TWI438924B - 半導體發光晶片製造方法 - Google Patents

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Description

半導體發光晶片製造方法
本發明涉及一種發光晶片製造方法，特別是指一種半導體發光晶片製造方法。
發光二極體作為一種新興的光源，目前已廣泛應用於多種場合之中，並大有取代傳統光源的趨勢。
發光二極體中最重要的元件為發光晶片，其決定了發光二極體的各種出光參數，如強度、顏色等。習知的發光晶片通常是由依次生長在基板的N型半導體層、發光層及P型半導體層所組成。通過外界電流的激發，發光晶片的N型半導體層的電子與P型半導體層的空穴在發光層複合而向外輻射出光線。
然而，由於發光層輻射出的光線當中有相當部分會被發光晶片與外界環境的交界面所反射回發光晶片內，導致發光晶片的發光效率降低，影響發光二極體的發光強度。
因此，有必要提供一種發光效率較高的半導體發光晶片的製造方法。
一種半導體發光晶片的製造方法，包括步驟：
提供具有磊晶層的基板，該磊晶層包括第一半導體層、第二半導體層及位於第一半導體層及第二半導體層之間的發光層；將磊晶層浸入電解質溶液當中，通入電流使電解質溶液蝕刻磊晶層表面而形成孔洞；及在磊晶層上製作電極。
由於使用該方法製造出來的發光晶片的表面被粗化，因此可破壞光線在發光晶片內部的反射，從而增大光線出射的機率，進而提升發光晶片的發光效率。
10‧‧‧晶圓
20‧‧‧基板
30‧‧‧磊晶層
300‧‧‧槽道
302‧‧‧孔洞
32‧‧‧第一半導體層
34‧‧‧發光層
36‧‧‧第二半導體層
40‧‧‧緩衝層
50‧‧‧保護層
60‧‧‧電解質溶液
62‧‧‧導電棒
70‧‧‧夾具
72‧‧‧第一夾持部
74‧‧‧第二夾持部
80‧‧‧第一電極
82‧‧‧第二電極
圖1為本發明半導體發光晶片製造方法的第一個步驟。
圖2為本發明半導體發光晶片製造方法的第二個步驟。
圖3為本發明半導體發光晶片製造方法的第三個步驟。
圖4為本發明半導體發光晶片製造方法的第四個步驟。
圖5從另一視角示出了本方法的第四個步驟。
圖6示出了經過第四個步驟處理之後的半導體發光晶片。
圖7為本發明半導體發光晶片製造方法的第五個步驟。
圖8示出了製造完成的半導體發光晶片。
請參閱圖1-8，示出了本發明製造半導體發光晶片的方法，其主要包括如下步驟：
首先，如圖1所示提供一晶圓10，該晶圓10由一基板20及一在基板20上生長的磊晶層30所組成。該基板20可由藍寶石(sapphire)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、氮化鎵(GaN)等材料製成，本實施例中優選為藍寶石，以控制發光晶片的製造成本。基板20厚度可根據實際需求進行選擇，本實施例中優選為430μm。該磊晶層30可通過機金屬化學氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)或鹵化物化學氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy；HVPE)等方式生長於基板20表面。該磊晶層30包括依次生長的一第一半導體層32、一發光層34及一第二半導體層36。第一半導體層32的電子與第二半導體層36的空穴可在外界電流的激發下移動到發光層34複合，從而向外輻射出光子。本實施例中第一半導體層32優選為一N型氮化鎵層，發光層34優選為一多重量子井(muti-quantum well)氮化鎵層，第二半導體層36優選為一P型氮化鎵層。該第一半導體層32、第二半導體層36及發光層34的厚度分別優選為4μm、0.1μm及0.125μm。為減少磊晶層30在基板20上的生長過程中由於晶格不匹配所產生的缺陷，在磊晶層30生長之前可預先在基板20上形成一緩衝層40。該緩衝層40可由晶格常數與磊晶層30匹配的材料製成，本實施例優選為氮化鋁(AlN)。該緩衝層40的厚度遠小於基板20的厚度，優選在20nm左右。
然後，如圖2所示通過黃光微影技術在磊晶層30的頂面定義出蝕刻區域，並通過蝕刻去除相應的蝕刻區域而形成多道槽道300。這些槽道300從第二半導體層36頂面延伸至第一半導體層32內部 而將第一半導體層32暴露出來。
再如圖3所示在各個槽道300的底部形成保護層50。該保護層50可通過蒸鍍或濺鍍的方式形成在槽道300的底部以覆蓋住暴露出的第一半導體層32。該保護層50用於保護暴露在槽道300內的第一半導體層32，防止其在後續制程中被蝕刻而致不平整。該保護層50優選採用絕緣的二氧化矽(SiO2)製成，以對第一半導體層32起到良好的保護作用。
之後，如圖4-6所示將晶圓10置於電解質溶液(electrolyte)60中以對磊晶層30進行蝕刻，其中晶圓10置於陽極的位置處，陰極位置則置有一鉑(Pt)製成的導電棒62。為對晶圓10進行固定，本實施例中採用夾具70夾持住晶圓10然後再浸入電解質溶液60當中。該夾具70包括一第一夾持部72及一與第一夾持部72相對的第二夾持部74，其中第一夾持部72抵接於第二半導體層36的頂面，第二夾持部74抵接於基板20的底面。本實施例中第一夾持部72為一正電極，其可將電流經由磊晶層30傳輸進電解質溶液60內。在對陽極及陰極施加偏壓之後，電解質溶液60在電流的作用下對磊晶層30暴露出來的表面進行腐蝕，從而在磊晶層30側面形成大量具有一定深度的孔洞302(請參閱圖8)。這些孔洞302的直徑為介於10-9m至10-7m的納米級別，因此可有效地抑制光線在磊晶層30側面的反射。通過控制蝕刻時間，可對孔洞302的深度進行調節，即蝕刻時間越長，孔洞302就越深。此外，所施加的電壓以及磊晶層30的摻雜濃度(doping concentration)對於孔洞302的形成也具有顯著的影響，即施加電壓越大，蝕刻所形成的孔洞302數 量也越多；摻雜濃度越高，蝕刻所形成的孔洞數量也越多。但是，應當注意，施加的電壓不能超過一定的臨界值，否則會出現電解拋光(electropolishing)現象，導致無法有效地形成納米孔洞302。另外，施加的電壓也不能過低，否則無法有效激發電解質溶液60對磊晶層30進行蝕刻。優選地，施加的電壓以10V至20V之間為宜。本實施例中優選採用草酸(oxalic acid)作為蝕刻磊晶層30的電解質溶液60，其能夠有效地與氮化鎵製成的磊晶層30發生電化學反應，從而形成納米級別的孔洞302。由於分別受到第一夾持部72及保護層50的保護，第二半導體層36頂面以及保護層50下方的第一半導體層32表面未受到蝕刻而保有原有的光滑度，僅有磊晶層30的側面被蝕刻出孔洞302。
蝕刻完成之後，將晶圓10從夾具70當中取出並進行清洗，然後如圖7所示通過蝕刻等方法去除掉位於槽道300當中的保護層50以暴露出第一半導體層32。由於電解質溶液60的蝕刻，每一槽道300的各側邊均被粗化而形成從第二半導體層36頂面延伸到原保護層50頂面的不規則毛邊。
最後，如圖8所示通過蒸鍍、濺鍍等方式分別在第二半導體層36頂面以及暴露出來的第一半導體層32表面分別製作複數第二電極82及第一電極80，並通過鐳射、機械加工等方式沿著槽道300對基板20進行切割，從而將晶圓10分割為多個獨立的晶粒。由於在進行側面蝕刻時第一半導體層32表面以及第二半導體層36頂面被保護起來而保有一定的光滑度，因此形成的第一電極80及第二電極82可與第一半導體層32及第二半導體層36保持充分地接觸，從 而防止由於接觸面不平而導致電流分佈不均的情況出現。另外，為進一步確保電流均勻地從第二電極82輸入第二半導體層36內部，在製作第二電極82之前還可在第二半導體層36頂面形成一透明導電層(圖未示)。該透明導電層可採用氧化銦錫(ITO)、鎳金合金(Ni/Au)等材料製作，優選採用氧化銦錫，以降低對出光造成的阻礙。
由於在半導體發光晶片的各個側面均形成有大量的納米孔洞302，可有效地破壞發光層34發出的光線在側面發生的反射，從而使更多的光線能夠從輻射至外部。因此，半導體發光晶片的出光效率可相應地得到提升。
此外，由於是使用草酸作為電解質溶液60對氮化鎵進行蝕刻，其可直接在磊晶層30的側面形成大量的納米孔洞302，而無需借助掩膜(mask)來完成，因此半導體發光晶片的製作過程相對簡單，更利於產業上的推廣應用。
另外，由於在蝕刻過程中使用的夾具70可以通過夾持有效地對晶圓10進行固定，並在蝕刻完成之後可鬆開而方便地將晶圓10移出，因此，通過使用夾具70可進一步簡化半導體發光晶片的製造過程，使作業週期得到縮短。並且，由於夾具70的一部分被設計為正電極，其可直接與半導體發光晶片的頂面接觸而同時起到固定半導體發光晶片、導通電流及保護半導體發光晶片的作用，故該夾具70的功能集成度較高，相對成本較低，且在可靠性及便利性等方面具有較大的優勢。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
20‧‧‧基板
302‧‧‧孔洞
32‧‧‧第一半導體層
34‧‧‧發光層
36‧‧‧第二半導體層
80‧‧‧第一電極
82‧‧‧第二電極

