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TWI464909B - 發光二極體 - Google Patents

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TWI464909B
TWI464909B TW101131497A TW101131497A TWI464909B TW I464909 B TWI464909 B TW I464909B TW 101131497 A TW101131497 A TW 101131497A TW 101131497 A TW101131497 A TW 101131497A TW I464909 B TWI464909 B TW I464909B
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wafer
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陳振
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東芝股份有限公司
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Description

發光二極體
本發明一般係關於在矽基板上製造的GaN型藍光LED及其製造方法與結構。
一發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種可將電能轉換成光的固態裝置。當供應一電壓通過相反摻雜的摻雜層時，光會從夾在該等摻雜層之間的半導體材料的一主動層發出。目前有許多由不同材料製成，且具有不同結構並且以不同方式執行的不同的LED裝置結構。某些發出雷射光，某些產生非單色以及非同調光。某些適合特定應用。某些為高功率裝置，而其他則不是。某些發出的光為紅外線輻射，而其他則發出許多顏色的可見光，另外其他則發出紫外光。某些製造成本昂貴，而其他則較便宜。針對一般商業照明應用，常使用藍光LED結構。這種藍光LED具有可包含銦鎵氮(indium-gallium-nitride)的多重量子井(Multiple Quantum Well，MQW)主動層，可例如發出波長範圍440奈米到490奈米的非單色非同調光。然後通常利用螢光粉塗佈，以吸收部分發出的藍光。螢光粉依序發出螢光以發出其他波長的光線，如此，整體LED裝置所發出的光線具有較寬廣的波長範圍。發出較寬廣波長範圍的整體LED裝置通常稱為「白光」LED。
雖然能夠取得氮化鎵基板晶圓，不過價格昂貴。因此，市面上藍光LED的磊晶層通常成長於其他種基板的晶圓上，例如藍寶石 基板。不過這些其他基板仍舊相當昂貴。個人電腦內常用的積體電路一般都製造在矽基板上。隨著運用於電腦工業的矽基板的大量生產，矽基板與藍寶石基板比較起來相對便宜。而且，由於積體電路製造公司經常升級製造設施以跟上積體電路製造技術的進步，所以二手的矽基板晶圓半導體製程設備通常可低價購得。因此從成本的觀點來看，吾人想要在相對便宜的矽基板晶圓上製造GaN型LED，並且使用可取得的二手半導體製程設備來處理這種矽晶圓，不過在矽基板上成長高品質氮化鎵磊晶層仍舊有許多問題。
然而，由於矽的晶格常數與氮化鎵的晶格常數有相當大的差異，因此在矽基板上成長高品質的氮化鎵磊晶層伴隨著許多問題。當氮化鎵磊晶成長於矽基板上時，所成長的磊晶材料會展現出非所預期的高密度晶格缺陷。若氮化鎵層成長到足夠厚，則氮化鎵層內的應力會導致後續成長的部分氮化鎵材料產生某種裂痕。再者，矽與氮化鎵具有不同的熱膨脹係數。例如若包含設置在一矽基板上的一氮化鎵的結構之溫度提高，則該結構的矽材料部分之膨脹率會與氮化鎵材料部分之膨脹率不同。這些不同的熱膨脹率會讓LED裝置之許多層之間的應力上升。此應力可能導致破裂以及其他問題。更進一步，因為氮化鎵為複合材料而矽為元素材料，所以在矽基板上難以成長氮化鎵。從無極性轉變成極性結構，結合大部分晶格的不匹配，而產生缺陷。針對這些與其他因素，大部分市面上可購得的白光LED裝置之磊晶LED結構的部分並不是成長於矽基板上。因此思考用於在矽基板上製造藍光LED的改良式製程以及結構。
製造在矽基板上成長的藍光LED通常也牽涉到晶圓貼合。在一個先前技術製程中，一磊晶藍光LED結構成長於一非GaN基板上，以形成一裝置晶圓結構。在該磊晶LED結構上形成一層銀，作為一反射鏡。然後在該銀反射鏡上設置包含多個週期的鉑和鈦鎢(titanium-tungsten)的一阻障金屬層。每一週期內的該鉑層都為一奈米的薄層。每一週期內的鈦/鎢層厚度都大約10奈米，並且包含大 約百分之九十的鎢。在此提供五個以上的這種週期。一旦以此方式形成該裝置晶圓結構，則一載體晶圓結構被晶圓貼合至該裝置晶圓結構。然後去除該裝置晶圓結構的原始非氮化鎵基板，並將產生的該晶圓貼合結構切割形成LED裝置。在此先前技術製程中，使用一貼合金屬層將該載體晶圓結構晶圓貼合至該裝置晶圓結構。此貼合金屬層包含一金/錫子層。在晶圓貼合期間將該金/錫子層熔化時，由於該多週期的阻障金屬層的厚度以及使用較短的一高溫循環來熔化該貼合金屬，所以來自此金/錫子層的錫不會穿透該銀層。此先前技術製程已知運作良好。
在本發明的第一創新態樣中揭示包含一藍光LED裝置的一白光LED組件。該藍光LED裝置利用在一矽基板上磊晶成長一低阻抗層(Low Resistance Layer，LRL)來製造。在一個範例中，一緩衝層直接成長於該矽晶圓基板上，接著無摻雜氮化鎵的一樣板層直接成長於該緩衝層上，然後該LRL直接成長於該樣板層上。
在本發明的一個範例中，該LRL為包含多個週期的一超晶格結構，其中每一週期都是薄的(厚度低於300奈米)，並且包含相對厚的一氮化鎵子層(例如厚度100奈米)以及相對薄的一無摻雜氮化鋁鎵(aluminum-gallium-nitride)子層(例如厚度25奈米)。該LRL的底部子層為一氮化鎵子層。該LRL的頂端子層也為一氮化鎵子層。該LRL內總共有四個無摻雜氮化鋁鎵子層。
該藍光LED裝置包含夾在兩相對摻雜層之間的一含銦發光主動層。這種一主動層夾在兩相對摻雜層之間結構稱為一「PAN結構」。該PAN結構的n型層直接成長於該LRL的上表面上，如此該n型層直接設置在該LRL的氮化鎵子層上。該n型層也可包含氮化鎵以及氮化鋁鎵週期，但是該n型層的該等氮化鎵子層的厚度大體上比該LRL的該等氮化鎵子層的厚度還要厚。此外，該n型 層的該等氮化鋁鎵子層的厚度大體上比該LRL的該等氮化鋁鎵子層的厚度還要薄。該n型層的該等氮化鋁鎵子層摻雜矽，具有超過1x1018 原子/立方公分的矽濃度，而該LRL的該等氮化鋁鎵子層則未摻雜，並且具有低於1x1018 原子/立方公分的矽濃度。
在後續製程中，該矽裝置晶圓結構的表面側被晶圓貼合至包含一導電載體的一載體晶圓結構。該導電載體可例如為被摻雜而能導電的一單晶矽晶圓。此晶圓貼合之後，利用化學機械研磨及/或其他合適的方法，去除原始的該矽晶圓基板。
