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TWI462325B - 藉由粗糙化以改善光萃取之發光二極體 - Google Patents

藉由粗糙化以改善光萃取之發光二極體 Download PDF

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TWI462325B
TWI462325B TW096149357A TW96149357A TWI462325B TW I462325 B TWI462325 B TW I462325B TW 096149357 A TW096149357 A TW 096149357A TW 96149357 A TW96149357 A TW 96149357A TW I462325 B TWI462325 B TW I462325B
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light
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roughening
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etching
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TW200843149A (en
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Chuong Anh Tran
Trung Tri Doan
Chen Fu Chu
Ho Chun Cheng
Feng Hsu Fan
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Semi Photonics Co Ltd
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    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
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    • H10H20/819—Bodies characterised by their shape, e.g. curved or truncated substrates
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    • H—ELECTRICITY
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Description

藉由粗糙化以改善光萃取之發光二極體 【相關申請案的交叉參考】
本申請案為2005年1月11日申請之美國專利申請案第11/032880號的部份連續案，在此合併其全部內容作為參考。
本發明係關於發光二極體，尤有關於增強其光萃取之新LED結構。
發光二極體(LEDs)係一轉化電能為光的重要固態裝置之類別。LEDs通常提供夾於兩對向摻雜層之間的半導體材料活性層。當施加偏壓通過摻雜層，電洞及電子即被射入該活性層，於此處其在結合以產生光。由活性區域所產生的光沿全部方向放射並且經由所有暴露表面而自半導體晶片逸出。
由於半導體材料已加以改良，故半導體裝置的效能亦已改善。新的LEDs正由如InAlGaN之材料所製成，其允許在紫外光至黃褐光光譜中之有效發光。相較於習知光源，許多新LEDs在將電能轉換成光時更有效率且更加穩定可靠。因為LEDs的改善，故預期其在許多應用中將取代習知光源，如交通號誌燈、室外與室內顯示器、汽車頭燈與尾燈、及傳統室內照明等等。
