TWI593137B - 具有異質材料結構之發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種具有異質材料結構之發光元件及其製造方法，尤其是有關於為了提高光萃取效率而在基板上的半導體材料形成之前或形成途中形成由互不相同的異質材料構成的凹凸結構，由此增加光的外部萃取效率的具有異質材料結構的發光元件及其製造方法。
最近，因為由發光元件(Light Emitting Diode，LED)構成的照明器具等相比於以往的白熾燈或螢光燈具有壽命長、耗電相對較低、在製造製程中不排出污染物的優點等原因，其需求爆發地增加，且發光元件的應用領域漸漸多樣化，如其不僅應用於利用發光的顯示裝置，而且還應用於照明裝置或LED顯示裝置的背光元件等。
發光元件是將電能轉換為光的固體元件的一種，通常包含介於兩個相反的摻雜層之間的半導體材料活性層，當上述兩個摻雜層兩端接通偏壓時，空穴和電子被注入到活性層
之後，在活性層重新結合而產生光，在活性層中產生的光向所有方向發出，藉由所有露出表面釋放到半導體芯片外。
第1圖為表示通常的發光元件的製造過程的示例圖，如第1圖的(a)所示，在藍寶石基板101上生長n型半導體層102之後，形成電子和空穴相結合而能夠發出光的氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)氮化物多量子阱結構的活性層103，再生長p型半導體層104。
接著，如第1圖的(b)所示，為了露出n型半導體層102的一部分以形成電極，進行利用照相平版印刷術的台面蝕刻(Mesa Etching)。
而且，如第1圖的(c)所示，在進行台面蝕刻區域的n型半導體層102上部形成n型電極105，在p型半導體層104上覆蓋能夠透過光線的薄薄的p型金屬膜106，然後在該p型金屬膜106上部沉積較厚的p型電極107。
作為在這種已有結構尤其是在氮化物系列LED結構中提高光萃取效率的主要手段，嘗試著將活性層的內部量子效率極大化的研究方向和將在活性層中生成的光最大限度地萃取到LED芯片外部的研究方向。
作為在發光元件中決定光萃取效率的因素，可列舉以下兩個大的因素：一是由電流擴散層的透射程度決定的光損失；二是因發光界面上的全反射而引起的光損失。
關於第一個因素，現有LED元件的電流擴散層主要使用幾nm及幾十nm厚度的鎳(Ni)/金(Au)合金層等，根
據其厚度和合金(alloy)條件，針對發光波長具有60~80%左右的透射率。
為了克服該問題，最近出現了使用氧化銦錫(ITO)等透射度高的電極材料的研究方向，但是因與p型半導體(GaN)層之間的高接觸電阻，難以真正商用化，所以應用了採用n-p隧道接面或InGaN/GaN超晶格等結構的技術等。
與第二個因素相關的全反射引起的光損失是因為在光從發光元件的上部向外部發出的界面，即p型GaN和樹脂的界面，或p型GaN和空氣或者與p型GaN相接觸的其他材料之間的界面，或者LED元件的下部區域存在的緩衝層和藍寶石基板的界面等處的相鄰材料之間的折射率差異而產生的。
構成通常的半導體發光元件的半導體具有高於基板、環氧樹脂或空氣層等外部環境的折射率，因此根據電子和空穴的結合而產生的大多數光子滯留在元件內部，所以外部量子效率將根據元件所具有的結構形態和構成該元件的材料的光學特性而受到很大影響。
尤其，存在如下問題：由於構成氮化物半導體發光元件的材料的折射率大於包圍元件外部的材料(例如，空氣、樹脂、基板等)的折射率，因此在元件內部生成的光子不能逃逸到外部，而在內部被吸收，因而具有較低的外部量子效率(extraction efficiency)。
用於減小這種因全反射而引起的光損失的已有的研究方向有為了改變界面中的入射角或出射角，在p型GaN層區
域利用蝕刻等製程進行規則或不規則的凹凸形狀的圖案化的方法等。
但是，尤其針對氮化物半導體光元件，由於具有相對較薄的p型半導體層，因此當利用乾式或濕式方式使表面變粗糙時，可能在p型半導體緊下方的活性層產生缺陷，從而產生p型半導體層的特性改變而導致接觸電阻可能變大的問題。
因此，對於氮化物半導體而言，由於在薄膜生長之後使表面變粗糙的方法存在侷限性，因此有時也採用在薄膜沉積過程中使表面變粗糙的方法。
以下方法便是這種方法：從基板開始至最後一個薄膜之前，均平坦地進行生長，在生長最後一個薄膜時，改變III-IV族比率、溫度、沉積速度等生長條件而在表面上高密度地形成凹陷(pit)，從而相比以往增加亮度(brightness)。
但是，這種方法存在形成高密度凹陷的製程較難的問題。
