TWI501419B - 發光二極體與其形成方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體，更特別關於其側壁結構。
如第1圖所示，常見的LED晶片係由基板10、半導體層11、主動層13、與半導體層15堆疊而成，且具有平整的側壁表面。上述半導體層11與15之電性相反。在半導體層11及15上分別具有焊墊17以電性連接至外部電路。平整的側壁表面會讓主動層13發出的光產生全反射現象，進而降低LED晶片的光取出效率。為解決上述問題，可採用乾蝕刻或濕蝕刻法形成底切形狀的LED晶片，如第2圖所示。上寬下窄的底切結構雖可增加LED晶片的光取出效率，但會破壞部份主動層13而劣化元件效能。
綜上所述，目前亟需新的LED晶片結構與對應的形成方法，解決平整的側壁表面造成的全反射問題。
本發明一實施例提供一種發光二極體的形成方法，包括：依序形成第一半導體層、主動層、與第二半導體層於基板上，且第一半導體層與第二半導體層之電性相反；形成溝槽穿過第二半導體層、主動層、與部份第一半導體層，以定義堆疊結構於溝槽之間；形成平坦化層於第一半導體層與第二半導體層上並填滿溝槽；形成硬遮罩圖案於平坦化層上，硬遮罩圖案具有全遮罩區與部份遮罩區，且部份遮罩區對應溝槽；進行斜向離子佈植穿過部份遮罩區，形成圖案化掺雜區於第一半導體層之側壁或第二半導體層之側壁；移除硬遮罩圖案與平坦化層；以及移除圖案化掺雜區，形成圖案化結構於第一半導體層之側壁或第二半導體層之側壁。
本發明一實施例提供一種發光二極體，包括：基板；第一半導體層位於基板上，第一半導體層具有第一區域與第二區域，且第一區域之厚度大於第二區域之厚度；主動層，位於第一半導體層之第一區域上；第二半導體層，位於主動層上，且第一半導體層與該第二半導體層之電性相反；以及圖案化結構，位於第一半導體層之第一區域的側壁或第二半導體層之側壁。
如第3A圖所示，先提供基板10。基板10可為藍寶石基板、矽基板、碳化矽基板。接著依序形成半導體層11、主動層13、及半導體層15於基板10上，形成方式可為磊晶法。半導體層11與15之電性相反，當半導體層11為n型時，半導體層15為p型，反之亦然。在本發明一實施例中，半導體層11為n型的氮化鎵層，半導體層15為p型的氮化鎵層，且主動層13為氮化銦鎵/氮化鎵組成的多重量子井(MQW)。在其他實施例中，半導體層11與15及主動層13可為其他已知組成，並不限於上述組成。半導體層11之厚度可大於、等於、或小於半導體層15之厚度。在本發明一實施例中，n型的半導體層11其厚度小於p型的半導體層15之厚度。第3A圖所示之結構其上視圖如第3B圖所示。
接著如第4A圖所示，形成溝槽41穿過半導體層15、主動層13、及部份的半導體層11，以定義堆疊結構於溝槽41之間。形成溝槽41的方法可為常見的微影製程搭配蝕刻製程。舉例來說，可先形成遮罩層(未圖示)於半導體層15上，再以微影製程形成光阻圖案於遮罩層上。接著移除未被光阻圖案保護的遮罩層，再移除未被遮罩層保護的半導體層15、主動層13、與部份的半導體層11。上述蝕刻製程較佳為非等向蝕刻製程，比如採用電漿的乾蝕刻。如此一來，堆疊結構將具有平整側壁，並避免底切損傷主動層13。第4A圖所示之結構其上視圖如第4B圖所示。如第4A及4B圖所示，半導體層11分為堆疊結構中的第一部份11A，與被溝槽41露出的第二部份11B。可以理解的是，雖然圖示中的第一部份11A其上視圖為矩形，但可為其他圖形如方形、菱形、或其他形狀，端視需要而定。
接著如第5A圖所示，坦覆性地形成平坦化層51於第4A圖之結構上。平坦化層51，並具有平整的上表面。在本發明一實施例中，平坦化層51可為苯并環丁烯(BCB)樹脂如非光敏BCB樹脂，其形成方法可為旋轉塗佈法。第5A圖所示之結構其上視圖如第5B圖所示。
接著如第6A圖所示，形成硬遮罩圖案61於平坦化層51上。硬遮罩圖案61分為全遮罩區與開口區，且開口區對應溝槽41。硬遮罩圖案61之形成方法可為先形成整層的硬遮罩層(未圖示)如金屬遮罩、光阻、氧化物如氧化矽或氧化鋅、或氮化物如氮化矽後，再以微影製程形成光阻圖案於硬遮罩層上。之後移除未被光阻圖案覆蓋的硬遮罩層，即完成硬遮罩圖案61。第6A圖所示之結構其上視圖如第6B圖所示。
接著如第7A圖所示，形成金屬薄膜71於硬遮罩圖案61與露出的平坦化層51上。金屬薄膜71之組成可為鎳或鉑，其形成方法可為濺鍍法，且其厚度約介於5nm至100nm之間。若金屬薄膜71之厚度過厚，則經回火製程後仍無法形成非週期性圖案。若金屬薄膜71之厚度過薄，則經回火製程後形成的非週期性圖案密度太少。第7A圖所示之結構其上視圖如第7B圖所示。
