TWI482308B - 形成細微圖案之方法及製造使用該細微圖案的半導體發光裝置之方法 - Google Patents

Description

形成細微圖案之方法及製造使用該細微圖案的半導體發光裝置之方法 [優先權之主張]

本申請案主張於2007年9月28日向韓國智慧財產局所提出之韓國專利申請案第2007-98320號和於2008年9月1日提出之韓國專利申請案第2008-86063號之優先權，該等案揭示之內容併入本案作為參考。

本發明係關於細微圖案形成方法，詳言之，係關於製造包含細微圖案以改善光效率之半導體發光裝置之方法。

現正製造各種的半導體裝置，譬如基於半導體之發光二極體、雷射二極體、光二極體和電晶體。

對於特定的功能，半導體裝置要求具有細微圖案譬如於預定區域之週期的/非週期的圖案。此種細微圖案可藉由已知的蝕刻製程蝕刻半導體表面而形成。

於氮化物半導體發光二極體之情況，由於外部與氮化物半導體之間折射率之差異，光選取效率受到限制。為了克服此限制，可以在氮化物半導體發光二極體之表面形成細微圖案結構。

正積極地研究具有細微週期的格柵圖案之光子之結晶結構(photonic crystal structure)，以便改善半導體發光裝置之照度(luminance)。而且，類似的細微格柵圖案藉由使用表面電漿共振原理而被採用為改善照度之方法。

然而，用於此圖案化製程之蝕刻製程在形成細微圖案於半導體方面具有限制。該等限制依照使用之蝕刻方法而改變。

例如，反應性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)和誘發耦合電漿反應性離子蝕刻(inductively coupled plasma reactive ion etching，ICP-RIE)之乾蝕刻能夠確保精確和可重現的圖案，因為其允許功率控制和具有非等向性。然而，乾蝕刻具有半導體表面之性質於乾蝕刻期間由於離子或中性原子之物理的轟擊而容易劣化之限制。即使其為非p型GaN之薄膜的材料被沉積在p型GaN層上，然後該薄膜使用乾蝕刻來圖案化，亦很難防止損害設置在被去除薄膜部分之p型GaN層。

第1圖之實線表示在電極形成於p型GaN表面之前藉由使用鹵素氣體之ICP-RIE而故意損害之氮化物半導體發光裝置之電流-電壓(I-V)特性。由‘X’指示之虛線表示損害發生之前氮化物半導體發光裝置之I-V特性，其與由‘◆’指示之未損害氮化物LED不同。於由乾蝕刻損害之氮化物半導體發光裝置中，電流開始從低電壓流動。然而，此電流不是由正常載子再結合產生的電流，而是幾乎不產生光之漏電流。

因此，正尋求一種方法從乾蝕刻所引起之損害恢復結晶之原來狀態。然而，因為氮空缺，p型GaN層之表面於蝕刻製程期間其導電率類型經歷改變成n型。對於此原 因，使用一般之後製程(post-processing)不能有助於恢復損害的結晶。導電率類型改變於p-n接面二極體中變成致命的缺陷。

不像乾蝕刻，濕蝕刻對譬如p型GaN之半導體表面不造成損害。然而，濕蝕刻亦具有限制，其在於氮化物單一結晶之特定平面(例如，c平面)幾乎完全不被蝕刻，而很難達成正確地圖案化。而且，若蝕刻深度過度，則薄膜之頂端被完全去除，而因此使用為遮罩之光阻層被分離。

本發明之態樣提供一種形成細微圖案之方法，其能夠於乾蝕刻後，由使用{0001}c平面六角形半導體結晶之水平蝕刻特性之乾蝕刻造成的損害面積減至最小。

本發明之態樣亦提供一種製造具有細微圖案之半導體發光裝置之方法，該發光裝置藉由使用形成細微圖案之方法而改善光輸出。

依照本發明之態樣，提供一種形成細微圖案之方法，包含：提供c平面六角形半導體結晶；形成具有預定圖案之遮罩於該半導體結晶上；使用該遮罩而乾蝕刻半導體結晶以在該半導體結晶上形成第一細微圖案；以及濕蝕刻包含該第一細微圖案之該半導體結晶以在水平方向擴展該第一細微圖案而形成第二細微圖案。以該濕蝕刻該半導體結晶而獲得的該第二細微圖案具有底表面和側壁，該底表面和側壁分別具有唯一的結晶平面。

可由會被乾蝕刻損害之p型氮化物半導體形成半導體結晶基板。

因為底表面為c平面在濕蝕刻中幾乎完全不會被蝕刻，因此於形成第一細微圖案獲得的底表面也許具有與於形成第二細微圖案獲得的底表面有相同的c平面。

遮罩之圖案可以包含形成於半導體結晶之〈11-20〉方向並沿著〈1-100〉方向配置之複數個線圖案，而該第二細微圖案之側壁可以具有m平面。

遮罩之圖案可以包含形成於半導體結晶之〈1-100〉方向並沿著〈11-20〉方向配置之複數個線圖案。於現行實施方式中，當濕蝕刻進一步進行時，線圖案於他們的表面可以變成不規則的，然後可以部分變薄而因此提供為點圖案。再者，若需要的話，甚至虛線圖案可藉由執行額外的蝕刻而被完全蝕刻和去除。結果，此蝕刻方法可使用為控制半導體層厚度之方法。