為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種為了提高光萃取效率而在基板上的半導體材料形成之前或形成途中形成由互不相同的異質材料構成的凹凸結構，由此增加光的外部萃取效率的具有異質材料結構的發光元件及其製造方法。
為了實現上述目的，本發明提供一種具有異質材料結構的發光元件，其包含：基板；形成在基板上的n型半導體層；形成在n型半導體層上的活性層；形成在活性層上的p型半導體層；形成在p型半導體層上的透明電極層；形成在透明電極層上的第一電極；以及形成在透明電極層、p型半導體層和活性層被蝕刻而露出n型半導體層的區域的第二電極，其中在基板、p型半導體層和n型半導體層中的至少一個形成由具有互不相同的折射率的異質材料構成的突出部。
另外，根據本發明的突出部，其包含從藍寶石、碳化矽、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlxGa1-xN,0≦x≦1)、砷化鎵(GaAs)、鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的兩種以上的材料。
另外，根據本發明的基板，其由藍寶石、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵、矽中的至少一種形成。
另外，根據本發明的突出部，其平面形狀為圓形、三角形、四邊形或多邊形中的某一形狀。
另外，根據本發明的突出部，其呈底部寬、頂部窄的形狀。
另外，本發明之具有異質材料結構之發光元件之製造方法包含如下步驟：形成凹凸結構，以在基板上表面上保留具有不同於基板的折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料；在基板上形成n型半導體層；在n型半導體層上形成活性
層；在活性層上形成p型半導體層；在p型半導體層上形成透明電極層；蝕刻透明電極層、活性層和p型半導體層的預定區域；在透明電極層上形成第一電極；以及在透明電極層、活性層和p型半導體層被蝕刻而露出n型半導體層的區域形成第二電極。
另外，本發明的特徵在於，在形成凹凸結構以在基板上表面上保留具有不同於基板的折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料的步驟之後，更包含在基板上形成緩衝層的步驟。
另外，根據本發明的形成凹凸結構，以在基板上表面上保留具有不同於基板的折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料的步驟包含如下步驟：在基板上沉積第一蝕刻遮罩材料；在沉積了第一蝕刻遮罩材料基板上進行圖案化(Patterning)；對第一蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以按照藉由圖案化形成的圖案保留第一蝕刻遮罩材料；蝕刻基板；以及對進行蝕刻的基板進行清洗。
另外，根據本發明的蝕刻第一蝕刻遮罩材料的步驟更包含如下步驟：在保留有第一蝕刻遮罩材料的基板上表面沉積具有不同於基板及第一蝕刻遮罩材料的折射率的任意折射率的第二蝕刻遮罩材料；在沉積第二蝕刻遮罩材料的基板上進行圖案化；以及對第二蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以按照藉由圖案化形成的圖案保留第二蝕刻遮罩材料。
另外，根據本發明的第一蝕刻遮罩材料和第二蝕刻遮罩材料，其分別包含從鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮
化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的至少兩種材料。
本發明製造具有異質材料結構的發光元件，由此減小半導體發光元件的缺陷並增大發光層的面積，且藉由增加光的散射而具有提高發光元件的亮度的效果。
並且，本發明為了提高光萃取效率，保留與基板具有不同折射率的遮罩材料而形成凹凸結構，由此在生長氮化膜等時用作生長遮罩，促進水平生長，因此具有生長高品位的氮化膜等半導體層的優點。
101‧‧‧藍寶石基板
102‧‧‧n型半導體層
103‧‧‧活性層
104‧‧‧p型半導體層
105‧‧‧n型電極
106‧‧‧p型金屬膜
107‧‧‧p型電極
110、510‧‧‧基板
111‧‧‧槽部
120、120a、120b、520‧‧‧突出部
130、530‧‧‧蝕刻遮罩材料
140、540‧‧‧緩衝層
