TWI485880B - 發光二極體晶片及其製作方法 - Google Patents

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，且特別是關於一種氮化物發光二極體晶片及其製作方法。

隨著光電技術的進步，發光二極體(light-emitting diode,LED)的製作與應用已漸趨成熟。由於LED具有低污染、低功率消耗、反應時間(response time)短、使用壽命長等優點，已廣泛應用於各式光源或照明的領域，諸如交通號誌、戶外看板及顯示器背光源等。使LED日漸成為備受矚目的光電產業之一。

一般而言，發光二極體結構包括發光二極體晶片及周邊走線佈局，其中發光二極體晶片包括基板、第一型半導體層、主動層以及第二型半導體層。然而，在實際製作過程中，為加強第一型半導體層於基板上的附著力，一般會在形成第一型半導體層前先形成一層成核層(nucleation layer)。此外，為了降低在成長第一型半導體層、主動層以及第二型半導體層時，應力(stress)與差排(dislocation)造成的不良影響，在形成成核層後以及形成第一型半導體層之前，會先形成一層緩衝層(buffer layer)以避免高濃度摻雜所造成的負面效應。

然而，藉由形成成核層與緩衝層來加強後續成長之磊晶品質，須耗費製程時間以及成本。此外，亦增加了發光二極體晶片的厚度。是以，如何在不大幅度地增加發光二極體晶片之厚度的前提下，進一步提升後續成長之磊晶品質，實為未來之趨勢。

目前，已有習知技術藉由濺鍍方式在成長基板上形成氮化鋁薄膜來提升磊晶品質。具體而言，此種作法無需製作厚度總合較厚之成核層與緩衝層，而是藉由製作厚度較薄之氮化鋁薄膜以提升磊晶品質，並進而縮減製程成本及時間。然而，以濺鍍方式去形成氮化鋁薄膜仍然面臨一些問題。首先，於濺鍍時，由於成長基板溫度需高達攝氏700度以上(約攝氏700度至攝氏1200度之間)，故於機台的選擇上，限制較多且機台的維護成本亦須提高。此外，由於濺鍍的鍍膜速率不高，故濺鍍製程所需的製程時間不短。最重要的是，濺鍍過程中所產生的高能量離子轟擊效應會在氮化鋁薄膜中形成較多之結構缺陷，故目前氮化鋁薄膜的製程品質仍不符合需求。

本發明提供一種發光二極體晶片，其具有良好磊晶品質。

本發明亦提供一種發光二極體晶片的製作方法，其具有短的磊晶成長時間與低的製作成本。

本發明提供一種發光二極體晶片包括混成基板、第一型半導體層、主動層以及第二型半導體層。混成基板包括成長基板以及金屬氮化物薄膜。金屬氮化物薄膜配置於成長基板上。在金屬氮化物薄膜中，金屬的含量大於氮的含量。第一型半導體層配置於混成基板上。主動層配置於第一型半導體層上。第二型半導體層配置於主動層上。

本發明亦提供一種發光二極體晶片的製作方法包括提供成長基板。於成長基板上，以熱蒸鍍方法令金屬氮化物材料昇華而附著於成長基板，以形成金屬氮化物薄膜。在金屬氮化物薄膜上，依序形成第一型半導體層、主動層以及第二型半導體層。

在本發明之一實施例中，前述之成長基板具有一成長表面，且成長表面可為一平坦表面或是一圖案化表面。

在本發明之一實施例中，前述之金屬氮化物薄膜之材料包括氮化鋁、氮化鎵、氮化銦鎵或氮化鋁鎵。

在本發明之一實施例中，前述之金屬氮化物薄膜中的金屬與氮含量比值大於1。

在本發明之一實施例中，前述之金屬氮化物薄膜的厚度由5奈米(nm)至1000nm。

在本發明之一實施例中，前述之金屬氮化物薄膜的厚度是30nm。

在本發明之一實施例中，前述之第一型半導體層與第二型半導體層之一為P型半導體層，且第一型半導體層與第二型半導體層之另一為N型半導體層。

在本發明之一實施例中，前述之主動層具有單一或多重量子井(multiple quantum well)結構。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片更包括第一電極與第一型半導體層電性連接以及第二電極與第二型半導體層電性連接。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片更包括歐姆接觸層配置於第二電極與第二型半導體層之間。

