CN101414653A - 发光二极管结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管结构及制造方法，是将基板放置于溶液内进行反应，使其切割道区域的表面自然形成化学反应层，然后通过选择性蚀刻，使切割道区域的表面形成多个凹部与凸部，再利用磊晶成长技术，成长半导体层结构于该基板表面的元件区域与切割道区域；然后再利用黄光微影制程，使元件区域上的半导体层结构形成发光二极管元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管结构及制造方法，尤其涉及一种在切割道区域的表面形成多个凹部与凸部的发光二极管结构及制造方法。
背景技术
为了实现固态照明，开发以及改善发光二极管的发光效率便成为当务之急。改善发光二极管的发光效率的方式可分成两部分：其一为提高发光二极管的内部量子效率；其二为增加发光二极管的外部量子效率(光取出率)。
在外部量子效率方面，因为一般半导体材料与封装材料的折射率相差甚多，使得全反射角小，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发光二极管晶粒内部。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。
因此，改变发光二极管元件的几何形状是一个有效提升发光效率的方法一在光取出率方面。根据美国专利US7,075,115，该专利所批漏的技术是一种于发光二极管元件周围具备凹凸几何形状的半导体发光元件，相较于发光二极管元件周围是平坦形状情况下，横方向传播的光可以被这些凹部或凸部影响，从而产生散射或绕射效果，大幅提高外部量子效率。
但是，该专利制造这些凹部或凸部几何形状的方法，是先形成钝化层结构于发光二极管的半导体层表面，再利用使用黄光微影方式，图案定义出这些凹部或凸部几何形状，再利用干蚀刻或湿蚀刻方式对发光二极管元件周围的半导体层上蚀刻出这些凹部或凸部结构。此种制造过程不但繁琐费时，亦会增加不少成本，相当不符合发光二极管的商业应用。
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结构及制造方法，于基板的切割道表面自然形成化学反应层，利用该化学反应层为自然蚀刻遮罩，通过湿蚀刻或干蚀刻法，形成具凹凸表面的不规则几何形状于该基板的切割道区域表面上，再利用磊晶成长方式，自然形成周围具备凹凸几何形状的半导体发光元件，提升发光二极管的外部量子效率，适合商业上的大量生产。
本发明的发光二极管的制造方法包括：先提供基板，该基板表面成长钝化层，并将该钝化层图形化，定义出被该钝化层覆盖的元件区域与外露该基板表面的切割道区域，其中该基板是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝、氮化镓基板其中之一。将该基板放置于第一溶液内进行反应，使该切割道区域外露的基板表面自然形成高密度的化学反应层，然后以该钝化层与该化学反应层作为遮罩，对该基板的切割道区域进行选择性蚀刻，其蚀刻法可为干式蚀刻法或湿式蚀刻法，使该切割道区域无该化学反应层之处形成多个凹部与上方有该化学反应层的凸部。
再将该基板放置于第二溶液内蚀刻，除去该化学反应层，使该基板的切割道区域表面形成具有凹部与凸部的不规则几何形状，然后除去该钝化层，且将该基板表面清洁干净。接下来，于该基板的表面利用磊晶成长技术，成长半导体层结构于该基板表面的元件区域与切割道区域，且该切割道区域上的半导体层结构表面具有多个半导体层凹部与半导体层凸部。最后再利用黄光微影制程，使元件区域上的半导体层结构形成发光二极管元件。
该半导体层结构是依序磊晶结合至少一层n型半导体层、一层活性层与至少一层p型半导体层，其中该活性层作为发光区形成于该n型半导体层与该p型半导体层之间；且通过黄光微影制程，使元件区域上的半导体层结构的该p型半导体层与p型欧姆接触电极电性连接，且该n型半导体层与n型欧姆接触电极电性连接，用以对该发光二极管元件提供顺向偏压，而该切割道区域被蚀刻至该n型半导体层，且该n型半导体层表面具有多个半导体层凹部与半导体层凸部。
其中该第一溶液和第二溶液是酸性溶液族群、碱性溶液族群至少一种材料及其族群的组合其中之一。该酸性溶液族群是氢氟酸(HF)、硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、王水(Aqua regia)、二氧化硅蚀刻剂(Buffered Oxide Etch，BOE)、铝蚀刻液(Al Etchant)、过氧化氢(H2O2)、甲酸(HCOOH)、乙酸(CH3COOH)、丁二酸(C4H6O4)及柠檬酸(Citric Acid)。该碱性溶液族群是氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵溶液(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)。
