幕層210，使氮化鎵柱層202a暴露出一部份的頂部表面以形成一第四罩幕層210a。蝕刻方式可以選擇合適的半導體製程，使得在蝕刻進行時，僅移除頂部附近的第三罩幕層210。
接著，如圖2G、2H所示，利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)，以側向磊晶的方式，在氮化鎵柱層202a暴露出的表面上成長一層氮化物磊晶層212。此氮化物磊晶層212例如是一N型摻雜的氮化鎵磊晶層。
另外，為了兼顧晶格不匹配、後續的LED元件與基板之間以及後續因為降溫而造成磊晶元件破裂的應力因素，上述氮化物磊晶層212具有特定的厚度範圍，例如0.5-3μm，方能達到成長時使晶格不匹配的影響降到最低，且不致造成破裂。
接著，如圖2I所示，在氮化物磊晶層212的表面形成一半導體堆疊層220，其為一種堆疊式構造，例如是由第一摻雜層、發光層與第二摻雜層所形成。在本實施範例中，此半導體堆疊層220例如是由P型摻雜氮化鎵層222、量子井(quantum well，QW)或多重量子井(multiple quantum well，MQW)224與N型摻雜氮化鎵層226所構成。
之後，在半導體堆疊層220上方形成導電反射層290與第一鍵合層230，以形成發光二極體結構，其如圖2I左側圖所示。同樣地參考圖2I，另外準備一導電承載基板 250，該導電承載基板250例如是由矽構成。導電承載基板250的表面也形成一第二鍵合層240。
接著，進行晶圓鍵合步驟，將上述兩結構物透過該第一鍵合層230與該第二鍵合層240彼此鍵合在一起。藉由此鍵合步驟，使半導體堆疊層220與藍寶石基板200轉移到導電承載基板250上，形成如圖2J所示的結構A，其包括發光結構A1、氮化鎵柱層202a以及基板200。前述之第一鍵合層230與第二鍵合層240之材料例如是錫金合金(AuSn)、金，其除了用以進行晶圓鍵合外，其反射層與導電材料可選擇銀與鎳、鉑、鋁等合金材料。因此不限於單一層材質，也可視實際需求形成多層，此乃熟習此項技藝者可運用其既有之知識予以完成，上述僅為一種實施例的說明，並不用以限定本發明。
此外，在上述的製造程序中，因為形成半導體堆疊層220之磊晶過程與晶圓鍵合過程分屬不同的機台，所以在機台移轉過程中，會經歷第一次降溫過程。如前所述，氮化鎵層212之厚度能夠抵抗因藍寶石基板200與氮化鎵層212及半導體堆疊層220等的熱膨脹係數差異，所以可以避免降溫時的溫度差會導致應力分布不均而造成的破裂問題。
接著參考圖2K，在完成上述晶圓鍵合後，將圖2J所示的結構A進行第二次降溫過程，亦即本發明的弱化製程。此降溫過程例如是將上述鍵合後的結構A逐漸降溫到環境溫度，即約室溫。同樣地，因基板200與承載基板250 的熱膨脹係數的不同，所以當環境由進行晶圓鍵合的溫度(以接面為金/錫為例，溫度大約在350-450℃)開始於60分鐘內降至28℃，材料間的應力會造成發光結構A1在結構A中最弱的介面間；亦即氮化鎵柱層202a之間的部分260自然斷裂，以形成不規則的多數個柱狀結構，且其側壁有第四罩幕層210a的覆蓋。
此外，該介面260的斷裂面並不一定是齊面地斷裂，如圖2L的斷裂界面表面265僅為一種斷裂介面的態樣，不用以限定本發明。此外，該斷裂界面表面265形成於發光結構A1之表面，因此可藉由破壞出光時的全反射角以提高光取出效率。因此，本發明在不需要額外製程的情況下，便可以達到將使發光二極體從基板200分離以及達到增加發光效率的效果。
最後，在元件表面之適當位置形成N型電極280以及於矽基板250表面形成P型電極270，如圖2M所示，以形成一發光二極體元件B。例如，電極可配置在導電承載基板250與氮化鎵柱層202a之斷裂表面的適當位置上。
本實施範例的發光二極體元件是以氮化鎵材料為範例來加以解說，但是也可以替換成其他合適的發光材料以及磊晶基板。例如，可以使用砷化鎵基板來成長鋁鎵銦磷化物(AlGaInP)，或者是使用矽基板來成長氮化鎵。因此，在應用上並不侷限在氮化鎵材質或藍寶石基板。
綜上所述，藉由弱化結構，使其於製程之降溫過程中，能因材料膨脹係數的差異，讓發光結構自然地從磊晶基板 上分離，而不必利用如雷射剝離等額外的製程步驟。此外，發光結構具有一特定厚度的磊晶層，因此能抵抗因基板與及半導體堆疊層等的熱膨脹係數差異在降溫時會導致應力分布不均而造成的破裂問題。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧磊晶基板
