专利名称：垂直结构发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明有关垂直结构发光二极管(LED)，尤指一种在形成电极前形成阻挡层的垂直结构发光二极管制造方法，可抑制在基板上形成磊晶过程中所导致的线差排。
背景技术：
散热管理是高电流驱动下的封装高功率LED发展的主要课题。由于磊晶于蓝宝石基板上的横向电流导通结构，导致电流推挤效应(current crowding effect)、高串联电阻 (series resistance)禾口散热不佳的缺点。利用短波长准分子源的激光剥离(LLO)制程的散热基板，可解决蓝宝石散热不佳的缺点。举例来说，美国第7，384，807号专利揭示一种制造垂直结构光电装置的方法，包含在晶体基板上制造数个垂直结构光电装置，接着使用LLO制程来移除基板。然而，LED的电性和光学特性取决于磊晶层的晶体品质，其品质受到额外的化学制程(例如蚀刻)、机械制程(如研磨)、以及LLO制程的影响。激光光束可能需要扫描磊晶晶圆一次以上，因而降低其产出，破坏LED磊晶层的机会亦大增。LLO的设备价值亦不斐。为达成LLO制程的高良率，必须利用化学或物理蚀刻制程来分离磊晶GaN的岛 (island)，以形成排热结构，即所谓的“道径”(street path)。道径利于LLO制程期间氮气释放，因而提高良率。然而，由于磊晶GaN岛的尺寸增加，必须放宽道径的宽度，以防止相邻的岛遭到因光引发分解而释放的氮气的压力破坏。在LED的制作上，蓝宝石(Al2O3)为目前氮化铝铟镓基(AlInGaN-based)材料磊晶成长最常使用的基板。然蓝宝石基板的导热性不良，因而限制蓝光发光二极管必须采用正负金属电极同在基板一侧的横向导通结构。因此，此结构使得发光面积缩减外，更因电流推挤效应和横向路径，致使LED装置的顺向压降(Vf)及串联电阻增加。产生的大量热直接影响外部量子效率。利用准分子激光剥离制程技术，以高散热基板来取代传统蓝宝石基板已行之多年。虽已商业化，其复杂的制程与低良率使得制作成本依旧高昂。短波长(< 355nm)准分子激光光束可穿透具高能隙抛光的蓝宝石基板，而在磊晶缓冲层(U-GaN)和蓝宝石间的介面被吸收。吸收的能量在U-GaN的表面累积并转换成热能，致使U-GaN气化并释放氮气。随后，释出的氮气所产生的压力会对相邻隔绝的磊晶元件与散热基板产生破坏。因此，采用接合(bonding)或电镀(electroplating)技术所形成的脆弱介面的剥落会有可靠度的问题， 如光输出功率快速降低、封装后的顺向压降(Vf)增加。为解决上述问题以及提升准分子激光剥离制程的良率，发明人遂提出一种具有通道和多个间隙的垂直结构发光二极管，以利排热，如于西元2009年12月10日提出申请的美国专利申请号12/634，747所述。提供缓冲层，以在蓝宝石基板与缓冲层之间形成多个气隙(air gap)。基板可通过气隙来散热(电流推挤效应所导致)。再者，任二 LED半成品之间的通道亦可促进排热。先前发明的关键在于将蓝宝石基板上的凸部容纳于缓冲层的凹部。缓冲层与蓝宝石基板需要花费更多成本来设计并取得较佳的组合。在蓝宝石基板上形成新磊晶层以提升准分子激光剥离制程的良率。一来可解决上述的设计成本问题，同时原本被视为LED缺点的线差排(threading dislocation)也可获利用。
发明内容
本申请的主要目的为提供一种垂直结构发光二极管的制造方法，包括a)在基板上依序形成化学阻挡层、介质层和扩散层；b)在扩散层上生成多个发光层；C)移除基板和化学阻挡层；d)翻转剩余的层，使介质层成为顶层；e)粗化介质层的表面；以及f)将金属层设于发光层之下做为电极。本申请的另一目的为提供一种垂直结构发光二极管，包括做为电极的金属层； 形成于金属层上的多个发光层以提供光束；形成于发光层上的扩散层；以及设置于扩散层上的介质层，具有穿透的开口以露出扩散层和粗化表面，且开口设置有另一电极。
图1至图8绘示本发明垂直结构发光二极管的制程。主要元件符号说明10垂直结构LED芯片100 基板101牺牲层102化学阻挡层103介质层104扩散层105发光层106 电极107黏着层108金属层110 气隙111 开口
具体实施例方式为提升激光剥离(laser lift-off，LL0)的良率，故需要一种改良的垂直结构发光二极管(LED)。以下段落为本发明关于垂直结构发光二极管的制造方法实施例的具体叙述。图1至图8绘示本发明的垂直结构LED的形成。在本实施例中，提供基板100，如蓝宝石基板、图案化的蓝宝石基板、或高密度图案化蓝宝石基板，用来形成磊晶生长的LED 发光层。本实施例中，基板100为图案化蓝宝石基板，如图1所示。基板100图案的尺寸相似，并连续或紧密排列。请参照图2，牺牲层(sacrificial layer) 101先形成于基板100上，之后化学阻挡层102、介质层103和扩散层(spreading layer) 104依序形成于基板100上。上述各层可 ffl^^MWI/l^^^ffiiJLiR (metallic organic chemical vapor deposition, M0CVD) ^施行。牺牲层101为轻度掺杂，扩散层104为重度掺杂。换言之，扩散层104的掺杂程度比牺牲层101高。数个气隙(air gap) 110形成于基板100与牺牲层101之间，以利排热，如图2。此是线差排(threading dislocation)现象。磊晶分子差排形成气隙。气隙110形成的细节如于西元2009年12月10日申请的美国专利申请号12/634，747中所述。化学阻挡层102可阻挡任何用来产生发光层的化学蚀刻制程，因此可保存介质层 103。在本发明中，应注意的是牺牲层101、化学阻挡层102、介质层103、或扩散层104为η 型氮化镓(n-GaN)。之后，数个发光层105形成于介质层103上，如图3。