TWI407594B - 發光二極體晶粒的製作方法 - Google Patents

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發光二極體晶粒的製作方法
本發明涉及一種發光二極體晶粒的製作方法，尤其涉及一種具有高出光效率的發光二極體晶粒的製作方法。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種可將電流轉換成特定波長範圍的光的半導體元件。發光二極體以其亮度高、工作電壓低、功耗小、易與積體電路匹配、驅動簡單、壽命長等優點，從而可作為光源而廣泛應用於照明領域。
傳統的發光二極體晶粒通常為矩形結構。由於發光二極體晶粒所用材料與外界空氣或封裝材料之間的折射率相差較大，發光二極體晶粒所發出的光線很容易在介面上發生全反射而返回晶粒內部，而無法出射到外界。為提高發光二極體晶粒的光取出效率，可將發光二極體晶粒設置成倒錐狀的結構，而使發光二極體晶粒的側面與底面傾斜。該結構可破壞光線在側面發生向下的全反射的條件，從而使光線從發光二極體晶粒中出射。形成上述倒錐狀結構的一種方法是採用濕蝕刻的方法，即採用蝕刻液對發光二極體晶粒的側面進行蝕刻。由於晶粒底部的晶格品質低於晶粒頂部的晶格品質，晶粒底部的蝕刻速度比晶粒頂部的蝕刻速度要快，從而可以形成倒錐狀結構的發光二極體晶粒。然而，上述的蝕刻過程需在大於170度的溫度下進行，並且其蝕刻速度亦較為緩慢。
有鑒於此，有必要提供一種發光二極體晶粒的製作方法，從而可在較低的溫度下對發光二極體晶粒進行側向蝕刻，以使發光二極體晶粒形成倒錐狀的結構。
一種發光二極體晶粒的製作方法，其包括以下步驟：
提供一基板，基板上形成有二氧化矽圖案層，該圖案層將基板分割成多個外延生長區域；
在外延生長區域生長半導體發光結構，控制外延生長的條件，使相鄰的半導體發光結構之間具有間隙以顯露出部分二氧化矽圖案層；
利用第一種蝕刻液去除二氧化矽圖案層；
利用第二種蝕刻液對半導體發光結構進行側向蝕刻，所述第二種蝕刻液注入半導體發光結構之間的間隙以及二氧化矽圖案層去除後所留下的間隙中，從而使半導體發光結構形成倒錐狀的結構；
在半導體發光結構的部分區域蝕刻出電極平臺，然後在半導體發光結構表面製作電極；
將基板沿半導體發光結構之間的間隙進行切割，形成多個發光二極體晶粒。
與現有技術相比，本發明藉由在發光二極體晶粒底部形成一層二氧化矽圖案層，在半導體發光結構生長完成之後，利用第一種蝕刻液把二氧化矽圖案層去除。此時，在側向蝕刻的過程中，第二種蝕刻液將進入到發光二極體晶粒的底部並從底部開始蝕刻，加快了使半導體發光結構形成倒錐狀的結構的過程，從而有效提高發光二極體晶粒的出光效率，並可有效降低蝕刻過程中所需的溫度。
圖1-圖5為本發明的發光二極體晶粒的製作過程示意圖。
如圖1所示，首先提供一基板110，該基板110選自藍寶石基板、碳化矽基板與氮化矽基板其中之一。然後在基板110上製作二氧化矽圖案層120。該二氧化矽圖案層120將基板110分割成多個外延生長區域130。在本實施例中，基板110的厚度為430微米。所述二氧化矽圖案層120由多條交叉排列形成柵格結構的直線組成，如圖2所示。所述二氧化矽圖案層120圍成多個正方形的外延生長區域130，所述直線的線寬為20微米，所述外延生長區域130的邊長為300微米。根據需要，該基板110亦可為圖案化藍寶石基板（patterned sapphire substrate，PSS）。
如圖3所示，在外延生長區域130生長半導體發光結構140。該半導體發光結構140包括沿遠離基板110方向依次排列的GaN緩衝層141、n型GaN層142、InGaN/GaN多量子阱結構143以及p型GaN層144。其中，n型GaN層142的厚度為4微米，p型GaN層144的厚度為0.1微米。控制外延生長的條件，使相鄰的半導體發光結構140之間形成間隙150，用以顯露出部分二氧化矽圖案層120。
