专利名称：垂直结构发光二极管结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管(LED)的制作，特别涉及垂直结构LED的制作以及由此制成的LED装置。
背景技术：
包含GaN基材料的垂直结构发光二极管(LED)作为光源，现在正变得越来越受欢迎。通常，包含GaN的外延生长材料层被沉积在非GaN衬底上，诸如蓝宝石(Al2O3),应归功于高质量蓝宝石衬底的低成本。但是，高功率GaN基LED在使用时会产生相当高的热量；这些热量需要有效地散发出去，才能使大尺寸LED光源得以应用并延长LED的使用寿命。尽管蓝宝石衬底允许高质量外延层在其上生长，但是蓝宝石衬底既不导电也不导热，其必须由一个良好的导热体替换后才能用于最终的LED设备封装。有很多种方法可以用来将蓝宝石替换为一个导热的衬底。其中一种方法是激光剥离，使用受激准分子激光来分解GaN的界面区域，然后除去蓝宝石生长衬底。以上所述的除去蓝宝石衬底的激光剥离方法在美国专利6，455，340，7，001，824和7，015，117里都有描述。但是，现有的用于制作GaN发光二极管的激光剥离方法与传统的半导体过程是不相宜的，因为它使用了昂贵的激光设备，而且，激光剥离还会对保留的半导体层产生损坏，比如裂纹。另外一种方法是使用化学机械抛光来除去蓝宝石生长衬底，然后粘接一个新的主衬底到外延材料层表面上。使用化学机械抛光(CMP)，可以节省大量成本。而且，抛光是一种比较温和的方法，比起激光剥离技术来说，产生较少的损坏。但是，在粘接一个新的主衬底之前，由于各种不同的设备过程，外延材料层的表面会是不平的。当粘接一个新衬底到一个不平表面上时，会有粘接空隙，导致粘接度不够和/或产生应力在最终设备里。因此在 LED设备制作中需要有改良的技术来粘接新的主衬底到外延层上。
发明内容本发明提供一种制作化合物半导体LED元件的方法，如GaN-基LED元件。本发明用于各种过程步骤内使用的一些方法在美国公开的专利申请2009-0218590， 2008-0197367，2011-0037051和美国专利7，846，753中都有描述，在此通过引用结合到本公开中。在这些申请和专利中，蓝宝石是用作主衬底的一种材料，在其上制作化合物半导体层。在这些共同申请人的专利和申请中，生长衬底如蓝宝石有包含GaN的化合物半导体外延层在其上生长，如InGaN。典型的外延层的厚度是3 10微米，生长衬底大约是430 微米。接下来的图案化过程，在一些区域部分地或全部地除去外延层，以形成沟槽。接着，沉积电介质和坚硬材料并图案化。金刚石或类金刚石是典型的坚硬材料的例子。坚硬材料在除去生长衬底的过程中充当抛光停止点的作用。坚硬材料的通常厚度是1 5微米。 由于坚硬材料的存在，晶圆表面是不平的，台阶高度大于1微米。因此，为了粘接一个新的主衬底到该不平坦的外延层上，本发明提供一金属层沉积在外延层上，接着平坦化该沉积的金属层。然后一个新的主衬底粘接到该平坦化的金属层上，除去第一生长衬底。再切割而形成单独的LED元件。
图IA IG显示本发明一个方面的制作垂直结构LED的方法。图2A 2G显示本发明一个方面的制作垂直结构LED的另一个方法。图2G’显示本发明另一个垂直结构LED。
具体实施方式根据本发明，一金属层沉积在外延半导体层上，特别是那些包含GaN或化合物半导体材料的外延层，在粘接一个新的主衬底前被平坦化(Planarized)，而制作垂直结构 LED。在此使用的“在…上”是指一层在另一层之上，是指在一个或多个地方直接接触那一层，或者可以与下一层是隔开的，中间间隔可选的中间材料层。图1显示用于制作多个LED 芯片的整块晶圆的一部分，LED芯片将最终用于LED装置并集成入照明设备或照明元件中。 为方便描述起见，仅描述几个LED芯片。在图IA中，有可支持外延生长的第一衬底110。