TWI416617B - Epitaxial structure with etching channel and its manufacturing method - Google Patents

Description

具蝕刻通道的磊晶結構及其製造方法

本發明是有關於一種半導體基板，特別是指一種具蝕刻通道的磊晶結構。

在製作光電元件時，所選用的基材往往有傳熱能力不佳等缺點，為了兼顧光電元件的磊晶品質與散熱能力，在製造元件的過程中，常見的一道製程是將該基材移除，例如將藍寶石(sapphire；化學式為Al2O3)基材剝離後，再貼合高熱傳係數的散熱板，以利光電元件的散熱性能提昇。

一種常見的移除基材方式，可利用雷射剝離技術，採用紫外光準分子雷射照射在氮化鎵磊晶膜與藍寶石基板界面，將氮化鎵緩衝層熔化達到與基板分離目的。在化學剝離技術上，例如IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL. 20,NO. 3,FEBRUARY 1,2008所揭露的「The Fabrication of Vertical Light-Emitting Diodes Using Chemical Lift-Off Process」，是將一緩衝犧牲層設置於該基材與一磊晶層間，再利用濕式蝕刻(wet etching)溶液側向蝕刻將該緩衝犧牲層破壞，以移除該基材，但由於該緩衝犧牲層與該基材間的結構緊密且完整，造成蝕刻效率過低。

而APPLIED PHYSICS LETTERS 94,221907 2009所揭露的「Doping selective lateral electrochemical etching of GaN for chemical lift-off」，是利用高摻雜使該緩衝犧牲層結構弱化，以提高蝕刻緩衝犧牲層移除基板的效率。

但前揭技術尚無法有效地提高蝕刻緩衝犧牲層移除基板效率，因此一種易於移除基板的磊晶結構為目前市場的迫切需求。

因此，本發明之目的，即在提供一種易於與基板分離的具蝕刻通道的磊晶結構。

本發明之另一目的，即在提供一種易於與基板分離的具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法。

於是，本發明具蝕刻通道的磊晶結構，包含一基板、一緩衝犧牲層及一磊晶層，該基板包括複數條自一頂面向下凹設的蝕刻通道，對應每一蝕刻通道還包括兩面界定該等蝕刻通道的斜面，該緩衝犧牲層包括複數分別形成於該基板頂面上的緩衝犧牲塊體，該磊晶層形成於該緩衝犧牲層上且蓋於該等蝕刻通道上，該磊晶層的底面與該等斜面共同圍繞界定呈倒三角形的蝕刻通道。

本發明具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，包含以下步驟：首先製備基板：製備一基板，該基板包括複數條自一頂面向下凹設的蝕刻通道，對應每一蝕刻通道還包括兩面界定該等蝕刻通道的斜面。接著，進行磊晶成長：依序自該基板頂面成長一緩衝犧牲層及一磊晶層，該緩衝犧牲層包括複數分別形成於該基板頂面上的緩衝犧牲塊體，該磊晶層形成於該緩衝犧牲層上且蓋於該等蝕刻通道上，該磊晶層的底面與該等斜面共同圍繞界定呈倒三角形的蝕刻通道。而後，進行濕式蝕刻：將濕式蝕刻溶液通入該等蝕刻通道中蝕刻該緩衝犧牲層，並於該磊晶層上形成複數條自一底面向上凹設且對應該等蝕刻通道的凹穴。

本發明之功效在於透過該基板包括複數呈倒三角形的蝕刻通道，利於濕式蝕刻溶液通入，以更快速地蝕刻該緩衝犧牲層，提高自該磊晶層移除該基板的效率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明具蝕刻通道的磊晶結構之第一較佳實施例包含一基板1、一緩衝犧牲層2及一磊晶層3。

該基板1為藍寶石基板1，該基板1包括複數呈條狀且自一頂面11向下凹設的蝕刻通道12，該等蝕刻通道12呈倒三角形，該基板1頂面11的晶格面為(0001)，該基板1對應每一蝕刻通道12還包括兩面界定該等蝕刻通道12的斜面13，該等斜面13的晶格面為{10 x }x範圍為1至8，更佳地，該等斜面13的晶格面為{102}與{104}。

該等蝕刻通道12的寬度範圍介於0.1微米至20微米間，且該等蝕刻通道12彼此間距長度與該等蝕刻通道12寬度比值為0.1至10，在本較佳實施例以1：2為較佳比例，該等蝕刻通道12斜面13左側與右側的長度比值為0.1至10，前述不同比例的斜面13皆可達成相同的功效。

