TW201007986A - Light-emitting diode device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
201007986 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於一種發光二極體裝置及其製造方法， 特別是有關於具有平坦表面的發光二極體裝置。 【先前技術】 發光二極體（LED)是藉由在基板上形成活性區域以 及在基板上沈積各種導電層及半導體層來製造。藉由P-n ⑩接面的電流，電洞對的輻射重組可用來產生電磁輻射。 由例如GaAs或GaN的直接能隙材料製造的順向偏壓p-n ; 接面中，注入匱乏區的電洞對重組，造成電磁輻射的發 射。此電磁輻射可能落在可見光區或是非可見光區的範 ' 圍。LED的不同顏色可使用不同能隙材料來形成。再者， 在非可見光區發射電磁輻射的LED，可使非可見光導向 磷光透鏡或類似的材料。當非可見光被透鏡吸收時，此 磷光會發出可見光。
❹ LED通常在藍寶石基板(A1203)上製造，形成III族-N 化合物的LED結構，因為藍寶石基板的結晶方位使ΠΙ 族-N化合物可以磊晶成長於此藍寶石基板上。然而，藍 寶石基板較矽基板貴，而且藍寶石的低熱導性，使得藍 寶石基板典型特徵為熱累積。 再者，LED通常在平坦的基板上形成，因此會形成 平坦的LED結構。平坦的LED結構會限制設置於既定尺 寸的基板上的發光材料的量。而且平坦表面能夠使光線 被導向及捕捉於裝置中，導致取出效率（extraction 0503-A33854TWF/susan 3 201007986 efficiency)P条低（Journal of The Electrochemical Society, 153 2 G105-G107 2006)。因此，既定尺寸的LED的發光 效率會受到限制。 有人已嚐試製造非平坦表面的LED以增加既定尺寸 基板上的發光區域量，並破壞波導（waveguide)現象。這 樣會造成LED結構的頂部基板也成為非平坦結構。因 此，如果在頂部III族-N層上形成電性接觸，則不能形 成具有平坦表面的LED裝置。 參 因此，有需要一種具有增加發光效率並具有形成電 性接觸的適當表面之LED裝置。 ‘ 【發明内容】 本發明的實施例提供具有平坦表面的發光二極體 (LED)，可減少、解決或避免上述之問題，並達到技術上 的優勢。 本發明之一發明方面，提供一發光二極體（LED)裝 φ 置。此LED裝置包括一半導體基板；凸起區域，形成於 上述半導體基板上，上述凸起區域包括一半導體材料； 一第一接觸層，位於上述凸起區域上，上述第一接觸層 具有一非平坦表面；一非平坦的活性層，位於上述第一 接觸層上；以及一第二接觸層，位於上述非平坦的活性 層上，上述第二接觸層具有一平坦表面。 本發明的另一發明方面，提供一製造發光二極體 (LED)裝置的方法。此方法包括提供一基板；在上述基板 上形成凸起區域；在上述凸起區域上形成一第一接觸 0503-A33854TWF/susan 4 201007986 層，在上述第—接觸層上形成一活性層，上述活性層具 有非平坦表面；以及在上述活性層上形成一第二接觸 層，上述第二接觸層具有一平坦表面。 本發明的另一發明方面，提供一製造發光二極體 (LED)裝置的方法。此方法包括提供―基板，在上述基板 开y成介電層。上述介電層經過圖案化形成圖案罩幕， 此圖案罩幕定義開口，在此開㈣暴露出上述基板。之 ^ ’在上述開口㈣上述暴露基板上，形成凸起區域的 /驟卩及在上述凸起區域上形成led結構的步驟，因 $上述LED結構的襲觸層為—平坦表面，而底接 為一非平坦表面。 【實施方式】 本案之較佳實施例的製造與使用皆詳細說明於下。 ❹ 供多種應用本發明概念而具體實施於大範圍 寺疋H討論㈣定實_僅 用本發日㈣料料，秘制本發日錄目。狀及使 及所i ί —種製造發光二極體(l e d )的新颖方法 構。也顯示本發明的製造方法的較佳 =的中間步驟。本發明雖然顯示必要說明的步驟， 種顴點' :其他步驟。本案全文中的實施例說明與多 種硯點，相關代號為元件符號。 