TWI779672B - 微型發光元件 - Google Patents

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TWI779672B
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Abstract

本發明係一種微型發光元件，其包含一非經蝕刻且自然磊晶成長的磊晶晶粒，由於該磊晶晶粒為自然磊晶成長，其側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或是缺陷密度在108/cm2以下，或是平坦度誤差值大於該磊晶晶粒厚度的0.1倍；因此，本發明微型磊晶晶粒的側壁表面不受蝕刻破壞，可大幅減少懸浮鍵生成而可減少側壁損壞效應，避免發光元件於微小化後，因側壁損壞效應而造成嚴重的外部量子效率峰值衰減。

Description

微型發光元件
本發明係關於一種發光元件，尤指一種利用自然磊晶成長的微型發光元件。
發光元件微小化後可供不同產品或應用使用，但隨著發光元件的尺寸減縮至微米等級，愈小微發光元件的外部量子效率峰值衰減愈明顯，其中，紅光微型發光元件受限於磊晶材料的限制，其初始的外部量子效率峰值較低，故受上述衰減問題的影響更為嚴重。
外部量子效率峰值衰減之原因，來自於微型發光元件的製備過程中，須將磊晶層透過圖形化蝕刻製程(如反應離子蝕刻，RIE)切割成多個微型晶粒；在此過程中，微型晶粒的側壁表面之原子間的鍵結會被破壞而生成懸浮鍵(dangling bond)，導致載子非輻射複合區域產生，此現象稱為側壁損壞(side-wall damage)。以濕蝕刻為例，微型晶粒之側壁表面呈現不平整的凹凸狀紋路，這些紋路的表面存在大量因蝕刻而產生的懸浮鍵，當電子接近晶粒側壁時，容易受這些不穩定的懸浮鍵吸引而複合，造成漏電問題。
此外，隨著微型晶粒尺寸縮小，側壁面積佔總面積比例拉高，側壁損壞效應更明顯，故有必要進一步改良之。
有鑑於上述微型發光元件的技術缺陷，本發明主要發明目的係提出一種新的微型發光元件，使其外部量子效率峰值不受側壁損壞效應而嚴重衰減。
欲達上述目的，本發明提出一種微型發光元件，其包含：一磊晶晶粒，係包含一頂面、一底面及多個連接該頂面及該底面之側壁；其中至少其中一個側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或該至少一部分表面的缺陷密度在108/cm2以下，或該至少一部分表面的平坦度誤差值大於該磊晶晶粒厚度的0.1倍。
由於本發明的微型磊晶晶粒係經自然磊晶成長，相較於以蝕刻方式定義出的晶粒側壁，本發明之晶粒側壁具有表面的均方根粗糙度及缺陷密度較小、而平坦度誤差值較大的特性；基於上述特性，本發明所提出之微型磊晶晶粒係未經蝕刻破壞，可大幅減少懸浮鍵生成而可減少側壁損壞效應，避免發光元件於微小化後，因側壁損壞效應而造成嚴重的外部量子效率峰值衰減。
本發明的另一種實施方式係提供一種微型發光元件，其成形於一生長基板上，該生長基板具有一圖案化結構，且該圖案化結構定義有一生長區域；該微型發光元件包括：一磊晶晶粒，係包含一頂面、一底面及多個連接該頂面及該底面之側壁；其中至少其中一個側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或該至少一部分表面的缺陷密度在108/cm2以下，或該至少一部分表面的平坦度誤 差值大於該磊晶晶粒厚度的0.1倍；該磊晶晶粒的該底面之周緣與該生長區域之一底周緣完全重合。
既有微型晶粒經圖案化蝕刻製程成形後，其側壁的表面被破壞而不平整，連同該微型晶粒之頂面、底面的周緣輪廓皆因存在大量蝕刻痕跡而並不平滑；由上述說明可知，本發明的微型發光元件係配合一生長基板及其上的圖案化結構，並直接在圖案化結構的生長區域內自然磊晶成長出微型磊晶晶粒。由於上述的磊晶成長方式未經蝕刻，故相較既有微型晶粒，本發明微型磊晶晶粒的底面之周緣與該生長區域的底周緣會完全重合。
10:成長基板
11、11a~11e:圖案化結構
111:薄膜層
112:光阻層
