專利名稱：制作垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)的制作方法，特別涉及垂直結(jié)構(gòu)LED的制作方法。背景技術(shù)：
一種常見的制作倒裝(flip-chip)發(fā)光二極管元件的方法通常包括在一個藍(lán)寶石襯底上沉積多個外延半導(dǎo)體層，以在一個晶圓上制作一個外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。從這個外延層就可以制作出多個發(fā)光二極管元件。將晶圓切割可以得到單元芯片。然后使用倒裝技術(shù)將單元芯片連接到一個安裝板上。倒裝連接過程包括通過將單元芯片上的至少一個電極連接到安裝板上至少一個焊盤上，而將單元芯片安裝在該安裝板上。當(dāng)前，有一種薄膜型發(fā)光二極管元件替代這種倒裝型發(fā)光二極管元件。與倒裝型發(fā)光二極管元件相比，薄膜型GaN發(fā)光二極管元件有以下優(yōu)點(diǎn)低熱阻、η型層和ρ型層上均勻的電流密度、低成本。在一個薄膜型發(fā)光二極管元件上，其外延晶圓直接鍵合在導(dǎo)電承載襯底上。通過一個激光剝離過程，使用準(zhǔn)分子激光器將一個GaN層分離出來，除去藍(lán)寶石襯底，但是保留了活性區(qū)。以上所述的除去藍(lán)寶石襯底的激光剝離方法在美國專利6455340，70018Μ和 7015，117里都有描述。現(xiàn)有的用于制作GaN發(fā)光二極管的激光剝離方法與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體過程是不合適宜的，因?yàn)樗褂昧税嘿F的激光設(shè)備，還會對保留的半導(dǎo)體層產(chǎn)生損壞，比如裂紋。如果激光剝離過程由一個拋光過程代替，比如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，那么可以節(jié)省大量成本。而且，拋光是一種比較溫和的方法，比起激光剝離技術(shù)來說，產(chǎn)生較少的損壞。但是，當(dāng)使用CMP時，如果被拋光的平面太大的話，平面的周邊區(qū)和中心區(qū)之間的不平坦度也會很大。因此，在半導(dǎo)體器件的大批量生產(chǎn)中，幾乎不能獲得所需的標(biāo)準(zhǔn)的平坦平面，降低了器件的生產(chǎn)良率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種制作垂直結(jié)構(gòu)LED的方法，其中用于外延層生長的襯底是通過拋光而去除的。在典型實(shí)施例里使用的拋光技術(shù)是化學(xué)機(jī)械拋光，使用拋光停止點(diǎn)來提供充分水平的平面。和傳統(tǒng)拋光方法相比，該方法克服了平面周邊區(qū)和中心區(qū)之間的大偏差問題。拋光停止點(diǎn)被置于多層結(jié)構(gòu)中，然后拋光表面，拋光停止點(diǎn)材料的硬度大于要去除的材料的硬度。所以，和激光剝離或傳統(tǒng)拋光相比，可以較低成本和較高生產(chǎn)良率來生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu) LED。
一種制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，包括提供第一襯底，其上能支持化合物半導(dǎo)體外延生長。在第一襯底上形成一未摻雜化合物半導(dǎo)體層，然后生長η-摻雜化合物半導(dǎo)體層，形成一個多量子阱活性層。在該多量子阱活性層上形成一 P-摻雜化合物半導(dǎo)體層和電極/反光鏡。多個拋光停止點(diǎn)穿過P-摻雜化合物半導(dǎo)體層、活性層，并終止在η-摻雜化合物半導(dǎo)體層或未摻雜化合物半導(dǎo)體層里。形成拋光停止點(diǎn)的材料的硬度大于化合物半導(dǎo)體的硬度。在ρ-電極層上形成一導(dǎo)電的主襯底層，該導(dǎo)電襯底可以是沉積或者鍵合在結(jié)構(gòu)上。第一襯底和至少一部分未摻雜化合物半導(dǎo)體層被拋光除去，露出至少一部分η-摻雜化合物半導(dǎo)體層，然后在其上形成一 η-電極。在除去第一襯底和未摻雜化合物半導(dǎo)體層后，可以除去拋光停止點(diǎn)。如果拋光停止點(diǎn)材料會吸收光的話，這會提高LED的出光量。在一個典型實(shí)施例里，化合物半導(dǎo)體是 GaN型化合物半導(dǎo)體。拋光可以是研磨、精研、拋光或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。

圖1顯示本發(fā)明一個實(shí)施例的多層化合物半導(dǎo)體的開始結(jié)構(gòu)。圖 2 表示臺面拋光(mesa polishing)。圖3顯示鈍化的介質(zhì)生長。圖4顯示ρ-電極形成。圖5表示通過填充溝槽以一硬度材料而形成拋光停止點(diǎn)。圖6表示填充溝槽以非導(dǎo)電填充料。圖7顯示在ρ-電極和介質(zhì)層上形成一主襯底。圖8表示去除襯底并露出η-摻雜層。圖9顯示在η-摻雜層上形成η-電極。圖10表示在器件制作期間去除拋光停止點(diǎn)。圖11顯示可選地去除非導(dǎo)電填充料。
