TWI520387B - 垂直結構半導體發光裝置及其製造方法 - Google Patents

垂直結構半導體發光裝置及其製造方法 Download PDF

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Description

垂直結構半導體發光裝置及其製造方法
本發明為有關於一種垂直結構半導體發光裝置及其製造方法，且特別是關於一種包括由金屬厚膜或金屬薄片所組成的高效能之散熱支撐件的垂直結構半導體發光裝置。
一般而言，半導體發光裝置具有一發光二極體(light-emitting diode,LED)及一雷射二極體(laser diode,LD)，發光二極體及雷射二極體係於順向電流通過時發光。具體而言，發光二極體及雷射二極體擁有共同的p-n接面，而當電流輸入至發光裝置時，該電流被轉換成光子使得光從裝置放射出來。
從LED與LD放射出來的光擁有多種由長至短的波長，其波長取決於半導體的材料。尤其，以寬能隙半導體(wide band-gap semiconductor)製成的LED能夠於可見頻帶中提供紅、綠及藍色，且在工業上已被廣泛的運用，例如電子裝置的顯示器、紅綠燈及顯示裝置之多種光源。由於近幾年來對於白光的發展，其將作為下一代光源來被廣泛的使用於一般照明。
為了獲得高品質的半導體薄膜，常會將III-V族氮基半導體(Group III-V nitrides-based semiconductor)以異質磊晶(hetro-epitaxially)的方式製造於藍寶石的上部上，而初始基板則通常使用藍寶石、碳化矽(SiC)、矽(Si)及類似物。
其中，藍寶石基板擁有明顯不同於III-V族氮基半導體的晶格常數與熱膨脹係數，因此包括有III-V族氮基半導體之多層發光結構薄膜係難以層壓(laminate)。再者，由於藍寶石基板的熱傳導性差，因此無法提供大電流至LED。由於藍寶石基板本身是一個電絕緣體，而難以對從外部流入的靜電做出反應，因此很容易因為靜電而引發故障的現象。這樣的缺點不只減少了裝置的可靠性，而且也造成許多封裝製程的限制。
而且，本身為絕緣體的藍寶石基板擁有平台式結構(MESA structure)，在這種平台式結構中，N型歐姆接觸電極(ohmic contact electrode)及P型歐姆接觸電極皆以相同成長方向形成，如同包含III-V族氮基半導體的多層發光結構。由於LED的晶片面積需大於一定的尺寸，因此不可能無限制的縮小LED的晶片面積，於是限制了LED晶片製作的改良。
除了將平台式結構LED製成於藍寶石初始基板之上部上的這些缺點之外，藍寶石基板的熱傳導性不佳，使得於發光裝置運作時所不可避免地產生的大量熱能，難以向外釋放。
由於這些原因，若具有貼附於其之藍寶石基板的平台式結構係應用在發光裝置，且要讓發光裝置可應用在大面積及大電容(也就是大電流)的情況是有所限制的，例如是使其發出的光足以運用在如大型顯示器及一般照明。當大電流係長時間的提供至發光裝置時，發光主動層(light-emitting active layer)的內部溫度將因為所產生的熱而逐步大幅上升，使得LED發光的效能逐步降低。
有別於藍寶石基板，碳化矽(SiC)基板不只擁有良好的熱與電傳導性，也因其擁有相似於III-V族氮基半導體的晶格常數與熱膨脹係數(thermal expansion coefficient,TEC)而容許多層發光結構薄膜被層壓及製成，晶格常數與熱膨脹係數都是對於半導體單晶薄膜成長的要素。再者，這也容許了製造多種類型的垂直結構發光裝置。
然而，由於製作高品質碳化矽基板並不容易，因此製造SiC基板相較於製造其他單晶基板更加昂貴，而難以大量製造。
因此，鑒於技術、經濟與效能的考量，高效能發光裝置包括有層壓及製成於藍寶石基板上面的III-V族氮基半導體多層發光結構的需求係相當高。
如上所述，將包括有III-V族氮基半導體之多層發光結構層壓及製成於利用藍寶石基板作為初始基板之上部上，以製造出平台式結構LED會導致若干問題。為了解決這些問題，相關業者係藉由下述的製造方式付出許多努力來製造出高效能的垂直結構LED。包含III-V族氮基半導體的高品質多層發光結構薄膜製成於藍寶石、碳化矽或矽等等的初始基板之上部上，然後將包括有III-V族氮基半導體的多層發光結構薄膜自該初始基板剝離以使用之。
第1圖是利用習知雷射剝離(laser lift off,LLO)製程以分離藍寶石基板之剖視圖。
如第1圖所示，當屬於強力能量來源的雷射光束照射透明藍寶石基板110的背面時，介面120會大量吸收該雷射光束，因而立刻產生900℃或以上的溫度而造成在介面之氮化鎵(GaN)及氮化鈣銦(InCaN)熱化學分解，且進一步將藍寶石基板110從氮基半導體薄膜130分離。
然而，在許多文獻中指出，在包括III-V族氮基半導體之多層發光結構薄膜之雷射剝離製程中，因為晶格常數與熱膨脹係數的差異，薄的藍寶石基板及III-V族氮基半導體薄膜之間會產生一種機械應力，使得半導體單晶薄膜在從藍寶石基板上被分離之後會受損及破裂。
當多層發光結構薄膜受損及破裂時，會造成大量漏電流，降低發光裝置之晶片的良率，且會降低發光裝置的整體效能。
因此，許多方法係提出，以於藍寶石基板藉由剝離製程分離時，減少包括有III-V族氮基半導體之多層發光結構薄膜的受損及破裂。
第2圖繪示根據傳統技術來在雷射剝離製程之前，利用晶圓貼合及電鍍製程形成緊貼於成長方向之傳導支撐件的剖面圖，此傳統之技術用以避免半導體多層發光結構薄膜之損害及破裂。
請參照第2圖中之(a)，在以雷射光束照射該透明藍寶石基板的背面來將包括III-V族氮基半導體之多層發光結構薄膜220、230從藍寶石基板210剝離之前，在接合層240a的上面使用晶圓接合的方式形成一強力黏附且結構上穩固的傳導支撐件250。請參照第2圖中之(b)，在將多層發光結構薄膜220、230從藍寶石基板210剝離之前，在一種子層240b的上部上使用電鍍製程形成一強力黏附且結構上穩固的傳導支撐件250。
第3圖為一剖視圖，其繪示依照在第2圖之製程所使用的傳統技術，使用該強力黏附且結構上穩固的傳導支撐件來製造垂直結構III-V族氮基半導體發光裝置。
於第3圖中之(a)為一剖視圖，其繪示使用第2圖中之(a)製造傳導支撐件的方法來製造出的半導體發光裝置。請參照第3圖中之(a)繪示之使用晶圓接合法來接合的垂直結構LED的剖面圖，其組成依序為一導熱與導電之支撐件310、一接合層320a及一多層金屬層，多層金屬層包括一P型歐姆接觸電極330、一P型半導體披覆層(cladding layer)340、一發光主動層(light-emitting active layer)350、一N型半導體披覆層360及一N型歐姆接觸電極370。較佳地，使用一具有極佳熱與電傳導性的半導體晶圓作為支撐件310，如矽(Si)、鍺(Ge)、鍺化矽(SiGe)、砷化鎵(GaAs)及類似物。
然而，因為藍寶石基板與層壓/製成於其上的多層發光結構薄膜340-360之間具有顯著的熱膨脹係數(thermal expansion coefficient,TEC)差異，當矽或其他傳導支撐件以晶圓接合的方式接合時，如第3圖中之(a)所示用於垂直結構發光裝置(light-emitting device,LED)的支撐件310，就會造成顯著的晶圓翹曲(wafer warpage)與細微的微裂紋(micro-crack)。這樣的問題會更進一步造成製程上的困難與減低由其製成之LED之效能與產量。
於第3圖中之(b)為一剖視圖，其繪示使用第2圖中之(b)製造傳導支撐件的方法來製造出的半導體發光裝置。請參照第3圖中之(b)繪示之藉由電鍍而形成之垂直結構LED的剖面圖，透過雷射剝離製程及電鍍製程而形成的垂直結構LED除了將接合層320a換成種子層320b之外，其餘結構如同第3圖中之(a)的結構。導電之支撐件310係為透過電鍍所製成的金屬厚膜，且較佳地使用如銅(Cu)、鎳(Ni)、鎢(W)、金(Au)、鉬(Mo)及類似物的單一金屬或包括前述之金屬的合金所形成。
由於透過電鍍而形成的金屬或合金厚膜，具有上述第3圖之(b)中之結構的LED的支撐件310，相較於藍寶石基板具有明顯較高的熱膨脹係數及彈性。因此LED的支撐件310會在如機械切割(mechanical sawing)或雷射劃線(laser scribing)等「晶片製造製程」中，產生捲曲、晶圓翹曲及破裂等現象。
因此，發展出適用於製造高效能之垂直結構發光裝置高效率之散熱支撐件的需求高，以便解決在LLO製程製造垂直結構III-V族氮基半導體發光裝置時，所造成的晶圓翹曲、破裂、微裂紋、退火(annealing)以及晶片製程、後製程(post-processing)問題、低產量等等問題。