典型的衬底材料包括蓝宝石、硅、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)和磷化镓(GaP)， 当然任何能够支持接下来形成的化合物半导体材料层的外延生长的材料都可以用作衬底 110。一个化合物半导体的外延层120如氮化镓(GaN)或氮化铟镓(InGaN)形成在衬底110 上。尽管InGaN被描述为典型材料，但是根据总体期望的LED颜色，也可以使用其他化合物半导体如hfeiP, AUnfeiN, AUnfeiP, AWaAs,GaAsP或InGaAsP,并不受此限制。因此在附图中标记“InGaN”仅仅是用于表示化合物半导体层。尽管在图中未有显示，各种活性层结构可以包含在层120中，如多量子阱(MQW)结构、η-掺杂和ρ-掺杂材料，其可以与先前引用的专利申请里描述的相同或者不同。注意图IA仅仅显示了一部分晶圆，其将最终分割成多个单独的LED装置。一个典型的晶圆包括多个芯片形成在一个大的支撑衬底晶圆上，从而可以同时生成多个芯片(其最后将制作入最终设备里)。接下来描述的是如何开始制作垂直结构LED的材料层，沟槽130形成在多层结构 120里(在图IA里已经形成)。选择干蚀刻如等离子蚀刻，特别是感应耦合等离子蚀刻，用于形成沟槽130。一钝化材料层140形成沟槽130里。该钝化材料层(passivation material layer)至少覆盖沟槽的壁和底。可选择的钝化材料包括电介质如氧化硅(siliconoxides)、氮化硅(silicon nitrides)等等。一坚硬材料150形成在钝化材料上，并被图案化而露出外延半导体层，该坚硬材料150在以后的生长衬底除去过程中充当抛光停止点的作用。该坚硬材料的硬度要大于外延半导体层的硬度。通常坚硬材料150的厚度是1 5um0在图1的实施例中，一部分坚硬材料遮住至少一部分外延半导体层120，形成一个坚硬材料“肩”在该区域上。结果，如图IA所示，由于该坚硬材料薄膜“肩”的存在，整个表面是不平的，台阶高度通常大于1微米。坚硬材料包括金刚石、类金刚石膜(diamond-like carbon)、碳化物如SiC、氮化物如氮化硼，但是并不受限于这些材料。以上过程步骤的详细描述可以参考先前引用的专利申请。如图IA所示，一金属层160选择性地沉积在半导体结构120上。该金属层充当一个电连接，例如，P-电极，并且可以用于半导体产生的光的光学反射。典型的金属包括镍、 银、钛、铝、钼、以及其合金，尽管任何可以充当电连接和光学反射的金属或其他导电材料都可以用于层160，层160与选择的外延半导体材料120不相容的。覆盖整个结构表面的是一个沉积金属层170。通常的金属沉积厚度是10 100微米。因为在金属沉积之前衬底结构是不平的，所以沉积后的金属表面175也是不平的，如图 IA中的表面175。最好，沉积金属的导热率高于130W/m · K，以便能有效地将热量从发光半导体层结构120中散发出去。为了准备金属层170与一个新的主衬底粘接，金属表面175需要平坦化以形成新的、平坦的金属层表面177，如图IB所示。平坦化过程可以是机械的、化学的、化学机械的、 热回熔(thermal reflow)平坦化方法。通常最后的金属厚度是1 80微米。对于使用激光切割技术来分割LED芯片，金属厚度大于80微米不是最优的。但是，如果使用其他切割技术(如机械切割技术)，可以选择更厚的金属层。在图IC中，一个新的主衬底200通过一层薄的粘合层180被粘接在金属层170的新表面177上。新的主衬底通常是非金属且具有高导热率的材料(导热率高于130W/m ·Κ)， 如SiC，、A1N、硅或其他半导体材料；但是，根据最终应用，也可以选择金属衬底。新的主衬底最好拥有足够的机械强度，以便在随后的处理过程中充分支持该半导体材料层，能由激光或机械切割轻易地切割开来。新的主衬底的初始厚度通常大于100微米；但是，初始厚度取决于选择的原始的整个尺寸。