第1 a- 5 b圖顯示本私明__麻+Λ· 個中間製程步驟，第lb 中部分晶圓1〇〇的多 弟 2a、3a、4a、及5a圖分別顯 〇503<A33854TWF/susan 5 201007986 示弟lb圖的A-A’虛線下、第2b圖的只上 ^ β虛線下、第3b 以及第5b圖 圖的C-C’虛線下、第4b圖的D-D，虚線下、 的E-E’虛線下的晶圓1〇〇剖面圖。 首先請參閱第la圖與第lb圖，吾m , 抽圓100包括一基 板102，與位於上述基板1〇2上方的〜逭一 早暴層104。上述 基板102較佳為摻有第一導電型摻皙 焉的塊狀半導體基 板，較佳具有（_表面方位。應注意，本發明實施例 欽述使用塊狀石夕基板，但也可以使用复^ * ❹ ❹ /、他基板。例如絕 緣層上覆石夕（SOI)基板、藍寶石基板、 ^ 基板，或類似 的基板。然而本發明實施例特別適合砂I t /暴板，因為矽基 板的成本低且可減少石夕基板上的LED社 結構的殘留的應 力。而且’雖然較佳具有（1〇〇)表面方仿 此的基板，也可以 使用具有不同表面方位的基板，例如（Ί ] π、±
UiU)表面方位。矽 基板還可以改善取出效率並可使用選摆林Ττ ,Ρ , 伟1:1 ΠΙ族-Ν磊晶 成長步驟。
上述罩幕層104較佳為硬罩幕，发々I /、匕括一個或多個 介電層。本發明的一實施例中，例如佶 1义用四乙氧基石夕烧 (tetra-ethyl-ortho-silicate; TE0S)及氧作為前驅物，以高 溫氧化或化學氣相沉積法（chemical vapor deposition; CVD)技術形成二氧化矽層。或者，上述罩幕層104可由 其他介電材料形成。例如氮化矽、氧氮化矽或類似化合 物，經由例如化學氣相沉積法（CVD)步驟形成。也可以使 用例如二氧化矽層及氮化矽層的多層硬罩幕。上述罩幕 層104較佳具有約100A至約50,000人厚度。 第2a圖與第2b圖顯示，本發明的一實施例中，上 0503-A33854TWF/susan 6 201007986 述罩幕層104(參照第la圖與第〗b圖）隨後被圖案化，形 成圖案化罩幕206。此實施例中’使甩晋知的微影技術圖 案化上述罩幕層104。通常，微影技術包括塗佈光阻材料 以及根據圖案照射上述光阻材料。之後使上述光阻材料 顯影’以移除部份的光阻材料。之後在例如钱刻的製程 步驟中，留下的光阻材料會保護其下方的材料。 本實施例中，使用上述光阻材料形成圖案化罩幕 206，此圖案化罩幕206定義開口 208矩陣，此開口 208 鲁暴露出下方基板102。每一開口較佳的高度h為約100A 至約50,000人，寬度w為約0.02km至約ΙΟμιη。應注意 第2b圖的方形開口僅用於說明而已，也可以使用任何適 當的形狀，例如長方形、圓形、即圓形、三角形、及/或 類似形狀。而且其他實施例在矩陣中不一定排列成行列 的矩陣’可以是圖案化、交錯的、或類似的排列的開口。 第3a圖與第3b圖顯示，本發明的一實施例中，在 _ 凸起區域302形成於開口 208内之後的上述晶圓100。上 述凸起區域302較佳由矽（Si)或矽化鍺（siGe)選擇性磊晶 成長（selective epitaxial growth; SEG)而形成。在此情形 下，上述凸起區域302的磊晶成長將受限於由開口 208 定義的基板102上的暴露區域》因為蠢晶成長不會發生 在例如8102的介電材料所形成的上述圖案化罩幕206上。 較佳可調整此製程參數，使上述凸起區域302形成 金字塔形或梯形。在磊晶成長時使用製程溫度約600°C， 更佳為高於約700°C，可促使形成金字塔形或梯形。已經 發現這些形狀導致在上述凸起區域302上形成（111)表面 0503-A33854TWF/susan 7 201007986 方位，而（111)表面方位提供led結構一較適當的表面以 蟲晶成長GaN接觸層，以下將更詳細說明。應注意由選 擇性蟲晶成長形成的上述凸起區域3 02，較佳沿伸到上述 開口 208内的整個暴露的基板1〇2的表面，而具有不同 表面方位的上述基板102,不在上述開口 208内暴露出來。 第4a圖與第4b圖顯示，本發明的一實施例，在上 述開口 208内的凸起區域302上，形成第一接觸層402 與活性層404之後的晶圓1 〇〇。