專利名稱：發(fā)光二極管結構與元件以及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管的結構、元件及其制造方法，且特別是涉及一種利用 弱化結構使其與基板分離的發(fā)光二極管的結構、元件及其制造方法。
背景技術：
發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)在應用上有水平式與垂直式等結構。 傳統(tǒng)水平式LED元件因為他的電極配置在同側，故電流在平臺(mesa)部會有電流擁塞 (current crowding)的現(xiàn)象，這將導致散熱不良，從而限制了 LED能夠承載的驅動電流大 小。目前高功率LED則是采用垂直式結構。如圖IA所示，通過外延基板100成長LED元件102以及鏡面/粘著層104后，利 用晶片鍵合(wafer bonding)的方式，將LED元件102，透過粘著層轉移到導電的承載基板 (carrier) 108。之后如圖IB所示，將外延基板100移除。接著，如圖IC所示，在LED元件 102表面與其對側的承載基板108表面上分別形成金屬電極110，而成為垂直式結構。如 圖IC所示，因為垂直電極配置，故電流I的散布優(yōu)選；其次，承載基板108 —般是選用如硅、 銅、鋁、銅/鎢等的導電性好且散熱佳的材料，故可以增加元件的操作效率。但是，目前分離外延基板的方式有如美國專利US6，071，795所揭示的激光剝離法 (laser lift-off, LL0)，在外延基板側利用KrF激光照射基板與氮化鎵層之間的界面，使 元件界面吸收足夠的能量后，與外延基板分離。或者，也可以利用研磨的方式直接將外延基 板磨除，或者利用濕蝕刻搭配研磨的方式，將基板磨薄一點，之后再以蝕刻液將剩余基板溶 掉。但是在利用LLO方法的場合，因為激光能量的控制不易，容易在元件表面造成損傷。對 于一些如砷化鎵等的較易碎的基板，則無法適用研磨的方式來處理，而對于一些如藍寶石、 氮化鎵、氮化鋁等的材料較硬的基板，則需要花很長的時間來進行研磨。另外，先研磨再以 濕蝕刻移除的方式，只適用于砷化鎵或硅基板，但常用的氮化鎵、氮化鋁或藍寶石基板則有 適用困難的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種LED結構、元件及其制造方法，可以讓LED元件自外延基板分離。根據(jù)本發(fā)明實施范例，其提供一種發(fā)光二極管結構。此發(fā)光二極管結構至少包括 基板、圖案化外延層與發(fā)光結構。其中，發(fā)光結構透過圖案化外延層形成于基板上，且圖案 化外延層包含多個柱狀結構，可在降溫過程中斷裂。此外，根據(jù)本發(fā)明實施范例，其提供一種發(fā)光二極管元件的制造方法，至少包括以 下步驟。首先，提供基板。在基板上形成圖案化外延層，此圖案化外延層具有特定高度且由 多個柱狀結構所構成。另外，掩模層形成于圖案化外延層的表面上，使該掩模層至少覆蓋于 圖案化外延層的側壁。氮化物外延層形成于圖案化外延層上。發(fā)光結構層形成于氮化物外 延層上，以完成第一結構。接著，提供導電性承載基板，并進行鍵合程序，將上述結構轉移到 導電性承載基板上。接著，以降溫程序，進行弱化工藝，使圖案化外延層斷裂，以形成發(fā)光二極管結構，包括不規(guī)則的多個柱狀結構，且該掩模層覆蓋其表面。本發(fā)明的實施范例還提出一種發(fā)光二極管元件，包括導電承載基板、發(fā)光結構、多 個柱狀結構、介電層、第一電極與第二電極。發(fā)光結構位于導電承載基板上。柱狀弱化結構 位于發(fā)光結構上。介電層覆蓋在柱狀結構的表面。第一電極位于柱狀結構上，而第二電極 位于導電承載基板上。綜上所述，通過弱化結構，使其于工藝的降溫過程中，能因材料膨脹系數(shù)的差異， 讓LED元件自然地從外延基板上分離，而不必利用如激光剝離等額外的工藝步驟。此外， LED元件具有特定厚度的外延層，而能讓LED元件自外延基板自然地分離，而不至于使LED 元件破裂。為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例， 并配合附圖，作詳細說明如下。
圖IA至IC為已知發(fā)光二極管結構及其制造圖。圖2A至2M為依據(jù)本發(fā)明實施范例所繪示的LED元件的制造示意圖。附圖標記說明100 外延基板102:LED 元件104:鏡面/粘著層108 承載基板(carrier)110:金屬電極200 基板202 外延層202a:圖案化外延層204 第一掩模層204a 殘留的第一掩模層206 第二掩模層206a 掩模球層210 第三掩模層210a:第四掩模層212 氮化物外延層220 半導體堆疊層222 =N型摻雜氮化鎵層224:量子阱/多重量子阱226 =P型摻雜氮化鎵層230,240 第一、第二鍵合層250:導電承載基板260 斷裂介面265 斷裂介面表面