具體實(shí)施方式本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的方法用于制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)LED。該方法有較高的生產(chǎn)良率、較低的成本、和增強(qiáng)的光輸出。本發(fā)明一個實(shí)施例的方法過程概況如圖 1-11。在圖1中，有一個能夠支持外延生長的第一襯底110。典型的襯底材料包括藍(lán)寶石、 硅、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)和磷化鎵(GaP)，當(dāng)然任何能夠支持接下來形成的化合物半導(dǎo)體材料層的外延生長的材料都可以用作襯底110。一個未摻雜的化合物半導(dǎo)體的外延層120如氮化鎵(GaN)或氮化銦鎵(fe^nN)形成在襯底110上。在此使用的表述“未摻雜的”包括輕摻雜材料，即該材料包含一個摻雜物濃度，在該濃度之下通常用于制作η-摻雜或ρ-摻雜層。盡管GaN或(ialnN是典型材料，但是根據(jù)總體期望的LED顏色， 也可以使用其他化合物半導(dǎo)體如hGaP，AlInGaN, AlInGaP, AlGaAs, GaAsP或hGaAsP。一個η-摻雜化合物半導(dǎo)體材料層130形成在未摻雜化合物半導(dǎo)體層120上。在此使用的詞語“在…上”意思是指該層在層120上面，但是可以與層120是分開的，中間間隔任意的其他材料層。在一個典型實(shí)施例里，層130是η-摻雜GaN。請注意，盡管這里描述了一個η-摻雜化合物半導(dǎo)體材料層，另一個選擇是，這里也可以是一個ρ-摻雜化合物半導(dǎo)體。在η-摻雜層130上，形成的是一個多量子阱(MQW)活性層140。多量子阱可以包括交替的η-摻雜GaN和ρ-摻雜GaN層，或者交替的GaN和AlN層；但是其他MQW結(jié)構(gòu)可以包括一個或多個 GaN, AlN, InGaP, AlInGaN, AlInGaP, AlGaAs, GaAsP 或 hGaAsP。盡管為方便起見，所列的這些材料都是定比化合物(stoichiometric compounds)，但是根據(jù)期望的帶隙，也可以采用非定比化合物。基于與其他選擇化合物的兼容性和期望的LED顏色的考慮，可以使用任意MQW結(jié)構(gòu)。在MQW層140上，形成的是一個p_摻雜化合物半導(dǎo)體材料層150。在典型實(shí)施例里，這是P-摻雜GaN。但是，當(dāng)層130是P-摻雜化合物半導(dǎo)體材料時，那么層150就選擇是 η-摻雜化合物半導(dǎo)體材料。接下來描述的是如何開始制作垂直結(jié)構(gòu)LED的材料層，溝槽160和溝槽170形成在多層結(jié)構(gòu)里，如圖2所示。選擇干蝕刻如等離子蝕刻，特別是感應(yīng)耦合等離子蝕刻，用于形成溝槽160和溝槽170。盡管在附圖里所示的溝槽160和170的終止位置是在n_摻雜層 130，但是溝槽也可以終止在未摻雜層120。溝槽160將用于形成拋光停止點(diǎn)，而溝槽170將包含填充材料并用作為器件制作的一個隔開點(diǎn)。在已經(jīng)形成溝槽160和170后，沉積一鈍化材料層180，如圖3所示。該鈍化材料層 (passivation material layer)覆蓋溝槽的壁和底。選擇的鈍化材料包括氧化硅(silicon oxides)、氮化娃(silicon nitrides)等等。一個ρ-電極形成在ρ-摻雜材料層150上，如圖4所示。在一個典型實(shí)施例中，ρ-電極是一個多層金屬結(jié)構(gòu)，其與P-摻雜材料層形成歐姆接觸。其中一個金屬層是反光材料如鋁或銀。這個反光片對從MQW層140發(fā)出的光起到鏡子的作用。如圖5，拋光停止點(diǎn)材料200沉積在溝槽160內(nèi)。拋光停止點(diǎn)200的材料的硬度要大于所選化合物半導(dǎo)體材料的硬度。滿足這個硬度標(biāo)準(zhǔn)的材料包括金剛石、類金剛石膜 (diamond-like carbon)、氮化鈦(TiNx)和鈦鎢合金(Tife)，當(dāng)然，具有這個所需硬度的材料都可以選用。如圖6，溝槽170里填充滿一種非導(dǎo)電的透明的材料，如聚酰亞胺(polyimide)或 SU-8( —種環(huán)氧樹脂型的抗蝕材料)，當(dāng)然也可以選擇其他非導(dǎo)電的透明材料。如圖7，一個主襯底(host substrate) 220附著在ρ-電極190和鈍化材料180 上。主襯底220既是導(dǎo)熱的又是導(dǎo)電的，典型的材料如銅、銀、金、硅、碳化硅(silicon carbide) ,GaP和GaAs。主襯底可以是沉積(如電沉積銅)，或者可以是鍵合(如一個銅板或硅晶圓)。主襯底220和ρ-電極190電連接。這里使用的表述“電連接”是指電流流經(jīng) P-電極190也流過襯底220，不管是通過直接接觸還是通過中間介質(zhì)如粘結(jié)材料。