TWI619267B - 發光元件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種發光元件及其製造方法。本發明所揭露之發光元件包含︰一發光疊層；以及一半導體層具有一第一表面鄰接上述發光疊層、一第二表面相對於上述第一表面，以及一孔洞，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一開口位於上述第二表面，其中上述孔洞之底部具有一寬度大於上述開口之寬度。

Description

發光元件及其製造方法

本發明係關於一種發光元件及其製造方法；特別是關於一種具有孔洞之發光元件及其製造方法。

發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)具有耗能低、低發熱、操作壽命長、防震、體積小、以及反應速度快等良好特性，因此適用於各種照明及顯示用途。由於發光二極體的發光效率為其內部量子效率(internal quantum efficiency)及光取出效率(extraction efficiency)的乘積，故在提昇發光二極體的亮度時，除了可從內部量子效率著手外，改善發光二極體的光取出效率亦是另一個提昇發光二極體亮度的方向。

本發明係揭露一種發光元件及其製造方法。本發明揭露一發光元件，包含︰一發光疊層；以及一半導體層具有一第一表面鄰接上述發光疊層、一第二表面相對於上述第一表面，以及一孔洞，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一開口位於上述第二表面，其中上述孔洞之底部具有一寬度大於上述開口之寬度。本發明揭露一發光元件之製造方法，包含︰提供一基板；形成一發光疊層於上述基板上；形成一半導體層於上述發光疊層上，上述半導體層具有一第一表面鄰接上述發光疊層以及一第二表面相對於上述第一表面；以及形成一孔洞於上述半導體層中，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一開口位於上述第二表面，其中上述孔洞之底部具有一寬度大於上述開口之寬度。

本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。

圖1為本發明第一實施例之發光元件及其製造方法，如圖1(a)所示，首先提供一基板101，並於其上形成一發光疊層102，發光疊層102包括一半導體疊層，由下而上依序包括一第一電性半導體層102a；一發光層102b位於第一電性半導體層102a之上；以及一第二電性半導體層102c位於發光層102b之上。第一電性半導體層102a和第二電性半導體層102c電性相異，例如第一電性半導體層102a是n型半導體層，而第二電性半導體層102c是p型半導體層。第一電性半導體層102a、發光層102b、及第二電性半導體層102c為III-V族材料所形成，例如為磷化鋁鎵銦(AlGaInP) 系列材料。

接著，如圖1(b)所示，形成一半導體層103於發光疊層102之上。半導體層103包含一含有鋁之半導體層，例如包含砷化鋁(AlAs)及/或砷化鋁鎵(AlGaAs)，其厚度約為1μm至10μm。半導體層103具有兩相對之表面，第一表面S1鄰接發光疊層102，而第二表面S2則相對於第一表面S1。在本實施例中，半導體層103包含一第一半導體層103a於發光疊層102上及一第二半導體層103b於第一半導體層103a上，且第一半導體層103a之鋁含量大於第二半導體層103b之鋁含量。例如第一半導體層103a包含砷化鋁(AlAs)及/或砷化鋁鎵(Al_x Ga_1-x As)，在一實施例中，0.5≦x＜1，厚度約為3μm；而第二半導體層103b不含鋁，例如包含磷化鎵(GaP)，厚度約為50 nm。此外，在本實施例中，第一半導體層103a為兩層結構，即第一半導體層103a包含第一含鋁層103a1及第二含鋁層103a2，兩層中鋁含量不同。在本實施例中，第一含鋁層103a1之鋁含量高於第二含鋁層103a2之鋁含量，例如第一含鋁層103a1為砷化鋁(AlAs)，第二含鋁層103a2為砷化鋁鎵(Al_y Ga_1-y As，其中0.5≦y＜1)。第一含鋁層103a1及第二含鋁層103a2之厚度各約為1.5μm。

接著，進行一孔洞(void)形成步驟，如圖1(c)所示，以一黃光及蝕刻製程在第二半導體層103b中蝕刻出開口孔洞103bo，此開口孔洞103bo作為後續形成之整個孔洞之開口端並提供一開口103boe於第二表面S2上。接著，如圖1(d)所示，以一濕蝕刻製程蝕刻第一半導體層103a。在本實施例中，採用一酸性溶液進行濕蝕刻製程，例如採用檸檬酸(Citric Acid)或氫氟酸(HF)。此酸性溶液蝕刻並穿透第二含鋁層103a2，形成穿透部103a2o，此穿透部103a2o為最後形成之整個孔洞103v之中間部份。酸性溶液繼續蝕刻第一含鋁層103a1，並在第一含鋁層103a1中蝕刻出底部凹洞103a1ce，此凹洞103a1ce為整個孔洞103v之底部。

