TWI351775B - - Google Patents

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1351775 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種固態發光元件（solid-state light emitting device)的製作方法，特別是指一種高信賴性之固態 發光元件的製作方法。 【先前技術】 隨著發光二極體（light emitting diode’以下簡稱LED) 在一般日常生活中與工業應用中所扮演的角色日趨重要， 其需求量亦隨著其重要性的提昇而日漸增加。 以目前LED相關領域中待解決的問題觀之，常見者有 諸如：因藍寶石（sapphire)基板散熱不足而影響LED本身的 發光效率、因 GaN系蟲晶膜内部差排密度（dislocation density)過高而降低内部量子效率（internal quantum efficiency)，或者因不良的製作方法所導致的信賴性不足等 問題。 LED相關領域者皆知，為解決因藍寶石基板散熱不足 的問題，在常見的解決方法中，主要是利用晶圓鍵合（wafer bonding)的技術手段，利用金屬鍵合層（bonding layer)將 GaN系蟲晶膜與熱傳性（thermal conductivity)高且具導電性 的基板予以鍵合；其中’蟲製有GaN糸蠢晶膜的蟲晶基板（ 如，低熱傳性的藍寶石）則是利用此技術領域所知悉的雷射 剝離（laser lift-off，以下簡稱LLO)技術，對形成於藍寶石 基板與GaN系磊晶膜之間的GaN緩衝層進行光裂解反應， 以使得GaN緩衝層中的Ga與N產生分離進而移除藍寶石 5 1351775 基板。 雖然上述晶圓鍵合技術與LLO技術可將GaN系磊晶膜 轉貼到散熱性佳的基板並移除低熱傳性的藍寶石基板，以 解決LED的散熱問題；然而，由於實施在GaN緩衝層的光 裂解反應疋屬於爆炸反應（expl〇si〇n reacti〇n)，其於剝離過 程中將增加差排延伸的機率；因此，LED在長期使用之下 ’亦將於此延伸的缺陷中形成漏電路徑，並造成信賴性品 質上的缺失。 參閱圖 1，Seong-Jin Kim 於 Phy. Stat. Sol.⑷ 203, Νο·5，997-1004 (2006)中揭露一種利用濕式钱刻法製作垂直 導通（vertical-electrode)的發光二極體！。該垂直導通的發光 二極體1，包含：一 p-電極11、一厚度約5 μπι並具有一環 形開口 121的藍寶石基板12、一夾置於該ρ·電極丨丨與該藍 寶石基板12之間的GaN系磊晶膜π、一夾置於該ρ_電極 11與§亥GaN系蠢晶膜13之間的共晶金屬（eutectic metai)14 、及一夾置於該p-電極11與該共晶金屬14之間且厚度約 100 μιη的Si基板15，一填置於該環形開口 121並與該

GaN糸蟲晶膜13歐姆接觸（ohmic contact)的η-電極16。 該垂直導通的發光二極體1的製作方法主要是使用晶 圓鍵合的技術並配合使用濕式蝕刻法所完成。由於Se〇ng_ Jin Kim僅於前揭文章中揭示出最終的元件圖式；因此以 下是在未配合元件製作流程圖式的情況下，僅配合參閱圖i 來說明Seong-Jin Kim於前揭文章中所揭示的製作方法。

Seong-Jin Kim主要是先將磊製有該GaN系為晶膜13 6 351775 的藍寶石基板12預先研磨達約8〇 μm的厚度；進一步地， 利用該共晶金屬（Pt/Au/Ti/Pt/Au)丨4透過晶圓鍵合技術以將 該Si基板15與該GaN系磊晶膜丨3予以鍵合。 接續，利用混合有H2S〇4肖η3Ρ04的濕式姓刻劑對該 該藍寶石基板12施予32(TC的濕式蝕刻以將該藍寶石基板 12钱刻達趨近5 μιη的厚度；進一步地，於該藍寶石基板 12上形成一具有一環形開口的Si〇2遮罩（mask)，並利用 250°C之ΗΘ〇4濕式蝕刻劑以3〇 nm/min之蝕刻速率移除該 環形開口處的藍寶石，進而形成該藍寶石基板12的環形開 口 121。在完成該環形開口 121後’於該環形開口 121内填 置入該η-電極16。 最後，研磨該si基板15達趨近100 μηι的厚度，並於 該Si基板15形成該ρ_電極u以完成該垂直導通的發光二 極體1。

