TWI509828B - 製造氮化物半導體裝置的方法 - Google Patents
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Description
本發明揭示關於一種製造氮化物半導體裝置之方法。
氮化鎵(GaN)是III-V族化合物半導體。氮化鎵化合物半導體不僅作為一光學裝置，如半導體雷射及操作在藍色、綠色和紫外線範圍下的發光二極體(LED)，而且也作為高溫高輸出的電子裝置，如高電子遷移率電晶體(HEMT)和在高溫和高輸出下操作的場效電晶體(FET)。
一般而言，當成長氮化鎵化合物半導體以形成一裝置時，可使用氧化鋁(Al2
O3
)或碳化矽(SiC)構成的混合基板。
因為氮化鎵基板係難以用普遍的方法大量製造，其與其它半導體一般的融化方法相比需要高溫和高壓條件。
特別是，氧化鋁基板或碳化矽基板的晶格常數和熱膨脹係數與氮化鎵有顯著的差異，其可導致成長的氮化鎵晶體有高缺陷密度。
在具體的裝置中，這種缺陷可能會降低效率而導致漏電流。因此，裝置的性能和產量可能會減少。為此，高品質的氮化鎵單晶基板是需要的。
根據一種常用的製造單晶氮化鎵基板的方法，大量的氮化鎵層成長在如：透過氫化物氣相磊晶(HVPE)方法的氧化鋁基板或碳化矽基板的混合基板上，然後氧化鋁基板或碳化矽基板被移除。
在此，一雷射剝離製程可被應用在移除下基板，如氧化鋁基板或碳化矽基板。
然而，由於雷射剝離過程中雷射光束會產生高熱，高熱可能會影響氮化鎵基板。
換言之，雷射剝離過程中可能會在氮化物半導體層和下基板(如氧化鋁基板或碳化矽基板)之間導致應力的發生，甚至因此斷裂或損壞氮化鎵基板。
在製造發光裝置中，例如製造發光二極體或雷射二極體(LD)，混合基板一般常使用不同於氮化鎵的物質來構成，如矽、氧化鋁及碳化矽。
然而，當氮化鎵基材生長在混合基板上，由於熱膨脹係數的差異和晶格常數的差異，缺陷如晶格不匹配或貫穿差排(threading dislocation)可能會發生在所生長的薄膜中。
在氮化物半導體發光二極體中，氧化鋁通常用於基板。由於氧化鋁不傳導電流，用於電流供應的電極係為橫向排列。
在此，主動層所產生的光線部分逃逸至外部，因此影響外部量子效率。然而，實際上，大量的光消失而改以熱的形式留置在氧化鋁基板和氮化物半導體層中。此外，由於電流係被施加於橫向方向，在發光裝置中產生的電流密度不均衡，因此造成裝置的效率降低。
為此，現在正研究開發一種製造發光裝置的技術，其中該氧化鋁基板被移除，且電極具有一垂直結構。一般而言，雷射製程可用於移除氧化鋁基板。
然而，雷射製程通常在氧化鋁基板和氮化物半導體發光裝置之間會導致應力的產生。因此，氮化物半導體可能會損壞。
本發明具體實施例係提供一種製造氮化物半導體裝置之方法，其具有可成長高品質單晶氮化鎵層的能力。
在一具體實施例，製造氮化物半導體裝置之方法，包括形成一氮化鎵(GaN)磊晶層在第一支撐基板上，形成一第二支撐基板在該氮化鎵磊晶層上，除了該第一支撐基板外，在另一區域的表面上形成一鈍化層，透過使用該鈍化層作為遮罩來蝕刻該第一支撐基板，並移除該鈍化層以暴露出該第二支撐基板和該氮化鎵磊晶層。
在另一具體實施例，製造氮化物半導體裝置之方法，包括形成一發光結構在一支撐基板上，形成一第二導電層在該發光結構上，除該支撐基板的區域外，形成一鈍化層在該發光結構上和該第二導電層的表面上，透過使用該鈍化層作為一蝕刻遮罩蝕刻該支撐基板，使暴露出該發光結構的一表面，及移除該鈍化層。
以下內容配合圖式將提出一個或多個具體實施例的細節。而其他特徵可由詳細說明、圖式及申請專利範圍顯而易知。
根據具體實施例，可實現一高品質的氮化鎵層。
具體而言，在混合基板上形成磊晶層和支撐部，然後由塗佈層保護。因此，混合基板係選擇性地被移除。
由於混合基板可利用濕式蝕刻選擇性地移除，其可預防磊晶層和支撐部的損害。即是，在移除混合基板期間對裝置的損壞會減至最小。
