TWI446571B

TWI446571B - 發光二極體晶片及其製作方法

Info

Publication number: TWI446571B
Application number: TW97139411A
Authority: TW
Inventors: Chung Chieh Yang; Chia Feng Lin; Ren Hao Jiang; Jenq Dar Tsay; Chien Jen Sun
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2014-07-21
Also published as: TW201015752A

Description

發光二極體晶片及其製作方法

本發明是有關於一種發光二極體晶片及其製作方法。

發光二極體晶片具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、低熱產生及低功率消耗等優點，因此已被廣泛應用於家用及各種設備中的指示器或光源。近年來，發光二極體晶片的技術已朝多色彩及高亮度發展，因此其應用領域甚至已擴展至大型戶外看板、交通號誌燈及相關領域。在未來，發光二極體晶片可能成為兼具省電及環保功能的主要照明光源。圖1為習知之發光二極體晶片的結構示意圖。請參考圖1，習知之發光二極體晶片100包括一基板110、一第一型半導體層120、一發光層130、一第二型半導體層140以及多個電極150。第一型半導體120層配置於基板110上。發光層130配置於第一型半導體層120的局部區域上。第二型半導體層140配置於發光層130上。多個電極150配置於第一型半導體層120上以及第二型半導體層140上，以分別電性連接第一型半導體層120與第二型半導體層140。一般來說，形成第一型半導體層120、發光層130以及第二型半導體層140的方式例如是先全面地依序形成一第一型半導體材料層(未繪示)、一發光材料層(未繪示)以及一第二型半導體材料層(未繪示)於基板110上。接著，將第一型半導體材料層、發光材料層以及第二型半導體材料層利用例如是電感耦合電漿(ICP)乾蝕刻或反應式離子蝕刻(RIE)的方式來進行蝕刻製程，其中採用上述之非等向性之蝕刻製程可直接地將第一型半導體材料層、發光材料層以及第二型半導體材料層蝕刻成圖1所繪示之第一型半導體層120、發光層130以及第二型半導體層140。

然而，採用電感耦合電漿乾蝕刻或反應式離子蝕刻的製程係使用高能量的電漿對第一型半導體材料層、發光材料層以及第二型半導體材料層進行轟擊，而以非等向性的蝕刻方式來形成如圖1所示的發光二極體晶片100的結構。一般來說，以此高能量之電漿轟擊的方式通常會在第一型半導體層120、發光層130以及第二型半導體層140的表面造成損害，使得發光二極體晶片100被驅動時，容易產生表面漏電流的問題，進而影響發光二極體晶片100的發光品質。

本發明提出一種發光二極體晶片，其包括一基板、一第一型半導體層、一發光層以及一第二型半導體層。第一型半導體層配置於基板上。發光層配置於第一型半導體層的部分區域上，其中第一型半導體層未被發光層覆蓋的區域具有一第一粗糙面，而發光層的側壁具有一第二粗糙面。第一粗糙面與第二粗糙面係為多孔隙(porous)之微結構(micro－roughened structure)。第二型半導體層配置於發光層上，其中第二型半導體僅部份覆蓋於發光層上而具有一底切(undercut)結構。

本發明也提出一種發光二極體晶片的製作方法，其包括提供一基板，並且於基板上依序形成一第一型半導體材料層、一發光材料層以及一第二型半導體材料層。另外，本發明於第二型半導體材料層上形成一圖案化罩幕層。而後，依序在該第二型半導體材料層、該發光材料層、及該第一型半導體材料層未被圖案化罩幕層覆蓋的部份氧化以形成一氧化層，再進行濕式蝕刻以將該氧化層移除。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2為本發明之發光二極體晶片的結構示意圖。請參考圖2，本實施例之發光二極體晶片200包括一基板210、一第一型半導體層220、一發光層230以及一第二型半導體層240。第一型半導體層220配置於基板210上。發光層230配置於第一型半導體層220的部分區域上，其中第一型半導體層220未被發光層230覆蓋的區域具有一第一粗糙面222，而發光層230的側壁232具有一第二粗糙面232a。第一粗糙面222與第二粗糙面232a係為多孔隙之微結構。第二型半導體層240配置於發光層230上，其中第二型半導體240具有一表面240a，其係透過部份之該表面240a覆蓋於發光層230上而具有一底切結構230b。