習知LEDs的效率受限於無法發射由其活性層所產生之所有光線。當供給LED能量時，自其活性層發射之光線(沿所有方向)將以許多不同角度到達發射表面。典型之半導體材料比周圍空氣(n=1.0)或封裝樹脂(nl.5)有較高之折射率(n2.2-3.8)。根據史奈爾定律，光線自具有高折射率的區域行進到在某一臨界角度(相對於表面法線方向)內之具有低折射率的區域，將穿越較低折射率的區域。以超過臨界角度到達表面之光線將不會穿出表面，但是會經歷內部全反射(TIR)。在LED的情況中，TIR光線可持續於LED 內反射，直到被吸收為止。由於該反射現象，多數由習知LEDs所產生之光線並未發射出去，降低了本身之效率。
一種降低TIR光線比例之方法為於LED表面上以隨機形成紋理(random texturing)之形式建立光散射中心。該隨機形成紋理係藉由在反應性離子蝕刻期間以在LED表面上之次微米直徑聚苯乙烯球體作為遮罩而經圖案化於表面。已形成紋理表面具有光波長階次(order)之特徵部，該特徵部因隨機干涉效應而以史奈爾定律無法預測之方式折射或反射光線。此方法已經證明可改善發光效率9至30%。
如同美國專利第6821804號中所討論者，表面形成紋理的一項缺點為其會阻礙在已形成紋理電極層之導電性不良之LEDs中的有效電流散佈，如p型GaN。在較小裝置或者具有良好導電性之裝置中，來自p型及n型層接點之電流將散佈遍及各層。在較大裝置或者由具有不良導電性之材料所製成之裝置中，電流無法從接點散佈遍及各層。因此，部份活性層將不會有電流流過且將不會發光。為了在整個二極體區域產生均勻電流注入，可將導電材料之散佈層沉積於表面上。然而，此散佈層通常必須具有透光性，以使光可經傳送通過該層。當LED表面上引進一隨機表面結構時，實際上細薄且透光之電流散佈層即無法輕易地沉積於其上。
增加來自LED之光萃取的另一方法係包含發光表面或者內部介面之週期性圖案化，其係將光線方向由內部捕獲角(internally trapped angle)再改變至藉由表面形狀與週期所決定之定義模式，請參考Krames等人之美國專利第5779924號。此技術為隨機形成紋理表面之特殊案例，其中干涉效應不再為隨機，且該表面將光線耦合成特別模式或方向。此方法之一項缺點為此一結構可能不易製造，因為該表面之形狀與圖案必須均勻且極微小，為LED光之單一波長的階次。將如上所述之光學透明電流散佈層沉積於此圖案上亦存在著困難。
增加光萃取已藉由使LED發光表面形成為在其中心處具有一 發光層之半球體而實現。雖然此結構可增加發光量，但其製造卻不容易。Scifres及Burnham之美國專利第3954534號揭露了一種LEDs陣列的形成方法，其中在每一LEDs上方均具有各自之半球體。該半球體係形成於基板上，且二極體陣列係生長於該半球體上。該二極體與透鏡結構接著即自基板上蝕刻去除。此方法之一項缺點為：基板介面處形成該結構將受到限制，且自基板上剝離該結構將導致製造成本增加。又，每一半球體正上方皆有一發光層，其需要精準之製造技術。
美國專利第5431766號揭露了矽在無水分及氧氣下之光電化學氧化與分解。於無水HF-乙腈(MeCN)溶液中之蝕刻速率與光電流係直接正比於至少高達600mW/cm2 的光強度，產生了大於4微米/min之空間選擇蝕刻速率。由於電子係自高能量反應中間體射入，故產生每一矽分子有4個電子轉移反應，具有大於3.3之量子產率。
美國專利第5793062號揭露一種用以增強來自LED之光萃取的結構，其係藉由包含光學非吸收層以將光線導離如接點之吸收區域，且亦將光線導向LED表面。此結構之一項缺點為：非吸收層需要形成底切狹角層(undercut strait angle layers)，其不易於許多材料系統中製造。
