TWI433349B - 垂直發光二極體裝置結構及其製造方法 - Google Patents

Description

垂直發光二極體裝置結構及其製造方法

本發明係關於LED製造，且更特定言之，係關於垂直LED之製造及由此形成之LED元件。

相關申請案之交叉參考

本申請案為以下申請案之部分接續申請案：於2011年2月22日申請之美國臨時專利申請案61/445,516、於2010年10月26日申請之美國專利申請案第12/912,727號、於2007年8月10日申請之美國專利申請案第11/891,466號、於2008年3月22日申請之美國專利申請案第12/058,059號(現為美國專利第7,846,753號)及於2009年3月31日申請之美國專利申請案第12/415,467號，該等申請案之所有揭示內容以引用之方式併入本文中。

包括GaN基材料之垂直發光二極體(LED)作為光源正變得愈加風行。通常，包括GaN之磊晶材料層歸因於高品質藍寶石基板之低成本可用性而沉積在諸如藍寶石(Al₂ O₃ )之非GaN基板上。然而，高功率GaN基LED在使用期間產生相當高之熱量；此熱量需要有效地耗散，以便使得能夠使用大尺寸LED光源，並延長LED之使用壽命。

儘管藍寶石基板可以生長高品質磊晶層，但藍寶石基板既不導電亦不導熱，且必須由一良好之導熱體替換後才能用於最終之LED元件封裝。

有多種技術可以將藍寶石替換為一導熱基板。在其中一種技術中，使用準分子雷射來起離分解GaN之界面區域，從而得以移除藍寶石生長基板。移除藍寶石基板之雷射起離方法揭示於美國專利第6,455,340號、第7,001,824號及第7,015,117號中。然而，當前用於製造GaN發光二極體之雷射起離方法與習知半導體製程不相容，此係因為其涉及昂貴雷射設備之使用。另外，雷射起離可對剩餘半導體層造成損壞，諸如破裂。

在一替代技術中，將一新的主體基板黏接至磊晶材料層表面，隨後使用化學機械拋光來移除藍寶石生長基板。使用化學機械拋光(CMP)，可顯著節省成本。此外，拋光係一種較溫和之方法，與雷射起離相比，導致較小之損壞。然而，在黏接一新的主體基板之前，歸因於各種元件製程，磊晶材料層之表面可能不平。當將一新基板黏接至一不平表面時，可能出現黏接空隙，從而減小黏接黏附力及/或在所得元件中造成應力。

因此，此項技術中需要用於在LED元件製造中將新主體基板黏接至磊晶層之改良技術。

本發明係關於一種形成化合物半導體LED元件(諸如GaN基LED元件)之方法。本發明針對各種製程步驟使用的一些方法在美國已公開專利申請案第2009-0218590號、第2008-0197367號、第2011-0037051號及美國專利第7,846,753中都有描述，該等申請案及專利之揭示內容以引用之方式併入。在此等申請案及專利中，藍寶石為用作主體基板之材料，在其上製造化合物半導體層。

在此等共同讓渡之專利及申請案中，生長基板(諸如藍寶石)具有在其上生長之包括GaN之化合物半導體磊晶層，諸如InGaN。磊晶層之典型厚度為3微米至10微米，且生長基板為約430微米。

在凸台圖案化之後，在形成渠溝之一些區域中部分或完全地移除磊晶層。依序沉積介電材料層及硬質材料層並圖案化。金剛石或似金剛石碳為例示性硬質材料。硬質材料在生長基板移除製程期間充當拋光終止材料。硬質材料之典型厚度為1至5微米。由於硬質材料之存在，晶圓表面變得不平，且台階高度大於1微米。

因此，為了將一新主體基板黏接至所得之不平的磊晶層，本發明提供一種金屬層，該金屬層沉積在磊晶層上，隨後平坦化該沉積之金屬層。將一新主體基板黏接至該經平坦化之金屬層，並移除第一生長基板。使用切割以形成單獨的LED元件。

