TW201349564A

TW201349564A - 發光元件的形成方法

Info

Publication number: TW201349564A
Application number: TW101117720A
Authority: TW
Inventors: Kuan-Ting Chen; Ruei-Chin Wang; Chun-Lung Yu
Original assignee: Hong Yuan Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-12-01

Abstract

本揭露書一實施例提供一種發光元件的形成方法，包括：提供一基板；於該基板上形成一緩衝層；於該緩衝層上形成一遮罩結構，其中該遮罩結構包括複數個堆疊顆粒；於該遮罩結構上進行一蝕刻製程以移除部份的該緩衝層及部分的該基板以將該該緩衝層及該基板圖案化為複數個島狀結構；移除該遮罩結構而露出每一該些島狀結構之對應的該緩衝層；於每一該些島狀結構之對應的該緩衝層上成長具有一第一型導電性之一第一半導體層；於該第一半導體層上形成一發光層；於該發光層上形成具有一第二型導電性之一第二半導體層；以及移除該基板。

Description

發光元件的形成方法

本揭露書係有關於發光元件，且特別是有關於發光元件的形成方法。

隨著半導體科技的進步，現今的發光二極體已具備了高亮度的輸出，加上發光二極體具有省電、體積小、低電壓驅動以及不含汞等優點，因此發光二極體已廣泛地應用在顯示器與照明。

發光二極體的成長技術通常在藍寶石(sapphire)基板或碳化矽(SiC)基板上進行。然而，藍寶石基板不導電並且散熱效果不佳，使得元件效能難以提升。碳化矽基板價格高昂，使得製作碳化矽上的氮化鎵元件不符合經濟效益。再者，於上述基板磊晶成長氮化鎵元件遭遇厚度不足及/或速度過慢等問題。

有鑒於上述問題，業界亟需改良的發光二極體製作技術，期望能以較低的製程成本與時間製作品質更佳之發光二極體。

以下將詳細說明本發明實施例之製作與使用方式。然應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為製造與使用本發明之特定方式，非用以限制本發明之範圍。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層之情形。

第1A-1E圖顯示根據本揭露書一實施例之發光元件的製程剖面圖。如第1A圖所示，提供基板100。在一實施例中，基板100之材質可為(但不限於)矽、碳化矽、或氧化鋁(如，Al₂O₃)。在一實施例中，基板100可為矽晶圓、碳化矽晶圓、或氧化鋁晶圓。

接著，可於基板100之上表面上形成緩衝層102。在一實施例中，緩衝層102之材質可包括(但不限於)氮化鎵基材料。在以下的說明中，“氮化鎵基材料”係指包含氮(N)及化學元素週期表中與鎵同歸於第三族之元素(例如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In))的化合物，以及其多元化合物，例如三元化合物(例如，AlGaN)或四元化合物(例如，AlInGaN)。

在一實施例中，可例如透過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)製程而於基板100上沉積緩衝層102。例如，可將基板100置入有機金屬化學氣相磊晶系統中(metal-organic chemical vapor deposition)，並在系統中通入約100至200 sccm(standard cubic centimeter per minute)之三甲基鎵(trimethyl-gallium)、50至100 sccm的三甲基鋁(trimethyl-aluminum)及10至20公升的氨氣。系統壓力可維持於約500 mbar，而系統溫度可維持於約600至1200℃之間，以於基板100上磊晶成長以氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)所組成之緩衝層102，其鋁含量x介於0至1之間，厚度介於10埃(Angstrom)至100埃之間。藉由精準控制緩衝層102的厚度及磊晶成長條件，可提高後續形成半導體層的晶格品質。

接著，於緩衝層102上形成遮罩結構104，如第1B圖所示。遮罩結構104可包括複數個堆疊顆粒。在一實施例中，可將分散有複數個顆粒之溶液塗佈在緩衝層102之上。基於材料之特性，隨著溶劑之移除，這些顆粒會自動排列堆疊。在溶液中之溶劑自然揮發或因加熱而揮發之後，可於緩衝層102上留下堆疊的顆粒而形成遮罩結構104。在一實施例中，遮罩結構104之堆疊顆粒係週期性排列。

在一實施例中，遮罩結構104之顆粒可包括(但不限於)矽球、聚苯乙烯球、或前述之組合。在一實施例中，遮罩結構104之每一顆粒的尺寸可大抵相同。在另一實施例中，可視需求採用顆粒尺寸不同之遮罩結構。在一實施例中，遮罩結構104之每一顆粒的直徑可介於約0.1微米至約10微米之間。

