發光二極體結構及製造方法

2023-06-18 11:15:21 2

專利名稱：：發光二極體結構及製造方法
技術領域：
：本發明涉及一種發光二極體結構及製造方法，尤其涉及一種在切割道區域的表面形成多個凹部與凸部的發光二極體結構及製造方法。
背景技術：
：為了實現固態照明，開發以及改善發光二極體的發光效率便成為當務之急。改善發光二才及管的發光效率的方式可分成兩部分其一為提高發光二極體的內部量子效率；其二為增加發光二極體的外部量子效率(光取出率)。在外部量子效率方面，因為一般半導體材料與封裝材料的折射率相差甚多，使得全反射角小，所以發光二極體所產生的光到達與空氣的界面時，大於臨界角的光將產生全反射回到發光二極體晶粒內部。光子在交界面離開半導體的機率變小，讓光子只能在內部全反射直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發光效果不佳。因此，改變發光二極體元件的幾何形狀是一個有效提升發光效率的方法一在光取出率方面。才艮據美國專利US7,075，115，該專利所批漏的技術是一種於發光二極體元件周圍具備凹凸幾何形狀的半導體發光元件，相較於發光二極體元件周圍是平坦形狀情況下，橫方向傳播的光可以被這些凹部或凸部影響，從而產生散射或繞射歲支果，大幅4是高外部量子效率。但是，該專利製造這些凹部或凸部幾何形狀的方法，是先形成鈍化層結構於發光二極體的半導體層表面，再利用使用黃光微影方式，圖案定義出這些凹部或凸部幾何形狀，再利用幹蝕刻或溼蝕刻方式對發光二4及管元件周圍的半導體層上蝕刻出這些凹部或凸部結構。此種製造過程不但繁瑣費時，亦會增加不少成本，相當不符合發光二才及管的商業應用。
發明內容於是為解決上述的缺陷，本發明提供一種發光二極體結構及製造方法，於基板的切割道表面自然形成化學反應層，利用該化學反應層為自然蝕刻遮罩，通過溼蝕刻或幹蝕刻法，形成具凹凸表面的不規則幾何形狀於該基板的切割道區域表面上，再利用磊晶成長方式，自然形成周圍具備凹凸幾何形狀的半導體發光元件，提升發光二極體的外部量子效率，適合商業上的大量生產。本發明的發光二極體的製造方法包括先4是供基板，該基板表面成長《屯化層，並將該鈍化層圖形化，定義出淨皮該4屯化層覆蓋的元件區域與外露該基板表面的切割道區域，其中該基板是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鋁、氮化鎵基板其中之一。將該基板放置於第一溶液內進行反應，使該切割道區域外露的基板表面自然形成高密度的化學反應層，然後以該鈍化層與該化學反應層作為遮罩，對該基板的切割道區域進行選4奪性蝕刻，其蝕刻法可為乾式蝕刻法或溼式蝕刻法，4吏該切割道區i或無該4匕學反應層之處形成多個凹部與上方有該4匕學反應層的凸部。再將該基板放置於第二溶液內蝕刻，除去該化學反應層，使該基板的切割道區域表面形成具有凹部與凸部的不規則幾何形狀，然後除去該鈍化層，且將該基板表面清潔乾淨。接下來，於該基板的表面利用磊晶成長技術，成長半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域，且該切割道區域上的半導體層結構表面具有多個半導體層凹部與半導體層凸部。最後再利用黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構形成發光二極體元件。該半導體層結構是依序磊晶結合至少一層n型半導體層、一層活性層與至少一層p型半導體層，其中該活性層作為發光區形成於該n型半導體層與該p型半導體層之間；且通過黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構的該p型半導體層與p型歐姆4妄觸電極電性連接，且該n型半導體層與n型歐姆接觸電極電性連接，用以對該發光二極體元件提供順向偏壓，而該切割道區域被蝕刻至該n型半導體層，且該n型半導體層表面具有多個半導體層凹部與半導體層凸部。其中該第一溶液和第二溶液是酸性溶液族群、石威性溶液族群至少一種材料及其族群的組合其中之一。該酸性溶液族群是氫氟酸(HF)、硫酸(H2S04)、鹽酸(HC1)、磷酸(H3P04)、硝酸(HN03)、王水(Aquaregia)、二氧化》圭蝕刻劑(BufferedOxideEtch,BOE)、鋁蝕刻液(AlEtchant)、過氧化氫(H202)、曱酸(HCOOH)、乙酸(CH3COOH)、丁二酸(C4H604)及檸檬酸(CitricAcid)。