使用外延横向过生长技术移除器件的方法

使用外延横向过生长技术移除器件的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求根据美国专利有以下共同未决和共同转让申请的权益：
3.美国临时申请序列号63/011,698，由takeshi kamikawa、masahiro araki和srinivas gandrothula于2020年4月17日提交，标题为“method for removing a device using an epitaxial lateral overgrowth technique”，代理人案卷号g&c 30794.0762usp1(uc 2020-706-1)；
4.该申请在此引用并入本文。
5.本技术与以下共同未决和共同转让的申请相关：
6.由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula、hongjian li和daniel a.cohen于2019年10月24日提交的美国实用新型专利申请第16/608,071号，标题为“method of removing a substrate”，代理人案卷号为30794.0653uswo(uc 2017-621-1)，该申请要求共同待决和共同转让的pct国际专利no.pct/us18/31393的权益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula、hongjian li和daniel a.cohen于2018年5月7日提交，标题为“method of removing a substrate”，代理人案卷号为30794.0653wou1(uc 2017-621-2)，申请要求共同待决和共同转让的美国临时专利申请第62/502,205的权益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula、hongjian li和daniel a.cohen于2017年5月5日提交，标题为“method of removing a substrate”，代理人案卷号为30794.0653usp1(uc 2017-621-1)；
7.由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2020年2月20日提交的美国实用新型专利申请第16/642,298号，标题为“method of removing a substrate with a cleaving technique”，代理人案卷号为30794.0659uswo(uc 2018-086-2)，该申请要求共同未决和共同转让的pct国际专利no.pct/us18/51375的权益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2018年9月17日提交的，标题为“method of removing a substrate with a cleaving technique”，代理人案卷号为30794.0659wou1(uc 2018-086-2)，该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/559,378号的权益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2017年9月15日提交的，标题为“method of removing a substrate with a cleaving technique”，代理人案卷号为30794.0659usp1(uc 2018-086-1)；
8.由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2020年9月4日提交的美国实用新型专利申请第16/978,493号，标题为“method of fabricating nonpolar and semipolar devices using epitaxial lateral overgrowth”，代理人案卷号为30794.0680uswo(uc 2018-427-2)，该申请要求共同未决和共同转让的pct国际专利申请第pct/us19/25187号的权益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2019年4月1日提交的，标题为“method of fabricating nonpolar and semipolar devices using epitaxial lateral overgrowth”，代理人案卷号为30794.0680wou1(uc 2018-427-2)；该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/650,487号的权
益，由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和hongjian li于2018年3月30日提交的，标题为“method of fabricating nonpolar and semipolar devices by using lateral overgrowth”，代理人案卷号为g&c 30794.0680usp1(uc 2018-427-1)；
9.takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2020年10月16日提交的美国实用新型专利申请第17/048,383号，标题为“method for dividing a bar of one or more devices”，代理人的案卷号为30794.0681uswo(uc 2018-605-2)，该申请要求共同未决和共同转让的pct国际专利申请第pct/us19/32936号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2019年5月17日提交的，标题为“method for dividing a bar of one or more devices”，代理人案卷号为30794.0681wou1(uc 2018-605-2)；该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/672,913号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2018年5月17日提交的，标题为“method for dividing a bar of one or more devices”，代理人案卷号为g&c 30794.0681usp1(uc 2018-605-1)；
10.由srinivas gandrothula和takeshi kamikawa于2020年10月20日提交的美国实用新型专利申请第17/049,156号，标题为“method of removing semiconducting layers from a semiconducting substrate”，代理人案卷号为30794.0682uswo(uc 2018-614-2)，该申请要求共同未决和共同转让的pct国际专利申请第pct/us19/34686号的权益，由srinivas gandrothula和takeshi kamikawa于2019年5月30日提交的，标题为“method of removing semiconducting layers from a semiconducting substrate”，代理人案卷号为30794.0682wou1(uc2018-614-2)；该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/677,833号的权益，由srinivas gandrothula和takeshi kamikawa于2018年5月30提交的，标题为“method of removing semiconducting layers from a semiconducting substrate”，代理人案卷号g&c30794.0682usp1(uc 2018-614-1)；
11.由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2021年4月15日提交的美国实用新型专利申请号第17/285,827号，标题为“method of obtaining a smooth surface with epitaxial lateral overgrowth”，代理人案卷号30794.0693uswo(uc 2019-166-2)，该申请要求共同未决和共同转让的pct国际专利申请号第pct/us19/59086号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2019年10月31日提交的，标题为“method of obtaining a smooth surface with epitaxial lateral overgrowth”，代理人案卷号为30794.0683wou1(uc 2019-166-2)，该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/753,225号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2018年10月31日提交的，标题为“method of obtaining a smooth surface with epitaxial lateral overgrowth”，代理人案卷号g&c 30794.0683usp1(uc 2019-166-1)；
12.由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和masahiro araki于2020年1月16日提交的pct国际专利申请第pct/us20/13934号，标题为“method for removal of devices using a trench”，代理人案卷号为30794.0713wou1(uc 2019-398-2)，该申请要求共同未决和共同转让的美国临时专利申请第62/793,253号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2019年1月16日提交的，标题为“method for removal of devices using a trench”，代理人案卷号g&c 30794.0713usp1(uc2019-398-1)；
13.由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2020年3月2日提交的pct国际专
利申请第pct/us20/20647号，标题为“method for flattening a surface on an epitaxial lateral growth layer”，代理人案卷号30794.0720wou1(uc 2019-409-2)，该申请要求共同未决和共同转让的美国临时申请第62/812,453号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2019年3月1日提交的，标题为“method for flattening a surface on an epitaxial lateral growth layer”，代理人案卷号g&c 30794.0720usp1(uc 2019-409-1)；
14.由takeshi kamikawa、srinivas gandrothula和masahiro araki于2020年9月17日提交的pct国际专利申请第pct/us20/22430号，标题为“method for removing a bar of one or more devices using supporting plates”，代理人的案卷号为30794.0724wou1(uc 2019-416-2)，该申请要求共同未决和共同转让的美国临时申请第62/817,216号的权益，由takeshi kamikawa和srinivas gandrothula于2019年3月1日提交的，标题为“method for removing a bar of one or more devices using supporting plates”，代理人案卷号g&c 30794.0720usp1(uc 2019-416-1)；
15.所有这些申请通过引入并入本文。
技术领域
16.本发明涉及一种使用外延横向过生长(elo)技术从衬底移除器件的方法。

背景技术：

17.许多研究人员已经将elo技术用于iii族氮化物层和异质衬底(诸如蓝宝石、碳化硅等)以便降低iii族氮化物层中的缺陷密度。本发明使用elo技术从衬底上移除包括iii族氮化物层的器件，并降低缺陷密度。
18.一种elo技术使用具有一个或多个开口区(area)的生长限制掩模。从生长限制掩模的开口区开始的iii族氮化物层的横向生长非常缓慢。通常，生长限制掩模的开口区的周期被设置为大约10μm-20μm，以便通过嵌入生长限制掩模在异质衬底上获得平坦化层。然而，窄的周期导致由elo技术制造的器件包含聚结区域(coalescence region)。因此，由于窄的周期问题，在生产器件时避免了elo技术。
19.因此，此项技术中需要使用具有用于开口区的宽周期的elo来制造iii族氮化物层的改进方法。具体而言，需要这样一种方法，其中器件以非常低的缺陷密度生长和/或不包含聚结区域。为了实现这些需求，本发明在低v/iii比率生长条件下使用高速横向生长。

