TWI309481B - A light emitting device having a patterned substrate and the method thereof - Google Patents

Description

1309481 九、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種發光元件，尤其關於一種具圖案化 基板之發光元件及其製造方法。 【先前技術】 發光二極體(Light Emitting Diode; LED)由於具有省電 及使用壽命長之特性，被視為節能產業之一種典型產品， 未來取代傳統照明市場的潛力也因而備受期待。但LED 能否被廣泛運用於各種照明，取決發光效率之提昇及成本 之下降’而提高光取出效率即為影響發光效率之一重要因 素。 表面粗化已被視為提高發光二極體光取出效率的有 效方法之一，例如基板或最上層半導層之表面粗化。請參 考圖1為美國專利第6091085號所揭露具有表面粗化基板 之發光元件，其中LED10包括一藍寶石基板u，及形成 於其上表面之複數個凸起1Π及複數個凹陷112以散射發 光層14發出之光線，進而增加光取出敫率。複數個凸起 及複數個凹陷112可用機械研磨方式或離子蝕刻方式 隨機地在基板U與半_層13 表㈣成粗縫表 面此作法雖可藉由基板表面粗化提鬲光取出效率，但基 板表面同時㈣如離子㈣後等粗化過程中造成基板二 1309481 面之組成改變及晶格扭曲，而遭受破壞。另外，部份罩幕 材料或反應離子在過程中被濺擊而陷入基板表面至某一 深度，影響後續形成磊晶層之品質。至於機械研磨同樣會 對基板表面造成晶格結構之破壞，進而影響後續半導體層 例如GaN之成長品質，降低内部量子效率。

Wang 等人在 Journal of The Electrochemical Society, 153(3) Cl82-C185所發表之論文探討一種以無罩幕 (maskless)方式橫向再成長(Epitaxial Lateral Overgrowth ; • EL〇G)方法成長GaN層，其目的在改良傳統ELOG製程 因為需要一氧化石夕作為硬罩幕而增加之製程複雜度，其研 究主要在探討如何在藍寶石基板成長具有較低晶格缺陷 之GaN層，特別是藍寶石基板與GaN層的晶格不匹配 (lattice mismatch)所造成穿透錯位缺陷（Threading Dislocation Defect ; TDD)。其所揭露之方法係以澄钱刻方 式蝕刻藍寶石基板表面以形成複數個長條狀之v型或u • 型溝槽，並探討在不同蝕刻條件下所造成之藍寶石基板裸 露之晶面’對後續GaN橫向再成長（Epitaxial Lateral Overgrowth ’ ELOG)之穿透錯位缺陷密度之影響，以得到 較少穿透錯位缺陷之GaN層，提高磊晶層之品質。 【發明内容】 本發明提出具有圖案化基板之發光元件，該圖案化基 板具有複數個凹陷以散射由發光層發出之光線。該凹陷表 1309481 面具有較少之晶格破壞，並且包含複數個對稱之斜面區。 後續成長之半導體疊層可直接成長於該圖 案化基板上並 填入該凹陷以逹到較佳之光取出效率。 本發明之另-目的在於提供一種具有圖案化基板之 發光疋件，該圖案化基板具有複數個凹陷，該凹陷之開口 圖案係為圓滑之封閉曲線，例如圓形或橢圓形，使凹陷具 有平滑之表面。 本發明之另一目的在於提供一種具有圖案化基板之 籲發光7G件之製造方法，該方法包含在—基板上形成一圖案 化硬罩幕層，將包含圖案化硬罩幕層之基板以雜刻方式 於基板表面形成複數個凹陷。祕刻溶液係以雜為主， 蝕刻時間係控制在一預定時間内，使凹陷具有平滑之表 面，以利於後續之半導體層填入該複數個凹陷，逹到較佳 之光取出效率。 【實施方式】 # 請參考圖2A至2E逐步說明本發明所提供之製造方法 之實施例。如圖2A所示，首先提供一基板21，該基板幻 包含一種材料選自於藍寶石、GaN、SiC、Si、GJS、及 其他任何可用以在其上成長ΠΙ_ν族半導體之基板材料。 於該基板上形成一圖案化硬罩幕層22，其材質例如為二氧 化石夕’該圖案化硬罩幕層22之形成方法例如以一傳統微 影及蝕刻方式，先於該硬罩幕層上形成一光阻層，並對光 1309481 阻層進行曝光、_後，侧硬罩幕層至基板表面或過度 細-部份深度之基板，繼轉_光阻層。 — 請繼續參考圖2B’以該圖案化硬草幕層22為硬罩幕 將硬罩幕層之圖案以祕刻方式移轉至該基板Μ以形成 -圖案化基板2la。龍侧方式包括將包含圖案化硬罩 幕層22之基板21放置於一以碟酸為主之侧液中以對該 基板進行澄钱刻。為使渔侧能於較高溫度下進行，可添 加-部份之硫酸以提高溶液之满點，但鱗酸及硫酸組成以 鬱磷酸之重量百分比大於硫酸為宜，例如為2 : i，以維㈣ 酸溶液為主要餘刻液。操作溫度範園宜於攝氏25〇至35〇 度之，圍，因為低溫操作之钱刻率較低，钱刻時間相對較 長；高溫操作例如高於35〇度則不適合用於大量生產，因 為高溫容易造成酸液揮發，進而改變溶液濃度，造成姓刻 率不穩定’不利於生產穩定性；且高溫製程亦會有生產上 潛在之公安危害，及縮短溶液汰換時間（eydetime)，增 _加生產成本等缺點。依照本發明之一實施例，於填酸及硫 酸重量百分比為2 : 1且操作溫度約為攝氏320度之條件 下，截刻率約為0.6〜1微米/分鐘（仍取決於開口圖案大 小）。為使後續之半導體緩衝層較易填滿㈣化基板之凹 陷’蚀刻時間可適當控制在一預定時間範圍内，以控制凹 陷型態，例如使凹陷具有一平滑底部表面。 於溼钱刻完舰’將殘存之硬罩幕層22移除，形成 包含複數個凹陷之圖案化基板21a，如圖％所示。各凹 1309481 陷之直徑範圍約為0.5至i〇um，深度範圍約為0.025至 8um ’深度及直徑之比值範圍則約為〇 〇5至〇 8。 接著成長一半導體緩衝層23於圖案化基板21a上，如 圖2D所示’該半導體緩衝層23可為包含至少一種材料 選自於AIN、GaN、InGaN、AlGaN、及其他三族氮化物所 組成之材料群組。於本發明之一實施例，該半導體緩衝層 23大致填滿該凹陷，以減少孔隙在凹陷内產生，進而減少 光線在孔隙内產生全反射，使光線容易進入基板，逹到較 • 佳之基板散射效果。 請繼續參考圖2E，於該半導體緩衝層23上依序形成 發光疊層24及一透明導電層25,其中該發光疊層24可為 以GaN為主之氮化物結構，包括依序形成一第一電性半導 體層241、一活性層242、及一第二電性半導體層243。該 第一電性半導體層241可為η型或p型半導體層，該第> 電性半導體層243則為具有與第一電性半導體層241相反 φ 電性之半導體層’該活性層242之結構可為習知之結構如: 雙異質接面（Double Heterojunction; DH)或多層量子外 (Multi-Quantum Well;MQW)以增加内部發光效率。該透明 導電層可為金屬或金屬氧化物，例如Ni、An、氧化銦錫、 氧化编錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅紹、或氧化鋅錫。 接著以傳統之微影蝕刻方式進行圖案化，以裸露該第 一電性半導體層241之一部份，之後形成一第一電極27 於該第一電性半導體層241之上，及形成一第二電極扣 1309481 於該透明導電層25之上。該方法更包括於該圖案化基板 21a之下表面形成一光反射層28，光反射層28係包含至 少一種材料選自於 Sn、A卜 Au、Pt、Ag、Ti、Cu、PbSn、 AuZn、Si02、Al2〇3、SiNx、及Ti02所構成之材料群組e 圖3顯示不同之溼蝕刻時間對應在基板所形成之凹陷 剖面型態之示意圖。於本發明之一實施例，基板之表面係 由藍寶石C面所構成，凹陷表面圖案為圓形，钱刻條件例 如磷酸及硫酸重量百分比為2 : 1，操作溫度約為攝氏32〇 度。如圖3所示之凹陷311、312、及313分別對應蝕刻時 間為60、90、及120秒。凹陷311由凹陷開口 3Ua、約 為二角形之凹陷底部區311b、及包圍該凹陷底部區3Ub 之二個對稱之斜面區311c所組成，其中該凹陷底部區3Ub 之面積與凹陷開口 311a之面積比值約為〇.35，且該凹陷 底部區311b包含例如藍寶石（：面（即具有{〇〇〇1}晶格面）， 三個對稱之斜面區311c包含例如藍寶石R面（即具有 馨{MG2}晶格面）’其中該斜面區之剖面在靠近凹陷上端及 底端均為圓滑曲線，並且在靠近底部區具有圓滑的轉角。 