TWI404236B - 增益發光二極體出光效率的方法 - Google Patents

Description

增益發光二極體出光效率的方法

本發明有關增益發光二極體出光效率的方法，尤指一種藉由粗化發光二極體表面來增益發光二極體出光效率的方法。

發光二極體的發光效率受內部量子效率和出光效率所主導。內部量子效率和產生自活性層的光有關。出光效率係將活性層的光發射到周圍介質(medium)的能力。隨著磊晶技術的發展，內部量子效率可達80%。然而，出光效率仍低。舉例來說，GaN系列材料的折射率約2.5。其周圍的空氣折射率為1。由於全反射的影響，介面的出光效率僅10~12%。

為了增益出光效率，在透明傳導層的表面形成不規則蝕刻的空腔。如此一來，來自活性層的大部分光束可自發光二極體射出而免受反射影響。粗化p型層亦可達到相同的效果。

一般來說，產生紅或黃光束的GaN或AlGaInP串聯發光二極體的上部磊晶結構的厚度大於5μm。因此，可施以電漿蝕刻或化學蝕刻來產生空腔或二維圖型。然而，產生藍、綠或UV光束的發光二極體的上部磊晶結構相當薄(約0.2μm)。如需改善外部量子效率來增益出光效率，空腔的深度應至少有0.2μm。因此，傳統的表面粗化方法並不適用。

此外，傳統蝕刻粗化方法常利用光阻來做為光罩。因為蝕刻選擇比不高，以致於無法有效蝕刻出所要之深度，尤其蝕刻更深的深度更是困難。因此，要有效圖型化或粗化發光二極體有其難度。此外，當諸如鎳等金屬材料作為熱光罩時，在設置熱光罩前預先將光阻塗布於發光二極體上，如此將使製程更為繁瑣，亦增加生產成本。

傳統的表面粗化方法所產生的圖型化效果，其凸部的間距大於2~3μm，由於圖型化程度低，故改善出光效率效果有限。再者，傳統蝕刻方法僅能粗化發光二極體的上表面，無法粗化側邊的部份。

美國第6,551,936號專利揭示一種方法以解決上述習知技藝的問題。敬請參照圖1，其繪示在半導體材料蝕刻圖型取決於形成在半導體材料上的InP光柵光罩。InP光柵光罩的形成與半導體材料的多層結構以及InP層間的蝕刻中止(etch-stop)層有關。對應於半導體材料蝕刻圖型的光阻光柵光罩形成於上InP層之上。隨後使用非選擇性蝕刻來穿透上InP層、蝕刻中止層、以及下InP層。接著使用適當的剝離溶劑來移除光阻，然後利用選擇性蝕刻來清除剩餘露出的InP材料，移除受污染的材料，根據要蝕刻的圖型來露出下面的半導體材料。因此，除InP光罩之外不需要額外的光罩。露出的半導體材料經蝕刻後，以致圖型轉移至半導體材料。

前揭發明雖解決了大部分的習知問題，圖型的形成仍受到限制，無法有效控制並蝕刻預定的圖型來增益出光效率。

有鑒於習知技藝受限於上述問題，本發明遂揭示一種利用圖型化發光二極體來增益出光效率的方法。蝕刻製程改用氧化層，屏除舊有技術常使用的光阻。由於氧化層的厚度較好控制，較易蝕刻出發光二極體預期的深度，因而可製作任何形狀的凸部。因此本發明比傳統製程更為節省生產成本與時間。

本案之目的為提供一種增益發光二極體出光效率的方法，包括以下步驟：a)提供發光二極體，依序包含基板、第一傳導型的第一層、活性層、以及相對於第一傳導型的第二傳導型的第二層；b)在發光二極體的第一層、活性層、以及第二層中至少選定一層，於其上生長多個凸部，以形成圖型化氧化層來保護發光二極體免於蝕刻；c)控制凸部的高度以達到發光二極體預定蝕刻深度；d)乾蝕刻穿透未受圖型化氧化層的保護的部分發光二極體，以在發光二極體上形成多個凹陷；以及e)將氧化層自選定層移除。