技术实现要素：

20.为了克服上述现有技术中的限制，并且为了克服在阅读和理解本说明书时将变得明显的其他限制，本发明公开了一种使用elo技术和利用elo技术制造器件来实现iii族氮化物层的高速横向生长(与低速垂直生长相比)的方法。
21.先前已经尝试使用elo技术来获得iii族氮化物层的高速横向生长的生长条件。在本发明中，已经发现使用elo技术，低v/iii比率，例如《500，可以导致iii族氮化物层的高速横向生长。
22.然而，还发现在iii族氮化物elo层中的杂质浓度和横向生长的速度之间存在权衡
(trade-off)关系。较高速度处的横向生长将导致elo层中的杂质浓度较高，例如超过1
×
10
18
cm-3
。具体而言，在低v/iii比率下，氮化镓(gan)层上的镓(ga)吸附原子的迁移长度比通常生长条件下的长。这有助于elo层边缘部分的生长，并导致横向生长速度的增加。
23.然而，gan层上的ga吸附原子更可能与诸如碳(c)、氧(o)、硅(si)等杂质结合，这是由于缺少与氮(n)原子结合的机会。高杂质掺杂层的存在导致有源区域中产生的光的吸收和散射，这导致器件特性的恶化。此后，通过elo技术制造的高杂质掺杂层被称为着层(coloring layer)，因为该层由于高杂质掺杂而呈棕。
24.高速横向生长对于器件和器件制造具有多个优点，包括以下内容：
25.1.由于金属有机化学气相沉积(movcd)反应器中生长时间的减少，以及金属有机源废物量的减少，高速横向生长在降低器件成本方面是重要的。
26.2.高速横向生长具有抑制垂直生长速度的效果。可以减小elo层的在层的宽度和高度之间的纵横比，这允许薄的器件。
27.对于微型发光二极管(微型led或μled)和垂直腔面发射激光器(vcsel)，薄的器件是优选的。例如，在微型led的情况下，由于侧面面积的减小，薄的器件可以减少来自器件侧面的光量。抑制从器件侧面提取光可以减少相邻器件之间(诸如显示器中使用的微型led)的串扰。在vcsel的情况下，薄的器件可以具有短的腔长，这导致更高增益的器件。
28.3.在低速横向生长的情况下，可能存在高速垂直生长，这有时会增强elo层之间的高度波动。当是为了从衬底上移除elo层而结合elo层时，这种波动是不希望的。当结合这些层时，通过增加横向生长来抑制elo层高度的波动对于获得高产量是重要的。而且，elo层的高度越高，横向生长的速度越慢，因为横向生长需要更多的材料供应。因此，elo层的高度应该尽可能低。
29.4.为了获得不包含聚结区域的大尺寸芯片，生长限制掩模的周期被设置得尽可能宽。例如，当生长限制掩模的周期宽度为20μm-30μm时，由于低速横向生长，用elo层覆盖生长限制掩模变得非常困难。在本发明中，即使当生长限制掩模的周期宽度超过50μm时，高速横向生长也可以用elo层覆盖生长限制掩模的宽度。
30.为了获得这些优点，本发明可以消除上述权衡关系。
31.本发明提出了一种通过利用高速横向生长和避免从有源区域吸收光而生长和制造许多不同类型器件(诸如led、微型led、vcsel、激光二极管(ld)、光电探测器(pd)和功率器件)的方法，具体而言，本发明以简单、快速和高产量的方式从器件中消除着层，并从衬底上移除器件。
附图说明
32.现在参考附图，其中相同的附图标记始终表示相应的部分：
33.图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)、图1(i)、图1(j)、图1(k)、图1(l)、图1(m)、图1(n)、图1(o)和图1(p)是根据本发明制造的器件结构的示意图。
34.图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)、图2(e)、图2(f)、图2(g)、图2(h)、图2(i)、图2(j)、图2(k)、图2(l)、图2(m)、图2(n)、图2(o)、图2(p)和图2(q)是根据本发明制造的器件结构的示意图，它们是图1的示意图的变型。
35.图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)和图3(g)是根据本发明制造的器件结构的示意图，它们是图1和图2的示意图的变型。
36.图4(a)、图4(b)和图4(c)是根据本发明制造的器件结构的示意图，它们是图1、图2和图3的示意图的变型。
37.图5是扫描电子显微镜(sem)图像，示出了当生长限制掩模被器件层掩埋时，在没有空隙的情况下出现的裂纹。
38.图6是显示碳(c)、氧(o)、硅(si)浓度(原子/cm3)与深度(μm)之比的着层的二次离子质谱(sims)轮廓化数据图。
39.图7是生长限制掩模的示意图。
40.图8(a)、图8(b)和图8(c)是生长限制掩模、iii族氮化物elo层、着层和平坦化层的sem图像。
41.图9(a)和图9(b)是根据本发明制造的器件封装的示意图。
42.图10是示出使用elo技术从衬底移除器件的方法的流程图。
具体实施方式
43.在优选实施例的以下描述中，参考了可以实施本发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构改变。
44.概观
45.下面描述本发明提出的方法。
46.方法1
47.该方法包括以下步骤：
48.1.生长着层：
49.1-1.在gan衬底上，如图1(a)-图1(p)所示，或者
50.1-2.在异体(foreign)或异质衬底上，如图2(a)-图2(q)所示。
51.2.在着层上生长iii族氮化物器件层。
52.3.移除包括着层在内的器件层的条(bar)：
53.3-1.聚结着层后，如图1(a)-图1(p)所示，以及
54.3-1-1.使用挂钩层方法，或
55.3-2.不聚结着层，如图2(a)-图2(q)所示。
56.4.如图1(a)-图1(p)、图2(a)-图2(q)和图3(a)-图3(g)所示，通过抛光、干法蚀刻或湿法蚀刻从器件的条上消除着层。
57.在这种方法中，包括由elo技术制成的着层的条从衬底上移除，该衬底可以是iii族氮化物衬底，诸如gan衬底，或者异质衬底(诸如蓝宝石、硅、碳化硅或其他衬底)。从衬底上移除条可以露出条背面的着层。之后，通过抛光或干法蚀刻或湿法蚀刻移除着层。通过这样做，可以消除着层的不利影响，并且可以从横向的高速生长中获得各种优点。
58.方法2
59.该方法包括以下步骤：
60.1.生长着层(有或没有聚结)。
61.2.在着层上生长iii族氮化物器件层。
62.3.通过湿法刻蚀消除着层，同时移除包括着层的条，如图4(a)-图4(c)所示。
63.这种方法为移除着层提供了另一种选择。在从衬底上移除条之前，可以通过湿法蚀刻移除着层。溶解生长限制掩模可以露出着层的背面，并在着层下形成空隙。着层可以通过使用诸如氢氧化四甲铵(tmah)、氢氧化钾(koh)、氢氧化钠(naoh)等蚀刻剂的湿法蚀刻来溶解。之后，可以从衬底上移除该条。
64.也可以通过蚀刻分离条，其中控制蚀刻时间可以溶解开口区上部的着层。这可以使条与衬底分离。因此，衬底被移除，同时着层被蚀刻。由于着层包含有大量杂质，与正常层相比，着层容易溶解。
65.两种方法
66.此外，在这两种方法中，湿法蚀刻或干法蚀刻可以从着层的背面蚀刻。如果这些技术用于c面极性iii族氮化物衬底，则着层的背表面是氮(n)极性的，比相对的前表面(镓(ga)极性的)更容易溶解和蚀刻。
67.这两种方法还具有以下优点：
68.1.着层包含有大量杂质。由低v/iii比率生长条件制成的层很可能包含碳，其来源于ga源，诸如三乙基镓(trienthylgallium，teg)或三甲基镓(trimethylgallium，tmg)。碳在有源区域的光散射和吸收损失中起作用。如果该器件包含着层，可能会有很大的损失。在本发明中，移除条使得更容易消除着层。本发明允许使用抛光方法、干法蚀刻或湿法蚀刻。本发明消除了着层，同时将条与衬底分离。由于可以抑制垂直生长速率的高速横向生长，本发明可以用于形成非常薄的器件。在一个实施例中，器件的厚度小于20μm；还可以制造厚度小于10μm的器件。本发明对于微型led特别有用，因为它可以抑制相邻微型led之间的串扰效应，这是由于通过器件侧面提取的光量减少了。本发明对于vcsel也是有用的，因为它可以用于为vcsel制造短腔。由于腔的内部损失减少，vcsel也可以具有高增益。
69.2.着层可以在iii族氮化物层中形成空隙，即使相邻elo层之间聚结。着层的生长条件导致着层边缘角度的变化，这使得形成空隙成为可能。空隙通过降低内应力来防止iii族氮化物器件层中出现裂纹。如图5所示，在许多没有空隙的情况下，当生长限制掩模被器件层掩埋时，由于生长限制掩模和器件层之间热膨胀系数的差异，会出现裂纹。器件层下的空隙可以释放应力。在这种情况下，空隙直接位于生长限制掩模上，并且以大的方式形成。在elo层没有聚结的情况下，相邻elo层之间的间隙也可以释放应力。这有助于避免裂纹的出现。
70.3.在抛光条的背面以消除着层的情况下，可以使用化学机械抛光(chemical-mechanical polishing，cmp)，这使得抛光表面非常平坦，例如，表面粗糙度小于几纳米(nm)。因此，用于vcsel的分布式布拉格反射器(distributed bragg reflectors，dbr)可以放置在抛光的表面上。