美國專利第6744071號揭露一種具有相對端子結構之氮化物半導體元件，其端予彼此相對。該氮化物半導體元件包含依序位於支撐基板上之一導電層、一第一端子、一具有發光層之氮化物半導體、以及第二端子。該第一端子及一第一絕緣保護層係介於該導電層與該氮化物半導體之第一導電型氮化物半導體層之間。
美國專利第6821804號揭露在LED上或其內部具有光萃取結構以增強其效能之LEDs。該新型光萃取結構提供用以將光線反射、折射或散射至有利於光線逃逸進入封裝內之方向的表面。該結構可為光萃取元件或色散層之陣列。該光萃取元件可具有許多不同形狀且可設置於許多位置中，以增強LED之效率而優於習知 LEDs。該色散層提供光線之散射中心並且同樣地可設置於許多位置中。
如同在美國專利第6821804號中所更進一步討論者，另一種增強光萃取之方法係於LED發光表面上之薄膜金屬層內將光子耦合成表面電漿子模式，其中光子係經發射返回成輻射模式。這些結構係依靠自半導體上發出之光子耦合成金屬層中之表面電漿子，該表面電漿子則再耦合成最後被取出之光子。此裝置之一項缺點為難以製造，因為該週期性結構係一具有淺凹槽深度(<0.1μm)之一維刻線光柵(one-dimensional ruled grating)。此外，整體外部量子效率低落(1.4~1.5%)，極可能是因為光子至表面電漿子以及表面電漿子至周圍空氣之光子轉換機制效率不彰所致。該結構亦存在與上述電流散佈層相同之難處。光萃取亦可藉由使LED晶粒之側表面傾斜以產生一倒轉截形金字塔而改善，該斜向表面為陷落.於基板材料中之TIR光線提供一發光表面。利用此方法可使InGaAlP材料系統增加35%~50%之外部量子效率。此方法對於其中有大量光線陷落於基板之裝置而言是可行的。然就生長於藍寶石基板上之GaN元件來說，多數光線係陷落於GaN薄膜中，以致於使LED晶粒之側表面傾斜將無法提供所期望的增強作用。用以增強光萃取之再一方法為光子再循環。此方法係依靠LEDs具有高效率活性層，其可輕易地將電子與電洞轉換成光，且反之亦然。TIR光線反射離開LED表面並撞擊活性層，其係於此處轉變回電子電洞對。因為該活性層之高效率，電子電洞對幾乎立即地再轉換成光，再度沿任意方向發出。部份再循環光線將撞擊在臨界角度內之LEDs發光表面其中之一並逸出。反射回活性層之光再次經歷相同過程。
茲揭露一種半導體發光二極體(LED)裝置之製造系統與方法，其係藉由在LED裝置上形成一n型氮化鎵(nGaN)層製造而 成；以及使nGaN層之表面粗糙化以自LED裝置內部增強光萃取。
上述系統的實施可包含以下其中之一或更多。LED晶圓之nGaN層藉由光電化學氧化以及蝕刻處理予以粗糙化。LED晶圓包含：一導電基板(如Cu、W、Mo或其合金)；一或更多磊晶層；一或更多歐姆接點以及位於磊晶層與導電基板間之反射金屬層(例如Ni、Au、Pt、Cr、Ti、Pd及Ag)；一保護層，例如在獨立式LED之側壁上之SiO2 、Si3 N4 或SiON；以及在頂部nGaN層上之n型電極。該光電化學氧化及蝕刻處理可在含水溶液之系統、照明系統以及電偏壓系統中實施。該水溶液可為氧化劑以及酸性或鹼性溶液之組合，其中氧化劑可為H2 O2 、K2 S2 O8 其中之一或其組合，酸性溶液可為H2 SO4 、HF、HC1、H3 PO4 、HNO3 及CH3 COOH其中之一或更多，鹼性溶液可為例如KOH、NaOH、NH4 OH其中之一或其混合物。藉由具有波長範圍在可見光與紫外光光譜間之Hg或Xe弧光燈系統來實施照明。用小於200mW/cm2 之強度將照明暴露在n型Ⅲ-氮化物半導體上。可將電偏壓施加於導電基板且將其電壓控制於-10與+10V之間。氧化支配、蝕刻支配、或其組合反應可藉由改變水溶液之組成、電偏壓以及照明強度加以控制，以將nGaN表面之粗糙度最佳化。不規則紋理型態亦於此粗糙化處理後顯露出來。