在本發明的一第一特定範例中，去除該原始矽晶圓基板、該緩衝層以及該樣板層，但是留下該LRL的至少一部分。在該去除步驟之後，留下的該LRL層的露出表面為一氮化鎵子層。加入電極，並且將該晶圓貼合結構切割成個別藍光LED裝置。在每一個藍光LED裝置內，該PAN結構的該n型層直接地接觸該LRL的至少一部分。該LRL在該LRL/n型層介面上的一板阻抗低於該n型層在該LRL/n型層介面上的一板阻抗。該n型層的該板阻抗超過每平方十五歐姆。
在這種藍光LED裝置內，該LRL具有兩種功能。一第一功能為在成長該n型氮化鎵層的該製程中，該LRL的存在降低了該n型層內本應該存在的晶格缺陷密度。該LRL的功能為阻止來自該下方樣板層內的錯位趨勢往上延伸至該n型層。一第二功能為電流擴展功能，形成該LRL，致使俗稱為二維氣體的高移動性電子存在於該LRL的該等超晶格層內。在此二維電子氣體的結果之下，該LRL/n型層介面上該LRL的該板阻抗大體上低於該n型層的該板阻抗。該相對低電阻係數的LRL有利於該n型層一側上的橫向電流擴展。因此，LED運作期間通過該LRL/n型層介面平面的電流更均勻，若該LRL不存在則否。
在本發明的第二特定範例中，移除全部該原始矽晶圓基板、該緩衝層、該樣板層以及該LRL層。完全移除該LRL。加入電極， 並且將該晶圓貼合結構切割成個別的LED裝置。在每一個LED裝置內，由於該LRL已被完全移除，因此該PAN結構的該n型層並不與該LRL的任何一部分接觸。在此第二特定範例中，該LRL提供降低該n型層內晶格缺陷密度的該第一功能。
在本發明的第二創新態樣中，一晶圓貼合製程包含利用熔化一共熔金屬層，將一載體晶圓結構晶圓貼合至一裝置晶圓結構，藉此形成一晶圓貼合結構。在熔化之前，該裝置晶圓結構包含設置在一基板上的一磊晶LED結構，例如一矽基板上已經成長該磊晶LED結構。該裝置晶圓結構進一步包括設置在該磊晶LED結構之上的一非反應性阻障金屬層。在一個範例中，該非反應性阻障金屬層為厚度超過50奈米的一單一鈦層。在一個範例中，該共熔金屬層包含一第一金子層、一金/錫子層以及一第二金子層，其中該金/錫子層設置在該兩金子層之間。熔化該共熔金屬層時，該非反應性阻障金屬層避免來自該共熔層的錫擴散通過該非反應性阻障層。在一個特定範例中，該磊晶LED結構與該非反應性阻障金屬層之間有一高反射性銀層。此銀層提供一反射鏡功能，也同時當成與該磊晶LED結構的一電接點。該非反應性阻障金屬層避免來自該共熔貼合金屬層的錫在該晶圓貼合製程期間進入此銀層。假如允許該錫擴散進入該銀反射鏡，會降低該銀反射鏡的反射係數，而且會提高該銀接點的接觸電阻係數。
在一第一優勢態樣中，熔化該共熔金屬層的一高溫循環包含將該載體晶圓結構加熱至超過280℃的一溫度(例如310℃)，並且維持此溫度超過一分鐘。在一第二優勢態樣中，至少一個鉑層設置於該磊晶LED結構與該載體晶圓結構的該載體之間，且該磊晶LED結構與該載體之間所有鉑層的厚度總合小於200奈米。在一第三優勢態樣中，該磊晶LED結構與該載體之間只有一層鉑層。此鉑層提供避免銀的電遷徙的一銀包覆功能。該鉑包覆層的厚度低於200奈米。晶圓貼合形成一晶圓貼合結構。晶圓貼合之後，移除該裝置 晶圓結構的該矽基板、將電極加入剩餘的晶圓貼合結構，然後將該晶圓貼合結構切割形成藍光LED裝置。
鉑為一相當昂貴的金屬，而鈦則便宜許多。前述先前技術當中說明的該先前技術晶圓貼合製程包含五個以上的鉑層，每一層的厚度可為100奈米以上。該先前技術製程當中使用500奈米以上的鉑。本說明書所述的該創新非反應性金屬貼合製程藉由減少單一層鉑的用量到厚度小於200奈米可降低在矽基板上製造藍光LED的成本。
在本發明的第三創新態樣中，利用在一矽基板之上使用一硫化鋅(ZnS)當成一轉換緩衝層，磊晶成長一n型氮化鎵(GaN)層來製造一藍光LED裝置。在一個範例中，該ZnS緩衝層的厚度為50奈米，並且該n型GaN層的厚度為至少2000奈米。在該ZnS緩衝層上成長該n型GaN層降低該n型GaN層內的晶格缺陷密度。首先，該ZnS緩衝層提供與該矽基板匹配良好的一晶格常數，以及用於後續GaN成長的一化合極性樣板(compound polar template)。第二，利用有機金屬化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD可容易製備ZnS，如此可在一個成長室內成長所有磊晶層。第三，該ZnS的熔點為1850℃，足夠高的熔點使其在GaN沉積期間不會變成不穩定。最後，若氮化鋁(AlN)層也用於當成該緩衝層的一部分，則該ZnS層用來當成該AlN層與該矽基板之間的一擴散阻障物。在形成該磊晶LED結構的該等磊晶層之後，一載體晶圓結構晶圓貼合至其中該載體晶圓結構包括一導電載體的結構。然後，從該晶圓貼合結構移除該原始矽基板與該ZnS緩衝層。之後加入電極，並且將該晶圓貼合結構切割形成完成的LED裝置。
在本發明的第四創新態樣中，一垂直GaN型藍光LED裝置具有一n型層，其包括多個導電介入層。在一個範例中，該n型層包括複數個週期，並且該n型層的每一週期都包括一氮化鎵(GaN)子 層以及一摻雜矽的氮化鋁鎵(AlGaN：Si)介入子層。在一個範例中，每一GaN子層的厚度都為900奈米，每一AlGaN：Si介入子層的厚度都小於25奈米。因為AlGaN的晶格常數比GaN小，所以該等AlGaN：Si介入層提供一壓縮應力(compresive strain)給該等GaN子層，避免破裂。在每一介入層之後，重疊於上方的該GaN子層的品質在較低晶格缺陷密度的情況下有所改善。此外，該等AlGaN：Si層具有導電性(例如每立方公分1x107 至1x109 個缺陷)，並且具有大於1x1018 原子/立方公分的矽濃度。在該磊晶LED結構的該等磊晶層形成之後，一載體晶圓結構晶圓貼合至其中該載體晶圓結構包括一導電載體的該裝置晶圓結構。然後移除該晶圓貼合結構的該原始矽基板。之後加入電極，並且將該晶圓貼合結構切割形成完成的LED裝置。由於該等AlGaN：Si介入子層具有導電性(例如電阻係數=1x10-2 ．Ω．cm)，因此不需要將其從最終的LED裝置內移除，而是將該整個n型層留在該完成的藍光LED裝置內，並且具有至少兩千奈米的厚度，以提供強化的電流擴散並且提供更多n型GaN材料來容納表面粗糙度。
在本發明的一第五創新態樣中，直接在矽基板上形成一碲化鋅(ZnTe)層或一二氧化鈦(TiO2 )層當成緩衝層。然後選擇性地在該ZnTe層之上形成AlN層或其他合適緩衝層，當成該緩衝層的一第二層。然後在該緩衝層上形成一GaN樣板層。接著在該樣板層之上形成一磊晶LED結構。該磊晶LED結構為一GaN藍光LED的磊晶LED結構。因此，具有包括鎵與氮的一主動層。將產生的該結構稱為一第一多層結構。然後，將一導電載體貼合至該第一多層結構。然後移除該矽基板與該緩衝層，藉此形成一第二多層結構。然後在該第二多層結構上形成電極，並且將該結構切割形成藍光LED裝置。
底下的詳細說明當中描述進一步細節以及具體實施例和技術。本發明摘要並不用於定義本發明。本發明由該等申請專利範圍 所定義。
