專利名稱：垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)的制作，特別涉及垂直結(jié)構(gòu)LED的制作以及由此制成的LED裝置。
背景技術(shù)：
包含GaN基材料的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管(LED)作為光源，現(xiàn)在正變得越來越受歡迎。通常，包含GaN的外延生長材料層被沉積在非GaN襯底上，諸如藍寶石(Al2O3),應(yīng)歸功于高質(zhì)量藍寶石襯底的低成本。但是，高功率GaN基LED在使用時會產(chǎn)生相當(dāng)高的熱量；這些熱量需要有效地散發(fā)出去，才能使大尺寸LED光源得以應(yīng)用并延長LED的使用壽命。盡管藍寶石襯底允許高質(zhì)量外延層在其上生長，但是藍寶石襯底既不導(dǎo)電也不導(dǎo)熱，其必須由一個良好的導(dǎo)熱體替換后才能用于最終的LED設(shè)備封裝。有很多種方法可以用來將藍寶石替換為一個導(dǎo)熱的襯底。其中一種方法是激光剝離，使用受激準(zhǔn)分子激光來分解GaN的界面區(qū)域，然后除去藍寶石生長襯底。以上所述的除去藍寶石襯底的激光剝離方法在美國專利6，455，340，7，001，824和7，015，117里都有描述。但是，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)體過程是不相宜的，因為它使用了昂貴的激光設(shè)備，而且，激光剝離還會對保留的半導(dǎo)體層產(chǎn)生損壞，比如裂紋。另外一種方法是使用化學(xué)機械拋光來除去藍寶石生長襯底，然后粘接一個新的主襯底到外延材料層表面上。使用化學(xué)機械拋光(CMP)，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，在粘接一個新的主襯底之前，由于各種不同的設(shè)備過程，外延材料層的表面會是不平的。當(dāng)粘接一個新襯底到一個不平表面上時，會有粘接空隙，導(dǎo)致粘接度不夠和/或產(chǎn)生應(yīng)力在最終設(shè)備里。因此在 LED設(shè)備制作中需要有改良的技術(shù)來粘接新的主襯底到外延層上。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種制作化合物半導(dǎo)體LED元件的方法，如GaN-基LED元件。本發(fā)明用于各種過程步驟內(nèi)使用的一些方法在美國公開的專利申請2009-0218590， 2008-0197367，2011-0037051和美國專利7，846，753中都有描述，在此通過引用結(jié)合到本公開中。在這些申請和專利中，藍寶石是用作主襯底的一種材料，在其上制作化合物半導(dǎo)體層。在這些共同申請人的專利和申請中，生長襯底如藍寶石有包含GaN的化合物半導(dǎo)體外延層在其上生長，如InGaN。典型的外延層的厚度是3 10微米，生長襯底大約是430 微米。接下來的圖案化過程，在一些區(qū)域部分地或全部地除去外延層，以形成溝槽。接著，沉積電介質(zhì)和堅硬材料并圖案化。金剛石或類金剛石是典型的堅硬材料的例子。堅硬材料在除去生長襯底的過程中充當(dāng)拋光停止點的作用。堅硬材料的通常厚度是1 5微米。 由于堅硬材料的存在，晶圓表面是不平的，臺階高度大于1微米。因此，為了粘接一個新的主襯底到該不平坦的外延層上，本發(fā)明提供一金屬層沉積在外延層上，接著平坦化該沉積的金屬層。然后一個新的主襯底粘接到該平坦化的金屬層上，除去第一生長襯底。再切割而形成單獨的LED元件。

圖IA IG顯示本發(fā)明一個方面的制作垂直結(jié)構(gòu)LED的方法。圖2A 2G顯示本發(fā)明一個方面的制作垂直結(jié)構(gòu)LED的另一個方法。圖2G’顯示本發(fā)明另一個垂直結(jié)構(gòu)LED。
具體實施方式根據(jù)本發(fā)明，一金屬層沉積在外延半導(dǎo)體層上，特別是那些包含GaN或化合物半導(dǎo)體材料的外延層，在粘接一個新的主襯底前被平坦化(Planarized)，而制作垂直結(jié)構(gòu) LED。在此使用的“在…上”是指一層在另一層之上，是指在一個或多個地方直接接觸那一層，或者可以與下一層是隔開的，中間間隔可選的中間材料層。圖1顯示用于制作多個LED 芯片的整塊晶圓的一部分，LED芯片將最終用于LED裝置并集成入照明設(shè)備或照明元件中。 為方便描述起見，僅描述幾個LED芯片。在圖IA中，有可支持外延生長的第一襯底110。典型的襯底材料包括藍寶石、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。一個化合物半導(dǎo)體的外延層120如氮化鎵(GaN)或氮化銦鎵(InGaN)形成在襯底110 上。