CN100592539C - 发光二极管元件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管元件的制造方法，结合外延方式及蚀刻方式，使该发光二极管外延层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，使发光二极管外延层结构成为非矩形的斜面，由此改善发光二极管元件界面全反射的现象，提高发光二极管的光取出率。且本发明因为制成简单，可降低生产成本，适合产业大量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管元件的制造方法，尤指涉及一种高光取出率的发光二极管元件的制造方法。
背景技术
传统发光二极管元件的制作为标准的矩型外观，因为一般发光二极管本身的折射率与外界的空气或封装材料的折射率相差甚多，使得光线很容易在界面产生全反射现象，所以发光二极管所产生的光到达与空气的界面时，大于临界角的光将产生全反射回到二极管晶粒内部。此外，矩形的四个截面互相平行，光子在交界面离开半导体的机率变小，让光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽，使光转成热的形式，造成发光效果不佳。
传统的氮化镓发光二极管主要是成长在绝缘的氧化铝基板上，而且要形成n型电极势必要进行蚀刻工艺，蚀刻到半导体外延层的n型半导体，才能在n型半导体上形成n型电极。但是由于传统的氮化镓发光二极管外延层，其键结的能量很强，不易以湿蚀刻的方式进行蚀刻，多半以干蚀方式进行蚀刻。以目前干蚀刻的技术，由于物理性蚀刻的效果大于化学性蚀刻，所以蚀刻出的形状多数都为方正的矩形。
因此，改变发光二极管形状是一个有效提升发光效率的方法，如美国专利US6,229,160所揭露的倒金字塔型(Truncated InvertedPyramid，TIP)的发光二极管晶粒结构，将磷化铝镓铟/磷化镓(AlGaInP/GaP)发光二极管晶粒侧面机械加工，四个截面将不再互相平行，由此光就可以很有效地被引出来，外部量子效率则大幅提升至55％，发光效率高达100lm/w，第一个达到此目标的发光二极管。然而，此专利中所提出TIP型晶粒结构，只能适用于使用磷化铝镓铟/磷化镓(AlGaInP/GaP)的红光二极管上，并不适用于一般的氮化镓发光二极管，因为氮化镓在一般产业是外延于蓝宝石(Sapphire)基板上，由于蓝宝石非常坚硬，要对其进行机械加工相当困难，所以该专利技术的商业化生产依然无法突破。
另外，也是要形成高光取出率为目的，美国专利US6,570,190揭露发光二极管外延层结构为斜面的发光二极管元件结构，由此让光有效地被引出来，外部量子效率可大幅提升。但由于氮化镓系列的发光二极管，其原子间的键结较强壮，所以氮化镓外延层极不易蚀刻出具有晶格方向特性的斜角，若单纯只以湿蚀刻的方式，无法蚀刻出斜面。
发明内容
于是为解决上述的缺陷，本发明提供一种发光二极管元件的制造方法，结合外延方式及蚀刻方式，使发光二极管外延层结构产生非矩形的斜面，改善界面全反射的现象，提高发光二极管的光取出率。
本发明是一种高光取出率的发光二极管元件的制造方法，其步骤包括有：(a)提供一基板，于该基板表面形成一屏蔽层，且该屏蔽层具有多个矩形露出基板表面的外延区域；其中该基板是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)基板其中之一，该屏蔽层材料包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)与光阻剂(Photoresist)其中之一，或镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)及钛(Ti)其中之一。(b)于该外延区域进行外延，形成一发光二极管外延层，且每个外延区域间的发光二极管外延层间形成一间隔缝。(c)于该发光二极管外延层上方形成一蚀刻屏蔽层。(d)使用一湿蚀刻溶液进入该间隔缝对该发光二极管外延层与该屏蔽层进行湿蚀刻工艺，使该发光二极管外延层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状；其中该湿蚀刻溶液包括温度范围在50℃至350℃加热状态的硫酸(H2SO4)∶磷酸(H3PO4)混合液，氢氧化钾(KOH)，磷酸(H3PO4)，氢氧化钾(KOH)∶乙二醇混合液其中之一。(e)除去该蚀刻屏蔽层，然后于该发光二极管外延层上方形成一透明导电层。(f)对该透明导电层与该发光二极管外延层进行一接触部蚀刻，再形成一n型欧姆接触电极于该接触部上，一p型欧姆接触电极该透明导电层上，用以提供流经该发光二极管外延层的驱动电流。以及(g)将该基板研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
