CN101140968B

CN101140968B - 一种具有经图案化的基底的发光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101140968B
Application number: CN200610151738A
Authority: CN
Inventors: 徐大正; 李亚儒; 杨雅兰; 苏英阳
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: CN101140968A; CN102751402B; CN102751402A

Abstract

本发明揭示具有经图案的基板的发光元件及其制造方法。该经图案的基板具有多个凹陷以散射由发光层发出的光线，该凹陷表面具有较少的晶格破坏，并且包括多个对称的斜面区。本发明同时提出以湿蚀刻方式形成经图案的基板的制造方法，即以磷酸为主的蚀刻溶液对基板蚀刻出多个凹陷，后续成长的半导体叠层可直接形成在该经图案的基板上并填入该凹陷以达到较好的光取出效率。

Description

一种具有经图案化的基底的发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光元件，尤其涉及一种具经图案化的基底的发光元件及其制造方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)由于具有省电及使用寿命长的特性，被视为节能产业的一种典型产品，未来取代传统照明市场的潜力也因而备受期待。但LED能否被广泛运用于各种照明，取决发光效率的提高和成本的下降，而提高光取出效率即为影响发光效率的重要因素。

表面粗化已被视为提高发光二极管光取出效率的有效方法之一，例如基板或最上层半导层的表面粗化。请参考图1为美国专利第6091085号所揭示具有表面粗化基板的发光元件，其中LED 10包括蓝宝石基板11和形成在其上表面的多个凸起111和多个凹陷112以散射发光层14发出的光线，进而增加光取出效率。多个凸起11 1和多个凹陷112可用机械研磨方式或离子蚀刻方式随机地在基板11与半导体层13接触的表面形成粗糙表面。此作法虽可通过基板表面粗化提高光取出效率，但基板表面同时也因如离子轰击后等粗化过程中造成基板表面的组成改变及晶格扭曲，而遭受破坏。另外，部分掩模材料或反应离子在过程中被溅击而陷入基板表面至某一深度，影响后续形成外延层的品质。至于机械研磨同样会对基板表面造成晶格结构的破坏，进而影响后续半导体层例如GaN的成长品质，降低内部量子效率。

Wang等人在Journal of The Electrochemical Society，153(3)C182-C185所发表的论文探讨一种以无掩模(maskless)方式横向再成长(Epitaxial LateralOvergrowth；ELOG)方法成长GaN层，其目的在改良传统ELOG工艺因为需要二氧化硅作为硬掩模而增加工艺复杂度，其研究主要在探讨如何在蓝宝石基板成长具有较低晶格缺陷的GaN层，特别是蓝宝石基板与GaN层的晶格不匹配(lattice mismatch)所造成穿透错位缺陷(Threading DislocationDefect；TDD)。其所揭示的方法是以湿蚀刻方式蚀刻蓝宝石基板表面以形成V型或U型沟槽，并探讨在不同蚀刻条件下所造成的蓝宝石基板裸露的晶面，对后续GaN横向再成长(Epitaxial Lateral Overgrowth；ELOG)的穿透错位缺陷密度的影响，以得到较少穿透错位缺陷的GaN层，提高外延层的品质。

发明内容

本发明提出具有经图案化的基底的发光元件，该经图案化的基底具有多个凹陷以散射由发光层发出的光线。该凹陷表面具有较少的晶格破坏，并且包括多个对称的斜面区。后续成长的半导体叠层可直接成长在该经图案化的基底上并填入该凹陷以达到较好的光取出效率。

本发明的另一目的在于提供一种具有经图案化的基底的发光元件，该经图案化的基底具有多个凹陷，该凹陷的开口图案为圆滑的封闭曲线，例如圆形或椭圆形，使凹陷具有平滑的表面。

本发明的另一目的在于提供一种具有经图案化的基底的发光元件的制造方法，该方法包括在基板上形成图案的硬掩模层，将包括图案的硬掩模层的基板以湿蚀刻方式在基板表面形成多个凹陷。湿蚀刻溶液是以磷酸为主，蚀刻时间控制在预定时间内，使凹陷具有平滑的表面，以利于后续的半导体层填入该多个凹陷，达到较好的光取出效率。