150、550‧‧‧n型半導體層
160、560‧‧‧活性層
170、570‧‧‧p型半導體層
180、580‧‧‧透明電極
191、591‧‧‧第一電極
192、592‧‧‧第二電極
410‧‧‧下部寬度
420‧‧‧高度
430‧‧‧相隔距離
S110~S180、S210~S250、S310~S370‧‧‧步驟
第1圖 為表示通常的發光元件的製造過程之示例圖。
第2圖 為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第一實施例結構之剖視圖。
第3圖 為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的基板結構之剖視圖。
第4圖 為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的基板SEM圖像之示例圖。
第5圖 為根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的形成有突出部的基板之平面圖。
第6圖 為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的基板之側面圖。
第7圖 為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程之流程圖。
第8圖 為表示根據第7圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程中的形成凹凸結構的過程之流程圖。
第9圖 為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第二實施例結構之剖視圖。
第10圖 為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第三實施例結構之剖視圖。
第11圖 為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第四實施例結構之剖視圖。
第12圖 為表示根據第11圖之具有異質材料結構之發光元件的基板結構之剖視圖。
第13圖 為表示根據第11圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程中的形成凹凸結構的過程之流程圖。
以下，參照附圖來詳細說明根據本發明之具有異質材料結構之發光元件及其製造方法的較佳實施例。
第一實施例
請參閱第2圖，其為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第一實施例結構之剖視圖。
針對基板110實施圖案化製程之後，在實施蝕刻製程時對基板110和蝕刻遮罩材料130進行部分蝕刻，使得在凸起形狀的突出部120上部保留有蝕刻遮罩材料，從而在基板的上部形成突出部120。
基板110由藍寶石、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵、氮化鋁鎵(AlxGa1-xN,0≦x≦1)、矽中的至少一種材料形成，較佳地由藍寶石基板形成。
並且，基板110上形成的突出部120的平面形狀為圓形、三角形、四邊形或多邊形中的某一形狀。並且，突出部120可具有底部寬、頂部窄的形狀。
在於上部形成有突出部120的形狀的基板上依次層疊緩衝層140、n型半導體層150、活性層160和p型半導體層170，此時可利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)形成這些層。此後，在p型半導體層170上部形成透明電極180。
為了形成第二電極192，在基板上依次層疊n型半導體層150、活性層160、p型半導體層170和透明電極180之後，對透明電極180、p型半導體層170和活性層160的預定區域進行蝕刻，以露出n型半導體層150。此時，可利用濕式蝕刻(Wet Etching)方法或乾式蝕刻(Dry Etching)方法。
之後，在透明電極180上形成第一電極191，可在透明電極180、p型半導體層170和活性層160的預定區域被蝕刻而露出的n型半導體層150上形成第二電極192。
如此地完成發光元件的製造時，一旦藉由第一電極191和第二電極192接通電壓，則在活性層160中電子和空穴重新結合而放出光子。
即，當p-n接面上接通正向電壓時，n型半導體層150的電子和p型半導體層170的空穴分別注入到p側和n側，由此在活性層160中重新結合的光子被放出到元件外部。
