TWI469385B - Manufacturing method of light emitting element - Google Patents

Description

發光元件之製造方法

本發明關於一種發光元件，特別是有關於一種發光二極體元件。

發光二極體(LEDs,“Light emitting diodes”)為轉換電能為光線的一種重要的固態元件類型。在這些元件的改良已經使得它們可用於設計成取代習知白熱及螢光光源之發光裝置。LEDs有顯著較長的壽命，且在某些例子中顯然地在轉換電能到光線時有較高的效率。

LEDs的成本及轉換效率為決定此種新技術是否可以取代習知光源及用於高功率應用之速度的重要因素。因為個別的LEDs受限於數瓦而已，許多高功率應用需要多個LEDs來達到所需要的功率級。此外，LEDs產生相當窄頻譜的光。因此，在需要一特定色彩的光源之應用中，係組合發光於不同光學譜帶的數個發光二極體。因此，許多LED光源的成本為個別LEDs的成本的許多倍。

個別LEDs的轉換效率為解決高功率LED光源之成本的重要因素。一LED的轉換效率被定義為由該LED發射的光學功率與所消耗的電功率之比例。在LED中未被轉換成光的電功率被轉換成熱而提高LED之溫度。散熱對於一LED可運作的功率級造成限制。此外，LED必須安裝在提供散熱的結構上，因此會另外增加該等光源的成本。因此，如果可以增加LED的轉換效率，即可增加由單一LED提供之最大光量，因此可以降低一給定光源所需要的LED數目。此外，該LED的運作成本亦反比於該轉換效率。因此，已有大量的工作在進行來改善LED的轉換效率。

為了此討論的目的，一LED可視為具有三層，該活化層夾在其它兩層之間形成一p-i-n二極體結構。這些層基本上沉積在一基板上，例如藍寶石。必須注意到這些層之每一層基本上包括一些子層。

材料的改進亦已改善在該活化層中產生光的效率。氮化鎵基(GaN-based)LEDs已經顯示出對於該活化層已經可有顯著增加光的轉換效率。不幸地是，這些材料的折射係數非常高，因此由於在空氣與LED之邊界處或是在具有高折射係數之材料中行進的光線遇到一具有較低折射係數的材料的其它邊界處的內反射而被捕捉在該LED內。該被捕捉的光線之很大一部份會因為GaN材料的吸收而損失。對於習知的藍寶石基板上的氮化鎵基LED，由該活化層所放射之光線中接近70%會維持被捕捉在LED之內，除非改變該簡單平面層LED結構。

已有數種技術描述可藉由最小化這種內部捕捉來改善LED的光萃取。一種技術係藉由隨機化射向一內反射邊界的光線自該邊界反射的角度來操作。如果一LED由平行平面層建構，於具有不同折射係數的兩層之間的介面處以大於該臨界角的角度射向一第一邊界的光線將被內反射朝向一第二邊界。此光線將以該光線射向該第一邊界的相同角度而射向該第二邊界，因此會以相同角度被反射回來而朝向該第一邊界。因此，該光線被捕捉在該等邊界之間，且最終將由該等材料所吸收，或經由該LED的一側表面離開。藉由粗糙化該等邊界之一者，一光線在第一反射時射向一邊界的角度與該光線在一第二反射時射向該邊界的角度之間的相關性可以明顯降低或消除。因此，每次一光線射向一邊界，該光線具有有限的機會可逃逸，即使該光線在前一次反射時內反射。

然而，經由其它機制不會造成影響該LED之效率的其它問題而能達到的粗糙化的程度是有所限制的。經由該LED之頂表面的形狀化而可達到的粗糙化程度受限於該p層之厚度，其通常為在製造該等層之後所裸露的該層。該p層材料具有顯著較高的成長溫度，因此在磊晶成長期間，此層的厚度必須保持在一最小值以防止下方活化層之劣化。然而，該層必須足夠厚，以允許該層被充份地粗糙化，以散射射向該層的光。該散射結構必須具有為要被散射的光之波長等級的尺寸以提供有效率的散射。因此，該p層必須具有可被粗糙化的一厚度，以提供在該活化層中產生的光之波長等級之特徵，而仍維持無損傷。此妥協會限制該內反射問題藉由粗糙化該LED之表面所能處理的程度。