为此，本发明一方面提供一种半导体发光元件，包括：

经图案化的基底，包括多个具开口的凹陷；

半导体缓冲层，形成在该经图案化的基底上并填入该多个凹陷；

发光叠层，形成在该半导体缓冲层上，该发光叠层包括第一导电类型半导体层、活性层(或称有源层)和第二导电类型半导体层；和

第一电极与第二电极，分别与该第一导电类型半导体层和该第二导电类型半导体层电连接，

其中该凹陷的开口图案为圆滑封闭曲线，

其中该凹陷包括底部区，且该凹陷的底部区面积与该凹陷的开口面积的比值介于0.15至0.75。

本发明另一方面提供一种发光元件的制造方法，其包括下列各步骤：

形成图案的掩模层在基板上，以裸露该基板的一部分；

以湿蚀刻方式移除该裸露部分至预定深度，以形成多个具开口的凹陷；

移除该掩模层；并且

形成半导体层在该基板上使该半导体层填入该多个凹陷，

其中该凹陷的开口图案为圆滑封闭曲线，

附图说明

图1为示意图，显示依现有技术所示的发光元件；

图2A至2E为示意图，显示依本发明制造方法的各步骤示意图；

图3为示意图，显示依本发明所形成的经图案化的基底剖面及其对应的上视图；

图4揭示依本发明在不同蚀刻时间所形成的经图案化的基底对发光元件的光输出功率改善曲线；

图5揭示依本发明的发光元件所测得的驱动电流对外部量子效率的曲线；

图6揭示依本发明的发光元件所测得的驱动电流对光输出功率的曲线。

简单符号说明

10、20：发光元件； 11、21、21a：基板；

111：凸起； 112、311、312、313：凹陷；

13、241：第一电性半导体层； 14、242：活性层；

15、243：第二电性半导体层； 16、26：第二电极；

17、27：第一电极；

22、32：硬掩模层；

23：半导体缓冲层；

25：透明导电层；

28：光反射层；

311a、312a、313a：凹陷开口；

311b、312b：凹陷底部区；

311c、312c、313c：凹陷斜面区；

O：凹陷低点；

XX’：凹陷311的切面；

YY’：凹陷312的切面；

ZZ’：凹陷313的切面。

具体实施方式

请参考图2A至2E逐步说明本发明所提供的制造方法的实施例。如图2A所示，首先提供基板21，该基板21包括一种材料选自于蓝宝石、GaN、SiC、Si、GaAs及其它任何可用以在其上成长III-V族半导体的基板材料。在该基板上形成图案的硬掩模层22，其材料例如为二氧化硅，该图案的硬掩模层22的形成方法例如以传统光刻和蚀刻方式，先在该硬掩模层上形成光致抗蚀剂层，并对光致抗蚀剂层进行曝光、显影后，蚀刻硬掩模层至基板表面或过度蚀刻部分深度的基板，继而移除该光致抗蚀剂层。

请继续参考图2B，以该图案的硬掩模层22为硬掩模将硬掩模层图案以湿蚀刻方式移转至该基板21以形成经图案化的基底21a。该湿蚀刻方式包括将包括图案的硬掩模层22的基板21放置在以磷酸为主的蚀刻液中以对该基板进行湿蚀刻。为使湿蚀刻能在较高温度下进行，可添加部分硫酸以提高溶液的沸点，但磷酸和硫酸组成以磷酸的重量百分比大于硫酸为宜，例如为2∶1，以维持磷酸溶液为主要蚀刻液。操作温度范围宜于摄氏250至350度的范围，因为低温操作的蚀刻率较低，蚀刻时间相对较长；高温操作例如高于350度则不适合用于大量生产，因为高温容易造成酸液挥发，进而改变溶液浓度，造成蚀刻率不稳定，不利于生产稳定性；且高温工艺也会有生产上潜在的公安危害，及缩短溶液汰换时间(cycle time)，增加生产成本等缺点。依照本发明的实施例，在磷酸和硫酸重量百分比为2∶1且操作温度约为摄氏320度的条件下，蚀刻率约为0.6～1微米/分钟(仍取决于开口图案大小)。为使后续的半导体缓冲层较易填满经图案化的基底的凹陷，蚀刻时间可适当控制在预定时间范围内，以控制凹陷型态，例如使凹陷具有平滑底部表面。

在湿蚀刻完成后，将残存的硬掩模层22移除，形成包括多个凹陷的经图案化的基底21a，如图2C所示。各凹陷的直径范围约为0.5至10μm，深度范围约为0.025至8μm，深度与直径的比值范围则约为0.05至0.8。

