專(zhuān)利名稱(chēng)：制造垂直發(fā)光器件的方法及用于該發(fā)光器件的襯底組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及發(fā)光器件，更具體地涉及一種提高器件產(chǎn)量和光提取效率的制造垂直發(fā)光器件的方法以及一種用于該垂直發(fā)光器件的襯底組件。
背景技術(shù)：
由于缺乏商用氮化物體材料，作為下一代常規(guī)照明光源的氮化物基發(fā)光二極管 (LEDs)目前只好異質(zhì)外延在諸如藍(lán)寶石、碳化硅和硅等異質(zhì)襯底上。但是，這些襯底限制 LED在高功率領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)樗{(lán)寶石具有較差的散熱性能，而硅和導(dǎo)電碳化硅對(duì)可見(jiàn)光不透明。一種克服該限制的方法是將發(fā)光結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到另一具有較好散熱性能的襯底或襯頂上，并且有可能在發(fā)光結(jié)構(gòu)和襯頂之間加入反射鏡。薄膜轉(zhuǎn)移工藝包含將薄膜從原來(lái)襯底上分離，然后將薄膜粘在所選的襯頂上。對(duì)于在藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵基LEDs，已經(jīng)發(fā)展出一種激光剝離技術(shù)。有關(guān)氮化鎵激光剝離技術(shù)可以參考美國(guó)專(zhuān)利No. 7，202，141，在此通過(guò)參考的方式援引其全部?jī)?nèi)容。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一束光子能量大于氮化鎵禁帶寬度的激光穿過(guò)藍(lán)寶石照在氮化鎵和藍(lán)寶石界面上。光子能量被界面處很小厚度(小于1微米)的氮化鎵層吸收，從而導(dǎo)致界面處氮化鎵層的氣化，并產(chǎn)生高壓氮?dú)庖詫l(fā)光結(jié)構(gòu)從藍(lán)寶石襯底上分離。然而，高壓氮蒸汽及其振動(dòng)波可以在發(fā)光結(jié)構(gòu)中引入額外缺陷，導(dǎo)致較低的發(fā)光效率和較大的器件正向/反向漏電流，一句話，導(dǎo)致較低的器件合格率及較差的器件性能。美國(guó)專(zhuān)利No. 7，781，247和專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2005/0247950都指出通過(guò)利用一個(gè)夾在襯底和發(fā)光結(jié)構(gòu)之間的InGaN犧牲層來(lái)提高器件剝離質(zhì)量和產(chǎn)量。在此通過(guò)參考的方式援引美國(guó)專(zhuān)利No. 7，781，247和專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2005/0247950的全部?jī)?nèi)容。InGaN禁帶比氮化鎵禁帶窄，可以吸收更多激光能量，從而降低受損薄膜的厚度。除此之外，InGaN在相對(duì)較低的溫度下離解，因而需要較少激光能量來(lái)完成剝離。激光剝離工藝露出用以形成接觸的半導(dǎo)體表面，通過(guò)分別在發(fā)光層兩相對(duì)側(cè)形成 η接觸電極和ρ接觸電極以獲得垂直LED。垂直LED具有更均勻的電流分布，從而更適合高電流驅(qū)動(dòng)的高功率應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種制造垂直發(fā)光器件的方法，其中通過(guò)形成空隙于襯底和發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行分離或剝離的界面層，利于將襯底從其上形成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)上分離或剝離。本發(fā)明還提供一種用以在其上外延生長(zhǎng)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的襯底組件，其中該襯底組件包括襯底和外延層，以可控方式在該襯底和外延層之間的界面處形成多個(gè)空隙，然后，在該外延層上形成發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，接著將發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)附著在一襯頂上，從外延層上分離該襯底，并在外延層的剝離面上形成導(dǎo)電層和接觸電極， 從而形成發(fā)光器件。本發(fā)明的一個(gè)方案提供一種制造發(fā)光器件的方法。該方法包括制備在頂面具有