在本實施例中，基板210的材質可以是選用氧化鋁(Al₂ O₃ )、矽(Si)、氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)基板。本實施例之某板210是用在發光二極體晶片中做為基底之用，且以氧化鋁(Al₂ O₃ )基板為實施範例，或稱藍寶石基板，但不以此為限。

在本實施例中，第一型半導體層220與第二型半導體層240的材質可以是由氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)至少其中之一摻雜II族元素或IV族元素所構成。舉例來說，第一型半導體層220可以是由氮化鎵摻雜IV族元素，如矽(Si)，以形成一N型半導體層(GaN：Si)，而第二型半導體層240則可以是由氮化鎵摻雜II族元素，如鎂(Mg)，以形成一P型半導體層(GaN：Mg)。本實施例係以第一型半導體層220為N型半導體層與第二型半導體層240為P型半導體層作為實施範例。

另外，發光層230為一多重量子井發光層。詳細來說，發光層230的材質例如以Ⅲ－V族元素為主的多重量子井(multi－quantum well)結構，其中發光層230例如是以氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、三元組成之氮化鎵鋁(AlGaN)和氮化鎵銦(InGaN)、或是四元組成之氮化鋁鎵銦AlInGaN之摻雜半導體層。

在本實施例中，發光二極體晶片200更包括多個電極250。具體而言，這些電極250其中之一配置於第二型半導體層240的部分區域上以電性連接第二型半導體層240，而這些電極250之另一則配置於未被發光層230所覆蓋之第一型半導體層220上以電性連接第一型半導體層220，如圖2所示。

此外，發光二極體晶片200更包括一圖案化透明導電層260。在本實施例中，圖案化透明導電層260配置於電極250與第二型半導體層240之間，如圖2所示。圖案化透明導電層260例如是一透明導電層，其中此透明導電層的材質可以是銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵鋅(GZO)、或鎳/金(Ni/Au)。詳細來說，圖案化透明導電層260適於將來自電極250的電流分散導入第二型半導體層240，以提升發光二極體晶片200的發光效率。

承上述，由於第一型半導體層220未被發光層230覆蓋的區域具有多孔隙之微結構的第一粗糙面222，以及發光層230的側壁232具有多孔隙之微結構的第二粗糙面232a。如此一來，當發光二極體晶片200被驅動時，將可有效地提高其整體的光取出效率，亦即是，發光二極體晶片200可具有較佳的發光效率。究其原因在於，第一粗糙面222與第二粗糙面232a為具有多孔隙之微結構，如此一來，可破壞了光線出射表面的全反射角，而使出射發光二極體晶片200的光線較容易地透過不規則的表面而穿透出去，進而提高其光取出率。

另外，由於第二型半導體240僅部分覆蓋發光層230，如此一來，可使第一型半導體層220、第二型半導體層240與發光層230形成如圖2所示之底切結構230b。而此底切結構230b由於發光層被蝕刻而可有效地釋放發光層在膜層堆疊時或是第一型半導體層220與基板210晶格不匹配時所產生的應力，進而降低發光二極體晶片被驅動時所產生之波長漂移的現象，並可提升內部量子化之效率。

