TWI493747B - 發光二極體及其形成方法 - Google Patents

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Description

發光二極體及其形成方法
本發明係有關於一種發光二極體(LED)，且特別有關於設置在圖案化基底上的垂直式III族-氮化物LED，且此圖案化基底含有鑲嵌的底部電極。
發光二極體(LED)的製造主要係藉由在基底上形成活性區、複數種導體及半導體於基底上所形成，其利用電子及電洞的放射結合在p-n接面處產生電流並發射電磁輻射。藉由直接能帶間隙材料，例如，GaAs或GaN，產生p-n接面的順向偏壓，以及導入電子及電洞結合至空乏區可產生電磁輻射。電磁輻射可為可見光或不可見光。不同的能帶間隙材料可產生不同色彩的LED。此外，LED所激發的不可見光可直接射向磷光劑或其類似物，當磷光劑接受此不可見光後可激發出可見光。
LED可形成於一絕緣的未圖案化基底，並將n型金屬接觸LED的頂部或光激發部的表面。但若將兩個電極(n型及p型金屬)設置於相同的一邊，會減少活性區面積及發光效率。此外，利用乾蝕刻程序以曝露n型III族-氮化物層會損壞側壁並進一步降低發光效率。
其他傳統的方法包括在p型III族-氮化物層及導電層之間插入一p型金屬層。此方法必須進行晶圓接合LED程序以及移除絕緣基底，然而若導體層及LED晶片之間的接面不均一同樣會影響LED的效能。再者，絕緣基底的移除會增加成本，因此傳統的方法既複雜且昂貴。
為解決上述問題，本發明係提供一種發光二極體元件及其形成方法，特別是形成於圖案化基底上之垂直式III族-氮化物發光二極體。
在本發明之一實施樣態中，本發明係提供一種發光二極體元件，包括一基底，一堆疊的發光二極體結構，以及一鑲嵌的底部電極。此發光二極體結構包括一緩衝/成核層形成於基底之上，一活性層，以及一頂部接觸層。一第一接觸III族-氮化物層設置於緩衝/成核層與活性層之間。一第二接觸III族-氮化物層設置於活性層與頂部接觸層之間。一底部電極延伸過基底及緩衝/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中。
本發明之發光二極體及其形成方法可減少製程並降低成本。此外，本發明因不需進行會損害發光二極體之頂部蝕刻程序，因此可減少製程缺陷及增加產量。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
本發明有關於半導體LED，且在實際應用時，此技藝人士可依不同的需求增加其他半導體結構。
第1圖顯示本發明LED之第一實施例，包括一圖案化基底，其含有一鑲嵌的底部電極。LED 100包括基底102及LED結構120，LED結構120形成於基底102之上。基底102可包括一導體基底或非導體基底。非導體基底可為藍寶石(sapphire)、MgAl2 O4 、單晶氧化物或其類似物。半導體基底可為GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、ZnO、ZnS、ZnSe、GaP、GaAs或其類似物。基底102的厚度可為約200μm至約600μm。磊晶膜所形成的LED結構120成長於基底102上，其包括緩衝/成核層104、第一接觸III族-氮化物層106、活性層108、第二接觸III族-氮化物層110，以及頂部接觸層112。
緩衝/成核層104可為一低溫或高溫成長之III族-氮化物層、III族-氮化超晶格層、金屬碳-氮層、多晶矽層或其類似物，其厚度可為約20nm至約100nm。超晶格層為一種多層堆疊結構，且包括二種具有不同能帶間隙的氮化物材料。例如，超晶格層的厚度可為約1nm至1μm，其中每個氮化物材料層的厚度為約0.1nm至約50nm。III族-氮化物層可包括GaN、InN、AlN、Alx Ga(1-x) N、Alx In(1-x) N、Alx Iny Ga(1-x-y) N，或上述之組合，或其類似物。緩衝/成核層104可為一絕緣層。
在本發明一實施例中，緩衝/成核層104可具有反射性。例如，緩衝/成核層本身材料具有反射性，或可另增加一分佈布拉格反射鏡(DBR)至緩衝/成核層104中。DBR可包括具不同折射率的堆疊層。當緩衝/成核層104具反射特性時，LED 100為上發光型LED，且由頂部所輸出的能量比不具反射特性的緩衝/成核層104大。