接著如第8A圖所示，進行回火製程，使金屬薄膜71聚集為非週期性遮罩71’。位於硬遮罩圖案61之開口區的非週期性遮罩71’，可作為部份遮罩區。在本發明一實施例中，回火製程之溫度介於300℃至1000℃之間，而回火時間介於10秒至300秒之間。若回火溫度過高及/或回火時間過長，則金屬薄膜可能會被烤掉。若回火溫度過低及/或回火時間過短，則無法形成非週期性圖案。第8A圖所示之結構其上視圖如第8B圖所示。
接著如第9A圖所示，進行斜向離子佈植91於第8A圖所示之結構上。斜向離子佈植91將穿過非週期性遮罩71’，使半導體層11之第一部份11A的側壁形成非週期性的掺雜區。在本發明一實施例中，為避免斜向離子佈植91影響主動層13，作為部份遮罩區的非週期性遮罩71’寬度(或硬遮罩圖案61之開口區寬度)較佳小於溝槽41之寬度。在本發明一實施例中，斜向離子佈植91採用的掺質可為氬離子或氧離子等，斜向角度α可介於5°至40°之間。若佈植的斜向角度α過小，則可能會使主動層13具有掺雜區。若佈植的斜向角度α過大，掺雜區將形成於半導體層11之第二部份11B的上表面，而非形成於半導體層11之第一部份11A的側壁部份。
接著如第10A圖所示，移除非週期性遮罩71’、硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11的掺雜區，形成非週期性的圖案化結構11’於半導體層11之第一部份11A的側壁。接著形成焊墊17於半導體層11之第二部份11B與半導體層15的上表面，以電性連接至外部電路。最後可將整片的晶圓切割為個別晶粒，即完成發光二極體110。移除非週期性遮罩71’的方法可為使用酸或鹼溶液之溼蝕刻製程、使用感應耦合電漿(ICP)或反應離子蝕刻(RIE)之乾蝕刻製程、或上述之組合。移除硬遮罩圖案61的方法可為使用酸或鹼溶液之溼蝕刻製程、使用ICP或RIE之乾蝕刻製程、或上述之組合。移除平坦化層51的方法可為使用酸或鹼溶液溼蝕刻。移除半導體層11的掺雜區之方法可為感應耦合電漿、反應性離子蝕刻、濕蝕刻、或上述之組合。值得注意的是，前述斜向離子佈植91會劣化掺雜區之晶格，因此在不大幅影響未掺雜之半導體層15與主動層13之側壁的情況下，可完全移除掺雜區以形成非週期性的圖案化結構11’。
在本發明另一實施例中，可如第9B圖所示，進行斜向離子佈植91於第8A圖所示之結構上。斜向離子佈植91將穿過非週期性遮罩71’，使半導體層15的側壁形成非週期性的掺雜區。在本發明一實施例中，為避免斜向離子佈植91影響主動層13，作為部份遮罩區之非週期性遮罩71’寬度(或硬遮罩圖案61之開口區寬度)較佳小於溝槽41之寬度。在本發明一實施例中，斜向離子佈植91採用的掺質可為氬離子或氧離子等，斜向角度β可介於5°至40°之間。若佈植的斜向角度β過小，則可能會使半導體層15的上表面亦具有掺雜區。若佈植的斜向角度β過大，則可能會使主動層13具有掺雜區。可以理解的是，第9A及9B圖中斜向離子佈植91的斜向角度α與β，係決定於硬遮罩圖案61之開口區寬度、半導體層15的厚度、及半導體層11之第一部份11A的側壁高度。值得注意的是，第9A圖中斜向離子佈植91的斜向角度α，必然大於第9B圖中斜向離子佈植91的斜向角度β。
接著如第10B圖所示，移除非週期性遮罩71’、硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層15的掺雜區，形成非週期性的圖案化結構15’於半導體層15的側壁。接著形成焊墊17於半導體層11之第二部份11B與半導體層15的上表面，以電性連接至外部電路。最後可將整片的晶圓切割為個別晶粒，即完成發光二極體110。移除非週期性遮罩71’、硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層15的掺雜區之方法如前述，在此不贅述。值得注意的是，前述斜向離子佈植91會劣化掺雜區之晶格，因此在不大幅影響未掺雜之半導體層11與主動層13之側壁的情況下，可完全移除掺雜區以形成非週期性的圖案化結構15’。
可以理解的是，在進行第9A圖(或第9B圖)所示之斜向離子佈植91後，可接著進行第9B圖(或第9A圖)所示之斜向離子佈植91，使半導體層11與15的側壁均具有掺雜區。如此一來，在移除非週期性遮罩71’、硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11與15的掺雜區後，可形成非週期性的圖案化結構11’與15’於半導體層11及15的側壁上，如第10C圖所示。