更佳地，該等蝕刻通道12的寬度為2微米，而該等蝕刻通道12彼此間距長度為1微米，該等斜面13與該頂面11的夾角為10°至80°，更佳地，該等斜面13與該頂面11的夾角分別58.4°與31.6°。

該緩衝犧牲層2為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1，該緩衝犧牲層2包括複數分別形成於該基板1頂面11上的緩衝犧牲塊體21，該等緩衝犧牲塊體21不覆蓋該等蝕刻通道12。

該磊晶層3為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1，該磊晶層3形成於該緩衝犧牲層2的該等緩衝犧牲層塊體21上，且蓋於該等蝕刻通道12，該磊晶層3的底面31與該等斜面13共同圍繞界定呈倒三角形的蝕刻通道12，該磊晶層3底面31的晶格面為(0001)。

本較佳實施例具蝕刻通道的磊晶結構，在以下關於該磊晶結構的製造方法描述中，將可更清楚地看出本較佳實施例的功效。

參閱圖1，首先，進行製備基板1步驟：製備該藍寶石基板1，在該基板1上形成複數條狀的光阻結構(圖未示)，光阻材料為氧化矽，該等光阻結構寬1微米、彼此間距2微米，透過硫酸與磷酸混合溶液在該基板1上形成該等呈倒三角形的蝕刻通道12。

接著，進行磊晶成長步驟：依序自該基板1頂面11成長該緩衝犧牲層2及該磊晶層3。

在本較佳實施例中，該緩衝犧牲層2為氮化鋁，該緩衝犧牲層2僅會自該基板1的平坦頂面11磊晶成長，即該緩衝犧牲層2不會自該等斜面13磊晶成長，因此可以保持該等蝕刻通道12的暢通。

在本較佳實施例中，該磊晶層3已製備為發光二極體結構，且N型氮化鎵(n-type GaN)鄰近該緩衝犧牲層，N型氮化鎵厚度為5.5微米。

參閱圖2，該磊晶層3完成發光二極體結構的磊晶成長後，利用雷射切割技術對應每一個發光二極體結構將該磊晶層3切割成數個發光二極體，雷射切割過後，部分區域的蝕刻通道將外露，有利於後續的濕式蝕刻步驟。

更進一步說明的是，雷射切割凹槽4的深度約25微米，寬度約5至10微米，且雷射切割並未切斷該基板2。

參閱圖2與圖3，而後，進行濕式蝕刻步驟：將濕式蝕刻溶液通入該等蝕刻通道12中，側向蝕刻該等緩衝犧牲塊體21，濕式蝕刻溶液選自磷酸、硝酸、硫酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉所構成的群組，在本較佳實施例為磷酸(H₃ PO₄ )，蝕刻溫度為40℃至400℃，在本較佳實施例為80℃。

側向蝕刻該等緩衝犧牲塊體21時，同時向上蝕刻該磊晶層3，於該磊晶層3底面31形成複數條自底面31向上凹設且對應該等蝕刻通道12的凹穴32，該等凹穴32近似菱形，該等凹穴32的晶格面為{10}，x範圍為1至8，該等凹穴32與底面31的夾角為10°至80°，更佳地，x為1，且該等凹穴32與底面31的夾角為58.4°，在本較佳實施例中，該磊晶層3原為VA-LED(V-shaped air-channels LED)，經過濕式蝕刻後成為RA-LED(rhombus-like air-void structure LED)。

最後，將該基板1與該磊晶層3彼此分離，由於該等凹室32將該磊晶層3形成粗糙表面，有助於發光二極體的光取出效率，與平坦表面的發光二極體(ST-LED，standard LED)相比，本較佳實施例粗糙表面的發光二極體RA-LED光取出效率提昇至65%，且出光的發散角(divergence angles)也降低。

參閱圖4，值得一提的是，在分離該基板1與磊晶層3後，會有部分的緩衝犧牲塊體21仍殘留於該磊晶層3上，但對發光二極體的出光性能影響不大，因此無論是否移除或保留殘留的緩衝犧牲層2，該磊晶層3的該等凹穴32皆可提供良好的光取出效率。

綜上所述，透過該基板1上的該等蝕刻通道12讓濕式蝕刻溶液更容易通入，以更快速地蝕刻該緩衝犧牲層2，提高自該磊晶層3移除該基板1的效率，此外，在蝕刻移除的製程中，一併將該磊晶層3底面31粗糙化，有助於提高光取出效率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．基板