此時，在活性層160中生成而朝向基板的光子與形成在基板表面的突出部120衝突並發生折射、散射而被萃取到外部，由於基板表面因存在突出部120圖案而幾乎不存在平坦部分，因此增大入射到基板的光的外部放出效率。
請參閱第3圖，其為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件之基板結構之剖視圖。
為了在基板110上形成具有異質材料結構的突出部120，需要實施圖案化製程和紋理化(Texturing)製程。
首先，在基板110上塗布蝕刻遮罩材料130，並形成圖案，可利用電子束、掃描儀(scanner)、光刻機(stepper)、雷射全像術等形成圖案。
接著，實施遮罩蝕刻步驟，此時部分地實施蝕刻製程，僅對未形成圖案部分的遮罩材料進行蝕刻，從而保留形成圖案的上部的蝕刻遮罩材料130，此後經過對基板110進行蝕刻的步驟之後，在突出部120的上部保留有蝕刻遮罩材料130，從而可形成層疊異質材料的突出部120。
請參閱第4圖，其為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件之基板SEM圖像之示例圖。
參考該圖像可知，由在基板110表面突出形成的突出部120和蝕刻遮罩材料130形成了具有層疊異質材料的結構的突出部。
藉由這種具有在基板上部層疊了異質材料的結構的突出部，增加了基板的表面積，從而增大了光的萃取效率。
並且，藉由構成具有在突出部的上部利用與基板具有折射率差異的遮罩材料層疊異質材料的結構的突出部，進一步增大了光的折射、散射效果。
層疊在突出部的遮罩材料為與基板相同的藍寶石、碳化矽、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)等材料和不同於基板的具有折射率差異的鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中的至少一種，由此可以進一步提高光的萃取效率，更可以構成為層疊與基板或半導體材料具有不同折射率的材料，以提高光的萃取效率。
請參閱第5圖，其為根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件之形成有突出部的基板之平面圖，第6圖為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的基板之側面圖，較佳地具有層疊異質材料的結構的突出部的下部寬度410為0.2μm~1μm，突出部的高度420為0.1μm~1μm，突出部之間的相隔距離430為0.05μm~1μm，但是不限於此。
請參閱第7圖，其為表示根據第2圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程之流程圖。
在實施本發明之製造程序之前，可以先進行基板的清洗程序，這可以認為是對基板在GaN的生長溫度，即1100℃~1200℃下進行熱清洗而去除雜質的過程。
在經過這種清洗過程以後，可能經過在基板表面注入氨(NH3)而進行氮化的過程，這是為了使GaN氮化物系列化合物易於生長。
若經過了基板的清洗過程，則執行在基板上形成由突出部構成的凹凸結構的步驟(S110)。
突出部的圖案可利用光刻(photo-lithography)、電子束微影(e-beam lithography)、離子束微影(Ion-beam Lithography)、極紫外微影(Extreme Ultraviolet Lithography)、接近式X射線微影(Proximity X-ray Lithography)或壓印微影(imprint lithography)等方法形成。
並且，在遮罩蝕刻程序中，部分地實施蝕刻製程，從而按照突出部的圖案保留蝕刻遮罩材料，此後經過對基板進行蝕刻的步驟之後，在突出部的上部保留有蝕刻遮罩材料，從而可形成具備層疊了折射率不同於基板的折射率的異質材料(heterogeneity material)的結構的突出部。
在實施如上的形成凹凸結構的步驟之後，可選擇性地形成緩衝層，緩衝層用於緩和基板和半導體層的晶格常數差異，從而可在確保元件的穩定性方面做出貢獻。
並且，緩衝層可選擇形成為AlInN結構、InGaN/GaN超晶格結構、InGaN/GaN層疊結構、
AlInGaN/InGaN/GaN的層疊結構，緩衝層的形成程序在約400℃~600℃的低溫下進行，且為了以後生長的GaN層的單晶生長，以複合層生長溫度對表面進行熱處理而收尾。
