TW201712890A - 發光元件的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種發光元件的製造方法，係具備：在作為發光元件之光取出面的主面(第二主面(12b))上，塗布包括第一材料和與第一材料不同的第二材料的溶液以形成遮罩層(32)的步驟；以及從所形成的遮罩層(32)之上方利用乾式蝕刻來蝕刻遮罩層(32)及主面(第二主面(12b))以形成凹凸結構的步驟。第一材料亦可為樹脂材料，第二材料亦可為無機材料。

Description

發光元件的製造方法
本發明係關於一種發光元件的製造方法，尤其是關於一種發出紫外光的發光元件的製造方法。
近年來，輸出藍色光的發光二極體或雷射二極體(laser diode)等半導體發光元件已被實用化，進而推進了輸出波長較短的深紫外光的發光元件之開發。由於深紫外光係具有較高的殺菌能力，所以能夠輸出深紫外光的半導體發光元件，在醫療或食品加工現場中作為無水銀(mercury free)的殺菌用光源已受到注目。如此的深紫外光用的發光元件，例如是藉由使氮化鋁鎵(AlGaN)系的n型半導體層、活性層、p型半導體層依順序地積層於藍寶石基板(sapphire substrates)等的基板上所形成。
活性層所發出的深紫外光係通過與藍寶石基板當中之可供半導體層積層的第一主面為相反側的第二主面(光取出面)而輸出至外部。因藍寶石基板係折射率比較高的材料，故而在作為光取出面的界面的折射率差較大。結果，從活性層轉向光取出面的深紫外光的大多數會朝向 內側全反射，而造成外部取出效率大幅降低的主要原因。
作為用以提高藍寶石基板的光取出效率的方法之一係有一種在光取出面形成奈米(nanometer)或次微米(submicron)程度的凹凸結構的方法。例如，藉由使用微影技術(lithography technique)或奈米壓印技術(nanoimprint technique)在藍寶石基板上形成阻劑圖案(resist pattern)，且施予蝕刻(etching)處理來形成微細的凹凸結構(例如，參照專利文獻1)。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2012-149151號公報。
在使用光微影技術來形成凹凸結構的情況下，一般而言，由於需要阻劑塗布、曝光、顯影、蝕刻、阻劑剝離的步驟，且需要曝光用的遮罩(mask)，所以製造成本容易變高。又，在使用奈米壓印技術的情況下，亦因有必要製作特殊的模具故而有可能關係到製造成本的增大。又，在凹凸形成前的基板上發生彎曲的情況下，即便該彎曲僅是些微仍恐有可能發生無法正確地轉印模具之虞。
本發明係有鑑於如此的課題而開發完成者，其例示的目的之一係在於以簡單且成本低的方法來製造能提高光取出效率的發光元件。
為了解決上述課題，本發明之某一態樣的發光元件的製造方法，係具備：在作為發光元件之光取出面的主面上，塗布包括第一材料和與第一材料不同的第二材料的溶液以形成遮罩層的步驟；以及從所形成的遮罩層之上方利用乾式蝕刻(dry etching)來蝕刻遮罩層及主面以形成凹凸結構的步驟。
依據該態樣，就可以利用遮罩層中所含的第一材料與第二材料之材料特性的差異，使作為光取出面的主面上的蝕刻速度隨著位置而有所不同。藉此，就可以利用隨著位置而有所不同的深度來蝕刻主面，並以簡單且廉價的方法來形成具有凹凸結構的光取出面，且可以提高發光元件的光取出效率。
亦可更具備：將殘留於凹凸結構之上方的遮罩層予以去除的步驟。
第一材料亦可為樹脂材料，第二材料亦可為無機材料。
在溶液中亦可分散有第二材料的粒子。
發光元件，亦可以通過凹凸結構將紫外光輸出至外部的方式所構成。
發光元件，亦可具備藍寶石基板。凹凸結構，亦可形成於藍寶石基板的一主面上。
依據本發明，就可以以簡單且成本低的方法來製造能提高光取出效率的發光元件。
10‧‧‧發光元件
12‧‧‧基板
12a‧‧‧第一主面
12b‧‧‧第二主面
12c‧‧‧光取出面
14‧‧‧半導體積層結構
16‧‧‧模板層
18‧‧‧n型包覆層
20‧‧‧活性層
22‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧p型接觸層
26‧‧‧p側電極
28‧‧‧n側電極
30‧‧‧凹凸結構
32‧‧‧遮罩層
34‧‧‧基部
36‧‧‧粒子
38‧‧‧露出區域
40‧‧‧蝕刻氣體
圖1係概略地顯示實施形態的發光元件之構成的剖視圖。
圖2係示意性地顯示發光元件之製造步驟的示意圖。
圖3係示意性地顯示發光元件之製造步驟的示意圖。
圖4係示意性地顯示發光元件之製造步驟的示意圖。
圖5係示意性地顯示發光元件之製造步驟的示意圖。
以下，一邊參照圖式，一邊針對用以實施本發明的形態加以詳細說明。另外，在說明中係在同一要素上附記同 一符號，且適當省略重複的說明。又，為了有助於說明的理解，各圖式中的各構成要素之尺寸比，並不一定與實際的發光元件之尺寸比一致。
圖1係概略地顯示實施形態的發光元件10之構成的剖視圖。發光元件10係具備基板12及半導體積層結構14。半導體積層結構14係具備模板層(template layer)16、n型包覆層(clad layer)18、活性層20、p型包覆層22、p型接觸層24、p側電極26及n側電極28。
發光元件10係指以發出中心波長λ成為約355nm以下的「深紫外光」的方式所構成的半導體發光元件，且為所謂的LED(Light Emitting Diode：發光二極體)晶片。為了輸出如此波長的深紫外光，活性層20係由能帶隙(band gap)成為約3.4eV以上的氮化鋁鎵(AlGaN)系半導體材料所構成。在本實施形態中，尤其是針對發出中心波長λ成為約240nm至350nm的「深紫外光」的情況來顯示。
基板12係具有可供模板層16積層的第一主面12a。基板12，為藍寶石(Al2O3)基板，例如是以第一主面12a成為藍寶石基板的(0001)面的方式所設置。模板層16係包括由AlN系半導體材料所形成的層，例如是包括使其高溫成長後的AlN(HT-AlN)層。模板層16，亦可包括由AlGaN系半導體材料所形成的層、例如無摻雜(undoped)的 AlGaN(u-AlGaN)層。
基板12及模板層16係具有作為底層(underlayer)的功能，用以形成從n型包覆層18起算位於上方的層。又，此等之層係具有作為光取出基板的功能，用以將活性層20所發出的深紫外光取出至外部，且使活性層20所發出的深紫外光穿透。在基板12的第一主面12a的相反側係設置有光取出面12c。在光取出面12c係設置有用以提高光取出效率的凹凸結構30。
凹凸結構30係以凹凸能在比發光元件10所輸出的光之波長更小的週期內重複的方式所形成。凹凸結構30，並非是如具有特定之週期性的凹凸形狀，而是在光取出面12c的面內，具有如凹凸的高度及面方向的週期成為隨機(random)的凹凸形狀。藉此，從穿透光取出面12c的光來看，折射率會在光取出面12c的界面慢慢地變化。
凹凸結構30係以凹凸的面方向的週期成為波長λ之0.01倍至0.5倍左右的方式所形成，較佳是以成為0.01倍至0.1倍左右的方式所形成。例如，在發光元件10的發光波長λ約為280nm的情況下，凹凸結構30的週期係以成為3nm至140nm左右的方式所形成，較佳是以成為3nm至28nm左右的方式所形成。
n型包覆層18係由n型的AlGaN系半導體材料所形成，例如是摻雜矽(si)作為n型雜質的AlGaN層。n型包覆層18係以使活性層20所發出的深紫外光穿透的方式選擇組成比，例如是以AlN莫耳分率(mole fraction)比活性層20更高的方式所形成。
活性層20係形成於n型包覆層18的一部分區域上。活型層20係由AlGaN系半導體材料所形成，且構成由n型包覆層18和P型包覆層22所包夾的雙異質接面結構(double heterojunction structure)。活性層20，亦可構成單層或是多層的量子井結構。如此的量子井結構，例如是藉由使由n型或無摻雜的AlGaN系半導體材料所形成的障壁層、和由無摻雜的AlGaN系半導體材料所形成的井層予以積層所形成。
p型包覆層22係形成於活性層20的上方。p型包覆層22係由p型的AlGaN系半導體材料所形成的層，例如是摻雜鎂(Mg)的AlGaN層。p型包覆層22係以AlN的莫耳分率比活性層20更高的方式來選擇組成比。