根據本發明的第一方面，係藉由包含以金屬厚膜或金屬薄片所構成的高效能散熱支撐件，以提供一高品質垂直結構半導體發光裝置，使其不會導致微裂痕的形成。
根據本發明的第二方面，係提出一種製造具有高效能散熱支撐件的垂直結構半導體發光裝置的方法，其藉由使用一支撐基板來製備半導體發光裝置。
為達成第一方面，根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置包括：包括III-V族氮基半導體的發光結構，該發光結構包括歐姆接觸電極、傳導薄膜以及第一金屬厚膜；以及第二金屬厚膜，以接合層接合於第一金屬厚膜之底部上。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，第一歐姆接觸電極係形成於該發光結構的上部上，而一第二歐姆接觸電極、一絕緣薄膜、一第一傳導薄膜、一第二傳導薄膜及該第一金屬厚膜係依序形成於該發光結構的底部上。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，保護薄膜係形成於該發光結構的側邊上。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，第一金屬厚膜可以金屬、合金或固溶體(solid solution)所製成，該金屬、該合金或該固溶體包含選自金(Au)、銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鈮(Nb)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉭(Ta)、鈀(Pd)、鉑(Pt)及矽(Si)所組成之群組的至少其中之一組成物。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，第一金屬厚膜之厚度可為0.1-999微米。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，第二金屬厚膜可以金屬、合金或固溶體所製成，該金屬、該合金或該固溶體包含選自金、銅、鎳、銀、鉬、鋁、鈮、鎢、鈦、鉻、鉭、鈀、鉑及矽所組成之群組的至少其中之一。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，第二金屬厚膜之厚度可為0.1-999微米根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，包含該第一金屬厚膜、該接合層及該第二金屬厚膜的散熱支撐件可包括一輔助支撐件。
根據本發明一實施例的垂直結構半導體發光裝置，輔助支撐件之組成可為：
i)　單晶體或多晶體晶圓，選自由矽、鍺(Ge)、鍺化矽(SiGe)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁(AlN)及氧化鈹(BeO)所組成之群組；
ii)　金屬薄片，選自由鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳(NiCr)、鎢化銅(CuW)、鉬化銅(CuMo)及鎢化鎳(NiW)所組成之群組；或者
iii)　層積板(laminate)，選自由銅/鉬/銅(Cu/Mo/Cu)、銅/鎢/銅(Cu/W/Cu)、鎳/鉬/鎳(Ni/Mo/Ni)、銅/鈦/銅(Cu/Ti/Cu)、銅/氮化鋁/銅(Cu/AlN/Cu)、銅/氧化鋁/銅(Cu/Al2O3/Cu)、銅/砷化鎵/銅(Cu/GaAs/Cu)及銅/矽/銅(Cu/Si/Cu)所組成之群組。
根據本發明另一實施例之垂直結構半導體發光裝置包括：包括III-V族氮基半導體的發光結構，該發光結構包括歐姆接觸電極以及傳導薄膜；以及金屬薄片，以接合層接合於發光結構之上部上。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，第一歐姆接觸電極係形成於該發光結構的上部上，而一第二歐姆接觸電極、一絕緣薄膜、一第一傳導薄膜及一第二傳導薄膜則係依序形成於該發光結構的底部上。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，保護薄膜可形成於該發光結構的側邊上。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，金屬薄片之厚度可為0.1-999微米。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，金屬薄片可為薄片狀的金屬、合金或固溶體，該金屬、該合金或該固溶體包含選自銅、鋁、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭、鈦、金、銀、鈀、鉑、鉻、鐵(Fe)、釩(V)、矽及鍺所組成之群組的至少其中之一組成物。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，包括該金屬薄片的散熱支撐件可包括一輔助支撐件。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，輔助支撐件之組成可為：
i)　單晶體或多晶體晶圓，選自矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹；
ii)　金屬薄片，選自鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳；或者
iii)　層積板，選自銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，接合層可以軟焊或硬焊合金所製成，包括選自鎵、鉍(Bi)、銦(In)、錫(Sn)、鉛(Pb)、金、鋁、銀、銅、鎳、鈀、矽、鍺及鋅(Zn)所組成之群組的至少其中之一組成物。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，用以製成該第一歐姆接觸電極之材料可選自鋁、鈦、鉻、鉭、銀、鋁、銠(Rh)、鉑、金、銅、鎳、鈀、銦(In)、鑭(La)、錫、矽、鍺、鋅、鎂(Mg)、鉻化鎳、鉻化鈀(PdCr)、鉑化鉻(PdCr)、鈦化鎳(NiTi)、氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、碳化矽(SiC)、氮碳化矽(SiCN)、氮化銦(InN)、氮鎵化鋁(AlGaN)、氮鎵化銦(InGaN)、稀土金屬、金屬矽化物、半導體矽化物、碳奈米管網(carbon nanotube networks,CNTN)、透明傳導氧化物及透明傳導氮化物所組成之群組的至少其中之一組成物。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，用以製成該第二歐姆接觸電極之材料可選自銀、鋁、銠、鉑、金、銅、鎳、鈀、金屬矽化物(metallic silicides)、銀系合金、鋁系合金、銠系合金、碳奈米管網、透明傳導氧化物以及透明傳導氮化物所組成之群組的至少其中之一組成物。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，絕緣薄膜可以透明氧化物、透明氮化物以及透明氟化物的其中之任一所製成。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，絕緣薄膜可形成於全向反射器(omni-directional reflector,ODR)及分散式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)的結構內。
根據本發明一實施例之垂直結構半導體發光裝置，用以製成該第一傳導薄膜或該第二傳導薄膜之材料可選自金、鋁、銀、銠、釕(Ru)、銥(Ir)、鈦、釩、鈀、鎢、鉻、鎳、銅、鉬、鉭、鈮、鉑、鉻化鎳、鎢化鈦(TiW)、鎢化銅、氮化鈦、氮化鉻以及氮鎢化鈦(TiWN)所組成之群組的至少其中之一。