在形成緩衝層的步驟之後，實施形成n型半導體層的步驟(S120)。
n型半導體層可形成為n型氮化鎵(n-GaN)層，可將矽用作摻雜劑進行摻入，在高溫下形成，可將氨(NH3)作為載氣將Ga、N、Si結合為化合物。
形成n型半導體層之後，形成活性層(S130)，可以是添加了由氮化銦鎵(InGaN)形成的發光體材料的半導體層，此外AlGaN、AlInGaN等材料也可以利用為活性層。
此時，活性層可構成InGaN/GaN量子阱結構，這種活性層為了提高亮度可形成多個上述的量子阱結構，從而構成多重量子阱結構。
形成活性層之後，在活性層上形成p型半導體層(S140)，這種p型半導體層可形成為氮化鎵層(p-GaN層)，可將鎂用作摻雜劑。本程序也是在高溫下進行，可將氨(NH3)作為載氣將Ga、N、Mg結合為化合物。
這種活性層例如可在780℃的生長溫度下將氮氣用作載氣而供應NH3、TMGa和三甲基銦(TMIn)，可將由InGaN/GaN形成的活性層生長為120Å至1200Å的厚度。
之後，在p型半導體層上形成透明電極層(S150)，透明電極層為透射性氧化膜，可以由ITO、ZnO、RuOx、TiOx、IrOx中的至少一種形成。
而且，為了形成電極極板，進行從透明電極層至n型半導體層進行部分蝕刻的步驟(S160)，當形成氮化物系列半導體層時，由於氮化物系列化合物的化學屬性，難以進行濕式蝕刻，因此較佳採用乾式蝕刻。
經過上述過程之後，在透明電極層上形成第一電極(S170)，並在從透明電極層至n型半導體層進行部分蝕刻而露出的n型半導體層上形成第二電極(S180)。此時，可形成(Metallization)電極，並進行用於保護元件的氧化程序。
請參閱第8圖，其為表示根據第7圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程中的形成凹凸結構的過程之流程圖。
本發明可利用微影(Lithography)製程形成突出部，通常的微影製程如下：第一，製作遮罩(Reticle)，利用電子束設備將用於形成突出的突出部的圖案畫到蝕刻遮罩材料上而製成遮罩，並將其沉積到基板上。
之後，根據需要可增加氧化程序，可增加顯影薄而均勻的二氧化矽膜的程序。
第二，塗布感光液(光刻膠，Photo Resist：PR)，將作為對光敏感的材料的感光液均勻地塗布在晶片表面。
第三，經過曝光程序，使用光刻機使光藉由畫在遮罩上的圖案，由此進行在形成感光液膜的晶片上拍攝突出部圖案等的過程。
第四，將在晶片表面受光部分的膜進行顯影。
第五，為了形成突出部圖案，進行使用化學物質或反應性氣體，選擇性地去除不需要部分的蝕刻(Etching)程序。這種圖案形成過程針對各圖案層可持續反復進行。
並且，本發明中可塗佈諸如光刻膠的感光性材料，並對其進行曝光和蝕刻而進行圖案化，為了形成細微的圖案，可利用使用波長更短的深紫外光或極紫外光波段的光刻機或者波長更短的雷射器。
參照圖式，將執行在基板上沉積蝕刻遮罩的步驟(S210)，本發明的蝕刻遮罩材料由從鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的一種以上的材料形成。
蝕刻遮罩材料在凹凸結構中層疊形成在突出部的上部，且只有利用與基板具有折射率差異的材料才能增大光的折射、散射效果而改善光萃取效率。
在沉積蝕刻遮罩的步驟之後，將進行圖案化步驟(S220)，可利用光刻(photo-lithography)、電子束微影(e-beam lithography)、離子束微影(Ion-beam Lithography)、極紫外微影(Extreme Ultraviolet Lithography)、接近式X射線微影
(Proximity X-ray Lithography)或壓印微影(imprint
lithography)中的任意一個方法形成用於形成突出部的圖案。
並且，可在基板上藉由遮罩程序製作不應蝕刻的部分，最終對基板表面藉由自上而下的方式部分地切除表面或者藉由蝕刻程序在基板表面形成突出型結構物。
之後，將實施對蝕刻遮罩進行蝕刻的步驟(S230)，此時，為了形成突起的突出部，在對蝕刻遮罩材料進行蝕刻的步驟中應進行部分蝕刻，以在突出部的上部保留遮罩材料。
之後，將實施對基板進行蝕刻的步驟(S240)，當利用蝕刻溶液(etchant)蝕刻至基板的預定深度和寬度時，生成形態更加完善的突出部。
之後，將實施清洗步驟(S250)，清洗步驟可利用丙酮、乙醇等有機溶劑或去離子水實施。
第二實施例
