TWI460891B - Preparation method and product of vertical conduction type light emitting diode - Google Patents

Description

垂直導通式發光二極體的製作方法及其製品

本發明是有關於一種發光二極體(light emitting diode，LED)的製作方法，特別是指一種垂直導通式(vertical feedthrough)發光二極體的製作方法及其製品。

藍光/綠光發光二極體基於其所使用之藍寶石(sapphire)磊晶基板(epitaxial substrate)不易散熱等原因，如圖1所示，熟悉此技術領域的相關技術人員便採用晶圓鍵合的技術(wafer bonding)，以將一藍寶石磊晶基板10上的一氮化鎵(GaN)膜層結構11貼合至一散熱性導電基板100上[參圖1(B)]，並進一步地利用雷射剝離(laser lift-off；LLO)製程來裂解該GaN膜層結構11與藍寶石磊晶基板10間的緩衝層12，從而使得該藍寶石磊晶基板10是自該GaN膜層結構11被移除掉[參圖1(C)]，以藉此解決前述散熱不佳的問題，並於移除該藍寶石磊晶基板10後的該GaN膜層結構11上形成一上電極(圖未示)以製得一垂直導通式的發光二極體。

然而，此處需補充說明的是，如圖1(A)所示，在實施晶圓鍵合技術之前，該GaN膜層結構11的表面上是預先依序形成有一金屬反射層13及一金屬鍵合層14；之後，再利用熱壓法(即，晶圓鍵合技術)使該金屬鍵合層14與該散熱性導電基板100上的另一金屬鍵合層15上相互鍵合[如圖1(B)所示]。

因此，熟悉此技術領域的相關技術人員應知，在實施晶圓鍵合技術時，該金屬反射層13將因熱壓法所處的高溫環境而出現氧化問題，從而使得該金屬反射層13的反射率嚴重地受到不良的影響。再者，在晶圓鍵合技術之後所實施的LLO製程中，該GaN膜層結構11亦將因LLO製程的高能量雷射光束而受到損傷，從而影響其漏電流的特性。關於垂直導通式發光二極體之製法及其結構等相關說明，可參TW200812105與TW201123524等早期公開專利公報的說明。

經上述說明可知，改良垂直導通式發光二極體的製法以解決其製程中所衍生的反射率下降，甚或GaN膜層結構受損等問題，是此技術領域的相關技術人員所需改進的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種垂直導通式發光二極體的製作方法。

本發明之另一目的，即在提供一種垂直導通式發光二極體。

於是，本發明垂直導通式發光二極體的製作方法，包含以下步驟：(a)提供一磊晶基板，該磊晶基板具有一第一板本體、一第二板本體，及一鍵合於該第一板本體之一第一表面與該第二板本體之一第一表面之間的黏結層；(b)於該第二板本體之遠離該黏結層的一第二表面成長 一以GaN為主的磊晶膜層結構；(c)於該磊晶膜層結構之一表面形成至少一第一電極；(d)於該第一板本體之遠離該黏結層的一第二表面形成一具有一開口的緻密層；(e)於該步驟(d)之後，以一濕式蝕刻劑自該第一板本體的第二表面向其第一表面的方向移除裸露於該開口外的該第一板本體，並於該第一板本體形成一界定出一空間的內圍繞面，且蝕刻行為終止於該黏結層以使該黏結層裸露於該空間外；(f)於該步驟(e)之後，自該黏結層朝該磊晶膜層結構的方向依序移除該裸露於該空間外的黏結層、第二板本體及部分磊晶膜層結構，從而於該黏結層、該第二板本體及該磊晶膜層結構中分別形成有一內環面，且該內圍繞面及該等內環面共同界定出一空腔，並使該磊晶膜層結構中的一導電性GaN層裸露於該空腔外；(g)於該步驟(f)之後，移除該緻密層；及(h)最後，依序形成一反射層、一第二電極層及一散熱層，該反射層自形成有該空腔的一側覆蓋該導電性GaN層，該第二電極層覆蓋該反射層、該磊晶膜層結構的內環面、該第二板本體的內環面、該黏結層的內環面、該第一板本體的內圍繞面及其第二表面，該散熱層覆蓋該第二電極層。

此外，本發明之垂直導通式發光二極體，包含：一磊 晶基板、一以GaN為主的磊晶膜層結構、至少一第一電極、一反射層、一第二電極層，及一散熱層。

該磊晶基板具有一第一板本體、一第二板本體及一黏結層。該黏結層鍵合於該第一板本體之一第一表面與該第二板本體之一第一表面之間。該第一板本體具有一內圍繞面，該內圍繞面貫穿該第一板本體的第一表面及一遠離該黏結層的一第二表面。該黏結層與該第二板本體分別具有一內環面。