113:第一材料層
114:第二材料層
12、12a~12e:生長區域
120:底周緣
121、121a~121e:第一空間
122:第二空間
20、20a、20b、20c:磊晶晶粒
201:底面
201a:周緣
202:頂面
203:側壁
203a:表面
204:凸部
205:凹部
21、21’:第一型磊晶半導體層
211:第一平台面
211a:頂面
211b:側壁
212:第二平台面
213:側壁部分
22:發光層
221:頂面
23:第二型磊晶半導體層
231:頂面
30:第一電極
31:第二電極
32:絕緣層
32a:絕緣層部分
32b:絕緣層部分
33:導電層
34:透明電極
圖1A至1D：本發明微型發光元件之一製造流程中各步驟的示意圖。
圖2：本發明微型發光元件之第一實施例的一側視平面圖。
圖3A：圖2的一俯視平面圖。
圖3B：圖2的一局部側視立體圖。
圖3C：圖3A的一局部緃向部面示意圖。
圖4A至4D：本發明微型發光元件之第二實施例的製造流程中各步驟的示意圖。
圖5：本發明圖4D微型發光元件之一應用例的一側視平面圖。
圖6：本發明微型發光元件之另一應用例的一側視平面圖。
圖7A：本發明製作微型發光元件之另一種圖案化結構。
圖7B：本發明微型發光元件之第五實施例的一側視平面圖。
圖8A：本發明製作微型發光元件之另一種圖案化結構。
圖8B：本發明微型發光元件之第六實施例的一側視平面圖。
圖9A：本發明製作微型發光元件之另一種圖案化結構。
圖9B：本發明微型發光元件之第七實施例的一側視平面圖。
圖10A：本發明製作微型發光元件之另一種圖案化結構。
圖10B：本發明微型發光元件之第八實施例的一側視平面圖。
圖11A：本發明製作微型發光元件之另一種圖案化結構。
圖11B：本發明微型發光元件之第九實施例的一側視平面圖。
本發明提出一種新的微型發光元件，以下舉多個實施例並配合圖式詳細說明本發明技術內容。但不以此處所揭露之實施例為限。
本發明的微型發光元件係主要包含一非經蝕刻且自然磊晶成長之可發光的磊晶晶粒，磊晶晶粒可為一微型發光二極體晶片，但不以此為限。以下進一步說明磊晶晶粒的自然磊晶成長製程。
首先請參閱圖1A所示，預先準備一成長基板10，生長基板10具有一圖案化結構11，且圖案化結構11定義有多個分開的生長區域12，各生長區域12尺寸係匹配前揭磊晶晶粒的微型尺寸；於本實施例，生長區域12可呈矩陣排列，各生長區域12的底周緣120呈矩形，但均不以此為限。
再如圖1B所示，圖案化結構11可以單一材料層(如氧化矽層)構成，或如本實施例所示，圖案化結構11係由一薄膜層111及一光阻層112構成；其中薄膜層111係形成在成長基板10上，並對應各生長區域12形成一第一空間 121，光阻層112係形成在薄膜層111上，同樣對應各生長區域12形成一第二空間122，第一空間121及第二空間122相互連通，以構成生長區域12；此外，第一空間121與第二空間122的形狀可相同或不同；於本實施例，第一空間121的縱向截面形狀呈梯形，而第二空間122的縱向截面形狀則呈矩形。
請繼續參閱圖1C所示，以磊晶成長方式於成長基板10上的各生長區域12內形成一磊晶晶粒20；其中磊晶晶粒20的底面201之周緣201a與生長區域12之一底周緣120完全重合；由於各生長區域12為微型尺寸，故於各生長區域12中自然磊晶成長的磊晶晶粒20亦為微型尺寸，不必再經過蝕刻切割製程。
如圖1D所示，將成長基板10上的圖案化結構11移除後，即可獲得多顆微型磊晶晶粒20。
