TWI393270B - 發光二極體晶片及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體晶片及其製造方法

本發明是有關於一種發光元件及其製造方法，且特別是有關於一種發光二極體(light-emitting diode,LED)晶片及其製造方法。

氮化鎵類(GaN-based)的半導體材料已被證實極具潛力以應用於製作發光二極體，且其發光波長所涵蓋的範圍可從紅外光、可見光至紫外光。因此，近年來氮化鎵類半導體逐漸受到廣大的重視。

一般而言，發光二極體的亮度取決於內部量子效率及光取出效率，其中內部量子效率為電子與電洞結合的比例。然而，由於空氣與氮化鎵材料的折射率差約1.5，使得發光二極體的發光層所產生的光易因被氮化鎵與空氣的介面全反射，而局限在發光二極體內部，造成光取出效率明顯偏低。

因此，許多研究提出提高光取出效率的方法。舉例而言，其中一種方法為藉由對晶片的頂部作表面處理，來破壞全反射條件，以提高光取出效率。此表面處理例如為表面粗化、改變發光二極體的形貌等，但只能對發光二極體晶片之頂部裸露的氮化鎵半導體層作處理。如此一來，光取出效率還是會受到一定程度的限制。

此外，另一種方法為將氮化鎵半導體層與基板分離，然後在氮化鎵半導體層上形成粗糙結構，最後再利用膠體將氮化鎵半導體層黏回基板上，藉此提高光取出效率。然而，此種方法過程過於繁雜，且須考慮到膠體散熱不佳的問題。

本發明提供一種發光二極體晶片的製作方法，其可以較為簡單的製程步驟製作出光取出效率高的發光二極體晶片。

本發明提供一種發光二極體晶片，其具有較高的光取出效率。

本發明之一實施例提出一種發光二極體晶片的製造方法，其包括下列步驟。此製造方法提供一基板。此外，在基板上形成一緩衝層(buffer layer)。再者，在緩衝層上形成一第一摻雜態半導體層。另外，在第一摻雜態半導體層上形成一發光層。除此之外，在發光層上形成一第二摻雜態半導體層。再者，利用一穿透基板的光束照射於緩衝層一部分與第一摻雜態半導體層之與緩衝層的此部分鄰接之一第一部分上，以使緩衝層的此部分與第一摻雜態半導體層的第一部分產生一反應。另外，蝕刻經反應的緩衝層的此部分與第一摻雜態半導體層的第一部分，以形成至少一空洞。

本發明之另一實施例提出一種發光二極體晶片，包括一基板、一圖案化緩衝層、一第一摻雜態半導體層、一發光層、一第二摻雜態半導體層及至少一空洞。圖案化緩衝層配置於基板上。第一摻雜態半導體層配置於圖案化緩衝層上。發光層配置於第一摻雜態半導體層上。第二摻雜態半導體層配置於發光層上。空洞位於緩衝層中，且陷入第一摻雜態半導體層。

承接上述，本發明之實施例之發光二極體晶片的製造方法利用光束來使緩衝層的一部分及第一摻雜態半導體層的一部分產生反應，進而藉由蝕刻來形成空洞，以產生光散射區。如此一來，本發明之實施例的製造方法便可以用較為簡單的製程步驟，來形成光取出效率較高的發光二極體晶片。此外，由於本發明之實施例之發光二極體晶片具有位於緩衝層中且陷入第一摻雜態半導體層中的空洞，以形成光散射區，因此本發明之實施例之發光二極體晶片具有較高的光取出效率。

為讓本發明之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。

圖1A至圖1F為本發明之一實施例之發光二極體晶片的製造方法之流程剖面示意圖，而圖2為圖1A之發光二極體晶片的上視圖。本實施例之發光二極體晶片的製造方法包括下列步驟。請先參照圖1A，首先，提供一基板110。在本實施例中，基板110例如為氧化鋁基板(sapphire substrate)。然而，在其他實施例中，基板110亦可以是其他適當的透光基板或不透光基板。接著，在基板110上形成一緩衝層120。在本實施例中，形成緩衝層120的步驟為先在基板110上形成一成核層(nucleation layer)122，然而再在成核層122上形成一無摻雜半導體層(unintentionally doped semiconductor layer)124。在本實施例中，成核層122例如為5奈米至100奈米的無摻雜氮化鎵(gallium nitride,GaN)層。無摻雜半導體層124例如是無摻雜氮化鎵層，其厚度例如為500奈米至2000奈米。

