CN102412349A - 半导体发光元件制造方法与半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体发光元件制造方法与半导体发光元件，上述元件包括磊晶结构、第一电极、功能结构以及第一开口构造，上述方法包括提供基板；在基板上形成磊晶结构，磊晶结构包括第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层，该磊晶结构通过第一表面接触该基板；进行电极形成步骤，以在第一型掺杂层的第二表面上形成第一电极；进行功能结构形成步骤，通过原位形成方法在第一电极的上方形成功能结构；进行移除步骤，移除基板而露出磊晶结构，以形成暴露的磊晶结构；以及对于该暴露的磊晶结构进行蚀刻步骤，以便于进一步暴露出第一电极的至少部分表面。采用本发明半导体发光元件制造方法与半导体发光元件，可有效简化现有技术手段过于复杂的制程步骤。

Description

半导体发光元件制造方法与半导体发光元件

技术领域

本发明是关于一种半导体发光元件制造方法与半导体发光元件，且特别是关于应用于发光二极管制作上的一种半导体发光元件制造方法与半导体发光元件。

背景技术

请参考图1A，图1A是水平式发光二极管的构造示意图，水平式发光二极管1包括磊晶基板11，自磊晶基板11向上磊晶成长的磊晶结构12，以及设置在磊晶结构12上，用以提供电能的电极单元13。磊晶基板11由易于供氮化镓系半导体材料磊晶成长的材料，例如蓝宝石（sapphire）或碳化硅构成。

磊晶结构12通常是选自氮化镓系半导体材料自磊晶基板11向上磊晶形成n型掺杂层121及p型掺杂层122，提供电能时n型掺杂层121及p型掺杂层122接面处所构成的发光区123将产生电子-电洞复合现象，导致电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量。目前发光区123是以多量子井（Multiple Quantum Well，简称MQW）结构来形成，用以在空间上限制电子电洞的运动，使得电子和电洞有较高的机率相碰而复合，进而增强发光效率。

而上述电极单元13包括第一电极131和第二电极132，分别与n型掺杂层121和p型掺杂层122形成欧姆接触，进而对磊晶结构12提供电能。当对第一、二电极131、132施加电压时，电流自第二电极132向磊晶基板11方向向下行进后再于磊晶结构12中水平分散流通，而使磊晶结构12以光电效应产生光子，进而向外发光，这也是水平式发光二极管的命名由来。

水平式发光二极管的优势在于制作过程简单，然而，目前氮化镓水平式发光二极管的基板，仍以不具导电性的蓝宝石基板（sapphire substrate）为主，因此元件的正、负电极必须制作在同一侧（共平面电极），这种电极配置形式势必存在电流均匀性的问题，严重的会发生电流壅塞现象（current crowding），以及所造成的非均匀出光及热堆积（thermal accumulation）等问题，导致发光二极管的发光效效率低，甚至造成元件的损坏。

一般来说，要减缓电流壅塞现象可以通过改善电极配置或改变其几何形状来实现，例如使用延展P 及N 电极的长度，以增加电流由P 电极到N电极路径，避免单一路径过度拥挤。目前常用的技术有指叉式 （finger）电极以改善电流的均匀性（参考图1B所示），虽然较多的指叉状结构可以得到较均匀的电流分布，但过多的指叉状结构会因为遮光效应使得光输出面积减少。因此，另一种改善上述缺失的垂直式结构发光二极管便被发展出来。

请参考图2，图2是垂直式发光二极管的构造示意图，垂直式发光二极管2包括磊晶结构22以及设置在磊晶结构22上，用以提供电能的电极单元23。磊晶结构22同样可选自氮化镓系半导体材料自磊晶基板（图未示）向上磊晶形成n型掺杂层221、多量子井（MQW）结构223及p型掺杂层222。然后再将磊晶基板剥除后接合上电极单元23，电极单元23包括第一电极231和第二电极232，分别与n型掺杂层221和p型掺杂层222形成欧姆接触，而第二电极232还可贴合到散热基板24，增加散热效率。当对第一、二电极231、232施加电压时，电流呈垂直方向流通。于是，发展出的垂直式发光二极管（vertical LED）虽然有效改善了传统的水平式发光二极管的电流聚积、非均匀出光，与热堆积的问题，但是仍然有电极遮光效应，减少发光面积，而且，无可避免地，制程步骤将较为繁复，而且以贴合方式形成的第二电极232与散热基板24，容易因贴合制程的高热而破坏磊晶结构22。由上述说明可知，目前无论是传统的水平式发光二极管，或是为了改善水平式发光二极管所发展出的垂直式发光二极管，都各有优缺点存在而难以周全，故本发明再提出关于发光二极管的新制造方法与结构，用以改善现有技术的缺失。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种半导体发光元件制造方法及半导体发光元件，可有效简化现有技术手段过于复杂的制程步骤。

