TW201334218A - 發光半導體之圖案化基材及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種發光半導體之圖案化基材之上表面設有複數個凸出體，每一凸出體具有一大致平坦的頂面及複數個弧形凸出側壁。
Description
本發明是有關於一種發光半導體之圖案化基材及其製造方法，且特別是有關於一種發光二極體之圖案化基材及其製造方法。
發光二極體用於照明必須提升其發光效率，而提高發光效率最常見的作法之一，就是將磊晶片表面上做粗化，以減少從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時發生全反射現象。因為如果光的入射角大於逃逸角錐(Escape Cone)之臨界角(Critical Angle)時，會產生內部全反射(Total Internal Reflection)現象，對於高折射係數之半導體而言，其臨界角都非常小，所以大部份從主動區所發射的光線，將被侷限(Trapped)於半導體內部，這種被侷限的光有可能會被較厚的基板所吸收。
另一種作法係將藍寶石基板進行圖案化(Patterned Sapphire Substrate；PSS)製程，圖案化藍寶石基材是採用平面藍寶石基材，透過半導體製程先定義出規則排列的圖案，再利用乾或濕蝕刻製程，製作成有規則的圖案化藍寶石基材，透過圖案化藍寶石基材藉以控制發光二極體的發光形式，可以減少差排密度、改善晶體的品質，來提升發光二極體的內部量子效率。圖案化藍寶石基材的凹凸結構也可以散射光線(Scattering Light)，增加光萃取效率(Extraction Efficiency)，因此能夠增加發光二極體的發光效率。然而，圖案化藍寶石基材的設計於各廠家設計不同，也產生不同的光萃取效率或功能，在光萃取效率還是有提昇的空間。
因此，本發明之一目的是在提供一種改良的發光半導體之圖案化基材及其製造方法。
根據上述本發明之目的，提出一種發光半導體之圖案化基材，圖案化基材之上表面設有複數個凸出體，每一凸出體具有一大致平坦的頂面及複數個弧形凸出側壁。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該些弧形凸出側壁的數目。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於凸出體之一橫切面輪廓的邊數，頂面與橫切面大致平行。
依據本發明另一實施例，圖案化基材為藍寶石基材或含矽基材。
根據上述本發明之目的，提出一種發光半導體裝置，其包含一圖案化基材、一第一型半導體層、一主動發光層以及一第二型半導體層。圖案化基材之上表面設有複數個凸出體，每一凸出體具有一大致平坦的頂面及複數個弧形凸出側壁。第一型半導體層位於圖案化基材之上。主動發光層位於第一型半導體層之上。第二型半導體層位於主動發光層之上。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該些弧形凸出側壁的數目。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於凸出體之一橫切面輪廓的邊數，頂面與橫切面大致平行。
依據本發明另一實施例，圖案化基材為藍寶石基材或含矽基材。
依據本發明另一實施例，第一型半導體層為N型半導體層而第二型半導體層為P型半導體層，或第一型半導體層為P型半導體層而第二型半導體層為N型半導體層。
根據上述本發明之目的，提出一種製造發光半導體之圖案化基材的方法，其包含以下步驟。提供一發光半導體基材；形成一蝕刻阻擋層於發光半導體基材上；形成一光阻層於蝕刻阻擋層上；使用一奈/微米壓印模具或微影製程圖案化光阻層，使光阻層形成複數個多邊形的光阻圖案；使用該些圖案化後的光阻圖案層為遮罩，對蝕刻阻擋層及發光半導體基材進行一乾蝕刻，而形成複數個多邊形凸出體於該發光半導體基材表面上；移除位於該些多邊形凸出體之頂面的光阻層及蝕刻阻擋層；微影製程需再針對該些多邊形凸出體之側面進行一濕蝕刻，使每一多邊形凸出體具有複數個弧形凸出側壁。
依據本發明另一實施例，乾蝕刻係為電漿蝕刻、離子轟擊蝕刻或反應離子蝕刻(RIE)製程。
依據本發明另一實施例，濕蝕刻使用的蝕刻液為加熱之混合酸性溶液，其中混合酸性溶液包含如磷酸和硫酸。
依據本發明另一實施例，其中該蝕刻阻擋層係為二氧化矽及氮化矽所構成之族群。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該些弧形凸出側壁的數目。
