TWI609503B - 發光二極體之製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體之製造方法

本發明係有關於一種發光二極體之製造方法，尤指一種以機械方式達到剝離基板之製造方法。

於現今半導體產業之發光二極體的製造過程中，氮化鎵(GaN)材料係製造短波段發光二極體元件中極為重要之材料。氮化鎵材料目前主要成長於藍寶石基板上，然藍寶石基板之導電性及導熱性不佳，為了解決此一問題，以置換基板來製作垂直式發光二極體結構的方法為目前製造發光二極體之新型解決方案。

一般業界目前使用雷射剝離技術來進行基板置換，此技術乃運用準分子雷射使氮化鎵薄膜與藍寶石基板產生化學反應，進而達到分離基板之功效，然雷射剝離設備昂貴導致成本過高，且高溫環境容易破壞磊晶層，此外還有無法大面積剝離等種種缺點，故許多學者皆致力於研發能夠取代雷射剝離的新製程。目前較新被提出之解決方法主要為化學性濕式蝕刻剝離，關於化學性濕式蝕刻剝離之技術，其係採用添加一犧牲層於藍 寶石基板與氮化鎵薄膜之間，待氮化鎵發光二極體結構完成之後再對該犧牲層進行化學性蝕刻，因此得以分離氮化鎵薄膜與藍寶石基板。化學性濕式蝕刻剝離技術雖擁有成本低且能大量量產的優點，但此一技術仍然需要完成新基板的接合之後才能進行舊基板的蝕刻分離，並且製程時間長，蝕刻溶液又多為強酸強鹼溶液，過程中容易造成磊晶層的破壞。

綜上所述，開發一種新穎用於製造發光二極體中之剝離基板 的技術必為當務之急

本發明為形成發光二極體之方法，其係利用多孔性結構層之微米或奈米柱結構並配合濕式蝕刻製程及晶圓鍵合技術之結合來完成基板剝離的目的，以製作出垂直式發光二極體。本發明之微米或奈米柱結構配合機械式剝離可以達到一次性且快速的剝離效果，並不需另外再使用雷射剝離或是時間冗長且具有破壞性的濕式蝕刻剝離。

本發明之技術特徵在於氮化鎵發光二極體結構中舊基板的剝離。幾個習知技術中：雷射剝離技術製程設備相當昂貴且機台維護費用相當高，且於大尺寸的晶圓上無法快速量產，此外，雷射在氮化鎵薄膜上產生高熱，對於磊晶層造成傷害，影響元件性質。而化學性濕式剝離技術上，雖可以改善上述成本昂貴且無法大量量產的問題，但添加一犧牲層於藍寶石基板與氮化鎵薄膜間，會影響到後續的磊晶品質，使得發光效率下降，且運用強酸強鹼的化學溶液進行蝕刻，若蝕刻時間過久，也會對磊晶 層或是金屬層造成傷害。因此申請人致力於研發設計一種新穎之剝離技術，此方法主要運用濕式蝕刻技術所產生之多孔性氮化鎵結構層，於此結構層上成長氮化鎵磊晶層，之後再進行晶圓鍵合，藉由晶圓鍵合時產生之熱應力與正向壓力進而分離氮化鎵薄膜與藍寶石基板，此技術為一次製程，製程簡易且成本低，可以同時完成新基板的晶圓鍵合和舊基板的剝離，且在大尺寸晶圓上進行快速量產也沒有問題，因為沒有另外插入犧牲層，故亦不會對氮化鎵磊晶層造成傷害。

本發明提供一種發光二極體之製造方法，其包含下列步驟： 選取一第一基板，於該第一基板上生長一第一磊晶層；以蝕刻法但不限於此法之製程在該磊晶層上形成一多孔性結構層，其中該多孔性結構層之孔洞可以有規則性排列或無規則性排列，孔洞深度可以深至該第一基板與該多孔性結構層之交接面；接著於該多孔性結構層上生長一第二磊晶層，以及於該第二磊晶層上沈積一金屬層，該金屬層可為單層金屬層或包含歐姆式接觸層、擴散阻障層、反射層以及鍵合層之複合金屬層。並於該金屬層上以晶圓鍵合方式形成一第二基板；晶圓鍵合製程中同時以機械剝離方式使該第二磊晶層、金屬層以及該第二基板自該第一基板上剝離；並將該第二磊晶層、金屬層以及該第二基板進行後續晶粒製程，以獲得一發光二極體。

