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    • 专利摘要:
    本發明揭示一種使用一磊晶掀離程序製造一發光二極體之方法，其包含在一基板上形成一犧牲層、在具有一磊晶材料之該犧牲層上形成一發光二極體結構、在該發光二極體結構上形成一光反射層及使用一蝕刻程序移除該犧牲層以將該基板與該發光二極體結構分離。
    公开号:TW201316439A
    申请号:TW101136308
    申请日:2012-10-01
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Noren Pan；Victor C Elarde；Christopher Youtsey；Mark Osowski
    申请人:Microlink Devices Inc；
    IPC主号:H01L33-00
    专利说明:
    藉由磊晶掀離製造之發光二極體
    本發明之實施例大體上係關於一種半導體發光二極體(LED)，且更特定言之，本發明之實施例係關於一種在一基板上製造之LED，其中隨後使用一磊晶掀離(ELO)技術以一非破壞性方式自該LED移除該基板。
    本申請案主張依據35 U.S.C.§119(e)之2011年9月30日申請之名稱為「Epitaxial Liftoff(ELO)for Light Emitting Diode(LED)Fabrication」之美國臨時專利申請案第61/541,896號之優先權，該案之全文以引用方式併入本文中。
    習知地，通過有機金屬化學氣相沈積(MOCVD)或分子束磊晶(MBE)，藉由首先在一塊體半導體基板上生長裝置之活性層(其等包括呈各種組合之各種材料)而形成III-V族半導體裝置。該基板提供由其上生長活性層之一高週期性排列之原子組成之一晶體模板(例如GaAs或InP)。該基板未促成裝置之操作。該基板保持作為最終裝置之部分或在製造期間被移除以使活性層貼附至提供至少部分機械穩定性之某一其他結構或處理層。最常見地，透過機械研磨與化學蝕刻之一組合而移除該基板。因此，該基板被有效移除，但在該程序中被破壞。
    本文中所述之例示性實施例包含(但不限於)使用磊晶掀離製造薄膜發光二極體結構之方法及使用磊晶掀離生產之薄膜發光二極體結構。
    使用一磊晶掀離程序製造一薄膜發光二極體之一方法之一實施例包含在一基板上形成一犧牲層及藉由磊晶沈積而在該犧牲層上形成一發光二極體結構。該方法亦包含在該發光二極體結構上形成一光反射層。該方法進一步包含使用一蝕刻程序自該基板移除該犧牲層以將該基板與該發光二極體結構分離。
    在一些實施例中，方法進一步包含在犧牲層上形成一第一接觸層。方法可進一步包含在該第一接觸層上形成一第一包覆層、在該第一包覆層上形成一多量子井活性層及在該多量子井活性層上形成一第二包覆層。方法亦可包含在該第二包覆層上形成一第二接觸層。
    在一些實施例中，該方法亦包含在移除該犧牲層之前將一處理層貼附至光反射層。
    在一些實施例中，方法亦包含在移除犧牲層之後切割發光二極體結構與光反射層以形成複數個發光二極體。
    在一些實施例中，形成發光二極體結構包含形成一III-V族半導體發光二極體結構。在一些實施例中，基板具有約3英寸至約12英寸範圍內之一直徑。
    在一些實施例中，在製造一第一發光二極體之後，方法進一步包含使用基板製造一或多個額外薄膜發光二極體。在一些實施例中，方法包含接收先前用於使用一磊晶掀離程序形成一薄膜發光二極體之一基板，及使用該基板形成一額外薄膜發光二極體。
    另一實施例為不含一基板之一薄膜III-V族半導體發光二極體，該發光二極體包含一第一接觸層及形成於該第一接觸層上之一第一包覆層。該發光二極體進一步包含形成於該第一包覆層上之一多量子井活性層。該發光二極體亦包含形成於該多量子井活性層上之一第二包覆層、形成於該第二包覆層上之一第二接觸層及形成於該第二接觸層上之一光反射層。
    在一些實施例中，光反射層包含一金屬層。在一些實施例中，光反射層包含至少一層之介電材料。
    在一些實施例中，該發光二極體進一步包含耦合至光反射層之一處理層。在一些實施例中，該處理層包含一金屬、一聚合物或以上兩者。在一些實施例中，該處理層之厚度在約5微米至約50微米之範圍內。