第一接觸III族-氮化物層106設置於緩衝/成核層104上。第一接觸III族-氮化物層106的厚度可為約1μm至約4μm。第一接觸III族-氮化物層106的材料可為GaN:Si或GaN:Mg，其可以有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子線磊晶法(MBE)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)或液相磊晶法(LPE)或類似程序來形成。
活性層108設置於第一接觸III族-氮化物層106之上。活性層108可包括多量子井(MQW)或異質結構。活性層108可為InGaN或GaN層。活性層108可具有1量子井(QW)或任何數目的量子井，如3-5QWs。量子井層的厚度可為約30至約100。此外，活性層108可為一異質結構，其可較多量子井厚，且其可僅具有一對量子井。活性層108可於磊晶反應爐中形成。
第二接觸III族-氮化物層110設置於活性層108之上。第二接觸III族-氮化物層110於磊晶反應爐中成長形成，厚度可為約100nm至500nm，且其可包括GaN:Mg、GaN:Si，或其類似物。
頂部接觸層112設置於第二接觸III族-氮化物層110的頂部。接觸LED激發面的方法可包括使用透明導電層，例如，銦錫氧化物(ITO)。此外，可在ITO層上貼附一金屬墊。頂部接觸層112可包括Ni、Au、ITO或上述之之組合，或其類似物，且其厚度可為約10nm至約50nm。頂部接觸層112可利用濺鍍、電子束(E-beam)等程序形成於頂部接觸層112上。
底部電極114延伸過基底102及緩衝/成核層104至第一接觸III族-氮化物層106中。底部電極114可延伸至第一接觸III族-氮化物層106一距離“t”。距離“t”可為約0.02μm至約0.8μm，較佳為約0.5μm。
第2圖為本發明各種LED底部電極的下視圖。在LED 202至216各實施例中，淺色部部分代表底部電極，例如，第1圖之底部電極114，而深色部分代表基底，例如，第1圖之基底102。由本發明之實施例可知，底部電極的外形可如第2圖之A-H所示。LED 202包括一圓形底部電極A。LED 204及206包括正方形底部電極B或矩形底部電極C。LED 208包括環狀底部電極D。LED 210包括條-環形電極E。LED 212包括多邊形底部電極F。LED 214包括格子狀底部電極G，且LED 216包括同心圓狀之底部電極H。本發明之實施例A-H僅為本發明底部電極一小部分之例子。此外，雖然第2圖所示之LED皆具有相同外形之底部電極，但本發明並不限於此，任何尺寸及形狀之底部電極皆可形成於單一的LED中。
第3圖顯示本發明之實施步驟。參照步驟302，提供及製備一基底。此基底可為藍寶石(sapphire)、MgAl2 O4 、單晶氧化物、GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、ZnO、ZnS、ZnSe、GaP、GaAs，或其類似物。基底可利用一高溫回火程序來形成，此程序可為一吸附程序，用以移除基底中的雜質。
參照步驟304，利用一磊晶成長程序設置或形成一緩衝/成核層於基底上。磊晶層為一形成於單晶基板上之單晶成長層。磊晶層可由氣態或液態前驅物所形成。基底(或前驅層)可作為一晶種層，使磊晶成長層呈現與基底相同之晶格結構及取向性。相對地，也可以其他薄膜的形成方法來形成多晶或無晶層於單晶基底之上。此外，可利用異質磊晶程序於基底上形成磊晶層，且磊晶層與基底之組成不同。另外，可提供一前驅物以在多晶結構上進行磊晶成長。
在一實施例中，緩衝/成核層104可包括低溫成長之AlN層。AlN具有六方晶體結構及較大的能帶間隙，其形成方法包括分子線磊晶法(MBE)，有機金屬化學氣相磊晶法(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)或液相磊晶法(LPE)等。