4交替形成的多個(gè)凹陷和多個(gè)外延生長(zhǎng)部分的襯底；在該襯底的頂面上沉積外延層以覆蓋但不完全填滿所述凹陷，從而在凹陷中形成多個(gè)空隙；在該外延層上形成發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)； 將該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)附著在一襯頂上；以及從該外延層上分離該襯底。本發(fā)明的另一方案提供制造一種襯底組件，用于在其上生長(zhǎng)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該襯底組件包括在頂面具有交替形成的多個(gè)凹陷和多個(gè)外延生長(zhǎng)部分的襯底；以及在該襯底的頂面形成的外延層，其中該外延層覆蓋但不完全填滿所述凹陷，從而在凹陷中形成多個(gè)空隙。


本發(fā)明包括的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，所述附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理。在整個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且一個(gè)層可以表示與相同功能相關(guān)的一組層。圖IA示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底的橫截面圖。圖IB示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積在襯底上的LED結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖IC示出將圖IB中所示的LED結(jié)構(gòu)從襯底上分離。圖ID示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直LED的橫截面圖。圖IE示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直LED的橫截面圖。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底的橫截面圖。圖2B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例沉積在襯底上的LED結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖2C示出將圖2B中所示的LED結(jié)構(gòu)從襯底上分離。圖2D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直LED的橫截面圖。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底的透視圖。圖3B示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的襯底的透視圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底的透視圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底的平面圖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方案分離LED結(jié)構(gòu)與襯底的方法。圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直LED的制造工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案制造垂直發(fā)光器件的方法中，為了利于從形成在襯底上的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)上分離或剝離襯底，在襯底與發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)之間的界面進(jìn)行分離或剝離處或附近形成多個(gè)空隙。這些空隙可以是任何合適的形式，例如，彼此分離或彼此連通和流體連通。對(duì)于這些分離和連通的空隙，其其尺寸或橫截寬度可以在0. 5到5微米范圍內(nèi)。 如在本說(shuō)明書(shū)中的以下限定，空隙的占空比可以在-20%的范圍內(nèi)。在襯底和發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)之間的界面處的空隙可以通過(guò)包含襯底和外延層的襯底組件形成。在襯底的頂面形成有多個(gè)凹陷和多個(gè)外延生長(zhǎng)部分，并且每個(gè)外延生長(zhǎng)部分具有外延生長(zhǎng)表面。外延層的生長(zhǎng)主要從外延生長(zhǎng)表面開(kāi)始，而不在凹陷處，并且外延層覆蓋但不完全填充凹陷，這樣在襯底和外延層之間的界面處形成空隙。凹陷和外延生長(zhǎng)部分在襯底的頂面交替排列，這樣在凹陷處形成的空隙有助于襯底的相鄰?fù)庋由L(zhǎng)表面從外延層分離或剝離。只要形成合適的尺寸和形狀及預(yù)定數(shù)目的空隙，凹陷可以形成任何形狀和大小，例如平行凹槽或網(wǎng)狀凹槽。凹陷的橫截面寬度可以在0. 5-5微米之間的范圍內(nèi)，深度在1-10微米之間的范圍內(nèi)。外延生長(zhǎng)表面用來(lái)在其上生長(zhǎng)外延層，并且外延生長(zhǎng)表面的大小或橫截面寬度可以在1-10微米之間。