該以GaN為主的磊晶膜層結構形成於該第二板本體之遠離該黏結層的一第二表面。該磊晶膜層結構具有一導電性GaN層及一內環面。該等內環面與該第一板本體的內圍繞面共同界定一空腔，並使該導電性GaN層裸露於該空腔外。

該第一電極形成於該磊晶膜層結構的一表面。該反射層是自形成有該空腔的一側覆蓋該導電性GaN層。該第二電極層覆蓋該反射層、該磊晶膜層結構的內環面、該第二板本體的內環面、該黏結層的內環面、該第一板本體的內圍繞面及其第二表面。該散熱層覆蓋該第二電極層。

本發明之功效在於：省略掉雷射剝離(LLO)製程，可避免該磊晶膜層結構遭受高能雷射光束所損傷從而改善漏電流的問題；此外，最後一道程序所完成的該反射層可避免因高溫的熱壓製程所衍生的氧化問題，從而提升整體元件的反射率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2、圖3及圖4，本發明垂直導通式發光二極體的製作方法的一較佳實施例，包含以下步驟：(a)提供一磊晶基板2，該磊晶基板2具有一第一板本體21、一第二板本體22，及一鍵合於該第一板本體21之一第一表面211與該第二板本體22之一第一表面221之間的黏結層23；(b)於該第二板本體22之遠離該黏結層23的一第二表面222成長一以GaN為主的磊晶膜層結構3；(c)於該磊晶膜層結構3之一表面形成多數個間隔設置的第一電極4；(d)於該第一板本體21之遠離該黏結層23的一第二表面212形成一具有一開口50的緻密層5，以在本發明該較佳實施例中扮演一遮罩(mask)的角色；(e)於該步驟(d)之後，以一濕式蝕刻劑(圖未示)自該第一板本體21的第二表面212向其第一表面211的方向移除裸露於該開口50外的該第一板本體21，並於該第一板本體21形成一界定出一空間210的內圍繞面213，且蝕刻行為終止於該黏結層23以使該黏結層23裸露於該空間210外；(f)於該步驟(e)之後，使用離子耦合電漿(ICP)乾式蝕刻法自該黏結層23朝該磊晶膜層結構3的方向依序移 除該裸露於該空間210外的黏結層23、第二板本體22及部分磊晶膜層結構3，從而於該黏結層23、該第二板本體22及該磊晶膜層結構3中分別形成有一內環面233、223、36，且該內圍繞面213及該等內環面233、223、36共同界定出一空腔20，並使該磊晶膜層結構3中的一導電性GaN層31裸露於該空腔20外；(g)於該步驟(f)之後，移除該緻密層5；及(h)最後，依序形成一反射層6、一第二電極層7及一散熱層8，該反射層6自形成有該空腔20的一側覆蓋該導電性GaN層31，該第二電極層7覆蓋該反射層6、該磊晶膜層結構3的內環面36、該第二板本體22的內環面223、該黏結層23的內環面233、該第一板本體21的內圍繞面213及其第二表面212，該散熱層8覆蓋該第二電極層7。

較佳地，該第一板本體21是由一第一單晶材料所構成；該第二板本體22是由一第二單晶材料所構成，該第二單晶材料是矽(111)，且本發明該較佳實施例之第一單晶材料及第二單晶材料對該步驟(e)之濕式蝕刻劑是呈現出選擇性蝕刻(selectivity etching)的特性，以致該步驟(e)之濕式蝕刻劑對該第一單晶材料的蝕刻速率是遠大於對該第二單晶材料的蝕刻速率。在本發明該較佳實施例中，該第一單晶材料是矽(100)，且該步驟(e)之濕式蝕刻劑是KOH；該黏結層23是由氧化矽(SiO₂ )所構成；該緻密層5是由氮化矽 (SiNx)所構成，且SiO₂ 與SiNx是由低壓化學氣相沉積法(LPCVD)所製得。

再參圖2(a)，此處需補充說明的是，在本發明該較佳實施例中，該磊晶基板2是預先在該第一板本體21及第二板本體22的第一表面211、221分別形成一第一鍵合層231及一第二鍵合層232後，並進一步地利用熱壓法來鍵合該第一鍵合層231及第二鍵合層232以形成該黏結層23，並從而構成本發明該較佳實施例之磊晶基板2。

