201128801 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關增益發光二極體出光效率的方法，尤指一 種藉由粗化發光二極體表面來增益發光二極體出光效率的 【先前技術】 • 發光二極體的發光效率受内部量子效率和出光效率所 主導。内部1子效率和產生自活性層的光有關。出光效率 係將活性層的光發射到周圍介質⑽⑴㈣的能力。隨著蟲 晶技術的發展，内部量子效率可達8〇%。然而，出光效率 仍低。舉例來說，GaN系列材料的折射率約2 5。其周圍的 空氣折射率為1。由於全反射的影響，介面的出光效 10 〜12%。 為了增益出光效率，在透明傳導層的表面形成不規則 钱刻的空腔。如此-來，來自活性層的大部分光束可自發 光一極體射出而免文反射影響。粗化p型層亦可達到相同的 效果。 般來說’產生紅或黃光束的GaN或AlGalnP串聯發光 二極體的上部磊晶結構的厚度大於5 μιη。因此，可施以電 漿蝕刻$化學蝕刻來產生空腔或二雉圖型。然而，產生藍、 綠或uv光纟的發光二極體的上部蟲晶結構相當薄⑽.2 :m)如而改善外邰里子效率來增益出光效率，空腔的深度 ，。至 >、有0.2 μιη。因此’傳統的表面粗化方法並不適用。 201128801 此外’傳統蝕刻粗化方法常利用光阻來做為光罩。因 為姓刻選擇比不高，以致於無法有效蝕刻出所要之深度， 尤其姓刻更深的深度更是困難。因此，要有效圖型化^粗 化發光二極體有其難度。此外，當諸如鎳等金屬材料作為 熱光罩時’在設置熱光罩前預先將光阻塗布於發光二極^ 上’如此將使製程更為繁瑣，亦增加生產成本。 傳統的表面粗化方法所產生的圖型化效果，其凸部的 間距大於2〜3μιη，由於圖型化程度低，故改善出光效率效 果有限。再者’傳統蚀刻方法僅能粗化發光二極體的上表 面，無法粗化側邊的部份。 美國第6,551，936號專利揭示一種方法以解決上述習知 技藝的問題。敬請參照圖1，其繪示在半導體材料蝕刻圖型 取決於形成在半導體材料上的lnp光栅光罩。Ιηρ光栅光罩 的形成與半導體材料的多層結構以及lnp層間的蝕刻中止 (etch-stop)層有關。對應於半導體材料蝕刻圖型的光阻光拇 光罩形成於上InP層之上。隨後使用非選擇性蝕刻來穿透上 InP層、蝕刻中止層、以及下InP層。接著使用適當的剝離 溶劑來移除光阻，然後利用選擇性蝕刻來清除剩餘露出的 InP材料，移除受污染的材料，根據要蝕刻的圖型來露出下 面的半導體材料。因此’除InP光罩之外不需要額外的光 罩。露出的半導體材料經餘刻後’以致圖型轉移至半導 材料。 201128801 :到限制’無法有效控制爛預定2型= :::: 【發明内容】 利用Ϊί::ΐί技藝受限於上述問題’本發明遂揭示-種 改用氧化極體來增，光效率的方法。蝕刻製程 厚产_好二岳I示舊有技術常使用的光阻。由於氧化層的 可任二丄，較易蝕刻出發光二極體預期的深度，因而 生產成本=的凸部。因此本發明比傳統製程更為節省 φ 之目的為提供一種增益發光二極體出光效率的方 m以下步驟：a)提供發光二極體，依序包含基板、 第二僂1型I的第一層、活性層、以及相對於第一傳導型的 一、導里的第二層；b)在發光二極體的第一層、活性 以形二層中至少選定一層’於其上生長多個凸部， ^ 。里化氧化層來保護發光二極體免於蝕刻；控 到發光二極體臟刻深度;d)乾敍刻穿 -托二生化氧化層的保護的部分發光二極體，以在發光 ―。上形成多個凹陷；以及e)將氧化層自選定層移除。 型。根據本案構想，第—傳導型為p型，第二傳導型為打 構=案構想’活性層具有量子井結構、同質接面結 構、或異質接面結構。 201128801 根據本案構想，圖型化氧化層由水熱處理、電锻、熱蒸 鍍法、化學氣相沈積法（CVD)、或分子束磊晶法（MBE)所形 成。 根據本案構想’圖型化氧化層由ITO、AZO、Si02、Zn0、 MgO、Mo〇、Al2〇3、Ti〇2、Ni〇、Ca〇、Ba〇、Mn〇、Cu〇、