    在一些實施例中，處理層係永久耦合至光反射層。在一些實施例中，處理層係暫時耦合至光反射層。
    另一實施例包含使用磊晶掀離形成一薄膜發光二極體之一III-V族半導體堆疊。該堆疊包含一基板及形成於該基板上之一犧牲層。該堆疊亦包含形成於該犧牲層上之一LED結構、形成於該LED結構上之一光反射層及貼附至該光反射層之一處理層。
    在一些實施例中，光反射層包含一金屬層。在一些實施例中，基板具有約3英寸至約12英寸之間之範圍內之一直徑。在一些實施例中，LED結構包含形成於犧牲層上之一第一接觸層、形成於該第一接觸層上之一第一包覆層及形成於該第一包覆層上之一多量子井活性層。LED結構亦包含形成於該多量子井活性層上之一第二包覆層及形成於該第二包覆層上之一第二接觸層。在一些實施例中，該第一接觸層及該第二接觸層比該第一包覆層及該第二包覆層更重地被摻雜。
    在一些實施例中，犧牲層包含一AlGaAs材料。
    以上[發明內容]僅供以引入以下[實施方式]中進一步描述之概念精選。[發明內容]非意欲識別所主張標的之關鍵或基本特徵，且亦非意欲用作為有助於限制所主張標的之範疇。
    圖式意欲繪示本文中所教示之實施例且非意欲展示相對尺寸及維度(例如，其等未按比例繪製)或限制實例或實施例之範疇。在圖式中，由一相同元件符號表示各種圖中所繪示之各相同或幾乎相同組件。
    例示性實施例在發光二極體(LED)(且尤其是不含一基板之薄膜LED)之製造期間使用磊晶掀離(ELO)技術。如上所論述，習知製造技術會在形成裝置之後破壞該基板或使該基板處於適當位置。相比而言，根據一些實施例之一磊晶掀離程序提供在LED結構形成於一晶圓上之後自該LED結構晶圓移除該基板之一非破壞性方式，使得該基板可重新用於製造更多LED。例如，在一些實施例中，一4英寸晶圓可容納5000個至20000個之間之LED結構。可使用一化學蝕刻移除生長於該基板與磊晶層之間之一犧牲釋放層以導致該等磊晶層與該基板分離。該基板保持完整無損，且可在一再磨光步驟之後再次用作為另一生長運轉之晶體模板。在一些實施例中，可重新使用該基板高達十次以在該基板上形成額外磊晶層。在一些實施例中，可重新使用該基板十次以上以形成LED結構之額外薄膜。移除磊晶生長層同時維持該基板之完整性之能力為ELO程序所獨有且難以或無法使用其他已知技術實現。
    在一實施例中，一LED製造程序開始於：在一基板上之一磊晶犧牲釋放層上磊晶地生長一或多個LED結構。在一些實施例中，該釋放層為8奈米至10奈米厚。在一些實施例中，該磊晶犧牲釋放層與其上生長該磊晶犧牲釋放層之基板晶格匹配。該犧牲釋放層之材料具有比LED結構中之其他層之蝕刻速率更高很多之一蝕刻速率。例如，在一些實施例中，用於磊晶生長在一GaAs基板上之一犧牲釋放層包含高Al含量之AlGaAs。一光反射層及一處理層可形成於LED結構上。該處理層可包含一或多個金屬、一或多個聚合物或以上兩者。在形成該等層及該處理層之後，藉由一蝕刻程序而移除該釋放層以通過一不損壞基板或LED結構之一方式將LED結構之晶圓與基板分離。由該處理層及/或該光反射層提供之拉伸應變實現薄膜層之掀離且無需任何外部機械介入：無需在掀離時將重物添加至LED結構或將聚亞醯胺膜(Kapton)或蠟添加在基板或釋放層上。
    各LED結構包括包圍一非摻雜多量子井活性層之透明n型及p型包覆層，該未摻雜多量子井活性層經設計以發出具有LED之設定波長之光。一或多個光反射層係沈積在晶圓(其形成LED之背部)之頂上。在一些實施例中，該一或多個光反射層之各者具有10奈米至1000奈米之間之一厚度。該(等)光反射層可例如包含一金屬層(例如銀)及/或多個介電材料層。該光反射層提供至少兩個用途：其形成一光學反射器以反射由裝置發出之光；以及充當一處理層與磊晶層之間之一黏著層。在一些實施例中，該光反射層可提供至少一些強度給LED結構。在包含一處理層之實施例中，該處理層係施加至該光反射層或形成於該光反射層上以在ELO程序之後提供機械穩定性給磊晶層。在一些實施例中，該處理層可由包含銅、另一類似金屬或金屬組合之一材料形成。在一些實施例中，該處理層可由包含一聚合物、聚合物之一組合或一或多個金屬與一或多個聚合物之一組合之一材料形成。在一些實施例中，該處理層可具有5微米至50微米範圍內之一厚度。
