TWI411125B - 三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構 - Google Patents

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Description

三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構
本發明是關於一種三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構，尤係關於一種用於成長發光二極體發光結構之製造方法及其結構。
目前以氮化鎵或第三族氮化物為發光材料的發光二極體常利用藍寶石作為基板，主要是藍寶石與第三族氮化物的晶格常數不匹配程度較低(一般仍需要緩衝層以改善晶格常數之不匹配)。但是以藍寶石為基板也有許多缺點，例如：絕緣性很大，如此會使得第三族氮化物的發光二極體不容易製作出垂直元件的結構。因此，利用其他材料(如碳化矽)來做為基板，以改善上述缺點的技術一直不斷研發。而碳化矽因其傳導性可以作為導體基板，並且碳化矽與第三族氮化物發光層的晶格不匹配率較小，因此可以利用氮化鎵、氮化鋁鎵等緩衝層使第三族氮化物磊晶於碳化矽基板上，且碳化矽具高穩定性，而使得碳化矽日漸重要。雖然藉由氮化鎵、氮化鋁鎵等緩衝層使得第三族氮化物能磊晶於碳化矽基板上，但是第三族氮化物與碳化矽的晶格匹配率仍然比氮化鋁與碳化矽 的晶格匹配率來的低。因此當氮化鎵、氮化鋁鎵磊晶緩衝層形成於矽化碳基板上，仍很容易於之後的磊晶層中造成缺陷，且碳化矽基板之成本較高。
圖1(a)~1(b)係美國第US 6,071,795號專利之基板分離示意圖。先於一藍寶石基板11上依序形成一分離區12及一氮化矽層13，然後將接合層14塗佈於氮化矽層13之表面。藉由接合層14之粘著特性，再將一矽基板15與前述藍寶石基板11之疊層結構相互粘合。利用一雷射光束16穿透過藍寶石基板11表面以照射分離區12，從而使得分離區12之材料分解(decompos it ion)。再清除分解後殘留之分離區12之材料，就能得到矽基板15及氮化矽層13之組合體。但由於矽基板15和氮化矽層13之間有不導電之接合層14，因此仍無法作為垂直元件的基礎結構。而且接合層14若塗佈或材料選用不佳會影響粘合結果，甚至造成薄膜之氮化矽層13產生缺陷。
圖2係美國第US 6,740,604號專利之基板分離示意圖。本習知技術與圖1A~1B中習知技術相似。第一半導體層21及第二半導體層22亦藉由雷射光束23照射介面，從而使第二半導體層22於介面處產生分解，最後可以將第一半導體層21自第二半導體層22上分離。該第二半導體層22可以是形成於一基板上之膜層，亦即以一基板取代第一半導體層21，再將該二者分離。
圖3係美國第US 6,746,889號專利之基板分離前之示意圖。先於一基板31上成長數個磊晶層，其包含一第一型導體區32、一發光PN接面區33及一第二型導體區34。自第二型導體區34方向切割該數個磊晶層之切割道36，如此就於基板31上形成複數個分離之發 光二極體晶粒35。再將第二型導體區34與一次固定物(submount)31粘合。以類似前述習知技術，同樣以雷射光穿透基板31表面，而使得基板31和第一型導體區32分離。分離之發光二極體晶粒35可以自次固定物31上取下，從而進行封裝製程。很明顯，切割該數個磊晶層後，各發光二極體晶粒35粘合於固定物31時容易因外力而彼此推擠，所以容易晶崩(die crack)造成損壞。
圖4係美國第US 6,617,261號專利之基板分離示意圖。先於一藍寶石基板41形成氮化鎵層42，再以蝕刻製程於氮化鎵層42形成複數個溝渠44。然後以黏膠將一矽基板43粘合於該具溝渠44之氮化鎵層42表面，並以紫外線準分子雷射45發出之雷射光束46照射藍寶石基板41。雷射光束46穿過透明之藍寶石基板41，進一步接觸及分解氮化鎵層42，如此就能得到一具有氮化鎵層42之矽基板43。然而該氮化鎵層42分解處尚需以鹽酸處理殘餘之鎵，及修補該表面才能進行後續之磊晶製程。
前述習知技術幾乎都是採用高能量之雷射光來分離基板或發光二極體元件，然此類方式處理速度慢，且需要昂貴之設備來執行。綜上所述，市場上亟需要一種確保品質穩定及可量產之基板分離技術，俾能改善上述習知技術之各種缺點。
本發明之主要目的係提供一種三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構，可採不導電之暫時基板為磊晶之基礎，並進一步移除該暫時基板而形成一垂直導通結構之三族氮化合物半導體 發光元件。
本發明之另一目的係提供一種三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構，其係使用既有之製程及設備，因此能降低製造之成本。
為達上述目的，本發明揭示一種三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其包含下列步驟：成長一第一三族氮化合物半導體層於一暫時基板之表面；以光微影蝕刻製程圖案化該第一三族氮化合物半導體層；形成一第二三族氮化合物半導體層於該已圖案化之第一三族氮化合物半導體層上；形成一導電材料層於該第二三族氮化合物半導體層；以及自該第一三族氮化合物半導體層分離以得到第二三族氮化合物半導體層及導電材料層之組合體。
