TW201448266A - 發光二極體晶片的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體晶片的製造方法。首先，於一基板上形成一圖案化襯層。接著，以第一磊晶條件選擇性地於圖案化襯層上成長多個彼此分離的半導體圖案。然後，以第二磊晶條件於這些半導體圖案上成長一上表面平坦的半導體層，其中半導體層覆蓋這些半導體圖案，以於這些半導體圖案之間形成多個孔洞，且該半導體圖案與該半導體層構成一第一型半導體層。之後，於第一型半導體層上依序形成一發光層以及一第二型半導體層。

Description

發光二極體晶片的製造方法

本發明是有關於一種發光二極體晶片的製作方法，且特別是關於一種發光效率佳的發光二極體晶片的製作方法。

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方面的領域。

發光二極體結構包括發光二極體晶片及周邊走線佈局，其中發光二極體晶片包括成長基板以及半導體元件層。一般而言，發光二極體晶片的出光效率與半導體元件層的磊晶品質以及光取出效率相關。

目前，為了提升出光效率，已有技術分別針對半導體元件層的磊晶品質以及光取出效率進行改良。舉例而言，已有習知技術藉由成長成核層與緩衝層來改善後續成長的磊晶品質，但成核層與緩衝層的成長須耗費時間以及成本。此外，成核層與緩衝 層亦會增加發光二極體晶片的整體厚度。另外，為了增進光取出效率，已有習知技術於成長基板上形成凹陷結構以增加光線被散射的機率(如美國專利第7053702號所示的習知技術)。很明顯地，如何改善磊晶品質以及提升光取出效率實為當前研發人員亟欲解決的議題之一。

本發明提供一種發光二極體晶片的製作方法，其可改善發光二極體的磊晶品質以及光取出效率。

本發明的發光二極體晶片的製造方法，步驟如下所述。首先，於一基板上形成一圖案化襯層(patterned liner)。接著，以第一磊晶條件選擇性地於圖案化襯層上成長多個彼此分離的半導體圖案。然後，再以第二磊晶條件於這些半導體圖案上成長一上表面平坦的半導體層，其中半導體層覆蓋這些半導體圖案，以於這些半導體圖案之間形成多個孔洞，且半導體圖案與半導體層構成一第一型半導體層。之後，於第一型半導體層上依序形成一發光層以及一第二型半導體層。

在本發明的一實施例中，上述的基板包括氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板。

在本發明的一實施例中，上述的圖案化襯層包括多個彼 此分離的柱狀體。

在本發明的一實施例中，上述的圖案化襯層為一連續薄膜，圖案化襯層具有多個彼此分離的柱狀開孔，且這些柱狀開孔暴露出基板的部分區域。

在本發明的一實施例中，上述的圖案化襯層的材質包括氮化鋁(AlN)或氮化鎵(GaN)。

在本發明的一實施例中，上述的圖案化襯層的厚度介於10奈米至1000奈米之間。

在本發明的一實施例中，上述的半導體圖案的平均厚度介於500奈米至5000奈米之間。

在本發明的一實施例中，上述任二相鄰的半導體圖案的間隔(spacing)介於100奈米至5000奈米之間。

在本發明的一實施例中，上述的半導體層延伸至這些半導體圖案之間的部分區域。

在本發明的一實施例中，上述的各孔洞的形狀為錐狀孔洞或柱狀孔洞。

在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體層為一N型半導體層，而第二型半導體層為一P型半導體層。

在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體層為一P型半導體層，而第二型半導體層為一N型半導體層。

在本發明的一實施例中，上述的發光層為一多重量子井發光層。

在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片的製造方法，更包括下列步驟。於未被發光層所覆蓋的第一型半導體層上形成一第一電極，以使第一電極與第一型半導體層電性連接。另一方面，亦於第二型半導體層上形成一第二電極，以使第二電極與第二型半導體層電性連接。

在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片的製造方法，更包括下列步驟。先移除基板，以使第一型半導體層以及圖案化襯層暴露。接著，移除圖案化襯層。然後，於第一型半導體層上形成一第一電極，以使第一電極與第一型半導體層電性連接，並於第二型半導體層上形成一第二電極，以使第二電極與第二型半導體層電性連接。