較佳地，該第一基板係藍寶石基板。

較佳地，該第一磊晶層係無摻雜氮化鎵磊晶層。

較佳地，該多孔性結構層係多孔性氮化鎵結構層。

較佳地，該製造多孔性結構層法係化學濕式蝕刻法，以熔融態之氫氧化鉀進行蝕刻。

較佳地，該第二磊晶層係氮化鎵磊晶層。

較佳地，該氮化鎵磊晶層由下而上依次包含一第一披覆層、一活性發光層以及一第二披覆層。

較佳地，該第二基板係高導電性、高散熱性的金屬基板或是矽基板。

較佳地，該發光二極體係垂直式發光二極體。

本發明另外提供一種發光二極體，其係以前述之製造方法所製得之垂直式發光二極體。

藉由本發明之發光二極體的製造方法，可達到下列優點及功效：

1.本發明之發光二極體無需昂貴之雷射剝離設備或另外插入一犧牲層，其製造步驟簡易、成本低廉且適用於大面積之剝離。

2.本發明之製造方法在進行基板轉移時不需進行濕式蝕刻，不會對磊晶層造成傷害，而破壞發光效率。

3.本發明之製造方法所產生之多孔性結構層可輕易地以機械方式自基板上分離，且可同時完成晶圓鍵合和舊基板的剝離。

1‧‧‧藍寶石基板

2‧‧‧無摻雜氮化鎵磊晶層

21‧‧‧多孔性氮化鎵結構層

30‧‧‧氮化鎵磊晶層

3‧‧‧第一披覆層

4‧‧‧活性發光層

5‧‧‧第二披覆層

6‧‧‧金屬層

7‧‧‧矽基板

8‧‧‧電極層

第1圖 為於一藍寶石基板上生長一無摻雜氮化鎵磊晶層之示意圖。

第2圖 為蝕刻該無摻雜氮化鎵磊晶層形成一多孔性氮化鎵結構層之示意圖。

第3圖 為於該多孔性氮化鎵結構層上形成一氮化鎵磊晶層之示意圖。

第4圖 為沈積一金屬層於該氮化鎵磊晶層上之示意圖。

第5圖 為於該金屬層上以晶圓鍵合方式形成一第二基板後，同時以機械剝離方法自該藍寶石基板上剝離之示意圖。

第6圖 為基板傳移後進行發光二極體之晶粒製程之示意圖。

本發明將以下列實施例及圖式更為詳盡地說明本發明之發光二極體的製造方法。

本發明技術內容詳細敘述如下。請參見如第1圖所示，取一藍寶石基板1，運用有機金屬氣相沉積法於該藍寶石基板1上生長一無摻雜氮化鎵磊晶層2。

接著請參見第2圖之製備方法所示，以化學濕式蝕刻法對該無摻雜氮化鎵磊晶層2進行多孔性氮化鎵結構層21，本發明係以熔融態之氫氧化鉀進行蝕刻，並且進一步地控制蝕刻出之多孔性結構孔洞大小，於蝕刻過程中，於蝕刻剛開始時，該無摻雜氮化鎵磊晶層2即被蝕刻出許多的蝕刻孔洞來，而後加長蝕刻時間，其蝕刻液繼續會沿著孔洞進行蝕刻，當蝕刻至該無摻雜氮化鎵磊晶層2與該藍寶石基板1之交接面時，蝕刻液之蝕刻 方向會轉為水平蝕刻，在經過一定時間之後，蝕刻液會開始由下往上蝕刻，進而製造出具有多孔性氮化鎵結構層21於其上之藍寶石基板1，後續將再進行再長晶的製程。