71.4.本发明可以防止和减轻生长限制掩模分解对p型层的补偿。通常，在elo技术中，生长限制掩模可以包括二氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)等。然而，硅和氧原子都是gan的n型掺杂剂。因此，如果生长限制掩模在p型层生长期间分解，这些原子补偿p型层中的p型掺杂剂。高速横向生长可以更快地覆盖生长限制掩模。当器件层生长时，大部分生长限制掩模已经被iii族氮化物elo层覆盖。这可以防止生长限制掩模的分解，从而可以避免p型层的补偿。本发明可以使用iii族氮化物衬底或异质衬底(诸如蓝宝石、碳化硅(sic)、铝酸锂
(lialo2)、si等)，只要它能够通过生长限制掩模生长iii族氮化物基半导体层。在使用iii族氮化物衬底的情况下，本发明可以获得高质量的iii族氮化物基半导体层，并且避免在外延生长期间由于同质外延生长导致的衬底的弯曲或翘曲。结果，在使用iii族氮化物衬底的情况下，也可以容易地获得具有降低的缺陷密度(诸如位错(dislocation)和堆垛层错)的器件。
72.元素的标识
73.这些图标识了多个不同的标记元素，包括以下内容：
74.■
iii族氮化物衬底101，
75.■
异质衬底101a，
76.■
iii族氮化物模板或底层101b，
77.■
生长限制掩模102，
78.■
开口区103，
79.■
非生长区域104，
80.■
初始生长层105a，
81.■
着层105b，
82.■
iii族氮化物半导体器件层106，
83.■
空隙或空隙区域107，
84.■
有源区域108，
85.■
电流阻挡层109，
86.■
p型电极110，
87.■
器件111，
88.■
脊形结构112，
89.■
n电极113，
90.■
蚀刻区域114，
91.■
条115，
92.■
平坦化层116，
93.■
凹陷部分117，
94.■
光致抗蚀剂118，
95.■
挂钩层119，
96.■
断裂点120，
97.■
支撑板121，
98.■
焊料122，
99.■
分布式布拉格反射器(dbr)123，
100.■
光致抗蚀剂124，
101.■
封装125，
102.■
散热器126，
103.■
覆盖层127，
104.■
铜层128，
105.■
通孔129，
106.■
垫电极130，
107.■
结合金属131，以及
108.■
激光器132。
109.这些元素将在下面更详细地描述。
110.术语定义
111.iii族氮化物基衬底
112.图1(a)中示出了iii族氮化物基衬底101。
113.可以使用能够通过生长限制掩模102生长iii族氮化物基半导体层的任何iii族氮化物基衬底101，包括在{0001}、{11-22}、{1-100}、{20-21}、{20-2-1}、{10-11}、{10-1-1}、{11-22}、{11-2-2}平面等上切片的任何gan衬底101，或来自块状gan晶体以及任何氮化铝(aln)衬底101的其它平面上。
114.异质衬底
115.此外，如图2(a)所示，本发明也可以使用异体或异质衬底101a。例如蓝宝石、si、sic、砷化镓(gaa)等，衬底101a可以用于本发明。
116.iii族氮化物模板或底层101b，或其他iii族氮化物(诸如gan模板或底层101b)，可以生长在异质衬底101a上。gan模板101b通常在异质衬底101a上生长至大约0.5-6μm的厚度，然后生长限制掩模102设置在gan模板101b或其他iii族氮化物基半导体层101b上。
117.生长限制掩模102也可以直接形成在异质衬底101a上，并且作为iii族氮化物elo层的初始生长层105a可以直接生长在生长限制掩模102上。在这种情况下，衬底101a没有必要具有iii族氮化物模板或底层101b。
118.生长限制掩模
119.生长限制掩模102在图1(b)和图2(a)中示出。
120.生长限制掩模102包括电介质层(诸如sio2、sin、sion、al2o3、aln、alon、mgf、zro2等)，或者难熔金属或贵金属(诸如w、mo、ta、nb、rh、ir、ru、os、pt等)。生长限制掩模102可以是选自上述材料的堆叠结构。它也可以是选自上述材料的多叠层结构。
121.生长限制掩模102通过溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vaper deposition，pecvd)、离子束沉积(ion beam deposition，ibd)等来沉积，但不限于这些方法。
122.生长限制掩模102的厚度约为0.05-3μm。生长限制掩模102的条纹宽度优选大于20μm，更优选宽度大于40μm。生长限制掩模102中的开口区103的长度例如为200至35000μm；并且生长限制掩模102中的开口区103的宽度例如为2至180μm。
123.elo层从生长限制掩模102的开口区103生长，在生长限制掩模102的条纹上延伸，并且可以或可以不在生长限制掩模102上聚结。当elo层没有在生长限制掩模102上聚结时，这导致无生长区域104。
124.在一个实施例中，生长限制掩模102由1μm厚的sio2膜形成，其中开口区103的长度为5000μm；开口区103的宽度是3-10μm；开口区103的间隔是50-150μm；生长限制掩模102的条纹宽度为50-150μm。
125.生长限制掩膜的方向
126.在c面独立式(free-standing)gan衬底101上，生长限制掩模102的开口区103分别
以第一间隔和第二间隔周期性地布置在平行于衬底101的11-20方向(a轴)的第一方向和平行于衬底101的1-100方向(m轴)的第二方向上，并且在第二方向上延伸。
127.在生长在蓝宝石衬底101a上的c面gan模板101b上，开口区103分别以第一间隔和第二间隔周期性地布置在平行于gan模板101b的11-20方向(a轴)的第一方向和平行于衬底101a的1-100方向(m轴)的第二方向上，并且在第二方向上延伸。
128.在m面独立式gan衬底101上，开口区103分别以第一间隔和第二间隔周期性地布置在平行于衬底101的11-20方向(a轴)的第一方向和平行于衬底101的0001方向(c轴)的第二方向上，并且在第二方向上延伸。
129.在半极性(20-21)或(20-2-1)gan衬底101上，开口区103分别布置在平行于[-1014]和[10-14]的方向上。
[0130]
或者，可以使用异质衬底101a。当c面gan模板101b生长在c面蓝宝石衬底101a上时，开口区103与c面独立式gan衬底101处于相同的方向；并且当在m面蓝宝石衬底101a上生长m面gan模板101b时，开口区103与m面独立式gan衬底101方向相同。通过这样做，m面解理面可以用于分割具有c面gan模板101b的器件的条，并且c面解理面(cleaving plane)可以用于分割具有m面gan模板101b的器件的条，这是非常优选的。
[0131]
开口103的宽度在第二方向上通常是恒定的，但是可以根据需要在第二方向上改变。
[0132]
iii族氮化物基半导体层
[0133]
在图1(c)-图1(g)中示出，初始生长层105a、着层105b(也是iii族氮化物elo层)、iii族氮化物半导体器件层106和平坦化层116，并且包括iii族氮化物基半导体层。这些层105a、105b、106和116可以包括ga、in、al和/或b以及n，以及其他杂质，诸如mg、si、zn、o、c、h等。
[0134]
iii族氮化物半导体器件层106通常包括多于两层，包括n型层、未掺杂层和p型层中的至少一层。iii族氮化物半导体器件层106具体包括gan层、algan层、algainn层、ingan层等。
[0135]
着层
[0136]
在本发明中，着层105b(也是iii族氮化物elo层)以非常低的v/iii比率生长条件生长在生长限制掩模102上。在一个实施例中，着层105b是棕的。颜强度取决于杂质浓度。非常低的v/iii比率生长条件增加了生长表面的ga吸附原子与其它杂质(诸如碳、氧、硅等)结合的机会。因此，着层105b包含大量杂质。在着层105b中的杂质中，碳是最成问题的。因为碳是从ga源(诸如teg或tmg)获得的，所以很难避免将碳包含到层105b中。
[0137]
在本发明中，着层105b的定义具有超过5
×
10
17
cm-3
的碳浓度。如果gan层在通常的生长条件(诸如高v/iii比率生长条件(》3000)，碳的浓度在1
×
10
16
cm-3
以下)下生长。能够获得高速横向生长的生长条件导致该层包含有比其通常条件更高浓度(例如高一个数量级)的碳。取决于v/iii条件，该碳浓度超过10
19
cm-3
。更高的碳浓度导致更高的横向生长速度。因此，这是一种权衡关系。该层中的高浓度的碳也强烈吸收来自有源区域的光。
[0138]