而该基板放置于该第一溶液的时间是1秒至200分钟，该基板放置于该第二溶液的时间是1秒至200分钟，而该凹部与凸部的高度差为0.1微米至15微米。
经由上述方法所形成的发光二极管结构，其中该基板表面分为元件区域与切割道区域，且该切割道区域表面形成具有凹部与凸部的不规则几何形状；以及利用磊晶成长技术，成长该半导体层结构于该基板表面的元件区域与切割道区域，再利用黄光微影制程，使元件区域上的半导体层结构形成该发光二极管元件。
本发明的优点在于利用一种新颖制程方式于切割道表面自然形成该化学反应层，利用该化学反应层做为自然蚀刻遮罩，通过湿蚀刻或干蚀刻法，形成不同凹凸面的不规则几何形状于该基板切割道表面上，再利用磊晶成长方式，自然形成周围具备凹凸几何形状的半导体发光元件，通过这些凹部与凸部结构对发光二极管元件内部光的散射、绕射效果，可减少半导体层与基板的界面中光横向传播的情况，减少全反射的机率，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为本发明的基板表面钝化层图形化的示意图；
图2为本发明的基板表面产生化学反应层与蚀刻后的结构示意图；
图3为本发明的切割道区域具凹部与凸部的结构示意图；
图4为本发明的基板表面磊晶半导体层的结构示意图；
图5为本发明的发光二极管结构的示意图。
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，此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。
请参阅图1至图5所示。本发明的发光二极管的制造方法包括：首先提供基板10，基板10是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝、氮化镓基板其中之一。于基板10表面成长钝化层11，并将钝化层11图形化，定义出被钝化层11覆盖的元件区域101与外露基板10表面的切割道区域102(如图1所示)。
然后将基板10放置于第一溶液内进行反应，使切割道区域102外露的基板10表面自然形成高密度的化学反应层103。基板10放置于该第一溶液的时间是1秒至200分钟。然后以钝化层11与化学反应层103作为遮罩，对基板10的切割道区域102进行选择性蚀刻，使切割道区域102无化学反应层103之处形成多个具有凹部104与上方有化学反应层103的凸部105(如图2所示)。
以基板10是蓝宝石基板(Al2O3)为说明例(以下说明该基板10都以蓝宝石基板(Al2O3)为说明例)，将蓝宝石基板(Al2O3)放置于硫酸(H2SO4)(96％)中(以硫酸做为第一溶液)，液体温度约25～400℃，反应时间从1秒至200分钟，基板10切割道区域102的表面会形成高密度纳米等级的化学反应层103(Al2(SO4)3或Al2(SO4)·17H2O等)。然后以化学反应层103作为遮罩，对基板10进行选择性蚀刻，可使用干蚀刻法或湿蚀刻法。
以湿式蚀刻蓝宝石基板(Al2O3)为例，可使其表面形成凹部104与凸部105。又以改变蓝宝石基板在第一溶液如硫酸(H2SO4)的蚀刻时间为例，从2.5分钟至20分钟，基板10可以形成不同的平均蚀刻深度(average etching deep)，平均颗粒大小(average grainsize)，密度(density)，以及表面粗糙度根均方值(RMS roughness)的基板10。经由原子力显微镜观察基板表面，整理如下表：
| 蚀刻时间(min) | 平均深度(μm) | 平均颗粒大小(μm) | 密度(1/μm2) | 表面粗糙度根均方值(nm) |
| 2.5 | 0.360 | 5.36 | 0.0092 | 106.24 |
| 5.0 | 0.683 | 6.04 | 0.0096 | 207.30 |
| 10.0 | 1.759 | 12.30 | 0.0108 | 471.15 |
| 20.0 | 2.351 | 15.03 | 0.0080 | 700.77 |