其中该外延区域表面上进一步可由该屏蔽层材料形成多个凸部，该凸部是直线并列，四边形、圆形及多边形阵列其中之一所组成，使该湿蚀刻溶液对该发光二极管外延层底面进行湿蚀刻，使该发光二极管外延层底面形成一凹凸表面。该凹凸表面的形成使发光区域产生光散射或绕射的凹部及凸部的结构，进而使外部量子效率提高，形成高光取出率的结构。
其中该步骤a可于该基板进行蚀刻形成一凹槽层取代该屏蔽层，且该凹槽层使该基板表面形成多个矩形的外延区域。且该外延区域表面上进一步可在该基板进行蚀刻形成多个凹部，该凹部是直线并列，四边形、圆形及多边形阵列其中之一所组成，使该湿蚀刻溶液对该发光二极管外延层底面进行湿蚀刻，使该发光二极管外延层底面形成一凹凸表面。
本发明另一制造方法，其步骤包括有：(a)提供一基板，于该基板表面形成多个等距离图形排列的凸部；(b)于该基板表面进行外延，形成一发光二极管外延层；(c)于该发光二极管外延层上方形成一蚀刻屏蔽层；(d)对该蚀刻屏蔽层与该发光二极管外延层上进行激光切割到该基板表面，形成一间隔缝，使该发光二极管外延层成矩形；(e)使用一湿蚀刻溶液进入该间隔缝对该发光二极管外延层与该凸部进行湿蚀刻工艺，使该发光二极管外延层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，且该发光二极管外延层底面形成一凹凸表面；(f)除去该蚀刻屏蔽层，然后于该发光二极管外延层上方形成一透明导电层；(g)对该透明导电层与该发光二极管外延层蚀刻形成一接触部，再形成一n型欧姆接触电极于该接触部上，一p型欧姆接触电极于该透明导电层上，用以提供流经该发光二极管外延层的驱动电流；以及(h)将该基板研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
其中该步骤a可于该基板进行蚀刻形成多个等距离图形排列的多个凹部取代该凸部。该凸部与凹部是直线并列，四边形、圆形及多边形阵列排列其中之一所组成。
本发明的优点在于，利用结合外延方式及蚀刻方式，使该发光二极管外延层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，使发光二极管外延层结构成为非矩形的斜面，由此改善发光二极管元件界面全反射的现象，提高发光二极管的光取出率。且本发明因为制成简单，可降低生产成本，适合产业大量生产。
附图说明
图1至图7是本发明的第一实施例的流程示意图，
图8至图11是本发明的第二实施例的流程示意图，
图12至图18是本发明的第三实施例的流程示意图，
图19至图25是本发明的第四实施例的流程示意图。
具体实施方式
有关本发明的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，该等实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。
本发明利用结合外延方式及蚀刻方式，使发光二极管外延层结构形成非矩形的斜面，改善界面全反射的现象，制作出光取出率高的发光二极管元件。
请参阅图1至图7，是本发明的第一实施例制造方法流程示意图。本发明的第一实施例的制造步骤包括有：
(a)提供一基板100，于该基板100表面形成一屏蔽层110，且该屏蔽层110通过蚀刻工艺定义出图形，形成具有多个矩形露出该基板100表面的外延区域300(如图1所示)。其中该基板100是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)基板其中之一。该屏蔽层110材料包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)与光阻剂(Photoresist)其中之一，或镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)及钛(Ti)其中之一。
(b)于该外延区域300进行外延，形成一发光二极管外延层120，且每个外延区域300间的发光二极管外延层120间形成一间隔缝130(如图2所示)。本发明利用外延成长的方式，在该屏蔽层110以外的地方成长发光二极管外延层120，外延成长的过程中同时会在该屏蔽层110形成侧成长的现象，适当的选择该屏蔽层110的大小及调整控制外延的成长条件形成如图2的情况。
(c)于该发光二极管外延层120上方形成一蚀刻屏蔽层200(如图3所示)，该蚀刻屏蔽层200材料是二氧化硅(SiO2)。