為了達成第二方面，本發明提供製造垂直結構發光裝置的方法包括：(a)製備一第一晶圓，由依序形成於一藍寶石基板的上部上之一III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜、一第二歐姆接觸電極、一第一金屬厚膜以及一第一接合層所組成；(b)製備一支撐基板，以製備出一半導體發光裝置來作為一第二晶圓，該第二晶圓係由依序形成於一選定支撐基板上之一犧牲層、一第二金屬厚膜以及一第二接合層所組成；(c)接合該第一晶圓及該第二晶圓，以接合該第一接合層與該第二接合層；(d)以一雷射剝離製程(laser lift-off process)將該第一晶圓的該藍寶石基板自步驟(c)的產物分離；(e)隔離步驟(d)所曝露出的該多層發光結構薄膜；(f)形成複數個第一歐姆接觸電極於步驟(e)中所隔離的該多層發光結構薄膜之側邊上的各表面與複數個保護薄膜上；(g)當該第二晶圓之該選定支撐基板為一電性絕緣體時，分離該選定支撐基板；以及(h)當該選定支撐基板為一電性導體時，則垂直地切割步驟(f)的產物，當該選定支撐基板為一電性絕緣體時，則垂直地切割步驟(g)的產物，以提供一晶片。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(a)中之該多層發光結構薄膜包括一N型半導體披覆層、一發光主動層及一P型半導體披覆層，且各層皆由具有Inx(GayAl1-y)N(0x1,0y1,x+y>0)之成分之一單晶體所組成。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(a)可包括：(a1)形成該第二歐姆接觸電極於該多層發光結構薄膜上；(a2)形成一絕緣薄膜在該多層發光結構薄膜以及該第二歐姆接觸電極上；(a3)形成一第一傳導薄膜在該第二歐姆接觸電極上；(a4)形成一第二傳導薄膜在該絕緣薄膜及該第二歐姆接觸電極上；(a5)形成該第一金屬厚膜於該第二傳導薄膜上；以及(a6)形成一第一優先接合層(first-first bonding layer)於該第一金屬厚膜上。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，第二傳導薄膜包括一擴散阻障層及一黏合強化層，以及當該第一金屬厚膜以電鍍(electro plating)或無電鍍(electroless plating)製程所形成時，該第二傳導薄膜更包括一種子層(seeding layer)。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(b)可更包括在形成該擴散阻障層或該黏合強化層之後，形成一第二接合層於該第二金屬厚膜上。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(b)中之該犧牲層可使用電子束蒸鍍、熱蒸鍍、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、濺鍍以及脈衝雷射鍍膜法(Pulsed Laser Deposition,PLD)之其中之一所形成。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，第一金屬厚膜或該第二金屬厚膜可以電鍍或無電鍍所形成。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(c)可在100℃至600℃的溫度以及1 Mpa至200 Mpa的壓力條件之下，以熱壓接合法(thermo compression bonding method)進行。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(d)可更包括在該雷射剝離製程之後，進行化學機械研磨(chemo-mechanical polishing)或濕蝕刻(wet etching)製程。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，步驟(g)可包括以該雷射剝離製程分離該選定支撐基板，或者以化學蝕刻移除該選定支撐基板。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，可在使用一有機或無機接合材料將一暫時支撐基板接合於該第一晶圓的表面上之後，進行步驟(g)。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，可在執行步驟(g)之後，於該選定支撐基板及該犧牲層被移除之處，形成一輔助支撐件。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，輔助支撐件之組成可為：i)單晶體或多晶體晶圓，選自矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹；ii)金屬薄片，選自鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳；或者iii)層積板，選自銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
根據一製造垂直結構發光裝置方法的實施例，更可額外透過表面紋理(surface texturing)或刻紋(patterning)製程，形成至少一光萃取結構層及一鋁膜奈格偏光器(nano-grid polarizer)在該多層發光結構薄膜之上部上。
為了達成本發明的第二方面，製造垂直結構發光裝置的方法包括：(a)製備一第一晶圓，由依序形成於一藍寶石基板的上部上之一III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜、一第二歐姆接觸電極、一第一金屬厚膜以及一第一接合層所組成；(b)製備一金屬薄片，上部上具有一第三接合層，底部上則具有一第四接合層；(c)製備一支撐基板，以製備出一半導體發光裝置來作為一第二晶圓，該第二晶圓係由依序形成於一選定支撐基板上之一犧牲層以及一第二接合層所組成；(d)接合該第一晶圓、該金屬薄片以及該第二晶圓，以接合該第一接合層與該第三接合層以及接合該第二接合層與該第四接合層；(e)透過雷射剝離製程將該第一晶圓的該藍寶石基板自步驟(d)的產物分離；(f)隔離步驟(e)所曝露出的該多層發光結構薄膜；(g)形成複數個第一歐姆接觸電極於步驟(f)所隔離的該多層發光結構薄膜之側邊上的各表面與複數個保護薄膜上；(h)當該第二晶圓之該選定支撐基板為一電性絕緣體時，分離該選定支撐基板；以及(h)當該選定支撐基板為一電性導體時，則垂直地切割步驟(g)的產物，當該選定支撐基板為一電性絕緣體時，則垂直地切割步驟(h)的產物，以提供一晶片。
根據一製造垂直結構半導體發光裝置方法的實施例，可在以一有機或無機接合材料將一暫時支撐基板接合於該第一晶圓的表面之後，進行步驟(h)。
根據一製造垂直結構半導體發光裝置方法的實施例，可在進行步驟(h)之後，於該選定支撐基板與該犧牲層被移除的地方，形成一分離輔助支撐件。
根據一製造垂直結構半導體發光裝置方法的實施例，該輔助支撐件的組成可為：i)單晶體或多晶體晶圓，選自矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹；ii)金屬薄片，選自鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳；或者iii)層積板，選自銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
為讓本發明之上述目的、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。
為了製造本發明的垂直結構半導體發光裝置，係使用一支撐基板、一犧牲層、一金屬厚膜及一接合層。該支撐基板包括了一選定支撐基板，構成該選定支撐基板的材料與藍寶石基板之間的熱膨脹係數差異小於等於5ppm，而III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜係層壓於該藍寶石基板上。該犧牲層係形成於該選定支撐件的上部上。該金屬厚膜係形成於該犧牲層的上部上。該接合層以軟焊或硬焊材料構成，且形成於該厚金屬層的上部上。如此可於晶圓接合的過程中避免晶圓翹曲產生，且在使用雷射剝離製程分離藍寶石基板的過程中，降低對於多層發光結構薄膜的壓力，以使微裂痕或破裂的發生情況降到最少等等，以及使多層發光結構薄膜被分離到晶圓接合材料之中的情況降到最少。
請參照第4(a)圖，其繪示一用以製備本發明發光裝置400的支撐基板，其包括了一選定支撐基板410、一犧牲層420、一金屬厚膜430以及一接合層440。
當使用雷射剝離或其他製程將多層發光結構薄膜從透明藍寶石基板(起始基板，在其上之多層發光結構薄膜包括III-V族氮基半導體層壓於上)上分離時，該選定支撐基板410做為支撐件來吸收機械性衝擊(mechanical impact)或震擊(shock)，以使得被分離出且厚度僅數微米(μm)之多層發光結構薄膜的傷害降到最低。