在本發明另一實施例中，非週期性遮罩71’之寬度(或硬遮罩圖案61之開口區寬度)與溝槽41之寬度實質上相同。此時可採用一次的斜向離子佈植91使半導體層11、主動層13、及主動層15均具有非週期性的掺雜區。如此一來，在移除非週期性遮罩71’、硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11與15及主動層13的掺雜區後，可形成非週期性的圖案化結構11’、13’、及15’於半導體層11、主動層13、與半導體層15的側壁上，如第10D圖所示。值得注意的是，掺雜區的圖案將取決於非週期性遮罩71’的圖案。換言之，非週期性的圖案化結構11’與15’對應非週期性遮罩71’的圖案。
如前所述，半導體層11之第一部份11A及半導體層15的上視圖可為矩形，如第4B圖所示。在本發明一實施例中，上述非週期性結構11’(及/或15’)係形成於矩形的第一部份11A之四個邊上。在本發明另一實施例中，上述非週期性結構11’(及/或15’)只形成於矩形的第一部份11A之長邊上，而不形成矩形的第一部份11A之短邊上，以節省在矩形短邊上形成非週期性結構11’(及/或15’)的成本。當矩形的第一部份11A其長邊與短邊的比值越大時，上述只形成非週期性結構11’(及/或15’)於矩形長邊的技術越節省成本，且越不會損失光取出效率。
在本發明其他實施例中，在平坦化層51上形成的硬遮罩圖案61，含有全遮罩區與對應溝槽41的部份遮罩區(如週期性遮罩61’)，如第11圖所示。在本發明一實施例中，週期性遮罩61’的圖案可為光柵。硬遮罩圖案61之形成方法可為先形成整層的硬遮罩層(未圖示)如金屬遮罩、光阻、氧化物如氧化矽或氧化鋅、或氮化物如氮化矽後，再以微影製程形成光阻圖案於硬遮罩層上。之後移除未被光阻圖案覆蓋的硬遮罩層，即完成硬遮罩圖案61。
接著如第12A圖所示，進行斜向離子佈植91於第11圖所示之結構上。斜向離子佈植91將穿過週期性遮罩61’，使半導體層11之第一部份11A的側壁形成週期性的掺雜區。在本發明一實施例中，為避免斜向離子佈植91影響主動層13，作為部份遮罩區的週期性遮罩61’寬度較佳小於溝槽41之寬度。在本發明一實施例中，斜向離子佈植91採用的掺質可為氬離子或氧離子，斜向角度α可介於5°至40°之間。若佈植的斜向角度α過小，則可能會使主動層13具有掺雜區。若佈植的斜向角度α過大，掺雜區將形成於半導體層11之第二部份11B的上表面，而非形成於半導體層11之第一部份11A的側壁部份。
接著如第13A圖所示，移除含有週期性遮罩61’之硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11的週期性掺雜區，形成週期性的圖案化結構11”於半導體層11之第一部份11A的側壁。接著形成焊墊17於半導體層11之第二部份11B與半導體層15的上表面，以電性連接至外部電路。最後可將整片的晶圓切割為個別晶粒，即完成發光二極體110。移除含有週期性遮罩61’之硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11的掺雜區之方法如前述，在此不贅述。值得注意的是，前述斜向離子佈植91會劣化掺雜區之晶格，因此在不大幅影響未掺雜之半導體層15與主動層13之側壁的情況下，可完全移除掺雜區以形成週期性的圖案化結構11”。
在本發明另一實施例中，可如第12B圖所示，進行斜向離子佈植91於第11圖所示之結構上。斜向離子佈植91將穿過週期性遮罩61’，使半導體層15的側壁形成週期性的掺雜區。在本發明一實施例中，為避免斜向離子佈植91影響主動層13，作為部份遮罩區之週期性遮罩61’寬度較佳小於溝槽41之寬度。在本發明一實施例中，斜向離子佈植91製程採用的掺質可為氬離子或氧離子，斜向角度β可介於5°至40°之間。若佈植的斜向角度β過小，則可能會使半導體層15的上表面亦具有掺雜區。若佈植的斜向角度β過大，則可能會使主動層13具有掺雜區。可以理解的是，第12A及12B圖中斜向離子佈植91的斜向角度α與β，係決定於硬遮罩圖案61之開口區寬度、半導體層15的厚度、及半導體層11之第一部份11A的側壁高度。值得注意的是，第9A圖中斜向離子佈植91的斜向角度α，必然大於第9B圖中斜向離子佈植91的斜向角度β。
