TWI443871B - Fabrication method of gallium nitride light emitting diode with back reflector and heat dissipation layer - Google Patents

Description

具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法

本發明係提供一種氮化鎵發光二極體之製造方法，尤指其技術上提供一種藉由基板底部蝕刻孔洞與蒸鍍反色金屬層，與電鍍銅填滿孔洞，而達到亮度進一步提昇之氮化鎵發光二極體之製造方法。

一般之氮化鎵發光二極體製造方法分成以下步驟：步驟一，試片之研磨與清洗：成長於藍寶石(sapphire)基板的GaN LED試片，先使用研磨的方式將藍寶石(sapphire)基板磨薄至150μm，經過清洗，使用丙酮去除油脂，倒入燒杯中後將磊晶片放入，並將整個燒杯放入超音波震洗機震洗，接著再使用異丙醇以相同的方法放入超音波震洗，為了去除殘餘的丙酮，最後再使用D.I water震洗，震洗完後用氮氣吹乾即可完成初步清洗；步驟二，平台(mesa)蝕刻：於正面磊晶層成長二氧化矽(SiO₂ )，以曝光微影技術定義出平台之圖案，並且以氧化物蝕刻液蝕刻出平台圖形，再利用感應式耦合電漿蝕刻機(inductivity coupled plasma,ICP)蝕刻氮化鎵磊晶結構層，蝕刻至露出n型氮化鎵表面為止，最後再使用氧化物蝕刻液將二氧化矽移除，即完成平台蝕刻；步驟三，透明導電層以及電極製作：平台蝕刻完之後 ，接下來便是用電子束蒸鍍機在真空狀態下，蒸鍍銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)，並使用熱退火爐管退火之後再使用曝光微影技術定義出所需要的透明電極，並且以ITO蝕刻液蝕刻掉不需要的透明電極，再以去離子水清洗試片後再吹乾。在p、n電極的製程上使用曝光微影技術先定義出電極區域，再以電子束蒸鍍機蒸鍍N型電極，接著再把試片放入丙酮中浸泡，並以lift-off(撥離)方式留下電極區域之金屬，最後再使用熱退火爐管退火，即可完成電極製作。

透過上述製造方法所製造之氮化鎵發光二極體，其結構如第十五圖所示，由下而上主要依序包括一藍寶石基板(30)、一無摻雜氮化鎵系層(31)、一n型摻雜氮化鎵系層(32)、一發光層(MQW)(33)、一p型摻雜氮化鎵系層(34)；另可形成一透明導電層(35)於該p型摻雜氮化鎵系層(34)之上，及一p型金屬電極(36)位於該透明導電層(35)之上；並利用蝕刻移除部份p型摻雜氮化鎵系層(34)、部分發光層(33)後，於露出的n型摻雜氮化鎵系層(32)上可形成一n型金屬電極(37)。

惟，其上述習知之氮化鎵發光二極體，其發光時光線從發光層(33)四面八方射出，而部分光線射向藍寶石基板(30)後，就會由藍寶石基板(30)底部直接射出，而無法被充分利用到。

是以，針對上述習知結構所存在之問題點，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。

有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

習知之氮化鎵發光二極體在發 光時光線從發光層四面八方射出，而部分射向藍寶石基板的光線，會由藍寶石基板底部射出而無法被充分利用到。

為改善上述之問題，本發明提 供一種具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體，其由下而上依序包括一藍寶石基板、一無摻雜氮化鎵系層、一n型摻雜氮化鎵系層、一發光層、一p型摻雜氮化鎵系層，其特徵在於：該藍寶石基板底部蝕刻形成數內凹的孔洞，並蒸鍍形成一層反射金屬層於該藍寶石基板底部與數該孔洞內壁，藉此該發光層往下發出之光線可透過該反射金屬層而往上反射，而大幅增加該氮化鎵發光二極體的發光亮度。