这里，如图6所示，着层105b由sims轮廓化数据解释。图6是根据诸如碳、氧、硅等杂质的sims深度轮廓化数据的曲线图。测量的层从表面开始依次包括两层，即平坦化层116和着层105b。该结构与图1(f)相同。以高v/iii条件(》3000)生长的平坦化层116包含测量
极限以下的碳。另一方面，着层105b包含有超过10
19
cm-3
的碳，因为着层105b是在低v/iii条件(《500)下生长的。
[0139]
通过这样做，低碳浓度层可以在着层105b上生长。为了减少光吸收，至少部分着层105b应该被移除，尽管更优选的是移除整个着层105b。
[0140]
半导体器件
[0141]
本发明公开了一种使用外延层中的空隙区域107移除形成在衬底101上的一个或多个器件111的方法。器件111可以包括发光二极管(led)、激光二极管(ld)、光电探测器(pd)、肖特基势垒二极管(sbd)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或其他光电器件。
[0142]
本发明特别适用于微型led和激光二极管，诸如边缘发射激光器和垂直腔面发射激光器(vcsel)。本发明对于具有解理面的半导体激光器特别有用。
[0143]
形成器件的区
[0144]
在本发明中，用于形成器件111的区优选避开空隙区域107的中心，如图1(i)和图3(a)所示。该区包括高密度的位错，因为着层105b的聚结发生在空隙区域107的中心。更优选的是，器件111形成在距离空隙区域107的中心大约5μm的区中。在激光二极管器件111的情况下，激光器的脊形结构112优选位于同一区。
[0145]
支撑板
[0146]
一旦被移除，一个或多个器件111的条115被转移到支撑板121，支撑板121可以是aln、sic、si、cu、cuw等。如图1(l)和1(m)所示，用于结合条115的焊料122设置在支撑板121上，其中焊料(solder)122可以是au-sn、su-ag-cu、ag膏(paste)等。然后，p电极110结合到焊料122。器件111也可以倒装芯片(flip-chip)结合到板121上。
[0147]
在将led芯片结合到支撑板121的情况下，支撑板121的尺寸无关紧要，并且可以根据需要进行设计。
[0148]
带沟槽的支撑板
[0149]
优选地，支撑板121具有用于分割器件111的沟槽或其他器件。当将支撑板121分成条115或碎片时，这种结构是有用的。在分割支撑板121之后，器件111可以被制造成模块，诸如照明模块。支撑板121中的沟槽将分割引导到器件111中。可以通过湿法蚀刻形成沟槽，并且在安装器件111之前对沟槽进行机械加工。例如，如果支撑板121由硅制成，则可以使用湿法蚀刻来形成沟槽。以这种方式使用沟槽减少了工艺的交付时间。
[0150]
替代实施例
[0151]
下面描述了本发明的可选实施例。
[0152]
第一实施例
[0153]
描述了根据第一实施例的iii族氮化物基半导体器件111及其制造方法。在该实施例中，器件111可以包括微型led或vcsel。
[0154]
通常，首先提供衬底101，并且在衬底101上形成具有多个条状开口区103的生长限制掩模102。着层105b是高速iii族氮化物elo层，其聚结在相邻层105b之间。通过干法蚀刻方法移除空隙区域107的中心。器件111的条115被结合到支撑板121，以从衬底101移除条115。最后，通过湿法蚀刻方法移除着层105b。
[0155]
图1(a)-图1(m)说明了该方法中涉及的具体工艺步骤和结构。这些工艺步骤和结
构将在下面更详细地描述。
[0156]
步骤1：如图1(b)，所示该步骤包括提供衬底101，如图1(a)所示，然后在衬底101上沉积生长限制掩模102，其中剩余表面通过生长限制掩模102中的开口区103暴露。
[0157]
此外，图7是沉积在衬底101上生长限制掩模102的俯视图。生长限制掩模102中的条纹的宽度wr是30μm-200μm，更优选的是30μm-120μm。开口区103的宽度wo是2μm-60μm，更优选的是3μm-40μm。
[0158]
代替iii族氮化物衬底101，本发明可以使用具有iii族氮化物模板101b的各种异质衬底101a，诸如蓝宝石衬底101a、硅衬底101a、sic衬底101a等上的iii族氮化物模板101b。也可以直接在沉积在异质衬底101a上的生长限制掩模102上生长初始生长层105a和着层105b。
[0159]
步骤2：如图1(c)所示，该步骤包括使用生长限制掩模102在衬底101上生长初始生长层105a，使得生长沿平行于生长限制掩模102的条状开口区103的方向延伸，并且初始生长层105a的高度高于生长限制掩模102的高度。在这种情况下，更好的是能够在宽范围的生长条件下容易地获得着层105b的均匀形状。类似于图7，图1(c)还示出了生长限制掩模102中的条纹的宽度wr，以及开口区103的宽度wo。
[0160]
mocvd用于初始生长层105a的外延生长。三甲基镓(tmga)用作iii族元素源；使用氨(nh3)作为原料气体来供应氮气；氢气(h2)和氮气(n2)用作iii族元素源的载气。重要的是在载气中包含氢以获得外延层的光滑表面。生长温度大约为900度到1200度。初始生长层105a的厚度约为1μm-5μm。
[0161]
步骤3：如图1(d)所示，该步骤包括生长着层105b。生长条件几乎与初始生长层105a相同。然而，为了增加横向生长的速度，v/iii比率被设定在500以下。特别是，应该降低nh3流速。在这种情况下，垂直方向的生长速度被抑制，而横向生长速度被提高。着层105b的边缘形状变成倒置的锥形面。
[0162]
如果着层105b的生长在聚结之前终止，则形成非生长区域104。或者，可以继续生长，直到着层105b聚结，从而不形成非生长区域104。
[0163]
如图1(e)所示，着层105b已经聚结，但是包含空隙107，这可能会或可能不会导致凹陷部分117。着层105b的倒置的锥形面有助于形成空隙107。这些空隙107可以释放来自生长限制掩模102的应力，这可以防止外延层中的裂纹。
[0164]
如图8(a)、图8(b)和图8(c)的sem图像所示，倒置的锥形面具有{11-2-2}取向。在着层105b的生长过程中，仅在聚结之前，出现{11-2-2}面。{11-2-2}面由于生长条件的变化而倾斜，这是由封闭每个层105b引起的。然而，倒置的锥形面有助于在着层105b中产生三角形空隙107。一旦层105b在这种情况下聚结，即使生长继续，三角形空隙107也不会消失。
[0165]
mocvd用于初始生长层105a和着层105b的外延生长。三甲基镓(tmga)用作iii族元素源；使用氨(nh3)作为原料气体来供应氮气；氢气(h2)和氮气(n2)用作iii族元素源的载气。重要的是在载气中包含氢以获得外延层的光滑表面。
[0166]
初始生长层105a的厚度约为1μm-10μm。初始生长层105a可以包括gan或algan、ingan、inalgan层，以便获得光滑的表面。
[0167]
三角形空隙107可以有效地释放来自gan层105a、105b和生长限制掩模102(例诸如
sio2、sin等)之间的热膨胀系数差异的应力。通过这样做形成的空隙107直接位于生长限制掩模102上，并且被生长限制掩模102和层105b包围，这可以有效地从生长限制掩模102释放应力。此外，就释放应力而言，空隙107的三角形形状是更优选的，因为空隙107的高度高于没有生长限制掩模102时形成的空隙107。此外，可以在不中断生长的情况下形成空隙107。
[0168]
在着层105b聚结之后，空隙107防止着层105b中出现裂纹。此外，着层105b基本上覆盖生长限制掩模102，这避免了通过来自生长限制掩模102的原子分解来补偿p型器件层106。
[0169]
步骤4：如图1(f)所示，该步骤包括在着层105b上生长平坦化层116，以平整外延层的表面。如步骤3所述，由于空隙107的存在，着层105b可以在空隙107的上部具有凹陷部分117。
[0170]
平坦化层116在与着层105b相比具有更高v/iii比率的条件下生长，原因如下。首先，避免了表面粗糙度的变形。第二，避免了平坦化层116的着。第三，增强了垂直方向的生长，以便尽快使表面平整。
[0171]
在该步骤中，平坦化层116是非故意掺杂(unintentionally doped，uid)层或si掺杂层。此外，mg掺杂层或mg和si的共掺杂层可以用作平坦化层116。包含mg的iii族氮化物层的生长有效地掩埋了空隙区域107中心的凹陷区域117。
[0172]
步骤5：如图1(g)所示，该步骤包括在着层105b或平坦化层116上生长iii族氮化物半导体器件层106。平整外延层的表面有助于防止有源区域108的发射波长波动。如果表面不平整，铟或铝的成分会随着表面粗糙度而变化。平整表面是指有源区域108的生长。
[0173]
mocvd用于iii族氮化物半导体器件层106的外延生长。三甲基镓(tmga)、三乙基镓(teg)、三甲基铟(tmin)和三乙基铝(tmal)用作iii族元素源；使用氨(nh3)作为原料气体来供应氮气；氢气(h2)和氮气(n2)用作iii族元素源的载气。