另外，本實施例亦提供一種製作出上述之發光二極體晶片的製作方法，相關說明如下。

圖3A~圖3E為本發明之一種發光二極體晶片製作方法的流程示意圖。請參考圖3A，首先提供一基板310，並於基板310上依序形成一第一型半導體材料層322、一發光材料層332以及一第二型半導體材料層342，如圖3A所示。為了後續方便說明，茲將該基板310，該第一型半導體材料層322、該發光材料層332及該第二型半導體材料層342合稱為半導體晶圓3A。在本實施例中，基板310例如是採用上述之基板210，相關說明不再贅述。另外，依序形成第一型半導體材料層322、發光材料層332以及第二型半導體材料層342的方法可以是採用磊晶的方式來進行膜層的堆疊。而第一型半導體材料層322、發光材料層332以及第二型半導體材料層342的材質可以採用上述之第一型半導體層220、發光層230以及第二型半導體層240所使用之材料，相關描述不再贅述。

接著，於第二型半導體材料層342上形成一圖案化罩幕層370，如圖3B所繪示。在本實施例中，形成圖案化罩幕層370的方式例如是先形成一圖案化罩幕材料層(未繪示)，然後，對此圖案化罩幕材料層進行微影蝕刻製程或其他適當的圖案化方法以形成圖案化罩幕層370。此外，圖案化罩幕層370的材質例如是使用鈦金屬，或其他適當金屬。在一實施例中，圖案化罩幕層370的厚度例如是100nm。

然後，進行一光電化學製程與濕蝕刻製程以形成如圖 3C所示之結構，詳細的說明如下：請參看圖4，其為進行一種光電化學製程的裝置示意圖。請搭配參考圖3C，在本實施例中，光電化學製程包括下列步驟。首先，將半導體晶圓3A置於一第一溶液392中，其中此第一溶液392例如是去離子水(DI water)。

接著，提供一光源394照射於該半導體晶圓3A上，並於第二型半導體材料層342上施加一偏壓398以形成一電流迴路(未繪示)以利光電化學製程進行。如此，可依序在第二型半導體材料層342、發光材料層332以及第一型半導體層322形成氧化層，而將氧化層使用一第二溶液(未繪示)進行移除，其中第二溶液可為酸性溶液或鹼性溶液其中之一，且本實施例以氯化氫(HCl)溶液作為實施範例，但不限於此。在本實施例中，氯化氫溶液的濃度例如是35%HCl：H₂ O(1：1)，且浸泡的時間例如是在5~30分鐘之間，最後形成如圖3C所繪示之結構。在一實施例中，光源394的波長例如是100~600nm，而其光強度例如10W~5000W之間，且其照射時間例如是再0.1~600分鐘之間。此外，偏壓的大小例如是－30V到＋30V之直流或交流電壓，且施加偏壓的時間例如是0.1~600分鐘之間。

較佳地，反覆進行上述步驟數次，可有效地提升第二型半導體層340、發光層330以及第一型半導體層320的形成速率，並可形成膜層結構較佳的第二型半導體層340、發光層330以及第一型半導體層320。上述僅為舉例說明，重複進行上述步驟的次數視使用者的需求而定，本發明並不特別限定。

請繼續參考圖3D，接著，移除圖案化罩幕層370，並形成多個電極350於第二型半導體層340的部分區域上與未被發光層330所覆蓋之第一型半導體層320上，以分別電性連接第二型半導體層340與第一型半導體層320，如圖3D所繪示。至此，大致完成一種發光二極體晶片300的製作流程。

在一實施例中，為了使發光二極體晶片300具有較佳的發光品質，更可於形成上述電極350之前，先形成一圖案化透明導電層360於電極350與第二型半導體層320之間，如圖3E所示。接著，再形成上述之電極350，便可完成一種發光二極體晶片300a的製作步驟，其中發光二極體晶片300a具有上述之發光二極體晶片200所描述之特徵與優點。