該鹼性溶液族群是氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氬氧化釣(Ca(OH)2)、氫氧化銨(NH4OH)、氫氧化四曱基銨溶液(tetramethylammoniumhydroxide,TMAH)。而該基板放置於該第一溶液的時間是1秒至200分鐘，該基板;改置於該第二溶液的時間是1秒至200分鐘，而該凹部與凸部的高度差為0.1微米至15樣i米。經由上述方法所形成的發光二極體結構，其中該基板表面分為元件區域與切割道區域，且該切割道區域表面形成具有凹部與凸部的不規則幾何形狀；以及利用磊晶成長技術，成長該半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域，再利用黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構形成該發光二極體元件。本發明的優點在於利用一種新穎製程方式於切割道表面自然形成該化學反應層，利用該化學反應層做為自然蝕刻遮罩，通過溼蝕刻或千蝕刻法，形成不同凹凸面的不身見則幾4可形狀於該基^反切割道表面上，再利用磊晶成長方式，自然形成周圍具備凹凸幾何形狀的半導體發光元件，通過這些凹部與凸部結構對發光二極體元件內部光的散射、繞射效果，可減少半導體層與基板的界面中光橫向傳播的情況，減少全反射的機率，提高發光二極體的光取出率。且本發明因為製成簡單，可降低生產成本，適合產業大量生產。圖1為本發明的基板表面鈍化層圖形化的示意圖2為本發明的基板表面產生化學反應層與蝕刻後的結構示意圖3為本發明的切割道區i或具凹部與凸部的結構示意圖；圖4為本發明的基板表面磊晶半導體層的結構示意圖；圖5為本發明的發光二極體結構的示意圖。具體實施例方式有關本發明的詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應了解的是，此等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施的限制。請參閱圖1至圖5所示。本發明的發光二極體的製造方法包括首先提供基板IO,基板10是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鋁、氮化鎵基板其中之一。於基板10表面成長鈍化層11，並將鈍化層11圖形化，定義出浮皮鈍化層ll覆蓋的元件區域lOl與外露基玲反10表面的切割道區域102(如圖l所示)。然後將基4反10》文置於第一溶液內進4亍反應，4吏切割道區域102外露的基板10表面自然形成高密度的化學反應層103。基板10放置於該第一溶液的時間是1秒至200分鐘。然後以4屯化層11與化學反應層103作為遮罩，對基板10的切割道區域102進行選擇性蝕刻，4吏切割道區i或102無4匕學反應層103之處形成多個具有凹部104與上方有^匕學反應層103的凸部105(如圖2所示)。以基板10是藍寶石基板(A1203)為說明例(以下說明該基板IO都以藍寶石基板(A1203)為說明例)，將藍寶石基板(A1203)放置於石克酸(H2S04)(96%)中(以石危酸估文為第一溶液)，液體溫度約25~400°C,反應時間從1秒至200分鐘，基板10切割道區域102的表面會形成高密度納米等級的化學反應層103(A12(S04)3或Al2(S04).17H20等)。然後以化學反應層103作為遮罩，對基板10進行選擇性蝕刻，可使用幹蝕刻法或溼蝕刻法。以溼式蝕刻藍寶石基玲反(A1203)為例，可4吏其表面形成凹部104與凸部105。又以改變藍寶石基才反在第一溶液如石危酸(H2S04)的蝕刻時間為例，從2.5分鐘至20分4中，基板10可以形成不同的平均燭刻深度(averageetchingdeep)，平均顆粒大小(averagegrainsize)，密度(density),以及表面4且並造度才艮均方值(RMSroughness)的基板IO。經由原子力顯微鏡觀察基板表面，整理如下表tableseeoriginaldocumentpage11再將被蝕刻後的基板10放置於第二溶液內蝕刻，用以除去化學反應層103,形成具有凹部104與凸部105的不^見則幾4可形狀於基板10的切割道區域102表面。以該第二溶液是磷酸(H3P04)為說明例，該溫度可為25'C至400°C，基板IO放置於該第二溶液的時間是1秒至200分鐘，以可以將化學反應層103除乾淨為主。然後也除去鈍化層11，且將基板10表面清潔乾淨，維持基板10的元件區域101表面的平坦性。