粗糙化處理可應用於晶圓級之nGaN在上垂直LED之暴露nGaN。在將GaN基底LED磊晶薄膜轉移到導電基板後，即於n型GaN層上形成n型電極(如Cr/Ni)。n型金屬焊墊不只是作為歐姆接點而已，亦是後續粗糙化處理所用的遮罩。粗糙化處理係於n型電極金屬化後藉由光電化學(PEC)氧化以及蝕刻方法實施。在光照下將晶圓浸沒入水溶液中以及使導電基板電偏壓。水溶液係氧化劑與酸性或鹼性溶液之組合。n型GaN之粗糙化表面將顯露出不規則紋理型態，其不同於金字塔、圓錐體或半圓形型態。藉由改變溶液組成、偏壓電壓以及照光強度，可將粗糙化機制控制成氧化支配或蝕刻支配反應。表面粗糙度之RMS值係控制在0.05 μm至2微米。選擇粗糙化表面尺寸，以於約1/2λ下使光最佳化地散射。在另一實施中，粗糙化表面之有效折射率大約是2.0~2.5。
粗糙化表面的優點可包含下列其中之一或更多。粗糙化表面在GaN上產生一有效粗糙表面以自內部取出更多光。相較於具有平滑表面之LEDs，具有不規則紋理表面之LEDs的照度可增強超過兩倍。
就相同晶粒尺寸/功率消耗而言，LED可提供更多光線。或者，假設相同光輸出需求，LEDs可製作得更小，且此種較小尺寸將消耗較少功率及資源，節省成本。LEDs可以標準處理技術加以製造，使其相較於標準LEDs相當地具有成本競爭力。
本發明之一實施例為一方法。此方法通常包含：提供一發光二極體(LED)晶圓組件；施加一遮罩至n摻雜層的一表面；蝕刻該n摻雜層的該表面，使得在該表面中形成蝕刻凹洞；移除該遮罩；並將包含該蝕刻凹洞之該n摻雜層的該表面加以粗糙化或形成紋理。該LED晶圓組件通常包含：一導電基板；一p摻雜層，配置於該導電基板上；一活性層，配置於該P摻雜層上；及一n摻雜層，配置於該活性層上。
本發明之另一實施例為一方法。此方法通常包含：施加一遮罩至發光二極體(LED)晶圓之表面；蝕刻該LED晶圓之該表面，使得在該表面中形成蝕刻凹洞；移除該遮罩；並將包含該蝕刻凹洞之該LED晶圓的該表面加以粗糙化或形成紋理。
圖1係顯示一實施光電化學(PEC)氧化與蝕刻處理之示範性系統。電解質溶液之本質在確保高蝕刻速率及確保直接與光強度成正比之蝕刻速率時特別重要。PEC蝕刻處理係施行於圖1所示之系統中。在此系統中，光係藉由一光源而投射在位於支座10上方且由夾鉗12固定之LED晶圓的表面上，該LED晶圓係與電解質溶液16相接觸。光強度可選擇性地加以變化，以藉此選擇性地改 變蝕刻速率。該電池可具有許多幾何配置以及可由任何適當材料組成，以支撐LED半導體晶圓並容納含離子之電解質溶液16。可將電池之特定配置最佳化，以用於大容積產業應用。一參考電極14(如鉑電極14)經由電池本體而延伸至電解質溶液16中。參考電極14建立了參考電壓Vref 且其通常由金屬導線形成，如鉑或銀導線，為了便利起見，可由飽和甘汞電極(SCE)或由任何其他電極機構來形成。
發生於電池中之電化學反應係由穩壓器供給電能並加以監測，於此項技藝中其已為人所熟知。穩壓器包含：一電流偵測器，與用以跨越電極施加電位之源電壓相串聯；及一接線，將穩壓器連接至半導體晶圓。該接線可經由任何黏合機構而固定至半導體晶圓。
-在實施於圖1之系統內的PEC蝕刻處理中，半導體晶圓為氧化還原反應之一部份。半導體晶圓成為陽極且對向電極成為陰極。對半導體晶圓施加電位，於製程中利用參考電極14測量與監測電位。在半導體晶圓與電解質溶液16間之介面處，因光生成電洞所誘發之分解反應而引起蝕刻。
圖2A係顯示在針對各種不同持續時間之氧化支配條件下，具有金屬遮罩之第一樣品的表面輪廓圖。該樣品晶圓包含一基板30、一GaN薄膜32、一具有粗糙化表面之金屬遮罩34。在氧化支配條件下持續200秒之具有金屬遮罩之第一樣品的表面輪廓圖係顯示於圖2B，持續400秒者顯示於圖2C，而持續600秒者顯示於圖2D。
圖3係顯示在針對各種不同持續時間之蝕刻支配條件下，具有金屬遮罩之第二樣品的表面輪廓圖。該樣品晶圓包含一基板30、一GaN薄膜32、一具有粗糙化表面之金屬遮罩34。在氧化支配條件下持續200秒之具有金屬遮罩之樣品的表面輪廓圖係顯示於圖3B，持續400秒者顯示於圖3C，而持續600秒者顯示於圖3D。