根據本發明，其中沉積在以磊晶方式形成之半導體層(特別是包括GaN或包括GaN之化合物半導體材料之半導體層)上之金屬層可在將黏接至一新主體基板之前加以平坦化，而形成垂直LED。在本文中使用時，術語「在...上」意謂一層在另一層上方，且在一或多個地方與該層直接接觸，或藉由選用之中間材料層與下層隔開。圖1A描繪用於形成複數個LED晶粒之整個晶圓之一部分，該複數個LED晶粒將最終加工成LED元件以供併入於照明器具或照明裝置中。為易於說明，僅描繪幾個LED晶粒。在圖1A中，提供能夠支撐磊晶生長之第一基板110。例示性基板材料包括藍寶石、矽、AlN、SiC、GaAs及GaP，但應理解，能夠支撐隨後形成之化合物半導體材料層之磊晶生長的任何材料皆可用作基板110。化合物半導體(諸如GaN或InGaN)之磊晶層120形成在基板110上。儘管InGaN被描繪為例示性材料，但應理解，取決於LED之總體所要顏色，亦可使用其他化合物半導體，諸如InGaP、AlInGaN、AlInGaP、AlGaAs、GaAsP或InGaAsP，但不限於此；因此，圖式中之標記「InGaN」僅用於表示此種化合物半導體層。儘管在圖中未展示，但各種作用層結構可包括在層120中，諸如多量子井(MQW)結構、n摻雜及p摻雜材料(其可與上文以引用方式併入之先前專利申請案中所描述者相同或不同)。注意，圖1A僅展示晶圓之一部分，其將最終分離成多個單獨LED元件。一典型晶圓包括形成於一大支撐基板晶圓上之多個晶粒，以使得可同時產生眾多晶粒(其最後將製造成最終元件)。

在形成垂直LED之起始材料層之後，渠溝130形成於多層結構120中(在圖1A中已形成)。選擇乾式蝕刻(諸如電漿蝕刻，且特別是感應耦合電漿蝕刻)用於形成渠溝130。

一鈍化材料層140形成於渠溝130中。鈍化材料至少覆蓋渠溝之側壁及基底。所選之鈍化材料包括介電質，諸如氧化矽、氮化矽等等。一硬質材料150形成於鈍化材料上，且經圖案化而暴露磊晶半導體材料，該硬質材料150在生長基板移除製程期間充當拋光終止層。該硬質材料之硬度大於磊晶半導體層之硬度。硬質材料150之典型厚度為1至5微米。

在圖1之實施例中，一部分硬質材料覆蓋至少一部分磊晶半導體層120，從而在此區域上形成一硬質材料「肩」。結果，如圖1A所示，由於該硬質材料薄膜「肩」之存在，整個表面變得不平，且台階高度通常大於1微米。硬質材料薄膜可選自金剛石、似金剛石碳、諸如SiC之碳化物、諸如氮化硼之氮化物，但不限於此等材料。以上製程步驟之詳細描述可見於以上以引用方式併入之專利申請案及專利中。

如圖1A中所見，一金屬層160選擇性地沉積在半導體結構120上。該金屬層可充當一電連接，例如，p電極連接，且可用於在半導體層中產生之光的光學反射。典型金屬包括鎳、銀、鈦、鋁、鉑，及其合金，但可充當電連接及光學反射之任何金屬或其他導電材料皆可用於層160，層160與所選之磊晶半導體材料120相容。

一沉積金屬層170覆蓋該結構之整個表面。典型金屬沉積厚度為10至100微米。因為在金屬沉積之前基板結構並不平坦，所以沉積後之金屬表面175亦不平坦，如圖1A中之表面175所見。較佳地，沉積金屬之導熱率高於130 W/m‧K，以便有效地耗散來自發光半導體層結構120之熱。

為了準備將金屬層170黏接至一新主體基板，金屬表面175經平坦化以形成圖1B中之新的、平坦的金屬層表面177。平坦化可選自機械、化學、化學機械或熱回焊(thermal reflow)平坦化技術。典型之最終金屬厚度為1至80微米。對於使用雷射切割技術來分離LED晶片，大於80微米之金屬厚度並非最佳的。然而，若使用其他切割技術(例如，機械切割技術)，則可視情況選擇更厚之金屬層。新表面繼而準備好用於隨後之晶圓黏接製程。