上述第一接觸層402較佳 ❹ 由III族-N化合物摻入第一導電型的摻質（例如n-GaN)而 形成，而且可由例如分子束磊晶術（m〇lecular_beam epitaxy; MBE)、金屬有機化學氣相沉積法（metal 〇rganic chemical vapor deposition; MOCVD)、氫化物氣相磊晶術 (hydrid vapor phase epitaxy; HVPE)、液相磊晶術（iiquid phase epitaxy; LPE)、或類似的選擇性磊晶成長製程沉 積。III 族-N 材料包括例如 GaN、InN、AIN、InxGa(1_x>ISf、 AlxGa(]-x)N、AlxInyGa(]_x_y)N、或類似化合物。 # 上述活性層404沉積在上述第一接觸層402上。上 述活性層404可包括多置子井（multiple quatum wells; MQW) ’作為用以發光的活性層。活性層404内的多量子 井（MQW)結構可為例如InGaN層及GaN層。活性層404 内的多量子井（MQW)結構可以在磊晶反應物之中沉積。 由於圖案化罩幕206由例如Si02的介電材料形成， 因此第一接觸層402與活性層404的成長受限在上述凸 起區域302的表面。由於第一接觸層402與活性層404 貫質均勻地成長在上述凸起區域302上，因此第一接觸 0503-A33854TWF/susan 8 201007986 層402與活性層404具有一非平坦表面的外形。在此技 術領域中热知此技術者將了解，相較於第la圖的基板ισ2 所具有的平坦表面，第一接觸層4〇2與活性層4〇4的非 平坦表面外形會增加暴露表面的面積。此情形會增加 LED裝置的發光效率。 第5a圖與第5b圖顯示，本發明的一實施例，形成 第二接觸層502後的晶圓1〇〇。如圖顯示，上述第二接觸 層502延伸覆盡上述凸起區域302上（包括上方的第一接 φ觸層402與活性層404)以及上述圖案化罩幕2〇6上，且 具有一實質平坦表面。上述第二接觸層5〇2較佳由摻入 第二導電型摻質（如p-GaN)的扭族氺化合物所形成，並 且可由類似於第一接觸層402製程步驟而形成，例如選 擇性轰晶成長步驟。 上述第一接觸層；>02延伸覆蓋上述圖案化罩幕2〇6 上。上述第二接觸層502的厚度為約looo人至約 5,000人。要形成第二接觸層5〇2的平坦表面，可將上述 ❿第二接觸層5G2形成較所希望的厚度更厚，然後進行平 化步驟例如化予機械研磨（chemical mechanical polishing; CMP)步驟。在另—實施例中，上述第二接觸層 5〇2可經由例如金屬有機氣相磊晶（metal organic vapor phase epitaxy; M0VPE)形成實質上平坦的表面。 之後，進行完成LED裝置的步驟。例如分別在上述 第一及第二接觸層402及502上形成電性接觸（前面及/ 或背面接觸），也可以形成鈍性層，並且也可以將LED裝 置晶粒化及封裝。 0503-A33854TWF/susan 9 201007986 應 注意上述說明是假設第—接觸層4〇2 觸，其通常使用已摻雜的基板102。杏 使用月面接 上述第-接觸層4G2的電性接觸時:别面接觸作為 的基板H)2。 ％也可以使用未摻雜 應注意上述說明為在粗糙基板上形成 法。也可視需要使用例如分佈布拉格反射哭裝置的方
Bragg reflector)或緩衝層的其他芦。 、°。 istnbuted -與第二接觸層術與5〇2的連θ接關f基板的型態及第
第一接觸層402與基板102間形成 視而要在 如SiC與Si基板的基板上，可視恭尊a列如’在例 」祝需要在s 族-N化合物磊晶成長中，加入例如 ^反上的 層。分佈布拉格反射器通常包括㈣多層^ = 數，使LED發射的光反射，因而增加由 = 射的光。反射緩衝層也可以與分佈布拉格反射器」同1 用或取代分佈布拉格反射器。 LED結構可以根據使用的材料及所希望的應用方面 而改變。可_有多種L E D結構使財發明實施例，提 供在基板内的凹陷處’形成led結構。 此技術領域中具有通常知識者將有利地了解，因為 在第二接觸層502與活性層404間形成非平坦界面，相 較於佔有相同晶片面積的平坦多量子井（MQW)，LED裝 置的發光表面積增加。因此結果為，增加發光效率。 而且’上述第二接觸層5〇2的表面為實質上平坦。 相較於具有粗糙頂部表面的第二接觸層，上述第二接觸 層502的實質上平坦表面使頂部電性接觸更容易形成。 0503-A33854TWF/susan 10 201007986 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟悉此項技藝者’在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可做些許更動與潤飾，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。