    圖1描繪根據一實施例之用於形成一發光二極體裝置100之一III-V族半導體堆疊95之一實例之一圖示。裝置100包含一發光二極體結構110、形成於LED結構110上之一光反射層112及貼附至光反射層112之一處理層114。半導體堆疊95包含一基板116，其支撐一釋放層118(釋放層118上形成LED結構110)。
    LED結構110包含若干磊晶層，其等包含一多量子井(MQW)活性層120、形成於MQW活性層120之一側上之一第一包覆層122、形成於與第一包覆層122相對之MQW活性層120之一側上之一第二包覆層124、形成於第一包覆層122上之一頂部接觸層126及形成於第二包覆層124上之一背部接觸層128。在一些實施例中，頂部接觸層126在2×1018(2E18)公分-3至5E18公分-3之一範圍內被摻雜且背部接觸層128在2E18公分-3至5E18公分-3之一範圍內被摻雜。釋放層118可在生長LED結構110之任何層之前被生長且形成於基板116與頂部接觸層126之間。光反射層112可形成於背部接觸層128上且可經組態以反射由LED結構110產生之光(且更特定言之，由MQW活性層120產生之光)。磊晶層之任何者(例如LED結構110、釋放層118、基板116及/或光反射層112)可直接形成於一相鄰層上或間接形成於該相鄰層上(其中一緩衝器或二極體介於其等之間)。
    處理層114可黏附至或形成於光反射層112上以在裝置100與基板116分離之後提供機械支撐給LED結構110及光反射層112。處理層118係永久或暫時黏附至光反射層112。
    在生長全部磊晶層之後，使用一化學蝕刻移除釋放層118以因此將裝置100之磊晶層與基板116分離。在一些實施例中，可重新使用基板116高達10次以製造額外晶圓。
    在移除釋放層118之後，LED結構110可具撓性，此係因為其不再由基板116機械支撐。在一些實施例中，背部接觸層128、光反射層112及/或處理層114具有足夠拉伸強度以提供機械支撐給LED結構110，使得在移除釋放層118之後之處理期間LED結構110之完整性不受損，此可實現高製造良率。例如，一些實施例可導致來自沈積及掀離程序之至少90%功能裝置之一製造良率。在一些實施例中，可實現來自沈積及掀離程序之至少95%功能裝置之一製造良率。
    圖2描繪根據一實施例之在一ELO程序之後之圖1之裝置100及基板116之一實例之一圖示。在ELO程序之後，釋放層118已被移除(例如藉由蝕刻)以暴露裝置100之頂部接觸層126且將裝置100(其可包含處理114層)與基板116分離。基板116可經清除及再磨光以準備將其用在另一生長運轉中。可使用一暫時黏著劑將裝置100之磊晶層暫時黏附至一載體(圖中未展示)(諸如一矽基板、一玻璃基板、一藍寶石基板或一金屬基板)以允許進一步處理裝置。該載體係用於提供額外機械穩定性給裝置，此係因為在沒有該載體之情況下裝置100可具撓性且僅處理層114提供機械穩定性。接著，可例如使用習知微影技術處理裝置100之磊晶層以形成多個LED裝置。在處理之後，裝置100之磊晶層可自該載體被移除且被切割、分割或否則劃分成多個個別裝置，接著可個別地封裝該等裝置。在一些實施例中，在將裝置劃分成多個個別裝置之後，該等個別裝置可具有約50微米至1000微米之尺寸。
    在一實施例中，使用一ELO程序製造之一LED(諸如以上參考圖1及圖2所述)在被連接至一外部電壓偏壓時發出具有一設計波長之光。裝置之發光的多量子井活性層120可發出沿全部方向之光。光反射層112提供一鏡以反射朝向裝置之背部發射之光且將該光重新導引至前部。藉由ELO程序而顛倒裝置100之磊晶層，使得裝置被生長且最靠近基板116之裝置之頂面或發光表面(即，頂部接觸層126)形成於磊晶層堆疊之底部處。第一包覆層122及第二包覆層124將載體局限於裝置100之活性層(例如MQW活性層120)。