接著，於遮罩結構104上進行蝕刻製程以移除部分的緩衝層102及部分的基板100，其中位於遮罩結構104之顆粒的正下方之部分的緩衝層102及部分的基板100將大抵不受到蝕刻而留下，僅遮罩結構104之顆粒彼此間之間隙正下方的緩衝層102及基板100受到蝕刻而移除。因此，透過遮罩結構104所進行之蝕刻製程可將緩衝層102及基板100圖案化為複數個島狀結構108，其中島狀結構108可由部分的基板100及其上之圖案化緩衝層102a所組成。在一實施例中，所採用之蝕刻製程為濕式蝕刻製程。在另一實施例中，所採用之蝕刻製程為乾式蝕刻製程。在又一實施例中，所採用之蝕刻製程為乾式蝕刻製程與濕式蝕刻製程之組合。

例如，第2A及2B圖分別顯示根據本揭露書實施例之發光元件的中間製程上視圖，其中相同或相似之標號用以標示相同或相似之元件。在一實施例中，遮罩結構104之顆粒可週期性排列及/或最密堆積排列。在一實施例中，遮罩結構104之堆疊顆粒的週期堆積形狀可以為(但不限於)矩陣狀或是蜂巢狀。在一實施例中，遮罩結構104之顆粒正下方所覆蓋之緩衝層102大抵不受蝕刻製程影響，而顆粒之間的間隙下之緩衝層102與下方之基板100可因蝕刻製程而至少部分被移除。

接著，如第1C圖所示，可移除遮罩結構104而露出每一島狀結構108之對應的緩衝層102a，其中每一島狀結構108與相鄰的其他島狀結構108之間間隔有間隙106。

如第1D圖所示，接著可於每一島狀結構108之對應的緩衝層102a上成長半導體層110。由於每一島狀結構108之緩衝層102a具有上表面及側表面。因此，半導體層110係於具有較高總表面積之緩衝層102a上磊晶成長，可形成出品質較佳且厚度較厚之半導體層110。在一實施例中，半導體層110與緩衝層102a之間具有界面110a。在一實施例中，可透過電子顯微鏡觀察界面110a。緩衝層102a可調和基板100與半導體層110之間的晶格匹配差異，有利於提高半導體層110的晶格品質。半導體層110可包括氮化鎵基材料層。在一實施例中，半導體層110可為摻雜有n型摻質之n型氮化鎵基材料層，例如n型的氮化鎵、氮化鋁鎵、及/或氮化銦鎵。半導體層110例如可透過有機金屬化學氣相沉積而磊晶成長於緩衝層102a之上。在一實施例中，半導體層110之厚度大於約50微米。在一實施例中，半導體層110之載子濃度大於約10¹⁷cm^-3。半導體層110之厚度及摻雜濃度可視需求而調整。

接著，可於半導體層110上形成發光層112。在一實施例中，發光層112可包括(但不限於)單一結構、雙異質結構(double-hetero structure,DH)、多重量子井結構(multi quantum well,MQW)、或前述之組合。例如，發光層112可為氮化鎵/氮化鋁_x銦_y鎵_(1-x-y)，或氮化銦_x鎵_(1-x)/氮化鎵，其中x、y介於0~1之間。

接著，可於發光層112上形成半導體層114。在一實施例中，半導體層114可為摻雜有p型摻質之p型氮化鎵基材料層，例如p型的氮化鎵、氮化鋁鎵、及/或氮化銦鎵。半導體層114例如可透過有機金屬化學氣相沉積而磊晶成長於發光層112之上。在一實施例中，半導體層114之厚度大於約200奈米。在一實施例中，半導體層114之載子濃度大於約10¹⁷cm^-3。半導體層114之厚度及摻雜濃度可視需求而調整。

然應注意的是，本發明實施例不限於此。在另一實施例中，半導體層110為p型氮化鎵基材料層，而半導體層114為n型氮化鎵基材料層。

如第1E圖所示，接著將基板100移除以利於在緩衝層102a及半導體層110上形成電極層120。在一實施例中，可直接將基板100自緩衝層102a移除。由於島狀結構108之間間隔有間隙106，基板100與緩衝層102a之間的接觸面積較小，使得基板100之移除更為容易。在另一實施例中，可對基板100重複升溫及降溫以使基板100與緩衝層102a分離。在一實施例中，可直接透過與基板100接觸之導熱盤(未顯示)而調整基板100之溫度。在另一實施例中，可對反應室(chamber)整體進行溫控。在一實施例中，可透過快速地重複升溫及降溫以使基板100與緩衝層102a分離。