最後於基4反10的元件區域101表面上形成發光二才及管的半導體層結構20,半導體層結構20是依序磊晶結合至少一層n型半導體層21、一層活性層22與至少一層p型半導體層23，其中活性層22作為發光區形成於n型半導體層21與p型半導體層23之間(如圖4所示)。半導體層結構20在基板10的元件區域101表面會維持其平坦性，而在切割道區域102表面的半導體層結構20(n型半導體層21、活性層22與p型半導體層23)磊晶後會依凹部104與凸部105的不規則幾何形狀產生凹凸不平的各層，形成多個半導體層凹部204與半導體層凸部205。最後，通過黃光微影製程使元件區域101上的半導體層結構20形成發光二極體元件30。即使元件區域101上的半導體層結構20上的p型半導體層23與p型歐姆接觸電極32電性連接，而n型半導體層21通過4妄觸窗與n型歐姆接觸電極31電性連接，用以對發光二極體元件30提供順向偏壓。而切割道區域102的半導體層結構20被蝕刻至n型半導體層21,且n型半導體層21表面具有多個半導體層凹部214與半導體層凸部215。通過這些凹部104、凸部105、半導體層凹部214與半導體層凸部215結構。半導體層結構20內部的活性層22所發出的光將會#皮基片反10上的凹部104與凸部105結構，與n型半導體層21上的半導體層凹部214與半導體層凸部215結構散射或繞射，減少全反射的機率，使射向基板10上方或下方的光束增加，可提高發光二極體元件30的光取出率，增加總發光量。經由上述方法所形成的發光二極體的結構，其包括基板IO，基板10其表面分為元件區域101與切割道區域102，且切割道區域102表面形成具有凹部104與凸部105的不^L則幾〗可形狀；以及利用磊晶成長技術，成長半導體層結構20於基板10表面的元件區域101與切割道區域102，且於切割道區域102上的半導體層結構20表面形成多個半導體層凹部204與半導體層凸部205，再利用黃光孩史影製程，使元件區域101上的半導體層結構20形成發光二極體元件30，而切割道區i或102的半導體層結構20^皮蝕刻至n型半導體層21,且n型半導體層21表面具有多個半導體層凹部214與半導體層凸部215。本發明的精神在於切割道區域102的表面自然形成化學反應層103,然後通過選擇性蝕刻，4吏基才反10的切割道區域102表面具有凹部104與凸部105結構，再利用磊晶成長4支術，於切割道上的半導體層表面自然形成不少見則的凹凸幾何形狀。通過這些凹部104與凸部105結構，與這些半導體層凹部214與半導體層凸部215,可以使發光二極體元件30內部的光於這些凹部104、凸部105、半導體層凹部214與半導體層凸部215處產生散射、繞射效果，可減少n型半導體層21與基板10的界面中光橫向傳播的情況，減少全反射的機率，提高發光二極體元件30的光取出率。上述^又為本發明的優選實施例而已，並非用來限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。權利要求1.一種發光二極體結構的製造方法，其特徵在於，所述製造方法包括提供基板(10)，其表面成長鈍化層(11)，並將所述鈍化層(11)圖形化，定義出被所述鈍化層(11)覆蓋的元件區域(101)與外露所述基板(10)表面的切割道區域(102)；將所述基板(10)放置於第一溶液內進行反應，使所述切割道區域(102)外露的基板(10)表面自然形成高密度的化學反應層(103)；然後以所述鈍化層(11)與所述化學反應層(103)作為遮罩，對所述基板(10)的切割道區域(102)進行選擇性蝕刻，使所述切割道區域(102)無所述化學反應層(103)之處形成多個具有凹部(104)與上方有所述化學反應層(103)的凸部(105)；再將所述基板(10)放置於第二溶液內蝕刻，除去所述化學反應層(103)，使所述基板(10)的切割道區域(102)表面形成具有凹部(104)與凸部(105)的不規則幾何形狀；除去所述鈍化層(11)，且將所述基板(10)表面清潔乾淨；於所述基板(10)的表面利用磊晶成長技術，成長半導體層結構(20)於所述基板(10)表面的元件區域(101)與切割道區域(102)，且所述切割道區域(102)上的半導體層結構(20)具有多個半導體層凹部(204)與半導體層凸部(205)；以及利用黃光微影製程，使元件區域(101)上的半導體層結構(20)形成發光二極體元件(30)。2.