TW201351696A - 高光取出率發光二極體的製作方法 - Google Patents

Abstract

一種高光取出率發光二極體的製作方法，包含(a)自一基材表面形成一第一蝕刻層及一第一光阻層，令該第一光阻層形成一第一遮罩圖案。(b)對該第一遮罩圖案進行熱整形。(c)令該第一蝕刻層形成複數第一透光錐。(d)於該基材及第一透光錐的表面形成一底膜，再於該底膜表面形成一第二蝕刻層及一第二光阻層，令該第二光阻層形成一第二遮罩圖案。(e)對該第二遮罩圖案進行熱整形，令該第二蝕刻層形成複數第二透光錐，再於該底膜及第二透光錐的表面形成一頂膜，完成一第一型半導體層。(f)於該第一型半導體層表面形成一發光層及一第二型半導體層，完成該發光單元。

Description

高光取出率發光二極體的製作方法

本發明是有關於一種發光二極體的製作方法，特別是指一種具有高光取出率發光二極體的製作方法。

參閱圖1，發光二極體具有一磊晶基板11、一發光單元12，及一電極單元13。該發光單元12具有一形成於該磊晶基板11上的一第一型半導體層121、一形成於該第一型半導體層121部分表面的發光層122，及一形成於該發光層122表面的第二型半導體層123，該電極單元13具有一與該第一型半導體層121連接的第一電極131，及一與該第二型半導體層123連接的第二電極132。當外界經由該第一、二電極131、132配合提供電能至該發光單元12時，該發光層122會以光電效應發光。

一般發光二極體的光電效率是以外部量子效率表示，而外部量子效率又為內部量子效率與光取出率的乘積；其中，光取出率則為該發光層122產生的光子與成功離開半導體光電元件內部之光子量的比值。然而以目前發光層122常用的GaN類半導體材料為例，GaN的折射率(n)約為2.5，空氣為1，因此由該發光層122產生的光在接觸該發光層122與空氣的介面時，大部分的光會因為全反射 而無法向外發出，使得該發光二極體實際的光取出率只有4%，而無法有效提升發光二極體的光電效率。

目前常用來提升發光二極體光取出率的方法，大都是以蝕刻方式在發光二極體的磊晶基板11表面形成規則或不規則形狀的粗化結構，或藉由改變發光單元12出光面的結構，減少光的全反射作用，以提升發光二極體的光取出效率。然而，以蝕刻方式對發光單元12進行粗化後製得的發光二極體元件，在電性表現方面有顯著的不良影響；而以蝕刻磊晶基板11形成粗化結構的方式，則因目前用於發光二極體的磊晶基板11大多是由矽、碳化矽、氧化鋁等材料構成，因此，以蝕刻該磊晶基板11形成粗化結構的方式，不僅需耗費較多的製程時間，且所形成之粗化結構的精度也不易控制，而容易有亮度不均勻的問題產生。

因此，本發明之目的，即在提供一種製程簡便且具有高光取出率發光二極體的製造方法。

於是，本發明高光取出率發光二極體的製作方法，包含以下六個步驟。

(a)自一基材表面依序形成一第一蝕刻層及一第一光阻層，其中，該第一蝕刻層是由與該基材不同且折射率低於該基材的材料構成，接著，以微影製程令該第一光阻層形成一第一遮罩圖案。

(b)將該第一遮罩圖案的基材實質加熱至不高於該第一光阻層構成材料的玻璃轉換溫度，對該第一遮罩圖 案進行熱整形。

(c)以該經過熱整形的第一遮罩圖案為遮罩，利用乾式蝕刻方式，令該第一蝕刻層形成複數個彼此間隔且概呈錐狀的第一透光錐，之後移除該第一遮罩圖案。

(d)於該基材及該些第一透光錐的表面形成一由第一型半導體材料構成的底膜，再於該底膜表面依序形成一第二蝕刻層及一第二光阻層，再以微影製程令該第二光阻層形成一第二遮罩圖案。

(e)將該具有第二遮罩圖案的基材實質加熱至不高於該第二光阻層構成材料的玻璃轉換溫度，對該第二遮罩圖案進行熱整形，再以該經過熱整形的第一遮罩圖案為遮罩，利用乾式蝕刻方式，令該第二蝕刻層形成複數個彼此間隔且概呈圓錐狀的第二透光錐，之後移除該第二遮罩圖案，接著再於該底膜及該些第二透光錐的表面形成一由第一型半導體材料構成的頂膜，完成該第一型半導體層。