270 :P 型電極280 :N 型電極290:導電反射層
具體實施例方式圖2A至2M為依據(jù)本發(fā)明實施范例所繪示的LED元件的制造示意圖。圖示中，各 層之間并未依據(jù)實際比例繪制，其僅代表各層間的相對位置關系。此外，實施范例所提及各 層的材料等，僅為方便說明理解的用，此技術領域中具普通技術人員，可以做適度的變更或 修改。如圖2A所示，首先在基板200上依序形成外延層202、第一掩模層204與第二掩模 層206 ；其中外延層202之后要用來形成本實施范例的弱化結構。上述基板200的材料例 如是單晶藍寶石、氮化鎵、硅、碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、氧化鋅或氧化鎂等，以下將以藍寶石 基板作實施范例。另外，在本實施范例中，外延層202是使用氮化鎵，此材料僅為說明之用，非用以 限制本發(fā)明實施范圍；在使用不同發(fā)光二極管結構時，可以改變?yōu)檫m當?shù)牟牧?。為了方便?下文均稱為氮化鎵層202。另外，上述氮化鎵層202的厚度例如是0. 5-3nm。此外，上述第一掩模層204例如是使用二氧化硅為材料，其厚度例如是200nm。第 二掩模層206例如是使用鎳為材料，而其厚度約為50-300nm。第一掩模層204與第二掩模 層206在后續(xù)工藝中，可使用作為蝕刻掩模。第一掩模層204與第二掩模層206所使用的 材料則可以依據(jù)使用蝕刻配方等做合適的調整。接著，如圖2B所示，將上述組件進行高溫工藝。此高溫工藝例如是溫度約 650-950°C的回火工藝。通過此高溫工藝，第一掩模層204上的第二掩模層206會因為表面 張力的因素，形成掩模球層206a，可包含多個掩模球。在本實施例中，此掩模球層206a例 如是具有納米等級的鎳納米掩模球層；各掩模球的直徑例如在50-350nm之間，間距例如在 100-350nm之間。各掩模球的可排列成隨機圖案或規(guī)則圖案。接著，如圖2B、2C所示，以前述的掩模球層206a為掩模，利用蝕刻方法，對第一掩 模層204與氮化鎵層202進行蝕刻，直到底下的基板200暴露出為止，由此形成圖案化的外 延層202a。由于該掩模球層206a具有納米等級，通過控制垂直方向的蝕刻速率大于側向蝕 刻速率，因此可形成具有納米等級的氮化鎵柱層，其后以氮化鎵柱層202a統(tǒng)稱之。參考圖 2D，接著將殘留的掩模球206a及第一掩模層204a移除，移除的方法可以利用任何型式的半 導體蝕刻工藝來進行。上述氮化鎵柱層202a在后續(xù)的工藝中將作為一個弱化結構，以利后續(xù)弱化工藝 的進行；各柱寬度例如是50-350nm之間，間距則例如在100-350nm之間，高度為0. 5-3 μ m。 排列可以呈現(xiàn)規(guī)則狀，也可以是不規(guī)則分布，其由第二掩模層的蝕刻后圖案決定。接著，如圖2E所示，在氮化鎵柱層202a的表面上，順應性(conformal)地沉積第 三掩模層210，主要可作為后續(xù)工藝中的保護層之用。此第三掩模層210的材料例如是二氧 化硅(SiO2)，厚度例如是50-200nm。參考圖2F，選擇性地蝕刻氮化鎵柱層202a頂部的第三掩模層210，使氮化鎵柱層 202a暴露出部分的頂部表面204a以形成第四掩模層210a。蝕刻方式可以選擇合適的半導體工藝，使得在蝕刻進行時，僅移除頂部附近的第三掩模層210。接著，如圖2G、2H所示，利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)，以側向外延的方 式，在氮化鎵柱層202a暴露出的表面上成長一層氮化物外延層212。此氮化物外延層212 例如是N型摻雜的氮化鎵外延層。另外，為了兼顧晶格不匹配、后續(xù)的LED元件與基板之間以及后續(xù)因為降溫而造 成外延元件破裂的應力因素，上述氮化物外延層212具有特定的厚度范圍，例如0. 5-3 μ m， 方能達到成長時使晶格不匹配的影響降到最低，且不致造成破裂。接著，如圖21所示，在氮化物外延層212的表面形成半導體堆疊層220，其為一種 堆疊式構造，例如是由第一摻雜層、發(fā)光層與第二摻雜層所形成。在本實施范例中，此半導 體堆疊層220例如是由N型摻雜氮化鎵層222、量子阱(quantum well, QW)或多重量子阱 (multiple quantum well, MQff) 224與P型摻雜氮化鎵層226所構成。之后，在半導體堆疊層220上方形成導電反射層290與第一鍵合層230，以形成發(fā) 光二極管結構，其如圖21左側圖所示。同樣地參考圖21，另外準備導電承載基板250，該導 電承載基板250例如是由硅構成。