TW201401550A - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

在此揭露一種發光二極體，其包含基材、第一型半導體層、奈米柱層以及透明平坦層。第一型半導體層形成於基材上。奈米柱層形成於第一型半導體層上，奈米柱層包含複數奈米柱，每一奈米柱包含量子井結構以及第二型半導體層。量子井結構接觸第一型半導體層，第二型半導體層形成在量子井結構上。透明平坦層溝填於這些奈米柱之間，並使第二型半導體層表面露出。在此亦揭露一種製造發光二極體的方法。

Description

發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種發光二極體以及一種製造發光二極體的方法，且特別是有關於一種具有複數奈米柱的發光二極體以及其製造方法。
隨著科技的進步，人們對於發光裝置的要求日益提高，不僅要求高發光效能，更要求低耗電量，因此發光二極體(LED)技術備受重視。發光二極體的優點在於發光效率高、反應時間快、使用壽命長以及不含汞等。除此之外，發光二極體還具有耐機械衝擊、體積小、色域廣泛等優點。因此，發光二極體便漸漸取代傳統的發光裝置。隨著近年來發光二極體的快速發展，使發光二極體的應用領域大幅擴張，儼然成為21世紀的新型光源。就光源的應用而言，發光效率便是關鍵性的產品規格，因此許多研究者致力於提高發光二極體光效率。
本發明之一態樣係提供一種發光二極體，俾能提高發光二極體的發光效率。此發光二極體包含一基材、一第一型半導體層、一奈米柱層以及一透明平坦層。第一型半導體層形成於基材上。奈米柱層形成於第一型半導體層上，奈米柱層包含複數奈米柱，每一奈米柱包含一量子井結構以及一第二型半導體層。量子井結構接觸第一型半導體 層，第二型半導體層形成於量子井結構上。透明平坦層溝填於這些奈米柱之間，並使第二型半導體層表面露出。
在一實施方式中，透明平坦層為苯環丁烯(BCB)絕緣材料所製成。
在一實施方式中，量子井結構具有一寬度W以及一高度H，且寬度W及高度H滿足以下數學式(I)：0.5 H≦W<10 H 數學式(I)。
在一實施方式中，量子井結構的寬度W實質上等於其高度H。
在一實施方式中，量子井結構的高度H為約5 nm至約50 nm。
在一實施方式中，相鄰兩奈米柱之間的距離為約2 nm至約3 nm。
在一實施方式中，發光二極體可更包含一透明電極層，且透明電極層覆蓋透明平坦層與第二型半導體頂部。
在一實施方式中，發光二極體可更包含一第一型接觸墊以及一第二型接觸墊。第一型接觸墊位於第一型半導體層上，第二型接觸墊位於透明電極層上。
在一實施方式中，第一型半導體層包含一N型氮化鎵層，每一量子井結構包含一多重量子井結構，每一第二型半導體層包含P型氮化鎵。
在一實施方式中，發光二極體可更包含一未摻雜的氮化鎵層，未摻雜的氮化鎵層形成在第一型半導體層與基板之間。
在一實施方式中，發光二極體可包含一梯形側壁結 構，其由第一型半導體層的側邊、奈米柱層的側邊以及透明平坦層的側邊所構成。
在一實施方式中，梯形側壁結構為一平坦斜邊，且平坦斜邊與基板之上表面之間形成一夾角，此夾角介於30~150度。
本發明之另一態樣係提供一種製造發光二極體的方法，俾能在發光二極體中形成複數奈米柱，且所形成的奈米柱的尺寸一致性極佳，並能夠適用於大面積的生產。此方法包含以下步驟：提供一基材；形成一第一型半導體層於基材上；形成一量子井層於第一型半導體層上；形成一第二型半導體層於量子井層上；圖案化量子井層以及第二型半導體層，以形成複數奈米柱；填入一透明平坦材料於這些奈米柱之間，其中每一奈米柱之一頂部露出在透明平坦材料外；以及形成一透明電極層，使透明電極層覆蓋透明平坦材料與此些奈米柱的頂部。
在一實施方式中，圖案化量子井層以及第二型半導體層之步驟包含在每一些奈米柱中形成一量子井結構，其中每一量子井結構具有一寬度W以及一高度H，且寬度W及高度H滿足以下數學式(I)：0.5 H≦W<10 H 數學式(I)。