再将被蚀刻后的基板10放置于第二溶液内蚀刻，用以除去化学反应层103，形成具有凹部104与凸部105的不规则几何形状于基板10的切割道区域102表面。以该第二溶液是磷酸(H3PO4)为说明例，该温度可为25℃至400℃，基板10放置于该第二溶液的时间是1秒至200分钟，以可以将化学反应层103除干净为主。然后也除去钝化层11，且将基板10表面清洁干净，维持基板10的元件区域101表面的平坦性。
最后于基板10的元件区域101表面上形成发光二极管的半导体层结构20，半导体层结构20是依序磊晶结合至少一层n型半导体层21、一层活性层22与至少一层p型半导体层23，其中活性层22作为发光区形成于n型半导体层21与p型半导体层23之间(如图4所示)。半导体层结构20在基板10的元件区域101表面会维持其平坦性，而在切割道区域102表面的半导体层结构20(n型半导体层21、活性层22与p型半导体层23)磊晶后会依凹部104与凸部105的不规则几何形状产生凹凸不平的各层，形成多个半导体层凹部204与半导体层凸部205。
最后，通过黄光微影制程使元件区域101上的半导体层结构20形成发光二极管元件30。即使元件区域101上的半导体层结构20上的p型半导体层23与p型欧姆接触电极32电性连接，而n型半导体层21通过接触窗与n型欧姆接触电极31电性连接，用以对发光二极管元件30提供顺向偏压。而切割道区域102的半导体层结构20被蚀刻至n型半导体层21，且n型半导体层21表面具有多个半导体层凹部214与半导体层凸部215。
通过这些凹部104、凸部105、半导体层凹部214与半导体层凸部215结构。半导体层结构20内部的活性层22所发出的光将会被基板10上的凹部104与凸部105结构，与n型半导体层21上的半导体层凹部214与半导体层凸部215结构散射或绕射，减少全反射的机率，使射向基板10上方或下方的光束增加，可提高发光二极管元件30的光取出率，增加总发光量。
经由上述方法所形成的发光二极管的结构，其包括基板10，基板10其表面分为元件区域101与切割道区域102，且切割道区域102表面形成具有凹部104与凸部105的不规则几何形状；以及利用磊晶成长技术，成长半导体层结构20于基板10表面的元件区域101与切割道区域102，且于切割道区域102上的半导体层结构20表面形成多个半导体层凹部204与半导体层凸部205，再利用黄光微影制程，使元件区域101上的半导体层结构20形成发光二极管元件30，而切割道区域102的半导体层结构20被蚀刻至n型半导体层21，且n型半导体层21表面具有多个半导体层凹部214与半导体层凸部215。
本发明的精神在于切割道区域102的表面自然形成化学反应层103，然后通过选择性蚀刻，使基板10的切割道区域102表面具有凹部104与凸部105结构，再利用磊晶成长技术，于切割道上的半导体层表面自然形成不规则的凹凸几何形状。通过这些凹部104与凸部105结构，与这些半导体层凹部214与半导体层凸部215，可以使发光二极管元件30内部的光于这些凹部104、凸部105、半导体层凹部214与半导体层凸部215处产生散射、绕射效果，可减少n型半导体层21与基板10的界面中光横向传播的情况，减少全反射的机率，提高发光二极管元件30的光取出率。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。
Claims (13)
1.一种发光二极管结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供基板(10)，其表面成长钝化层(11)，并将所述钝化层(11)图形化，定义出被所述钝化层(11)覆盖的元件区域(101)与外露所述基板(10)表面的切割道区域(102)；
将所述基板(10)放置于第一溶液内进行反应，使所述切割道区域(102)外露的基板(10)表面自然形成高密度的化学反应层(103)；
然后以所述钝化层(11)与所述化学反应层(103)作为遮罩，对所述基板(10)的切割道区域(102)进行选择性蚀刻，使所述切割道区域(102)无所述化学反应层(103)之处形成多个具有凹部(104)与上方有所述化学反应层(103)的凸部(105)；
再将所述基板(10)放置于第二溶液内蚀刻，除去所述化学反应层(103)，使所述基板(10)的切割道区域(102)表面形成具有凹部(104)与凸部(105)的不规则几何形状；
除去所述钝化层(11)，且将所述基板(10)表面清洁干净；
于所述基板(10)的表面利用磊晶成长技术，成长半导体层结构(20)于所述基板(10)表面的元件区域(101)与切割道区域(102)，且所述切割道区域(102)上的半导体层结构(20)具有多个半导体层凹部(204)与半导体层凸部(205)；以及