此處需進一步補充說明的是，本發明該較佳實施例之第二板本體22在實施上述熱壓法以形成該黏結層23之後，是利用化學機械研磨法(CMP)被施予薄化處理，以致於該第二板本體22的厚度是低於10 μm。此外，由於該步驟(b)所實施之磊晶成長製程的環境溫度一般是高於1000℃，當該第一板本體21已預先實施該步驟(e)以形成有該空間210時，其將使得該磊晶基板2的整體厚度不足以支撐磊晶成長製程之高溫環境下所產生的熱應力(thermal stress)差，並從而導致該第二板本體22產生破裂；因此，為提供足夠厚度的磊晶基板2，較佳地，該步驟(b)是在該步驟(e)之前實施。

較佳地，該步驟(h)的反射層6是由一選自下列所構成之群組的金屬材料所構成：Ag、Al，及前述金屬材料的組合；該步驟(h)的第二電極層7是由Au所構成；該步驟(h)的散熱層8是由Cu所構成。本發明該較佳實施例之主要技術重點是在於，該反射層6、該第二電極層7與該散熱層8 是在該較佳實施例的最後一個步驟實施，就該反射層6、該第二電極層7與該散熱層8等製法而言並非本發明之技術重點，於此不再多加贅述。

較佳地，本發明該較佳實施例於該步驟(b)與步驟(c)之間還包含一步驟(b’)，該步驟(b’)是在該磊晶膜層結構3與該等第一電極4之間形成一透明導電層9。

較佳地，本發明該較佳實施例之磊晶膜層結構3自該第二板本體22的第二表面222背向其第一表面221的方向，依序具有一分散式布拉格反射(DBR)多層膜32、一未摻雜的GaN層33、該導電性GaN層31、一多重量子井(MQW)多層膜34及一p型GaN層35。在本發明該較佳實施例中，該導電性GaN層31為一n型GaN層，該分散式布拉格反射多層膜32自該第二板本體22的第二表面222背向其第一表面221的膜層結構為(AlN/AlGaN)n；其中，n為8~9。

整合本發明該較佳實施例之前述製作方法可知，由本發明該較佳實施例之製作方法所製得的垂直導通式發光二極體是顯示於圖5中，其包含：該磊晶基板2、該磊晶膜層結構3、該等第一電極4、該反射層6、該第二電極層7、該散熱層8，及該透明導電層9。

如圖5所示，該磊晶基板2具有該第一板本體21、該第二板本體22及該黏結層23。該黏結層23鍵合於該第一板本體21之第一表面211與該第二板本體22之第一表面221之間。該第一板本體21具有該內圍繞面213，該內圍 繞面213貫穿該第一板本體21的第一表面211及遠離該黏結層23的第二表面212。該黏結層23與該第二板本體22分別具有該內環面233、223。

該以GaN為主的磊晶膜層結構3形成於該第二板本體22之遠離該黏結層23的第二表面222，且該磊晶膜層結構3具有該導電性GaN層31及該內環面36。該等內環面233、223、36與該第一板本體21的內圍繞面213共同界定該空腔20，並使該導電性GaN層31裸露於該空腔20外；其中，該磊晶膜層結構3的細部結構已詳細地說明於前，申請人於此不再多加贅述。

該等第一電極4是形成於該磊晶膜層結構3的表面，且該透明導電層9是形成在該磊晶膜層結構3與該等第一電極4之間。該反射層6是自形成有該空腔20的一側覆蓋該導電性GaN層31。該第二電極層7覆蓋該反射層6、該磊晶膜層結構3的內環面36、該第二板本體22的內環面223、該黏結層23的內環面233、該第一板本體21的內圍繞面213及其第二表面212。該散熱層8覆蓋該第二電極層7。

再參圖2、圖3與圖4，本發明該較佳實施例一方面是利用該磊晶基板2所使用的第二板本體[即，Si(111)]22，來降低該磊晶膜層結構3於磊晶成長時所產生的晶格不匹配度(lattice mismatch)，以藉此取代價格較為昂貴的藍寶石磊晶基板，並降低製作垂直導通式發光二極體時的原物料成本。

