在金属基板上制造高效率紫外线垂直式发光二极管的方法

摘要

提供制造由AlInGaN或AlGaN组成的紫外线(UV)垂直式发光二极管(VLED)结构的方法，该结构较已知AlInGaN或A1GaN发光二极管(LED)结构具有较佳的晶体品质及更快的成长速率。通过在载体基板上形成牺牲性GaN层，接着在该牺牲性GaN层上沉积发光二极管(LED)堆迭而完成。然后在后续处理步骤中移除该牺牲性GaN层。

权利要求

1.一种制造一垂直式发光二极管结构的方法，包括：在一蓝宝石基板上成长一牺牲性GaN层；

在所述牺牲性GaN层上形成一发光二极管堆迭，所述发光二极管堆迭包括AlInGaN及AlGaN的至少一者；

在所述发光二极管堆迭上沉积一或多层金属基板；

移除所述蓝宝石基板；及

移除所述牺牲性GaN层；

其中，所述的方法更包括在所述发光二极管堆迭与所述金属基板之间沉积一反射层；

所述牺牲性GaN层包括n型掺杂、无掺杂或p型掺杂GaN层；

所述牺牲性GaN层具有介于10nm与10μm之间的厚度。

2.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中以镁、硅及锌中至少一者掺杂所述牺牲性GaN层。

3.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中所述发光二极管堆迭的毗邻所述牺牲性GaN层的一层是无掺杂层。

4.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中所述金属基板包括Cu、Ni、Au、Ag、Co、Pd、Pt、W、Cr、Ti或其合金中至少一者。

5.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中所述金属基板具有超过

25μm的厚度。

6.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中沉积所述一或多层金属基板包括：使用物理汽相沉积法、蒸发或等离子喷涂技术中至少一者进行沉积。

7.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中沉积所述一或多层金属基板包括：使用电化学沉积法进行沉积。

8.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中沉积所述一或多层金属基板包括：使用无电化学沉积法进行沉积。

9.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中沉积所述一或多层金属基板包括：使用化学汽相沉积法进行沉积。

10.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中沉积所述一或多层金属基板包括：使用等离子增强化学汽相沉积法进行沉积。

11.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，更包括在所述发光二极管堆迭与所述反射层之间沉积一导电透明层。

12.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中移除所述蓝宝石基板包括：使用脉冲激光照射、化学机械研磨法、湿法刻蚀及选择性光辅助化学刻蚀中至少一者进行移除。

13.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，其中移除所述牺牲性GaN层包括：使用湿法刻蚀、干法刻蚀、机械抛光及化学机械研磨法中至少一者进行移除。

14.如权利要求1的制造一垂直式发光二极管结构的方法，更包括在移除所述牺牲性GaN层后，形成与裸露的发光二极管堆迭结合的电极。

说明书

在金属基板上制造高效率紫外线垂直式发光二极管的方法

技术领域

[0001] 本发明的实施例是关于发光二极管(LED)技术的领域，尤其有关于垂直式发光二极管(VLED)结构。

背景技术

[0002] LED已上市数十年，且研究和开发工作一直朝向改善其发光效率，从而增加可能性应用的数量。为制造发出近远紫外线(UV)光的LED，通常使用金属有机化学汽相沉积法(MOCVD)在蓝宝石基板上直接外延成长包括氮化镓铝(AlGaN)或氮化镓铟铝(AlInGaN)的半导体层。如此的UV发光二极管通常具有短于GaN的能隙(室温下约365nm)的发射波长。因此，氮化镓(GaN)的半导体层多半不会存在UV发光二极管结构的有效层外；否则，该GaN层会吸收所发射的光，导致可观或全部的效率损失。

[0003] 然而，因三甲铝((Al(CH3)3)-)氨(TMA-NH3)加成物的形成，AlGaN及AlInGaN的层生长速率非常慢，尤其带有高铝(Al)含量时。此外，厚AlGaN或AlInGaN层常会破裂，因而限制了发光二极管堆迭中半导体层的厚度。AlInGaN或AlGaN层所承受的应力正比于层中的Al含量，故对于既定厚度的AlGaN或AlInGaN层而言，Al含量愈高，愈可能破裂。例如，蓝宝石上所直接成长带有20％Al及0.4μm厚度的AlGaN层已被观察到沿着某些优先的晶向发展出带有微裂缝的非常差的形态。