能夠保護該支撐部以防止被濕蝕刻液損害的塗層可用作該塗佈層，以保護磊晶層和支撐部。
此外，塗佈層可在短時間被大量地使用。因此，經濟效益和生產率會增加。
此外，混合基板移除後，透過在磊晶層上成長氮化鎵層，氮化鎵層的結晶可得到改善和裝置的電子特性也可得到改善。
根據另一具體實施例，可實現發光裝置的垂直結構。
即是，由於發光結構和支撐部形成混合基板，然後由塗佈層來保護，該混合基板可選擇性地被移除。
據此，發光結構能具有一垂直結構。因此，保持裝置中的均勻電流密度可使電子特性被改善。
由於透過塗佈層來防止發光結構的損害，光學特性可得到改善。
在移除混合基板期間，置於發光結構一邊的該支撐部可進行發光結構的處理。
此外，在移除混合基板後，支撐部可作為發光結構的電極。因此，實現高效率的發光裝置。
參考本發明揭露內容之具體實施例，其實施例將隨圖式一起說明。
在實施例的說明內容中，可以理解地，當一層(或膜)、區域、圖案或結構係在另一層(或膜)、區域、墊或圖案的「上方」時，「上方」和「下方」等用語包括「直接」和「間接」二種含義。此外，每一層的「上方」和「下方」將以圖式為基礎來說明。
在圖式中，每一層的厚度或大小係被誇大、省略或概要性地圖式，其是為了方便描述和清楚易懂。並且每個元件的大小並不完全能反映實際大小。
(具體實施例1)
下文中，將佐以第1圖至第6圖陳述根據具體實施例之製造氮化物半導體器件的方法。
請參考第1圖，在第一支撐基板100上形成一氮化鎵(GaN)磊晶層110。
第一支撐基板100可採用任何類型的基板，只要是能夠在其上方形成氮化鎵磊晶層110。
例如，第一支撐基板100可以是氧化物基板和碳化物基板中的任何一種，例如，氧化鋁(Al2
O3
)基板，矽(Si)基板和碳化矽(SiC)基板。
氮化鎵磊晶層110可以作為後續將形成之氮化鎵半導體層的緩衝層。
即是，氮化鎵磊晶層110可置於第一支撐基板100和氮化鎵半導體層之間，以減少物理特性，如晶格失配和熱膨脹係數的差異。
例如，透過金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD)製程形成一氮化鎵磊晶層110。可形成厚度約2至8 μm的氮化鎵磊晶層110。
因此，當在氮化鎵磊晶層110的任何表面上形成單晶氮化鎵層時，兩層的熱膨脹係數和晶格常數幾乎相等。因此，可得到高品質的氮化鎵層。
請參考第2圖，在氮化鎵磊晶層110上形成第二支撐基板120。
可用第二支撐基板120來作為一處理晶圓，其控制置於其下部的各層。由於形成的第二支撐基板120具有足夠的厚度，使其可處理氮化鎵磊晶層110。
第二支撐基板120比氮化鎵磊晶層110厚約10至50倍。
例如，第二支撐基板120可厚達約50至100 μm。
第二支撐基板120可由導電材料製成，如金屬。
例如，可透過電鍍銅，鉑，金，鎳，鋁之任一或是其合金來形成第二支撐基板120。
第二支撐基板120的物質不限於導電材料。例如，第二支撐基板120可相同於第一支撐基板100的物質，即是氧化物基板或碳化物基板。
因此，氮化鎵磊晶層110置於第一支撐基板100和第二支撐基板120之間。
例如，氮化鎵磊晶層110的任何表面接觸第一支撐基板100可稱為第一表面111，而其他表面接觸的第二支撐基板120被稱為第二表面112。
請參考第3圖，在氮化鎵磊晶層110和第二支撐基板120的表面上形成鈍化層160。
鈍化層160在移除第一支撐基板100的蝕刻製程中，適於用來保護氮化鎵磊晶層110和第二支撐基板120。
除了該第一支撐基板100外，形成一鈍化層160於一區域的表面上，即是，氮化鎵磊晶層110和第二支撐基板120暴露的區域。
即是，鈍化層160可被選擇性地配置於氮化鎵磊晶層110的側表面及第二支撐基板120的側表面和上表面。
例如，鈍化層160可由琺瑯(enamel)、鐵氟龍(Teflon)、石蠟(paraffin)和聚酯(polyester)之至少其中之一所形成。