本發明另提供如上述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，係於試片的藍寶石基板底部蝕刻形成數內凹的孔洞，並蒸鍍形成一層反射金屬層於該藍 寶石基板底部與數該孔洞內壁，藉此該發光層往下發出之光線可透過該反射金屬層而往上反射，而大幅增加該氮化鎵發光二極體的發光亮度，其中，並可電鍍形成一銅塊填滿該蝕刻孔洞，藉此減少熱效應產生，進一步提昇發光效率。

本發明藉由基板底部蝕刻形成 數內凹的孔洞與蒸鍍的反射金屬層，可將朝底部射出的光線反射回去，而達到發光亮度的提昇，並藉由電鍍銅填滿該孔洞，減少熱效應產生，更進一步提昇發光效率。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

參閱第一至第五圖所示，本發明係提供一種具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體，其由下而上依序包括一藍寶石基板(10)、一無摻雜氮化鎵系層(11)、一n型摻雜氮化鎵系層(12)、一發光層(MQW)(13)、一p型摻雜氮化鎵系層(14)，其特徵在於：該藍寶石基板(10)底部蝕刻形成數內凹的孔洞(101)，並蒸鍍形成一層反射金屬層(102)於該藍寶石基板(10)底部與數該孔洞(101)內壁，藉此該發光層(13)往下發出之光線可透過該反射金屬層(102)而往上反射，而大幅增加該氮 化鎵發光二極體的發光亮度。

其中，於蒸鍍形成一層反射金屬層(102)後的數該孔洞(101)內，可電鍍形成一銅塊(103)填滿該孔洞(101)，藉此減少熱效應。

其中，該p型摻雜氮化鎵系層(14)上可堆疊一透光導電層(15)，該透光導電層(15)為蒸鍍銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)。

其中，該透光導電層(15)上可形成一p型金屬電極(16)，該p型金屬電極(16)可為Cr/Au電極。

其中，該n型摻雜氮化鎵系層(12)之表面上可形成n型金屬電極(17)，該n型金屬電極(17)可為Cr/Au電極。

其中，藍寶石基板(10)底部蝕刻形成的孔洞(101)間隔位置不同，藍寶石基板(10)切割出來的形狀也會有所不同，藍寶石基板(10)經切割後可形成略呈梯形的藍寶石基板(10)(請參閱第三及第四圖)或呈內凹一孔洞(101)之藍寶石基板(10)(請參閱第一及第二圖)，而本實施例使用濕蝕刻的方式進行孔洞(101)的蝕刻，所以該孔洞(101)底部會呈平面狀。

請參閱第六圖，本發明之製造方法依序如下：A.提供一清洗過之試片，該試片為一基板上成長一氮化鎵發光二極體(GaN LED)之試片；B.於該試片的兩面各形成一層二氧化矽(SiO₂ )薄膜 ；C.使用曝光微影技術於基板底面製作出預備蝕刻孔洞之圖案，然後使用氧化物蝕刻液(buffer oxide etching,BOE,HF：H₂ O=1：6)蝕刻，而形成數個內凹的蝕刻孔洞；D.於該氮化鎵發光二極體上，對該試片進行平台獨立(mesa)之製程；E.於該氮化鎵發光二極體上，製作透光導電層以及電極；F.在基板底面與數該蝕刻孔洞內壁鍍上一層反射金屬層薄膜。

其中，於步驟F後可新增一步驟G，該G步驟為電鍍銅於數該蝕刻孔洞內，以填滿該蝕刻孔洞。

其中，該步驟F所述之反射金屬層薄膜可為Ti/Al/Ti/Au金屬薄膜。

以下係提供一較佳實施例的製造方法：

〔實施例〕

1.試片之研磨與清洗

請參閱第七圖，本發明使用的磊晶片是成長於藍寶石(sapphire)基板(20)的氮化鎵發光二極體(GaN LED)(21)，在元件開始製作之前必須先將磊晶片使用研磨的方式將藍寶石基板(20)磨薄至150um，經過清洗，使用丙酮去除油 脂，倒入燒杯中後將磊晶片放入，並將整個燒杯放入超音波震洗機震洗，接著再使用異丙醇以相同的方法放入超音波震洗機5分鐘，為了去除殘餘的丙酮，最後再使用D.I water震洗，震洗完後用氮氣吹乾即可完成初步清洗。