在MBE法，對一物質加熱以產生粒子蒸氣束。此粒子束可在一高度真空環境(10-8 Pa)下沉積，使粒子束凝聚至一層結構之中。在MOCVD法，磊晶層的形成發生於基底表面之化學組成之終裂解。相較於MBE法，MOCVD法的磊晶成長係利用化學反應而非物理反應。HVPE法為一磊晶成長方法，其可利用前驅氣體，例如，氨、氫、及各種氯化物。LPE法為一種利用熔融態液體材料在基板表面上沉積晶層的方法。緩衝/成核層可包括複數個磊晶層。
參照步驟306，形成第一接觸III族-氮化物層106於緩衝/成核層之上。在N-DOWN LED結構中，第一接觸III族-氮化物層可包括摻雜Si之n型III族-氮化物GaN。在N-UP LED結構中，第一接觸III族-氮化物層可包括摻雜Mg之p型III族-氮化物GaN。
參照步驟308，形成一多量子井活性層於第一接觸III族-氮化物層之上。多量子井活性層可包括複數層，其可形成複數個量子井。
參照步驟310，形成一第二接觸III族-氮化物層於活性層之上。在N-DOWN LED結構中，第二接觸III族-氮化物層可包括摻雜Mg之p型III族-氮化物GaN。在N-UP LED結構中，第二接觸III族-氮化物層可包括摻雜Si之n型III族-氮化物GaN。
參照步驟312，形成一頂部金屬接觸層於第二接觸III族-氮化物層之上。
參照步驟314，在形成頂部金屬層之後，倒置基底。參照步驟316，圖案化基底之底部。圖案化基底底部的方法包括可形成一光阻層於基底的底部之上，利用一具有透明區及不透明區之罩幕(如第2圖之底部電極圖案)圖案化光阻層。
參照步驟318，可利用一乾蝕刻程序，如Ar，蝕刻基底。蝕刻程序可穿過基底及緩衝/成核層至第一接觸III族-氮化物層中一距離“t”。第一接觸III族-氮化物層中之距離“t”可為約0.02μm至約0.8μm。蝕刻程序較佳可在一蝕刻反應槽中進行。
參照步驟320，形成底部電極於基底之上。在N-DOWN LED結構中，底部電極可包括一n型金屬。在N-UP LED結構中，底部電極可包括p型金屬。參照步驟322，完成後續程序以形成垂直式LED。一般的標準程序可包括ICP-RIE蝕刻、濕式蝕刻、光化學蝕刻或其類似方法。
第4圖顯示本發明LED另一實施例。LED 400具有矽上絕緣層(SOI)基底402。矽上絕緣層為一層狀之矽-絕緣層矽基底。在一實施例中，絕緣層可包括二氧化矽。然而，此絕緣層也可包括藍寶石或其類似物。
SOI、圖案化電極、LED 400可包括一LED結構，如第1圖之LED 104，包括，緩衝/成核層、第一接觸III族-氮化物層、活性層、第二接觸III族-氮化物層、以及頂部金屬接觸層。底部電極406可包括電鍍鎳或其類似物。底部矽層408為SOI基底之底部電極的一部分，其未蝕刻。二氧化矽層410為SOI基底402之絕緣部分。空氣通道412可利用蝕刻圖化案底部電極來形成，詳細說明如下。
在將頂部金屬接觸層設置至第二接觸III族-氮化物層上之後，將基底倒置，並進行圖案化及蝕刻程序。此蝕刻程序穿過SOI基底402之矽層408至絕緣層410，蝕刻速率依不同的材料而異，且二氧化矽層410的蝕刻開口可大於底部矽層408的蝕刻開口。蝕刻程序會停止於SOI基底402之頂部矽層414。可對頂部矽層進行摻雜以導入電荷。在N-DOWN LED結構中可使用n型摻雜物質，而在N-UP LED結構中可使用p型摻雜物質。接著可對蝕刻開口電鍍鎳層。此電鍍程序可形成實質上垂直的鎳柱結構，使空氣通道412形成於底部電極406及二氧化矽層410之間。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。
100．．．LED
102．．．基底
104．．．緩衝/成核層
106．．．第一接觸III族-氮化物層
108．．．活性區
110．．．第二接觸III族-氮化物層
112．．．頂部接觸層
114．．．底部電極
120．．．LED結構
A．．．圓形底部電極
B．．．正方形底部電極
C．．．矩形底部電極
D．．．環狀底部電極
E．．．條-環形電極
F．．．多邊形底部電極
G．．．格子狀底部電極
H．．．同心圓狀之底部電極
200．．．含底部電極A之LED
202．．．含底部電極B之LED
204．．．含底部電極C之LED
206．．．含底部電極D之LED
208．．．含底部電極E之LED
210．．．含底部電極F之LED
212．．．含底部電極G之LED