Seong-Jin Kim所揭示的濕式蝕刻法雖然可不需透過 LLO技術將藍寶石基板移除以解決散熱的問題。然而，該 藍寶石基板12在實施濕式蝕刻法以形成該環形開口 121之 刖，尚有一道機械研磨的薄化處理（lapping and p〇iish process)及一道濕式蝕刻法的薄化處理；此外，以移除該環 形開口處的藍寶石之蝕刻速率為3〇 nm/min計算，5 厚 的藍寶石則需花費約2小時。因此，Se〇ng_Jin Kim所揭示 的方法不僅製程繁複，亦相當耗時。 再者，由於該GaN系磊晶膜13的總膜層厚度僅6 左右；因此，當厚度約5 μηι的該藍寶石基板12於形成該 7 衣形開口 121的過程時，厚度僅約6 μιη的GaN系磊晶膜 13不僅無法阻隔濕式蝕刻劑對該共晶金屬14的破壞；此外 ’ δ玄共晶金屬14亦將因遭受濕式蝕刻劑的破壞而影響元件 的信賴性品質。 經上述說明可知，尋求簡易的製作方法以製得高信賴 十生的固‘4發光元件’是當前開發固態發光元件相關領域者 所待突破的課題。 【發明内容】 <發明概要> 有鑑於Seong-Jin Kim在先前技術中所使用的濕式蝕刻 法對元件信賴性品質所造成的影響。本發明主要是先於一 蟲晶基板上的一第一磊晶膜中形成相互交錯且連通並定義 出複數柱體的溝槽，進一步地，於該第一磊晶膜再成長 (regrowth)-具有一 pn接面（pn juncti〇n)的第二磊晶膜。後 續，亦透過晶圓鍵合技術以使該第二磊晶膜與一導電性基 板鍵合。 而移除磊晶基板的技術，則是利用毛細現象 (capillarity)以於該等溝槽中引入僅對該等磊晶膜產生蝕刻 反應的濕式蝕刻劑，藉以使得濕式蝕刻的反應速率得以因 反應表面積的增加而變快；另，該磊晶基板則是因該第一 磊晶膜中的柱體是優先地受濕式蝕刻劑所侵蝕而得以快 速地被移除掉。此外，值得—提的是，該等溝槽與柱體的 整體結構可使得該第二蟲晶膜於再成長期間抑制差排的延 伸，因此，整體固態發光元件的内部量子效率亦得以有效 地被提昇。 <發明目的〉

因此，本發明之目的，即在提供一種高信賴 發光7L件的製作方法。 固L 於是’本發明高信賴性之„發光元件的 包含以下步騾： 万法 ⑷於一 m板上的H晶膜形成複數相互交錯 且連通並定義出複數柱體的溝槽； ⑻對該第-以膜施予再成長以形成—具有pn接面的 第二磊晶膜； ⑷利用-金屬鍵合膜將該第二蟲晶膜與—導電性基板 鍵合； ⑷於該等溝槽内引入濕式蝕刻劑以蝕刻各相鄰溝槽間 的柱體並移除該磊晶基板；及 g ⑷於該第-磊晶膜與第二磊晶膜丨中一者形成至少一 接觸電極。 本發明之功效在於，提供既簡易又省時的製作方法以 製得ϋ性品質優異且内部量子效率高的固態發光元件。 【實施方式】 <發明詳細說明> 參閱圖2、圖3與圖4，本發明高信賴性之固態發光元 件的製作方法之一較佳實施例，包含以下步驟： (a)於一磊晶基板2上的一第一磊晶膜3形成複數相互 交錯且連通並定義出複數柱體31的溝槽32 ; 1351775 (b)對該第一磊晶膜 曰s膜3知予再成長以形成一具有pn接面 的第二磊晶膜4 ; 0)利用—金屬鍵合獏5 第一初晶膜4與一導電性 基板6鍵合； ⑷於該等溝槽32内mu刻劑7以㈣各相鄰溝 槽32間的柱體31並移除該蟲晶基板2,·及 〇)於該第一磊晶膜3盥_石曰 /、弟一秘日日膜4其中一者形成至 >' —接觸電極8。

本發明該步驟⑷主要是則毛細縣於 引入濕式蝕刻劑7。而值得— a 内 如的疋，當該步驟（a)的溝槽 槽寬度不足時，將影響濕式钮刻劑7渗透於該等溝 槽32内特透量並降低㈣速率；另，當該步驟⑷之柱體 31的柱體尺寸過大時，不僅影響濕式關速率，亦將i法 有效地抑制形成於該第二蟲晶膜4内的差排量（圖未示）。因

