TWI384643B - Manufacturing method of light emitting diode structure - Google Patents

Description

發光二極體結構之製造方法

本發明係有關於一種發光二極體結構之製造方法，尤指一種在切割道區域的表面形成複數個凹部與凸部的發光二極體結構之製造方法。

為了實現固態照明，開發以及改善發光二極體之發光效率便成為當務之急。改善發光二極體之發光效率的方式可分成兩部分：其一為提高發光二極體的內部量子效率；其二為增加發光二極體的外部量子效率(光取出率)。

在外部量子效率方面，因為一般半導體材料與封裝材料的折射率相差甚多，使得全反射角小，所以發光二極體所產生的光到達與空氣的界面時，大於臨界角的光將產生全反射回到發光二極體晶粒內部。光子在交界面離開半導體的機率變小，讓光子只能在內部全反射直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發光效果不佳。

因此，改變發光二極體元件的幾何形狀是一個有效提升發光效率的方法-在光取出率方面。根據美國專利US7,075,115，該專利所揭露的技術係一種於發光二極體元件周圍具備凹凸幾何形狀之半導體發光元件，相較於發光二極體元件周圍是平坦形狀情況下，橫方向傳播之光可以被該些凹部或凸部影響，藉此產生散射或繞射效果，大幅提高外部量子效率。

但是，該專利製造該些凹部或凸部幾何形狀之方法，係先形成一鈍化層結構於發光二極體的半導體層表 面，再利用使用黃光微影方式，圖案定義出該些凹部或凸部幾何形狀，再利用乾蝕刻或濕蝕刻方式對發光二極體元件周圍的半導體層上蝕刻出該些凹部或凸部結構。此種製造過程不但繁瑣費時，亦會增加不少成本，相當不符合發光二極體的商業應用。

於是為解決上述之缺失，本發明係提供一種發光二極體結構之製造方法，於基板的切割道表面自然形成一化學反應層，利用該化學反應層為自然蝕刻遮罩，透過濕蝕刻或乾蝕刻法，形成具凹凸表面的不規則幾何形狀於該基板的切割道區域表面上，再利用磊晶成長方式，自然形成周圍具備凹凸幾何形狀之半導體發光元件，提升發光二極體的外部量子效率，適合商業上的大量生產。

本發明的發光二極體的製造方法包括：先提供一基板，該基板表面成長一鈍化層，並將該鈍化層圖形化，定義出被該鈍化層覆蓋的元件區域與外露該基板表面的切割道區域，其中該基板係為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鋁、氮化鎵基板其中之一。將該基板放置於一第一溶液內進行反應，使該切割道區域外露的基板表面自然形成一高密度的化學反應層，然後以該鈍化層與該化學反應層作為遮罩，對該基板的切割道區域進行選擇性蝕刻，其蝕刻法可為乾式蝕刻法或濕式蝕刻法，使該切割道區域無該化學反應層之處形成複數個凹部與上方有該化學反應層的凸部。

再將該基板放置於一第二溶液內蝕刻，除去該化學反應層，使該基板的切割道區域表面形成具有凹部與凸部的不規則幾何形狀，然後除去該鈍化層，且將該基板表面清潔乾淨。接下來，於該基板的表面利用磊晶成長技術，成長一半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域，且該切割道區域上的半導體層結構表面具複數個半導體層凹部與半導體層凸部。最後再利用黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構形成一發光二極體元件。

該半導體層結構係依序磊晶結合至少一n型半導體層、一活性層與至少一p型半導體層，其中該活性層作為發光區形成於該n型半導體層與該p型半導體層之間；且藉由黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構的該p型半導體層與一p型歐姆接觸電極電性連接，且該n型半導體層與一n型歐姆接觸電極電性連接，用以對該發光二極體元件提供一順向偏壓，而該切割道區域被蝕刻至該n型半導體層，且該n型半導體層表面具有複數個半導體層凹部與半導體層凸部。

其中該第一溶液和第二溶液係為酸性溶液族群、鹼性溶液族群至少一材料及其族群之組合其中之一。該酸性溶液族群係氫氟酸(HF)、硫酸(H₂ SO₄ )、鹽酸(HCl)、磷酸(H₃ PO₄ )、硝酸(HNO3)、王水(Aqua regia)、二氧化矽蝕刻劑(Buffered Oxide Etch,BOE)、鋁蝕刻液(Al Etchant)、過氧化氫(H₂ O₂ )、甲酸(HCOOH)、乙酸(CH₃ COOH)、丁二酸(C₄ H₆ O₄ )及檸檬酸(Citric Acid)。該鹼性溶液族群係氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)₂ )、氫氧化銨(NH₄ OH)、氫氧化四甲基銨溶液(tetramethylammonium hydroxide,TMAH)。