216．．．含底部電極H之LED
302-322．．．發光二極體之形成步驟
400．．．LED
402．．．SOI基底
404．．．LED結構
406．．．底部電極
408．．．底部矽層
410．．．二氧化矽層
412．．．空氣通道
414．．．頂部矽層
第1圖顯示顯示本發明LED之第一實施例，其包括一圖案化基底，且基底含有一鑲嵌的底部電極。
第2圖顯示本發明LED之圖案化基底。
第3圖顯示形成本發明LED之實施步驟。
第4圖顯示本發明LED另一實施例，其具有矽上絕緣層(SOI)基底。
100．．．LED
102．．．基底
104．．．緩衝/成核層
106．．．第一接觸III族-氮化物層
108．．．活性區
110．．．第二接觸III族-氮化物層
112．．．頂部接觸層
114．．．底部電極
120．．．LED結構

Claims (10)

  1. 一種發光二極體，包括：一基底；一發光二極體結構，包括：一緩衝/成核層，形成於該基底之上；一活性層；一頂部接觸層，其為一透明導電層，其中一第一接觸III族-氮化物層設置於該緩衝/成核層與活性層之間，且一第二接觸III族-氮化物層設置於該活性層與頂部接觸層之間；以及一底部電極，其中該底部電極延伸過該基底及緩衝/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中，該底部電極係填滿一穿過該基底、該緩衝/成核層與部分的該第一接觸III族-氮化物層的開口。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該基底包括一矽上絕緣基底。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該緩衝/成核層包括一III族-氮化物層、III族-氮化物超晶格層、金屬碳-氮層或多晶矽層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中該III族-氮化物層可包括GaN、InN、AlN、Alx Ga(1-x) N、Alx In(1-x) N、Alx Iny Ga(1-x-y) N，或上述之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該基底的厚度為約200μm至約600μm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該 底部電極包括鎳。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該底部電極穿過該第一接觸III族-氮化物層一距離“t”，其中該距離“t”為約0.02μm至約0.8μm。
  8. 一種發光二極體的形成方法，包括：提供一基底；形成複數個磊晶層於該基底之上，以形成一複數個LED結構，該LED結構的形成方法包括：形成一緩衝/成核層於該基底之上；形成一活性層；形成一頂部接觸層，該頂部接觸層為一透明導電層，其中一第一接觸III族-氮化物層形成於該緩衝/成核層與活性層之間，且一第二接觸III族-氮化物層形成於該活性層與頂部接觸層之間；移除該基底、緩衝/成核層與第一接觸III族-氮化物層的一部分以形成一開口區；以及形成一導體於該開口區中，以形成一底部電極，其中該底部電極延伸過該基底及緩衝/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中，且該底部電極係填滿該開口區。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體的形成方法，其中該基底的移除係利用磨除該基底約50μm至約100μm的厚度所完成。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體的形成方法，其中該基底係擇自於下列所組成之族群：藍寶石、MgAl2 O4 、單晶氧化物、GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、ZnO、 ZnS、ZnSe、GaP及GaAs。
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