(f)於該第一型半導體層表面依序形成一發光層及一電性與該第一型半導體層相反的第二型半導體層，完成該發光單元。

本發明之功效在於：利用於該基材及第一型半導體層中形成第一、二透光錐，由於不需直接對該基材或發光單元進行蝕刻，因此製程簡便容易控制，且藉由第一、二透光錐的形狀及與第一型半導體層及基材的折射率差，還可讓發光單元發出的光進行大量反射而有效提升發光二極體的光取出率。

W1‧‧‧第一寬度

W2‧‧‧第二寬度

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

S1‧‧‧間距

S2‧‧‧間距

2‧‧‧磊晶基板

21‧‧‧基材

211‧‧‧表面

22‧‧‧第一透光錐

221‧‧‧第一底面

23‧‧‧氣穴

3‧‧‧發光單元

31‧‧‧第一型半導體層

311‧‧‧底膜

312‧‧‧第二透光錐

313‧‧‧頂膜

314‧‧‧第二底面

32‧‧‧發光層

33‧‧‧第二型半導體層

4‧‧‧電極單元

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

51‧‧‧步驟

52‧‧‧步驟

53‧‧‧步驟

54‧‧‧步驟

55‧‧‧步驟

56‧‧‧步驟

57‧‧‧步驟

100‧‧‧第一光罩

101‧‧‧第二光罩

200‧‧‧第一蝕刻層

201‧‧‧第二蝕刻層

300‧‧‧第一光阻層

301‧‧‧第一遮罩圖案

302‧‧‧第二光阻層

303‧‧‧第二遮罩圖案

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明習知發光二極體結構；圖2是一示意圖，說明本發明高光取出率發光二極體的製作方法之較佳實施例所製作出的發光二極體；圖3是一局部放大示意圖，輔助說明圖2；圖4是一發光亮度模擬圖譜，說明該發光二極體的發光亮度模擬結果；圖5是一示意圖，說明由複數第一透光錐與一第一型半導體層共同界定之氣穴；圖6是一流程說明圖，說明該較佳實施例的製作流程；及圖7是一流程示意圖，輔助說明圖6。

參閱圖2、3，本發明一種高光取出率發光二極體的製作方法之較佳實施例，是可用於製作如圖2所示的發光二極體。

該高光取出率發光二極體包含一磊晶基板2、一發光單元3，及一電極單元4。

該磊晶基板2具有一基材21，及複數個由該基材21表面向上凸起並概呈圓錐狀，且彼此間隔設置的第一透光錐22。該基材21具有一表面211，可選自矽、氧化鋁、碳化矽，及氮化鋁等材料構成，該等第一透光錐22形成於 該表面211，是由折射率低於該基材21的材料構成，且任兩相鄰之第一透光錐22彼此不連接。較佳地，為了配合後續的高溫製程，該些第一透光錐22的材料選自耐熱性不小於1000℃且折射率介於該基材21與該發光單元3之間的材料構成，適用於本較佳實施例該些第一透光錐22的構成材料選自氧化矽(SiO_x)、氮氧化矽(SiON)，及氟化鎂(MgF₂)。

該發光單元3設置在該磊晶基板2具有該些第一透光錐22的表面211，在接收電能時以光電效應發光，具有依序自該表面211向上形成的一第一型半導體層31、一發光層32，及一電性與該第一型半導體層31相反的第二型半導體層33，該第一型半導體層31具有一與該基材21及該些第一透光錐22連接的底膜311、複數個形成於該底膜311表面的第二透光錐312，及一形成於該底膜311及該些第二透光錐312表面的頂膜313，該些第二透光錐312由折射率與該頂膜313及底膜311不同的材料構成，且任兩相鄰的第二透光錐312彼此不連接。

該電極單元4具有一形成於該第一型半導體層31的第一電極41，及一形成於該第二型半導體層33的第二電極42，該第一、二電極41、42可配合提供電能至該發光單元3。

當外界經由該第一、二電極41、42配合提供電能至該發光單元3時，該發光層32會以光電效應發光，而自該發光層32發出朝向該磊晶基板2方向行進的光，在接觸到該些第一、二透光錐22、312及該基材21時會進行多 次的反射及折射，令光線改變行進方向，降低光線於接觸該發光單元3與該空氣介面時的全反射，而可有效提升發光二極體的光取出率。

