CN100561758C - 氮化镓化合物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化镓(gallium nitride，GaN)化合物半导体发光元件(LED)及其一种制造方法。本发明提供一种垂直GaN LED，其能够借助于金属保护膜层和金属支撑层而改进水平LED的特性。根据本发明，在垂直GaN LED的侧面和/或底面上形成厚度为至少10微米的厚金属保护膜层，以保护元件不受外部碰撞并容易地分离芯片。另外，使用金属衬底来代替蓝宝石衬底，以在操作元件时有效地将所生成的热量释放到外部，以使得LED能适于高功率应用，且也能制造具有改进的光学输出特性的元件。形成金属支撑层，以保护元件不会由于碰撞而变形或损坏。此外，P型电极以网格形式部分地形成在P-GaN层上，以借此使作用层中生成的光子朝向N-GaN层的发射最大化。

Description

氮化镓化合物半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于氮化镓(gallium nitride，GaN)的蓝光发光二极管(light emitting diode，LED)及其制造方法。更明确地说，本发明涉及一种垂直GaN LED元件及其制造方法。
背景技术
最近，使用GaN半导体的LED已被主要希望用来取代现有光源(例如，白炽灯、荧光灯和汞灯)。因此，已集中进行了对高功率GaN LED的研究。一般来说，用于制造GaN LED的衬底以这样一种方式来配置：n型GaN 12、未掺杂InGaN(作用层(active layer14)和p型GaN 16依次生长在蓝宝石衬底10上，如图1所示。由于蓝宝石衬底10为非导电性的，因而LED元件通常具有水平结构，如图2所示。此处，参考标号18、20、22和24分别表示P型透明电极、P型垫(pad)、N型电极和N型垫。
在此类情况下，当处于高功率操作中时，电流扩展电阻较高，且因此其光学输出降级。另外，不能平稳地移除在操作元件时生成的热量，且因此元件的热稳定性降级，借此造成与高功率操作有关的问题。为了克服此问题并实施高功率GaN LED，已提议一种使用倒装芯片(flip-chip)封装方法的倒装芯片LED，且当前进行了使用。在图3所示的倒装芯片LED的情况下，从作用层14发射的光发射穿过蓝宝石衬底10。因此，由于可使用厚p型欧姆电极19来代替透明电极18，因而可降低其电流扩展电阻。此处，参考标号25、30及32分别表示焊料(solder)、散热片(heat sink)及导电座(conducting mount)。然而，由于倒装芯片结构必须以倒装芯片的形式进行包装，因而制造过程较复杂。另外，由于在光发射穿过蓝宝石衬底10时，从作用层14发射的大量光吸收在蓝宝石中，因而其光学效率也被降级。
发明内容
技术问题
因此，构思本发明以解决以上问题。本发明的一目的在于提供一种氮化镓(gallium nitride，GaN)化合物半导体发光元件(LED)及其一种制造方法，其中在垂直GaN LED下侧形成多层金属支撑件，以借此实现容易的芯片分离，且绝缘膜和金属保护膜层依次形成在元件侧表面上，以借此实现对于外延生长的GaN衬底的保护。
本发明的另一目的在于提供一种GaN化合物半导体LED及其一种制造方法，其中p型反射膜电极以网格形式部分地形成在p-GaN上，且反射层插入在其间，以使得作用层中所形成的光子可最大程度地朝向n-GaN层发射。
本发明的又一目的在于提供一种GaN化合物半导体LED及其一种制造方法，其中使用金属衬底、导电层衬底或导电陶瓷衬底来代替蓝宝石衬底，以有效地将在操作元件时生成的热量释放到外部，以使得所述LED能适于高功率应用。
本发明的再一目的在于提供一种GaN化合物半导体LED及其一种制造方法，其中InGaN层中所生成的光子发射穿过n-GaN层，以向光子提供短路径，使得可降低在发射时吸收的光子数目。
本发明的再一目的在于提供一种GaN化合物半导体LED及其一种制造方法，其中可获得到达n-GaN层中的高掺杂浓度(＞1019/cm3)，以借此改进n-GaN层的导电性，且使得能够增强其光学输出特性。
技术解决方案
根据用于达成所述目的的本发明的一方面，提供一种发光元件，其包括：金属支撑层；P型反射膜电极，其处于所述金属支撑层上；P型半导体层、作用层和N型半导体层，其依次形成在所述P型反射膜电极上；N型电极，其形成在所述N型半导体层上；绝缘膜，其至少形成在N型半导体层的侧面上；和金属保护层，其用于保护P型和N型半导体层。
根据本发明的另一方面，提供一种发光元件，其包括：金属支撑层；反射层，其形成在所述金属支撑层上；P型反射膜电极，其以网格形式形成在所述反射层上；P型半导体层、作用层和N型半导体层，其依次形成在包含P型反射膜电极的反射层之上；N型电极，其形成在N型半导体层上的所需区域处；绝缘膜，其至少形成在N型半导体层的侧面上；和金属保护层，其用于保护P型和N型半导体层。
优选地，金属支撑层具有多层支撑结构。
所述发光元件可进一步包括保护层，所述保护层形成在N型半导体层、作用层和P型半导体层的侧面和/或底面的一部分上。所述发光元件可进一步包括抗反射层，所述抗反射层覆盖在P型半导体层、作用层和N型半导体层周围。
优选地，P型反射膜电极包括接触金属层、反射金属层、扩散阻障层和接合金属层。此时，所述接触金属层由以下中的至少一者形成：Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、V、Co、Os、Re和Rh。所述反射金属层由Al或Ag形成。所述扩散阻障层由以下中的至少一者形成：Ru、Ir、Re、Rh、Os、V、Ta、W、ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、RuO2、VO2、MgO、IrO2、ReO2、RhO2、OsO2、Ta2O3和WO2。所述接合金属层由第一和第二接合金属层组成。所述第一接合金属层由以下中的至少一者形成：Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、V和Ta。所述第二接合金属层由Au、Pd和Pt中的至少一者形成。
根据本发明的另一方面，提供一种发光元件，所述发光元件包括：P型半导体层；作用层和N型半导体层，其形成在所述P型半导体层上；N型电极，其形成在所述N型半导体层上；绝缘膜，其至少形成在所述N型半导体层的侧面上；和金属保护层，其用于保护P型半导体层和N型半导体层。
优选地，所述金属保护层形成在所述P型和N型半导体层的侧面上和所述P型半导体层的底面上。
另外，所述发光元件可进一步包括绝缘层，所述绝缘层形成在P型半导体层的底面的一部分上。优选地，所述绝缘层延伸到作用层的侧面。
所述发光元件可进一步包括形成在N型半导体层上的抗反射层。