遮罩之圖案可包含複數個細孔，而第二細微圖案可包含複數個六角形細孔。孔之內壁可以具有結晶平面，該平面經過濕蝕刻(其為第二蝕刻製程)之時間而改變。形成第二細微圖案可包含執行濕蝕刻，譬如第二細微圖案之側壁具有m平面組件和s平面組件。而且，藉由連續的濕蝕刻，孔之內部側壁可以包含r平面組件，其更穩定和能夠提供較低之覆蓋。

第二細微圖案可以具有柱狀結構。

根據需要，可以在去除遮罩之前或之後形成第二細微圖案。

依照本發明之另一態樣，提供一種製造半導體發光裝置之方法，該半導體發光裝置能夠用表面電漿共振原理而有利地應用於需要具有細微圖案或結構之光子之結晶結構。

該製造半導體發光裝置之方法，包含：提供包含第一導電率類型半導體層、第二導電率類型半導體層、和夾於該第一導電率類型半導體層和該第二導電率類型半導體層之間之主動層之多層之半導體結構；在該多層之半導體結構之第二導電率類型半導體層上形成具有預定圖案之遮罩；藉由使用遮罩乾蝕刻該第二導電率類型半導體層以在該第二導電率類型半導體層上形成第一細微圖案；濕蝕刻包含該第一細微圖案之該第二導電率類型半導體層以擴展於水平方向之該第一細微圖案，以形成第二細微圖案；以及於該遮罩被去除狀態形成第一電極和第二電極，該第一和第二電極分別與該第一和第二導電率類型半導體層連接。該第二導電率類型半導體層可以是c平面六角形半導體結晶，而獲自該濕蝕刻該第二導電率類型半導體層之該第二細微圖案可以具有分別具有唯一結晶平面之底表面和側表面。

形成於該第二導電率類型半導體層之該第二細微圖案可以使用為光子之結晶結構，當產生於該主動層之光經 由p類型氮化物半導體層之表面被選取至外側時，該光子之結晶結構藉由衰減由周圍空氣或密封劑(sealant)之低折射率所引起之總反射效果而改善光選取效率。

對於較佳之光子之結晶結構，光傳輸層可以形成在包含該第二細微圖案之該第二導電率類型半導體層上。舉例而言，可以形成光傳輸金屬層或譬如ITO之光傳輸氧化物層。

欲使用表面電漿共振原理形成結構，該形成第二電極可以包含形成高度反射的金屬層(譬如銀)於包含該第二細微圖案之該第二導電率類型半導體層上。該高度反射的金屬層可以具有多層結構。

該第二導電率類型半導體層可以具有厚度允許由再結合電洞-電子對所產生的能量注入至主動層以激發表面電漿於該第二導電率類型半導體層和該高度反射的金屬層之間之介面。

該第二導電率類型半導體層可以具有大約50nm或少於該第二細微圖案和該主動層之間之厚度。

依照本發明之製造方法，可以有利地應用於包含氮化物半導體之多層半導體之發光裝置。於此情況，該第二導電率類型半導體層可以是p型氮化物半導體層。

現將參照所附圖式詳細說明本發明之範例實施例。

第2A至2D圖為剖面圖，說明依照本發明之範例實 施例使用水平濕蝕刻之細微圖案形成方法。

如第2A圖中所示，依照現行實施例之細微圖案形成方法開始以提供c平面六角形半導體結晶11。

半導體結晶11可以是譬如GaN或另一種已知於六角形系統之半導體之氮化物半導體。尤其是，半導體基底11可以是p型氮化物層，其易受到乾蝕刻之損害。依照現行實施例，使用具有上表面提供為c平面{0001}之六角形半導體結晶。

其後，如第2B圖中所示，具有預定圖案之遮罩18形成於半導體結晶11上。

遮罩18可以是光阻圖案。於此製程中，具有所希望圖案之遮罩18可以藉由施加光阻於半導體結晶11之上表面，然後於其上執行一般之微影術製程或全像攝影微影術製程而形成。

若需要的話圖案可以是週期性的圖案，但是用於本發明之遮罩18之圖案可以改變。舉例而言，圖案譬如可以是一維之線圖案和二維之三角形或矩形格柵圖案、具有低短範圍週期性和高長範圍週期性之半週期性圖案之週期性圖案，或者非週期性圖案。

即使保持週期性或半週期性，圖案之尺寸和形狀可以改變。此是因為於使用遮罩之乾蝕刻後，執行非等向性濕蝕刻製程(於本發明中水平方向)。現在將參照第2C和2D圖作更詳細說明。

結合了主要的乾蝕刻和次要的濕蝕刻之混合蝕刻製程，使用於現行細微圖案形成製程。

參照第2C圖，半導體結晶11藉由使用遮罩18而乾蝕刻，由此形成第一細微圖案P1。於現行製程中藉由乾蝕刻該半導體結晶11達對應於遮罩18之開口之寬度W1之寬度，以及達半導體結晶11之預定的深度d1而獲得該第一細微圖案P1。得自該乾蝕刻之該第一細微圖案P1之深度幾乎等於第2D圖之最終細微圖案P2之深度。然而，該第一細微圖案P1之寬度W1(或該圖案之尺寸)小於最終細微圖案P2之寬度。現將參照第2D圖而作更詳細的說明。