圖4係顯示一垂直LED晶圓的結構。一示範性nGaN層在上LED之多層磊晶結構係顯示於一金屬基板70上，在此實施例中其可為一厚的銅層。形成於金屬基板70上的多層磊晶結構包含一nGaN基底層80、一MQW活性層78以及一反射器/接觸層74。n接觸層82形成於nGaN層的頂部上。舉例來說，nGaN基底層80之厚度為4微米。
多層磊晶層可藉由以下步驟而形成：在一載具基板(未顯示)上沉積一nGaN部份(如nGaN層80)；在該nGaN部份上沉積活性層(如MQW活性層78)；在該等活性層上沉積一pGaN部份(如pGaN層76)；沉積一或更多第一金屬層(如反射器/接觸層74)；施加一遮罩層(未顯示)；及蝕刻該金屬、pGaN層、活性層與nGaN層。可接著移除該遮罩、沉積一鈍化層(如層84)並將該pGaN之頂部上的一部份鈍化層移除以暴露一或更多該第一金屬層。可沉積一或更多第二金屬層(如層72)、沉積一金屬基板(如金屬基板70)、移除該載具基板(未顯示)以暴露該nGaN部份並粗糙化該nGaN部份。
MQW活性層78可為InGaN/GaN MQW活性層。一旦將電功率饋入於nGaN基底層80與接觸層74之間，MQW活性層78便可受激發而因此產生光，所產生的光具有介於250nm與600nm間之波長。p型層76可為p+ -GaN基底層，如p+ -GaN、p+ -InGaN或P+ -AlInGaN層，且其厚度可介於0.05-0.5微米之間。圖5係顯示在粗糙化製程後垂直LED晶圓之橫剖面圖。如圖5至圖6所示，不規則紋理型態係於nGaN表面上形成。
圖5係顯示在圖4之LED之金屬層上的粗糙化表面之橫剖面圖，而圖6顯示該粗糙化表面之示範性SEM影像圖。於該表面上之變化可有效地使表面粗糙化，且使得對於空氣之折射率具有較佳匹配度。因此，該效果促使自LED內部更好的光萃取。
雖然本發明已參照其某些較佳實施例甚為詳細地加以說明，但亦可有其他變化形式。在另一實施例中，GaN層的表面係利用 球/球體或利用濕式/乾式蝕刻技術予以粗糙化。利用LEE陣列之其他LED結構亦為熟悉此項技藝者所能預見。該新LED可具有不同組合的LEE(光萃取元件)陣列與色散層。相鄰LEE之間的LEEs可具有不同形狀、尺寸、間隔且可設置於不同位置中。同樣地，色散層可由不同材料所製成且設置於不同位置中。因此，所附申請專利範圍之精神與範疇不應限制於上述之較佳實施例。
另一種示範性表面粗糙化技術
本發明之實施例提供用於增加發光二極體(LEDs)之光萃取的技術，當LED半導體晶粒係配置在一晶圓上或為一晶圓組件的一部份時，可應用此種技術。可將上述技術應用到任何LED晶圓或包含多晶粒的晶圓組件，並提供垂直發光二極體(VLED)晶粒的情況作為例子。在以下圖式中，只顯示三個VLED晶粒，但此實為代表一LED晶圓上的多晶粒。
現在參考圖7A，VLED晶粒700可形成於一載具基板702上，如藍寶石、矽、碳化矽(SiC)及砷化鎵(GaAs)。VLED晶粒700可包含由Ⅲ族/V族化學元素組成的數種複合半導體磊晶層，如GaN、AlN、InN等等。舉例來說，在載具基板702上沉積n摻雜層704(如nGaN)。在n摻雜層704上沉積用以發光之活性層706，並且在活性層706上沉積p摻雜層708(如pGaN)。
就某些實施例來說，在p摻雜層708上沉積一反射層710，俾以將活性層706發出的光線反射並導引至n摻雜層704的發光表面。反射層710可包含任何合適的反射性及導電性材料，如Al、Ag、Au、Ni、Pt、Cr、Ti、Pd、Ti/Ag、Ti/Al、Ni/Ag、Ni/Al、Al/Ni/Au、Ag/Ni/Au及其合金。
就某些實施例來說，如圖7B中所示，可將鈍化層712沉積於VLED晶粒700之間，俾以在晶粒分離期間保護VLED晶粒。鈍化層712可為光敏或非光敏材料，如聚合物、聚醯亞胺、SU-8、NR-7、AZ5214E、熱塑體、ZnO、Ta2 O5 、TiO2 、HfO或MgO。