請參閱第9圖，其為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第二實施例結構之剖視圖，對於與第一實施例相同的構成要素使用相同的圖式符號，並省略重複的說明。
根據第二實施例的具有異質材料結構之發光元件不在基板110形成突出部，可在基板上依次層疊形成緩衝層140、n型半導體層150、活性層160、p型半導體層170和透明電極180，並在透明電極180上形成第一電極191，在透明電極
180、p型半導體層170和活性層160的預定區域被蝕刻而露出的n型半導體層150上形成第二電極192。
根據第二實施例的發光元件將層疊異質材料的結構形成在生長的半導體層上，而不是形成在基板110上，例如可在生長的n型半導體層150上進行圖案化程序而形成用於形成突出部120a的圖案之後，對蝕刻遮罩材料130進行部分蝕刻以在凸起形狀的突出部120a的上部保留蝕刻遮罩材料130，從而形成在n型半導體層150的上部層疊異質材料的結構。
由此，可層疊與基板具有折射率差異的鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中的一種以上的材料而進一步提高光的萃取效率。
另外，也可將層疊異質材料的結構形成在p型半導體層170上。
第三實施例
請參閱第10圖，其為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第三實施例結構之剖視圖，對於與第一實施例相同的構成要素使用相同的圖式符號，並省略重複說明。
根據第三實施例的具有異質材料結構的發光元件可在基板110上依次層疊形成緩衝層140、n型半導體層150、活性層160、p型半導體層170和透明電極180，在透明電極180上形成第一電極191，在透明電極180、p型半導體層170和活性層
160的預定區域被蝕刻而露出的n型半導體層150上形成第二電極192。
根據第三實施例的發光元件在基板110形成槽部111，使得沒有形成槽部111的基板的平面形成相對突出的突出部120b，由此基板110可形成突出的結構。
即，在基板110的上部形成圖案，並經過對沒有形成圖案的基板110進行蝕刻的步驟，在基板110的上表面形成槽部111，由此形成圖案的基板的平面形成與槽部111相比相對突出的突出部120b。
在基板110上沉積具有不同於基板110的任意折射率的蝕刻遮罩材料130之後，部分地對蝕刻遮罩材料130進行蝕刻，以在突出部120b的上部保留蝕刻遮罩材料130，由此可形成在突出部120b的上部保留蝕刻遮罩材料130而層疊異質材料的突出部120b。
突出部120b可層疊與基板具有折射率差異的鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中的一種以上的材料而形成。
第四實施例
請參閱第11圖，其為表示根據本發明之具有異質材料結構之發光元件之第四實施例結構之剖視圖。
在基板510上進行圖案化程序，以在基板510上保留具有與基板510不同的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料，然
後對第一蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以在基板的上部形成突出部520，並且再次進行圖案化程序，以在保留有突出部520的基板510的上表面保留具有與基板510和突出部520不同的任意折射率的第二蝕刻遮罩材料，然後對第二蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以在突出部520的上部保留第二蝕刻遮罩材料，由此構成為使具有互不相同的折射率的至少兩種遮罩材料在基板510的上部突出。
第一蝕刻遮罩材料和第二蝕刻遮罩材料包含鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的材料。
基板510由藍寶石、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵、矽中的至少一種材料形成，較佳地由藍寶石基板形成。
並且，在基板510上形成的突出部520的平面形狀為圓形、三角形、四邊形或多邊形中的某一形狀。並且，突出部520可形成為底部寬、頂部窄的形狀。
在於上部形成有突出部520的形狀的基板上依次層疊緩衝層540、n型半導體層550、活性層560和p型半導體層570，此時可利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)形成這些層。此後，在p型半導體層570上部形成透明電極580。