此’如圖4所示’較佳地’定義該步驟⑷的溝槽32之溝槽 寬度與相鄰溝槽32間之柱體31的柱體尺寸分別為D^d，曰 D是介於5 nm〜麵nm之間，d是介於5咖~麵⑽ 之間。又本發明並非僅侷限於如圖4所顯示之圓形柱體才 可實施，凡是藉由柱體共同定義出相互交錯且連通的溝槽 之結構ϋ於在溝槽内引入濕式钮刻齊！，例如：正方形 柱體、六角柱體、三角柱體等。 另，值得一提的是，當該步驟0)之柱體31的長徑比 (aspect ratio)過大時，那麼，在製作過程中，該等枉體η 將容易因些微的撞擊而產生斷裂。因此，參閱圖5,較佳地 10 1351775 ，疋義該步驟（a)之溝槽32的溝槽深度為h，H/D是介於2 400之間。更佳地，d是介於5〇 nm〜5〇〇 nm之間；D是 介於20 nm〜500 nm之間；H/D是介於5〜1〇〇之間。又更 佳地，d是介於50 nm〜300 nm之間；D是介於2〇 nm〜 3〇〇nm之間；Η/D是介於5〜5〇之間。 又值得一提的是，當H/D之比值足夠大時，那麼，在 完成該步驟⑷之後的該第—蟲晶m 3則尚留下有未被該濕 式蝕刻劑7蝕刻掉並可增加本發明之固態發光元件的光取 出率的柱體31。因此，參閱圖6，本發明之製作方法的另 一較佳實施例，是於該步驟（d)之後更包含一步驟（d，）。該步 驟（d)疋對该第一磊晶膜3的該等柱體31施予薄化處理。 在本發明之一具體例中，該步驟（e)是於該第二磊晶膜4上 形成一接觸電極8 ;在本發明之另一具體例中，該步驟⑷是 於該第-蠢晶膜3的部分柱體31上分別形成—接觸電極8 〇 該導電性基板6受該濕式蝕刻劑7的影響雖然不大， 但為進一步地保有該導電性基板6的完整外觀。因此，再 參圖3，較佳地，本發明之製作方法於該步驟（c)之後更包含 —步驟（c，），該步驟（c，）是於該導電性基板6的一表面包裹 —蝕刻阻障層（etching stop layer)9;該步驟⑷、（〇之金屬 鍵合膜5與蝕刻阻障層9兩者與該等磊晶膜3、4是互為高 選擇蝕刻（selective etching)比的材料。而值得一提的是，由 於該步驟（c)之金屬鍵合膜5與該等磊晶膜3、4是互為高選 擇蝕刻比的材料；因此，本發明若省略該步驟（c，）的蝕刻阻 11 1351775 - 障層9，僅直接將元件放置於該濕式蝕刻劑7中並避免該濕 式蝕刻劑7接觸該導電性基板6，亦可以於該等溝槽32内 引入該濕式蝕刻劑7。 適用於本發明該步驟（a)之磊晶基板2是藍寶石基板， 該步驟（a)、（b)第一、二磊晶膜3、4是使用GaN系材料； 該步驟（c’）之蝕刻阻障層9是選自氮化矽（SixN)或氧化矽 (Si02);該導電性基板6是選自p-Si、p-SiC或p-GaAs。在 本發明該等具體例中，該第一磊晶膜3是由η-GaN所構成 • ;該第二磊晶膜4是經由一 η-GaN層41、一 p-GaN層42 及一夾置於該η-GaN層41與該p-GaN層42間的多重量子 井（MQW)層43以構成該pn接面；該步驟（c)之金屬鍵合膜 5是由一依序形成於該第二磊晶膜4的Ni/Au/Cr/Pt/Au層 51及一依序形成於該導電性基板6的Cr/Pt/Au層52所構成 。值得一提的是’該Ni/Au/Cr/Pt/Au層51亦可以是以一 Ag/Ni/Au/AuSn 層、一 Cr/Au 層、一 Ti/Au 層、一 Ti/Pt/Au 層、一 Ni/Pd/Au 層、一 Ni/Au 層、一 ITO/Ti/Au 層、一 ® ITO/Ni/Au 層，或一 ITO/Ti/Pt/Au 層所取代。 本發明之主要技術特徵是在於，利用毛細現象以於該 等溝槽32内引入濕式蝕刻劑7來蝕刻該等柱體31並移除 該磊晶基板2 ;另，利用高選擇性蝕刻比的技術以使得濕式 蝕刻劑僅優先地蝕刻該等柱體31，並避免因該濕式蝕刻劑 7對該金屬鍵合膜5造成損壞而影響元件的電性連接與信賴 性品質。相關於該第二磊晶膜4中的各膜層結構並非本發 明之技術重點，因此，於此不再多加贅述。 12 1351775 適用於本發明該步驟（d)的濕式蝕刻劑是使用濃度介於 0·01 Μ〜〇.〇4 Μ之間的K〇H水溶液；且較佳地，該步驟（d) 的餘刻反應溫度是介於25°C~l〇〇°C之間。更佳地，該步驟 (d)的蝕刻反應溫度是介於6〇。〇〜1〇〇。〇之間，該步驟（^的蝕 刻反應時間是介於20分鐘〜40分鐘之間。 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之三個具體例的詳細說明中，將可清楚 的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 <具體例1> 本發明高信賴性之固態發光元件的製作方法之一具體 例1是簡單地說明於下。 再參閱圖2,首先，於該磊晶基板2上的第一為晶膜3 形成該等柱體31並界定出該等溝槽32。在本發明該具體例 1中’ δ亥第一蟲晶膜3是n-GaN ’且該等柱體31的d值是 介於90 nm〜100 nm之間，該等通道32的D值與η值分 別是介於50 nm〜100 nm之間與1000 nm〜11〇〇 nm之間（ 如所示圖4及圖5)。 進一步地，對該第一磊晶膜3施予再成長以形成該第 二磊晶膜4，並利用該金屬鍵合膜5以350。(：持溫1小時的 熱壓條件將該第二磊晶膜4與該導電性基板6予以鍵人。 在該具體例1中，該導電性基板6是p-Si ^此外，亦可於該 導電性基板6下形成一 p-電極（圖未示）。 13 1351775 再參圖3,於該導電性基板6的表面包裹該蝕刻阻障層 9並浸泡於該濕式蝕刻劑7中，以於該等溝槽32内引入該 濕式蝕刻劑7並移除該磊晶基板2。在本發明該具體例i中 ’該蝕刻阻障層9是Si〇2 ;該濕式蝕刻劑是濃度介於〇 〇1 Μ〜0.03 Μ之間的KOH水溶液，蝕刻反應溫度是介於75。〇 ~ioo°c之間，且蝕刻反應時間是介於25分鐘〜3〇分鐘之間 。最後，移除該蝕刻阻障層9並於該第二磊晶膜4上形成 該接觸電極8。 <具體例2> 本發明高信賴性之固態發光元件的製作方法之一具體 例2大致上是相同於該具體例丨，其不同處是在於，該等柱 體31的d值是介於140 nm〜16〇 nm之間，該等通道32的 D值是介於100 nm〜150 nm之間，該等通道32的h值是 介於1400 nm〜1500 nm之間。 <具體例3>