所述外延生長(zhǎng)表面可選自c平面、m平面、A平面和 R平面。所述外延生長(zhǎng)表面的米勒指數(shù)比周邊非外延生長(zhǎng)表面(如凹陷或凸起部分的傾斜面)的米勒指數(shù)低。圖IA示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的用于垂直LED生長(zhǎng)的一個(gè)襯底10的橫截面圖。襯底10可以選自藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵、尖晶石及任何其它合適的材料。在襯底 10上形成兩種凹陷，凹陷12具有較寬的底部，如圖所示的平底，以接受隨后的LED結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，而凹陷13具有較窄、尖銳的底部，以在隨后的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)中形成空隙。在圖IA所示的實(shí)施例中，每一種凹陷都有它最接近的或鄰近的屬于另一種凹陷的相鄰凹陷。換句話講， 凹陷12和13優(yōu)選交替排列。凹陷可以形成為如圖IA所示的周期圖案，或任意圖案。在排列成周期圖案的情況下，圖案可以如圖3A所示呈一維，或呈二維。凹陷12和13分別被凸起11界定。凸起11也起到分隔凹陷12與凹陷13的作用。如IA和圖3A所示，凹陷 12和13以周期常數(shù)a排列成周期圖案。凹陷13的深度可以小于或大于凹陷12的深度。 在圖IA和圖3A中，凹陷12和13具有相同的深度，并且等于凸起11的高度。最接近的兩個(gè)相鄰?fù)蛊?1間隔間距d，d是通過(guò)界定凹陷13的兩個(gè)相鄰?fù)蛊?1的頂點(diǎn)之間的距離所測(cè)得的。通常來(lái)講，間距d是圖3、圖4和圖5中所示凹陷13的頂部的橫截開(kāi)口寬度。參考圖1A，凹陷12用于接受LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的橫截底部寬度是W。間距d可以在0. 5-5微米如 1-3微米之間的范圍內(nèi)，而凹陷12的橫截底部寬度w可以在3-10微米如5-7. 0微米之間的范圍內(nèi)。凹陷13的深度h可以在1-10微米如3-6微米之間的范圍內(nèi)。周期常數(shù)a可以在4-20微米如7-13微米之間的范圍內(nèi)。在圖IA和圖3的實(shí)施例中，凹陷13的深度h與凹陷12的深度相同，并且等于凸起11的高度。在其它實(shí)施例中，凹陷13的深度可以大于或小于凹陷12的深度，也可以使一些凹陷13的深度小于凹陷12的深度，而另一些凹陷13 的深度則大于凹陷12的深度。凹陷12的深度可以在1-10微米如3-6微米之間的范圍內(nèi)。通常，凹陷13和12的尺寸選定規(guī)則，如周期常數(shù)a、凹陷12的橫截底部寬度W、凹陷13的深度h和頂部的橫截寬度d，要確定凹陷13足夠尖銳，以在后續(xù)LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)時(shí)， 在凹陷13處形成期望體積和密度的空隙，并要確定LED結(jié)構(gòu)可以在凹陷12的底部順利生長(zhǎng)。因此，凹陷12的底部在此也被稱(chēng)為為外延生長(zhǎng)表面的外延生長(zhǎng)部分。凹陷13的高寬比(也就是h/d)可以在1-5之間的范圍內(nèi)。可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻和蝕刻工藝形成凹陷12和13。例如可以按下列步驟形成藍(lán)寶石襯底10。首先，預(yù)備一個(gè)清潔C平面藍(lán)寶石晶片，用于沉積一定厚度如200納米的 SiO20然后，將預(yù)定圖案轉(zhuǎn)移到SiO2膜，并進(jìn)行蝕刻以形成與c平面藍(lán)寶石的<1-1. 0>方向平行的SiO2掩膜。第三步，晶片被浸泡在熱酸溶液如硫酸(H2SO4)中。在酸溶液加熱到 2600C -330°C時(shí)，藍(lán)寶石的蝕刻速率可達(dá)每分鐘3微米。對(duì)于如此高的蝕刻速率，為了避免諸如Al2SO4的不溶物質(zhì)的形成，通常在蝕刻劑中加入另一種酸如磷酸。對(duì)于硫酸與磷酸，優(yōu)選蝕刻劑的體積比是3 1。蝕刻速率將取決于混合酸性溶液的溫度，形成(11. 1)小平面以界定凹陷12和13。與(00. 1)基準(zhǔn)面相比，(11. 1)小平面具有較高的表面能量，因此也是不穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面。