2.底部藍寶石(sapphire)基板(20)蝕刻

請參閱第七圖，先使用電漿輔助化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)成長二氧化矽(SiO₂ )薄膜(22)，接著再翻到背面成長相同的二氧化矽薄膜(22)，兩面都有二氧化矽薄膜(22)的原因是因為在濕蝕刻時，二氧化矽能夠保護正面磊晶層不受蝕刻的傷害。

接著再使用曝光微影技術於藍寶石(sapphire)基板(20)面製作出蝕刻孔洞之圖形(23)，並在正面磊晶層使用光阻完全包覆，即可使用氧化物蝕刻液(buffer oxide etching,BOE,HF：H₂ O=1：6)濕蝕刻出預備蝕刻孔洞之圖形(23)，形成蝕刻孔洞(24)，最後將試片置於丙酮中震洗以去除光阻，再以D.I water清洗。

將晶片放入裝有硫酸和磷酸溶液的結晶皿中，把結晶皿放上hot plate，並用培養皿當蓋子，將結晶皿蓋上，可使加熱時的蒸氣不會四處飄散，且可讓溫度上升較快速，並維持溫度穩定；而我們所使用的培養皿上方經過加工，在上面開有一個直徑1.5cm的小洞，可讓溫度計插在培養 皿的洞裡，以持續觀察在製程中結晶皿內溫度的變化。本實施例濕式蝕刻使用設備所使用的hot plate為德國製SCHOTT品牌加熱器，表面為精密陶瓷玻璃，可耐高溫達550℃，及具抗強酸腐蝕的能力，且有紅外線加熱的功能；本實驗所使用的溫度計可量測範圍為-50℃~1300℃，加上石英包覆的細速型熱電偶(thermocouple)，使量測溫度達500℃，並且有抗強酸的能力。當溫度計顯示的溫度穩定時，即可把晶片放入蝕刻液中，並控制蝕刻時間，待完成後馬上把晶片夾起放入D.I water中，並用超音波震洗器震洗，最後再用氮氣吹乾。

3.平台(mesa)蝕刻

由於先前已於正面磊晶層成長二氧化矽，所以我們再次以曝光微影技術定義出平台之圖案，並且以氧化物蝕刻液蝕刻出平台圖形，再利用感應式耦合電漿蝕刻機(inductivity coupled plasma,ICP)蝕刻氮化鎵磊晶結構層，蝕刻至露出n型氮化鎵表面為止，最後再使用氧化物蝕刻液將二氧化矽移除，即完成平台蝕刻。

4.透光導電層以及電極製作

平台蝕刻完之後，接下來便是用電子束蒸鍍機在3x10^-6 Torr真空度下，蒸鍍銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)，並使用熱退火爐管退火之後再使用曝光微影技術定義出所需要的透明電極，並且以ITO蝕刻液蝕刻掉不需要的透 明電極，再以去離子水清洗試片後再吹乾。在p.n電極的製程上使用曝光微影技術先定義出電極區域，再以電子束蒸鍍機蒸鍍Cr/Au電極，接著再把試片放入丙酮中浸泡，並以lift-off方式留下電極區域之金屬，最後再使用熱退火爐管退火，即可完成電極製作。

5.底部藍寶石(sapphire)基板(20)電鍍銅填孔

以電子束蒸鍍機3x10^-6 Torr真空度下，在藍寶石(sapphire)面鍍上Ti/Al/Ti/Au薄膜，再使用曝光微影技術將蝕刻孔之間的間隔以光阻包覆，以避免銅鍍上孔洞以外的地方，並將電極面以光阻包覆並硬烤，如此可保護電極面不受電鍍銅影響，再將欲電鍍之試片置於電鍍槽之陰極，銅塊(source)置於電鍍槽之陽極，並在硫酸銅溶液中進行金屬基板之成長。電鍍完成後由電鍍液取出，隨即置入D.I water中震洗，即完成電鍍銅填孔。