因為晶圓翹曲可能會因為支撐基板400與藍寶石基板之間的熱膨脹係數差異而常常發生，因此在本實施例中選定支撐基板410的材料與藍寶石基板之間的熱膨脹係數差異係等於或小於5ppm，這是為了在晶圓接合之後，使晶圓翹曲的情況降到最低。在將多層發光結構薄膜從藍寶石基板上分離之前，進行晶圓接合以接合支撐基板400與藍寶石基板。
因此，構成該選定支撐基板410的材料可為單晶體、多晶體或非晶體(amorphous)基板晶圓，如藍寶石(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鎂(MgO)、碳矽化鋁(AlSiC)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化矽(SiO2)、玻璃及類似物，這些都是絕緣材料，且具有與基板間差異等於或小於5ppm的熱膨脹係數。或者為單晶體、多晶體或非晶體晶圓，如矽(Si)、鍺(Ge)、鍺化矽(SiGe)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鎵鋁(AlGaN)、砷化鎵(GaAs)及類似物，這些材料都是具有極佳傳導性且熱穩定(thermally stable)的導體。或者為單一金屬或金屬薄片，如鉬(Mo)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鎳鉻合金(NiCr)、銅鎢合金(CuW)、銅鉬合金(CuMo)、鎳鎢合金(NiW)及類似物。
若選定支撐基板410的厚度不夠而造成結構不夠穩固，可額外形成一接合層，以接合一輔助支撐件至金屬厚膜來達到足夠的厚度。該接合層係為金屬、合金或傳導性接合劑(conductive adhesive)所構成。
於此該輔助支撐件可由單晶體、多晶體晶圓，例如矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁、氧化鈹(BeO)及類似物；金屬薄片，例如鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鎳鉻合金(NiCr)、銅鎢合金(CuW)、銅鉬合金(CuMo)、鎳鎢合金(NiW)及類似物；或層積板(laminate)，例如銅/鉬/銅(Cu/Mo/Cu)、銅/鎢/銅(Cu/W/Cu)、鎳/鉬/鎳(Ni/Mo/Ni)、銅/鈦/銅(Cu/Ti/Cu)、銅/氮化鋁/銅(Cu/AlN/Cu)、銅/氧化鋁/銅(Cu/Al2O3/Cu)、銅/砷化鎵/銅(Cu/GaAs/Cu)、銅/矽/銅(Cu/Si/Cu)及類似物，這些材料皆具有良好的熱與電傳導性。
犧牲層420是將選定支撐基板410從最終完成垂直結構發光裝置分離及移除的一個材料層，也是與氮或氧鍵結的單晶體、多晶體或非晶體化合物。在以雷射剝離製程分離選定支撐基板410時，犧牲層420使用的材料可為氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(InGaN)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋅鎵(GaZnO)、氧化鋅鎂(MgZnO)、氧化鋅銦(InZnO)、氮化銦(InN)、氧化銦(In2O3)、氧化銦鎵(GaInO3)、氧化銦鎂(MgInO4)、氧化銦銅(CuInO2)、氧化銦鋅(ZnInO)、摻錫氧化銦(Indium tin oxide,ITO)、氧化錫(SnO2)、氮化矽(Si3N4)、氧化矽(SiO2)、氧化鎂鈹(BeMgO)、氮化鈦(TiN)、氮化釩(VN)、氮化鉻(CrN)、氮化鉈(TaN)其類似物。
進一步地，當使用化學蝕刻(chemical etching)製程移除選定支撐件基板410時，犧牲層420所使用的材料可為金屬、合金、固溶體、氧化物、氮化物或耐熱有機材料(thermophile organic material)。
進一步地，當犧牲層420以抗熱黏合材料(heat-resistant adhesive material)所構成，其材料可選自抗熱黏合劑(heat-resistant adhesive)、抗熱黏合帶(heat-resistant tape)、矽樹脂黏合劑(silicone adhesive)以及聚乙烯丁醛樹脂(polyvinyl butyral resin)所組成之群組的至少其中之一材料。
進一步地，若犧牲層420是一旋塗式玻璃(Spin On Glass,SOG)薄膜，其可包括矽酸鹽(silicate)或矽酸材料(silicic acid material)；若犧牲層420是一旋塗式介電(Spin On Dielectrics,SOD)薄膜，其可包括矽酸鹽、矽氧烷(siloxane)、MSQ(methyl silsequioxane)、HSQ(hydrogen silsequioxane)、MSQ+HSQ、聚乙烯(perhydrosilazane,TCPS)或聚硅氮烷(polysilazane)等材料。
進一步地，犧牲層420若以感光抗膜(photoresist)構成，犧牲層420可包括選自AZ系列(AZ series)、SU-8系列(SU-8 series)、TLOR系列(TLOR series)、TDMR系列(TDMR series)及GXR系列(GXR series)所組成之群組的至少其中之一材料。
構成犧牲層420的材料可適當的依據選定支撐基板410、分離方法以及最終被製造出的垂直結構的特性而選擇。
金屬厚膜430可以減低在製造發光裝置時，因為熱或結構變形而產生的壓力。金屬厚膜430也可做為黏合強化層(adhesion-enhancing layer)來強化材料與擴散阻障層(diffusion barrier layer)之間的接合，以避免材料的擴散。金屬厚膜430的厚度約為0.1-999 μm，較佳的厚度約為0.1-500 μm。
構成金屬厚膜430的材料可為金屬、合金或固溶體，包括選自具有高度電傳導性及熱傳導性的金、銅、鎳、銀、鉬、鋁、鈮、鎢、鈦、鉻、鉈、鈀、鉑及矽的至少其中之一組成物。
金屬厚膜430可透過物理氣相沉積法(physical vapor deposition,PVD)或化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)，更佳地，是透過電鍍(electro plating)或無電鍍(electroless plating)的方式，來形成於犧牲層420之上。
依據本實施例，接合層440係將具有一藍寶石基板的第一晶圓1001(參照第10圖)接合於做為支撐基板400的第二晶圓1002。構成接合層440的材料可為軟焊(soldering)或硬焊(brazing)合金材料，包括選自鎵、鉍(Bi)、銦(In)、錫(Sn)、鉛(Pb)、金、鋁、銀、銅、鎳、鈀、矽及鍺所組成之群組的至少其中之一組成物。
依據本實施例，具有上述特徵而用來製造垂直結構半導體發光裝置400的支撐基板，係透過將犧牲層420、金屬厚膜430以及接合層440層壓於選定支撐基板410之上而製造。
第4圖的(a)至第4圖的(f)係以剖面圖繪示本發明為了製造垂直結構半島體發光裝置所層壓的多種形式之支撐基板。
第4圖的(a)與第4圖的(d)係繪示不被刻紋的範例之剖面圖。繪示於第4圖的(d)之金屬厚膜相對地較第4圖之(a)中的為厚。
第4圖的(b)、(c)、(e)及(f)係以剖面圖繪示犧牲層420、金屬厚膜430以及接合層440的其中部分或全部被刻紋(patterned)的範例。第4圖的(b)與(e)係以剖面圖繪示接合層440與金屬厚膜430被刻紋，而第4圖的(c)及(f)則以剖面圖繪示刻紋進一步地形成至犧牲層420。進一步地，即使並沒有於此繪示，這樣的刻紋也可被形成至選定支撐基板410的一部分。如第4圖的(b)、(c)、(e)及(f)所示，接合層440、金屬厚膜430、犧牲層420及類似物的這樣的刻紋，可以在製造半導體發光裝置的過程中促進選定支撐基板410的移除與促進單晶片製程。
[第一實施例─垂直結構半導體發光裝置]
第5圖係以剖面圖繪示本發明中垂直結構半導體發光裝置的第一實施例。
請參照第5圖，垂直結構發光裝置500，包括一雙金屬厚膜514a及514b，金屬厚膜514a及514b之間係以接合層516a及516b接合。接合層516a形成於金屬厚膜514a的底部上，而接合層516b則形成於金屬厚膜514b的上部上。依據本實施例，金屬厚膜514a係形成於藍寶石基板的側邊，也就是III-V族氮基多層發光結構薄膜所堆疊之處，而金屬厚膜514b則對應於第4圖所示之金屬厚膜430，形成於支撐基板400之側邊。接合層516a、516b以及兩金屬厚膜514a、514b構成散熱支撐件510。
