专利名称：发光元件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及由III族氮化物基化合物半导体形成的发光元件，具体涉及一种III族氮化物基化合物半导体发光元件，其通过剥离作为临时衬底的蓝宝石衬底来生产，从而在剥离界面处具有极好的平滑性。而且，本发明还涉及一种制造发光元件的方法。
背景技术：
由III族氮化物基化合物半导体例如GaN形成的发光元件是已知的。在其上生长GaN的衬底通常是蓝宝石衬底，它容易获得并且容易加工处理。
GaN基半导体层通过蓝宝石衬底上的GaN或AlN缓冲层形成，以形成具有稳定晶体质量的GaN基发光元件。由于GaN基发光元件适合于发射蓝光，因而它经常被用作产生白光的光源。与此用途相关联，要求发光元件具有较高的光提取效率。
决定发光元件光提取效率的一个因素是构成发光元件的材料的折射率。GaN基半导体层的折射率n为约2.4，蓝宝石衬底的折射率n为约1.7。根据从发光元件内部发出的光的入射角，可以在GaN和蓝宝石衬底的界面上发生全反射。因此，反射光可以被吸收到发光元件中而不向外辐射，从而引起光损失。对这个问题的一个已知的解决方法是剥离蓝宝石衬底。
蓝宝石衬底的剥离方法如下进行当在其上具有TiN膜的蓝宝石衬底上生长GaN膜之后，通过在微波加热装置中加热使蓝宝石衬底与GaN膜分离，从而得到GaN晶体衬底(参见JP-A-2004-269313)。
然而，上述方法存在的问题是，由于分离是通过加热GaN和蓝宝石衬底的界面来进行的，因此得到的GaN晶体可能在界面附近被加热分离过程所损伤，从而引起发光效率降低。
另外一种剥离方法如下进行通过向GaN和蓝宝石衬底的界面选择性照射激光来使蓝宝石衬底与GaN膜分离。然而，这种方法存在同样的问题。而且，在用激光照射的蓝宝石剥离方法中，激光必须反复扫描。因此，其步骤数目增加从而降低生产率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种发光元件，其在剥离界面上具有极好的平滑性，即损伤减小。
本发明另一目的是提供一种制造发光元件的方法。
(1)根据本发明的一个实施方案，发光元件包含发光元件部分，包含III族氮化物基化合物半导体并且包括发光层，其中在发光元件部分生长在衬底上之后，通过湿腐蚀剥离衬底来形成所述发光元件部分，并且发光元件部分还包含剥离表面，其如同发光元件部分在衬底上生长时所形成的那样保持基本完好无损。
在上述发明内容(1)中，能够进行以下更改和变化。
(i)剥离表面具有平滑性，以防止从所述层中发出的光漫反射。
(2)根据本发明的另一实施方案，一种制造发光元件的方法包括第一步，在衬底表面上形成缓冲层；第二步，在缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含半导体材料并包括发光层；第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达衬底的切割部分；第四步，将衬底浸泡在腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解缓冲层，使发光元件部分从衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
(3)根据本发明的另一实施方案，一种制造发光元件的方法包括第一步，在衬底表面上形成TiN缓冲层；第二步，在TiN缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含半导体材料并且包括发光层；
第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达衬底的切割部分；第四步，将衬底浸泡在硝酸腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解TiN缓冲层，使发光元件部分从衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
(4)根据本发明的另一实施方案，一种制造发光元件的方法包括第一步，在蓝宝石衬底表面上形成TiN缓冲层；第二步，在TiN缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含III族氮化物基化合物半导体材料并且包括发光层；第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达蓝宝石衬底的切割部分；第四步，将蓝宝石衬底浸泡在硝酸腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解TiN缓冲层，使发光元件部分从蓝宝石衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
在上述发明内容(2)-(4)中，能够进行以下更改和变化。
(i)第二步包括在形成发光元件部分之前氮化TiN缓冲层。
(ii)硝酸腐蚀剂包含硝酸、冰醋酸和水的混合物。
(iii)硝酸腐蚀剂包含分别以1∶1∶1的比例混合的硝酸、冰醋酸和水的混合物。
优点能够提供一种在剥离界面处具有极好的平滑性即损伤减小的发光元件。