0503- A3 3 854T WF/susan 11 201007986 【圖式簡單說明】 第 la、lb、2a、2b、3a、3b、4a、4b、5a 及 5b ®Γ顯 示本發明實施例的製造發光二極體裝置的多個中間製程 步驟。 【主要元件符號說明】 100〜晶圓； 10 2〜基板； _ 104〜罩幕層； 206〜圖案化罩幕； 20 8〜開口； 3 0 2〜凸:¾區士或， 402〜第一接觸層； 404〜活性層； 502〜第二接觸層。
0503-A33854TWF/susan 12
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- 201007986 七、申請專利範圍： 1. 一種發光二極體裝置，包括： 一半導體基板； 凸起區域，形成於上述半導體基板上，上述凸起區 域包括一半導體材料； 一第一接觸層，位於上述凸起區域上’上述弟一接 觸層具有一非平坦表面； 一非平坦的活性層，位於上述第一接觸層上；以及 參 一第二接觸層，位於上述非平坦的活性層上，上述 第二接觸層具有一平坦表面。 2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置， 更包括一介電區域’介於相鄰的凸起區域之間。 3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置， 其中上述第一接觸層在相鄰的凸起區域之間為不連續。 4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置’ 其中上述半導體基板包括塊狀矽基板。 ® 5.如申請專利範圍第4項所述之發光二極體裝置， 其中上述塊狀矽基板具有（1〇〇)表面方位。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置， 其中上述凸起區域包括SiGe。 7. —種發光二極體裝置的製造方法，包括： 提供一基板； 在上述基板上形成凸起區域； 在上述凸起區域上形成一第一接觸層； 在上述第一接觸層上形成一活性層，上述活性層具 0503-A33854TWF/susan 13 201007986 有一非平坦表面；以及 在上述活性層上形成一笛_ 層具有一平坦表面。接觸層’上述第二接觸 赞、土8方、Γ 利範圍第7項所述之發光二極體裳置的 製以方法，其中形成上述凸起區域包括： 在上述基板上形成一罩幕層； 圖案化上述罩幕層，以暴露出上述基板的一部分. 以及 y I刀， ❹ 在上述基板暴露的部分上形成凸起區域。 制、生9方法如申^專利範圍第7項所述之發光二極體裝置的 =連:法、中上述第—接觸層在上述凸起區域之間為 方:申：:，圍第7項所述之發光二極體裝置 法’其中上述活性層在上述凸起區域之間為不 的二ΓΓ!利範圍第7項所述之發光二極體裝置 的衣仏方法，其中形成上述第二接觸層包括： 形成上述第二接觸層以達到較所希望的厚度更厚的 厚度；以及 予又更y予的 平:L·化上述弟一接觸層至所希望的厚度。 12.如申請專利範㈣7項所述之發光二極體 的製造方法’其中上述基板為塊㈣基板。 、 13·如中請專利範圍第7項所述之發光二極體 =製造方法’其中上述基板減狀絲板具有⑽该面 ·/ »-!*-0503-A33854TWF/susan 14 201007986 14.如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置 的製造方法，其中上述凸起區域包括SiGe。0503-A33854TWF/susan 15
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