另一方面，本發明該較佳實施例亦藉由該第一板本體21[即，Si(100)]與該第二板本體22[即，Si(111)]兩者對於該濕式蝕刻劑(即，KOH)的選擇性蝕刻特性，以快速地在該第一板本體21中形成該空間210，並進一步地透過ICP乾式蝕刻法以依序移除裸露於該空間210外的黏結層23、第二板本體[即，Si(111)]22與部分磊晶膜層結構3，從而使該導電性GaN層(即，n型GaN層)31裸露於該空腔20外，以使得該反射層6、該第二電極層7與該散熱層8可於最後一道步驟實施，並完成底部毆姆接觸的製作程序，以藉此避免該反射層6因高溫製程的熱壓法所衍生的氧化問題，並提升該反射層6的反射率。

再者，由於該空腔20是由該第一板本體21的內圍繞面213、該黏結層23的內環面233、該第二板本體22的內環面223與該磊晶膜層結構3的內環面36所共同定義而成；因此，該反射層6的披覆面積相對地獲得提升，亦增加了該垂直導通式發光二極體的整體散熱面積。

又，本發明該較佳實施例之製作方法省略了先前技術所使用的雷射剝離(LLO)製程，使該磊晶膜層結構3免於遭受高能量的雷射光束所損傷，可降低先前技術所述及的漏電流問題。

綜上所述，本發明垂直導通式發光二極體的製作方法及其製品，避免使用價格昂貴的藍寶石磊晶基板且省略掉雷射剝離(LLO)製程，不僅降低原物料成本，亦避免該磊晶膜層結構3遭受高能雷射光束所損傷從而改善漏電流的問 題；此外，最後一道程序所完成的該反射層6可避免因熱壓製程所衍生的氧化問題，從而提升整體元件的反射率，且該反射率的整體披覆面積大可提升其元件的散熱效能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧磊晶基板

20‧‧‧空腔

21‧‧‧第一板本體

210‧‧‧空間

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧內圍繞面

22‧‧‧第二板本體

221‧‧‧第一表面

222‧‧‧第二表面

223‧‧‧內環面

23‧‧‧黏結層

231‧‧‧第一鍵合層

232‧‧‧第二鍵合層

233‧‧‧內環面

3‧‧‧磊晶膜層結構

31‧‧‧導電性GaN層

32‧‧‧分散式布拉格反射多層膜

33‧‧‧未摻雜的GaN層

34‧‧‧多重量子井多層膜

35‧‧‧p型GaN層

36‧‧‧內環面

4‧‧‧第一電極

5‧‧‧緻密層

50‧‧‧開口

6‧‧‧反射層

7‧‧‧第二電極層

8‧‧‧散熱層

9‧‧‧透明導電層

圖1是一元件製作流程示意圖，說明傳統垂直導通式發光二極體的基本製法；圖2是一元件製作流程示意圖，說明本發明垂直導通式發光二極體的製作方法的一較佳實施例的前段製程；圖3是一元件製作流程示意圖，說明本發明該較佳實施例的中段製程；圖4是一元件製作流程示意圖，說明本發明該較佳實施例的後段製程；及圖5是一局部剖視示意圖，說明本發明該較佳實施例之製作方法所製得的垂直導通式發光二極體。

2‧‧‧磊晶基板

20‧‧‧空腔

21‧‧‧第一板本體

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧內圍繞面

22‧‧‧第二板本體

221‧‧‧第一表面

222‧‧‧第二表面

223‧‧‧內環面

23‧‧‧黏結層

233‧‧‧內環面

3‧‧‧磊晶膜層結構

31‧‧‧導電性GaN層

36‧‧‧內環面

4‧‧‧第一電極

6‧‧‧反射層

7‧‧‧第二電極層

8‧‧‧散熱層

9‧‧‧透明導電層

Claims (16)