当然，所述发光元件可进一步包括P型电极，所述P型电极形成在P型半导体层之下。优选地，P型电极包含接触金属层、反射金属层、扩散阻障层和接合金属层。此时，所述接触金属层由以下中的至少一者形成：Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、V、Co、Os、Re和Rh。所述反射金属层由Al或Ag形成。所述扩散阻障层由以下中的至少一者形成：Ru、Ir、Re、Rh、Os、V、Ta、W、ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、RuO2、VO2、MgO、IrO2、ReO2、RhO2、OsO2、Ta2O3和WO2。所述接合金属层由第一和第二接合金属层组成。所述第一接合金属层由以下中的至少一者形成：Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、V和Ta。所述第二接合金属层由Au、Pd及Pt中的至少一者形成。
根据用于达成所述目的的本发明的又一方面，提供一种制造发光元件的方法，其包括以下步骤：在衬底上依次形成N型半导体层、作用层和P型半导体层；通过部分蚀刻P型半导体层、作用层、N型半导体层和衬底而隔离所述元件；在隔离的P型半导体层上形成P型反射膜电极，且在整个结构上形成第一金属支撑层；移除所述衬底；和在所述N型半导体层上形成N型电极；其中，所述第一金属支撑层是通过电镀方法或使用真空气相沉积装置而形成的，所述真空气相沉积装置包括热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和有机金属化学气相沉积装置。
优选地，在第一金属支撑层上进一步形成隔离的第二金属支撑层，且所述第二金属支撑层是通过电镀方法或使用真空气相沉积装置而形成的，所述真空气相沉积装置包括热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和有机金属化学气相沉积装置。
根据本发明的再一方面，提供一种制造发光元件的方法，其包括以下步骤：在衬底上依次形成N型半导体层、作用层、P型半导体层、P型反射膜电极和第一金属支撑层；移除所述衬底；通过部分蚀刻P型半导体层、作用层和N型半导体层而隔离所述元件；和在所述N型半导体层上形成N型电极。
优选地，在第一金属支撑层上形成隔离的第二金属支撑层，且通过电镀方法或使用真空气相沉积装置(例如，热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和MOCVD装置)形成所述第一和第二金属支撑层。
更优选地，所述第一和第二金属支撑层由以下中的至少一者形成：Au、Ni、W、Mo、Cu、Al、Ta、Ag、Pt和Cr，或使用导电陶瓷衬底(例如，掺杂有Nb的SrTiO3、掺杂有Al的ZnO、ITO(氧化铟锡)或IZO(氧化铟锌))或半导体衬底(例如，B掺杂Si、As掺杂Si和掺杂有杂质的金刚石)形成，且第一和第二金属支撑层的总厚度为0.5到200nm。
所述制造发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在隔离元件的步骤之后，形成保护层以保护隔离的P型半导体层、作用层和N型半导体层。另外，所述制造发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在隔离元件的步骤之后，形成覆盖在隔离的P型半导体层、作用层和N型半导体层周围的抗反射层。
优选地，移除形成在N型半导体层上的抗反射层的一部分，且接着在所述抗反射层的移除部分上形成N型电极。
根据本发明的再一方面，提供一种制造垂直半导体发光元件的方法，其包括以下步骤：在衬底上依次形成N型半导体层、作用层和P型半导体层；除P型半导体层的一部分之外在N型半导体层的侧面上形成绝缘膜；在P型半导体层的上面未形成绝缘膜的部分上形成P型电极；以覆盖在P型和N型半导体周围的方式形成金属支撑膜层；移除所述衬底；和在N型半导体层上形成N型电极。
此处，所述制造垂直半导体发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在形成P型电极的步骤之后，在上面形成P型电极的P型半导体层上形成反射层。
所述制造垂直半导体发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在P型半导体层上形成反射层的步骤之后，移除上面将形成P型电极的区域上的反射层，和在移除了反射层的区域上形成P型电极。
所述制造垂直半导体发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在形成金属保护膜层的步骤之后，在上面形成金属保护膜层的P型半导体层上形成金属支撑层。
所述制造垂直半导体发光元件的方法可进一步包括以下步骤：在移除衬底的步骤之后，在N型半导体层上形成抗反射层，和通过移除抗反射层的一部分而暴露N型半导体层的一部分。
优选地，除所述P型半导体层的一部分之外在N型半导体层的侧面上形成绝缘膜的步骤包括以下步骤：以覆盖在P型和N型半导体层周围的方式形成绝缘膜，和从P型半导体层移除绝缘膜的所述部分。
附图说明
图1绘示常规的基于GaN的蓝色LED衬底的薄膜结构。
图2是水平LED的截面图。
图3是倒装芯片LED的截面图。
图4到图7是根据本发明第一实施例的垂直LED的截面图。
图8到图15绘示制造根据本发明第一实施例的垂直LED元件的过程。
图16到图45绘示制造根据本发明的经修改实施例的垂直LED元件的过程。
图46是说明n型电极结构的平面图。
图47是根据本发明的LED元件的SEM照片。
图48和图49是描绘根据本发明第一实施例制造的垂直LED元件与常规的水平LED元件的电学和光学特性的比较结果的曲线图。
图50是描绘常规的水平LED和本发明的垂直LED中光学输出特性相对于注入电流的比较结果的曲线图。
图51和图52是描绘由图30到图33以及图8到图15中所说明的过程制造的垂直LED元件的电学和光学特性的比较结果的曲线图。
图53到图58是根据本发明第二实施例的垂直LED的截面图。
图59到图66是说明制造根据本发明第二实施例的垂直LED元件的过程的一系列截面图。
图67到图90是说明制造根据本发明的经修改实施例的垂直LED元件的过程的一系列截面图。
具体实施方式
下文将参看附图详细描述本发明的实施例。然而，本发明并不限于本文所陈述的实施例，而是将以多种不同形式实施。更确切地，提供本发明实施例，以使得揭示内容将变得完整且将把本发明范围完全传达给所属领域的技术人员。在图式中，相同参考标号表示相同元件。
图4是根据本发明第一实施例的垂直LED的截面图，且图5到图7是根据本发明的经修改实施例的垂直LED的截面图。
如图4所示，此实施例的垂直GaN LED以从底部开始的顺序包含金属支撑层100、反射膜电极110(p型反射膜欧姆电极层)、p型半导体层120、InGaN作用层130和n型半导体层140。
参看图5，根据本发明的经修改实施例的垂直GaN LED采用由第一和第二金属支撑层101和102组成的双层金属支撑件，以实现容易的芯片分离。在图6所示的垂直GaN LED中，p型反射膜电极110以网格形式部分形成在p型半导体上，且接着在其间插入反射层103，以使得在i-InGaN(作用层130)中产生的光可最大程度地朝向n型半导体层140发射。与图6所示的垂直GaN LED相比，图7所示的垂直GaN LED采用双层金属支撑件101和102，借此实现容易的芯片分离。此处，参考标号150、160和162分别表示n型欧姆电极、抗反射层和保护层。
下文将参看附图解释制造如此配置的垂直LED元件的方法。