如上所述，於現行製程中，用於此乾蝕刻之離子和中性原子在半導體結晶11之該第一細微圖案P1之整個表面之上造成損害面積D。也就是說，由乾蝕刻而直接暴露結晶之面積D而因此受損係不僅出現於底表面，而且亦於該第一細微圖案P1之側壁處。然而，此可藉由第2D圖之蝕刻製程而降至最小。

於第2D圖之製程中，包含第一細微圖案P1之半導體結晶11被濕蝕刻。於此實施例中，於去除遮罩18後執行濕蝕刻。然而，本發明不限於此種情況，而於濕蝕刻製程後可去除遮罩18。

濕蝕刻進行於第一細微圖案P1之水平方向，因為其幾乎完全不影響穩定的c平面。水平濕蝕刻繼續著直到側壁變成特定的結晶平面為止。因為蝕刻率於特定的晶格平 面明顯降低，因此濕蝕刻可實施具有高的可重現性。

第一細微圖案P1被擴展於其水平方向，而因此可以變成具有唯一結晶平面之側壁之第二細微圖案P2。如此一來，該第二細微圖案P2可以具有等於該第一細微圖案P1之深度d1之深度d2，和寬於該第一細微圖案P1之寬度w1之寬度w2。

於此製程中，如第2D圖中所示，可以不產生或去除由第一細微圖案P1之水平擴展所獲得的新暴露之側璧和底表面之損害面積。於是，損害面積D’僅維持對應於第一細微圖案P1之底表面之面積。

於是，第二細微圖案P2可以提供最小化損害面積D’與整個暴露面積之比。藉由使用此原理，可以控制遮罩圖案設計與乾蝕刻製程以便進一步降低損害面積之比。

特別地，藉由減少遮罩18之寬度W1和增加第一細微圖案P1之深度d1，可以增加由第二細微圖案P2獲得的新的面積，同時減少對應於第一細微圖案P1之損害底部表面之面積。

結果，能夠明顯減少損害面積D’相關於該第二細微圖案P2之整個暴露面積之比，並因此能夠實質上防止譬如由乾蝕刻所造成之損害面積所引起之電性能劣化之影響。

依照本發明，由乾蝕刻所獲得的第一細微圖案之底表面可以是c平面，該c平面與半導體結晶之上表面相同。因為c平面為非常穩定之結晶平面，因此甚至當第一細微 圖案之側壁正被濕蝕刻時，其底表面幾乎完全不被蝕刻。因此，能夠看到第二細微圖案P2之深度由第一細微圖案P2之深度所決定，而最終細微圖案之深度能夠透過乾蝕刻而精確控制。

而且，依照本發明之現行實施例，當由濕蝕刻暴露之側壁變成特定結晶平面時水平濕蝕刻具有非常低的蝕刻率。例如，於氮化物單一結晶之情況，側壁可以是s平面{1-101}、m平面{1-100}或r平面{1-102}。

如此一來，因為濕蝕刻製程為自行終止製程，其自己停止，因此在確保製程均勻性或高可重現性方面具有很大的優點。

濕蝕刻之結晶方向以及遮罩圖案在獲得本發明中最終圖案之形狀和尺寸方面扮演了重要的角色。可以藉由形成在待蝕刻之半導體結晶上之遮罩圖案而選擇結晶方向。

也就是說，因為濕蝕刻率依照結晶平面而改變，因此可根據哪個結晶平面被暴露於由遮罩圖案所暴露之結晶圖案之側壁，而獲得各種圖案(參看實施例1A、1B)。

尤其是，本發明人發現可以藉由乾蝕刻然後濕蝕刻其於水平方向形成粗圓孔，而獲得六角形孔之細微圖案。細微圖案具有次微米之尺寸，以及可以具有相關於鄰接側形成120°銳角之各側之六角形的形狀(參看實施例1C)。此可考慮為本發明之獨有特性，沒有其他的相關技術半導體蝕刻方法已經能達成。

再者，如上述提及的，依照濕蝕刻於六角形形狀暴露之各結晶平面可以不同。尤其是，因為側壁之結晶平面依照濕蝕刻狀況可以傾斜，因此可以提供具有覆蓋輔助沉積電極材料之側壁。

現將更詳細說明本發明之各種實施例之操作和效果。

實施例1A

依照現行實施例，具有形成於<11-20>方向並配置於<1-100>方向線圖案之遮罩形成於c平面GaN半導體結晶中。線圖案之週期設定大約0.6μm。其後，執行乾蝕刻達大約0.1μm之深度，然後去除遮罩(參看第3A圖)。

其後，使用4M KOH水溶液之濕蝕刻執行於大約100℃經過約10分鐘，然後使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，然後進一步執行濕蝕刻大約20分鐘(總共30分鐘)。

執行大約10分鐘濕蝕刻後之結果，稍微傾斜之初始側壁變成垂直側壁如第3B圖中所示。因為側壁變成{1-100}平面，其為GaN之相對穩定結晶平面(亦即，m平面)，該側壁於大約20分鐘之額外的濕蝕刻期間不再被蝕刻。當然，其為穩定c平面之底表面幾乎未被蝕刻。

