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TWI447783B - 三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構 - Google Patents

三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構 Download PDF

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TWI447783B
TWI447783B TW097115512A TW97115512A TWI447783B TW I447783 B TWI447783 B TW I447783B TW 097115512 A TW097115512 A TW 097115512A TW 97115512 A TW97115512 A TW 97115512A TW I447783 B TWI447783 B TW I447783B
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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1A~1B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(decomposition)。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，可採不導電之原始基板為磊晶之基礎，並進一步移除該原始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，本發明一實施例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原始基板之表面；形成一圖案化之磊晶阻斷層於該第一三族氮化合物半導體層上；成長一第二三族氮化合物半導體層於該磊晶阻斷層及無覆蓋之該第一三族氮化合物半導體層上；移除該磊晶阻斷層；成長一第三三族氮化合物半導體層於該第二三族氮化合物半導體層上；沉積或黏合一導電材料層於該第三三族氮化合物半導體層上；以及將該第三三族氮化合物半導體層及其上結構自該第二三族氮化合物半導體層分離。
該磊晶阻斷層較佳地係一二氧化矽。
另包含在該第三三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。
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)。
該原始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。
該第二三族氮化合物半導體層係藉由濕蝕刻而分解，從而使得該第三三族氮化合物半導體層及該導電材料層之組合體能和該原始基板分離。
另包含介於該第三三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。
該圖案化之磊晶阻斷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。
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。
該第二三族氮化合物半導體層係呈香菇狀或香菇條狀之結構物立設於該第一三族氮化合物半導體層上。該第三三族氮化合物半導體層會自該第二三族氮化合物半導體層之各香菇狀結構物兩側橫向成長並互相接合。該第三三族氮化合物半導體層可藉由控制成長條件而改變該香菇狀結構物之形狀。
本發明一實施例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。
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
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‧‧‧原始基板
62‧‧‧第一三族氮化合物半導體層
63‧‧‧磊晶阻斷層
63'‧‧‧溝槽
64、64'‧‧‧第二三族氮化合物半導體層
65‧‧‧第三三族氮化合物半導體層
66‧‧‧金屬鏡面層
67‧‧‧導電材料層
68‧‧‧蝕刻保護層
631‧‧‧六角柱體
632、634、636、638‧‧‧溝槽
633‧‧‧圓柱體
635‧‧‧四方柱體
637‧‧‧凸部
圖1A~1B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6A~6G係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造示意圖； 圖7A~7B係本發明另一實施例之三族氮化合物半導體發光元件之製造示意圖；以及圖8A~8D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原始基板之表面，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所示，以光微影蝕刻製程於該第一三族氮化合物半導體層上先形成一圖案化之磊晶阻斷層(Epi-Mask)，例如：二氧化矽，亦即磊晶阻斷層以預設之圖案覆蓋於第一三族氮化合物半導體層之部份表面。
然後於該磊晶阻斷層及無覆蓋之該第一三族氮化合物半導體層上，再成長一第二三族氮化合物半導體層，如步驟S53所示。待該第二三族氮化合物半導體層未完全覆蓋該磊晶阻斷層時就停止成長，接著再移除該磊晶阻斷層，如步驟S54及S55所示。
根據步驟S56成長一第三三族氮化合物半導體層於該第二三族氮化合物半導體層上。並形成一金屬鏡面(metal mirror)層於該第三三族氮化合物半導體層上，如步驟S57所示，其中金屬鏡面層可反射該第三三族氮化合物半導體層所產生之光線。根據步驟S58沉積一導電材料層於該第三三族氮化合物半導體層上，例如：電鍍或複合電鍍沉積之銅(Cu)、鎳(Ni)或鎢銅合金(CuW)，如此可以形成一垂直結構之發光二極體。然尚需要將該第三三族氮 化合物半導體層及其上結構自該第二三族氮化合物半導體層分離，才能得到一單獨垂直結構之三族氮化合物半導體發光元件，如步驟S59所示。可以採蝕刻步驟將該第二三族氮化合物半導體層分解。
圖6A~6G係本發明三族氮化合物半導體發光元件之製造示意圖。於一原始基板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上形成一圖案化之磊晶阻斷層63。然後於磊晶阻斷層63及無覆蓋磊晶阻斷層63之第一三族氮化合物半導體層62上，再成長一第二三族氮化合物半導體層64，請參見圖6C。第二三族氮化合物半導體層64係由無覆蓋磊晶阻斷層63之第一三族氮化合物半導體層62上開口中央向兩側橫向成長(lateral overgrowth)，因此可以減少穿透位錯(threading dislocation)之缺陷。另一方面，開口中第二三族氮化合物半導體層64之穿透位錯缺陷會在磊晶阻斷層63上方被彎曲，並以平行於原始基板61之表面的方向延伸，且會與另一方向轉彎的位錯缺陷合併為一，如此垂直穿透位錯缺陷之密度就會大幅減少。
如圖6D所示，藉由蝕刻製程移除該磊晶阻斷層63並留下溝槽63'，則香菇狀或香菇條狀之第二三族氮化合物半導體層64會矗立於第一三族氮化合物半導體層62上。並再成長一第三三族氮化合物半導體層65於香菇狀或香菇條狀之第二三族氮化合物半導體層64上，該第三三族氮化合物半導體層65亦會自第二三族氮化合物半導體層64之各香菇狀結構物兩側橫向成長並互相接合。如圖6E所示，形成一金屬鏡面層66於第三三族氮化合物半導體層65上。
沉積或黏合一導電材料層67於該金屬鏡面層66上，例如：電鍍或 複合電鍍沉積之銅(Cu)、鎳(Ni)或鎢銅合金(CuW)，除了導電外尚可增進導熱之功效。沉積一蝕刻保護層68(例如：二氧化矽SiO2)將導電材料層67及金屬鏡面層66保護起來，故導電材料層67及金屬鏡面層66不會接觸到蝕刻液而被破壞。再利用蝕刻液進入第二三族氮化合物半導體層64中溝槽63'，如此第二三族氮化合物半導體層64及部分第三三族氮化合物半導體層65會被分解，並將處理後之第三三族氮化合物半導體層65'及其上之結構自第一三族氮化合物半導體層62分離。另外，要再將蝕刻保護層68去除，從而得到一三族氮化合物半導體發光元件60，如圖6G所示。
該金屬鏡面層66係可選擇，可根據發光元件之封裝方式而利用金屬鏡面層66反射光線。又第二三族氮化合物半導體層64及第三三族氮化合物半導體層65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。該第三三族氮化合物半導體層65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，或者可於該第三三族氮化合物半導體層65及金屬鏡面層66間再形成一發光結構層。
可以控制成長條件而改變第二三族氮化合物半導體層之形狀，例如：三族氮化合物元素之氣體流量、溫度及時間等。相較於圖6C，圖7A中第二三族氮化合物半導體層64'之頂部為一平面而非尖點。同樣移除該磊晶阻斷層63後，並依序形成第三三族氮化合物半導體層65、金屬鏡面層66、導電材料層67及蝕刻保護層68，如圖7B所示。可再利用濕蝕刻將第三三族氮化合物半導體層65及其 上之結構自第一三族氮化合物半導體層62分離，從而得到一垂直結構之三族氮化合物半導體發光元件。
圖8A~8D係本發明圖案化之磊晶阻斷層之示意圖。如圖8A所示，磊晶阻斷層63包含複數個六角柱體631及相互連通之複數個溝槽632；如圖8B所示，磊晶阻斷層63包含複數個圓柱體633及相互連通之複數個溝槽634；如圖8C所示，磊晶阻斷層63包含複數個四方柱體635及相互連通之複數個溝槽636；如圖8D所示，磊晶阻斷層63包含複數個凸部637及複數個分隔相鄰凸部637之溝槽638，又凸部637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 (14)