在圖1C中，一新的主體基板200藉由一層薄之黏接層180黏接至金屬層170之新表面177。新主體基板通常係非金屬且具有高導熱率之材料(導熱率高於130 W/m‧K)，如SiC、AlN、矽或其他半導體材料；然而，取決於最終應用，亦可選擇金屬基板。新主體基板理想地擁有足夠之機械強度，以便在隨後之處理中充分支撐半導體材料層，且易於由雷射或機械切割鋸來切割。新主體基板之原始厚度通常大於100微米；然而，該原始厚度取決於所選之原始整體尺寸。黏接層180可為金屬，諸如金屬焊料或具有良好傳導性之任何其他合適之永久黏接材料。因為金屬表面177係平坦的，所以在黏接之主體基板200上不會發生晶圓破裂或黏接空隙。

如圖1D中所見，新主體基板200視情況經由任何習知機械、化學或化學機械薄化技術被薄化，然而，取決於新主體基板之原始厚度及最終所要厚度，可能不需要薄化。個別裝置之典型最終厚度為50至500微米。接著，藉由諸如拋光或化學機械拋光之合適技術，移除生長基板110。此時，發光半導體層結構120已成功地自原始生長基板110轉移至新主體基板200。

在圖1E中，該結構之方位已倒轉(「倒裝」)，新主體基板200在底部，且發光半導體層結構120在頂部。為了形成單獨元件，通常使用切割來分離每個LED。如圖1E所示，使用雷射切割來分離，但可使用任何其他裝置分離技術。有利地，較之於其他分離技術，雷射切割形成窄之切口寬度(小至10微米)。當使用雷射切割時，雷射鋸切深度大約至新主體基板200，但通常不需要完全雷射分離。如圖1F所示，使用位於新主體基板200下方之劈裂工具190，可藉由機械劈裂將LED裝置元件分開。

一分離之元件展示於圖1G中。半導體層結構120包括InGaN磊晶層(3至10微米)。視情況，在元件分離後，位於半導體層結構120之周圍區域處的硬質材料150之「肩」部分保留。層170係高導熱率金屬層(1至80微米，導熱率大於130 W/m‧K)，且元件200係新主體基板(50至150微米)。

圖2A至圖2G描繪本發明另一態樣，其中硬質材料層150'僅沉積在渠溝130中。硬質材料可部分地或完全地填充渠溝130。因為硬質材料150'不與半導體材料120完全共面，所以在沉積金屬層170之後仍存在一不平之表面，且仍需要平坦化。

在圖2G'中，已藉由任何習知技術或藉由選擇分離位置移除硬質材料150'(使得硬質材料150'在裝置分離期間移除)。以此方式，鈍化材料140在半導體材料120周圍形成外邊緣。

在分離成單獨元件後，垂直LED經封裝，且併入至LED照明器具中。封裝可包括添加各種磷光粉或其他化合物以改變發出之LED光之感知色彩。

雖然上述發明已關於各種實施例加以描述，但此等實施例並非限制性的。一般熟習此項技術者將理解眾多變化及修改。認為此等變化及修改包括於所附申請專利範圍之範疇內。

110．．．第一基板

120．．．磊晶層/發光半導體層結構

130．．．渠溝

140．．．鈍化材料層

150．．．硬質材料

150'．．．硬質材料

160．．．金屬層

170．．．沉積金屬層

175．．．初始金屬表面

177．．．平坦化後金屬層表面

180．．．黏接層

190．．．劈裂工具

200．．．新主體基板

圖1A至1G描繪根據本發明之一態樣之形成垂直LED之方法。

圖2A至2G描繪根據本發明之一態樣之形成垂直LED之另一方法。

圖2G'描繪根據本發明之一態樣之另一垂直LED結構。

120．．．磊晶層/發光半導體層結構

140．．．鈍化材料層

160．．．金屬層

170．．．沉積金屬層

180．．．黏接層

200．．．新主體基板

Claims (18)