    圖3描繪根據一實施例之製造一發光二極體之一程序300之若干實例之一流程圖。程序300開始於步驟302。在步驟304中，在一基板(例如基板116)上形成一犧牲層(例如釋放層118)。在步驟306中，藉由磊晶沈積在該犧牲層上形成一發光二極體結構(例如LED機構110)。以下參考圖4而描述用於形成該發光二極體結構之一程序之一實例。在步驟308中，在該發光二極體結構上形成一光反射層(例如光反射層112)。在步驟310中，使用一蝕刻程序自該基板移除該犧牲層以將該基板與該發光二極體結構分離。程序300結束於步驟312。在一實施例中，可使用程序300在直徑約3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、7英寸、8英寸、9英寸、10英寸、11英寸或12英寸之一晶圓上或具有約3英寸至12英寸之間之任何直徑之一晶圓上製造一薄膜LED(其使用一或多個磊晶材料及不含一基板)。
    在另一實施例中，在步驟314中，在步驟310移除犧牲層之前使一處理層(例如處理層114)黏附至或形成於光反射層上。在又一實施例中，在步驟316中磨光及重新使用基板以製造另一發光二極體。在此實施例中，程序300接著返回至步驟302以重複製造程序。
    圖4描繪根據一實施例之用於形成一發光二極體之一程序之一實例之一流程圖，諸如圖3之步驟306中所述。用於執行步驟306之該程序開始於步驟402。在步驟404中，在犧牲層上形成一第一接觸層(例如頂部接觸層126)。在步驟406中，在該第一接觸層上形成一第一包覆層(例如包覆層122)。在步驟408中，在該第一包覆層上形成一MQW活性層(例如MQW活性層120)。在步驟410中，在該MQW活性層上形成一第二包覆層(例如包覆層124)。在步驟412中，在該第二包覆層上形成一第二接觸層(例如背部接觸層128)。用於執行步驟306之該程序結束於步驟414。
    根據一些實施例，ELO程序可生產與使用一習知基板研磨/蝕刻移除程序製造之裝置相當之一裝置。因為III-V族半導體製造中之基板成本可在總成本占很大部分，所以重新使用基板多次之能力可顯著節省成本。藉由使用ELO，可透過重新使用基板而以比其他製造技術更低之一成本製造LED。此外，根據一些實施例，ELO程序可容許高製造良率。由磊晶生長或ELO程序所致之材料缺陷僅影響出現缺陷之位置處之裝置。因此，此等缺陷不影響其他裝置(包含相鄰者)。
    ELO程序之另一優點在於：其導致基板之完全移除。在一些實施例中，此允許ELO LED直接安裝在一散熱器上且無需一介入基板層。相應地，基板之不存在將導致LED在比基板存在時更低之一溫度處操作。操作溫度之降低使LED效率提高且使LED使用期限延長。
    雖然已描述本發明之若干例示性實施例，但應瞭解熟習技術者將已明白各種改動、修改及改良。例如，在一些實施例中，可使用ELO程序製造大尺寸基板(例如直徑介於約3英寸至12英寸之間)上之LED結構。在一些實施例中，可使用ELO程序製造各種LED，自小的低亮度LED至大的高亮度LED。此等改動、修改及改良意欲為本發明之部分且意欲落在本發明之範疇內。相應地，先前描述及圖式僅為例示。
    95‧‧‧III-V族半導體堆疊
    100‧‧‧發光二極體(LED)裝置
    110‧‧‧LED結構
    112‧‧‧光反射層
    114‧‧‧處理層
    116‧‧‧基板
    118‧‧‧釋放層
    120‧‧‧多量子井(MQW)活性層
    122‧‧‧第一包覆層
    124‧‧‧第二包覆層
    126‧‧‧頂部接觸層
    128‧‧‧背部接觸層
    300‧‧‧程序
    302‧‧‧開始
    304‧‧‧在一基板形成上一犧牲層
    306‧‧‧在該犧牲層上形成一LED結構
    308‧‧‧在該LED結構上形成一光反射層
    310‧‧‧使用一蝕刻程序移除該犧牲層
    312‧‧‧結束
    314‧‧‧在該光反射結構上形成一金屬處理層
    316‧‧‧磨光基板
    圖1描繪根據一實施例之在一磊晶掀離程序之前之一裝置結構之一實例之一圖示；圖2描繪根據一實施例之在一磊晶掀離程序之後之一處理層上之一裝置結構及一分離基板之一實例之一圖示；圖3描繪根據一實施例之製造一發光二極體之一程序之若干實例之一流程圖；及圖4描繪根據一實施例之用於形成一發光二極體結構之一程序之一實例之一流程圖。
    300‧‧‧程序
    302‧‧‧開始