图8到图15是说明制造根据本发明第一实施例的垂直LED元件的过程的一系列截面图。
图8是普通GaN LED衬底的截面图。n型半导体层140、InGaN作用层130和p型半导体层120依次生长在蓝宝石衬底200上。薄膜总厚度大约为4微米，且所述薄膜是通过金属有机化学气相沉积(metal-organic chemicalvapor deposition，MOCVD)而沉积的。
图9绘示蚀刻不同于元件区的区域的过程。在已使用光致抗蚀剂或SiO2遮蔽衬底之后Cl2气体流动的状态下通过干式蚀刻方法来执行所述蚀刻过程。图10绘示形成p型反射膜欧姆电极110的过程。在针对元件隔离而蚀刻的衬底上，通过等离子增强的化学气相沉积(plasma-enhanced chemicalvapor deposition，PEVCD)形成厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护层162。为了形成反射膜欧姆电极110，形成微图案，且接着使用缓冲氧化蚀刻剂(buffered oxide etchant，BOE)或CF4气体通过干式蚀刻方法且使用光致抗蚀剂作为掩模来执行蚀刻。此后，沉积金属欧姆层。通常，使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在图4到图7所示的垂直LED的情况下，反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度范围内执行热处理，以形成反射膜欧姆电极110。
图11绘示形成厚度为几微米到几十微米的金属支撑层100且辐射激光的过程。通过电镀方法、真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)或晶片扩散接合方法形成所述金属支撑层100，其中金属衬底放置在P型电极上且在约300℃在特定压力下对其进行按压，以使得其彼此接合。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属支撑层100用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底200时受到破坏。
图12绘示在已移除蓝宝石衬底200之后GaN薄膜层附着到金属支撑层100的状态。图13是绘示在n型半导体层140上涂覆抗反射层160以使得i-InGaN作用层130中产生的光子可平稳地发射到衬底外部的状态。所述抗反射层160由SiO2或Si3N4形成，其通过PECVD方法进行沉积。
图14是说明已蚀刻抗反射层160的若干部分且接着在蚀刻部分上形成n型欧姆电极150之后的状态的截面图。所述N型欧姆电极由Ti/Al或Cr/Au或者Ti/Al或Cr/Au形成，其上使用电子束蒸发器沉积Cr/Au或Ni/Au。图15是绘示已分离芯片之后的状态的截面图。所述芯片是通过切块或激光切割技术而分离的。
图16到图45绘示制造根据本发明的经修改实施例的垂直LED元件的一系列过程。
参看图16，首先以类似于图8的方式制备上面形成所需GaN层的蓝宝石衬底200。接下来，在执行沟槽蚀刻过程之前，形成p型反射膜欧姆电极110和金属支撑层100(图17和图18)，且接着辐射激光以移除蓝宝石衬底200(图19)。蚀刻衬底(n-GaN、I-InGaN、p-GaN)以使元件彼此隔离(图20)。在涂覆抗反射层160(图21)之后，形成n型电极150(图22)，且分离芯片(图23)，以完成垂直LED结构。
接下来，将参看图24到图26解释制造经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图24到图26绘示制造图7所示的垂直LED的处理步骤。首先制备已结合图8到图11解释的衬底。也就是说，制备上面形成有第一金属支撑层102的衬底。使用光致抗蚀剂膜在对应于芯片的区域上形成图案，且接着使用光致抗蚀剂作为掩模形成第二金属支撑层101(图24)。辐射激光以移除蓝宝石衬底200(图25)。也就是说，执行图12的步骤及其随后过程，以获得具有图5所示的配置的垂直LED。
更具体地说，图25绘示辐射激光以移除衬底(如图11所示)并使用光致抗蚀剂在对应于芯片的区域上形成图案(如图12所示)且接着使用光致抗蚀剂作为掩模形成第二金属支撑层101的步骤。随后，辐射激光以移除蓝宝石衬底200。随后过程与图12之后的那些过程相同。由于采用了双层金属支撑件，因而可容易地执行断裂过程，如图26所示。因此，存在的优点是，可容易地分离芯片。因而，可获得具有如图5所示的结构的垂直LED。
接下来，将参看图27到图29解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图27到图29是说明制造图5所示的垂直LED的处理步骤的截面图。
图27是绘示执行图16到图19的过程之后进一步形成第二金属支撑层101且接着使用激光移除蓝宝石衬底的状态的截面图。更具体地说，通过执行图19的过程及其随后过程而获得具有图5所示的结构的垂直LED。
图28是绘示接着针对如图20所示的元件隔离而蚀刻衬底的状态的截面图。随后过程与图21之后的那些过程相同。由于采用了双层金属支撑件，所以可容易地执行断裂过程，如图29所示。因此，存在的优点是可容易地分离所述芯片。因而，可获得具有图5所示的结构的垂直LED。
接下来，将参看图30到图33解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图30到图33是说明制造图6的垂直LED的处理步骤的截面图。
如图30所示，在已完成直到图9的过程之后，使用PEVCD方法在整个表面上气相沉积厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护膜162。接着，以网格形式形成微图案。使用光致抗蚀剂作为掩模，使用BEO或CF4气体对所述SiO2保护膜162进行干式蚀刻。p型欧姆金属沉积在移除了SiO2的部分上，且接着通过热处理形成p型反射膜欧姆电极110。
此处，可使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在图4到图7所示的垂直LED的情况下反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度下执行快速热退火持续几秒到几分钟，以形成电极。
此后，如图31所示，在p型反射欧姆电极上以网格形式沉积基于Ag或Al的反射膜103。图32绘示形成厚度为几微米到几十微米的金属支撑层100且辐射激光的过程。通过电镀方法、真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)或晶片扩散接合方法形成所述金属支撑层100，其中金属衬底放置在P型电极上且在约300℃在特定压力下对其进行按压，以使得其彼此接合。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属支撑层100用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底200时受到破坏。随后过程与图12到图14所示的那些过程相同。图33绘示已分离芯片之后的截面图。