Sn〇2、或其混合所製成。 根據本案構想，凸部的形狀為六角錐狀、截頭的六角錐 狀、或六角圓柱狀。 根據本案構想’圖型化氧化層至少部份形成於發光二極 體的上表面或側面。 據本案構想’乾㈣步驟藉由電漿钱刻、電感式柄合 P)姓刻、離子光束蝕刻法、或反應性離子蝕刻來施 根據本案構想 (微米）之間。 根據本案構想 反應時間來達成。 凸部的直徑介於1 nm (奈米）與iOjum 預定餘刻深度藉由控制乾姓刻步驟的 根據本案構想，發光二極 階梯形。 體的剖面形狀為楔形、矩形或 根據本案構想，本發明進 步驟dl)。 一步包括乾蝕刻部分氧化層的 根據本案構想 根據本案構想 來施行。 兩個相鄰的凸部距離小於1微米。 移除步驟藉由氫氣酸、硝酸或過氧化氫 201128801 【實施方式】 體現本發明特徵與優點的八個實施例將在後段的說明 中詳細敘述。本發明能夠在不同的態樣上具有各種的變 化’皆不脫離本發明的範圍’且其中的說明及圖式在本質 上當作說明之用，而非用以限制本發明。 第一實施例 敬請參照圖2、圖3A至3D。圖2繪示用以增益出光效率 之圖型化發光二極體的流程圖。首先提供發光二極體2〇, 如圖2之步驟S101所示。如圖3A，發光二極體20由上至下包 含p型層202、活性層204、η型層206、以及基板208。在本 實施例中，ρ型層202形成於活性層204之上，η型層206形成 於活性層204之下，其中ρ型層2〇2和η型層206可互換。活性 層204具有量子井結構。實際上，活性層2〇4亦可具有同質 接面結構或異質接面結構。 本實施例中，多個凸部2102生長在選定的ρ型層202, 以形成圖型化氧化層210 (S102)。氧化層210藉由溶膠凝膠 (sol-gel)法所形成’然不限於此，亦可由水熱處理、電鍵、 熱蒸鍍法、化學氣相沈積法（CVD)、或分子束磊晶法（MBE) 來形成。 氧化層210所使用的材料為CaO，實際上亦可為ITO、 ΑΖΟ、Si02、ZnO、MgO、ΜοΟ、Α12〇3 ' Ti02、NiO、Sn02、
BaO、MnO、CuO、或上述材料之混合。 201128801 t於氧化層210,凸部21〇2為微米柱或奈 的采壯13相* /1的方法來生長氧化層210，凸部2102 狀二t 角錐狀、截頭的六角錐狀、或六角圓柱 〇圖5所不，凸部2102的俯視圖呈現一六角形的圖案。 机為凸°P2102的同度可觉控制’以達到發光二極體20的預 接下來，在發光二極體20上施以乾敍 ^程，穿透科不受圖型化氧化層2娜護的發光二極體 紅 光二極體20上形成多個凹陷_4)。當開始進 订刻時’凸部2102未覆蓋的部份將受飯刻，同時也會餘 J凸邛2102 §施行姓刻製程來移除凸部21 〇2時，未覆蓋 =部純刻達預定深度。凸部靡高度愈高，钮刻深度則 愈深。根據本發明的構想，兩個相鄰凸部㈣的間距小於！ 微米。 本實施例使用電聚姓刻，亦可由電感式輕合電榮（icp) 韻刻、離子光束㈣法、或反應性離子㈣來取代，依據 氧化層21G使用的材料來使用適當的_方式。當電聚持續 碰撞凸部2】〇2時，凸部21〇2逐漸崩解，亦蝕刻發光二極體 2〇。請參照圖3C。乾㈣製程完成後，電聚碰撞消除氧化 層210的部分柱體。乾蝕刻製程在氧化層21〇的表面產生凹 陷。 最後，氧化層210自發光二極體2〇移除（sl〇5)。氫氯 酸、硝酸或過氧化氫可用來移除氧化層21〇。在本發明中， 硝酸用來清洗n型層2〇6表面上的氧化鈣。圖型化表面2〇22 形成於發光二極體2〇上。由於凸部21〇2的直徑介於！ nm至 201128801 ΙΟμπί’圖型化發光二極體2〇可對應形成多個凸面，盆直徑 _化表面勘可使產生自活性層綱 的先束更谷易透過凹陷來發射’因而改善發光二極體湖 出光效率。 第二實施例 清參照圖6A至6D。