如第5圖所示，垂直結構半導體發光裝置包括位於第一金屬厚膜514a上的傳導多層520、530、第二歐姆接觸電極540、絕緣薄膜550、III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜560、第一歐姆接觸電極570以及側保護薄膜(passivation thin film)580。
側保護薄膜580結構上連接於絕緣薄膜550，其功用在於保護多層發光結構薄膜560的側部以及一部分的上表面。
第一及第二金屬厚膜514a及514b用以支撐多層發光結構薄膜560，可作為供應給多層發光結構薄膜560電流的介質，以及散熱。如上所述，該些金屬厚膜可以減弱在晶圓接合製程中使用支撐基板400來製造發光裝置時，因為熱及結構上的變形而產生的壓力。金屬厚膜514a與514b之厚度係約為0.1-999 μm。
接合層516係位於金屬厚膜514a與514b之間，其構成的材料可為硬焊或軟焊合金，包括選自鎵、鉍、銦、錫、鉛、金、鋁、銀、銅、鎳、鈀、矽及鍺的至少其中之一組成物。
反射(reflective)第二歐姆接觸電極540直接與包括III-V族氮基半導體的多層發光結構薄膜560接觸，構成的材料包括選自銀、鋁、銠(Rh)、鉑、金、銅、鎳、鈀、金屬矽化物(metallic silicides)、銀系合金、鋁系合金、銠系合金、碳奈米管網(carbon nanotube networks,CNTN)、透明傳導氧化物以及透明傳導氮化物的至少其中之一，其在於向上反射多層發光結構薄膜560所產生的光子。
絕緣薄膜550可促進形成單晶片的隔離製程，其構成材料包括透明氧化物、透明氮化物或透明氟化物，例如氧化矽、奈米硅鑲嵌氮化硅(nanoscale-Si-particle embedded in silicon nitride thin films,SiNx)、氮化鋁、摻錫氧化銦、氧化鋁、氟化鎂(MgF)、氧化錫、氧化鋅及類似物。更佳地，絕緣薄膜550具有全向反射鏡(omni-directional reflector,ODR)及分散式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)的結構。
第二傳導薄膜520包括：一第一傳導薄膜530，其係形成於第二歐姆接觸電極540之上；一黏合強化層，以強化材料之間的接合；一擴散阻障層，以避免材料的擴散；或者當該傳導薄膜是由電鍍製程所形成時，包括一種子層。構成該傳導薄膜的材料包括選自金、鋁、銀、銠、釕(Ru)、銥(Ir)、鈦、釩、鈀、鎢、鉻、鎳、銅、鉬、鉭、鈮、鉑、鉻化鎳、鎢化鈦(TiW)、鎢化銅、氮化鈦、氮化鉻以及氮化鎢鈦(TiWN)的至少其中之一。
側保護薄膜580係用於保護多層發光結構薄膜560的側邊，其結構上接觸且連接於絕緣薄膜550，且其構成材料包括選自氮化矽、氧化矽及絕緣材料的至少其中之一。
第一歐姆接觸電極570係形成於多層發光結構薄膜560的上部上。為了形成低接觸阻抗的歐姆接點，第一歐姆接觸電極570的構成材料可包括選自鋁、鈦、鉻、鉭、銀、鋁、銠、鉑、金、銅、鎳、鈀、銦(In)、鑭(La)、錫、矽、鍺、鋅、鎂(Mg)、鎳鉻合金、鈀鉻合金(PdCr)、鉻鉑合金(PdCr)、鎳鈦合金(NiTi)、氮化鈦、氮化鉻(CrN)、碳化矽、氮化碳矽(SiCN)、氮化銦、氮鎵化鋁、氮鎵化銦、稀土金屬、金屬矽化物、半導體矽化物、CNTN、透明傳導氧化物及透明傳導氮化物的至少其中之一。尤其，第一歐姆接觸電極570的表面更佳地以退火、氧化、氮化及類似的方式處理，以使該歐姆接觸電極擁有較低的接觸阻抗。
多層發光結構薄膜560具有當電流通過第一歐姆接觸電極570及第二歐姆接觸電極540時，會產生光子的發光裝置結構。多層發光結構薄膜560包括N型半導體披覆層(cladding layer)、發光主動層(active layer)及P型半導體披覆層，且各層皆由具有Inx(GayAl1-y)N(0x1,0y1,x+y>0)成分之單晶體所構成。請參照第5圖，若第一歐姆接觸電極570為N型歐姆接觸電極且第二歐姆接觸電極540為P型歐姆接觸電極，則N型半導體披覆層較佳地位於該第一歐姆接觸電極570的底部上，而P型半導體披覆層則較佳地位於第二歐姆接觸電極540的上部上。
亦更佳地，於多層發光結構薄膜與第一歐姆接觸電極570或者第二歐姆接觸電極540接觸的表面更額外透過表面紋理(surface texturing)或刻紋(patterning)製程，形成光萃取結構層(light-extraction structured layer)或者鋁膜奈格偏光器(nano-grid polarizer)。如此，可以使該發光裝置向外釋放最多的光子。
即使於此並無繪示，在層壓形成於第一金屬厚膜514a底邊上以及第二金屬厚膜514b上邊上的接合層516之前，更可額外形成黏合強化層，以強化在各材料與擴散阻障層之間的接合。
[第二實施例─垂直結構半導體發光裝置]
第6圖係繪示本發明垂直結構半導體發光裝置的第二實施例。
請參照第6圖，一垂直結構半導體發光裝置600包括了一以接合層616接合的金屬薄片612。構成散熱支撐件610的金屬薄片612不僅能支撐多層發光結構薄膜660使其結構上穩固之外，且能於做為通電介質的同時，釋放在垂直結構發光裝置運作期間所產生的熱。基於這些功能，金屬薄片612的構成材料可選自壓軋(rolling processed)而成的金屬、合金或固溶體，具有電傳導性與熱傳導性，且厚度為0.1-999 μm。更佳地，構成金屬薄片612的材料包括選自銅、鋁、鎳、鈮、鎢、鉬、鉈、鈦、金、銀、鈀、鉑、鉻、鐵、釩、矽及鍺的至少其中之一。
如第6圖所示，垂直結構半導體發光裝置具有一發光結構，包括位於頂部的傳導多層620及630、第二歐姆接觸電極640、絕緣薄膜650、III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜660、第一歐姆接觸電極670以及側保護薄膜680，以及包括位於底部以接合層接合金屬薄片612。
[第一方法實施例─製造垂直結構半導體發光裝置的方法]
第7至17圖繪示了製造第一實施例的垂直結構半導體發光裝置的各個步驟。一種製造垂直結構半導體發光裝置的方法將配合第7至17圖於以下說明。
依據本實施例，提出一種製造垂直結構半導體發光裝置的方法，包括：製備第一晶圓；製備支撐基板，以製備出半導體發光裝置來作為第二晶圓；接合該第一晶圓與該第二晶圓；分離該第一晶圓的藍寶石基板；隔離該多層發光結構薄膜；後製程該第一晶圓；分離該第二晶圓的該選定支撐基板；製造單晶片。
於製備第一晶圓的步驟中，III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜及其他歐姆接觸電極等等，形成於藍寶石的上部上，然後由第一金屬厚膜1010a及第一優先(first-first)接合層1020a1所形成的一第一晶圓1001，則形成於其上。
第7圖係繪示製備第一晶圓1001的步驟。請參照第7圖，在多層發光結構薄膜720被層壓於藍寶石基板710(第7圖(a))的上部上之後，依序層壓第二歐姆接觸電極730、絕緣薄膜740以及第一傳導薄膜750(第7圖(b))，然後層壓第二傳導薄膜760。
多層發光結構薄膜720以數個基礎層依序層壓/生產於藍寶石基板710上而製成，這些基礎層包括高低溫度緩衝層(low and high temperature buffering layer)、N型半導體披覆層、發光主動層以及P型半導體披覆層。
層壓/生產的方法乃是採用有機金屬化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)及分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)成長系統，這些都是最一般的III-V族氮基半導體薄膜成長設備。
舉例來說，III-V族氮基半導體薄膜720可使用有機金屬化學氣相沉積法、液相磊晶(liquid phase epitaxy)、氫化氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy)、分子束磊晶或者有機金屬氣相磊晶(metal organic vapor phase epitaxy,MOVPE)設備來層壓於透明藍寶石基板710的上部上。發光裝置的多層發光結構乃是先在600℃以下的溫度直接層壓低溫緩衝層(low-temperature buffering layer)於藍寶石基板上，然後依序層壓/生產高溫緩衝層、矽摻雜(Si-doped)N型半導體披覆層、半導體發光主動層以及鎂摻雜(Mg-doped)P型半導體披覆層。