現在參考圖7C，在配置於載具基板702上的VLED晶粒700 上，形成一晶種金屬層714。由沉積或無電電鍍所形成的晶種金屬層714，可由任何合適的金屬或金屬合金所組成，例如Cr/Au、Cr/Au/Ni/Au、Cr/Au/Ti/Ni/Au、Ti/Au、Ti/Ni/Au、Ni/Au、Pt/Au、TaN/Au或TiN/Au，其容許額外金屬層的成長。如圖7D中所示，可利用電鍍(EP)或無電電鍍來成長一或更多額外金屬層716以形成一導電基板718。導電基板718除了導電以外，還可讓熱有效地散離VLED晶粒700的pn接面。經電鍍的金屬層716可包含任何合適的金屬或金屬合金，如Cu、Ni、Ni-Co、Ag、Au、Cu-Co、Cu-Mo、Ni/Cu、Cu/Ni-Co/Cu、CuNi-Co/Cu/Ni-Co或Ni/Cu-Mo。如果利用一個以上的金屬層716時，各別金屬層716可包含不同材料。典型上，金屬層716厚度的範圍是從50至200μm。
在形成導電基板718之後，可如圖7E中所顯示的將載具基板702移除，俾以暴露複數之VLED晶粒700之n摻雜層704的表面720。此移除可藉由各種合適技術來完成，例如雷射剝離、濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、拋光及研磨。
現在參考圖8，就某些實施例來說，可將LED晶圓組件722反轉，俾以在n摻雜層704的表面720上進行額外步驟。於此階段下，表面720實質上是平坦的，並且當從頂部或側部觀看LED晶圓組件722時，n摻雜層704不太可能存在有很多表面變化。雖然在此處理階段，自活性層706發出的部份光線724可從n摻雜層的表面720發射出去，然而根據前述的史奈爾定律，以超過臨界角度抵達表面720的光線724將很可能無法穿過並經歷內部全反射(TIR)，因此需要額外的處理。
因而，如圖9中所示，可施加一遮罩726至n摻雜層704的表面720，且接著蝕刻該表面720，俾以增加用於增強VLED晶粒700之光萃取的n摻雜層之表面面積。藉由濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、乾式蝕刻(如電感耦式電漿/反應性離子蝕刻(ICP/RIE))或其組合，可完成該蝕刻。遮罩726的組成可為任何硬到足以承受重複蝕刻之合適材料，如Ni、SiO2 、Si3 N4 或光阻。可將遮罩726以 任何所欲方式加以圖案化，以使表面720可加以選擇性蝕刻。就某些實施例來說，遮罩726例如可擁有格子、棋盤(如所示)、蜂巢、三角形、矩形或其他形狀的多邊形圖案。就某些實施例來說，可組合所欲多邊形之不同尺寸或組合不同多邊形，俾以將遮罩726加以圖案化。
在n摻雜層704之表面720已被蝕刻之後，將遮罩726移除而留下如圖10A所示之晶圓組件。表面720可具有數個移除材料的蝕刻凹洞728，因而在所示之二維橫剖面圖中，留下數個齒狀物730以形成一梳齒狀表面。在圖10A之頂視圖中，顯示表面720之蝕刻凹洞728及齒狀物730的棋盤圖案。由於蝕刻凹洞728及齒狀物730所產生的表面面積(B)大過於圖8之n摻雜層704的表面面積(A)，所以這些特徵部可增強光發射率。因而，在此處理階段下，根據史奈爾定律及TIR理論，可從表面萃取更多光線724。
就如圖10B所示之某些實施例來說，可將n摻雜層704蝕刻到幾乎穿過，使得蝕刻凹洞728之深度可接近活性層706達1至10nm。所產生的表面激化特徵部(SEF)732可增加LED半導體之狀態密度及自發射率。SEF732亦可導致SEF/量子井耦合之強化。因而，可進一步增強光萃取。
就利用圖9之遮罩726的其他實施例來說，可利用化學濕式蝕刻來蝕刻表面720。由於使用於LED製造之很多複合半導體材料(如GaN)的晶體結構，所以六角形金字塔結構可形成於圖10C所示之n摻雜層704中。濕式蝕刻且從而六角形金字塔結構的尺寸可受到良好控制。