根據本案構想，第一傳導型為p型，第二傳導型為n型。

根據本案構想，活性層具有量子井結構、同質接面結構、或異質接面結構。

根據本案構想，圖型化氧化層由水熱處理、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。

根據本案構想，圖型化氧化層由ITO、AZO、SiO₂ 、ZnO、MgO、MoO、Al₂ O₃ 、TiO₂ 、NiO、CaO、BaO、MnO、CuO、SnO₂ 、或其混合所製成。

根據本案構想，凸部的形狀為六角錐狀、截頭的六角錐狀、或六角圓柱狀。

根據本案構想，圖型化氧化層至少部份形成於發光二極體的上表面或側面。

根據本案構想，乾蝕刻步驟藉由電漿蝕刻、電感式耦合電漿(ICP)蝕刻、離子光束蝕刻法、或反應性離子蝕刻來施行。

根據本案構想，凸部的直徑介於1nm(奈米)與10μm(微米)之間。

根據本案構想，預定蝕刻深度藉由控制乾蝕刻步驟的反應時間來達成。

根據本案構想，本發明進一步包括乾蝕刻部分氧化層的步驟d1)。

根據本案構想，發光二極體的剖面形狀為楔形、矩形或階梯形。

根據本案構想，兩個相鄰的凸部距離小於1微米。

根據本案構想，移除步驟藉由氫氯酸、硝酸或過氧化氫來施行。

體現本發明特徵與優點的八個實施例將在後段的說明中詳細敘述。本發明能夠在不同的態樣上具有各種的變化，皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。

第一實施例

敬請參照圖2、圖3A至3D。圖2繪示用以增益出光效率之圖型化發光二極體的流程圖。首先提供發光二極體20，如圖2之步驟S101所示。如圖3A，發光二極體20由上至下包含p型層202、活性層204、n型層206、以及基板208。在本實施例中，p型層202形成於活性層204之上，n型層206形成於活性層204之下，其中p型層202和n型層206可互換。活性層204具有量子井結構。實際上，活性層204亦可具有同質接面結構或異質接面結構。

本實施例中，多個凸部2102生長在選定的p型層202，以形成圖型化氧化層210(S102)。氧化層210藉由溶膠凝膠(sol-gel)法所形成，然不限於此，亦可由水熱處理、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)來形成。

氧化層210所使用的材料為CaO，實際上亦可為ITO、AZO、SiO₂ 、ZnO、MgO、MoO、Al₂ O₃ 、TiO₂ 、NiO、SnO₂ 、BaO、MnO、CuO、或上述材料之混合。

至於氧化層210，凸部2102為微米柱或奈米柱。請參照圖4A至4D。利用不同的方法來生長氧化層210，凸部2102的形狀可呈現為六角錐狀、截頭的六角錐狀、或六角圓柱狀。如圖5所示，凸部2102的俯視圖呈現一六角形的圖案。

凸部2102的高度可受控制，以達到發光二極體20的預設蝕刻深度(S103)。接下來，在發光二極體20上施以乾蝕刻製程，穿透部分不受圖型化氧化層210保護的發光二極體20，以在發光二極體20上形成多個凹陷(S104)。當開始進行蝕刻時，凸部2102未覆蓋的部份將受蝕刻，同時也會蝕刻凸部2102。當施行蝕刻製程來移除凸部2102時，未覆蓋的部份蝕刻達預定深度。凸部2102高度愈高，蝕刻深度則愈深。根據本發明的構想，兩個相鄰凸部2102的間距小於1微米。