然後，在緩衝層120上形成一第一摻雜態半導體層130。在本實施例中，第一摻雜態半導體層130為N型半導體層，例如為N型氮化鎵層，其厚度例如為15000奈米至50000奈米。之後，在第一摻雜態半導體層130上形成一發光層140。在本實施例中，發光層140為一多重量子井層(multiple quantum well,MQW)，其例如由複數對井層(well)與阻障層(barrier)所形成。舉例而言，井層例如為氮化銦鎵(Indium gallium nitride,InGaN)層，而阻障層例如為氮化鎵層。在本實施例中，發光層140可具有10對氮化銦鎵層與氮化鎵層，即氮化銦鎵層與氮化鎵層交替堆疊，其中氮化銦鎵層的厚度例如為30埃(angstrom)，而氮化鎵層的厚度例如為70埃，但本發明不以此為限。在其他實施例中，井層與阻障層的厚度與對數可根據所選用的不同材料來作適當的調整與設定。

再來，在發光層140上形成一第二摻雜態半導體層150。在本實施例中，第二摻雜態半導體層150為P型半導體層，例如為P型氮化鎵層。在本實施例中，第二摻雜態半導體層150的厚度例如為100奈米至500奈米。在其他實施例中，亦可以是第一摻雜態半導體層130為P型半導體層，而第二摻雜態半導體層150為N型半導體層。在本實施例中，緩衝層120、第一摻雜態半導體層130、發光層140及第二摻雜態半導體層150的材質包括氮化物(nitride)，然而，在其他實施例中，這些膜層亦可以包括其他適當的半導體材質或其他材質。

請再參照圖1B，接著，在緩衝層120、第一摻雜態半導體層130、發光層140及第二摻雜態半導體層150上刻劃出至少一道刻痕S(在圖1B中是以多道刻痕S為例)。在本實施例中，例如是利用雷射光束來刻劃出刻痕S，即熔燒出刻痕S。舉例而言，此雷射光束例如為波長為355奈米的雷射光束。然而，在其他實施例中，此雷射光束亦可以是波長為190奈米至365奈米的紫外雷射光束或其他波段的雷射光束。然而，刻劃出刻痕S的步驟不一定要執行，在其他實施例中，亦可以不刻劃出刻痕S，即不執行圖1B的步驟。

請參照圖1C，再來，利用一穿透基板110的光束50照射於緩衝層120的一部分A與第一摻雜態半導體層130之與緩衝層120的部分A鄰接之一部分B上，以使緩衝層120的部分A與第一摻雜態半導體層130的部分B產生一反應。在本實施例中，光束50例如為一穿透基板110且聚焦於部分A與部分B之雷射光束，緩衝層120的部分A包括成核層122的一部分A1及無摻雜半導體層124的一部分A2。此外，在本實施例中，當光束50照射於部分A與部分B時，會使部分A與部分B產生化學反應。舉例而言，部分A與部分B原本的材質皆為氮化鎵，而此化學反應會使氮化鎵反應成鎵原子與氮氣，其中氮氣會散逸至環境中，而部分A與部分B的材質則變成鎵。

在本實施例中，光束50的波長落在使緩衝層120的部分A與第一摻雜態半導體層130的部分B產生反應的範圍內。舉例而言，光束50例如為波長為355奈米的雷射光束。然而，在其他實施例中，光束50亦可以是波長為190奈米至365奈米的紫外雷射光束或其他波段的雷射光束。此外，在本實施例中，產生反應的部分A與部分B呈網格狀，但本發明不以此為限。在其他實施例中，產生反應的部分A與部分B亦可以呈長條狀、方形、菱形或其他幾何圖形。