在一實施方式中，圖案化量子井層以及第二型半導體層之步驟包含：形成一圖案化硬遮罩(hard mask)於第二型半導體層上，第二型半導體層之一部分露出於圖案化硬遮罩外；移除露出部分之第二型半導體層以及其下方的量子井層，以形成奈米柱；以及移除圖案化硬遮罩。
在一實施方式中，填入透明平坦材料之步驟包含將苯環丁烯(benzocyclobutene,BCB)填充入些奈米柱之間。
在一實施方式中，上述方法可更包含：移除部份第二型半導體層、部分奈米柱、部分第一型半導體層以及部分透明平坦材料，以形成一梯形側壁結構，並使第一型半導體層的一部分露出。
在一實施方式中，上述方法更包含一步驟，以分別形成一第一連接墊以及一第二連接墊於透明電極層上以及露出部分之第一型半導體層上。
在一實施方式中，第一型半導體層包含N型氮化鎵，且第二型半導體層包含P型氮化鎵。
在一實施方式中，在形成一第一型半導體層於基材上前，更包括一步驟，以先形成一未摻雜的氮化鎵層於基材上。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情況下，為簡化圖式， 熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
本發明之一態樣係揭露一種發光二極體。第1A圖繪示本發明一實施方式之發光二極體100的剖面示意圖。發光二極體100包含基材110、第一型半導體層120、奈米柱層130以及透明平坦層140。
基材110用以支撐其上的結構，並提供磊晶成長所須的表面。基材110可例如為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板或矽基板。
第一型半導體層120形成於基材110上方。第一型半導體層120可例如為N型氮化鎵層。
在一實施方式中，發光二極體100可非必要性地包含一未摻雜的氮化鎵層114，其位在第一型半導體層120與基板110之間。未摻雜的氮化鎵層114用以作為基材110與第一型半導體層120之間的緩衝層。
奈米柱層130形成於第一型半導體層120上。奈米柱層130包含複數奈米柱132，這些奈米柱132豎立在第一型半導體層120上。第1B圖繪示本發明一實施方式之奈米柱132的剖面示意圖。每一個奈米柱132包含第二型半導體層134a以及量子井結構134b。量子井結構134b接觸第一型半導體層120，第二型半導體層134a形成於量子井結構134b上。量子井結構134b可例如為多重量子井結構，第二型半導體層134a可例如為P型氮化鎵層。在一實施方式中，相鄰兩奈米柱132之間的距離D為約2 nm至約3 nm。
在另一實施方式中，量子井結構134b具有一寬度W以及一高度H，且寬度W及高度H滿足以下數學式(I)： 0.5 H≦W<10 H 數學式(I)；換言之，量子井結構134b的寬度W大於或等於量子井結構134b的高度H的0.5倍，但是量子井結構134b的寬度W小於量子井結構134b的高度H的10倍。亦即，寬度W對高度H的比值(W/H)大於或等於0.5，但小於10。
上述寬度W與高度H之間的關係具有關鍵性的技術意義。請參見第4圖，其繪示本發明一實施方式之發光二極體的內部量子效率(η)對量子井結構134b的寬度/高度比值(W/H)的關係圖。當量子井結構134b的寬度W對高度H的比值(W/H)大於10時，內部量子效率η約為60%。當W/H小於10時，內部量子效率η開始增加。當W/H小於1.5時，內部量子效率η增加至約90%。因此，根據本發明之一實施方式，W/H約為0.8至約1.5，較佳為寬度W實質上等於高度H。在一具體實例中，高度H為約5 nm至約50 nm。
因此，根據以上本發明所揭露的實施方式，能夠大幅提高發光二極體的發光效率。