在本發明之一實施例中，前述之熱蒸鍍方法是電子束蒸鍍(E-Gun Evaporation)。

在本發明之一實施例中，前述之熱蒸鍍過程中成長基板的溫度不超過攝氏400度。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片的製作方法更包括在第一型半導體層上形成第一電極以及在第二型半導體層上形成第二電極。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片的製作方法更包括在第二型半導體層上形成第二電極之前，形成歐姆接觸層，其中歐姆接觸層配置於第二電極與第二型半導體層之間。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片的製作方法更包括在第一型半導體層上形成第一電極前，圖案化歐姆接觸層、第二型半導體層、主動層與第一型半導體層，以暴露出部分第一型半導體層。

在本發明之一實施例中，前述之發光二極體晶片的製作方法，在依序形成一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層之前，更包括對金屬氮化物薄膜進行一熱回火製程，以提高金屬氮化物薄膜之透光率。

基於上述，本發明之發光二極體晶片可藉由在成長基板上以熱蒸鍍方式形成金屬氮化物薄膜，提升後續之磊晶品質。相對於濺鍍，於熱蒸鍍製程中，成長基板溫度不需高達攝氏700度，故可降低機台選擇的門檻以及機台的維護。此外，相較於濺鍍所用之靶材，熱蒸鍍所使用之材料的有效使用率較高，且熱蒸鍍之鍍膜速率亦較濺鍍來的快，故可縮短製程時間。最重要的是，由熱蒸鍍所形成之金屬氮化物薄膜可具有較佳之品質，進而可在無須製作成核層與緩衝層下，以厚度較薄之金屬氮化物薄膜去提升磊晶品質，使發光二極體晶片之厚度得以縮減，且降低製程成本及時間。

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

圖1A~圖1C為本發明之一實施例之發光二極體晶片之製作流程的剖面示意圖。

請參照圖1A，首先，提供一成長基板112，此成長基板112具有一成長表面S，且成長表面S可為一平坦表面或是一圖案化表面，其中圖案化表面例如是具有溝渠或凹陷等圖案，且溝渠或凹陷的圖案可以是呈規則或不規則排列。此外，成長基板112可以是藍寶石基板(氧化鋁，Al₂ O₃ )、碳化矽(SiC)基板、矽(Si)基板、砷化鎵(GaAa)基板、磷化鎵(GaP)基板、氮化鎵(GaN)基板、鋁酸鋰(LiAlO₂ )基板、鎵酸鋰(LiGaO₂ )基板或是其他適合用以磊晶的基板。接著，形成金屬氮化物薄膜114於成長基板112之成長表面S上。

在本實施例中，形成金屬氮化物薄膜114的方法例如是以熱蒸鍍方法加熱金屬氮化物材料。具體而言，熱蒸鍍方法包括熱電阻、輻射、電子束與電弧等方法。在本實施例中，金屬氮化物材料(例如是氮化鋁或氮化鎵)例如是藉由電子束蒸鍍的方式直接從固態昇華為氣態。氣態的金屬氮化物材料會直接附著於成長基板112上，以形成金屬氮化物薄膜114。此金屬氮化物薄膜114的厚度例如係介於5nm至1000nm之間。在本實施例中，金屬氮化物薄膜114的厚度較佳為30nm。此外，金屬氮化物薄膜114中的金屬含量與氮含量之比值大於1。

接著，為了進一步提升金屬氮化物薄膜114的成長品質，本實施例可選擇性地將已鍍有金屬氮化物薄膜114之成長基板112置入通有含氮及氧原子氣體之高溫爐進行熱回火製程(annealing process)。在本實施例中，熱回火製程的較佳製程溫度例如為攝氏500至1200度之間。此外，高溫爐內氣體成份可包括氨氣、氮氣、氧氣或前數氣體之混合。

值得注意的是，當上述熱回火製程溫度到達攝氏700度以上時，金屬氮化物薄膜114的透光率可經由熱回火製程而獲得進一步的改善。因此，本實施例具有金屬氮化物薄膜114之混成基板110可被更為廣泛地應用於上發光型(top emission type)或下發光型(bottom emission type)的發光二極體晶片中。

另外，在實際操作中，相較於濺鍍製程，本實施例所選用之機台可具有較低的門檻與較多的選擇性。具體而言，於熱蒸鍍時，成長基板112的溫度不超過攝氏400度(傳統濺鍍製程溫度至少需高達攝氏700度)。在這個情況下，蒸鍍機台所需達到的溫度範圍不須特別高。故，相較於傳統濺鍍機台，本實施例所使用之蒸鍍機台的耗損率或維護成本可較低。此外，在熱回火製程中，溫度控制亦不需特別精確(溫度範圍為攝氏500至1200度)。也就是說，於機台的選擇上，本實施例所使用之機台的門檻較低，因而也具有較多的選擇性。