接着成长半导体缓冲层23在经图案化的基底21a上，如图2D所示，该半导体缓冲层23可为包括至少一种材料选自于AlN、GaN、InGaN、AlGaN、及其它三族氮化物所组成的材料群组。在本发明的实施例中，该半导体缓冲层23大致填满该凹陷，以减少孔隙在凹陷内产生，进而减少光线在孔隙内产生全反射，使光线容易进入基板，达到较好的基板散射效果。

请继续参考图2E，在该半导体缓冲层23上依次形成发光叠层24和透明导电层25，其中该发光叠层24可为以GaN为主的氮化物结构，包括依次形成第一电性半导体层241、活性层242和第二电性半导体层243。该第一电性半导体层241可为n-型或p-型半导体层，该第二电性半导体层243则为具有与第一电性半导体层241相反电性的半导体层，该活性层242的结构可为熟知的结构如：双异质结(Double Heterojunction；DH)或多层量子阱(Multi-Quantum Well；MQW)以增加内部发光效率。该透明导电层可为金属或金属氧化物，例如Ni、Au、氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化铟锌、氧化锌铝或氧化锌锡。

接着以传统的光刻蚀刻方式进行图案，以裸露该第一电性半导体层241的一部分，之后形成第一电极27在该第一电性半导体层241之上，及形成第二电极26在该透明导电层25之上。该方法还包括在该经图案化的基底21a的下表面形成光反射层28，光反射层28包括至少一种材料选自于Sn、Al、Au、Pt、Ag、Ti、Cu、PbSn、AuZn、SiO2、Al₂O₃、SiN_x和TiO₂所构成的材料群组。

图3显示不同湿蚀刻时间对应在基板所形成的凹陷剖面型态的示意图。在本发明的实施例中，基板表面由蓝宝石C面所构成，凹陷表面图案为圆形，蚀刻条件例如磷酸和硫酸重量百分比为2∶1，操作温度约为摄氏320度。如图3所示的凹陷311、312和313分别对应蚀刻时间为60、90和120秒。凹陷311由凹陷开口311a、约为三角形的凹陷底部区311b及包围该凹陷底部区311b的三个对称斜面区311c所组成，其中该凹陷底部区311b的面积与凹陷开口311a的面积比值约为0.35，且该凹陷底部区311b包括例如蓝宝石C面(即具有{0001}晶格面)，三个对称的斜面区311c包括例如蓝宝石R面(即具有{1-102}晶格面)，其中该斜面区的剖面在靠近凹陷上端和底端均为圆滑曲线，并且在靠近底部区具有圆滑的转角。凹陷312类似于凹陷311，由凹陷开口312a、约为三角形的凹陷底部区312b及包围该凹陷底部区312b的三个对称的斜面区312c所组成，其中该凹陷底部区312b的面积与凹陷开口312a的面积比值约为0.18，且该凹陷底部区312b包括例如蓝宝石C面(即具有{0001}晶格面)，三个对称的斜面区312c包括例如蓝宝石R面(即具有 {1-102}晶格面)，其中该斜面区的剖面在靠近凹陷上端和底端均为圆滑曲线，并且在靠近底部区具有圆滑的转角。凹陷313则不同于凹陷311或312，仅由凹陷开口313a和三个对称的斜面区313b所组成，且该三个对称的斜面区313b交于凹陷低点O，其中该斜面区的剖面在靠近凹陷上端为圆滑曲线。由图3可看出随着蚀刻时间增加，凹陷底部区逐渐减少，而斜面区则随之增加，其原因为蚀刻溶液对此二个区域所具有的晶格面，例如凹陷底部区所具有的蓝宝石C面和斜面区所具有的蓝宝石R面的蚀刻率不同所造成；即蓝宝石C面的蚀刻率大于蓝宝石R面的蚀刻率。

图4为不同蚀刻时间所形成的经图案的蓝宝石基板相对于平坦蓝宝石基板(未蚀刻)对发光元件的光输出功率的效能改善曲线。由曲线可知，在蚀刻时间为30、60、90及120秒的条件下所形成的经图案化的基底，相对于平坦蓝宝石基板，对发光元件的光输出功率约有24％、16％、15％及5％的改善，其中在120秒条件下形成的凹陷较不利于后续半导体缓冲层填入凹陷，所以对光输出功率的改善幅度较不显著，但本领域的技术人员仍可通过微调外延沉积的参数，使半导体缓冲层大约填入该凹陷，达到显著的效果。因此，若适当控制蚀刻时间在预定时间内，可使该凹陷具有凹陷底部区，例如蚀刻时间控制在15秒至100秒之间所形成的凹陷，可得凹陷底部区，凹陷底部区面积与凹陷开口面积之比值约介于0.15至0.75，光输出功率可得到10％以上的提高。