(d)使用一湿蚀刻溶液进入该间隔缝130对该发光二极管外延层120与该屏蔽层110进行湿蚀刻工艺，使该发光二极管外延层120从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状(如图4所示)。这是因为原始成长于基板100上的该发光二极管外延层120为氮化镓系材料，所以该发光二极管外延层120的表面多为镓原子相(Gaphase)，湿蚀刻不易，但是经由该间隔缝130，可以使得蚀刻溶液进入原本定义的屏蔽，从底部氮原子相(N phase)开始蚀刻，能较容易进行湿蚀刻，形成非矩形的斜角。其中该湿蚀刻溶液包括温度范围在50℃至350℃加热状态的硫酸(H2SO4)∶磷酸(H3PO4)混合液，氢氧化钾(KOH)，磷酸(H3PO4)，氢氧化钾(KOH)∶乙二醇混合液其中之一。
(e)除去该蚀刻屏蔽层200，然后于该发光二极管外延层120上方形成一透明导电层140(如图5所示)；该透明导电层140是氧化铟锡(indium-tin-oxide；ITO)、氧化铟锌(indium-zinc-xide；IZO)或铝锌氧化物(zinc aluminium oxide；AZO)。
(f)对该透明导电层140与该发光二极管外延层120进行蚀刻形成一接触部150(如图6所示)，再形成一n型欧姆接触电极162于该接触部150上，一p型欧姆接触电极161于该透明导电层140上，用以提供流经该发光二极管外延层120的驱动电流(如图7所示)。
(g)最后将该基板100研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
请参阅图8至图11，为本发明的第二实施例制造方法流程示意图。第二实施例制造方法步骤与前述第一实施例相同，但于该步骤a中对该基板100进行蚀刻形成一凹槽层170取代该屏蔽层110，且该凹槽层170使该基板100表面形成多个矩形的外延区域300(如图8所示)。然后于该外延区域300进行外延，利用外延成长的方式，在该屏蔽层110以外的地方成长该发光二极管外延层120，外延成长的过程中同时会在该凹槽层170形成侧成长的现象，适当的选择该凹槽层170的大小及调整控制外延的成长条件形成如图9的情况，每个外延区域300间的发光二极管外延层120间形成一间隔缝130。
然后，在该发光二极管外延层120上方形成该蚀刻屏蔽层200(如图10所示)。再使用该湿蚀刻溶液进入该间隔缝130对该发光二极管外延层120进行湿蚀刻工艺(此处为凹槽无该屏蔽层110)，使该发光二极管外延层120从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状(如图11所示)。
之后的后续工艺与第一实施例相同，除去该蚀刻屏蔽层200，然后于该发光二极管外延层120上方形成该透明导电层140；对该透明导电层140与该发光二极管外延层120进行蚀刻形成该接触部150，再形成该n型欧姆接触电极162于该接触部150上，该p型欧姆接触电极161于该透明导电层140上，用以提供流经该发光二极管外延层120的驱动电流。最后将该基板100研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
请参阅图12至图18，为本发明的第三实施例制造方法流程示意图。第三实施例制造方法步骤与前述第一实施例相同，但于该步骤a中该屏蔽层110材料形成多个凸部111于该外延区域300，该凸部111是直线并列(如图15所示)，或四边形、圆形及多边形阵列(如图13、14所示，是以饼图型为说明例)其中之一所组成。然后于该外延区域300进行外延，利用外延成长的方式，在该屏蔽层110以外的地方成长发光二极管外延层120，相同的每个外延区域300间的发光二极管外延层120间有该间隔缝130。然后在该发光二极管外延层120上方形成该蚀刻屏蔽层200，再使用该湿蚀刻溶液进入该间隔缝130对该发光二极管外延层120进行湿蚀刻工艺，使该发光二极管外延层120从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，且该湿蚀刻溶液对该发光二极管外延层120底面的该凸部111进行湿蚀刻，使该发光二极管外延层120底面形成一凹凸表面121(如图16所示)。该凹凸表面121的形成使发光区域产生光散射或绕射的凹部及凸部的结构，进而使外部量子效率提高，形成高光取出率的结构。
之后的后续工艺与第一实施例相同，除去该蚀刻屏蔽层200，然后于该发光二极管外延层120上方形成该透明导电层140(如图17所示)；对该透明导电层140与该发光二极管外延层120进行蚀刻形成该接触部150，再形成该n型欧姆接触电极162于该接触部150上，该p型欧姆接触电极161于该透明导电层140上，用以提供流经该发光二极管外延层120的驱动电流(如图18所示)。最后将该基板100研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
相同的原理，第三实施例也可应用在第二实施例，在该外延区域300表面上进行蚀刻形成多个凹部，该凹部也是为直线并列，四边形、圆形及多边形阵列其中之一所组成，使该湿蚀刻溶液对该发光二极管外延层120底面进行湿蚀刻，使该发光二极管外延层120底面形成该凹凸表面121。
