TWI469389B - 垂直式固態發光元件之製程 - Google Patents

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Description

垂直式固態發光元件之製程
本發明是有關於一種半導體元件之製程，且特別是有關於一種垂直式固態發光元件之製程。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。傳統的垂直式發光二極體包括以光電效應發光的磊晶成長層以及分別配置於磊晶成長層的頂面與底面的上電極層與下電極層。當提供電能至發光二極體的上、下電極層時，電流垂直通過磊晶成長層，且磊晶成長層因電子與電洞結合後釋放能量，並以光的形式發出。
傳統的垂直式發光二極體的製作過程，係在一晶格常數與磊晶成長層接近且易於磊晶成長的藍寶石基板上形成一發光堆疊結構。然後，在發光堆疊結構的頂面上配置一導電基板。接著，藍寶石基板再以機械研磨或是雷射剝離(Laser lift-off)等方式自發光堆疊結構的底面移除。之後，形成一下電極層於發光堆疊結構的底面上，即完成傳統的垂直式發光二極體的製作。
然而，傳統以機械研磨藍寶石基板的技術會有研磨厚度不易精準控制和費時的問題，而雷射剝離技術雖然可快速剝離藍寶石基板，但是雷射剝離設備昂貴，且雷射功率的調整是影響製程良率的關鍵，若雷射功率過高會破壞磊晶成長層，若雷射功率過低亦無法順利移除藍寶石基板， 造成雷射調整的技術層面過高，並非品質可靠的製程技術。
本發明係有關於一種垂直式固態發光元件之製程，可簡易地剝離承載基板且於剝離承載基板時不會破壞發光堆疊結構，以提高製程的良率與時效。
根據本發明之一方面，提出一種垂直式固態發光元件之製程，包括下列步驟。提供一承載基板，成長一M金屬氮化物緩衝層於承載基板上，並形成一脆弱結構於M金屬氮化物緩衝層上，其中脆弱結構含有多數M金屬滴狀結構(metal droplet)。依序形成一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層於脆弱結構上。形成一第二型電極於第二型半導體層上，第一型半導體層、主動層、第二型半導體層與第二型電極構成一發光堆疊結構。破壞脆弱結構，使其自發光堆疊結構分離，並使發光堆疊結構之第一型半導體層表面裸露。形成一第一型電極於第一型半導體層表面上。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本實施例之垂直式固態發光元件之製程，係在承載基板上先形成一緩衝層，再於緩衝層上形成脆弱結構，接著於脆弱結構上形成一發光堆疊結構。由於脆弱結構係由固 態沈積的氮化反應物及液態附著於氮化反應物表面上的金屬析出物組合而成，且金屬析出物為熔點低的滴狀結構，其分散地附著在氮化反應物上，並非固態聚集為一穩定結構，故脆弱結構內部分子間的作用力很容易被外力或熱應力破壞，使得承載基板可輕易地自發光堆疊結構的底面剝離，且於剝離承載基板時不會破壞發光堆疊結構，以提高製程的良率與時效。此外，上述利用脆弱結構之垂直式固態發光元件之製程，只需加熱金屬滴狀結構到其熔點溫度的一般設備即可，不需要高成本的研磨設備或雷射剝離設備，故可降低製程設備的成本。
以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
第一實施例
第1A~1I圖分別繪示依照本發明一實施例之垂直式固態發光元件之製程的剖面示意圖，其中第1A~1E圖分別繪示依照本發明一實施例之形成一脆弱結構120於承載基板100上的細部流程圖，第1F~1G圖分別繪示依照本發明一實施例之形成一發光堆疊結構130與一支撐基板140於脆弱結構120上的流程示意圖，第1H~1I圖分別繪示依照本發明一實施例之移除承載基板100及形成第一型電極131的流程示意圖。
有關脆弱結構120的形成方法詳述如下，但非用以限制本發明所欲保護之範圍。請參照第1A圖，提供一承載基板100，之後可例如以化學氣相沉積法成長一M金屬氮 化物緩衝層101於承載基板100上，接著在高溫的環境下，成長一第一M金屬氮化物層102於緩衝層101上。常用的化學氣相沉積法例如為有機金屬化學氣相沉積法，其反應前驅物可為有機金屬化合物，並在氨氣環境下氮化而生成M金屬氮化物緩衝層101和第一M金屬氮化物層102。 接著，請參照第1B圖，通入一第一反應氣體G1與第一M金屬氮化物層102反應，而使部分M金屬自第一M金屬氮化物層102中被析出，並於第一M金屬氮化物層102之表面102a上生成多數M金屬滴狀結構(metal droplet)104。其中M代表週期表中某一個元素之金屬。
舉例來說，第一M金屬氮化物層102可由包含週期表Ⅲ族元素之氮化物所組成，週期表Ⅲ族元素包括有硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)，其中鎵的熔點只有29.8度，沸點為2403度。因此，在一實施例中，可藉由形成氮化鎵層於承載基板100上，再通入第一反應氣體G1(例如氫氣)與氮化鎵層反應，使部分鎵分子自氮化鎵層中被析出，而成生多數鎵金屬滴狀結構於氮化鎵層的表面上。
在一實施例中，第一反應氣體G1(例如氫氣)與氮化鎵層例如在800~1500℃下反應而析出鎵金屬滴狀結構，其反應方程式如下：