[0174]
盐水和双(环戊二烯基)镁(cp2mg)分别用作n型和p型掺杂剂。应力设置通常为50至760托(torr)。iii族氮化物半导体器件层106通常在700到1250℃的温度范围内生长。
[0175]
例如，生长参数包括如下：tmg为12sccm，nh3为8slm，载气为3slm，sih4为1.0sccm，并且v/iii比率为约7700。这些生长条件仅仅是一个示例，并且可以针对每个iii族氮化物半导体器件层106改变和优化这些条件。
[0176]
步骤5’：如果平坦化层116没有生长或者没有获得平坦化表面，则可以在iii族氮化物半导体器件层106生长之前抛光平坦化层116或着层105b的表面以进一步平坦化表面。例如，可以使用cmp。
[0177]
步骤6：如图1(h)所示，该步骤包括通过常规方法在iii族氮化物半导体器件层106的平坦化表面区域制造器件111，其中电流阻挡层109、p电极110、脊形结构112等设置在预定位置的岛状iii族氮化物半导体器件层106上。
[0178]
步骤7：如图1(i)-1(j)所示，该步骤包括通过传统的干法刻蚀和光刻方法刻蚀iii族氮化物半导体器件层106、平坦化层116和着层105b。如图1(i)所示，沉积光致抗蚀剂118，然后如图1(j)所示，将空隙区域107的中心蚀刻为蚀刻区域114。蚀刻区域114的底部应该到达空隙107的顶部，以便将外延层分割为条115。在空隙区域107的中心周围有许多缺陷，这些缺陷是在聚结着层105b时产生的。更好的是移除空隙区域107的上部中具有许多缺陷的部分。蚀刻区域114的宽度l优选超过3μm。
[0179]
然后，利用蚀刻区域114，生长限制掩模102可以使用湿蚀刻剂溶解，诸如(hf)和缓冲hf。如图1(k)所示，这有助于将条115从衬底101上移除。
[0180]
步骤8：该步骤描述了条115的移除，其可适用于任何数量的方法。在一种方法中，如图1(l)所示，使用支撑板121结合条115，从衬底101移除器件111的条115。优选的是，支撑板121由高导热性材料和/或高平整度表面平整度材料构成。支撑板121具有焊料122以结合设置在条115上的金属，例如p电极110。通常，根据金属的种类，结合温度约为300℃。加热结合到支撑板121的衬底101。在熔化金属和焊料之后，冷却衬底101和支撑板121。此时，如图1(l)所示，衬底101和支撑板121之间的热膨胀系数的差异向初始生长层105a的连接点施加应力。然后，应力破坏初始生长层105a处的剩余结合。条115可以被转移到支撑板121上。
[0181]
步骤9：该步骤包括移除着层105b。如图1(m)所示，条115以结点向下(junction down)的位置安装在支撑板121上。在c面极性iii族氮化物器件111的情况下，容易且快速抛光或蚀刻的条115的n极性表面处于面朝上的布置。此外，由于着层105b包含有大量杂质，例如超过1
×
10
18
cm-3
，所以蚀刻速度增加，这使得着层105b容易蚀刻。
[0182]
在本发明中，为了减少处理时间和提高产量，着层105b的厚度应该小于18μm，更优选小于10μm。本发明允许实现这些。如上所述，在着层105b的生长期间，生长的横向方向增加，并且生长的垂直方向被抑制，这意味着着层105b可以生长得更薄，这使得着层105b的蚀刻容易。
[0183]
如图1(n)所示，在极性c面iii族氮化物器件111的情况下，使用碱性蚀刻剂(诸如koh、naoh、tmah等)从条115上移除着层105b，可以获得着层105b的非常粗糙的表面。该粗糙表面旨在增强从器件层106的有源区域108发射的光的提取。因此，消除着层105b还可以同时制造用于增强光提取的结构，这可以降低处理成本和时间。也可以使用光电化学(pec)蚀刻方法来移除着层105b并粗糙化表面。
[0184]
可选地，如图1(o)所示，着层105b可以通过cmp移除以获得平坦化表面。dbr 123可以设置在抛光表面上，用于vcsel器件111。用于vcsel的dbr 123需要非常平坦化表面，以减少在dbr 123和抛光表面之间的界面处的光散射。
[0185]
步骤10：该步骤包括在器件111的条115上制造n电极。在移除着层105b之后，使用焊料122以颠倒(upside-down)的方式将条115附着到支撑板121，可以使用金属掩模方法将n电极(未示出)设置在iii族氮化物器件层106或平坦化层116的背面。当条115的高度超过10μm时，优选使用金属掩模方法来设置n电极。
[0186]
典型地，n电极包括以下材料：ti、hf、cr、al、mo、w、au。例如，n电极可以包括ti-al-pt-au(厚度为30-100-30-500nm)，但不限于这些材料。这些材料的沉积可以通过电子束蒸发、溅射、热蒸发等来执行。
[0187]
n电极也可以设置在顶表面上，该顶表面与为p电极110制造的表面相同。
[0188]
步骤11：如图1(p)所示，该步骤包括在设置n电极之后，将支撑板121和条115分成器件111。该步骤可以使用断裂方法以及其他常规方法，但不限于这些方法。优选地，刀片在分割支撑区域的位置处接触条115的不是由分割支撑区域形成的一侧。
[0189]
步骤12：如图9(a)和9(b)所示，该步骤包括将每个器件111或器件111的阵列安装在封装125中或散热板126上。通常，微型led或vcsel是非常小尺寸的芯片。为了获得高功率输出，最好将器件111安装在封装125中或散热板126上。
[0190]
例如，如图9(a)所示，器件111安装在封装125中。布置在封装125底部的焊料122(au-sn、sn-ag-cu等)或结合金属通过导线结合到支撑板121上的焊料122。封装125的引脚通过导线连接到支撑板121上的焊料122。通过这样做，来自外部电源的电流可以被施加到器件111。这比封装125和支撑板121之间的结合更优选，封装125和支撑板121之间的结合通过诸如au-au、au-in等金属结合来执行。这种方法要求封装125的表面和散热板126的背面平坦。然而，在没有焊料122的情况下，这种配置实现了高热导率和低温结合。这些都是器件工艺的巨大优势。
[0191]
此外，磷光体可以设置在封装125的外部和/或内部。通过这样做，该模块可以用作汽车的灯泡或头灯。
[0192]
《衬底回收》
[0193]
如本文所述，这些工艺提供了获得激光二极管器件、vcsel、led和光电二极管器件的改进方法。此外，一旦从衬底上取下器件，通过抛光从器件上移除的表面，衬底可以回收多次。这实现了环保生产和低成本模块的目标。这些器件可以用作照明设备，诸如灯泡、数据存储装备、光通信装备，诸如li-fi等。
[0194]
迄今为止，很难在一个封装中封装多个不同类型的激光器。然而，这种方法可以克服这个问题，因为能够在不封装的情况下进行老化测试(aging test)。因此，在将不同类型的器件安装在一个封装中的情况下，可以容易地进行安装。
[0195]
此外，如图9(b)中所示，可以进行器件111的阵列形成，器件111可以是vcsel、微型led等。在这种情况下，该阵列可以用于显示和标志等。
[0196]
第二实施例
[0197]
除了移除方法之外，第二实施例几乎与第一实施例相同。
[0198]
在步骤7中，移除方法还可以通过移除条115来移除开口区103的上部以及空隙区域107的中心。这由图3(a)-图3(g)示出。
[0199]
如图3(a)和图3(b)所示，初始生长层105a、平坦化层116和着层105b的蚀刻可以通过传统的光刻方法和干法蚀刻来执行。光致抗蚀剂118被图案化以蚀刻空隙107和开口区103上方的部分。蚀刻可以使用其他材料，诸如包括电介质掩模、金属掩模等的蚀刻掩模。
[0200]
如图3(b)所示，蚀刻区域114的深度需要达到开口区103处的生长限制掩模102的顶部，以将条115与衬底101分离。优选地，开口区103处的蚀刻区域114的宽度大于开口区103的宽度，以将条115与衬底101分离。此时，条115在生长限制掩模102上。着层105b的底部和生长限制掩模102的表面之间的界面结合强度非常弱。如果应力或力施加到条115上，条115可以容易地移除。
[0201]
作为下一步骤，光致抗蚀剂118应该使用溶剂，诸如丙酮和乙醇，用超声波清洗来移除。在清洁过程中，条115可能被移除。
[0202]
如果开口区103处的蚀刻区域114到达生长限制掩模102，则条115可以与衬底101分离。如图3(c)和3(d)所示，条115可以通过挂钩层119(诸如包括sio2、sin、sion、al2o3、alon、aln、zro2、ta2o5等的介电掩模)钩到衬底101。溶解光致抗蚀剂118可以从光致抗蚀剂118上剥离挂钩层119。
[0203]
挂钩层119有两个目的。一种是将条115临时固定在生长限制掩模102上，以避免当光致抗蚀剂118被溶剂溶解并随后被超声波清洗时，条115脱落。另一个原因是使用介电材