另一方面，由於金屬氮化物薄膜114有助於提升後續磊晶的品質，故於混成基板110上無需額外置備習知技術中之未摻雜質(undoped)的緩衝層，進而降低發光二極體晶片之厚度並降低製程成本以及時間。接著，將搭配圖1B與圖1C進行描述。

請參照圖1B，於混成基板110上依序形成第一型半導體層120、主動層130、第二型半導體層140以及歐姆接觸層150。在本實施例中，上述各膜層例如是藉由金屬有機化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)所形成，但本實施例不以此為限。

此外，第一型半導體層與第二型半導體層之一為P型半導體層，且第一型半導體層與第二型半導體層之另一為N型半導體層。在本實施例中，第一型半導體層120例如是摻雜矽、鍺、銻或上述組合之N型氮化鎵層。而第二型半導體層140例如是摻雜鎂之P型氮化鎵層。

在本實施例中，主動層130包括第一阻障層(cladding)132、發光層134以及第二阻障層136。在本實施例中，第一阻障層132例如是摻雜矽、鍺、銻或上述組合之N型氮化鋁銦鎵層。而發光層134例如是由氮化鋁銦鎵所構成之單一或多重量子井結構。另外，第二阻障層136例如是摻雜鎂之P型氮化鋁銦鎵層。

在本實施例中，歐姆接觸層150是用來作為導通之用，故相較於第二型半導體層140，歐姆接觸層150藉由摻雜更高濃度之P型摻質來達到“改質”之目的，使導電性較第二型半導體層140好。

請參照圖1C，在形成上述第一型半導體層120、主動層130、第二型半導體層140以及歐姆接觸層150後，依序地圖案化歐姆接觸層150、第二型半導體層140、主動層130以及部份之第一型半導體層120，以同時形成圖案化歐姆接觸層150’、第二型半導體層140’、主動層130’(包括第一阻障層132’、發光層134’以及第二阻障層136’)以及暴露出部分第一型半導體層120’。在本實施例中，上述圖案化的方式例如是微影蝕刻。然而，本實施例不限定圖案化的方式必須是微影蝕刻，其他能夠圖案化第一型半導體層120’的方式以可以被採用。

接著，於未被主動層130’所覆蓋之第一型半導體層120’上形成第一電極160，並同時在第二型半導體層140’上形成第二電極170，使得第二電極170透過歐姆接觸層150’與第二型半導體層140’電性連接，而第一電極160與第一型半導體層120’電性連接。

為清楚說明本實施例之發光二極體晶片中之金屬氮化物薄膜有助於提升磊晶品質以及光電特性，以下搭配圖2至圖4加以說明。

圖2為習知技術與本申請案之X射線(X-ray)繞射頻譜特性曲線，圖3為習知技術與本申請案之電流-電壓(I-V)特性曲線，而圖4為習知技術與本申請案之光輸出功率-電流(L-I)特性曲線。

請先參照圖2，在本實施例中，習知技術與本申請案是利用金屬有機化學氣相沉積法，將氮化鎵分別成長於藍寶石基板與混成基板上。由兩特性曲線很清楚地可以看出本申請案於磊晶後所得到的半高寬(full width at half maxima,FWHM)較窄，也就是說，本申請案具有較規則之晶體排列，亦即具有較高之磊晶品質。因此，可預期藉由本申請案所成長之發光二極體晶片可具有較佳的光電特性。

接著，在圖3與圖4中，習知技術與本申請案是利用金屬有機化學氣相沉積法，將氮化銦鎵藍光發光二極體磊晶結構層分別成長於藍寶石基板與混成基板上。請先參照圖3，由兩條電流-電壓特性曲線可清楚地看出由本申請案所製程之發光二極體晶片可具有較低之反向漏電流。

此外，請參照圖4，於習知技術與本申請案之光輸出功率-電流特性曲線可看出在相同的電流下，本申請案具有較高的光輸出功率。換言之，由本申請案所製程之發光二極體晶片可在較低的電流下得到相同之光輸出功率，據此，可特別應用於高功率之發光二極體晶片。具體而言，本申請案所製程之發光二極體晶片在相同光輸出功率下，可降低所需之電流，進而改善習知技術之高功率發光二極體晶片常因電流所產生的熱量過於集中且散熱不易導致發光二極體晶片容易損壞與發光效率下降等問題。因此，本申請案所製程之發光二極體晶片適於應用在高功率發光二極體中。