1‧‧‧矽基板
17‧‧‧第一金屬電極(N電極金屬)
2‧‧‧緩衝層
18‧‧‧銀環氧樹脂(貼合層)
3‧‧‧樣板層
19‧‧‧金屬核心印刷電路板(PCB)
4‧‧‧低阻抗層
20‧‧‧維持環
5‧‧‧n型氮化鎵層(n型層)
21‧‧‧螢光粉
6‧‧‧應力釋放層
50‧‧‧白光發光二極體組合
7‧‧‧主動層
51-54‧‧‧垂直藍光LED裝置
8‧‧‧p型氮化鎵層(p型層)
57‧‧‧第一金屬結構
9‧‧‧電流阻擋層
58‧‧‧焊錫遮罩層
10‧‧‧高反射性層
59‧‧‧第二金屬結構
11‧‧‧包覆金屬(銀包覆層)
61‧‧‧第二焊墊
12‧‧‧阻障金屬層(非反應阻障金屬層)
62‧‧‧介電層
13‧‧‧貼合金屬層
63‧‧‧鋁或銅基部分
14‧‧‧阻障金屬層(黏著與阻障金屬層)
64‧‧‧焊線
15‧‧‧導電載體
65‧‧‧硫化鋅層
16‧‧‧第二金屬電極(P電極金屬)
65A‧‧‧碲化鋅層或二氧化鈦層
66‧‧‧氮化鋁層
67‧‧‧氮化鋁鎵層
68‧‧‧載體晶圓結構
69‧‧‧裝置晶圓結構
70‧‧‧箭頭
71‧‧‧晶圓貼合結構
72‧‧‧箭頭
73‧‧‧箭頭
74‧‧‧介面
75-77‧‧‧通道
78-79‧‧‧平台結構
80‧‧‧磊晶LED結構
100‧‧‧藍光LED裝置
200‧‧‧藍光LED裝置
300‧‧‧方法
400‧‧‧方法
700‧‧‧方法
附圖例示本發明的具體實施例，其中同樣的編號代表同樣的組件。
第一圖為根據一個創新態樣的白光LED組合之剖面側視圖。
第二圖為第一圖中白光LED組合的俯視圖。
第三圖為第一圖中白光LED組合含一個LED裝置的的簡化與展開之剖面側視圖(未依照比例)。
第四圖為第一圖中白光LED組合的藍光LED裝置之俯視圖。
第五圖為第一圖中白光LED組合的完成的藍光LED裝置一部分之沿A-A線之剖面側視圖。
第六圖為形成於矽基板上的第三圖中藍光LED裝置於矽基板上形成的磊晶PAN結構層之剖面圖。
第七圖為例示其中電流阻擋結構加入第六圖中結構的製造方法步驟對應之圖式。
第八圖為例示其中高反射層(銀)加入第七圖中結構的製造方法步驟對應之圖式。
第九圖為例示其中在第八圖中結構之上形成包覆層，及其中在該包覆層之上形成非反應性阻障金屬層即加入銀層、包覆層及非反應性阻障金屬層的製造方法步驟之圖式。
第十圖為例示其中貼合金屬加入第九圖中結構的製造方法步驟對應之圖式。
第十一圖為例示其中載體晶圓結構晶圓貼合至第十圖中裝置晶圓結構的製造方法步驟對應之圖式。
第十二圖為顯示所使用熱壓縮晶圓貼合製程的溫度循環圖表。
第十三圖為例示其中晶圓貼合結構翻轉的製造方法步驟對應 之圖式。
第十四圖為例示其中矽基板、緩衝層以及樣板層從第十二圖中結構移除的製造方法步驟對應之圖式。
第十五圖為第十四圖的移除步驟之後以及平台蝕刻步驟形成平台之後，該晶圓貼合結構的俯視圖。
第十六圖為第十五圖沿B-B線的晶圓貼合結構剖面圖。
第十七圖為例示其中LRL的表面粗糙化的製造方法步驟對應之圖式。
第十八圖為例示在第十七圖的結構加入電極的製造方法步驟對應之圖式。
第十九A圖和第十九B圖兩者為一表格，公布有關第六圖至第十八圖中每一製造方法步驟的細節。
第二十圖為藍光LED裝置的剖面圖，其中該裝置由結合上面第六圖至第十八圖公布的製造方法形成，而第十四圖例示的移除步驟中移除所有的LRL除外。
第二十一圖為藍光LED裝置的剖面圖，其中該裝置由結合上面第六圖至第十八圖公布的製造方法形成，而第十四圖例示的去除步驟中移除某些的n型層以及所有的LRL除外。
第二十二圖為根據第一創新態樣的方法之流程圖。
第二十三圖為根據第二創新態樣的方法之流程圖。
第二十四圖為根據第三創新態樣的方法之流程圖。
第二十五圖為根據第四創新態樣的方法之流程圖。
第二十六圖為第三圖的該藍光LED裝置在一個具體實施例中該磊晶PAN結構層之剖面圖，其中該磊晶LED結構成長於一緩衝層之上，基板與GaN LED結構之間矽基板上的該緩衝層包括一碲化鋅(ZnTe)層或一二氧化鈦(TiO2)層。
第二十七圖為一種方法之流程圖，其中一藍光LED的磊晶層使用一ZnTe或TiO2緩衝層成長在一矽基板上。
在此將詳細參考本發明的某些具體實施例，附圖內將說明其範例。在底下的描述以及申請專利範圍當中，一第一層稱為已經沉積在一第二層「之上」時，吾人了解到該第一層可直接位於該第二層上，或者一或多介入層可存在於該第一和第二層之間。本說明書內使用例如「之上」、「之下」、「上方」、「下方」、「頂端」、「底部」、「往上」、「往下」、「垂直」以及「橫向」這些詞來描述所描述藍光LED裝置不同零件之間的相對方位，並且吾人了解，所描述的該整體藍光LED裝置可排列於立體空間內任何方向。
第一圖係一白光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)組合50的一剖面側視圖。第二圖為該白光LED組合50的一俯視圖。該白光LED組合50包括四個垂直藍光LED裝置51-54。一垂直LED裝置有時也稱為一垂直接觸式LED裝置，來與一橫向或一橫向接觸式LED裝置區別。該四個垂直藍光LED裝置51-54都固定至一金屬核心印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)19。從俯視觀點來看，一維持環20圍繞該四個垂直藍光LED裝置51-54。該維持環20維持覆蓋該等藍光LED裝置51-54的一螢光粉21的總量。一第一金屬結構57的一部分透過一焊錫遮罩層58內的第一開口裸露出來。該等藍光LED裝置51-54的陽極電極透過一些銀環氧樹脂18，表面固定至此第一開口內的該第一金屬結構57。該焊錫遮罩層58內的該第一開口也裸露出一第二金屬結構59的一部分。面向上的該等藍光LED裝置51-54之陰極電極打線接合至該第二金屬結構59的裸露部分。一第一焊墊60由該焊錫遮罩層58內的其他開口形成。一第二焊墊61仍舊由該焊錫遮罩層58內的其他開口形成。如第三圖的剖面圖所例示，該第一和第二金屬結構57和59為設置在一介電層62上的一金屬層部分。該介電層62為厚度35微米至250微米的一環氧樹脂材料層，其中內含無機填充物，例如 Al2 O3 。此介電層62將該第一和第二金屬結構57和59與該金屬核心PCB 19的一鋁或銅基部分63隔離。
第三圖為該白光LED組合50的簡化剖面側視圖。圖式中只有例示一個垂直藍光LED裝置54。該垂直藍光LED裝置54包括許多層，其中某些例示於第三圖中：一第一金屬電極17、一低阻抗層(LRL)4的一部分、一n型氮化鎵層5、一主動層7、一p型氮化鎵層8、一些金屬包括一貼合金屬層13、一導電載體15以及一第二金屬電極16。參考編號64表示一焊線(wire bond)，將該藍光LED裝置54的該第一金屬電極17耦合至該第二金屬結構59。該金屬17和該LRL 4具導電性並且用以與該n型層5電性接觸。該P型層8底下的所有層(包括該等層13、15、16)都具導電性，並且用以與P型層8電性接觸。