而該基板放置於該第一溶液的時間係為1秒至200分鐘，該基板放置於該第二溶液的時間係為1秒至200分鐘，而該凹部與凸部的高度差為0.1微米至15微米。

經由上述方法所形成的發光二極體結構，其中該基板表面分為元件區域與切割道區域，且該切割道區域表面形成具有凹部與凸部的不規則幾何形狀；以及利用磊晶成長技術，成長該半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域，再利用黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構形成該發光二極體元件。

本發明的優點在於利用一種新穎製程方式於切割道表面自然形成該化學反應層，利用該化學反應層做為自然蝕刻遮罩，透過濕蝕刻或乾蝕刻法，形成不同凹凸面的不規則幾何形狀於該基板切割道表面上，再利用磊晶成長方式，自然形成周圍具備凹凸幾何形狀之半導體發光元件，藉由該些凹部與凸部結構對發光二極體元件內部光的散射、繞射效果，可減少半導體層與基板之界面中光橫向傳播的情況，減少全反射的機率，提高發光二極體之光取出率。且本發明因為製成簡單，可降低生產成本，適合產業大量生產。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請參閱第1圖至第5圖所示。本發明的發光二極體的製造方法包括：首先提供一基板10，該基板10係為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鋁、氮化鎵基板其中之一。於該基板10表面成長一鈍化層11，並將該鈍化層11圖形化，定義出被該鈍化層11覆蓋的元件區域101與外露該基板10表面的切割道區域102(如第1圖所示)。

然後將該基板10放置於一第一溶液內進行反應，使該切割道區域102外露的基板10表面自然形成一高密度的化學反應層103。該基板10放置於該第一溶液的時間係為1秒至200分鐘。然後以該鈍化層11與該化學反應層103作為遮罩，對該基板10的切割道區域102進行選擇性蝕刻，使該切割道區域102無該化學反應層103之處形成複數個具有凹部104與上方有該化學反應層103的凸部105(如第2圖所示)。

以該基板10是藍寶石基板(Al₂ O₃ )為說明例(以下說明該基板10都以藍寶石基板(Al₂ O₃ )為說明例)，將藍寶石基板(Al₂ O₃ )放置於硫酸(H₂ SO₄ )(96%)中(以硫酸做為第一溶液)，液體溫度約25~400℃，反應時間從1秒至200分鐘，該基板10切割道區域102的表面會形成高密度奈米等級的該化學反應層103(Al₂ (SO₄ )₃ 或Al₂ (SO₄ )．17H₂ O等)。然後以該化學反應層103作為遮罩，對該基板10進行選擇性蝕刻，可使用乾蝕刻法或濕蝕刻法。

以濕式蝕刻藍寶石基板(Al₂ O₃ )為例，可使其表面形成凹部104與凸部105。又以改變藍寶石基板在第一溶液如硫酸(H₂ SO₄ )的蝕刻時間為例，從2.5分鐘至20分鐘，該基板10可以形成不同的平均蝕刻深度(average etching deep)，平均顆粒大小(average grain size)，密度(density)，以及表面粗糙度根均方值(RMS roughness)的基板10。經由原子力顯微鏡觀察基板表面，整理如下表：

再將被蝕刻後的基板10放置於一第二溶液內蝕刻，用以除去該化學反應層103，形成具有凹部104與凸部105的不規則幾何形狀於該基板10的切割道區域102表面。以該第二溶液是磷酸(H₃ PO₄ )為說明例，該溫度可為25℃至400℃，該基板10放置於該第二溶液的時間係為1秒至200分鐘，以可以將該化學反應層110除乾淨為主。然後也除去該鈍化層11，且將該基板10表面清潔乾淨，維持該基板10的元件區域101表面的平坦性。

最後於該基板10的元件區域101表面上形成一發光二極體的半導體層結構20，該半導體層結構20係依序磊晶結合至少一n型半導體層21、一活性層22與至少一p型半導體層23，其中該活性層22作為發光區形成於該n型半導體層21與該p型半導體層23之間(如第4圖所示)。該半導體層結構20在該基板10的元件區域101表面會維持其平坦性，而在該切割道區域102表面的半導體層結構20(n型半導體層21、活性層22與p型半導體層23)磊晶後會依該凹部104與凸部105的不規則幾何形狀產生凹凸不平的各層，形成複數個半導體層凹部204與半導體層凸部205。

最後，藉由黃光微影製程使該元件區域101上的半導體層結構20形成一發光二極體元件30。即使該元件區域101上的半導體層結構20上的該p型半導體層23與一p型歐姆接觸電極32電性連接，而該n型半導體層21透過接觸窗與一n型歐姆接觸電極31電性連接，用以對該發光二極體元件30提供一順向偏壓。而該切割道區域102的半導體層結構20被蝕刻至該n型半導體層21，且該n型半導體層21表面具有複數個半導體層凹部214與半導體層凸部215。

藉由該些凹部104、凸部105、半導體層凹部214與半導體層凸部215結構。該半導體層結構20內部的活性層22所發出的光將會被該基板10上的凹部104與凸部105結構，與該n型半導體層21上的半導體層凹部214與半導體層凸部215結構散射或繞射，減少全反射的機率，使射向該基板10上方或下方的光束增加，可提高發光二極體元件30之光取出率，增加總發光量。