值得注意的是，如前所述，因為第一含鋁層103a1和第二含鋁層103a2之鋁含量不同，故酸性溶液對兩層的蝕刻速率不同，鋁含量較高則蝕刻速率較高，故鋁含量較低之第二含鋁層103a2之穿透部103a2o之孔洞直徑d2小於鋁含量較高之第一含鋁層103a1之凹洞103a1ce之孔洞直徑d3。此外，穿透部103a2o係酸性溶液經由其上方之第二半導體層103b之開口孔洞103bo滲入並蝕刻，故穿透部103a2o之孔洞直徑d2大致等於或略大於第二半導體層103b之開口孔洞103bo之孔洞直徑d1。在本實施例中，開口孔洞103bo之孔洞直徑d1及穿透部103a2o之孔洞直徑d2大小約為0.1μm≦d1(或d2)≦20μm，而底部凹洞103a1ce之孔洞直徑d3大小約為1.2×d1≦d3≦10×d1。因而，在孔洞(void)形成步驟完成後，孔洞103v形成於半導體層103中，孔洞103v包含一底部(例如底部凹洞103a1ce)接近第一表面S1及一開口(例如開口103boe)位於第二表面S2，且孔洞103v之底部具有一寬度(d3)大於開口之寬度(d1)。

由上述實施例之教示，熟習本領域技藝之人士當了解，藉由控制半導體層103在其形成方向上之鋁含量不同，可以調整孔洞之剖面形狀，例如上例中藉由第一含鋁層103a1之鋁含量高於第二含鋁層103a2之鋁含量，而蝕刻出底部寬度大於開口寬度之孔洞。故在一變化的實施例中，可以不形成第二含鋁層103a2，而其餘則和上述實施例方法相同。而在另一變化的實施例中，亦可以不形成第二半導體層103b，而在第一半導體層103a(之第二含鋁層103a2)上覆蓋光阻及曝光顯影形成具圓形開孔之圖案於光阻上，並以酸性溶液蝕刻第二含鋁層103a2及第一含鋁層103a1以形成孔洞。這些形成的孔洞可以有效改善發光二極體的光取出效率，提昇發光二極體的亮度。

接著，如圖1(e)所示，形成一透明導電層104位於第二表面S2上並封閉開口103boe。透明導電層104例如是透明導電氧化層，例如包含一材料選自氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)、氧化鋁鋅(Aluminum Zinc Oxide, AZO)、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅(ZnO)、及氧化鋅錫所構成之材料群組。

接著，將圖1(e)上下旋轉180度顯示，如圖1(f)所示，在透明導電層104上形成一金屬層105與透明導電層104相接，並形成一第一接合層106a1與金屬層105相接。金屬層105為具高反射率之金屬，例如金(Au)，銀(Ag)，或鋁(Al)，以作為反射鏡。然後，提供一永久基板107，永久基板107為一導電基板，例如矽(Si)基板或碳化矽(SiC)基板，接著形成一第二接合層106a2於永久基板107上。第一接合層106a1與第二接合層106a2例如是金(Au)，銦(In)或二者之合金，使第一接合層106a1與第二接合層106a2相接後，形成接合結構106。之後移除基板101，並形成電極109於第一電性半導體層102a上並與其歐姆接觸，如圖1(g)所示。此外，可選擇性地對第一電性半導體層102a實施一粗化步驟，以使第一電性半導體層102a具有一粗化表面以增加出光。最後，形成保護層108於第一電性半導體層102a上以保護發光元件。由於半導體層103含有鋁，容易與空氣中之水氣反應，故為提高元件可靠度，可於發光元件形成保護層108時一併覆蓋半導體層103之側壁。具體實施方式如圖1(g)所示，即對發光元件施以一微影及蝕刻製程，以移除發光疊層102及半導體層103之部份側壁，以使保護層108形成時一併覆蓋半導體層103之側壁。而由於本實施例中第二半導體層103b不含鋁，故上述蝕刻製程可僅蝕刻至第一半導體層103a，曝露出不含鋁之第二半導體層103b。如圖1(g)中所示，發光疊層102所發出之光線L行進至孔洞103v時，將產生反射及散射之效果，可以有效改善發光二極體的光取出效率，提昇發光二極體的亮度及在正向出光面之均勻性。

圖2說明本發明第二實施例之發光元件及其製造方法，本實施例為上述第一實施例之變化型，如圖1(d)中所提及，藉由控制半導體層103在其形成方向上之鋁含量不同，可以調整孔洞之剖面形狀，本實施例僅改變第一實施例之半導體層103。在本實施例中，將第一實施例之第一含鋁層103a1及第二含鋁層103a2順序對調，即先形成第二含鋁層103a2，再形成第一含鋁層103a1。與第一實施例相同，第一含鋁層103a1為砷化鋁(AlAs)，第二含鋁層103a2為砷化鋁鎵(Al_y Ga_1-y As，其中0.5≦y＜1)。由於鋁含量較高之第一含鋁層103a1在第二半導體層103b下方，故以酸性溶液蝕刻時，蝕刻之時間可設定較第一實施例短，僅蝕刻第一含鋁層103a1並形成底部凹洞103a1ce，此凹洞103a1ce為整個孔洞103v’之底部。孔洞103v’包含一底部(例如底部凹洞103a1ce)接近第一表面S1及一開口(例如開口103boe)位於第二表面S2，且孔洞103v’之底部具有一寬度(d3)大於開口之寬度(d1)。至於後續步驟，與第一實施例相同，故不再贅述。相較於第一實施例以鋁含量較高之第一含鋁層103a1與發光疊層102相接，此實施例由於以鋁含量較低之第二含鋁層103a2與發光疊層102相接，故相較於第一實施例，可以有較低之正向電壓(forward voltage, Vf)。