图5和图6显示经图案化的基底相对于平坦基板，在不同驱动电流下，对发光元件的外部量子效率及光输出功率曲线图。由图可知依本发明所得的具有经图案化的基底的发光元件与传统的具有平面基板的发光元件比较，本发明在0至200毫安的驱动电流范围下，不管在外部量子效率或输出功率方面均有稳定的提高效果。

本发明所列举的各实施例仅为用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何修饰或变更皆不脱离本发明的权利要求。

Claims

1.一种半导体发光元件，包括：

经图案化的基底，包括多个具开口的凹陷；

发光叠层，形成在该半导体缓冲层上，该发光叠层包括第一导电类型半导体层、活性层和第二导电类型半导体层；和

其中该凹陷的开口图案为圆滑封闭曲线，

其中该凹陷还包括底部区，且该凹陷的底部区面积与该凹陷的开口面积的比值介于0.15至0.75。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该凹陷包括多个对称的斜面区。

3.如权利要求2所述的发光元件，其中该底部区与该多个对称的斜面区相邻接。

4.如权利要求3所述的发光元件，其中该底部区为平面或曲面。

5.如权利要求3所述的光元件，其中该经图案化的基底的材料包括蓝宝石。

6.如权利要求5所述的发光元件，其中该多个对称的斜面区包括至少三个对称的蓝宝石R面。

7.如权利要求5所述的发光元件，其中该底部区至少包括蓝宝石C面。

8.如权利要求1所述的发光元件，其中该凹陷的开口由圆形或椭圆形曲线所界定。

9.如权利要求8所述的发光元件，其中该凹陷的直径为0.5至10μm。

10.如权利要求9所述的发光元件，其中该凹陷的深度为0.025至8μm。

11.如权利要求10所述的发光元件，该凹陷的深度与直径之比值为0.05至0.8。

12.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光叠层包括III族氮化物。

13.一种发光元件的制造方法，其包括下列各步骤：

形成图案的掩模层在基板上，以裸露该基板的一部分；

以湿蚀刻方式移除该裸露的基板的部分至预定深度，以形成多个具开口的凹陷；

移除该掩模层；并且

形成半导体层在该基板上使该半导体层填入该多个凹陷，

其中该凹陷的开口图案为圆滑封闭曲线，

14.如权利要求13所述的制造方法，其中形成该图案的掩模层在该基板上还包括以下步骤：

形成图案的光致抗蚀剂层在掩模层上，以裸露该掩模层的一部分；

以湿蚀刻或干蚀刻方式去除该裸露的掩模层的部分，以裸露该基板的一部分；并且

移除该图案的光致抗蚀剂层。

15.如权利要求13所述的制造方法，其中所述的湿蚀刻方式是以硫酸和磷酸的混合溶液蚀刻该基板。

16.如权利要求15所述的制造方法，其中该混合溶液中磷酸的重量百分比大于硫酸的重量百分比。

17.如权利要求13所述的制造方法，其中所述的湿蚀刻方式的操作温度为摄氏250至350度。

18.如权利要求13所述的制造方法，其中该凹陷包括邻接于该底部区的多个对称的斜面区。

19.如权利要求18所述的制造方法，其中该底部区为平面或曲面。

20.如权利要求18所述的制造方法，其中该基板的材料包括蓝宝石。

21.如权利要求20所述的制造方法，其中该多个对称的斜面区包括至少三个对称的蓝宝石R面。

22.如权利要求20所述的制造方法，其中该底部区包括蓝宝石C面。

23.如权利要求13所述的制造方法，其中该凹陷的开口由圆形或椭圆形曲线所界定。

24.如权利要求23所述的制造方法，其中该凹陷的直径为0.5至10μm。

25.如权利要求24所述的制造方法，其中该凹陷的深度为0.025至8μm。

26.如权利要求25所述的制造方法，该凹陷的深度与直径之比值为0.05至0.8。

27.如权利要求13所述的制造方法，其中该半导体层包括III族氮化物。