處理光捕捉問題之另一種技術牽涉到提供在光線離開通過的LED表面處之一曲面。如果該彎曲表面相較於LED為較大，以任何角度離開該LED之光將以小於臨界角的角度遇到該表面並逃逸。此種解決方案基本上藉由覆蓋具有一凸面之材料層在LED上而應用在封裝級。但是該材料層係由具有顯然小於建構該LED之GaN層的折射係數的折射係數之材料所建構。因此，當發射至此介面層中的光線以高效率逃逸時，由於在該介面層與該LED之邊界處的內反射使得光線仍被捕捉在該LED中。

此外，此解決方案需要比該LED要大很多的一表面，因此會增加該光源的大小。再者，該介面結構會使得該LED之封裝複雜化，其中需要該光源製造商將該介面結構模製作為該封裝作業的一部份。

本發明包括一光源及其製造方法。該光源包括一基板及一發光結構。該基板具有一第一表面及一第二表面，該第二表面包括相對於該基板之該第一表面的一彎曲凸面。該發光結構包括一第一導電型材料第一層，其位於該第一表面上方；一活化層，其位於該第一層上方，當電洞與電子在該活化層中復合時該活化層會產生光；及一第二層包含一第二導電型材料，該第二層具有位於該活化層上方的一第一表面及相對於該第一表面的一第二表面。一鏡面層位於該發光結構上方。

在本發明一種態樣中，該彎曲凸面之選擇係使得在該活化層中所產生的光線在最初時由於內反射而自該彎曲凸面反射而隨後以小於入射點處臨界角的一角度射向該彎曲凸面。

在本發明另一種態樣中，該彎曲凸面藉由在該基板上圖案化一光阻層所產生，其中該光阻層具有類似於該彎曲凸面之表面輪廓。然後該光阻層及基板使用同時侵蝕兩個表面之一蝕刻系統來進行蝕刻。

本發明提供其優點之方式參照第一A圖及第一B圖可更容易瞭解，其為一先前技藝氮化鎵基倒置式LED(GaN-based inverted LED)結構的簡化截面圖。LED 10藉由在一藍寶石基板24上成長三層所建構。第一層21為一n型GaN材料。第二層為一p型GaN層23。第三層22為一活化層，其在當來自層21與23之電洞與電子在其中復合時即放射光。這些層之每一者可以包括一些子層。因為這些子層之功能為本技藝中所熟知，且並非本文討論之重點，這些子層的細節將自該等圖面與以下討論中省略。

在層22中產生的光以所有可能的角度離開層22。在通過邊界28與29之後成功地離開該LED的光之範例示於27A處。離開層22之部份光，如第一A圖中27B處所示，其以一足夠大的角度遇到LED層21與基板24之間的邊界28而經歷全內反射，並變成被捕捉在邊界28與鏡面層25之間。離開層22之另一部份的光，如第一A圖中27C所示，其以小於該邊界之臨界角的角度遇到邊界28，並通過它，但是接著以一足夠大的角度遇到基板24與空氣之間的邊界29而經歷全內反射，並變成被捕捉在邊界29與鏡面層25之間。

因為光在後續反射中射向一邊界的角度與光在該第一反射期間射向那邊界的角度之間有相關性，光變成會被捕捉在兩個邊界之間。例如，如果因為光以大於該臨界角的角度射向邊界29而自該邊界29反射，那光將被導引回到鏡面層25，然後將被反射回到邊界29。因為該等邊界為平行，此光將以該光於先前遇到該邊界當中射向邊界29的相同角度再次射向邊界29。因此，該光將再次由邊界29反射。因此，該光變成被捕捉在該等兩個邊界之間，且被吸收在該LED的材料中或是離開該LED的末端。