較佳地，任兩相鄰的第一透光錐22及第二透光錐312的間距S1及S2不大於1μm，藉由該些間距S1及S2的調控，可令該磊晶基板2及該第一型半導體層31的單位面積分別具有較高的第一、二透光錐22、312設置密度，而達到更佳的反射效果；該每一第一透光錐22具有一與該表面211連接的第一底面221，該第一底面221具有一第一寬度W1，及一由該第一底面221至該第一透光錐22頂部的第一高度H1，當該第一高度H1/第一寬度W1比小於0.25時，會因該些第一透光錐22的第一高度H1不足而使光線接觸該些第一透光錐22的入射角過大而降低光取出率，因此，該每一第一透光錐22的第一高度H1與該第一寬度W1比值(H1/W1)不小於0.25。

此外，該每一第二透光錐312具有一與該底膜311表面連接的第二底面314，該第二底面314具有一第二寬度W2，及一由該第二底面314至該第二透光錐312頂部的第二高度H2，當該第二高度H2/第二寬度W2比小於0.25時，該些第二透光錐312的第二高度H2不足而容易使光線接觸該些第二透光錐312的入射角過大而降低光取出率，因此，較佳地，該每一第二透光錐312的第二高度H2與該第二寬度W2比值(H2/W2)不小於0.25。

參閱圖4，是將該些第一透光錐22的第一、二 寬度W1、W2固定為4μm，在輸入電流為20mA的條件下，於不同第一高度H1條件下的發光亮度模擬結果。

圖示中表示本發明該較佳實施例之發光二極體，其中，該磊晶基板2為一般藍寶石材料，該些第一透光錐22是由氧化矽構成；表示習知具有粗化結構之藍寶石磊晶基板11(即，可視為該磊晶基板11具有由藍寶石構成的第一透光錐22)製得之發光二極體。

由圖4中該些第一透光錐22在不同第一高度H1與第一寬度W1(於圖4中W1=4μm)的比值(H1/W1)結果可知：當控制該第一透光錐22的第一高度H1/第一寬度W1(H1/W1)比值在不小於0.25的條件時，可調整光線於接觸該每一透光錐22的入射角，而有效提升該發光二極體的光取出率，較佳地，該每一第一透光錐22的第一高度H1與該第一寬度W1比值(H1/W1)介於0.25~1.0，更佳地，該每一第一透光錐22的第一高度H1與該第一寬度W1比值(H1/W1)介於0.6~10之間。此外，由圖4的結果還可得知，以氧化矽為第一透光錐22之材料時，該發光二極體的光取出率會高於藍寶石構成的第一透光錐22。

參閱圖5，值得一提的是，該發光二極體可更包含一由該第一型半導體層31之底膜311與該些第一透光錐22表面共同界定的至少一氣穴23，該氣穴23可提供該第一型半導體層31與氣穴23之間更大的折射率差，讓朝自該基材21方向行進的光更容易經由該氣穴23與第一型半導體層31之界面向外發出。

參閱圖6，為本發明高光取出率發光二極體的製作方法之製作流程，配合參閱圖7，首先進行步驟51，於該基材21表面形成該第一遮罩圖案301。

該步驟51是自該基材21表面依序形成一層第一蝕刻層200，及一層第一光阻層300，接著配合使用一具有預設圖案的第一光罩100，以微影製程將該光阻層300預定部份移除至使該第一蝕刻層200裸露出，令殘餘的光阻層300形成該第一遮罩圖案301。

該第一光阻層300可依製程需求選自正型或負型光阻材料，該第一蝕刻層200選自折射率低於該基材21的透光材料構成，例如，氧化矽(SiO_x)、氮氧化矽(SiON_x)，或氟化鎂(MgF₂)；較佳地，為配合後續製作該發光單元3的高溫製程，該第一蝕刻層200係選自耐熱性不小於1000℃，且折射率小於該基材21及該第一型半導體層31的材料，例如，氧化矽(SiO_x)或氟化鎂(MgF₂)。