再參閱圖6,本發明高信賴性之固態發光元件的製作方 法之一具體例2大致上是相同於該具體例丨，其不同處是在 於，该第一蟲晶膜3的該等柱體31之d值是介於丨％ 210 nm之間，該第一磊晶膜3的該等通道32之d值與η 值分別是介於150 nm〜200 nm之間與19〇〇 nm〜2〇〇〇 η 之間，此外，該第一磊晶膜3的該等柱體3丨是進一步地被 施予薄化處理’以使得該第一遙晶膜3的柱體31與該第= 蟲晶膜4的n-GaN層41的總厚度約為】. 又钓1 μιη，且該等接 電極8是均勻地分別形成在部分柱體31上。 14 1351775 本發明該等具體例之細部製作條件是簡單地整理於下 列表1.中。 表1. 製程參數 具體例1 具體例2 具體例3 d 值（nm) _^〇~110 140 〜160 190 ~ 210 D 值（nm) 50 〜100 100 ~ 150 150 〜200 Η 值（nm) 1000 〜1100 1400 〜1500 1900 〜2000 H/D 10 〜22 9.3 ~ 15 9.5 〜13.3 蝕刻劑（組成） KQH KOH KOH 蝕刻劑濃度（Μ) 0.01 〜0.03 0.01 ~ 0.03 〇 〜0 03 蝕刻溫度（°C ) 75 〜1〇〇 75 ~ 100 75 〜100 蝕刻時間（min) 25 〜30 25 〜30 25 ~ 30 I刖述表1_的整理說明可知，本發明不僅因不需薄化 藍寶石基板而節省製作工時；此外，該等柱體31增加了濕