如:3B所示，具有凹陷12和13的襯底10也可以通過(guò)沉積材料層，然后在該沉積的材料層中形成凹陷12和13而形成。在這種情況下，襯底10包含一個(gè)底置襯底和一個(gè)在該底置襯底上沉積的層16。底置襯底可以由與上述不具有層16的單個(gè)襯底10相同的材料制成。圖3A和圖;3B中的結(jié)構(gòu)唯一的不同，就是圖:3B的結(jié)構(gòu)中有一個(gè)額外的層16并且在層16中形成凹陷12和13。沉積的材料層16優(yōu)選對(duì)可見(jiàn)光透明，并具有介于如GaN的層20與如藍(lán)寶石的下面的襯底之間的折射率。此外，材料16優(yōu)選具有熱穩(wěn)定性，并能承受 1000-1100°C高溫。根據(jù)所述這些性能，最適合材料層16的材料就是氮化硅，其它材料如氧化硅，氧化鈦也可以采用。圖3B中的襯底10可以由下列步驟形成。首先，在底置藍(lán)寶石襯底或其它適合的襯底上沉積厚度h的材料層16。然后，在材料層16的頂面上方形成預(yù)定圖案的由諸如金屬鉻制成的保護(hù)掩膜。第三步，通過(guò)干蝕刻(離子耦合等離子體)或其它適合的蝕刻方法刻蝕材料層16，以形成由凸起11界定的凹陷12和13。在圖:3B中，凸起11 由材料層16制成，并且凹陷12的底面用來(lái)外延生長(zhǎng)，因此露出下面的襯底如藍(lán)寶石襯底的表面。圖:3B中的圖案優(yōu)選平行于c平面藍(lán)寶石的<1-1. 0>方向。在用到層16時(shí)，也可以形成在本說(shuō)明書(shū)中討論的其它圖案的凹陷13和/或12。將初步制成的襯底10載入任何合適的外延生長(zhǎng)反應(yīng)器，如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)器、分子束外延(MBE)反應(yīng)器和氫化物氣相外延(HVPE)反應(yīng)器，來(lái)生長(zhǎng)LED 結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，在凹陷13中不形成任何穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面，而凹陷12只有一個(gè)穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面，就是其平底面。穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面通常比不穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面具有較低的米勒指數(shù)。 例如，如果襯底10由藍(lán)寶石制成，那么凹陷12的平底面優(yōu)選是(00. 1)平面，而凹陷12的其它傾斜的側(cè)壁面可以是較高米勒指數(shù)的平面如(11.2)、(11.3)、(10.2)、(10. 3)等。凹陷12的平底面的米勒指數(shù)比其傾斜面的米勒指數(shù)低。對(duì)穩(wěn)定和不穩(wěn)定生長(zhǎng)平面的選擇導(dǎo)致主要或僅僅從凹陷12的底面上開(kāi)始外延生長(zhǎng)。如圖IB所示，在外延生長(zhǎng)一定厚度的層20后，外延層20具有一平坦的頂面，以利于后續(xù)LED結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。在層20和襯底10的界面處位于凹陷13的底部形成凹陷13的空隙 13，。為了利于空隙13’的形成，在初始階段優(yōu)選增強(qiáng)三維生長(zhǎng)。三維生長(zhǎng)模式可以增大空隙13’的空隙體積。這就意味著在層20的生長(zhǎng)初期，優(yōu)選采取較高的生長(zhǎng)壓力、較高的V/III比(也就是V族源與III族源的摩爾量之比)和較低的生長(zhǎng)溫度。例如，在形成空隙的過(guò)程中，生長(zhǎng)壓力可以是500-760乇，生長(zhǎng)溫度可以是攝氏950-1000度，及V/III比可以是4000-8000。在形成空隙13’后，生長(zhǎng)壓力可以降到200-500乇，生長(zhǎng)溫度可以升到攝氏1000-1080度，及V/III比可以降到2000-4000。層20可以由硅摻雜的GaN或其它合適的材料如硅摻雜的InGaN和MGaN制成。空隙13’可以以彼此不相連的隔離狀態(tài)或者彼此相連的連接狀態(tài)存在。例如在圖IB和圖3的實(shí)施例中，凹陷13形成為平行的凹槽，在其上沉積層20后，形成空隙13’，并且空隙13’在至少一些凹槽中是相連的，且在同一個(gè)凹槽中相連的空隙13’彼此間以及與外界均流體連通。對(duì)于隔離的空隙13’，其大小或尺寸可以在但并不限于0.5到5微米之間的范圍內(nèi)，如1到3微米，并且空隙13’的層密度(sheet density)，就是在穿透形成空隙13’的界面處的一個(gè)平面中的單位面積內(nèi)的空隙13’的個(gè)數(shù)，可以在但并不限于IO4-IO7CnT2之間，如105-106cm_2。對(duì)于相連的空隙13’，空隙13’的橫截面大小，就是在與相連空隙13’縱軸垂直的方向上的橫截面的最大橫向長(zhǎng)度，可以在但不限于0. 5到5微米之間，如1到3微米，并且相連空隙13’的線密度，就是單位長(zhǎng)度上凹陷 13的凹槽個(gè)數(shù)，可以在但不限于IO3-IO4CnT1之間?？障兜恼伎毡瓤梢栽?20%之間，如 5% _10%，這里使用的空隙占空比是指總的空隙體積與總的hXA的體積之比，A是總的襯底平面面積，h是凹陷13的高度。在層20上形成發(fā)光層30的的下限制層21。層21可以選自硅摻雜的GaN、InGaN 和AKiaN。發(fā)光層30是一個(gè)含銦結(jié)構(gòu)，以發(fā)出設(shè)定波長(zhǎng)的光。層21可以是單個(gè)hGaN層或一個(gè)GaN/InGaN多量子井。