本實施例使用電漿蝕刻，亦可由電感式耦合電漿(ICP)蝕刻、離子光束蝕刻法、或反應性離子蝕刻來取代，依據氧化層210使用的材料來使用適當的蝕刻方式。當電漿持續碰撞凸部2102時，凸部2102逐漸崩解，亦蝕刻發光二極體20。請參照圖3C。乾蝕刻製程完成後，電漿碰撞消除氧化層210的部分柱體。乾蝕刻製程在氧化層210的表面產生凹陷。

最後，氧化層210自發光二極體20移除(S105)。氫氯酸、硝酸或過氧化氫可用來移除氧化層210。在本發明中，硝酸用來清洗n型層206表面上的氧化鈣。圖型化表面2022形成於發光二極體20上。由於凸部2102的直徑介於1nm至10μm，圖型化發光二極體20可對應形成多個凸面，其直徑介於1nm至10μm。圖型化表面2022可使產生自活性層204的光束更容易透過凹陷來發射，因而改善發光二極體20的出光效率。

第二實施例

請參照圖6A至6D。發光二極體30具有p型層302、活性層304、n型層306、以及基板308。本實施例中，活性層304具有量子井結構。

由氧化鈣凸部3102製成的氧化層310形成於p型層302之上。本實施例中，氧化層310的厚度大於第一實施例中的氧化層210。因此，當在氧化層310施以乾蝕刻製程(如電感式耦合電漿蝕刻)時，會導致凹陷形成。與第一實施例相比，凹陷的深度可藉由p型層302和活性層304延伸至n型層306。

利用硝酸進行移除製程後，圖型化表面3022形成於發光二極體30上。由於本實施例的發光二極體30蝕刻至n型層306，因此出光效率比第一實施例更好。

本實施例產生更深凹陷所需的時間會比第一實施例更為費時。因為ICP蝕刻的蝕刻氧化層310的能力差，在氧化層310蝕刻達一預定程度前，已形成更深的凹陷。簡言之，凹陷的深度可藉由乾蝕刻的反應時間和氧化層310的厚度來加以控制。此外，當蝕刻反應過後，凸部3102的間距擴大。也就是說，圖型化的程度可由乾蝕刻時間或氧化層310的厚度所控制。

第三實施例

為了更容易在特定的發光二極體上形成一對接點，部分的發光二極體將受蝕刻。此情形仍適用本發明。

請參照圖7A至圖7D。發光二極體40具有p型層402、活性層404、n型層406、以及基板408。由於上述兩個實施例已充份揭露各個元件的材料、蝕刻方法和移除步驟，遂不再贅述。

在部分露出的n型層406上，形成具有數個氧化凸部4102的氧化層410。發光二極體40的p型層402的上表面未設有氧化層410。在蝕刻和移除步驟後，氧化層410隨之移除。n型層圖型4062因而成形。第三實施例繪示可在發光二極體上表面任一特定區域進行圖型化，來增益出光效率(如蝕刻製程可施行於該區域)。

第四實施例

請參照圖8。發光二極體50具有p型層502、活性層504、n型層506和基板508。與第三實施例的發光二極體40相比，發光二極體50具有露出的n型層506。在生長氧化層之後，乾蝕刻發光二極體50，並移除殘餘的氧化層，分別在n型層506和P型層502的表面形成n型層圖型5062和p型層圖型5022。最後，不管水平高度的差異，在整個發光二極體50的上表面做圖型化。

第五實施例

在某些情況下，可施行第二次蝕刻製程來加深發光二極體的凹陷，以達成不同的出光效率。

請參照圖9A至圖9D。發光二極體60具有p型層602、活性層604、n型層606、以及基板608。與第三實施例的發光二極體40相比，發光二極體60具有露出的n型層606。具有凸部6102的氧化層610形成於發光二極體60上表面的上方。如圖9B，第一次乾蝕刻製程完成後，氧化層610的厚度減少。凸部6102的間距增加。第一次乾蝕刻產生一致的凹陷深度。