該光微影蝕刻製程包含下列步驟：於該第一三族氮化合物半導體層上先形成一圖案化之介電遮罩層；蝕刻該第一三族氮化合物半導體層無覆蓋該介電遮罩層之部份；以及移除該介電遮罩層，其中該介電遮罩層係一光阻層。
本實施例另包含在該第二三族氮化合物半導體層及該導電材料層之間形成一金屬鏡面層之步驟。又另包含於該第二三族氮化合物半導體層及該金屬鏡面層之間形成一N型半導體材料層、一主動層及一P型半導體材料層之步驟。
該導電材料層係藉由電鍍沉積之銅或鎳層。
本實施例另包含去除該第二三族氮化合物半導體層表面存留之該第一三族氮化合物半導體層之步驟。該第一三族氮化合物半導體 層係藉由乾蝕刻或濕蝕刻去除。
該暫時基板之材料係藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵。
該第一三族氮化合物半導體層係藉由照射雷射光束而分解，從而使得該第二三族氮化合物半導體層及該導電材料層之組合體能和該暫時基板分離。
該圖案化之第一三族氮化合物半導體層係包含複數個凸部及複數個溝槽。該複數個凸部係六角柱體、圓柱體或四方柱體，該複數個溝槽分別圍繞各該凸部周圍。或該複數個凸部係狹長條狀物，該複數個溝槽分隔相鄰該凸部。
本發明另揭示一種三族氮化合物半導體發光元件，包含：一三族氮化合物半導體層；一金屬鏡面層，係形成於該三族氮化合物半導體層上；以及一導電材料層，係形成於該金屬鏡面層上。
該三族氮化合物半導體層之材料係AlxInyGa1-x-yN，其中0≦x≦1及0≦y≦1。
該導電材料層係藉由電鍍或複合電鍍沉積之銅(Cu)、鎳(Ni)或鎢銅合金(CuW)。
本實施例另包含於該第二三族氮化合物半導體層及該金屬鏡面層之間設有一N型半導體材料層、一主動層及一P型半導體材料層。
11‧‧‧藍寶石基板
12‧‧‧分離區
13‧‧‧氮化矽層
14‧‧‧接合層
15‧‧‧矽基板
16‧‧‧雷射光束
21‧‧‧第一半導體層
22‧‧‧第二半導體層
23‧‧‧雷射光束
31‧‧‧基板
32‧‧‧第一型導體區
33‧‧‧發光PN接面區
34‧‧‧第二型導體區
35‧‧‧發光二極體晶粒
36‧‧‧切割道
41‧‧‧藍寶石基板
42‧‧‧氮化鎵層
43‧‧‧矽基板
44‧‧‧溝渠
45‧‧‧紫外線準分子雷射
46‧‧‧雷射光束
61‧‧‧暫時基板
62、62'‧‧‧第一三族氮化合物半導體層
63‧‧‧介電遮罩層
64‧‧‧第二三族氮化合物半導體層
65‧‧‧金屬鏡面層
66‧‧‧導電材料層
67‧‧‧蝕刻保護層
621‧‧‧六角柱體
622、624、626、628‧‧‧溝槽
623‧‧‧圓柱體
625‧‧‧四方柱體
627‧‧‧凸部
圖1(a)~1(b)係美國第US 6,071,795號專利之基板分離示意圖； 圖2係美國第US 6,740,604號專利之基板分離示意圖；圖3係美國第US 6,740,604號專利之基板分離前之示意圖；圖4係美國第US 6,617,261號專利之基板分離示意圖；圖5係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造流程圖；圖6(a)~6(i)係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造示意圖；以及圖7(a)~7(d)係本發明圖案化之第一三族氮化合物半導體層之示意圖。
圖5係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造流程圖。如步驟S51所示，成長一第一三族氮化合物半導體層於一暫時基板之表面，例如：藍寶石(亦即鋁氧化合物Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵(GaAs)等。再根據步驟S52至步驟S54中光學微影蝕刻製程之步驟，於該第一三族氮化合物半導體層上先形成一圖案化之介電遮罩層(dielectric mask layer)，例如：光阻層；蝕刻該第一三族氮化合物半導體層無覆蓋該介電遮罩層之部份；移除該介電遮罩層，則能得到相同圖案化之第一三族氮化合物半導體層。
如步驟S55所示，於該圖案化之第一三族氮化合物半導體層上形成一第二三族氮化合物半導體層。並在第二三族氮化合物半導體層上形成一金屬鏡面(metal mirror)層，參見步驟S56。如步驟S57所示，沉積導電材料層於金屬鏡面層上，例如：電鍍或複合 電鍍沉積之銅(Cu)、鎳(Ni)或鎢銅合金(CuW)。如步驟S58所示，最後將第二三族氮化合物半導體層、金屬鏡面層及導電材料層自該第一三族氮化合物半導體層分離，可以採蝕刻步驟將該第一三族氮化合物半導體層分解；或是以雷射光束自透明的暫時基板處照射，如此也可以使該第一三族氮化合物半導體層分解。
圖6(a)~6(i)係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造示意圖。於一暫時基板61之表面成長一第一三族氮化合物半導體層62，並於該第一三族氮化合物半導體層62上形成一圖案化之介電遮罩層63。第一三族氮化合物半導體層62無覆蓋該介電遮罩層63之部份被蝕刻去除，再移除該介電遮罩層63如此得到相同圖案化之第一三族氮化合物半導體層62'，請參見圖6(d)。接著，於圖案化之第一三族氮化合物半導體層62'上形成一第二三族氮化合物半導體層64，並在第二三族氮化合物半導體層64上形成一金屬鏡面層65。該金屬鏡面層65係可選擇，可根據發光元件之封裝方式而利用金屬鏡面層65反射光線。或可選擇於第二三族氮化合物半導體層64上先形成N型半導體材料層、主動層及P型半導體材料層，然後再形成金屬鏡面層65。