透明平坦層140溝填於奈米柱132之間的間隙，但是第二型半導體層134a的上表面是曝露在透明平坦層140的外面。換言之，透明平坦層140包覆這些奈米柱132的側壁，但未覆蓋奈米柱132的頂部。在一實施方式中，透明平坦層140為苯環丁烯(BCB)絕緣材料所製成。苯環丁烯具有極佳的流動性及平坦化效果，能夠充填在奈米柱132之間的間隙。透明平坦層140能夠保護奈米柱132，避免其受外力而毀壞。
在一實施方式中，發光二極體100可更包含透明電極層150、第一型接觸墊161以及第二型接觸墊162。透明電極層150覆蓋透明平坦層140以及第二型半導體層134a的頂部。透明電極層150接觸第二型半導體層134a，所以透明電極層150能夠經由奈米柱132電性連接第一型半導體層120。此外，第一型接觸墊161位於第一型半導體層120上，第二型接觸墊162位於透明電極層150上。第一型及第二型接觸墊161、162用以連接至一電源供應裝置或電路。
在另一實施方式中，第一型半導體層120、奈米柱層130以及透明平坦層140構成一梯形側壁結構170，如第1A圖所示。梯形側壁結構170可例如為一平坦斜邊，並且與基板120的上表面形成一夾角α，夾角α介於約30度至約150度。梯形側壁結構170可用以提高發光二極體100的光取出率。
本發明之另一態樣係揭露一種製造發光二極體的方法。第2圖繪示本發明一實施方式之製造發光二極體的方法200的流程圖，方法200至少包含步驟210至步驟270。第3A-3E圖繪示方法200中製程階段的剖面示意圖。
在步驟210中，提供基材310，如第3A圖所示。基材310可例如為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板或矽基板。
在步驟220中，形成第一型半導體層320於基材310上，如第3A圖所示。可利用諸如以氫化物氣相磊晶製程(hydride vapor phase epitaxy process)、有機金屬化學氣相沉 積製程(metal organic chemical vapor deposition process)或分子束磊晶製程(molecular beam epitaxy process)來形成第一型半導體層320。在一具體實例中，第一型半導體層320為包含N型氮化鎵的半導體層。
在步驟210之後，進行步驟220之前，可選擇性地在基材310上形成一未摻雜的氮化鎵層314，如第3A圖所示。未摻雜的氮化鎵層314用以作為緩衝層。
在步驟230中，形成一量子井層330於第一型半導體層320上，如第3A圖所示。舉例而言，量子井層330可為一多重量子井層。
在步驟240中，形成第二型半導體層340於量子井層330上。可利用諸如以氫化物氣相磊晶製程、有機金屬化學氣相沉積製程或分子束磊晶製程來形成第二型半導體層340。第二型半導體層340可例如為包含P型氮化鎵的半導體層。
在步驟250中，圖案化量子井層330以及第二型半導體層340，以形成複數奈米柱350，如第3C圖所示。在一實施方式中，藉由下述方法對量子井層330和第二型半導體層340進行圖案化。首先，如第3B圖所示，在第二型半導體層340是形成一圖案化硬遮罩(hard mask)342，第二型半導體層340的一部分未被圖案化硬遮罩342覆蓋而曝露出。接著，移除露出部分的第二型半導體層340以及其下方的量子井層330，以形成複數個奈米柱350。可利用習知的乾蝕刻製程對量子井層330和第二型半導體層340進行蝕刻。然後，移除奈米柱350上方的圖案化硬遮罩342， 而得到第3C圖所示的結構。因此，這些奈米柱350之間存在一間隙S，使這些奈米柱350在空間上彼此分離。每一奈米柱350包含一部分的量子井層330以及一部分的第二型半導體層340。在一具體實例中，每一個奈米柱350的寬度實質上相同，且每一奈米柱350的底部寬度大致上等於其頂部的寬度。
