TWI446526B - 形成橫向分佈發光二極體的方法 - Google Patents

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Yen Chen Chen
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Chun Yen Chang
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形成橫向分佈發光二極體的方法
本發明係有關發光二極體(LED)，特別是關於一種於晶片上形成橫向分佈紅、綠、藍發光二極體的方法。
發光二極體(LED)，特別是白色發光二極體，已逐漸普遍應用於行動電話或筆記型電腦的液晶顯示器之背光源。此外，紅、綠、藍發光二極體也藉由色彩混合來得到更豐富的色彩範圍。
然而，現今發光二極體的效能及照度不夠高，而結合紅、綠、藍發光二極體的封裝成本則很高。第一A圖顯示傳統分離式封裝技術，其將分離發光二極體元件予以組合。第一B圖則顯示一種改良的傳統晶片直接封裝(chip-on-board,COB)技術，其係將發光二極體晶片直接固定於封裝體上，而非將分離發光二極體元件予以組合。第一B圖所示之晶片直接封裝(COB)的高度小於組合之分離發光二極體元件(第一A圖)的高度。再者，使用晶片直接封裝(COB)之發光二極體最小間距可達到2毫米(mm)，而使用分離式封裝之發光二極體最小間距僅能達到5毫米。即使使用晶片直接封裝(COB)所能達到的2毫米間距仍然無法達到高的混色效果；若要提高混色效果，則必須增加成本使用反射板及導光板(light guide plate,LGP)。
有文獻揭露一種垂直堆疊發光二極體的結構及製程，例如Michael J. Grundmann等人於Phys. Stats Sol.(c)4,No. 7,2830-2833(2007)所提出的“Multi-color Light Emitting Diode Using Polarization-induced tunnel Junctions”。然而，此種垂直堆疊發光二極體的電發光(electroluminescence)會隨著入射電流而改變。
另有文獻揭露一種橫向分佈發光二極體的結構及製程，例如Il-Kyu Park等人於Applied Physics Letters 92,091110(2008)所提出的“Phosphor-free White Light-emitting Diode with Laterally Distributed Multiple Quantum Wells”。在其製程中，多重量子井(multiple quantum well,MQW)的蝕刻會形成表面的破壞，因而造成低發光效能。
鑑於上述傳統發光二極體無法有效得到較佳的發光特性，因此亟需提出一種新穎的發光二極體製造方法，用以提高輸出效能、簡化封裝製程、提高混色效能並減少晶片面積。
鑑於上述，本發明的目的之一在於提出一種於晶片上形成橫向分佈紅、綠、藍發光二極體的方法，用以提高輸出效能、簡化封裝製程、提高混色效能並減少晶片面積。
根據本發明實施例，首先，形成具第一導電性(例如n型)的第一緩衝層於半導體基板上，且形成介電層於第一緩衝層上。對介電層進行圖樣化(patterning)，以形成第一圖樣化區域於其內，接著形成第一主動層(例如多重量子井，MQW)於第一圖樣化區域內。對介電層進行圖樣化，以形成第二圖樣化區域於其內，接著形成第二主動層(例如多重量子井)於第二圖樣化區域內。在一實施例中，更形成第三主動層(例如多重量子井)於介電層內。接著，形成具第二導電性(例如p型)的第二緩衝層於第一、第二(及第三)主動層上。最後，形成電極於第二、第一緩衝層上。
第二A圖至第二J圖顯示本發明實施例於晶片上形成橫向分佈紅、綠、藍發光二極體的製程及剖面圖。本發明之發光二極體可應用於(但不限定於)固態發光源或顯示器背光源。在本實施例中雖然形成有紅、綠、藍發光二極體，但是，並不需要形成所有顏色發光二極體。例如，僅形成藍及綠發光二極體即足以作為白色發光二極體。再者，紅、綠、藍發光二極體的部分顏色也可以使用其他顏色來取代。例如，可以使用黃色發光二極體來取代紅色發光二極體。另外，本實施例雖以藍、綠、紅的順序來製造發光二極體，然而製造順序可以加以改變。此外，本實施例所形成的橫向分佈紅、綠、藍發光二極體可以整體作為白色發光二極體使用，也可以個別顏色來使用。
參閱第二A圖，於半導體基板10上形成n型緩衝(buffer)層12，例如使用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)形成的n+ -氮化鎵(GaN)層。n+ -氮化鎵層12的厚度可大約介於2.0-6.0微米(μm)，本實施例的較佳厚度大約為6.0微米。n+ -氮化鎵層12的形成溫度可大約介於950-1100℃，本實施例的較佳形成溫度大約為1100℃。基板10可以使用藍寶石晶片，但也可以使用下列或其他材質：AlN(氮化鋁)、ZnO(氧化鋅)、SiC(碳化矽)、BP(磷化硼)、CaAs(砷化鈣)、CaP(磷化鈣)、Si(矽)、LiAlO2 (鋁酸鋰)、LaAlO3 (鋁酸鑭)。