請參見第3圖所示，接著運用有機金屬化學氣相沉積法於該 多孔性氮化鎵結構層21上依序生長為一氮化鎵磊晶層30，其中該氮化鎵磊晶層30由下而上依次包含一第一披覆層3、一活性發光層4以及一第二披覆層5。請參見如第4圖所示，再運用電子槍蒸鍍法於該第二披覆層5上塗鍍一複合金屬層6。待上述步驟皆完成之後，即可利用晶圓鍵合方式來鍵合一矽基板7並進而達到使用機械剝離的目的，請參見第5圖所示，令一矽基板7形成於該金屬層6上，運用該機械剝離方法可有效地利用鍵合時所施予之正向壓力，以及升降溫時因該矽基板7與該藍寶石基板1間所產生之熱應力，結合兩種應力便可使該多孔性氮化鎵結構層21斷裂，使得該氮化鎵磊晶層30、該金屬層6以及該第二基板7自該藍寶石基板1上脫離，而達到基板轉移之目的。

請參見第6圖所示，待完成基板轉移後，再運用乾式蝕刻法 去除殘留之該無摻雜氮化鎵磊晶層2，接著應用半導體製程技術將該氮化鎵磊晶層30、該金屬層6以及該矽基板7鍍上一電極層8來進行後續之晶粒製程，即可完成本發明之垂直式發光二極體。

利用本發明之發光二極體的製造方法，其所製造之垂直式發 光二極體無需昂貴之雷射剝離設備且可適用於大面積之剝離，另外亦不具有如化學性濕式蝕刻剝離技術之蝕刻時間過長而造成磊晶層破壞之問題。 再者，本發明之發光二極體的製造方法所製造之多孔性氮化鎵結構層21，其可為微米或奈米等級，以及其蝕刻後之外形可以是柱狀或其他規則或不規則不同之形狀體，本發明之該多孔性結構體係符合後續進行之機械式剝離以及符合後續再磊晶成長的要件。

1‧‧‧藍寶石基板

2‧‧‧無摻雜氮化鎵磊晶層

21‧‧‧多孔性氮化鎵結構層

30‧‧‧氮化鎵磊晶層

3‧‧‧第一披覆層

4‧‧‧活性發光層

5‧‧‧第二披覆層

6‧‧‧金屬層

7‧‧‧矽基板

Claims (1)

1. 一種發光二極體之製造方法，主要包括：選取一藍寶石基板上生長一無摻雜氮化鎵磊晶層，以蝕刻法蝕刻該無摻雜氮化鎵磊晶層形成一多孔性氮化鎵結構層；於該多孔性氮化鎵結構層上形成一氮化鎵磊晶層，其中該氮化鎵磊晶層由下而上依次包含一第一披覆層、一活性發光層以及一第二披覆層；於該氮化鎵磊晶層上沈積一金屬層，並於該金屬層上以晶圓鍵合方式形成一矽基板；以機械剝離方法將該氮化鎵磊晶層、該金屬層以及該矽基板自該藍寶石基板上剝離，以及；將該氮化鎵磊晶層、該金屬層以及該矽基板鍍上一電極層，透過半導體製程技術進行後續晶粒製程，以獲得一垂直式發光二極體，其特徵在於：其中該蝕刻法為化學濕式蝕刻法，係以熔融態之氫氧化鉀進行蝕刻，蝕刻開始無摻雜氮化鎵磊晶層即被蝕刻出許多的蝕刻孔洞，加長蝕刻時間，蝕刻液繼續會沿著孔洞進行蝕刻，當蝕刻至該無摻雜氮化鎵磊晶與該藍寶石基板之交接面時，蝕刻液之蝕刻方向轉為水平蝕刻，並經過一定時間之後，蝕刻液會開始由下往上蝕刻，進而製造出具有多孔性氮化鎵結構層於藍寶石基板之上，且該多孔性氮化鎵結構層係微米或奈米結構，以及；其中該機械剝離係利用鍵合時所施予之正向壓力以及升降溫，於該矽基板與該藍寶石基板間所產生之熱應力，結合兩種應力而使該多孔性氮化鎵結構層斷裂，使得該氮化鎵磊晶層、該金屬層以及該第二矽基板自該藍寶石基板上脫離以達到基板轉移。