TW201332147A - 設有粗糙表面之發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種發光二極體及其製造方法。該製造方法係包括：於一基板上形成複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層；於該p型半導體層之上表面形成一本生氧化層；對於該本生氧化層進行光微影蝕刻處理，從而形成該p型半導體層之一粗糙表面；於該粗糙表面上形成一透明導電保護層，使該透明導電保護層與該粗糙表面相接觸；以及形成複數電極。

Description

設有粗糙表面之發光二極體及其製造方法

本發明係有關於一種發光二極體裝置及其製造方法，更有關於一種以自我光罩方式表面處理磊晶層之發光二極體裝置及其製造方法。

發光二極體(light emitting diode，簡稱LED)目前已廣泛應用於照明裝置及顯示裝置，提升發光二極體裝置之發光效率係為本技術領域持續研究及發展的目標之一。由於發光二極體內部會有複雜的內部吸收路徑，發光二極體送至外界的光線會小於發光二極體內部產生光線，因此，針對光輸出亮度的問題，主要以導電層的表面粗糙化處理(surface roughness)、改變幾何形狀(shaping)等手段進行改善，或以大面積元件(large area chip)、覆晶式元件(flip-chip)、光子晶體(photonic crystal)、共振腔(resonant cavity)發光二極體等手段來提升發光效率。例如，先前技術揭露在平坦的p型氮化鋁銦鎵磊晶層(p-AlInGaN epitaxial layer)上另行設置一p型氮化鋁銦鎵粗糙層(p-AlInGaN rough layer)以改善發光效率。

習知製造發光二極體之方法包括：於基板上磊晶、微影(lithography)、蝕刻、設置導電層及電極等步驟。於習知製程中，係於磊晶層表面覆蓋光阻層，並以曝光顯影製程定義圖案，再以該光阻層作為遮罩(mask)進行蝕刻，以於磊晶層表面產生所欲圖案或所欲結構。該遮罩材料為例如偶氮化合物(azide compounds)、酚樹脂(phenol resin)、酚醛樹脂(novolak resin)、聚甲基丙醯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丁基酮(PMIBK)等。

就習知發光二極體之製程而言，多於磊晶層與導電層形成具有特定形狀的圖案(例如多孔穴結構)，均必須使用特定圖案化之遮罩進行蝕刻處理，必須進行遮罩覆蓋步驟及圖案定義步驟，且於蝕刻完成後必須移除光罩，就製程步驟而言仍屬繁瑣，且增加製程控管的困難度。另一方面，於習知發光二極體之製程中，少有於複數磊晶層之直接進行表面處理者，就本技術領域而言，對於發光二極體製程之改良仍有其需求。

有鑑於此，本發明係提供一種發光二極體及其製造方法。依據本發明一實施例，該發光二極體之製造方法包括：於一基板上形成複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層；於該p型半導體層之上表面形成一本生氧化層(native oxide layer)；對於該本生氧化層進行蝕刻處理，從而形成該p型半導體層之一粗糙表面；於該p型半導體層之該粗糙表面上形成一透明導電保護層，使該透明導電保護層與該粗糙表面相接觸；以及形成複數電極。

依據本發明一實施例，該本生氧化層係由p型半導體層表面之氧化作用所形成。該本生氧化層之厚度為非均勻厚度，其中該本生氧化層之厚度介於約10及約1000奈米(nm)之間，且構成該本生氧化層之化合物可為氧化銦(In₂O₃)、氧化鎵(Ga₂O₃)或氧化鋁(Al₂O₃)。

另外，該透明導電保護層係選自氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、鎳(Ni)、金(Au)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、釕(Ru)、銥(Ir)或鈦(Ti)。