粘合层180可以是金属如金属焊料或任何其他合适的具有良好传导性的永久粘合材料。因为金属表面177是平的，所以在粘接的主衬底上没有晶圆裂纹或者粘接空隙。如图ID所示，新的主衬底200可选地被薄化(thinned down)，可以通过任何传统的机械的、化学、或者化学机械薄化方法，但是，根据新的主衬底的初始厚度和最终期望的厚度，也可以不需要薄化。一个单独装置的典型最终厚度是50 500微米。然后，通过合适的方法如抛光或化学机械抛光，除去生长衬底110。这时候，发光半导体层结构120已经成功地从原始生长衬底110转换成新的主衬底200。在图IE中，该结构的方位已经倒转(“倒装”)，新的主衬底200在底部，发光半导体层结构120在顶部。为了形成单独的装置，通常使用切割来分离每个LED。如图IE所示， 使用激光切割来分离，尽管可以使用任意其他方法来分割装置。有利地，想比较其他切割方法，激光切割会形成较窄的切口宽度(小至10微米)。当使用激光切割时，激光切割深度大约到达新的主衬底200，但是不需要完全切开。如图IF所示，在新的主衬底200之下使用劈裂工具190 (breaker element)，使用机械劈裂将LED装置分离开来。一个分离的装置如图IG所示。半导体层结构120包括InGaN外延层(3 10微米)。可选地，在装置分割后坚硬材料150“肩”部分仍然被保留，围绕住半导体层结构120。 层170是高导热金属层(1 80微米，导热率高于130W/m ·Κ)，元件200是新的主衬底(50 150微米)。图2A-2G显示本发明另一方面，其中坚硬材料层150’只沉积在沟槽130里。坚硬材料可以部分地或者全部地填充沟槽130。因为坚硬材料150’完全不和半导体材料120共面，所以仍然有一个不平的表面，随后仍然需要沉积金属层170和平坦化过程。在图2G’里，已经通过任意传统的方法或通过分割位置的选择(使得坚硬材料 150’在装置分割过程中也能被除去)，将坚硬材料150’除去。这样，钝化材料140在半导体材料120周围形成外围边缘。在分割成单独元件后，垂直结构LED被封装，然后被集成入LED照明设备中。封装可以包括使用额外的各种荧光粉或其他化合物以改变发出的LED光的颜色。虽然上述发明已经在不同实施例里有描述，但是并不限于这些实施例。对本领域所属技术人员，有多种变化和修改是可以理解的。这些变化和修改应该被认为包含在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，该发光二极管芯片包括的化合物半导体外延层具有一层或多层氮基化合物半导体材料，并包含将新的主衬底粘接到所述的化合物半导体垂直结构发光二极管上，该方法包括提供第一生长衬底，其上能支持化合物半导体外延生长；在第一生长衬底上形成一层或多层化合物半导体材料外延层；形成一个或多个沟槽在至少一部分化合物半导体材料内；沉积一钝化材料在一个或多个沟槽内；沉积一坚硬材料至少部分地在一个或多个沟槽内，所述坚硬材料的硬度大于所述化合物半导体材料的硬度；沉积一高导热金属材料在所述化合物半导体材料上；平坦化所述沉积的金属材料以形成一个平坦的金属层，用于随后的新的主衬底的粘接；粘接新的主衬底到所述金属层上，所述新的主衬底是高导热的；除去第一生长衬底。
2.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，其中所述坚硬材料被额外地沉积在至少一部分化合物半导体材料上，以形成一个坚硬材料肩在所述化合物半导体材料上。
3.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，还包括选择性地沉积金属层在至少一部分化合物半导体材料上，所述金属材料形成电极、光学反射器，或两者都是。
4.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，还包括在平坦化的金属层和新的主衬底之间沉积一粘合金属，其中新的主衬底是一非金属材料。