p型接觸層24係形成於p型包覆層22的上方。p型接觸層24係由p型的AlGaN系半導體材料所形成，且以鋁(Al)含有率比p型包覆層22更低的方式來選擇組成比。p型接觸層24，亦可由實質上不含AlN的p型的GaN系半 導體材料所形成。藉由減小p型接觸層24的AlN的莫耳分率，就可以與p側電極26獲得優異的歐姆接觸(ohmic contact)。
p側電極26係設置於p型接觸層24的上方。p側電極26係由可以在與p型接觸層24之間實現歐姆接觸的材料所形成，例如是藉由鈦(Ti)/鉑(Pt)/金(Au)的積層結構所形成。
n側電極28係設置於n型包覆層18的上方之並未設置有活性層20的露出區域38。n側電極28，例如是藉由金鍺(AuGe)/Ni(鎳)/金(Au)的積層結構所形成。
接著，一邊參照圖2至圖5一邊針對發光元件10的製造方法加以敘述。
如圖2所示，在基板12的第一主面12a的上方形成半導體積層結構14。首先，在基板12的第一主面12a的上方，依順序積層模板層16、n型包覆層18、活性層20，p型包覆層22、p型接觸層24。此等之層係可以使用有機金屬氣相磊晶(metal-organic vapor phase epitaxy；MOVPE)法或分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)法等習知的磊晶成長法所形成。
其次，去除活性層20、p型包覆層22及p型接觸層 24的一部分以形成可供n型包覆層18露出的露出區域38。露出區域38，例如是藉由使p型接觸層24的上方的一部分作為遮罩，且透過遮罩來蝕刻各層而形成。露出區域38，例如是可以藉由使用電漿(plasm)的乾式蝕刻所形成。
其次，在p型接觸層24的上方形成鈦/鉑/金的p側電極26，在n型包覆層18的上方的露出區域38形成金鍺/鎳/金的n側電極28。構成p側電極26及n側電極28的各金屬層，例如是藉由MBE法等習知的方法所形成。藉此，可以完成圖2所示的半導體積層結構14。另外，在此時間點，在與基板12的第一主面12a為相反側的第二主面12b並未形成有凹凸結構。
接著，針對在第二主面12b形成凹凸結構30的步驟加以敘述。首先，如圖3所示，在基板12的第二主面12b的上方形成遮罩層32。遮罩層32係包括基部34、以及分散於基部34的粒子36。基部34係由作為第一材料的樹脂材料所構成，例如是由酚醛(novolac)系、酚(phenol)系、環氧(epoxy)系、聚乙烯(polyethylene)系、聚丙烯(polypropylene)系、聚苯乙烯(polystyrene)系、丙烯酸(acrylic)系、聚醯胺(polyamide)系等的聚合物樹脂(polymer resin)所構成。粒子36係由作為第二材料的無機材料所構成，例如是由金屬氧化物或金屬等所構成。粒子36，例如 亦可包括氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO)、氧化鉬(MoOx)、氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(TaOx)、氧化鈦(TiO2)等的金屬氧化物、或矽(Si)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈮(Nb)等的金屬。基部34及粒子36係以成為粒子36比基部34更不易被蝕刻的材料、例如粒子36比基部34更硬的材料的方式來選擇。
粒子36的粒徑係能依所欲形成的凹凸結構30的面方向之週期性而選擇，且能選擇與所欲製作的凹凸之週期相應的大小之粒徑。例如，為了實現具有10nm左右之週期的凹凸結構30，例如只要使用具有10nm至100nm左右之粒徑的粒子36即可。
遮罩層32係使作為基部34的聚合物混合於有機溶劑中，且將使粒子36分散後的溶液塗布於第二主面12b的上方，且藉由將塗布後的溶液予以乾燥或加熱所形成。遮罩層32係利用旋塗法(spin coating)來塗布黏度較低的溶液，藉此可以形成為次微米程度的厚度。