1. 一種製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，該複數個發光二極體晶粒包括化合物半導體磊晶層，該等化合物半導體磊晶層具有一或多層氮化物基化合物半導體材料，且將一新主體基板黏接至該化合物半導體垂直發光二極體，該方法包含：提供一第一生長基板，其能夠支撐其上之化合物半導體磊晶生長；在該第一生長基板上形成一或多個化合物半導體材料磊晶層；在該化合物半導體材料之至少一部分中形成一或多個渠溝；在一或多個渠溝中沉積一鈍化材料；至少部分地在該一或多個渠溝中沉積一硬質材料，該硬質材料之硬度大於該化合物半導體材料之硬度；在該化合物半導體材料上沉積一高導熱率金屬層；平坦化該沉積之金屬層以形成一實質上平坦之金屬層，用於隨後之新主體基板之黏接；將該新主體基板黏接至該金屬層，該新主體基板為高導熱率基板；及移除該第一生長基板。
2. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其中該硬質材料額外地沉積在至少一部分該化合物半導體材料之上，以在該化合物半導體材料上形成一硬質材料肩。
3. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其進一步包含：選擇性地沉積金屬層在至少一部分該化合物半導體材料之上，該等金屬層形成電極、光學反射器，或兼顧兩種功能。
4. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其進一步包含：在該經平坦化之金屬層與該新主體基板之間沉積一黏接金屬，其中該新主體基板為一非金屬材料。
5. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其中該硬質材料為金剛石、似金剛石碳、氮化硼或碳化矽。
6. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其中該生長基板係藉由拋光或化學機械拋光而移除。
7. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其進一步包含裝置分離以形成單獨發光二極體。
8. 如請求項7之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其中該裝置分離係雷射切割。
9. 如請求項1之製造複數個化合物半導體垂直發光二極體晶粒之方法，其中該等化合物半導體磊晶層中之至少一者包括GaN或InGaN。
10. 一種形成照明元件之方法，該發光元件併有如請求項7之化合物半導體垂直發光二極體，該方法包含封裝該等分離之元件。
11. 一種化合物半導體垂直發光二極體結構，該結構包含化合物半導體磊晶層，該等化合物半導體磊晶層具有一或多層氮化物基化合物半導體材料且可被黏接至一新主體基板之上，該結構包含：一或多個化合物半導體材料磊晶層，其形成一垂直發光二極體之一部分；一或多個渠溝，其形成於至少一部分該化合物半導體材料之中，從而在該化合物半導體材料內產生複數個晶粒；一鈍化材料層，其沉積於該一或多個渠溝內；一硬質材料，其至少部分地沉積在該一或多個渠溝中，該硬質材料之硬度大於該化合物半導體材料之硬度；一高導熱率平坦化金屬層，其沉積於該化合物半導體材料上，該金屬層具有大於130 W/m‧K之導熱率及為約1至80微米之厚度；一黏合層，其位於該平坦化金屬層上；及一新的高導熱率主體基板，其經由該黏合層黏接至該平坦化金屬層，且具有為約50至500微米之厚度。
12. 如請求項11之化合物半導體垂直發光二極體結構，其中該硬質材料額外地沉積於至少一部分該化合物半導體材料之上。
13. 如請求項11之化合物半導體垂直發光二極體結構，其進一步包含選擇性地沉積之金屬層，該等金屬層位於至少一部分該化合物半導體材料之上，該等金屬層形成電極、光學反射器，或兼顧兩種功能。
14. 如請求項11之化合物半導體垂直發光二極體結構，其中該硬質材料為金剛石、似金剛石碳、氮化硼或碳化矽。
15. 如請求項11之化合物半導體垂直發光二極體結構，其中該等化合物半導體磊晶層中之至少一者包括GaN或InGaN複合化合物材料。
16. 一種半導體垂直發光二極體，其係經由渠溝自如請求項11之該結構分離而來，使得該硬質材料沿著化合物半導體層之側壁而保留。
17. 如請求項16之半導體垂直發光二極體，其中該硬質材料已自鄰近於該化合物半導體材料之區域移除。
18. 一種包括經封裝之如請求項16之垂直發光二極體之照明元件。