這些III-V族氮基半導體薄膜的高低溫度緩衝層、N型半導體披覆層、半導體發光有效以及P型半導體披覆層都具有Inx(GayAl1-y)N(0x1,0y1,x+y>0)的成分。該發光主動層可為單量子井(single quantum well,SQW)結構或為多量子井(multi quantum well,MQW)結構，其分別由具有Inx(GayAl1-y)N成分的障壁層及具有Inx(GayAl1-y)N成分的井層組成。一發光裝置具有寬能隙，此寬能隙界於InN(~0.7eV)能隙的長波長與AlN(~6.2eV)能隙的短波長之間，此發光裝置可藉由控制發光主動層中的銦、鎵及鋁的比例而製造出。尤其，井層與阻障層的至少其中之一可為矽摻雜或鎂摻雜，以改善發光特性及降低正向運作電壓(forward direction operation voltage)。
在分離藍寶石基板之後，第一歐姆接觸電極，為N型歐姆接觸電極(第14圖的1410)，形成於該N型半導體披覆層的表面上。在形成第二歐姆接觸電極730及絕緣薄膜740於該P型半導體披覆層的上部上之前，更可額外透過表面紋理或刻紋製程，形成一光萃取結構層或一鋁膜奈格偏光器。該P型半導體披覆層為該多層發光結構薄膜720的最上部。
第一傳導薄膜750係形成於第二歐姆接觸電極730的上部上，如第7圖(b)所示。該第二傳導薄膜760包括：黏合強化層，以強化各材料之間的接合；擴散阻障層，以避免各材料的擴散；或者當傳導薄膜以電鍍製程所形成時，則包括種子層。該第二傳導薄膜760係形成於絕緣薄膜740以及第一傳導薄膜750之上部上。(第7圖(c))依據本實施例，如果需要，溝槽(trench)可形成至多層發光結構薄膜720的發光主動層或更深，有助於單晶片的製成，並規律地使用多個矩形或正方形進行刻紋化以及使用乾蝕刻(dry etching)製程而形成溝槽，即使此些製成並沒有顯示於第7圖。
反射第二歐姆接觸電極730形成於多層發光結構薄膜720之上部上，構成材料包括選自銀、鋁、銠、鉑、金、銅、鎳、鈀、金屬矽化物、銀系合金、鋁系合金、銠系合金、CNTN、透明傳導氧化物以及透明傳導氮化物的至少其中之一。絕緣薄膜740的構成材料可為透明氧化物、透明氮化物或透明氟化物，例如氧化矽、奈米硅鑲嵌氮化硅、氮化鋁、摻錫氧化銦、氧化鋁、氟化鎂、氧化錫、氧化鋅等等。絕緣薄膜740更佳地為全向反射鏡結構及分散式布拉格反射器結構。
第一傳導薄膜750以及第二傳導薄膜760的構成材料可包括選自金、鋁、銀、銠、釕、銥、鈦、釩、鈀、鎢、鉻、鎳、銅、鉬、鉭、鈮、鉑、鉻化鎳、鎢化鈦、鎢化銅、氮化鈦、氮化鉻以及氮鎢化鈦的至少其中之一。
製備第一晶圓(S610)的步驟可由下列程序進行。
在多層發光結構薄膜720上形成複數個第二歐姆接觸電極，該多層發光結構薄膜720形成於藍寶石基板710上。接著，於多層發光結構薄膜720及該些第二歐姆接觸電極730上，形成絕緣薄膜740。透過絕緣薄膜740的部分蝕刻及沉積，在該些第二歐姆接觸電極730上進一步形成複數個第一傳導薄膜750。在該絕緣薄膜740以及該些第二歐姆接觸電極730上，形成第二傳導薄膜760。第二傳導薄膜760包括黏合強化層及擴散阻障層，或者當第一金屬厚膜1010a藉由電鍍製程而形成時，第二傳導薄膜760包括種子層。接著形成第一金屬厚膜1010a以及第一接合層1020a。
於製備一第二晶圓1002的步驟中，在選定支撐基板910上，依序層壓犧牲層920、第二金屬厚膜1010b以及第二接合層1020b，其中第二晶圓1002具有與第4圖的支撐基板400相同的結構。(第10(b)圖)犧牲層920、金屬厚膜1010b以及第二接合層1020b依序形成於選定支撐基板910上，可透過物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或電鍍法。
尤其，形成犧牲層920的方法包括選自透過電子束蒸鍍(e-beam evaporation)、熱蒸鍍、有機金屬化學氣相沉積法、濺鍍(sputtering)以及脈衝雷射鍍膜法(Pulsed Laser Deposition,PLD)其中之一。而第二金屬厚膜101b及第一金屬厚膜1010a則透過電鍍或無電鍍而形成。
此外，在進一步將擴散阻障層或黏合強化層形成於第二金屬厚膜1010b上之後，可形成第二接合層1020b。
於接合的步驟中，第一晶圓的第一接合層1020a被接合於第二晶圓的第二接合層1020b，以將第一晶圓接合於第二晶圓。該些接合層的構成材料更佳地為硬焊或軟焊材料，包括選自鎵、鉍、銦、錫、鉛、金、鋁、銀、銅、鎳、鈀、矽及鍺的至少其中之一。進一步地，在形成各接合層之前，可額外形成強化各材料之間接合的黏合強化層，以及防止材料擴散的擴散阻障層。
於接合的步驟中，第一金屬厚膜1010a以及第二金屬厚膜1010b不但減弱了熱及結構壓力，也提供了另外的功能。因此，該些金屬厚膜之構成材料可為具有高度電傳導性與熱傳導性的金屬、合金或固溶體，包括選自金、銅、鎳、銀、鉬、鋁、鈮、鎢、鈦、鉻、鉭、鈀、鉑及矽的至少其中之一組成物。而該些金屬厚膜以物理氣相沉積法或化學氣相沉積法所形成，更佳地，是以電鍍或無電鍍所形成。
接合步驟係在100℃至600℃的溫度以及1 Mpa至200 Mpa的壓力條件之下，以熱壓接合法進行之。
於接合步驟之後，便會產生如第11圖中，由第一晶圓1001的藍寶石基板710到第二晶圓1002的選定支撐基板910所構成的垂直結構。
於分離藍寶石基板的步驟中，於執行接合步驟後的產物上將第一晶圓的藍寶石基板710分離開來(如第12圖)。
藍寶石基板710可使用雷射剝離製程來分離。當強力能量源的雷射光束照射該藍寶石基板的背面時，介於III-V族氮基半導體單晶體多層發光結構薄膜720與藍寶石基板710之間的介面會吸收強力的雷射，使得藍寶石基板710藉由發生於介面的氮化鎵之熱化學分解而剝離。
於此，更佳地於移除藍寶石基板710之後，包括一步驟，於30℃至200℃的溫度下，以選自硫酸、鹽酸、氫氧化鉀及緩衝氧化蝕刻(buffer oxide etch,BOE)液的至少其中之一來處理多層發光結構薄膜720的表面。藍寶石基板710也更佳地藉由化學機械研磨及濕蝕刻(wet etching)製程來完全移除。藍寶石基板的濕蝕刻製程係於蝕刻液中執行，該蝕刻液可選自硫酸(sulfuric acid,H2SO4)、鉻酸(chromic acid,CrO3)、磷酸(phosphoric acid,H3PO4)、鎵、鎂、銦、鋁及其混和物。該濕蝕刻液的溫度係為200℃或更高。
在完全將藍寶石基板710分離開後，如第12圖所示，形成從第一晶圓1001的多層發光結構薄膜720至第二晶圓1002的選定支撐基板910的結果產物。
於隔離多層發光結構的步驟中，其表面因為藍寶石基板710的分離而被曝露之多層發光結構薄膜720藉由被隔離來提供複數個發光裝置(請參照第13圖)。
第13圖係為多層發光結構薄膜720執行絕緣之後的剖視圖，係於該多層發光結構薄膜720從藍寶石基板上被分離並被曝露在空氣中之後被隔離至單一晶片的尺寸及形狀。
請參照第13圖，隔離製程之實施係在多層發光結構薄膜720上使用濕蝕刻或乾蝕刻製程直到絕緣薄膜740曝露在空氣中。
在第一晶圓的後製程步驟中，第一歐姆接觸電極1410形成於各個被隔離的多層發光結構薄膜720之上，而保護薄膜1420則形成於多層發光結構薄膜720之側邊。
第14圖為上述形成第一歐姆接觸電極1410以及保護薄膜1420之後的結果產物之剖面圖。
請參照第14圖，後製程步驟可包含清潔、形成側保護薄膜1420及第一歐姆接觸電極1410以及退火等等。
更詳細地說，於第一晶圓的後製程步驟中，透過該第一歐姆接觸電極材料的沉積及退火程序，將一熱穩定的第一歐姆接觸電極形成於多層發光結構薄膜720的緩衝層或N型半導體披覆層之上部上。更佳地，為了在電性上做徹底的保護，保護薄膜1420利用選自氮化矽、氧化係或者電絕緣材料的至少其中之一來形成於III-V族氮基半導體裝置之表面上或側邊上。
此外，藉以構成第一歐姆接觸電極1410的材料包括選自鋁、鈦、鉻、鉭、銀、鋁、銠、鉑、金、銅、鎳、鈀、銦、鑭、錫、矽、鍺、鋅、鎂、鎳鉻合金、鈀鉻合金、鉻鉑合金、鎳鈦合金、氮化鈦、氮化鉻、碳化矽、氮碳化矽、氮化銦、氮鎵化鋁、氮鎵化銦、稀土金屬、金屬矽化物、半導體矽化物、碳奈米管網、透明傳導氧化物及透明傳導氮化物的至少其中之一。
當選定支撐基板為一絕緣體時，便執行分離該選定支撐基板的步驟，係使用化學蝕刻製程中的雷射剝離製程將選定支撐基板910從第二晶圓1002上分離。
第15圖係繪示將選定支撐基板910從第二晶圓1002上分離後的產物剖面圖。