依照現行實施例，能夠看出由乾蝕刻所造成之損害面積從側壁和底表面部分去除，能夠獲得清潔的結晶平面。該結晶平面可以確保於半導體裝置中優越的電性接觸。

實施例1B

依照本實施例，相似於實施例1A，具有複數個線圖 案(例如：大約0.6μm)之遮罩形成於c平面GaN半導體結晶上。在形成方向和配置方向上有差異。也就是說，依照現行實施例，複數個線圖案形成於<1-100>方向和配置於<11-20>方向。其後，執行乾蝕刻達大約0.1μm深度，然後去除遮罩(參看第4A圖)。

其後，使用4M KOH水溶液之濕蝕刻執行於大約100℃經過約10分鐘，然後使用SEM觀察所得到的結構(參看第4B圖)。其後，在其上執行濕蝕刻大約20分鐘(總共30分鐘)，使用SEM觀察所得到的結構(參看第4C圖)。其後，額外地執行濕蝕刻大約20分鐘(總共50分鐘)，並使用SEM觀察所得到的結構(參看第4D圖)。

依照現行實施例，由乾蝕刻所得到的圖案(參看第4A圖)具有與實施例1A中圖案相似的形式(參看第3A圖)。

然而，如第4B圖中所示，當水平濕蝕刻繼續進行時，圖案之寬度增加(亦即，圖案結構之寬度漸漸減少)。當蝕刻製程進行大約30分鐘或更長時，線圖案變成點圖案，線性配置如第4C圖中所示。當蝕刻進一步進行時，保持完全的平坦平面(參看第4D圖)。此是因為經過時間後圖案連續地改變，因為濕蝕刻於<11-20>方向執行相較於其他穩定結晶平面有相對高的蝕刻率。

如上所述，依照現行實施例，可以提供改變長度和寬度並具有相對小損害之一維格柵和點圖案。

當從現行實施例看到(具有<1-100>方向格柵之水 平濕蝕刻)，可能去除c平面(其通常未被濕蝕刻)至預定的厚度。也就是說，依照本發明，乾蝕刻執行於小面積以形成溝槽，而濕蝕刻被用為後續製程。亦可能藉由控制初始乾蝕刻之蝕刻深度而減少原來磊晶層之厚度至所希望之範圍。

尤其是，p型GaN層之表面因為損害而不能被乾蝕刻，亦因為其為c平面而不能被濕蝕刻。然而，藉由使用依照現行實施例之製程，當p型GaN層之損害部分被最小化時其厚度能夠減少。

實施例1C

不像前面的實施例1A和1B，現行實施例使用三維圖案。各具有尺寸大約0.3μm之複數個圓形遮罩形成在c平面GaN半導體結晶上。複數個圓形遮罩圖案垂直和水平配置於大約0.6μm週期。

其後，執行乾蝕刻達大約0.1μm深度，然後去除遮罩。其後，使用4M KOH水溶液之濕蝕刻執行於大約100℃經過約10分鐘，然後使用SEM觀察所得結構。如第5圖中所示，能夠看到形成譬如柱狀結構(直徑：大約130μm)之三維圖案。

實施例1D

依照現行實施例，三維圖案使用於前面實施例1C中，但是各具有大約100nm尺寸之複數個圓孔之遮罩形成於c平面GaN半導體結晶上。該複數個圓孔以大約0.5 μm週期以垂直和水平方式配置於其間。

藉由使用遮罩乾蝕刻(大約0.1μm)執行於c平面GaN表面，由此形成粗糙圓孔圖案，然後去除遮罩(參看第6A圖)。於形成圓孔圖案後，使用4M KOH水溶液之濕蝕刻執行於大約108℃經過約30分鐘。如第6圖中所示，各具有六角形孔，該六角形孔之各側平行於{1-100}m平面之細微圖案形成後，該等細微圖案不再被蝕刻。

實施例1E

現行實施例相似於前面的實施例1D，除了各最終孔的直徑製得較大以便輔助觀察於結晶平面中於最終孔之側壁的改變。於現行實施例中，該等孔的週期相同於前面的實施例1D，但是孔的直徑製得較大。

得自於水平濕蝕刻(100℃，4M KOH水溶液)之六角形孔段被攝取為SEM影像。第7A圖顯示濕蝕刻經過大約10分鐘之結果，而第7B圖顯示蝕刻經過40分鐘之結果。

所得結果是，當濕蝕刻繼續進行時，由s平面所佔據的面積(該s平面相對較少穩定)於孔之側壁減少，而由m平面所佔據的面積增加。詳言之，從第7A圖能夠看出，m平面遇到為底表面之c平面之部分為s平面，但是當蝕刻繼續進行時該s平面漸漸地改變成r平面，然後成c平面。

六角形孔之段經過一段時間濕蝕刻後觀察的結果 是，能夠看出當濕蝕刻繼續進行時，由初始乾蝕刻所得到的側壁形狀改變直到穩定的結晶平面漸漸暴露為止。尤其是，孔之內部側壁之結晶平面可以由其為底表面之{0001}c平面和{1-101}s平面、{1-100}m平面、{1-102}r平面等組合構成。因為濕蝕刻不進行於c平面方向，則孔之深度不改變。然而，可以假設若底表面具有細微不平坦和傾斜，則因為水平蝕刻操作能將他們去除。