在發(fā)光層30上是上限制層40，該上限制層40可以是鎂摻雜的 GaN、InGaN或AlGaN。可以在層20上形成任何其它合適的LED結(jié)構(gòu)。在外延生長(zhǎng)上限制層40后，在襯底10上的LED結(jié)構(gòu)上形成透明電流擴(kuò)展層52和反光鏡60，如圖IB中所示的實(shí)施例，該LED結(jié)構(gòu)包括下限制層21、發(fā)光層30和上限制層 40。在一個(gè)實(shí)施例中，在外延生長(zhǎng)上限制層40后，從反應(yīng)爐中取出具有LED結(jié)構(gòu)的襯底10， 并且在各自的氣相沉積系統(tǒng)如電子束沉積室中形成透明電流擴(kuò)展層52和反光鏡60。參考圖1B，在上限制層40上形成透明導(dǎo)電層52，如用以擴(kuò)展電流的P型電流擴(kuò)展層。層52可以是透明金屬層如Ni/Au、NiO/Au或一個(gè)透明導(dǎo)電氧化層如氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)。 層52可以是一個(gè)單層或多層。在透明導(dǎo)電層52上是導(dǎo)電反光鏡60，該導(dǎo)電反光鏡60可以由銀(Ag)、鋁(Al)或如氮化鋯(ZrN)和氮化鉿(HfN)的金屬層。與層52 —同作用的反光鏡60優(yōu)選在可見(jiàn)光譜區(qū)域具有大于90%的反射率。然后，將具有LED結(jié)構(gòu)、電流擴(kuò)展層52和反光鏡60的襯底10附著在一個(gè)高導(dǎo)熱率和高導(dǎo)電率的支撐襯頂70上。附著可以通過(guò)已知的方法如晶片接合或電鍍完成。襯頂 70的制造材料可以選自銅、鉬、鈀、鎳、銀、金、鋁、鈷、鎢、鉬、硅和它們的合金?？紤]到較好的熱學(xué)和電學(xué)特性及商業(yè)生存能力，襯頂70的材料優(yōu)選采用銅或銅合金。最后，在襯頂70上形成接觸電極82，例如ρ型接觸電極。在如圖IB中的結(jié)構(gòu)上采用一種分離機(jī)制以去掉初始襯底10，如圖IC所示。分離機(jī)制可以是機(jī)械研磨和拋光、化學(xué)蝕刻及激光剝離。在化學(xué)蝕刻的情況下，參考圖IB和圖3， 化學(xué)試劑可以通過(guò)毛細(xì)作用注入到位于外延層20和襯底10之間界面處的相連的空隙13’ 中，以加快分離工序。例如，在硅襯底上生長(zhǎng)的GaN基LED的實(shí)施例中，如ΗΝ03、Η2&的氧化劑和如HF的蝕刻劑可以通過(guò)毛細(xì)作用注入到位于GaN/Si界面處的空隙13’中。因此，不需蝕刻整個(gè)襯底10，而是對(duì)Si凸起11的化學(xué)蝕刻就可導(dǎo)致外延層-襯底(也就是圖IB實(shí)施例中的層20和襯底10)的分離。再參考圖IB和圖3，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，襯底10是(111)硅，其中空隙13’ 是沿著<1-10>或等效方向。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED的實(shí)施例中，襯底10可以是(00. 1)藍(lán)寶石，并且空隙13’可以沿<11. 0>、<10. 0>或等效方向形成。參考圖6，如圖IB所示的發(fā)光結(jié)構(gòu)由鈍化層75保護(hù)，該鈍化層覆蓋發(fā)光結(jié)構(gòu)的頂面，也可以覆蓋發(fā)光結(jié)構(gòu)的側(cè)壁的一部分，但是在兩側(cè)壁處暴露空隙13’。鈍化層75可以由氮化硅或光刻膠制成。然后，發(fā)光結(jié)構(gòu)被浸泡在容器90的化學(xué)蝕刻液體92中。露出襯底10以接受從容器90底部射入的紫外光95?；瘜W(xué)蝕刻劑92可以是堿性的如Na0H、K0H，或酸性的如ΗΝ03、Η3Ρ04和HF。通過(guò)毛細(xì)作用，化學(xué)蝕刻劑92將會(huì)注入到相連的空隙13’中，以蝕刻層20和襯底10之間的界面。通過(guò)照射紫外光95，可以顯著增強(qiáng)蝕刻工序。在該實(shí)施例中，已大大降低或不存在外延-襯底的分離對(duì)
8發(fā)光層30的負(fù)作用。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)激光剝離來(lái)完成外延-襯底的分離。一束高能量激光，如一束248納米受激激光通過(guò)藍(lán)寶石襯底照射在氮化鎵-藍(lán)寶石界面處。圖IB所示的空隙13’可以吸收由氮化鎵離解所產(chǎn)生的高壓氮?dú)獾恼駝?dòng)波，以避免或減輕振動(dòng)波對(duì)發(fā)光結(jié)構(gòu)的損傷。仍然參考圖1C，分離之后，層20具有變粗糙或被構(gòu)圖的表面，以利于發(fā)光結(jié)構(gòu)的光提取。或者如圖ID所示，層20可被透明導(dǎo)電層51進(jìn)一步平坦化。層51也可以如圖IE 所示被粗糙化或構(gòu)圖成層51’以提高光提取效率。在層51(51’)上是η型接觸電極81。透明導(dǎo)電層51(51，)可以是透明金屬層如Ni/Au、NiO/Au，或透明導(dǎo)電氧化層如&ι0、ΙΤ0，并