再請參閱圖2所示，為圖1D其中一磊晶晶粒20的緃向剖面示意圖，磊晶晶粒20係包含有一頂面202、一底面201及多個連接頂面202及底面201之側壁203，且其本體係由下至上主要包含有一第一型磊晶半導體層21、一發光層22及一第二型磊晶半導體層23；再如圖2及圖3A所示，本實施例的磊晶晶粒20係呈梯形柱體，磊晶晶粒20的周圍包含有複數個側壁203，各側壁203與底面201之間具有一夾角θ，夾角θ介於100度至130度之間。磊晶晶粒20的底面面積A1大於頂面202之面積A2，亦即磊晶晶粒20的橫截面由成長基板10的一側往頂面202窄縮，但磊晶晶粒20的形狀不以此為限。由於磊晶晶粒20為自然磊晶成長，其各側壁203之表面的粗糙度及缺陷密度均相較經由蝕刻後之表面來得更小。請配合圖2參照圖3B，圖3B之局部側視立體圖係繪示磊晶晶粒20其中一側壁203，側壁203之表面存在非週期性、且凹凸起伏之不規則差排 (dislocation)。但由於側壁203之表面未受到蝕刻，故其表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，而其缺陷密度也在108/cm2以下，在此所稱缺陷密度(etch-pit density)是指取一單位面積內的蝕刻孔洞數量。在較佳的實施例中，上述缺陷密度可為107/cm2以下。
如上所述，因磊晶晶粒20為自然磊晶成長之故，其各側壁203的表面包含曲面；如圖3C所示，以磊晶晶粒20的其中一側面部分係經縱向剖面後微觀觀之，由於磊晶晶粒20未經由等向性或非等向性蝕刻成形，故其側壁203的表面平坦度的誤差值(tolerance)會較經由蝕刻後之表面來得大。此處關於平坦度誤差值的計算方式，是以磊晶晶粒20的底面201與頂面202邊緣連線作為基準面，取側壁203上的多個凸部204與凹部205，並定義這些凸部204與凹部205在垂直於基準面方向上的最大距離(即圖3C中的直線L1與直線L2的距離d’)為平坦度誤差值。另外，在磊晶晶粒20的一般生長過程中，凸部204與凹部205的分佈區間(即距離d)約佔側壁203的水平寬度w之20%。如圖3C所示，以磊晶晶粒20的厚度h為5μm、其側壁203與底面201之間夾角θ為100度至130度為例，可得側壁203的水平寬度w之範圍約介於0.31μm~0.87μm(詳細計算過程在此省略)，並可進一步得出距離d約為0.17μm~0.64μm，再依前述夾角θ為100度至130度之條件，可求得這些凸部204與凹部205的垂直距離d’=0.13μm~0.63μm。然而，考慮到磊晶材料的生長特性，前述夾角θ較常見為接近130度(例如圖3A所示)，故垂直距離d’的中間值可求得約為0.5μm，即為厚度h的0.1倍，就此例示而言，側壁203的表面平坦度的誤差值範圍可合理推估為0.1μm至0.65μm，或是大於磊晶晶粒20的厚度h的0.1倍。由於採蝕刻成形之晶粒的側壁邊界多為銳利之直線狀，故其側壁表面的平坦度的誤差值則會明顯小於上述的數值範圍。
請先參閱圖4D，為本發明微型發光元件的第二實施例，其與圖2所示的磊晶晶粒20大致相同，即本實施例的磊晶晶粒20a的本體同樣由下至上主要包含有一第一型磊晶半導體層21’、一發光層22及一第二型磊晶半導體層23；惟磊晶晶粒20a係呈上寬下窄的梯形柱狀體，且第一型磊晶半導體層21’包含一第一平台面211、一第二平台面212及至少一側壁部分213，發光層22形成在第一平台面211上，第二型磊晶半導體層23則形成於發光層22之一頂面221上。於本實施例，磊晶晶粒20a在其底面201的平面具有一投影面積A1，投影面積A1大於底面201之面積A3。
再參閱圖4A及圖4B，於第一型磊晶半導體層21以磊晶成長方式形成在成長基板10後，再對其頂面211a及其對應其中一側壁211b蝕刻形成一階梯部，以構成第一平台面211、第二平台面212及至少一側壁部分213；因此，第二平台面212及至少一側壁部分213係經蝕刻的表面，非以自然磊晶成長方式成形；接著，如圖4C所示，於第一型磊晶半導體層21’的第一平台面211以自然磊晶成長方式形成發光層22；之後如圖4D所示，於發光層22的頂面上以磊晶成長方式形成第二型磊晶半導體層23。因此，本實施例除了第一型磊晶半導體層21’的至少一側壁部分213被蝕刻外，其餘側壁的表面仍具有自然磊晶成長的特徵，故對外部量子率峰值影響最大的發光層22仍確保為自然磊晶成長。在微型發光元件，特別是微型發光二極體中，發光層22與第二型磊晶半導體層23的厚度約為磊晶晶粒20a厚度的20%。在實際製程中，即便磊晶晶粒20a因切割需要而在整個磊晶晶粒20a的周邊蝕刻其側壁，至少在圖4D中，發光層22(以及其上方的第二型磊晶半導體層23)位於側壁部分213上方的表面203a保留為自然磊晶成長。