利用黄光微影制程，使元件区域(101)上的半导体层结构(20)形成发光二极管元件(30)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基板(10)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝、氮化镓基板其中之一。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一溶液和第二溶液是酸性溶液族群、碱性溶液族群至少一种材料及其族群的组合其中之一。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述酸性溶液族群是氢氟酸、硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、王水、二氧化硅蚀刻剂、铝蚀刻液、过氧化氢、甲酸、乙酸、丁二酸及柠檬酸。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述碱性溶液族群是氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化铵、氢氧化四甲基铵溶液。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基板(10)放置于所述第一溶液的时间是1秒钟至200分钟。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基板(10)放置于所述第二溶液的时间是1秒至200分钟。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述凹部(104)与凸部(105)的高度差为0.1微米至15微米。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述半导体层结构(20)是依序磊晶结合至少一层n型半导体层(21)、一层活性层(22)与至少一层p型半导体层(23)，其中所述活性层(22)作为发光区形成于所述n型半导体层(21)与所述p型半导体层(23)之间；且通过黄光微影制程，使元件区域(101)上的半导体层结构(20)上的所述p型半导体层(23)与p型欧姆接触电极(32)电性连接，所述n型半导体层(21)与n型欧姆接触电极(31)电性连接，用以对所述发光二极管元件(30)提供顺向偏压，而所述切割道区域(102)被蚀刻至所述n型半导体层(21)，且所述n型半导体层(21)表面具有多个半导体层凹部(214)与半导体层凸部(215)。
10.一种发光二极管结构，其特征在于，包括：
基板(10)，其表面分为元件区域(101)与切割道区域(102)，且所述切割道区域(102)表面形成具有多个凹部(104)与凸部(105)的不规则几何形状；以及
发光二极管元件(30)，是利用磊晶成长技术，成长半导体层结构(20)于所述基板(10)表面的元件区域(101)与切割道区域(102)，且所述切割道区域(102)上的半导体层结构(20)具有多个半导体层凹部(204)与半导体层凸部(205)，再利用黄光微影制程，使元件区域(101)上的半导体层结构(20)形成所述发光二极管元件(30)。
11.根据权利要求10所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板(10)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝、氮化镓基板其中之一。
12.根据权利要求10所述的发光二极管结构，其特征在于，所述凹部(104)与凸部(105)的高度差为0.1微米至15微米。
13.根据权利要求10所述的发光二极管结构，其特征在于，所述半导体层结构(20)是依序磊晶结合至少一层n型半导体层(21)、一层活性层(22)与至少一层p型半导体层(23)，其中所述活性层(22)作为发光区形成于所述n型半导体层(21)与所述p型半导体层(23)之间；且通过黄光微影制程，使元件区域(101)上的半导体层结构(20)上的所述p型半导体层(23)与p型欧姆接触电极(32)电性连接，所述n型半导体层(21)与n型欧姆接触电极(31)电性连接，用以对所述发光二极管元件(30)提供顺向偏压，而所述切割道区域(102)被蚀刻至所述n型半导体层(21)，且所述n型半导体层(21)表面具有多个半导体层凹部(214)与半导体层凸部(215)。
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