依據本發明另一實施例，凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於凸出體之一橫切面輪廓的邊數，頂面與橫切面大致平行。
依據本發明另一實施例，發光半導體基材係為藍寶石基材或含矽基材。
由上述可知，應用本發明之發光半導體之圖案化基材及其製造方法，使圖案化基材之上表面的凸出體具有複數個弧形凸出側壁，更有助於增加發光半導體裝置的光萃取效率，同時增強發光半導體裝置的正向光及側向光的光強度。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例的一種發光半導體裝置的剖面示意圖。發光半導體裝置100基本上包含一圖案化基材102、一第一型半導體層104、一主動發光層106以及一第二型半導體層108。圖案化基材102之上表面設有複數個凸出體103，藉以增加發光半導體裝置的光萃取效率。在本實施中，第一型半導體層104為N型半導體層而第二型半導體層108為P型半導體層，或第一型半導體層104為P型半導體層而第二型半導體層108為N型半導體層。此外，在本實施例中，圖案化基材102係為藍寶石基材或含矽基材，但並不限制於上述材質。關於凸出體103的結構細節，請參照以下說明。
請同時參照第2A、2B圖，第2A圖係繪示依照本發明一實施例的圖案化基材上的凸出體的上視圖。第2B圖係繪示第2A圖之凸出體的立體圖。凸出體103基本上為一近似布丁狀的凸出體或近似錐狀的凸出體，其具有一大致平坦的頂面103a及複數個弧形凸出側壁103b。在本實施例中，凸出體的頂面103a輪廓的邊數少於該些弧形凸出側壁103b的數目。
請參照第3圖，其繪示依照本發明另一實施例的圖案化基材上的凸出體的上視圖。第3圖之凸出體與第2A或2B圖之凸出體差異在於：第3圖之凸出體的頂面103a輪廓的邊數等於該些弧形凸出側壁103b的數目，而第2A或2B圖之凸出體的頂面103a輪廓的邊數少於該些弧形凸出側壁103b的數目。
根據實驗結果顯示，凸出體103之弧形凸出側壁103b較習知的平坦側壁更有助於增加發光半導體裝置的光萃取效率。以下為實驗室實做結果，如下表所示，係凸出體分別為『正六角錐狀具有平坦側壁(習知的凸出體)』和『錐狀且具有複數個弧形凸出側壁(例如上述第2A、2B圖之凸出體)』的測試結果之比較表格，其中相同密度及高度之『複數個弧形凸出側壁』所造成發光半導體的發光強度較『平坦側壁』高，探究其原因為『複數個弧形凸出側壁』增加圖案的側壁的表面積，改變光線於側壁之反射角度，因此可增強正向光的強度。
請參照第7圖，其繪示本發明一實施例的一種發光半導體裝置的光強空間分佈圖。此圖亦為凸出體分別為『正六角錐狀具有平坦側壁』和『錐狀且具有複數個弧形凸出側壁』的測試結果之比較。當圖案化藍寶石基板之凸出體具有複數個弧形凸出側壁時，其側向光的強度也因複數個弧形凸出側壁之表面積增加，而較凸出體具有『平坦側壁』時，更能增加發光二極體裝置之側出光的效率。
請參照第4圖，其繪示第2B圖或第3圖之凸出體的橫切面。此橫切面103c係平行第2B圖或第3圖之凸出體103的頂面103a之視圖。若比較凸出體103的頂面103a與橫切面103c可知，頂面103a之輪廓的邊數會少於或等於橫切面103c輪廓之輪廓的邊數(請同時參照第2B圖或第3圖)。以下製造發光半導體之圖案化基材的方法將詳述凸出體的形成方法。
請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例的一種製造發光半導體之圖案化基材的方法流程圖。圖式中每一步驟所對應的圖式為該步驟執行中或執行後的剖面示意圖。
在步驟A中，提供一發光半導體基材502，且形成一蝕刻阻擋層504於發光半導體基材502上。在本實施例中，發光半導體基材502係為藍寶石基材或含矽基材，但並不限制於上述材質。蝕刻阻擋層504可以是二氧化矽、氮化矽等材料，但亦不限制於上述材質。
在步驟B中，形成一光阻層506於蝕刻阻擋層504上。光阻層506之材質可以是任何適用於微影製程的材質，在此不再一一贅述。
在步驟C中，使用一微影製程以圖案化光阻層，其中微影製程可為一曝光微影製程，配合一光罩508讓光阻層圖案化，使圖案化之光阻層506形成複數個規則排列之多邊形光阻圖案。在本實施例中，光罩508的多邊形的光阻圖案係以正六邊形為例(請參照第5A圖中的光阻圖案508a)。