除了中央部分以外，發光二極體60為遮蔽層(未圖示)所覆蓋。接著施行第二次乾蝕刻製程。如圖9C，發光二極體60的中央部份蝕刻較深入。移除製程之後，形成了n型層圖型化表面6062、蝕刻較深的p型層圖型化表面6022、以及蝕刻較淺的p型層圖型化表面6024，如圖9D所示。蝕刻較深的p型層圖型化表面6022的出光效率顯然較佳。

第六實施例

本發明的氧化層生長於發光二極體的上表面和側邊。因此，完成蝕刻和移除製程後，圖型於焉形成。如發光二極體的表面並非平坦的傾斜表面，本發明仍適用。

請參照圖10。發光二極體70具有p型層702、活性層704、n型層706、以及基板708。發光二極體70的兩側邊有坡度，其剖面為楔形。實際上，發光二極體的剖面形狀可為矩形或上述的階梯狀。

在蝕刻和移除製程後，形成p型層圖型化表面7022、活性層圖型化表面7042以及n型層圖型化表面7062。圖型可形成於傾斜的表面。即使圖型形成於傾斜的表面，乾蝕刻所蝕刻的凹陷仍會向下形成。

第七實施例

圖11繪示第五和第六實施例的組合。發光二極體80具有p型層802、活性層804、n型層806、以及基板808。發光二極體80的兩側邊有坡度。

藉由在發光二極體80上方形成氧化層(未圖示)，蝕刻發光二極體80的兩側邊，蝕刻發光二極體80的中央部份並移除氧化層，以形成。在第二次蝕刻製程後，顯然更加深了p型層圖型化表面8022的凹陷深度。

第八實施例

上個實施例揭示在不同方向生長氧化層。不單是發光二極體的上表面，氧化層亦可形成於發光二極體的側面。

請參照圖12A至圖12C。發光二極體90具有p型層902、活性層904、n型層906、以及基板908。不同於其他實施例所述的發光二極體，發光二極體90係利用乾蝕刻來移除其兩側邊。p型層902、活性層904以及n型層906的形狀為倒楔形。為增益出光效率，發光二極體90的上表面及側面亦需進行圖型化。

請參照圖12B。氧化層910覆蓋上述的表面。如圖13A所示，應注意的是側面上的氧化層可同時沿著上表面的氧化層形成，如圖13B。當施行乾蝕刻時，蝕刻粒子應與上表面與側面的氧化層910相互碰撞。在移除製程後，圖型化表面9022在整個發光二極體90上露出，基板908除外。

在上述實施例中，p型層形成於活性層之上，n型層形成於活性層之下，然而p型層和n型層可互換。

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。反之，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，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。