導電承載基板250的表面也形成第二鍵合層240。接著，進行晶片鍵合步驟，將上述兩結構物透過該第一鍵合層230與該第二鍵合 層240彼此鍵合在一起。通過此鍵合步驟，使半導體堆疊層220與藍寶石基板200轉移到 導電承載基板250上，形成如圖2J所示的結構A，其包括發(fā)光結構Al、氮化鎵柱層202a以 及基板200。前述的第一鍵合層230與第二鍵合層240的材料例如是錫金合金(AuSn)、金， 其除了用以進行晶片鍵合外，其反射層與導電材料可選擇銀與鎳、鉬、鋁等合金材料。因此 不限于單一層材料，也可視實際需求形成多層，此乃本領域一般技術人員可運用其既有的 知識予以完成，上述僅為一種實施例的說明，并不用以限定本發(fā)明。此外，在上述的制造程序中，因為形成半導體堆疊層220的外延過程與晶片鍵合 過程分屬不同的機臺，所以在機臺移轉過程中，會經(jīng)歷第一次降溫過程。如前所述，氮化鎵 層212的厚度能夠抵抗因藍寶石基板200與氮化鎵層212及半導體堆疊層220等的熱膨脹 系數(shù)差異，所以可以避免降溫時的溫度差會導致應力分布不均而造成的破裂問題。接著參考圖2K，在完成上述晶片鍵合后，將圖2J所示的結構A進行第二次降溫過 程，亦即本發(fā)明的弱化工藝。此降溫過程例如是將上述鍵合后的結構A逐漸降溫到環(huán)境溫 度，即約室溫。同樣地，因基板200與承載基板210的熱膨脹系數(shù)的不同，所以當環(huán)境由進 行晶片鍵合的溫度(以接面為金/錫為例，溫度大約在350-450°C )開始于60分鐘內(nèi)降至 280C，材料間的應力會造成發(fā)光結構Al在結構A中最弱的界面間；亦即氮化鎵柱層202a之 間的部分260自然斷裂，以形成不規(guī)則的多個柱狀結構，且其側壁有第四掩模層210a的覆
至
ΓΤΠ ο此外，該界面260的斷裂面并不一定是齊面地斷裂，如圖2L的斷裂界面表面265 僅為一種斷裂界面的態(tài)樣，不用以限定本發(fā)明。此外，該斷裂界面表面265形成于發(fā)光結構 Al的表面，因此可通過破壞出光時的全反射角以提高光取出效率。因此，本發(fā)明在不需要額 外工藝的情況下，便可以達到將使發(fā)光二極管從基板200分離以及達到增加發(fā)光效率的效^ ο最后，在元件表面的適當位置形成N型電極280以及于硅基板250表面形成P型 電極270，如圖2M所示，以形成發(fā)光二極管元件B。例如，電極可配置在導電承載基板250
7與氮化鎵柱層202a的斷裂表面的適當位置上。本實施范例的發(fā)光二極管元件是以氮化鎵材料為范例來加以解說，但是也可以替 換成其他合適的發(fā)光材料以及外延基板。例如，可以使用砷化鎵基板來成長鋁鎵銦磷化物 (AlGaInP)，或者是使用硅基板來成長氮化鎵。因此，在應用上并不局限在氮化鎵材料或藍
寶石基板。綜上所述，通過弱化結構，使其于工藝的降溫過程中，能因材料膨脹系數(shù)的差異， 讓發(fā)光結構自然地從外延基板上分離，而不必利用如激光剝離等額外的工藝步驟。此外，發(fā) 光結構具有特定厚度的外延層，因此能抵抗因基板與及半導體堆疊層等的熱膨脹系數(shù)差異 在降溫時會導致應力分布不均而造成的破裂問題。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技 術領域中普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此 本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求界定者為準。
權利要求
一種發(fā)光二極管結構，包括基板；圖案化外延層，位在該基板上，并且包含多個柱狀結構，可在降溫過程中斷裂；以及發(fā)光結構，位于該圖案化外延層上。
2.如權利要求1所述的發(fā)光二極管結構，其中各該柱狀結構具有特定高度，其中該特 定高度為0. 5至3 μ m，寬度為50-350nm，且各多個柱狀結構的間距為100_350nm。
3.如權利要求1所述的發(fā)光二極管結構，還包括掩模層，順應性地配設在該圖案化外 延層的表面，其中該掩模層的材料為介電質。
4.如權利要求1所述的發(fā)光二極管結構，還包括氮化物外延層，配置在該發(fā)光結構與 該圖案化外延層之間，且該氮化物外延層的厚度為0. 5-3 μ m。
5.如權利要求1所述的發(fā)光二極管結構，其中該發(fā)光結構依序還包括第一摻雜層、發(fā) 光層與第二摻雜層，其中該第一與該第二摻雜層的導電型不同，其中該發(fā)光層為量子阱層 或多重量子阱層。
6.如權利要求1所述的發(fā)光二極管結構，還包括 鍵合層，配置在該發(fā)光結構與該導電承載基板之間。
7.如權利要求6所述的發(fā)光二極管結構，其中該導電承載基板，與該圖案化外延層或 該發(fā)光結構的熱膨脹系數(shù)不同。