下文将参看图34到图37解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图34到图37是说明制造图6的垂直LED的处理步骤的截面图。
参看图34，使用PECVD方法在图16所示的所需衬底上气相沉积厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护膜162。
如图35所示，以网格形式形成微图案。使用光致抗蚀剂作为掩模，使用BEO或CF4气体对所述SiO2保护膜162进行干式蚀刻。p型反射膜欧姆金属沉积在移除了SiO2的部分上，且接着通过热处理形成p型反射膜欧姆电极110。可使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在图4到图7所示的垂直LED的情况下反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度下执行快速热退火持续几秒到几分钟，以形成电极。此后，在p型反射欧姆电极110上沉积基于Ag或Al的反射膜103。
图36绘示形成厚度为几微米到几十微米的金属支撑层100且辐射激光的过程。通过电镀方法、真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)或晶片扩散接合方法形成所述金属支撑层100，其中金属衬底放置在P型电极上且在约300℃在特定压力下对其进行按压，以使得其彼此接合。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属支撑层100用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底200时受到破坏。随后过程与图20、21和22所示的那些过程相同。图37绘示已分离芯片之后的截面图。
接下来，将参看图38到图41解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。图38到图41是说明制造图7的垂直LED的处理步骤的截面图。
如图38所示，在已完成图9的过程之后，使用PEVCD方法在整个表面上气相沉积厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护膜162。接着，以网格形式形成微图案。使用光致抗蚀剂作为掩模，使用BEO或CF4气体对所述SiO2保护膜162进行干式蚀刻。p型欧姆金属沉积在移除了SiO2的部分上，且接着通过热处理形成p型反射膜欧姆电极110。
此处，可使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在图4到7所示的垂直LED的情况下反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度下执行快速热退火持续几秒到几分钟，以形成电极。
如图39所示，在p型反射欧姆电极110上以网格形式沉积基于Ag或Al的反射膜。接着，如图40所示，形成厚度为几微米到几十微米的第一金属支撑层102。使用光致抗蚀剂膜在对应于芯片的区域上形成图案，且接着形成第二金属支撑层101。此后，辐射激光以移除蓝宝石衬底200。通过电镀方法、真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)或晶片扩散接合方法形成所述第一金属支撑层102，其中金属衬底放置在P型电极上且在约300℃在特定压力下对其进行按压，以使得其彼此接合。通过电镀方法或真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)形成所述第二金属支撑层101。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属支撑层用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底200时受到破坏。随后过程与图12、13和14所示的那些过程相同。图41绘示已分离芯片之后的截面图。
接下来，将参看图42到图45解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图42到图45是绘示制造图7的垂直LED的处理步骤的截面图。
参看图42，使用PECVD方法在图16的所需衬底上气相沉积厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护膜162。接着，以网格形式形成微图案。使用光致抗蚀剂作为掩模，使用BEO或CF4气体对所述SiO2保护膜162进行干式蚀刻。p型反射膜欧姆金属沉积在移除了SiO2的部分上，且接着通过热处理形成p型反射膜欧姆电极110。一般来说，可使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在图4到图7所示的垂直LED的情况下反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度下执行快速热退火持续几秒到几分钟，以形成电极。此后，在p型反射欧姆电极110上沉积基于Ag或Al的反射膜103。
如图43所示，形成厚度为几微米到几十微米的第一金属支撑层102。使用光致抗蚀剂膜在对应于芯片的区域上形成图案，且接着形成第二金属支撑层101。此后，辐射激光以移除蓝宝石衬底200。通过电镀方法、真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)或晶片扩散接合方法形成所述第一金属支撑层102，其中金属衬底放置在P型电极上且在约300℃在特定压力下对其进行按压，以使得其彼此接合。通过电镀方法或真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)形成所述第二金属支撑层101。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属支撑层用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底200时受到破坏。
图44绘示已移除蓝宝石衬底200之后的截面图。随后过程与图20、21和22所示的那些过程相同。图45绘示已分离芯片之后的截面图。
可通过除上述过程之外多种制造半导体器件的过程来制造本发明的垂直LED元件。也就是说，可通过各种其它沉积过程来形成各层。可使用湿式或干式蚀刻方法来执行蚀刻过程。另外，图案化过程可使用阻障膜来代替光致抗蚀剂膜。
图46是说明n型电极结构的平面图。
如图46所示，如果在n型电极垫周围安装X形分枝，那么可降低电流的扩散阻力。因此，由于可均匀地注入电子，因而可改进光学输出。当然，本发明并不限于此，而是可采用多种形状的N型电极来改进光学输出。
图47是根据本发明的LED元件的SEM照片。
更具体地说，图47是使用扫描电子显微镜绘示两英寸衬底和布置在所述衬底上的LED元件的SEM照片，根据本发明通过图8到图15中所说明的过程从所述两英寸衬底移除蓝宝石。可从图47中看到，已从所述两英寸衬底完全移除所述蓝宝石，且形成在其中的所有元件均保持处于良好状态。