綜上所述，本發明所提出的發光二極體晶片無需製作厚度總合較厚之成核層與緩衝層，而是藉由熱蒸鍍方式製作厚度較薄之氮化鋁薄膜於成長基板上以提升磊晶品質，故可縮減發光二極體晶片之厚度以及製程成本及時間。此外，相較於濺鍍，由於熱蒸鍍的製作門檻較低，故機台的選擇性較多。另外，由於氮化鋁薄膜有助於提升磊晶品質，故本發明所提出的發光二極體晶片可具有較佳之光電特性(較少的漏電流與較高的光輸出功率)。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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，故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。

100．．．發光二極體晶片

110．．．混成基板

112．．．成長基板

114．．．金屬氮化物薄膜

120、120’．．．第一型半導體層

130、130’．．．主動層

132、132’．．．第一阻障層

134、134’．．．發光層

136、136’．．．第二阻障層

140、140’．．．第二型半導體層

150、150’．．．歐姆接觸層

160．．．第一電極

170．．．第二電極

S．．．成長表面

圖1A~圖1C為本發明之一實施例之發光二極體晶片之製作流程的剖面示意圖。

圖2為習知技術與本申請案之X射線(X-ray)繞射頻譜特性曲線。

圖3為習知技術與本申請案之電流-電壓(I-V)特性曲線。

圖4為習知技術與本申請案之光輸出功率-電流(L-I)特性曲線。

100．．．發光二極體晶片

110．．．混成基板

112．．．成長基板

114．．．金屬氮化物薄膜

120’．．．第一型半導體層

130’．．．主動層

132’．．．第一阻障層

134’．．．發光層

136’．．．第二阻障層

140’．．．第二型半導體層

150’．．．歐姆接觸層

160．．．第一電極

170．．．第二電極

Claims (21)

1. 一種發光二極體晶片，包括：一混成基板，包括：一成長基板；以及一金屬氮化物薄膜，配置於該成長基板上，在該金屬氮化物薄膜中，金屬的含量大於氮的含量，其中該金屬氮化物薄膜中不含氧；一第一型半導體層，配置於該混成基板上；一主動層，配置於該第一型半導體層上；以及一第二型半導體層，配置於該主動層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該金屬氮化物薄膜之材料包括氮化鋁、氮化鎵、氮化銦鎵或氮化鋁鎵。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該金屬氮化物薄膜中的金屬與氮含量比值大於1。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該金屬氮化物薄膜的厚度由5nm至1000nm。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶片，其中該金屬氮化物薄膜的厚度是30nm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第一型半導體層與該第二型半導體層之一為P型半導體層，且該第一型半導體層與該第二型半導體層之另一為N型半導體層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片， 其中該主動層具有單一或多重量子井(multiple quantum well)結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，更包括：一第一電極，與該第一型半導體層電性連接；以及一第二電極，與該第二型半導體層電性連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，更包括：一歐姆接觸層，配置於該第二電極與該第二型半導體層之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該成長基板具有一成長表面，且該成長表面可為一平坦表面或是一圖案化表面。
11. 一種發光二極體晶片的製作方法，包括：提供一成長基板；於該成長基板上，以熱蒸鍍方法令一金屬氮化物材料昇華而附著於該成長基板，以形成一金屬氮化物薄膜，其中該金屬氮化物薄膜中不含氧；以及在該金屬氮化物薄膜上，依序形成一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該金屬氮化物薄膜之材料包括氮化鋁、氮化鎵、氮化銦鎵或氮化鋁鎵。
13. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的 製作方法，其中該熱蒸鍍方法是電子束蒸鍍。
14. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該熱蒸鍍過程中成長基板的溫度不超過攝氏400度。
15. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該金屬氮化物薄膜的厚度由5nm至1000nm。
16. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該金屬氮化物薄膜的厚度是30nm。
17. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，更包括：在該第一型半導體層上形成一第一電極；以及在該第二型半導體層上形成一第二電極。
18. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，更包括：在該第二型半導體層上形成該第二電極之前，形成一歐姆接觸層，其中該歐姆接觸層配置於該第二電極與該第二型半導體層之間。
19. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，更包括：在該第一型半導體層上形成該第一電極前，圖案化該歐姆接觸層、該第二型半導體層、該主動層與第一型半導體層，以暴露出部分該第一型半導體層。
20. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的 製作方法，在依序形成該第一型半導體層、該主動層以及該第二型半導體層之前，更包括對該金屬氮化物薄膜進行一熱回火製程，以提高該金屬氮化物薄膜之透光率。
21. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製作方法，其中該成長基板具有一成長表面，且該成長表面可為一平坦表面或是一圖案化表面。