請參照圖1D，然後，蝕刻經反應的緩衝層120的部分A與第一摻雜態半導體層130的部分B，以形成至少一空洞H。在本實施例中，例如是利用非等向濕式蝕利製程來蝕刻部分A與部分B，亦即可利用蝕刻液來蝕刻部分A與部分B。舉例而言，可將圖1D之整體結構置於熱鹽酸溶液(約攝氏25度至45度的鹽酸溶液)中浸泡約0.5分鐘至3分鐘。接著，再將整體結構置於攝氏75度至90度的氫氧化鉀溶液約3分鐘至15分鐘。如此一來，在本實施例中，便可將材質為鎵的部分A與部分B移除，以形成空洞H。此外，在本實施例中刻痕S與空洞H相通。換言之，在本實施例中，請先參照圖1C，刻痕S會暴露出部分A與部分B，因此當進行圖1D之步驟時，蝕刻液可順著刻痕S流至部分A與部分B，以產生蝕刻的效果。另一方面，部分A與部分B亦可以延伸至圖1C之整體結構的側表面，而使蝕刻液從位於此側表面處之部分A與部分B開始蝕刻。

在本實施例中，當蝕刻液蝕刻完部分A與部分B之後，會繼續朝著發光層140的方向蝕刻第一摻雜態半導體層130。如此一來，當形成空洞H後，第一摻雜態半導體層130之位於空洞H頂部的表面132會形成朝向基板110凸出的複數個角錐狀表面結構134，而此角錐狀表面結構134可包括氮化鎵晶體的()面。值得注意的是，本發明並不限定須先形成刻痕S而後形成孔洞H。在其他實施例中，亦可以是先形成孔洞H，而後形成刻痕S。刻痕S有助於使整體結構分割成複數個晶片結構。

請參照圖1E，接著，蝕刻第二摻雜態半導體層150的一部分C1、發光層140的一部分C2及第一摻雜態半導體層130的一部分C3，以暴露出第一摻雜態半導體層130的一蝕刻表面136。在本實施例中，在此蝕刻步驟後，剩餘的第二摻雜態半導體層150、發光層140及部分位於頂部的第一摻雜態半導體層130會形成一平台區P。在本實施例中，此蝕刻步驟可為乾式蝕刻，例如為交感耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)蝕刻或反應性離子蝕刻(reactive ion etching,RIE)。

請參照圖1F，然後，在蝕刻表面136上形成一第一電極160，且在第二摻雜態半導體層150的一部分C4(即經由圖1E之蝕刻步驟後所剩下的那一部分)上形成一第二電極170。在本實施例中，可先在部分C4上形成一透明導電層180，然後再在透明導電層180上形成電極170。至此，可完成發光二極體晶片100之製作。在本實施例中，第一電極160與第二電極170例如為金屬電極，而透明導電層180例如為氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)層，但本發明不以此為限。

圖2為圖1F之發光二極體晶片100的上視示意圖。請參照圖1F與圖2，在本實施例中，空洞H為一網格狀空洞，如圖2所繪示，而上述部分A與部分B呈網格狀之說明亦可參照圖2之網格狀空洞的形狀。然而，在其他實施例中，當產生反應的部分A與部分B呈長條狀、方形、菱形或其他幾何圖形時，空洞亦可呈對應的長條狀空洞、方形空洞、菱形空洞或呈其他幾何圖形的空洞。在本實施例中，空洞H佔了基板110之朝向第一摻雜態半導體層130的表面112之20%至75%的面積。再者，空洞H(即網格狀空洞)包括多道長條形子空洞H1與多道長條形子空洞H2，這些長條形子空洞H1與這些長條形子空洞互相交叉。在本實施例中，每一長條形子空洞H2的寬度W1例如為20微米，且任二相鄰之長條形子空洞H2的間距W2例如為50微米，但本發明不以此為限。此外，發光二極體晶片100包括上述基板110、上述經蝕刻後的緩衝層120(即形成一圖案化緩衝層)、上述第一摻雜態半導體層130、上述發光層140、上述第二摻雜態半導體層150及上述空洞H，其中空洞H位於緩衝層120中，且陷入第一摻雜態半導體層130中。在本實施例中，空洞H中可填有空氣或氣體，或者空洞H可為真空空洞。