本发明的半导体发光元件制造方法，包括：提供基板；在基板上形成磊晶结构，磊晶结构包括第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层，该磊晶结构通过第一表面接触该基板；进行电极形成步骤，以在第一型掺杂层的第二表面上形成第一电极；进行功能结构形成步骤，通过原位形成方法在第一电极的上方形成功能结构；进行移除步骤，移除基板而暴露出磊晶结构，以形成暴露的磊晶结构；以及对于该暴露的磊晶结构进行蚀刻步骤，以便于进一步暴露出第一电极的至少部分表面。

在本发明的一个实施例中，前述的第一表面是第一型掺杂层接触基板的接触面，并且第一表面与第二表面相对。

在本发明的一个实施例中，前述的磊晶结构还包括接触层，其位于第一型掺杂层与基板之间，接触层包括下列族群中之一或者其任意组合：未掺杂层（undoped layer）、缓冲层（buffer layer）以及超晶格层（super lattice layer）。

在本发明的一个实施例中，前述的第一表面是该接触层接触基板的接触面。

在本发明的一个实施例中，前述的移除步骤是暴露上述磊晶结构的第一表面，且蚀刻步骤是由第一表面蚀刻磊晶结构。

在本发明的一个实施例中，前述的移除步骤同时包括粗化上述磊晶结构，以便于在进行后续的蚀刻步骤之前，暴露出经粗化的磊晶结构。

在本发明的一个实施例中，在前述的移除步骤之后，还包括粗化步骤以粗化上述暴露的磊晶结构，以在进行后续的蚀刻步骤之前，形成经粗化的磊晶结构。

在本发明的一个实施例中，在前述的电极形成步骤中，还可包括在第二型掺杂层的第三表面上形成第二电极。

在本发明的一个实施例中，在前述的蚀刻步骤中，还可包括暴露出第二电极的至少部分表面。

在本发明的一个实施例中，前述的基板可为蓝宝石基板或碳化硅基板，磊晶结构可为发光二极管构造。

在本发明的一个实施例中，前述的第一型掺杂层可为n型掺杂层（n-type layer），而第二型掺杂层可为p型掺杂层 （p-type layer）。

在本发明的一个实施例中，前述的第一型掺杂层也可为p型掺杂层 （p-type layer），而第二型掺杂层则为n型掺杂层（n-type layer）。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构形成步骤可包括下列子步骤：在电极的上方形成绝缘层；在绝缘层的上方形成反射层；在反射层的表面上形成种子层；以及在种子层的表面上形成永久基板，其中所有子步骤使用上述原位形成方法。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构形成步骤可包括下列子步骤：在电极的上方形成绝缘层；在绝缘层的上方形成反射层；以及在种子层的表面上形成永久基板，其中所有子步骤使用上述原位形成方法。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构形成步骤可包括下列子步骤：在电极的上方形成绝缘层；以及在绝缘反射层的表面上形成永久基板，其中所有子步骤使用上述原位形成方法。

在本发明的一个实施例中，前述的原位形成方法包括下列族群中之一或者其任意组合：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）、电镀以及无电电镀。

本发明还提供一种半导体发光元件，包括：磊晶结构，该磊晶结构包括第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层；第一电极，形成在第一型掺杂层的第一表面上；功能结构，原位形成在第一电极的上方；以及第一开口构造，穿过第一型掺杂层而露出第一电极的至少部分表面。

在本发明的一个实施例中，前述的半导体发光元件还可包括形成在第二型掺杂层的第三表面上的第二电极。

在本发明的一个实施例中，前述的半导体发光元件还可包括第二开口构造，其穿过第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层而露出第二电极的至少部分表面。