當選定支撐基板910在光學上為透明時，使用雷射光束照射之以分離選定支撐基板910。雷射光束具有一適當的吸收波長範圍，係依據如上述為了分離藍寶石基板而使用於透明選定支撐基板910背面的犧牲層材料。當照射該雷射光束時，介於犧牲層920與透明選定支撐基板910之間的介面會吸收強力的雷射光，使得選定支撐基板910因為犧牲層920材料的熱化學分解而剝離，或者因為機械性衝擊而分離。更可額外於30℃至200℃的溫度下，以任何酸、鹼或鹽溶液如硫酸、鹽酸、氫氧化鉀及緩衝氧化蝕刻液來處理曝露於空氣中的犧牲層920殘餘物。
除了雷射剝離製程之外，選定支撐基板910可透過化學機械研磨及連續的濕蝕刻製程來徹底移除。用於犧牲層920的材料可以是單晶體、多晶體或與氮或氧鍵結的非晶體化合物，其範例包括氮化鎵、氮化鎵銦、氧化鋅、氧化鋅鎵、氧化鋅鎂、氧化鋅銦、氮化銦、氧化銦、氧化銦鎵、氧化銦鎂、氧化銦銅、氧化銦鋅、摻錫氧化銦、氧化錫(SnO2)、氮化矽、氧化矽、氧化鎂鈹、氮化鈦、氮化釩、氮化鉻、氮化鉈及類似物。
當化學蝕刻製程用於分離選定支撐基板時，為了使用化學蝕刻將犧牲層920從選定支撐基板910分離上分離，犧牲層920所使用的材料可為金屬、合金、固溶體、氧化物、氮化物及耐熱有機材料。在此狀況下，選定支撐基板可被徹底移除而不用額外實施任何雷射剝離製程。
在化學蝕刻製程中，選定支撐基板藉由犧牲層920在濕蝕刻溶液中的分解而被分離及移除。依據犧牲層920所使用材料的不同，濕蝕刻溶液例如為氫氟酸(HF)、緩衝氧化蝕刻液、硫酸、硝酸、磷酸、氫氧化鉀、羥胺(NHOH)、碘化鉀(KI)及類似物的多種酸、鹼或鹽溶液。
當以金屬厚膜1010a、1010b及接合層1020a、1020b所構成的散熱支撐件之厚度足以使其結構上穩定時(舉例來說，80μm以上)，可執行製造單晶片的步驟，而不需執行額外的支撐件接合製程。然而，當其厚度不足以使其結構上穩定時(舉例來說，80μm以下)，在金屬厚膜上以額外形成的接合層來接合輔助支撐件，藉以達到足夠的厚度，然後才能夠執行製造單晶片的步驟。額外形成的接合層的構成材料為金屬、合金或傳導性接合劑。
於此，為了具有良好的熱傳導性及電傳導性，輔助支撐件可由單晶體或多晶體晶圓所形成，例如為矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹等等；或者由金屬薄片所形成，例如為鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳等等；或者由層積板所形成，例如為銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
此外，分離選定支撐基板的步驟可在以有機或無機接合材料將暫時支撐基板接合於第一晶圓1001的表面上之後執行。
製造單晶片的步驟，係於執行選定支撐基板的接合步驟及分離步驟之後，垂直地切割其產物以形成多個單晶片。
第16圖係繪示製造單晶片的製程。
請參照第16圖，係使用機械切割製程例如雷射積架(laser cribbing)或雷射鋸切(laser sawing)，於隔離出晶片形狀的側保護薄膜1420之間做切割，藉以形成單晶片。於此，可能會因為雷射切割及鋸切製程所產生大量的熱而造成機械性衝擊以及熱分解，使得單晶片中可能會產生微裂紋。然而，在本實施例中的半導體發光裝置，金屬薄片812或是第一、第二金屬厚膜1010a、1010b吸收了機械性衝擊以及釋放了熱，所以上述的問題可以被減少。
[第二方法實施例─製造垂直結構半導體發光裝置的方法]
依據本發明，提出一種製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其包括：製備第一晶圓；製備金屬薄片；製備支撐基板，以製備出半導體發光裝置來作為第二晶圓；接合第一晶圓、金屬薄片以及第二晶圓；分離第一晶圓的藍寶石基板；隔離多層發光結構薄膜；對第一晶圓執行後製程；分離第二晶圓的選定支撐基板；以及製造單晶片。
在製備金屬薄片的步驟中，第三接合層與第四接合層形成於金屬薄片812之上部上與底部上。然後於第一晶圓的底部上接合第三接合層及第一接合層，且接合第二晶圓的第二接合層與第四接合層，藉此接合第一晶圓、金屬薄片以及第二晶圓。如此製備的垂直結構半導體發光裝置如第6圖所示。
除了第一晶圓與第二晶圓並不包括任何金屬厚膜之外，在製造垂直結構半導體發光裝置方法的第二方法實施例中，類似於第一方法實施例。
第8圖係繪示構成散熱支撐件的金屬薄片812。金屬薄片812之構成材料可選自壓軋而成的金屬、合金或固溶體，其具有電傳導性與熱傳導性，且厚度為999 μm以下。更佳地，該金屬薄片812之構成材料包括選自銅、鋁、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭、鈦、銀、金、鈀、鉻、鐵、釩、矽及鍺的至少其中之一組成物。
在第二方法實施例中，當厚度不足以達到結構上穩定時(舉例來說，80μm以下)，更佳地額外形成接合層，以將輔助支撐件接合於金屬厚膜來達成足夠的厚度，然後才執行製造單晶片的步驟。額外形成的接合層可以金屬、合金或傳導性接合劑構成。
在接合金屬薄片812之上表面以及下表面上形成第三接合層及第四接合層之前，形成黏合強化層可在接合步驟中改善接合的效應。
根據上述實施例，上述的支撐基板、垂直結構半導體發光裝置及其製造方法等等，也可用於其他領域。尤其，它們也適用於包含垂直結構雷射二極體及電晶體等等之光電裝置。該些光電裝置使用均相(homo-epitaxial)磊晶III-V族氮基半導體基板與多層發光結構薄膜，多層發光結構薄膜包括III-V族氮基半導體，此III-V族氮基半導體藉由在藍寶石基板的上部上產生一III-V族氮基半導體形成。
本發明之實施例所製造之垂直結構半導體發光裝置是具有高度可靠性的發光裝置。其因包含了高效能的散熱支撐件所以不會造成微裂紋，也因為可自由執行若干後製程如退火、側保護薄膜等等，所以不會造成熱或機械性的損傷。
此外，根據本發明之實施例，該製造垂直結構半導體發光裝置的方法可容許製造高產量的晶片，這是因為相較於一般的機械性及雷射製程，本發明之實施例更運用了濕蝕刻製程。該方法更進一步地，不僅能運用晶圓接合製造出高品質的氮基半導體單晶多層薄膜，也容許在分離藍寶石基板之後執行若干後製程。所以該方法適合用於製造具有高效能散熱支撐件的發光裝置，且高效能散熱支撐件為金屬薄片或金屬厚膜所組成。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，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。
110、210．．．透明藍寶石基板
120．．．介面
130．．．氮基半導體薄膜
220、230．．．III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜
240a、320a．．．接合層
240b、320b．．．種子層
250．．．傳導支撐件
310．．．支撐件
330．．．P型歐姆接觸電極
340．．．P型半導體披覆層
350．．．發光主動層
360．．．N型半導體披覆層
370．．．N型歐姆接觸電極
340-360．．．多層發光結構薄膜
400．．．支撐基板
410、910．．．選定支撐基板
420、920．．．犧牲層
430．．．金屬厚膜
440．．．接合層
500、600．．．垂直結構半導體發光裝置
510、610．．．散熱支撐件
514a．．．第一金屬厚膜
514b．．．第二金屬厚膜
516a．．．第一接合層
516b．．．第二接合層
516、616．．．接合層
520、530、620、630．．．傳導多層
540、640．．．第二歐姆接觸電極
550、650．．．絕緣薄膜
560、660．．．III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜
570、670．．．第一歐姆接觸電極
580、680．．．側保護薄膜
612、812．．．金屬薄片
710．．．藍寶石基板
720．．．多層發光結構薄膜
730．．．第二歐姆接觸電極
740．．．絕緣薄膜
750．．．第一傳導薄膜
760．．．第二傳導薄膜
1001．．．第一晶圓
1010a．．．第一金屬厚膜
1020a．．．第一接合層
1002．．．第二晶圓
1010b．．．第二金屬厚膜
1020b．．．第二接合層
1410．．．第一歐姆接觸電極
1420．．．側保護薄膜
第1圖繪示習知製造垂直結構半導體發光裝置的雷射剝離製程剖面圖。
第2圖繪示習知支撐基板的剖面圖，其係在執行雷射剝離製程之前，以垂直結構半導體發光裝置的成長方向而形成。
第3圖繪示習知之雷射剝離製程以及透過接合一支撐基板而製造的垂直結構III-V族氮基半導體發光裝置剖視圖。