图48和图49是描绘根据本发明第一实施例制造的垂直LED元件与常规的水平LED元件的电学和光学特性的比较结果的曲线图。
图48是描绘水平与垂直LED元件的电流-电压特性的比较结果的曲线图。已发现，当注入电流为20mA时，垂直LED的正向电压为3.3V，这比水平LED的3.5V低0.2V。因此，其指示垂直LED比水平LED具有更低的功率消耗。图49绘示水平与垂直LED元件的光学输出特性的比较结果，此指示后者具有的光学输出特性比前者至少高2.5倍。此意味着在相同功率消耗水平下垂直LED发射的光比水平LED发射的光亮2.5倍。
图50是描绘常规的水平LED和本发明的垂直LED中光学输出特性相对于注入电流的比较结果的曲线图。
也就是说，针对图2的水平LED和通过图8到图15的过程制造的图4的垂直LED检查相对于注入电流的光学输出特性。从图50可看到，垂直LED发射的光比水平LED发射的光亮约2.5倍。
图51和图52是描绘由图30到图33说明的过程制造的垂直LED元件的电学和光学特性的比较结果的曲线图。
此处，通过热沉积99％以上的纯净Ag 500nm的厚度而获得的Ag膜已用作反射膜。图51是描绘根据本发明通过图30到图33以及图8到图15的过程制造的垂直LED元件的电流-电压特性的比较结果的曲线图。当注入电流为20mA时，两个元件的正向电压为3.3V。图52是描绘根据本发明通过图30到图33以及图8到图15的过程制造的垂直LED元件的光学输出特性的比较结果的曲线图。从图52可看到，光学输出特性已被改进至少20％。这是因为Ag膜具有至少98％的反射率。也就是说，已证实，垂直LED元件的光学特性可通过图30到图33所说明的过程而改进至少20％。
本发明并不限于前述内容。举例来说，可通过在元件的侧表面上形成绝缘膜且接着在P型电极的上表面和元件的侧表面上涂覆金属保护膜层来保护外延生长的GaN衬底。下文将描述根据本发明第二实施例的具有金属保护膜层的垂直LED。
图53是根据本发明第二实施例的垂直LED的截面图。图54到图58是根据本发明的经修改实施例的垂直LED的截面图。
参看图53，以这样一种方式来配置垂直GaN LED：首先在元件的侧表面上涂覆绝缘膜1700，所述元件由P型半导体层1300、作用层1400和N型半导体层1500组成，且接着在P型电极1200的底表面和绝缘层的侧面上涂覆金属保护膜层1100，以保护厚度仅为4～5微米的外延生长的GaN衬底。也就是说，在元件的底表面和侧表面上提供厚度为10微米或更大的厚金属保护膜层1100，且接着在所述金属保护膜层上依次提供P型电极1200、P型半导体层1300、作用层1400、N型半导体层1500和N型电极1600。如图54所示，根据第二实施例的经修改实例的第二垂直GaN LED结构基于根据本发明第二实施例的第一结构，但不同之处在于，在发光N型半导体层上提供抗反射涂层1800，以借此改进垂直GaN LED的光学特性和耐久性。如图55所示，第三结构也基于第一结构，但不同之处在于，在金属保护膜层1100之下涂覆厚金属支撑层1900，以实现容易的芯片分离。此时，下伏金属支撑层1900充当桥柱，在所述桥柱之间提供空白空间。因此，可容易地分离所述芯片，因为所述金属支撑层1900具有按压力可机械地施加到所述两个桥柱之间的位置的结构。
如图56所说明，第四垂直GaN LED结构也基于第一结构，但不同之处在于，P型电极1200以网格形式部分形成在P型半导体层上，且接着在部分形成的电极之间插入反射层2000，以借此使从作用层1400生成的光子朝向N型半导体层1500的发射最大化。如图57所示，第五垂直GaN LED结构基于前述第四结构，但不同之处在于，在发光N型半导体层1500上进一步提供抗反射涂层，以借此改进垂直GaN LED的光学特性和耐久性。如图58所示，第六垂直GaN LED结构也基于第五结构，但不同之处在于，在金属保护膜层1100之下涂覆厚金属支撑层1900，以借此实现容易的芯片分离。
参看图53到图58，所述垂直GaN LED包括P型半导体层1300、形成在P型半导体层上的作用层1400和N型半导体层1500、形成在N型半导体层1500上的N型电极1600，和用于保护所述P型半导体层1300、作用层1400和N型半导体层1500的金属保护膜层1100。此处，金属保护膜层1100形成在P型半导体层1300、作用层1400和N型半导体层1500的侧面上和P型半导体层1300下方。另外，在金属保护膜层1100与P型半导体层1300之间进一步提供P型电极1200。优选地，所述P型电极1200以网格形式形成。另外，绝缘膜1700进一步提供在金属保护膜层1100与N型半导体层1500、作用层1400和P型半导体层1300的侧面之间。此外，可进一步在P型半导体层1300与金属保护膜层1100之间形成反射层2000。可在金属保护膜层1100之下进一步形成金属支撑层1900。
图53所示的此实施例的垂直GaN LED包括依次形成的P型电极1200、P型半导体层1300、作用层1400、N型半导体层1500和N型电极1600。形成绝缘膜1700以保护P型半导体层1300、作用层1400和N型半导体层1500的侧面。还在绝缘膜1700和P型电极1200周围形成金属保护膜层1100。此时，可仅在N型半导体层1500的侧面上或P型半导体层1300的侧面上形成绝缘膜1700。如图54所示，此经修改实例的垂直GaN LED具备形成在图53所示的垂直GaN LED的N型半导体层1500上的抗反射层1800，借此提供抑制光反射的有利效果。图55的垂直GaN LED具备形成在图54所示的垂直GaN LED的金属保护膜层1100之下的金属支撑层1900。图56的垂直GaN LED包括：反射层2000；P型电极1200，其以网格形式形成在反射层2000上；P型半导体层1300、作用层1400、N型半导体层1500和N型电极1600，其依次形成在P型电极1200上；绝缘膜1700，其形成在P型半导体层1300、作用层1400和N型半导体层1500的侧面上；和金属保护膜层1100，其经形成以覆盖在绝缘膜1700和反射层2000周围。此处，如图中所示，绝缘膜1700可部分形成在P型半导体层1300的底表面上。图57的垂直GaN LED具备形成在图56所示的垂直LED的N型半导体层1500上的抗反射层1800。图58的垂直LED具备形成在图57所说明的垂直LED的金属保护膜层1100之下的金属支撑层1900。
优选地，具有良好热稳定性和至少90％的高反射率的欧姆电极层用作形成在P型半导体层1300下侧上的P型电极1200。此欧姆电极层(即，P型电极1200)包含接触金属层1210、反射金属层1220、扩散阻障层1230以及接合金属层1240和1250。P型电极1200的整个厚度为300～23000优选地为2000～5000
Figure C20058004111000182
此处，所述接触金属层1210的厚度为5～500
Figure C20058004111000183
优选地不大于200
Figure C20058004111000184