在本发明的一个实施例中，前述的磊晶结构可为发光二极管构造。

在本发明的一个实施例中，前述的第一型掺杂层可为n型掺杂层（n-type layer），而第二型掺杂层可为p型掺杂层 （p-type layer）。

在本发明的一个实施例中，前述的第一型掺杂层也可为p型掺杂层 （p-type layer），而第二型掺杂层则为n型掺杂层（n-type layer）。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构可包括：原位形成于电极的上方的绝缘层；原位形成于绝缘层的上方的反射层；原位形成于反射层的表面上的种子层；以及原位形成于种子层的表面上的永久基板。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构可包括：原位形成于电极的上方的绝缘层；原位形成于绝缘层的上方的反射层；以及原位形成于反射层的表面上的永久基板。

在本发明的一个实施例中，前述的功能结构可包含：原位形成于电极的上方的绝缘反射层；以及原位形成于绝缘反射层的表面上的永久基板。

本发明的有益效果是，采用本发明实施例的半导体发光元件制造方法与半导体发光元件，因功能结构都可以用原位形成的方式来直接形成，例如物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）、电镀以及无电电镀。而不需要额外进行贴合与组装的制程，因此可有效简化现有技术手段过于复杂的制程步骤。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1A是现有的水平式发光二极管的构造示意图。

图1B是现有的水平式发光二极管中指叉式电极的构造示意图。

图2是现有的垂直式发光二极管的构造示意图。

图3A-3G是本发明半导体发光元件制造方法的较佳实施例的示意图。

图4A是本发明半导体发光元件制造方法的较佳实施例的功能结构中绝缘层的另一实施例的构造示意图。

图4B是本发明半导体发光元件制造方法的较佳实施例的功能结构中绝缘层的又一实施例的构造示意图。

图5A-5B是在同一基板上同时制作多个本发明所提出的发光二极管结构的示意图。

图6显示去除本发明部分功能结构而形成第二开口构造的实施例的构造示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的半导体发光元件制造方法与半导体发光元件的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参见图3A-3E，首先提供基板30，并在基板30上形成至少一组磊晶结构，磊晶结构通过第一表面312接触基板30；磊晶结构301包括第一型掺杂层31、发光区33以及第二型掺杂层32。然后，将第一电极34与第二电极35分别形成于第一型掺杂层31的第二表面311以及第二型掺杂层32的第三表面321上；在本实施例中，第一表面312是第一型掺杂层31接触基板30的接触面，并且第一表面312与第二表面311相对。

请参见图3B，值得注意的是，磊晶结构可以还包括接触层31’，其位于第一型掺杂层31与基板30之间，接触层包括下列族群中之一或者其任意组合：未掺杂层（undoped layer）、缓冲层（buffer layer）以及超晶格层（super lattice layer）。在另一实施例中，第一表面312’是接触层31’接触基板30的接触面。

上述基板30可以是常见的蓝宝石或是碳化硅所形成的磊晶基板，而磊晶结构可形成基本的发光二极管构造，其中第一型掺杂层31可为n型掺杂层（n-type layer），而第二型掺杂层是p型掺杂层 （p-type layer），至于发光区33位于两个掺杂层的接面处，可用多量子井（Multiple Quantum Well，简称MQW）结构来形成。当然，第一型掺杂层31可改为p型掺杂层 （p-type layer），而第二型掺杂层32为n型掺杂层（n-type layer）。

  其次，请参考图3A与图3C，在上述掺杂层与电极的上方，通过原位形成方法进行功能结构形成步骤，以形成功能结构36，功能结构包括绝缘层361、反射层362、种子层363以及永久基板364。其中先在第一型掺杂层31与第一电极34的上方覆盖绝缘层361，再在绝缘层361与第二型掺杂层32与第二电极35上覆盖反射层362，然后在反射层362的表面上再形成种子层363，接着在种子层363的表面上形成永久基板364。其中绝缘层361的材料可选择二氧化硅，而反射层362的材料则可选择钛/铝金属层或是钛/银金属层，种子层363的材料可选择金（Au），厚度约为150奈米（nm）左右；如果反射层362为导体，种子层可通过电镀或无电电镀方式形成。至于永久基板364可通过电镀铜（Cu）的方式形成，厚度约为50~100微米（um），或是通过化学气相沉积法以原位形成二氧化硅的永久基板。

接着，请参考图3D，以雷射剥离技术（Laser Lift-off，LLO）或化学蚀刻分离技术（CLO）来移除基板30。上述移除步骤可以同时包括粗化原本接触基板的第一表面312，以便于暴露出经粗化的磊晶结构表面，定义为第一粗化表面为314，以便于进行后续的蚀刻步骤。