[0004] 此外，对于UV发光二极管的预期性能程度，无法接受蓝宝石基板上所直接成长的AlInGaN或AlGaN层的错位密度。该错位密度是测量特定体积的晶体结构中存有多少晶格不完全度(因蓝宝石与AlGaN或AlInGaN间的晶格失配)。由于错位是线、圈或点缺陷，该错位密度被定义为每单位体积中因晶格失配造成缺陷或不完全度的总数量，且单位可以表3
示为错位数量/cm。这些晶格不完全度或错位会在LED的发光效率上具有极大的限制效应。

[0005] 因此，需要改善的技术来制造UV发光二极管。

发明内容

[0006] 本发明的实施例提供用以制造由AlInGaN或AlGaN组成的垂直式发光二极管(VLED)结构的技术，该结构较已知AlInGaN或AlGaN LED结构具有较佳的晶体品质及更快的成长速率。

[0007] 本发明的一实施例是制造VLED结构的方法。该方法通常包括在蓝宝石基板上成长牺牲性GaN层；在该牺牲性GaN层上形成包括AlInGaN或AlGaN的至少一者的发光二极管(LED)堆迭；在该发光二极管堆迭上沉积一或多层金属基板；移除该蓝宝石基板；及移除该牺牲性GaN层。

[0008] 本发明的另一实施例是制造VLED结构的方法。该方法通常包括在蓝宝石基板上成长牺牲性GaN层；在该牺牲性GaN层上形成n型掺杂层；在该n型掺杂层上形成有效层；在该有效层上形成p型掺杂层，其中在该牺牲性GaN层上的该n型掺杂层、该有效层及该p型掺杂层包括AlInGaN及AlGaN的至少一者；在该p型掺杂层上沉积一或多层金属基板；移除该蓝宝石基板；及移除该牺牲性GaN层。

附图说明

[0009] 上文发明内容概述了本发明，可参照多个实施例(当中若干者将在附图中说明)而更具体地描述本发明，详细地了解上文所述的本发明特征。然而，需注意到，因为本发明允许其它等效的实施例，故所附附图仅说明本发明的典型实施例，不应被视为限制其范围。

[0010] 图1是牺牲性GaN层上所沉积的发光二极管(LED)堆迭的横剖面图示，其依据本发明的实施例依序在载体基板上形成。

[0011] 图2说明依据本发明的实施例对图1的结构添加反射层及沉积金属基板。

[0012] 图3描绘依据本发明的实施例自图2的结构中移除金属基板及牺牲性GaN层。

[0013] 图4描绘依据本发明的实施例对图3的结构添加n电极。

具体实施方式

[0014] 本发明的实施例提供用以制造由AlInGaN或AlGaN组成的紫外线(UV)垂直式发光二极管(VLED)结构的技术，该结构较已知AlInGaN或AlGaN LED结构具有较佳的晶体品质及更快的成长速率。通过在载体基板上形成牺牲性GaN层，接着在该牺牲性GaN层上沉积发光二极管(LED)堆迭而完成。

[0015] 示范性VLED制造方法

[0016] 现在参照图1，使用本领域的技术人员所知悉的各种技术在载体基板102上沉积牺牲性GaN层100，例如金属有机化学汽相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)及氢化物汽相外延法(HVPE)。因要做n型掺杂、p型掺杂或无掺杂层用，GaN层100的厚度可自约10nm至10μm不等。例如，掺杂的牺牲性GaN层100可被掺以硅、镁或锌。载体基板102可包括任一支撑GaN成长的合适材料，如蓝宝石。

[0017] 可在牺牲性GaN层100上成长多层外延的发光二极管堆迭104。如图1所示，发光二极管堆迭104可包括牺牲性GaN层100上所成长的n型掺杂层106、n型掺杂层106上所沉积的多重量子阱有效层108及有效层108上所形成的p型掺杂层110。牺牲性GaN层100的内含物可使无掺杂或掺杂层得以直接在载体基板102上成长。n型掺杂层106内掺杂物间的适当选择或使无掺杂层中缺乏掺杂物(各自作为牺牲性GaN层100上所长的第一层)都可在发光二极管堆迭104的剩余部分中提供改善的晶体品质。

[0018] 有效层108可包括一或多层AlInGaN或AlGaN，用以当施加正向偏压时，通过空穴及电子的辐射性重组而发射具有靠近远紫外线(UV)范围的波长(即短于365nm)的光。对于若干实施例，有效层108除了AlInGaN或AlGaN层外也可包括非常薄(即厚度少于4nm)的量子阱形式GaN层，其可使有效层108有较低的缺陷密度及提高发光强度。