且可以是單層或多層。在前述的LED結(jié)構(gòu)中，是以從襯底開(kāi)始先具有η型層。但是應(yīng)理解，LED結(jié)構(gòu)也可以從襯底開(kāi)始先具有P型層。這就意味著在其它實(shí)施例中，層20、21可以是P型層，而層 40、52可以是η型層。圖2Α-圖2D示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的垂直LED的制造工藝。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的襯底10的橫截面圖。襯底10可以選自藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵和尖晶石。襯底10的頂面包含外延生長(zhǎng)部分15和凹陷13。凹陷13 通過(guò)光刻和蝕刻形成，具有傾斜的側(cè)壁，該側(cè)壁是不穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)面。如圖2A所示，凹陷 13具有V形橫截面。外延生長(zhǎng)部分15具有平坦的頂面，以接受LED結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)。在圖 2A的實(shí)施例中，每一個(gè)外延生長(zhǎng)部分15與其它外延生長(zhǎng)部分15被相鄰的凹陷13分開(kāi)，并且每一個(gè)凹陷13與其它凹陷13被相鄰的外延生長(zhǎng)部分15分開(kāi)。然而，外延生長(zhǎng)部分15 和凹陷13的結(jié)構(gòu)關(guān)系并不限于圖2A中所示的關(guān)系。外延生長(zhǎng)部分15和凹陷13可以按如圖2A所示的周期圖案排列，或者也可以隨機(jī)排列。在按周期圖案排列的情況下，圖案可以是一維的，如圖4所示(圖2A是圖4的橫截面圖)，或是二維的，如圖5所示(圖2A也是圖 5沿2A-2A’方向的橫截面圖)。如圖2A和圖4，外延生長(zhǎng)部分15和凹陷13按周期圖案排列，周期常數(shù)為a，并且凹陷13頂部的橫截面寬度為d。凹陷13的深度h等于外延生長(zhǎng)部分15的高度。參考圖2A， 外延生長(zhǎng)部分15的頂面的橫截面寬度w為(a_d)，外延生長(zhǎng)部分15的頂面用來(lái)接受LED結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)。凹陷13的橫截面寬度d可以在0.5-5微米之間的范圍內(nèi)，如1-3微米，而外延生長(zhǎng)部分15的頂面的橫截面寬度w可以在1-10微米之間的范圍內(nèi)，如4-7微米。凹陷 13的深度h可以在1-10微米之間的范圍內(nèi)，如3-6微米。圖5示出外延生長(zhǎng)部分15和凹陷13的二維圖案的平面圖。圖2A是沿圖5的線 2A-2A’的橫截面圖。外延生長(zhǎng)部分15是六邊形，并在襯底10的表面上排列成密集的六邊形圖案。相鄰的兩個(gè)外延生長(zhǎng)部分15的傾斜側(cè)壁界定凹陷13。圖2和圖5中各參數(shù)h、 d、w和a的取值與上述圖2和圖4中的相似。外延生長(zhǎng)部分15也可以由具有較小的頂面、 較大的底面和連接頂面及底面的傾斜側(cè)壁的任何其它形狀構(gòu)成。頂面是用于外延生長(zhǎng)外延層，而相鄰的外延部分15的傾斜側(cè)壁則界定凹陷13。例如，外延部分15可以制成截錐形。 外延部分15的頂面可以制成三角形、正方形、長(zhǎng)方形或其它多邊形，而相應(yīng)外延部分15的底面也可以分別制成三角形、正方形、長(zhǎng)方形或其它多邊形。通常a、d、w和h的設(shè)定規(guī)則就是要確定凹陷13足夠尖銳，這樣就會(huì)在后續(xù)的LED
9結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)后，在凹陷13中形成預(yù)期的空隙體積和密度，以及確定能在外延生長(zhǎng)部分15的頂面上順利生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)。凹陷13的高寬比(就是，h/d)可以在1-5之間的范圍內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻和蝕刻工藝形成襯底10。將初步制成的襯底10載入適當(dāng)?shù)耐庋由L(zhǎng)反應(yīng)器，例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)器、分子束外延(MBE)反應(yīng)器、及氫化物氣相外延(HVPE)反應(yīng)器中，以用于后續(xù)LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。凹陷13未形成有任何穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面。穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面比不穩(wěn)定的生長(zhǎng)平面通常具有較低的米勒指數(shù)。例如，如果襯底10由藍(lán)寶石制成，那么外延生長(zhǎng)部分15的平整頂面優(yōu)選是(00. 