該蝕刻處理係以乾蝕刻或濕蝕刻之方式進行，其中該乾蝕刻包括電漿、雷射、濺鍍、離子束、反應性離子蝕刻或感應耦合電漿離子蝕刻。該濕蝕刻則以酸溶液或鹼溶液作為蝕刻劑。

該酸溶液係選自硫酸(H₂SO₄)、磷酸(H₃PO₄)、硝酸(HNO₃)、亞硝酸(HNO₂)、亞磷酸(H₃PO₃)、鹽酸(HCl)、醋酸(CH₃COOH)、碳酸(H₂CO₃)、硼酸(H₂BO₃)、甲酸(HCOOH)、碘酸(HIO₃)、草酸(H₂C₂O₄)、氯化鐵(FeCl₃)、氫氟酸(HF)、硫化氫(H₂S)、亞硫酸(H₂SO₃)、氟磺酸(HSO₃F)、烷基磺酸(RSO₃F,R=CnH_2n+1)、氧化物蝕刻劑(BOE)之一種或多種。

該鹼溶液係選自氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)₂)、四甲基銨氫氧化物(TMAH)、氫氧化銨(NH₄OH)、碳酸鈉(Na₂CO₃)、碳酸氫鈉(NaHCO₃)、碳酸鉀(K₂CO₃)、氫氧化鋇(Ba(OH)₂)之一種或多種。

本發明亦提供一種發光二極體裝置，係包括：一基板；位於該基板上之複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層，其中該p型半導體層具有凹凸不平的粗糙表面；位於該p型半導體層上之一透明導電保護層，其中該透明導電保護層與該粗糙表面相接觸；及分別接觸該n型半導體層及該透明導電保護層之複數電極。

該本生氧化層之化合物可為氧化銦、氧化鎵或氧化鋁。該透明導電保護層可為氧化銦錫、氧化鋅、鎳、金、鋁、鉻、鈀、鉑、釕、銥或鈦。而且，該粗糙表面具有不規則圖案。

以下以實施例詳細描述本發明，該等實施例係為例示性說明，而非用以限制本發明。

本發明提供一種發光二極體及其製成方法，其係對於磊晶層上所形成之本生氧化層進行蝕刻，從而於磊晶層表面形成凹凸結構(即不規則、不平坦的表面)，藉以提升發光二極體之發光效率。

具體言之，本發明之方法係包括於圖案化基板上形成複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層可為n型與p型接面(p-n junction)結構，依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層。接著，該p型半導體層之上表面可經氧化而形成氧化物之薄層，即所稱本生氧化層。直接對於該本生氧化層進行蝕刻處理，藉此於該p型半導體層上形成凹凸不平的粗糙表面。於該p型半導體層之粗糙表面上形成一透明導電保護層。接著，設置電極而完成該發光二極體裝置。

以下稱「第三族氮化化合物」係指包含氮(N)及化學元素週期表中歸於第三族元素(例如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In))的化合物、以及其三元化合物(例如AlGaN、AlInGaN)。

請參照第1圖至第5圖，其繪示依據本發明一實施例製造發光二極體的流程示意圖。參照第1圖，首先將一基板11置入磊晶沈積系統，例如有機金屬化學汽相沉積(MOCVD)系統。為利於磊晶的成長，該基板11的上表面可為經圖案化的表面，以呈現凹凸不平面。該圖案化基板11之材料係選自藍寶石基板(Al₂O₃ substrate)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅或其它適合的基板材料。

於該基板11之上表面以磊晶沈積(例如有機金屬化學氣相沈積)形成以第三族氮化合物(例如氮化鎵、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN))組成的多層磊晶結構，依序包括未摻雜緩衝層12、n型半導體層13、發光層14及p型半導體層15。該發光層14可為多重量子井(Multiple Quantum Well,MQW)所組成。依設計需求，該多層磊晶結構亦可包含其它材料層，亦可以複數組半導體層或複數主動層之更複雜之結構應用於該發光層。

參照第2圖，對於該p型半導體層15之上表面自然氧化作用以形成該半導體材料之氧化物之薄層，例如氧化銦、氧化鎵或氧化鋁之薄層，即本生氧化層15a。於一實施例中，亦可將該元件暴露於氧氣環境中進行氧化作用，可生成厚度低於1000奈米(nm)的本生氧化層15a。該本生氧化層15a具有非均勻厚度。於一實施例中，該本生氧化層15a之厚度為約10奈米至約1000奈米。於實施例中，該本生氧化層15a作為自然光罩層(Nature Mask Layer)以進行後續製程步驟，其非刻意圖案化光罩，主要用於粗糙化p型半導體層15。