被捕捉在鏡面層25與邊界28或29之間的光量可藉由提供一粗糙表面26來降低，如第一B圖所示。LED 20依類似於LED 10的方式建構，除了層23的頂表面已經藉由蝕刻而粗糙化，如26處所示。粗糙表面26隨機化入射在表面26上的光而隨後射向邊界28與29之該等角度。考慮邊界28。以大於臨界角之角度射向邊界28的光將被反射回來朝向鏡面層25。該粗糙表面隨機化光離開鏡面層25之角度。也就是說，該光射向鏡面層25之反射角度將會有一分佈。因此，離開鏡面層25之光的某些部份現在將以小於臨界角的角度射向邊界28，並通過該邊界，如27D處及27E處所示。剩餘的光將再次被導引到鏡面層25，並已一個範圍的角度被反射回來朝向邊界29。因此，粗糙表面26改善第一B圖之先前技藝結構中LED的萃取效率。

當粗糙化層23之表面相對於LED 10改善了LED 20之光萃取效率時，該粗糙化造成其它的問題。首先，該鏡面層基本上藉由沉積一金屬層在層23的頂表面之上所形成，例如銀或鋁。如果層23之頂表面為粗糙，該鏡面之反射率由於表面電漿效應(surface plasmon effects)而實質地降低。因此，即會損失一大部份的光線。

第二，經由該頂表面形狀化而提供之表面粗糙化的量受限於層23的厚度。層23基本上為p型半導體層。對於許多半導體材料系統，例如GaN，該p型材料具有一非常高的阻值。此外，此p-GaN層比下方的活化層需要明顯較高的成長溫度。為了最小化該活化層的劣化，該p型氮化鎵(p-GaN)層的厚度儘可能選擇較小。為了提供適當的粗糙化，該層之厚度必須提供散射特徵，其係在該活化層中產生之光的波長等級，而仍可提供一無損傷的連續層。因此，在內部量子效率與光散射效率之間有一妥協。

本發明係基於觀察到即使缺少粗糙化表面23，如第一A圖及第一B圖所示被捕捉在鏡面層25與表面29之間的光量可藉由改變表面29的形狀來降低，使得在隨後會合的一光束射向一表面之入射角(相對於垂直方向)會小於在先前反射中該光束射向該表面之入射角，因此該光可逃逸。

現在請參照第二圖，其為根據本發明一態樣中包括一LED 30之部份晶圓的簡化截面圖。LED 30藉由沉積層21-23在基板24上，且以類似於前述LED 20之方式沉積一鏡面層25但不需要包括任何粗糙表面來建構。基板24之底表面39具有一凸曲率。考慮光束31。如果基板24之該底表面為平坦，如33處所示，光束31將會被反射回到層21中，如32處所示。另外，光束31射向在基板39之彎曲表面之點34a處。在此點處基板24的曲率造成光束31之入射角小於臨界角，因此光束31可逃逸。

現在考慮垂直入射到層22及21而離開活化層22之光束37。此光束將由平行於層21之平面表面自一LED垂直地逃逸。然而，光束37以大於臨界角的一角度35射向表面39的點34b處，因此被反射並射向表面39點34c處。表面39之選擇使得此光線射向表面39之入射角36大於角度35，因此此光束亦自基板24逃逸。

概言之，表面39之選擇使得在最初時由於內反射自表面39反射之光束隨後以小於入射點處的臨界角的一角度入射於表面39。逃逸發生處的反射可為下一次反射，或在自表面39及/或LED 30的其它表面之一些反射之後發生的反射，例如鏡面25或層21-23之末端表面。在本發明一態樣中，表面39為一非球狀凸面。例如，表面39可為接近拋物面。

現在參照第三圖及第四A圖至第四F圖，其例示根據本發明製造一LED的方法。第三圖為該方法之步驟流程圖，而第四A圖至第四F圖為在該製造程序中不同時點處一晶圓之一部份的截面圖。該程序開始於沉積習知的三層LED結構43在一藍寶石基板44上。結構43之頂層覆蓋有一鏡面層45，然後一光阻層42沉積在基板44上，如第四A圖及步驟301所示。在步驟302中，如第四B圖所示，該光阻層42被圖案化以形成島42A及42B，其位置對應於所想要的凸面結構。在所示之晶圓的部份中，其要形成兩種結構，一種結構用於兩個相鄰LED之每一者。