8.一種發(fā)光二極管元件的制造方法，包括 提供基板；形成圖案化外延層于該基板上，且該圖案化外延層由多個柱狀結構所構成； 形成掩模層于該圖案化外延層的表面，其中該掩模層至少覆蓋該圖案化外延層的側壁；形成氮化物外延層于該圖案化外延層上；形成發(fā)光結構層于該氮化物外延層上，以完成第一結構；提供導電性承載基板，并進行鍵合程序，將該第一結構轉移到該導電性承載基板上；以及以降溫程序，進行弱化工藝，使該圖案化外延層斷裂。
9.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中形成該圖案化外延層還包括形成外延層于該基板上； 形成第一掩模層于該外延層上； 形成第二掩模層于該第一掩模層上；進行高溫工藝，使該第二掩模層形成掩模球層，其中該掩模球層包含多個掩模球；以及 以該掩模球層為掩模，去除部分該第一掩模與該外延層，以形成該圖案化外延層。
10.如權利要求9所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中該掩模球層中的各掩 模球的直徑為50-350nm，且間距為100-350nm，各掩模球的直徑為50-350nm，且間距為 100-350nm。
11.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中各該柱狀結構物具有特 定高度，其中該特定高度為0. 5至3 μ m，寬度為50-350nm，且各多個柱狀結構物的間距為100-350nm。
12.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中形成該掩模層還包括 順應性地形成第三掩模層于該圖案化外延層上；以及去除該圖案化外延層頂部的部分該第三掩模層。
13.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，該氮化物外延層的厚度為 0. 5-3y m。
14.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中形成該發(fā)光結構還包括依 序形成第一摻雜層、發(fā)光層與第二摻雜層，其中該第一與該第二摻雜層的導電型不同，其中 該發(fā)光層為量子阱層或多重量子阱層。
15.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，還包括 形成第一鍵合層于該發(fā)光結構層上；形成第二鍵合層于該導電承載基板上；以及 通過該第一與該第二鍵合層，完成該鍵合程序。
16.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，還包括形成第一與第二電極，分 別于該導電承載基板與該弱化結構的表面，其中該第一電極與該第二電極的導電型不同。
17.如權利要求8所述的發(fā)光二極管元件的制造方法，其中該導電承載基板，與該圖案 化外延層或該發(fā)光結構的熱膨脹系數(shù)不同。
18.一種發(fā)光二極管元件，包括 導電承載基板；發(fā)光結構，位于該導電承載基板上； 多個柱狀結構，位于該發(fā)光結構上； 介電層，覆蓋該柱狀結構的側壁； 第一電極，位于該柱狀結構上；以及 第二電極，位于該導電承載基板上。
19.如權利要求18所述的發(fā)光二極管元件，其中該發(fā)光結構依序還包括第一摻雜層、 發(fā)光層與第二摻雜層，其中該第一與該第二摻雜層的導電型不同，其中該發(fā)光層為量子阱 層或多重量子阱層。
20.如權利要求18所述的發(fā)光二極管元件，還包括鍵合層，配置在該發(fā)光結構與該導 電承載基板之間。
21.如權利要求18所述的發(fā)光二極管元件，其中該導電承載基板，與該圖案化外延層 或該發(fā)光結構的熱膨脹系數(shù)不同。
22.如權利要求18所述的發(fā)光二極管元件，其中該第一電極與該第二電極的導電型不同。全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管的結構、元件以及其制造方法。此發(fā)光二極管結構為在基板上形成圖案化外延層與發(fā)光結構等，而以圖案化外延層作為弱化結構，使在后續(xù)的工藝中，可以在降溫過程中自動地斷裂。其中弱化結構為多個柱狀結構物。
文檔編號H01L33/00GK101872815SQ20091013214
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月21日 優(yōu)先權日2009年4月21日
發(fā)明者劉柏均, 趙主立, 郭義德 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院