綜上所述，本發明之發光二極體晶片及其製作方法至少具有下列優點。首先，第一型半導體層的表面上與發光層的側壁上皆具有多孔隙之微結構，如此一來，將可有效地提高發光二極體晶片的發光效率。此外，發光層位於第一型半導體層與第二型半導體層，並形成一底切結構，其發光層蝕刻將可有效地釋放發光層膜層堆疊所產生的應力，而改善發光二極體晶片被驅動而發光時，所產生波長漂移的問題，並可有效地提升內部量子化之效率。另外，發光二極體晶片係透過光電化學製程來形成上述之結構，在製程實務上，可使用較低廉的設備來完成，並捨棄昂貴電漿乾式蝕刻機台，同時並具有較簡易的製作步驟。

雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，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。

3A‧‧‧半導體晶圓

100、200、300、300a‧‧‧發光二極體晶片

110、210、310‧‧‧基板

120、220、320‧‧‧第一型半導體層

130、230、330‧‧‧發光層

140、240、340‧‧‧第二型半導體層

150、250、350‧‧‧電極

222‧‧‧第一粗糙面

232‧‧‧側壁

232a‧‧‧第二粗糙面

240a‧‧‧表面積

230b‧‧‧底切結構

260、360‧‧‧圖案化透明導電層

322‧‧‧第一型半導體材料層

332‧‧‧發光材料層

342‧‧‧第二型半導體材料層

370‧‧‧圖案化罩幕層

392‧‧‧第一溶液

394‧‧‧光源

398‧‧‧偏壓

圖1為習知之發光二極體晶片的結構示意圖。

圖2為本發明之發光二極體晶片的結構示意圖。

圖3A~圖3E為本發明之一種發光二極體晶片製作方法的流程示意圖。

圖4為進行一種光電化學製程的裝置示意圖。

200‧‧‧發光二極體晶片

210‧‧‧基板

220‧‧‧第一型半導體層

222‧‧‧第一粗糙面

230‧‧‧發光層

240a‧‧‧表面積

230b‧‧‧底切結構

232‧‧‧側壁

232a‧‧‧第二粗糙面

240‧‧‧第二型半導體層

250‧‧‧電極

260‧‧‧圖案化透明導電層

Claims

一種發光二極體晶片的製作方法，包括：提供一基板；於該基板上依序形成一第一型半導體材料層、一發光材料層以及一第二型半導體材料層；於該第二型半導體材料層上形成一圖案化罩幕層；以去離子水為氧化劑進行一光電化學(photo-electrochemical,PEC)製程依序將該第二型半導體材料層、該發光材料層、及該第二型半導體材料層未被該圖案化罩幕層覆蓋的部份氧化以形成一氧化層；蝕刻該氧化層；重複進行該光電化學製程以及蝕刻該氧化層數次；移除該圖案化罩幕層；以及形成多個電極於該第二型半導體材料層上。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中，該光電化學(photo-electrochemical,PEC)製程，包括將具有該第一型半導體材料層、該發光材料層以及該第二型半導體材料層的該基板置於該去離子水中，並照射一波長範圍介於100奈米至600奈米間之光源；以及於該第二型半導體材料層上外加偏壓範圍：-30V到+30V之直流或交流電壓形成一電流迴路。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中，該光電化學(photo-electrochemical,PEC)製程，包括於該第一型、第二型半導體材料層上外加偏壓範圍在-30V到+30V之直流或交流電壓，並將具有該第一型半導體材料層、該發光材料層以及該第二型半導體材料層的該基板置於該去離子水中並照射一波長範圍介於100奈米至600奈米間之光源。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製作方法，係利用一濕蝕刻製程以蝕刻該些氧化層，其為使用一溶液進行移除。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中，該溶液為酸性溶液或鹼性溶液其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製作方法，更包括：將該些電極形成於該第二型半導體層的部分區域上以及未被該發光層覆蓋的該第一型半導體層上，以分別電性連接該第二型半導體層與該第一型半導體層。
如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶片的製作方法，更包括形成一圖案化透明導電層於該些電極與該第二型半導體層之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該第一型半導體材料層與該第二型半導體材料層的材質為係由GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN至少其中之一摻雜II族元素或IV族元素所構成。