現在參考圖10D，對於某些實施例來說，具有如圖9所示之遮罩726的LED晶圓組件，可被完全蝕刻穿過n摻雜層704、活性層706及p摻雜層708。依此方式，可形成微盤或微環VLED結構。藉由控制遮罩726的尺寸及週期，可產生如奈米棒VLED之奈米級結構。當相較於圖8之n摻雜層704的表面720時，微盤、微環及奈米棒VLED結構皆具有增大的表面面積，因而這些 結構可提供優於習知VLED結構之增強光萃取。對於n摻雜層704被完全蝕刻穿過的某些實施例來說，可將活性層706部份或完全蝕刻穿過。如果活性層706被完全蝕刻穿過的話，就某些實施例來說，可將P摻雜層708部份或完全蝕刻穿過。
現在參考圖11，可將圖10A(或上述其他實施例)之頂視圖及橫剖面圖中的n摻雜層704之表面720加以粗糙化或形成紋理，俾以增加表面面積且從而光萃取再更進一步。就某些實施例來說，藉由包含濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、乾式蝕刻或上述之光電化學(PEC)氧化及蝕刻的任何合適技術，可將具有圖案化蝕刻凹洞728之表面720加以粗糙化。就其他實施例來說，藉由施加次微米尺寸物體(如聚苯乙烯球體)至包含蝕刻凹洞728之表面的n摻雜層之表面720，可增加n摻雜層704的表面面積。
雖然本發明已藉由舉例及就較佳實施例加以敘述，惟應了解本發明並非限制於此。相反地，本發明應包含各種修改例及類似結構及步驟，且因此所附申請專利範圍之範疇應給予最廣義之解釋，以包含所有此類修改及類似結構及步驟。
10‧‧‧基座
12‧‧‧夾鉗
14‧‧‧鉑電極
16‧‧‧電解質溶液
30‧‧‧基板
32‧‧‧GaN薄膜
34‧‧‧金屬遮罩
70‧‧‧金屬基板
72‧‧‧金屬層
74‧‧‧接觸層
76‧‧‧p型層
78‧‧‧MQW活性層
80‧‧‧nGaN基底層
82‧‧‧n接觸層
84‧‧‧鈍化層
700‧‧‧VLED晶粒
702‧‧‧載具基板
704‧‧‧n摻雜層
706‧‧‧活性層
708‧‧‧p摻雜層
710‧‧‧反射層
712‧‧‧鈍化層
714‧‧‧晶種金屬層
716‧‧‧金屬層
718‧‧‧導電基板
720‧‧‧表面
722‧‧‧LED晶圓組件
724‧‧‧光線
726‧‧‧遮罩
728‧‧‧蝕刻凹洞
730‧‧‧齒狀物
732‧‧‧表面激化特徵部
圖1係顯示一實施光電化學(PEC)氧化及蝕刻處理的示範性系統。
圖2A-2D係顯示具有金屬遮罩之第一樣品的表面輪廓圖，其係在氧化支配條件下就各種不同持續時間實施者。
圖3A-3D係顯示具有金屬遮罩之第二樣品的表面輪廓圖，其係在蝕刻支配條件下就各種不同持續時間實施者。
圖4係顯示具有頂部nGaN層之垂直發光二極體(LED)晶圓的結構。
圖5係顯示將暴露nGaN層粗糙化後之垂直LED晶圓的橫剖面圖。
圖6係顯示nGaN表面之不規則紋理型態的示範性掃描式電 子顯微鏡(SEM)圖。
符合本發明之實施例，圖7A-7E說明在表面粗糙化之前，製造具有導電基板之LED晶圓組件的步驟。
符合本發明之一實施例，圖8說明在表面粗糙化之前，n摻雜層的表面面積及發射光的路徑。
符合本發明之實施例，圖9說明施加一遮罩至圖8之n摻雜層的表面以及蝕刻該n摻雜層的表面。
符合本發明之一實施例，圖10A說明在蝕刻圖9之後，n摻雜層的表面面積。
符合本發明之一實施例，圖10B說明在蝕刻圖9之後，表面激化增強實質上穿過n摻雜層而接近活性層。
符合本發明之一實施例，圖10C說明化學濕式蝕刻圖9後之n摻雜層的表面面積，因而在該表面上形成六角形金字塔結構。
符合本發明之一實施例，圖10D說明在蝕刻圖9之後，LED晶圓組件穿過n摻雜層、活性層及p摻雜層。
符合本發明之一實施例，圖11說明在將圖10A的蝕刻表面加以粗糙化之後，n摻雜層的表面面積。.