[0019] n型掺杂层106是由AlInGaN或AlGaN组成，且与直接在蓝宝石或另外载体基板上所成长的已知UV发光二极管相较，其可在牺牲性GaN层100上以更快的速率及更低的晶格失配成长。例如，此现象是因AlInGaN(或AlGaN)与GaN之间较AlInGaN(或AlGaN)与蓝宝石之间有更密的晶格匹配。较佳的晶体品质可在发光二极管堆迭104中造成更低的错位密度，导致增强的亮度，因此，该VLED结构最终产生更大的发光效率。对于若干实施例，可以更快的生长速率在该牺牲性GaN层上直接成长无掺杂层(未显示)，接着成长n型掺杂层106，且该无掺杂层相较于已知的UV发光二极管也显示出较佳的晶体品质。为了维持自牺牲性GaN层100至整个发光二极管堆迭104的层别的少量晶格失配，p型掺杂层110也可包括AlInGaN或AlGaN。

[0020] 如图2所说明的，可在p型掺杂层110的上形成反射层200。反射层200可包括任一用以导电及反射光的合适材料，如Al、Ag、Au、AgNi、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ag/Ti/Ni/Au、Ti/Al及Ni/Al的金属或金属合金。反射层200可反射有效层108所发射的光以将光重新导向VLED结构的预期发射面(即n型掺杂层106的表面)。

[0021] 为了强化此反射率及使更多的光自发射面射出，对于若干实施例，可在建构反射层200之前，于发光二极管堆迭104上形成导电透明层(未显示)。该导电透明层可包括任一能够导电及让光通过的合适材料，如铟锡氧化物(ITO)或所谓全向反射器(ODR)的复合体结构的组合。如公元2007年3月6日所申请名为“Vertical Light-Emitting Diode Structure with Omni-DirectionalReflector”的美国专利申请案第11/682,780号所述，ODR能够全向反射光线，且可具有高反射率及广阻带，因而较以金属反射器及分布布拉格反射器(DBR)所实现的效果可引起更大的LED光提取，上述专利申请案通过引用的方式整体并入本文中。

[0022] 可在反射层200上沉积一或多层金属基板202。金属基板202用以导电及p-n接合的散热，且可包括如Cu、Ni、Au、Ag、Co、Pd、Pt、W、Cr或Ti元素的金属或金属合金并具有超过25μm的厚度。金属基板202的各层可包括不同的材料，且可使用任一合适的技术沉积该等层，例如电化学沉积法(ECD)、无电化学沉积法(ElessCD)、化学汽相沉积法(CVD)、等离子辅助化学汽相沉积法(PECVD)、物理汽相沉积法(PVD)、蒸发或等离子喷涂技术。例如，对于若干实施例，可用无电电镀沉积金属晶种层(未显示)，接着可在该金属晶种层上电镀金属基板202的额外层别。对于若干实施例，反射层202可当作为该金属晶种层。

[0023] 现在参照图3，可移除载体基板102，接着移除牺牲性GaN层100。可用任一合适的技术移除载体基板102，例如脉冲激光照射、化学机械研磨法(CMP)、湿法刻蚀及选择性光辅助化学刻蚀。这些方法为本领域的技术人员所知悉的，本文便不再详述。载体基板102的移除可裸露牺牲性GaN层100。尽管VLED多半以牺牲性GaN层100所覆盖的发光二极管堆迭104来发射若干光，但对于产生UV光的有效层108所发射短于约365nm的波长，GaN可作为强光吸收器，导致不想要的光损失及效率低的VLED。因为GaN的能隙具有较波长短于365nm的光子低的能量，故会发生此吸收。因此，可用任一合适的技术移除该牺牲性GaN层以裸露n型掺杂层106，例如湿法刻蚀、干法刻蚀、机械抛光及化学机械研磨法(CMP)。

[0024] 此外，因为GaN会吸收发光二极管堆迭104发射的近远紫外线光，故发光二极管堆迭104中除有效层108外的层别最好不含GaN。如上述，对于若干实施例，由AlGaN或AlInGaN组成的有效层108在量子阱中可包括GaN，其可使有效层108有较低的缺陷密度及提高发光强度。

[0025] 现在参照图4中的功能性VLED结构400，外部连接用的接触垫402可与n型掺杂层106结合。对于若干实施例，为了强化VLED结构400的光发射，n型掺杂层106的发射面404可是粗糙的或有纹理的。

[0026] 尽管前述是针对本发明的多个实施例，在不脱离本发明的基本范围下当可设计其它或进一步的实施例，本发明的保护范围是由权利要求的范围确定。