鈍化層160可透過旋轉塗佈或刷毛塗佈而選擇性地僅配置於氮化鎵磊晶層110和第二支撐基板120暴露的區域。
接下來，關於鈍化層160的固化製程將被實施。
請參考第4圖，第一支撐基板100被移除後暴露出氮化鎵磊晶層110的第一表面111。
這裡，透過使用鈍化層160作為蝕刻遮罩執行蝕刻製程來移除第一支撐基板100。
同時，透過使用選擇性的蝕刻劑藉由濕式蝕刻製程來移除第一支撐基板100。
執行濕式蝕刻直到在第一支撐基板100上的氮化鎵磊晶層110之第一表面111被暴露出為止。
鈍化層160能夠選擇性地移除第一支撐基板100而不損害第二支撐基板120和氮化鎵磊晶層110。
此外，第一支撐基板100可迅速從氮化鎵磊晶層110移除，同時防止損害氮化鎵磊晶層110。
第一支撐基板100移除後，整個結構可旋轉約180度，使得第二支撐基板120置於氮化鎵磊晶層110的下部。或者是，在第一支撐基板100移除前，第一支撐基板100、氮化鎵磊晶層110及第二支撐基板120可旋轉約180度，然後執行關於第一支撐基板100的蝕刻製程。
請參考第5圖，鈍化層160被移除後暴露出第二支撐基板120和氮化鎵磊晶層110的外表面。
鈍化層160可透過塗佈移除製程來移除。
例如，可透過酒精溶劑如甲醇、丙酮和異丙醇(IPA)來移除鈍化層160。
因此，氮化鎵磊晶層110被置於第二支撐基板120上。此外，氮化鎵磊晶層110的第一表面111是在上部且處於暴露狀態。
因此，氮化鎵磊晶層110可被當作基板以成長大量的氮化鎵。
請參考第6圖，在氮化鎵磊晶層110的第一表面111上形成單晶氮化鎵半導體層130。
透過氫化物氣相磊晶法(HVPE,hydride vapor phase epitaxy)製程形成氮化鎵半導體層130。
由於是在具有與氮化鎵半導體層130幾乎相同的熱膨脹係數和晶格常數的氮化鎵磊晶層110上形成氮化鎵半導體層130，其可得到高品質的氮化鎵層。
另一方面，自氮化鎵磊晶層110移除的第一支撐基板100具有相對較小的厚度。因此，氮化鎵磊晶層110可能是難以進行處理的。
為此，根據本發明具體實施例，在氮化鎵磊晶層110的第二表面112上形成第二支撐基板120，使得氮化鎵磊晶層110方便進行處理。
第二支撐基板120係由導電金屬製成，其具有比氮化鎵半導體層130更高的熔點。因此，當裝置在成長出氮化鎵半導體層130而被製造完成後，第二支撐基板120可以被用來作為電極層。
此外，配置於第二支撐基板120上的氮化鎵磊晶層110可作為氮化鎵半導體層130的成長緩衝，因而可減少裝置的缺陷。
根據本具體實施例，在配置於氮化鎵磊晶層110下部的第一支撐基板100被選擇性地移除後，在氮化鎵磊晶層110上可形成單晶氮化鎵半導體層130。
因此，可得到高品質的氮化鎵半導體層130。
根據另一具體實施例之製造氮化物半導體裝置的方法，將佐以第7圖至第11圖來說明。特別是，本發明具體實施例說明使用氮化物半導體來製造LED的方法。
請參考第7圖，在一支撐基板200上形成發光結構210。
支撐基板200的可為氧化鋁基板、矽基板、碳化矽基板中的任一種，氧化鋁基板包含在其上部份的氮化鎵、矽基板包含在其上部份的氮化鎵、及碳化矽基板包含在其上部份的氮化鎵。
在的支撐基板200上透過磊晶成長氮化鎵緩衝層(圖未示)形成厚度約2至3 μm的發光結構210，然後沈積第一半導體層220、主動層230、及第二半導體層240。
另外，發光結構210係以在支撐基板200上沈積第二半導體層240、主動層230、及第一半導體層220的方式來形成其結構。
第一半導體層220可為配置於支撐基板200上的n型氮化鎵層。
主動層230可配置在第一半導體層220上，其具有氮化鎵基的單一量子井(SQW,single quantum well)結構或多重量子井(MQW,multi quantum well)結構。此外，主動層230可具有前述結構之超晶格形式的量子結構。主動層230的量子結構可藉由結合各種氮化鎵基材料，如氮化鋁銦鎵和氮化銦鎵，來構成。