  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：成長一第一三族氮化合物半導體層於一原始基板之表面；形成一圖案化之磊晶阻斷層於該第一三族氮化合物半導體層上；成長一第二三族氮化合物半導體層於該磊晶阻斷層及無覆蓋之該第一三族氮化合物半導體層上；移除該磊晶阻斷層；成長一第三三族氮化合物半導體層於該第二三族氮化合物半導體層上；形成一導電材料層於該第三三族氮化合物半導體層上；以及將該第三三族氮化合物半導體層及導電材料層自該第二三族氮化合物半導體層分離。
  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，其中該磊晶阻斷層係一二氧化矽。
  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，其另包含在該第三三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。
  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，其中該原始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。
  6. 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，其中該第二三族氮化合物半導體層係藉由濕蝕刻而分解，從而使得該第三三族氮化合物半導體層及該導電材料層之組合體能和該原始基板分離。
  7. 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，其另包含介於 該第三三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。
  8. 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，其中該圖案化之磊晶阻斷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。
  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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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，其中該第二三族氮化合物半導體層係呈香菇狀或香菇條狀之結構物立設於該第一三族氮化合物半導體層上。
  13. 根據請求項12之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該第三三族氮化合物半導體層會自該第二三族氮化合物半導體層之各香菇狀結構物兩側橫向成長並互相接合。
  14. 根據請求項12之三族氮化合物半導體發光元件之製造方法，其中該第三三族氮化合物半導體層可藉由控制成長條件而改變該香菇狀結構物之形狀。
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