第四圖為該垂直藍光LED裝置54的俯視圖。該第一金屬電極17具有柵格形狀。
第五圖為第三圖沿A-A剖面線的該垂直藍光LED裝置54之更詳細剖面圖。在該導電載體15與該p型氮化鎵8之間有多個層與結構，包括：一阻障金屬層14、該貼合金屬層13、一阻障金屬層12、一包覆金屬層11、一高反射層10以及一電流阻擋層9。該電流阻擋層9被圖案化成電流阻擋結構。該主動層7與該n型氮化鎵層5之間為一應力釋放層6。當電流從第二電極16流出時，通過該導電載體15、通過該等金屬層14、13、12、11和10、通過該p型氮化鎵層8、通過該主動層7、通過該應力釋放層6、通過該n型氮化鎵層5、通過該低阻抗層4以及至該第一電極17，然後從該主動層7發出非單色與非同調光。所發出的光的波長範圍從大約440奈米至大約490奈米。本說明書中所使用之「非單色」一詞代表具有一光譜線寬大體上比一典型雷射二極體所發出的光的光譜線寬還要寬之光線。一LED的光譜線寬通常為20奈米，其中一雷射二極體的光譜線寬通常小於4.0奈米。
第六圖至第十八圖為揭示該藍光LED裝置54製造方法步驟的圖集。這些圖並未依照比例，只是概念圖。
第六圖為顯示在一矽基板1上形成磊晶層的許多初始步驟結果之剖面圖。該矽基板1為高容量CMOS積體電路製造中常用的單晶矽基板晶圓。一緩衝層2形成於該矽基板上。在例示的範例中，形成此緩衝層2包含先在該矽基板1上形成厚度低於100奈米的一硫化鋅(ZnS)層65(例如50奈米)。然後在該ZnS層65上形成厚度200奈米的一氮化鋁(AlN)層66。然後在該AlN層66上形成厚度250奈米的一氮化鋁鎵(AlGaN)層67。雖然顯示包含一硫化鋅層的此特定緩衝層，不過亦可使用其他種緩衝層。例如可使用一單一層AlN緩衝層。本說明書提供該ZnS層65，而第六圖例示的該AlN層66及該AlGaN層67則係選擇性的。
該垂直LED裝置54的製造包含在該矽基板1之上磊晶成長一氮化鎵(GaN)層(例如該n型GaN層5)。GaN和矽(Si)的平面晶格常數分別為aGaN(0001)=3.189以及aSi(111)=3.840。因此，GaN與Si之間大體上有20.4%的平面晶格失配。此晶格失配結合GaN與Si之間的熱膨脹係數大幅差異(例如56%)，使得要在矽基板上成長高品質、厚並且無裂痕的GaN是一項挑戰。一般而言，使用滿足符合晶格條件(coincident lattice conditions)的一轉換緩衝層可減輕該晶格失配。例如：一AlN層66(aAlN=3.112)常用來當成一緩衝層，提供一壓縮給一GaN磊晶層。不過，鋁(Al)和矽(Si)在介面的內部擴散相當嚴重，導致非所要的高摻雜程度。再者，由於AlN與Si之間的晶格失配甚至高於GaN與Si之間的晶格失配，因此AlN晶體品質低。
為了克服這個缺點，使用ZnS層65當作新的轉換緩衝層。首先，纖鋅礦排列(Wurzite)的ZnS化合物(aZnS=3.811)具有0.3811的晶格常數，這介於氮化鎵與矽的晶格常數之間，並且接近Si的晶格常數。如此，ZnS提供與Si良好的晶格常數匹配，同時其也 是類似GaN的化合物材料。第二，利用有機金屬化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)可容易製備ZnS，如此可在一個成長室內成長所有磊晶層。MOCVD係磊晶成長材料的一化學氣相沉積法，尤其是來自有機化合物、金屬有機物表面反應以及內含所需化學物質的金屬氫化物之化合物半導體之類的材料。在一個範例中，於350℃成長溫度以及100Torr成長壓力之下，在一MOSCVD反應室內藉由導入含乙烷鋅(DMZn)的硫化氫，在一矽基板上成長ZnS。第三，ZnS的熔點為1850℃，足夠高的熔點讓其在GaN沉積期間不會變成不穩定。最後，若一AlN層也用於當成該緩衝層的一部分，則該ZnS層也用來當成該緩衝層的AlN與該矽基板之間的擴散阻障物。
然後在該緩衝層2上形成一樣板層3。在例示的範例中，該樣板層3為厚度1000奈米的未摻雜氮化鎵層。
此時並非直接於該樣板層上3成長該LED的n型層，而是在該樣板層3上直接成長該低阻抗層(LRL)4。在例示的範例中，該LRL 4為一超晶格結構，這種結構讓高移動性電子在其層內形成一二維氣體。該超晶格結構包括多個週期，其中每一週期的厚度小於300奈米。在一個特定範例中，每一週期包括厚度100奈米的一n型氮化鎵(n-GaN)子層以及厚度25奈米的一未摻雜氮化鋁鎵(AlGaN)子層。在第六圖例示的觀點中，厚度100奈米的一n-GaN子層直接設置在該樣板層3上。另外，該LRL 4的最上面的子層為厚度100奈米的一n-GaN子層。在例示的設置當中，具有五個GaN子層以及四個AlGaN子層。該等n-GaN層摻雜矽至濃度1x1018 原子/立方公分。每一較薄的AlGaN子層都拉伸(strained to)至較厚GaN子層的的一或多個晶格。
然後於該LRL 4上成長該n型GaN層5。不過要成長具有低晶格缺陷密度且不會遭受該GaN層內應力累積所造成的破裂與其他問題的較厚的高品質GaN層相當困難。舉例而言，GaN與Si之間 存在較大的熱膨脹係數差(例如56%)。此熱失配經常導致冷卻期間該GaN磊晶層內的張緊應力(tensile stress)。當該GaN磊晶層的厚度大於1000奈米時，通常會發生破裂。雖然隨著GaN層成長較厚時應力會累積的確切原因並未被完全了解，不過根據經驗可知道，在該GaN層內累積的應力導致破裂之前停止該GaN層的成長，就可避免破裂。在此點上，在該GaN層頂端上成長薄介入層。此介入層可為例如厚度5奈米的AlN層。該薄介入子層形成之後，則在該介入層上成長其他GaN子層。此第二GaN子層在該GaN子層不會有太多內部應力的情況下成長至儘可能的厚。此週期性會多次重複。在每一介入層之後，重疊於其上方的該GaN子層的品質在較低晶格缺陷密度之下有所改善。舉例而言，一般Si上的GaN具有高達每立方公分1x1010 個缺陷的缺陷密度。品質改善的Si上GaN之缺陷密度在每立方公分1x107 至1x109 個缺陷的範圍內。
不過，使用該等AlN介入子層會導致一個問題。由於AlN具有寬能隙(例如6.2 eV)，係一絕緣材料，並因此建立垂直方向內電流運輸的一阻障。據此原因，若要製造垂直LED，則要移除從該矽基板至該頂端AlN介入子層的所有子層。因此，在該最終LED裝置內，這些層並不具有電流擴散功能。頂端的該AlN子層之上的該GaN子層通常小於2000奈米，這會導致LED裝置內一電流擁擠問題。為了解決此問題，使用一AlGaN：Si薄層取代AlN作為一新的介入子層。首先，AlGaN：Si為容許電子運輸通過的一n型材料，因為AlGaN具有比AlN小的能帶能量(例如根據Al濃度而有3.4eV至6.2eV的能隙)，如此AlGaN內Si的活化能量小於AlN內Si的活化能量。據此，該等AlGaN：Si介入子層具有導電性，因此不需要自該最終LED裝置移除。導電AlGaN：Si層的一電阻係數範例為1 x 10-2 ．Ω．cm。第二，AlGaN具有比GaN小的晶格常數，因此提供壓縮應力給該後續GaN子層，幫助避免破裂。