第二半導體層240可為p型氮化鎵層，其配置於主動層230上。
發光結構210透過電子和電洞的結合於主動層發出光，因此作為發光裝置。
特別是，透過移除支撐基板200使發光裝置具有垂直電極結構，因此提高電效率。
請參考第8圖，在第二半導體層240上形成第二導電層250。
第二導電層250可有足夠的厚度來支撐發光結構210。
例如，第二導電層250可厚達約50至100 μm。
第二導電層250係由導電材料製成。
例如，第二導電層250可透過電鍍銅，金，鎳，鋁之任一或是其合金來形成。
第二導電層250作用成第二半導體層240的一電極。即是，根據第一半導體層220和第二半導體層240的位置，第二導電層250可為p型電極或n型電極。
請參考第9圖，在第二導電層250和發光結構210的表面上形成鈍化層260。
在支撐基板200的移除期間，鈍化層160適於用來保護第二導電層250和發光結構210。
鈍化層260可被配置於除了支撐基板200外的區域。
換言之，鈍化層260可選擇性地配置於發光結構210暴露的表面上，及第二導電層250的側表面和上表面上。
例如，鈍化層260可由琺瑯、鐵氟龍、石蠟和聚酯之至少其中之一所形成。
鈍化層260可透過旋轉塗佈或刷毛塗佈而選擇性地僅配置於第二導電層250和發光結構210暴露的區域。
其次，透過固化製程來增加鈍化層260的密度，以便能夠保護第二導電層250和發光結構210。例如，固化過程可為低溫熱處理或乾燥製程。
請參考第10圖，支撐基板200被移除使得發光結構210暴露出一表面。
支撐基板200可藉由使用鈍化層260作為蝕刻遮罩的蝕刻製程來被選擇性地移除。
蝕刻製程中可使用化學濕式蝕刻劑以選擇性地移除支撐基板200。
由於鈍化層260係用作為蝕刻遮罩，選擇性移除支撐基板200係可被執行且不會損害發光結構210和第二導電層250。
隨著支撐基板200被移除，與支撐基板200接觸之第一半導體層220的表面被暴露出。
由於支撐基板200係透過濕蝕刻迅速地被移除，因此可減少處理時間。
因此，相對於一般的雷射製程可提高經濟效率，同時減少發光結構210的損害。因此，可提高裝置的可靠度。
支撐基板200移除後，整個結構可旋轉約180度，這樣，第二導電層250置於發光結構210的下部。或者是，在支撐基板200被移除前，支撐基板200，發光結構210及第二導電層250旋轉約180度，並於下一步執行蝕刻製程。
請參考第11圖，移除鈍化層260使得發光結構210具有垂直結構。
此處，透過塗佈移除製程移除鈍化層260。
例如透過酒精溶劑如甲醇、丙酮和異丙醇(IPA)的使用來移除鈍化層260。
移除鈍化層260後暴露出第二導電層250和發光結構210。因此，發光結構210具有沈積第二半導體層240、主動層230、及第一半導體層220的垂直結構。此處，第二導電層250可以作為第二半導體層240的電極。
此外，在第一半導體層220暴露的表面上選擇性地形成第一導電層270。第一導電層270可為n型電極。
如上所述，支撐基板200透過塗佈層從發光結構210分離。因此，降低了發光結構210的損壞和光強度的損失。
由於支撐基板200係於發光結構210製造後透過濕式蝕刻而被移除的，使得量產得以被實行。因此，經濟效率得以被改善。
此外，透過第二導電層250不僅作為發光結構210的支撐基板200，而且也作為一電極，所以該裝置的效率提高。
以上實施例所述的特徵、結構和效果可用於本發明的至少一實施例，但不只限一具體實施例。此外，一實施例中所例示之特徵、結構和效果，此領域熟知技術人士可輕易地進行組合及修改，而成為另一實施例。因此，這些組合和修改仍屬本發明範圍。
雖然本發明實施例已被描述為具體實施例，應可理解，此領域熟知技術者可提出許多其它修改及實施例，其仍屬於本揭示內容的原理之精神和範疇。尤其是，在揭露範疇、圖式和申請專利範圍中，所請組合配置中的元件及/或配置的各種變化和修改是可能的。