在步驟D中，使用圖案化後的光阻圖案層506’為遮罩層，對蝕刻阻擋層504進行乾蝕刻形成圖案化的蝕刻阻擋層504’。在本實施例中，乾蝕刻係為電漿蝕刻、離子轟擊蝕刻或反應離子蝕刻(RIE)製程。
在步驟E中，使用圖案化後的光阻圖案層506’為光阻圖案層，繼續對發光半導體基材502進行乾蝕刻。在本步驟中，蝕刻阻擋層504’的作用亦為『蝕刻遮罩』，與光阻圖案層506’的功能類似，藉以加厚遮罩的厚度，預防光阻圖案層506’在乾蝕刻過程中被耗盡，使待蝕刻材料和阻擋層有較佳的選擇蝕刻比。在本實施例中，乾蝕刻同樣係為電漿蝕刻、離子轟擊蝕刻或反應離子蝕刻(RIE)製程。發光半導體基材502的上表面在乾蝕刻後會形成截面近似梯形的凸出體503。
上述的步驟D及步驟E在執行時可依實際製程需求而連續執行或分開執行。
在步驟F中，移除位於多邊形凸出體503之頂面的光阻層及蝕刻阻擋層，而裸露出發光半導體基材502的上表面。
在步驟G中，針對多邊形凸出體503之側面進行一濕蝕刻，使每一多邊形凸出體503具有複數個弧形凸出側壁(請同時參照第2A、2B圖之凸出體103)。在本實施例中，針對藍寶石基材或含矽基材，濕蝕刻使用的蝕刻劑為加熱之混合酸性溶液，例如含有混合的磷酸和硫酸，但亦不限制於這些酸性溶液。多邊形凸出體503之側面進行濕蝕刻後，會使凸出體503的該些弧形凸出側壁的數目大於頂面輪廓的邊數(請同時參照第2A、2B圖之凸出體103)。若以藍寶石基材作為發光半導體基材時，可針對多邊形凸出體503之藍寶石基材之R面進行濕蝕刻，使該些弧形凸出側壁增加。
請參照第6圖，其繪示依照本發明另一實施例的一種製造發光半導體之圖案化基材的方法流程圖。圖式中每一步驟所對應的圖式為該步驟執行中或執行後的剖面示意圖。第6圖之實施例與第5圖之實施例最大的差異在於使用奈/微米壓印模具來製作圖案化光阻層，而非使用微影製程圖案化光阻層。
在步驟A中，提供一發光半導體基材602，且形成一蝕刻阻擋層604於發光半導體基材602上。在本實施例中，發光半導體基材602係為藍寶石基材或含矽基材，但並不限制於上述材質。蝕刻阻擋層604可以是二氧化矽、氮化矽等材質，但亦不限制於上述材質。
在步驟B中，形成一光阻層606於蝕刻阻擋層604上。光阻層606之材質可以是任何適用於奈/微米壓印的材質，在此不再一一贅述。
在步驟C中，使用一奈/微米壓印模具608來圖案化光阻層606，使光阻層606形成複數個多邊形的光阻圖案。在本實施例中，奈/微米壓印模具608的多邊形的光阻圖案係例如是第6A圖中的壓印圖案608a或第6B圖中的壓印圖案608b。
在步驟D中，移除奈/微米壓印模具608以裸露出圖案化後的光阻圖案層606’。
在步驟E中，使用圖案化後的光阻圖案層606’為光阻圖案層，對蝕刻阻擋層及發光半導體基材進行乾蝕刻，而形成圖案化的蝕刻阻擋層604’及凸出體603。在本實施例中，乾蝕刻係為電漿蝕刻、離子轟擊蝕刻或反應離子蝕刻(RIE)製程。在本步驟中，圖案化的蝕刻阻擋層604’的作用亦為『蝕刻遮罩』，與光阻圖案層606’的功能類似，藉以加厚遮罩的厚度，預防光阻圖案層606’在乾蝕刻過程中被磨耗。發光半導體基材602的上表面在乾蝕刻後會形成凸出體603。
在步驟F中，移除位於多邊形凸出體603之頂面的光阻層及蝕刻阻擋層，而裸露出發光半導體基材602的上表面。若奈/微米壓印模具608之壓印圖案為第6A圖中的壓印圖案608a，在步驟F後的多邊形凸出體603即可具有複數個弧形凸出側壁(請同時參照第3圖之凸出體103)。在本實施例中，若無針對多邊形凸出體603之側面進行濕蝕刻(例如使用奈/微米壓印模具608之壓印圖案為第6A圖中的壓印圖案608a)，多邊形凸出體603的頂面輪廓的邊數會等於該些弧形凸出側壁的數目(請同時參照第3圖之凸出體103)。
若奈/微米壓印模具608之壓印圖案為第6B圖中的壓印圖案608b，則需另外執行第5圖之步驟G，針對多邊形凸出體603之側面進行一濕蝕刻，使每一多邊形凸出體603具有複數個弧形凸出側壁(請同時參照第2A、2B圖之凸出體103)。多邊形凸出體603之側面進行濕蝕刻後，會使凸出體603的該些弧形凸出側壁的數目大於其頂面輪廓的邊數(請同時參照第2A、2B圖之凸出體103)。
由上述本發明實施例可知，應用本發明之發光半導體之圖案化基材及其製造方法，使圖案化基材之上表面的凸出體具有複數個弧形凸出側壁，增強光在內部散射的效率，有助於增加發光半導體裝置的光萃取效率，同時增強發光半導體裝置的正向光及側向光強度。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．發光半導體裝置