102‧‧‧LED元件
104‧‧‧鏡面/黏著層
108‧‧‧承載基板(carrier)
110‧‧‧金屬電極
200‧‧‧基板
202‧‧‧磊晶層
202a‧‧‧圖案化磊晶層
204‧‧‧第一罩幕層
204a‧‧‧殘留的第一罩幕層
206‧‧‧第二罩幕層
206a‧‧‧罩幕球層
210‧‧‧第三罩幕層
210a‧‧‧第四罩幕層
212‧‧‧氮化物磊晶層
220‧‧‧半導體堆疊層
222‧‧‧P型摻雜氮化鎵層
224‧‧‧量子井/多重量子井
226‧‧‧N型摻雜氮化鎵層
230、240‧‧‧第一、第二鍵合層
250‧‧‧導電承載基板
260‧‧‧斷裂介面
265‧‧‧斷裂介面表面
270‧‧‧P型電極
280‧‧‧N型電極
290‧‧‧導電反射層
圖1A至1C為習知發光二極體結構及其製造圖。
圖2A至2M為依據本發明實施範例所繪示之LED元件的製造示意圖。
202a‧‧‧圖案化之氮化物磊晶層
212‧‧‧氮化物磊晶層
222‧‧‧P型摻雜氮化鎵層
224‧‧‧量子井/多重量子井
226‧‧‧N型摻雜氮化鎵層
230/240‧‧‧鍵合層
250‧‧‧導電承載基板

Claims (9)

  1. 一種發光二極體元件的製造方法，包括：提供一基板；形成一圖案化磊晶層於該基板上，且該圖案化磊晶層由多數個柱狀結構所構成；形成一罩幕層於該圖案化磊晶層的表面，其中該罩幕層至少覆蓋該圖案化磊晶層的側壁；形成一氮化物磊晶層於該圖案化磊晶層上；形成一發光結構層於該氮化物磊晶層上，以完成一第一結構；提供一導電性承載基板，並進行一鍵合程序，將該第一結構轉移到該導電性承載基板上；以及以一降溫程序，進行一弱化製程，使該圖案化磊晶層斷裂，其中形成該圖案化磊晶層更包括：形成一磊晶層於該基板上；形成一第一罩幕層於該磊晶層上；形成一第二罩幕層於該第一罩幕層上；進行一高溫製程，使該第二罩幕層形成一罩幕球層，其中該罩幕球層包含多數個罩幕球；以及以該罩幕球層為罩幕，去除部份該第一罩幕與該磊晶層，以形成該圖案化磊晶層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製 造方法，其中該罩幕球層中的各罩幕球的直徑為50-350nm，且間距為100-350nm，各罩幕球的直徑為50-350nm，且間距為100-350nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，其中各該柱狀結構物具有一特定高度，其中該特定高度為0.5至3μm，寬度為50-350nm，且各該些柱狀結構物的間距為100-350nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，其中形成該罩幕層更包括：順應性地形成一第三罩幕層於該圖案化磊晶層上；以及去除該圖案化磊晶層頂部的部份該第三罩幕層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，該氮化物磊晶層的厚度為0.5-3μm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，其中形成該發光結構更包括依序形成一第一摻雜層、一發光層與一第二摻雜層，其中該第一與該第二摻雜層的導電性不同，其中該發光層為一量子井層或一多重量子井層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，更包括：形成一第一鍵合層於該發光結構層上；形成一第二鍵合層於該導電承載基板上；以及通過該第一與該第二鍵合層，完成該鍵合程序。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製 造方法，更包括形成一第一與一第二電極，分別於該導電承載基板與該弱化結構的表面，其中該第一電極與該第二電極的導電型不同。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件的製造方法，其中該導電承載基板，與該圖案化磊晶層或該發光結構的熱膨脹係數不同。
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