具體的說，該步驟51是以化學氣相沉積方式於該基材21上形成該第一蝕刻層200，之後，於該第一蝕刻層200上形成該由正型光阻材料構成的第一光阻層300，接著，再以該具有預定圖案的第一光罩100對該第一光阻層300進行微影製程，將該第一光阻層300的預定部份移除至使該第一蝕刻層200露出，令殘留的第一光阻層300形成該第一遮罩圖案301，由於該化學氣相沉積製程及微影製程為半導體製程領域技術者所知悉，因此，不再多加贅述。

接著進行步驟52，將該具有第一遮罩圖案301 的基材21進行熱整型。

該步驟52是將前述該具有遮罩圖案301的基材21加熱到該正型光阻之玻璃轉換溫度(以下簡稱Tg)以下約5~10度的溫度條件下，持溫約60分鐘，以對該第一遮罩圖案301進行熱整型，利用高分子材料於Tg時的分子鏈運動，將該第一遮罩圖案301整形成具有最低表面能的圓弧形結構。

接著進行步驟53，以該經熱整形後的第一遮罩圖案301為蝕刻遮罩，製得該磊晶基板2。

該步驟53是以該經熱整形後的第一遮罩圖案301為遮罩，利用乾式蝕刻的非等向蝕刻特性，對該第一蝕刻層200進行蝕刻，令該第一蝕刻層200形成多數個概呈圓錐狀的第一透光錐22，之後，將該第一遮罩圖案301移除，製得該磊晶基板2。

具體的說，該步驟53是在射頻功率約200~400W之間，蝕刻氣體可以使用含氟元素之氣體，例如CF₄、SF₆、CHF₃....等的條件下進行乾式蝕刻，即可得到該些透光錐22，較佳地，該基材21與該第一遮罩圖案301的蝕刻選擇比介於1：0.5~1：1.5。

然後，進行步驟54，於該磊晶基板2表面形成該第二遮罩圖案303。

該步驟54是於該基材21及該些第一透光錐22的表面形成一由第一型半導體材料構成的底膜311，再於該底膜311表面依序形成一第二蝕刻層201及一第二光阻層 302，再配合使用一第二光罩101，以微影製程令該第二光阻層302形成一第二遮罩圖案303，由於該第一型半導體材料的選擇為此技術領域者所知悉，且該第二光阻層302及該第二蝕刻層201的材料及製作方式與該步驟51大致相同，因此不再多加贅述。

接著，進行步驟55，於該磊晶基板2表面形成該第一型半導體層31。

該步驟55是將該具有第二遮罩圖案303的基材21實質加熱至該第二光阻層302構成材料的玻璃轉換溫度以下約5~10度的溫度條件下，持溫約60分鐘，以對該第二遮罩圖案303進行熱整形，再以該經過熱整形的第二遮罩圖案303為遮罩，利用乾式蝕刻方式，令該第二蝕刻層201形成複數個彼此間隔且概呈圓錐狀的第二透光錐312，然後將該第二遮罩圖案303移除，接著再於該底膜311及該些第二透光錐312的表面形成一由第一型半導體材料構成的頂膜313，形成該第一型半導體層31，由於該乾式蝕刻的相關製程參數控制與該步驟53相同，因此不再多加詳述。

接著，進行步驟56，形成該發光單元3。該步驟56是依序於該第一型半導體層31表面形成該發光層32及該電性與該第一型半導體層31相反的第二型半導體層33，即可完成該發光單元3。

最後進行步驟57，於該發光單元3上形成該電極單元4。配合參閱圖2，該步驟57是先自該第二型半導 體層33的預定表面向下蝕刻移除預定部分的第二型半導體層33、發光層32至使該第一型半導體層31露出後，再分別於該第一、二型半導體層31、33表面沉積形成該具有第一、二電極41、42的電極單元4，即可完成如圖2所示該發光二極體。由於該發光單元3及電極單元4的相關材料選擇及製程為本技術領域者所知悉，且非為本發明之重點，因此不再多加贅述。