如圖4所示，使用緩衝蝕刻液（Buffered Oxide Etch）去除二氧化矽圖案層120。該緩衝蝕刻液由氫氟酸與氟化銨按一定的比例混合而成，其可有效對二氧化矽圖案層120進行蝕刻。當二氧化矽圖案層120被完全去除後，在原二氧化矽圖案層120所在的位置形成有空隙160。
如圖5所示，使用氫氧化鉀溶液對半導體發光結構140進行側向蝕刻。該氫氧化鉀溶液的濃度為2摩爾每升(mol/L)到7摩爾每升(mol/L)之間，所述蝕刻的溫度小於100度，蝕刻時間在5分鐘到30分鐘之間。該氫氧化鉀溶液注入到半導體發光結構140之間的間隙150中，由於液體的流動性，該氫氧化鉀溶液可進入二氧化矽圖案層120去除後所留下的空隙160中。因此，氫氧化鉀溶液可以從半導體發光結構140的側面與底部同時進行蝕刻，可有效地使半導體發光結構140形成倒錐狀的結構。所述氫氧化鉀溶液對GaN的蝕刻過程的化學反應式如下：
優選地，使用2摩爾每升(mol/L)的氫氧化鉀溶液，在75度的溫度下對半導體發光結構140側向蝕刻15分鐘，可使半導體發光結構140形成倒錐狀結構，以提高半導體發光結構140的出光效率。其中，半導體發光結構140的側面與底板所在平面的夾角範圍為57度到62度之間。
如圖6所示，在半導體發光結構140的部分區域蝕刻出電極平臺170。即將半導體發光結構140從p型GaN層144延伸到n型GaN層142，顯露出n型GaN層142的表面。然後分別在p型GaN層144與n型GaN層142的表面製作p型接觸電極171與n型接觸電極172。該p型接觸電極171與n型接觸電極172與外界電源相連接，為半導體發光結構140提供驅動電流而使其發光。
如圖7所示，將基板110沿半導體發光結構140之間的間隙進行切割，從而形成多個發光二極體晶粒100。
如圖8所示，當在p型接觸電極171與n型接觸電極172兩端施加正向電壓時，p型GaN層144中的空穴與n型GaN層142中的電子將在電場的作用下在InGaN/GaN多量子阱結構143中複合，能量以光線的形式釋放。當發出的光線傳輸到半導體發光結構140的側面時，由於半導體發光結構140呈倒錐狀結構，該結構可減小光線在半導體發光結構140側面的入射角，從而減少光線在側面發生的向下的全反射。因此，該倒錐狀的半導體發光結構140可以避免因光線在側面發生向下的全反射而返回發光二極體晶粒100內部的情況，提高了發光二極體晶粒100的光出射效率。如，從InGaN/GaN多量子阱結構143中發出的朝向半導體發光結構140頂部的入射角大於24.6度的光線將可以在半導體發光結構140的頂部發生全反射，然後入射到半導體發光結構140的側面，然後從側面出射。同時，從InGaN/GaN多量子阱結構143中發出的朝向半導體發光結構140底部的入射角大於48.6度的光線將可以在半導體發光結構140的底部發生全反射，然後再經由半導體發光結構140的側面發生全反射後，從半導體發光結構140的頂面出射。
在上述實施例中，由於預先在半導體發光結構140的底部形成了二氧化矽圖案層120。當使用緩衝蝕刻液（BOE）去除二氧化矽圖案層120後，半導體發光結構140底部GaN結構的N原子表面（000-1）將可以顯露出來。然後再利用氫氧化鉀溶液對半導體發光結構140進行側向蝕刻。此時，由於氫氧化鉀溶液可進入半導體發光結構140的底部，該溶液可從半導體發光結構140的側面與底部同時進行蝕刻，加快半導體發光結構140形成倒錐狀結構的過程。一般情況下上述蝕刻所遺留下的蝕刻面為（10-1-1）與（11-2-2），這兩個面與（000-1）平面之間的夾角分別為57度與62度左右。因此，由於上述蝕刻過程是在半導體發光結構140的底部與側面同時進行的，其可以在較低的溫度下（小於100度）進行，從而縮短了蝕刻所用的時間。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧發光二極體晶粒
110‧‧‧基板
120‧‧‧二氧化矽圖案層
130‧‧‧外延生長區域