5.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，其中所述坚硬材料是金刚石、类金刚石膜、氮化硼或碳化硅。
6.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，其中生长衬底是通过抛光或者化学机械抛光除去的。
7.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，还包括元件分割以形成单独的发光二极管。
8.如权利要求7所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，其中元件分割是激光切割。
9.如权利要求1所述的制作多个化合物半导体垂直结构发光二极管芯片的方法，其中至少一层化合物半导体外延层包括GaN或hfeiN。
10.一种制作发光元件的方法，该发光元件集成有化合物半导体垂直结构发光二极管， 包括封装由权利要求7所述的分离装置。
11.一个化合物半导体垂直结构发光二极管的结构，该结构包括的化合物半导体外延层具有一层或多层氮基化合物半导体材料，并被粘接到一个新的主衬底上，包括一层或多层化合物半导体外延层，其形成一部分的垂直结构发光二极管；一个或多个沟槽，其形成在至少一部分化合物半导体材料内，形成多个芯片在化合物半导体材料内；一钝化材料层，其沉积在所述一个或多个沟槽内；一坚硬材料，其至少部分地沉积在所述一个或多个沟槽内，所述坚硬材料的硬度大于所述化合物半导体材料的硬度；一高导热的平坦化的金属层，其沉积在所述化合物半导体材料上，所述金属层的导热率高于130W/m · K，厚度大约为1 80微米；一粘合层，其在所述平坦化的金属层上；一个新的高导热的主衬底，其通过所述粘合层粘接在所述平坦化的金属层上，其厚度大约为50 500微米。
12.如权利要求11所述的化合物半导体垂直结构发光二极管的结构，其中所述坚硬材料被额外地沉积在至少一部分化合物半导体材料上。
13.如权利要求11所述的化合物半导体垂直结构发光二极管的结构，还包括选择性地沉积的金属层，其在至少一部分化合物半导体材料上，所述金属材料形成电极、光学反射器，或两者都是。
14.如权利要求11所述的化合物半导体垂直结构发光二极管的结构，其中所述坚硬材料是金刚石、类金刚石膜、氮化硼或碳化硅。
15.如权利要求11所述的化合物半导体垂直结构发光二极管的结构，其中至少一层化合物半导体外延层包括GaN或InGaN复合型化合物材料。
16.一种半导体垂直结构发光二极管，其通过沟槽位置从权利要求11所述结构分离出来，使得坚硬材料保留在化合物半导体层的侧壁上。
17.—种如权利要求16所述的半导体垂直结构发光二极管，其中坚硬材料已经从化合物半导体材料附近除去。
18.—种包括如权利要求16所述的封装的垂直结构发光二极管的照明元件。
全文摘要
本发明提供一种制作化合物半导体垂直结构LED的方法。提供第一生长衬底，其上能支持化合物半导体外延生长；在第一生长衬底上形成一层或多层化合物半导体材料外延层如GaN或InGaN；在化合物半导体材料内形成多个沟槽；在一个或多个沟槽内沉积一钝化材料；沉积一坚硬材料至少部分地在沟槽内并有选择性地沉积在化合物半导体上，所述坚硬材料的硬度大于所述化合物半导体材料的硬度；沉积一高导热金属材料在所述化合物半导体材料上，接着平坦化所述金属材料；粘接新的主衬底到所述金属层上，除去第一生长衬底。然后切割以制作单独的LED元件。
文档编号H01L33/02GK102369604SQ201180001061
公开日2012年3月7日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年2月22日
发明者林立旻, 邵向峰 申请人:香港应用科技研究院有限公司