值得一提的是，於進行該步驟54，形成該底膜311時，可進一步藉由磊晶成長參數如氣體組成、壓力及溫度的控制，讓該底膜311與該些第一透光錐22表面不完全接觸，而形成至少一如圖5所示的氣穴23，藉由該氣穴23的形成可讓自該發光層32發出朝自該基材21方向行進的光更容易經由該第二透光錐312、氣穴23、第一透光錐22，及基材21更大的折射率變化，經由多重折射及反射向外發出，而更進一步提升該發光二極體的出光效率。

綜上所述，本發明藉由形成於該基材21且具有折射率低於該基材21的第一透光錐22，及形成於該第一型半導體層31間的第二透光錐312，利用該些第一、二透光錐22、312與該基材21之間的折射率差，讓自該發光單元3發出的光線於接觸到該些第一、二透光錐22、312及該基材21時，可經由多重折射及反射的效果，而可有效提升發光二極體的光取出率，此外，由於該些第一、二透光錐22、312是利用蝕刻第一、二蝕刻層200、201所製得，不像習知需直接蝕刻基材21或發光單元3的出光面而形成粗化結 構，因此，不僅製程簡便，且更容易控制所形成之第一、二透光錐22、312的尺寸精度及均勻性，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧磊晶基板

21‧‧‧基材

3‧‧‧發光單元

301‧‧‧第一遮罩圖案

303‧‧‧第二遮罩圖案

31‧‧‧第一型半導體層

4‧‧‧電極單元

51‧‧‧步驟

52‧‧‧步驟

53‧‧‧步驟

54‧‧‧步驟

55‧‧‧步驟

56‧‧‧步驟

57‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種高光取出率發光二極體的製作方法，包含：(a)自一基材表面依序形成一第一蝕刻層及一第一光阻層，其中，該第一蝕刻層是由與該基材不同且折射率低於該基材的材料構成，接著，以微影製程令該第一光阻層形成一第一遮罩圖案；(b)將該第一遮罩圖案的基材實質加熱至不高於該第一光阻層構成材料的玻璃轉換溫度，對該第一遮罩圖案進行熱整形；(c)以該經過熱整形的第一遮罩圖案為遮罩，利用乾式蝕刻方式，令該第一蝕刻層形成複數個彼此間隔且概呈錐狀的第一透光錐，之後移除該第一遮罩圖案；(d)於該基材及該些第一透光錐的表面形成一由第一型半導體材料構成的底膜，再於該底膜表面依序形成一第二蝕刻層及一第二光阻層，再以微影製程令該第二光阻層形成一第二遮罩圖案；(e)將該具有第二遮罩圖案的基材實質加熱至該第二光阻層構成材料的玻璃轉換溫度，對該第二遮罩圖案進行熱整形，再以該經過熱整形的第二遮罩圖案為遮罩，利用乾式蝕刻方式，令該第二蝕刻層形成複數個彼此間隔且概呈錐狀的第二透光錐，之後移除該第二遮罩圖案，接著再於該底膜及該些第二透光錐的表面形成一由第一型半導體材料構成的頂膜，完成該 第一型半導體層；及(f)於該第一型半導體層表面依序形成一發光層及一電性與該第一型半導體層相反的第二型半導體層。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，還包含一步驟(g)，形成一提供電能至該發光單元的電極單元。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該步驟(c)是控制令該基材與該第一遮罩圖案的蝕刻選擇比介於1：0.5~1：1.5。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該每一第一透光錐概呈圓錐狀，具有一與該表面連接的第一底面，及一由該第一底面至該第一透光錐頂部的第一高度，該第一透光錐的第一高度與該第一底面的最大第一寬度比值不小於0.25。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該步驟(e)是控制令該基材與該第二遮罩圖案的蝕刻選擇比介於1：0.5~1：1.5。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該每一第二透光錐概呈圓錐狀，具有一與該底膜連接的第二底面，及一由該第二底面至該第二透光錐頂部的第二高度，該第二透光錐的第二高度與該第二底面的最大第二寬度比值不小 於0.25。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該步驟(d)是以橫向磊晶方式形成該底膜，且該底膜與該些第一透光錐的表面共同界定出至少一氣穴。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該基材的構成材料包括氧化鋁、碳化矽、矽，或氮化鋁。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該第一蝕刻層的構成材料選自氧化矽、氮氧化矽，及氟化鎂。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率發光二極體的製作方法，其中，該第二蝕刻層的構成材料選自氧化矽、氮氧化矽，及氟化鎂。