接下來，如第二B圖所示，沈積第一介電(dielectric)層14於n+ -氮化鎵層12之上。第一介電層14可以是電漿增強化學氣相沈積(PECVD)形成的氧化矽(SiO2 )層。第一氧化矽層14的厚度可大約介於0.2-0.5微米，本實施例的較佳厚度大約為0.3微米。使用微影技術將第一氧化矽層14圖樣化(pattern)，並使用氫氟酸(HF)或緩衝氧化矽(BOE)濕蝕刻法(或其他方法)去除暴露區域15，直到n+ -氮化鎵層12露出。
於第二C圖中，以圖樣化第一氧化矽層14作為遮罩(mask)，於圖樣化區域15內選擇性地成長(selectively grow)一或多對藍色多重量子井(MQW)16。在本實施例中，共形成有10對藍色多重量子井。藍色多重量子井16係作為主動(active)層，其形成溫度可大約介於750-800℃，本實施例的較佳形成溫度大約為780℃。在本實施例中，每一層量子井包含氮為基礎的材質Inx Ga1-x N/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)(0<x<1)。
之後，如第二D圖所示，沈積第二介電層18於第一氧化矽層14和藍色多重量子井16之上。第二介電層18可以是電漿增強化學氣相沈積(PECVD)形成的氧化矽(SiO2 )層。第二氧化矽層18的厚度可大約介於0.2-0.5微米，本實施例的較佳厚度大約為0.1微米，其薄於第一氧化矽層14。使用微影技術將第二氧化矽層18圖樣化(pattern)，並使用氫氟酸(HF)或緩衝氧化矽(BOE)濕蝕刻法(或其他方法)去除暴露區域19，直到n+ -氮化鎵層12露出。
於第二E圖中，以圖樣化第二氧化矽層18作為遮罩(mask)，於圖樣化區域19內選擇性地成長(selectively grow)一或多對綠色多重量子井(MQW)20。在本實施例中，共形成有10對綠色多重量子井。綠色多重量子井20係作為主動(active)層，其形成溫度可大約介於700-760℃，本實施例的較佳形成溫度大約為750℃。由於綠色多重量子井20的銦(In)含量高於藍色多重量子井16，因此綠色多重量子井20的形成溫度通常須低於第二C圖中藍色多重量子井16的形成溫度。在本實施例中，綠色多重量子井20的每一層量子井包含氮為基礎的材質Inx Ga1-x N/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)(0<x<1)。
之後，如第二F圖所示，沈積第三介電層22於第二氧化矽層18和綠色多重量子井20之上。第三介電層22可以是電漿增強化學氣相沈積(PECVD)形成的氧化矽(SiO2 )層。第三氧化矽層22的厚度可大約介於0.2-0.5微米，本實施例的較佳厚度大約為0.1微米，其和第二氧化矽層18的厚度大致相同但是薄於第一氧化矽層14。使用微影技術將第三氧化矽層22圖樣化(pattern)，並使用氫氟酸(HF)或緩衝氧化矽(BOE)濕蝕刻法(或其他方法)去除暴露區域23，直到n+ -氮化鎵層12露出。
於第二G圖中，以圖樣化第三氧化矽層22作為遮罩(mask)，於圖樣化區域23內選擇性地成長(selectively grow)一或多對紅色多重量子井(MQW)24。在本實施例中，共形成有10對紅色多重量子井。紅色多重量子井24係作為主動(active)層，其形成溫度可大約介於550-650℃，本實施例的較佳形成溫度大約為650℃。由於紅色多重量子井24的銦(In)含量高於綠色多重量子井20，因此紅色多重量子井24的形成溫度通常須低於第二E圖中綠色多重量子井20的形成溫度。在本實施例中，紅色多重量子井24的每一層量子井包含氮為基礎的材質Inx Ga1-x N/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)(0<x<1)。在另一實施例中，紅色多重量子井24的每一層量子井包含磷為基礎的材質Inx Ga1-x P/Iny (Alx Ga1-x )P(磷化銦鎵/磷化銦鋁鎵)(0<x<1且0<y<1)。
接下來，如第二H圖所示，使用微影技術將第三氧化矽層22圖樣化(pattern)，並使用氫氟酸(HF)濕蝕刻法(或其他方法)去除藍色多重量子井16上面的暴露區域15以及綠色多重量子井20上面的暴露區域19。以圖樣化第三氧化矽層22作為遮罩(mask)，分別於藍色多重量子井16、綠色多重量子井20、紅色多重量子井24上面形成p型緩衝(buffer)層26，例如使用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)形成的p+ -氮化鎵(GaN)層。p+ -氮化鎵層26的厚度可大約介於0.1-0.25微米(μm)，本實施例的較佳厚度大約為0.2微米。p+ -氮化鎵層26的形成溫度可大約介於900-1000℃，本實施例的較佳形成溫度大約為900℃。
參閱第二I圖，使用氫氟酸(HF)濕蝕刻法(或其他方法)去除第三氧化矽層22和第二氧化矽層18。最後，如第二J圖所示，使用氫氟酸(HF)或緩衝氧化矽(BOE)濕蝕刻法(或其他方法)去除部分的第一氧化矽層14，直到n+ -氮化鎵層12露出。接下來，分別於n+ -氮化鎵層12和p+ -氮化鎵層26上面形成n型、p型導電電極(或歐姆接觸)28A、28B。導電電極28A、28B可以含鈦/鋁(Ti/Al)和鎳/金(Ni/Au)層。藉此，於晶片上形成橫向分佈紅、綠、藍發光二極體，如第二J圖所示。