經由上述方法所形成的發光二極體之結構，其包括該基板10，該基板10其表面分為元件區域101與切割道區域102，且該切割道區域102表面形成具有凹部104與凸部105的不規則幾何形狀；以及利用磊晶成長技術，成長該半導體層結構20於該基板10表面的元件區域101與切割道區域102，且於該切割道區域102上的該半導體層結構20表面形成複數個半導體層凹部204與半導體層凸部205，再利用黃光微影製程，使元件區域101上的半導體層結構20形成該發光二極體元件30，而該切割道區域102的半導體層結構20被蝕刻至該n型半導體層21，且該n型半導體層21表面具有複數個半導體層凹部214與半導體層凸部215。

本發明的精神在於切割道區域102的表面自然形成該化學反應層103，然後透過選擇性蝕刻，使該基板10的切割道區域102表面具有凹部104與凸部105結構，再利用磊晶成長技術，於切割道上的半導體層表面自然形成不規則的凹凸幾何形狀。藉由該些凹部104與凸部105結構，與該些半導體層凹部214與半導體層凸部215，可以使該發光二極體元件30內部的光於該些凹部104、凸部105、半導體層凹部214與半導體層凸部215處產生散射、繞射效果，可減少該n型半導體層21與該基板10之界面中光橫向傳播的情況，減少全反射的機率，提高該發光二極體元件30的光取出率。

惟上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10．．．基板

11．．．鈍化層

101．．．元件區域

102．．．切割道區域

103．．．化學反應層

104．．．凹部

105．．．凸部

20．．．半導體層結構

21．．．n型半導體層

22．．．活性層

23．．．p型半導體層

204、214．．．半導體層凹部

205、215．．．半導體層凸部

30．．．發光二極體元件

31．．．n型歐姆接觸電極

32．．．p型歐姆接觸電極

第1圖，為本發明之基板表面鈍化層圖形化的示意圖。

第2圖，為本發明之基板表面產生化學反應層與蝕刻後的結構示意圖。

第3圖，為本發明之切割道區域具凹部與凸部的結構示意圖。

第4圖，為本發明之基板表面磊晶半導體層的結構示意圖。

第5圖，為本發明之發光二極體結構的示意圖。

10．．．基板

101．．．元件區域

102．．．切割道區域

104．．．凹部

105．．．凸部

20．．．半導體層結構

21．．．n型半導體層

22．．．活性層

23．．．p型半導體層

214．．．半導體層凹部

215．．．半導體層凸部

30．．．發光二極體元件

31．．．n型歐姆接觸電極

32．．．p型歐姆接觸電極

Claims (8)

1. 一種發光二極體結構之製造方法，其包括：提供一基板，其表面成長一鈍化層，並將該鈍化層圖形化，定義出被該鈍化層覆蓋的元件區域與外露該基板表面的切割道區域；將該基板放置於一第一溶液內進行反應，使該切割道區域外露的基板表面自然形成一化學反應層，該第一溶液為酸性溶液族群、鹼性溶液族群至少一材料及其族群之組合其中之一；然後以該鈍化層與該化學反應層作為遮罩，對該基板的切割道區域進行選擇性蝕刻，使該切割道區域無該化學反應層之處形成複數個具有凹部與上方有該化學反應層的凸部；再將該基板放置於一第二溶液內蝕刻，除去該化學反應層，使該基板的切割道區域表面形成具有凹部與凸部的不規則幾何形狀，第二溶液係為酸性溶液族群、鹼性溶液族群至少一材料及其族群之組合其中之一；除去該鈍化層，且將該基板表面清潔乾淨；於該基板的表面，成長一半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域，該半導體層結構係依序磊晶結合至少一n型半導體層、一活性層與至少一p型半導體層，且該切割道區域上的半導體層結構具有複數個半導體層凹部與半導體層凸部；以及使元件區域上的半導體層結構形成一發光二極體元件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該基 板係為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵和氮化鋁、氮化鎵基板其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該酸性溶液族群係氫氟酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸、王水、二氧化矽蝕刻劑、鋁蝕刻液、過氧化氫、甲酸、乙酸、丁二酸及檸檬酸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中，該鹼性溶液族群係氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化銨、氫氧化四甲基銨溶液。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該基板放置於該第一溶液的時間係1秒鐘至200分鐘。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該基板放置於該第二溶液的時間係1秒至200分鐘。
7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中，該凹部與凸部的高度差為0.1微米至15微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中，該活性層作為發光區形成於該n型半導體層與該p型半導體層之間；且藉由黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構上的該p型半導體層與一p型歐姆接觸電極電性連接，該n型半導體層與一n型歐姆接觸電極電性連接，用以對該發光二極體元件提供一順向偏壓，而該切割道區域被蝕刻至該n型半導體層，且該n型半導體層表面具有複數個半導體層凹部與半導體層凸部。