第4(a)至4(f)圖繪示本發明中一實施例所列舉出的各種樣式的支撐基板實施例的剖面圖，該些支撐基板係用於製備半導體發光裝置。
第5圖繪示本發明中一垂直結構半導體發光裝置的實施例剖面圖，其所包含的支撐件係以一雙金屬厚膜所構成。
第6圖繪示本發明中一垂直結構半導體發光裝置的第二實施例剖面圖，其包含的是金屬薄片而非金屬薄膜。
第7-17圖繪示本發明如第5及6圖用以製造垂直結構半導體發光裝置方法的各步驟及構成裝置剖面圖。
500．．．垂直結構半導體發光裝置
510．．．散熱支撐件
514a．．．第一金屬厚膜
514b．．．第二金屬厚膜
516．．．接合層
516a．．．第一接合層
516b．．．第二接合層
520、530．．．導電多層
540．．．第二歐姆接觸電極
550．．．絕緣薄膜
560．．．多層發光結構薄膜
570．．．第一歐姆接觸電極
580．．．側保護薄膜

Claims (19)

  1. 一種製造垂直結構半導體發光裝置的方法，包括：(a)製備一第一晶圓，由依序形成於一藍寶石基板的上部上之一III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜、一第二電極、及一第一金屬厚膜所組成；(b)製備一支撐基板作為一第二晶圓，以製備出一半導體發光裝置，該第二晶圓係於一選定支撐基板上依序由一犧牲層及一第二金屬厚膜形成；(c)接合該第一晶圓及該第二晶圓；(d)將該第一晶圓的該藍寶石基板分離；(e)形成一第一電極於該多層發光結構薄膜上；以及(f)分離該選定支撐基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，更包括：隔離步驟(d)所曝露出的該多層發光結構薄膜；其中步驟(a)中之該多層發光結構薄膜包括一N型半導體披覆層、一發光主動層及一P型半導體披覆層，且各該層皆由具有Inx(GayAl1-y)N(0x1,0y1,x+y>0)之成分之一單晶體所組成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中步驟(a)包括：(a1)形成該第二電極於該多層發光結構薄膜上；(a2)形成一絕緣薄膜在該多層發光結構薄膜以及 該第二電極上；(a3)形成一第一傳導薄膜在該第二電極上；(a4)形成一第二傳導薄膜在該絕緣薄膜及該第二電極上；(a5)形成該第一金屬厚膜於該第二傳導薄膜上；以及(a6)形成一第一接合層於該第一金屬厚膜上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中該第二傳導薄膜包括一擴散阻障層及一黏合強化層，以及當該第一金屬厚膜以電鍍(electro plating)或無電鍍(electroless plating)製程所形成時，該第二傳導薄膜更包括一種子層(seeding layer)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中步驟(b)更包括：形成一第二接合層、一擴散阻障層、或一黏合強化層之中的至少一者於該第二金屬厚膜上。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中，步驟(b)中之該犧牲層係使用電子束蒸鍍、熱蒸鍍、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、濺鍍以及脈衝雷射鍍膜法(Pulsed Laser Deposition,PLD)之其中之一所形成，步驟(e)包括形成一保護薄膜於該被隔離的多層發光結構薄膜之側邊上，且該第一電極被設置於該被隔離的多層發光結構薄膜之表面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中該第一金屬厚膜或該第二金屬厚膜係以電鍍或無電鍍所形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中步驟(c)係在100℃至600℃的溫度以及1Mpa至200Mpa的壓力條件之下，以熱壓接合法(thermo compression bonding method)進行。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中，該第一晶圓的該藍寶石基板係以一雷射剝離製程(laser lift-off process)來分離，且步驟(d)更包括在該雷射剝離製程之後，進行化學機械研磨(chemo-mechanical polishing)或濕蝕刻(wet etching)製程。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，更包括：切割步驟(f)的產物，以提供一晶片單元；其中步驟(f)包括以該雷射剝離製程分離該選定支撐基板，或者以化學蝕刻移除該犧牲層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中在使用一有機或無機接合材料將一暫時支撐基板接合於該第一晶圓的表面上之後，進行步驟(f)。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中在執行步驟(f)之後，於該選定支撐基板及該犧牲層被移除之處，形成一輔助支撐 件。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中該輔助支撐件之組成為：i)單晶體或多晶體晶圓，選自矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹；ii)金屬薄片，選自鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳；或者iii)層積板，選自銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中透過表面紋理(surface texturing)或刻紋(patterning)製程，更額外形成至少一光萃取結構層及一鋁膜奈格偏光器(nano-grid polarizer)在該多層發光結構薄膜之上部上。
  15. 一種製造垂直結構半導體發光裝置的方法，包括：(a)製備一第一晶圓，其係依序由一III-V族氮基半導體多層發光結構薄膜及一位於一藍寶石基板的上部上的第二電極所組成；(b)製備一金屬薄片；(c)製備一支撐基板作為一第二晶圓，以製備出一半導體發光裝置，該第二晶圓係由一位於一被選定的支撐基板上之犧牲層所組成(d)接合該第一晶圓與該金屬薄片的上部之間、以 及該第二晶圓與該金屬薄片的下部之間；(e)將該第一晶圓的該藍寶石基板分離；(f)隔離步驟(e)所曝露出的該多層發光結構薄膜；(g)形成一第一電極於該被隔離的多層發光結構薄膜上；(h)分離該選定支撐基板；以及(i)垂直地切割步驟(h)的產物，以提供一晶片。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中在以一有機或無機接合材料將一暫時支撐基板接合於該第一晶圓的表面之後，進行步驟(h)。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中步驟(h)包括：以該雷射剝離製程分離該選定支撐基板，或者以化學蝕刻移除該犧牲層；其中，在進行步驟(h)之後，於該選定支撐基板與該犧牲層被移除的地方，形成一分離輔助支撐件。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中該輔助支撐件的組成為：i)單晶體或多晶體晶圓，選自矽、鍺、鍺化矽、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、氮化鋁及氧化鈹；ii)金屬薄片，選自鉬、銅、鎳、鈮、鉭、鈦、金、銀、鉻、鉻化鎳、鎢化銅、鉬化銅及鎢化鎳；或者iii)層積板，選自銅/鉬/銅、銅/鎢/銅、鎳/鉬/鎳、銅/鈦/銅、銅/氮化鋁/銅、銅/氧化鋁/銅、銅/砷化鎵/銅及銅/矽/銅。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之製造垂直結構半導體發光裝置的方法，其中步驟(a)包括製備一第一接合層於該第二電極上，步驟(b)包括製備一第三接合層於該金屬薄片的上部上以及一第四接合層於該金屬薄片的下部上，步驟(c)包括製備一第二接合層於該犧牲層上，步驟(g)包括形成一保護薄膜於該多層發光結構薄膜之側邊上，且在步驟(d)中，該第一接合層連接該第三接合層，且該第四接合層連接該第二接合層。
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