如上述說明，位於被蝕刻之側壁部分213上方的表面203a大約佔磊 晶晶粒20a其中一側壁203的20%。因此，若將磊晶晶粒20a視為相等邊長的矩形，則磊晶晶粒20a所有側壁203的表面積的5%(即前述表面203a所佔比例)為保留自然磊晶成長的特徵，即至少5%表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或缺陷密度在108/cm2以下，或平坦度誤差值大於磊晶晶粒20a厚度的0.1倍。然而，上述比例僅是搭配圖示說明、為便於理解所舉例；實際上，由於磊晶晶粒20a之各個側壁203的寬度、第二平台面212所選擇的位置可能隨製程選擇而不同，因此上述比例可能隨生長區域12所定義的尺寸而變動，例如3%、7%、10%、14%、18%...等。
再請參閱圖5，圖中所示為本發明微型發光元件的一應用例，其與圖4D所示的磊晶晶粒20a大致相同，惟進一步包含有一第一電極30及一第二電極31；其中第一電極30係形成在磊晶晶粒20b的第一型磊晶半導體層21’之第二平台面212上，第二電極31則形成在第二型磊晶半導體層23的頂面231上。如圖5所示的磊晶晶粒20a可只令位在側壁部分213上方的發光層22及第二型磊晶半導體層23表面203a採自然磊晶成長方式生長，由圖中可知，在第一及第二電極30、31之間移動的電子會恰好靠近側壁部分213；因此，若表面203a以磊晶成長方式生長而不存在游離鍵結時，即能有效避免電子因游離鍵結吸引而造成電子偏移、電性效果變差。
再請參閱圖6，圖中所示為本發明微型發光元件的另一應用例，磊晶晶粒20c係呈上寬下窄的梯形柱狀體，且其多個側壁203的表面及底面201的部分表面形成有一絕緣層32，並於位在底面201的絕緣層部分32a上形成有一第一電極30及一第二電極31；其中第一電極30係與底面201連接，第二電極31係透過一導電層33連接至位在磊晶晶粒20c之頂面202的一透明電極34，導電層 33可形成在其中一側壁203對應的絕緣層部分32b上；如此，此一微型發光元件即可使用完全自然磊晶成長、未經蝕刻的磊晶晶粒。
再請參閱圖7A及圖7B所示，為圖1A之成長基板10上的另一圖案化結構11a，圖案化結構11a的生長區域12a之第一空間121a的縱向截面形狀呈碗形，而第二空間122的縱向截面形狀呈矩形；於此一生長區域12a中進行磊晶製程，可形成匹配第一空間121a的碗形磊晶晶粒20。
又如圖8A及圖8B所示，圖案化結構11b的生長區域12b之第一空間121b的縱向截面形狀呈橢圓形，可形成匹配第一空間121b的橢圓形磊晶晶粒20。
又如圖9A及圖9B所示，圖案化結構11c的生長區域12c之第一空間121c的縱向截面形狀呈下梯形、上矩形，可形成匹配第一空間121c的下梯形、上矩形磊晶晶粒20。
又如圖10A及圖10B所示，圖案化結構11d的生長區域12d之第一空間121d的縱向截面形狀呈倒梯形，可形成如圖4D所示之磊晶晶粒20a。
又如圖11A及圖11B所示，圖案化結構11e係進一步包含有一第一材料層113及一第二材料層114，第一材料層113係形成在成長基板10e與薄膜層111之間，第二材料層114則形成在薄膜層111與光阻層112之間；其中第一材料層111及第二材料層112均較薄膜層111寬，使本實施例的第一空間形狀121e呈十字形，可形成匹配第一空間121e的十字形磊晶晶粒。於本實施例，第一及第二材料層113、114可選擇與薄膜層111的蝕刻比不同，可於蝕刻製程後，形成十字形的第一空間121e。
綜上所述，本發明的微型發光元件係主要包含一自然磊晶成長的微型磊晶晶粒，其側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或是缺陷密度在108/cm2以下，或是平坦度誤差值大於磊晶晶粒厚度的0.1倍；由於本發明微型磊晶晶粒的側壁表面不受蝕刻破壞，可大幅減少懸浮鍵生成而可減少側壁損壞效應，避免發光元件於微小化後，因側壁損壞效應而造成嚴重的外部量子效率峰值衰減。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10:成長基板