為了形成第二電極592，在基板上依次層疊n型半導體層550、活性層560、p型半導體層570和透明電極580之後，對透明電極580、p型半導體層570和活性層560的預定區域進行
蝕刻，以露出n型半導體層550。此時，可利用濕式蝕刻(Wet Etching)方法或乾式蝕刻(Dry Etching)方法。
之後，在透明電極580上形成第一電極591，可在透明電極580、p型半導體層570和活性層560的預定區域被蝕刻而露出的n型半導體層550上形成第二電極592。
如此地完成發光元件的製造時，一旦藉由第一電極591和第二電極592接通電壓，則在活性層560中電子和空穴重新結合而放出光子。
即，當p-n接面上接通正向電壓時，n型半導體層550的電子和p型半導體層570的空穴分別注入到p側和n側，由此在活性層560中重新結合的光子被放出到元件外部。
此時，在活性層560中生成而朝向基板的光子與形成在基板表面的突出部520衝突並發生折射、散射而被萃取到外部，由於基板表面因存在突出部520圖案而幾乎不存在平坦部分，因此增大入射到基板的光的外部放出效率。
請參閱第12圖，其為表示根據第11圖之具有異質材料結構之發光元件的基板結構之剖視圖。
在基板510上塗布第一蝕刻遮罩材料，並形成圖案，可利用電子束、掃描儀(scanner)、光刻機(stepper)、雷射全像術等形成圖案。
接著，將實施遮罩蝕刻步驟，此時部分地實施蝕刻製程，僅對未形成圖案部分的遮罩材料進行蝕刻，從而保留形成圖案的上部的第一蝕刻遮罩材料，由此形成突出部520，
此後塗布第二蝕刻遮罩材料，並形成圖案，且經過第二遮罩蝕刻步驟之後，在突出部520的上部保留第二蝕刻遮罩材料530而可以形成層疊異質材料的突出部520。
第一蝕刻遮罩材料和第二蝕刻遮罩材料是從鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的材料，第一蝕刻遮罩材料和第二蝕刻遮罩材料是具有互不相同的折射率的異種遮罩材料。
請參閱第13圖，其為表示根據第11圖之具有異質材料結構之發光元件的製造過程中的形成凹凸結構的過程之流程圖。
參照圖式，以突出的圖案形成突出部，以在基板上表面上保留具有不同於基板折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料的步驟中，在基板上沉積第一蝕刻遮罩材料(S310)，蝕刻遮罩材料由從鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的某一種材料形成。
在沉積第一蝕刻遮罩材料之後，執行圖案化步驟(S320)，並對第一蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻(S330)，以按照藉由步驟S320的圖案化形成的圖案保留第一蝕刻遮罩材料，由此在基板上形成突起的突出部。
在保留有第一蝕刻遮罩材料的基板的上表面沉積第二蝕刻遮罩材料之步驟(S340)，第二蝕刻遮罩材料是具有
不同於基板的折射率的遮罩材料，由從鉻(Cr)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、二氧化鉿(HfO)、銀(Ag)、鋁(Al)中選擇的某一種材料形成。較佳為沉積不同於第一蝕刻遮罩材料的遮罩材料。
在沉積第二蝕刻遮罩材料之後，執行圖案化步驟(S350)，並對第二遮罩材料進行部分蝕刻(S360)，以按照藉由步驟S350的圖案化形成的圖案保留第二蝕刻遮罩材料。
藉由執行步驟S360，在基板上層疊具有與基板的折射率互不相同的折射率的兩種遮罩材料，由此增大光的折射、散射效果，改善光萃取效率。
並且，更可利用蝕刻溶液將基板蝕刻至預定深度和寬度，由此生成形態更加完善的突出部。
之後，利用丙酮、乙醇等有機溶劑或去離子水實施清洗步驟(S370)。
由此，層疊基板和具有與基板的折射率互不相同的折射率的兩種遮罩材料，增加光的折射、散射效果，從而可提供提高了光萃取效率的發光元件。
以上參照本發明的較佳實施例進行了說明，但是本技術領域的熟練技術人員應該可以理解到在不脫離申請專利範圍所記載的本發明的思想和領域的範圍內，可以對本發明進行各種修改和變形。
並且，在說明本發明的實施例的過程中在圖式中繪製的線的厚度或構成要素的大小等，可能出於清楚地進行說
明和便於說明的考慮，進行了誇張，且上述的術語是考慮到本發明中的功能而定義的術語，其可能會隨著使用者、運用者的意圖或習慣等而變得不同，因此這些術語的定義應當基於本說明書的整個內容加以確定。