11．．．頂面

12．．．蝕刻通道

13．．．斜面

2．．．緩衝犧牲層

21．．．緩衝犧牲塊體

3．．．磊晶層

31．．．底面

32．．．凹穴

圖1是側視示意圖，說明本發明具蝕刻通道的磊晶結構的一較佳實施例；

圖2是側視示意圖，說明本較佳實施例通入濕式時科劑；

圖3是照片，說明本較佳實施例的一磊晶層的複數凹穴；及

圖4是照片，說明本較佳實施例的磊晶層上殘留的緩衝犧牲層。

1．．．基板

11．．．頂面

12．．．蝕刻通道

13．．．斜面

2．．．緩衝犧牲層

21．．．緩衝犧牲塊體

3．．．磊晶層

31．．．底面

32．．．凹穴

Claims (19)

1. 一種具蝕刻通道的磊晶結構，包含：一基板，包括複數條自一頂面向下凹設的蝕刻通道，對應每一蝕刻通道還包括兩面界定該等蝕刻通道的斜面；一緩衝犧牲層，包括複數分別形成於該基板頂面上的緩衝犧牲塊體；及一磊晶層，形成於該緩衝犧牲層上且蓋於該等蝕刻通道上，該磊晶層的底面與該等斜面共同圍繞界定呈倒三角形的蝕刻通道。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該等蝕刻通道的寬度範圍介於0.1微米至20微米間。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該等蝕刻通道彼此間距長度與該等蝕刻通道寬度的比值為0.1至10。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該基板為藍寶石基板，該緩衝犧牲層為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1，該磊晶層為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該基板的該等斜面的晶格面為{10 x }x範圍為1至8，該基板頂面的晶格面為(0001)。
6. 根據申請專利範圍第4項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該緩衝犧牲層的對應濕式蝕刻溶液選自磷酸、硝酸、硫酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉所構成的群組，蝕刻溫度為40℃至400℃。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該基板的該等蝕刻通道斜面的長度比值為0.1至10。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該基板的該等斜面與該頂面的夾角為10°至80°。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，進行濕式蝕刻後該磊晶層包括複數條自一底面向上凹設且對應該等蝕刻通道的凹穴。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之具蝕刻通道的磊晶結構，其中，該磊晶層凹穴的晶格面為{10}，x範圍為1至8，該磊晶層的該等凹穴與底面的夾角為10°至80°。
11. 一種具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，包含以下步驟：一、製備基板：製備一基板，該基板包括複數條自一頂面向下凹設的蝕刻通道，對應每一蝕刻通道還包括兩面界定該等蝕刻通道的斜面；二、磊晶成長：依序自該基板頂面成長一緩衝犧牲層及一磊晶層，該緩衝犧牲層包括複數分別形成於該基板頂面上的緩衝犧牲塊體，該磊晶層形成於該緩衝犧牲層上且蓋於該等蝕刻通道上，該磊晶層的底面與該等斜面共同圍繞界定呈倒三角形的蝕刻通道；及三、濕式蝕刻：將濕式蝕刻溶液通入該等蝕刻通道中側向蝕刻該緩衝犧牲層，並於該磊晶層上形成複數條自一底面向上凹設且對應該等蝕刻通道的凹穴。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟一中，該等蝕刻通道的寬度範圍介於0.1微米至20微米間。
13. 根據申請專利範圍第11項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟一中，該等蝕刻通道彼此間距長度與該等蝕刻通道寬度的比值為0.1至10。
14. 根據申請專利範圍第11項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟二中，該基板為藍寶石基板，該緩衝犧牲層為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1，該磊晶層為氮化鋁銦鎵Al_x In_y Ga_1-x-y N，0≦x，y≦1。
15. 根據申請專利範圍第14項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟一中，該基板的該等斜面的晶格面為{10 x }x範圍為1至8，該基板頂面的晶格面為(0001)。
16. 根據申請專利範圍第14項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟三中，濕式蝕刻溶液為磷酸，蝕刻溫度為40℃至400℃。
17. 根據申請專利範圍第11項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟一中，該基板的該等蝕刻通道斜面的長度比值為0.1至10。
18. 根據申請專利範圍第17項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟一中，該基板的該等斜面與該頂面的夾角為10°至80°。
19. 根據申請專利範圍第11項所述之具蝕刻通道的磊晶結構的製造方法，該步驟三中，該磊晶層凹穴的晶格面為{10}，x範圍為1至8，該磊晶層的該等凹穴與底面的夾角為10°至80°。