其次，如圖4所示，藉由從遮罩層32的上方照射蝕刻氣體(etching gas)40來乾式蝕刻遮罩層32和第二主面12b。蝕刻處理係進行至遮罩層32的大致全部被去除並使第二主面12b的至少一部分被蝕刻為止。因構成遮罩層32 的基部34與粒子36的材料特性不同，故基部34和粒子36係藉由蝕刻氣體40以相異的速度來蝕刻。具體而言，比起屬於樹脂的基部34，屬於無機材料的粒子36係比較不易被蝕刻，且蝕刻速度較慢。在本實施形態中，係利用如此的基部34與粒子36的蝕刻速度之差異而形成凹凸結構30。
如圖所示，遮罩層32中所含的粒子36係在隨機疊合後的狀態下存在於基部34之中。例如，在A或D所示的位置，粒子36在蝕刻方向疊合較多，另一方面，在B或C所示的位置，粒子36的數量較少。又，如E所示的位置，亦可能有在朝向蝕刻方向延伸的直線上不存在粒子36的場所。如A或D般，在蝕刻粒子36之距離較長的位置上，花在藉由蝕刻來貫通遮罩層32並到達第二主面12b的時間相對較長。另一方面，如B或C般，在蝕刻粒子36之距離較短的位置上，花在到達第二主面12b的時間相對較短。為此，當對各自的位置均一地以相同的時間進行蝕刻處理時，第二主面12b之被蝕刻的深度就會隨著位置而有所不同。
圖5係示意性地顯示蝕刻處理後所形成的凹凸結構30之示意圖。如圖所示般，在不易被蝕刻的A或D的位置上，基板12的高度係相對地變高，另一方面，在容易被蝕刻的B、C、E的位置上，基板12的高度係相對地變低。利用 如此的蝕刻深度之偏差來蝕刻基板12的第二主面12b，藉此可以形成具有凹凸結構30的光取出面12c。
在該蝕刻步驟中，作為蝕刻氣體40，既可採用使用氬(Ar)等稀有氣體的物理性蝕刻方法，又可採用使用含氟(F)或氯(Cl)等反應性氣體的反應性離子蝕刻法。另外，藉由適當地選擇基部34及粒子36的材質或蝕刻氣體40的種類，就可以控制與位置相應的蝕刻速度之偏差量，且調整凹凸結構30的高度或週期。
亦可在上述的蝕刻步驟之後，將殘留於第二主面12b之上方的遮罩層32予以去除。遮罩層32係可以利用使用可以融化作為基部34的樹脂的有機溶劑等的濕式處理來去除或洗淨。在該洗淨步驟中，較佳是以不會給形成於基板12的凹凸結構30的形狀帶來影響的方法來完成。
另外，在使用一片基板12來形成複數個LED晶片(chip)的情況下，係在形成具有凹凸結構30的光取出面12c之後，使基板12或半導體積層結構14切割成每一晶片並予以切離。藉此，可以完成圖1所示的發光元件10。
依據本實施形態，可以利用塗布包括基部34和粒子36的溶液所形成的遮罩層32，來形成具有凹凸結構30的光取出面12c。為此，與使用微影技術或奈米壓印技術等 的情況相較，可以簡單且廉價地形成凹凸結構30。又，即便是在基板12的表面發生次微米程度的彎曲的情況下仍能夠進行凹凸結構30的形成。從而，依據本實施例，可以一邊抑制發光元件10的製造成本，且一邊提高發光元件10的光取出效率。
(實施例)
以下，雖然是基於實施例來詳細說明本實施形態，但是本發明並非依此等的實施例而受任何限定。
首先，利用上述的方法，在藍寶石基板上製作由AlGaN系的半導體材料所構成的半導體積層結構。其次，準備使酚醛系樹脂混合於有機溶劑中，並且使粒徑約50nm的SiO2的粒子分散而成的溶液。該溶液係以黏度成為1.5mPa‧s的方式所調製。將該溶液利用旋塗法來塗布於藍寶石基板的第二主面上。塗布之後使用加熱板(hot plate)來加熱基板以使溶劑揮發，而形成了厚度約0.2μm的遮罩層。
接著，藉由使用氬氣的離子銑削裝置(ion milling device)，從遮罩層的上方乾式蝕刻藍寶石基板的全面。蝕刻的條件係設為可以蝕刻藍寶石基板約0.2μm的照射量及照射時間。藉此，可以在藍寶石基板上形成具有0.1μm左右之高度且不具有特異之週期性的凹凸結構。藉由設置依據本手法的凹凸結構，就可以確認出與不形成凹凸結構 的發光元件相較能提高約30%的輸出光的強度。
以上係基於實施例來說明本發明。本發明並未被限定於上述實施形態，而是能夠進行各種的設計變更，且能夠實施各種的變化例，又，該發明所屬技術領域中具有通常知識者能理解如此的變化例已涵蓋在本發明的範疇中。