接著，請參照第1C圖，通入一第二反應氣體G2(例如氨氣)與M金屬滴狀結構104反應，並在M金屬滴狀結 構104表面上分別生成一M金屬氮化物106。也就是說，在高溫環境下，直接以上述反應方程式中析出的鎵金屬與第二反應氣體G2反應，鎵金屬表面即會生成氮化鎵，但內層仍為鎵金屬。
接著，請參照第1D圖，例如以化學氣相沉積法成長一第二M金屬氮化物層108於第一M金屬氮化物層102上，使第二M金屬氮化物層108覆蓋於表面具有M金屬氮化物106之M金屬滴狀結構104，以構成一脆弱層110。也就是說，脆弱層110的內層因為具有低熔點的鎵金屬，因此只要加熱脆弱層110至29.8度以上，其內層的鎵金屬則變為液態，但鎵金屬表面的氮化鎵仍為固態。
接著，在第1E圖中，重複上述第1B圖至第1D圖之步驟，例如重複2次以上但不以此為限，以形成多個脆弱層110於承載基板100上，因此這些脆弱層110共同構成一脆弱結構120。在本實施例中，相較於單純以固態的氮化鎵形成的堆疊結構而言，由於脆弱結構120內部的鎵金屬為液態，其內部分子間的作用力很容易被破壞，使得結構變得相對脆弱。因此，在後續的剝離製程中(例如第1H圖)，只要稍微施加沿著垂直脆弱結構120法線之方向(推力方向X)的外力，即可使發光堆疊結構130與承載基板100分離。
接著，請參照第1F圖，形成脆弱結構120之後，再依序形成一第一型半導體層132、一主動層134以及一第二型半導體層136於脆弱結構120上。之後，形成一第二型電極138於第二型半導體層136上。第二型電極138例 如為P型電極。然而，當第二型半導體層136為N型半導體層時，第二型電極138則為N型電極。
第一型半導體層132、主動層134、第二型半導體層136與第二型電極138構成一發光堆疊結構130。詳言之，第一型半導體層132例如為含有帶負電的電子的N型半導體層，N型半導體層可添加矽等雜質。第二型半導體層136例如為含有帶正電的電洞的P型半導體層，P型半導體層可添加鎂等雜質。第一型半導體層132與第二型半導體層136之材質例如為含週期表Ⅲ族元素之氮化物。主動層134例如為多重量子井層。上述之第一型半導體層132、主動層134及第二型半導體層136例如以有機化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法(LPE)或氣相磊晶法(VPE)等依序形成，在此不再詳述。
接著，請參照第1G圖，形成第二型電極138之後，更可形成一支撐基板140於第二型電極138上。支撐基板140之材質例如為金屬或導電性材質。在一實施例中，支撐基板140除了具有導電的特性外，還具有導熱的功能，可快速地將發光堆疊結構130產生光子時伴隨產生的熱引導至外界，以避免熱囤積於發光堆疊結構130中而造成主動層134的發光效率降低。此外，支撐基板140例如以電鍍、沈積或壓膜的方式形成於第二型電極138上。舉例來說，支撐基板140例如為預先成型的金屬薄膜，再以壓膜的方式接合於第二型電極138上；另外；也有直接以電鍍、化學氣相沉積或物理氣相沉積的方式製作支撐基板140於第二型電極138上。此外，對於後續的製程，支撐基板140 又可以提供足夠的厚度及強度以支撐發光堆疊結構130，以避免施加外力於承載基板100時造成其上方之發光堆疊結構130也受到外力不當的破壞。
接著，請參照第1H圖，在發光堆疊結構130受到支撐基板140保護之情況下，破壞脆弱結構120，使至少一部分脆弱結構121自發光堆疊結構130分離。破壞脆弱結構120的方式如同上述，只要溫度加熱到大於M金屬(例如鎵)滴狀結構104之熔點，使其內部的M金屬呈液態狀，再沿實質垂直於脆弱結構120法線之方向(推力方向X)施加一外力，使發光堆疊結構130與承載基板100分離，即可破壞脆弱結構120。至於殘留在第一型半導體層132上之部分脆弱結構122，例如以研磨的方式移除，以使發光堆疊結構130之第一型半導體層132之表面裸露出來。
在另一實施例中，破壞脆弱結構120的方式主要是藉由承載基板100(例如藍寶石基板)與支撐基板140(例如矽基板)的熱膨脹係數不同，利用熱膨脹產生熱應力使脆弱結構120自行破裂，因此不需外加推力，即可輕易地掀離承載基板100。
接著，請參照第1I圖，破壞脆弱結構120之後，只留下發光堆疊結構130於支撐基板140上，此時，可形成一第一型電極131於第一型半導體層132之表面132a上。第一型電極131例如為N型電極。然而，當第一型半導體層132為P型半導體層時，第一型電極131則為P型電極。如此，垂直式固態發光元件150之製程大致完成。
由上述的說明可知，上述實施例之垂直式固態發光元 件150之製程，只需簡易的加熱設備即可，不需要使用高成本的研磨設備或雷射剝離設備來破壞脆弱結構120，故可降低製程設備的成本。同時，在破壞脆弱結構120時，可確保發光堆疊結構130完好，進而提高垂直式固態發光元件150之可靠度及良率。
綜上所述，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。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。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‧‧‧承載基板