〔本發明量測結果〕

1.發光二極體之背金屬反射之特性

在LED背面的藍寶石(sapphire)基板上測，我們使用電子束蒸鍍機來蒸鍍Ti/Al/Ti/Au的背面反射金屬；請參閱第八圖，由反射率量測的結果，可知在波長460nm反射率可以達到93%左右，而銀膠(Ag glue)在全波段的反射率只有約13%。

請參閱第九及第十圖，在元件的應用上，濕蝕刻過後 具有特殊形狀的藍寶石(sapphire)基板(10)與沒有經過濕蝕刻定義特別形狀相比較，預期可得到更高的光反射再利用率，由圖中可見，大部分射向底部藍寶石(sapphire)基板(10)的光會更容易被底部的反射金屬層(102)反射出來，以增加元件的光取出效率。在反射金屬層(102)中最外層使用金(Au)來當作與空氣的阻隔層，可防止鋁(Al)容易氧化的情形發生；而使用鈦(Ti)是為了當做附著層，並且為了減少附著層對反射率造成太大影響，所以第一層的鈦(Ti)只使用較薄厚度，而第三層的鈦(Ti)不僅能夠當做附著層，也可當做鋁(Al)和金(Au)之間防止互相擴散的阻擋層。

2.電流與光輸出特性

請參閱第十一及第十二圖，在元件電流與光輸出特性中，我們將實驗(A)、(B)、(C)、(D)四種構造的發光二極體與一般結構(第十五圖所示之結構)的發光二極體互相作為比較，由第十二圖中可知在20mA與100mA的操作電流下，實驗(A)、(B)、(C)、(D)四種構造與一般結構發光二極體光輸出倍率分別為表一所示：

結構(A)可看出藍寶石(sapphire)基板(10)背面鍍上反射金屬確實得到了30%~40%的亮度提昇，而結構(B)、結構(C)在經過濕蝕刻成特殊形狀後，亮度更提昇約170%左右；結構(D)除了有反射金屬與特殊結構的幫助，並且在藍寶石(sapphire)基板(10)面的孔洞處填滿了銅，如此可降低元件的熱效應，並且電鍍銅能夠使整片被磨薄並且蝕刻過的試片結構更穩定，不容易受到熱效應力的影響而破裂或是產生其他不良之變異。

請參閱第十三圖，當量測電流增加至100mA以上時，可以看出一般結構的LED與背後鍍上反射金屬的LED光輸出的最高點約在280mA左右；而結構(D)將銅填入孔洞中，不但利用高導熱係數取代了空氣，並且使整體試片的結構更加不易被破壞，能夠確實的將電流提昇至300mA以上，才達到光輸出的最高點。

3.電鍍銅影響光之波長偏移研究

請參閱第十一圖與第十四圖，在結構(D)，我們使用電鍍銅的方式來對濕蝕刻出的孔洞填銅，目的是為了藉由銅的高導熱係數來降低熱效應對元件所帶來的影響，而我們使用電流對波長偏移的量測來為各種不同實驗試片做比較，由量測結果，我們可以看出所有的試片在100mA下都有波長藍位移的效果，是因為在注入電流時，產生能帶填滿效應(band filling effect)所致，當施以更高的電流時， 能帶會受到熱效應影響而變窄，波長便會產生紅位移的效果，由第十五圖我們可以看出，在有電鍍填銅的結構(D)，波長紅位移的值小於其他的實驗試片，由此可見用電鍍銅的方式在蝕刻出的孔洞中填孔，確實對元件有較低的熱效應影響。

透過本發明，藍寶石基板底部經過磨薄與拋光之後，鍍上反射金屬層，亮度有效提升；而在藍寶石基板底部經過濕蝕刻後形成不同形狀之基板，在鍍上反射金屬後，由於其特殊之反射形狀，亮度有更大之提升，並可同時達成免雷射切割之晶粒切割製程；此外，將銅填進藍寶石基板的孔洞中，在高電流下可以對減少熱效應、提昇發光效率、加強實驗試片結構都有顯著的效果。