凹陷312類似於凹陷3U，由凹陷開口 312a、約為三角形 之凹陷底部區312b、及包圍該凹陷底部區312b之三個對 稱之斜面區312c所組成，其中該凹陷底部區312b之面積 與凹陷開口 312a之面積比值約為0.18，且該凹陷底部區 包含例如藍寶石c面（即具有{〇〇〇1}晶格面），三個對 稱之斜面區31几包含例如藍寶石R面（即具有{1-102}晶格 1309481 面），其中該斜面區之剖面在靠近凹陷上端及底端均為圓滑 曲線，並且在靠近底部區具有圓滑的轉角。凹陷313則不 同於凹陷311或312,係僅由凹陷開口 312a及三個對稱之 斜面區313b所組成，且該三個對稱之斜面區M3b交於凹 陷低點0’其中該斜面區之剖面在靠近凹陷上端為圓滑曲 線。由@ 3可看出隨著似j相增加，凹陷底部區逐漸減 少，而斜面區則隨之增加，其原因為蝕刻溶液對此二個區 域所具有之晶格面，例如凹陷底部區所具有之藍寶石c面 • 及斜面區所具有之藍寶石R面之餘刻率不同所造成；亦即 藍寶石C面之蝕刻率大於藍寶石R面之蝕刻率。 圖4為不同钱刻時間所形成之圖案化藍寶石基板相對 於平坦藍寶石基板(未蝕刻）對發光元件之光輸出功率之效 能改善曲線。由曲線可知，在蝕刻時間為 30 、 60 、 90 及 120秒之條件下所形成之圖案化基板，相對於平坦藍寶石 基板，對發光元件之光輸出功率約有24%、16%、15%及 • 5%之改善’其中在120秒條件下形成之凹陷較不利於後續 •半導體緩衝層填入凹陷，所以對光輸出功率之改善幅度較 不顯著，但熟悉此技藝之人士仍可藉由微調磊晶沉積之參 數，使半導體緩衝層大約填入該凹陷，逹到顯著之效果。 因此，若適當控制蝕刻時間在一預定時間内，可使該凹陷 具有一凹陷底部區，例如餘刻時間控制在15秒至1 〇〇秒 之間所形成之凹陷，可得一凹陷底部區，凹陷底部區面積 與凹陷開口面積之比值約介於〇15至〇·75，光輸出功率可 1309481 得到ιό%以上之提昇。 圖5及圖6顯示圖案化基板相對於平坦基板，在不同 驅動電机下董十發光元件之外部量子效率及光輸出功率曲 線圖。由圖可知依本發明所得之具有圖案化基板之發光元 件與傳統之具有平面基板之發光元件比較，本發明在〇至 200毫安培之驅動電流範圍下，不管在外部量子效率或輸 出功率方面均有穩定之提昇效果。 本發明所列舉之各實施例僅為用以說明本發明，並非 ⑩⑽關本發明之範圍。任何人對本發⑽作之任何修飾 或變更皆不脫離本發明之申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 圖1為一示意圖，顯示依先前技藝所示之一發光元件； 圖2A至2E為示意圖，顯示依本發明製造方法之各步驟示意 团 · 國， ❿圖3為一示意圖，顯示依本發明所形成之圖案化基板剖面及 其對應之上視圖； 圖4揭示依本發明在不同蝕刻時間所形成之圖案化基板對發 光元件之光輸出功率改善曲線； 圖5揭示依本發明之發光元件所測得之驅動電流對外部量子 效率之曲線； 圖6揭示依本發明之發光元件所測得之驅動電流對光輸出功 12 1309481 率之曲線。 【主要元件符號說明】 10、 20 :發光元件； 11、 21、21a :基板； 111 :凸起； 112、311、312、313 :凹陷； 13、 241 :第一電性半導體層； 14、 242 :活性層； 15、 243 :第二電性半導體層； 16、 26 :第二電極； 17、 27 :第一電極； 22、32 :硬罩幕層； 23 :半導體緩衝層； 25 :透明導電層； 28 :光反射層； 311a、312a、313a :凹陷開口； 311b、312b :凹陷底部區； 311c、312c、313c :凹陷斜面區； Ο :凹陷低點； XX’ ：凹陷311之切面； YY’ ：凹陷312之切面； ZZ’ ：凹陷313之切面。

Claims (1)