在步驟304中，如第四C圖所示，施加熱量，以允許該光阻軟化及流動。在移除該熱量之後，表面張力造成該等光阻島的重新形狀化。如果該等光阻島被允許成為完全熔解，一實質凸面即形成在每個島處，如第四D圖中47A及47B所示。該加熱之量及時間輪廓可被選擇來達到一特定需要的表面輪廓。

然後該光阻圖案藉由蝕刻該光阻層與下方基板而被轉移到該下方基板，如步驟305及第四E圖所示。離子束研磨(Ion beam milling)可被用於該蝕刻製程。基板44被光阻覆蓋的那些部份並未被蝕刻，直到該上覆光阻層已經由該離子束移除。因此，在該蝕刻製程結束時，凸面區域49A及49B保留下來，如第四F圖所示。

在該基板中造成之結構的高度輪廓同時根據該光阻之輪廓及該離子束蝕刻製程的相對選擇率而定。如果該離子束製程以實質上與該光阻相同的速率蝕刻該下方基板，在該光阻中的圖案將被轉移到該基板，使得該等凸面區段與該光阻中相對應結構具有實質上相同的高度。如果該離子束相較於該基板會更快地侵蝕該光阻，具有相同形狀但降低高度的圖案將會產生。

該凸面結構之產生係在晶圓級進行，因此並未實質增加LED之成本。在這方面，其必須注意到該基板時常在習知製程系統中被薄化，以便於分離該晶圓成為個別晶粒。對於一藍寶石基板，該等晶粒藉由在該晶圓上所想要的位置處做記號(scoring)然後切割(breaking)該晶圓來分離。為了提供可靠的分離，該晶圓基本上於該劃線及切割程序之前被薄化到厚度約100微米，如第三圖之步驟306所示。因為該晶圓將在該等晶粒之間的位置處劃線，即該凸面結構具有最小垂直厚度的區域，如第四F圖中51處所示，其並不需要額外的薄化來切割該等晶粒。

在上述的具體實施例中，該凸面結構係在生產最終LED之晶圓製程結束或接近結束時製造。然而，在沉積LED層之前製造凸面光萃取結構之具體實施例中亦可被建構。在此例中，提供該晶圓的實體將提供已經具有該等光萃取特徵的晶圓。該LED製造商僅需要以可適當地對準於該等凸面結構之方法來製造LED相關的結構。因為該等晶圓在習知製程期間將被薄化，該等晶圓可被接合至一載板，其可提供在製程期間所需要的切割阻值。

必須注意到該凸面光萃取表面係由該基板建構，因此具有相同的折射係數。因此並不會產生具有不同折射係數之層之間的新介面。利用萃取光之一凸面之先前技藝方案係根據耦合大的凸面透鏡到該LED以及基本上利用具有比藍寶石實質較低的折射係數的材料或是用於建構該LED層之材料。為了有效起見，該等透鏡必須位在與該LED具有某個距離，且直徑上大於LED的數倍。因此，該等透鏡必須個別地產生或在該光源組件封裝階段接著。此會增加所得到之光源的成本。

亦必須注意到該等透鏡之直徑必須大於該LED的許多倍，且必須放置與LED有一些距離，所以任何離開該LED之光線以小於臨界角之角度射向該曲面。此對於無法滿足某些應用之該光源的大小造成較低的限制。

此外，在該LED與該曲面之間的空間填入有相較於該等LED層具有一相對較低折射係數之材料。此造成該LED與該等光萃取透鏡之間的一平面邊界，其中該邊界區隔兩個不同折射係數之區域。因此，部份的該光線將在此邊界處被反射回到該LED中。

本發明特別有用於自GaN家族材料以及具有高折射係數之其它材料系統例如藍寶石或碳化矽(Silicon Carbide)所建構的LED。為了本文討論的目的，該GaN家族材料將被定義為氮化鋁鎵(AlGaN),氮化銦鎵(InGaN)及GaN。然而，本發明可應用到自其它家族材料建構的LED。