700‧‧‧VLED晶粒
702‧‧‧載具基板
704‧‧‧n摻雜層
706‧‧‧活性層
708‧‧‧p摻雜層
710‧‧‧反射層

Claims (22)

  1. 一種粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，包含：提供一發光二極體(LED)晶圓組件，該LED晶圓組件包含：一導電基板；一p摻雜層，配置於該導電基板上；一活性層，配置於該p摻雜層上；與一n摻雜層，配置於該活性層上；施加一遮罩至該n摻雜層的一表面；蝕刻該n摻雜層的該表面，俾於該表面中形成蝕刻凹洞；移除該遮罩；及將包含該蝕刻凹洞之該n摻雜層的該表面加以粗糙化或形成紋理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該遮罩包含Ni、SiO2 、Si3 N4 及光阻至少其中一種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該遮罩具有一棋盤或蜂巢狀圖案。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該蝕刻n摻雜層表面的步驟包含：濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、及乾式蝕刻至少其中一種。
  5. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該蝕刻n摻雜層表面的步驟包含：將該n摻雜層蝕刻到離該活性層1至10nm以內。
  6. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該蝕刻n摻雜層表面的步驟包含完全地蝕刻穿透該n摻雜層的至少一部份，及包含至少部分地蝕刻穿過至少一部份的該活性層。
  7. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該蝕刻n摻雜層表面的步驟包含完全地蝕刻 穿透至少部份的該n摻雜層與該活性層，及包含至少部分地穿過該p摻雜層。
  8. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中，該n摻雜層表面粗糙化或形成紋理的步驟，包含下列至少其中一種：濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、乾式蝕刻、及施加物體至包含該蝕刻凹洞的該表面。
  9. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該導電基板包含Cu、Ni、Ni-Co、Ag、Au、Cu-Co、Cu-Mo、Ni/Cu、Cu/Ni-Co/Cu、Cu/Ni-Co/Cu/Ni-Co及Ni/Cu-Mo至少其中一種的單一層或複數層。
  10. 如申請專利範圍第1項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該LED晶圓組件包含配置在該導電基板與該p摻雜層之間的一反射層。
  11. 如申請專利範圍第10項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該反射層包含下列至少其中一種：Al、Ag、Au、Ni、Pt、Cr、Ti、Pd、Ti/Ag、Ti/Al、Ni/Ag、NiAl、Al/Ni/Au、Ag/Ni/Au及其合金。
  12. 一種粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，包含：提供一發光二極體(LED)晶圓組件，該LED晶圓組件包含：一導電基板；一p摻雜層，配置於該導電基板上；一活性層，配置於該p摻雜層上；一n摻雜層，配置於該活性層上；施加一遮罩至該n摻雜層的一表面；蝕刻該n摻雜層的該表面，使得在該表面中形成蝕刻凹洞；移除該遮罩；及將包含該蝕刻凹洞之該n摻雜層的該表面浸沒入一電解質溶液中；施加一電偏壓至該導電基板；及 照射該表面，使得光電化學(PEC)氧化及蝕刻發生，俾將包含該蝕刻凹洞之表面的該n摻雜層之該表面加以粗糙化。
  13. 如申請專利範圍第12項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，更包含在該n摻雜層上形成導電接點，其中該導電接點在該PEC氧化及蝕刻中作為一遮罩。
  14. 如申請專利範圍第12項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該電解質溶液為一氧化劑與一酸性溶液或一鹼性溶液之組合。
  15. 如申請專利範圍第14項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該氧化劑包含H2 O2 及K2 S2 O8 至少其中一種。
  16. 如申請專利範圍第14項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該酸性溶液包含下列至少其中一種：H2 SO4 、HF、HCl、H3 PO4 、HNO3 及CH3 COOH。
  17. 如申請專利範圍第14項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該鹼性溶液包含KOH、NaOH、NH4 OH或其組合。
  18. 如申請專利範圍第12項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該電偏壓的範圍是從-10V至+10V。
  19. 一種粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，包含：施加一遮罩於一發光二極體(LED)晶圓之一表面；蝕刻該LED晶圓之該表面，俾於該表面中形成蝕刻凹洞；移除該遮罩；及將包含該蝕刻凹洞之該LED晶圓的該表面予以粗糙化或形成紋理。
  20. 如申請專利範圍第19項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該遮罩包含Ni、SiO2 、Si3 N4 及光阻至少其中一種。
  21. 如申請專利範圍第19項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中蝕刻該LED晶圓的該表面的步驟包含濕式蝕 刻、光增強濕式蝕刻、及乾式蝕刻至少其中一種。
  22. 如申請專利範圍第19項之粗糙化以改善發光二極體光萃取的製造方法，其中該LED晶圓之該表面之粗糙化或形成紋理的步驟，包含下列至少其中一種：濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、乾式蝕刻、及施加物體至包含該蝕刻凹洞的該表面。
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