如上所述，至於依照本發明獲得的細微圖案，由水平蝕刻所暴露之結晶平面為由去除由乾蝕刻所損害之部分所獲得的清潔的平面。於是，當電接觸層形成於結晶平面時，能確保優越的歐姆接觸。而且，當沉積電極材料時，能藉由根據結晶平面調整該結晶平面之斜度而改善接觸特性。

細微圖案形成製程可以廣泛應用於形成各種半導體裝置之功能圖案。尤其是，其可以有利地應用於形成圖案用來改善半導體發光裝置之光效率。第8A圖之實施例相關於氮化物半導體發光裝置80其為光子結晶之應用例子。

參照第8A圖，氮化物半導體發光裝置80包含藍寶石基板81，而n型氮化物半導體層82、主動層84和p型氮化物半導體層85依序地形成於藍寶石基板81上。

而且，氮化物半導體發光裝置80包含n側電極89a和p側電極89b。n側電極89a和p側電極89b分別電性連接至n型氮化物半導體層82和p型氮化物半導體層85。

週期的細微圖案P3形成於p型氮化物半導體層85 上。細微圖案P3可以透過參考第2A至2D圖說明之製程獲得(實施例1D)。也就是說，如第8B圖中所示，六角型孔可以週期性方式配置。

依照現行實施例，如第8A和8B圖中所示，光傳輸層87進一步形成於包含週期性細孔圖案P3之p型氮化物半導體層85上。光傳輸層87可由具有光傳輸性同時確保歐姆接觸之任何材料形成。例如，可以使用譬如Ni/Au之光傳輸金屬層或譬如ITO之光傳輸氧化物層。

而且，p型氮化物半導體層85之厚度可以是50nm或更少。若p型氮化物半導體層85之厚度過度地小，亦即，從主動層84至格柵結構之距離過度地短，則漏電流激烈地增加。基於此原因，p型氮化物半導體層85之厚度可以是10nm或更多。

形成於p型氮化物半導體層85之細微圖案P3可以使用為光子結晶結構，當產生於該主動層84之光經由p類型氮化物半導體層85之表面被選取至外側時，其藉由衰減由周圍空氣或密封劑之低折射率所引起之總反射效果而改善光選取效率。

依照本發明之細微圖案形成方法可執行具有高的精確度和優越的可重現性，因為甚至當使用濕蝕刻時，根據結晶平面而改變蝕刻率。如此一來，細微圖案形成製程可有利地施用於例示於第8A圖中之具有光子結晶結構之氮化物半導體發光裝置。

雖然於現行實施例中說明為氮化物半導體發光裝置，但是本發明不限於此，本發明可以應用於使用各種已知半導體材料之發光裝置。

而且，第8A圖之實施例使用光子結晶結構於特定半導體層上，譬如p型氮化物半導體層。然而，第8A圖之實施例甚至當用於光選取之非週期不均勻圖案由不同的材料形成時，可有利地應用於使用表面電漿之形成週期性細微圖案之方法，或用來形成同時保護結晶表面之所希望細微圖案之方法。

實施例2關聯於具有光子結晶之發光裝置之實驗，和其結果。

實施例2

依照現行實施例，製造具有主動層之氮化物半導體發光裝置，該主動層包含具有綠色波長之InGaN多量子井。

至於依照現行實施例製造之發光裝置，具有厚度大約150nm之p型GaN層藉由使用具有圓孔之遮罩於相似於實施例1D之狀況下被乾蝕刻至大約54nm之厚度，然後於其上執行濕蝕刻大約經過10分鐘，以形成六角形孔圖案。其後，相似於第8A圖中所例示構造，譬如ITO之光傳輸電極氧化物沉積於p型GaN層上作為發光電極層以形成p側接觸。在其上執行檯面蝕刻(mesa-etching)以部分暴露n型GaN層，並於該暴露之n型GaN層上形成n側接觸。

為了確定改善藉由依照本發明方法製造之半導體發光裝置之電特性和照度，測量依照實施例2之氮化物半導體發光裝置之電特性和照度。測量所得的結果與參考例Ref比較顯示於第9和10圖中。參考例Ref為發光裝置之結果，其中僅銀接觸備設置於p型氮化物半導體層上並且在其上未形成圖案。

第9圖為顯示依照現行範例實施例半導體發光裝置之I-V曲線圖。第10圖為顯示相關於依照現行範例實施例氮化物半導體發光裝置之電流之光輸出。

如第9圖中所示，不像第1圖之氮化物發光裝置，依照本發明之實施例2所製造之半導體發光裝置具有I-V特性，其中幾乎沒有由乾蝕刻所造成之損害結晶所引起之漏電流。相較於參考例Ref，氮化物半導體發光裝置於相同電流具有較高的電壓，但是此差異不明顯。獲自濕蝕刻之結晶平面之面積比可以進一步增加，而使得相較於現行實施例能夠改善接觸電阻，並且能夠達成較佳之電特性。

第10圖為顯示相關於依照本發明之現行實施例製造之氮化物半導體發光裝置之電流的光輸出。

如第10圖中所示，能夠看出相較於參考例Ref，依照現行實施例之氮化物半導體發光裝置因為光子結晶之擴散影響達成於350mA照度增加大約24%。也就是說，透過依照本發明之蝕刻製程所製造之光子結晶圖案形成具有精確的輪廓，而使得於LED晶片中由總反射所局限之光的部 分被繞射行進於允許發射至晶片之外側之角度。此亦能夠明顯地改善LED之照度。