1)面，而其它界定凹陷13的傾斜面可以是高米勒指數(shù)的面如(11. 2)、(11. 3)、(10. 2)、(10. 3)等。對(duì)穩(wěn)定和不穩(wěn)定生長(zhǎng)平面的選擇導(dǎo)致主要或只從外延生長(zhǎng)部分15的頂面上開(kāi)始外延生長(zhǎng)。如圖2B所示，在外延生長(zhǎng)一定厚度的可包含硅摻雜的氮化硅層20后，可以獲得層20的平坦表面，以利于后續(xù)LED結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定和不穩(wěn)定平面的適當(dāng)選擇，在層20和襯底10界面處的凹陷13的底部形成空隙13’，參數(shù)1!、d和w如上所述。在圖2A和圖4中所示的實(shí)施例中，凹陷13形成為平行的凹槽，并在其上沉積層20后，形成空隙13’，且在至少一些凹槽中所述空隙13’彼此相連，在同一個(gè)凹槽中相連的空隙13’彼此間及與外界均流體連通。在圖2A和圖5中所示的實(shí)施例中，由相鄰六邊形的外延生長(zhǎng)部分 15的側(cè)壁界定凹陷13，形成互連的網(wǎng)狀凹槽，在其上沉積層20后，形成空隙13’，并在至少一些網(wǎng)狀凹槽中所述空隙13’彼此相連，并且在網(wǎng)狀凹槽中相連的空隙13’彼此及與外界均流體連通。在圖5中所示的實(shí)施例中，空隙13’的橫截面大小，也就是在與凹陷13的網(wǎng)狀凹槽中相連空隙13’的縱軸垂直方向上的橫截面的最大橫向長(zhǎng)度，可以在，但不局限于， 0. 5到5微米之間的范圍內(nèi)，如1到3微米?？障墩伎毡瓤梢栽诘?0%之間的范圍內(nèi)， 如 5% -10%。層21、30、40、52和60、支撐襯頂70及ρ型接觸墊片82與圖IB中所示和討論的相同，并且它們以相似的方式沉積在層20和襯底10上以生產(chǎn)圖2Β中所示的LED結(jié)構(gòu)。所以在此不再贅述。如圖2C所示，對(duì)圖2B中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用分離機(jī)制，以去掉初始襯底10。與上述圖IB 和IC中所述相似，分離機(jī)制可以是機(jī)械研磨和拋光、化學(xué)蝕刻及激光剝離。因此不再贅述。仍然參考圖2C，分離之后，層20具有被粗糙化或構(gòu)圖的表面，其利于發(fā)光結(jié)構(gòu)的光提取?；蛘撸鐖D2D所示，可以通過(guò)透明導(dǎo)電層使層20進(jìn)一步平坦化。該導(dǎo)電層可以有一個(gè)平坦表面，也可以被構(gòu)圖或粗糙化成層51’，以增強(qiáng)光提取效率。在透明導(dǎo)電層51’上是η型接觸墊片81。透明導(dǎo)電層51’可以是透明金屬層如Ni/Au、NiO/Au，或者是透明導(dǎo)電氧化層如&ι0、ΙΤ0,并且可以是單層或多層。圖7示出概述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直LED的制造工藝的制造工藝流程圖。從對(duì)襯底構(gòu)圖開(kāi)始，通過(guò)優(yōu)化的圖案選擇，在后續(xù)的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)中，在外延層-襯底界面處獲得預(yù)期的空隙體積和空隙密度。接著，包含上限制層、發(fā)光層、下限制層和外延層的LED結(jié)構(gòu)形成在構(gòu)圖后的襯底上，該外延層與構(gòu)圖后的襯底相接觸，并且優(yōu)化外延層的生長(zhǎng)參數(shù)以在外延層-襯底界面處形成空隙。然后，在構(gòu)圖后的襯底上生長(zhǎng)的LED結(jié)構(gòu)上覆蓋ρ型透明導(dǎo)電層和反射鏡。下一步將LED結(jié)構(gòu)附著在一個(gè)具有良好導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的襯頂上， 它也為從初始襯底分離LED結(jié)構(gòu)提供機(jī)械支持。采用本領(lǐng)域已知的方法，通過(guò)將襯頂附著在與襯底相反一側(cè)的LED結(jié)構(gòu)上完成附著步驟?？梢圆捎靡阎姆椒▽?shí)現(xiàn)襯底的分離。在外延層-襯底界面處形成的空隙在分離時(shí)利于分離，或降低對(duì)發(fā)光層的損傷，或起到這雙重作用。最后，清洗外延層的暴露表面，以利于后續(xù)的透明η型電流擴(kuò)展層和接觸電極的形成。 對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可以在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可以對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化。