在上述方法中，TiN缓冲层被通过切割部分渗透到TiN缓冲层的硝酸腐蚀剂所溶解。因此，发光元件部分能够容易地从与III族氮化物基化合物半导体相比在折射率上有很大不同的蓝宝石衬底上分离，同时减少对发光元件部分的损伤。另外，在分离的同时，晶片发光元件部分可被分成多个发光元件部分。
以下参照
根据本发明的优选实施方案，其中
图1是示出根据本发明一个优选实施方案的III族氮化物基半导体发光元件的横截面图；图2A～2C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即直到电极形成的过程)的横截面图；图3A～3C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即直到元件分离的过程)的横截面图；图4A～4C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即通过腐蚀的剥离过程)的示意图；和图5是示出多个晶片被浸泡在腐蚀剂中的成批处理过程的示意图。
具体实施例方式
图1是示出根据本发明优选实施方案的III族氮化物基半导体发光元件(下文也简称为“发光元件”)的横截面图。本文中，“发光元件部分”用来限定剥离了蓝宝石衬底和TiN缓冲层之后的发光元件。
发光元件部分的组成发光元件部分1A是水平类型的发光元件部分，其p侧和n侧电极是水平放置的。发光元件部分1A包含在其上待生长III族氮化物基化合物半导体和形成有TiN缓冲层11的作为生长衬底的晶片蓝宝石衬底10上顺序生长的Si掺杂的n+-GaN层12；Si掺杂的n-AlGaN层13；包括InGaN/GaN多量子阱结构的MQW(多量子阱)14；Mg掺杂的p-AlGaN层15；Mg掺杂的p+-GaN层16；和由ITO(氧化铟锡)形成的用于将电流扩散进p+-GaN层16的电流扩散(current spreading)层17。从TiN缓冲层11到p+-GaN层16的GaN基半导体层通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法形成。蓝宝石衬底10通过浸泡在硝酸腐蚀剂中溶解TiN缓冲层而剥离。
通过在Ar和N2气氛下溅射Ti靶形成约100nm厚的TiN缓冲层11。形成TiN缓冲层11之后，使TiN缓冲层11的表面在MOCVD反应室中的氨(NH3)和H2气氛中在1050℃下保持一分钟而被氮化。氮化以后，反应室的内部温度升至1150℃以使GaN生长。
n+-GaN层12和p+-GaN层16通过向放置有蓝宝石衬底10的反应室中提供H2载气、NH3和TMG(三甲基镓)而形成。
在氮化的TiN缓冲层11上形成约4μm厚的n+-GaN层12，同时利用甲硅烷(SiH4)作为Si源将Si掺杂其中，从而使该层具有n型导电性。
p+-GaN层16利用Cp2Mg(环戊二烯基镁)作为Mg源来掺杂Mg而形成，从而使该层具有p型导电性。
通过向反应室中提供N2载气、TMI(三甲基铟)和TMG形成MQW14。通过向其中提供TMI和TMG形成InGaN，并且通过向其中提供TMG形成GaN。
图2A～2C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即直到电极形成的过程)的横截面图。
首先，如图2A所示，从TiN缓冲层11到p+-GaN层16的GaN基半导体层通过MOCVD方法生长在晶片蓝宝石衬底10上。电流扩散层17通过溅射方法形成在p+-GaN层16上。
然后，如图2B所示，利用干蚀刻方法部分移除从电流扩散层17到n+-GaN层12的纵向区域来形成电极形成部分20。
然后，如图2C所示，通过沉积方法在电流扩散层17的表面上形成p侧Au电极。同样，在暴露在电极形成部分20中的n+-GaN层12上形成n侧电极19。
图3A～3C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即直到元件分离的过程)的横截面图。
然后，如图3A所示，用划片刀从发光元件的顶部，通过在其上形成GaN基半导体层的晶片蓝宝石衬底10的一半厚度处开槽形成切割部分21。
接着，如图3B所示，将晶片浸泡在硝酸腐蚀剂30中以溶解TiN缓冲层11。在该实施方案中，腐蚀剂30按硝酸∶冰醋酸∶水＝1∶1∶1的比例混合制备。腐蚀剂30用于渗透TiN缓冲层11和蓝宝石衬底10的界面，同时溶解暴露在切割部分21中的TiN缓冲层11。
图3C显示剥离蓝宝石衬底10后的发光元件部分1A。发光元件部分1A通过溶解TiN缓冲层11而从蓝宝石衬底10上分离来形成。
图4A～4C是示出制造实施方案的发光元件的过程(即通过腐蚀的剥离过程)的示意图。
如图4A所示，晶片10A具有多个通过TiN缓冲层11(未图示)生长在蓝宝石衬底10上的发光元件部分1A。发光元件部分1A各自具有电流扩散层17、p侧电极18和n侧电极19。在晶片10A上形成如同网格的切割部分21，以限定各发光元件部分1A之间的边界。
如图4B所示，如图4A中所示的晶片10A被浸泡在充入溶液池31的腐蚀剂30中。在浸泡过程中，暴露在切割部分21中的TiN缓冲层11被腐蚀，随着TiN缓冲层11被溶解，腐蚀剂30渗透到蓝宝石衬底10和发光元件部分1A的界面。