102．．．圖案化基材
103．．．凸出體
103a．．．頂面
103b．．．弧形凸出側壁
103c．．．橫切面
104．．．第一型半導體層
106．．．主動發光層
108．．．第二型半導體層
502．．．發光半導體基材
503．．．凸出體
504．．．蝕刻阻擋層
504’．．．蝕刻阻擋層
506．．．光阻層
506’．．．光阻圖案層
508．．．光罩
508a．．．光阻圖案
602．．．發光半導體基材
603．．．凸出體
604．．．蝕刻阻擋層
604’．．．蝕刻阻擋層
606．．．光阻層
606’．．．光阻圖案層
608．．．奈/微米壓印模具
608a．．．壓印圖案
608b．．．壓印圖案
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種發光半導體裝置的剖面示意圖。
第2A圖係繪示依照本發明一實施例的圖案化基材上的凸出體的上視圖。
第2B圖係繪示第2A圖之凸出體的立體圖。
第3圖係繪示依照本發明另一實施例的圖案化基材上的凸出體的上視圖。
第4圖係繪示第2B圖或第3圖之凸出體的橫切面。
第5圖係繪示依照本發明一實施例的一種製造發光半導體之圖案化基材的方法流程圖。
第5A圖係繪示第5圖中使用的光罩之圖案的放大圖。
第6圖係繪示依照本發明另一實施例的一種製造發光半導體之圖案化基材的方法流程圖。
第6A圖係繪示第6圖中使用的奈/微米壓印模具之一種圖案的放大圖。
第6B圖係繪示第6圖中使用的奈/微米壓印模具之另一圖案的放大圖。
第7圖係繪示本發明一實施例的一種發光半導體裝置的光學量測結果。
103．．．凸出體
103a．．．頂面
103b．．．弧形凸出側壁
Claims (13)
- 一種發光半導體之圖案化基材，該圖案化基材之上表面設有複數個凸出體，每一該凸出體具有一大致平坦的頂面及複數個弧形凸出側壁。
- 如請求項1所述之發光半導體之圖案化基材，其中該凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該些弧形凸出側壁的數目。
- 如請求項1所述之發光半導體之圖案化基材，其中該凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該凸出體之一橫切面輪廓的邊數，該頂面與該橫切面大致平行。
- 如請求項1所述之發光半導體之圖案化基材，其中該圖案化基材係為藍寶石基材或含矽基材。
- 一種發光半導體裝置，包含：一種如請求項1～4任一項所述之發光半導體之圖案化基材；一第一型半導體層，位於該圖案化基材上；一主動發光層，位於該第一型半導體層上；以及一第二型半導體層，位於該主動發光層上。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光半導體裝置，其中該第一型半導體層為N型半導體層而該第二型半導體層為P型半導體層，或該第一型半導體層為P型半導體層而該第二型半導體層為N型半導體層。
- 一種製造發光半導體之圖案化基材的方法，包含：提供一發光半導體基材；形成一蝕刻阻擋層於該發光半導體基材上；形成一光阻層於該蝕刻阻擋層上；使用一奈/微米壓印模具或微影製程圖案化該光阻層，使該光阻層形成複數個多邊形的光阻圖案；使用該些圖案化後的該光阻圖案層為遮罩，對該蝕刻阻擋層及發光半導體基材進行一乾蝕刻，而形成複數個多邊形凸出體於該發光半導體基材表面上；移除位於該些多邊形凸出體之頂面的該光阻層及該蝕刻阻擋層；以及針對該些多邊形凸出體之側面進行一濕蝕刻，使每一該多邊形凸出體具有複數個弧形凸出側壁。
- 如請求項7所述之方法，其中該乾蝕刻係為電漿蝕刻、離子轟擊蝕刻或反應離子蝕刻製程。
- 如請求項7所述之方法，其中該濕蝕刻使用的蝕刻劑為加熱之混合酸性溶液。
- 如請求項7所述之方法，其中該蝕刻阻擋層係選二氧化矽及氮化矽所構成之族群。
- 如請求項7所述之方法，其中該凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該些弧形凸出側壁的數目。
- 如請求項7所述之方法，其中該凸出體的頂面輪廓的邊數等於或少於該凸出體之一橫切面輪廓的邊數，該頂面與該橫切面大致平行。
- 如請求項7~12項中任一項所述之方法，其中該發光半導體基材係為藍寶石基材或含矽基材。
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