接触金属层1210的厚度被限制于以上范围，以控制光吸收量。另外，接触金属层1210可形成为多层薄膜。接触金属层1210由以下中的至少一者形成：Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、V、Co、Os、Re和Rh，且优选地由Ni、Ir和Pt的层压金属形成。
所述反射金属层1220的厚度为100～9000
Figure C20058004111000185
优选地为1000～2000反射金属层1220由Al和/或Ag形成，优选地由Ag形成。
所述扩散阻障层1230的厚度为50～1000
Figure C20058004111000187
优选地为100～800
Figure C20058004111000188
扩散阻障层1230由以下中的至少一者形成：Ru、Ir、Re、Rh、Os、V、Ta、W、ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、RuO2、VO2、MgO、IrO2、ReO2、RhO2、OsO2、Ta2O3和WO2，优选地由Ru形成。
接合金属层由第一和第二接合金属层1240和1250组成。所述第一接合金属层1240的厚度为100～3000
Figure C20058004111000189
优选地不大于1000
Figure C200580041110001810
第一接合金属层1240由以下中的至少一者形成：Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、V和Ta，优选地由Ni形成。所述第二接合金属层1250的厚度为100～9000
Figure C200580041110001811
优选地不大于1000
Figure C200580041110001812
第二接合金属层1250由Au、Pd和Pt中的至少一者形成，优选地由Au形成。
前述P型电极可以这样一种方式形成，即：依次层压并热处理接触金属层、反射金属层和扩散阻障层，且接着层压第一和第二接合金属层，或者依次形成并接着热处理接触金属层、反射金属层、扩散阻障层和第一及第二接合金属层。因此，在P型半导体层上依次层压Me(＝Ir，Ni，Pt)/Ag/Ru/Ni/Au，以获得具有反射膜性质和低接触电阻性质两者的P型电极。
下文将解释制造如此配置的根据本发明第二实施例的垂直LED元件的方法。
图59到图66是说明制造根据本发明第二实施例的垂直LED元件的过程的一系列截面图。
图59是普通GaN LED衬底的截面图。在蓝宝石衬底1000上依次生长N型半导体层1500、作用层1400和P型半导体层1300。薄膜总厚度大约为4微米。所述薄膜是通过MOCVD方法沉积的。
衬底1000由以下中的至少一者形成：Al2O3、SiC、ZnO、Si、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN、AlN和GaN。在此实施例中，采用蓝宝石衬底。在此实施例中，可在前述衬底上进一步提供在形成N型半导体层1500时充当缓冲器的缓冲层。N型半导体层1500优选地采用掺杂有N型杂质的GaN膜，但不限于此。也就是说，可使用多种具有半导体性质的材料层。在此实施例中，N型半导体层1500形成为包含N型AlxGa1-xN膜，其中0≤x≤1。另外，所述P型半导体1300也采用掺杂有P型杂质的GaN膜。在此实施例中，P型半导体层1300形成为包含P型AlxGa1-xN膜，其中0≤x≤1。另外，InGaN膜可用作半导体层膜。此外，N型半导体层1500和P型半导体层1300可形成为多层膜。在以上内容中，N型掺杂剂为Si，且P型掺杂剂在使用InGaAlP时为Zn或在使用氮化物时为Mg。
作用层1400采用多层膜，在所述多层膜中重复形成量子阱层和阻障层。所述阻障层和量子阱层可由二元化合物(例如，GaN、InN和AlN)、三元化合物(例如，InxGa1-xN(0≤x≤1)和AlxGa1-xN(0≤x≤1))或四元化合物(例如，AlxInyGa1-x-yN(0≤x+y≤1))形成。当然，所述二元到四元化合物可掺杂有所需杂质，以形成N型和P型半导体层1500和1300。
图60绘示蚀刻不同于元件区的区域的过程。通常，在使用光致抗蚀剂或SiO2遮蔽衬底之后Cl2气体流动的状态下通过干式蚀刻方法来执行所述蚀刻过程。完成所述干式蚀刻过程，且接着移除蚀刻掩模。此后，通过在整个表面上沉积绝缘膜1700而在元件侧面上沉积绝缘膜1700。
参看图61，蚀刻上面将形成P型反射膜欧姆电极的部分，且接着在上面形成P型电极1200。在针对元件隔离而蚀刻的衬底上通过PECVD方法形成厚度为0.05～5.0微米的SiO2保护膜1700。为了形成反射膜欧姆电极1200，形成微图案，且接着使用BOE或CF4气体通过干式蚀刻方法且使用光致抗蚀剂作为掩模执行蚀刻过程。此后，沉积金属欧姆层。
以这样一种方式执行在沉积欧姆金属层之前暴露的P型半导体层1300的表面处理：将P型半导体层1300浸渍在王水溶液(HCl∶H2O＝3∶1)中达十分针，且接着用去离子水冲洗并用氮气干燥。
在沉积金属之前，通过将P型半导体层浸渍在以1∶1比率混合的HCl和去离子水的溶液中达一分钟而对P型半导体层进行表面处理，且接着将P型半导体层装载在电子束蒸发器中，在电子束蒸发器中依次沉积金属电极Ag/Ru/Ni/Au(Me＝Ir，Ni，Pt)层1210、1220、1230、1240和1250以形成欧姆电极。此后，在氧气气氛或含有至少5％氧气的气氛下在100-700℃温度下使用快速热退火设备对欧姆电极进行热处理达至少十秒。也就是说，优选的情况是，在含有5～100％氧气的气氛下在100-700℃温度下对所述欧姆电极进行热处理达10～100秒。接着，测量电学性质，以计算欧姆电极的接触电阻。
优选地，接触金属层(Me＝Ir，Ni，Pt)1210、Ag层1220、Ru层1230依次沉积在P型半导体层1300上，且接着在氧气气氛下进行热处理。此时，由于扩散阻障层1230(即，Ru层)已形成在反射金属层(即，Ag层1220)上，因而可防止所述Ag层1220在热处理期间扩散或氧化。接下来，Ni层1240和Au层1250沉积在Ru层1230上，以形成欧姆电极。
或者，可通过依次形成接触金属层(Me＝Ir，Ni，Pt)1210、Ag层1220、Ru层1230、Ni层1240和Au层1250且接着在氧气气氛下对所述依次形成的层进行热处理，来形成致密欧姆电极。在形成所述欧姆电极之后，可进行所需图案化过程，以获得以P型半导体层1300上的欧姆电极为目标的图案。当然，所述欧姆电极可形成在N型氮化层上。
绝缘膜1700可仅形成在N型半导体层1500和作用层1400的侧面上。虽然绝缘膜1700形成在整个结构上且接着如上所述蚀刻形成在P型半导体层1300上的绝缘膜1700的一部分，但本发明并不限于此。也就是说，可在P型半导体层1300上形成所需掩模以保护半导体层1300的一部分且接着在整个结构上形成绝缘膜1700之后，移除绝缘膜1700的除了形成在N型半导体层1500和作用层1400的侧面上的绝缘膜1700之外的部分。