在第六圖的範例中，n型GaN層5的每一該等GaN子層厚度 大約900奈米，並且摻雜濃度5x1018 原子/立方公分的矽。AlGaN：Si的每一該等介入子層的厚度小於25奈米(例如5奈米)，具有1x1018 原子/立方公分的矽摻雜濃度。這些AlGaN：Si介入子層相對導電，並且該等n型GaN介入子層都導電，如此該整體n型GaN子層5可在從該LRL/n型層介面朝向該主動層的方向，有效導通電流。與該LRL 4直接接觸的該n型GaN層5之底部子層為厚度900奈米的一GaN子層，如所例示。該n型氮化鎵層5的上方子層也為900奈米的一GaN子層，如所例示。具有多個AlGaN：Si導電介入子層的完整的該n型GaN層5大約5000奈米厚，其中每一n-GaN子層大體上都比該LRL 4的該等n-GaN子層還要厚。
該n型GaN層5與底下的該LRL 4之間具有一介面74。該n型GaN層5在此介面上具有大於每平方15歐姆的板阻抗。該LRL 4也在此介面上具有一板阻抗，但是該LRL 4的該板阻抗小於該n型GaN層5的該板阻抗。在一個範例中，該LRL 4的該板阻抗可用破壞性方式測量，利用磨掉一第一LED裝置的該等上方層，裸露出該介面74上該LRL 4的表面，然後探測裸露的該LRL 4的表面並且測量其板阻抗。以類似方式，該n型層5的板阻抗可用破壞性方式測量，利用磨掉一第二LED裝置的該等下方層，裸露該介面74上該n型層5的表面，然後探測裸露出的該n型層5的表面並且測量其板阻抗。
接下來，在該n型GaN層5上形成一應力釋放層6。在一個範例中，該應力釋放層6的厚度為120奈米，並且包括三十個週期。每一週期都包括一Inx Ga1-x N第一子層，其中0<x<0.12，以及一Iny Ga1-y N第二子層，其中0<y<0.12，其中x不等於y。
接下來，在該應力釋放層6上形成該主動層7。該主動層7用於在該整體藍光LED裝置內發出藍光。在一個範例中，該主動層7為130奈米厚且具有十個週期的多重量子井(MQW)結構。每一週期包含3奈米厚的一氮化銦鎵(InGaN)子層(15%的銦(In))，以及10 奈米厚的一GaN子層。該主動層7發出具有波長範圍從大約440奈米至大約490奈米的非單色光。
接下來，在該主動層7上形成該p型GaN層8。在一個範例中，該p型GaN層的厚度為300奈米，並且具有1x1020 原子/立方公分的鎂摻雜濃度。在此範例中，形成該p型GaN層8的上表面，如此該完整的LED裝置將發出非單色光，並且不包括雷射二極體所使用的無電流聚集脊部結構(current focusing ridge structure)。該n型層5、該p型層8以及包括該主動層7的之間的所有層一起形成磊晶LED結構80。
第七圖為一顯示製造方法後續步驟對應的剖面圖。首先在該p型GaN層8的上表面上形成一絕緣材料的電流阻擋層。在一個範例中，該電流阻擋層為圖案製作的200奈米厚的二氧化矽層。此沉積此二氧化矽層並且使用光微影技術製作圖案，形成在某些地方比其他地方阻障更多電流的結構。例如，將該電流阻擋層的大型結構66直接放置在稍後製造方法內將形成的第一電極17的位置之下。將該大型結構66放在此位置內，使電流將不會通過直接位於該第一電極17底下的該主動層，因此將不會在該第一電極17底下直接產生光線。在直接位於該第一電極底下的主動區域內產生光線時，該金屬第一電極17會阻擋大量光線從該LED裝置散出。該受阻的光線會被重新吸收在LED內，而不會逃出該LED成為可用光線。因此，就會浪費用於產生受阻光線的電流。利用阻擋電流流過直接位於該第一電極17底下的該部分主動層，則此電流流過其他地方的該主動層，在此所產生的光線有較好的機會逃脫該LED裝置成為有用的光線。利用阻擋該p型層8的上表面區域中每一子區域之適當比例，並且利用適當改變通過從子區域到子區域到通過該p型層8的該上表面區域之比例，控制電流通過每一個別子區域的量，相較於電流通過整個該LED裝置，讓該LED裝置的光線輸出最大化。
第八圖為一顯示製造方法後續步驟對應的剖面圖。在該電流阻擋層9之上沉積一高反射性層10。在一個範例中，該高反射性層10為200奈米厚的銀層，與該p型GaN層8形成歐姆接觸。此銀層並未覆蓋整個該LED裝置晶圓。此處所顯示的該高反射性層10覆蓋第八圖的整個結構，這是因為第八圖的剖面圖為只係該LED裝置沿A-A線之剖面圖。該高反射性層10提供當成反射鏡來反射光線的一第一功能，以及提供與該p型層8電性接觸的一第二功能。
第九圖為一顯示製造方法後續步驟對應的剖面圖。一包覆層11覆蓋該銀層10。在例示的範例中，該包覆層11為厚度100奈米的鉑層。此鉑層阻擋銀的電遷徙。在一個優勢態樣中，此鉑層為該藍光LED裝置內唯一的鉑層。該藍光LED裝置中所有鉑層(只有一個鉑層)的厚度總合小於200奈米。
在形成該包覆層11之後，在該包覆層11之上形成厚度超過50奈米的非反應性阻障金屬層12。在例示的範例中，該非反應性阻障金屬層12為厚度200奈米的一鈦層。該鈦係阻障錫的擴散的一阻障物。從一貼合金屬層稍後被提供至該結構頂端的錫，被該阻障層阻擋擴散進入該銀層10。有時被用來當成該等錫阻障物的，例如鉑、鈦/鎢、金與鎳，實際上會與錫產生反應。在使用這種反應性金屬當成該等阻障物的其他貼合製程中，結合所提供的該反應性金屬的厚度與有限的高溫貼合循環時間，讓錫入侵量維持在可接受程度內。反觀該非反應性阻障金屬層12並非這種反應金屬，且在一個範例內其為厚度超過50奈米的一鈦層。
第十圖為顯示製造方法後續步驟對應的剖面圖。形成500奈米厚的一金子層，用以覆蓋該非反應性阻障金屬層12的頂端。第十圖的參考編號13標記此金子層，也就是該等三明治結構的金屬層的三個子層Au/AuSn/Au中的其中一個子層。
第十一圖為顯示製造方法後續步驟對應的剖面圖。該導電載體5被覆蓋一黏著與阻障金屬層14。在例示的範例中，導電載體為一 單晶矽晶圓，並且該黏著與阻障金屬層14為厚度200奈米的一鈦層。金一般與矽的貼合度並不好，但是鈦就不錯，因此提供該鈦層14貼合至該導電矽載體15，如此一後續金子層(該貼合金屬層13的一部分)可接著貼合至該鈦。除了此黏著功能以外，該鈦也當成一阻障物，避免錫與金擴散進入該矽表面並且降低黏著性。在其他範例中，該黏著/阻障金屬層14也包括放置在該鈦之上的鉑層。
然後在該黏著與阻障金屬層14上形成厚度500奈米的金子層，並且在該金子層上形成厚度3000奈米的一金/錫子層。厚度3000奈米的該金/錫子層百分之八十的重量為金、百分之二十的重量為錫。這些金與金/錫子層為上面第九圖所提到的該三明治金屬結構13當中三子層中的另兩個子層。
該導電載體15、該阻障金屬層14以及該等金與金/錫子層13一起成為一載體晶圓結構68。該矽基板1和其上形成的該等層一起成為一裝置晶圓結構69。該載體晶圓結構68晶圓貼合至該裝置晶圓結構69的該金覆蓋上表面。