在移除基板100之後，可例如透過濺鍍、蒸鍍、或其相似製程而於緩衝層102a及半導體層110上形成電極層120。電極層120之材質可視半導體層110之材質而定，一般選用具有適當功函數之金屬層。電極層120可為多種金屬層之疊層，例如(但不限於)鎳/銀/鎳/金、鎳/鋁/鎳/金、鉻/銀/鉻/金、及/或鉻/鋁/鉻/金。在一實施例中，可進一步於電極層120上設置導熱基板(未顯示)以加強發光元件之散熱，可避免發光元件因過熱而導致發光亮度衰減。

接著，可選擇性於半導體層114上形成透明導電層116。透明導電層116例如為(但不限於)氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁鋅、或前述之組合。接著，可形成電性連接半導體層114之電極層118。電極層118之材質可視半導體層114之材質而定，一般選用具有適當功函數之金屬層。。電極層118可為多種金屬層之疊層，例如(但不限於)鉻/鎳/金或鈦/鎳/金。

本發明實施例提供一種發光元件，例如垂直式氮化鎵基發光二極體及其製造方法，其可藉由在具有週期性圖形之島狀結構的晶圓基板上製作氮化鎵基發光二極體，並且將晶圓基板剝離後在氮化鎵基發光二極體兩面鍍上電極金屬形成一垂直型的氮化鎵基發光二極體，使垂直式氮化鎵基發光二極體操作時電流可以均勻分布。基板(例如，矽晶圓或氧化鋁晶圓)可用以大面積製作多個發光二極體，具有導電性及散熱性佳的優點，故可避免元件因過熱而遭發光亮度衰減的問題，且提升垂直式氮化鎵基發光二極體的操作特性。

本發明實施例透過由堆疊顆粒所構成之遮罩結構進行蝕刻製程以形成有助於基板脫離之島狀結構，不需昂貴且耗時之微影製程，可有效提升元件之效能與降低製作成本與時間。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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‧‧‧基板

102、102a‧‧‧緩衝層

104‧‧‧遮罩結構

106‧‧‧間隙

108‧‧‧島狀結構

110‧‧‧半導體層

110a‧‧‧界面

112‧‧‧發光層

114‧‧‧半導體層

116‧‧‧透明導電層

118、120‧‧‧電極層

第1A-1E圖顯示根據本揭露書一實施例之發光元件的製程剖面圖。

第2A圖顯示根據本揭露書一實施例之發光元件的中間製程上視圖。

第2B圖顯示根據本揭露書另一實施例之發光元件的中間製程上視圖。

100‧‧‧基板

102‧‧‧緩衝層

104‧‧‧遮罩結構

Claims

一種發光元件的形成方法，包括：提供一基板；於該基板上形成一緩衝層；於該緩衝層上形成一遮罩結構，其中該遮罩結構包括複數個堆疊顆粒；於該遮罩結構上進行一蝕刻製程以移除部份的該緩衝層及部分的該基板以將該緩衝層及該基板圖案化為複數個島狀結構；移除該遮罩結構而露出每一該些島狀結構之對應的該緩衝層；於每一該些島狀結構之對應的該緩衝層上成長具有一第一型導電性之一第一半導體層；於該第一半導體層上形成一發光層；於該發光層上形成具有一第二型導電性之一第二半導體層；以及移除該基板。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中該基板包括一矽晶圓或一氧化鋁晶圓。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中該第一半導體層包括一n型氮化鎵基材料層，而該第二半導體層包括一p型氮化鎵基材料層。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中該些堆疊顆粒包括二氧化矽球、聚苯乙烯球、或前述之組合。
如申請專利範圍第4項所述之發光元件的形成方法，其中每一該些堆疊顆粒的尺寸皆大抵相同。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中形成該遮罩結構的步驟包括：於該緩衝層上塗佈一溶液，其中該溶液中分散有複數個顆粒；以及使該溶液中之一溶劑揮發而於該緩衝層上留下該些堆疊顆粒。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中移除該基板之步驟包括對該基板重複升溫及降溫以使該基板與該緩衝層分離。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，其中每一該些堆疊顆粒的直徑介於約0.1微米至約10微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件的形成方法，在移除該基板之後，更包括：於該第一半導體層之一下表面上形成一第一電極層；以及於該第二半導體層之一上表面上形成一第二電極層。
如申請專利範圍第9項所述之發光元件的形成方法，更包括在形成該第二電極層之前，於該第二半導體層之該上表面上形成一透明導電層。