第11圖為藉由本發明之製造方法獲得之氮化物半導體發光裝置之側剖面圖，其為表面電漿共振原理之應用例子。

使用於此應用之表面電漿為發生於金屬薄膜表面之電子之集體電荷密度振盪。由集體電荷密度振盪所產生之表面電漿波為沿著金屬和介電質之間邊界表面傳播之表面電磁波。當表面電漿和主動層之間之耦合發生時，發生於主動層之自然發射由表面電漿所增加，而由自然發射所產生光之大部分被激發以產生表面電漿。採用此原理以改善其效率之半導體發光裝置可以稱之為表面電漿半導體發光裝置。

參照第11圖，表面電漿氮化物半導體發光裝置110藉由焊接安裝在次安裝基板120上。表面電漿氮化物半導體發光裝置110包含氮化物半導體藍寶石基板111、n型氮化物半導體層112、主動層114和p型氮化物半導體層115依序配置在氮化物半導體藍寶石基板111上。

而且，氮化物半導體發光裝置110包含n側電極117和p側電極117分別電性連接至n型氮化物半導體層112和p型氮化物半導體層115。

具有週期性之細微圖案P4形成於p型氮化物半導體層115上。這些細微圖案P4可以是以週期方式配置之六 角型孔圖案，其由參照第2A至2D圖說明之製程獲得(實施例1D)。

依照現行實施例，如第11圖中所示，高度反射金屬層形成為p側電極118於包含週期性細孔圖案P4之p型氮化物半導體層115上。此高度反射金屬層可以由具有預定反射率同時確保歐姆接觸之材料製成。例如，高度反射金屬層可以由譬如鋁、銀、金、鉻、鎳、鉛和鉑之單層或多層形成。

而且，主動層114和高度反射金屬層之間之距離於引起表面電漿共振非常重要。如此一來，p型氮化物半導體層115被要求具有充分的厚度以允許發射自主動層114之光激發表面電漿於該p型氮化物半導體層115和該高度反射的金屬層之間之介面。

p型氮化物半導體層115之厚度可以少於約50nm。若p型氮化物半導體層115之厚度不足，亦即，從主動層114至格柵結構之距離過度地短，則漏電流激烈地增加。基於此原因，p型氮化物半導體層115可以具有10nm或更大的厚度。

依照現行實施例，表面電漿共振之原理可以使用於發光裝置以改善發光效率。

於此組構中，具有週期性格柵結構之細微圖案P4必須於p型氮化物半導體層115和高度反射的金屬層之間介面處以便再轉換激發的表面電漿成光。尤其是，根據產生 自主動層114之波長而決定細微圖案P4之正確間距和尺寸。

關於此點，乾蝕刻更適合。然而，如前面說明的，對於引起表面電漿共振，譬如入射光之波長和材料接觸金屬之折射率，主動層114和高度反射的金屬層之間之距離在各種條件中非常重要的。因為距離通常為50nm或更少(其相當短)，則由乾蝕刻所引起之對p型氮化物半導體層115之損害也許引致嚴重的限制。然而，依照本發明之細微圖案形成製程能夠將在最終階段保留在細微圖案P4中之損害部分降至最小。而且，即使使用濕蝕刻，依照本發明之細微圖案形成製程能夠達成高度的準確和優良的重現性，因為蝕刻率根據結晶平面改變。如此一來，依照本發明之細微圖案形成製程可以有利地應用於例示於第11圖中之表面電漿氮化物半導體發光裝置。

實施例3

依照現行實施例，相似於實施例2，製造具有含有綠色波長之InGaN多量子井之主動層之氮化物半導體發光裝置。

依照現行實施例製造之LED包含由執行乾蝕刻所形成之六角形孔圖案至深度大約33nm，係與實施例1D之相似條件下於具有厚度大約66nm之p型GaN層上使用具有圓孔之遮罩，然後執行濕蝕刻大約10分鐘。其後，相似於例示於第11圖中之結構，藉由沉積包含高度反射材料層 (其為於p型GaN層上之銀層)之多層金屬電極而形成p側接觸，和藉由執行檯面蝕刻以部分地暴露n型GaN層而形成n側接觸。

為了檢核依照本發明之方法製造之氮化物半導體發光裝置之電特性和照度之改善，測量依照實施例3之氮化物半導體發光裝置之電特性和照度之改善。測量所得的結果與參考例Ref比較顯示於第12和13圖中。此處，參考例為包含與實施例3相同之多層金屬電極發光裝置結構而沒有包含於p型氮化物半導體層上之圖案之結果。

第12圖為顯示依照現行實施例之氮化物半導體發光裝置之I-V曲線之圖示。第13圖為顯示依照現行實施例有關氮化物半導體發光裝置之電流之光輸出之圖示。

從第12圖能夠看出，如同從第1圖能夠看出，依照本發明之實施例3所製造之半導體發光裝置具有I-V特性，其中幾乎沒有於乾蝕刻時間所產生之漏電流。然而，在現行實施例之I-V曲線上觀察到稍微不規則的曲線，相較於一般之氮化物半導體發光裝置現行實施例具有非常薄的p型氮化物半導體層。