圖3說明本發明第三實施例之發光元件及其製造方法，本實施例亦為上述第一實施例之變化型，本實施例亦僅改變第一實施例之半導體層103。在本實施例中，於第一實施例之半導體層103再增加一第三含鋁層103a3，即先形成第三含鋁層103a3後，再如同第一實施例依續形成第一半導體層103a的第一含鋁層103a1、第二含鋁層103a2，及第二半導體層103b。在本實施例中，第三含鋁層103a3與第二含鋁層103a2相同，為砷化鋁鎵(Al_y Ga_1-y As，其中0.5≦y＜1)，厚度亦約為1.5μm。至於後續步驟，與第一實施例相同，故不再贅述。相較於第一實施例，本實施例以鋁含量較高之第三含鋁層103a3與發光疊層102相接，故相較於第一實施例，可以有較低之正向電壓(forward voltage, Vf)；此外，在孔洞之剖面形狀上，相較於第二實施例，本實施例之孔洞103v與第一實施例之孔洞103v相同，具有穿透部103a2o成為孔洞103v之中間部份，可增加光的反射之機率，故本實施例同時具有上述兩實施例之優點。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。

應當注意，上述提出的各種實施例是用於說明本發明，但並不限制本發明的範圍。各實施例中類似或相同的元件或在不同實施例中具有相同圖式符號的元件可具有相同的化學或物理特性。此外，不同實施例所示的元件可以在適當的情況下彼此組合或替換，在一個實施例的元件連接關係也可應用於另一個實施例中。上述各實施例可進行任何可能的修改而不脫離本發明的技術原理與精神，且均為本發明所涵蓋，並為後述之申請專利範圍所保護。

101‧‧‧基板

102‧‧‧發光疊層

102a‧‧‧第一電性半導體層

102b‧‧‧發光層

102c‧‧‧第二電性半導體層

103‧‧‧半導體層

103a‧‧‧第一半導體層

103b‧‧‧第二半導體層

103a1‧‧‧第一含鋁層

103a2‧‧‧第二含鋁層

103a3‧‧‧第三含鋁層

103a1ce‧‧‧底部凹洞

103a2o‧‧‧穿透部

103bo‧‧‧開口孔洞

103boe‧‧‧開口

103v‧‧‧孔洞

103v’‧‧‧孔洞

104‧‧‧透明導電層

105‧‧‧金屬層

106‧‧‧接合結構

106a1‧‧‧第一接合層

106a2‧‧‧第二接合層

107‧‧‧永久基板

108‧‧‧保護層

109‧‧‧電極

d1‧‧‧開口孔洞103bo之孔洞直徑

d2‧‧‧穿透部103a2o之孔洞直徑

d3‧‧‧凹洞103a1ce之孔洞直徑

L‧‧‧光線

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

第1(a)圖至第1(g)圖所示為本發明第一實施例之發光元件及其製造方法。

第2圖用以說明本發明第二實施例之發光元件及其製造方法。

第3圖用以說明本發明第三實施例之發光元件及其製造方法。

Claims (10)

1. 一發光元件，包含：一半導體疊層包含一出光表面，一接觸表面相對於該出光表面，一孔洞以及一發光疊層；以及一電極位於該出光表面上；其中，該孔洞位於該接觸表面以及該發光疊層之間，且在該半導體疊層堆疊的方向上，該孔洞與該電極不重疊，其中該半導體疊層更包含一第一半導體層及一第二半導體層位於該發光疊層與該接觸表面之間，其中該第二半導體層較該第一半導體層接近該接觸表面，且該第一半導體層之鋁含量大於該第二半導體層之鋁含量。
2. 如請求項第1項所述的發光元件，更包含一基板位於該接觸表面上，以及一接合層位於該基板及該接觸表面之間。
3. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該第一半導體層包含砷化鋁(AlAS)或砷化鋁鎵(Al_xGa_1-xAs，其中0.5≦x<1)。
4. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該半導體層包含複數層鋁含量不同之半導體層。
5. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該第二半導體層不含鋁。
6. 如請求項第1項所述的發光元件，其中孔洞包含一底部接近該發光疊層及一開口位於該接觸表面，其中該孔洞之底部具有一最大寬度大於該開口之最大寬度。
7. 如請求項第6項所述的發光元件，更包含一透明導電層位於該接觸表面上並封閉該開口。
8. 如請求項第7項所述的發光元件，更包含一金屬層位於該透明導電層上。
9. 如請求項第6項所述的發光元件，其中該開口之最大寬度約為d，該孔洞底部之最大寬度約為D，且1.2×d≦D≦10×d，其中0.1μm≦d≦20μm。
10. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該出光表面的粗糙度大於該接觸表面。