料作为挂钩层119可以钝化条115的侧面。根据蚀刻条件，条115的侧面有时会被干法蚀刻损坏。如果条115的宽度窄，由于蚀刻损伤而在条115的侧面出现的漏电流可能影响器件111的特性。可以选择电介质材料来减小侧面的漏电流，例如，sio2、sin、sion、al2o3、alon、aln、zro2、ta2o5等。
[0204]
条115的固定强度可以通过改变挂钩层119的厚度来改变。例如，可以控制强度，以便在超声波清洗、剥离过程或一些其它过程中不移除条115。
[0205]
如图3(e)所示，也可以使用支撑板121移除条115。支撑板121上的焊料122可以将条115结合到支撑板121上。通常，结合工艺提高了温度，例如，au-sn焊料122的使用导致了大约280℃的结合温度。如图3(e)所示，在结合之后，当温度降低到室温时，来自不同热膨胀系数的应力可以在断裂点120处使挂钩层119断裂，如图3(f)所示，并且可以从衬底101移除条115和器件111。
[0206]
着层105b出现在与支撑板121相对的条115和器件111的背面。然后，着层105b可以通过cmp全部或部分移除，这减少了着的吸收损失。在图3(g)所示的示例中，着层105b已经被完全消除，露出平坦化层116。
[0207]
第三实施例
[0208]
第三实施例在着层105b没有聚结的情况下执行。该实施例具有以下特征：
[0209]
1.使用在其表面上具有gan模板或底层101b的异质衬底101a，其中基础异质衬底101a是蓝宝石。
[0210]
2.着层105b没有彼此聚结。
[0211]
3.可以使用平坦化工艺来将条115结合到支撑板121。
[0212]
4.使用激光剥离工艺来移除条115。
[0213]
该实施例使用相邻着层105b之间的间隙，这里称为非生长区域104。非生长区域104在释放内应力中具有重要作用，这可以防止裂纹的出现。在该实施例中，与聚结型相比，条115的高度可能有波动。高度波动有时会使结合过程变得困难。即使当条115具有高度波动时，该实施例也可以将条115结合到支撑板121。
[0214]
这个实施例在图2中解释。如图2(a)所示，生长限制掩模102设置在具有gan底层101b的基础衬底101a上。基础衬底101a是异质衬底，诸如蓝宝石衬底。gan底层101b的厚度优选在0.4μm至5μm的范围内。初始生长层105a生长在gan底层101b上。
[0215]
然后，如图2(b)所示，着层105b连续生长。在这种情况下，着层105b的生长在着层105b彼此聚结之前停止，导致非生长区域104。
[0216]
然后，如图2(c)所示，平坦化层116生长在着层105b上并围绕着层105b，其中平坦化层116充当平坦化层116和缓冲层。取决于生长条件，着层105b有时具有粗糙的表面。因此，平坦化层116可以改善着层105b的表面粗糙度。之后，当蚀刻或抛光着层105b时，平坦化层116可以保护作为缓冲层的iii族氮化物半导体器件层106免受蚀刻或抛光。在大尺寸晶片(wafer)中，蚀刻和抛光的量具有面内分布。因此，为了保护器件层106，平坦化层116的厚度优选设置为至少μ0.5m。
[0217]
如上所述，着层105b没有聚结，这导致非生长区域104。该非生长区域104导致生长限制掩模102的分解。为了抑制分解，非生长区域105的宽度被设定为窄的，例如20μm以下，更优选10μm以下。
[0218]
或者，如图2(d)所示，通过在非生长区域104内在生长限制掩模102上设置覆盖层127，覆盖层127可以用于避免生长限制掩模102的分解。覆盖层127应该是高熔点金属(诸如pt、w、mo等)或者不包含n型掺杂剂的电介质层(诸如tin等)。
[0219]
如图2(e)所示，iii族氮化物半导体器件层106生长在平坦化层116上。当iii族氮化物半导体器件层106的底层较厚时，没有必要生长平坦化层116，因为底层可以保护有源区域108。着层105b的表面和有源区域108的底部之间的距离应该至少超过0.5μm，以保护有源区域108免受蚀刻或抛光处理。
[0220]
如图2(f)所示，在iii族氮化物半导体器件层106上实现器件111的制造，其中电流阻挡层109、p电极110、脊形结构112等被设置在预定位置的岛状iii族氮化物半导体器件层106上。在器件111是微型led的情况下，诸如ni(0.7nm)/ag(250nm)/ni(200nm)的高反射接触金属层可以用于p电极110。在该实施例中，微型led以结点向下安装，并且高反射接触金属层改善了光提取。
[0221]
在该实施例中，非生长区域104用作隔离沟槽，其可以填充环氧树脂或光致抗蚀剂用于表面平坦化。为了从衬底101a移除器件111，隔离沟槽填充物的填充可以消除在从衬底101a的激光剥离工艺期间外延层的破裂和断裂。
[0222]
这在图2(g)中示出，其中由micro chem
tm
制造的35μm厚的环氧基su-8 2025光致抗蚀剂124以约2000rpm的旋转速率旋涂在条115的顶表面上30秒。为了蒸发su-8中的溶剂，分别在65度处进行预烘烤2分钟(min)和在95度处进行后烘烤5分钟。然后，常规地进行紫外线曝光。在95度处再次进行后烘焙3分钟。在显影(developing)步骤中，通过将晶片浸入microchem
tm su-8显影剂中5分钟来移除未聚合的光致抗蚀剂124。光致抗蚀剂124在250度处烘烤30分钟以硬化光致抗蚀剂124。之后，设置种子金属层(未示出)用于电镀，即ti(50nm)/cu(500nm)种子金属层蒸发在器件111的电极顶部。
[0223]
如图2(h)所示，电镀30μm厚的铜层128。如图2(i)所示，铜层128和光致抗蚀剂124被抛光以平整表面，直到铜层128的厚度约为20μm。通过这样做，表面的平面化就完成了。
[0224]
如图2(j)所示，平整表面使得更容易将条115结合到支撑板121上。如图2(j)所示，支撑板121包括aln，具有填充有cu的通孔(via)129和焊盘电极130。ti(100nm)/ni(100nm)/ausn(1500nm)的结合金属层131设置在铜层128上。
[0225]
如图2(k)所示，在300度处将晶片结合到支撑板121上30分钟。
[0226]
在该实施例中，可以实施激光剥离方法来移除条115。然而，由于使用了外延横向过生长，所使用的方法不同于传统的激光剥离方法。
[0227]
如图2(l)所示，条115通过开口区103接触衬底101a，开口区103被初始生长层105a填充。激光剥离通过使用krf准分子激光器132(波长为248nm)照射开口区103中的初始生长层105a来从衬底101a移除条115。
[0228]
注意，与衬底101a相比，开口区103非常窄。传统的激光剥离方法必须照射整个晶片，以从衬底101a移除器件层106。
[0229]
优选地，衬底101a是蓝宝石衬底101a，其对于krf准分子激光器132是透明的。
[0230]
在该实施例中，使用elo方法和激光剥离方法可以减少激光器132的照射时间，这导致krf准分子激光器132的工艺成本和寿命的降低。优选的是，至少由激光器132照射的区域比开口区103宽。
[0231]
此外，为了提高使用激光剥离方法的移除的产量，底层101b比通常更薄。为了将条115与衬底101a分离，底层101b的厚度优选小于4μm，更优选小于2μm。可以不生长底层101b，而是直接在蓝宝石衬底101a表面上生长着层105b，这易于移除。
[0232]
图2(m)示出了激光剥离之后的衬底101、底层101b和生长限制掩模102。激光剥离后的制造顺序使用hcl溶液处理从激光剥离中移除任何残留的ga。
[0233]
然后，下一步是消除着层105b，这与上述步骤9相同。在这种情况下，可以使用cmp，如图2(n)所示，但是也可以使用干法蚀刻和湿法蚀刻。
[0234]
在移除着层105b之后，如图2(o)所示，dbr层123可以设置在条115的背面，因为平坦化层116的表面由于cmp抛光而非常光滑。结果，该实施例可以用于制造vcsel器件111。
[0235]
如图2(p)所示，该实施例还可以用于通过在条115的背面沉积n电极113来制造led器件111，其中支撑板121然后被分成条115。
[0236]
《侧面有源区域》
[0237]
在该实施例中，如图2(q)所示，着层105b和iii族氮化物半导体器件层106不聚结。然而，由于非生长区域104(未示出)的存在，iii族氮化物半导体器件层106的有源区域108弯曲。有源区域108的这部分被称为侧面有源区域。由于该侧面有源区域吸收来自有源区域108的光，器件111的效率降低。不用说，为了器件111的效率，应该移除侧面有源区域。此外，应该移除侧面有源区域，以减少相邻微型led器件111之间的串扰效应。
[0238]
《平面化方法》
[0239]
使用光致抗蚀剂124的平坦化减少了条115高度的波动，这提高了结合产量。此外，平坦化可以减少激光剥离工艺的工艺时间，因为用于移除条115的照射区域是有限的。在着层105b聚结的情况下，也可以使用使用光致抗蚀剂124的平坦化。例如，在步骤7中形成沟槽之后，可以利用平坦化工艺。当存在非生长区域104时，平面化特别有用。
[0240]