如圖6(g)所示，沉積導電材料層66於金屬鏡面層65上，及施以蝕刻保護層67(例如：二氧化矽SiO2)將導電材料層66及金屬鏡面層65保護起來。再利用蝕刻液進入第一三族氮化合物半導體層62'中溝槽，並將第一三族氮化合物半導體層62'自暫時基板61分離。因受到蝕刻保護層67之保護，故導電材料層66及金屬鏡面層65不會接觸到蝕刻液而被破壞。由於第二三族氮化合物半導體層64 表面仍可能殘存第一三族氮化合物半導體層62'，因此還要藉由濕蝕刻修復第二三族氮化合物半導體層64之表面，亦即去除殘存之第一三族氮化合物半導體層62'，如圖6(i)所示。另外，要再將蝕刻保護層67去除。又第一三族氮化合物半導體層62及第二三族氮化合物半導體層64之材料可以是AlxInyGa1-x-yN，其中0≦x≦1及0≦y≦1，有助於利用磊晶之方式在其表面上成長N型氮化鎵摻雜矽薄膜。該第二三族氮化合物半導體層64可以是發光結構，亦即包含N型半導體層、主動層(或發光層)及P型半導體層。或者可於該第二三族氮化合物半導體層64上再形成發光結構。
圖7(a)~7(d)係本發明圖案化之第一三族氮化合物半導體層之示意圖。如圖7(a)所示，第一三族氮化合物半導體層62被蝕刻為複數個六角柱體621及相互連通之複數個溝槽622；如圖7(b)所示，第一三族氮化合物半導體層62被蝕刻為複數個圓柱體623及相互連通之複數個溝槽624；如圖7(c)所示，第一三族氮化合物半導體層62被蝕刻為複數個四方柱體625及相互連通之複數個溝槽626；如圖7(d)所示，第一三族氮化合物半導體層62被蝕刻為複數個凸部627及複數個分隔相鄰凸部627之溝槽628，又凸部627係一狹長條狀物。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

  1. 一種三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，包含下列步驟：成長一第一AlxInyGa1-x-yN半導體層於一暫時基板之表面；於該第一AlxInyGa1-x-yN半導體層上先形成一圖案化之介電遮罩層；蝕刻該第一AlxInyGa1-x-yN半導體層無覆蓋該介電遮罩層之部份；以及移除該介電遮罩層以光微影蝕刻製程圖案化該第一AlxInyGa1-x-yN半導體層；形成一第二AlxInyGa1-x-yN半導體層於該已圖案化之第一AlxInyGa1-x-yN半導體層上；形成一導電材料層於該第二AlXInyGa1-x-yN半導體層；通過蝕刻該第一AlxInyGa1-x-yN半導體層以移除該暫時基板；以及藉由濕蝕刻去除殘存之第一AlxInyGa1-x-yN半導體層以得到該第二AlxInyGa1-x-yN半導體層及該導電材料層之組合體，其中0<x≦1及0≦y≦1。
  2. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該介電遮罩層係一光阻層。
  3. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其另包含在該第二AlxInyGa1-x-yN半導體層及該導電材料層之間形成一金屬鏡面層之步驟。
  4. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中 該導電材料層係藉由電鍍或複合電鍍沉積之銅(Cu)、鎳(Ni)或鎢銅合金(CuW)。
  5. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該暫時基板之材料係碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵。
  6. 根據請求項3之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其另包含於該第二AlxInyGa1-x-yN半導體層及該金屬鏡面層之間形成一N型半導體材料層、一主動層及一P型半導體材料層之步驟。
  7. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該圖案化之第一AlxInyGa1-x-yN半導體層係包含複數個凸部及複數個介於該複數個凸部中間之溝槽。
  8. 根據請求項8之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該複數個凸部係六角柱體、圓柱體或四方柱體，該複數個溝槽分別圍繞各該凸部周圍。
  9. 根據請求項8之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該複數個凸部係狹長條狀物，該複數個溝槽分隔相鄰該凸部。
  10. 根據請求項3之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其另包含於該導電材料層及該金屬鏡面層表面施以一蝕刻保護層之步驟。
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