根據權利要求l所述的製造方法，其特徵在於，所述基板(IO)是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵和氮化鋁、氮化鎵基板其中之3.根據權利要求l所述的製造方法，其特;f正在於，所述第一溶液和第二溶液是酸性溶液族群、鹼性溶液族群至少一種材料及其族群的組合其中之一。4.根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，所述酸性溶液族群是氪氟酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸、王水、二氧化矽蝕刻劑、鋁蝕刻液、過氧化氫、甲酸、乙酸、丁二酸及檸檬酸。5.根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，所述鹼性溶液族群是氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化銨、氫氧化四曱基銨溶液。6.根據權利要求l所述的製造方法，其特徵在於，所述基板(IO);改置於所述第一溶液的時間是1秒鐘至200分鐘。7.根據權利要求l所述的製造方法，其特徵在於，所述基板(IO);汶置於所述第二溶液的時間是l秒至200分鐘。8.根據權利要求l所述的製造方法，其特徵在於，所述凹部(104)與凸部(105)的高度差為0.1微米至15微米。9.根據權利要求l所述的製造方法，其特徵在於，所述半導體層結構(20)是依序磊晶結合至少一層n型半導體層(21)、一層活性層(22)與至少一層p型半導體層(23),其中所述活性層(22)作為發光區形成於所述n型半導體層(21)與所述p型半導體層(23)之間；且通過黃光微影製程，使元件區域(101)上的半導體層結構(20)上的所述p型半導體層(23)與p型歐姆接觸電極(32)電性連接，所述n型半導體層(21)與n型歐姆4妄觸電才及(31)電性連4妄，用以對所述發光二才及管元件(30)4是供順向偏壓，而所述切割道區域(102);故蝕刻至所述n型半導體層(21)，且所述n型半導體層(21)表面具有多個半導體層凹部(214)與半導體層凸部(215)。10.—種發光二極體結構，其特徵在於，包括基板(10),其表面分為元件區域(101)與切割道區域(102),且所述切割道區域(102)表面形成具有多個凹部(104)與凸部(105)的不規則幾何形狀；以及發光二極體元件(30),是利用磊晶成長技術，成長半導體層結構(20)於所述基板(10)表面的元件區域(101)與切割道區域(102)，且所述切割道區域(102)上的半導體層結構(20)具有多個半導體層凹部(204)與半導體層凸部(205)，再利用黃光微影製程，使元件區域(101)上的半導體層結構(20)形成所述發光二極體元件(30)。11.根據權利要求10所述的發光二極體結構，其特徵在於，所述基板(10)是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鋁、氮化鎵基才反其中之一。12.根據權利要求10所述的發光二極體結構，其特徵在於，所述凹部(104)與凸部(105)的高度差為0.1微米至15微米。13.根據權利要求10所述的發光二極體結構，其特徵在於，所述半導體層結構(20)是依序磊晶結合至少一層n型半導體層(21)、一層活性層(22)與至少一層p型半導體層(23)，其中所述活性層(22)作為發光區形成於所述n型半導體層(21)與所述p型半導體層(23)之間；且通過黃光微影製程，使元件區與p型歐姆接觸電極(32)電性連接，所述n型半導體層(21)與n型歐姆接觸電極(31)電性連接，用以對所述發光二極體元件(30)提供順向偏壓，而所述切割道區域(102)被蝕刻至所述n型半導體層(21),且所述n型半導體層(21)表面具有多個半導體層凹部(214)與半導體層凸部(215)。全文摘要一種發光二極體結構及製造方法，是將基板放置於溶液內進行反應，使其切割道區域的表面自然形成化學反應層，然後通過選擇性蝕刻，使切割道區域的表面形成多個凹部與凸部，再利用磊晶成長技術，成長半導體層結構於該基板表面的元件區域與切割道區域；然後再利用黃光微影製程，使元件區域上的半導體層結構形成發光二極體元件。文檔編號H01L33/00GK101414653SQ20071018150公開日2009年4月22日申請日期2007年10月18日優先權日2007年10月18日發明者李家銘,林宏誠,綦振瀛申請人:泰谷光電科技股份有限公司