如圖8，除去第一襯底110。第一襯底110的移除是通過拋光如研磨(grinding)、 精研(lapping)、或者化學(xué)機(jī)械拋光。在移除第一襯底110的期間，至少一部分未摻雜化合物半導(dǎo)體材料層120也會被除去，而露出至少一部分η-摻雜層130。不管拋光停止點(diǎn)200 是終止在η-摻雜層130還是終止在未摻雜層120，至少一部分層120都會被除去。這是因?yàn)閽伖膺^程通常會除去至少一部分拋光停止點(diǎn)終止的那一層，由于接觸拋光停止點(diǎn)200的拋光介質(zhì)(如拋光墊)的變形。因此，即使當(dāng)拋光停止點(diǎn)終止在未摻雜層120里，也會有超出拋光停止點(diǎn)的未摻雜層被除去，露出一部分η-摻雜層130。在拋光期間或拋光之后，η-摻雜層可以被粗化，提高LED的出光量?；蛘撸诒┞兜摩?摻雜材料層的表面上形成光子晶體(photonic crystal) 0因?yàn)棣?摻雜化合物半導(dǎo)體層130至少部分暴露，如圖9，形成η-電極230。請注意圖8的方位相對于圖9旋轉(zhuǎn)了 180度。η-電極與η-摻雜層130是歐姆接觸，η-電極可以是一單層導(dǎo)體，或者在一個典型實(shí)施例里，是一多層的鈦/鋁/鈦/金的金屬結(jié)構(gòu)，或其他多層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。為了形成一個LED，如圖10，通過分割而得到單獨(dú)的元件。因?yàn)橐恍伖馔Ｖ裹c(diǎn)材料，如類金剛石膜，會吸收LED的發(fā)出光，分割的位置最好在拋光停止點(diǎn)也能被除去的位置上。因此，在一個典型實(shí)施例里，分割位置就選擇在填充滿的溝槽170。拋光停止點(diǎn)的除去可以采用切割，如激光切割或機(jī)械切割，或化學(xué)蝕刻，如氧等離子體。但是，任何可以去除拋光停止點(diǎn)的技術(shù)都可以用來制作本發(fā)明的LED?？蛇x擇地剩余的透明填充材料210可以通過如蝕刻的方法而除去，如圖11?？梢赃x擇氧等離子體來蝕刻。雖然上述發(fā)明已經(jīng)在不同實(shí)施例里有描述，但是并不限于這些實(shí)施例。對本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員，有多種變化和修改是可以理解的。這些變化和修改應(yīng)該被認(rèn)為包含在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，包括 提供第一襯底，其上能支持GaN外延生長； 在第一襯底上形成一未摻雜GaN層；在該未摻雜GaN層上形成一 η-摻雜GaN層； 在該η-摻雜GaN層上形成一個多量子阱活性層； 在該多量子阱活性層上形成一 P-摻雜GaN層；在該P(yáng)-摻雜GaN層上形成一 ρ-電極層，該ρ-電極配置充當(dāng)反射鏡作用； 使用一種硬度大于GaN硬度的材料，形成多個垂直的拋光停止點(diǎn)，每個拋光停止點(diǎn)穿過所述P-摻雜GaN層、所述活性層，并終止在所述η-摻雜GaN層或所述未摻雜GaN層； 在所述P-電極層上形成一導(dǎo)電的主襯底層；拋光除去第一襯底和至少一部分所述未摻雜GaN層，露出至少一部分η-摻雜GaN層；和在所述η-摻雜GaN層上形成一 η_電極。
2.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括形成溝槽，填充一非導(dǎo)電材料，所述非導(dǎo)電材料選自氧化硅、氮化硅、SU8或聚酰亞胺。
3.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括通過帶光刻膠的剝離過程(liftoff)而沉積拋光停止點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括在最后的器件制作之前，除去拋光停止點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求2所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括通過非導(dǎo)電材料而分割成單獨(dú)器件，在分割時除去拋光停止點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求4所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)的除去選自激光切割、機(jī)械切割、或化學(xué)蝕刻。
7.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)的材料選自金剛石、類金剛石膜、氮化鈦或鈦鎢合金。
8.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)終止在所述η-摻雜GaN層，拋光除去包括第一襯底和所有未摻雜GaN層。