S101~S105‧‧‧步驟

20‧‧‧發光二極體

202‧‧‧p型層

2022‧‧‧圖型化表面

204‧‧‧活性層

206‧‧‧n型層

208‧‧‧基板

210‧‧‧氧化層

2102‧‧‧凸部

30‧‧‧發光二極體

302‧‧‧p型層

3022‧‧‧圖型化表面

304‧‧‧活性層

306‧‧‧n型層

308‧‧‧基板

310‧‧‧氧化層

3102‧‧‧凸部

40‧‧‧發光二極體

402‧‧‧p型層

404‧‧‧活性層

406‧‧‧n型層

4062‧‧‧n型層圖型

408‧‧‧基板

410‧‧‧氧化層

4102‧‧‧凸部

50‧‧‧發光二極體

502‧‧‧p型層

5022‧‧‧p型層圖型

504‧‧‧活性層

506‧‧‧n型層

5062‧‧‧n型層圖型

508‧‧‧基板

60‧‧‧發光二極體

602‧‧‧p型層

6022‧‧‧蝕刻較深的p型層圖型化表面

6024‧‧‧蝕刻較淺的p型層圖型化表面

604‧‧‧活性層

606‧‧‧n型層

6062‧‧‧n型層圖型化表面

608‧‧‧基板

610‧‧‧氧化層

6102‧‧‧凸部

70‧‧‧發光二極體

702‧‧‧p型層

7022‧‧‧p型層圖型化表面

704‧‧‧活性層

7042‧‧‧活性層圖型化表面

706‧‧‧n型層

7062‧‧‧n型層圖型化表面

708‧‧‧基板

80‧‧‧發光二極體

802‧‧‧p型層

8022‧‧‧p型層圖型化表面

804‧‧‧活性層

8042‧‧‧活性層圖型化表面

806‧‧‧n型層

8062‧‧‧n型層圖型化表面

808‧‧‧基板

90‧‧‧發光二極體

902‧‧‧p型層

9022‧‧‧圖型化表面

904‧‧‧活性層

906‧‧‧n型層

908‧‧‧基板

910‧‧‧氧化層

圖1繪示習知之發光二極體。

圖2繪示本發明第一實施例圖型化發光二極體之流程圖。

圖3A至3D繪示本發明第一實施例圖型化發光二極體之製程。

圖4A至4D繪示發光二極體上不同形狀凸部的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。

圖5繪示本發明第一實施例之蝕刻發光二極體的俯視圖。

圖6A至6D繪示本發明第二實施例圖型化發光二極體之製程。

圖7A至7D繪示本發明第三實施例圖型化發光二極體之製程。

圖8繪示本發明第四實施例之圖型化發光二極體。

圖9A至9D繪示本發明第五實施例圖型化發光二極體之製程。

圖10繪示本發明第六實施例之圖型化發光二極體。

圖11繪示本發明第七實施例之圖型化發光二極體。

圖12A至12C繪示本發明第八實施例圖型化發光二極體之製程。

圖13A至13B繪示具有凸部形成於其上的發光二極體的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。

S101~S105．．．步驟

Claims (13)

1. 一種增益發光二極體出光效率的方法，包括以下步驟：a)提供發光二極體，依序包含基板、第一傳導型的第一層、活性層、以及相對於第一傳導型的第二傳導型的第二層；b)在發光二極體的第一層、活性層、以及第二層中至少選定一層，於其上生長複數個凸部，以形成圖型化氧化層來保護發光二極體免於蝕刻；c)控制凸部的高度以達到發光二極體預定蝕刻深度；d)乾蝕刻穿透部分的發光二極體，該部分未受圖型化氧化層的保護，以在發光二極體上形成複數個凹陷；以及e)藉由氫氯酸、硝酸或過氧化氫來將圖型化氧化層自所選定的至少一層移除。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中第一傳導型為p型，第二傳導型為n型。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中活性層具有量子井結構、同質接面結構、或異質接面結構。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中圖型化氧化層由水熱處理、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中圖型化氧化層由ITO、AZO、ZnO、MgO、MoO、Al₂ O₃ 、TiO₂ 、NiO、CaO、BaO、MnO、CuO、SnO₂ 、或其混合所製成。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中凸部的形狀為六角錐狀、截頭的六角錐狀、或六角圓柱狀。
7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中圖型化氧化層至少部份形成於發光二極體的上表面或側面。
8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中乾蝕刻步驟藉由電漿蝕刻、電感式耦合電漿(ICP)蝕刻、離子光束蝕刻法、或反應性離子蝕刻來施行。
9. 如申請專利範圍第1項的方法，其中凸部的直徑介於1 nm(奈米)與10μm(微米)之間。
10. 如申請專利範圍第1項的方法，其中預定蝕刻深度藉由控制乾蝕刻步驟的反應時間來達成。
11. 如申請專利範圍第1項的方法，進一步包括乾蝕刻部分氧化層的步驟d1)。
12. 如申請專利範圍第1項的方法，其中發光二極體的剖面形狀為楔形、矩形或階梯形。
13. 如申請專利範圍第1項的方法，其中兩個相鄰的凸部距離小於1微米。