相較於參考例Ref，依照現行實施例之氮化物半導體發光裝置於相同電流具有幾乎固定的電壓。可藉由增加獲自濕蝕刻之結晶平面之面積比，而期望相較於現行實施例有較佳之電特性，並因此改善接觸電阻。

第13圖為顯示依照本發明之實施例3有關氮化物半 導體發光裝置之電流之光輸出之圖示。

從第13圖中能夠看出，相較於參考例Ref，依照現行實施例之氮化物半導體發光裝置因為表面電漿共振效應而於350mA下照度改善大約64%。也就是說，使用依照本發明之蝕刻製程所製造之細微格柵結構形成具有精確的輪廓，使得注入至LED晶片內之多量子井之電子-電洞對能量透過表面電漿之媒介轉換成光，並且該光發射至LED晶片之外側。

而且，由自行發射而不使用表面電漿作為媒介並且由總反射所局限所產生之光之部分被繞射以轉變光之傳播方向至允許發射至晶片之外側之角度。於是，亦能夠明顯改善發光裝置之照度。

依照本發明，僅最小部分之所希望圖案面積被蝕刻，然後於水平方向執行濕蝕刻形成表面，而使得由乾蝕刻所引起之損害降至最小。而且，適當控制結晶方向(圖案形成方向)和濕蝕刻條件(譬如時間條件)，以便能夠確保細微圖案之高度重現性同時自由地控制細微圖案之高度和尺寸。可以藉由應用此等圖案至光子結晶結構或使用表面電漿原理之結構而提供具有優越光效率之半導體發光裝置。

而且，依照本發明之細微圖案之特定幾何形狀係於後續的濕蝕刻製程期間依照六角形結晶系統而自然形成的。於是，細微圖案具有唯一的結晶平面，譬如c平面、m平 面、s平面、和/或r平面，於此等平面上幾乎無損害發生。因為結晶平面可以直接接觸於半導體發光裝置中之金屬或導電氧化物之電極層，因此於形成p型歐姆接觸更具優點。

雖然本發明已關於某些範例實施例作了顯示和說明，但是熟悉此項技術者將了解其中可作各種修釋和改變而不會偏離由所附申請專利範圍所定義之本發明之精神和範圍。

11‧‧‧半導體結晶

18‧‧‧遮罩

80‧‧‧氮化物半導體發光裝置

81‧‧‧藍寶石基板

82‧‧‧n型氮化物半導體層

84‧‧‧主動層

85‧‧‧p型氮化物半導體層

87‧‧‧光傳輸層

89a‧‧‧n側電極

89b‧‧‧p側電極

110‧‧‧氮化物半導體發光裝置

111‧‧‧氮化物半導體藍寶石基板

112‧‧‧n型氮化物半導體層

114‧‧‧主動層

115‧‧‧p型氮化物半導體層

117‧‧‧n側電極

118‧‧‧p側電極

120‧‧‧基板

D、D’‧‧‧損害面積

d1、d2‧‧‧深度

P1‧‧‧第一細微圖案

P2‧‧‧最終細微圖案

P3、P4‧‧‧週期的細微圖案

W1、W2‧‧‧寬度

由以上之詳細說明，配合所附圖式，點將更清楚了解本發明之上述和其他態樣、特徵和其他優，其中：第1圖為顯示包含由乾蝕刻損害之p型GaN層氮化物半導體發光裝置之電流-電壓(I-V)曲線之圖示；第2A至2D圖為依照本發明之範例實施例用來解釋使用水平濕蝕刻之細微圖案形成製程之剖面圖；第3A至3C圖為於顯示依照本發明之範例實施例(實施例1A)於細微圖案形成製程中經過水平濕蝕刻時間圖案改變之掃描電子顯微鏡(SEM)影像；第4A至4D圖為顯示於依照本發明之另一範例實施例(實施例1B)於細微圖案形成製程中經過水平濕蝕刻時間圖案改變之SEM影像；第5圖為依照本發明之又另一範例實施例(實施例1C)獲得之三維圖案(柱狀結構)之SEM影像；第6A和6B圖為依照本發明之又另一範例實施例(實 施例1D)於細微圖案形成製程中分別於乾蝕刻後和水平濕蝕刻後細微圖案之SEM影像；第7A和7B圖為顯示於依照本發明之又一範例實施例(實施例1E)於細微圖案形成製程中經過水平濕蝕刻時間圖案改變之SEM影像；第8A圖為藉由依照本發明之範例實施例之製造方法獲得之氮化物半導體發光裝置(應用光子之結晶結構之例子)之剖面圖；第8B圖為沿著第8A圖之氮化物半導體發光裝置之A-A’線之細微圖案之平面圖；第9圖為顯示藉由依照本發明之範例實施例(實施例2)之製造半導體發光裝置之方法製造之氮化物半導體發光裝置之I-V曲線圖；第10圖為顯示藉由依照本發明之範例實施例(實施例2)之製造半導體發光裝置之方法製造之氮化物半導體發光裝置之相關電流之光輸出；第11圖為藉由依照本發明之另一範例實施例之製造方法獲得之氮化物半導體發光裝置(表面電漿共振結構之應用例子)之剖面圖；第12圖為顯示藉由依照本發明之另一範例實施例(實施例3)之製造半導體發光裝置之方法製造之氮化物半導體發光裝置之I-V曲線之圖示；第13圖為顯示有關藉由依照本發明之另一範例實施 例(實施例3)之製造半導體發光裝置之方法製造之氮化物半導體發光裝置之電流之光輸出之圖示。