基於上述，本發明可於各個彼此分離的半導體圖案之間形成孔洞，進而提升光線被散射的機率，故可提升發光二極體晶片的光取出效率。此外，本發明可藉由在這些半導體圖案上形成一上表面平坦的半導體層，以提升後續的磊晶品質，進而提升發光二極體晶片的發光效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200、300、400‧‧‧發光二極體晶片

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化襯層

120’‧‧‧襯層

121‧‧‧柱狀體

122‧‧‧柱狀開孔

130’‧‧‧半導體圖案

130‧‧‧半導體層

140、240‧‧‧孔洞

150、150’‧‧‧第一型半導體層

160、160’‧‧‧發光層

170、170’‧‧‧第二型半導體層

180、180’‧‧‧歐姆接觸層

190a‧‧‧第一電極

190b‧‧‧第二電極

SP‧‧‧薄半導體層

圖1A至圖1F是本發明一實施例的發光二極體晶片的製作流 程的剖面示意圖。

圖1D’是圖1D實施例的半導體圖案的掃描式電子顯微上視圖。

圖2A至圖2F是本發明的另一種發光二極體晶片的製作流程圖。

圖3A至圖3C是圖2F的發光二極體晶片進行水平電極配置後的示意圖。

圖3B’至圖3C’是圖2F的另一種發光二極體晶片進行水平電極配置後的示意圖。

圖4A至圖4C是圖2F的發光二極體晶片進行垂直電極配置後的示意圖。

圖4B’至圖4C’是圖2F的另一種發光二極體晶片進行垂直電極配置後的示意圖。

圖1A至圖1F是本發明一實施例的發光二極體晶片的製作流程的剖面示意圖。請參照圖1A，首先，提供一基板110。在本實施例中，基板110可以是氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板或是其他適合用以磊晶的基板。

接著請參照圖1B與圖1C，於基板110上形成一圖案化 襯層120(繪示於圖1C中)。在本實施例中，形成圖案化襯層120的方法例如是先於基板110上全面性地形成一襯層120’，之後，再將形成襯層120’圖案化為圖案化襯層120。舉例而言，襯層120’可採用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition)的方式形成於基板110上，接著再利用微影蝕刻(photolithography and etch)製程將襯層120’圖案化。具體而言，前述的物理氣相沉積包括電子束蒸鍍(e beam evaporation)、熱蒸鍍(Evaporation)或濺鍍(Sputter)等方法。在本實施例中，襯層120’的形成方法以及將襯層120’圖案化的方法亦可採用其他適當的製程，本發明不以此為限。

在本實施例中，圖案化襯層120為一連續薄膜，其材質包括氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)或其他適合材質。在形成圖案化襯層120之後，圖案化襯層120將可包括多個彼此分離的柱狀體121。在其他實施例中，圖案化襯層120亦具有多個彼此分離的柱狀開孔122，且這些柱狀開孔122暴露出基板110的部分區域。此外，前述的圖案化襯層120的厚度例如係介於10奈米至1000奈米之間，如圖1C所示。

圖1D’是圖1D實施例的半導體圖案的掃描式電子顯微上視圖。接著請參照圖1D與圖1D’，以第一磊晶條件選擇性地於圖案化襯層120上成長多個彼此分離的半導體圖案130’。在本實施例中，半導體圖案130’例如係以金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)的方式形成於圖案化襯層120上。前述的第一磊晶條件為製程溫度介於攝氏_800 度至攝氏1100度之間、壓力介於50至300毫米汞柱(mmHg)之間。

如圖1D與圖1D’所示，在本實施例中，各半導體圖案130’之間彼此分離。此外，詳細而言，在形成半導體圖案130‘的同時，亦會於柱狀開孔122之間的基板110上形成多個薄半導體層SP。更詳細而言，這些薄半導體層SP的厚度遠低於半導體圖案130’，但具有近似於非晶系(Amorphous)半導體的結構。具體而言，在本實施例中，任二相鄰的半導體圖案130’的間隔介於100奈米至5000奈米之間。此外，半導體圖案130’的平均厚度介於500奈米至5000奈米之間。應注意的是，上述各參數範圍僅作為例示說明，其並非用以限定本發明。