在一實施方式中，上述圖案化量子井層330和第二型半導體層340的步驟250包括在每一奈米柱中形成一量子井結構134b(繪示於第1B圖)，並且每一量子井結構134b的寬度W和高度H滿足以下數學式(I)：0.5 H≦W<10 H 數學式(I)；在本實施方式中，量子井結構134b的高度H即是量子井層330的厚度。因此，對量子井層330和第二型半導體層340進行圖案化的步驟必須考慮步驟230中形成的量子井層330的厚度，使所形成的量子井結構134b的寬度滿足上述數學式(I)。
在步驟260中，填入透明平坦材料360於奈米柱350之間的間隙，如第3D圖所示。每一個奈米柱350的頂部350T曝露在透明平坦材料360之外。在一實施例中，填入透明平坦材料360之步驟包含將苯環丁烯(benzocyclobutene,BCB)填充入奈米柱350之間的間隙。換言之，透明平坦材料360包含苯環丁烯。
在步驟270中，形成透明電極層370，使透明電極層370覆蓋透明平坦材料360與奈米柱頂部350T，如第3E圖所示。因此，透明電極層370接觸奈米柱350，並經由 奈米柱350電性連接第一型半導體層320。
在一實施方式中，在步驟270之後，可選擇性地進行以下步驟：移除一部分的第二型半導體層340、一部分的奈米柱350、一部分的第一型半導體層320以及一部分的透明平坦材料360，而形成一梯形側壁結構380，如第3E圖所示。梯形側壁結構380可例如為一平坦斜邊，並且與基板的上表面形成一夾角為約30度至約150度。在形成梯形側壁結構380的步驟中，第一型半導體層320的另一部分裸露出。
在另一實施方式中，在形成梯形側壁結構380之後，可選則性地進行以下步驟：分別形成一第一連接墊391以及一第二連接墊392於透明電極層370上以及裸露部分的第一型半導體層320上，如第3E圖所示。
根據以上揭露的製造方法，除了能夠在發光二極體中形成複數奈米柱之外，所形成的奈米柱的尺寸一致性極佳，並能夠適用於大面積的生產。
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‧‧‧發光二極體
110‧‧‧基材
114‧‧‧未摻雜的氮化鎵層
120‧‧‧第一型半導體層
130‧‧‧奈米柱層
132‧‧‧奈米柱
134a‧‧‧第二型半導體層
134b‧‧‧量子井結構
140‧‧‧透明平坦層
150‧‧‧透明電極層
161‧‧‧第一型接觸墊
162‧‧‧第二型接觸墊
170‧‧‧梯形側壁結構
200‧‧‧方法
210、220、230、240‧‧‧步驟
250、260、270‧‧‧步驟
310‧‧‧基材
314‧‧‧未摻雜的氮化鎵層
320‧‧‧第一型半導體層
330‧‧‧量子井層
340‧‧‧第二型半導體層
342‧‧‧圖案化硬遮罩
350‧‧‧奈米柱
350T‧‧‧頂部
360‧‧‧透明平坦材料
370‧‧‧透明電極層
380‧‧‧梯形側壁結構
391‧‧‧第一連接墊
392‧‧‧第二連接墊
S‧‧‧間隙
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1A圖繪示本發明一實施方式之發光二極體的剖面 示意圖。
第1B圖繪示本發明一實施方式之奈米柱的剖面示意圖。
第2圖繪示本發明一實施方式之製造發光二極體之方法的流程圖。
第3A-3E圖繪示本發明一實施方式之製造方法中製程階段的剖面示意圖。
第4圖繪示本發明一實施方式之發光二極體的內部量子效率對量子井結構的寬度/高度比值(W/H)的關係圖。
100‧‧‧發光二極體
110‧‧‧基材
114‧‧‧未摻雜的氮化鎵層
120‧‧‧第一型半導體層
130‧‧‧奈米柱層
132‧‧‧奈米柱
140‧‧‧透明平坦層
150‧‧‧透明電極層
161‧‧‧第一型接觸墊
162‧‧‧第二型接觸墊
170‧‧‧梯形側壁結構

Claims (20)