《激光剥离工艺和elo技术》
[0241]
激光剥离方法和elo技术具有以下优点：
[0242]
1.即使在异质衬底101a(诸如蓝宝石衬底等)的情况下，使用elo技术大大降低了缺陷密度。
[0243]
2.可以使用激光器132仅照射开口区103来从衬底101移除条115。沿着开口区103扫描激光器132的光可以显著减少处理时间和成本。
[0244]
3.由于照射区域仅仅是开口区103，ga金属的污染不会影响条115的任何剩余区域。例如，在激光器132照射期间，通过接触生长限制掩模102来保护条115的背表面。如图2(l)所示，剩余区域由虚线标记。即使激光132照射剩余区域，剩余区域中的gan底层101b也吸收激光132的光。因此，用虚线标记的条115的背侧表面没有损坏。
[0245]
《着层的消除》
[0246]
条115以结点向下的方式安装在支撑板121上。在使用极性c面iii族氮化物半导体器件层106的情况下，条115的顶表面是n极性的，这更容易且更快速地抛光和蚀刻。此外，由于着层105b包含大量杂质，蚀刻速度增加。
[0247]
在本发明中，着层105b的厚度应在18μm以下，并且更优选为10μm，以便减少工艺时间并获得高产量。如上所述，在着层105b的生长过程中，生长的横向速度增加，并且生长的垂直方向被抑制，这允许着层105b生长得更薄。这使得蚀刻着层105b变得容易。
[0248]
如图1(n)所示，使用碱性蚀刻剂(诸如koh、naoh、tmah等)从极性c面iii族氮化物半导体器件层106消除着层105b，可以获得粗糙表面。这也有助于提取从有源区域108发出的光。结果，移除着层105b也可以同时产生用于光提取的结构，这可以减少工艺成本和时间。同样如上所述，也可以使用pec蚀刻。
[0249]
如图1(m)所示，另一种选择是通过cmp移除着层105b以获得平坦表面。如图1(o)所示，dbr 123可以设置在vcsel器件111的抛光表面上，其中vcsel器件111的dbr 123需要非常平坦的表面，以减少dbr 123和抛光表面之间界面处的光散射。
[0250]
由于消除了至少部分着层105b，效果是减少了着层105b的吸收。
[0251]
流程步骤
[0252]
图10是示出使用elo技术从衬底101、101a、101b移除器件111的方法的流程图，其中：在衬底101、101a、101b上形成包括iii族氮化物半导体层105a、105b、116、106的一个或多个条115，并且在条115上形成器件111结构；至少一个支撑板121结合到条115，并且支撑板121用于从衬底101、101a、101b移除条115；支撑板121用于将条115分成一个或多个器件111单元；并且器件111单元被布置和安装到一个或多个封装125中。下面将更详细地描述该方法的步骤。
[0253]
框1001表示提供基础衬底101的步骤。在一个实施例中，基础衬底101是iii族氮化物基衬底101，诸如gan基衬底101，或者是异体或异质衬底101a(诸如蓝宝石衬底101a)。该步骤还可以包括在衬底101a上或上方沉积iii族氮化物模板或底层101b的可选步骤，其中iii族氮化物模板或底层101b可以包含缓冲层或中间层，诸如gan模板或底层101b。
[0254]
框1002表示在衬底101上或上方沉积生长限制掩模102的步骤，即在衬底101、101a本身上或在模板或底层101b上。生长限制掩模102被图案化以包括多个开口区103。
[0255]
框1003表示在生长限制掩模102上或上方执行一个或多个iii族氮化物层105a、105b的外延横向过生长(elo)的步骤，其中iii族氮化物层105a包括初始生长层105a，iii族氮化物层105b包括着层105b。
[0256]
在一个实施例中，iii族氮化物层105b直接生长在生长限制掩模102上，以覆盖生长限制掩模102，其中着层105b的厚度小于约18μm。
[0257]
iii族氮化物层105b以小于500的低v/iii比率生长，导致与低速垂直生长相比其具有高速横向生长，其中高速横向生长降低了器件的成本，因为减少了生长时间和使用的源材料。具体而言，高速横向生长抑制了垂直生长，这减小了iii族氮化物层105b的宽度和高度之间的纵横比，从而允许薄的器件111。
[0258]
高速横向生长减小了侧面区，因此减少了从侧面区提取的光量。高速横向生长也减少了iii族氮化物层105b的高度波动。此外，高速横向生长允许沉积在没有聚结区域的衬底101、101a、101b上的生长限制掩模102中的开口区103之间的更宽周期。
[0259]
iii族氮化物层105b包含超过1
×
10
18
cm-3
的大量杂质，这导致iii族氮化物层105b包括着层105b，并且由于大量杂质，着层105b吸收和散射来自有源区域108的光。此外，至少一个着层105b包括空隙107，这减小了应力。
[0260]
该步骤还包括允许相邻的elo iii族氮化物层105a、105b彼此聚结，或者在相邻的elo iii族氮化物层105a、105b彼此聚结之前停止elo iii族氮化物层105a、105b的生长的可选步骤。
[0261]
框1004表示在初始生长层105a和着层105b上或上方生长一个或多个iii族氮化物半导体器件层106的步骤，从而在衬底101上形成包括着层105b和iii族氮化物半导体器件层106的条115。附加的器件111的制造可以在条115从衬底101移除之前和/或之后进行。
[0262]
框1005表示将支撑板121结合到条115的步骤。当条115从衬底101、101a移除时，支撑板121用于从器件111结构移除衬底101、101a、101b和着层105b。
[0263]
框1006表示从衬底101、101a、101b移除条115的步骤。该步骤从器件111的条115上消除了至少一个着层105b的至少一部分，从而减少了吸收损失。
[0264]
框1007表示在从衬底101、101a移除条115之后将条115制造成器件111的步骤。
[0265]
框1008表示通过在沿着条115形成的分割支撑区域处进行分裂来将条115分割成一个或多个器件111的步骤。
[0266]
框1009表示在封装125或模块中安装具有支撑板121的器件111的步骤。
[0267]
框1010表示该方法的最终结果，即根据该方法制造的一个或多个iii族氮化物基半导体器件111，以及已经从器件111移除并可用于回收和再利用的衬底101、101a。
[0268]
该器件可以包括生长在衬底101上的生长限制掩模102上或上方的一个或多个elo iii族氮化物层105a，其中在相邻的elo iii族氮化物层105a彼此聚结之前，停止elo iii族氮化物层105a的生长。该器件可以进一步包括生长在elo iii族氮化物层105a和衬底101上或上方的一个或多个iii族氮化物再生长层105b和一个或多个附加的iii族氮化物半导体器件层106。
[0269]
优势和好处
[0270]
本发明包括以下优点和益处。
[0271]
1.没有缺陷的elo层105a和具有宽面积的器件层。
[0272]
2.使用低v/iii比率的高速横向生长速率。
[0273]
3.可以避免通过分解生长限制掩模102来补偿p型层。
[0274]
4.着层105b可以通过抛光或蚀刻移除。
[0275]
5.抛光或蚀刻获得了器件111的条115的非常光滑的背侧表面。
[0276]
6.激光剥离工艺使得条115易于移除。
[0277]
修改和替代
[0278]
在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改和替换。
[0279]
例如，本发明可以用于其他取向的iii族氮化物衬底。具体而言，衬底可以是基础非极性m面{1 0
ꢀ‑
1 0}族；以及具有至少两个非零h、i或k米勒指数和一个非零l米勒指数的半极性平面族，诸如{2 0
ꢀ‑2ꢀ‑
1}平面。(20-2-1)的半极性衬底特别有用，因为平坦化的elo的面积大。
[0280]
此外，本发明可以使用各种异质衬底(诸如蓝宝石衬底、硅衬底和sic衬底上的iii族氮化物层等)。可以用生长限制掩模直接在蓝宝石衬底上生长iii族氮化物elo层。
[0281]
在另一个示例中，本发明被描述为用于制造不同的光电器件结构，诸如发光二极管(led)、激光二极管(ld)、光电二极管(pd)、肖特基势垒二极管(sbd)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。本发明还可以用于制造其他光电器件，诸如微型led、垂直腔面发射激光器(vcsel)、边缘发射激光二极管(eeld)和太阳能电池。
[0282]
结论
[0283]
这结束了对本发明优选实施例的描述。出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的一个或多个实施例的前述描述。它并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。意图是本发明的范围不受该详细描述的限制，而是受所附权利要求的限制。