接著如第13B圖所示，移除含有週期性遮罩61’之硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層15的掺雜區，形成週期性的圖案化結構15”於半導體層15的側壁。接著形成焊墊17於半導體層11之第二部份11B與半導體層15的上表面，以電性連接至外部電路。最後可將整片的晶圓切割為個別晶粒，即完成發光二極體110。移除含有週期性遮罩61’之硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層15的掺雜區之方法如前述，在此不贅述。值得注意的是，前述斜向離子佈植91會劣化掺雜區之晶格，因此在不大幅影響未掺雜之半導體層11與主動層13之側壁的情況下，可完全移除掺雜區以形成週期性的圖案化結構15”。
可以理解的是，在進行第12A圖(或第12B圖)所示之斜向離子佈植91後，可接著進行第12B圖(或第12A圖)所示之斜向離子佈植91，使半導體層11與15的側壁均具有掺雜區。如此一來，在移除含有週期性遮罩61’之硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11與15的掺雜區後，可形成週期性的圖案化結構11”與15”於半導體層11及15的側壁上，如第13C圖所示。
在本發明另一實施例中，週期性遮罩61’之寬度與溝槽41之寬度實質上相同。此時可採用一次的斜向離子佈植使半導體層11、主動層13、及主動層15均具有週期性的掺雜區。如此一來，在移除含有週期性遮罩61’的硬遮罩圖案61、平坦化層51、及半導體層11與15及主動層13的掺雜區後，可形成週期性的圖案化結構11”、13”、與15”於半導體層11、主動層13、與半導體層15的側壁上，如第13D圖所示。值得注意的是，掺雜區的圖案將取決於週期性遮罩61’的圖案。換言之，週期性的圖案化結構11”、13”、與15”對應週期性遮罩61’的圖案。
如前所述，半導體層11之第一部份11A及半導體層15的上視圖可為矩形，如第4B圖所示。在本發明一實施例中，上述週期性結構11”(及/或15”)係形成於矩形的第一部份11A之四個邊上。在本發明另一實施例中，上述週期性結構11”(及/或15”)只形成於矩形的第一部份11A之長邊上，而不形成矩形的第一部份11A之短邊上，以節省在矩形短邊上形成週期性結構11”(及/或15”)的成本。當矩形的第一部份11A其長邊與短邊的比值越大時，上述只形成週期性結構11”(及/或15”)於矩形長邊的技術越節省成本，且越不會損失光取出效率。
至此已完成所謂的發光二極體，其半導體層11及/或半導體層15的側壁具有非週期性或週期性的圖案化結構，可避免全反射現象，進而增加光取出效率。另一方面，本發明之部份實施例中，形成非週期性或週期性的圖案化結構的步驟並不會破壞主動層13，因此比習知的底切結構具有更佳的元件效能。
雖然本發明已以數個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，當可作任意之更動與潤飾，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。
α、β．．．斜向角度
10．．．基板
11、15．．．半導體層
11’、13’、15’．．．非週期性的圖案化結構
11”、13”、15”．．．週期性的圖案化結構
11A．．．半導體層11的第一區域
11B．．．半導體層11的第二區域
13．．．主動層
17．．．焊墊
41．．．溝槽
51．．．平坦化層
61．．．硬遮罩圖案
61’．．．週期性遮罩
71．．．金屬薄層
71’．．．非週期性遮罩
91．．．斜向離子佈植
110．．．發光二極體
第1-2圖係習知技藝中，發光二極體的剖視圖；
第3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A-9B、10A-10D、11、12A-12B、及13A-13D圖係本發明之實施例中，發光二極體的製程剖視圖；以及
第3B、4B、5B、6B、7B、及8B圖係第3A、4A、5A、6A、7A、及8A圖之結構的上視圖。
10．．．基板
11、15．．．半導體層
11’．．．非週期性的圖案化結構
11A．．．半導體層11的第一區域
11B．．．半導體層11的第二區域
13．．．主動層
17．．．焊墊
110．．．發光二極體
Claims (16)