第十二圖為顯示所使用熱壓縮晶圓貼合製程的溫度循環圖表。該載體晶圓結構68以大約每平方英吋五十磅的壓力壓住該裝置晶圓結構69，並且該壓在一起的該等晶圓被加熱到至少280℃。在特定範例中，該等晶圓會被加熱至310℃。在超過一分鐘的一週期中，將該等晶圓維持在此上升的溫度，以確定所有晶圓都有一致的熔化溫度。在特定範例中，該上升的溫度維持五分鐘。熔化該共熔金/錫子層，如此將該載體晶圓結構68晶圓貼合至該裝置晶圓結構69。此晶圓貼合由第十一圖的箭頭70表示。在百分之二十錫濃度時，該金/錫子層具有大約282℃的熔點。不過一旦該金/錫子層熔化，某些錫會從此子層擴散進入該金/錫子層之一側邊上的該等金子層。因此，該金/錫子層內的錫濃度降低。具有較低錫濃度的金/錫子層具有較高的熔點。該金/錫合金內錫的濃度每降低百分之一，則該金/錫合金的熔點就會提高大約30℃。因此，在執行該晶 圓貼合製程之後，該金/錫子層內錫的濃度下降至低於百分之二十，並且之後整體晶圓貼合結構可將該整體晶圓貼合結構其溫度提高至282℃，而不會熔化該金/錫子層。
第十三圖顯示製造方法的後續步驟。產生的該晶圓貼合結構71依照箭頭72所示翻面。
第十四圖顯示製造方法的後續步驟。從該晶圓貼合結構71上移除該矽基板1、該緩衝層2以及該樣板層3，如箭頭73所示。在本範例中，使用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)以及反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching，RIE)技術移除這些層，如此該LRL 4的該等GaN子層之其中之一者存在，並且從該結構的頂端裸露出來。該整個n型GaN層5都留著，成為該晶圓貼合結構71的一部分。由於層5內的該等AlGaN：Si介入層的導電性，該n型GaN層5會從該應力釋放層電性導通至n型層介面，到達該n型GaN層，然後到達該n型層/LRL介面。使用AlGaN：Si作為該等介入子層相對於使用AlN作為該等介入子層的優點在於該等AlGaN：Si介入子層具導電性。在該n型GaN層內並無第十三圖步驟中為了提供電性導通通過該n型層而必須移除的該非導電性AlN介入子層。而是，保留該整個n型GaN層5在該完整的藍光LED裝置內。
第十五圖為該晶圓貼合結構71的俯視圖。除了如第十四圖所示移除該等層1、2和3以外，使用濕式蝕刻將水平與垂直通道蝕刻至該包覆層11，藉此形成平台結構中列與欄的一二維陣列。參考編號75、76和77代表三個這種通道。參考編號78和79代表二個這種平台結構。
第十六圖為第十五圖結構沿B-B之剖面圖。以斜線表示該鈦非反應性阻障層12。該非反應性阻障層12為厚度超過50奈米的一單一鈦層，不包括子層、鉑以及鎢。該高反射性層10的銀被該包覆層11阻擋，避免從該等平台底下橫向移動出來。該高反射性層 10的該銀內含於從頂端到該p型GaN層8的底部表面(該等平台的底部)。
第十七圖顯示製造方法的後續步驟。將每一平台頂端裸露出的該LRL 4之上表面粗糙化，此粗糙化為一種通常被執行來幫助光從該LED裝置逃脫。該粗糙化實際上比第十七圖所例示還要嚴重。該粗糙表面的最高峰到最深谷底之垂直距離大約是500奈米，如此該最深谷底往下延伸進入該n型層5。吾人想要不穿透該LRL，因此在其他範例中，較佳地將移除的材料限制為移除該矽基板以及部分的該緩衝層。
第十八圖顯示製造方法的後續步驟。如例示形成該第二電極16於該導電載體15上。在一個範例中，該第二電極16包括一第一20奈米厚鎳子層，其直接接觸該導電載體15，並且也包括一第二200奈米厚金層，其覆蓋該鎳子層。因此，該第二電極16的厚度為220奈米。
此外，第十八圖顯示如例示在該LRL 4上表面形成該第一電極17的後續步驟。在一個範例中，該第一電極17包括直接位於該LRL 4上的20奈米厚的一鈦子層、位於該鈦子層上100奈米厚的一鋁子層、位於該鋁子層上20奈米厚的一鎳子層以及位於該鎳子層上200奈米厚的一金子層。因此，該第一電極17的厚度大約為340奈米。該LRL 4的該等GaN子層內之足夠高的摻雜物濃度，可以在該電極17與該LRL 4之間形成良好的歐姆接觸。
在如第十八圖所示加入該等第一和第二電極之後，將該晶圓貼合結構切割成個別藍光LED裝置。藉由沿著第十五圖例示的該等通道鋸開該晶圓貼合結構來執行切割，如此每一平台結構都變成一個別藍光LED裝置。在例示的範例中，將產生的該藍光LED裝置之一者併入第一圖至第三圖的該白光LED組合內。該第二電極16藉由一銀環氧樹脂層18，如第三圖所例示黏貼至該金屬核心PCB 19。如例示，該第一金屬電極17透過該焊線64打線接合至該金屬 核心PCB 19的該第二金屬結構59。打線接合之後，利用絲網印刷在該結構上形成該矽維持環20。或者，切割該維持環20並且塑造成正確尺寸，然後套用。環20的高度為0.5至3.0mm，寬度為0.2mm至1.5mm。矽固化之後，定量的螢光粉21(phosphor)滴落在該藍光LED裝置54之上，如此該螢光粉21由該環20維持。該螢光粉21可固化形成該完整的白光LED組合50。
第十九圖為揭示有關每一製造方法步驟細節的表格。表格左欄內的編號為該白光LED組合50中許多層的參考編號。
第二十圖為一藍光LED裝置100的剖面圖，其中該裝置100係由結合上面第六圖至第十八圖公布的製造方法形成，而第十三圖例示的移除步驟中移除所有的該LRL 4除外。全部或大體上全部的該n型GaN層5都留在該完成的藍光LED裝置100內。第十七圖並未依照比例，只是概念圖。
第二十一圖為一藍光LED裝置200的剖面圖，其中該裝置200係結合上面第六圖至第十八圖所公布製造方法所形成，除了第十三圖中例示的移除步驟中移除某些該n型層5以及所有該LRL 4除外。該n型層5的所有該等薄介入子層都已經移除，只留下厚度至少900奈米的該GaN子層。此剩下的GaN子層保留在該完成的藍光LED裝置200內。第十八圖並未依照比例，只是概念圖。
第二十二圖為根據第一創新態樣的方法300之流程圖。在一矽基板上形成一超晶格結構(步驟301)，該超晶格結構包括複數個週期。每一週期的厚度小於300奈米並且包括一GaN子層。在一個範例中，在該矽基板上形成一緩衝層，然後在該緩衝層上形成樣板層，然後在該樣板層上形成該超晶格結構。接下來，直接在該超晶格結構上形成一n型GaN層(步驟302)。在該n型層之上形成一包含銦的主動層(步驟303)。在該主動層之上形成一p型GaN層(步驟304)。該矽基板、該超晶格結構、該n型層、該主動層以及該p型層一起成為一第一結構。一導電載體貼合(步驟305)至該第一結 構，藉此形成一第二結構。然後從該第二結構中移除該矽基板(步驟306)，藉此形成一第三結構。在該第三結構上形成電極(步驟307)。然後將該第三結構切割(步驟308)，藉此形成一藍光LED裝置。