接著請參照圖1E，以第二磊晶條件於這些半導體圖案130’上成長一上表面平坦的半導體層130。在本實施例中，半導體層130例如係以金屬有機化學氣相沉積的方式沉積於這些半導體圖案130’上。前述的第二磊晶條件為製程溫度介於攝氏1000度至攝氏1200度之間、壓力介於200至760毫米汞柱之間。如圖1E所示，半導體層130覆蓋這些半導體圖案130’，以於這些半導體圖案130’之間形成多個孔洞140，且半導體圖案130’與半導體層130構成一第一型半導體層150。具體而言，在半導體層130磊晶成長過程中，半導體層130亦會延伸至這些半導體圖案130’之間的部分區域以及各柱狀開孔122的區域。並且由於半導體圖案130’與柱狀開孔122共同形成一週期性凹凸起伏的表面，因此將會使得半導體層130在各局部區域之間的成長速率不 同。隨著半導體磊晶層厚度的增加，在半導體圖案130’上方的磊晶層，會有橫向成長的趨勢，最後會在各柱狀開孔122區域之上方接合，此原理即所謂的橫向磊晶成長(ELOG,Ref.：S. Nakamura,et al.Appl.Phys.Lett.Vol.72,pp.2014-2016(1998))。如此一來，可在這些半導體圖案130’之間形成多個孔洞140。

接著請參照圖1F，於第一型半導體層150上依序形成一發光層160以及一第二型半導體層170。如此一來，即形成本實施例的發光二極體晶片100。在本實施例中，第一型半導體層150為一N型半導體層，第二型半導體層170為一P型半導體層以及發光層160為一多重量子井發光層。舉例而言，第一型半導體層150例如是摻雜矽、鍺、銻或上述組合的N型氮化鎵層，第二型半導體層170例如是摻雜鎂的P型氮化鎵層，發光層160例如是由氮化銦鎵或氮化鎵所構成的一多重量子井結構，但本發明不以此為限。在其他可行的實施例中，第一型半導體層150亦可為一P型半導體層，此時第二型半導體層170則為一N型半導體層。前述的各膜層例如係藉由金屬有機化學氣相沉積的方式所形成，但本發明不以此為限。

此外，在另一未繪示的實施例中，發光二極體晶片100可更包括一第一阻障層(cladding，未繪示)以及一第二阻障層(未繪示)，其中第一阻障層(未繪示)位於第一型半導體層150與發光層160之間，第二阻障層(未繪示)位於發光層160與一第二型半導體層170之間。在此一實施例中，第一阻障層例如是摻雜矽、鍺、 銻或上述組合的N型氮化鋁鎵層，而第二阻障層例如是摻雜鎂的P型氮化鋁鎵層。

由於本實施例的發光二極體晶片100在基板110與第一型半導體層150之間有孔洞140的存在，因此光線在此區域會被有效地散射，而降低了光線在晶片內部發生全反射的機率。換言之，光線有較高的比例可穿透出發光二極體晶片100，故可提升發光二極體晶片100的光取出效率。此外，由於半導體層130具有一平坦上表面，因此將可提升發光二極體晶片100後續的磊晶品質，進而提升發光二極體晶片100的發光效率。

值得注意的是，雖前述的孔洞140係以柱狀孔洞為例示，但本發明並不以此為限。在其他可行的實施例中，孔洞亦可為其他形狀例如錐狀。以下將搭配圖2A至圖2F，針對孔洞的可能變化作出進一步的說明。

圖2A至圖2F是本發明的另一種發光二極體晶片的製作流程圖。請參照圖2A至圖2F，本實施例的製作發光二極體晶片200的方法與圖1A至圖1F的製作發光二極體晶片的100方法類似，而兩者的差異如下所述。請參照圖2E，在本實施例中，前述的第二磊晶條件為製程溫度介於攝氏1000度至攝氏1200度之間、壓力介於200至760毫米汞柱之間。如此一來，在搭配第二磊晶條件的適當成長參數下，於半導體圖案130’之間所形成的多個孔洞240將可呈現錐狀。其餘步驟的相關執行細節已在上述圖1A至圖1F的實施例中詳述，相關細節請參考上述段落，在此不 再重述。

類似地，由於發光二極體晶片200與發光二極體晶片100的差異在於孔洞240形狀的改變。因此，形成發光二極體晶片200的製作方法同樣地具有上述的形成發光二極體晶片100的製作方法所描述的優點，在此便不再贅述。