图4C显示剥离蓝宝石衬底10后的发光元件部分1A。如图所示，完成腐蚀以后，发光元件部分1A被留在腐蚀剂30中。然后，将仅有蓝宝石衬底10的晶片10A从溶液池31中取出。接着，收集并清洗发光元件部分1A。接着，利用芯片安装器将发光元件部分1A各自安装在安装元件(mounting member)上。
实施方案的效果在该实施方案中，将要被硝酸腐蚀剂溶解的TiN缓冲层形成在晶片蓝宝石衬底10的表面上，切割部分21依照GaN基半导体层一侧的发光元件部分1A的尺寸形成在(或开槽在)晶片10A上，并且晶片10A被浸泡在硝酸腐蚀剂中以剥离蓝宝石衬底10。因此，形成在晶片10A上的多个发光元件部分1A能够通过湿腐蚀从蓝宝石衬底10上被有效剥离。
发光元件部分1A能够防止由基于蓝宝石衬底10和GaN基半导体层(即界面处最底下的GaN层)之间的折射率差异的界面反射所造成的光提取效率的降低。连同这一优势，与用激光或微波装置通过热分离剥离蓝宝石衬底的情况相比，能够大大减少GaN界面上的损伤(即极好的平滑性)。
在利用硝酸腐蚀剂30溶解TiN缓冲层11的方法中，剥离TiN缓冲层后暴露的n+-GaN层12的表面保持完好无损，没有被粗糙化。因此，发光元件部分1A能够在其端面即n+-GaN层12的表面处具有极好的平滑性。同时，n+-GaN层12能够掺杂Si，因此，可以安装在安装元件的安装表面上。
尽管在上述的实施方案中，一片晶片被浸泡在腐蚀剂30中，但如图5所示，可以采用成批处理方法在腐蚀剂30中浸泡多个晶片来剥离蓝宝石衬底10。
尽管本发明相对于特定实施方案进行说明以公开完整和清晰，但所附权利要求书并不因此而受限制，而且应认为其代表了清楚落在本文所提出的基本教导内的本领域技术人员可能提出的所有更改和替代结构。
权利要求
1.一种发光元件，包含发光元件部分，其包含III族氮化物基化合物半导体并包括发光层，其中，在发光元件部分生长在衬底上之后，通过湿腐蚀剥离衬底来形成发光元件部分，并且发光元件部分还包含剥离表面，其如同发光元件部分在衬底上生长时所形成的那样保持基本完好无损。
2.权利要求1的发光元件，其中所述剥离表面具有平滑性，以防止从所述层中发出的光漫反射。
3.一种制造发光元件的方法，包括第一步，在衬底表面上形成缓冲层；第二步，在缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含半导体材料并包括发光层；第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达衬底的切割部分；第四步，将衬底浸泡在腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解缓冲层，使发光元件部分从衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
4.一种制造发光元件的方法，包括第一步，在衬底表面上形成TiN缓冲层；第二步，在TiN缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含半导体材料并且包括发光层；第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达衬底的切割部分；第四步，将衬底浸泡在硝酸腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解TiN缓冲层，使发光元件部分从衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
5.一种制造发光元件的方法，包括第一步，在蓝宝石衬底表面上形成TiN缓冲层；第二步，在TiN缓冲层表面上形成发光元件部分，所述发光元件部分包含III族氮化物基化合物半导体材料并且包括发光层；第三步，通过将发光元件部分开槽来形成到达蓝宝石衬底的切割部分；第四步，将蓝宝石衬底浸泡在硝酸腐蚀剂中，和第五步，通过在腐蚀剂中溶解TiN缓冲层，使发光元件部分从蓝宝石衬底上分离；和第六步，收集已分离的发光元件部分。
6.权利要求4的方法，其中所述第二步包括在形成发光元件部分之前氮化TiN缓冲层。
7.权利要求5的方法，其中所述第二步包括在形成发光元件部分之前氮化TiN缓冲层。
8.权利要求4的方法，其中所述硝酸腐蚀剂包含硝酸、冰醋酸和水的混合物。
9.权利要求5的方法，其中所述硝酸腐蚀剂包含硝酸、冰醋酸和水的混合物。
10.权利要求4的方法，其中所述硝酸腐蚀剂包含分别以1∶1∶1的比例混合的硝酸、冰醋酸和水的混合物。
11.权利要求5的方法，其中所述硝酸腐蚀剂包含分别以1∶1∶1的比例混合的硝酸、冰醋酸和水的混合物。
全文摘要
一种具有发光元件部分的发光元件，所述发光元件部分有Ⅲ族氮化物基化合物半导体形成并具有发光层。在发光元件部分生长在衬底上之后，通过湿腐蚀剥离衬底来形成发光元件部分。发光元件部分具有剥离表面，其如同发光元件部分在衬底上生长时所形成的那样保持基本完好无损。
文档编号H01L33/00GK101030614SQ20071000318
公开日2007年9月5日 申请日期2007年2月25日 优先权日2006年2月27日
发明者池本由平, 平田宏治, 伊藤和博, 内田悠, 着本享, 村上正纪 申请人:丰田合成株式会社