雖然上面已經針對指導目的描述某些特定具體實施例，不過本專利文件的教導具有一般適用性，並且不受限於上述的特定具體實施例。該LRL 4可用許多不同合適的方式來製造。在一個範例中，LRL 4包含許多週期，其中每一週期包括一第一氮化鋁鎵層以及一第二氮化鋁鎵層，其中該等兩子層內的該鋁濃度彼此不同。該等兩子層的成分已知為Alx Ga1-x N/Aly Ga1-y N，其中x和y為不同的非零數字。雖然上面已經描述其中該等LRL的氮化鋁鎵子層以及氮化鎵子層具有不同厚度之特定範例，在其他範例中該等子層大體上具有相同厚度。在一AlGaN/GaN或AlGaN/AlGaN超晶格內，含鋁的一子層內之鋁濃度可分級。該LRL可為一AlInN/GaN超晶格。該LRL可為一AlGaN/AlGaN/GaN超晶格，其中每一週期包含三層子層。
雖然上面結合晶圓貼合之後使用銀環氧樹脂黏貼至一金屬核心PCB來形成該完整白光LED組合之一LED裝置來描述包含一非反應性阻障金屬層的該晶圓貼合製程，該晶圓貼合製程也可用於具有一金/錫層的LED的晶粒固定。由於在晶圓貼合期間該金屬貼合層13的該金/錫子層內錫的濃度降低，因此在執行該晶圓貼合製程之後，該金屬貼合層13的熔化溫度高於280℃。據此，一完整的LED裝置可加熱至夠高的溫度來熔化一些用於晶粒固定的金/錫，而不熔化該LED裝置本身內的該金屬貼合層13。雖然上面結合其中該共熔層為金/錫層的範例來描述該晶圓貼合製程，該晶圓貼合製程並不受限於需要一金/錫共熔層。在其他範例中，該共熔層為一種金屬層，例如一金/銦金屬層以及一鈀/銦金屬層。雖然上面結合其中該銀包覆層為鉑的範例來描述該晶圓貼合製程，不過可運用 例如鎳與銠作為其他包覆層。
第二十三圖為根據第二創新態樣的方法400之流程圖。在一非GaN基板上成長一磊晶LED結構(步驟401)。該非GaN基板在一個範例中為一矽基板，並且運用適當的一介入緩衝與一樣板層。然後在該磊晶LED結構上提供一銀層(步驟402)，當成一反射鏡並且當成至該磊晶LED結構的一歐姆接點。在該銀層上提供一包覆層(步驟403)。在一個範例中，該包覆層為厚度小於200奈米的一單一鉑層。在該包覆層上提供一層非反應性阻障金屬(步驟404)，藉此形成一裝置晶圓結構。在一個範例中，此非反應性阻障金屬層為厚度超過50奈米的一單一鈦層。此單一鈦層大體上並不包括鎢。
一載體晶圓結構包括一導電載體。該導電載體可為導電矽晶圓。然後利用熔化該等兩晶圓結構之間的一共熔金屬層，該載體晶圓晶圓貼合(步驟405)至該裝置晶圓結構，藉此形成一晶圓貼合結構。在一個範例中，該共熔金屬層包含熔化溫度大約282℃的一金/錫子層。將該載體晶圓結構的溫度提高到超過280℃(例如到達310℃)並且維持此升高的溫度超過一分鐘，以熔化此共熔金屬層。
在一個範例中，該載體晶圓結構的溫度由在一全負載熔爐室內所投入與該共熔貼合金屬層相同成分的金/錫數量間接決定，並且緩慢提高該熔爐室的設定點，直到看見該金/錫熔化。假設此設定點對應至282℃的一載體裝置晶圓溫度。然後該熔爐室的設定點提高額外量，已知係對應至30℃的一熔爐室增加溫度。藉由使用此熔爐室增加設定至少一分鐘執行該晶圓貼合製程，而不用確實測量該熔爐室內該晶圓貼合結構的溫度。
晶圓貼合之後，移除該產生的晶圓貼合結構的該非GaN基板(步驟406)。在該晶圓貼合結構上形成電極(步驟407)並且切割該晶圓貼合結構，藉此形成複數個藍光LED裝置(步驟408)。在方法400的一個範例中，所完成藍光LED裝置內與所有鉑層的總厚度小於200奈米，並且該高溫貼合金屬熔化循環(該載體晶圓結構的溫度高 於280℃時)超過一分鐘。
第二十四圖為根據第三創新態樣，使用硫化鋅(ZnS)當成緩衝層來在矽基板上製造LED裝置之方法流程圖。硫化鋅(ZnS)層直接形成於一矽基板之上(步驟501)。在一個範例中，該ZnS層為形成於該矽基板上的一緩衝層，然後在該緩衝層上形成一樣板層。或者，在該硫化鋅層之上形成一氮化鋁(AlN)層，並且在該氮化鋁層之上形成一氮化鋁鎵(AlGaN)層。該ZnS層、該AlN層以及該AlGaN層形成該緩衝層。接下來，直接在該樣板層上形成一n型GaN層(步驟502)。在該n型層之上形成包含銦的一主動層(步驟503)。在該主動層之上形成一p型GaN層(步驟504)。該n型層、該主動層以及該p型層一起成為一磊晶LED結構。該矽基板、該ZnS層、該磊晶LED結構一起成為一第一結構。在一個範例中，該第一結構為第十一圖的裝置晶圓結構69。然後，將一導電載體貼合(步驟505)至該第一結構，藉此形成一第二結構。在一個範例中，該載體為一載體晶圓結構的一部分，例如第十一圖的載體晶圓結構68。然後從該第二結構移除該原始矽基板以及該ZnS層(步驟506)，藉此形成一第三結構。在該第三結構上形成電極(步驟507)。然後將該第三結構切割(步驟508)，藉此形成一藍光LED裝置。
第二十五圖為根據第四創新態樣在矽基板上製造一藍光LED裝置的方法流程圖。該藍光LED裝置具有一n型氮化鎵層，該層具有多個導電介入子層。然後在一矽基板上形成一n型層(步驟601)。該n型層包括複數個週期，該n型層的每一週期包括一氮化鎵(GaN)子層以及一摻雜矽的氮化鋁鎵(AlGaN：Si)介入子層。該等AlGaN：Si介入子層摻雜Si，並且具有電導性。接下來，在該n型層之上形成一內含銦的主動層(步驟602)。在該主動層之上形成一p型GaN層(步驟603)。該矽基板、該n型層、該主動層以及該p型層一起成為一第一結構。將一導電載體貼合(步驟604)至該第一結構，藉此形成一第二結構。然後從該第二結構中移除該矽基板(步 驟605)，藉此形成一第三結構。在該第三結構上形成電極(步驟606)。然後將該第三結構切割(步驟607)，藉此形成一藍光LED裝置。
ZnTe或TiO 2 的緩衝層
第二十六圖為第三圖中該藍光LED裝置的該磊晶PAN結構層其他範例之剖面圖。第二十六圖中範例的結構與第六圖中例示之結構一樣，不過第六圖範例的該層65為第二十六圖範例的一碲化鋅(ZnTe)或二氧化鈦(TiO2 )層65A。層65A的厚度小於100奈米。
在層65A為一ZnTe層的情況下，該層65A大體上為直接置於矽基板1之上表面65B之上的一ZnTe同質層(a substantially homogenous layer of ZnTe)。在層65A為一TiO2 層的情況下，該層65A大體上為直接置於矽基板1之上表面65B之上的一TiO2 同質層(a substantially homogenous layer of TiO2 )。第六圖中範例的該磊晶LED結構80為一藍光LED的磊晶LED結構，並且具有包括鎵與氮的一主動層。磊晶LED結構80形成於該層65A之上，如此該層65A位於該磊晶LED結構80與該矽基板1之間。
如第二十六圖所示，該層66和該67為選擇性地，並且在特定具體實施例中可提供或不提供作為該整體緩衝層2的一部分。因此在一個範例中，該層65A為該緩衝層2，並且該緩衝層2不包括額外層或子層。將層65A簡稱為「緩衝層」。在將AlN層66當成該緩衝層2的一部分的情況下，該ZnTe或TiO2 層65A提供一擴散阻擋，幫助避免少量鋁從該AlN層擴散進入該基板的矽內。少量這種擴散會些微的連累該AlN層，並且會造成該樣板層3的該n-GaN之結晶品質低於預期。