以下將針對發光二極體晶片200中的發光二極體元件層的電極配置等製程方式進行詳細的描述。值得注意的是，下述實施例雖以發光二極體晶片200為例示，但本發明並不以此為限。在本發明的發光二極體晶片100或是其他未繪製的可能實施例中，亦可進行類似製程。

圖3A至圖3C是圖2F的發光二極體晶片進行水平電極配置後的示意圖。請參照圖3A與圖3B，在形成圖2F的發光二極體晶片200後，接著，可更在第二型半導體層170上形成歐姆接觸層180。在本實施例中，歐姆接觸層180是用來作為導通之用，故相較於第二型半導體層170，歐姆接觸層180藉由摻雜更高濃度的摻質來達到“改質”的目的，使其導電性較第二型半導體層170好。在本實施例中，歐姆接觸層180例如係藉由金屬有機化學氣相沉積法所形成，但本發明不以此為限。

接著，在形成上述第一型半導體層150、發光層160、第二型半導體層170以及歐姆接觸層180後，可進一步擴大孔洞240的結構(如圖3A所繪示的虛線)。在本實施例中，擴大孔洞240的方式例如係以化學蝕刻的方式。具體而言，在本實施例中，圖案 化襯層120例如可與第一型半導體層150的材質相似，因此圖案化襯層120的蝕刻速率也將會近似於第一型半導體層150的蝕刻速率。如此，孔洞240結構在擴大之後亦可呈現錐狀(如圖3B所示)。此外，需說明的是，在本實施例中，孔洞240結構的擴大以不使襯層120與基板110之間分離為原則。換言之，如圖3B所示，在形成了較大的孔洞240之後，襯層120與基板110仍有足夠的接觸面積，而不致分離。

接著，請參照圖3C，依序地圖案化歐姆接觸層180、第二型半導體層170、發光層160以及部份的第一型半導體層150以同時形成歐姆接觸層180’、第二型半導體層170’、發光層160’以及暴露出部分第一型半導體層150’。在本實施例中，上述圖案化的方式例如是採用微影蝕刻。然而，本實施例不限定圖案化的方式必須是微影蝕刻，其他能夠圖案化的方式亦可以被採用。

之後，再於未被發光層160’所覆蓋的第一型半導體層150’上形成第一電極190a，同時在第二型半導體層170’上形成第二電極190b，使得第二電極190b透過歐姆接觸層180’與第二型半導體層170’電性連接並形成良好的歐姆接觸。此外，第一電極190a與第一型半導體層150’電性連接，亦形成良好的歐姆接觸。如此一來，將可形成一具有水平電極配置的實施型態的發光二極體晶片300，但本發明不以此為限。

在其他的實施例中，圖案化襯層120亦可與第一型半導 體層150的材質不同，如此一來，圖案化襯層120的蝕刻速率亦將會與第一型半導體層150的蝕刻速率不相同，而形成孔洞240的不同輪廓。以下將搭配圖3B’至圖3C’進行進一步的說明。

圖3B’至圖3C’是圖2F的另一種發光二極體晶片進行水平電極配置後的示意圖。請參照圖3B’至圖3C’，在本實施例中，圖3B’所示的製程步驟與圖3B類似，而主要差異如下所述。在本實施例中，圖案化襯層120與第一型半導體層150的材質不同，而在擴大孔洞240的結構時，第一型半導體層150的蝕刻速率則遠大於圖案化襯層120的蝕刻速率。如此，在擴大孔洞240的同時，圖案化襯層120亦將保持大略的柱狀結構，因而可在基板110上形成不同的孔洞240結構輪廓(如圖3B’所示)。接著，再執行圖3C’所示的製程步驟，即可形成另一具有水平電極配置的實施型態的發光二極體晶片300’。在本實施例中，圖3C’所示的製程步驟與圖3C相同，故於此不再贅述。