80‧‧‧氮化物半導體發光裝置

81‧‧‧藍寶石基板

82‧‧‧n型氮化物半導體層

84‧‧‧主動層

85‧‧‧p型氮化物半導體層

87‧‧‧光傳輸層

89a‧‧‧n側電極

89b‧‧‧p側電極

P3‧‧‧週期的細微圖案

Claims (25)

1. 一種形成多個細微圖案之方法，該方法包含下列步驟：提供c平面六角形半導體結晶；形成具有預定圖案之遮罩於該半導體結晶上；使用該遮罩而乾蝕刻該半導體結晶以在該半導體結晶的一表面上形成多個第一細微圖案；以及濕蝕刻包含該多個第一細微圖案之該半導體結晶以在水平方向從該多個第一細微圖案的一內部側壁擴展而形成多個第二細微圖案，其中，以該濕蝕刻該半導體結晶而獲得的該多個第二細微圖案具有底表面和側壁，該底表面和側壁分別具有唯一的結晶平面。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該半導體結晶係由p型氮化物半導體形成。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，於該形成多個第一細微圖案獲得的底表面具有與於該形成多個第二細微圖案獲得的底表面相同的c平面。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括形成於半導體結晶之〈11-20〉方向並沿著〈1-100〉方向配置之複數個線圖案，以及該多個第二細微圖案之該側壁具有m平面。
5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括形成於該半導體結晶之〈1-100〉方向並於 〈11-20〉方向配置之複數個線圖案。
6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括複數個細孔，以及該多個第二細微圖案包括複數個細微六角形孔。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，該形成多個第二細微圖案包括執行濕蝕刻，而使得該多個第二細微圖案之該側壁具有m平面組件和s平面組件。
8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，該形成多個第二細微圖案包括執行濕蝕刻，而使得該多個第二細微圖案之該側壁包含r平面組件。
9. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該多個第二細微圖案具有柱狀結構。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，於去除該遮罩之後執行該形成多個第二細微圖案。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，於去除該遮罩之前執行該形成多個第二細微圖案。
12. 一種製造半導體發光裝置之方法，該方法包含下列步驟：提供包含第一導電率類型半導體層、第二導電率類型半導體層、和夾於該第一導電率類型半導體層和該第二導電率類型半導體層之間之主動層之多層之半導體結構；在該多層之半導體結構之該第二導電率類型半導 體層上形成具有預定圖案之遮罩；藉由使用該遮罩乾蝕刻該第二導電率類型半導體層以在該第二導電率類型半導體層的一表面上形成多個第一細微圖案；濕蝕刻包含該多個第一細微圖案之該第二導電率類型半導體層以於水平方向從該多個第一細微圖案的一內部側壁擴展，以形成多個第二細微圖案；以及於該遮罩被去除狀態形成第一電極和第二電極，該第一和第二電極分別與該第一和第二導電率類型半導體層連接，其中，該第二導電率類型半導體層為c平面六角形半導體結晶，而獲自該濕蝕刻該第二導電率類型半導體層之該多個第二細微圖案具有分別具有唯一結晶平面之底表面和側表面。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該形成第二電極包括於包含該多個第二細微圖案之該第二導電率類型半導體層上形成透明電極層。
14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該形成第二電極包括於包含該多個第二細微圖案之該第二導電率類型半導體層上形成高度反射金屬層。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，該第二導電率類型半導體層具有厚度允許光發射於該主動層以在該第二導電率類型半導體層與該高度反射金屬層之間之 介面處激發表面電漿，其中，該第二導電類型半導體層具有大約50nm或更少之厚度。
16. 如申請專利範圍第12至15項中任一項之方法，其中，該多層之半導體結構由氮化物半導體形成，該第一導電率類型半導體層和該第二導電率類型半導體層分別為n型氮化物半導體層和p型氮化物半導體層。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中，獲得於該形成多個第一細微圖案之底表面與獲得於該形成多個第二細微圖案之底表面具有相同的c平面。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括形成於半導體結晶之〈11-20〉方向並沿著〈1-100〉方向配置之複數個線圖案，以及該多個第二細微圖案之該側壁具有m平面。
19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括形成於該半導體結晶之〈1-100〉方向並於〈11-20〉方向配置之複數個線圖案。
20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該遮罩之該圖案包括複數個細孔，以及該多個第二細微圖案包括複數個細微六角形孔。
21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該形成多個第二細微圖案包括執行濕蝕刻，而使得該多個第二細微 圖案之該側壁具有m平面組件和s平面組件。
22. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該形成多個第二細微圖案包括執行濕蝕刻，而使得該多個第二細微圖案之該側壁具有r平面組件。
23. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該多個第二細微圖案具有柱狀結構。
24. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，於該形成多個第一細微圖案與該形成多個第二細微圖案之間去除該遮罩。
25. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，於該形成多個第二細微圖案後去除該遮罩。