图62绘示形成厚度为几微米到几十微米的金属保护层1100且辐射激光的过程。所述金属保护层1100是通过电镀方法和真空气相沉积方法(例如，溅镀、电子束蒸发或热蒸发)而形成的。当激光辐射穿过蓝宝石时，所述激光吸收在GaN层中，所述GaN层又被分解成Ga金属和N2气体。此时，金属保护层1100用以防止厚度约为4微米的GaN薄膜层在借助于激光辐射移除蓝宝石衬底1000时受到破坏。
图63绘示已移除蓝宝石衬底1000之后金属保护层1100覆盖在GaN薄膜层周围并保护所述GaN薄膜层的状态。
接下来，如图64所示，在N型半导体层1500上涂覆抗反射层1800，以使得作用层(i-InGaN)1400中所生成的光子可发射到衬底外部。所述抗反射层1800由SiO2、Si3N4、ITO、IZO等形成，其通过PECVD、溅镀或电子束蒸发方法进行沉积。
图65是说明已蚀刻抗反射层1800的若干部分且已形成N型欧姆电极1600之后的状态的截面图。所述N型欧姆电极由Ti/Al或Cr/Au或者Ti/Al或Cr/Au形成，其上使用电子束蒸发器来沉积Cr/Au或Ni/Au。
图66是绘示已分离芯片之后的状态的截面图。此时，通过切块或激光切割技术分离芯片。
图67到图69绘示制造根据本发明的经修改实施例的垂直LED元件的一系列过程。
图67到图69的过程类似于图59到图61的那些过程。也就是说，在衬底1000上形成所需GaN层(即，PN结层)。接着，隔离所述元件，且沿着分级部分形成用于保护被隔离元件的绝缘膜1700。图案化绝缘膜1700的一部分以暴露P型半导体层1300的一部分。所述P型电极1200形成在所述暴露的P型半导体层1300上。
接下来，如图70所示，沿着所述分级(stepped)部分在整个结构上形成金属保护膜层1100，且接着在P型半导体层1300上方的金属保护膜层1100上形成金属支撑层1900。也就是说，优选的情况是，在金属保护膜层1100上形成厚度为10～50微米的金属支撑层1900。如图71到图74所示，移除下部衬底1000，且接着在N型半导体层1500上形成抗反射层1800。随后，图案化抗反射层1800的一部分，以使N型半导体层1500的一部分暴露于外部。N型电极1600形成在暴露的N型半导体层1500上。分离芯片以完成垂直LED结构。
下文将参看图75到图82解释制造根据本发明的经修改实施例的垂直LED元件的过程，图75到图82是说明制造图56到图57的垂直LED的方法的一系列截面图。
如图75到图76中所示，在衬底1000上形成多个PN接合(PN-junction)半导体层。使用PECVD方法将基于SiO2的绝缘膜1700形成为0.05～5.0微米的厚度。接着，使用光致抗蚀剂膜形成网格形式的微图案。使用光致抗蚀剂膜作为掩模，使用BOE或CF4气体对所述SiO2膜进行干式蚀刻，以使得可以网格形式暴露P型半导体层1300。
如图77所示，P型反射欧姆电极层1200沉积在暴露的P型半导体层1300上，所述P型半导体层1300已通过蚀刻绝缘膜1700而暴露。反射层2000形成在上面形成P型电极1200的P型半导体层1300上。通过沉积并热处理欧姆金属来形成P型欧姆电极1200。通常，使用电子束蒸发器将Ni和Au沉积为几十到几百纳米的厚度。然而，由于在根据此经修改实施例的垂直LED的情况下反射性较为重要，因而使用包含Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Ag等的金属。接着，在300到600℃的温度下执行快速热退火持续几秒到几分钟，以形成电极。此后，在P型反射欧姆电极上以网格形式沉积基于Ag或Al的反射膜。图78到图82的过程与图59到图74的那些过程相同，且因此，此处将省略对其详细描述。
接下来，将参看图83到图90解释制造此经修改实施例的垂直LED元件的过程。此处，图83到图90是说明制造图64所示的垂直LED的处理步骤的截面图。
图83到图85的过程与图75到图77的那些过程相同。参看图86，沿着如图78所示的整个结构的分级部分形成金属保护膜层1100，且接着在所述金属保护膜层1100上形成金属支撑层1900。如图所示，由于未在沟槽区域中形成金属支撑层1900，因而可容易地执行分离所述元件的随后过程。图87到图90的过程与图59到图82中所说明的那些过程相同，且因此，此处将省略对其详细描述。
在先前实施例中，金属保护膜层1100以覆盖在元件的侧面和底面周围的方式形成。另外，金属支撑层1900形成在金属保护膜层1100之下。因此，可使由于在分离芯片时产生的变形或碰撞引起的损坏最小化。
此外，前述绝缘膜1700采用氧化薄膜，所述氧化薄膜由以下中的至少一者形成：SiO2、Si3N4、MgO、Al2O3、TiO2、VO2、ZrO2、Ce2O3、HfO2、NbO2、Ta2O5、Y2O3、V2O3和WO3。此时，氧化膜的厚度为100nm到100微米。另外，可交替地层压一个或一个以上具有较宽带隙的薄膜半导体(例如，GaN、AlGaN、AlN、SiC和金刚石)，以形成绝缘膜。此类绝缘膜的厚度为100nm到100微米。
金属保护膜层1100和金属支撑层1900由以下中的至少一者形成：Au、Ni、W、Mo、Cu、Al、Ta、Ag、Pt和Cr。金属支撑层1900的厚度为0.5～200nm。另外，可通过使用导电陶瓷膜(例如，掺杂有Nb的SrTiO3、掺杂有Al的ZnO、ITO和IZO)或掺杂有杂质的半导体(例如，B掺杂Si、As掺杂Si和掺杂有杂质的金刚石)执行真空沉积来形成金属保护膜层1100和金属支撑层1900。
P型电极1200由以下中的至少一者形成：Ni、Pt、Ru、Ir、Rh、Ta、Mo、Ti、Ag、W、Cu、Cr、Pd、V、Co、Nb、Zr和Al，且具有5～2000nm的厚度。在P型电极1200以双层形式形成的情况下，其第一层由以下中的至少一者形成：Ni、Pt、Ru、Ir、Rh、Ta、Mo、Ti、Ag、W、Cu、Cr、Pd、V、Co、Nb、In和Zr，而其第二层由Ag和/或Al形成。此时，所述第一层的厚度为5～1000nm，且所述第二层的厚度为10～1000nm。P型电极1200可以具有两层或两层以上的多层形式形成。将前述P型电极1200在氮气、氧气或空气气氛下在300-600℃温度下进行热处理达30秒到30分钟。另外，在形成P型电极1200之前，在P型半导体层1300上形成反射层2000，且接着部分蚀刻其中将形成P型电极1200的部分。
另外，反射层2000由Ag和/或Al形成。或者，反射层可由含有Ag与少于10％的其它金属的合金或含有Al与少于10％的其它金属的合金形成。
此外，抗反射层1800由以下中的至少一者形成：ITO、ZnO、SiO2、Si3N4和IZO，且具有10～5000nm的厚度。
工业适用性
如上所述，由于在本发明的垂直GaN LED中，双层金属支撑层用作其底部处的金属支撑层，因而可容易地分离芯片。
另外，由于在元件的侧面和底面上形成厚度为至少10微米的厚金属保护膜层，因而可保护所述元件不受外部碰撞。
此外，由于P型反射电极以网格形式部分形成在p-GaN层上，且在其间插入反射层，因而在作用层中生成的光子可最大程度地朝向n-GaN层发射。
另外，由于使用金属衬底、导电层衬底或导电陶瓷衬底来代替蓝宝石衬底，以在操作元件时将所生成的热量有效地释放到外部，因而其适于高功率应用。此外，由于在InGaN层中生成的光子发射穿过n-GaN层，因而发射光子的路径较短。因此，可减少在光子发射期间被吸收的光子数目。此外，由于可获得到达n-GaN层中的高掺杂浓度(＞1019/cm3)，因而可改进导电性且因此改进电流扩散阻力。因此，可增强光学输出特性。