圖4A至圖4C是圖2F的發光二極體晶片進行垂直電極配置後的示意圖。圖4A至圖4B所示的製程步驟與圖3A至圖3B相同，故於此不再贅述。

接著，請參照圖4C，在擴大孔洞240的結構後，可先在歐姆接觸層180之上形成一基板(未繪示)後，再將基板110移除，以使第一型半導體層150以及圖案化襯層120暴露。然後再將歐姆接觸層180之上所形成的基板(未繪示)移除。之後，再於第一型半導體層150上形成第一電極190a，使第一電極190a與第一型半 導體層150電性連接，形成良好的歐姆接觸。另一方面，亦在第二型半導體層170上形成第二電極190b，使得第二電極190b透過歐姆接觸層180與第二型半導體層170電性連接並形成良好的歐姆接觸。如此一來，將可形成一具有垂直電極配置的實施型態的發光二極體晶片400，如圖4C所示，但本發明不以此為限。

在其他的實施例中，當圖案化襯層120亦可與第一型半導體層150材質不同的時候，亦可搭配不同的製程步驟來進行發光二極體晶片200的垂直電極配置製程。以下將搭配圖4B’至圖4C’進行進一步的說明。

圖4B’至圖4C’是圖2F的另一種發光二極體晶片進行垂直電極配置後的示意圖。請參照圖4B’至圖4C’，在本實施例中，圖4B’所示的製程步驟與圖3B’相同，相關執行細節請參考前述段落，於此不再贅述，而圖4C’所示的製程步驟與圖4C類似，主要差異則如下所述。在本實施例中，於進行移除歐姆接觸層180之上所形成的基板(未繪示)的步驟之前，可先行移除圖案化襯層120。之後，再移除歐姆接觸層180之上所形成的基板(未繪示)並進行前述圖4C實施例中的後續步驟，以形成另一具有垂直電極配置的實施型態的發光二極體晶片400’(如圖4C’所示)。

綜上所述，本發明可於各個彼此分離的半導體圖案之間形成孔洞，進而提升光線被散射的機率，故可提升發光二極體晶片的光取出效率。此外，本發明可藉由在這些半導體圖案上形成一上表面平坦的半導體層，以提升後續的磊晶品質，進而提升發 光二極體晶片的發光效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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，當可作些許之更動與潤飾，故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‧‧‧發光二極體晶片

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化襯層

140‧‧‧孔洞

150‧‧‧第一型半導體層

160‧‧‧發光層

170‧‧‧第二型半導體層

Claims (15)

1. 一種發光二極體晶片的製造方法，包括：於一基板上形成一圖案化襯層；以第一磊晶條件選擇性地於該圖案化襯層上成長多個彼此分離之半導體圖案；以第二磊晶條件於該些半導體圖案上成長一上表面平坦之半導體層，其中該半導體層覆蓋該些半導體圖案，以於該些半導體圖案之間形成多個孔洞，且該半導體圖案與該半導體層構成一第一型半導體層；以及於該第一型半導體層上依序形成一發光層以及一第二型半導體層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該基板包括氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該圖案化襯層包括多個彼此分離的柱狀體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該圖案化襯層為一連續薄膜，該圖案化襯層具有多個彼此分離的柱狀開孔，且該些柱狀開孔暴露出該基板之部分區域。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該圖案化襯層之材質包括氮化鋁(AlN)或氮化鎵(GaN)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該圖案化襯層的厚度介於10奈米至1000奈米之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該些半導體圖案的平均厚度介於500奈米至5000奈米之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中任二相鄰之半導體圖案的間隔介於100奈米至5000奈米之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該半導體層延伸至該些半導體圖案之間的部分區域。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中各該孔洞的形狀為錐狀孔洞或柱狀孔洞。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該第一型半導體層為一N型半導體層，而該第二型半導體層為一P型半導體層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該第一型半導體層為一P型半導體層，而該第二型半導體層為一N型半導體層。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該發光層為一多重量子井發光層。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，更包括： 於未被該發光層所覆蓋之第一型半導體層上形成一第一電極，以使該第一電極與該第一型半導體層電性連接；以及於該第二型半導體層上形成一第二電極，以使該第二電極與該第二型半導體層電性連接。
15. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，更包括：移除該基板，以使該第一型半導體層以及該圖案化襯層暴露；移除該圖案化襯層；於該第一型半導體層上形成一第一電極，以使該第一電極與該第一型半導體層電性連接；以及於該第二型半導體層上形成一第二電極，以使該第二電極與該第二型半導體層電性連接。