上述本發明之具體實施例已提供用於例示本發明之多種態樣。但是，其應可瞭解到在不同特定具體實施例中所示之本發明的不同態樣可被組合來提供本發明之其它具體實施例。此外，對於本發明之多種修改可由本技藝專業人士由前述的說明及附隨圖式而顯而易知。因此，本發明僅受限於以下申請專利範圍所定義之範疇。

10．．．發光二極體

20．．．發光二極體

21．．．第一層

22．．．活化層

23．．．第二層

24．．．基板

25．．．鏡面層

26．．．粗糙表面

28．．．邊界

29．．．邊界

30．．．光源

30．．．發光二極體

31．．．光束

35．．．角度

36．．．入射角

37．．．光束

39．．．彎曲凸面

43．．．三層發光二極體結構

44．．．藍寶石基板

45．．．鏡面層

42A．．．島

42B．．．島

47A．．．凸面

47B．．．凸面

49A．．．凸面區域

49B．．．凸面區域

第一A圖及第一B圖為一先前技藝氮化鎵基倒置型LED結構的簡化截面圖。

第二圖為根據本發明一態樣中包括一LED 30之晶圓的一部份之簡化截面圖。

第三圖為根據本發明之製造方法的流程圖。

第四A圖至第四F圖為在該製造程序中不同時點處一晶圓之一部份的截面圖。

21．．．第一層

22．．．活化層

23．．．第二層

24．．．基板

25．．．鏡面層

30．．．光源

31．．．光束

35．．．角度

36．．．入射角

37．．．光束

39．．．彎曲凸面

Claims (7)

1. 一種發光元件之製造方法，該製造方法包含如下之步驟：提供具有實質地彼此平行的第一表面及第二表面之基板；在該第一表面上製造發光結構，該發光結構包含：第一導電型半導體材料之第一層，其係沉積在該基板上；活化層，其係位於該第一層上方；及第二層，其係位於該活化層上方，且係與該第一導電型相反之導電型的半導體材料；及蝕刻該基板之該第二表面，形成具有以該第一表面作為基準之彎曲凸面狀表面之凸面結構，並且將具有藉由該蝕刻所形成之凸面結構之最小垂直高度的區域設為劃線區域。
2. 如請求項1之製造方法，其中蝕刻該基板之該第二表面包含：於該第二表面上沉積光阻層；圖案化該已沉積之光阻層；將該光阻加熱至該光阻層的表面呈現彎曲凸面形狀的溫度；及蝕刻該光阻層及該基板。
3. 如請求項1之製造方法，其中該彎曲凸面狀表面之選擇係使得在該活化層中所產生的光線在最初時由於內反射而自該彎曲凸面狀表面反射，隨後以較該彎曲凸面狀表面上之入射點處的該表面之臨界角小的角度入射於該表面。
4. 一種發光元件之製造方法，該製造方法包含如下之步驟：提供具有實質地彼此平行的第一表面及第二表面之基板；在該第一表面上製造發光結構，該發光結構包含：第一導電型半導體材料之第一層，其係沉積在該基板上；活化層，其係位於該第一層上方；及第二層，其係位於該活化層上方，且係與該第一導電型相反之導電型的半導體材料；於上述第二表面上沉積光阻層；圖案化上述已沉積之光阻層；利用蝕刻上述已圖案化之光阻層及上述基板之該第二表面，於上述基板形成以上述第一表面作為基準彎曲之複數個凸部，並且形成鄰接之上述複數個彎曲凸部之間成為劃線區域之底部；及於上述底部利用切斷上述基板將各個晶粒分離。
5. 如請求項4之製造方法，其中圖案化上述光阻層係包含：將沉積於上述第二表面上之上述光阻層於希望之位置圖案化為島型；及將被圖案化為上述島型之光阻層加熱至該光阻層之表面呈現彎曲凸部形狀之溫度。
6. 如請求項4之製造方法，其中蝕刻上述已圖案化之光阻層及上述基板之該第二表面係包含：離子束蝕刻上述光阻層及上述基板。
7. 如請求項5之製造方法，其中圖案化上述光阻層更一 步包含：調整上述光阻層之上述凸部形狀之高度。