發光二極體30具有P型層3〇2、活性 層304、η型層306、以及基板3〇8。本實施例中，活性層3〇4 具有量子井結構。 由氧化鈣凸部3102製成的氧化層31〇形成於ρ型層3〇2 之上。本實施例中，氧化層31〇的厚度大於第一實施例中的 氧化層210。因此，當在氧化層31〇施以乾蝕刻製程（如電感 式耦合電漿蝕刻）時，會導致凹陷形成。與第一實施例相 比，凹陷的深度可藉由ρ型層3〇2和活性層3〇4延伸至η型層 306。 利用硝酸進行移除製程後，圖型化表面3〇22形成於發 光一極體30上。由於本實施例的發光二極體钱刻至η型層 306，因此出光效率比第一實施例更好。 本實細*例產生更》未凹陷所需的時間會比第一實施例更 為費日守。因為ICP钱刻的敍刻氧化層31 〇的能力差，在氧化 層310蝕刻達一預定程度前，已形成更深的凹陷。簡言之， 凹陷的深度可藉由乾触刻的反應時間和氧化層3丨〇的厚度 來加以控制。此外，當姓刻反應過後，凸部31 〇2的間距擴 201128801 大。也就是說，圖型化的程度可由乾蝕刻時間或氧化層31〇 的厚度所控制。 第三實施例 為了更容易在特定的發光二極體上形成一對接點，部 分的發光二極體將受蝕刻。此情形仍適用本發明。 請參照圖7A至圖7D。發光二極體40具有p型層402、活 性層404、η型層406、以及基板408。由於上述兩個實施例 已充份揭露各個元件的材料、蝕刻方法和移除步驟，遂不 再贅述。 在部分露出的η型層406上，形成具有數個氧化凸部 4102的氧化層410〇發光二極體4〇的ρ型層402的上表面未設 有氧化層410。在蝕刻和移除步驟後，氧化層41〇隨之移除。 η型層圖型4062因而成形。第三實施例繪示可在發光二極體 上表面任一特定區域進行圖型化，來增益出光效率（如蝕刻 製程可施行於該區域）。 第四實施例 請參照圖8。發光二極體50具有ρ型層502、活性層504、 η型層506和基板508。與第三實施例的發光二極體4〇相比， 發光二極體50具有露出的η型層506。在生長氧化層之後， 乾蝕刻發光二極體50,並移除殘餘的氧化層’分別在11型層 506和Ρ型層502的表面形成„型層圖型5〇62和ρ型層圖型 201128801 5022。最後，不管水平高度的差異’在整個發光二極體5〇 的上表面做圖型化。 第五實施例 在某些情況下’可施行第二次餘刻製程來加深發光二 極體的凹陷’以達成不同的出光效率。 請參照圖9A至圖9D。發光二極體60具有p型層6〇2、活 •性層604、η型層606、以及基板608。與第三實施例的發光 一極體40相比，發光二極體6〇具有露出的η型層。具有 凸部6102的氧化層610形成於發光二極體6〇上表面的上 方。如圖9Β，第一次乾蝕刻製程完成後，氧化層61〇的厚度 減少。凸部6102的間距增加。第一次乾蝕刻產生一致的凹 陷深度。 除了中央部分以外，發光二極體6〇為遮蔽層（未圖示） 所覆蓋。接著施行第二次乾蝕刻製程。如圖9C，發光二極 體60的中央部份蝕刻較深入。移除製程之後，形成了 n型層 _圖型化表面6062、姓刻較深的ρ型層圖型化表面6〇22、以^ 蝕刻較淺的ρ型層圖型化表面6〇24，如圖9D所示。蝕刻較深 的p型層圖型化表面6022的出光效率顯然較佳。 第六實施例 本發明的氧化層生長於發光二極體的上表面和侧邊。 因此，完成蝕刻和移除製程後，圖型於焉形成。如發光二 極體的表面並非平坦的傾斜表面，本發明仍適用。 201128801 請參照圖ίο。發光二極體70具有p型層7〇2、活性層 704、η型層706、以及基板708。發光二極體7〇的兩側邊有 坡度，其剖面為楔形。實際上，發光二極體的剖面形狀可 為矩形或上述的階梯狀。 在蝕刻和移除製程後，形成ρ型層圖型化表面7〇22、活 性層圖型化表面7042以及η型層圖型化表面7〇62。圖型可形 成於傾斜的表面。即使圖型形成於傾斜的表面，乾蝕刻所 蝕刻的凹陷仍會向下形成。 