式蝕刻反應的表面積，因此，在移除該磊晶基板2的製程 上僅化費約30分鐘的時間；再者，本發明亦沒有習知所使 用之LLO技術所存有的信賴性缺失；又，該等柱體3ι與溝 槽32的結構，使得該第二磊晶膜4内的差排密度得以下降 ，因此，整體元件的内部量子效率得以提昇，而該具體例3 的柱體31亦提供了優異的外部量子效率。 絲上所述，本發明高信賴性之固態發光元件的製作方 法既簡易又省_，可製得高信賴性品質之固態發光元件， 確貫達到本發明之目的。 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 15 1-351775 ^圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一正視示意圖，說明習知 所制你一 以知種利用濕式鞋刻法 所製作之垂直導通的LED ; 圖2疋一元件製作流程示意圖， ^ ^ , 闽况明本發明高信賴性 之固態發光元件的製作方法之一較 衩侄實施例之前段流程；

圖3是一元件製作流程音 ^ ^ 〜'圖說明本發明該較佳實 知例之後段流程； 圖4是-俯視示㈣，說明本發明該較佳實施例之一 第一磊晶膜中的柱體與溝槽間之關係； 圖疋JE視不思圖，說明本發明該較佳實施例之溝 槽寬度與溝槽深度間的關係；及 圖6疋—正視示意圖，說明由本發明高信賴性之固態 發光兀件的製作方法之另一較佳實施例的後段流程。

16 1351775 【主要元件符號說明】 2…… • 日日基板 3…… ••第 S日膜 31 ··.· …··柱體 32..... .....溝槽 4…… 第《— 日日膜 41 •… -----n-GaN 層 42 -----p-GaN 詹 43...·· 多重1子井層 5…… …·金屬鍵合膜 51 .........Ni/Au/Cr/Pt/Au 層 52 .........Cr/Pt/Au 層 6 ..........導電性基板 7 ..........濕式蝕刻劑 8 ..........接觸電極 9 ..........钱刻阻障層 d ..........柱體尺寸 D..........溝槽寬度 Η..........溝槽深度 17

Claims (1)

1. 十、申謗專利範面·· 包含以下步 L 一種高信賴性之固態發光元件的製作方法 驟： ⑷於-g基板上的n晶膜形成複數相互交錯且 連通並定義出複數柱體的溝槽； (b)對該第-蟲晶膜施予再成長以形成—具有μ接面的 第二蟲晶膜； ⑷利用-金屬鍵合膜將該第二蠢晶膜與—導電性基板鍵 合； ⑷於該等溝槽内引入濕式蝕刻劑以蝕刻各相鄰溝槽間的 柱體並移除該磊晶基板；及 ⑷於該第-磊晶膜與第二蟲晶膜其中—者形成至少一接 觸電極® 2·依據中請專利範圍第i項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法’其中，定義該步驟⑷的溝槽之溝槽寬度 與相鄰溝槽間的柱體之柱體尺寸分別為D與d，d是介 於5 nm〜1000 nm之間，d是介於5 nm〜1〇〇〇⑽之間 依據申叫專利範圍第2項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法’其中’定義該步驟⑷之溝槽的溝槽深度 為Η，Η/D是介於2〜4〇〇之間。 4.依據申吻專利範圍第3項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法，於該步驟⑷之後更包含-步驟（d，），該 步驟（d )疋對該第一磊晶膜的該等柱體施予薄化處理。 18 •依據申1專利範圍第丨項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法’於該步驟⑷之後更包含一步驟(c’)，該 V驟（C )疋於该導電性基板的一表面包裹一蝕刻阻障層 ，該步驟（C)、（c’）之金屬鍵合膜與蝕刻阻障層兩者與該 等磊晶膜是互為高選擇蝕刻比的材料。 依據中W專利|έ圍第5項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法，其中’該步驟(a)、(b)之第-、二磊晶 獏疋使用GaN系材料；該步驟（c)之金屬鍵合膜是由一 依序形成於該第二磊晶膜的Ni/Au/Cr/pt/Au層及一依序 形成於该導電性基板的Cr/Pt/AU層所構成；該步驟（c，） 之钱刻阻障層是選自氮化矽或氧化矽。 7.依據申請專利範圍第6項所述之高信賴性之固態發光元 件的製作方法’其中，該步驟（d)的濕式蝕刻劑是使用濃 度介於0.01 Μ〜〇·〇4 Μ之間的KOH水溶液；該步驟（d) 的蝕刻反應溫度是介於25°c 〜1〇(rc之間。

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