发光层105可包含不同亮度和色彩要求的轻度掺杂n-GaN层、应力层(strained layer)、多量子井(multiple quantum well，MQW)、电子阻碍层(electron blocking layer，EBL)、ρ 型氮化镓(p-GaN)层等。请参照图4，蓝宝石基板100、牺牲层101、化学阻挡层102在电极形成前移除。移除上述各层的方法包含准分子激光剥离(excimer laser lift-off，LLO)、干蚀刻、物理蚀刻(physical etching)、以及化学蚀刻。LLO所产生的气化氮与热气会由形成于基板100 与牺牲层101之间的气隙110散逸。其后，翻转剩余的层103、104和105，以使介质层103 成为顶层，然后蚀刻穿透介质层103直到露出扩散层104的一部份，以形成有利排热的开口 111，如图5。蚀刻方法可以是电感式耦合等离子(inductively coupled plasma, ICP)、干蚀刻、溅镀蚀刻(sputter etching)、离子束蚀刻(ion beam etching)或等离子蚀刻。接下来，粗化介质层103的表面以提升垂直结构LED的取光(light extraction)， 如图6。本实施例中，介质层103的粗化表面可由干蚀刻或湿蚀刻来进行粗化。电极106可置于扩散层104上的开口 111，如图7。电极106的数量不限于1，可视需求增加数量。化学阻挡层102可减少基板100的线差排延伸至发光层105的情况。扩散层104 促进产自电极106的电流扩散。此外，牺牲层101和介质层103具有高线差排密度。化学阻挡层102和扩散层104具有低线差排密度。换言之，牺牲层101或介质层103的线差排密度高于化学阻挡层102或扩散层104。最后，黏着层(agglutinate layer) 107附加在发光层105下，以将金属层108黏附在发光层105之下，如图8。金属层108可作为电极。再者，反射层可置于金属层108与发光层105之间，以提升垂直结构LED芯片10的取光。另一方面，黏着层107可添加反射材料，因此黏着层107亦可作为反射层。请参照图8。根据本发明垂直结构LED的制造方法，垂直结构LED芯片10最终包含数个发光层105来提供光束、形成于发光层105上的扩散层104来扩散电流、设于扩散层 104上的介质层103具有开口 111和粗化表面来提升垂直结构LED芯片10的取光、以及置于扩散层104上的开口 111的电极106。此外，黏着层107添附于发光层105下，以将金属层108黏附于发光层105之下。虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。反之，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种垂直结构发光二极管的制造方法，包括a)在基板上依序形成化学阻挡层、介质层和扩散层；b)在扩散层上生成多个发光层；c)移除基板和化学阻挡层；d)翻转剩余的层，使介质层成为顶层；e)粗化介质层的表面；以及f)将金属层设于发光层之下作为电极。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进一步包括在化学阻挡层形成前先在基板上形成牺牲层的步骤。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，黏着层形成于金属层与发光层之间。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，反射层形成于金属层与发光层之间。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，黏着层为反射层。
6.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，牺牲层、化学阻挡层、介质层、或扩散层为η型氮化镓。
7.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，牺牲层或介质层的线差排密度高于化学阻挡层或扩散层。
8.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，扩散层的掺杂程度高于牺牲层。
9.一种垂直结构发光二极管，包括作为电极的一金属层；形成于金属层上的多个发光层以提供光束；形成于发光层上的扩散层；以及设置于扩散层上的一介质层，具有穿透的开口以露出扩散层和粗化表面，该开口设置有另一电极。
10.如权利要求9所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，进一步包括形成于金属层与发光层之间的黏着层。
11.如权利要求10所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，黏着层为反射层。
12.如权利要求9所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，进一步包括形成于金属层与发光层之间的反射层。
13.如权利要求9所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，扩散层或介质层为η型氮化镓。
14.如权利要求9所述的垂直结构发光二极管，其中介质层的线差排密度高于扩散层。
全文摘要
本发明揭示一种垂直结构发光二极管及其制造方法。垂直结构发光二极管包括做为电极的金属层、形成于金属层上的多个发光层以提供光束、形成于发光层上的扩散层、以及设于扩散层上的介质层，其具有穿透的开口以露出扩散层和粗化表面。扩散层促进产自电极的电流扩散。
文档编号H01L33/10GK102544256SQ20111035455
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年12月27日
发明者张简庆华, 枫政国, 陈学龙, 陈彰和 申请人:华新丽华股份有限公司