- 一種發光二極體的形成方法，包括：依序形成一第一半導體層、一主動層、與一第二半導體層於一基板上，且該第一半導體層與該第二半導體層之電性相反；形成一溝槽穿過該第二半導體層、該主動層、與部份該第一半導體層，以定義一堆疊結構於該溝槽之間；形成一平坦化層於該第一半導體層與該第二半導體層上並填滿該溝槽；形成一硬遮罩圖案於該平坦化層上，該硬遮罩圖案具有一全遮罩區與一部份遮罩區，且該部份遮罩區對應該溝槽；進行一斜向離子佈植穿過該部份遮罩區，形成一圖案化掺雜區於該第一半導體層之側壁或該第二半導體層之側壁；移除該硬遮罩圖案與該平坦化層；以及移除該圖案化掺雜區，形成一圖案化結構於該第一半導體層之側壁或第二半導體層之側壁。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中該部份遮罩區之寬度小於該溝槽。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中移除該掺雜區的方法包括感應耦合電漿、反應性離子蝕刻、濕蝕刻、或上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方 法，其中該部份遮罩區係一週期性遮罩，且該圖案化結構係一週期性結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中該部份遮罩區係一非週期性遮罩，且該圖案化結構係一非週期性結構。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體的形成方法，其中形成該硬遮罩圖案於該平坦化層上的步驟包括：形成一硬遮罩層於該平坦化層上；圖案化該硬遮罩層，形成該全遮罩區，並露出對應該溝槽的該平坦化層；形成一金屬薄層於該全遮罩區與露出的該平坦化層上；回火該金屬薄層，形成該非週期性遮罩。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中該堆疊結構之上視圖係一矩形，該矩形具有一長邊與一短邊，且該圖案化側壁只位於該長邊而不位於該短邊。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中進行該斜向離子佈植穿過該部份遮罩區之步驟，更包括形成該圖案化掺雜區於該主動層之側壁；以及其中移除該圖案化掺雜區之步驟，更包括形成該圖案化結構於該主動層之側壁。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中形成該圖案化掺雜區於該第一半導體層之側壁的 該斜向離子佈植其斜向角度α介於5至40°。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中形成該圖案化掺雜區於該第二半導體層之側壁的該斜向離子佈植其斜向角度β介於5至40°。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中形成該圖案化掺雜區於該第一半導體層之側壁的該斜向離子佈植其斜向角度α，大於形成該圖案化掺雜區於該第二半導體層之側壁的該斜向離子佈植其斜向角度β。
- 一種發光二極體，包括：一基板；一第一半導體層位於該基板上，該第一半導體層具有一第一區域與一第二區域，且該第一區域之厚度大於該第二區域之厚度；一主動層，位於該第一半導體層之該第一區域上；一第二半導體層，位於該主動層上，且該第一半導體層與該第二半導體層之電性相反；以及一圖案化結構，位於該第二半導體層之側壁。
- 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該圖案化結構係一週期性結構或一非週期性結構。
- 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該圖案化結構更位於該第一半導體層之主動層的側壁。
- 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體，其中該圖案化結構更位於該主動層的側壁。
- 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該 第一半導體層之該第一區域與該第二半導體層之上視圖係一矩形，該矩形具有一長邊與一短邊，且該圖案化結構只位於該長邊而不位於該短邊。
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