请参阅图19至图25，为本发明的第四实施例制造方法流程示意图。第四实施例的步骤包括有：(a)提供该基板100，于该基板100表面形成多个等距离图形排列的多个凸部112，该凸部112材料是二氧化硅(SiO2)。此时该凸部112是四边形、圆形及多边形阵列其中之一所组成(如图20、21所示，是以饼图型为说明例)，或为直线并列(如图22所示)。(b)于该基板100表面进行外延，形成该发光二极管外延层120；(c)于该发光二极管外延层120上方形成该蚀刻屏蔽层200；(d)对该蚀刻屏蔽层200与该发光二极管外延层120进行激光切割400到该基板100表面，形成该间隔缝130，且该间隔缝130使该发光二极管外延层120成矩形(如图23所示)；(e)使用湿蚀刻溶液进入该间隔缝130对该发光二极管外延层120与该凸部112进行湿蚀刻工艺，使该发光二极管外延层120从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，且该发光二极管外延层120底面形成该凹凸表面121(如图24所示)；(f)除去该蚀刻屏蔽层200，然后于该发光二极管外延层120上方形成该透明导电层140；(g)对该透明导电层140与该发光二极管外延层120蚀刻形成该接触部150，再形成该n型欧姆接触电极162于该接触部150上，该p型欧姆接触电极161于该透明导电层140上，用以提供流经该发光二极管外延层120的驱动电流(如图25所示)；最后(h)将该基板100研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
此外关于本实施例，该步骤a也可于该基板100进行蚀刻形成多个等距离图形排列的凹部取代该凸部112。
本发明的优点在于，结合外延方式及蚀刻方式，使该发光二极管外延层120从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，使发光二极管外延层120结构成为非矩形的斜面，由此改善发光二极管元件界面全反射的现象，提高发光二极管的光取出率。且本发明因为制成简单，可降低生产成本，适合产业大量生产。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。
Claims (22)
1.一种发光二极管元件的制造方法，其特征在于，步骤包括有：
(a)提供基板(100)，于所述基板(100)表面形成屏蔽层(110)，且所述屏蔽层(110)具有多个矩形露出基板(100)表面的外延区域(300)；
(b)于所述外延区域(300)进行外延，形成发光二极管外延层(120)，且每个外延区域(300)间的发光二极管外延层(120)间形成间隔缝(130)；
(c)于所述发光二极管外延层(120)上方形成蚀刻屏蔽层(200)；
(d)使用湿蚀刻溶液进入所述间隔缝(130)对所述发光二极管外延层(120)与所述屏蔽层(110)进行湿蚀刻工艺，使所述发光二极管外延层(120)从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状；
(e)除去所述蚀刻屏蔽层(200)，然后于所述发光二极管外延层(120)上方形成透明导电层(140)；
(f)对所述透明导电层(140)与所述发光二极管外延层(120)进行蚀刻形成接触部(150)，再形成n型欧姆接触电极(162)于所述接触部(150)上，p型欧姆接触电极(161)于所述透明导电层(140)上，用以提供流经所述发光二极管外延层(120)的驱动电流；及
(g)将所述基板(100)研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基板(100)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝基板其中之一。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述屏蔽层(110)材料包括二氧化硅、氮化硅与光阻剂其中之一。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述屏蔽层(110)材料包括镍、铬、铂及钛其中之一。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述湿蚀刻溶液包括温度范围在50℃至350℃加热状态的硫酸：磷酸混合液、氢氧化钾、磷酸、氢氧化钾：乙二醇混合液其中之一。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述外延区域(300)表面上进一步可由所述屏蔽层(110)材料形成多个凸部(111)，使所述湿蚀刻溶液对所述发光二极管外延层(120)底面进行湿蚀刻，使所述发光二极管外延层(120)底面形成凹凸表面(121)。