参考图3E所示，将整个结构翻转180度后对第一型掺杂层31的第一粗化表面314的部份区域进行蚀刻而形成第一开口构造38，用以至少露出第一电极34的部份表面341。然后，请参考图3F，可以对第一型掺杂层31的第一粗化表面314进一步进行粗糙化制程，以形成第二粗化表面316，藉此增加出光效率。上述图3E与图3F的顺序也可以相反。

当上述反射层362、种子层363以及永久基板364的材质均为导体时，图3F所示的结构形成垂直式发光二极管。

值得注意的是，本发明所提供的第一开口构造38，用以至少露出第一电极34的部份表面341，在实际应用时，部份表面341的面积可以远小于第一电极34的面积。如同前文所述，发光二级体必须延展P 及N 电极的长度，以减缓电流壅塞现象，然而，大电极面积会造成遮光效应；相对地，本发明将电极翻转后，可以小面积蚀刻磊晶层（以形成小面积的第一开口构造38，露出第一电极34的部份表面341），提供后续与外部连线电性连接，因此，可以制作超低遮光的发光二极管。

图3F所示的结构，露出第一电极34的部份表面341的蚀刻可用常见的干蚀刻来完成。而第一粗化表面314的粗糙化制程（以形成第二粗化表面316）则可用摄氏130度的磷酸来进行处理，或是可用摄氏80度的氢氧化钠来进行处理。

图3G所示的结构，永久基板364可以直接接触散热器37 （heat sink），以快速传导热量。

由上可知，前述功能结构36，包括绝缘层361、反射层362、种子层363以及永久基板364都可以用原位形成方法来直接形成，例如物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）、电镀或无电电镀。而不需要额外进行贴合与组装的制程，因此可有效简化现有技术手段过于复杂的制程步骤。而且功能结构36可视需求而选用其中几层即可，例如只形成绝缘层361、反射层362以及永久基板364或是只形成绝缘层361以及永久基板364。因为反射层362主要是当作反射镜面（mirror）来用，用以增加出光效率，反射镜面（mirror）可直接镀上钛/铝镜面或是钛/银镜面而形成，例如：钛的厚度约为10奈米（nm），银的厚度约为300奈米（nm），其中钛的功能为增加附着性。值得注意的是，反射镜面不一定为导体，也可以使用分布型布拉格反射镜（distributed Bragg reflector, DBR）做为绝缘反射层，配合其它结构设计，可形成水平式发光二极管。

再请参考图4A所示，其为在上述功能结构36中绝缘层361的另一实施例构造示意图，绝缘层361可披覆至第二型掺杂层32但露出第二电极35。另外，图4B所示则为本发明另一实施例的构造示意图，当反射层362为与第二型掺杂层32相配的导体时，便可把第二电极35省略，而直接利用反射层362与第二型掺杂层32间良好的欧姆接触而完成电极的工作。

再请参考图5A和图5B，其为在同一基板上重复制作多个本发明所提出的发光二极管结构的示意图，其显示多个外露的第一电极34的部份表面341。而再通过并联电极50的制作，便可将同一基板上的多个发光二极管结构形成并联，制作超低遮光的垂直式发光二极管阵列（array）。

图6显示去除部分功能结构而形成第二开口构造60来露出第二电极35的部分表面351的结构示意图。如前文所述，如果配合以非导体的分布型布拉格反射镜（distributed Bragg reflector, DBR）来形成反射镜面362，本发明也可制作成水平式发光二极管的构造。

综上所述，采用本发明半导体发光元件制造方法所形成的发光二极管结构具有下列特色：1.可为超低遮光垂直式发光二极管。2.电路可以制作于永久基板364上。3.反射层362除了可提供反射镜面功能，还可同时提供欧姆接触与直接接触至第二型掺杂层32来传导热量。4.绝缘层361/反射层362可形成全方位镜面（omni-directional reflector;简称ODR），只要符合绝缘层361厚度为光线波长/（4n）即可。5.与覆晶式结构（Flip-chip）制程相比较，本发明半导体发光元件制造方法无需进行电路对位。6.永久基板可以直接接触散热器（heat sink），以快速传导热量。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (23)

1.一种半导体发光元件制造方法，其特征是，所述半导体发光元件制造方法包括：

提供基板；

在所述基板上形成至少一组磊晶结构，所述磊晶结构包括第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层，所述磊晶结构通过其第一表面接触该基板；