此外，在本實施例中，發光二極體晶片100可更包括配置於第一摻雜態半導體層130上的第一電極160及配置於第二摻雜態半導體層150上的第二電極170。此外，在本實施例中，空洞H可由基板110之朝向第一摻雜態半導體層130的表面112延伸至第一摻雜態半導體層130內。此外，在本實施例中，基板110之朝向第一摻雜態半導體層130的表面112例如為一平坦表面。

本實施例之發光二極體晶片100的製造方法利用光束50來使緩衝層120的部分A及第一摻雜態半導體層130的部分B產生反應，進而藉由蝕刻來形成空洞H，以產生光散射區。在本實施例中，位於空洞H頂部的角錐狀表面結構134可產生良好的散射效果。如此一來，本實施例的製造方法便可以用較為簡單的製程步驟，來形成光取出效率較高的發光二極體晶片100。此外，角錐狀表面結構134易於使來自發光層140的光產生全反射，而使光在全反射後，射出發光二極體晶片100外，這亦是提升發光二極體晶片100之光取出率的原因。此外，由於空洞H可在緩衝層120、第一摻雜態半導體層130、發光層140及第二摻雜態半導體層150皆磊晶完成後再形成，而無須打斷磊晶過程，因此本實施例之製造方法較為簡單，且可避免習知技術在打斷磊晶過程而將待磊晶物拿出反應爐時所造成的污染。

此外，由於本實施例之發光二極體晶片100具有位於緩衝層120中且陷入第一摻雜態半導體層130中的空洞H，以形成光散射區，因此本實施例之發光二極體晶片100具有較高的光取出效率，進而使發光二極體晶片100具有較高的亮度與發光效率。

圖3A與圖3B為圖1F之發光二極體晶片100的實驗數據圖。請先參照圖1F與圖3A，當藉由第一電極160與第二電極170將電流輸入發光二極體晶片100時，發光二極體晶片100的輸出功率(即發光二極體晶片100所發出的光之功率)隨電流大小之變化如圖3A中之虛曲線所示。此外，當電流輸入無本實施例之空洞H的一般發光二極體晶片時，一般發光二極體晶片的輸出功率隨電流大小之變化如圖3A之實曲線所示。由圖3A可知，當通入電流為20毫安培時，本實施例之發光二極體晶片100的輸出功率比一般發光二極體晶片的輸出功率高出47%，由此可證明本實施例之發光二極體晶片100具有較高的發光效率。

請再參照圖3B，其為本實施例之發光二極體晶片100與無本實施例之空洞H的一般發光二極體晶片之電壓-電流特性曲線圖。由圖3B可知，當電流為20毫安培時，本實施例之發光二極體晶片100之第一電極160與第二電極170的電壓差之絕對值為3.19伏特，而一般發光二極體晶片的電壓差之絕對值則為3.17伏特，由此可證明本實施例之空洞H對電壓-電流特性曲線的影響很小，不會導致發光二極體晶片100的串聯電阻過高，這是因為空洞H是位於靠近基板110的位置。

綜上所述，本發明之實施例之發光二極體晶片的製造方法利用光束來使緩衝層的一部分及第一摻雜態半導體層的一部分產生反應，進而藉由蝕刻來形成空洞，以產生光散射區。如此一來，本發明之實施例的製造方法便可以用較為簡單的製程步驟，來形成光取出效率較高的發光二極體晶片。此外，由於本發明之實施例之發光二極體晶片具有位於緩衝層中且陷入第一摻雜態半導體層中的空洞，以形成光散射區，因此本發明之實施例之發光二極體晶片具有較高的光取出效率。

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。

50．．．光束

100．．．發光二極體晶片

110．．．基板

120．．．緩衝層

122．．．成核層

124．．．無摻雜半導體層

130．．．第一摻雜態半導體層

134．．．角錐狀表面結構

136．．．蝕刻表面

140．．．發光層

150．．．第二摻雜態半導體層

160．．．第一電極

170．．．第二電極

180．．．透明導電層

A、A1、A2、B、C1、C2、C3、C4．．．部分

H．．．空洞

H1、H2．．．長條形子空洞

P．．．平台區

S．．．刻痕

W1．．．寬度

W2．．．間距

圖1A至圖1F為本發明之一實施例之發光二極體晶片的製造方法之流程剖面示意圖。

圖2為圖1A之發光二極體晶片的上視圖。

圖3A與圖3B為圖1F之發光二極體晶片100的實驗數據圖。

100．．．發光二極體晶片

110．．．基板

120．．．緩衝層

122．．．成核層

124．．．無摻雜半導體層

130．．．第一摻雜態半導體層

132．．．表面

134．．．角錐狀表面結構

136．．．蝕刻表面

140．．．發光層

150．．．第二摻雜態半導體層

160．．．第一電極

170．．．第二電極

180．．．透明導電層

C4．．．部分

H．．．空洞

Claims (22)