因此，本發(fā)明意在覆蓋落入所附權(quán)利要求及其等效范圍內(nèi)的本發(fā)明的各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種制造發(fā)光器件的方法，包括制備在頂面具有交替形成的多個(gè)凹陷和多個(gè)外延生長(zhǎng)部分的襯底；在該襯底的頂面上沉積外延層以覆蓋但不完全填滿所述凹陷，從而在凹陷處形成空隙；在該外延層上形成發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)； 將該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)附著在一襯頂上；以及從該外延層上分離該襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述凹陷形成為平行凹槽或網(wǎng)狀凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述凹陷的橫截面寬度在0.5-5微米之間的范圍內(nèi)，并且深度在1-10微米之間的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述外延生長(zhǎng)部分的每一個(gè)具有外延生長(zhǎng)表面， 該外延層從該外延生長(zhǎng)表面開(kāi)始外延生長(zhǎng)，并且該外延生長(zhǎng)表面的橫截面寬度在1-10微米之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述外延生長(zhǎng)表面選自c平面、m平面、A平面和 R平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采用激光分離法執(zhí)行所述分離步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采用蝕刻法執(zhí)行所述分離步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述外延層上形成透明導(dǎo)電層和接觸電極來(lái)替代該襯底。
9.一種襯底組件，用于在其上生長(zhǎng)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，該襯底組件包括 在頂面具有交替形成的多個(gè)凹陷和多個(gè)外延生長(zhǎng)部分的襯底；以及在該襯底的頂面上形成的外延層，其中該外延層覆蓋但不完全填滿所述凹陷，從而在凹陷中形成空隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述外延生長(zhǎng)部分的每一個(gè)包括外延生長(zhǎng)表面，該外延層從該外延生長(zhǎng)表面開(kāi)始外延生長(zhǎng)，并且該外延生長(zhǎng)表面的橫截面寬度在 1-10微米之間的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述凹陷形成為平行凹槽或網(wǎng)狀凹槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述凹陷的橫截面寬度在0.5-5微米之間的范圍內(nèi)，并且深度在1-10微米之間的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述空隙的占空比在-20%之間的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底組件，其中所述空隙的至少一部分彼此及與外界均流體連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述空隙的橫截面大小在0.5到5微米之間的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述襯底由硅、藍(lán)寶石、砷化鎵、碳化硅或尖晶石制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底組件，其中所述襯底包括一材料層，在該材料層中形成所述凹陷，并且在該材料層上形成該外延層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的襯底組件，其中所述材料層可由氮化硅，氧化硅，氧化鈦中選取。
全文摘要
在制造垂直發(fā)光器件的方法中，通過(guò)在襯底和發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的界面進(jìn)行分離或剝離處形成空隙，利于將襯底從該襯底上形成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)上分離或剝離。一種襯底組件包括襯底和外延層，并且以可控方式在襯底和外延層之間的界面處形成多個(gè)空隙。然后，在該外延層上形成發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，接著將發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)附著在一襯頂上，將襯底從外延層上分離，并在原襯底所在處形成導(dǎo)電層和接觸電極，從而形成垂直發(fā)光器件。
文檔編號(hào)H01L21/78GK102479892SQ201110104619
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者張劍平, 閆春輝 申請(qǐng)人:亞威朗集團(tuán)有限公司