9.如權(quán)利要求1所述的制作GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光選自研磨、精研、或化學(xué)機(jī)械拋光。
10.一種由權(quán)利要求1所述過程制作的GaN垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。
11.一種制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，包括 提供第一襯底，其上能支持化合物半導(dǎo)體外延生長；在第一襯底上形成一未摻雜化合物半導(dǎo)體層；在該未摻雜化合物半導(dǎo)體層上形成第一 P或η摻雜化合物半導(dǎo)體層；在該第一摻雜化合物半導(dǎo)體層上形成一個多量子阱活性層；在該多量子阱活性層上形成第二 P或η摻雜化合物半導(dǎo)體層；第二層摻雜與第一摻雜化合物半導(dǎo)體層的摻雜相反；在第二摻雜化合物半導(dǎo)體層上形成第一電極層，該第一電極配置充當(dāng)反射鏡作用； 使用一種硬度大于所述化合物半導(dǎo)體硬度的材料，形成多個垂直的拋光停止點(diǎn)，每個垂直的拋光停止點(diǎn)穿過所述第二摻雜化合物半導(dǎo)體層、所述活性層，并終止在所述第一摻雜化合物半導(dǎo)體層或所述未摻雜化合物半導(dǎo)體層；在所述第一電極層上形成一導(dǎo)電的主襯底層；拋光除去第一襯底和至少一部分所述未摻雜化合物半導(dǎo)體層，露出至少一部分第一摻雜化合物半導(dǎo)體層；和在所述第一摻雜化合物半導(dǎo)體層上形成第二電極。
12.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中化合物半導(dǎo)體選自 InGaP、Ann(iaN、Ann(;aP、AWaAs、GaAsP、InGaAsP, hfeiN、feiN、AlfeiN，或它們的組合。
13.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括形成溝槽，填充一非導(dǎo)電材料，所述非導(dǎo)電材料選自氧化硅、氮化硅、SU8或聚酰亞胺。
14.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括通過帶光刻膠的剝離過程(liftoff)而沉積拋光停止點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括在最后的器件制作之前，除去拋光停止點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求13所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，還包括通過非導(dǎo)電材料而分割成單獨(dú)器件，在分割時除去拋光停止點(diǎn)。
17.如權(quán)利要求16所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)的除去選自激光切割、機(jī)械切割、或化學(xué)蝕刻。
18.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)的材料選自金剛石、類金剛石膜、氮化鈦或鈦鎢合金。
19.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光停止點(diǎn)終止在所述第一摻雜化合物半導(dǎo)體層，拋光除去包括第一襯底和所有未摻雜層。
20.如權(quán)利要求11所述的制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的方法，其中拋光選自研磨、精研、或化學(xué)機(jī)械拋光。
21.一種由權(quán)利要求11所述過程制作的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作垂直結(jié)構(gòu)LED的方法，其中用于外延層生長的襯底是通過拋光而去除的。在典型實(shí)施例里使用的拋光技術(shù)是化學(xué)機(jī)械拋光，使用拋光停止點(diǎn)來提供充分水平的平面。在拋光表面之前，拋光停止點(diǎn)被置于多層結(jié)構(gòu)中，拋光停止點(diǎn)材料的硬度大于需要去除的材料的硬度。所以，和激光剝離或傳統(tǒng)拋光相比，可以較低成本和較高生產(chǎn)良率來生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)LED。典型的垂直結(jié)構(gòu)LED是GaN LED。拋光停止點(diǎn)可以通過機(jī)械切割、激光切割或等離子蝕刻來去除。
文檔編號H01L33/00GK102265414SQ201180000942
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者林立旻, 蔡勇, 鄭盛梅, 陳家華 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司