根據具體實施例，可得到一高品質的氮化鎵(GaN)層。例如，形成氮化鎵磊晶層和支撐部在混合基板上，然後由塗佈層來保護，使混合基板可選擇性地被移除。然而，本發明不受限於上述的具體實施例。
100．．．第一支撐基板
110．．．氮化鎵磊晶層
111．．．第一表面
112．．．第二表面
120．．．第二支撐基板
130．．．氮化鎵半導體層
160．．．鈍化層
200．．．支撐基板
210．．．發光結構
220．．．第一半導體層
230．．．主動層
240．．．第二半導體層
250．．．第二導電層
260．．．鈍化層
270．．．第一導電層
第1至第6圖為說明根據一具體實施例，氮化物半導體裝置的製造流程之示意圖。
第7至第11圖為說明根據另一具體實施例，氮化物半導體裝置的製造流程之示意圖。
110．．．氮化鎵磊晶層
120．．．第二支撐基板
130．．．氮化鎵半導體層
Claims (11)
- 一種製造氮化物半導體裝置之方法，包括：形成一緩衝層在一第一支撐基板上，該緩衝層包含一氮化鎵(GaN)磊晶層；形成一第二支撐基板在該緩衝層上；形成一鈍化層，該鈍化層係配置來接觸該緩衝層的側表面、及該第二支撐基板的側表面及一上表面；以該鈍化層為一遮罩，蝕刻該第一支撐基板，使得該緩衝層的一表面被暴露；移除該鈍化層，以暴露出該第二支撐基板和該氮化鎵磊晶層；及於該鈍化層被移除後，在該氮化鎵磊晶層暴露的表面上形成一單晶氮化鎵半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該鈍化層係由液態琺瑯、鐵氟龍、石蠟及聚酯中的至少其中一種所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：於該鈍化層形成後，執行一固化製程。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第一支撐基板包含一氧化物基板、一碳化物基板及一矽基板中的其中一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第一支撐基板係透過一溼式蝕刻製程被選擇性地蝕刻。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該鈍化層的移除係透過一酒精溶劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第二支撐基板係由與該第一支撐基板或包含金屬的一傳導物質之相同材料所製成。
- 一種製造氮化物半導體裝置之方法，其包括：形成一發光結構在一支撐基板上，該發光結構包含一第一半導體層、配置來接觸該第一半導體層之一上表面的一主動層、及配置來接觸該主動層的一第二半導體層；形成一第二導電層，該第二導電層係配置來接觸該第二半導體層之一上表面；形成一鈍化層，該鈍化層係配置來接觸該第一半導體層之側表面、該主動層之側表面、該第二半導體層之側表面、及該第二導電層之側表面及一上表面；以該鈍化層作為一蝕刻遮罩，蝕刻該支撐基板，使該第一半導體層的一表面被暴露；移除該鈍化層；及在移除該鈍化層後，形成一第一導電層於該第一半導體層暴露的表面上。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該支撐基板係透過一溼式蝕刻製程被選擇性地移除。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該鈍化層係使用液態琺瑯、鐵氟龍、石蠟及聚酯中的至少其中一種並透過旋轉塗佈或刷毛塗佈來形成。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該鈍化層係透過包含甲醇、丙酮、及異丙醇(IPA)中的至少其中一種 之酒精溶劑來移除。
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