針對該本生氧化層，可參照第7圖原子鍵結結構示意圖，氧原子與該p型半導體層所包含之第III族元素(例如：鎵、鋁、銦)之原子經自然氧化作用，而以共價鍵鍵結形成氧化物，即本生氧化層之組成分。於部分實施例中，氧原子亦可與該p型半導體層表面之氮原子進行氧化作用而形成本生氧化層。

接著，將第2圖所示之元件直接進行蝕刻處理，而無須先行於該p型半導體層15或該本生氧化層15a之上表面刻意覆蓋圖案化遮罩。於實施例中，該蝕刻步驟可以乾蝕刻或濕蝕刻方式進行。

乾蝕刻之方式，參照第3A圖，可利用例如電漿(plasma)、雷射(laser)、濺鍍(sputter)、離子束(ion beam)、反應性離子蝕刻(reactive ion etching)或感應耦合電漿離子蝕刻(inductively coupled plasma reactive ion etching)等方式。

濕蝕刻，參照第3B圖，係使用蝕刻劑對於氮化物半導體具有選擇性蝕刻的特性。於一實施例中，該蝕刻劑為酸溶液，係選自硫酸、磷酸、硝酸、亞硝酸、亞磷酸、鹽酸、醋酸、碳酸、硼酸、甲酸、碘酸、草酸、氫氟酸、硫化氫、亞硫酸、氟磺酸、任何烷基磺酸、氧化物蝕刻劑之一種或多種混合物。於另一實施例中，該蝕刻劑為鹼溶液，係選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、四甲基銨氫氧化物、氫氧化銨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、氫氧化鋇之一種或多種混合物。

於一實施例中，係以濕蝕刻之方式對於暴露於外的該本生氧化層15a進行蝕刻。於此蝕刻步驟中，可將具有磊晶層之基板11浸漬於以強酸組成之蝕刻劑，其中該蝕刻溶液的溫度介於約5℃與約200℃之間，且該強酸可選自上述化學種類。由於該本生氧化層15a的厚度不均勻，作為自我遮罩層進行蝕刻時，會造成蝕刻深度的差異，而使得該p型半導體層15的上表面在去除該本生氧化層15a之後形成如第4圖所示之凹凸不平的結構，即粗糙表面15b，該粗糙表面15b因此具有不規則之任意圖案(irregular random patterns)。

續參照第5圖，於該p型半導體層15之粗糙表面15b上形成透明導電保護層16，使該透明導電保護層16直接接觸該p型半導體層15之粗糙表面15b，其中該透明導電保護層16為低缺陷密度，可保護該p型半導體層粗糙表面15b不再氧化。於一實施例中，該透明導電保護層16之材料可選自氧化銦錫、氧化鋅、鎳、金、鋁、鉻、鈀、鉑、钌、銥或鈦、或其他適當材料。

在前述蝕刻及設置透明導電保護層之步驟中，係以蝕刻處理破壞氧原子與第III族原子的共價鍵結，使得共價鍵斷裂後，氧原子離開該p型半導體層之表面，而該p型半導體層之第III族原子形成懸鍵(Dangling Bond)，進而與該透明導電保護層形成良好的歐姆接觸(Ohmic Contact)。

接著，可將該元件以例如蝕刻處理以暴露部分n型半導體層，並利用例如電子槍蒸鍍(electron-beam evaporation)或其它適合的沈積方法，在該透明導電保護層16及被暴露的部分該n型半導體層13上分別設置電極17、18，藉此完成如第6圖所示之發光二極體結構1。作為陽極之電極17係接觸該透明導電保護層16，作為陰極之電極18則接觸該n型半導體層13。因此形成之發光二極體結構1在發光區L中的該p型半導體層15設有粗糙表面15b，可增加元件的光萃取效率，進而提升該發光二極體的亮度達約5至約10%。

另外，依據本發明之製成方法，無須刻意於蝕刻步驟中另行設置圖案化遮罩，因此不需要圖案化遮罩設置及後續遮罩移除的繁瑣步驟，可達到精簡製程步驟、降低成本、縮短製程時間、並可提升元件亮度等優點。