11:圖案化結構
12:生長區域
120:底周緣
20:磊晶晶粒
201:底面
201a:周緣
202:頂面

Claims (17)

  1. 一種微型發光元件，包括：一磊晶晶粒，係包含一頂面、一底面及多個連接該頂面及該底面之側壁；其中至少一該側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或該至少一部分表面的缺陷密度在108/cm2以下，或該至少一部分表面的平坦度誤差值大於該磊晶晶粒厚度的0.1倍。
  2. 如請求項1所述之微型發光元件，其中該至少一部分表面的缺陷密度在107/cm2以下，或該至少一部分表面的平坦度誤差值的絕對值為0.1μm至0.65μm。
  3. 如請求項1所述之微型發光元件，其中該至少一部分表面之面積佔該些側壁的表面面積總和的5%以上。
  4. 如請求項3所述之微型發光元件，其中該磊晶晶粒包括：一第一型磊晶半導體層；一發光層，係形成於該第一型磊晶半導體層上；以及一第二型磊晶半導體層，係形成於該發光層上；其中該至少一部分表面連接該第一型磊晶半導體層以及該磊晶晶粒之該頂面。
  5. 如請求項1所述之微型發光元件，係進一步包含：一透明電極，係形成於該頂面；一絕緣層，係形成於該些側壁的表面及該底面之部分；一導電層，係形成於其中一側壁對應的該絕緣層部分；一第一電極，係形成在該底面的絕緣層上，並與該底面連接；以及一第二電極，係形成在該底面的絕緣層上，並與該導電層連接。
  6. 如請求項1所述之微型發光元件，其中該至少一側壁與該底面之間具有一夾角，且該夾角之角度為100度至130度。
  7. 如請求項6所述之微型發光元件，其中該底面之面積大於該頂面之面積。
  8. 如請求項1所述之微型發光元件，其中各該磊晶晶粒之縱向截面形狀係選自於碗形、橢圓形、梯形、倒梯形、十字形、矩形或其組合。
  9. 如請求項1所述之微型發光元件，其中該些側壁的表面包含曲面。
  10. 一種微型發光元件，其成形於一生長基板上，該生長基板具有一圖案化結構，且該圖案化結構定義有一生長區域；其中該微型發光元件包括：一磊晶晶粒，係包含一頂面、一底面及多個連接該頂面及該底面之側壁；其中至少一該側壁的至少一部分表面的均方根粗糙度小於或等於10nm，或該至少一部分表面的缺陷密度在108/cm2以下，或該至少一部分表面的平坦度誤差值大於該磊晶晶粒厚度的0.1倍；其中該磊晶晶粒的該底面之周緣與該生長區域之一底周緣完全重合。
  11. 如請求項10所述之微型發光元件，其中該至少一部分表面的缺陷密度在107/cm2以下，或至少一該部分表面的平坦度誤差值的絕對值為0.1μm至0.65μm。
  12. 如請求項10所述之微型發光元件，其中該部分表面之面積佔該些側壁的表面總和的5%以上。
  13. 如請求項12所述之微型發光元件，其中該磊晶晶粒包括：一第一型磊晶半導體層； 一發光層，係形成於該第一型磊晶半導體層上；以及一第二型磊晶半導體層，係形成於該發光層上；其中至少一部分表面連接該第一型磊晶半導體層以及該磊晶晶粒之該頂面。
  14. 如請求項11所述之微型發光元件，係進一步包含：一透明電極，係形成於該頂面；一絕緣層，係形成於該些側壁的表面及該底面之部分；一導電層，係形成於其中一側壁對應的該絕緣層部分；一第一電極，係形成在該底面的絕緣層上，並與該底面連接；以及一第二電極，係形成在該底面的絕緣層上，並與該導電層連接。
  15. 如請求項10所述之微型發光元件，其中該至少一側壁與該底面之間具有一夾角，且該夾角之角度為100度至130度。
  16. 如請求項10所述之微型發光元件，其中各該磊晶晶粒之縱向截面形狀係選自於碗形、橢圓形、梯形、倒梯形、十字形、矩形或其組合。
  17. 如請求項10所述之微型發光元件，其中該些側壁的表面包含曲面。
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