进行电极形成步骤，以在所述第一型掺杂层的第二表面上形成第一电极；

进行功能结构形成步骤，通过原位形成方法在所述第一电极的上方形成功能结构；

进行移除步骤，移除所述基板而暴露出所述磊晶结构，以形成暴露的磊晶结构；以及

对于所述暴露的磊晶结构进行蚀刻步骤，以便于进一步暴露出所述第一电极的至少部分表面。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述第一表面是所述第一型掺杂层接触所述基板的接触面，并且所述第一表面与所述第二表面相对。

3.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述磊晶结构还包含接触层，其位于所述第一型掺杂层与所述基板之间，所述接触层包括下列族群中之一或者其任意组合：未掺杂层（undoped layer）、缓冲层（buffer layer）以及超晶格层（super lattice layer）。

4.根据权利要求3所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述第一表面是所述接触层接触所述基板的接触面。

5.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述移除步骤是暴露所述磊晶结构的所述第一表面，并且所述蚀刻步骤是由所述第一表面蚀刻所述磊晶结构。

6.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述移除步骤同时包括粗化所述磊晶结构，以便于在进行后续的蚀刻步骤之前，暴露出经粗化的磊晶结构。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：在所述移除步骤之后，还包括粗化步骤以粗化所述暴露的磊晶结构，以在进行后续的蚀刻步骤之前，形成经粗化的磊晶结构。

8.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：在所述电极形成步骤中，还包括在所述第二型掺杂层的第三表面上形成第二电极。

9.根据权利要求8所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：在所述蚀刻步骤中，还包括暴露出所述第二电极的至少部分表面。

10.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述第一型掺杂层是n型掺杂层（n-type layer），而所述第二型掺杂层是p型掺杂层 （p-type layer）。

11.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述第一型掺杂层是p型掺杂层 （p-type layer），而所述第二型掺杂层是n型掺杂层（n-type layer）。

12.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述功能结构形成步骤包括下列子步骤：

在所述电极的上方形成绝缘层；

在所述绝缘层的上方形成反射层；

在所述反射层的表面上形成种子层；以及

在所述种子层的表面上形成永久基板；

其中上述所有子步骤使用所述原位形成方法。

13.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述功能结构形成步骤包括下列子步骤：

在所述电极的上方形成绝缘层；

在所述绝缘层的上方形成反射层；以及

在所述种子层的表面上形成永久基板；

其中上述所有子步骤使用所述原位形成方法。

14.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述功能结构形成步骤包括下列子步骤：

在所述电极的上方形成绝缘反射层；以及

在所述绝缘反射层的表面上形成永久基板；

其中上述所有子步骤使用该原位形成方法。

15.根据权利要求1所述的半导体发光元件制造方法，其特征是：所述原位形成方法包括下列族群中之一或者其任意组合：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）、电镀以及无电电镀。

16.一种半导体发光元件，其特征是，所述半导体发光元件包括：

磊晶结构，所述磊晶结构包括第一型掺杂层、发光区以及第二型掺杂层；

第一电极，形成于所述第一型掺杂层的第一表面上；

功能结构，原位形成于所述第一电极的上方；以及

第一开口构造，穿过所述第一型掺杂层而露出所述第一电极的至少部分表面。

17.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述半导体发光元件还包括第二电极，形成在所述第二型掺杂层的第三表面上。

18.根据权利要求17所述的半导体发光元件，其特征是：所述半导体发光元件还包括第二开口构造，穿过所述第一型掺杂层、所述发光区以及所述第二型掺杂层而露出所述第二电极的至少部分表面。

19.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述第一型掺杂层是n型掺杂层（n-type layer），而所述第二型掺杂层是p型掺杂层 （p-type layer）。

20.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述第一型掺杂层是p型掺杂层 （p-type layer），而所述第二型掺杂层是n型掺杂层（n-type layer）。

21.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述功能结构包括：

原位形成于所述电极的上方的绝缘层；

原位形成于所述绝缘层的上方的反射层；

原位形成于所述反射层的表面上的种子层；以及

原位形成于所述种子层的表面上的永久基板。

22.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述功能结构包括：

原位形成于所述电极的上方的绝缘层；

原位形成于所述绝缘层的上方的反射层；以及

原位形成于所述反射层的表面上的永久基板。

23.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征是：所述功能结构包括：

原位形成于所述电极的上方的绝缘反射层；以及

原位形成于所述绝缘反射层的表面上永久基板。

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