在一個情況下，矽基板1相對於其頂端表面為具有(111)或(100)結晶方位之單晶矽晶圓。在其他情況下，矽基板1為在汞碲化鎘(Mercury Cadmium Telluride，MCT)紅外線光子偵測器的製造當中所使用的那種單晶矽晶圓(211)，如美國專利申請案 US2010/0140735所述(在此藉由前述索引方式將此完整標的併入本文)。在其中層65A為ZnTe的範例中，該ZnTe薄膜可為纖鋅礦排列(Wurzite)的ZnTe，其利用MOCVD在基板溫度400℃至600℃時沉積在該矽晶圓上，並且使用二甲基鋅(Dimethylzinc，DMZn)以及二異丙基碲(Diisopropyltelluride，DIPTe)作為來源材料。每一aZnTe晶格間隔6.10對應至兩個aSi(111)晶格間隔3.84。該aZnTe晶格間隔6.10除以二為3.05，這小於該GaN晶格常數3.189。因此該ZnTe緩衝層提供壓縮應力給其上的該GaN，並且釋放重疊的該GaN中的拉伸應力(tensile strain)。3.05間隔小於AlN的晶格常數，如此該ZnTe緩衝層提供比傳統AlN緩衝層所提供的更大的壓縮應力給該等GaN層。
在其中層65A為TiO2 的範例中，該TiO2 薄膜可係利用MOCVD在基板溫度400℃至600℃時沉積在該矽晶圓上，且使用四異丙基鈦(titanium tetraiso-propoxide，TTIP)Ti(OC3 H7 )4 當成前驅物並且以氮作為載氣。每一TiO2 晶格間隔3.05對應至一個aSi(111)晶格間隔3.84。該TiO2 晶格間隔3.05，小於該GaN晶格常數3.189。因此該TiO2 緩衝層提供壓縮應力給其上的該GaN，以釋放該GaN的伸張應力。該3.05間隔小於AlN的晶格常數，如此該TiO2 緩衝層提供比傳統AlN緩衝層所提供的更大的壓縮應力給該GaN層。
該層65A的形成並不受限於這些沉積方法，也可運用業界熟知的沉積方法來形成碲化鋅與二氧化鈦層。層65A不需要為純ZnTe或純TiO2 ，不過層65A的化學成分可牽涉到鋅與碲或鈦與氧的其他構造與其他化合物。例如：一ZnTe層可摻雜銻(Sb)。
一旦製造第二十六圖的結構後，執行上述結合第七圖至第十八圖的後續製程，以實現第一圖至第三圖例示的該白光LED組合50。
第二十七圖為一種方法700的流程圖，其中一藍光LED的磊晶層使用ZnTe或TiO2 緩衝層成長在一矽基板上。在第一步驟(步 驟701)中，直接在一矽基板上形成一碲化鋅(ZnTe)或二氧化鈦(TiO2 )緩衝層。或者，在該ZnTe或TiO2 層上形成一AlN層或其他合適的緩衝層，當成該緩衝層的一第二層。或者，在該緩衝層上形成一GaN樣板層(例如u-GaN)。接下來，在該緩衝層之上形成用於藍光GaN型LED的磊晶LED結構(步驟702)，如此該緩衝層位於該矽基板與該磊晶LED結構之間，藉此形成一第一多層結構。然後，將一導電載體貼合至該第一多層結構(步驟703)。該第一多層結構包括一主動層(該磊晶LED結構的一部分)、該矽基板以及該緩衝層。該磊晶LED結構用於一藍光LED，並且該主動層包括鎵與氮。在下一個步驟內(步驟704)，從該第一多層結構中移除該矽基板，藉此形成一第二多層結構。然後在該第二多層結構上形成電極(步驟705)。然後將該第二多層結構切割(步驟706)，藉此形成一藍光LED裝置。
雖然上面已經針對指導目的描述某些特定具體實施例，不過本專利文件的教導具有一般適用性，並且不受限於上述的特定具體實施例。因此，在不悖離申請專利範圍內揭示的本發明範疇之下，可實現所描述具體實施例許多特色之許多修改、調整以及組合。
4‧‧‧低阻抗層
5‧‧‧n型氮化鎵層
7‧‧‧主動層
8‧‧‧p型氮化鎵層
13‧‧‧貼合金屬層
14‧‧‧阻障金屬層
15‧‧‧導電載體
16‧‧‧第二金屬電極
17‧‧‧第一金屬電極
18‧‧‧銀環氧樹脂
20‧‧‧維持環
21‧‧‧螢光粉
50‧‧‧白光發光二極體組合
54‧‧‧垂直藍光LED裝置
57‧‧‧第一金屬結構
58‧‧‧焊錫遮罩層
59‧‧‧第二金屬結構
62‧‧‧介電層
63‧‧‧鋁或銅基部分
64‧‧‧焊線
80‧‧‧磊晶LED結構

Claims (13)

  1. 一種LED，包括：一矽基板；一緩衝層，其直接位於該矽基板之上且包含一氮化鋁(AlN)層和一形成於該矽基板與該AlN層間的碲化鋅(ZnTe)層；一氮化鎵(GaN)樣板層，其位於該緩衝層上；及一磊晶發光二極體(LED)結構，其位於該GaN樣板層上；其中該緩衝層位於該矽基板與該磊晶LED結構之間，其中該磊晶LED結構包含一主動層位於一p型層與一n型層之間，並且其中該主動層包含鎵與氮。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該ZnTe層為一單一之實質同質的碲化鋅(ZnTe)層。
  3. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該緩衝層的厚度小於一百奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該磊晶LED結構的該n型層之厚度至少為兩千奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該ZnTe層係直接位於該矽基板上。
  6. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該緩衝層更包含一位於該AlN層與該GaN樣板層間之氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride)層。
  7. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該GaN樣板層係一無摻雜GaN層。
  8. 一種LED，包括：一矽基板；一緩衝層，其直接位於該矽基板之上且包含一氮化鋁(AlN) 層及一形成於該矽基板與該AlN層間的二氧化鈦(TiO2 )層；一氮化鎵(GaN)樣板層，其位於該緩衝層上；及一磊晶發光二極體(LED)結構，其位於該GaN樣板層上，其中該緩衝層位於該矽基板與該磊晶LED結構之間，其中該磊晶LED結構包含一主動層位於一p型層與一n型層之間，並且其中該主動層包含鎵與氮。
  9. 如申請專利範圍第8項之LED，其中該TiO2 層為一單一之實質同質的二氧化鈦(TiO2 )層。
  10. 如申請專利範圍第8項之LED，其中該緩衝層的厚度小於一百奈米。
  11. 如申請專利範圍第8項之LED，其中該TiO2 層係直接位於該矽基板上。
  12. 如申請專利範圍第8項之LED，其中該緩衝層更包含一位於該AlN層與該GaN樣板層間之氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride)層。
  13. 如申請專利範圍第8項之LED，其中該GaN樣板層係一無摻雜GaN層。
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