前文係針對本發明之較佳實施例為本發明之技術特徵進行具體之說明；惟，熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改，而該等變更與修改，皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。

．習用部分：

(30)‧‧‧藍寶石基板

(31)‧‧‧無摻雜氮化鎵系層

(32)‧‧‧n型摻雜氮化鎵系層

(33)‧‧‧發光層

(34)‧‧‧p型摻雜氮化鎵系層

(35)‧‧‧透明導電層

(36)‧‧‧p型金屬電極

(37)‧‧‧n型金屬電極

．本創作部分：

(10)‧‧‧藍寶石基板

(101)‧‧‧孔洞

(102)‧‧‧反射金屬層

(103)‧‧‧銅塊

(11)‧‧‧無摻雜氮化鎵系層

(12)‧‧‧n型摻雜氮化鎵系層

(13)‧‧‧發光層

(14)‧‧‧p型摻雜氮化鎵系層

(15)‧‧‧透光導電層

(16)‧‧‧p型金屬電極

(17)‧‧‧n型金屬電極

(20)‧‧‧藍寶石基板

(21)‧‧‧氮化鎵發光二極體

(22)‧‧‧二氧化矽薄膜

(23)‧‧‧蝕刻孔洞之圖形

(24)‧‧‧蝕刻孔洞

第一圖：本發明第一實施例之結構圖。

第二圖：本發明第一實施例之切割位置示意圖。

第三圖：本發明第二實施例之結構圖。

第四圖：本發明第二實施例之切割位置示意圖。

第五圖：本發明第一實施例電鍍填銅於孔洞之結構圖。

第六圖：本發明之製造方法流程圖。

第七圖：本發明其一製造方法實施例之基板底部蝕刻孔洞流程圖。

第八圖：本發明之反射金屬層與其他反射金屬之反射率量測比較圖。

第九圖：本發明第一實施例之光軌跡示意圖。

第十圖：本發明第二實施例之光軌跡示意圖。

第十一圖：電流與光輸出特性所測試的(A)、(B)、(C)、(D)四種構造結構圖。

第十二圖：各種結構的電流與光輸出特性測試比較圖。

第十三圖：各種結構的電流與光輸出特性測試飽和點曲線圖。

第十四圖：各種結構的電流對波長位移比較圖。

第十五圖：習知之氮化鎵發光二極體結構圖。

(10)‧‧‧藍寶石基板

(102)‧‧‧反射金屬層

(103)‧‧‧銅塊

(11)‧‧‧無摻雜氮化鎵系層

(12)‧‧‧n型摻雜氮化鎵系層

(13)‧‧‧發光層

(14)‧‧‧p型摻雜氮化鎵系層

(15)‧‧‧透光導電層

(16)‧‧‧p型金屬電極

(17)‧‧‧n型金屬電極

Claims (6)

1. 一種具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其製造步驟依序如下：A.提供一試片，該試片為一基板上成長一氮化鎵發光二極體(GaN LED)之試片；B.於該試片的兩面各形成一層二氧化矽(SiO₂ )薄膜；C.使用曝光微影技術於該基板底面製作出預備蝕刻孔洞之圖形，然後使用氧化物蝕刻液蝕刻，而形成數個內凹的蝕刻孔洞；D.於該氮化鎵發光二極體上，對該試片進行平台獨立(mesa)之製程；E.於該氮化鎵發光二極體上，製作一透光導電層以及一電極；F.在該基板底面與數該蝕刻孔洞內壁鍍上一層反射金屬層薄膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其中，該步驟F後可新增一步驟G，該G步驟為電鍍銅於數該蝕刻孔洞內，並填滿該蝕刻孔洞。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其中，該試片 之基板為藍寶石(sapphire)基板。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其中，該步驟E所述之該透光導電層為銦錫氧化物(ITO)。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其中，該步驟E所述之該電極為Cr/Au電極。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之具背面反射鏡與散熱層之氮化鎵發光二極體之製造方法，其中，該步驟F所述之該反射金屬層薄膜為Ti/Al/Ti/Au金屬薄膜。