110‧‧‧基板
120‧‧‧突出部
130‧‧‧蝕刻遮罩材料
140‧‧‧緩衝層
150‧‧‧n型半導體層
160‧‧‧活性層
170‧‧‧p型半導體層
180‧‧‧透明電極
191‧‧‧第一電極
192‧‧‧第二電極
Claims (10)
- 一種具有異質材料結構之發光元件，其包含：基板；形成在該基板上之n型半導體層；形成在該n型半導體層上之活性層；形成在該活性層上之p型半導體層；形成在該p型半導體層上之透明電極層；形成在該透明電極層上之第一電極；以及形成在該透明電極層、p型半導體層和活性層被蝕刻而露出n型半導體層的區域之第二電極；其中，在該基板和該n型半導體層中的至少一個的上表面形成有突出部，在該突出部的頂部上設置有一遮罩材料，該遮罩材料的折射率與該突出部的折射率不同，其中，該突出部不與該透明電極層、該第一電極及該第二電極接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有異質材料結構之發光元件，其中該突出部包含從藍寶石、碳化矽、氮化鎵、氮化鋁鎵、砷化鎵、鉻、二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、二氧化鉿、銀、鋁中選擇的兩種以上的材料，其中氮化鋁鎵為AlxGa1-xN，且0≦x≦1。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有異質材料結構之發光元件，其中該基板由藍寶石、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵、矽中的至少一種形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有異質材料結構之發光元件，其中該突出部的平面形狀為圓形、三角形、四邊形或多邊形中的某一形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有異質材料結構之發光元件，其中該突出部呈底部寬、頂部窄的形狀。
- 一種具有異質材料結構之發光元件之製造方法，其包含如下步驟：在基板的上表面形成突出圖案並在該突出圖案的頂部保留具有不同於基板的折射率的任意折射率之第一蝕刻遮罩材料；在該基板上形成n型半導體層；在該n型半導體層上形成活性層；在該活性層上形成p型半導體層；在該p型半導體層上形成透明電極層；蝕刻該透明電極層、活性層和p型半導體層的預定區域；在該透明電極層上形成第一電極；以及在該透明電極層、活性層和p型半導體層被蝕刻而露出n型半導體層的區域形成第二電極。
- 如申請專利範圍第6項所述之具有異質材料結構之發光元件之製造方法，其中在基板的上表面形成突出圖案並在該突出圖案的頂部保留具有不同於基板的折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料的步驟之後，更包含在該基板上形成緩衝層的步驟。
- 如申請專利範圍第6或7項所述之具有異質材料結構之發光元件之製造方法，其中基板的上表面形成突出圖案並在該突出圖案的頂部，保留具有不同於基板的折射率的任意折射率的第一蝕刻遮罩材料的步驟包含如下步驟：在該基板上沉積第一蝕刻遮罩材料；在沉積該第一蝕刻遮罩材料的該基板上進行圖案化；對該第一蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以按照藉由該圖案化形成的圖案保留第一蝕刻遮罩材料；蝕刻該基板；以及對進行蝕刻的該基板進行清洗。
- 如申請專利範圍第8項所述之具有異質材料結構之發光元件之製造方法，其中蝕刻該第一蝕刻遮罩材料的步驟更包含如下步驟：在保留有該第一蝕刻遮罩材料之基板上表面沉積具有不同於基板和第一蝕刻遮罩材料的折射率的任 意折射率的第二蝕刻遮罩材料；在沉積該第二蝕刻遮罩材料的該基板上進行圖案化；以及對該第二蝕刻遮罩材料進行部分蝕刻，以按照藉由在沉積該第二蝕刻遮罩材料的該基板上進行的圖案化所形成的圖案保留第二蝕刻遮罩材料。
- 如申請專利範圍第9項所述之具有異質材料結構之發光元件之製造方法，其中該第一蝕刻遮罩材料和第二蝕刻遮罩材料包含從鉻、二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、二氧化鉿、銀、鋁中選擇的至少兩種材料。
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