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(111)是直线并列、圆形及多边形阵列其中之一所组成。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(111)是四边形。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤a可于所述基板(100)进行蚀刻形成凹槽层(170)取代所述屏蔽层(110)，且所述凹槽层(170)使所述基板(100)表面形成多个矩形的外延区域(300)。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述外延区域(300)表面上进一步可在所述基板(100)进行蚀刻形成多个凹部，使所述湿蚀刻溶液对所述发光二极管外延层(120)底面进行湿蚀刻，使所述发光二极管外延层(120)底面形成凹凸表面(121)。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述凹部为直线并列、圆形及多边形阵列其中之一所组成。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述凹部为四边形。
13.一种发光二极管元件的制造方法，其特征在于步骤包括有：
(a)提供基板(100)，于所述基板(100)表面形成多个等距离图形排列的多个凸部(112)；
(b)于所述基板(100)表面进行外延，形成发光二极管外延层(120)；
(c)于所述发光二极管外延层(120)上方形成蚀刻屏蔽层(200)；
(d)对所述蚀刻屏蔽层(200)与所述发光二极管外延层(120)进行激光切割(400)到所述基板(100)表面，形成多个间隔缝(130)，且所述间隔缝(130)使所述发光二极管外延层(120)成矩形；
(e)使用湿蚀刻溶液进入所述间隔缝(130)对所述发光二极管外延层(120)与所述凸部(112)进行湿蚀刻工艺，使所述发光二极管外延层(120)从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，且所述发光二极管外延层(120)底面形成凹凸表面(121)；
(f)除去所述蚀刻屏蔽层(200)，然后于所述发光二极管外延层(120)上方形成透明导电层(140)；
(g)对所述透明导电层(140)与所述发光二极管外延层(120)进行蚀刻形成接触部(150)，再形成n型欧姆接触电极(162)于所述接触部(150)上，p型欧姆接触电极(161)于所述透明导电层(140)上，用以提供流经所述发光二极管外延层(120)的驱动电流；及
(h)将所述基板(100)研磨，并切割崩裂形成发光二极管元件。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述基板(100)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝基板其中之一。
15.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(112)材料是包括二氧化硅、氮化硅与光阻剂其中之一。
16.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(112)材料包括镍、铬、铂及钛其中之一。
17.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(112)是直线并列、圆形及多边形阵列排列其中之一所组成。
18.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，所述凸部(112)是四边形。
19.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述湿蚀刻溶液包括温度范围在50℃至350℃加热状态的硫酸：磷酸混合液、氢氧化钾、磷酸、氢氧化钾：乙二醇混合液其中之一。
20.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述步骤a可于所述基板(100)进行蚀刻形成多个等距离图形排列的凹部取代所述凸部(112)。
21.根据权利要求20所述的制造方法，其特征在于，所述凹部是直线并列、圆形及多边形阵列排列其中之一所组成。
22.根据权利要求21所述的制造方法，其特征在于，所述凹部是四边形。
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