1. 、申請專利範園： :種半導體發光元件，包含： 圖案化基板上並填入該複數個 一:導:基板，包含複數個具開口之凹陷 +導體緩衝層，形成於該 四陷； 一發光最；，^ —笛^ %成_半導體緩衝層上，該發光疊層包含 體層；以及 層一活性層、及一第二導電型半導 一第一電極與一楚一 該第_ it 一電極分別與該第一導電型半導體層及 其c半導體層電性連接； 包含-底=開口圖案為—®滑封_線，並且該凹陷更 積之士括& &且該凹之底部區面積與該凹陷之開口面 積之比值叫於G.15至0.75。 2. 如數=Γ:項所述之發光元件，該凹陷包含複 3. 請專利範除項所述之發光元件，其中該底部區舆該 复數個對稱之斜面區相鄰接。 :申呀專利範圍第3項所述之發光元件，其中該底部區為一 平面、曲面、或大致為一點。 1309481 5. 如申請專利範圍第3項所述發光元件，其中該基板材質包含 藍寶石。 6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該複數個對稱 之斜面區包含至少三個對稱之藍寶石R面。 7. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件’其中該底部區至少 包含藍寶石C面。 8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該凹陷之開口 係由一圓形或橢圓形曲線所界定。 9. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該凹陷之直徑 約為0.5至l〇um。 10. 如申請專利範圍第9項所述之發光元件，其中該凹陷之深度 約為0.025至8um。 11. 如申請專利範圍第1 〇項所述之發光元件，該凹陷之深度與直 徑之比值約為〇.〇5至0.8。 12. 如申請專職圍第丨項輯之發光元件，其中該半導體叠層 包含III族氮化物。 胃 13.—種發光元件之製造方法，其包含下列各步驟： 15 1309481 形成-圖案化罩幕層於-基板上，以裸露該基板之一部份； - 以溼蝕刻方式移除該裸露部份至一預定深度，以形成複數 - 個具開口之凹陷； 移除該罩幕層；以及 軸-半導ϋ層於該基板上使該半導_填人該複數個凹 陷； 其中所述之溼蝕刻方式係以硫酸及磷酸之混合溶液蝕刻該 鲁 基板，並且該混合溶液中磷酸之重量百分比大於硫酸之重 量百分比。 I4.如申請專利範圍第η項所述之製造方法，其中形成該圖案化 罩幕層於該基板上更包括以下步驟： 形成一圖案化光阻層於一罩幕層上，以裸露該罩幕層之一 部份； 3 • 以溼蝕刻或乾蝕刻方式去除該裸露之部份，以裸露該基板 之一部份；以及 移除該圖案化光阻層。 15·如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中所述之祕刻 方式之操作溫度約為攝氏250至350度。 16.如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該凹陷包含一 底。卩區及鄰接於該底部區之複數個對稱之斜面區。 16 1309481 17. 如申請專利範圍第16項所述之製造方法’其中該底部區為— 平面、曲面、或大致為一點。 18. 如申請專利範圍第16項所述之製造方法’其中該凹陷之底部 區面積與該凹陷之開口面積之比值介於0.15至0.75。 19·如申請專利範圍第16項所述之製造方法，其中該圖案化基板 之材質包含藍寶石。 2〇’如申凊專利範圍第19項所述之製造方法’其中該複數個對稱 之斜面區包含至少三個對稱之藍寶石R面。 21. 如申請專利範圍第19項所述之製造方法，其中該底部區包含 藍寶石C面。 22. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該凹陷之開口 係由一圓形或橢圓形曲線所界定。 23. 如申請專利範圍第22項所述之製造方法，其中該凹陷之直徑 約為0.5至l〇um。 24·如申請專利範圍第23項所it之製造方法’其中該⑸陷之深度 約為0.025至8um。 25.如申請專利範圍第24項所述之製造方法，該凹陷之深度與直 17 1309481 徑之比值約為0.05至0.8。 26.如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該半導體疊層 包含III族氮化物。

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