第七實施例 圖11繪示第五和第六實施例的組合。發光二極體8〇具 有ρ型層802、活性層804、η型層806、以及基板8〇8。發光 一極體8 0的兩侧邊有坡度。 藉由在發光二極體80上方形成氧化層（未圖示），蝕刻發 光二極體80的兩侧邊，蝕刻發光二極體8〇的中央部份並移 除氧化層，以形成。在第二次蝕刻製程後，顯然更加深了ρ 型層圖型化表面8022的凹陷深度。 第八實施例 上個實施例揭示在不同方向生長氧化層。不單是發光 二極體的上表面’氧化層亦可形成於發光二極體的側面。 凊參照圖12Α至圖12C。發光二極體90具有ρ型層902、 活性層904、η型層906、以及基板908。不同於其他實施例 所述的發光二極體，發光二極體90係利用乾蝕刻來移除其 201128801 ，側，P型層902、活性層904以及n型層9〇6的形狀為倒楔 為增益出光效率’發光二極體9Q的上表面及侧面亦需 進行圖型化。 一請參照圖丨2B。氧化層910覆蓋上述的表面。如圖13A 所不，應注意的是側面上的氧化層可同時沿著上表面的氧 化層形成，如圖13B。當施行乾蝕刻時，蝕刻粒子應與上表 面與側面的氧化層910相互碰撞。在移除製程後，圖型化表 鲁面9022在整個發光二極體9〇上露出，基板9〇8除外。 在上述實施例中，P型層形成於活性層之上，η型層形 成於活性層之下，然而ρ型層和η型層可互換。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明。反之’任何所屬技術領域中具有通常知識者，在 不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤 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。 ^
13 201128801 【圖式簡單說明】 圖1繪示習知之發光二極體。 圖2繪示本發明第一實施例圖型化發光二極體之流程圖。 圖3 A至3D繪示本發明第一實施例圖型化發光二極體之製 程。 圖4A至4D繪示發光二極體上不同形狀凸部的掃描電子顯 微鏡（SEM)影像。 〃 圖5繪示本發明第一實施例之蝕刻發光二極體的俯視圖。 圖6A至6D繪示本發明第二實施例圖型化發光二極體之製 _ 程。 圖7A至7D繪示本發明第三實施例圖型化發光二極體之製 程。 圖8繪示本發明第四實施例之圖型化發光二極體。 圖9A至9D繪示本發明第五實施例圖型化發光二極體之製 程。 圖10繪示本發明第六實施例之圖型化發光二極體。 圖11繪示本發明第七實施例之圖型化發光二極體。 籲 圖12A至12C繪示本發明第八實施例圖型化發光二極體之 製程。 圖13A至13B繪示具有凸部形成於其上的發光二極體的掃 描電子顯微鏡（SEM)影像。 14 201128801
【主要元件符號說明】 S101〜S105 步驟 20 發光二極體 202 P型層 2022 圖型化表面 204 活性層 206 η型層 208 基板 210 氧化層 2102 凸部 30 發光二極體 302 Ρ型層 3022 圖型化表面 304 活性層 306 η型層 308 基板 310 氧化層 3102 凸部 40 發光二極體 402 Ρ型層 4022 圖型化表面 404 活性層 406 η型層 4062 η型層圖型 基板 氧化層 凸部 發光二極體 P型層 P型層圖型 活性層 η型層 η型詹圖型 基板 發光二極體 Ρ型層 钮刻較深的ρ型層圖型化表面 钱刻較淺的ρ型層圖型化表面 活性層 η型層 η型層圖型化表面 基板 氧化層 凸部 發光二極體 Ρ型層 ρ型層圖型化表面 活性層 16 活性層圖型化表面 η型層 η型層圖型化表面 基板 發光二極體 Ρ型層 ρ型層圖型化表面 活性層 活性層圖型化表面 η型層 η型層圖型化表面 基板 發光二極體 Ρ型層 圖型化表面 活性層 η型層 基板 氧化層 17