1. 一種垂直導通式發光二極體的製作方法，包含以下步驟：(a)提供一磊晶基板，該磊晶基板具有一第一板本體、一第二板本體，及一鍵合於該第一板本體之一第一表面與該第二板本體之一第一表面之間的黏結層；(b)於該第二板本體之遠離該黏結層的一第二表面成長一以GaN為主的磊晶膜層結構；(c)於該磊晶膜層結構之一表面形成至少一第一電極；(d)於該第一板本體之遠離該黏結層的一第二表面形成一具有一開口的緻密層；(e)於該步驟(d)之後，以一濕式蝕刻劑自該第一板本體的第二表面向其第一表面的方向移除裸露於該開口外的該第一板本體，並於該第一板本體形成一界定出一空間的內圍繞面，且蝕刻行為終止於該黏結層以使該黏結層裸露於該空間外；(f)於該步驟(e)之後，自該黏結層朝該磊晶膜層結構的方向依序移除該裸露於該空間外的黏結層、第二板本體及部分磊晶膜層結構，從而於該黏結層、該第二板本體及該磊晶膜層結構中分別形成有一內環面，且該內圍繞面及該等內環面共同界定出一空腔，並使該磊晶膜層結構中的一導電性GaN層裸露於該空腔外；(g)於該步驟(f)之後，移除該緻密層；及 (h)最後，依序形成一反射層、一第二電極層及一散熱層，該反射層自形成有該空腔的一側覆蓋該導電性GaN層，該第二電極層覆蓋該反射層、該磊晶膜層結構的內環面、該第二板本體的內環面、該黏結層的內環面、該第一板本體的內圍繞面及其第二表面，該散熱層覆蓋該第二電極層。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該第一板本體是由一第一單晶材料所構成；該第二板本體是由一第二單晶材料所構成，該第二單晶材料是矽(111)，且該步驟(e)之濕式蝕刻劑對該第一單晶材料的蝕刻速率是遠大於對該第二單晶材料的蝕刻速率。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該第一單晶材料是矽(100)；該黏結層是由氧化矽所構成；該緻密層是由氮化矽所構成。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該步驟(e)之濕式蝕刻劑是KOH；該步驟(f)是使用離子耦合電漿乾式蝕刻法來實施。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該步驟(b)是在該步驟(e)之前實施，且該第二板本體的厚度是低於10 μm。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該步驟(h)的反射層是由一選自下列所構成之群組的金屬材料所構成：Ag、Al，及前述金屬 材料的組合；該步驟(h)的第二電極層是由Au所構成；該步驟(h)的散熱層是由Cu所構成。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，該步驟(b)與步驟(c)之間還包含一步驟(b’)，該步驟(b’)是在該磊晶膜層結構與該第一電極之間形成一透明導電層。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該磊晶膜層結構自該第二板本體的第二表面背向其第一表面的方向依序具有一分散式布拉格反射多層膜、一未摻雜的GaN層、該導電性GaN層、一多重量子井多層膜及一p型GaN層，該導電性GaN層為一n型GaN層。
9. 一種垂直導通式發光二極體，包含：一磊晶基板，具有一第一板本體、一第二板本體及一黏結層，該黏結層鍵合於該第一板本體之一第一表面與該第二板本體之一第一表面之間，該第一板本體具有一內圍繞面，該內圍繞面貫穿該第一板本體的第一表面及一遠離該黏結層的一第二表面，該黏結層與該第二板本體分別具有一內環面；一以GaN為主的磊晶膜層結構，形成於該第二板本體之遠離該黏結層的一第二表面，該磊晶膜層結構具有一導電性GaN層及一內環面，該等內環面與該第一板本體的內圍繞面共同界定一空腔，並使該導電性GaN層裸露於該空腔外； 至少一第一電極，形成於該磊晶膜層結構的一表面；一反射層，是自形成有該空腔的一側覆蓋該導電性GaN層；一第二電極層，覆蓋該反射層、該磊晶膜層結構的內環面、該第二板本體的內環面、該黏結層的內環面、該第一板本體的內圍繞面及其第二表面；及一散熱層，覆蓋該第二電極層。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該第一板本體是由一適合由一濕式蝕刻劑所移除的第一單晶材料所構成；該第二板本體是由一第二單晶材料所構成，該第二單晶材料是矽(111)，且該濕式蝕刻劑對該第一單晶材料的蝕刻速率是遠大於對該第二單晶材料的蝕刻速率。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該第一單晶材料是矽(100)。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該黏結層是由氧化矽所構成。
13. 依據申請專利範圍第9項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該第二板本體的厚度是低於10 μm。
14. 依據申請專利範圍第9項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該反射層是由一選自下列所構成之群組的金屬材料所構成：Ag、Al，及前述金屬材料的組合；該第二電極層是由Au所構成；該散熱層是由Cu所構成。
15. 依據申請專利範圍第9項所述之垂直導通式發光二極體，還包含一透明導電層，該透明導電層是形成在該磊晶膜層結構與該第一電極之間。
16. 依據申請專利範圍第9項所述之垂直導通式發光二極體，其中，該磊晶膜層結構自該第二板本體的第二表面背向其第一表面的方向依序具有一分散式布拉格反射多層膜、一未摻雜的GaN層、該導電性GaN層、一多重量子井多層膜及一p型GaN層，該導電性GaN層為一n型GaN層。