1. 一種發光二極體晶片的製造方法，包括：提供一基板；在基板上形成一緩衝層；在該緩衝層上形成一第一摻雜態半導體層；在該第一摻雜態半導體層上形成一發光層；在該發光層上形成一第二摻雜態半導體層；利用一穿透該基板的光束照射於該緩衝層一部分與該第一摻雜態半導體層之與該緩衝層的該部分鄰接之一第一部分上，以使該緩衝層的該部分與該第一摻雜態半導體層的該第一部分產生一反應；以及蝕刻經該反應的該緩衝層的該部分與該第一摻雜態半導體層的該第一部分，以形成至少一空洞。
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，更包括利用雷射光束在該緩衝層、該第一摻雜態半導體層、該發光層及該第二摻雜態半導體層上刻劃出至少一道刻痕，其中該刻痕與該空洞相通。
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，其中該空洞為一網格狀空洞。
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，其中該空洞為長條狀空洞、方形空洞或菱形空洞。
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，其中該空洞佔了該基板之朝向該第一摻雜態半導體層的表面之20%至75%的面積。
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，其中形成該緩衝層的步驟包括：在該基板上形成一成核層；以及在該成核層上形成一無摻雜半導體層。
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，其中該緩衝層、該第一摻雜態半導體層、該發光層及該第二摻雜態半導體層的材質包括氮化物。
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，其中當形成該空洞後，該第一摻雜態半導體層之位於該空洞頂部的表面會形成朝向該基板凸出的複數個角錐狀表面結構。
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，更包括：蝕刻該第二摻雜態半導體層的一第一部分、該發光層的一部分及該第一摻雜態半導體層的一第二部分，以暴露出該第一摻雜態半導體層的一蝕刻表面；在該蝕刻表面上形成一第一電極；以及在該第二摻雜態半導體層的一第二部分上形成一第二電極。
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，其中該光束為一雷射光束。
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，其中該光束的波長落在使該緩衝層的該部分與該第一摻雜態半導體層的該第一部分產生該反應的範圍內。
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，其中該基板之朝向該第一摻雜態半導體層的表面為一平坦表面。
13. 一種發光二極體晶片，包括：一基板；一圖案化緩衝層，配置於該基板上；一第一摻雜態半導體層，配置於該圖案化緩衝層上；一發光層，配置於該第一摻雜態半導體層上；一第二摻雜態半導體層，配置於該發光層上；以及至少一空洞，位於該緩衝層中，且陷入該第一摻雜態半導體層中。
14. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該空洞為一網格狀空洞。
15. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該空洞為長條狀空洞、方形空洞或菱形空洞。
16. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該空洞佔了該基板之朝向該第一摻雜態半導體層的表面之20%至75%的面積。
17. 如申請專利範圍第13項所述之發二極體晶片，其中該緩衝層包括：一成核層，配置於該基板與該第一摻雜態半導體層之間；以及一無摻雜半導體層，配置於該成核層與該第一摻雜態半導體層之間。
18. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該緩衝層、該第一摻雜態半導體層、該發光層及該第二摻雜態半導體層的材質包括氮化物。
19. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該第一摻雜態半導體層之位於該空洞頂部的表面具有朝向該基板凸出的複數個角錐狀表面結構。
20. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，更包括：一第一電極，配置於該第一摻雜態半導體層上；以及一第二電極，配置於該第二摻雜態半導體層上。
21. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該空洞由該基板之朝向該第一摻雜態半導體層的表面延伸至該第一摻雜態半導體層內。
22. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體晶片，其中該基板之朝向該第一摻雜態半導體層的表面為一平坦表面。