Claims (9)

  1. 一種半導體發光晶片製造方法，包括步驟：提供具有磊晶層的基板，該磊晶層包括第一半導體層、第二半導體層及位於第一半導體層及第二半導體層之間的發光層；將磊晶層浸入電解質溶液當中，夾具包括抵接第二半導體層頂面的第一夾持部及抵接基板底面的第二夾持部，通入電流使電解質溶液蝕刻磊晶層側表面而形成孔洞，第二半導體層的頂面受到第二夾持部的保護未發生蝕刻而保持光滑；及在磊晶層上製作電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片製造方法，其中電解質溶液包括草酸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光晶片製造方法，其中磊晶層包括氮化鎵材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片製造方法，其中在將磊晶層浸入電解質溶液之前包括在磊晶層的第二半導體層頂面形成槽道的步驟，第一半導體層暴露在槽道內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體發光晶片製造方法，其中還包括在形成槽道之後在暴露出來的第一半導體層表面形成保護層的步驟。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光晶片製造方法，其中該保護層由二氧化矽製成。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光晶片製造方法，其中在 蝕刻完磊晶層之後還包括去除保護層的步驟，電極製作在暴露出來的第一半導體層表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片製造方法，其中第一夾持部為正電極。
  9. 如申請專利範圍第1至7任一項所述之半導體發光晶片製造方法，其中形成的孔洞的直徑介於10-9m至10-7m之間。
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