140‧‧‧半導體發光結構
141‧‧‧GaN緩衝層
142‧‧‧n型GaN層
143‧‧‧InGaN/GaN多量子阱結構
144‧‧‧p型GaN層
150‧‧‧間隙
160‧‧‧空隙
170‧‧‧電極平臺
171‧‧‧p型接觸電極
172‧‧‧n型接觸電極
圖1係本發明實施例所提供的藍寶石基板的截面示意圖。
圖2係圖1中的藍寶石基板的俯視示意圖。
圖3係在圖1中的藍寶石基板上生長半導體發光結構的截面示意圖。
圖4係對圖3中的二氧化矽圖案層進行腐蝕後的截面示意圖。
圖5係對圖4中的半導體發光結構進行側面腐蝕後的截面示意圖。
圖6係在圖5中的半導體發光結構製作電極的過程。
圖7係將圖6中的基板切割而形成發光二極體晶粒的截面示意圖。
圖8係本發明實施例的發光二極體晶粒的光線出射示意圖。
100‧‧‧發光二極體晶粒
110‧‧‧基板
140‧‧‧半導體發光結構
171‧‧‧p型接觸電極
172‧‧‧n型接觸電極

Claims (10)

  1. 一種發光二極體晶粒的製作方法，其包括以下步驟：
    提供一基板，基板上形成有二氧化矽圖案層，該圖案層將基板分割成多個外延生長區域；
    在外延生長區域生長半導體發光結構，控制外延生長的條件，使相鄰的半導體發光結構之間具有間隙以顯露出部分二氧化矽圖案層；
    利用第一種蝕刻液去除二氧化矽圖案層；
    利用第二種蝕刻液對半導體發光結構進行側向蝕刻，所述第二種蝕刻液注入半導體發光結構之間的間隙以及二氧化矽圖案層去除後所留下的間隙中，從而使半導體發光結構形成倒錐狀的結構；
    在半導體發光結構的部分區域上蝕刻出電極平臺，然後在半導體發光結構表面製作電極；
    將基板沿半導體發光結構之間的間隙進行切割，形成多個發光二極體晶粒。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，所述基板選自藍寶石基板、碳化矽基板與氮化矽基板其中之一。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，所述基板為圖形化藍寶石基板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，所述第一種蝕刻液為氫氟酸與氟化銨混合而成的緩衝蝕刻液。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，所述第二種蝕刻液為氫氧化鉀溶液。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，在對半導體發光結構進行側向蝕刻的過程中，所述蝕刻過程在低於100度的溫度下進行。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，在對半導體發光結構進行側向蝕刻的過程中，所述氫氧化鉀溶液的濃度為2摩爾每升到7摩爾每升之間，蝕刻的時間在5分鐘至30分鐘之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，在溫度為75度情況下，利用濃度為2摩爾每升的氫氧化鉀溶液對半導體發光結構側向蝕刻15分鐘。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，所述半導體結構包括沿遠離基板方向依次排列的GaN緩衝層、n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱結構以及p型GaN層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體晶粒之製作方法，其中，在電極的製作過程中，將部分半導體結構蝕刻至n型GaN層，然後在p型GaN層與n型GaN層表面分別製作p型接觸電極與n型接觸電極。
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