同样，本发明提供一种用于使用激光将LED结构的GaN薄膜层与蓝宝石衬底分离的技术，和一种在分离的薄膜层上制造垂直GaN LED的过程。
所属领域的技术人员从以上内容中将了解，可在本发明的技术精神和范围内作出各种变化和修改。因此，本发明的精神和范围不限于优选实施例中所描述的内容，而是限于所附权利要求书。

Claims (27)

1、一种发光元件，包括：
金属支撑层；
P型反射膜电极，处于所述金属支撑层上；
P型半导体层、作用层和N型半导体层，依次形成在所述P型反射膜电极上；
N型电极，形成在所述N型半导体层上；
绝缘膜，至少形成在所述N型半导体层的侧面上；以及
金属保护层，用于保护所述P型半导体层和所述N型半导体层。
2、一种发光元件，包括：
金属支撑层；
反射层，形成在所述金属支撑层上；
P型反射膜电极，以网格形式形成在所述反射层上；
P型半导体层、作用层和N型半导体层，依次形成在包含所述P型反射膜电极的所述反射层之上；
N型电极，形成在所述N型半导体层的所需区域处；
绝缘膜，至少形成在所述N型半导体层的侧面上；以及
金属保护层，用于保护所述P型半导体层和所述N型半导体层。
3、根据权利要求1或2所述的发光元件，其中所述金属支撑层具有多层支撑结构。
4、根据权利要求1或2所述的发光元件，进一步包括保护层，所述保护层形成在所述N型半导体层、所述作用层和所述P型半导体层的侧面和/或底面的一部分上。
5、根据权利要求1或2所述的发光元件，进一步包括抗反射层，所述抗反射层覆盖在所述P型半导体层、所述作用层和所述N型半导体层周围。
6、根据权利要求1所述的发光元件，其中所述P型反射膜电极包括接触金属层、反射金属层、扩散阻障层和接合金属层。
7、一种发光元件，包括：
P型半导体层；
作用层和N型半导体层，形成在所述P型半导体层上；
N型电极，形成在所述N型半导体层上；
绝缘膜，至少形成在所述N型半导体层的侧面上；以及
金属保护层，用于保护所述P型半导体层和所述N型半导体层。
8、根据权利要求7所述的发光元件，其中所述金属保护层形成在所述P型半导体层和所述N型半导体层的侧面上和所述P型半导体层的底面上。
9、根据权利要求7所述的发光元件，进一步包括绝缘层，所述绝缘层形成在所述P型半导体层的底面的一部分上。
10、根据权利要求9所述的发光元件，其中所述绝缘层延伸到所述作用层的侧面。
11、根据权利要求7所述的发光元件，进一步包括抗反射层，所述抗反射层形成在所述N型半导体层上。
12、根据权利要求7所述的发光元件，进一步包括P型电极，所述P型电极形成在所述P型半导体层之下。
13、根据权利要求12所述的发光元件，其中所述P型电极包含接触金属层、反射金属层、扩散阻障层和接合金属层。
14、一种制造发光元件的方法，包括：
在衬底上依次形成N型半导体层、作用层和P型半导体层；
通过部分蚀刻所述P型半导体层、所述作用层、所述N型半导体层和所述衬底而隔离元件；
在隔离的所述P型半导体层上形成P型反射膜电极，且在整个结构上形成第一金属支撑层；
移除所述衬底；以及
在所述N型半导体层上形成N型电极；
其中，所述第一金属支撑层是通过电镀方法或使用真空气相沉积装置而形成的，所述真空气相沉积装置包括热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和有机金属化学气相沉积装置。
15、根据权利要求14所述的制造发光元件的方法，其中在所述第一金属支撑层上进一步形成隔离的第二金属支撑层，且所述第二金属支撑层是通过电镀方法或使用真空气相沉积装置而形成的，所述真空气相沉积装置包括热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和有机金属化学气相沉积装置。
16、一种制造发光元件的方法，包括：
在衬底上依次形成N型半导体层、作用层、P型半导体层、P型反射膜电极和第一金属支撑层；
移除所述衬底；
通过部分蚀刻所述P型半导体层、所述作用层和所述N型半导体层而隔离元件；以及
在所述N型半导体层上形成N型电极。
17、根据权利要求16所述的制造发光元件的方法，其中在所述第一金属支撑层上形成隔离的第二金属支撑层，且所述第一金属支撑层和所述第二金属支撑层是通过电镀方法或使用真空气相沉积装置而形成的，所述真空气相沉积装置包括热蒸发器、电子束蒸发器、激光蒸发器、溅镀器和有机金属化学气相沉积装置。
18、根据权利要求15或17所述的制造发光元件的方法，其中所述第一金属支撑层和所述第二金属支撑层由Au、Ni、W、Mo、Cu、Al、Ta、Ag、Pt和Cr中的至少一者形成，或使用包括掺杂有Nb的SrTiO3、掺杂有Al的ZnO、氧化铟锡或氧化铟锌的导电陶瓷衬底或包括B掺杂Si、As掺杂Si和掺杂有杂质的金刚石的半导体衬底形成，且所述第一金属支撑层和所述第二金属支撑层的总厚度为0.5到200nm。
19、根据权利要求14或16所述的制造发光元件的方法，进一步包括在隔离所述元件之后，形成保护层以用于保护隔离的所述P型半导体层、所述作用层和所述N型半导体层。
20、根据权利要求14或16所述的制造发光元件的方法，进一步包括在隔离所述元件之后，形成抗反射层，所述抗反射层覆盖在隔离的所述P型半导体层、所述作用层和所述N型半导体层周围。
21、根据权利要求20所述的制造发光元件的方法，其中移除形成在所述N型半导体层上的所述抗反射层的一部分，且接着在所述抗反射层的移除部分上形成所述N型电极。
22、一种制造垂直半导体发光元件的方法包括：
在衬底上依次形成N型半导体层、作用层和P型半导体层；
除所述P型半导体层的一部分之外在所述N型半导体层的侧面上形成绝缘膜；
在所述P型半导体层的上面未形成所述绝缘膜的部分上形成P型电极；
以覆盖在所述P型半导体层和所述N型半导体层周围的方式形成金属保护膜层；
移除所述衬底；以及
在所述N型半导体层上形成N型电极。
23、根据权利要求22所述的制造垂直半导体发光元件的方法，进一步包括在所述形成所述P型电极之后，在上面形成有所述P型电极的所述P型半导体层上形成反射层。
24、根据权利要求22所述的制造垂直半导体发光元件的方法，进一步包括在所述P型半导体层上形成反射层之后，移除上面将形成所述P型电极的区域上的所述反射层，以及在移除了所述反射层的所述区域上形成所述P型电极。
25、根据权利要求22所述的制造垂直半导体发光元件的方法，进一步包括在所述形成所述金属保护膜层的步骤之后，在上面形成所述金属保护膜层的所述P型半导体层上形成金属支撑层。
26、根据权利要求22所述的制造垂直半导体发光元件的方法，进一步包括在移除所述衬底之后，在所述N型半导体层上形成抗反射层，以及通过移除所述抗反射层的一部分而暴露所述N型半导体层的一部分。
27、根据权利要求22所述的制造垂直半导体发光元件的方法，其中除所述P型半导体层的一部分之外在所述N型半导体层的侧面上形成所述绝缘膜包括：
以覆盖在所述P型型半导体层和所述N型半导体层周围的方式形成所述绝缘膜；以及
从所述P型半导体层移除所述绝缘膜。
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