101‧‧‧M金屬氮化物緩衝層
102‧‧‧第一M金屬氮化物層
102a、132a‧‧‧表面
104‧‧‧M金屬滴狀結構
106‧‧‧M金屬氮化物
108‧‧‧第二M金屬氮化物層
110‧‧‧脆弱層
120‧‧‧脆弱結構
121、122‧‧‧部分脆弱結構
130‧‧‧發光堆疊結構
131‧‧‧第一型電極
132‧‧‧第一型半導體層
134‧‧‧主動層
136‧‧‧第二型半導體層
138‧‧‧第二型電極
140‧‧‧支撐基板
150‧‧‧垂直式固態發光元件
G1‧‧‧第一反應氣體
G2‧‧‧第二反應氣體
X‧‧‧推力方向
第1A~1I圖分別繪示依照本發明一實施例之垂直式固態發光元件之製程的剖面示意圖。
100‧‧‧承載基板
101‧‧‧金屬氮化物緩衝層
102‧‧‧第一M金屬氮化物層
120‧‧‧脆弱結構
130‧‧‧發光堆疊結構
132‧‧‧第一型半導體層
134‧‧‧主動層
136‧‧‧第二型半導體層
138‧‧‧第二型電極

Claims (14)

  1. 一種垂直式固態發光元件之製程，包括下列步驟：提供一承載基板；成長一M金屬氮化物緩衝層於該承載基板上；形成一脆弱結構於該M金屬氮化物緩衝層上，其中該脆弱結構含有複數M金屬滴狀結構(metal droplet)；依序形成一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層於該脆弱結構上；形成一第二型電極於該第二型半導體層上，該第一型半導體層、該主動層、該第二型半導體層與該第二型電極構成一發光堆疊結構；破壞該脆弱結構，使其自該發光堆疊結構分離，並使該發光堆疊結構之該第一型半導體層表面裸露；以及形成一第一型電極於該第一型半導體層表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中形成該脆弱結構的步驟：(1)成長一第一M金屬氮化物層於該M金屬氮化物緩衝層上；(2)通入一第一反應氣體與該第一M金屬氮化物層反應，而使部分M金屬自該第一M金屬氮化物層中被析出，並於其表面上生成複數M金屬滴狀結構；(3)通入一第二反應氣體與該些M金屬滴狀結構反應，並在該些M金屬滴狀結構表面上分別生成一M金屬氮化物；(4)成長一第二M金屬氮化物層，於該第一M金屬氮 化物層上，並覆蓋步驟(3)所形成之該些表面分別具有該M金屬氮化物之M金屬滴狀結構，構成一脆弱層；以及(5)重複步驟(2)~(4)，形成複數該脆弱層。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該M金屬之材質由週期表Ⅲ族元素所構成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中使該承載基板及該脆弱結構自該發光堆疊結構分離後，更包括：移除附著於該第一型半導體層上之部分殘留的該脆弱結構，以暴露出該第一型半導體層之表面。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中形成該第二型電極之後，更包含形成一支撐基板於該第二型電極上。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該第一型半導體層為N型半導體層，該第二型半導體層為P型半導體層，且該第一型電極為N型電極，該第二型電極為P型電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該N型半導體層與P型半導體層之材質含Ⅲ族氮化物。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該第一反應氣體與該第一M金屬氮化物層在800~1500℃下反應而析出該些M金屬滴狀結構。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該第一反應氣體包括氫氣。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該第二反應氣體包括氨氣。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中破壞該脆弱結構的方法包括：加熱該脆弱結構；以及沿實質垂直於該脆弱結構法線之方向，施加一外力後，使該發光堆疊結構與該承載基板分離。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該加熱步驟時的溫度是大於M金屬滴狀結構之熔點。
  13. 如申請專利範圍第5項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該支撐基板之材質為金屬或導電性材質。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之垂直式固態發光元件之製程，其中該支撐基板係以電鍍、沈積或壓膜的方式形成於該第二型電極上。
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