盡管InGaN被描述為典型材料，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hfeiP, AUnfeiN, AUnfeiP, AWaAs,GaAsP或InGaAsP,并不受此限制。因此在附圖中標(biāo)記“InGaN”僅僅是用于表示化合物半導(dǎo)體層。盡管在圖中未有顯示，各種活性層結(jié)構(gòu)可以包含在層120中，如多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)、η-摻雜和ρ-摻雜材料，其可以與先前引用的專利申請里描述的相同或者不同。注意圖IA僅僅顯示了一部分晶圓，其將最終分割成多個單獨的LED裝置。一個典型的晶圓包括多個芯片形成在一個大的支撐襯底晶圓上，從而可以同時生成多個芯片(其最后將制作入最終設(shè)備里)。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130形成在多層結(jié)構(gòu) 120里(在圖IA里已經(jīng)形成)。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130。一鈍化材料層140形成溝槽130里。該鈍化材料層(passivation material layer)至少覆蓋溝槽的壁和底?？蛇x擇的鈍化材料包括電介質(zhì)如氧化硅(siliconoxides)、氮化硅(silicon nitrides)等等。一堅硬材料150形成在鈍化材料上，并被圖案化而露出外延半導(dǎo)體層，該堅硬材料150在以后的生長襯底除去過程中充當(dāng)拋光停止點的作用。該堅硬材料的硬度要大于外延半導(dǎo)體層的硬度。通常堅硬材料150的厚度是1 5um0在圖1的實施例中，一部分堅硬材料遮住至少一部分外延半導(dǎo)體層120，形成一個堅硬材料“肩”在該區(qū)域上。結(jié)果，如圖IA所示，由于該堅硬材料薄膜“肩”的存在，整個表面是不平的，臺階高度通常大于1微米。堅硬材料包括金剛石、類金剛石膜(diamond-like carbon)、碳化物如SiC、氮化物如氮化硼，但是并不受限于這些材料。以上過程步驟的詳細描述可以參考先前引用的專利申請。如圖IA所示，一金屬層160選擇性地沉積在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120上。該金屬層充當(dāng)一個電連接，例如，P-電極，并且可以用于半導(dǎo)體產(chǎn)生的光的光學(xué)反射。典型的金屬包括鎳、 銀、鈦、鋁、鉬、以及其合金，盡管任何可以充當(dāng)電連接和光學(xué)反射的金屬或其他導(dǎo)電材料都可以用于層160，層160與選擇的外延半導(dǎo)體材料120不相容的。覆蓋整個結(jié)構(gòu)表面的是一個沉積金屬層170。通常的金屬沉積厚度是10 100微米。因為在金屬沉積之前襯底結(jié)構(gòu)是不平的，所以沉積后的金屬表面175也是不平的，如圖 IA中的表面175。最好，沉積金屬的導(dǎo)熱率高于130W/m · K，以便能有效地將熱量從發(fā)光半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)120中散發(fā)出去。為了準(zhǔn)備金屬層170與一個新的主襯底粘接，金屬表面175需要平坦化以形成新的、平坦的金屬層表面177，如圖IB所示。平坦化過程可以是機械的、化學(xué)的、化學(xué)機械的、 熱回熔(thermal reflow)平坦化方法。通常最后的金屬厚度是1 80微米。對于使用激光切割技術(shù)來分割LED芯片，金屬厚度大于80微米不是最優(yōu)的。但是，如果使用其他切割技術(shù)(如機械切割技術(shù))，可以選擇更厚的金屬層。在圖IC中，一個新的主襯底200通過一層薄的粘合層180被粘接在金屬層170的新表面177上。新的主襯底通常是非金屬且具有高導(dǎo)熱率的材料(導(dǎo)熱率高于130W/m ·Κ)， 如SiC，、A1N、硅或其他半導(dǎo)體材料；但是，根據(jù)最終應(yīng)用，也可以選擇金屬襯底。新的主襯底最好擁有足夠的機械強度，以便在隨后的處理過程中充分支持該半導(dǎo)體材料層，能由激光或機械切割輕易地切割開來。新的主襯底的初始厚度通常大于100微米；但是，初始厚度取決于選擇的原始的整個尺寸。粘合層180可以是金屬如金屬焊料或任何其他合適的具有良好傳導(dǎo)性的永久粘合材料。因為金屬表面177是平的，所以在粘接的主襯底上沒有晶圓裂紋或者粘接空隙。如圖ID所示，新的主襯底200可選地被薄化(thinned down)，可以通過任何傳統(tǒng)的機械的、化學(xué)、或者化學(xué)機械薄化方法，但是，根據(jù)新的主襯底的初始厚度和最終期望的厚度，也可以不需要薄化。一個單獨裝置的典型最終厚度是50 500微米。然后，通過合適的方法如拋光或化學(xué)機械拋光，除去生長襯底110。