技术特征：

1.一种方法，包括：使用外延横向过生长(elo)技术从衬底移除一个或多个器件，通过：用生长限制掩模在衬底上生长一个或多个着层和器件层；形成包括所述着层和所述器件层的条；从所述衬底上移除所述条；以及从所述条上消除至少一个着层的至少一部分。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底是iii族氮化物基衬底、异体衬底或异质衬底。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述着层的厚度小于约18μm。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述着层直接生长在所述生长限制掩模上。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述着层的相邻的着层彼此聚结。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述着层中的至少一个包括空隙。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述着层的相邻的着层彼此聚结之前，停止所述着层的生长。8.一种器件，根据权利要求1所述的方法制造。9.一种方法，包括：执行iii族氮化物层的外延横向过生长(elo)，以覆盖沉积在衬底上的生长限制掩模，其中：iii族氮化物层以小于500的低v/iii比率生长，导致与低速垂直生长相比其具有高速横向生长；iii族氮化物层包含超过1
×
10
18
cm-3
的大量杂质，这导致iii族氮化物层包括着层；由于大量的杂质，所述着层吸收来自有源区域的光；以及当生长在iii族氮化物层上的器件层的条从衬底上移除时，至少部分着层被移除，从而减少吸收损失。10.一种方法，包括：与低速垂直生长相比，使用外延横向过生长(elo)技术实现一个或多个iii族氮化物层的高速横向生长，其中：iii族氮化物层的高速横向生长源于小于500的低v/iii比率生长条件；以及iii族氮化物层的高速横向生长导致在iii族氮化物层中的至少一个中的超过1
×
10
18
cm-3
的更高杂质浓度，iii族氮化物层是着层。11.根据权利要求10所述的方法，其中，iii族氮化物层中的更高杂质浓度导致有源区域中产生的光的吸收和散射。12.根据权利要求10所述的方法，其中，由于生长时间和使用的源材料的减少，所述高速横向生长降低了器件的成本。13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述高速横向生长抑制了垂直生长，这减小了所述iii族氮化物层的宽度和高度之间的纵横比，从而允许薄器件。14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述高速横向生长减小了侧面区，从而减少了从所述侧面区提取的光量。15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述高速横向生长减小了iii族氮化物层的高
度波动。16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述高速横向生长允许沉积在没有聚结区域的衬底上的生长限制掩模中的开口区之间的更宽的周期。

技术总结

III族氮化物层的外延横向过生长(ELO)用于覆盖沉积在衬底上的生长限制掩模，其中III族氮化物ELO层以小于500的低V/III比率生长，导致与低速垂直生长相比其具有高速横向生长。III族氮化物ELO层包含超过1

技术研发人员：

神川刚 荒木正弘 S.甘德罗图拉

受保护的技术使用者：

加利福尼亚大学董事会

技术研发日：

2021.04.19

技术公布日：

2022/12/16