在上述的實施形態中，假設藉由進行一次的遮罩形成步驟及蝕刻步驟來形成凹凸結構。在變化例中，亦可藉由進行複數次的遮罩形成步驟和蝕刻步驟來形成所期望的凹凸結構。具體而言，亦可在已結束第一次的蝕刻步驟的主面上再次形成遮罩層並施予蝕刻處理。又，在進行複數次的遮罩形成步驟和蝕刻步驟的情況下，亦可使各自之步驟中使用的遮罩層中所含的粒子之粒徑有所不同。例如，亦可使用粒徑比較大的粒子(例如，粒徑0.5μm至2μm)作為第一次的遮罩層，使用粒徑比較小的粒子(例如，粒徑20nm至200nm)作為第二次的遮罩層。
例如，亦可使用含有第一粒徑之粒子的第一遮罩層並施予蝕刻處理，之後，使用含有第二粒徑之粒子的第二遮罩層並施予蝕刻處理。第一遮罩層中所含的粒子，與第二遮罩層中所含的粒子相較，平均粒徑或粒度分布的中央值亦可形成較大。作為用以比較粒子之大小的指標，亦可使用眾數直徑(mode diameter)、中數直徑(median diameter)、 算術平均直徑的其中任一個。又，作為算術平均直徑，亦可使用個數平均直徑、長度平均直徑、面積平均直徑、體積平均直徑的其中任一個。
又，在進行複數次的遮罩形成步驟和蝕刻步驟的情況下，亦可使各自之步驟中使用的遮罩中所含的粒子與基部的比例或比率有所不同。例如，亦可使用粒子的含有率成為第一比例的第一遮罩層並施予蝕刻處理，之後，使用粒子的含有率成為第二比例的第二遮罩層並施予蝕刻處理。粒子與基部的比例或比率，既可以粒子及基部的體積來比較，亦可以粒子及基部的重量來比較。
在上述的實施形態中，已針對在發出深紫外光的發光元件的光取出面形成凹凸結構30的情況來顯示。在變化例中，亦可應用於發出波長λ為360nm至400nm左右的紫外光、或波長λ為400nm以上的可視光的發光元件的光取出面。
在上述的實施形態中，已顯示形成凹凸結構作為發光元件的LED晶片之反射防止結構的情況。在變化例中，亦可應用使用上述的方法所形成的凹凸結構作為不同用途中的反射防止結構。例如，亦可對電視或個人電腦等的顯示器、汽車的前擋玻璃(front glass)、用以保護美術館的展示物或商店的商品等的玻璃外殼(glass case)的玻璃表面，使 用上述的方法來形成凹凸結構。又，亦可將藉由上述的方法所形成的凹凸結構形成於光學元件表面，以取代設置於透鏡等的光學元件之表面的反射防止膜。上述的凹凸結構，既可相對於平面所形成，又可相對於曲面所形成。
(產業上之可利用性)
依據本發明，就可以以簡單且成本低的方法來製造能提高光取出效率的發光元件。
10‧‧‧發光元件
12‧‧‧基板
12a‧‧‧第一主面
12c‧‧‧光取出面
14‧‧‧半導體積層結構
16‧‧‧模板層
18‧‧‧n型包覆層
20‧‧‧活性層
22‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧p型接觸層
26‧‧‧p側電極
28‧‧‧n側電極
30‧‧‧凹凸結構
38‧‧‧露出區域

Claims (6)

  1. 一種發光元件的製造方法，具備：在作為發光元件之光取出面的主面上，塗布包括第一材料和與前述第一材料不同的第二材料的溶液以形成遮罩層的步驟；以及從所形成的前述遮罩層之上方利用乾式蝕刻來蝕刻前述遮罩層及前述主面以形成凹凸結構的步驟。
  2. 如請求項1所記載之發光元件的製造方法，其中更具備：將殘留於前述凹凸結構之上方的前述遮罩層予以去除的步驟。
  3. 如請求項1或2所記載之發光元件的製造方法，其中前述第一材料為樹脂材料，前述第二材料為無機材料。
  4. 如請求項1或2所記載之發光元件的製造方法，其中在前述溶液中係分散有前述第二材料的粒子。
  5. 如請求項1或2所記載之發光元件的製造方法，其中前述發光元件係以通過前述凹凸結構將紫外光輸出至外部的方式所構成。
  6. 如請求項1或2所記載之發光元件的製造方法，其中前述發光元件係具備藍寶石基板；前述凹凸結構係形成於前述藍寶石基板的一主面上。
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