雖本發明之內容依據前開圖式與較佳實施例揭露如前述，但吾人應瞭解，其內容並非在於限制本發明之範疇。其實施之替換系統與方式已為前開敘述所建議，並易由習知技藝之人士思及其他替換之系統與方式。依據本發明之結構與方法之精神而創造任何具有實質上相同於本發明功用結果者，均不脫離本發明創作之範疇；因此，所有此等替換與修改，均係意欲落在本發明之申請專利範圍與說明書、以及其均等系統及方法之範疇之中。

1．．．發光二極體結構

11．．．基板

12．．．緩衝層

13．．．N型半導體層

14．．．發光層

15．．．P型半導體層

15a．．．本生氧化層

15b．．．粗糙表面

16．．．透明導電保護層

17、18．．．電極

L．．．發光區

第1圖繪示依據本發明製造方法的一實施例在基板上形成複數磊晶層結構的示意圖。

第2圖繪示依據本發明製造方法的一實施例形成本生氧化層的示意圖。

第3A及3B圖繪示依據本發明製造方法的一實施例於複數磊晶層上進行蝕刻處理的示意圖。

第4圖繪示依據本發明製造方法的一實施例於複數磊晶層上形成一粗糙表面的示意圖。

第5圖繪示依據本發明製造方法的一實施例於複數磊晶層上形成透明導電保護層的示意圖。

第6圖繪示依據本發明所製造的發光二極體的示意圖。

第7圖繪示依據本發明形成本生氧化層的原子鍵結結構示意圖。

1．．．發光二極體

11．．．基板

12．．．緩衝層

13．．．n型半導體層

14．．．發光層

15．．．p型半導體層

15b．．．粗糙表面

16．．．透明導電保護層

17、18．．．電極

Claims (15)

1. 一種發光二極體之製造方法，係包括：於一基板上形成複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層；於該p型半導體層之上表面形成一本生氧化層；對於該本生氧化層進行蝕刻處理，從而形成該p型半導體層之一粗糙表面；於該粗糙表面上形成一透明導電保護層，使該透明導電保護層與該粗糙表面相接觸；以及形成複數電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該本生氧化層係來自p型半導體層表面之氧化作用。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該本生氧化層之厚度為非均勻厚度。
4. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該本生氧化層之厚度介於約10及約1000奈米之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中構成該本生氧化層之化合物係選自氧化銦、氧化鎵或氧化鋁。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製成方法，其中該透明導電保護層係選自氧化銦錫、氧化鋅、鎳、金、鋁、鉻、鈀、鉑、釕、銥或鈦。
7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該蝕刻處理係以乾蝕刻或濕蝕刻之方式進行。
8. 如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該乾蝕刻包括電漿、雷射、濺鍍、離子束、反應性離子蝕刻或感應耦合電漿離子蝕刻。
9. 如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該濕蝕刻係以酸溶液或鹼溶液作為蝕刻劑。
10. 如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中該酸溶液係選自硫酸、磷酸、硝酸、亞硝酸、亞磷酸、鹽酸、醋酸、碳酸、硼酸、甲酸、碘酸、草酸、氯化鐵、氫氟酸、硫化氫、亞硫酸、氟磺酸、烷基磺酸、氧化物蝕刻劑之一種或多種。
11. 如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中該鹼溶液係選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、四甲基銨氫氧化物、氫氧化銨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、氫氧化鋇之一種或多種。
12. 一種發光二極體，係包括：一基板；位於該基板上之複數磊晶材料層，該複數磊晶材料層依序包括緩衝層、n型半導體層、發光層、及p型半導體層，其中該p型半導體層具有凹凸不平的粗糙表面；位於該p型半導體層上之一透明導電保護層，其中該透明導電保護層與該粗糙表面相接觸；及分別接觸該n型半導體層及該透明導電保護層之複數電極。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該凹凸不平的粗糙表面之形成方法選自乾蝕刻或濕蝕刻。
14. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該透明導電保護層係選自氧化銦錫、氧化鋅、鎳、金、鋁、鉻、鈀、鉑、釕、銥或鈦。
15. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該粗糙表面具有不規則圖案。