這時候，發(fā)光半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)120已經(jīng)成功地從原始生長襯底110轉(zhuǎn)換成新的主襯底200。在圖IE中，該結(jié)構(gòu)的方位已經(jīng)倒轉(zhuǎn)(“倒裝”)，新的主襯底200在底部，發(fā)光半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)120在頂部。為了形成單獨的裝置，通常使用切割來分離每個LED。如圖IE所示， 使用激光切割來分離，盡管可以使用任意其他方法來分割裝置。有利地，想比較其他切割方法，激光切割會形成較窄的切口寬度(小至10微米)。當(dāng)使用激光切割時，激光切割深度大約到達新的主襯底200，但是不需要完全切開。如圖IF所示，在新的主襯底200之下使用劈裂工具190 (breaker element)，使用機械劈裂將LED裝置分離開來。一個分離的裝置如圖IG所示。半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)120包括InGaN外延層(3 10微米)?？蛇x地，在裝置分割后堅硬材料150“肩”部分仍然被保留，圍繞住半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)120。 層170是高導(dǎo)熱金屬層(1 80微米，導(dǎo)熱率高于130W/m ·Κ)，元件200是新的主襯底(50 150微米)。圖2A-2G顯示本發(fā)明另一方面，其中堅硬材料層150’只沉積在溝槽130里。堅硬材料可以部分地或者全部地填充溝槽130。因為堅硬材料150’完全不和半導(dǎo)體材料120共面，所以仍然有一個不平的表面，隨后仍然需要沉積金屬層170和平坦化過程。在圖2G’里，已經(jīng)通過任意傳統(tǒng)的方法或通過分割位置的選擇(使得堅硬材料 150’在裝置分割過程中也能被除去)，將堅硬材料150’除去。這樣，鈍化材料140在半導(dǎo)體材料120周圍形成外圍邊緣。在分割成單獨元件后，垂直結(jié)構(gòu)LED被封裝，然后被集成入LED照明設(shè)備中。封裝可以包括使用額外的各種熒光粉或其他化合物以改變發(fā)出的LED光的顏色。雖然上述發(fā)明已經(jīng)在不同實施例里有描述，但是并不限于這些實施例。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
1.一種制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，該發(fā)光二極管芯片包括的化合物半導(dǎo)體外延層具有一層或多層氮基化合物半導(dǎo)體材料，并包含將新的主襯底粘接到所述的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管上，該方法包括提供第一生長襯底，其上能支持化合物半導(dǎo)體外延生長；在第一生長襯底上形成一層或多層化合物半導(dǎo)體材料外延層；形成一個或多個溝槽在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料內(nèi)；沉積一鈍化材料在一個或多個溝槽內(nèi)；沉積一堅硬材料至少部分地在一個或多個溝槽內(nèi)，所述堅硬材料的硬度大于所述化合物半導(dǎo)體材料的硬度；沉積一高導(dǎo)熱金屬材料在所述化合物半導(dǎo)體材料上；平坦化所述沉積的金屬材料以形成一個平坦的金屬層，用于隨后的新的主襯底的粘接；粘接新的主襯底到所述金屬層上，所述新的主襯底是高導(dǎo)熱的；除去第一生長襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，其中所述堅硬材料被額外地沉積在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料上，以形成一個堅硬材料肩在所述化合物半導(dǎo)體材料上。
3.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，還包括選擇性地沉積金屬層在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料上，所述金屬材料形成電極、光學(xué)反射器，或兩者都是。
4.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，還包括在平坦化的金屬層和新的主襯底之間沉積一粘合金屬，其中新的主襯底是一非金屬材料。
5.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，其中所述堅硬材料是金剛石、類金剛石膜、氮化硼或碳化硅。
6.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，其中生長襯底是通過拋光或者化學(xué)機械拋光除去的。
7.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，還包括元件分割以形成單獨的發(fā)光二極管。