根據本發明實施例，形成於晶片上的橫向分佈紅、綠、藍發光二極體可組合以發射白光。換句話說，紅、綠、藍發光二極體整體係作為白色發光二極體之用，其通常又稱為多晶片(multi-chip)白色二極體。紅、綠、藍發光二極體的色彩混合可以較冷陰極管(CCFL)具有較豐富的色彩範圍及特性。本實施例之白色發光二極體為一種無磷白色發光二極體，其具有高輸出效能及簡化封裝製程。由於紅、綠、藍發光二極體的最小間距小至數十微米或更小，因而得以提高其混色效能且降低其晶片面積。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．基板(藍寶石)
12．．．n型緩衝層(n+ -GaN)
14．．．第一介電層(第一氧化矽層)
15．．．第一圖案化區域
16．．．藍色多重量子井
18．．．第二介電層(第二氧化矽層)
19．．．第二圖案化區域
20．．．綠色多重量子井
22．．．第三介電層(第三氧化矽層)
23．．．第三圖案化區域
24．．．紅色多重量子井
26．．．p型緩衝層(p+ -GaN)
28A．．．p型導電電極
28B．．．n型導電電極
第一A圖顯示傳統分離式封裝技術，其將分離發光二極體元件予以組合。
第一B圖顯示傳統晶片直接封裝(COB)技術，其將發光二極體晶片直接固定於封裝體上。
第二A圖至第二J圖顯示本發明實施例於晶片上形成橫向分佈紅、綠、藍發光二極體的製程及剖面圖。
10．．．基板(藍寶石)
12．．．n型緩衝層(n+ -GaN)
14．．．第一介電層(第一氧化矽層)
16．．．藍色多重量子井
20．．．綠色多重量子井
22．．．第三介電層(第三氧化矽層)
24．．．紅色多重量子井
26．．．p型緩衝層(p+ -GaN)
28A．．．p型導電電極
28B．．．n型導電電極

Claims (10)

  1. 一種形成橫向分佈發光二極體的方法，包含：提供一半導體基板；形成一第一緩衝層於該半導體基板上，該第一緩衝層具有第一導電型；形成一第一介電層於該第一緩衝層上；圖樣化(patterning)該第一介電層並去除該第一介電層的一部份，以形成一第一圖樣化區域於該第一介電層內；形成一第一多重量子井(MQW)於該第一圖樣化區域內；形成一第二介電層於該第一介電層上；圖樣化該第二介電層並去除該第二、第一介電層的一部份，以形成一第二圖樣化區域於該第一介電層內；形成一第二多重量子井於該第二圖樣化區域內，該第二多重量子井所發射光線之顏色異於該第一多重量子井；形成一第三介電層於該第二介電層上；圖樣化該第三介電層並去除該第三、第二、第一介電層的一部份，以形成一第三圖樣化區域於該第一介電層內；形成一第三多重量子井於該第三圖樣化區域內，該第三多重量子井所發射光線之顏色異於該第一、第二多重量子井； 形成第二緩衝層於該第一、第二、第三主動層上，該第二緩衝層具有第二導電型；及形成電極於該第二緩衝層、該第一緩衝層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之半導體基板包含藍寶石。
  3. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一導電型為n型，且該第二導電型為p型。
  4. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一或第二緩衝層包含氮化鎵(GaN)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一、第二或第三介電層包含氧化矽(SiO2 )。
  6. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一、第二或第二多重量子井包含一或多對量子井。
  7. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一及第二多重量子井包含氮為基礎的材質Inx Ga1-x N/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)(0<x<1)，上述之第三多重量子井包含氮為基礎的材質Inx Ga1-x N/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)(0<x<1)或者磷為基礎的材質Inx Ga1-x P/Iny (Alx Ga1-x )P(磷化銦鎵/磷化銦鋁鎵)(0<x<1且0<y<1)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述第二多重量子井的銦(In)含量高於該第一多重量子井，且該第三多重量子井的銦(In)含量高於該第二多重量子井。
  9. 如申請專利範圍第8項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述第二多重量子井的形成溫度低於該第一多重量子井，且該第三多重量子井的形成溫度低於該第二多重量子井。
  10. 如申請專利範圍第1項所述形成橫向分佈發光二極體的方法，其中上述之第一多重量子井發射藍光，該第二多重量子井發射綠光，且第三多重量子井發射紅光。
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