    304‧‧‧在一基板形成上一犧牲層
    306‧‧‧在該犧牲層上形成一LED結構
    308‧‧‧在該LED結構上形成一光反射層
    310‧‧‧使用一蝕刻程序移除該犧牲層
    312‧‧‧結束
    314‧‧‧在該光反射結構上形成一金屬處理層
    316‧‧‧磨光基板
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種使用一磊晶掀離程序製造一薄膜發光二極體之方法，該方法包括：在一基板上形成一犧牲層；藉由磊晶沈積而在該犧牲層上形成一發光二極體結構；在該發光二極體結構上形成一光反射層；及使用一蝕刻程序自該基板移除該犧牲層以將該基板與該發光二極體結構分離。
    [2] 如請求項1之方法，其中藉由磊晶沈積而在該犧牲層上形成該發光二極體結構包含：在該犧牲層上形成一第一接觸層；在該第一接觸層上形成一第一包覆層；在該第一包覆層上形成一多量子井活性層；在該多量子井活性層上形成一第二包覆層；及在該第二包覆層上形成一第二接觸層。
    [3] 如請求項1之方法，其進一步包括在移除該犧牲層之前將一處理層貼附至該光反射層。
    [4] 如請求項1之方法，其進一步包括在移除該犧牲層之後切割該發光二極體結構與該光反射層以形成複數個發光二極體。
    [5] 如請求項1之方法，其進一步包括在將該基板與該發光二極體結構分離之後使用該基板製造一或多個額外薄膜發光二極體。
    [6] 如請求項1之方法，其中形成該發光二極體結構包括形成一III-V族半導體發光二極體結構。
    [7] 如請求項1之方法，其中該基板具有約3英寸至約12英寸之範圍內之一直徑。
    [8] 一種使用一磊晶掀離程序製造一薄膜發光二極體之方法，該方法包括：接收先前用於使用一磊晶掀離程序形成一薄膜發光二極體之一基板；在該基板上形成一犧牲層；藉由磊晶沈積而在該犧牲層上形成一發光二極體結構；在該發光二極體結構上形成一光反射層；及使用一蝕刻程序自該基板移除該犧牲層以將該基板與該發光二極體結構分離。
    [9] 一種不含一基板之薄膜III-V族半導體發光二極體，該發光二極體包括：一第一接觸層；一第一包覆層，其形成於該第一接觸層上；一多量子井活性層，其形成於該第一包覆層上；一第二包覆層，其形成於該多量子井活性層上；一第二接觸層，其形成於該第二包覆層上；及一光反射層，其形成於該第二接觸層上。
    [10] 如請求項9之發光二極體，其中該光反射層包含一金屬層。
    [11] 如請求項9之發光二極體，其中該光反射層包含至少一層之一介電材料。
    [12] 如請求項9之發光二極體，其進一步包括耦合至該光反射層之一處理層。
    [13] 如請求項12之發光二極體，其中該處理層之厚度在約5微米至約50微米之範圍內。
    [14] 如請求項12之發光二極體，其中該處理層係永久耦合至該光反射層。
    [15] 如請求項12之發光二極體，其中該處理層係暫時耦合至該光反射層。
    [16] 一種用於使用磊晶掀離形成一薄膜發光二極體之III-V族半導體堆疊，該堆疊包括：一基板；一犧牲層，其形成於該基板上；一LED結構，其形成於該犧牲層上；一光反射層，其形成於該LED結構上；及一處理層，其貼附至該光反射層。
    [17] 如請求項16之III-V族半導體堆疊，其中該光反射層包含一金屬層。
    [18] 如請求項16之III-V族半導體堆疊，其中該基板具有約3英寸至約12英寸之間之範圍內之一直徑。
    [19] 如請求項16之III-V族半導體堆疊，其中該LED結構包括：一第一接觸層，其形成於該犧牲層上；一第一包覆層，其形成於該第一接觸層上；一多量子井活性層，其形成於該第一包覆層上；一第二包覆層，其形成於該多量子井活性層上；及一第二接觸層，其形成於該第二包覆層上，其中該第一接觸層及該第二接觸層比該第一包覆層及該第二包覆層更重地被摻雜。
    [20] 如請求項16之III-V族半導體堆疊，其中該犧牲層包括一AlGaAs材料。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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