8.如權(quán)利要求7所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，其中元件分割是激光切割。
9.如權(quán)利要求1所述的制作多個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的方法，其中至少一層化合物半導(dǎo)體外延層包括GaN或hfeiN。
10.一種制作發(fā)光元件的方法，該發(fā)光元件集成有化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管， 包括封裝由權(quán)利要求7所述的分離裝置。
11.一個化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括的化合物半導(dǎo)體外延層具有一層或多層氮基化合物半導(dǎo)體材料，并被粘接到一個新的主襯底上，包括一層或多層化合物半導(dǎo)體外延層，其形成一部分的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管；一個或多個溝槽，其形成在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料內(nèi)，形成多個芯片在化合物半導(dǎo)體材料內(nèi)；一鈍化材料層，其沉積在所述一個或多個溝槽內(nèi)；一堅硬材料，其至少部分地沉積在所述一個或多個溝槽內(nèi)，所述堅硬材料的硬度大于所述化合物半導(dǎo)體材料的硬度；一高導(dǎo)熱的平坦化的金屬層，其沉積在所述化合物半導(dǎo)體材料上，所述金屬層的導(dǎo)熱率高于130W/m · K，厚度大約為1 80微米；一粘合層，其在所述平坦化的金屬層上；一個新的高導(dǎo)熱的主襯底，其通過所述粘合層粘接在所述平坦化的金屬層上，其厚度大約為50 500微米。
12.如權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其中所述堅硬材料被額外地沉積在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料上。
13.如權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，還包括選擇性地沉積的金屬層，其在至少一部分化合物半導(dǎo)體材料上，所述金屬材料形成電極、光學(xué)反射器，或兩者都是。
14.如權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其中所述堅硬材料是金剛石、類金剛石膜、氮化硼或碳化硅。
15.如權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其中至少一層化合物半導(dǎo)體外延層包括GaN或InGaN復(fù)合型化合物材料。
16.一種半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其通過溝槽位置從權(quán)利要求11所述結(jié)構(gòu)分離出來，使得堅硬材料保留在化合物半導(dǎo)體層的側(cè)壁上。
17.—種如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其中堅硬材料已經(jīng)從化合物半導(dǎo)體材料附近除去。
18.—種包括如權(quán)利要求16所述的封裝的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的照明元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作化合物半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)LED的方法。提供第一生長襯底，其上能支持化合物半導(dǎo)體外延生長；在第一生長襯底上形成一層或多層化合物半導(dǎo)體材料外延層如GaN或InGaN；在化合物半導(dǎo)體材料內(nèi)形成多個溝槽；在一個或多個溝槽內(nèi)沉積一鈍化材料；沉積一堅硬材料至少部分地在溝槽內(nèi)并有選擇性地沉積在化合物半導(dǎo)體上，所述堅硬材料的硬度大于所述化合物半導(dǎo)體材料的硬度；沉積一高導(dǎo)熱金屬材料在所述化合物半導(dǎo)體材料上，接著平坦化所述金屬材料；粘接新的主襯底到所述金屬層上，除去第一生長襯底。然后切割以制作單獨的LED元件。
文檔編號H01L33/02GK102369604SQ201180001061
公開日2012年3月7日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者林立旻, 邵向峰 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司