  1. 一種發光二極體，包含：一基材；一第一型半導體層，形成於該基材上；一奈米柱層，形成於該第一型半導體層上，該奈米柱層包含複數奈米柱，每一奈米柱包含一量子井結構以及一第二型半導體層，該量子井結構接觸該第一型半導體層，該第二型半導體層形成於該量子井結構上；以及一透明平坦層，溝填於該些奈米柱間，並使該第二型半導體層表面露出。
  2. 如請求項1所述之發光二極體，其中該透明平坦層為苯環丁烯(BCB)絕緣材料所製成。
  3. 如請求項1所述之發光二極體，其中該量子井結構具有一寬度W以及一高度H，且該寬度W及該高度H滿足以下數學式(I)：0.5 H≦W<10 H 數學式(I)。
  4. 如請求項3所述之發光二極體，其中該寬度W實質上等於該高度H。
  5. 如請求項4所述之發光二極體，其中該高度H為約5 nm至約50 nm。
  6. 如請求項1所述之發光二極體，其中相鄰兩奈米柱之間的距離為D，該距離D約為2 nm至約3 nm。
  7. 如請求項1所述之發光二極體，更包含一透明電極層，該透明電極層覆蓋該透明平坦層與該第二型半導體頂部。
  8. 如請求項7所述之發光二極體，更包含：一第一型接觸墊，位於該第一型半導體層上；以及一第二型接觸墊，其位於該透明電極層上。
  9. 如請求項1所述之發光二極體，其中該第一型半導體層包含一N型氮化鎵層，每一量子井結構包含一多重量子井結構，每一第二型半導體層包含P型氮化鎵。
  10. 如請求項1所述之發光二極體，更包含一未摻雜的氮化鎵層，該未摻雜的氮化鎵層形成在該第一型半導體層與該基板之間。
  11. 如請求項1~10中任一項所述之發光二極體，其中該第一型半導體層、該奈米柱層以及該透明平坦層更構成一梯形側壁結構。
  12. 如請求項11所述之發光二極體，其中該梯形側壁結構為一平坦斜邊且與該基板具有一角度α之夾角，且α夾角介於30~150度。
  13. 一種製造發光二極體的方法，包含：提供一基材；形成一第一型半導體層於該基材上；形成一量子井層於該第一型半導體層上；形成一第二型半導體層於該量子井層上；圖案化該量子井層以及該第二型半導體層，以形成複數奈米柱；填入一透明平坦材料於該些奈米柱之間，其中每一奈米柱之一頂部露出在該透明平坦材料外；以及形成一透明電極層，使該透明電極層覆蓋該透明平坦材料與該些奈米柱頂部。
  14. 如請求項13所述之方法，其中圖案化該量子井層以及該第二型半導體層之步驟包含：在每一該些奈米柱中形成一量子井結構，其中每一量子井結構具有一寬度W以及一高度H，且該寬度W及該高度H滿足以下數學式(I)：0.5 H≦W<10 H 數學式(I)。
  15. 如請求項14所述之方法，其中圖案化該量子井層以及該第二型半導體層之步驟包含：形成一圖案化硬遮罩(hard mask)於該第二型半導體層上，該第二型半導體層之一部分露出於該圖案化硬遮罩；移除露出部分之該第二型半導體層以及其下方的量子井層，以形成該些奈米柱；以及移除該些奈米柱上的該圖案化硬遮罩。
  16. 如請求項15所述之方法，其中填入該透明平坦材料之步驟包含將苯環丁烯(benzocyclobutene,BCB)填充入該些奈米柱之間。
  17. 如請求項16所述之方法，更包含：移除部份該第二型半導體層、部分該些奈米柱、部分該第一型半導體層以及部分該透明平坦材料，以形成一梯形側壁結構，並使該第一型半導體層的一部分露出。
  18. 如請求項17所述之方法，更包含一步驟，以分別形成一第一連接墊以及一第二連接墊於該透明電極層上以及該露出部分之第一型半導體層上。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該第一型半導體層包含N型氮化鎵，且該第二型半導體層包含P型氮化鎵。
  20. 如請求項19所述之方法，其中在形成一第一型半導體層於該基材上前，更包括一步驟，以先形成一未摻雜的氮化鎵層於該基材上。
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